JP2015219371A - Treatment unit, blood vessel model, image processing method, program, and molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態は、処理装置、血管模型、画像処理方法、プログラム、および、造形装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a processing apparatus, a blood vessel model, an image processing method, a program, and a modeling apparatus.
被検体の血管内にカテーテルやステントグラフトなどを挿入し、診断や治療を行う技術が知られている。このような治療には、熟練した技術が要求されることから、事前に手術練習を積み重ねる必要がある。 A technique is known in which a catheter, a stent graft, or the like is inserted into a blood vessel of a subject to perform diagnosis or treatment. Such treatment requires skillful skills, and it is necessary to accumulate surgical practice in advance.
そこで、血管のバーチャルシミュレータや、血管の模型を造形する技術が開示されている。しかし、従来では、一般的な血管の形状や一般的な血管の材料特性に応じた、バーチャルシミュレータや模型が提供されていた。このため、各々の被検体に応じた血管の手術練習を行うことは出来なかった。すなわち、従来では、各々の被検体の血管の材料特性に応じた血管モデルを提供することは出来なかった。 Therefore, a technique for modeling a blood vessel virtual simulator and a blood vessel model is disclosed. However, conventionally, virtual simulators and models corresponding to general blood vessel shapes and general blood vessel material characteristics have been provided. For this reason, it was not possible to practice blood vessel surgery according to each subject. That is, conventionally, it has not been possible to provide a blood vessel model according to the material characteristics of each subject's blood vessels.
本発明が解決しようとする課題は、被検体の血管の材料特性に応じた血管モデルを提供可能な、処理装置、血管模型、画像処理方法、プログラム、および、造形装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a processing device, a blood vessel model, an image processing method, a program, and a modeling device capable of providing a blood vessel model according to the material characteristics of a blood vessel of a subject.
実施の形態によれば、処理装置は、第1取得部と、第2取得部と、構築部と、第1生成部と、を備える。第1取得部は、被検体の血管に関する画像を取得する。第2取得部は、血管の所定の位置の材料特性を取得する。構築部は、医用画像から、血管の三次元形状を示す形状モデルを構築する。第1生成部は、形状モデルによって示される血管の前記所定の位置に、材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する。 According to the embodiment, the processing device includes a first acquisition unit, a second acquisition unit, a construction unit, and a first generation unit. The first acquisition unit acquires an image related to the blood vessel of the subject. The second acquisition unit acquires material characteristics at a predetermined position of the blood vessel. The constructing unit constructs a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel from the medical image. A 1st production | generation part produces | generates the blood vessel model which added the additional information regarding a material characteristic to the said predetermined position of the blood vessel shown by a shape model.
以下に添付図面を参照して、処理装置、血管模型、画像処理方法、プログラム、および、造形装置の実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a processing apparatus, a blood vessel model, an image processing method, a program, and a modeling apparatus will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
なお、実施の形態では、一例として、処理装置を、医用画像診断装置で生成された画像を構造流体解析するためのコンピュータ装置に適用した場合を説明する。なお、本実施の形態では、一例として、医用画像診断装置は、医用画像を解析する場合を説明する。このコンピュータ装置は、医用画像診断装置に組み込まれていても良いし、医用画像診断装置とは別体のワークステーション等であっても良い。以下、実施の形態の処理装置の適用されたコンピュータ装置を組み込んだ医用画像診断装置を、図面を参照して詳細に説明する。なお、処理装置は、医用画像診断装置とは別体として構成されていてもよい。 In the embodiment, as an example, a case will be described in which the processing device is applied to a computer device for structural fluid analysis of an image generated by a medical image diagnostic device. In the present embodiment, as an example, a case where the medical image diagnostic apparatus analyzes a medical image will be described. This computer apparatus may be incorporated in the medical image diagnostic apparatus, or may be a workstation or the like separate from the medical image diagnostic apparatus. Hereinafter, a medical image diagnostic apparatus incorporating a computer apparatus to which a processing apparatus according to an embodiment is applied will be described in detail with reference to the drawings. The processing device may be configured as a separate body from the medical image diagnostic device.
実施の形態の医用画像診断装置は、被検体をスキャンするための撮像機構を装備する如何なる種類の画像診断装置にも適用可能である。実施の形態の医用画像診断装置としては、例えばX線コンピュータ断層撮影装置(X線CT装置)、磁気共鳴診断装置、超音波診断装置、SPECT(Single Photon Emission CT)装置、PET(Positron Emission Tomography)装置、および放射線治療装置等に適宜利用可能である。以下、説明を具体的に行うため実施の形態の医用画像診断装置は、X線コンピュータ断層撮影装置であるものとする。 The medical image diagnostic apparatus of the embodiment can be applied to any type of image diagnostic apparatus equipped with an imaging mechanism for scanning a subject. Examples of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment include an X-ray computed tomography apparatus (X-ray CT apparatus), a magnetic resonance diagnostic apparatus, an ultrasonic diagnostic apparatus, a SPECT (Single Photon Emission CT) apparatus, and a PET (Positron Emission Tomography). The present invention can be appropriately used for an apparatus, a radiotherapy apparatus, and the like. Hereinafter, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment is assumed to be an X-ray computed tomography apparatus for specific description.
図1は、実施の形態の医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)の概略的なハードウェア構成図である。図1に示すように、X線コンピュータ断層撮影装置は、CT架台10と、コンソール20と、造形部72と、を有する。CT架台10と、造形部72と、はコンソール20に信号授受可能に接続されている。 FIG. 1 is a schematic hardware configuration diagram of a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus) according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the X-ray computed tomography apparatus includes a CT gantry 10, a console 20, and a modeling unit 72. The CT mount 10 and the modeling unit 72 are connected to the console 20 so as to be able to exchange signals.
造形部72は、三次元造形物を製造する公知の装置である。造形部72は、三次元造形物を造形可能な装置であればよく、例えば、熱溶解積層方式、粉末固着方式の何れであってもよい。 The modeling unit 72 is a known device for manufacturing a three-dimensional modeled object. The modeling unit 72 may be an apparatus capable of modeling a three-dimensional modeled object, and may be, for example, either a hot melt lamination method or a powder fixing method.
なお、本実施の形態では、造形部72が造形に用いる材料は、人間の血管の機械的特性の取り得る範囲を満たす材料を用いることが好ましい。具体的には、造形部72が造形に用いる材料は、ヤング率0.01MPaから20MPa程度の材料であることが好ましい。例えば、造形部72は、シリコーンゴムなどの、可撓性、弾発性を有する模擬血管材料を用いて造形することが好ましい。 In the present embodiment, the material used by the modeling unit 72 for modeling is preferably a material that satisfies the range that can be taken by the mechanical characteristics of human blood vessels. Specifically, the material used for modeling by the modeling unit 72 is preferably a material having a Young's modulus of about 0.01 MPa to 20 MPa. For example, the modeling part 72 is preferably modeled using a simulated blood vessel material having flexibility and elasticity such as silicone rubber.
CT架台10は、コンソール20の架台制御部23の制御に従って、X線で被検体の撮像部位をスキャンする。撮像部位は、例えば心臓である。 The CT gantry 10 scans the imaging region of the subject with X-rays under the control of the gantry controller 23 of the console 20. The imaging site is, for example, the heart.
CT架台10は、X線管11、X線検出器13、およびデータ収集装置15を有している。X線管11とX線検出器13とは、回転軸Z回りに回転可能にCT架台10に装備されている。X線管11は、造影剤が注入された被検体にX線を照射する。X線検出器13は、X線管11から発生され被検体を透過したX線を検出し、検出されたX線の強度に応じた電気信号を発生する。 The CT mount 10 includes an X-ray tube 11, an X-ray detector 13, and a data acquisition device 15. The X-ray tube 11 and the X-ray detector 13 are mounted on the CT mount 10 so as to be rotatable around the rotation axis Z. The X-ray tube 11 irradiates a subject into which a contrast medium has been injected with X-rays. The X-ray detector 13 detects X-rays generated from the X-ray tube 11 and transmitted through the subject, and generates an electric signal corresponding to the detected X-ray intensity.
データ収集装置15は、X線検出器13から電気信号を読み出してデジタルデータに変換する。1ビュー毎のデジタルデータのセットは、生データセットと呼ばれている。複数のスキャン時刻に関する時系列の生データセットは、非接触データ伝送装置(図示しない)によりコンソール20に伝送される。 The data collection device 15 reads an electrical signal from the X-ray detector 13 and converts it into digital data. A set of digital data for each view is called a raw data set. A time-series raw data set relating to a plurality of scan times is transmitted to the console 20 by a non-contact data transmission device (not shown).
コンソール20は、架台制御部23、再構成装置25、血管解析装置50、処理装置70、入力部29、表示部31、及び記憶部33を有する。 The console 20 includes a gantry control unit 23, a reconstruction device 25, a blood vessel analysis device 50, a processing device 70, an input unit 29, a display unit 31, and a storage unit 33.
架台制御部23は、ユーザにより入力部29を介して設定されたスキャン条件に応じてコンソール20内の各装置を制御する。 The gantry control unit 23 controls each device in the console 20 according to the scanning conditions set by the user via the input unit 29.
再構成装置25は、生データセットに基づいて、被検体に関するCT画像を発生する。具体的には、まず、再構成装置25は、生データセットに前処理を施して投影データセットを発生する。前処理としては、対数変換や不均一補正、キャリブレーション補正等が含まれる。次に、再構成装置25は、投影データセットに画像再構成処理を施してCT画像を発生する。画像再構成アルゴリズムとしては、FBP(filtered backprojection)法等の解析学的画像再構成法や、ML−EM(maximum likelihood expectation maximization)法やOS−EM(ordered subset expectation maximization)法等の逐次近似画像再構成等の既存のアルゴリズムが採用可能である。 The reconstruction device 25 generates a CT image related to the subject based on the raw data set. Specifically, first, the reconstruction device 25 generates a projection data set by pre-processing the raw data set. Pre-processing includes logarithmic conversion, nonuniformity correction, calibration correction, and the like. Next, the reconstruction device 25 performs an image reconstruction process on the projection data set to generate a CT image. As an image reconstruction algorithm, an analytical image reconstruction method such as FBP (filtered back projection) method, an ML-EM (maximum likelihood projection optimization) method, an OS-EM (ordered subset extraction approximate image) method, etc. Existing algorithms such as reconstruction can be employed.
実施の形態において再構成装置25は、時系列の投影データセットに基づいて、時系列のCT画像を発生する。CT画像は、造影剤により造影された血管に関する画素領域(以下、血管領域と称する)を含む。なお、CT画像は、CT値の2次元空間分布を表現するスライスデータであっても良いし、CT値の3次元空間分布を表現するボリュームデータであっても良い。以下、CT画像はボリュームデータであるとする。時系列のCT画像は、記憶部33に記憶される。 In the embodiment, the reconstruction device 25 generates a time-series CT image based on the time-series projection data set. The CT image includes a pixel region (hereinafter referred to as a blood vessel region) related to a blood vessel contrasted with a contrast agent. Note that the CT image may be slice data representing a two-dimensional spatial distribution of CT values, or volume data representing a three-dimensional spatial distribution of CT values. Hereinafter, it is assumed that the CT image is volume data. A time-series CT image is stored in the storage unit 33.
血管解析装置50は、システム制御部21と、解析装置27と、を含む。 The blood vessel analysis device 50 includes a system control unit 21 and an analysis device 27.
システム制御部21は、架台制御部23、再構成装置25、解析装置27、入力部29、表示部31、および記憶部33に接続されており、これらを制御する。 The system control unit 21 is connected to the gantry control unit 23, the reconstruction device 25, the analysis device 27, the input unit 29, the display unit 31, and the storage unit 33, and controls them.
解析装置27は、画像を用いて構造流体解析を実行する。本実施の形態では、一例として、解析装置27は、時系列のCT画像(医用画像)を用いて、構造流体解析を実行する場合を説明する。そして、解析装置27は、被検体の血管の所定の位置の材料特性(詳細後述)を算出する。具体的には、解析装置27は、被検体の医用画像から後述する処理によって最終的に構築した力学モデルを解析することで、材料特性を算出する。本実施の形態では、一例として、解析装置27は、被検体の血管の各位置の材料特性を算出する場合を説明する。解析装置27の詳細は後述する。 The analysis device 27 performs structural fluid analysis using the image. In the present embodiment, as an example, the analysis device 27 will be described using a time-series CT image (medical image) to perform structural fluid analysis. Then, the analysis device 27 calculates material characteristics (details will be described later) at a predetermined position of the blood vessel of the subject. Specifically, the analysis device 27 calculates a material characteristic by analyzing a mechanical model that is finally constructed from a medical image of the subject by a process described later. In the present embodiment, as an example, the analysis device 27 will be described with respect to a case where the material property at each position of the blood vessel of the subject is calculated. Details of the analysis device 27 will be described later.
医用画像は、被検体の血管の形状を同定可能な画像である。医用画像は、例えば、時系列のCT画像や、MRI画像や、超音波エコー画像などである。 The medical image is an image that can identify the shape of the blood vessel of the subject. The medical image is, for example, a time-series CT image, an MRI image, an ultrasonic echo image, or the like.
本実施の形態では、医用画像として、時系列のCT画像を用いる場合を一例として説明する。 In the present embodiment, a case where a time-series CT image is used as a medical image will be described as an example.
血管解析装置50は、医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)に組み込まれていても良いし、医用画像診断装置とは別体のコンピュータ装置であっても良い。血管解析装置50が医用画像診断装置とは別体の場合、血管解析装置50は、医用画像診断装置やPACS(picturearchiving and communication systems)からネットワークを介して時系列のCT画像等の医用画像を収集すれば良い。 The blood vessel analyzing apparatus 50 may be incorporated in a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus), or may be a computer apparatus separate from the medical image diagnostic apparatus. When the blood vessel analysis device 50 is separate from the medical image diagnostic device, the blood vessel analysis device 50 collects medical images such as time-series CT images from the medical image diagnostic device or PACS (picture learning and communication systems) via the network. Just do it.
記憶部33は、ハードディスク装置等の種々の記憶媒体により構成される。記憶部33は、時系列の投影データや時系列のCT画像などの種々のデータを記憶する。例えば、記憶部33は、時系列のCT画像をDICOM(digital imaging and communications in medicine)規格に準拠した医用画像ファイル形式で記憶する。また、記憶部33は、外部機器により収集された医用画像を記憶しても良い。 The storage unit 33 includes various storage media such as a hard disk device. The storage unit 33 stores various data such as time-series projection data and time-series CT images. For example, the storage unit 33 stores time-series CT images in a medical image file format conforming to the DICOM (digital imaging and communications in medicine) standard. The storage unit 33 may store medical images collected by an external device.
入力部29は、ユーザからの各種指示や情報入力を受け付ける。入力部29は、例えば、キーボード、マウス、スイッチ等である。 The input unit 29 receives various instructions and information input from the user. The input unit 29 is, for example, a keyboard, a mouse, a switch, or the like.
表示部31は、各種画像を表示する。表示部31は、例えばCRTディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、プラズマディスプレイ等である。 The display unit 31 displays various images. The display unit 31 is, for example, a CRT display, a liquid crystal display, an organic EL display, a plasma display, or the like.
なお、入力部29と表示部31とを一体的に構築したUI部73としてもよい。UI部73には、表示機能と入力機能の双方を備えたタッチパネルなどがある。 Note that the UI unit 73 in which the input unit 29 and the display unit 31 are integrally constructed may be used. The UI unit 73 includes a touch panel having both a display function and an input function.
処理装置70は、解析装置27、再構成装置25、入力部29、表示部31、及び記憶部33に電気的に接続されている。また、処理装置70は、造形部72に電気的に接続されている。 The processing device 70 is electrically connected to the analysis device 27, the reconstruction device 25, the input unit 29, the display unit 31, and the storage unit 33. Further, the processing device 70 is electrically connected to the modeling unit 72.
処理装置70は、血管モデルを生成する装置である。 The processing device 70 is a device that generates a blood vessel model.
血管モデルは、被検体の血管の血管模型の生成に用いる画像データであると共に、被検体の血管の血管画像の生成に用いる画像データである。 The blood vessel model is image data used for generating a blood vessel model of a blood vessel of a subject and image data used for generating a blood vessel image of a blood vessel of the subject.
図2は、処理装置70の機能ブロック図である。 FIG. 2 is a functional block diagram of the processing device 70.
処理装置70は、第1取得部70Aと、第2取得部70Bと、構築部70Cと、第1生成部70Dと、第1制御部70Eと、受付部70Fと、第2生成部70Gと、第2制御部70Hと、第3制御部70Iと、を含む。 The processing device 70 includes a first acquisition unit 70A, a second acquisition unit 70B, a construction unit 70C, a first generation unit 70D, a first control unit 70E, a reception unit 70F, a second generation unit 70G, A second control unit 70H and a third control unit 70I are included.
第1取得部70A、第2取得部70B、構築部70C、第1生成部70D、第1制御部70E、受付部70F、第2生成部70G、第2制御部70H、及び第3制御部70Iの一部またはすべては、例えば、CPU(Central Processing Unit)などの処理装置にプログラムを実行させること、−すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、IC(Integrated Circuit)などのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。 First acquisition unit 70A, second acquisition unit 70B, construction unit 70C, first generation unit 70D, first control unit 70E, reception unit 70F, second generation unit 70G, second control unit 70H, and third control unit 70I A part or all of, for example, causes a processing device such as a CPU (Central Processing Unit) to execute a program, that is, may be realized by software, or may be realized by hardware such as IC (Integrated Circuit). It may be realized by using software and hardware together.
第1取得部70Aは、被検体の血管に関する画像を取得する。第1取得部70Aは、再構成装置25(図1参照)から、被検体の血管に関する画像を取得する。なお、第1取得部70Aは、記憶部33から、被検体の血管に関する画像を取得してもよい。 70 A of 1st acquisition parts acquire the image regarding the blood vessel of a subject. 70 A of 1st acquisition parts acquire the image regarding the blood vessel of a subject from the reconstruction apparatus 25 (refer FIG. 1). The first acquisition unit 70A may acquire an image related to the blood vessel of the subject from the storage unit 33.
第2取得部70Bは、上記医用画像の被検体の血管の所定の位置の材料特性を取得する。第2取得部70Bは、解析装置27から、被検体の血管の所定の位置の材料特性を取得する。本実施の形態では、第2取得部70Bは、解析装置27から、被検体の血管の各位置の材料特性を取得する場合を説明する。 The second acquisition unit 70B acquires material characteristics of a predetermined position of the blood vessel of the subject in the medical image. The second acquisition unit 70B acquires material characteristics at a predetermined position of the blood vessel of the subject from the analysis device 27. In the present embodiment, a case will be described in which the second acquisition unit 70B acquires material properties at each position of the blood vessel of the subject from the analysis device 27.
材料特性は、被検体の血管の、圧力に対する血管変形率を示す。材料特性は、具体的には、被検体の血管の、芯線方向及び周方向に沿った各位置の、弾性率、可撓性、強度、硬度(硬さ)、靱性などを示す。 The material property indicates the blood vessel deformation rate with respect to the pressure of the blood vessel of the subject. Specifically, the material properties indicate the elastic modulus, flexibility, strength, hardness (hardness), toughness, and the like of each position along the core line direction and the circumferential direction of the blood vessel of the subject.
弾性率は、例えば、ヤング率やポアソン比である。強度は、例えば、剛性、引張強さ、圧縮強さ、せん断強さ、などを示す。硬さは、例えば、ビッカース硬さ、ブリネル硬さ、ロックウェル硬さ、ショア硬さ、ヌープ硬さ、モース硬さ、などを示す。靭性は、物質破壊に対する仕事量、粘り強さ、脆性(もろさ)などを示す。 The elastic modulus is, for example, Young's modulus or Poisson's ratio. The strength indicates, for example, rigidity, tensile strength, compressive strength, shear strength, and the like. The hardness indicates, for example, Vickers hardness, Brinell hardness, Rockwell hardness, Shore hardness, Knoop hardness, Mohs hardness, and the like. Toughness refers to the work load, tenacity, brittleness (brittleness), etc. for material destruction.
なお、第2取得部70Bは、解析装置27から、力学モデルを取得してもよい。そして、力学モデルを解析することで、被検体の血管の材料特性を取得してもよい。 Note that the second acquisition unit 70B may acquire a dynamic model from the analysis device 27. Then, the material property of the blood vessel of the subject may be acquired by analyzing the dynamic model.
力学モデルは、時系列の医用画像から構築された、血管の三次元形状を示す形状モデルに、血管の形状履歴(時系列の血管形態指標)や、強制変位履歴(時系列の血管形状変形指標)を割当てることで、医用画像からは直接的には導き出すことの困難な、血管の変形挙動などを付加したデータである。 A dynamic model is a shape model that shows a three-dimensional shape of a blood vessel constructed from time-series medical images, a blood vessel shape history (time-series blood vessel shape index), and a forced displacement history (time-series blood vessel shape deformation index). ) To which the blood vessel deformation behavior, which is difficult to derive directly from the medical image, is added.
構築部70Cは、第1取得部70Aで取得した被検体の時系列の医用画像から、形状モデルを構築する。形状モデルは、被検体の血管の三次元形状を示すデータである。形状モデルは、具体的には、各時刻における血管の幾何学的構造を示すデータである。形状モデルの構築には、公知の方法を用いればよい。 The construction unit 70C constructs a shape model from the time-series medical images of the subject acquired by the first acquisition unit 70A. The shape model is data indicating the three-dimensional shape of the blood vessel of the subject. Specifically, the shape model is data indicating the geometric structure of the blood vessel at each time. A known method may be used to construct the shape model.
図3は、形状モデル80の一例を示す図である。図3(A)に示すように、形状モデル80は、被検体の血管の三次元の形状そのものを示すデータであり、医用画像から構築される。このため、形状モデル80は、被検体の実際の血管の弾性率などの材料特性を含むものではない。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the shape model 80. As shown in FIG. 3A, the shape model 80 is data indicating the three-dimensional shape itself of the blood vessel of the subject, and is constructed from a medical image. For this reason, the shape model 80 does not include material characteristics such as the elastic modulus of the actual blood vessel of the subject.
実際には、図3(B)に示すように、形状モデル80によって示される形状の血管に対応する、実際の被検体の血管の材料特性は、血管における各位置によって異なる。例えば、図3(B)に示すように、形状モデル80によって示される形状の血管の血管壁82の内、例えば、プラークの形成された位置A1の剛性は高く、プラークの形成されていない位置A3、プラークに連続する位置A2、の順に、剛性が低い。しかし、医用画像から構築された形状モデル80は、形状そのものを示すため、形状モデル80から実際の被検体の血管の材料特性を得ることは出来ない。 Actually, as shown in FIG. 3B, the actual material characteristics of the blood vessel of the subject corresponding to the blood vessel having the shape shown by the shape model 80 differ depending on each position in the blood vessel. For example, as shown in FIG. 3B, among the blood vessel wall 82 of the blood vessel having the shape shown by the shape model 80, for example, the position A1 where the plaque is formed has high rigidity, and the position A3 where the plaque is not formed. The rigidity is low in the order of the position A2 continuous with the plaque. However, since the shape model 80 constructed from the medical image shows the shape itself, the material characteristics of the blood vessel of the actual subject cannot be obtained from the shape model 80.
そこで、第1生成部70Dは、構築部70Cが構築した形状モデルによって示される、被検体の血管の所定の位置に、第2取得部70Bで取得した被検体の血管の材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する。本実施の形態では、一例として、第1生成部70Dは、該形状モデルによって示される被検体の血管の各位置に、各位置に対応する材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する場合を説明する。 Therefore, the first generation unit 70D adds additional information related to the material characteristics of the blood vessel of the subject acquired by the second acquisition unit 70B to a predetermined position of the blood vessel of the subject indicated by the shape model constructed by the construction unit 70C. An added blood vessel model is generated. In the present embodiment, as an example, the first generation unit 70D generates a blood vessel model in which additional information regarding material characteristics corresponding to each position is added to each position of the blood vessel of the subject indicated by the shape model. Will be explained.
血管モデルは、被検体の血管の三次元形状を示すデータである形状モデルに、該血管の各位置の材料特性に関する付加情報を付加したものである。 The blood vessel model is obtained by adding additional information related to material characteristics at each position of the blood vessel to the shape model which is data indicating the three-dimensional shape of the blood vessel of the subject.
付加情報は、形状モデルによって示される血管の位置ごとの、材料特性に関する情報であればよい。付加情報は、材料特性そのものであってもよいし、材料特性を実現可能な手段や方法を示す情報であってもよいし、材料特性を異なる種類の特性に変換した情報であってもよい。 The additional information may be information regarding material characteristics for each position of the blood vessel indicated by the shape model. The additional information may be material characteristics themselves, information indicating means and methods that can realize the material characteristics, or information obtained by converting the material characteristics into different types of characteristics.
また、付加情報は、形状モデルを構成する各画素の三次元座標ごとに、被検体の血管における対応する位置の材料特性に関する情報を示したものであればよい。 Further, the additional information only needs to indicate information on the material characteristics of the corresponding position in the blood vessel of the subject for each three-dimensional coordinate of each pixel constituting the shape model.
材料特性に関する付加情報は、例えば、血管壁の内壁に対する外壁の相対位置を補正した情報、血管モデルに応じた血管模型の各位置の造形材料の種類を示す情報、及び、補強部材の付与位置を示す情報、の少なくとも1つである。これらの付加情報はいずれも、材料特性に応じて、血管の位置毎に生成される。 The additional information regarding the material characteristics includes, for example, information obtained by correcting the relative position of the outer wall with respect to the inner wall of the blood vessel wall, information indicating the type of modeling material at each position of the blood vessel model according to the blood vessel model, and the application position of the reinforcing member. At least one piece of information to be shown. Any of these additional information is generated for each position of the blood vessel according to the material characteristics.
まず、付加情報が、血管壁の内壁に対する外壁の相対位置を補正した情報である場合を説明する。例えば、第1生成部70Dは、生成する血管モデルによって示される血管壁の厚みが、被検体の血管の各位置の材料特性に応じた厚みとなるように、血管モデルによって示される血管の内壁に対する外壁の相対位置を補正した付加情報を付加した、血管モデルを生成する。 First, a case where the additional information is information obtained by correcting the relative position of the outer wall with respect to the inner wall of the blood vessel wall will be described. For example, the first generation unit 70D applies the inner wall of the blood vessel indicated by the blood vessel model so that the thickness of the blood vessel wall indicated by the blood vessel model to be generated becomes a thickness according to the material characteristics of each position of the blood vessel of the subject A blood vessel model is generated with additional information obtained by correcting the relative position of the outer wall.
図4は、血管モデル生成の説明図である。図4(A)は、形状モデル40の一例を示す図である。図4(B)は、図4(A)に示す形状モデル40に、付加情報48を付加した血管モデルM102の一例の説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of blood vessel model generation. FIG. 4A is a diagram illustrating an example of the shape model 40. FIG. 4B is an explanatory diagram of an example of a blood vessel model M102 in which additional information 48 is added to the shape model 40 shown in FIG.
例えば、第2取得部70Bで取得した被検体の血管の材料特性としての硬度が、図4(A)に示すように、血管における、位置A1>位置A3>位置A2の関係を示すとする。すなわち、位置A1の硬度が最も高く、位置A3、位置A3のこの順に硬度が低いとする。 For example, it is assumed that the hardness as the material characteristic of the blood vessel of the subject acquired by the second acquisition unit 70B indicates a relationship of position A1> position A3> position A2 in the blood vessel as shown in FIG. That is, it is assumed that the hardness at the position A1 is the highest, and the hardness is low in this order of the position A3 and the position A3.
この場合、第1生成部70Dは、図4(B)に示すように、生成する血管モデルM102によって示される血管壁42の厚みが、被検体の血管の各位置A1〜位置A3の材料特性を実現可能な厚みとなるように、血管モデルM102によって示される血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報(図4(B)中、付加情報48A〜48C参照)を付加した、血管モデルM102を生成する。 In this case, as shown in FIG. 4B, the first generation unit 70D determines that the thickness of the blood vessel wall 42 indicated by the blood vessel model M102 to be generated is the material property of each position A1 to position A3 of the blood vessel of the subject. A blood vessel to which additional information (see additional information 48A to 48C in FIG. 4B) is added to correct the relative position of the outer wall 40B to the inner wall 40A of the blood vessel indicated by the blood vessel model M102 so as to achieve a realizable thickness. A model M102 is generated.
具体的には、第1生成部70Dは、材料特性が硬度を示す場合、硬度が高くなるほど、血管壁42の厚みが厚くなるように、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報を付加する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が弾性率を示す場合、弾性率が低いほど、血管壁42の厚みが厚くなるように、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報を付加する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が可撓性を示す場合、可撓性が低くなるほど、血管壁42の厚みが厚くなるように、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報を付加する。また、第1生成部70Dは、材料特性が強度を示す場合、強度が高くなるほど、血管壁42の厚みが厚くなるように、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報を付加する。 Specifically, when the material property indicates hardness, the first generation unit 70D corrects the relative position of the outer wall 40B with respect to the inner wall 40A of the blood vessel so that the thickness of the blood vessel wall 42 increases as the hardness increases. Add information. Similarly, when the material property indicates the elastic modulus, the first generation unit 70D adds the corrected relative position of the outer wall 40B to the inner wall 40A of the blood vessel so that the lower the elastic modulus, the thicker the blood vessel wall 42 becomes. Add information. Similarly, when the material property indicates flexibility, the first generation unit 70D corrects the relative position of the outer wall 40B with respect to the inner wall 40A of the blood vessel so that the thickness of the blood vessel wall 42 increases as the flexibility decreases. Append additional information. In addition, when the material property indicates strength, the first generation unit 70D adds additional information obtained by correcting the relative position of the outer wall 40B with respect to the inner wall 40A of the blood vessel so that the thickness of the blood vessel wall 42 increases as the strength increases. To do.
また、第1生成部70Dは、材料特性が、弾性率、可撓性、強度、硬度、および、靱性などの材料特性を示すパラメータの複数を組み合わせた特性を示す場合、これらの複数のパラメータの材料特性を実現可能な厚みとなるように、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報を付加する。 In addition, when the first generation unit 70D indicates a characteristic in which a plurality of parameters indicating material characteristics such as elastic modulus, flexibility, strength, hardness, and toughness are combined, the first generation unit 70D Additional information in which the relative position of the outer wall 40B with respect to the inner wall 40A of the blood vessel is corrected is added so that the material property can be realized.
すなわち、第1生成部70Dは、形状モデルによって示される被検体の血管の内径は変えず、血管の外径を変更するように(すなわち、外壁の位置を変更するように)、血管の内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置を補正した付加情報48(付加情報48A〜48C参照)を付加する。 In other words, the first generation unit 70D does not change the inner diameter of the blood vessel of the subject indicated by the shape model, but changes the outer diameter of the blood vessel (that is, changes the position of the outer wall), so that the inner wall 40A of the blood vessel is changed. Additional information 48 (see additional information 48A to 48C) in which the relative position of the outer wall 40B with respect to is corrected is added.
このため、血管モデルM102は、図4(B)に示すように、血管の内径については、形状モデル40によって示される内径と略同じである。一方、血管モデルM102によって示される血管の外径については、形状モデル40によって示される血管の外径とは異なる。すなわち、血管モデルM102は、対応する位置の材料特性を実現可能な厚みとなるように、内壁40Aに対する外壁40Bの相対位置が補正されたものとなる。 Therefore, as shown in FIG. 4B, the blood vessel model M102 has substantially the same inner diameter as the inner diameter indicated by the shape model 40, as shown in FIG. On the other hand, the outer diameter of the blood vessel indicated by the blood vessel model M102 is different from the outer diameter of the blood vessel indicated by the shape model 40. That is, the blood vessel model M102 is obtained by correcting the relative position of the outer wall 40B with respect to the inner wall 40A so as to have a thickness capable of realizing the material characteristics at the corresponding position.
次に、付加情報が、血管モデルに応じた血管模型の各位置の造形材料の種類を示す情報である場合を説明する。 Next, a case where the additional information is information indicating the type of modeling material at each position of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model will be described.
例えば、第1生成部70Dは、血管モデルに応じた血管模型の各位置の造形材料が、対応する各位置の材料特性を満たすように、血管模型の各位置の造形材料の種類を示す付加情報を付加した血管モデルを生成する。 For example, the first generation unit 70D indicates additional information indicating the type of modeling material at each position of the blood vessel model so that the modeling material at each position of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model satisfies the material characteristics of each corresponding position. A blood vessel model to which is added is generated.
図5は、血管モデル生成の説明図である。図5(A)は、形状モデル40の一例を示す図であり、図4(A)と同様である。図4(A)と同様に、例えば、第2取得部70Bで取得した被検体の血管の材料特性としての硬度が、図5(A)に示すように、位置A1>位置A3>位置A2の関係を示すとする。すなわち、位置A1の硬度が最も高く、位置A3、位置A3のこの順に硬度が低いとする。 FIG. 5 is an explanatory diagram of blood vessel model generation. FIG. 5A shows an example of the shape model 40, which is the same as FIG. 4A. Similarly to FIG. 4A, for example, the hardness as the material characteristic of the blood vessel of the subject acquired by the second acquisition unit 70B is such that position A1> position A3> position A2, as shown in FIG. Let's show the relationship. That is, it is assumed that the hardness at the position A1 is the highest, and the hardness is low in this order of the position A3 and the position A3.
図5(B)は、図5(A)に示す形状モデル40に、付加情報46を付加した血管モデルM100の一例の説明図である。 FIG. 5B is an explanatory diagram of an example of a blood vessel model M100 in which additional information 46 is added to the shape model 40 shown in FIG.
この場合、第1生成部70Dは、図5(B)に示すように、生成する血管モデルM100に応じた血管模型D100によって示される血管壁42の造形材料が、被検体の血管の各位置A1〜位置A3の材料特性を満たすように、血管模型D100の各位置の造形材料の種類を示す付加情報46(付加情報46A〜46C)を付加した、血管モデルM100を生成する。 In this case, as shown in FIG. 5B, the first generation unit 70D uses the modeling material of the blood vessel wall 42 indicated by the blood vessel model D100 corresponding to the blood vessel model M100 to be generated, for each position A1 of the blood vessel of the subject. A blood vessel model M100 is generated to which additional information 46 (additional information 46A to 46C) indicating the type of modeling material at each position of the blood vessel model D100 is added so as to satisfy the material characteristics of the position A3.
具体的には、第1生成部70Dは、材料特性が硬度を示す場合、材料特性によって示される各位置の硬度を実現可能な材料であって、且つ、血管模型D100を造形する造形部72(図1参照)で使用可能な造形材料の種類を示す情報を付加する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が弾性率を示す場合、材料特性によって示される各位置の弾性率を実現可能な材料であって、且つ、血管模型D100を造形する造形部72(図1参照)で使用可能な造形材料の種類を示す付加情報を付加する。また、同様に、第1生成部70Dは、材料特性が可撓性を示す場合、材料特性によって示される各位置の可撓性を実現可能な材料であって、且つ、血管模型D100を造形する造形部72(図1参照)で使用可能な造形材料の種類を示す付加情報を付加する。また、第1生成部70Dは、材料特性が強度を示す場合、材料特性によって示される各位置の強度を実現可能な材料であって、且つ、血管模型D100を造形する造形部72(図1参照)で使用可能な造形材料の種類を示す情報を付加する。 Specifically, when the material property indicates hardness, the first generation unit 70D is a material that can realize the hardness at each position indicated by the material property, and the modeling unit 72 (models the blood vessel model D100). 1), information indicating the type of modeling material that can be used is added. Similarly, the first generation unit 70D is a material that can realize the elastic modulus at each position indicated by the material characteristic when the material characteristic indicates the elastic modulus, and the modeling unit 72 (models the blood vessel model D100). Additional information indicating the type of modeling material that can be used in FIG. 1 is added. Similarly, when the material property indicates flexibility, the first generation unit 70D is a material that can realize the flexibility at each position indicated by the material property, and forms the blood vessel model D100. Additional information indicating the type of modeling material that can be used in the modeling unit 72 (see FIG. 1) is added. In addition, when the material property indicates strength, the first generation unit 70D is a material that can realize the strength at each position indicated by the material property, and the modeling unit 72 that models the blood vessel model D100 (see FIG. 1). ) To add information indicating the type of modeling material that can be used.
また、第1生成部70Dは、材料特性が、弾性率、可撓性、強度、硬度、および、靱性などの材料特性を示すパラメータの複数を組み合わせた特性を示す場合、これらの複数のパラメータの材料特性に応じた造形材料の種類を示す付加情報を付加する。 In addition, when the first generation unit 70D indicates a characteristic in which a plurality of parameters indicating material characteristics such as elastic modulus, flexibility, strength, hardness, and toughness are combined, the first generation unit 70D Additional information indicating the type of modeling material corresponding to the material characteristics is added.
すなわち、第1生成部70Dは、材料特性に応じた機械的強度を実現するために、形状モデルによって示される被検体の血管の形状は変えず、血管模型D100の造形に用いる造形材料の種類を位置ごとに定めた付加情報を付加する。 That is, the first generation unit 70D does not change the shape of the blood vessel of the subject indicated by the shape model in order to realize the mechanical strength according to the material characteristics, and changes the type of modeling material used for modeling the blood vessel model D100. Additional information determined for each position is added.
このため、血管モデルM100は、図5(B)に示すように、血管の内径、外径、及び形状については、形状モデル40によって示される形状及び大きさと略同じである。しかし、血管モデルM100には、形状モデル40に、対応する位置の材料特性を実現可能な造形材料の種類が付加情報として付与されている。 For this reason, as shown in FIG. 5B, the blood vessel model M100 is substantially the same as the shape and size indicated by the shape model 40 with respect to the inner diameter, outer diameter, and shape of the blood vessel. However, in the blood vessel model M100, the type of modeling material capable of realizing the material characteristics at the corresponding position in the shape model 40 is given as additional information.
次に、付加情報が、補強部材の付与位置を示す情報である場合を説明する。 Next, a case where the additional information is information indicating the application position of the reinforcing member will be described.
例えば、第1生成部70Dは、血管モデルに応じた血管模型の各位置の機械特性が、対応する各位置の材料特性を満たすように、補強部材の付与位置を示す付加情報を付加した血管モデルを生成する。 For example, the first generation unit 70D adds the additional information indicating the application position of the reinforcing member so that the mechanical characteristics at each position of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model satisfy the material characteristics at each corresponding position. Is generated.
図6は、血管モデル生成の説明図である。図6(A)は、形状モデル40の一例を示す図であり、図4(A)と同様である。図4(A)と同様に、例えば、第2取得部70Bで取得した被検体の血管の材料特性としての硬度が、図6(A)に示すように、位置A1>位置A3>位置A2の関係を示すとする。すなわち、位置A1の硬度が最も高く、位置A3、位置A3のこの順に硬度が低いとする。 FIG. 6 is an explanatory diagram of blood vessel model generation. FIG. 6A shows an example of the shape model 40, which is the same as FIG. 4A. As in FIG. 4A, for example, the hardness as the material characteristic of the blood vessel of the subject acquired by the second acquisition unit 70B is such that position A1> position A3> position A2, as shown in FIG. Let's show the relationship. That is, it is assumed that the hardness at the position A1 is the highest, and the hardness is low in this order of the position A3 and the position A3.
図6(B)は、図6(A)に示す形状モデル40に、付加情報49を付加した血管モデルM104の一例の説明図である。 FIG. 6B is an explanatory diagram of an example of a blood vessel model M104 in which additional information 49 is added to the shape model 40 shown in FIG.
この場合、第1生成部70Dは、図6(B)に示すように、生成する血管モデルM104に応じた血管模型D104の各位置の機械強度が、被検体の血管の各位置A1〜位置A3の材料特性を満たすように、血管模型D104によって示される血管を外側から補強する補強部材Pの種類、および補強部材Pの付与位置を示す、付加情報49(付加情報49A〜49C)を付加した、血管モデルM104を生成する。 In this case, as shown in FIG. 6B, the first generation unit 70D has the mechanical strength at each position of the blood vessel model D104 corresponding to the blood vessel model M104 to be generated as the positions A1 to A3 of the blood vessels of the subject. The additional information 49 (additional information 49A to 49C) indicating the type of the reinforcing member P that reinforces the blood vessel indicated by the blood vessel model D104 from the outside and the applying position of the reinforcing member P is added so as to satisfy the material characteristics of A blood vessel model M104 is generated.
更に詳細には、第1生成部70Dは、図6(B)に示すように、生成する血管モデルM104に応じた血管模型D104における、血管壁42の内壁側から測定したときの強度が、対応する各位置の材料特性を満たすように、補強部材Pの種類、および、血管壁42の外側への補強部材Pの付与位置、を示す付加情報49(付加情報49A〜49C)を付加した、血管モデルM104を生成する。 More specifically, as shown in FIG. 6B, the first generation unit 70D has a strength when measured from the inner wall side of the blood vessel wall 42 in the blood vessel model D104 corresponding to the blood vessel model M104 to be generated. A blood vessel to which additional information 49 (additional information 49A to 49C) indicating the type of the reinforcing member P and the position where the reinforcing member P is applied to the outside of the blood vessel wall 42 is added so as to satisfy the material characteristics of each position. A model M104 is generated.
具体的には、第1生成部70Dは、材料特性が硬度を示す場合、硬度が高い位置ほど、より厚みの厚い補強部材Pを設置するように、補強部材Pの種類(例えば、厚み)と、血管壁42の外側への補強部材Pの付与位置と、を示す付加情報を付加した、血管モデルM104を生成する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が弾性率を示す場合、弾性率が低い位置ほど、より厚みの厚い補強部材Pを設置するように、補強部材Pの種類と、血管壁42の外側への補強部材Pの付与位置と、を示す付加情報を付加した、血管モデルM104を生成する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が可撓性を示す場合、可撓性が低い位置ほど、より厚みの厚い補強部材Pを設置するように、補強部材Pの種類と、血管壁42の外側への補強部材Pの付与位置と、を示す付加情報を付加した、血管モデルM104を生成する。同様に、第1生成部70Dは、材料特性が強度を示す場合、強度が高い位置ほど、より厚みの厚い補強部材Pを設置するように、補強部材Pの種類と、血管壁42の外側への補強部材Pの付与位置と、を示す付加情報を付加した、血管モデルM104を生成する。 Specifically, when the material property indicates hardness, the first generation unit 70D determines the type (for example, thickness) of the reinforcing member P so that the thicker reinforcing member P is installed at a higher position. A blood vessel model M104 is generated to which additional information indicating the position where the reinforcing member P is applied to the outside of the blood vessel wall 42 is added. Similarly, when the material property indicates the elastic modulus, the first generation unit 70D determines the type of the reinforcing member P and the vascular wall 42 so that the thicker reinforcing member P is installed at a position where the elastic modulus is lower. A blood vessel model M104 is generated to which additional information indicating the application position of the reinforcing member P to the outside is added. Similarly, when the material property indicates flexibility, the first generation unit 70D determines the type of the reinforcing member P and the blood vessel wall so that the thicker reinforcing member P is installed at a position where the flexibility is lower. A blood vessel model M104 to which additional information indicating the position where the reinforcing member P is applied to the outside of 42 is added is generated. Similarly, when the material property indicates strength, the first generation unit 70D moves the type of the reinforcing member P and the outside of the blood vessel wall 42 so that the thicker reinforcing member P is installed at a higher strength position. A blood vessel model M104 is generated to which additional information indicating the application position of the reinforcing member P is added.
なお、付加情報49は、少なくとも補強部材Pの付与位置を示す情報であればよく、補強部材Pの付与位置と、補強部材Pの種類と、の双方を含む形態に限定されない。また、補強部材Pの種類は、例えば、厚み、材質、形状、などを示す。 The additional information 49 may be information indicating at least the position where the reinforcing member P is applied, and is not limited to a form including both the position where the reinforcing member P is applied and the type of the reinforcing member P. Further, the type of the reinforcing member P indicates, for example, thickness, material, shape, and the like.
また、第1生成部70Dは、材料特性が、弾性率、可撓性、強度、硬度、および、靱性、などの材料特性を示すパラメータの複数を組み合わせた特性を示す場合、これらの複数のパラメータの材料特性に応じた位置に、材料特性に応じた厚みまたは材質の補強部材Pを付与するように、補強部材Pの種類と、補強部材Pの付与位置と、を示す付加情報を付加した、血管モデルM104を生成する。 In addition, when the first generation unit 70D indicates a characteristic obtained by combining a plurality of parameters indicating material characteristics such as elastic modulus, flexibility, strength, hardness, and toughness, the plurality of parameters The additional information indicating the type of the reinforcing member P and the applying position of the reinforcing member P is added so that the reinforcing member P having a thickness or material corresponding to the material characteristic is applied to the position corresponding to the material characteristic. A blood vessel model M104 is generated.
図6(B)に示す例では、第1生成部70Dは、血管模型D104によって示される血管の、被検体の血管の位置A3に対応する位置には、補強部材P2及び補強部材P3を設置することを示す、付加情報を付加する。なお、補強部材P2と補強部材P3の材質は同じであり、厚みも同じであるとする。また、第1生成部70Dは、血管模型D104によって示される血管の、被検体の血管の位置A1に対応する位置には、補強部材P2より厚みの厚い補強部材P1を設置することを示す付加情報を付加する。そして、第1生成部70Dは、血管模型D104によって示される血管の、被検体の血管の位置A2に対応する位置には、何も補強部材Pを設置しないことを示す付加情報を付加する。 In the example shown in FIG. 6B, the first generation unit 70D installs the reinforcing member P2 and the reinforcing member P3 in the blood vessel indicated by the blood vessel model D104 at a position corresponding to the blood vessel position A3 of the subject. The additional information indicating that is added. The material of the reinforcing member P2 and the reinforcing member P3 is the same, and the thickness is also the same. Further, the first generation unit 70D adds additional information indicating that the reinforcing member P1 thicker than the reinforcing member P2 is installed at a position corresponding to the blood vessel position A1 of the subject in the blood vessel indicated by the blood vessel model D104. Is added. Then, the first generation unit 70D adds additional information indicating that no reinforcing member P is installed at the position of the blood vessel indicated by the blood vessel model D104 corresponding to the blood vessel position A2 of the subject.
なお、各位置に設置する補強部材Pは、同じ材料で構成され、厚みを調整することによって材料特性を実現可能としてもよい。また、各位置に設置する補強部材Pは、厚みは略同じとし、位置毎に、材料特性を実現可能な異なる材料で構成してもよく、位置ごとに、異なる材料で構成されていてもよい。 In addition, the reinforcing member P installed in each position is comprised with the same material, and it is good also as a material characteristic realizable by adjusting thickness. In addition, the reinforcing members P installed at the respective positions have substantially the same thickness, and may be configured with different materials capable of realizing material characteristics for each position, or may be configured with different materials for each position. .
図2に戻り、第1制御部70Eは、構築部70Cで構築された形状モデルによって示される血管画像を表示部31に表示する。図7は、血管画像90の一例を示す模式図である。 Returning to FIG. 2, the first control unit 70 </ b> E displays the blood vessel image indicated by the shape model constructed by the construction unit 70 </ b> C on the display unit 31. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of the blood vessel image 90.
図2に戻り、受付部70Fは、ユーザによる指示を受け付ける。具体的には、ユーザは、表示部31に表示された血管画像90を参照しながら、入力部29を操作することで、血管画像90における特定の位置を指示する。すると、受付部70Fは、血管画像90における、ユーザによって指示された位置を示す位置情報を、ユーザによる指示として受け付ける。 Returning to FIG. 2, the accepting unit 70F accepts an instruction from the user. Specifically, the user instructs a specific position in the blood vessel image 90 by operating the input unit 29 while referring to the blood vessel image 90 displayed on the display unit 31. Then, the accepting unit 70F accepts position information indicating the position instructed by the user in the blood vessel image 90 as an instruction by the user.
第2生成部70Gは、表示された血管画像90における、ユーザによって指示された位置に対応する付加情報によって示される材料特性に応じた強度の出力信号を生成する。 The second generation unit 70G generates an output signal having an intensity corresponding to the material characteristic indicated by the additional information corresponding to the position designated by the user in the displayed blood vessel image 90.
例えば、第2生成部70Gは、表示された血管画像90における、ユーザによって指示された位置に対応する付加情報によって示される材料特性を、第1生成部70Dによって生成された血管モデルから読取る。そして、第2生成部70Gは、読取った材料特性に応じた強度の出力信号を生成する。 For example, the second generation unit 70G reads the material characteristic indicated by the additional information corresponding to the position designated by the user in the displayed blood vessel image 90 from the blood vessel model generated by the first generation unit 70D. Then, the second generation unit 70G generates an output signal having an intensity corresponding to the read material characteristic.
例えば、第2生成部70Gは、読取った材料特性が弾性率を示す場合、弾性率が低いほど、強度の大きい出力信号(例えば、電圧値の大きい出力信号)を生成する。また、例えば、第2生成部70Gは、読取った材料特性が硬さを示す場合、硬度が高いほど、強度の大きい出力信号(例えば、電圧値の大きい出力信号)を生成する。また、例えば、第2生成部70Gは、読取った機械的特性が靱性を示す場合、靱性が高いほど、強度の大きい出力信号を生成する。 For example, when the read material property indicates the elastic modulus, the second generation unit 70G generates an output signal having a higher strength (for example, an output signal having a higher voltage value) as the elastic modulus is lower. For example, when the read material property indicates hardness, the second generation unit 70G generates an output signal having a higher strength (for example, an output signal having a higher voltage value) as the hardness is higher. For example, when the read mechanical characteristic indicates toughness, the second generation unit 70G generates an output signal having a higher strength as the toughness is higher.
そして、第2制御部70Hは、第2生成部70Gで生成した出力信号の強度に応じた応力を生じさせるように、入力部29を制御する。 Then, the second control unit 70H controls the input unit 29 so as to generate a stress corresponding to the intensity of the output signal generated by the second generation unit 70G.
本実施の形態では、応力は、入力部29における、ユーザによって操作される予め定められた領域がユーザの押圧による荷重をうけたときに、該領域内に生じる単位面積当たりの内力を示す。例えば、第2制御部70Hは、第2生成部70Gで生成した出力信号の強度が高いほど、応力が大きくなるように、入力部29を制御する。 In the present embodiment, the stress indicates an internal force per unit area that is generated in a predetermined region operated by the user in the input unit 29 when a predetermined load is received by the user. For example, the second control unit 70H controls the input unit 29 so that the stress increases as the intensity of the output signal generated by the second generation unit 70G increases.
例えば、図7に示す血管画像90上に表示されたポインタP1の位置を、ユーザによる入力部29の操作指示によって操作することで、血管画像90上のある位置を指示したとする。このときに、入力部29を操作するユーザの手などは、該位置に対応する材料特性が高いほど、強い応力が伝えられる。具体的には、入力部29におけるユーザによって把握される部分(例えば、マウスのボタン部分)に、血管画像90上のポインタP1の位置の材料特性に応じた応力が伝えらえる。 For example, it is assumed that a position on the blood vessel image 90 is indicated by operating the position of the pointer P1 displayed on the blood vessel image 90 illustrated in FIG. 7 according to an operation instruction of the input unit 29 by the user. At this time, a user's hand or the like who operates the input unit 29 can transmit stronger stress as the material property corresponding to the position is higher. Specifically, the stress corresponding to the material characteristic at the position of the pointer P1 on the blood vessel image 90 can be transmitted to a portion (for example, a mouse button portion) grasped by the user in the input unit 29.
このため、ユーザが、入力部29を操作することによって、血管画像90における、材料特性によって示される機械強度の高い位置を指示するほど、入力部29における応力が大きくなる。このため、ユーザは、血管画像90における、材料特性によって示される機械強度の高い位置を指示するほど、強い応力を感じることとなる。このため、ユーザは、画面上の血管画像90を指示することで、実際の被検体の血管の材料特性に応じた血管の状態を把握することができる。 For this reason, as the user operates the input unit 29 to indicate a position with high mechanical strength indicated by the material characteristics in the blood vessel image 90, the stress at the input unit 29 increases. For this reason, the user feels a stronger stress as he / she points to a position having a higher mechanical strength indicated by the material characteristics in the blood vessel image 90. For this reason, the user can grasp the state of the blood vessel corresponding to the actual material characteristic of the blood vessel of the subject by instructing the blood vessel image 90 on the screen.
図2に戻り、第3制御部70Iは、血管モデルに応じた血管模型を造形するように、造形部72を制御する。 Returning to FIG. 2, the third control unit 70 </ b> I controls the modeling unit 72 to model a blood vessel model corresponding to the blood vessel model.
例えば、血管モデルが、図4(B)に示す血管モデルM102であったとする。 For example, assume that the blood vessel model is a blood vessel model M102 shown in FIG.
この場合、第3制御部70Iは、該血管モデルM102によって示される形状の血管模型D102を造形するように、造形部72を制御する。造形部72は、血管モデルM102に応じた血管模型D102を造形する。このため、造形部72は、図4(B)に示すように、血管の内径については、形状モデル40によって示される内径と略同じ血管模型D102を造形する。しかし、造形部72は、血管模型D102の血管壁の厚みについては、対応する位置の材料特性を実現可能な厚みに補正された、血管模型D102を造形する。 In this case, the third control unit 70I controls the modeling unit 72 so as to model the blood vessel model D102 having the shape indicated by the blood vessel model M102. The modeling unit 72 models a blood vessel model D102 corresponding to the blood vessel model M102. Therefore, as shown in FIG. 4B, the modeling unit 72 models a blood vessel model D102 that is substantially the same as the inner diameter indicated by the shape model 40 with respect to the inner diameter of the blood vessel. However, the modeling unit 72 models the blood vessel model D102 in which the thickness of the blood vessel wall of the blood vessel model D102 is corrected to a thickness that can realize the material characteristics at the corresponding position.
すなわち、血管模型D102は、被検体の血管を模した血管模型D102であって、被検体の血管に応じた内径であり、且つ、血管の内壁に対する外壁の相対位置が被検体の血管の材料特性を実現可能な位置とされた、血管模型である。 That is, the blood vessel model D102 is a blood vessel model D102 imitating the blood vessel of the subject, and has an inner diameter corresponding to the blood vessel of the subject, and the relative position of the outer wall with respect to the inner wall of the blood vessel is a material characteristic of the blood vessel of the subject. This is a blood vessel model in which the position can be realized.
また、例えば、血管モデルが、図5(B)に示す血管モデルM100であったとする。 Further, for example, it is assumed that the blood vessel model is a blood vessel model M100 shown in FIG.
この場合、第3制御部70Iは、血管モデルM100によって示される形状で、且つ、血管モデルM100の付加情報46によって示される種類の造形材料で、血管模型D100を造形するように、造形部72を制御する。このため、造形部72は、図5(B)に示すように、血管の内径、外径、及び形状については、形状モデル40によって示される形状及び大きさと略同じであるが、位置ごとに材料特性を実現可能な種類の造形材料で造形した血管模型D100を造形する。 In this case, the third control unit 70I causes the modeling unit 72 to model the blood vessel model D100 with a modeling material indicated by the blood vessel model M100 and the type of modeling material indicated by the additional information 46 of the blood vessel model M100. Control. For this reason, as shown in FIG. 5 (B), the modeling portion 72 is substantially the same as the shape and size indicated by the shape model 40 with respect to the inner diameter, outer diameter, and shape of the blood vessel. A blood vessel model D100 formed with a type of modeling material capable of realizing the characteristics is formed.
このとき、造形部72は、同一の材料によって血管模型を造形した後に、付加情報46によって示される位置に、該付加情報46によって示される種類の造形材料の特性を発現するように、光や熱などの刺激を付与することで材料を変性させ、血管模型D100としてもよい。 At this time, after modeling the blood vessel model with the same material, the modeling unit 72 uses light or heat so that the characteristics of the type of modeling material indicated by the additional information 46 are expressed at the position indicated by the additional information 46. The material may be modified by applying a stimulus such as a blood vessel model D100.
また、例えば、血管モデルが、図6(B)に示す血管モデルM104であったとする。 Further, for example, it is assumed that the blood vessel model is a blood vessel model M104 shown in FIG.
この場合、第3制御部70Iは、形状モデル40によって示される血管の模型における、血管の外側の、付加情報によって示される付与位置に、付加情報によって示される補強部材Pを付与した血管模型D104を造形するように、造形部72を制御する。 In this case, the third control unit 70I applies the blood vessel model D104 provided with the reinforcing member P indicated by the additional information to the application position indicated by the additional information outside the blood vessel in the blood vessel model indicated by the shape model 40. The modeling unit 72 is controlled so as to model.
なお、この場合、第3制御部70Iは、形状モデル40によって示される形状部分については、上述した、模擬血管材料を用いるように造形部72を制御することが好ましい。一方、補強部材Pの部分については、上述した模擬血管材料の特性を満たす材料以外で造形してもよい。また、第3制御部70Iは、形状モデル40によって示される血管の模型を造形するように造形部72を制御し、補強部材Pの種類、および補強部材Pの付与位置を示す付与情報を、表示部31に表示してもよい。この場合、ユーザは、造形部72によって造形された模型に、表示部31に表示された付与情報によって示される補強部材Pを設置することで、血管模型D104を造形すればよい。 In this case, it is preferable that the third control unit 70I controls the modeling unit 72 to use the above-described simulated blood vessel material for the shape portion indicated by the shape model 40. On the other hand, the portion of the reinforcing member P may be formed with a material other than the material satisfying the above-described characteristics of the simulated blood vessel material. Further, the third control unit 70I controls the modeling unit 72 to model the blood vessel model indicated by the shape model 40, and displays the application information indicating the type of the reinforcing member P and the application position of the reinforcing member P. You may display on the part 31. In this case, the user may model the blood vessel model D104 by installing the reinforcing member P indicated by the application information displayed on the display unit 31 on the model modeled by the modeling unit 72.
次に、処理装置70が実行する画像処理の手順を説明する。 Next, an image processing procedure executed by the processing device 70 will be described.
図8は、処理装置70が実行する、血管モデル生成処理の手順を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart illustrating a procedure of blood vessel model generation processing executed by the processing device 70.
まず、第1取得部70Aが、被検体の血管に関する医用画像を取得する(ステップS100)。次に、構築部70Cが、ステップS100で取得した医用画像から、血管の三次元形状を示す形状モデルを構築する(ステップS102)。 First, the first acquisition unit 70A acquires a medical image related to the blood vessel of the subject (step S100). Next, the construction unit 70C constructs a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel from the medical image acquired in step S100 (step S102).
次に、第2取得部70Bが、血管の各位置の材料特性を取得する(ステップS104)。次に、第1生成部70Dが、ステップS102で構築された形状モデルによって示される血管の各位置に、ステップS104で取得した材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する(ステップS106)。 Next, the second acquisition unit 70B acquires material characteristics at each position of the blood vessel (step S104). Next, the first generation unit 70D generates a blood vessel model in which additional information regarding the material properties acquired in step S104 is added to each position of the blood vessel indicated by the shape model constructed in step S102 (step S106).
次に、第1生成部70Dは、ステップS106で生成した血管モデルと、ステップS102で構築した形状モデルと、被検体の識別情報と、を対応づけて、記憶部33(図1参照)に記憶する(ステップS108)。そして、本ルーチンを終了する。 Next, the first generation unit 70D associates the blood vessel model generated in step S106 with the shape model constructed in step S102 and the identification information of the subject, and stores them in the storage unit 33 (see FIG. 1). (Step S108). Then, this routine ends.
図9は、血管模型の造形処理の手順を示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of the blood vessel model modeling process.
まず、受付部70Fは、造形指示を入力部29から受け付けたか否かを判別する(ステップS200)、ステップS200で否定判断すると(ステップS200:No)、本ルーチンを終了する。一方、ステップS200で肯定判断すると(ステップS200:Yes)、ステップS202へ進む。 First, the receiving unit 70F determines whether or not a modeling instruction has been received from the input unit 29 (step S200). If a negative determination is made in step S200 (step S200: No), this routine ends. On the other hand, if an affirmative determination is made in step S200 (step S200: Yes), the process proceeds to step S202.
ステップS202では、第3制御部70Iが、第1生成部70Dで生成した血管モデルに応じた血管模型を造形するように、造形部72を制御する(ステップS202)。そして、本ルーチンを終了する。 In step S202, the third control unit 70I controls the modeling unit 72 so as to model a blood vessel model corresponding to the blood vessel model generated by the first generation unit 70D (step S202). Then, this routine ends.
図10は、処理装置70が実行する表示制御の手順を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart illustrating a display control procedure executed by the processing device 70.
まず、受付部70Fが、入力部29から血管画像の表示指示を受け付けたか否かを判断する(ステップS300)。例えば、第1制御部70Eは、生成された血管モデルと、血管モデルに対応する被検体の識別情報と、を対応づけて、これらの一覧を表示部31に表示する。ユーザは、入力部29を操作することで、表示部31に表示された、血管モデル及び識別情報の一覧の中から、血管画像の表示対象を選択する。すると、受付部70Fは、ユーザによって選択された識別情報を含む表示指示を、入力部29から受け付ける。 First, the receiving unit 70F determines whether or not a blood vessel image display instruction has been received from the input unit 29 (step S300). For example, the first control unit 70E associates the generated blood vessel model with the identification information of the subject corresponding to the blood vessel model, and displays these lists on the display unit 31. The user operates the input unit 29 to select the display target of the blood vessel image from the list of blood vessel models and identification information displayed on the display unit 31. Then, the accepting unit 70F accepts a display instruction including identification information selected by the user from the input unit 29.
ステップS300で否定判断すると(ステップS300:No)、本ルーチンを終了する。一方、ステップS300で肯定判断すると(ステップS300:Yes)、ステップS302へ進む。 If a negative determination is made in step S300 (step S300: No), this routine ends. On the other hand, if a positive determination is made in step S300 (step S300: Yes), the process proceeds to step S302.
ステップS302では、第1制御部70Eが、ステップS300で受け付けた表示指示に含まれる識別情報に対応する、血管モデルおよび形状モデルを記憶部33から読取り、該形状モデルによって示される血管画像を表示部31に表示する制御を行う(ステップS302)。 In step S302, the first control unit 70E reads the blood vessel model and the shape model corresponding to the identification information included in the display instruction received in step S300 from the storage unit 33, and displays the blood vessel image indicated by the shape model on the display unit. Control is performed to display on 31 (step S302).
次に、受付部70Fは、表示部31に表示された血管画像における何れかの位置の指示を受け付けたか否かを判断する(ステップS304)。ステップS304で否定判断すると(ステップS304:No)、本ルーチンを終了する。ステップS304で肯定判断すると(ステップS304:Yes)、ステップS306へ進む。 Next, the reception unit 70F determines whether an instruction for any position in the blood vessel image displayed on the display unit 31 has been received (step S304). If a negative determination is made in step S304 (step S304: No), this routine ends. If an affirmative determination is made in step S304 (step S304: Yes), the process proceeds to step S306.
ステップS306では、第2生成部70Gが、ステップS304で受け付けた、血管画像における指示された位置に対応する付加情報によって示される、材料特性に応じた強度の出力信号を生成する(ステップS306)。 In step S306, the second generation unit 70G generates an output signal having an intensity corresponding to the material characteristic indicated by the additional information received in step S304 and corresponding to the instructed position in the blood vessel image (step S306).
次に、第2制御部70Hは、ステップS306で生成された出力信号の強度に応じた応力を生じさせるように、入力部29を制御する(ステップS308)。そして、本ルーチンを終了する。 Next, the second control unit 70H controls the input unit 29 so as to generate a stress corresponding to the intensity of the output signal generated in step S306 (step S308). Then, this routine ends.
以上説明したように、本実施の形態の処理装置70は、第1取得部70Aと、第2取得部70Bと、構築部70Cと、第1生成部70Dと、を備える。第1取得部70Aは、被検体の血管に関する画像を取得する。第2取得部70Bは、血管の各位置の材料特性を取得する。構築部70Cは、医用画像から、血管の三次元形状を示す形状モデルを構築する。第1生成部70Dは、形状モデルによって示される血管の各位置に、材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する。 As described above, the processing device 70 of the present embodiment includes the first acquisition unit 70A, the second acquisition unit 70B, the construction unit 70C, and the first generation unit 70D. 70 A of 1st acquisition parts acquire the image regarding the blood vessel of a subject. The second acquisition unit 70B acquires material characteristics at each position of the blood vessel. The constructing unit 70C constructs a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel from the medical image. The first generation unit 70D generates a blood vessel model in which additional information related to material characteristics is added to each position of the blood vessel indicated by the shape model.
このように、本実施の形態の処理装置70は、被検体の血管の材料特性に応じた血管モデルを生成する。 As described above, the processing apparatus 70 according to the present embodiment generates a blood vessel model corresponding to the material characteristics of the blood vessel of the subject.
従って、本実施の形態の処理装置70は、各々の被検体の血管の材料特性に応じた血管モデルを提供することができる。 Therefore, the processing apparatus 70 according to the present embodiment can provide a blood vessel model corresponding to the material characteristics of the blood vessels of each subject.
具体的には、血管内にカテーテルやステントなどを挿入する手術練習などを実行する場合、特に、有用である。すなわち、この血管モデルを、バーチャルシミュレータや血管模型の造形に用いることで、実際の検証対象の被検体の血管と同等の材料特性(弾性率、可撓性、強度、硬度、および、靱性、の少なくとも1つ)の血管模型やバーチャルシミュレータを用いて、手術練習などを実行することができる。 Specifically, it is particularly useful when performing surgical practice for inserting a catheter, stent, or the like into a blood vessel. That is, by using this blood vessel model for modeling a virtual simulator or a blood vessel model, the material properties (elastic modulus, flexibility, strength, hardness, and toughness) equivalent to the blood vessel of the subject to be actually verified are obtained. Surgery practice or the like can be performed using at least one blood vessel model or virtual simulator.
また、本実施の形態の処理装置70の第1生成部70Dは、血管モデルによって示される血管壁の厚みが、血管の各位置の材料特性に応じた厚みとなるように、血管壁の内壁に対する外壁の相対位置を補正した付加情報を付加した血管モデルを生成する。 In addition, the first generation unit 70D of the processing device 70 according to the present embodiment applies to the inner wall of the blood vessel wall so that the thickness of the blood vessel wall indicated by the blood vessel model corresponds to the material characteristics of each position of the blood vessel. A blood vessel model to which additional information obtained by correcting the relative position of the outer wall is added is generated.
このため、血管モデルは、血管の内径については、被検体の医用画像から構築した形状モデルによって示される血管の内径と略同じであるが、血管の外径については、対応する位置の材料特性を実現可能な厚みとなるように補正されたものとなる。 For this reason, in the blood vessel model, the inner diameter of the blood vessel is substantially the same as the inner diameter of the blood vessel indicated by the shape model constructed from the medical image of the subject, but the outer diameter of the blood vessel is determined by the material characteristics of the corresponding position. The thickness is corrected to a realizable thickness.
このため、本実施の形態の処理装置70は、上記効果に加えて、更に、各々の被検体の材料特性に応じた血管モデルを提供することができる。 For this reason, the processing apparatus 70 of this Embodiment can provide the blood vessel model according to the material characteristic of each subject in addition to the said effect.
また、第3制御部70Iが、血管モデルに応じた血管模型を造形するように、造形部72を制御することによって、血管モデルに応じた血管模型を造形することができる。 Moreover, the 3rd control part 70I can model the blood vessel model according to a blood vessel model by controlling the modeling part 72 so that the blood vessel model according to a blood vessel model may be modeled.
このため、造形部72は、血管の内径については、被検体の医用画像から構築した形状モデルによって示される血管の内径と略同じであるが、血管の外径については、対応する位置の材料特性を実現可能な厚みとなるように補正された血管模型を造形することができる。 For this reason, the modeling unit 72 is substantially the same as the inner diameter of the blood vessel indicated by the shape model constructed from the medical image of the subject with respect to the inner diameter of the blood vessel. It is possible to model a blood vessel model that has been corrected to have a thickness that can achieve the above.
すなわち、本実施の形態で造形された血管模型は、被検体の血管の材料特性と同等の、材料特性(弾性率、可撓性、強度、硬度、および、靱性、の少なくとも1つ)を有することとなる。 That is, the blood vessel model formed in the present embodiment has material characteristics (at least one of elastic modulus, flexibility, strength, hardness, and toughness) equivalent to the material characteristics of the blood vessels of the subject. It will be.
このため、本実施の形態の処理装置70は、上記効果に加えて、実際の検証対象の被検体の血管そのものを用いた状態に近い環境で、手術練習などを実行可能な、血管模型を提供することができる。 For this reason, in addition to the above effects, the processing device 70 according to the present embodiment provides a blood vessel model that can perform surgical practice and the like in an environment close to a state in which the blood vessels of the subject to be actually verified are used. can do.
また、造形部72によって造形された血管模型を用いることで、被検体の血管のプラークなどの存在部位にカテーテルなどの医療器具を挿入した手術などの手術練習を行うことができる。また、本実施の形態において造形した血管模型は、被検体の血管と同等の材料特性を有していることから、血管内の病変部位に対して、使用するステント等の医療器具がどの程度血管拡張に有効であるか、どの位置まで血管拡張を行うことが有効であるか、などの被検体の血管ごとの検討を行うことができる。このため、手術を実施前に、治療効果の推定が可能となる。 Further, by using the blood vessel model formed by the modeling unit 72, it is possible to perform a surgical practice such as an operation in which a medical instrument such as a catheter is inserted into an existing site such as a plaque of a blood vessel of a subject. In addition, since the blood vessel model formed in the present embodiment has the same material characteristics as the blood vessel of the subject, how much blood vessel is used for a medical instrument such as a stent to be used for a lesion site in the blood vessel. It is possible to examine for each blood vessel of the subject such as whether it is effective for expansion and to what position it is effective to perform blood vessel expansion. For this reason, it is possible to estimate the therapeutic effect before the operation.
また、第1生成部70Dは、血管モデルに応じた血管模型の各位置の造形材料が、対応する各位置の材料特性を満たす材料となるように、血管模型の各位置の造形材料の種類を示す付加情報を付加した、血管モデルを生成する。 In addition, the first generation unit 70D selects the type of modeling material at each position of the blood vessel model so that the modeling material at each position of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model is a material that satisfies the material characteristics of each corresponding position. A blood vessel model to which additional information shown is added is generated.
このため、本実施の形態の処理装置70は、上記効果に加えて、更に、各々の被検体の材料特性に応じた血管モデルを提供することができる。 For this reason, the processing apparatus 70 of this Embodiment can provide the blood vessel model according to the material characteristic of each subject in addition to the said effect.
また、第3制御部70Iが、血管モデルに応じた血管模型を造形するように、三次元造形物を造形する造形部72を制御することによって、血管モデルに応じた血管モデルを造形することができる。 In addition, the third control unit 70I controls the modeling unit 72 that models the three-dimensional structure so as to model the blood vessel model corresponding to the blood vessel model, thereby modeling the blood vessel model corresponding to the blood vessel model. it can.
このため、造形部72は、血管の内径、外径、及び形状については、形状モデルによって示される形状及び大きさと略同じであるが、被検体の血管の材料特性を実現可能な種類の造形材料を位置ごとに用いた、血管模型を造形することができる。 For this reason, the modeling unit 72 is substantially the same as the shape and size indicated by the shape model for the inner diameter, outer diameter, and shape of the blood vessel, but the type of modeling material that can realize the material characteristics of the blood vessel of the subject. A blood vessel model can be modeled using for each position.
また、第1生成部70Dは、血管モデルに応じた血管模型の各位置の強度が、対応する各位置の材料特性を満たすように、血管模型によって示される血管を外側から補強する補強部材の付与位置を示す付加情報を付加した血管モデルを生成する。 In addition, the first generation unit 70D provides a reinforcing member that reinforces the blood vessel indicated by the blood vessel model from the outside so that the strength of each position of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model satisfies the material characteristics of each corresponding position. A blood vessel model to which additional information indicating the position is added is generated.
このため、血管モデルは、血管の内側から血管を操作したときの実際の材料特性を満たす機械特性を備えたものとなる。 For this reason, the blood vessel model has mechanical properties that satisfy actual material properties when the blood vessel is operated from the inside of the blood vessel.
このため、本実施の形態の処理装置70は、上記効果に加えて、実際の検証対象の被検体の血管そのものを用いた状態に近い環境で、手術練習などを実行可能な、血管模型を提供することができる。 For this reason, in addition to the above effects, the processing device 70 according to the present embodiment provides a blood vessel model that can perform surgical practice and the like in an environment close to a state in which the blood vessels of the subject to be actually verified are used. can do.
また、第1制御部70Eは、形状モデルによって示される血管画像を表示部31に表示する。そして、第2生成部70Gは、表示された血管画像における、ユーザによって指示された位置に対応する付加情報によって示される材料特性に応じた強度の出力信号を生成する。第2制御部70Hは、出力信号の強度に応じた応力を生じさせるように、ユーザによって操作される入力部29を制御する。 The first control unit 70E displays a blood vessel image indicated by the shape model on the display unit 31. Then, the second generation unit 70G generates an output signal having an intensity corresponding to the material characteristic indicated by the additional information corresponding to the position designated by the user in the displayed blood vessel image. The second control unit 70H controls the input unit 29 operated by the user so as to generate a stress corresponding to the intensity of the output signal.
このため、ユーザは、血管画像における、材料特性の高い位置を指示するほど、強い応力を感じることとなる。 For this reason, the user feels a stronger stress as the user designates a position having a higher material property in the blood vessel image.
従って、表示部31に表示された血管画像を介して、被検体の実際の血管の材料特性を触感的にユーザに提供することができる。 Therefore, the material characteristics of the actual blood vessel of the subject can be tactilely provided to the user via the blood vessel image displayed on the display unit 31.
次に、実施の形態の処理装置70及び詳細を後述する血管解析装置50のハードウェア構成について説明する。図11は、処理装置70及び血管解析装置50のハードウェア構成例を示すブロック図である。 Next, the hardware configuration of the processing device 70 according to the embodiment and the blood vessel analysis device 50 described later in detail will be described. FIG. 11 is a block diagram illustrating a hardware configuration example of the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50.
処理装置70及び血管解析装置50は、CPU800、ROM(Read Only Memory)820、RAM(Random Access Memory)840、HDD(Hard Disk Drive)(図示省略)、及び通信I/F(Interface)860を有する。CPU800、ROM820、RAM840、HDD(図示省略)、及び通信I/F860は、バスにより相互に接続されており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。 The processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 include a CPU 800, a ROM (Read Only Memory) 820, a RAM (Random Access Memory) 840, an HDD (Hard Disk Drive) (not shown), and a communication I / F (Interface) 860. . The CPU 800, the ROM 820, the RAM 840, the HDD (not shown), and the communication I / F 860 are connected to each other via a bus and have a hardware configuration using a normal computer.
実施の形態の処理装置70及び血管解析装置50で実行される各種処理を実行するためのプログラムは、ROM820等に予め組み込んで提供される。 A program for executing various processes executed by the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment is provided by being incorporated in advance in the ROM 820 or the like.
なお、実施の形態の処理装置70及び血管解析装置50で実行される上記各種処理を実行するためのプログラムは、これらの装置にインストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フロッピー(登録商標)ディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供するように構成してもよい。 The programs for executing the various processes executed by the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment are files that can be installed in these devices or in executable files, such as CD-ROMs, floppy disks. (Registered trademark) A disc (FD), a CD-R, a DVD (Digital Versatile Disk), or the like may be recorded and provided on a computer-readable recording medium.
また、実施の形態の処理装置70及び血管解析装置50で実行される上記各種処理を実行するためのプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、実施の形態の処理装置70及び血管解析装置50で実行される上記各種処理を実行するためのプログラムを、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。 In addition, by storing a program for executing the various processes executed by the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment on a computer connected to a network such as the Internet, the program is downloaded via the network. It may be configured to provide. In addition, the program for executing the various processes executed by the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment may be provided or distributed via a network such as the Internet.
実施の形態の処理装置70及び血管解析装置50で実行される上記各種処理を実行するためのプログラムは、上述した各機能部を含むモジュール構成となっている。実際のハードウェアとしてはCPU800がROM820等の記憶媒体から各プログラムを読み出して実行することにより上記各機能部が主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成されるようになっている。 A program for executing the above-described various processes executed by the processing device 70 and the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment has a module configuration including the above-described functional units. As actual hardware, the CPU 800 reads each program from a storage medium such as the ROM 820 and executes the program, so that each functional unit is loaded onto the main storage device and generated on the main storage device.
(血管解析装置)
次に、血管解析装置50について詳細に説明する。
(Vessel analysis device)
Next, the blood vessel analysis device 50 will be described in detail.
なお、実施の形態の医用画像診断装置は、心臓血管、頸動脈、または脳動脈等の人体のあらゆる部位の血管を解析対象とすることができる。以下、一例として、心臓の血管が解析対象であることとして説明を進める。 Note that the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment can analyze blood vessels in any part of the human body such as a cardiovascular vessel, a carotid artery, or a cerebral artery. Hereinafter, as an example, description will be made assuming that the blood vessel of the heart is the analysis target.
心臓の血管としては、例えば冠動脈と大動脈とが挙げられる。冠動脈は、大動脈の冠動脈起始部から始まり心筋表面を走行し、心外膜側から内膜側に入り込む。冠動脈は、心筋の内膜において無数の毛細管に分岐する。分岐後、無数の毛細管は、再び統合して大心静脈を形成し、冠静脈洞に接続する。冠血管系は、他の臓器と異なり、心筋の収縮および弛緩という力学的変化のなかで、灌流が保障されなければならないという点で特徴的である。 Examples of the blood vessel of the heart include a coronary artery and an aorta. The coronary artery starts from the coronary artery origin of the aorta, travels on the myocardial surface, and enters the intima side from the epicardium side. The coronary arteries branch into myriad capillaries in the intima of the myocardium. After bifurcation, countless capillaries reintegrate to form the great cardiac vein and connect to the coronary sinus. Unlike other organs, the coronary vasculature is unique in that perfusion must be ensured in the course of mechanical changes such as myocardial contraction and relaxation.
冠血流の特徴としては、心筋収縮による機械的血流阻害作用で冠動脈起始部の内圧が高くなる収縮期よりも、左心室拡張期に灌流圧が低下したときに多く流れることである。そのため、正常の冠動脈血流速波形は収縮期と拡張期の二峰性であり、拡張期血流が優位である。肥大型心筋症や大動脈弁狭窄症では、収縮期に逆行性波が認められ、大動脈逆流症では、収縮期順行波が大きくなる等、疾患によって特異な血流波形となることが知られている。また、拡張期の順行性波形は左室拡張機能、特に左室弛緩と密接な関係がある。左室弛緩遅延例では拡張期波形のピークが後ろにずれ、また減速脚がゆるやかになる傾向がある。また、このような症例では、頻拍時には拡張期の冠血流は十分に増大できず、心筋虚血を助長すると考えられている。 A characteristic of coronary blood flow is that it flows more when the perfusion pressure decreases in the left ventricular diastole than in the systole where the internal pressure at the coronary artery origin increases due to the mechanical blood flow inhibition effect due to myocardial contraction. Therefore, the normal coronary blood flow velocity waveform is bimodal in the systolic and diastolic phases, and the diastolic blood flow is dominant. In hypertrophic cardiomyopathy and aortic stenosis, retrograde waves are observed in the systole, and in aortic reflux, the systolic antegrade wave is increased, resulting in a specific blood flow waveform depending on the disease. Yes. In addition, the antegrade waveform in the diastole is closely related to the left ventricular dilation function, particularly the left ventricular relaxation. In the left ventricular relaxation delay example, the peak of the diastolic waveform shifts backward, and the deceleration leg tends to be gentle. In such cases, coronary blood flow during diastole cannot be sufficiently increased during tachycardia, which is thought to promote myocardial ischemia.
解剖学的に大動脈起始部から分岐する左右冠動脈に、大動脈圧に等しい冠灌流圧(すなわち、冠動脈が分枝する大動脈起始部の圧力)がかかることにより、冠血流が生じる。冠血流を決定するのは、大動脈圧である駆動圧と共に冠血管抵抗が重要である。140〜180μm以上の太い冠血管には、冠血管低抗の20%程度が存在するのに対し、100〜150μm以下の微小血管には、抵抗成分の残りの多くが存在するといわれる。従って、いわゆる冠狭窄等の無い場合には、抵抗値は冠微小血管の緊張性(トーヌス)に左右される。 Coronary blood flow is generated by applying coronary perfusion pressure equal to the aortic pressure (that is, the pressure at the aortic root where the coronary artery branches) to the left and right coronary arteries anatomically branching from the aortic root. Coronary blood flow resistance as well as driving pressure, which is aortic pressure, is important for determining coronary blood flow. A thick coronary vessel of 140 to 180 μm or more has about 20% of the resistance to coronary vessels, whereas a microvessel of 100 to 150 μm or less is said to have a lot of remaining resistance components. Therefore, in the absence of so-called coronary stenosis, the resistance value depends on the tonicity of coronary microvessels.
血管抵抗因子としては、血管特性、動脈硬化、管狭窄、血液粘性、機械的因子があげられる。冠微小血管のトーヌスは、血管特性、心筋代謝(心筋酸素消費)、神経体液性因子、機械的因子、体液因子としての各種の血管作動性物質、血液粘性に規定され、さらに、心肥大、冠動脈硬化等を含めた様々な病変によっても影響され冠循環障害を起こす。 Vascular resistance factors include vascular properties, arteriosclerosis, vascular stenosis, blood viscosity, and mechanical factors. Coronary microvessel tonus is defined by vascular properties, myocardial metabolism (myocardial oxygen consumption), neurohumoral factors, mechanical factors, various vasoactive substances as humoral factors, blood viscosity, cardiac hypertrophy, coronary artery Coronary circulatory disturbance is also affected by various lesions including sclerosis.
冠動脈血流拍動は、冠動脈血流の拍動パターン、心筋収縮による心筋内血流の制御、機械的刺激に対する心筋内血管の反応に影響される。心筋収縮が血流を阻害する機序としては、心筋内圧の上昇、心筋内血管容量の変化、心筋内血管の圧迫が挙げられる。心筋拡張期の血流規定因子には、拡張期の冠動脈圧、拡張期の血管外力、心拍数、心周期に占める拡張期の割合、心筋弛緩が存在する。 Coronary blood flow pulsation is affected by the pulsation pattern of coronary blood flow, the control of intramyocardial blood flow by myocardial contraction, and the intramyocardial vascular response to mechanical stimulation. The mechanism by which myocardial contraction inhibits blood flow includes an increase in intramyocardial pressure, changes in intramyocardial vascular volume, and compression of intramyocardial blood vessels. The blood flow regulating factor in the myocardial diastole includes diastole coronary artery pressure, diastole extravascular force, heart rate, ratio of diastole to cardiac cycle, and myocardial relaxation.
血管解析装置50は、時系列のCT画像に基づいて、力学モデルを構築し、力学モデルを利用して心臓の血管についての構造流体解析を実行し、血管内の力学的指標や血管流量指標を高精度に算出する。精度の高い力学的指標や血管流量指標を算出するためには、力学モデルに精度の高い潜在変数を割り当てる必要がある。血管解析装置50は、力学モデルを構築する際、初期的な力学モデルに逆解析を施して潜在変数を統計的に同定する。これにより血管解析装置50は、高精度の潜在変数を決定することができる。 The blood vessel analysis device 50 constructs a dynamic model based on the time-series CT images, performs structural fluid analysis on the blood vessels of the heart using the dynamic model, and calculates the mechanical index and the blood flow rate index in the blood vessel. Calculate with high accuracy. In order to calculate a highly accurate mechanical index or vascular flow index, it is necessary to assign a highly accurate latent variable to the dynamic model. When constructing a dynamic model, the blood vessel analyzing apparatus 50 performs inverse analysis on the initial dynamic model and statistically identifies latent variables. Thereby, the blood vessel analysis device 50 can determine a highly accurate latent variable.
力学的指標は、血管壁や血液に関する力学的な指標を意味する。血管壁に関する力学的指標としては、例えば血管壁の変位に関する指標、血管壁に生じる応力やひずみに関する指標、血管内腔に負荷される内圧分布に関する指標、血管の硬さ等をあらわす材料特性に関する指標等に分類される。血管の硬さ等をあらわす材料特性に関する指標は、血管組織の応力とひずみの関係を示す曲線の平均的な傾き等が挙げられる。 The mechanical index means a mechanical index related to a blood vessel wall or blood. Examples of the mechanical index related to the blood vessel wall include an index related to the displacement of the blood vessel wall, an index related to stress and strain generated in the blood vessel wall, an index related to the distribution of internal pressure applied to the blood vessel lumen, and an index related to material properties representing the hardness of the blood vessel. And so on. Examples of the index relating to the material property representing the hardness of the blood vessel include an average slope of a curve indicating the relationship between stress and strain of the blood vessel tissue.
血液に関する力学的な指標における血管流量指標は、血管を流れる血液に関する血行動態の指標を意味する。血管流量指標としては、例えば血液の流量、血液の流速、血液の粘性等が挙げられる。なお、潜在変数は、例えば、血管の材料構成式、または血液の材料構成式といった材料モデルのパラメータ(例えばヤング率やポアソン比等)、血管内腔に負荷される内圧分布等の負荷条件パラメータ、構造解析や流体解析の境界条件パラメータ、時系列の形態指標や形状変形指標の不確定性に関連するばらつき分布パラメータの少なくとも一つを含む。 The blood vessel flow rate index in the mechanical index related to blood means a hemodynamic index related to blood flowing through the blood vessel. Examples of the blood vessel flow rate index include blood flow rate, blood flow rate, blood viscosity, and the like. The latent variable is, for example, a material model parameter such as a blood vessel material constitutive equation or a blood material constitutive equation (eg, Young's modulus or Poisson's ratio), a load condition parameter such as an internal pressure distribution applied to the vascular lumen, It includes at least one of boundary condition parameters for structural analysis and fluid analysis, and variation distribution parameters related to uncertainties of time-series form indices and shape deformation indices.
なお、材料モデルのパラメータ、材料パラメータは、上述した材料特性に相当する。 The material model parameters and material parameters correspond to the above-described material characteristics.
ここで、時系列の形態指標や形状変形指標の不確定性に関連するばらつき分布パラメータとは、医用画像データには、各CT値のノイズに起因したばらつき分布や、生体組織の境界閾値の曖昧性に起因する確率分布等が存在することを考慮して、血管組織や血液の境界座標および特徴点(血管分岐部や造影剤分散配置等)の空間座標における不確定性、または幾何学的構造パラメータ(芯線に垂直な断面の内腔半径等)の不確定性、または医用画像データ自体(CT値や境界閾値等)の不確定性を、確率分布として表現したものである。 Here, the variation distribution parameter related to the uncertainty of the time-series shape index and the shape deformation index means that the medical image data includes a variation distribution caused by noise of each CT value and an ambiguity of a boundary threshold value of a living tissue. Uncertainty in spatial coordinates of boundary coordinates and feature points (blood vessel bifurcations, contrast agent dispersion, etc.) of vascular tissue and blood, or geometric structure The uncertainty of a parameter (such as a lumen radius of a cross section perpendicular to the core line) or the uncertainty of medical image data itself (such as a CT value or a boundary threshold value) is expressed as a probability distribution.
力学モデルは、血管や血液の挙動を表現するための数値モデルである。力学モデルは、構造流体解析の手法に応じて異なるタイプを有している。例えば、力学モデルは、連続体力学モデルと簡易的力学モデルとに分類される。連続体力学モデルは、例えば、有限要素法(FEM:finite element method)や境界要素法に用いられる。簡易的力学モデルは、例えば材料力学に基づく材料力学モデルと流れ学に基づく流体力学モデルとに分類される。 The dynamic model is a numerical model for expressing the behavior of blood vessels and blood. The mechanical model has different types depending on the method of structural fluid analysis. For example, the dynamic model is classified into a continuum dynamic model and a simple dynamic model. The continuum mechanical model is used, for example, in a finite element method (FEM) or a boundary element method. The simple dynamic model is classified into, for example, a material dynamic model based on material dynamics and a hydrodynamic model based on rheology.
なお、以下の説明において特に言及しない場合、力学モデルのタイプについては特に限定しないものとする。初期的な力学モデルは、潜在変数の確率分布や変数範囲から得られる潜在変数のパラメータに関するサンプリング集合(各パラメータの組み合わせの集合)が割り当てられた力学モデルを意味するものとする。 Note that the type of the dynamic model is not particularly limited unless otherwise specified in the following description. The initial dynamic model means a dynamic model to which a sampling set (a set of combinations of parameters) related to the parameters of the latent variable obtained from the probability distribution of the latent variable and the variable range is assigned.
図12は、構造流体解析の対象領域(以下、解析対象領域と呼ぶ)に関する力学モデルM1の一例を示す図である。図12に示すように、力学モデルM1は、大動脈領域R1と右冠動脈領域R2と左冠動脈領域R3とを有している。血液は、大動脈から右冠動脈または左冠動脈へ流れる。 FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a dynamic model M1 related to a target region for structural fluid analysis (hereinafter referred to as an analysis target region). As shown in FIG. 12, the dynamic model M1 has an aorta region R1, a right coronary artery region R2, and a left coronary artery region R3. Blood flows from the aorta to the right or left coronary artery.
図12に示すように、力学モデルM1の大動脈起始部側の末端が血流の入口に設定され、右冠動脈領域の末端と左冠動脈領域の末端とが血流の出口に設定される。入口と出口との各々に境界条件が設定される。入口に関する境界条件は、例えば入口における血流の流速または血流による圧力、またはそれらの変化率を含む。出口に関する境界条件は、例えば、出口における血流の流速または血流による圧力、またはそれらの変化率を含む。 As shown in FIG. 12, the end of the dynamic model M1 on the side of the aortic root is set as the blood flow inlet, and the right coronary artery end and the left coronary artery end are set as the blood flow outlet. A boundary condition is set for each of the inlet and the outlet. The boundary conditions regarding the inlet include, for example, the blood flow velocity at the inlet or the pressure due to the blood flow, or the rate of change thereof. Boundary conditions for the outlet include, for example, the blood flow velocity at the outlet or the pressure due to blood flow, or the rate of change thereof.
大動脈、右冠動脈、および左冠動脈の変形は、血流に起因する血管壁への力学的作用、心臓の拍動による血管壁への力学的作用(外力)、血管断面境界の負荷条件、血管壁の材料モデル、血管の無応力状態、および血管壁の幾何学的形状等の様々な要因に依存する。 Deformation of the aorta, right coronary artery, and left coronary artery is due to mechanical action on the blood vessel wall due to blood flow, mechanical action on the blood vessel wall due to heartbeat (external force), load condition at the blood vessel cross-sectional boundary, blood vessel wall Depending on various factors such as the material model, the unstressed state of the vessel, and the geometry of the vessel wall.
ここで、血流に起因する血管壁への力学的作用は、例えば、血流に起因する内圧と血流に起因するせん断力とを含む。血流に起因する内圧により、血管半径方向あるは血管内腔面の垂直方向に変形する。心臓の拍動による血管壁への力学的作用と、血流に起因するせん断力は、血管芯線方向に関する伸縮、ねじり、曲げといった血管壁への力学的作用による変形を生じさせる。 Here, the mechanical action on the blood vessel wall caused by the blood flow includes, for example, an internal pressure caused by the blood flow and a shearing force caused by the blood flow. Due to the internal pressure caused by the blood flow, the blood vessel is deformed in the radial direction of the blood vessel or in the direction perpendicular to the surface of the blood vessel lumen. The mechanical action on the blood vessel wall due to the pulsation of the heart and the shearing force due to the blood flow cause deformation due to the mechanical action on the blood vessel wall such as expansion / contraction, twisting and bending in the blood vessel core direction.
血管芯線方向に関する伸縮、ねじり、曲げといった血管の全体的および局所的な変形挙動は、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3、またはその一部、またはその周辺組織に、強制変位(移動ベクトルや回転変位)または荷重ベクトルの時間的変化を与えることで、負荷条件を設定する。また、血流に起因する内圧に基づく血管半径方向または内腔面に垂直な方向への変形は、血管内腔への圧力分布の時間的変化として与えることで、負荷条件を設定する。 The overall and local deformation behavior of the blood vessel, such as stretching, twisting, and bending with respect to the blood vessel core direction, is forced displacement in the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3, or a part thereof, or the surrounding tissue. A load condition is set by giving a temporal change in (movement vector or rotational displacement) or load vector. Further, the deformation in the radial direction of the blood vessel based on the internal pressure caused by the blood flow or the direction perpendicular to the lumen surface is given as a temporal change in the pressure distribution to the blood vessel lumen, thereby setting the load condition.
大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3には、構造流体解析において、強制変位による変位拘束条件が割り当てられる。これにより、構造流体解析における血管壁の変形自由度を縮小することができ、計算収束性の安定化や、解析時間の短縮を実現できる。 In the structural fluid analysis, a displacement constraint condition by forced displacement is assigned to the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. As a result, the degree of freedom of deformation of the blood vessel wall in the structural fluid analysis can be reduced, and the calculation convergence can be stabilized and the analysis time can be shortened.
また、例えば、血管の形状の変形度合は、血管壁の材料に依存する。そのため、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3に材料モデルが割り当てられる。また、例えば、血管の形状の変形度合は、血管の無応力状態に依存する。負荷条件の初期値として、血管の残留応力分布を負荷条件として与えても良い。 Further, for example, the degree of deformation of the blood vessel shape depends on the material of the blood vessel wall. Therefore, material models are assigned to the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. Also, for example, the degree of deformation of the blood vessel shape depends on the unstressed state of the blood vessel. As an initial value of the load condition, a residual stress distribution of the blood vessel may be given as the load condition.
ここで、血管解析対象の数値計算用力学モデルの空間を離散化した節点集合および節点から構成される要素集合において、材料モデルや境界条件や負荷条件等の解析条件を同定しない領域と、同定する領域にわけ、解析条件を同定しない領域内の節点には強制変位履歴の変位拘束条件を与え、材料モデルを同定する領域では、血管壁表面(外表面)の節点のみ強制変位履歴の変位拘束条件を与え、血管壁内部は変位自由度を確保し変位拘束を与えない。これにより、構造流体解析の変形自由度をおさえることができ、安定的かつ効率的に解析を行うことができる。 Here, in the element set composed of the node set and nodes that discretize the space of the numerical model for blood vessel analysis, identify the region that does not identify the analysis conditions such as the material model, boundary condition, load condition, etc. Displacement constraint of forced displacement history is given to the nodes in the region where analysis conditions are not identified, and the displacement constraint condition of forced displacement history is given only to the nodes on the blood vessel wall surface (outer surface) in the region where the material model is identified. The inside of the blood vessel wall secures a degree of freedom of displacement and does not give displacement restraint. Thereby, the deformation | transformation freedom degree of structural fluid analysis can be suppressed, and it can analyze stably and efficiently.
ただし、血管壁表面上に緩衝用のダミーの要素集合を設け、その表面の節点に強制変位を与えてもよい。これにより、血管内腔にプラーク等による突起がある場合や、血管分岐部等、内圧による負荷が、芯線方向の断面外の変形に影響を与える場合には、血管内腔だけではなく血管壁の形態指標も参照して血管に負荷される荷重ベクトルと内圧を分離して同定することができる。また、生理学的には壁表面の脂肪層を模擬しており、一方、数値計算上は、血管壁表面に強制変位を与えることで血管壁内部に局所的に実際とは異なる高い応力が発生することを避ける効果もある。 However, a dummy dummy set for buffering may be provided on the surface of the blood vessel wall, and a forced displacement may be applied to a node on the surface. As a result, when there is a projection due to plaque or the like in the blood vessel lumen, or when a load due to internal pressure such as a blood vessel bifurcation affects the deformation outside the cross section in the core line direction, not only the blood vessel lumen but also the blood vessel wall The load vector applied to the blood vessel and the internal pressure can be separated and identified with reference to the shape index. Physiologically, it simulates the fat layer on the wall surface. On the other hand, in the numerical calculation, forced displacement is applied to the surface of the blood vessel wall, and high stresses that are different from the actual locality are generated inside the blood vessel wall. There is also an effect to avoid that.
これら材料モデル、境界条件、および負荷条件等の潜在変数に関するパラメータは、後述する力学モデルに基づく逆解析(統計的同定処理)により同定される。逆解析により同定された精確な潜在変数は、力学モデルに割り当てられる。精確な潜在変数が割り当てられた力学モデルにより、解析対象血管領域外の血管や心臓等の外部要因による当該解析対象血管領域への影響を加味した構造流体解析または流体解析または構造解析または画像解析に基づく血行動態解析を実行することができる。 Parameters related to latent variables such as the material model, boundary condition, and load condition are identified by inverse analysis (statistical identification processing) based on a dynamic model described later. Accurate latent variables identified by inverse analysis are assigned to the dynamic model. For structural fluid analysis or fluid analysis or structural analysis or image analysis that takes into account the influence of external factors such as blood vessels and heart outside the analysis target blood vessel region to the analysis target blood vessel region using a dynamic model to which precise latent variables are assigned Based on hemodynamic analysis can be performed.
血管解析装置50は、力学モデルの構築に関し、逆解析による潜在変数の同定により、次の4点の困難を解決することができる。困難1.冠動脈の材料モデルの同定方法。困難2.心臓の形状の変形の冠動脈への影響の組み込み。困難3.冠動脈の境界条件の同定方法。困難4.医用画像データの不確定性に起因したばらつきを有する血管形状による画像解析や構造流体解析。この4点の困難の克服により、血管解析装置50は、逆解析による潜在変数の同定を行わない従来の血管構造流体解析に比して、解析精度の向上を実現する。 The blood vessel analysis device 50 can solve the following four difficulties by identifying latent variables by inverse analysis regarding the construction of a dynamic model. Difficult Identification method of coronary artery material model. Difficult 2 Incorporation of coronary effects of heart shape deformation. Difficult 3 A method for identifying boundary conditions of coronary arteries. Difficult 4 Image analysis and structural fluid analysis using blood vessel shapes with variations due to the uncertainty of medical image data. By overcoming these four difficulties, the blood vessel analysis device 50 achieves improved analysis accuracy compared to conventional blood vessel structure fluid analysis in which latent variables are not identified by inverse analysis.
次に、実施の形態の医用画像診断装置における構造流体解析処理の詳細について説明する。図13は、システム制御部21の制御のもとに行われる構造流体解析処理の典型的な流れを示す図である。図14は、解析装置27の機能ブロック図である。 Next, details of the structural fluid analysis process in the medical image diagnostic apparatus of the embodiment will be described. FIG. 13 is a diagram showing a typical flow of structural fluid analysis processing performed under the control of the system control unit 21. FIG. 14 is a functional block diagram of the analysis device 27.
図13に示すように、構造流体解析処理においては、まず、システム制御部21により記憶部33から処理対象の医用画像ファイルが読み出され、解析装置27に供給される。医用画像ファイルは、時系列のCT画像の他に、当該被検体に関する血管内腔に関する圧力値のデータ、血液流量指標の観測値のデータ、およびプラーク指標を含んでいる。CT画像以外ではMRI画像や超音波エコー画像であってもよい。時系列のCT画像は、時系列のCT値の3次元空間分布を表現するデータである。時系列のCT画像は、例えば1心拍で約20枚、すなわち、約20心位相分のCT画像を含んでいる。 As shown in FIG. 13, in the structural fluid analysis process, first, the medical image file to be processed is read from the storage unit 33 by the system control unit 21 and supplied to the analysis device 27. The medical image file includes, in addition to time-series CT images, pressure value data related to the subject's blood vessel lumen, blood flow index observed value data, and plaque index. Other than the CT image, an MRI image or an ultrasonic echo image may be used. A time-series CT image is data representing a three-dimensional spatial distribution of time-series CT values. The time-series CT images include, for example, about 20 CT images for one heartbeat, that is, about 20 heart phases.
図13に示すように、システム制御部21は、解析装置27に領域設定処理を行わせる(ステップS1)。ステップS1において解析装置27の領域設定部51は、時系列のCT画像に含まれる血管領域に構造流体解析の解析対象領域を設定する。解析対象領域は、冠動脈に関する血管領域の任意の一部分に設定される。例えば、領域設定部51は、ユーザによる入力部29を介した指示、または、画像処理により血管領域に解析対象領域と同定対象領域を設定する。 As shown in FIG. 13, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform an area setting process (step S1). In step S1, the region setting unit 51 of the analysis device 27 sets an analysis target region for structural fluid analysis in a blood vessel region included in a time-series CT image. The analysis target region is set to an arbitrary part of the blood vessel region related to the coronary artery. For example, the region setting unit 51 sets the analysis target region and the identification target region in the blood vessel region by an instruction from the user via the input unit 29 or image processing.
ここで、図15を参照しながら、血管の構造について説明する。図15は、血管の芯線に略直交する断面(以下、血管断面と呼ぶ)を模式的に示す図である。図15に示すように、血管は、管状の血管壁を有している。血管壁の中心軸は芯線と呼ばれている。血管壁の内側は内腔と呼ばれている。内腔に血液が流れる。内腔と血管壁との境は血管内壁と呼ばれている。血管壁の外側には心筋等の血管周辺組織が分布している。血管壁と血管周辺組織との境は血管外壁と呼ばれている。血管壁内部にプラークが発生することがある。 Here, the structure of the blood vessel will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a diagram schematically showing a cross section (hereinafter, referred to as a blood vessel cross section) substantially orthogonal to the core line of the blood vessel. As shown in FIG. 15, the blood vessel has a tubular blood vessel wall. The central axis of the blood vessel wall is called the core wire. The inside of the vessel wall is called the lumen. Blood flows into the lumen. The boundary between the lumen and the blood vessel wall is called the blood vessel inner wall. A tissue around a blood vessel such as a myocardium is distributed outside the blood vessel wall. The boundary between the blood vessel wall and the tissue surrounding the blood vessel is called the blood vessel outer wall. Plaques may develop inside the vessel wall.
図15に示すように、プラークは、例えば、石灰化した石灰化プラーク、粥状プラーク等に分類される。粥状プラークは、やわらかく、血管内壁が破裂して血栓として血管内部に染み出す危険性があり、不安定プラークと呼ばれることもある。従って、プラークの性状を把握することは臨床的に有用である。プラークの性状や存在領域は、医用画像ファイルに含まれるプラーク指標により特定可能である。プラーク指標は、例えば骨のCT値を基準に正規化したCT値の大きさ等により相対的に判別することができる。しかし、血管内部のプラークの変形特性や硬さを解析するのは容易ではない。 As shown in FIG. 15, plaques are classified into, for example, calcified calcified plaques, rod-shaped plaques, and the like. Spider-like plaque is soft and has a risk of rupturing the inner wall of the blood vessel and oozing out into the blood vessel as a thrombus, and is sometimes called unstable plaque. Therefore, it is clinically useful to grasp the characteristics of plaque. Plaque properties and existing areas can be identified by a plaque index included in the medical image file. The plaque index can be relatively discriminated by, for example, the magnitude of the CT value normalized with reference to the CT value of bone. However, it is not easy to analyze the deformation characteristics and hardness of the plaque inside the blood vessel.
ステップS1が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に画像解析・追尾処理を行わせる(ステップS2)。ステップS2において解析装置27の画像解析・追尾処理部53は、時系列のCT画像に画像処理を施して時系列の血管形態指標と時系列の血管形状変形指標とを算出する。具体的には、画像解析・追尾処理部53は、時系列のCT画像に画像解析処理を施すことにより時系列の血管形態指標を算出し、時系列のCT画像に追尾処理を施すことにより時系列の血管形状変形指標を算出する。 When step S1 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform image analysis / tracking processing (step S2). In step S2, the image analysis / tracking processing unit 53 of the analysis device 27 performs image processing on the time-series CT image to calculate a time-series blood vessel shape index and a time-series blood vessel shape deformation index. Specifically, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates a time-series blood vessel shape index by performing an image analysis process on the time-series CT image, and performs a tracking process on the time-series CT image. A series of blood vessel shape deformation indices is calculated.
より詳細には、画像解析・追尾処理部53は、画像解析処理において、各CT画像から血管領域を抽出し、血管の内腔に関する画素領域(以下、血管内腔領域と呼ぶ)と血管壁に関する画素領域(以下、血管壁領域と呼ぶ)とを特定する。画像解析・追尾処理部53は、血管形態指標として、血管の芯線に垂直な断面、または血管内腔面に垂直な面が、血管内腔、血管壁、プラーク領域に交わる領域上の複数の画素の3次元座標を特定する。 More specifically, the image analysis / tracking processing unit 53 extracts a blood vessel region from each CT image in the image analysis processing, and relates to a pixel region relating to a blood vessel lumen (hereinafter referred to as a blood vessel lumen region) and a blood vessel wall. A pixel region (hereinafter referred to as a blood vessel wall region) is specified. The image analysis / tracking processing unit 53 uses, as a blood vessel shape index, a plurality of pixels on a region where a cross section perpendicular to a blood vessel core line or a surface perpendicular to a blood vessel lumen surface intersects a blood vessel lumen, a blood vessel wall, and a plaque region. The three-dimensional coordinates of are specified.
なお、血管形態指標は、3次元座標だけでなく、芯線に垂直な断面における一定角度ごとの血管内腔の半径や直径および0°の方向ベクトル、または断面における全角度に対する平均面積や平均半径、または、芯線方向に垂直な複数の断面で囲まれた血管内腔容積、または内腔面に垂直な複数断面で囲まれた血管壁容積やプラーク容積等の幾何学的指標でも良い。 The blood vessel shape index is not only a three-dimensional coordinate, but also a radius and diameter of a blood vessel lumen at a certain angle in a cross section perpendicular to the core line and a direction vector of 0 °, or an average area and average radius for all angles in the cross section, Alternatively, a blood vessel lumen volume surrounded by a plurality of cross sections perpendicular to the core line direction, or a geometric index such as a blood vessel wall volume or a plaque volume surrounded by a plurality of cross sections perpendicular to the lumen surface may be used.
追尾処理において、画像解析・追尾処理部53は、ユーザからの入力部29を介した示または画像処理により、血管領域や血液や造影剤やプロトンにおける特徴点や特徴形状、代表点、画素等の複数の追跡点を設定する。例えば、画像解析・追尾処理部53は、血管分岐部や表面の特徴形状等の追跡点集合を設定する。各時刻(各心位相)における画像解析・追尾処理部53の追尾処理により得られた追跡点集合の変位データから、力学モデルの血管壁表面または血管壁内部または血管内腔における節点の変位の時間的変化を補間処理等により算出し、強制変位として与える。 In the tracking process, the image analysis / tracking processing unit 53 displays a feature point, a feature shape, a representative point, a pixel, or the like in a blood vessel region, blood, a contrast medium, or a proton by an indication or image processing via the input unit 29 from the user. Set multiple tracking points. For example, the image analysis / tracking processing unit 53 sets a tracking point set such as a blood vessel bifurcation or a surface feature shape. From the displacement data of the tracking point set obtained by the tracking processing of the image analysis / tracking processing unit 53 at each time (each cardiac phase), the displacement time of the node on the blood vessel wall surface, the blood vessel wall, or the blood vessel lumen of the dynamic model The change is calculated by interpolation processing or the like and given as a forced displacement.
また、例えば画像解析・追尾処理部53は、力学モデルに血管芯線上の節点を定義する。画像解析・追尾処理部53は、力学モデルの血管壁表面または血管壁内部または血管内腔における節点の変位の時間的変化から、血管の芯線方向に関する伸縮やねじりや曲げに関する変形を抽出し、血管芯線と芯線に垂直な断面における節点の強制変位として与えることで表現しても良い。このように、血管形状変形指標としては、力学モデルにおける各時刻の節点の強制変位データ(強制変位履歴)を特定する。 For example, the image analysis / tracking processing unit 53 defines a node on the blood vessel core line in the dynamic model. The image analysis / tracking processing unit 53 extracts deformation related to expansion / contraction, torsion, and bending in the core direction of the blood vessel from temporal changes in the displacement of the nodes on the surface of the blood vessel wall in the mechanical model, in the blood vessel wall, or in the blood vessel lumen. You may express by giving as a forced displacement of the node in the cross section perpendicular | vertical to a core wire and a core wire. Thus, the forced displacement data (forced displacement history) at the nodes at each time in the dynamic model is specified as the blood vessel shape deformation index.
以下、図16および図17を参照しながら、画像解析・追尾処理を説明する。図16は、血管芯線の形態の時間的変化を示す図である。図16に示すように、例えば時系列の医用画像は、1心拍につき20枚のCT画像を含んでいるものとする。すなわち、心位相0%から95%まで5%おきにCT画像が得られることとする。画像解析・追尾処理部53により血管領域の芯線が抽出される。図16に示すように、芯線の形態は、心位相の経過に従って変化している。 Hereinafter, the image analysis / tracking process will be described with reference to FIGS. 16 and 17. FIG. 16 is a diagram showing temporal changes in the shape of the blood vessel core line. As shown in FIG. 16, for example, a time-series medical image is assumed to include 20 CT images per heartbeat. That is, CT images are obtained every 5% from 0% to 95% of the cardiac phase. The image analysis / tracking processing unit 53 extracts the core line of the blood vessel region. As shown in FIG. 16, the form of the core wire changes as the cardiac phase progresses.
図17は、時刻tと時刻t+Δtとの間における追尾処理の一例を示す図である。図17に示すように、血管芯線上にP1からP10の力学モデルにおける節点が設定されており、各断面上の血管の力学モデルの節点と力学的につながっている。ただし、血液の力学モデルの節点とは独立である。血管の追跡点の変位データをもとに、血管芯線上のP1からP20の節点の変位データを補間等の処理により算出し、各節点に強制変位が設定されているものとする。血管形状変形指標と血管形態指標について説明するため、節点P13と節点P14とにより規定される局所血管領域RAを考える。 FIG. 17 is a diagram illustrating an example of the tracking process between time t and time t + Δt. As shown in FIG. 17, nodes in the dynamic model from P1 to P10 are set on the blood vessel core line, and are dynamically connected to the nodes of the blood vessel dynamic model on each cross section. However, it is independent of the nodes of the blood dynamic model. It is assumed that the displacement data of the nodes P1 to P20 on the blood vessel core line is calculated based on the displacement data of the blood vessel tracking points by a process such as interpolation, and the forced displacement is set at each node. In order to describe the blood vessel shape deformation index and the blood vessel shape index, a local blood vessel region RA defined by the node P13 and the node P14 is considered.
時刻tにおいて、芯線方向に関する節点P13と節点P14との間の距離がLであり、血管領域の半径がrであるとする。画像解析・追尾処理部53から、節点P13と節点P14の血管芯線方向の伸縮、ねじり、または曲げ等の強制変位を抽出し、節点P13の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)と節点P14の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)を算出する。 It is assumed that the distance between the node P13 and the node P14 in the core line direction is L and the radius of the blood vessel region is r at time t. From the image analysis / tracking processing unit 53, a forced displacement such as expansion, contraction, torsion, or bending in the blood vessel core direction between the node P13 and the node P14 is extracted, and the forced displacement of the node P13 (the movement displacement in the three-dimensional space and the core line direction). Rotational displacement) and forced displacement of the node P14 (moving displacement in the three-dimensional space and rotational displacement in the core line direction) are calculated.
図18は、血管芯線の曲げ変形および回転変位の算出例を示す図である。図18に示すように、例えばねじり角は、線aおよび線bから構成される面の法線方向ベクトルcの変化から算出しても良い。 FIG. 18 is a diagram illustrating a calculation example of bending deformation and rotational displacement of the blood vessel core wire. As shown in FIG. 18, for example, the torsion angle may be calculated from a change in the normal direction vector c of the surface composed of the lines a and b.
図17および図18に示すように、画像解析・追尾処理部53は、追跡点の座標と移動ベクトルとに基づいて、芯線上の各節点の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)を算出し、血管形状変形指標を算出する。例えば、画像解析・追尾処理部53は、隣り合う2つの節点の座標差の時間変化を芯線方向に関する伸縮距離ΔLとして算出する。 As shown in FIGS. 17 and 18, the image analysis / tracking processing unit 53 performs forced displacement of each node on the core line (movement displacement in the three-dimensional space and the core line direction based on the coordinates of the tracking point and the movement vector. ), And a blood vessel shape deformation index is calculated. For example, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates the temporal change in the coordinate difference between two adjacent nodes as the expansion / contraction distance ΔL in the core line direction.
また、画像解析・追尾処理部53は、各芯線上の節点について、当該節点と当該節点を含む血管領域断面上の他の節点(血管内腔または血管壁またはプラーク領域における節点)との間の距離の時間変化を半径方向に関する伸縮距離Δrとして算出する。また、画像解析・追尾処理部53は、各追跡点について、当該追跡点の近傍の複数の追跡点の座標と移動ベクトルとに基づいて、芯線上の当該節点の芯線方向のねじれ角度Δθを算出する。 Further, the image analysis / tracking processing unit 53, for each node on each core line, between the node and another node on the blood vessel region cross section including the node (node in the blood vessel lumen, blood vessel wall, or plaque region). The time change of the distance is calculated as the expansion / contraction distance Δr in the radial direction. Further, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates, for each tracking point, a twist angle Δθ in the core line direction of the node on the core line based on the coordinates and movement vectors of a plurality of tracking points in the vicinity of the tracking point. To do.
また、画像解析・追尾処理部53は、血液領域の造影剤やプロトンの画像追尾により、血液流量指標として、流速または芯線方向断面の平均流速または平均流量を算出してもよい。 Further, the image analysis / tracking processing unit 53 may calculate a flow velocity or an average flow velocity or average flow rate in the cross section in the core line direction as a blood flow index by image tracking of a contrast agent or proton in the blood region.
血管形状変形指標は、力学モデルにおける強制変位として利用される。以下、時系列の血管形態指標を「形状履歴」と呼び、時系列の血管形状変形指標を「強制変位履歴」と呼ぶことにする。 The blood vessel shape deformation index is used as a forced displacement in the dynamic model. Hereinafter, the time-series blood vessel shape index is referred to as “shape history”, and the time-series blood vessel shape deformation index is referred to as “forced displacement history”.
ステップS2が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に構築処理を行わせる(ステップS3)。ステップS3において解析装置27の力学モデル構築部55は、形状履歴(時系列の血管形態指標)と、強制変位履歴(時系列の血管形状変形指標)と、時系列の医用画像(CT画像,MRI画像,超音波エコー画像等のDICOMデータ)とに基づいて、解析対象領域に関する力学モデルを暫定的に構築する。力学モデルは、構造流体解析を行うための解析対象領域に関する数値モデルである。 When step S2 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform a construction process (step S3). In step S <b> 3, the dynamic model construction unit 55 of the analysis device 27 performs shape history (time-series blood vessel shape index), forced displacement history (time-series blood vessel shape deformation index), and time-series medical image (CT image, MRI). Based on the DICOM data (image, ultrasonic echo image, etc.), a dynamic model relating to the analysis target region is provisionally constructed. The dynamic model is a numerical model related to an analysis target region for performing structural fluid analysis.
以下、ステップS3について詳細に説明する。力学モデル構築部55は、まず、医用画像と形状履歴とに基づいて、力学モデル(数理モデル)を解くための形状モデルを構築する。形状モデルは、各時刻における血管領域の幾何学的構造を模式的に表現したものである。形状モデルは、例えば複数の離散化領域に区分されている。各離散化領域の頂点は、節点と呼ばれる。 Hereinafter, step S3 will be described in detail. The dynamic model construction unit 55 first constructs a shape model for solving a dynamic model (mathematical model) based on the medical image and the shape history. The shape model schematically represents the geometric structure of the blood vessel region at each time. The shape model is divided into a plurality of discretized regions, for example. The vertices of each discretized region are called nodes.
力学モデル構築部55は、時刻毎の医用画像に含まれる血管領域と血管形態指標とに基づいて、時刻毎の形状モデルを構築しても良いし、特定の時相の医用画像に含まれる血管領域と血管形態指標とに基づいて、時刻毎の形状モデルを構築しても良い。また、例えば、初期の負荷状態として、解析対象領域に対応する血管に残留応力が存在しないと仮定する場合、無応力状態の時相として、解析対象領域に対応する血管が最も収縮した時相を無応力状態であると仮定する。 The dynamic model construction unit 55 may construct a shape model for each time based on a blood vessel region and a blood vessel shape index included in the medical image for each time, or a blood vessel included in the medical image for a specific time phase. A shape model for each time may be constructed based on the region and the blood vessel morphology index. For example, when it is assumed that there is no residual stress in the blood vessel corresponding to the analysis target region as the initial load state, the time phase in which the blood vessel corresponding to the analysis target region contracts most Assume no stress.
図19は、形状モデルの芯線に直交する断面を示す図である。図19に示すように、形状モデルは、芯線から外側に向けて血管内腔領域、血管壁領域を有している。プラークが存在する場合、血管壁領域にプラーク領域を設けても良い。また、血管周辺組織による血管への影響を考慮する場合、血管周辺組織のダミー要素を血管壁領域の外側に設けても良い。 FIG. 19 is a diagram showing a cross section orthogonal to the core wire of the shape model. As shown in FIG. 19, the shape model has a blood vessel lumen region and a blood vessel wall region from the core line to the outside. When plaque exists, a plaque region may be provided in the blood vessel wall region. Further, when considering the influence on the blood vessel by the blood vessel peripheral tissue, a dummy element of the blood vessel peripheral tissue may be provided outside the blood vessel wall region.
形状モデルが構築されると力学モデル構築部55は、各潜在変数の確率分布や変数範囲から得られる潜在変数のパラメータに関するサンプリング値(例えばマルコフ連鎖モンテカルロ法等による、各パラメータの組み合わせの集合からのサンプリング)を力学モデルに設定する。 When the shape model is constructed, the dynamic model construction unit 55 obtains a sampling value relating to the parameter of the latent variable obtained from the probability distribution and the variable range of each latent variable (for example, from a set of combinations of each parameter by Markov chain Monte Carlo method or the like). Set Sampling to the dynamic model.
例えば、力学モデル構築部55は、図12に示すように、大動脈領域R1の大動脈起始部側の末端に入口に関する境界条件の同定対象の領域(以下、境界条件同定領域)を設定し、右冠動脈領域R2の末端と左冠動脈領域R3の末端とに出口に関する境界条件同定領域を設定する。力学モデル構築部55は、各境界条件同定領域に境界条件の確率分布または変数範囲から得られる境界条件のパラメータに関するサンプリング値を割り当てる。 For example, as shown in FIG. 12, the dynamic model construction unit 55 sets an identification target region (hereinafter referred to as a boundary condition identification region) for the boundary condition related to the entrance at the end of the aortic region R1 on the aortic root start side. A boundary condition identification region relating to the exit is set at the end of the coronary artery region R2 and the end of the left coronary artery region R3. The dynamic model construction unit 55 assigns a sampling value related to a boundary condition parameter obtained from the probability distribution of the boundary condition or the variable range to each boundary condition identification region.
また、力学モデル構築部55は、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3に材料モデルの同定対象の領域(以下、材料モデル同定領域と呼ぶ)および負荷条件の同定対象の領域(以下、負荷条件同定領域と呼ぶ)を設定する。力学モデル構築部55は、各材料モデル同定領域に材料モデルの確率分布または変数範囲から得られる材料モデルのパラメータに関するサンプリング値を割り当て、各負荷条件同定領域に負荷条件の確率分布や変数範囲から得られる負荷条件のパラメータに関するサンプリング値を割り当てる。 The dynamic model construction unit 55 also includes a material model identification target region (hereinafter referred to as a material model identification region) and a load condition identification target region (hereinafter referred to as a material model identification region) in the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. Hereinafter, this is referred to as a load condition identification region). The mechanical model construction unit 55 assigns a sampling value related to a material model parameter obtained from the probability distribution or variable range of the material model to each material model identification region, and obtains from each of the load condition identification regions from the probability distribution of the load condition and the variable range. Assign a sampling value for the load condition parameter
血管は、流量が0でも残留応力が存在すると言われている。例えば、力学モデル構築部55は、流量が0の場合の残留応力を負荷条件の初期値として解析対象領域に割り当てても良い。また、力学モデル構築部55は、幾何学的構造に不確定性がある部位に、幾何学的構造の同定対象の領域(以下、幾何学的構造同定領域と呼ぶ)を設定しても良い。なお、幾何学的構造のパラメータは、幾何学的構造の不確定性に関連するばらつき分布パラメータ、または医用画像データに内在するばらつき分布パラメータであり、各CT値のばらつき分布や生体組織の境界閾値のばらつき分布等であってよい。詳細は、後述するが、力学モデル構築部55は、プラーク領域に材料モデルを設定しても良い。材料モデルの詳細については後述する。 It is said that blood vessels have residual stress even when the flow rate is zero. For example, the dynamic model construction unit 55 may assign the residual stress when the flow rate is 0 to the analysis target region as the initial value of the load condition. In addition, the dynamic model construction unit 55 may set a region for which the geometric structure is to be identified (hereinafter referred to as a geometric structure identification region) in a region where the geometric structure is uncertain. The geometric structure parameter is a variation distribution parameter related to the uncertainty of the geometric structure or a variation distribution parameter inherent in the medical image data. The variation distribution of each CT value or the boundary threshold value of the living tissue Or the like. Although details will be described later, the dynamic model construction unit 55 may set a material model in the plaque region. Details of the material model will be described later.
形状モデルが構築されると力学モデル構築部55は、ステップS2において算出された時系列の血管形状変形指標、すなわち、強制変位履歴を形状モデルに割り当てる。潜在変数および強制変位履歴が割り当てられた形状モデルを「力学モデル」と呼ぶことにする。 When the shape model is constructed, the dynamic model construction unit 55 assigns the time-series blood vessel shape deformation index calculated in step S2, that is, the forced displacement history, to the shape model. A shape model to which a latent variable and a forced displacement history are assigned is called a “mechanical model”.
図20は、形状モデルM2は血管や血液の力学モデルの一部を示しており、力学モデルの節点への強制変位履歴の割り当てを説明するための図である。図20は、形状モデルM2の一部分を示している。ただし、図20では芯線がM2内に位置する場合を示しているが、芯線がM2外に位置する場合でも良い。図20に示すように、形状モデルM2には複数の節点PN(PN1,PN2)が設定されている。芯線上の節点をPN1と称し、血管や血液の力学モデルにおける節点をPN2と称することにする。形状モデルM2は、ダミー要素表面、血管外壁、血管内壁、プラーク領域表面、プラーク領域内部、または血液部、に設定される。力学モデル構築部55は、形状モデルM2の各節点PN1に強制変位、すなわち、血管形状変化指標を時刻毎に割り当てる。 FIG. 20 shows a part of a mechanical model of blood vessels and blood as a shape model M2, and is a diagram for explaining assignment of forced displacement history to nodes of the dynamic model. FIG. 20 shows a part of the shape model M2. However, although FIG. 20 shows the case where the core wire is located within M2, the core wire may be located outside M2. As shown in FIG. 20, a plurality of nodes PN (PN1, PN2) are set in the shape model M2. A node on the core line is referred to as PN1, and a node in a blood vessel or blood dynamic model is referred to as PN2. The shape model M2 is set on the dummy element surface, blood vessel outer wall, blood vessel inner wall, plaque region surface, plaque region inside, or blood part. The dynamic model construction unit 55 assigns a forced displacement, that is, a blood vessel shape change index to each node PN1 of the shape model M2 for each time.
具体的には、力学モデル構築部55は、芯線上の隣り合う節点PN1と節点PN1とをビーム要素(またはリジッド要素)EBで結ぶ。また、力学モデル構築部55は、節点PN1と当該節点PN1を通る直交断面に含まれる他の節点PN2とをビーム要素EBで結ぶ。力学モデル構築部55は、節点PN1およびビーム要素EBに各血管形状変形指標の形状変位方向に関する拘束条件を割り当てる。 Specifically, the dynamic model construction unit 55 connects adjacent nodes PN1 and PN1 on the core line with beam elements (or rigid elements) EB. Further, the dynamic model construction unit 55 connects the node PN1 and the other node PN2 included in the orthogonal cross section passing through the node PN1 by the beam element EB. The dynamic model construction unit 55 assigns a constraint condition related to the shape displacement direction of each blood vessel shape deformation index to the node PN1 and the beam element EB.
材料モデルまたは血管内腔の内圧を同定する領域では、強制変位としては、芯線方向に関する血管壁(またはダミー要素)表面の伸縮、血管壁(またはダミー要素)表面のねじれ、血管壁(またはダミー要素)表面の曲げ変形が挙げられる。例えば、材料モデルや血管内腔の内圧を同定しない領域では、芯線方向に関する強制変位だけではなく、半径方向に関する血管壁の時系列の伸縮(変位)も強制変位履歴として割り当てられる。 In the region that identifies the internal pressure of the material model or the blood vessel lumen, the forced displacement includes expansion / contraction of the surface of the blood vessel wall (or dummy element) with respect to the core line direction, twist of the surface of the blood vessel wall (or dummy element), blood vessel wall (or dummy element) ) Surface bending deformation. For example, in a region where the material model and the internal pressure of the blood vessel lumen are not identified, not only forced displacement in the core line direction but also time-series expansion / contraction (displacement) of the blood vessel wall in the radial direction is assigned as the forced displacement history.
また、血管内腔に突起がある場合や血管分岐部等のように、内圧が、芯線方向断面外への変形に寄与する場合は、その領域には強制変位を与えずに、その領域の周辺部(例えば、ダミー要素の表面節点)のみに強制変位履歴を割り当てる。また、力学モデル構築部55、節点PN1およびビーム要素EBに時系列の血管形状変形指標を強制変位履歴として割り当てられる。これにより、血管の全体および局所に関する伸縮変形やねじれ変形や曲げ変形が表現される。 Also, when the internal pressure contributes to deformation outside the cross section in the core line direction, such as when there is a protrusion in the blood vessel lumen or in a blood vessel bifurcation, the area around that area is not forcedly displaced. A forced displacement history is assigned only to a portion (for example, a surface node of a dummy element). In addition, a time-series blood vessel shape deformation index is assigned to the dynamic model construction unit 55, the node PN1, and the beam element EB as a forced displacement history. As a result, expansion deformation, torsion deformation, and bending deformation related to the whole and local blood vessels are expressed.
なお、強制変位履歴の割当対象は、芯線上の節点およびビーム要素に限定されない。図21および図22は、形状モデルへの強制変位履歴の他の割り当て方法を示す図である。図21は、血管形状変形指標がねじれの場合における割り当て例を示している。また、図22は、血管形状変形指標が曲げの場合における割り当て例を示している。図21および図22に示すように、力学モデル構築部55は、形状モデルの表面または内部の節点に直接的に強制変位履歴を割り当てても良い。例えば、ステップS2において画像解析・追尾処理部53は、特徴点についての伸縮量やねじり量や曲げ量等の血管形状変形指標を算出する。力学モデル構築部55は、算出された血管形状変形指標を特徴点の周囲の節点へ補間(内挿や外挿)することにより直接的に割り当てる。 The assignment target of the forced displacement history is not limited to the nodes and beam elements on the core line. FIG. 21 and FIG. 22 are diagrams showing another method for assigning the forced displacement history to the shape model. FIG. 21 shows an example of assignment when the blood vessel shape deformation index is twisted. FIG. 22 shows an example of assignment when the blood vessel shape deformation index is bending. As shown in FIGS. 21 and 22, the dynamic model construction unit 55 may assign a forced displacement history directly to the surface or internal node of the shape model. For example, in step S <b> 2, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates a blood vessel shape deformation index such as an expansion / contraction amount, a torsion amount, and a bending amount for the feature point. The dynamic model construction unit 55 directly assigns the calculated blood vessel shape deformation index by interpolating (interpolating or extrapolating) the nodes around the feature points.
実施の形態の解析装置27は、ステップS3において暫定的に構築された力学モデルを用いて逆解析を施し、力学モデルに設定される潜在変数を統計的に同定する。統計的同定処理は、後述のステップS6において行われる。ステップS4およびS5は、それぞれ統計的同定処理に用いる血管形態指標および血液流量指標を算出するために設けられている。 The analysis device 27 according to the embodiment performs inverse analysis using the mechanical model provisionally constructed in step S3, and statistically identifies latent variables set in the dynamic model. The statistical identification process is performed in step S6 described later. Steps S4 and S5 are provided for calculating a blood vessel shape index and a blood flow index used for the statistical identification process, respectively.
ステップ3が行われるとシステム制御部21は、処理装置に27に血管応力解析処理を行わせる(ステップS4)。ステップS4において解析装置27の血管応力解析部57は、現段階の力学モデルに血管応力解析を施して時系列の血管形態指標の予測値を算出する。血管形態指標は、既述の血管形態指の何れであっても良いが、例えば血管芯線方向に関する内腔領域の断面形状指標や血管壁の断面形状指標が用いられると良い。 When step 3 is performed, the system control unit 21 causes the processing device to perform vascular stress analysis processing on the processing device 27 (step S4). In step S <b> 4, the vascular stress analysis unit 57 of the analysis device 27 performs vascular stress analysis on the current dynamic model to calculate a predicted value of a time-series vascular shape index. The blood vessel shape index may be any of the above-described blood vessel shape fingers. For example, a cross-sectional shape index of a lumen region or a cross-sectional shape index of a blood vessel wall in the blood vessel core direction may be used.
具体的には、内腔領域の断面形状指標は、内腔領域の注目画素の座標値、内腔領域の幾何学的構造パラメータ(内腔領域の半径、内腔領域の直径等)の少なくとも一つである。また、血管壁領域の断面形状指標は、具体的には、血管壁領域の注目画素の座標値、血管壁領域の幾何学的構造パラメータ(血管壁領域の半径、壁領域の直径等)の少なくとも一つである。なお、予測値は、力学モデルに血管応力解析を施して算出された血管形態指標の算出値を意味する。 Specifically, the cross-sectional shape index of the lumen region is at least one of the coordinate value of the pixel of interest in the lumen region and the geometric structure parameters of the lumen region (the radius of the lumen region, the diameter of the lumen region, etc.). One. Further, the cross-sectional shape index of the blood vessel wall region specifically includes at least the coordinate value of the target pixel of the blood vessel wall region, the geometric structure parameters of the blood vessel wall region (the radius of the blood vessel wall region, the diameter of the wall region, etc.) One. Note that the predicted value means a calculated value of a blood vessel shape index calculated by performing vascular stress analysis on the dynamic model.
また、ステップ3が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に血液流体解析処理を行わせる(ステップS5)。ステップS5において解析装置27の血液流体解析部59は、暫定的に構築された力学モデルに血液流体解析を施して時系列の血液流量指標の予測値を算出する。血液流量指標は、血流量または流速、またはその空間的・時間的な平均値の少なくとも一つである。なお、予測値は、力学モデルに血液流体解析を施して算出された血液流体指標の算出値を意味する。 When step 3 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform blood fluid analysis processing (step S5). In step S <b> 5, the blood fluid analysis unit 59 of the analysis device 27 performs blood fluid analysis on the tentatively constructed dynamic model to calculate a predicted value of the time-series blood flow index. The blood flow index is at least one of a blood flow rate or a flow velocity, or a spatial and temporal average value thereof. Note that the predicted value means a calculated value of the blood fluid index calculated by performing blood fluid analysis on the dynamic model.
ステップS4およびS5が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に同定処理を行わせる(ステップS6)。ステップS6において解析装置27の統計的同定部61は、ステップS4において算出された血管形態指標の予測値とステップS5において算出された血液流量指標の予測値とが、事前に収集された血管形態指標の観測値と血液流量指標の観測値とに整合するように力学的モデルの潜在変数のパラメータを統計的に同定する。 When steps S4 and S5 are performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform identification processing (step S6). In step S6, the statistical identification unit 61 of the analysis device 27 collects in advance the blood vessel shape index in which the predicted value of the blood vessel shape index calculated in step S4 and the predicted value of the blood flow rate index calculated in step S5 are collected. The parameters of the latent variables of the mechanical model are statistically identified so as to match the observed values of the blood flow and the observed values of the blood flow index.
図14に示すように、統計的同定部61は、第1統計的同定部61−1と第2統計的同定部61−2とを有している。第1統計的同定部61−1は、血管形態指標の予測値が血管形態指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定する。第2統計的同定部61−2は、血液流量指標の予測値が血液流量指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定する。以下、第1統計的同定部61−1と第2統計的同定部61−2とを順番に説明する。 As illustrated in FIG. 14, the statistical identification unit 61 includes a first statistical identification unit 61-1 and a second statistical identification unit 61-2. The first statistical identification unit 61-1 statistically identifies the parameter of the latent variable so that the predicted value of the blood vessel shape index matches the observed value of the blood vessel shape index. The second statistical identification unit 61-2 statistically identifies the parameter of the latent variable so that the predicted value of the blood flow index matches the observed value of the blood flow index. Hereinafter, the first statistical identification unit 61-1 and the second statistical identification unit 61-2 will be described in order.
具体的には、ステップS6において第1統計的同定部61−1は、ステップS4において算出された血管形態指標の予測値と観測値とに基づくデータ分布を設定する。データ分布は、例えば、血管形態指標の予測値と観測値との誤差に関する多変量正規分布関数を示す。 Specifically, in step S6, the first statistical identification unit 61-1 sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index calculated in step S4. The data distribution indicates, for example, a multivariate normal distribution function related to an error between the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index.
力学モデルにおける各節点または各要素での予測値と観測値の誤差に関する正規分布関数値を算出し、それらの積をデータ分布として統計的同定処理部において設定する。データ分布は、時刻毎に個別に設定されても良いし、複数時刻まとめて設定されても良い。 A normal distribution function value regarding the error between the predicted value and the observed value at each node or each element in the dynamic model is calculated, and the product of these is set as a data distribution in the statistical identification processing unit. The data distribution may be set individually for each time or may be set collectively for a plurality of times.
次に、第1統計的同定部61−1は、力学モデルの潜在変数に事前分布(事前確率分布)を割り当てる。具体的には、材料モデル、境界条件、負荷条件、および時系列の形態指標や形状変形指標の不確定性に関連するパラメータの各々に事前分布が割り当てられる。例えば、負荷条件のパラメータの一つである血管内腔に関する圧力値に関する事前分布が割り当てられる。圧力値の取り得る値の範囲(想定範囲)は、経験的に予め限定することができる。第1統計的同定部61−1は、これら想定範囲内に限定して内圧値に関するモンテカルロシミュレーションを実行することにより、各離散化領域について内圧値の確率分布、すなわち、事前分布を算出する。 Next, the first statistical identification unit 61-1 assigns a prior distribution (prior probability distribution) to the latent variable of the dynamic model. Specifically, a prior distribution is assigned to each of the material model, the boundary condition, the load condition, and the parameters related to the uncertainty of the time-series shape index and shape deformation index. For example, a prior distribution relating to a pressure value related to a blood vessel lumen, which is one of parameters of a load condition, is assigned. The range of values that can be taken by the pressure value (assumed range) can be empirically limited in advance. The first statistical identification unit 61-1 calculates a probability distribution of internal pressure values, that is, a prior distribution, for each discretized region by executing a Monte Carlo simulation related to the internal pressure values within the assumed range.
また、力学モデル構築部55は、事前分布として、芯線方向の圧力分布は滑らかであること、また、時間経過に伴う圧力変化が滑らかであること、血流の逆流がないことが観測されている場合には芯線方向の平均的な圧力変化の傾きが負であることを、例えば多変量正規分布関数により数学的に表現した確率分布を事前分布として設定しても良い。 In addition, as a prior distribution, the dynamic model construction unit 55 has observed that the pressure distribution in the core line direction is smooth, that the pressure change with the passage of time is smooth, and that there is no backflow of blood flow. In this case, for example, a probability distribution expressed mathematically by a multivariate normal distribution function that the slope of the average pressure change in the core line direction is negative may be set as the prior distribution.
これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、負荷条件のパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための負荷条件(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。 It is possible to execute a Monte Carlo simulation regarding the parameters of the load condition according to the assumed probability distribution, and to obtain a sampling value of the load condition (latent variable) to be set in the dynamic model, within the assumed range. .
次に、第1統計的同定部61−1は、各潜在変数について、事前分布とデータ分布とに統計的同定処理を施すことにより事後分布(事後確率分布)を算出する。統計的同定処理は、例えば、階層ベイズモデルやマルコフ連鎖モデルが挙げられる。そして、第1統計的同定部61−1は、各潜在変数について、事後分布の最頻値や平均値等の統計値から各潜在変数のパラメータを同定する。例えば、上述の例の場合、血管内腔圧力値に関する事後分布が算出され、この事後分布から血管内腔圧力値の同定値が算出される。 Next, the first statistical identification unit 61-1 calculates a posterior distribution (a posteriori probability distribution) by performing a statistical identification process on the prior distribution and the data distribution for each latent variable. Examples of the statistical identification process include a hierarchical Bayes model and a Markov chain model. And the 1st statistical identification part 61-1 identifies the parameter of each latent variable from statistical values, such as the mode value and average value of posterior distribution, about each latent variable. For example, in the case of the above-described example, the posterior distribution related to the vascular lumen pressure value is calculated, and the identification value of the vascular lumen pressure value is calculated from the posterior distribution.
図23は、階層ベイズモデルおよびマルコフ連鎖モンテカルロ法による負荷条件(血管内の平均圧力)に関する事後分布算出と平均内圧の同定とを説明するための図である。図23に示すように、血管起始部から延びる血管に石灰化プラーク領域と粥状プラーク領域とが設定されているものとする。石灰化プラーク領域は材料モデル同定領域に設定され、粥状プラーク領域に材料モデル同定領域に設定される。血管起始部から血管芯線方向に沿って進むにつれて血管内圧が降下する。血管芯線に沿って複数の節点が設定される。各節点を含む直交断面(節点断面)において内腔内圧の事後分布が算出され、事後分布の最頻値が同定される。 FIG. 23 is a diagram for explaining the calculation of the posterior distribution and the identification of the average internal pressure related to the load condition (average pressure in the blood vessel) by the hierarchical Bayes model and the Markov chain Monte Carlo method. As shown in FIG. 23, it is assumed that a calcified plaque region and a hook-like plaque region are set in a blood vessel extending from the blood vessel starting portion. The calcified plaque region is set as the material model identification region, and the calcified plaque region is set as the material model identification region. The blood pressure in the blood vessel decreases as the blood vessel progresses along the blood vessel core direction from the blood vessel starting portion. A plurality of nodes are set along the blood vessel core line. The posterior distribution of the intraluminal pressure is calculated in the orthogonal section (node section) including each node, and the mode value of the posterior distribution is identified.
なお、血管形態指標の観測値としては、例えば、ステップS2において算出された血管形態指標が用いられる。 For example, the blood vessel shape index calculated in step S2 is used as the observed value of the blood vessel shape index.
第2統計的同定部61−2による処理は、データ分布の算出に用いる指標が異なるだけで第1統計的同定部61−1による処理と同様である。すなわち、第2統計的同定部61−2は、まず、ステップS5において算出された血液流量指標の予測値と観測値とに基づくデータ分布を設定する。 The process by the second statistical identification unit 61-2 is the same as the process by the first statistical identification unit 61-1, except that the index used for calculating the data distribution is different. That is, the second statistical identification unit 61-2 first sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood flow index calculated in step S5.
次に、第2統計的同定部61−2は、力学モデルの潜在変数に事前分布を割り当てる。例えば、血管に関する材料モデルのパラメータや血液に関する材料モデルのパラメータ、プラークに関する材料モデルのパラメータに関する事前分布が割り当てられる。これら材料モデルのパラメータとしては、例えば、弾性率等の材料モデルパラメータや、血液の構成式における粘性に関するパラメータが挙げられる。材料モデルのパラメータの想定範囲や確率分布は、経験的に予め設定することができる。 Next, the second statistical identification unit 61-2 assigns a prior distribution to the latent variables of the dynamic model. For example, a prior distribution relating to a material model parameter relating to blood vessels, a material model parameter relating to blood, and a material model parameter relating to plaque is assigned. Examples of parameters of these material models include material model parameters such as elastic modulus, and parameters related to viscosity in blood constitutive equations. The assumed range and probability distribution of the parameters of the material model can be set empirically in advance.
第2統計的同定部61−2は、各離散化領域について材料モデルのパラメータの確率分布、すなわち、事前分布を設定し、これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、材料モデルのパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための材料モデルパラメータ(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。 The second statistical identification unit 61-2 sets the probability distribution of the parameter of the material model for each discretized region, that is, sets a prior distribution, limits the range within these assumed ranges, and follows the assumed probability distribution of the material model. A Monte Carlo simulation on the parameters can be executed, and a sampling value of the material model parameter (latent variable) for setting to the dynamic model can be obtained.
次に、第2統計的同定部61−2は、各潜在変数について、事前分布とデータ分布とに統計的同定処理を施すことにより事後分布を算出し、算出された事後分布の統計値から各潜在変数のパラメータを同定する。例えば、上述の例の場合、材料モデルのパラメータに関する事後分布が算出され、この事後分布から材料モデルのパラメータの同定値が算出される。 Next, the second statistical identification unit 61-2 calculates a posterior distribution by applying a statistical identification process to the prior distribution and the data distribution for each latent variable, and calculates each statistic value of the calculated posterior distribution. Identify the parameters of the latent variable. For example, in the case of the above-described example, the posterior distribution relating to the parameter of the material model is calculated, and the identification value of the parameter of the material model is calculated from this posterior distribution.
図24は、階層ベイズモデルおよびマルコフ連鎖モンテカルロ法による材料モデルパラメータに関する事後分布算出と材料モデルのパラメータ(血管壁の等価弾性率)の同定とを説明するための図である。図24に示すように、血管モデルは、図23と同様であるとする。材料モデル同定領域に限定して、血管壁の材料モデルのパラメータ(例えば、等価弾性率)の事後分布が算出され、事後分布の最頻値が同定される。 FIG. 24 is a diagram for explaining a posteriori distribution calculation and identification of a material model parameter (equivalent elastic modulus of a blood vessel wall) regarding a material model parameter by a hierarchical Bayes model and a Markov chain Monte Carlo method. As shown in FIG. 24, it is assumed that the blood vessel model is the same as that in FIG. The posterior distribution of the material model parameter (for example, equivalent elastic modulus) of the blood vessel wall is calculated only in the material model identification region, and the mode value of the posterior distribution is identified.
なお、血液流量指標の観測値は、例えば、大動脈に送り出される血流量変化であると仮定し、血管形態指標の観測値を、時系列のCT画像から画像処理により計測される左心室の容積変化値(CFA)として用いることができる。造影剤の冠動脈内注入後の造影剤の画像追尾により特徴点の移動量の時間的変化を算出することにより、流速や流量を算出してもよい。また、造影剤の血管芯線方向または時間的な特定領域の濃度変化量を取得し、その濃度変化を各領域の芯線方向距離間隔で除した値や、濃度変化の時間的変化率から、流速や流量を算出してもよい。MRIの場合はプロトンの画像追尾を用い、超音波エコーの場合には、コントラストエコー図法等により流量を算出する。 Note that the observed value of the blood flow index is assumed to be, for example, a change in the blood flow sent to the aorta, and the observed value of the blood vessel shape index is changed from the time-series CT image by image processing. It can be used as a value (CFA). The flow rate and flow rate may be calculated by calculating the temporal change in the amount of movement of the feature points by image tracking of the contrast agent after injection of the contrast agent into the coronary artery. In addition, the concentration change amount of a specific region in the blood vessel core direction or temporal direction of the contrast agent is acquired, and the flow rate and the value of the concentration change divided by the distance in the core direction direction of each region and the temporal change rate of the concentration change are calculated. The flow rate may be calculated. In the case of MRI, proton image tracking is used, and in the case of ultrasonic echoes, the flow rate is calculated by contrast echography or the like.
また、解析対象領域の各画素の座標値が確定値であることを前提としない場合、すなわち、解析対象領域の幾何学的構造に不確定性があると仮定する場合、潜在変数に幾何学的構造を含めても良い。この場合、統計的同定部61は、各節点の座標値の芯線方向に関する所定範囲内の変動、または、解析対象領域の径の所定範囲内の変動を表現した正規分布等の確率分布を事前分布として設定すると良い。この場合、解析対象領域の形状が滑らかであること、また、芯線における節点の順番が不変であるという制約も事前分布として設定しても良い。これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、幾何学的構造のパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための幾何学的構造の不確定性パラメータ(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。 In addition, if it is not assumed that the coordinate value of each pixel in the analysis target area is a definite value, that is, if it is assumed that the geometric structure of the analysis target area is uncertain, the geometrical A structure may be included. In this case, the statistical identification unit 61 pre-distributes a probability distribution such as a normal distribution expressing a variation within a predetermined range of the coordinate value of each node in the core line direction or a variation within a predetermined range of the diameter of the analysis target region. It is good to set as. In this case, a restriction that the shape of the analysis target area is smooth and that the order of the nodes in the core line is unchanged may be set as a prior distribution. It is possible to perform Monte Carlo simulations on geometric parameters according to the assumed probability distribution, and limit the uncertainty parameters of the geometric structure (latent variables) to be set to the dynamic model. ) Sampling value can be obtained.
なお、各ステップS6において第1統計的同定部61−1による統計的同定処理と第2統計的同定部61−2による統計的同定処理との両方が行われなくても良い。すなわち、各ステップS6においては、第1統計的同定部61−1による統計的同定処理と第2統計的同定部61−2による統計的同定処理との何れか一方が行われても良い。 In each step S6, both the statistical identification process by the first statistical identification unit 61-1 and the statistical identification process by the second statistical identification unit 61-2 may not be performed. That is, in each step S6, either the statistical identification process by the first statistical identification unit 61-1 or the statistical identification process by the second statistical identification unit 61-2 may be performed.
また、上記の例においては、第1統計的同定部61−1は、血管形態指標の予測値が血管形態指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定し、第2統計的同定部61−2は、血液流量指標の予測値が血液流量指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定するとした。しかし、統計的同定部61は、構造−流体連成解析に基づいて、血管形態指標の予測値と血液流量指標の予測値とが血管形態指標の観測値と血液流量指標の観測値とに整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定しても良い。統計的同定部61による統計的同定処理のさらなる詳細については後述する。 In the above example, the first statistical identification unit 61-1 statistically identifies the parameters of the latent variable so that the predicted value of the blood vessel shape index matches the observed value of the blood vessel shape index, and the second The statistical identification unit 61-2 statistically identifies the parameters of the latent variable so that the predicted value of the blood flow index matches the observed value of the blood flow index. However, based on the structure-fluid coupling analysis, the statistical identification unit 61 matches the predicted value of the blood vessel shape index and the predicted value of the blood flow index with the observed value of the blood vessel shape index and the observed value of the blood flow index. Thus, the parameters of the latent variable may be identified statistically. Further details of the statistical identification process by the statistical identification unit 61 will be described later.
ステップS6が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に設定処理を行わせる(ステップS7)。ステップS7において解析装置27の力学モデル構築部55は、ステップS6において算出された潜在変数のパラメータを力学モデルに設定する。 When step S6 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform setting processing (step S7). In step S7, the dynamic model construction unit 55 of the analysis device 27 sets the parameter of the latent variable calculated in step S6 to the dynamic model.
ステップS7が行われるとシステム制御部21は、同定終了条件が満たされたか否かを判定する(ステップS8)。ステップS8において同定終了条件が満たされていないと判定した場合(ステップS8:NO)、システム制御部21は、ステップS4、S5、S6、S7、およびS8を繰り返す。 When step S7 is performed, the system control unit 21 determines whether or not the identification end condition is satisfied (step S8). If it is determined in step S8 that the identification end condition is not satisfied (step S8: NO), the system control unit 21 repeats steps S4, S5, S6, S7, and S8.
ここで、同定終了条件は、同定終了を判定するための指標(以下、同定終了指標と呼ぶ)が規定値に達するか否かにより表現される。同定終了指標としては、例えば、血管形態指標の予測値と観測値との差分値が挙げられる。この場合、システム制御部21は、この差分値が既定値よりも大きい場合、同定終了条件が満たされていないと判定し、差分値が既定値よりも小さい場合、同定終了条件が満たされたと判定する。 Here, the identification end condition is expressed by whether or not an index for determining the end of identification (hereinafter referred to as an identification end index) reaches a specified value. As an identification end index, for example, a difference value between a predicted value and an observed value of a blood vessel morphology index can be cited. In this case, the system control unit 21 determines that the identification end condition is not satisfied when the difference value is larger than the predetermined value, and determines that the identification end condition is satisfied when the difference value is smaller than the predetermined value. To do.
また、同定終了指標は、例えば、モンテカルロ法のサンプリング点の数でも良い。この場合、システム制御部21は、このサンプリング点の数が既定値よりも小さい場合、同定終了条件が満たされていないと判定し、サンプリング点の数が既定値よりも大きい場合、同定終了条件が満たされたと判定する。同定終了条件が満たされた場合、力学モデル構築部55は、その時点の最新の力学モデルを最終的な力学モデルに設定する。 Further, the identification end index may be, for example, the number of sampling points of the Monte Carlo method. In this case, when the number of sampling points is smaller than the predetermined value, the system control unit 21 determines that the identification end condition is not satisfied, and when the number of sampling points is larger than the predetermined value, the identification end condition is Determined to be satisfied. When the identification end condition is satisfied, the dynamic model construction unit 55 sets the latest dynamic model at that time as the final dynamic model.
最終的な力学モデルが構築されると、力学モデル構築部55は、血管形状変形指標の観測値、最終的な力学モデルにおける負荷条件のパラメータ、および材料モデルのパラメータを関連付けたモデル(以下、関連モデルと呼ぶ)を算出する。関連モデルは、記憶部33に記憶される。関連モデルは、検索の容易性等のため患者情報や検査情報等に関連付けて記憶されると良い。なお、血管形態指標や血液流量指標の観測値、最終的な力学モデルにおける負荷条件のパラメータ、および材料モデルのパラメータは、必ずしもモデルの形態で関連付けられる必要はなく、例えば、テーブルまたはデータベースであっても良い。 When the final mechanical model is constructed, the mechanical model construction unit 55 associates the observed value of the blood vessel shape deformation index, the load condition parameter in the final mechanical model, and the material model parameter (hereinafter referred to as the related model). Called a model). The related model is stored in the storage unit 33. The related model may be stored in association with patient information, examination information, or the like for ease of search. Note that the observed values of the blood vessel shape index and blood flow index, the load condition parameter in the final dynamic model, and the material model parameter do not necessarily have to be associated with each other in the form of the model. Also good.
上記のステップS4、S5、S6、S7、およびS8は、同一の同定法で反復しても良いし、異なる同定法で反復しても良い。異なる同定法で反復する場合、例えば、まず、簡易的力学モデルを利用して潜在変数を暫定的に同定し、次に、連続体力学モデルを利用して潜在変数を正確に同定しても良い。このように統計的同定処理を異なる手法で2段階に分けて行うことにより、潜在変数のパラメータを短時間で収束させることができる。簡易的力学モデルを利用する方法としては、内圧および外圧を厚肉円筒の材料力学の式と、ハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式とを用いる方法が挙げられる。連続体力学モデルを利用する方法としては、FEM構造流体解析が挙げられる。簡易的力学モデルを利用する同定法と連続体力学モデルを利用する同定法との詳細については後述する。 The above steps S4, S5, S6, S7, and S8 may be repeated with the same identification method, or may be repeated with different identification methods. When iterating with different identification methods, for example, first, a latent variable may be tentatively identified using a simple dynamic model, and then a latent variable may be accurately identified using a continuum dynamic model. . Thus, by performing the statistical identification process in two steps using different methods, the parameters of the latent variable can be converged in a short time. As a method of using a simple dynamic model, there is a method of using internal pressure and external pressure for the material dynamics equation of the thick-walled cylinder, Hagen-Poiseuille flow and modified Bernoulli equation. As a method using the continuum mechanics model, FEM structural fluid analysis can be mentioned. Details of the identification method using a simple mechanical model and the identification method using a continuum mechanical model will be described later.
ステップS8において同定終了受件が満たされたと判定した場合(ステップS8:YES)、システム制御部21は、画像解析・追尾処理部53に修正処理を行わせても良い(ステップS9)。ステップS9において画像解析・追尾処理部53は、統計的同定法による逆解析で得られた潜在変数のもとで実施した構造流体解析結果(力学的指標の予測値および血液流体指標の予測値)が観測値(力学的指標の観測値および血液流体指標の観測値)に整合するように、時系列の医用画像に含まれる血管領域の形状を修正しても良い。 If it is determined in step S8 that the identification completion receipt is satisfied (step S8: YES), the system control unit 21 may cause the image analysis / tracking processing unit 53 to perform correction processing (step S9). In step S9, the image analysis / tracking processing unit 53 performs the structural fluid analysis result (predicted value of the mechanical index and predicted value of the blood fluid index) performed based on the latent variable obtained by the inverse analysis by the statistical identification method. The shape of the blood vessel region included in the time-series medical image may be corrected so as to match the observed value (the observed value of the mechanical index and the observed value of the blood fluid index).
表示部31は、修正後の時系列の医用画像に基づく診断結果を表示する。これにより、血管解析装置50は、最終的な力学モデルを考慮した診断結果を表示することができる。または、表示部31は、逆解析による同定とその構造流体解析により観測結果とが整合しない血管箇所・領域を画面に表示しても良い。 The display unit 31 displays the diagnosis result based on the corrected time-series medical image. Thereby, the blood vessel analysis device 50 can display the diagnosis result in consideration of the final dynamic model. Alternatively, the display unit 31 may display on the screen a blood vessel location / region where the identification by the inverse analysis and the observation result by the structural fluid analysis do not match.
例えば、血管の挙動の動きの速い心位相の画像はぼやけることが多く、医用画像をもとにした画像解析により観測した血管形状には誤差が大きい箇所や領域が存在する。比較的、血管の挙動が安定した心位相のデータでは、ノイズが少ない画像から得られる。そのような誤差分布の小さい血管形状データに基づき、誤差が大きな心位相での血管形状を、力学モデルを用いることで、正しく内挿することができ、そのような誤差が大きい血管箇所や領域について、正しく内挿した形状とともに、元データからのばらつき分布とともに、表示することができる。これにより、血管形状表示の安定性を確保できるとともに、形状の不確定性をユーザが認識できる。 For example, an image of a cardiac phase in which the behavior of a blood vessel is fast is often blurred, and there are locations and regions with large errors in the blood vessel shape observed by image analysis based on a medical image. The cardiac phase data in which the blood vessel behavior is relatively stable can be obtained from an image with little noise. Based on such blood vessel shape data with a small error distribution, the blood vessel shape in the cardiac phase with a large error can be correctly interpolated by using a dynamic model. Along with the correctly interpolated shape, it can be displayed with the variation distribution from the original data. Thereby, the stability of the blood vessel shape display can be ensured and the user can recognize the uncertainty of the shape.
ステップS9が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に血管応力解析処理を行わせる(ステップS10)。ステップS10において解析装置27の血管応力解析部57は、最終的な力学モデルに血管応力解析を施して時系列の力学的指標の予測値の空間分布を算出する。具体的には、離散化領域毎に力学的指標の予測値が算出される。 When step S9 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform vascular stress analysis processing (step S10). In step S <b> 10, the vascular stress analysis unit 57 of the analysis device 27 performs vascular stress analysis on the final dynamic model to calculate a spatial distribution of predicted values of time-series mechanical indices. Specifically, the predicted value of the mechanical index is calculated for each discretized region.
また、ステップS9が行われるとシステム制御部21は、解析装置27に血液流体解析処理を行わせる(ステップS11)。ステップS11において解析装置27の血液流体解析部59は、暫定的に構築された力学モデルに血液流体解析を施して時系列の血液流量指標の予測値の空間分布を算出する。具体的には、離散化領域毎に血液流量指標の予測値が算出される。 When step S9 is performed, the system control unit 21 causes the analysis device 27 to perform blood fluid analysis processing (step S11). In step S11, the blood fluid analysis unit 59 of the analysis device 27 performs blood fluid analysis on the tentatively constructed dynamic model to calculate a spatial distribution of predicted values of the time-series blood flow index. Specifically, the predicted value of the blood flow index is calculated for each discretized region.
なお、力学的指標または血液流量指標として、FFRが算出されても良い。 Note that FFR may be calculated as a mechanical index or a blood flow index.
ステップS9およびS10が行われるとシステム制御部21は、表示部31に表示処理を行わせる(ステップS11)。ステップS11において表示部31は、ステップS9において算出された時系列の力学的指標の予測値とステップS10において算出された時系列の血液流量指標の予測値とを表示する。 When steps S9 and S10 are performed, the system control unit 21 causes the display unit 31 to perform display processing (step S11). In step S11, the display unit 31 displays the predicted value of the time-series dynamic index calculated in step S9 and the predicted value of the time-series blood flow index calculated in step S10.
例えば、表示部31は、時系列の力学的指標または時系列の血管流量指標を、時系列の力学モデルを当該予測値に応じた色で動画的に表示する。このため、表示部31は、各種の予測値とカラー値(例えば、RGB)との関係を示すカラーテーブルを保持している。表示部31は、予測値に応じたカラー値をカラーテーブルを利用して特定し、特定されたカラー値に応じた色で当該予測値に対応する離散化領域を表示する。 For example, the display unit 31 displays a time-series dynamic index or a time-series blood flow index in a moving image of a time-series dynamic model in a color corresponding to the predicted value. Therefore, the display unit 31 holds a color table indicating the relationship between various predicted values and color values (for example, RGB). The display unit 31 specifies a color value corresponding to the predicted value using a color table, and displays a discretization region corresponding to the predicted value with a color corresponding to the specified color value.
図25は、力学的指標の一つである内圧の空間分布の表示例を示す図である。図25に示すように、表示部31は、力学モデルを構成する各離散化領域を当該離散化領域に関する内圧値に応じた色で動画的に表示する。ユーザは、力学モデルを観察することにより、経時的且つ空間的に変化する力学的指標を色で把握することができる。 FIG. 25 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of internal pressure that is one of the mechanical indices. As shown in FIG. 25, the display unit 31 displays each discretized area constituting the dynamic model in a moving image with a color corresponding to the internal pressure value related to the discretized area. By observing the dynamic model, the user can grasp the dynamic index that changes with time and space by color.
図26は、血液流量指標の一つである流速値の空間分布の表示例を示す図である。図26に示すように、表示部31は、力学モデルを構成する各離散化領域を当該離散化領域に関する流速値に応じた色で動画的に表示する。ユーザは、力学モデルを観察することにより、経時的且つ空間的に変化する血液流量指標を色で把握することができる。 FIG. 26 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of flow velocity values that are one of blood flow indices. As shown in FIG. 26, the display unit 31 displays each discretized area constituting the dynamic model in a moving image with a color corresponding to the flow velocity value related to the discretized area. By observing the dynamic model, the user can grasp the blood flow index that changes with time and space by color.
例えば、血管内が完全に狭窄している場合、狭窄部位の内圧は、非狭窄部位の内圧よりも小さい。力学的指標として内圧が指定された場合、ユーザは、力学モデル上での局所的な色の違いにより狭窄の有無を判断することができる。また、狭窄部位の流量は、非狭窄部位の流用よりも小さい。血液流量指標として流量が指定された場合、ユーザは、力学モデル上での局所的な色の違いにより狭窄の有無を判断することができる。 For example, when the inside of the blood vessel is completely stenotic, the internal pressure at the stenotic site is smaller than the internal pressure at the non-stenotic site. When the internal pressure is designated as the mechanical index, the user can determine the presence or absence of stenosis based on a local color difference on the dynamic model. Further, the flow rate of the stenosis site is smaller than that of the non-stenosis site. When the flow rate is designated as the blood flow index, the user can determine the presence or absence of stenosis based on a local color difference on the dynamic model.
また、血管応力解析部57は、プラーク領域の材料モデルのパラメータの同定結果に基づいて、力学的指標として硬さ値の空間分布を算出しても良い。この場合、表示部31は、プラーク領域に関する硬さ値の空間分布を力学モデル上において表示しても良い。また、表示部31は、プラーク領域周辺の内圧分布や応力分布、ひずみ分布を表示して良い。ユーザは、これらの表示をプラークの性状と破綻しやすさとを推定することに活用することができる。 Further, the vascular stress analysis unit 57 may calculate the spatial distribution of the hardness value as a mechanical index based on the identification result of the parameter of the material model of the plaque region. In this case, the display unit 31 may display the spatial distribution of the hardness value regarding the plaque region on the dynamic model. The display unit 31 may display an internal pressure distribution, a stress distribution, and a strain distribution around the plaque region. The user can use these displays to estimate the nature of the plaque and the likelihood of failure.
力学的指標および血液流量指標の予測値は、力学モデルの離散化領域の色で表現する方法のみに限定されない。例えば、図27、図28、および図29に示すように、グラフで表示しても良い。なお、図27は、左冠動脈起始部の血圧に関するグラフである。図27のグラフの縦軸は正規化した血圧に規定され、横軸は心位相[%]に規定される。図28は、LCXとLDAとの分岐点付近の血圧に関するグラフである。図28のグラフの縦軸は正規化した血圧に規定され、横軸は心位相[%]に規定される。図29は、芯線方向に関する血圧変化に関するグラフである。図29のグラフの縦軸は血圧比に規定され、横軸は大動脈からの距離[mm]に規定される。表示部31は、力学的指標および血液流量指標の予測値をグラフで表示することにより、これら値をユーザに簡便に把握させることができる。 The predicted values of the mechanical index and the blood flow index are not limited only to the method of expressing with the color of the discretized region of the dynamic model. For example, as shown in FIG. 27, FIG. 28, and FIG. FIG. 27 is a graph relating to the blood pressure of the left coronary artery origin. The vertical axis of the graph of FIG. 27 is defined by normalized blood pressure, and the horizontal axis is defined by cardiac phase [%]. FIG. 28 is a graph relating to blood pressure near the branch point between LCX and LDA. The vertical axis of the graph of FIG. 28 is defined by normalized blood pressure, and the horizontal axis is defined by cardiac phase [%]. FIG. 29 is a graph relating to changes in blood pressure with respect to the core line direction. The vertical axis of the graph of FIG. 29 is defined by the blood pressure ratio, and the horizontal axis is defined by the distance [mm] from the aorta. The display unit 31 displays the predicted values of the mechanical index and the blood flow index in a graph so that the user can easily grasp these values.
ステップS11が行われると構造流体解析処理が終了する。 When step S11 is performed, the structural fluid analysis process ends.
なお、図20において、強制変位履歴は、形状モデルの芯線部と外壁部とに設定されるとしたが、強制変位履歴の設定箇所は、これに限定されない。例えば、強制変位履歴は、芯線部と外壁部との間の血管壁領域に設定されても良い。 In FIG. 20, the forced displacement history is set in the core line portion and the outer wall portion of the shape model. However, the setting location of the forced displacement history is not limited to this. For example, the forced displacement history may be set in a blood vessel wall region between the core line portion and the outer wall portion.
また、強制変位履歴の拘束条件の割り当て対象は、境界条件および材料モデルを同定するか否かに応じて切り分けられても良い。図30は、強制変位履歴の他の割り当て例を示す図であり、形状モデルの断面を示している。例えば、図30(a)に示すように、境界条件および材料モデルを同定する場合、形状モデルの外壁部OW上の節点PN2のみに強制変位履歴を割り当て、血管壁領域RVの節点PN3には強制変位履歴を割り当てなければよい。 Further, the assignment target of the constraint condition of the forced displacement history may be divided according to whether the boundary condition and the material model are identified. FIG. 30 is a diagram showing another example of assignment of the forced displacement history, and shows a cross section of the shape model. For example, as shown in FIG. 30A, when a boundary condition and a material model are identified, a forced displacement history is assigned only to the node PN2 on the outer wall portion OW of the shape model, and a forced displacement history is assigned to the node PN3 of the vascular wall region RV. There is no need to assign a displacement history.
また、図30(b)に示すように、境界条件および材料モデルを同定しない場合、形状モデルの外壁部の節点PN2と血管壁領域RVの節点PN3との両方に強制変位履歴を割り当てればよい。この場合、芯線上の節点PN1に強制変位履歴が割り当てられる。また、外壁部OWの節点PN2と節点PN1とをビーム要素EBで結び、ビーム要素EB上の節点PN2およびPN3にも強制変位履歴を割り当ててもよい。このとき、半径方向に関する収縮および膨張は、ビーム要素EBの伸縮変位で表現する。なお、血管内腔領域RIには、強制変位履歴が割り当てられなくて良い。 Further, as shown in FIG. 30B, when the boundary condition and the material model are not identified, the forced displacement history may be assigned to both the node PN2 of the outer wall portion of the shape model and the node PN3 of the blood vessel wall region RV. . In this case, a forced displacement history is assigned to the node PN1 on the core line. Further, the node PN2 and the node PN1 of the outer wall portion OW may be connected by the beam element EB, and the forced displacement history may be assigned to the nodes PN2 and PN3 on the beam element EB. At this time, contraction and expansion in the radial direction are expressed by expansion and contraction of the beam element EB. Note that the forced displacement history need not be assigned to the blood vessel lumen region RI.
図31は、強制変位履歴の割り当ての他の例を示す図であり、血管周辺組織のダミー要素RDを含む形状モデルの断面を示している。図31に示すように、ダミー要素RDは、血管壁領域RNの外側に設定される。形状モデルがダミー要素RDを含む場合、血管壁領域RNに加え、ダミー要素RDにも節点PN4が設定される。節点PN4にも強制変位履歴が割り当てられる。 FIG. 31 is a diagram showing another example of assignment of forced displacement history, and shows a cross section of a shape model including a dummy element RD of a tissue around a blood vessel. As shown in FIG. 31, the dummy element RD is set outside the blood vessel wall region RN. When the shape model includes the dummy element RD, the node PN4 is set in the dummy element RD in addition to the blood vessel wall region RN. A forced displacement history is also assigned to the node PN4.
力学モデル構築部55は、境界条件および材料モデルを同定する場合、血管壁領域RVに含まれる節点PN3に強制変位履歴を割り当て、境界条件および材料モデルを同定しない場合、強制変位履歴を割り当てなくても良い。節点PN3に強制変位履歴を割り当てる場合、内腔領域RIに関する形状指標以外にも血管壁領域RVに関する形状指標も参照して材料モデルの同定が行われる。 The mechanical model construction unit 55 assigns a forced displacement history to the node PN3 included in the blood vessel wall region RV when identifying the boundary condition and the material model, and does not assign a forced displacement history when the boundary condition and the material model are not identified. Also good. When the forced displacement history is assigned to the node PN3, the material model is identified with reference to the shape index related to the blood vessel wall region RV in addition to the shape index related to the lumen region RI.
図32は、強制変位履歴の割り当ての他の例を示す図であり、プラーク領域RPを含む形状モデルの断面を示している。図32に示すように、プラーク領域RPは、血管壁領域RVに含まれる。プラーク領域RPは、材料モデル同定領域に設定される。プラーク領域RPについては、内腔形状指標、血管壁形状指標、およびプラーク指標を考慮して材料モデルが同定される。 FIG. 32 is a diagram showing another example of assignment of the forced displacement history, and shows a cross section of the shape model including the plaque region RP. As shown in FIG. 32, the plaque region RP is included in the blood vessel wall region RV. The plaque region RP is set in the material model identification region. For the plaque region RP, a material model is identified in consideration of the lumen shape index, the blood vessel wall shape index, and the plaque index.
既述のように、プラーク指標は、例えば、超音波診断装置による組織性状診断により得られたプラークの性状に関するデータである。力学モデル構築部55は、性状に応じてプラーク領域を複数の部分領域に区分し、複数の部分領域に個別に材料モデル同定領域を設定する。各部分領域には、予め、当該部分領域の性状に応じたパラメータ範囲を設定することが好ましい。既述の統計的同定処理により、各部分領域についての材料モデルパラメータが統計的同定部61により同定される。そして、ステップS10において表示部31が力学的指標として血管の材料特性に関する指標を表示することにより、ユーザは、プラークの性状を正確且つ容易に把握することができる。 As described above, the plaque index is, for example, data relating to the plaque property obtained by the tissue property diagnosis by the ultrasonic diagnostic apparatus. The mechanical model construction unit 55 divides the plaque region into a plurality of partial regions according to the properties, and individually sets the material model identification regions in the plurality of partial regions. It is preferable to set a parameter range in advance for each partial region according to the properties of the partial region. By the above-described statistical identification process, the material model parameters for each partial region are identified by the statistical identification unit 61. In step S10, the display unit 31 displays an index related to the material characteristics of the blood vessel as a mechanical index, so that the user can accurately and easily grasp the property of the plaque.
次に、潜在変数の一つである材料モデルについて詳細に説明する。血管の材料モデルとしては、弾性モデル、超弾性モデル、異方性超弾性モデル、粘性特性を考慮した超弾性モデル等が適用可能である。異方性超弾性モデルとしては、例えば、Y.C.Funにより提案された数理モデルや、Holzapfel−Gasser構成式と呼ばれる数理モデルを適用できる。 Next, a material model that is one of latent variables will be described in detail. As a blood vessel material model, an elastic model, a superelastic model, an anisotropic hyperelastic model, a superelastic model considering viscosity characteristics, and the like are applicable. Examples of anisotropic superelastic models include Y. C. A mathematical model proposed by Fun or a mathematical model called Holzapfel-Gasser constitutive equation can be applied.
単位参照体積あたりのひずみエネルギーは、以下の(1)式で表わされる。(1)式の第1項は、コラーゲンを含まない等方性基礎材料のせん断変形に関するエネルギーを表している。また、(1)式の第2項は、コラーゲンを含まない等方性基礎材料の体積変形に関するエネルギーを表している。また、(1)式の第3項は、コラーゲン繊維各グループの寄与(繊維方向の分散を考慮)を表している。 The strain energy per unit reference volume is expressed by the following equation (1). The first term of the formula (1) represents the energy related to the shear deformation of the isotropic basic material not containing collagen. Further, the second term of the formula (1) represents the energy related to the volume deformation of the isotropic basic material not containing collagen. The third term of the formula (1) represents the contribution of each group of collagen fibers (considering the dispersion in the fiber direction).
図33は、繊維グループの変形を示す図である。図33に示すように、円筒形上の外膜を仮定する。芯線方向zと周方向θとにより規定される面における平均方向Aでの繊維グループの変形は、下記の(2)式で表される。 FIG. 33 is a diagram illustrating deformation of a fiber group. As shown in FIG. 33, a cylindrical outer membrane is assumed. The deformation of the fiber group in the average direction A on the surface defined by the core line direction z and the circumferential direction θ is expressed by the following equation (2).
(1)式および(2)式中の材料モデルに関するパラメータとしては、以下の表1に示すように、材料パラメータと繊維分散パラメータとがある。材料パラメータとしては、C10、D,K1、K2等が用いられ、繊維分散パラメータとしては、Kappaやγ等が用いられる。各パラメータのデフォルト値と制約条件とは表1に示す通りである。 Parameters relating to the material model in the equations (1) and (2) include a material parameter and a fiber dispersion parameter as shown in Table 1 below. C10, D, K1, K2, etc. are used as material parameters, and Kappa, γ, etc. are used as fiber dispersion parameters. The default values and constraint conditions for each parameter are as shown in Table 1.
血液の材料モデルは、以下の(3)式のようなCasson構成式や(4)式のようなHB構成式が好適である。 As the blood material model, a Casson constitutive expression such as the following expression (3) and an HB constitutive expression such as the expression (4) are suitable.
これら材料モデルのパラメータは、上述のステップS6において統計的同定部61により、血管形態指標および血液流体指標を用いた統計的同定処理により同定される。 The parameters of the material model are identified by the statistical identification unit 61 in the above-described step S6 by statistical identification processing using the blood vessel shape index and the blood fluid index.
次に、統計的同定部61により行われる統計的同定処理の詳細について説明する。 Next, details of the statistical identification processing performed by the statistical identification unit 61 will be described.
時系列の医用画像から計測される血管形態指標および血液流量指標のような観測変数は、不確定性を有している。統計的同定部61は、このような不確定性が存在する状況下における潜在変数の統計的同定法として、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とに基づく統計的手法を活用する。 Observation variables such as blood vessel shape indices and blood flow indices measured from time-series medical images have uncertainties. The statistical identification unit 61 uses a statistical method based on a hierarchical Bayesian model and a Markov chain Monte Carlo method as a statistical identification method of a latent variable in a situation where such uncertainty exists.
既述のように、ステップS6において統計的同定部61は、ステップS4において算出された血管形態指標または血液流量指標の予測値と観測値とに基づくデータ分布を設定する。データ分布は、例えば血管形態指標または血液流量指標の予測値と観測値との誤差に関する多変量正規分布関数を示す。データ分布は、時刻毎に個別に設定されても良いし、複数時刻まとめて設定されても良い。 As described above, in step S6, the statistical identification unit 61 sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index or blood flow index calculated in step S4. The data distribution indicates, for example, a multivariate normal distribution function related to an error between a predicted value and an observed value of a blood vessel shape index or a blood flow index. The data distribution may be set individually for each time or may be set collectively for a plurality of times.
次に、統計的同定部61は、形状モデルの強制変位と潜在変数とに事前分布を割り当てる。事前分布は、取り得る値の確率分布を示す。次に、統計的同定部61は、潜在変数に関する数値シミュレーションのパラメータサーベイを実行し、潜在変数と血管形態指標または血液流量指標との関係を表現するモデルを構築する。例えば、材料モデルパラメータと内圧分布パラメータと血管形態指標または血液流量指標との関係がモデルに規定される。なお、血管形態指標または血液流量指標と潜在変数との関係は、モデルという形態ではなく、データベースまたはテーブルにより規定されても良い。これらモデル、データベース、または、テーブルは、記憶部33に記憶される。 Next, the statistical identification unit 61 assigns a prior distribution to the forced displacement and the latent variable of the shape model. The prior distribution indicates a probability distribution of possible values. Next, the statistical identification unit 61 executes a parameter survey of a numerical simulation regarding the latent variable, and constructs a model that expresses the relationship between the latent variable and the blood vessel shape index or the blood flow index. For example, the relationship between the material model parameter, the internal pressure distribution parameter, and the blood vessel shape index or blood flow index is defined in the model. The relationship between the blood vessel shape index or blood flow index and the latent variable may be defined by a database or a table instead of a model. These models, databases, or tables are stored in the storage unit 33.
統計的同定部61は、モデル、データベース、または、テーブルを利用して事前分布から血管形態指標または血液流量指標の確率分布を算出する。統計的同定部61は、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とにより得られる事後分布から潜在変数を統計的に同定する。 The statistical identification unit 61 calculates a probability distribution of the blood vessel shape index or the blood flow index from the prior distribution using a model, a database, or a table. The statistical identification unit 61 statistically identifies latent variables from the posterior distribution obtained by the hierarchical Bayesian model and the Markov chain Monte Carlo method.
具体的には、この同定問題は、次の3条件を満足しない不良設定問題となる。3条件は、(1)解の存在が保証される、(2)解が唯一に定まる、(3)解がデータに対して連続的に変化し測定誤差に対して解が安定している、である。不良設定問題は、正規化理論とその拡張とからなる枠組み内で捉えると扱いやすい。不良設定問題を解くことは、標準正規化理論では不十分である。不良設定問題を解くためには、内部状態の不連続点を検出し、検出された不連続点を内部状態の推定に役立てる方法論が必要となる。この点で、本実施形態の統計的同定処理においてマルコフ確率場理論が有効となる。 Specifically, this identification problem is a defect setting problem that does not satisfy the following three conditions. The three conditions are (1) the existence of a solution is guaranteed, (2) the solution is uniquely determined, (3) the solution continuously changes with respect to the data, and the solution is stable with respect to the measurement error, It is. The defect setting problem is easy to handle when viewed within the framework of normalization theory and its extensions. The standard normalization theory is insufficient to solve the defect setting problem. In order to solve the defect setting problem, a methodology for detecting discontinuities in the internal state and using the detected discontinuous points for estimation of the internal state is required. In this respect, Markov random field theory is effective in the statistical identification processing of the present embodiment.
血管形態指標と血液流量指標とに不確定性が存在する環境下において統計的同定部61は、適切な制約条件の下において潜在変数の確率分布パラメータを同定する。適切な制約条件を決定するためには、解の性質を事前に知っている必要がある。統計的同定部61は、解空間の制約条件に関するデータベースをシミュレーションと観測値とに基づいて、発生する。 In an environment where uncertainty exists in the blood vessel shape index and the blood flow index, the statistical identification unit 61 identifies the probability distribution parameter of the latent variable under an appropriate constraint condition. In order to determine appropriate constraints, it is necessary to know the nature of the solution in advance. The statistical identification unit 61 generates a database related to the constraint condition of the solution space based on the simulation and the observation value.
統計的同定部61は、発生されたデータベースを利用して、超多自由度大規模問題に対してマルコフ確率場理論と階層ベイズモデルとに基づく統計的同定処理を実行する。制約条件となる事前分布の設定では、多くの数値実験結果に基づいて、これらの要因に関するパラメータの確率分布が並列的に個別に構成される。統計的同定部61は、複数の確率分布を統合しデータの欠損を補間することで潜在変数のパラメータを同定する。この処理のために、統計的同定部61は、マルコフ確率場理論を用いたモデルに基づく階層ベイズ法による推定を行う。解析対象とする構造の変形状態の実測結果から、同定した中間変数をもとに、ある負荷条件と境界条件における圧力や流量分布が推定できるという仕組みである。 The statistical identification unit 61 uses the generated database to execute statistical identification processing based on Markov random field theory and a hierarchical Bayesian model for a super-multi-degree-of-freedom large-scale problem. In the setting of the prior distribution as a constraint condition, the probability distribution of parameters relating to these factors is individually configured in parallel based on many numerical experimental results. The statistical identification unit 61 identifies parameters of latent variables by integrating a plurality of probability distributions and interpolating data loss. For this processing, the statistical identification unit 61 performs estimation by a hierarchical Bayesian method based on a model using Markov random field theory. This is a mechanism that can estimate pressure and flow rate distribution under certain load conditions and boundary conditions based on the identified intermediate variables from the measurement results of the deformation state of the structure to be analyzed.
冠動脈の構造流体解析における材料モデル、境界条件、および負荷条件の同定問題は、非線形逆解析と位置付けられ、解の一意性および安定性が保証されない場合が多い。生体組織の材料特性や血圧の現実的に取り得る範囲は先験情報として想定できるため、これらを事前分布の確率分布として設定できる。また、圧力や変位は空間的時間的に滑らかであることも想定できるためこの情報も先験情報として事前分布の確率分布として設定できる。 The identification problem of material models, boundary conditions, and load conditions in structural fluid analysis of coronary arteries is positioned as nonlinear inverse analysis, and the uniqueness and stability of the solution are often not guaranteed. Since realistically possible ranges of material properties and blood pressure of living tissue can be assumed as a priori information, these can be set as a probability distribution of prior distribution. In addition, since pressure and displacement can be assumed to be spatially and temporally smooth, this information can also be set as a priori probability distribution as a priori information.
または、血液の流れに逆流が生じていない事実を考慮できる場合は血管芯線方向の全体的な圧力分布の傾きは負(圧力降下が存在)であることも制約条件として用いて良い。負荷条件(内圧分布等)、境界条件、および材料モデルに対して、時系列のCT画像に基づく血管形状変形指標の観測値と力学モデルに基づく血管形状変形指標の予測値との2乗誤差分布をデータ分布として設定できる。 Alternatively, when the fact that no back flow occurs in the blood flow can be taken into account, the fact that the slope of the overall pressure distribution in the blood vessel core direction is negative (there is a pressure drop) may be used as a constraint condition. For load conditions (internal pressure distribution, etc.), boundary conditions, and material model, square error distribution between observed value of blood vessel shape deformation index based on time-series CT image and predicted value of blood vessel shape deformation index based on dynamic model Can be set as the data distribution.
観測可能な平均流量に関する2乗誤差分布もデータ分布として追加してもよい。これらの事前分布とデータ分布とに基づいて、階層ベイズモデルとモンテカルロ法とを利用して事後分布を算出することができる。事後分布の発生確率や分散により、潜在変数のパラメータの同定値を得ることができる。発生確率が高く、分散が小さいほうが確信度合の高い同定値といえる。 A square error distribution related to the observable average flow rate may be added as a data distribution. Based on these prior distribution and data distribution, the posterior distribution can be calculated using the hierarchical Bayesian model and the Monte Carlo method. The identification value of the parameter of the latent variable can be obtained by the occurrence probability and variance of the posterior distribution. It can be said that the higher the probability of occurrence and the smaller the variance, the higher the confidence value.
事後分布が多峰性分布となる場合でも、複数の同定値のうちの分散が小さい同定値を選択すれば良い。または、複数の同定値が存在し得る場合、それぞれの同定条件で、構造流体解析を実施し、それぞれの可能性を認識して、同定値や解析結果を、診断や予防の指針情報として活用することができる。時系列のCT画像にも誤差が含まれていることから、力学モデルの各節点に関する血管形態指標にも誤差が含まれる。このため、各血管形態指標を、例えば、時系列のCT画像から計測された血管形態指標の予測値を平均値とした正規分布の確率変数として扱い、位置の空間的順序を保つという制約を含めた上で、事前分布を設定してもよい。 Even when the posterior distribution is a multimodal distribution, an identification value having a small variance among a plurality of identification values may be selected. Or, when multiple identification values can exist, perform structural fluid analysis under each identification condition, recognize each possibility, and use the identification values and analysis results as guide information for diagnosis and prevention be able to. Since an error is included in the time-series CT image, an error is also included in the blood vessel shape index related to each node of the dynamic model. For this reason, for example, each blood vessel shape index is treated as a normal distribution random variable having an average value of the predicted value of the blood vessel shape index measured from a time-series CT image, and includes a restriction that the spatial order of positions is maintained. In addition, a prior distribution may be set.
また、潜在変数のパラメータの同定において、一意性がなく、複数の候補が考えられる場合がある。この場合、時系列のCT画像から計測された血管形態指標の不確定性に従う乱数のサンプリング点に対する、潜在変数の同定値のサンプル集合の変動幅をチェックすることで、各同定値の候補のロバスト性(安定性)を判定する。各同定値の候補のロバスト性に基づいて、最終的な同定値を決定しても良い。 In addition, there are cases where there is no uniqueness in identification of parameters of latent variables, and a plurality of candidates can be considered. In this case, by checking the fluctuation range of the sample set of the identification value of the latent variable with respect to the random sampling point according to the uncertainty of the blood vessel shape index measured from the time-series CT image, the robustness of each identification value candidate is checked. Judgment (stability). The final identification value may be determined based on the robustness of each identification value candidate.
次に、力学モデルの詳細について説明する。既述のように、力学モデル構築部55は、力学モデルの種類に応じて異なるタイプの力学モデルを構築することができる。連続体力学に基づくFEMを用いる場合、力学モデル構築部55は、血管壁の応力解析用のための形状モデル(FEMモデル)と血液の流体解析用のための形状モデル(FEMモデル)との両方を構築する。 Next, details of the dynamic model will be described. As described above, the dynamic model construction unit 55 can construct different types of dynamic models depending on the type of the dynamic model. When FEM based on continuum mechanics is used, the mechanical model construction unit 55 includes both a shape model for stress analysis of the blood vessel wall (FEM model) and a shape model for fluid analysis of blood (FEM model). Build up.
材料力学に基づく簡易的な同定法を用いる場合、材料力学における内圧を受ける厚肉円筒の式から近似的に圧力と弾性率と変位との関係を求める。この場合、芯線方向に配列された複数の離散化領域の各々について厚肉円筒近似が形状モデルとして用いられる。具体的には、力学モデル構築部55は、芯線上に離散的に配列された節点を通る断面上の血管内腔形状と血管壁表面形状と断面中心とを特定する。 When a simple identification method based on material mechanics is used, the relationship between pressure, elastic modulus, and displacement is approximately obtained from the equation of a thick cylinder that receives internal pressure in material mechanics. In this case, thick cylindrical approximation is used as a shape model for each of a plurality of discretized regions arranged in the core line direction. Specifically, the dynamic model construction unit 55 identifies the blood vessel lumen shape, the blood vessel wall surface shape, and the cross-sectional center on the cross section passing through the nodes discretely arranged on the core line.
次に力学モデル構築部55は、血管内腔形状と血管壁表面形状とに基づいて、平均面積、内腔の平均半径、および平均壁厚を算出する。そして力学モデル構築部55は、平均面積、内腔の平均半径、および平均壁厚に基づいて、各離散化領域の血管領域に厚肉円筒近似を施して形状モデルを構築する。 Next, the dynamic model construction unit 55 calculates the average area, the average radius of the lumen, and the average wall thickness based on the blood vessel lumen shape and the blood vessel wall surface shape. Based on the average area, the average radius of the lumen, and the average wall thickness, the dynamic model construction unit 55 constructs a shape model by performing thick-walled cylinder approximation on the blood vessel region of each discretization region.
流れ力学に基づく簡易的な同定法を用いる場合、血流の平均圧力と平均流量とを近似的に求めるため、流体力学における修正ベルヌーイの式、または、ハーゲン・ポアズイユ流れ(Hagen−Poiseuille Flow)の式を用いる。この場合、複数の離散化領域の各々の血圧差と流量との関係を近似的に求めるための形状モデルが構築される。ここで、血圧差は、入口の血圧と出口の圧力との圧力差であり、流量は、単位時間あたり入口流量(または流速)と出口流量(または流速)とを意味する。ただし、力学モデル構築部55は、ステップS2において算出された芯線方向に関する伸縮距離とねじれ角とに基づいて、各節点に関する移動ベクトルと当該節点に隣接する節点に関する回転変位とを各時刻で対応させると良い。 When a simple identification method based on flow mechanics is used, the modified Bernoulli equation in fluid mechanics or the Hagen-Poiseille Flow is used to approximate the mean blood pressure and mean flow. Use the formula. In this case, a shape model for approximating the relationship between the blood pressure difference and the flow rate of each of the plurality of discretized regions is constructed. Here, the blood pressure difference is a pressure difference between the inlet blood pressure and the outlet pressure, and the flow rate means the inlet flow rate (or flow velocity) and the outlet flow rate (or flow velocity) per unit time. However, the dynamic model construction unit 55 associates the movement vector for each node with the rotational displacement for the node adjacent to the node at each time based on the expansion / contraction distance and the twist angle in the core line direction calculated in step S2. And good.
次に、連続体力学モデルを用いる構造流体解析について説明する。 Next, structural fluid analysis using a continuum mechanics model will be described.
血管および血液(血管と血液を構成する物質)についての運動学は、その運動を引き起こしている力とは無関係である。血管および血液についての運動学の基本概念は、位置、時間、物体、運動、および変形し得る物質の集合についての直感的概念を数学的用語へ抽象化したものである。血管および血液に関する変形および運動の局所的解析を支配する基礎的運動学テンソルは、変形勾配テンソルFと速度勾配テンソルLとである。 The kinematics for blood vessels and blood (substances that make up blood vessels and blood) are independent of the forces causing that motion. The basic concept of kinematics for blood vessels and blood is an abstraction of the intuitive notion of position, time, objects, motion, and a collection of deformable substances into mathematical terms. The basic kinematic tensors that govern the local analysis of deformation and motion for blood vessels and blood are the deformation gradient tensor F and the velocity gradient tensor L.
変形勾配テンソルFは、運動する血管および血液の物質要素に生じる大きさおよび形の変化を規定する。変形勾配テンソルFは、回転テンソル(正格直交テンソル)Rとストレッチングテンソル(正値対称テンソル)U,Vとの積で表わされる。ストレッチングテンソルU,Vは、まず、基本形態での正規直交ベクトルRによって定められる方向に関するストレッチを課し、次に、正規直交ベクトルRによって与えられる剛体回転を課すことによりもたらされる。なお、ストレッチを課す順番と剛体回転を課す順番とは逆でも良い。 The deformation gradient tensor F defines the size and shape changes that occur in the moving blood vessels and blood material elements. The deformation gradient tensor F is represented by the product of a rotation tensor (strict orthogonal tensor) R and a stretching tensor (positive symmetric tensor) U and V. The stretching tensors U, V are brought about by first imposing a stretch on the direction defined by the orthonormal vector R in the basic form and then imposing a rigid body rotation given by the orthonormal vector R. Note that the order of imposing stretch and the order of imposing rigid body rotation may be reversed.
速度勾配テンソルLは、基準形態に依存せず現在形態にのみ依存する。速度勾配テンソルLは、運動する血管および血液の物質要素に生じる大きさおよび形の変化が生じる速度を規定する。速度勾配テンソルLは、ひずみ速度テンソルD(対称テンソル)とスピンテンソル(反対称テンソル)とに分離できる。ひずみ速度テンソルDは、物体がその現在形態をちょうど通過するときのストレッチの変化率を表す。スピンテンソルは、物体がその現在形態をちょうど通過するときの回転の変化率を表す。 The velocity gradient tensor L does not depend on the reference form but depends only on the current form. The velocity gradient tensor L defines the rate at which the size and shape changes that occur in the moving blood vessels and blood material elements occur. The velocity gradient tensor L can be separated into a strain rate tensor D (symmetric tensor) and a spin tensor (antisymmetric tensor). The strain rate tensor D represents the rate of change of the stretch when the object just passes through its current form. The spin tensor represents the rate of change of rotation when an object just passes through its current form.
血管の力学モデルの外表面節点(または積分点)の一部に関する変形勾配テンソルと速度勾配テンソルとに変位拘束条件(時間的変化を含む)を割り当てる。力学モデルの内腔節点(または積分点)に関する予測値(変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、またはそれらの関数値(例えば、変位や面積でも良い))と、観測値(観測データから得られた変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、またはそれらの関数値)とが整合するように、材料モデルのパラメータ、負荷条件(力学モデルの内腔における表面力ベクトル)、および境界条件(血管境界における力ベクトル)を同定する。ここで、血管内部の応力の初期状態は、予め仮定しておいてもよいし、同定してもよい。 Displacement constraint conditions (including temporal changes) are assigned to the deformation gradient tensor and velocity gradient tensor relating to a part of the outer surface node (or integration point) of the mechanical model of the blood vessel. Predicted values (deformation gradient tensor, velocity gradient tensor, or their function values (for example, displacement or area)) and observation values (deformation obtained from observation data) for the lumen node (or integration point) of the dynamic model The material model parameters, loading conditions (surface force vector in the lumen of the dynamic model), and boundary conditions (force vector at the vessel boundary) are matched so that the gradient tensor, velocity gradient tensor, or their function values match. Identify. Here, the initial state of the stress inside the blood vessel may be assumed in advance or may be identified.
連続体力学に基づく力学モデルは、運動中の血管および血液における質量、運動学、運動量、角運動量、およびエネルギーの平衡を表す方程式を基礎としている。質量、力、熱、および内部エネルギーという概念が基本である。平衡則とは、運動量の時間全微分が物体力と接触力との和に等しくなり、また、角運動量の時間全微分が物体トルクと接触トルクとの和に等しくなり、また、運動エネルギーと内部エネルギーとの時間的変化が、仕事率(力学的エネルギー)と単位時間あたりの熱供給と熱流束との和に等しくなる、ということを意味している。 Dynamic models based on continuum mechanics are based on equations representing the balance of mass, kinematics, momentum, angular momentum, and energy in moving blood vessels and blood. The concepts of mass, force, heat, and internal energy are fundamental. The balance law is that the momentary total derivative of momentum is equal to the sum of object force and contact force, the momentary total derivative of angular momentum is equal to the sum of object torque and contact torque, and kinetic energy and internal It means that the change with time in energy is equal to the sum of power (mechanical energy), heat supply per unit time and heat flux.
平衡則、構成式、および跳躍条件から、変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、および応力テンソルといった場の方程式を導き、血管および血液の力学モデルを記述できる。また、血管および血液におけるひずみ場は、適合条件を満たす。 From balance laws, constitutive equations, and jump conditions, field equations such as deformation gradient tensors, velocity gradient tensors, and stress tensors can be derived to describe vascular and blood dynamic models. In addition, the strain fields in blood vessels and blood satisfy the fitting conditions.
ここで、構成式とは、密度、内部エネルギー、速度ベクトル、応力テンソル、熱流束ベクトル、および温度からなる10個のスカラ方程式の組の関係を与えるものである。場の釣り合い式の中の17個のスカラ場、つまり、密度、内部エネルギー、速度ベクトル、応力テンソル、および熱流束ベクトルのうち、場の釣り合いにより8個のスカラ関係が与えられ、温度を加えた残りの未知量の関係を与える。ただし、物体力bと熱源rとは既知としている。これらのスカラ場を与える方程式のパラメータが材料モデルパラメータである。 Here, the constitutive equation gives a relationship of a set of 10 scalar equations composed of density, internal energy, velocity vector, stress tensor, heat flux vector, and temperature. Of the 17 scalar fields in the field balance equation, ie, density, internal energy, velocity vector, stress tensor, and heat flux vector, the field balance gives 8 scalar relationships and added the temperature Give the remaining unknown relationships. However, the object force b and the heat source r are known. The parameters of the equations giving these scalar fields are material model parameters.
連続体力学に基づく力学モデルは、有限要素法又は境界要素法による数値解析法により変位ベクトル、応力テンソル、ひずみテンソル、および速度ベクトル等の場の近似解を、与えられた境界条件、負荷条件、および材料モデルのもとに算出することができる。 The mechanics model based on continuum mechanics is a numerical analysis method using the finite element method or the boundary element method, and approximates the field such as displacement vector, stress tensor, strain tensor, and velocity vector, given boundary condition, load condition, And can be calculated based on the material model.
構造−流体連成解析において、構造および流体の方程式を解く方法は、一体型解法(monolithic method)と分離型解法(partitioned method)とのいずれでも良い。また、構造と流体との間の境界面での連成は、弱連成でも強連成でもよい。また、流体解析においては、ALE法に代表されるような境界面追跡型の手法で移動境界を扱ってもよいし、「Immersed Boundary method」、「Immersed Finite Element Method」、または「Fictitious Domain Method」等の境界面補足型の手法でもよい。 In the structure-fluid coupled analysis, the method of solving the structure and fluid equations may be either a monolithic method or a partitioned method. Further, the coupling at the interface between the structure and the fluid may be weakly coupled or strongly coupled. Further, in fluid analysis, a moving boundary may be handled by a boundary surface tracking type technique represented by the ALE method, or “Immersed Boundary method”, “Immersed Finite Element Method”, or “Fittious Domain Method”. A boundary surface supplement type technique such as the above may be used.
次に、簡易的な力学モデルの例として、内圧と外圧とを受ける厚肉円筒の材料力学の式と、ハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式とについて詳細に説明する。 Next, as an example of a simple dynamic model, the material dynamics equation of the thick cylinder subjected to internal pressure and external pressure, the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation will be described in detail.
まず、図34と図35とを参照しながら、厚肉円筒の材料力学の式について説明する。図34は、肉厚円筒の力学モデルの直交断面を示す図である。図35は、図34の微小扇形要素の拡大図である。内半径ra、外半径rbの厚肉円筒に内圧paと外圧pbとが作用する場合の応力やひずみ、変位等の式を説明する。Eおよびνは材料モデルパラメータである。Eは弾性率、νはポアソン比を表している。厚肉円筒では,半径応力σrも考慮し、円周応力σθ の半径方向分布も考慮する必要がある。以降では、軸方向のひずみεzは、断面の位置および向きに関して一様とする。 First, an equation of material dynamics of a thick cylinder will be described with reference to FIG. 34 and FIG. FIG. 34 is a diagram showing an orthogonal cross section of a dynamic model of a thick cylinder. FIG. 35 is an enlarged view of the minute sector element of FIG. Expressions such as stress, strain, and displacement when the internal pressure pa and the external pressure pb are applied to a thick cylinder having the inner radius ra and the outer radius rb will be described. E and ν are material model parameters. E represents the elastic modulus, and ν represents the Poisson's ratio. For thick cylinders, it is necessary to consider the radial stress σr and the radial distribution of the circumferential stress σθ. Hereinafter, the axial strain εz is assumed to be uniform with respect to the position and orientation of the cross section.
また円筒断面は、軸対称である場合について説明するが任意形状であっても良い。円筒断面が軸対称である場合、平衡条件は、任意の断面の半径方向についてのみ考えれば良い。任意の断面上で半径rとr+drの同心円筒と中心角dθで切り取られた単位厚さ1の微小扇形要素について、半径方向に関する力の平衡を考える。変形も軸対称であるため、ab面およびbc面には、せん断応力が生じないので、垂直応力のみ作用する。従って、半径方向に関する力の平衡は、以下の(5)式のように表現することができる。 Moreover, although the case where a cylindrical cross section is axially symmetrical is demonstrated, arbitrary shapes may be sufficient. When the cylindrical cross section is axisymmetric, the equilibrium condition may be considered only in the radial direction of an arbitrary cross section. Consider a balance of forces in the radial direction on a concentric cylinder with radii r and r + dr on a given cross section and a small sector element with unit thickness 1 cut at a central angle dθ. Since the deformation is also axisymmetric, no shear stress is generated on the ab plane and the bc plane, so that only normal stress acts. Therefore, the force balance in the radial direction can be expressed as the following equation (5).
σr rdθ+2σθr sin(dθ/2)-(σr+(dσr/dr)dr)(r+dr)dθ=0 …(5) σr rdθ + 2σθr sin (dθ / 2)-(σr + (dσr / dr) dr) (r + dr) dθ = 0 (5)
ここで、drはrより小さく、dσr はσrより小さいので、(5)式に含まれる高次の微小項を省略し、sin(dθ/2)≒dθ/2とすれば、(5)式は、以下の(6)式のように表現することができる。 Here, since dr is smaller than r and dσr is smaller than σr, if high-order minute terms included in equation (5) are omitted and sin (dθ / 2) ≈dθ / 2, then equation (5) Can be expressed as the following equation (6).
rdσr/dr+σr-σθ=0 …(6) rdσr / dr + σr-σθ = 0 (6)
半径rにおける半径方向の変位をuとすれば、u+drでの同方向の変位はu+(du/dr)drとなるので、半径rにおける半径方向のひずみεrはεr=du/drとなる。また、半径方向の変位uによって、半径rの円は半径r+uの円になる。従って、円周ひずみεθは、以下の(7)式のように表現することができる。 If the radial displacement at the radius r is u, the displacement in the same direction at u + dr is u + (du / dr) dr, so the radial strain εr at the radius r is εr = du / dr. Further, due to the radial displacement u, the circle with the radius r becomes a circle with the radius r + u. Therefore, the circumferential strain εθ can be expressed as the following equation (7).
εθ =(2π(r+u)-2πr)/2πr=u/r …(7) εθ = (2π (r + u) -2πr) / 2πr = u / r (7)
また、応力とひずみの関係式から、以下の(8)式または(9)式が得られる。 Moreover, the following (8) Formula or (9) Formula is obtained from the relational expression of stress and strain.
d2u/dr2+(1/r)(du/dr)-u/r2=0 …(8) d2u / dr2 + (1 / r) (du / dr) -u / r2 = 0 (8)
d2u/dr2+d(u/r)/dr=0 …(9) d2u / dr2 + d (u / r) / dr = 0 (9)
(8)式または(9)式を積分すると以下の(10)式を得ることができる。 The following formula (10) can be obtained by integrating the formula (8) or the formula (9).
u=c1r+c2/r …(10) u = c1r + c2 / r (10)
これにより以下の(11)式、(12)式、(13)式が得られる。 As a result, the following equations (11), (12), and (13) are obtained.
σr=(E/((1+ν)(1-2ν)))(c1-(1-2ν)(c2/r2)+νεz) …(11) σr = (E / ((1 + ν) (1-2ν))) (c1- (1-2ν) (c2 / r2) + νεz) (11)
σθ=(E/((1+ν)(1-2ν)))(c1+(1-2ν)(c2/r2)+νεz) …(12) σθ = (E / ((1 + ν) (1-2ν))) (c1 + (1-2ν) (c2 / r2) + νεz) (12)
σz=(Eν/((1+ν)(1-2ν)))(2c1+((1-ν)/ν)εz) …(13) σz = (Eν / ((1 + ν) (1-2ν))) (2c1 + ((1-ν) / ν) εz) (13)
(11)式、(12)式、(13)式における定数c1,c2は、周辺条件、すなわち、円筒の内周r=raでσr=−pa、外周r=rbでσr=−pbから定めることができる。この周辺条件により、(11)式、(12)式、および(13)式から以下の(14)式、(15)式、(16)式をそれぞれ得ることができる。また、変位uは、以下の(17)式のように表現することができる。 The constants c1 and c2 in the equations (11), (12), and (13) are determined from the peripheral conditions, that is, σr = −pa at the inner circumference r = ra of the cylinder and σr = −pb at the outer circumference r = rb. be able to. Under these peripheral conditions, the following expressions (14), (15), and (16) can be obtained from the expressions (11), (12), and (13), respectively. Further, the displacement u can be expressed as the following equation (17).
σr=(1/(rb2-ra2))(ra2(1-rb2/r2)pa-rb2(1-ra2/r2)pb) …(14) σr = (1 / (rb2-ra2)) (ra2 (1-rb2 / r2) pa-rb2 (1-ra2 / r2) pb) (14)
σθ=(1/(rb2-ra2))(ra2(1+rb2/r2)pa-rb2(1+ra2/r2)pb) …(15) σθ = (1 / (rb2-ra2)) (ra2 (1 + rb2 / r2) pa-rb2 (1 + ra2 / r2) pb) (15)
σz=2ν(ra2pa-rb2pb)/(rb2-ra2)+Eεz=ν(σr+σθ)+Eεz …(16) σz = 2ν (ra2pa-rb2pb) / (rb2-ra2) + Eεz = ν (σr + σθ) + Eεz (16)
u=((1+ν)(1-2ν)/E)((ra2pa-rb2pb)/(rb2-ra2))r+((1+ν)/E)((ra2rb2)/((rb2-ra2)r))(pa-pb)-νεzr …(17) u = ((1 + ν) (1-2ν) / E) ((ra2pa-rb2pb) / (rb2-ra2)) r + ((1 + ν) / E) ((ra2rb2) / ((rb2-ra2) r)) (pa-pb) -νεzr (17)
(16)式および(17)式は、εzの項が含んでいる。従って、(16)式は、対象とする円筒の境界における拘束条件に応じて異なる。例えば、対象とする円筒の両端が拘束される場合、εz=0となり、両端が開放され、σz=0となる。 Expressions (16) and (17) include the term εz. Therefore, equation (16) varies depending on the constraint condition at the boundary of the target cylinder. For example, when both ends of the target cylinder are constrained, εz = 0, both ends are opened, and σz = 0.
rθ面内のせん断応力τrは、以下の(18)式のように表現することができる。 The shear stress τr in the rθ plane can be expressed as the following equation (18).
τr=(1/2)(σr-σθ)=((ra2rb2)/((rb2-ra2)r2))pb …(18) τr = (1/2) (σr−σθ) = ((ra2rb2) / ((rb2-ra2) r2)) pb (18)
θz面内のせん断応力τr’は、σz=0のとき最大になるのでσz=0とすると、以下の(19)式のように表現することができる。 Since the shear stress τr ′ in the θz plane becomes maximum when σz = 0, when σz = 0, it can be expressed as the following equation (19).
τr’=(1/2)|σθ|=(1/2)((rb2)/(rb2-ra2))(1+ra2/r2)pb …(19) τr ′ = (1/2) | σθ | = (1/2) ((rb2) / (rb2-ra2)) (1 + ra2 / r2) pb (19)
次に、ハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式について説明する。流体が円管内へ流入すると、下流に進むにつれて圧力は降下するとともに、流れの速度分布も徐々に変化する。流れが管内へ流入すると管壁から境界層が発達し、下流へ進むにつれて境界層は厚さを増し、ついには管内の流れは境界層に覆われる。このため、速度分布は管入口のほぼ平らな分布から下流の放物形分布へと変化し、それ以降の速度分布は変化しなくなる。この状態を完全に発達した流れと呼び、管摩擦損失による圧力降下も一定の割合になる。流れが管入口から発達した流れに達する区間を助走区間または入口区間といい、その区間の長さを助走距離または入口長さと呼ぶ。完全に発達した流れの速度分布は下流方向へ変化しないから、以下の(20)式に示すように、管摩擦損失によって生じる圧力損失ΔPの作用力と流体の粘性によって生じるせん断応力τの摩擦力は釣り合うことになる。円管内流れの場合、レイノルズ数Reがおよそ2300以下のとき層流となるといわれている。 Next, the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation will be described. When the fluid flows into the circular pipe, the pressure decreases as it proceeds downstream, and the flow velocity distribution also gradually changes. When the flow flows into the pipe, a boundary layer develops from the pipe wall, and as the flow proceeds downstream, the boundary layer increases in thickness, and finally the flow in the pipe is covered with the boundary layer. For this reason, the velocity distribution changes from a substantially flat distribution at the pipe inlet to a downstream parabolic distribution, and the velocity distribution thereafter does not change. This state is called a fully developed flow, and the pressure drop due to pipe friction loss is also a constant rate. The section where the flow reaches the flow developed from the pipe entrance is called the run-up section or the entrance section, and the length of the section is called the run-up distance or the entrance length. Since the velocity distribution of the fully developed flow does not change in the downstream direction, as shown in the following equation (20), the acting force of the pressure loss ΔP caused by the pipe friction loss and the friction force of the shear stress τ caused by the viscosity of the fluid Will be balanced. In the case of a flow in a circular pipe, it is said that the flow becomes laminar when the Reynolds number Re is about 2300 or less.
速度分布uは層流の場合、以下の(21)式のように軸対称な回転放物面で表わされる。 In the case of laminar flow, the velocity distribution u is represented by an axisymmetric rotational paraboloid as shown in the following equation (21).
流量Qは、速度分布uを管断面全体にわたって積分することにより、以下の(22)式のように表現することができる。 The flow rate Q can be expressed as the following equation (22) by integrating the velocity distribution u over the entire pipe cross section.
断面平均流速vは、以下の(23)式のように表現することができる。 The cross-sectional average flow velocity v can be expressed as the following equation (23).
圧力勾配は、流れ方向へ一定で、圧力は減少する。圧力勾配は、管長lの圧力降下Δpを用いると、以下の(24)式のように表現できる。(24)式に(22)式を代入すると(25)式が得られる。(25)式は、流量Qが圧力損失Δpに比例することを意味する。この関係を満たす流れをハーゲン・ポアズイユ流れという。
損失がある場合の修正ベルヌーイの式は、以下の(26)式、(27)式のように表現することができる。 The modified Bernoulli equation when there is a loss can be expressed as the following equations (26) and (27).
ここで、lは管の長さ、dは管内径、vは管内平均速度、λは管摩擦係数である。管摩擦係数λは、流れが層流の場合にはレイノルズ数Reによって、乱流の場合にはレイノルズ数Reと表面粗さとによって定まる値になる。流体の粘性によって摩擦抵抗が必ず作用する。この摩擦抵抗は、流れを駆動する動力またはエネルギーを消費することになるのでエネルギー損失になる。 Here, l is the tube length, d is the tube inner diameter, v is the tube average velocity, and λ is the tube friction coefficient. The pipe friction coefficient λ is a value determined by the Reynolds number Re when the flow is laminar and by the Reynolds number Re and the surface roughness when the flow is turbulent. Frictional resistance is always affected by the viscosity of the fluid. This frictional resistance is energy loss because it consumes the power or energy that drives the flow.
ハーゲンポワズイユ流れの式をダルシー・ワイズバッハの式のように変形すると、圧力差と流速および管内径とに関する以下の(28)式が得られる。 When the Hagen-Poiseuille flow equation is transformed to the Darcy-Weissbach equation, the following equation (28) relating to the pressure difference, flow velocity, and pipe inner diameter is obtained.
以上でハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式の説明を終了する。 This completes the description of the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation.
上述のように、解析装置27は、この材料力学の式とハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式とを利用して潜在変数を同定することができる。例えば、力学モデルとして、血管の変形を厚肉管の材料力学の式を用い、管径変化を内圧変化と弾性率とにより表現する場合について考える。 As described above, the analysis device 27 can identify a latent variable using the material dynamics equation and the Hagen-Poiseuille flow and modified Bernoulli equations. For example, as a dynamic model, consider a case in which the deformation of a blood vessel is expressed by an equation of material dynamics of a thick-walled tube, and the change in the tube diameter is expressed by an internal pressure change and an elastic modulus.
無応力状態を初期形状(例えば、血管が最も収縮する状態)と仮定した場合、血管壁およびプラークの弾性率をある値に設定すると、血管内腔の平均半径等の血管形状変形指標の観測値の時間的変化量と内圧の変化量との関係式が得られる。血管形状変形指標の観測値は、時系列のCT画像から計測される。この血管形状変形指標の観測値の時間的変化量に合致するように血管の内圧分布の時間的変化が決定される。この内圧分布の下に血液の流体解析を行うことで血管流量指標の予測値が計測される。この血管流量指標の予測値が観測値に一致しない場合、解析装置27は、最初に決めた血管壁またはプラークの弾性率を変更して、さらに同様の解析を行う。 Assuming that the stress-free state is the initial shape (for example, the state in which the blood vessel contracts the most), if the elastic modulus of the blood vessel wall and plaque is set to a certain value, the observed value of the blood vessel shape deformation index such as the average radius of the blood vessel lumen A relational expression between the amount of change in time and the amount of change in internal pressure is obtained. The observed value of the blood vessel shape deformation index is measured from a time-series CT image. The temporal change of the internal pressure distribution of the blood vessel is determined so as to match the temporal change amount of the observed value of the blood vessel shape deformation index. The predicted value of the blood vessel flow rate index is measured by performing blood fluid analysis under this internal pressure distribution. If the predicted value of the blood vessel flow rate index does not match the observed value, the analysis device 27 changes the initially determined elastic modulus of the blood vessel wall or plaque and performs the same analysis.
これを繰り返すことにより、解析装置27は、血管形状変形指標の観測値と血液流量指標の観測値とに整合する血管壁およびプラークの弾性率、内圧分布、流体解析の圧力境界条件等の潜在変数を決定することができる。この決定方法をより効率的かつ安定的に行うために、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とによる統計的同定手法を用いてもよい。 By repeating this, the analysis device 27 causes latent variables such as the elastic modulus of the blood vessel wall and plaque, the internal pressure distribution, the pressure boundary condition of the fluid analysis, and the like that match the observed value of the blood vessel shape deformation index and the observed value of the blood flow index. Can be determined. In order to perform this determination method more efficiently and stably, a statistical identification method using a hierarchical Bayesian model and a Markov chain Monte Carlo method may be used.
上記のように、血管解析装置50は、記憶部33、領域設定部51、画像解析・追尾処理部53、力学モデル構築部55、および統計的同定部61を有している。記憶部33は、被検体の血管に関する時系列の医用画像のデータを記憶する。領域設定部51は、時系列の医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域を設定する。画像解析・追尾処理部53は、時系列の医用画像を画像処理して解析対象領域の時系列の形態指標と時系列の形状変形指標とを算出する。 As described above, the blood vessel analysis device 50 includes the storage unit 33, the region setting unit 51, the image analysis / tracking processing unit 53, the dynamic model construction unit 55, and the statistical identification unit 61. The storage unit 33 stores time-series medical image data related to the blood vessels of the subject. The region setting unit 51 sets an analysis target region in a blood vessel region included in a time-series medical image. The image analysis / tracking processing unit 53 performs image processing on the time-series medical image and calculates a time-series shape index and a time-series shape deformation index of the analysis target region.
力学モデル構築部55は、時系列の形態指標と時系列の形状変形指標と時系列の医用画像とに基づいて、解析対象領域の構造流体解析に関する力学モデルを暫定的に構築する。統計的同定部61は、暫定的に構築された力学モデルに基づく血管形態指標および血液流量指標の予測値が予め計測された血管形態指標および血液流量指標の観測値に整合するように解析対象領域に関する力学モデルの潜在変数を同定する。 The mechanical model construction unit 55 provisionally constructs a mechanical model related to the structural fluid analysis of the analysis target region based on the time-series form index, the time-series shape deformation index, and the time-series medical image. The statistical identification unit 61 analyzes the region to be analyzed so that the predicted values of the blood vessel shape index and the blood flow rate index based on the tentatively constructed dynamic model match the pre-measured values of the blood vessel shape index and the blood flow rate index. To identify the latent variables of the dynamic model.
上記構成により、実施の形態の血管解析装置50は、材料モデル、境界条件、負荷条件、および幾何学的構造等の潜在変数を血管形状変形指標と血液流量指標とを用いた逆解析により同定することができる。 With the above configuration, the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment identifies latent variables such as a material model, boundary conditions, load conditions, and a geometric structure by inverse analysis using a blood vessel shape deformation index and a blood flow index. be able to.
血管解析装置50は、潜在変数を変更しながら逆解析を反復して行うことにより、上述の4点の困難、すなわち、1.冠動脈の材料モデルの同定方法、2.心臓の形状の変形の冠動脈への影響の組み込み、3.冠動脈の境界条件の同定方法、4.不確定性を有する血管形状を利用した材料モデルや負荷条件、境界条件の同定方法、を全て加味した潜在変数を同定することができる。 The blood vessel analysis device 50 repeatedly performs the inverse analysis while changing the latent variable, thereby achieving the above four points of difficulty, namely, 1. 1. Identification method of coronary artery material model 2. Incorporating the effects of heart shape deformation on coronary arteries. 3. Identification method of coronary artery boundary condition; It is possible to identify a latent variable in consideration of all of a material model using a blood vessel shape having uncertainty, a load condition, and a boundary condition identification method.
従って、血管解析装置50は、CT画像に描出されない血管や心臓等の外部要因による影響を加味した構造流体解析を実行することができる。このように、実施の形態の医用画像診断装置によれば、血管の構造流体解析の精度の向上を図ることができる。 Therefore, the blood vessel analysis device 50 can perform structural fluid analysis in consideration of the influence of external factors such as blood vessels and the heart that are not depicted in the CT image. Thus, according to the medical image diagnostic apparatus of the embodiment, the accuracy of the structural fluid analysis of blood vessels can be improved.
そして、血管解析装置50は、同定した潜在変数を形状モデルに割当てることで、最終的な力学モデルを構築する。さらに、血管解析装置50は、構築した力学モデルを解析することで、被検体の血管の各位置の材料特性(材料モデル、材料パラメータ)を同定する。そして、同定した材料特性を、処理装置70へ出力する。 Then, the blood vessel analysis device 50 constructs a final dynamic model by assigning the identified latent variables to the shape model. Furthermore, the blood vessel analyzing apparatus 50 identifies the material characteristics (material model, material parameter) at each position of the blood vessel of the subject by analyzing the constructed dynamic model. Then, the identified material characteristics are output to the processing device 70.
以上、実施の形態を説明したが、実施の形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施の形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment has been described above, the embodiment and the modification are presented as examples, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. The embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
27 解析装置
29 入力部
31 表示部
33 記憶部
50 血管解析装置
70 処理装置
70A 第1取得部
70B 第2取得部
70C 構築部
70D 第1生成部
70E 第1制御部
70F 受付部
70G 第2生成部
70H 第2制御部
70I 第3制御部
72 造形部
27 analysis device 29 input unit 31 display unit 33 storage unit 50 blood vessel analysis device 70 processing device 70A first acquisition unit 70B second acquisition unit 70C construction unit 70D first generation unit 70E first control unit 70F reception unit 70G second generation unit 70H Second control unit 70I Third control unit 72 Modeling unit
Claims (11)
前記血管の所定の位置の材料特性を取得する第2取得部と、
前記画像から、前記血管の三次元形状を示す形状モデルを構築する構築部と、
前記形状モデルによって示される前記血管の前記所定の位置に、前記材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成する第1生成部と、
を備えた、処理装置。 A first acquisition unit that acquires an image related to a blood vessel of a subject;
A second acquisition unit for acquiring a material property of a predetermined position of the blood vessel;
From the image, a construction unit for constructing a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel,
A first generation unit that generates a blood vessel model in which additional information related to the material property is added to the predetermined position of the blood vessel indicated by the shape model;
A processing apparatus comprising:
前記血管モデルによって示される血管壁の厚みが、前記血管の前記材料特性に応じた厚みとなるように、前記血管壁の内壁に対する外壁の相対位置を補正した前記付加情報を付加した前記血管モデルを生成する、
請求項1に記載の処理装置。 The first generator is
The blood vessel model to which the additional information obtained by correcting the relative position of the outer wall with respect to the inner wall of the blood vessel wall is added so that the thickness of the blood vessel wall indicated by the blood vessel model is a thickness according to the material characteristics of the blood vessel. Generate,
The processing apparatus according to claim 1.
前記血管モデルに応じた血管模型の造形材料が、対応する前記材料特性を満たすように、前記血管模型の造形材料の種類を示す前記付加情報を付加した前記血管モデルを生成する、
請求項1に記載の処理装置。 The first generator is
Generating the blood vessel model to which the additional information indicating the type of the modeling material of the blood vessel model is added so that the modeling material of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model satisfies the corresponding material characteristics;
The processing apparatus according to claim 1.
前記血管モデルに応じた血管模型の機械特性が、対応する前記材料特性を満たすように、前記血管模型によって示される血管を外側から補強する補強部材の付与位置を示す前記付加情報を付加した前記血管モデルを生成する、
請求項1に記載の処理装置。 The first generator is
The blood vessel to which the additional information indicating the application position of a reinforcing member that reinforces the blood vessel indicated by the blood vessel model from the outside is added so that the mechanical properties of the blood vessel model corresponding to the blood vessel model satisfy the corresponding material properties Generate a model,
The processing apparatus according to claim 1.
ユーザによる指示を受け付ける受付部と、
表示された前記血管画像における、前記指示された位置に対応する前記付加情報によって示される材料特性に応じた強度の出力信号を生成する第2生成部と、
前記出力信号の強度に応じた応力を生じさせるように、ユーザによって操作される入力部を制御する第2制御部と、
を更に備えた、
請求項1に記載の処理装置。 A first control unit that displays a blood vessel image indicated by the shape model on a display unit;
A reception unit for receiving instructions from the user;
A second generation unit that generates an output signal having an intensity corresponding to a material characteristic indicated by the additional information corresponding to the indicated position in the displayed blood vessel image;
A second control unit that controls an input unit operated by a user so as to generate a stress corresponding to the intensity of the output signal;
Further comprising
The processing apparatus according to claim 1.
請求項1に記載の処理装置。 In order to model a blood vessel model corresponding to the blood vessel model, further comprising a third control unit that controls a modeling unit that models a three-dimensional modeled object,
The processing apparatus according to claim 1.
前記被検体の血管に応じた内径であり、且つ、血管の内壁に対する外壁の相対位置が前記被検体の血管の材料特性を実現可能な位置とされた、血管模型。 A blood vessel model simulating the blood vessel of a subject,
A blood vessel model having an inner diameter corresponding to the blood vessel of the subject and a relative position of the outer wall with respect to the inner wall of the blood vessel being a position where the material characteristics of the blood vessel of the subject can be realized.
前記血管の所定の位置の材料特性を取得するステップと、
前記画像から、前記血管の三次元形状を示す形状モデルを構築するステップと、
前記形状モデルによって示される前記血管の前記所定の位置に、前記材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成するステップと、
を含む画像処理方法。 Obtaining an image of a blood vessel of a subject;
Obtaining material properties of a predetermined location of the blood vessel;
Constructing a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel from the image;
Generating a blood vessel model in which additional information related to the material property is added to the predetermined position of the blood vessel indicated by the shape model;
An image processing method including:
前記血管の所定の位置の材料特性を取得するステップと、
前記画像から、前記血管の三次元形状を示す形状モデルを構築するステップと、
前記形状モデルによって示される前記血管の前記所定の位置に、前記材料特性に関する付加情報を付加した血管モデルを生成するステップと、
をコンピュータに実行させるプログラム。 Obtaining an image of a blood vessel of a subject;
Obtaining material properties of a predetermined location of the blood vessel;
Constructing a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel from the image;
Generating a blood vessel model in which additional information related to the material property is added to the predetermined position of the blood vessel indicated by the shape model;
A program that causes a computer to execute.
を備えた、造形装置。 Modeling for modeling a blood vessel model corresponding to a blood vessel model in which additional information related to material characteristics of the blood vessel at the predetermined position is added to a predetermined position of the blood vessel indicated by a shape model indicating the three-dimensional shape of the blood vessel of the subject. And
A modeling apparatus.
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