JP2016187528A - Ｃｔ画像処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】心拍および呼吸拍の一方によるノイズを除去して他方による正確な周期運動のみを容易に抽出することができるＣＴ画像処理装置および方法を提供する。
【解決手段】動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置５であって、一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定する呼吸拍閾値特定部３６ａと、一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍閾値特定部３７ａと、呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出する呼吸拍抽出部３６ｂと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置および方法に関する。

マウス、ラット等の動物の体内の観察にはＸ線ＣＴ撮影が有効である。しかし、動物は人の様にオペレータの指示に従いＣＴ撮影中に息止めをすることができない。また、生体撮影では心臓を止めることはできない。そのため、心臓、肺および周辺の肝臓等の臓器の画像は心拍や呼吸の影響でブレてしまい精細な部位の観察や検査に適さなかった。

これに対し、ＥＣＧ（心電計）を使用し心拍信号を得て呼吸拍同期する方法や、ビデオカメラで小動物の胸部を撮影し、胸部の振動から呼吸拍を求めて呼吸拍同期する方法が知られている。しかし、これらの方法は、専用の機器や設備を要しコスト面や作業面で負担がかかる。

特許文献１記載のＣＴ画像処理装置は、対象となる被検体の部位を追跡するように、各撮影角度について同期用ＲＯＩの特定情報を算出し、強い同期信号を得て呼吸拍や心拍が十分に表れた特徴量を測定することで、投影データを用いて簡易な同期処理を可能にしている。

特許第５５４５８８１号公報 特開２００９−２２５８５０号公報 特表２０１０−５１５４７７号公報

しかし、上記のような方法では、得られた心拍や呼吸拍にノイズが残り、心拍波形や呼吸拍波形の各位相の位置を正確に捉えられない。例えば、肺の収縮期や拡張期のＣＴ画像を再構成することは比較的容易であっても、それらの中間期のＣＴ画像を得るのは難しい。また、特許文献１記載のＣＴ画像処理装置では、ＲＯＩを追跡するための設定や特別な計算が必要となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、心拍および呼吸拍の一方によるノイズを除去して他方による正確な周期運動のみを容易に抽出することができるＣＴ画像処理装置および方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明のＣＴ画像処理装置は、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置であって、一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定する呼吸拍閾値特定部と、前記一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍閾値特定部と、前記呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出する呼吸拍抽出部と、を備えることを特徴としている。これにより、心拍によるノイズを除去して正確な呼吸拍のみを容易に抽出することができる。その結果、ユーザが望む呼吸拍位相の正確なＣＴ画像が得られる。

（２）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出する心拍抽出部を更に備えることを特徴としている。これにより、呼吸拍によるノイズを除去して正確な心拍のみを容易に抽出することができる。

（３）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記呼吸拍同期用ＲＯＩが、投影データ上で、横隔膜を含むことを特徴としている。このように呼吸拍同期用ＲＯＩに横隔膜の領域を含むことで呼吸拍の波形を強く検出できる。

（４）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記呼吸拍周波数の下限閾値が、前記呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から得られるフーリエ変換波形において、直流成分を除いて最も周波数の小さいピーク位置で特定されることを特徴としている。これにより、適正にノイズを除去できる下限閾値を設定でき、これに基づいたバンドパスフィルタで呼吸拍のみを抽出できる。なお、下限閾値とは遮断周波数のことである。

（５）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記抽出された呼吸拍の波形から特定される一定の呼吸拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴としている。これにより、一定の呼吸拍位相におけるＣＴ画像を得ることができる。

（６）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記抽出された呼吸拍の波形から特定される一定の呼吸拍位相、かつ前記抽出された心拍の波形から特定される一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴としている。これにより、一定の呼吸拍位相かつ心拍位相におけるＣＴ画像を得ることができ、心臓や肺の周辺の臓器の明瞭なＣＴ画像を得ることができる。

（７）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置であって、一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍閾値特定部と、前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出する心拍抽出部と、を備えることを特徴としている。これにより、呼吸拍によるノイズを除去して正確な心拍のみを容易に抽出することができる。その結果、ユーザが望む心拍位相の正確なＣＴ画像が得られる。

（８）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記心拍同期用ＲＯＩが、投影データ上で、心室を含むとともに、心臓の横隔膜側端部から１／４以上１／３以下までの範囲を含むことを特徴としている。このように心拍同期用ＲＯＩに心室、および心臓の横隔膜側１／３以上１／４以下の範囲を含むことで心拍および呼吸拍の波形を強く検出できる。

（９）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記心拍周波数の下限閾値が、前記心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から得られるフーリエ変換波形において、直流成分のピークを除いて最大のピークの位置で特定されることを特徴としている。これにより、適正にノイズを除去できる下限閾値を設定でき、これに基づいたバンドパスまたはハイパスフィルタで呼吸拍のみまたは心拍のみを抽出できる。なお、下限閾値とは遮断周波数のことである。

（１０）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記抽出された心拍の波形から特定される一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴としている。これにより、一定の心拍位相におけるＣＴ画像を得ることができる。

（１１）また、本発明のＣＴ画像処理装置は、前記再構成部が、少なくとも３つの異なる位相について、前記一定の呼吸拍位相または前記一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成することを特徴としている。これにより、例えば、肺または心臓それぞれの収縮期、拡張期および中間期のＣＴ画像を再構成できる。

（１２）また、本発明の方法は、コンピュータを動作させることで、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理する方法であって、一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定するステップと、前記一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定するステップと、前記呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出するステップと、を含むことを特徴としている。これにより、心拍によるノイズを除去して正確な呼吸拍のみを容易に抽出することができる。

（１３）また、本発明の方法は、コンピュータを動作させることで、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理する方法であって、一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍ステップと、前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出するステップと、を含むことを特徴としている。これにより、呼吸拍によるノイズを除去して正確な心拍のみを容易に抽出することができる。

本発明によれば、心拍および呼吸拍の一方によるノイズを除去して他方による正確な周期運動のみを容易に抽出することができる。

本発明のＸ線ＣＴ装置を示す概略図である。 本発明のＸ線ＣＴ装置を示すブロック図である。 本発明のＸ線ＣＴ装置の動作を示すフローチャートである。 ＲＯＩの設定画面を示す図である。 心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形を示すグラフである。 特徴量の波形をフーリエ変換したグラフである。 抽出された心拍波形を示すグラフである。 呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形を示すグラフである。 特徴量の波形をフーリエ変換したグラフである。 抽出された呼吸拍の波形を示すグラフである。 抽出された心拍波形における各位相を示すグラフである。 心臓収縮期の投影データで再構成された３次元ＣＴ画像である。 心臓拡張期のＣＴ断面図を示す模式図である。 心臓収縮期のＣＴ断面図を示す模式図である。 各ＲＯＩの設定位置を示す図である。 ＲＯＩの設定位置ごとの輝度の積算値の波形を示すグラフである。 ＥＣＧ波形と抽出された心拍波形との対比を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（Ｘ線ＣＴ装置の構成）
図１は、Ｘ線ＣＴ装置１を示す概略図である。図１に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１は、撮影部２、画像リコンＰＣ５（ＣＴ画像処理装置）、入力部６、表示部８を備えている。撮影部２は、ガントリ制御ユニット１１、ガントリ１２を有し、保持した被検体に対してガントリ１２を回転させてＸ線ＣＴ撮影を行なう。撮影部２は、算出されたＣＴ撮影開始のタイミングでＣＴ撮影を行ない、被検体の投影データを撮影する。撮影したＣＴデータは、画像リコンＰＣ５に送信される。また、撮影部２は被検体の投影データを撮影することが可能である。なお、Ｘ線ＣＴ装置１は、マウス、ラット等の小型動物を被検体にする場合でも適用可能であるが、サル、イヌ等の中型動物を被検体にする場合に適している。

ガントリ１２は、所定の回転角度で被検体の透視データを得たり、回転撮影により投影データを得たりするために、被検体の周囲を回転できるように設けられている。ガントリ１２は、回転アーム１５、Ｘ線管１６、検出器１７およびアーム回転モータ１８を備えている。回転アーム１５には、Ｘ線管１６および検出器１７が固定されている。回転アーム１５は、Ｘ線管１６と検出器１７との間の点を中心として回転可能にガントリ１２内に設置されている。

Ｘ線管１６は、Ｘ線を発生させ検出器１７に向けて照射する。検出器１７は、Ｘ線を受光する受光面を有し、パネル状に形成されている。Ｘ線は、Ｘ線管１６から照射され被検体を透過して検出器１７で検出される。アーム回転モータ１８は、回転アーム１５を回転させることで、ガントリ１２全体を回転させる。アーム回転モータ１８は、ＣＴ撮影時に設定された速度でガントリ１２を回転させることが可能である。また、撮影終了後には、元の位置までガントリ１２を逆に回転させることができる。なお、上記ではＸ線ＣＴ装置１をアームタイプの装置として説明しているが、本発明の適用は必ずしもこのタイプに限定されない。

Ｘ線ＣＴ装置１は、高速な検出器１７を用い高速に多量のデータを収集でき、撮影時間を短縮できる。また、高速なデータ収集により体動の影響を低減できる。フレームレートは３０ｆｐｓ以上であることが好ましく、１００ｆｐｓ以上であると更に好ましい。

画像リコンＰＣ５（ＣＴ画像処理装置）は、撮影された投影データを取得し、投影データをもとに呼吸拍または心拍の同期信号として特徴量を算出する。そして、その呼吸拍または心拍同期信号を用いて３次元ＣＴ画像データの再構成を行なう。また、画像リコンＰＣ５は、撮影部２に撮影条件等を送信し、撮影部２の動作を制御する機能も有している。キーボードやマウス等の入力部６はユーザからの入力を受けて画像リコンＰＣ５に入力信号を伝える。

ディスプレイ等の表示部８は、透視画像や得られた同期信号の表示を行なう。また、ＣＴ撮影中に投影データを表示し、画像再構成後にＣＴ画像データを表示する。ガントリ制御ユニット１１は画像リコンＰＣ５からの指示を受けて、指示された速度でガントリ１２の回転を制御し、Ｘ線管１６および検出器１７によるＣＴ撮影を制御する。

（画像リコンＰＣの構成）
次に、画像処理の機能をさらに詳細に説明する。図２は、Ｘ線ＣＴ装置１を示すブロック図である。図２に示すように、画像リコンＰＣ５は、キーボード、マウス等の入力部６からユーザの入力を受ける。一方で、画像リコンＰＣ５は、ディスプレイ等の表示部８には透視画像や入力画面等を表示する。撮影の際には、画像リコンＰＣ５は、ユーザから入力された制御情報を撮影部２に送信する。

また、画像リコンＰＣ５は、データ取得部３１、記憶部３２、輝度値算出部３４（特徴量算出部）、ＲＯＩ設定部３５、呼吸拍閾値特定部３６ａ、呼吸拍抽出部３６ｂ、呼吸拍同期処理部３６ｃ、心拍閾値特定部３７ａ、心拍抽出部３７ｂ、心拍同期処理部３７ｃ、再構成部３９を備えており、被検体の心臓または肺の周期運動を抽出し投影データを処理する。各部は、制御バスＬにより情報を送受できる。なお、画像リコンＰＣ５は、実質的にはＣＰＵおよびメモリまたはハードディスク等により構成されている。

データ取得部３１は、被検体の透視データや投影データを撮影部２から取得する。記憶部３２は、取得された被検体の投影データを記憶する。また、記憶部３２は、輝度値算出部３４が算出した輝度値および輝度値の平均値である特徴量を記憶する。

輝度値算出部３４は、取得された投影データに設定された同期用ＲＯＩ（Region of Interest；関心領域）内にわたり輝度値を積算して、その同期用ＲＯＩのピクセル数で除する。これにより、呼吸拍または心拍同期信号として輝度値の平均値（特徴量）を算出することができる。なお、特徴量は、必ずしも輝度値である必要はなく、一定領域の積算値に対応する値であればよい。なお、同期用ＲＯＩの計算は、データ収集中または収集後に行なう。なお、同期用ＲＯＩは、観察のためのＲＯＩとは用途が異なり、周期的運動の強い信号を把握するためのものである。

ＲＯＩ設定部３５は、透視時に、同期用ＲＯＩを記憶させる。複数の角度の透視データに対して同じ同期用ＲＯＩの設定で問題無いか確認しておくことが好ましい。呼吸拍同期用ＲＯＩは、ユーザが入力部６から入力する。複数の撮影角度は、互いのなす角度が６０°以上１２０°以下の２つの撮影角度であることが好ましく、互いに直交する２つの角度であることがなお好ましい。

このように、投影データの同期用ＲＯＩから心拍信号および呼吸拍信号を得られる。そして、心拍または呼吸拍による画像のブレを排除でき、画質が各段に向上する。そして、拡張期、収縮期だけでなくその中間位相の心臓同期画像を得ることができ、心機能検査に利用できる。

呼吸拍閾値特定部３６ａは、一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定する。下限閾値の特定の詳細は後述する。呼吸拍抽出部３６ｂは、呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出する。具体的には、上記の両方の閾値の間の周波数を通し、それ以外を遮断する処理を行なう。これにより、心拍によるノイズを除去して正確な呼吸拍のみを容易に抽出することができる。

呼吸拍同期処理部３６ｃは、呼吸拍波形において、撮影角度と同期用ＲＯＩの特徴量との関係に基づいて、所定の位相区分に各投影データを分類し選出する。所定の呼吸拍の位相区分とは、たとえば、肺の収縮期、拡張期、それらの中間位相である。このような同期処理は、特別なハードウェアは必要とせず、ソフトウェアのみで行なえる。

心拍閾値特定部３７ａは、一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する。下限閾値の特定の詳細は後述する。心拍抽出部３７ｂは、心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出する。これにより、呼吸拍によるノイズを除去して正確な心拍のみを容易に抽出することができる。

心拍同期処理部３７ｃは、心拍波形において、撮影角度と同期用ＲＯＩの特徴量との関係に基づいて、所定の位相区分に各投影データを分類し選出する。所定の心拍の位相区分とは、例えば心臓の拡張期、収縮期、それらの中間位相である。このような同期処理は、特別なハードウェアは必要とせず、ソフトウェアのみで行なえる。

心拍同期処理部３７ｃは、呼吸拍同期処理部３６ｃにおいて所定の呼吸拍の位相区分に分類された投影データを、その撮影角度と同期用ＲＯＩの特徴量との関係に基づいて、所定の心拍の位相区分に分類し選出する。

このようにして、呼吸拍の位相区分および心拍の位相区分に投影データを分類し抽出することができる。たとえば、肺の拡張期以外の区分に投影データを分類し、分類されたデータをさらに心拍の拡張期の区分に分類することができる。

再構成部３９は、同期処理の結果、所定の呼吸拍または心拍の位相区分に分類された投影データで３次元ＣＴ画像データを再構成する。これにより、特定の呼吸拍の位相区分および心拍の位相区分に分類された投影データを用いて、周期的に運動する部位についても鮮明なＣＴ再構成画像を得ることができる。再構成部３９は、同期処理がなされたガントリの１回転分のデータで、必要な投影データを抽出しＣＴ画像データを再構成する。

なお、再構成部３９は、抽出された呼吸拍の波形から特定される一定の呼吸拍位相、かつ抽出された心拍の波形から特定される一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成してもよい。これにより、一定の呼吸拍位相かつ心拍位相におけるＣＴ画像を得ることができ、心臓や肺の周辺の臓器の鮮明なＣＴ画像を得ることができる。

再構成処理の際には、投影データの分類により欠落した投影データをその撮影角度付近の投影データで補間して、ＣＴ画像データを再構成することが好ましい。これにより、効率良く鮮明なＣＴ画像データを得ることができる。

（使用手順および装置動作）
次に、このように構成されているＸ線ＣＴ装置１の使用手順および装置の動作の一例を説明する。図３は、Ｘ線ＣＴ装置１の動作を示すフローチャートである。

まず、ユーザは、サル、イヌ等の中型動物の被検体を撮影部２が備えるベッドに設置する（ステップＳ１）。そして、事前撮影により被検体にＸ線を照射し、透視データを取得する。事前撮影は５秒程度のもので十分であり、ガントリは回転させない。このとき、即時処理を行ない、呼吸拍および心拍同期信号を算出してグラフを表示する。得られた透視データの横隔膜を含む部位および心臓部位を示す領域に、同期用ＲＯＩを設定する（ステップＳ２）。

手動による指定は、Ｘ線ＣＴ装置１がユーザから同期用ＲＯＩを特定する位置、形状の情報を受け付けることで可能となる。たとえば、マウスによりドラッグアンドドロップの操作をして対角線を設定することで長方形の同期用ＲＯＩを設定可能にする。さらに、同期用ＲＯＩを設定した撮影角度に直交する角度でＸ線照射を行ない、得られた投影データの横隔膜部位および心臓部位を同期用ＲＯＩがカバーしていることを確認することが好ましい。なお、同期用ＲＯＩの形状は必ずしも厳密に長方形である必要はない。

そして、被検体のＸ線ＣＴ撮影を行ない、投影データを取得する（ステップＳ３）。すなわち、Ｘ線ＣＴ装置１は、ユーザからの撮影開始の入力を受けてガントリを回転させ、撮影を開始し、トリガ信号に応じて被検体の投影データを撮影する。

そして、Ｘ線ＣＴ装置１は、特徴量としてカウント値（輝度値）の同期用ＲＯＩ内での平均値を算出する（ステップＳ４）。カウント値の平均値は、ＲＯＩ内でカウント値を積算し、ピクセル数で割ることにより、算出することができる。このようにして各ＲＯＩについて得られたフレームごと（角度、時間ごと）の特徴量の波形をフーリエ変換し、得られた波形の特徴から呼吸拍抽出および心拍抽出のための下限閾値をそれぞれ特定する（ステップＳ５）。下限閾値の特定の詳細は後述する。

次に、得られた下限閾値をもとにバンドパスフィルタにより呼吸拍波形のみを抽出し、ハイパスフィルタにより心拍波形のみを抽出する（ステップＳ６）。Ｘ線ＣＴ装置１は、ユーザから指示を受け、肺の収縮期と拡張期との間にある中間位相の画像を求める指示を受けたときには、同期処理として呼吸拍同期により肺の指定された中間位相に分類された投影データを３次元ＣＴ画像データの再構成のために特定し（ステップＳ７）、特定された投影データにより３次元ＣＴ画像データを再構成し（ステップＳ８）、処理を終了する。

なお、上記では、呼吸拍を用いた同期処理の例を説明しているが、心拍同期の場合には、ステップＳ６〜Ｓ８について抽出された心拍波形を利用して、心臓の収縮期、拡張期または中間位相の投影データを３次元ＣＴ画像データの再構成のために特定し、特定された投影データにより３次元ＣＴ画像データを再構成することができる。以上では全体の動作を説明しているが、次いで具体的な各処理を説明する。

（同期用ＲＯＩの設定）
同期用ＲＯＩの設定の仕方を具体的に説明する。図４は、ＲＯＩの設定画面を示す図である。図４に示す画面中央に黒い円状に表示されているのは心臓部位を示す領域Ｈ１であり、その直下（尾側の心臓に接する位置）には横隔膜部位を示す領域が存在する。ユーザがこの位置を特定するのは容易である。

呼吸拍同期用ＲＯＩ（Ｒ１）は、横隔膜部位を含む領域に設定することが好ましい。そうすることで、呼吸拍の波形を強く検出できる。心拍同期用ＲＯＩ（Ｒ２）は、投影データ上で、心室を含むとともに、心臓の横隔膜側端部から１／４以上１／３以下までの範囲を含むように設定されることが好ましい。なお、心房のみをカバーするように心拍同期用ＲＯＩ（Ｒ２）を設定してもよい。

呼吸拍同期用ＲＯＩ（Ｒ１）は手動で行なわれ、心拍同期用ＲＯＩ（Ｒ２）は自動で行なわれることが好ましい。また、同期用ＲＯＩの体軸に垂直な方向は所望の大きさにすることができるが、対象とする臓器の部位の体軸に垂直な方向の大きさ以上とすることが好ましい。また、ノイズを低減するためには被検体の胴体幅以下とすることが好ましいが、画面全体にわたる幅の大きさとしてもよい。なお、上記の例では、２種類の同期用ＲＯＩを設定しているが、２より多くの同期用ＲＯＩを設定してもよい。

（心拍波形の抽出）
次に、心拍波形を抽出する一連の処理を具体的に説明する。図５は、心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形を示すグラフである。心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形は、心拍同期用ＲＯＩ内にわたり輝度値を積算して、その同期用ＲＯＩのピクセル数で除した値をフレーム数に沿ってプロットすることで得られる。グラフの横軸は、フレーム数を表しており、フレーム数は時間と等価である。グラフの縦軸は、特徴量としてのカウントを表している。波形には、大きい周期（直流成分）のピーク、小さい周期のピーク（呼吸拍成分）、さらに小さい周期のピーク（心拍成分）が現れている。

図６は、特徴量の波形をフーリエ変換したグラフである。図６においては、０Ｈｚ（直流成分）のピークを除いて最大のピークの位置は、２Ｈｚである。したがって、心拍波形を抽出するための下限閾値を２Ｈｚとすることができる。なお、下限閾値とは遮断周波数のことである。

このようにして得られた下限閾値で定義されるハイパスフィルタを用いて、特徴量から得た心拍波形を抽出する。具体的には、図６のグラフにおいて２Ｈｚより小さい周波数成分を遮断し、２Ｈｚ以上の周波数成分のみを逆フーリエ変換する。図７は、抽出された心拍波形を示すグラフである。上記のようにハイパスフィルタを適用した結果、フレーム数０付近のピークを除き、概ね同じ周期で同程度の振幅を有する拍動のみが心拍波形として抽出される。

（呼吸拍波形の抽出）
次に、呼吸拍波形を抽出する一連の処理を具体的に説明する。図８は、呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形を示すグラフである。呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形は、呼吸拍同期用ＲＯＩ内にわたり輝度値を積算し、その同期用ＲＯＩのピクセル数で除した値をフレーム数に沿ってプロットすることで得られる。グラフの横軸は、フレーム数を表している。グラフの縦軸は、特徴量としてのカウントを表している。波形には、大きい周期（直流成分）のピークと小さい周期のピークとが現れている。

図９は、特徴量の波形をフーリエ変換したグラフである。図９においては、０Ｈｚ（直流成分）のピークを除いて直流成分を除いて最も周波数の小さいピークの位置は０．２Ｈｚである。したがって、呼吸拍波形を抽出するための下限閾値を０．２Ｈｚとすることができる。

上記のようにして得られた心拍波形を抽出するための下限閾値と呼吸拍波形を抽出するための下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタを用いて、特徴量から得た波形から呼吸拍波形を抽出する。具体的には、図９のグラフにおいて０．２Ｈｚより小さい周波数成分と２Ｈｚより大きい周波数成分を遮断し、０．２Ｈｚ〜２Ｈｚの帯域の周波数成分のみを逆フーリエ変換する。図１０は、抽出された呼吸拍の波形を示すグラフである。上記のようにハイパスフィルタを適用した結果、フレーム数０付近のピークを除き、概ね同じ周期で同程度の振幅を有する拍動のみが呼吸拍波形として抽出される。

（同期処理）
次に同期処理を具体的に説明する。上記のようにして抽出された波形を所定のカウント帯で区切りその帯に入る区間のフレームをその位相の投影データとして扱うことができる。図１１は、抽出された心拍波形における各位相を示すグラフである。例えば心臓収縮期の位相区分に当たる投影データは、図１１に示すグラフでは振幅の１／４の帯の中で最も特徴量が大きい帯に含まれるフレームを選出することで得られる。また、心臓拡張期としての位相区分に当たる投影データは、図１１に示すグラフでは振幅の１／４の帯の中で最も特徴量が小さい帯に含まれるフレームを選出することで得られる。

また、図１１に示すように心臓収縮期と心臓拡張期との間の中間期として６つの区分のうちの一つを選び、その位相区分に含まれるように投影データを選出することもできる。なお、各位相の期間は、波形振幅Ａ、フレームレートｆｓ、心拍周波数ｆｃとするとき、４・Ａ・ｆｃ／ｆｓで算出することができる。このようにして、多数の位相区間のうち所望の位相における同期処理を行なうことができる。なお、上記の例では、抽出された心拍波形に基づいて心臓の収縮期、拡張期または中間期のフレームを選出して同期処理を行なっているが、同様に抽出された呼吸波形に基づいて肺の収縮期、拡張期または中間期のフレームを選出して同期処理を行なうことができる。

（ＣＴ再構成）
上記のように、心拍波形または呼吸拍波形から一定の位相の投影データを抽出し、３次元ＣＴ画像を構成することができる。その場合、得られた３次元ＣＴ画像からさらにＣＴ断面画像を得ることもできる。図１２は、心臓収縮期の投影データで再構成された３次元ＣＴ画像である。図１３は、心臓拡張期のＣＴ断面図を示す模式図である。図１４は、心臓収縮期のＣＴ断面図を示す模式図である。

図１３および図１４において、被検体Ｌａ１は、３次元ＣＴ画像の体軸に対して垂直な断面で表示されている。図に示すように、体表の内側には胴体（筋肉部）Ｍ１があり、その内側には肺Ｌ１がある。そして、それらの境界には背骨Ｂ１および肋骨ＲＢ１があり、中央には肺Ｌ１に包まれた心臓Ｈ１があるのが分かる。また、心臓Ｈ１の尾側には横隔膜Ｄ１があり、横隔膜Ｄ１には呼吸拍による周期運動が最も顕著に現れる。これらの臓器のうち、心臓Ｈ１は、拍動しているため、心拍波形に同期処理しない場合には、画像がブレる。しかし、上記のように同期処理した場合には、心臓Ｈ１は、拡張期を示す図１３では大きくなった状態で鮮明に表示され、収縮期を示す図１２、図１４では小さくなった状態で鮮明に表示される。

（ＲＯＩ設定の検証）
呼吸拍同期用ＲＯＩは、横隔膜を含むように設ければよいが、心拍同期用ＲＯＩについては、心臓の中でもＲＯＩを設定するのに適した位置がある。図１５は、各ＲＯＩの設定位置を示す図である。図１５に示すように、心臓の上側（頭側）の１／３、中央の１／３、下側（横隔膜側）の１／３および全体にそれぞれ矩形のＲＯＩ（Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４）を設定し、それぞれで特徴量の波形を算出した。

図１６は、ＲＯＩの設定位置ごとの特徴量の波形を示すグラフである。図１６に示すように、横隔膜側の１／３に設定したＲＯＩ（Ｒ２３）のグラフに最も明瞭に心拍波形が現れていることが分かる。心臓部位の横隔膜側の１／３〜１／４には、心室が含まれるため、鮮明な心拍波形を得ることができたと考えられる。したがって、心拍同期用ＲＯＩは、心臓の横隔膜側端部から１／４以上１／３以下までの範囲を含むように配置するのが好ましいことが分かる。

（ＥＣＧと特徴量波形との対比）
次に、同じ被検体に対して、ＥＣＧで心電波形を得るとともに、Ｘ線ＣＴ装置１により心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量を算出することで心拍波形を抽出し、同じ時間軸上に表した。図１７は、ＥＣＧ波形と抽出された心拍波形との対比を示すグラフである。図１７に示すように、ＥＣＧ波形のピークと抽出された心拍波形のピークとが一致することが確認された。

１ Ｘ線ＣＴ装置
２ 撮影部
５ 画像リコンＰＣ（ＣＴ画像処理装置）
６ 入力部
８ 表示部
１１ ガントリ制御ユニット
１２ ガントリ
１５ 回転アーム
１６ Ｘ線管
１７ 検出器
１８ アーム回転モータ
３１ データ取得部
３２ 記憶部
３４ 輝度値算出部
３５ ＲＯＩ設定部
３６ａ 呼吸拍閾値特定部
３６ｂ 呼吸拍抽出部
３６ｃ 呼吸拍同期処理部
３７ａ 心拍閾値特定部
３７ｂ 心拍抽出部
３７ｃ 心拍同期処理部
３９ 再構成部
Ｌ 制御バス
Ｂ１ 背骨
Ｄ１ 横隔膜
Ｈ１ 心臓
Ｌ１ 肺
Ｌａ１ 被検体
ＲＢ１ 肋骨
Ｒ１ 呼吸拍同期用ＲＯＩ
Ｒ２、Ｒ２１〜Ｒ２４ 心拍同期用ＲＯＩ

Claims (13)

1. 動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置であって、
   一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定する呼吸拍閾値特定部と、
   前記一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍閾値特定部と、
   前記呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出する呼吸拍抽出部と、を備えることを特徴とするＣＴ画像処理装置。
2. 前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出する心拍抽出部を更に備えることを特徴とする請求項１記載のＣＴ画像処理装置。
3. 前記呼吸拍同期用ＲＯＩは、投影データ上で、横隔膜を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＣＴ画像処理装置。
4. 前記呼吸拍周波数の下限閾値は、前記呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から得られるフーリエ変換波形において、直流成分を除いて最も周波数の小さいピーク位置で特定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＣＴ画像処理装置。
5. 前記抽出された呼吸拍の波形から特定される一定の呼吸拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＣＴ画像処理装置。
6. 前記抽出された呼吸拍の波形から特定される一定の呼吸拍位相、かつ前記抽出された心拍の波形から特定される一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴とする請求項２記載のＣＴ画像処理装置。
7. 動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理するＣＴ画像処理装置であって、
   一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍閾値特定部と、
   前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出する心拍抽出部と、を備えることを特徴とするＣＴ画像処理装置。
8. 前記心拍同期用ＲＯＩは、投影データ上で、心室を含むとともに、心臓の横隔膜側端部から１／４以上１／３以下までの範囲を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のＣＴ画像処理装置。
9. 前記心拍周波数の下限閾値は、前記心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から得られるフーリエ変換波形において、直流成分のピークを除いて最大のピークの位置で特定されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のＣＴ画像処理装置。
10. 前記抽出された心拍の波形から特定される一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成する再構成部を更に備えることを特徴とする請求項７記載のＣＴ画像処理装置。
11. 前記再構成部は、少なくとも３つの異なる位相について、前記一定の呼吸拍位相または前記一定の心拍位相の投影データに基づいて、ＣＴ画像を再構成することを特徴とする請求項５、請求項６または請求項１０記載のＣＴ画像処理装置。
12. コンピュータを動作させることで、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理する方法であって、
    一連の投影データにおける呼吸拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、呼吸拍周波数の下限閾値を特定するステップと、
    前記一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定するステップと、
    前記呼吸拍周波数の下限閾値と心拍周波数の下限閾値とで定義されるバンドパスフィルタにより、呼吸拍の波形を抽出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
13. コンピュータを動作させることで、動物を被検体としてＸ線ＣＴ装置により各時間に撮影された投影データを処理する方法であって、
    一連の投影データにおける心拍同期用ＲＯＩ内の特徴量の波形から、心拍周波数の下限閾値を特定する心拍ステップと、
    前記心拍周波数の下限閾値で定義されるハイパスフィルタにより、心拍の波形を抽出するステップと、を含むことを特徴とする方法。