JP4532492B2 - ガイドポイントを使用する空間−時間モデリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、空間−時間パラメータを用いた電子画像形成及び特に医療用画像形成に関する。

関連技術の説明
医療用画像形成の領域は、最近著しく進歩している。ＣＴ（コンピュータトモグラフィ）スキャン、ＭＲＩ（医療用共鳴画像形成）のような装置があるが、しかし、そのような進歩の幾つかの例に過ぎない。新規装置を開発することは重要な目標であるが、そのような装置によって捕捉されるデータを効率的に分析する必要性も、同様に重要な目標であると思われる。

医療用画像形成の典型的なアプリケーションは、心臓血管画像形成の分野であるが、適切な医療用画像形成技術がないと、心臓血管の診断及び手術での問題は、著しく危険なものとなってしまう。心臓用の医療用画像形成は、特に、左心室（ＬＶ）に重点がおかれる。左心室（ＬＶ）の機能は、心臓外科医にとって基本的に重要である。つまり、左心室は、人体の四肢端部に血液をポンピングするのに大きな役割を持っているからである。

医療用画像形成は、膨大な量の画像を形成することがあり、従って、そのような画像を分析するのは重要な仕事である。例えば、左心室（ＬＶ）の状態を決定するための典型的なＭＲＩ走査の際には、数百枚の画像を含む膨大な量のデータセットとなることがある。左心室（ＬＶ）機能の時間特性は、収縮期及び弛緩期機能不全の診断、予後及び評価のための臨床診療で広く使われている。

左心室（ＬＶ）をセグメント化するのは、左心室（ＬＶ）の輪郭を見つけるためである。輪郭が見つかると、医師は、例えば、左心室（ＬＶ）が、どの程度の血液量をポンピングすることができるのか測定することができ、左心室（ＬＶ）の健康状態を検知することができる。輪郭を検知するのに、オートマチックコンピュータビジョンメソッドがあるが、エラーを生じ易い。そのようなオートマチックセグメンテーションエラーを補正するのは、時間が掛かるタスクであり、画像の枚数が（従って、エラーが）増大するに連れて、実用的でなくなる。従って、ユーザインタラクションがリアルタイム、効率的、直観的且つ最少であるようなテンポラリコヒーレントアナリシスメソッドが必要である。

通常、心臓画像の３Ｄモデリングの際には、心臓周期に亘って心臓画像を獲得し、画像内の心臓の輪郭上に３Ｄモデルを適合させる。この処理には、輪郭を描写して、心臓周期に亘って各個別期間を適合させることが含まれる。これは、著しく労力を要する作業である。輪郭を描写するための半自動技術は、この作業を幾分加速するが、それによって形成されたセグメンテーションは、妥当性を検査して補正する必要があり、この作業にも著しく時間が掛かる。従って、人間によるモデリング入力を最少にして、比較的エラーがないようにする必要がある。

要約
モデリング用の空間−時間方法及びシステムが開示される。ドメインは、４Ｄ画像データ、つまり離散的な期間での３Ｄ画像ボリュームである。従って本発明のモデルは４Ｄ（３Ｄ＋時間）であり、特定の時間インスタンスでの３Ｄ空間モデルとしてサンプリングされる。ユーザは、サンプリングされた３Ｄモデルとインタラクト（やりとり）する。なぜなら、高い次元で直接、作業するのは難しいからである。３Ｄモデル適合は、特定期間の画像上にユーザが配置したガイドポイントによって、ならびに画像エッジ情報によって作用される。３Ｄモデルの特性は、全体として周辺の期間で４Ｄモデルに作用する。

心臓の動きは周期的であるので、球面調和関数が、４Ｄモデルを記述するのに使われる。更に、形状を記述するパラメータは、調和関数を使って表現され、したがって心臓周期の開始時での３Ｄ空間モデルは、心臓周期の終了時での３Ｄ空間モデルに等しい。

時間の連続関数としてパラメータを表現することによって、モデルは４Ｄである。したがって所定期間でのガイドポイント及び画像フォースを適合することによって、４Ｄ形状全体が作用される。効率性の理由から、ユーザは、作用が他の期間に広がる前に、３Ｄモデルをこの期間で適合するのを終了する。

ガイドポイントがない期間には、4Ｄモデルに基づく先行の形状がある。ユーザが、その期間でガイドポイントを配置するように選択する必要がある場合、この先行の形状は、適合を作用するのに用いることができる。

従って、個別のモデルを各期間で適合させる必要はない。寧ろ、少数の期間内にガイドポイントを配置すれば、全心臓周期に対して適合させることができる。典型的なアプリケーションは、心臓画像形成であり、心臓の４Ｄモデルが、心臓周期をカバーする期間に亘って適合される。

図面の簡単な説明
本発明の有利な実施例について、図を用いて説明する。その際：
図１は、心臓の左心室を示す図、
図２は、時間−パラメータ曲線を示す図、
図３Ａは、心臓の具体的なモデルを示す図、
図３Ｂは、心臓モデルの別の視点から見た図、
図３Ｃは、３Ｄ空間モデルを操作するための具体的なガイドポイントを示す図、
図３Ｄは、モデルの外形を上から見た図、
図３Ｅは、ボリューム（Ｙ軸）−時間／期間（Ｘ軸）グラフを示す図、
図３Ｆは、具体的な心臓の画像モデルの３次元ビューを示す図、
図４Ａは、ガイドポイントが時間ｔに位置する前のパラメータを示す図、
図４Ｂは、時間ｔでのモデルの空間適合を示す図、
図４Ｃは、４Ｄモデルの時間適合を示す図、
図５は、本発明の実施例での空間−時間過程を示す流れ図、
図６は、本発明の実施例での空間−時間モデリングを実施するために使われるシステムの具体的なブロック図、
図７は、本発明を実施するのに使われる具体的なコンピュータシステムのブロック図
である。

有利な実施例の詳細な説明
本発明の有利な実施例について、図を用いて説明する。

少なくとも１つの、本発明の実施例を示す人体の具体例を使って、以下説明する。使われている具体例は、人体の心臓の例である。当業者には、心臓は、実例として使われているにすぎず、何らかの別の部分、組織、器官も、心臓の代わりにモデリングすることができることは明らかである。

図１は、心臓の左心室（ＬＶ）の具体例を示す。具体的な心臓器官の左心室１０が略示されている。左心室１０の外壁１２（心外膜）が、内壁１４（心内膜）を囲むように示されている。本発明の少なくとも１つの実施例では、左心室１０の走査された電子画像が、電子形式でモデリングされる。モデルについて、以下説明する。

３Ｄ空間モデルは、内壁及び外壁を表す２つの双３次スプラインパッチの２つの表面によって記述される。これらは、３Ｄ有限要素を形成するように線形結合されている。これらのスプラインのコントロールポイントは、モデルパラメータである。モデル４Ｄを形成するために、コントロールポイントは、時間の関数となる。

５個の高調波を有するフーリエ基底関数が、心臓周期に亘ってモデルを有効に分解するのに使われる。心臓周期は性質として反復されるので、心臓周期の最後の期間は、次の心臓周期の最初の期間に似ている。５個の高調波は、モデルのために十分な分解能を提供する。

図２は、時間−パラメータ曲線を示す。上述の心臓の左心室（ＬＶ）モデルを記述するパラメータ値は、心臓周期に亘って変化する。曲線１６−２０は、ｎ個のパラメータでの変化を示す。これらの曲線は、高調波を使って記述される。種々のパラメータを、心臓の左心室（ＬＶ）モデル、及び所定の時間周期に亘ってのモデルでの変化を記述するのに使うことができる。この実施例では、これらのパラメータは、スプライン曲線上にあるコントロールポイントである。

図３Ａは、心臓の具体的なモデルである。図３Ｂは、心臓モデルの別のビューである。図３Ｃは、モデルを操作するための具体的なガイドポイントを示す。図３Ｄは、モデルの横断面を上から見た図である。図３Ｅは、ボリューム（Ｙ軸）−時間／期間（Ｘ軸）のグラフを示す。モデルビュー２２は、コンピュータによる３Ｄ空間モデルである。モデルの下の行２４は、中間の行２６での画像プレーンに対応している。断面３０は、心内膜（内壁）を示し、断面３２は、心外膜（外壁）を示す。モデルビュー３８は、２つの軸４２及び４４を有している。心臓が軸４２及び４４で解剖される場合、画像プレーンは、真ん中の行３４に対応する。

モデルビューは、典型的に、メディカル画像形成装置に接続されたディスプレイ装置上に表示される。ディスプレイ装置は、ユーザがモデルを適合するのに輪郭を調整することができる装置のような、ポインタを有することができる。例えば、図３Ｃは、４つの具体的なガイドポイントを示す。ガイドポイント４０及び４２は、モデルを心内膜に適合するのに使われる。同様に、ガイドポイント４４及び４６は、心外膜にモデルを適合するのに使われる。ガイドポイント４０−４６の位置を変えることによって、断面３２及び断面３０の輪郭が再適合される。変化は、図３Ｄでの輪郭を上から見たビューに反映される。

図３Ａ−３Ｄは、異なった期間でのモデルの異なったビューを示す。更に、ビューは、異なった期間（ポイント・イン・タイム）を示す。例えば、図３Ａは、５番目の期間でのモデルのビューであり、図３Ｃは、８番目の期間でのモデルのビューである。

図３Ｅは、ボリューム（Ｙ軸）−時間／期間（Ｘ軸）のグラフを示す。グラフから分かるように、5番目の期間での心臓のボリュームは、心臓周期の真ん中の点よりやや前に生じる8番目の期間でのボリュームよりも大きい。次の図は、上述のグラフのアプリケーションを記述する。グラフを使う医師は、所定期間に、心臓にポンピングインし、心臓からポンピングアウトされる血液の量を決定することができ、従って、心臓の左心室（ＬＶ）の機能を決定することができる。

図３Ｆは、具体的な心臓での画像モデルの３次元ビューを示す。輪郭は、同心状リングとして示されており、画像プレーンは、シンボリックな形式で示されている。４Ｄモデルは、３Ｄモデルを形成する単一の期間で、実例が示されている。心内膜表面が示されている。心外膜表面は示されていないが、この心外膜表面が画像プレーンと交差する個所は入力データから表示されている。更に、これら画像プレーンの２つが示されている。

各フレームごとに心臓の左心室（ＬＶ）の幾何形状の3Ｄモデルが、画像から導出したエッジ情報と、ユーザが配置したガイドポイントと、先行のモデル（あれば）を用いて変形される。各ガイドポイントの編集が完了した後、全てのフレームからのモデルパラメータは、５個の高調波を備えるフーリエ基底関数を使って適時に適合される。時間を適合した結果が、先行の空間として、後続の画像処理及びガイドポイントのない期間中にユーザが編集するために使われる。

空間−時間モデリング用に使われるモデリングシステムによりユーザ割込みが可能となり、ユーザは、変更が周辺フレームに広げられる前に、現在のフレームをいくらか変更することができる。ユーザには、ボリューム及び質量−時間のインタラクティブプロットを介して、収束過程がフィードバックされる。

純粋な４Ｄモデルは、計算コストが高い。なぜなら１期間内でのどんな動きも、この変化が広がる全ての期間に影響を及ぼすからである。しかし、空間−時間モデルでは、３Ｄモデルは、選択された期間で適合され、３Ｄモデルを記述するために使われるパラメータは、上述の球面調和関数を介して伝えられる。

図４Ａは、ガイドポイントが時間ｔに配置される前のパラメータでのグラフを示す。図４Ｂは、時間ｔでのモデルの空間適合を示す。図４Ｃは、モデルの時間適合を示す。具体的なパラメータは、図４Ａ−４Ｃに、グラフの形式で示されている。図４Ａには、具体的なガイドポイントが配置され、パラメータが影響される前の、パラメータのグラフが示されている。図４Ｂでは、「空間適合」（即ち、その時間での適合）が、ガイドポイントを時間ｔに追加することにより達成される。球面調和関数を使うことによって図４Ｃに示されているように、輪郭が時間的に調整される。これにより他の時間での位置４Ｄモデルは、以前達成された空間適合に基づいて作用を及ぼされる。従って、モデルの空間−時間適合は、一つの時間でガイドポイントを一回だけ操作するという人間による最少の入力によって達成され、別の時間での４Ｄモデルは、自動的に調整される。

図５は、本発明の実施例での空間−時間過程を示す流れ図である。流れ図５０は、モデリング過程に基づく空間−時間ガイドポイントを実行する操作ステップを示す。ステップ５２で、ユーザは、モデルの特定期間に、少なくとも１つのガイドポイントを配置する。ステップ５４で、ガイドポイントの位置をユーザが調整することによって、その期間でのモデルがガイドポイントに適合されれば、空間適合（図４Ｂ参照）が達成される。ステップ５６で、他の全ての期間がモデルに適合されるように調整されれば、時間適合（図４Ｃ参照）が達成される。時間−ボリューム曲線（図３Ｅ参照）は、ステップ５８で更新され、処理は、適合が安定する迄繰り返され、この安定は、ガイドポイントを更に付加しても、ボリューム−時間曲線が大して変わらない場合に達成される。

図６は、本発明の実施例での空間−時間モデリングを実行するために使われるシステムの具体的なブロック図である。システム６０は、ユーザガイドポイント入力モジュール６２を有しており、それにより、ユーザは、インタラクティブにガイドポイントを適切な期間に配置することができる。空間適合モジュール６４により、ユーザは、上述のように、その期間でのモデルをガイドポイントに空間的に適合することができる。その後、期間の時間適合が、時間適合モジュール６６で、他の期間でのモデルの位置を補間することによって実行される。コントローラ６８により、別のモジュールとユーザインタラクティブ装置７０とを共働させるのに必要な制御機能が提供される。更に、ディスプレイ及び他の出力装置（図示していない）を、画像モデルを表示し、ガイドポイントモデリングを実行するために含むことができる。出力装置は、更に、ボリューム／質量−時間曲線（図３Ｅ参照）を示すのに利用することができる。

図７の、本発明の実施例によると、本発明を実行するためのコンピュータシステム１０１は、特に、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１０２、メモリ１０３及び入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１０４を有することができる。コンピュータシステム１０１は、一般的に、Ｉ／Ｏインターフェース１０４によってディスプレイ１０５、例えば、マウス及びキーボードのような種々異なる入力装置１０６に接続される。サポート回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、及び通信バスなどの回路を有することができる。メモリ１０３は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ディスクドライブ、テープドライブ等、又はそれらの組合せを有するようにしてもよい。本発明によると、メモリ１０３内に記憶されていて、ＣＰＵ１０２によって実行されるルーチン１０７が、信号源１０８からの信号を処理するように実行することができる。そのようにして、コンピュータシステム１０１は、本発明のルーチン１０７を実行する際に特定の目的のコンピュータシステムとなるようなコンピュータシステムである。
コンピュータプラットフォーム１０１は、オペレーティングシステム及びマイクロ命令コードを有している。ここに記述される種々の処理及び機能は、マイクロ命令コードの部分又はオペレーティングシステムを介して実行されるアプリケーションプログラムの部分（又はそれらの組合せ）にするとよい。更に、付加的なデータストレージ装置及びプリンティング装置のような種々の他の周辺装置を、コンピュータプラットフォームに接続してもよい。

更に、構成システムコンポーネントの幾つか、及び、図に示されている方法ステップは、ソフトウェアで実行されるので、各システムコンポーネント（又はプロセスステップ）間の実際の接続は、本発明がプログラミングされているやり方に依存して異なっていてよい。ここで説明した本発明の技術思想によると、当業者は、このようなことを考慮して、同様に、本発明を構成ないし実施することができる。

本発明について、特定の具体的な図示の実施例を用いて説明したが、当業者は、請求項に記載したような本発明の技術思想から逸脱しない限りで、フォーム及び詳細の点で、種々の変化を行うことができる。

本発明について、特定の具体的な図示の実施例を用いて説明したが、当業者は、請求項に記載したような本発明の技術思想から逸脱しない限りで、フォーム及び詳細の点で、種々の変化を行うことができる。

心臓の左心室を示す図 時間−パラメータ曲線を示す図 心臓の具体的なモデルを示す図 心臓モデルの別の視点から見た図 ３Ｄ空間モデルを操作するための具体的なガイドポイントを示す図 モデル内の外形を上から見た図 ボリューム（Ｙ軸）−時間／期間（Ｘ軸）グラフを示す図 具体的な心臓の画像モデルの３次元ビューを示す図 Ａは、ガイドポイントが時間ｔに位置する前のパラメータを示す図、Ｂは、時間ｔでのモデルの空間適合を示す図、Ｃは、４Ｄモデルの時間適合を示す図 本発明の実施例での空間−時間過程を示す流れ図 本発明の実施例での空間−時間モデリングを実施するために使われるシステムの具体的なブロック図 本発明を実施するのに使われる具体的なコンピュータシステムのブロック図

Claims (6)

1. 対象の空間−時間モデリング用のシステムにおいて、
   該システムは、
   ・第１の期間で、前記対象における位置を指示する少なくとも１つのガイドポイントを入力をするためのガイドポイント入力モジュールを有し、
   前記第1の期間は、前記対象の４Ｄ画像モデルに相応する複数の期間の１つであり、
   ・４Ｄ画像モデルの３Ｄ空間モデルを、前記ガイドポイントに相応する第１の期間で適合するための空間適合モジュールを有し、
   ・前記４Ｄ画像モデルを全ての期間で、該モデルの位置を他の期間に対して補間することによって適合するための時間適合モジュールを有し、
   ・時間に相関する前記対象のボリュームのグラフを表示するための出力装置を有し、
   ・画像モデル内での変化に連れて、リアルタイムにグラフが更新され、
   ・前記ガイドポイントの数が増大しても、グラフは、ほぼ同じ状態で変化しないという最終的な収束過程の状態が前記出力装置に出力される、
   ことを特徴とするシステム。
2. 更に、ユーザからのガイドポイント入力を受信するためのユーザ入力装置を有する請求項1記載のシステム。
3. 対象の空間時間モデリング用の方法ステップを実行するための機器によって実行可能な命令のプログラムを実施する、前記機器によって読み出し可能なプログラム記憶装置において、
   前記方法ステップは、
   ・前記対象における位置を指示するガイドポイントを第１の期間で入力し、
   該第１の期間は、前記対象の４Ｄ画像モデルに相応する複数の期間の１つであり、
   ・４Ｄ画像モデルの３Ｄ空間モデルを、前記ガイドポイントに相応する期間で適合し、
   ・前記４Ｄ画像モデルを全ての期間で、該モデルの位置を他の期間に対して補間することによって適合し、
   ・時間に相関する前記対象のボリュームのグラフを表示し、
   ・画像モデル内での変化に連れて、リアルタイムにグラフを更新し、
   ・前記ガイドポイントの数が増大しても、グラフは、ほぼ同じ状態で変化しないという最終的な収束過程の状態を出力する、
   ことを特徴とするプログラム記憶装置。
4. 前記方法ステップは、ユーザ入力装置によって、ユーザからのガイドポイント入力を受信するステップを有している請求項３記載の装置。
5. 前記方法ステップは、前記４Ｄ画像モデルの全ての期間での適合を、ガイドポイントの受信に基づき、第1の期間における空間的適合を全ての期間に広げることにより行うステップを有している請求項４記載の装置。
6. 対象の空間−時間モデリング用のシステムを制御する方法において、
   ・複数の期間に亘って画像を獲得し、
   ・対象の４Ｄ画像モデルを形成し、
   ・前記複数の期間から選択された第1の期間で、前記４Ｄ画像モデルを適合するために、ユーザからの入力として、少なくとも1つのガイドポイントを受信し、
   ・前記ガイドポイントに相応する前記第1の期間で、４Ｄ画像モデルの３Ｄ空間モデルを適合し、
   ・前記４Ｄ画像モデルを全ての期間で、1つの期間におけるモデルの変化に基づいて適合し、
   ・時間に相関する前記対象のボリュームのグラフを表示し、
   ・画像モデル内での変化に連れて、リアルタイムにグラフを更新し、
   ・前記ガイドポイントの数が増大しても、グラフは、ほぼ同じ状態で変化しないという最終的な収束過程の状態にある適合した４Ｄ画像モデルを出力する、
   ことを特徴とする、対象の空間−時間モデリング用のシステムを制御する方法。

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