JP2017202208A - 動態解析システム - Google Patents

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Abstract

【課題】胸部動態画像を用いて精度良くＶＱ比を算出できるようにする。【解決手段】診断用コンソール３によれば、制御部３１は、胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、解析対象範囲を選択し、選択された解析対象範囲のフレーム画像に基づいて、肺野の換気量を示す指標値を算出するとともに、選択された解析対象範囲のフレーム画像に基づいて、肺野の血流量を示す指標値を算出する。そして、制御部３１は、算出した肺野の換気量を示す指標値と、肺野の血流量を示す指標値との比を算出する。【選択図】図３

Description

本発明は、動態解析システムに関する。
肺の機能には、換気（Ventilation）と血流(Perfusion)がある。換気は、吸気として酸素を取り込んで肺胞に送り、肺胞から二酸化炭素を呼気として体外に排出する機能である。血流は、全身の細胞から二酸化炭素が排出された血液を肺胞に送り、肺胞でのガス交換により酸素が取り込まれた血液を心臓に送り出す機能である。即ち、ガス交換には、換気と血流がバランスよく機能していることが重要であり、何れか一方の機能が悪くなってもガス交換がうまくいかなくなる。
換気（Ｖ）と血流（Ｑ）の関係は、呼吸器疾患の病態生理学的理解に重要であり、臨床的には以下のＶＱ比で評価されている。
ＶＱ比＝換気量（Ｖ）／血流量（Ｑ）
一般的には、換気約４リットル、血流約５リットル、ＶＱ比＝約０．８が正常であるとされている。ただし、立位による撮影の場合、重力の影響により、肺野上部では上記の値に比べて換気が多く、肺野下部では血流が多くなる。
従来、ＶＱ比は、肺換気シンチグラフィ、血流シンチグラフィで検査されるが、放射線同位元素を体内に取り込むため患者の負担が大きく、検査時間も長い。
一方、胸部の動態画像の呼吸フレームで換気変化量を算出し、息止めフレームで血流変化量を算出し、それぞれの変化量の比を取ることでＶＱ比を取得することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。胸部の動態画像からＶＱ比を算出することは、肺換気シンチグラフィ、血流シンチグラフィによる検査に比べて患者の負担が少なく、検査時間も短いので好ましい。
田中利恵、藤村政樹、安井正英、真田茂、林則夫、岡本博之、辻志郎、南部 祐子、松井修著「換気-血流mismatch症例を対象とした胸部X線動態撮影法によるV/Q studyの検証」、医用画像情報学会雑誌、Vol. 26 (2009)，No. 3，P 68-72
しかしながら、非特許文献１による手法においては異なるタイミングで撮影されたフレーム画像の解析結果からＶＱ比を算出しており、精度良くＶＱ比を算出することができない。
本発明の課題は、胸部動態画像を用いて精度良くＶＱ比を算出できるようにすることである。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の動態解析システムは、
人体の胸部に放射線を照射して動態撮影することにより前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像を取得する撮影手段と、
前記撮影手段により取得された前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、解析対象の複数のフレーム画像を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された解析対象の複数のフレーム画像に基づいて、肺野の換気量を示す指標値を算出する換気量算出手段と、
前記選択手段により選択された解析対象の複数フレーム画像に基づいて、肺野の血流量を示す指標値を算出する血流量算出手段と、
前記換気量算出手段により算出された前記肺野の換気量を示す指標値と、前記血流量算出手段により算出された前記肺野の血流量を示す指標値との比を算出する比率算出手段と、
を備える。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、肺野の換気機能の解析対象の複数のフレーム画像を選択する第１の選択手段と、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、肺野の血流機能の解析対象の複数のフレーム画像を選択する第２の選択手段と、を備え、前記第１の選択手段により選択された複数のフレーム画像と前記第２の選択手段により選択された複数のフレーム画像の重複するフレーム画像を前記解析対象の複数のフレーム画像として選択する。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、
前記比率算出手段は、前記換気量算出手段により算出された前記肺野の換気量を示す指標値と、前記肺野の換気量を示す指標値を算出したフレーム画像と同一のフレーム画像を用いて前記血流量算出手段により算出された前記肺野の血流量を示す指標値との比を算出する。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、
前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域を複数の小領域に分割する分割手段を備え、
前記換気量算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記換気量を示す指標値を算出し、
前記血流量算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記血流量を示す指標値を算出し、
前記比率算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記換気量を示す指標値と、前記血流量を示す指標値との比を算出する。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、
前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像のサムネイル画像を表示する表示手段を備え、
前記選択手段は、前記表示手段に表示されたサムネイル画像の中からユーザ操作により指定された複数のフレーム画像に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、
前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における画像全体の画素信号値の時間変化を示す波形を表示する表示手段を備え、
前記選択手段は、前記表示手段に表示された波形上でユーザ操作により指定された範囲に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、
前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における横隔膜位置の時間変化を示す波形を表示する表示手段を備え、
前記選択手段は、前記表示手段に表示された波形上でユーザ操作により指定された範囲に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、
前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における画像全体の画素信号値の時間変化に基づいて、自動的に前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、
前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像のそれぞれに対応付けられた撮影時の呼吸誘導情報に基づいて、自動的に前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する。
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９の何れか一項に記載の発明において、
前記換気量算出手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のローパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の前記複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、前記複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の換気量を示す指標値を算出し、
前記血流量算出手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のハイパスフィルター又はバンドパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の前記複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、前記複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の血流量を示す指標値を算出する。
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０の何れか一項に記載の発明において、
前記比率算出手段による算出結果を表示する結果表示手段を備える。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、
前記結果表示手段は、前記比率算出手段による算出結果を動画表示する。
請求項１３に記載の発明は、請求項１１又は１２に記載の発明において、
前記比率算出手段による算出結果を予め定められた正常値と比較する比較手段を備え、
前記結果表示手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像に前記比較手段による比較結果に応じた色を付して表示する。
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、
前記正常値は、肺野の部位毎に異なる。
本発明によれば、胸部動態画像を用いて精度良くＶＱ比を算出することが可能となる。
本発明の実施形態における動態解析システムの全体構成を示す図である。 図１の撮影用コンソールの制御部により実行される撮影制御処理を示すフローチャートである。 図１の診断用コンソールの制御部により実行されるＶＱ比算出処理Ａを示すフローチャートである。 解析対象範囲を説明するための図である。 画像全体の画素信号値の時間変化を示す波形のグラフである。 横隔膜の移動量の時間変化を示す波形の一例である。 （ａ）は、画像全体の画素信号値の時間変化を示す波形のグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の１０フレーム間隔の変化量を示すグラフである。 第１の実施形態におけるＶＱ比の算出結果の表示例を示す図である。 （ａ）は、正常値にかける線形の重み付け係数を表す図、（ｂ）は、正常値にかける段階的な重み付け係数を表す図である。 図１の診断用コンソールの制御部により実行されるＶＱ比算出処理Ｂを示すフローチャートである。 第２の実施形態におけるＶＱ比の算出結果の表示例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
［第１の実施形態］
〈動態解析システム１００の構成〉
まず、第１の実施形態の構成を説明する。
図１に、本実施形態における動態解析システム１００の全体構成を示す。
図１に示すように、動態解析システム１００は、撮影装置１と、撮影用コンソール２とが通信ケーブル等により接続され、撮影用コンソール２と、診断用コンソール３とがＬＡＮ（Local Area Network）等の通信ネットワークＮＴを介して接続されて構成されている。動態解析システム１００を構成する各装置は、ＤＩＣＯＭ（Digital Image and Communications in Medicine）規格に準じており、各装置間の通信は、ＤＩＣＯＭに則って行われる。
〈撮影装置１の構成〉
撮影装置１は、例えば、呼吸運動に伴う肺の膨張及び収縮の形態変化、心臓の拍動等の、周期性（サイクル）を持つ胸部の動態を撮影する撮影手段である。動態撮影とは、被写体に対し、Ｘ線等の放射線をパルス状にして所定時間間隔で繰り返し照射するか(パルス照射)、もしくは、低線量率にして途切れなく継続して照射する(連続照射)ことで、動態を示す複数の画像を取得することをいう。動態撮影により得られた一連の画像を動態画像と呼ぶ。また、動態画像を構成する複数の画像のそれぞれをフレーム画像と呼ぶ。なお、以下の実施形態では、パルス照射により動態撮影を行う場合を例にとり説明する。
放射線源１１は、被写体Ｍを挟んで放射線検出部１３と対向する位置に配置され、放射線照射制御装置１２の制御に従って、被写体Ｍに対し放射線（Ｘ線）を照射する。
放射線照射制御装置１２は、撮影用コンソール２に接続されており、撮影用コンソール２から入力された放射線照射条件に基づいて放射線源１１を制御して放射線撮影を行う。撮影用コンソール２から入力される放射線照射条件は、例えば、パルスレート、パルス幅、パルス間隔、１撮影あたりの撮影フレーム数、Ｘ線管電流の値、Ｘ線管電圧の値、付加フィルター種等である。パルスレートは、１秒あたりの放射線照射回数であり、後述するフレームレートと一致している。パルス幅は、放射線照射１回当たりの放射線照射時間である。パルス間隔は、１回の放射線照射開始から次の放射線照射開始までの時間であり、後述するフレーム間隔と一致している。
放射線検出部１３は、ＦＰＤ等の半導体イメージセンサーにより構成される。ＦＰＤは、例えば、ガラス基板等を有しており、基板上の所定位置に、放射線源１１から照射されて少なくとも被写体Ｍを透過した放射線をその強度に応じて検出し、検出した放射線を電気信号に変換して蓄積する複数の検出素子（画素）がマトリックス状に配列されている。各画素は、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のスイッチング部を備えて構成されている。ＦＰＤにはＸ線をシンチレーターを介して光電変換素子により電気信号に変換する間接変換型、Ｘ線を直接的に電気信号に変換する直接変換型があるが、何れを用いてもよい。
放射線検出部１３は、被写体Ｍを挟んで放射線源１１と対向するように設けられている。
読取制御装置１４は、撮影用コンソール２に接続されている。読取制御装置１４は、撮影用コンソール２から入力された画像読取条件に基づいて放射線検出部１３の各画素のスイッチング部を制御して、当該各画素に蓄積された電気信号の読み取りをスイッチングしていき、放射線検出部１３に蓄積された電気信号を読み取ることにより、画像データを取得する。この画像データがフレーム画像である。そして、読取制御装置１４は、取得したフレーム画像を撮影用コンソール２に出力する。画像読取条件は、例えば、フレームレート、フレーム間隔、画素サイズ、画像サイズ（マトリックスサイズ）等である。フレームレートは、１秒あたりに取得するフレーム画像数であり、パルスレートと一致している。フレーム間隔は、１回のフレーム画像の取得動作開始から次のフレーム画像の取得動作開始までの時間であり、パルス間隔と一致している。
ここで、放射線照射制御装置１２と読取制御装置１４は互いに接続され、互いに同期信号をやりとりして放射線照射動作と画像の読み取りの動作を同調させるようになっている。
〈撮影用コンソール２の構成〉
撮影用コンソール２は、放射線照射条件や画像読取条件を撮影装置１に出力して撮影装置１による放射線撮影及び放射線画像の読み取り動作を制御するとともに、撮影装置１により取得された動態画像を撮影技師等の撮影実施者によるポジショニングの確認や診断に適した画像であるか否かの確認用に表示する。
撮影用コンソール２は、図１に示すように、制御部２１、記憶部２２、操作部２３、表示部２４、通信部２５を備えて構成され、各部はバス２６により接続されている。
制御部２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成される。制御部２１のＣＰＵは、操作部２３の操作に応じて、記憶部２２に記憶されているシステムプログラムや各種処理プログラムを読み出してＲＡＭ内に展開し、展開されたプログラムに従って後述する撮影制御処理を始めとする各種処理を実行し、撮影用コンソール２各部の動作や、撮影装置１の放射線照射動作及び読み取り動作を集中制御する。
記憶部２２は、不揮発性の半導体メモリーやハードディスク等により構成される。記憶部２２は、制御部２１で実行される各種プログラムやプログラムにより処理の実行に必要なパラメーター、或いは処理結果等のデータを記憶する。例えば、記憶部２２は、図２に示す撮影制御処理を実行するためのプログラムを記憶している。また、記憶部２２は、撮影部位（ここでは胸部）に対応する放射線照射条件及び画像読取条件を記憶している。各種プログラムは、読取可能なプログラムコードの形態で格納され、制御部２１は、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
操作部２３は、カーソルキー、数字入力キー、及び各種機能キー等を備えたキーボードと、マウス等のポインティングデバイスを備えて構成され、キーボードに対するキー操作やマウス操作により入力された指示信号を制御部２１に出力する。また、操作部２３は、表示部２４の表示画面にタッチパネルを備えても良く、この場合、タッチパネルを介して入力された指示信号を制御部２１に出力する。
表示部２４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等のモニターにより構成され、制御部２１から入力される表示信号の指示に従って、操作部２３からの入力指示やデータ等を表示する。
通信部２５は、ＬＡＮアダプターやモデムやＴＡ（Terminal Adapter）等を備え、通信ネットワークＮＴに接続された各装置との間のデータ送受信を制御する。
〈診断用コンソール３の構成〉
診断用コンソール３は、撮影用コンソール２から動態画像を取得し、取得した動態画像や動態画像の解析結果を表示して医師の診断を支援するための動態解析装置である。本実施形態において、診断用コンソール３は、胸部の動態画像に基づいてＶＱ比を算出し、結果を表示する。
診断用コンソール３は、図１に示すように、制御部３１、記憶部３２、操作部３３、表示部３４、通信部３５を備えて構成され、各部はバス３６により接続されている。
制御部３１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等により構成される。制御部３１のＣＰＵは、操作部３３の操作に応じて、記憶部３２に記憶されているシステムプログラムや、各種処理プログラムを読み出してＲＡＭ内に展開し、展開されたプログラムに従って、後述するＶＱ比算出処理Ａを始めとする各種処理を実行し、診断用コンソール３各部の動作を集中制御する。制御部３１は、選択手段、換気量算出手段、血流量算出手段、比率算出手段、分割手段、比較手段として機能する。
記憶部３２は、不揮発性の半導体メモリーやハードディスク等により構成される。記憶部３２は、制御部３１でＶＱ比算出処理Ａを実行するためのプログラムを始めとする各種プログラムやプログラムにより処理の実行に必要なパラメーター、或いは処理結果等のデータを記憶する。これらの各種プログラムは、読取可能なプログラムコードの形態で格納され、制御部３１は、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
操作部３３は、カーソルキー、数字入力キー、及び各種機能キー等を備えたキーボードと、マウス等のポインティングデバイスを備えて構成され、キーボードに対するキー操作やマウス操作により入力された指示信号を制御部３１に出力する。また、操作部３３は、表示部３４の表示画面にタッチパネルを備えても良く、この場合、タッチパネルを介して入力された指示信号を制御部３１に出力する。
表示部３４は、ＬＣＤやＣＲＴ等のモニターにより構成され、制御部３１から入力される表示信号の指示に従って、各種表示を行う。表示部３４は、表示手段、結果表示手段として機能する。
通信部３５は、ＬＡＮアダプターやモデムやＴＡ等を備え、通信ネットワークＮＴに接続された各装置との間のデータ送受信を制御する。
〈動態解析システム１００の動作〉
次に、上記動態解析システム１００における動作について説明する。
（撮影装置１、撮影用コンソール２の動作）
まず、撮影装置１、撮影用コンソール２による撮影動作について説明する。
図２に、撮影用コンソール２の制御部２１において実行される撮影制御処理を示す。撮影制御処理は、制御部２１と記憶部２２に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
まず、撮影実施者により撮影用コンソール２の操作部２３が操作され、撮影対象（被写体Ｍ）の患者情報（患者の氏名、身長、体重、年齢、性別等）や撮影部位（ここでは、胸部）の入力が行われる（ステップＳ１）。
次いで、放射線照射条件が記憶部２２から読み出されて放射線照射制御装置１２に設定されるとともに、画像読取条件が記憶部２２から読み出されて読取制御装置１４に設定される（ステップＳ２）。
次いで、操作部２３の操作による放射線照射の指示が待機される（ステップＳ３）。ここで、撮影実施者は、被写体Ｍを放射線源１１と放射線検出部１３の間に配置してポジショニングを行う。撮影準備が整った時点で、操作部２３を操作して放射線照射指示を入力する。
操作部２３により放射線照射指示が入力されると（ステップＳ３；ＹＥＳ）、放射線照射制御装置１２及び読取制御装置１４に撮影開始指示が出力され、動態撮影が開始される（ステップＳ４）。即ち、放射線照射制御装置１２に設定されたパルス間隔で放射線源１１により放射線が照射され、放射線検出部１３によりフレーム画像が取得される。なお、例えば、撮影装置１が音声出力部や表示部を備え、撮影開始指示が出力されると、「息を吸って」「息を吐いて」「息を止めて」等の呼吸誘導の音声や表示を行うこととしてもよい。そして、撮影開始指示後、所定の呼吸誘導（例えば、「息を吸って」）を行うタイミングで放射線源１１により放射線が照射されるようにしてもよい。
予め定められたフレーム数の撮影が終了すると、制御部２１により放射線照射制御装置１２及び読取制御装置１４に撮影終了の指示が出力され、撮影動作が停止される。撮影されるフレーム数は、少なくとも１呼吸サイクルが撮影できる枚数である。
撮影により取得されたフレーム画像は順次撮影用コンソール２に入力され、撮影順を示す番号（フレーム番号）と対応付けて記憶部２２に記憶されるとともに（ステップＳ５）、表示部２４に表示される（ステップＳ６）。撮影実施者は、表示された動態画像によりポジショニング等を確認し、撮影により診断に適した画像が取得された（撮影ＯＫ）か、再撮影が必要（撮影ＮＧ）か、を判断する。そして、操作部２３を操作して、判断結果を入力する。
操作部２３の所定の操作により撮影ＯＫを示す判断結果が入力されると（ステップＳ７；ＹＥＳ）、動態撮影で取得された一連のフレーム画像のそれぞれに、動態画像を識別するための識別ＩＤや、患者情報、撮影部位、放射線照射条件、画像読取条件、撮影順を示す番号（フレーム番号）等の情報が付帯され（例えば、ＤＩＣＯＭ形式で画像データのヘッダ領域に書き込まれ）、通信部２５を介して診断用コンソール３に送信される（ステップＳ８）。そして、本処理は終了する。なお、呼吸誘導の音声出力や表示が行われた場合は、各フレーム画像に、そのフレーム画像が撮影されたときに出力されていた呼吸誘導の情報を付帯情報として付帯させることとしてもよい。
一方、操作部２３の所定の操作により撮影ＮＧを示す判断結果が入力されると（ステップＳ７；ＮＯ）、記憶部２２に記憶された一連のフレーム画像が削除され（ステップＳ９）、本処理は終了する。この場合、再撮影が必要となる。
（診断用コンソール３の動作）
次に、診断用コンソール３における動作について説明する。
診断用コンソール３においては、通信部３５を介して撮影用コンソール２から動態画像の一連のフレーム画像が受信されると、制御部３１と記憶部３２に記憶されているプログラムとの協働により図３に示すＶＱ比算出処理Ａが実行される。
以下、図３を参照してＶＱ比算出処理Ａの流れについて説明する。
まず、動態画像の一連のフレーム画像の中から解析対象範囲（即ち、解析対象の複数のフレーム画像）の選択が行われる（ステップＳ１１）。
ＶＱ比を算出するには、動態画像に対し換気解析と血流解析をそれぞれ行い、得られた換気量を示す指標値と血流量を示す指標値の比を算出する。そのとき、図４の例１に示すように、換気解析対象範囲（換気機能の解析対象の複数のフレーム画像）と血流解析対象範囲（血流機能の解析対象の複数のフレーム画像）を一致させてもよいし、図４の例２に示すように、換気解析対象範囲と血流解析対象範囲がずれていてもよい。即ち、ステップＳ１１においては、換気解析対象範囲と血流解析対象範囲をまとめて一つ選択する態様としてもよいし、それぞれを個別に選択する態様としてもよい。換気解析対象範囲と血流解析対象範囲を個別に選択する態様の場合、重複して選択された範囲がＶＱ比の解析対象範囲として選択される。また、解析対象範囲は、ユーザによる操作部３３の操作により手動で選択することとしてもよいし、制御部３１により自動で選択することとしてもよい。
手動により解析対象範囲を選択する手法としては、例えば、動態画像の各フレーム画像のサムネイル画像を表示部３４に表示し、ユーザによる操作部３３の操作により指定された開始フレーム画像と終了フレーム画像との間の一連のフレーム画像を解析対象範囲として選択する。
または、一連のフレーム画像のそれぞれについて、画像全体の画素信号値（濃度値）の平均を算出し、算出した値を、横軸を撮影開始からの経過時間ｔ、縦軸を画像全体の平均画素信号値としたグラフ上にプロットした波形（図５参照。即ち、画像全体の平均画素信号値の時間変化を示す波形）を表示部３４に表示し、表示した波形上からユーザによる操作部３３の操作により指定された開始地点と終了地点の間に位置するフレーム画像を解析対象範囲として選択する。
または、動態画像の各フレーム画像から横隔膜位置のｙ座標を求め、求めた横隔膜位置のｙ座標を、横軸を撮影開始からの経過時間ｔ、縦軸をｙ座標としたグラフ上にプロットした波形（図６参照。即ち、横隔膜位置のｙ座標の時間変化を示す波形）を表示部３４に表示し、表示した波形上からユーザによる操作部３３の操作により指定された開始地点と終了地点の間に位置するフレーム画像を解析対象範囲として選択する。横隔膜位置のｙ座標は、例えば、各フレーム画像に公知のエッジ抽出処理を施すことによって横隔膜を含む肺野のエッジを抽出し、抽出されたエッジのうち、横隔膜の移動方向に略垂直であるｘ方向（水平方向）にある程度沿って伸びるエッジを、各ｘ座標について＋ｙ側（画像下側）から−ｙ側（画像上側）に向けて探索し、各ｘ座標について最初に検出されたエッジ（点）の集合である曲線のｙ座標の平均値をそのフレーム画像の横隔膜位置のｙ座標として求めることができる。
自動により解析対象範囲を選択する手法としては、付帯情報に基づいて自動で選択する手法と、画像解析に基づいて自動で選択する方法がある。
付帯情報に基づいて解析対象範囲を選択する手法としては、例えば、上述のように各フレーム画像の付帯情報にそのフレーム画像の撮影時における呼吸誘導の情報が含まれている場合、呼吸誘導の情報に基づいて解析対象範囲を選択する。例えば、「息を吸って」「息を吐いて」が連続しているときの一連のフレーム画像群を解析対象範囲として選択する。
画像解析に基づいて解析対象範囲を選択する手法としては、まず、一連のフレーム画像のそれぞれについて、画像全体の平均画素信号値を算出し、所定数（例えば、１０）のフレーム間隔をあけた２つのフレーム画像間で、平均画素信号値の差分値（変化量）を算出する。ここで、図７（ａ）に示すように、呼吸状態では平均画素信号値に大局的な変化があるが、息止め状態では平均画素信号値に大局的な変化がない。そこで、図７（ｂ）に示すように、フレーム間差分値が予め定められた閾値を超えてから所定時間以上あけずに閾値を超えている範囲を呼吸状態と判定し、その範囲内のフレーム画像を解析対象範囲として選択する。
次いで、動態画像の各フレーム画像から肺野領域が抽出される（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２においては、まず、各フレーム画像から肺野領域が抽出される。肺野領域の抽出方法は何れの方法であってもよい。例えば、フレーム画像の各画素の信号値（濃度値）のヒストグラムから判別分析によって閾値を求め、この閾値より高信号の領域を肺野領域候補として１次抽出する。次いで、１次抽出された肺野領域候補の境界付近でエッジ検出を行い、境界付近の小ブロックでエッジが最大となる点を境界に沿って抽出すれば肺野領域の境界を抽出することができる。次いで、一連のフレーム画像のうち一の画像を基準画像に設定し、基準画像と他のフレーム画像との間で公知のローカルマッチング処理及びワーピング処理（特開２０１２−５７２９号公報参照）を施して、フレーム画像間における肺野領域の位置ずれを補正する。この補正後の肺野領域が各フレーム画像の肺野領域として抽出される。
次いで、肺野の換気量を示す指標値が算出される（ステップＳ１３）。
ステップＳ１３においては、まず、各フレーム画像において、抽出された肺野領域の画素信号値の代表値（例えば、平均値、中央値等）を算出し、肺野領域内の各画素信号値を算出した代表値に置き換える。次いで、肺野領域の画素信号値（代表値）の時間変化を算出し、算出した時間変化を時間方向のローパスフィルター（例えば、カットオフ周波数０．５Ｈｚ）でフィルタリングする。これにより、動態画像から血流等の高周波の信号変化を除去し、換気による信号値の時間変化（低周波の時間周波数成分）を抽出することができる。次いで、ローパスフィルターが施された動態画像の時間的に隣接するフレーム画像間で肺野領域の画素信号値の差分値を算出する。このフレーム間差分値が肺野の換気量を示す指標値である。
次いで、肺野の血流量を示す指標値が算出される（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４においては、まず、各フレーム画像において、抽出された肺野領域の画素信号値の代表値（例えば、平均値、中央値等）を算出し、肺野領域内の各画素信号値を算出した代表値に置き換える。次いで、肺野領域の画素信号値（代表値）の時間変化を算出し、算出した時間変化を時間方向のハイパスフィルター（例えば、カットオフ周波数０．７Ｈｚ）でフィルタリングする。これにより、動態画像から換気による低周波の信号変化を除去し、血流信号値の時間変化（高周波の時間周波数成分）を抽出する。ここでは血流による信号値の時間変化を抽出するためにハイパスフィルターを用いることとして説明したが、特定の周波数成分を抽出するバンドパスフィルターを用いることとしてもよい。次いで、ハイパスフィルターが施された動態画像の時間的に隣接するフレーム画像間で肺野領域の画素信号値の差分値を算出する。このフレーム間差分値が肺野の血流量を示す指標値である。
次いで、算出された換気量を示す指標値を血流量を示す指標値で割ることにより、ＶＱ比が算出される（ステップＳ１５）。ここでは、同一のフレーム画像を用いて算出された肺野の換気量を示す指標値と肺野の血流量を示す指標値との比が算出される
そして、ＶＱ比の算出結果が表示部３４に表示される（ステップＳ１６）。
なお同一のフレーム画像を用いて算出するのが最適な比を算出することができるのは言うまでもないが、多量の画像を撮影している動画像においては、フレーム画像を数枚レベルで全体的にずらして比を算出したとしても、隣り合うフレームでは実際に指標値は大幅に差異がでてこない。そのためこのような状態でＶＱ比を算出しても、同一のフレーム画像で算出したＶＱ比とほぼ同一の算出結果をえられるため、実質上は問題にならないと考えられるため本願発明の範囲として含まれる。
図８（ａ）、（ｂ）に、ステップＳ１６におけるＶＱ比の算出結果の表示例を示す。ステップＳ１６においては、図８（ａ）に示すように、各フレーム画像の肺野領域をＶＱ比の算出結果の値に応じて色付けして順次表示（動画表示）してもよいし、図８（ｂ）に示すように、一連のフレーム画像から算出されたＶＱ比の代表値を算出し、一のフレーム画像の肺野領域をＶＱ比の代表値に応じて色付けして表示（静止画表示）してもよい。その際、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ＶＱ比の値と色との関係を示すインジケーターを表示することが好ましい。また、ＶＱ比に応じた色を付す際には、例えば、予め設定された正常値と算出されたＶＱ比を比較し、比較結果に応じて色を変えることが好ましい。このようにすることで、ユーザは、被検者の肺野に異常があるか否かを一瞥して把握することが可能となる。また、上述のように、立位で撮影を行う場合、重力の影響で上部は換気が多くなり下部は血流が多くなる傾向があるため、図９（ａ）に示すように、左右の各肺野の重心Ｏ１、Ｏ２から上端、下端まで線形に正常値の重み付けを行うようにしてもよい。或いは、図９（ｂ）に示すように、左右の肺野ごとに、垂直方向の長さによって上・中・下の３等分にして３段階の重みを設定することとしてもよい。このように、肺野の部位毎に異なる正常値を使用することで、重力等の影響を考慮してＶＱ比を評価することが可能となる。
図８（ａ）に示すように、ＶＱ比の算出結果を動画表示することで、ユーザはＶＱ比の呼吸による変化を認識することが可能となる。また、図８（ｂ）に示すように、ＶＱ比の算出結果を代表値に集約して表示することで、ユーザは、呼吸時の全体的なＶＱ比の傾向を認識することが可能となる。
［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態の構成及び撮影動作は、第１の実施形態で説明したものと同様であるので説明を援用し、第２の実施形態の診断用コンソール３の動作について説明する。
診断用コンソール３においては、通信部３５を介して撮影用コンソール２から動態画像の一連のフレーム画像が受信されると、制御部３１と記憶部３２に記憶されているプログラムとの協働によりＶＱ比算出処理Ｂが実行される。
図１０に、第２の実施形態において診断用コンソール３の制御部３１により実行されるＶＱ比算出処理Ｂのフローチャートを示す。ＶＱ比算出処理Ｂは、制御部３１と記憶部３２に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
まず、動態画像の一連のフレーム画像の中から解析対象範囲の選択が行われる（ステップＳ２１）。ステップＳ２１における解析対象範囲の選択については、図３のステップＳ１１で説明したものと同様であるので説明を援用する。
次いで、動態画像の各フレーム画像から肺野領域が抽出される（ステップＳ２２）。
次いで、抽出された肺野領域が複数の小領域に分割される（ステップＳ２３）。
ステップＳ２３においては、例えば、まず、動態画像の一連のフレーム画像のうち一の画像を基準画像に設定し、基準画像における肺野領域を予め決定されたサイズ（例えば、０．４〜４ｃｍ角）の複数の小領域（矩形領域）に分割する。基準画像としては、肺野領域の面積が最小となる安静呼気位のフレーム画像とすることが好ましい。このようにすれば、基準画像の各小領域を他のフレーム画像に対応付けたときに、各小領域が他のフレーム画像の肺野領域外の領域に対応付けられることがないためである。次いで、他のフレーム画像の、基準画像に設定された各小領域と同じ画素位置の領域（撮影に使用された放射線検出部１３の同じ検出素子から出力される信号値の領域）に小領域を設定し、同じ画素位置の小領域をフレーム画像間で互いに対応付ける。なお、公知のローカルマッチング処理及びワーピング処理（例えば、特開２０１２−５７２９号公報参照）を施して、フレーム画像間における肺野領域の位置ずれを補正してから小領域への分割及び対応付けを行うこととしてもよい。
次いで、小領域毎に換気量を示す指標値が算出される（ステップＳ２４）。
ステップＳ２４においては、まず、各フレーム画像の小領域毎に、小領域内の画素信号値の代表値（例えば、平均値、中央値等）を算出し、小領域内の各画素信号値を算出した代表値に置き換える。次いで、小領域毎に、画素信号値（代表値）の時間変化を算出し、算出した時間変化を時間方向のローパスフィルター（例えば、カットオフ周波数０．８５Ｈｚ）でフィルタリングする。これにより、各小領域において、血流等の高周波の信号変化を除去し、換気による画素信号値の時間変化（低周波の時間周波数成分）を抽出することができる。次いで、各小領域において、ローパスフィルターが施された動態画像の時間的に隣接するフレーム画像間で肺野領域の画素信号値の差分値を算出する。このフレーム間差分値が各小領域の換気量を示す指標値である。
次いで、小領域毎に血流量を示す指標値が算出される（ステップＳ２５）。
ステップＳ２５においては、まず、各フレームの小領域毎に、小領域内の画素信号値の代表値（例えば、平均値、中央値等）を算出し、小領域内の各画素信号値を算出した代表値に置き換える。次いで、小領域毎に、画素信号値（代表値）の時間変化を算出し、算出した時間変化を時間方向のハイパスフィルター（例えば、カットオフ周波数０．７Ｈｚ）でフィルタリングする。これにより、各小領域において、換気による低周波の信号変化を除去し、血流信号値の時間変化（高周波の時間周波数成分）を抽出することができる。ここでは血流による信号値の時間変化を抽出するためにハイパスフィルターを用いることとして説明したが、特定の周波数成分を抽出するバンドパスフィルターを用いることとしてもよい。その際には例えば、低域のカットオフ周波数０．７Ｈｚ、高域のカットオフ周波数２．４Ｈｚでフィルタリングを行う。次いで、各小領域において、ハイパスフィルターが施された動態画像の時間的に隣接するフレーム画像間で肺野領域の画素信号値の差分値を算出する。このフレーム間差分値が各小領域の血流量を示す指標値である。
次いで、小領域毎に、算出された換気量を示す指標値を血流を示す指標値で割ることにより、ＶＱ比が算出される（ステップＳ２６）。
そして、ＶＱ比の算出結果が表示部３４に表示される（ステップＳ２７）。
図１１（ａ）、（ｂ）に、ステップＳ２７におけるＶＱ比の算出結果の表示例を示す。ステップＳ２７においては、図１１（ａ）に示すように、各フレーム画像の各小領域をＶＱ比の算出結果の値に応じて色付けして順次表示（動画表示）してもよいし、図１１（ｂ）に示すように、小領域毎に、一連のフレーム画像におけるＶＱ比の代表値を算出し、一のフレーム画像を小領域毎にＶＱ比の代表値に応じて色付けして表示（静止画表示）してもよい。その際、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＶＱ比の値と色との関係を示すインジケーターを表示することが好ましい。なお、色付けの手法や重み付けについては第１の実施形態で説明したものと同様であるので説明を援用する。
図１１（ａ）に示すように、小領域毎にＶＱ比の算出結果を算出し、その算出結果を動画表示することで、ユーザは肺野領域の局所領域の呼吸によるＶＱ比の変化を認識することが可能となる。また、図１１（ｂ）に示すように、小領域毎にＶＱ比を算出した結果を代表値に集約して表示することで、ユーザは、肺野領域の局所領域毎のＶＱ比の傾向を認識することが可能となる。また、ＶＱ比を予め定められた正常値と比較し、比較結果に応じた色を付して表示することで、ユーザは、被検者の肺野に異常があるか否かを一瞥して把握することが可能となる。また、肺野の部位毎に異なる正常値を使用することで、重力等の影響を考慮してＶＱ比の値を評価することが可能となる。
以上説明したように、診断用コンソール３によれば、制御部３１は、胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、解析対象範囲を選択し、選択された解析対象範囲のフレーム画像に基づいて、肺野の換気量を示す指標値を算出するとともに、選択された解析対象範囲のフレーム画像に基づいて、肺野の血流量を示す指標値を算出する。そして、制御部３１は、算出した肺野の換気量を示す指標値と、肺野の血流量を示す指標値との比を算出する。例えば、制御部３１は、胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、肺野の換気機能の解析対象範囲と血流機能の解析対象範囲のそれぞれが選択された場合、両者の重複するフレーム画像を解析対象範囲として選択する。
従って、同じ解析対象範囲のフレーム画像に基づいて換気量を示す指標値及び血流量を示す指標値を算出するので、従来に比べて精度良くＶＱ比を算出することが可能となる。
また、制御部３１は、同一のフレーム画像を用いて算出された換気量を示す指標値と血流量を示す指標値との比をＶＱ比として算出するので、従来に比べて精度良くＶＱ比を算出することが可能となる。
また、制御部３１は、解析対象範囲のフレーム画像の肺野領域を複数の小領域し、小領域毎にＶＱ比を算出するので、肺野の局所的なＶＱ比の情報を提供することができる。
また、制御部３１は、解析対象範囲の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のローパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の換気量を示す指標値を算出する。同様に、解析対象範囲の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のハイパスフィルター又はバンドパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の血流量を示す指標値を算出する。そして、肺野領域全体又は各小領域のＶＱ比を算出する。従って、換気量を示す指標値と血流量を示す指標値を精度良く算出してＶＱ比を算出することができる。
また、制御部３１は、ＶＱ比の算出結果を表示部３４に表示するので、ユーザは、ＶＱ比を確認することが可能となる。例えば、ＶＱ比の算出結果を予め定められた正常値と比較し、比較結果に応じた色を付して表示することで、ユーザは、被検者の肺野に異常があるか否かを一瞥して把握することが可能となる。また、正常値は、肺野の部位毎に異なるものを使用するので、重力等の影響を考慮してＶＱ比の値を評価することが可能となる。
なお、本実施形態における記述は、本発明に係る好適な動態解析システムの一例であり、これに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態においては、動態画像の画素信号値の時間変化に時間方向の周波数フィルター処理を施した後、フレーム間差分値を算出することにより換気量を示す指標値及び血流量を示す指標値を算出することとしたが、換気量を示す指標値及び血流量を示す指標値の算出手法としては、これに限定されるものではない。
また、例えば、上記の説明では、本発明に係るプログラムのコンピュータ読み取り可能な媒体としてハードディスクや半導体の不揮発性メモリー等を使用した例を開示したが、この例に限定されない。その他のコンピュータ読み取り可能な媒体として、ＣＤ-ＲＯＭ
等の可搬型記録媒体を適用することが可能である。また、本発明に係るプログラムのデータを通信回線を介して提供する媒体として、キャリアウエーブ(搬送波)も適用される。
その他、動態解析システム１００を構成する各装置の細部構成及び細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
１００ 動態解析システム
１ 撮影装置
１１ 放射線源
１２ 放射線照射制御装置
１３ 放射線検出部
１４ 読取制御装置
２ 撮影用コンソール
２１ 制御部
２２ 記憶部
２３ 操作部
２４ 表示部
２５ 通信部
２６ バス
３ 診断用コンソール
３１ 制御部
３２ 記憶部
３３ 操作部
３４ 表示部
３５ 通信部
３６ バス

Claims (14)

  1. 人体の胸部に放射線を照射して動態撮影することにより前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像を取得する撮影手段と、
    前記撮影手段により取得された前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、解析対象の複数のフレーム画像を選択する選択手段と、
    前記選択手段により選択された解析対象の複数のフレーム画像に基づいて、肺野の換気量を示す指標値を算出する換気量算出手段と、
    前記選択手段により選択された解析対象の複数フレーム画像に基づいて、肺野の血流量を示す指標値を算出する血流量算出手段と、
    前記換気量算出手段により算出された前記肺野の換気量を示す指標値と、前記血流量算出手段により算出された前記肺野の血流量を示す指標値との比を算出する比率算出手段と、
    を備える動態解析システム。
  2. 前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、肺野の換気機能の解析対象の複数のフレーム画像を選択する第１の選択手段と、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像から、肺野の血流機能の解析対象の複数のフレーム画像を選択する第２の選択手段と、を備え、前記第１の選択手段により選択された複数のフレーム画像と前記第２の選択手段により選択された複数のフレーム画像の重複するフレーム画像を前記解析対象の複数のフレーム画像として選択する請求項１に記載の動態解析システム。
  3. 前記比率算出手段は、前記換気量算出手段により算出された前記肺野の換気量を示す指標値と、前記肺野の換気量を示す指標値を算出したフレーム画像と同一のフレーム画像を用いて前記血流量算出手段により算出された前記肺野の血流量を示す指標値との比を算出する請求項１又は２に記載の動態解析システム。
  4. 前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域を複数の小領域に分割する分割手段を備え、
    前記換気量算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記換気量を示す指標値を算出し、
    前記血流量算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記血流量を示す指標値を算出し、
    前記比率算出手段は、前記複数の小領域毎に、前記換気量を示す指標値と、前記血流量を示す指標値との比を算出する請求項１〜３の何れか一項に記載の動態解析システム。
  5. 前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像のサムネイル画像を表示する表示手段を備え、
    前記選択手段は、前記表示手段に表示されたサムネイル画像の中からユーザ操作により指定された複数のフレーム画像に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する請求項１〜４の何れか一項に記載の動態解析システム。
  6. 前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における画像全体の画素信号値の時間変化を示す波形を表示する表示手段を備え、
    前記選択手段は、前記表示手段に表示された波形上でユーザ操作により指定された範囲に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する請求項１〜４の何れか一項に記載の動態解析システム。
  7. 前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における横隔膜位置の時間変化を示す波形を表示する表示手段を備え、
    前記選択手段は、前記表示手段に表示された波形上でユーザ操作により指定された範囲に基づいて前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する請求項１〜４の何れか一項に記載の動態解析システム。
  8. 前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像における画像全体の画素信号値の時間変化に基づいて、自動的に前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する請求項１〜４の何れか一項に記載の動態解析システム。
  9. 前記選択手段は、前記胸部の動態を示す一連のフレーム画像のそれぞれに対応付けられた撮影時の呼吸誘導情報に基づいて、自動的に前記解析対象の複数のフレーム画像を選択する請求項１〜４の何れか一項に記載の動態解析システム。
  10. 前記換気量算出手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のローパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の前記複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、前記複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の換気量を示す指標値を算出し、
    前記血流量算出手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像の肺野領域又は当該複数のフレーム画像を分割した複数の小領域のそれぞれの画素信号値の時間変化を時間方向のハイパスフィルター又はバンドパスフィルターでフィルタリングし、フィルタリング後の前記複数のフレーム画像の肺野領域又は各小領域の画素信号値に基づいて、前記複数のフレーム画像のそれぞれの肺野領域全体又は各小領域の血流量を示す指標値を算出する請求項１〜９の何れか一項に記載の動態解析システム。
  11. 前記比率算出手段による算出結果を表示する結果表示手段を備える請求項１〜１０の何れか一項に記載の動態解析システム。
  12. 前記結果表示手段は、前記比率算出手段による算出結果を動画表示する請求項１１に記載の動態解析システム。
  13. 前記比率算出手段による算出結果を予め定められた正常値と比較する比較手段を備え、
    前記結果表示手段は、前記解析対象の複数のフレーム画像に前記比較手段による比較結果に応じた色を付して表示する請求項１１又は１２に記載の動態解析システム。
  14. 前記正常値は、肺野の部位毎に異なる請求項１３に記載の動態解析システム。
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