JP4644670B2 - ３次元の血管モデルを生成する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に血管樹でありうる空間構造の３次元モデルを生成する装置及び方法に関する。

空間構造の３次元モデルは、多くのアプリケーションにおいて構造の２次元投影画像から得られる。この点について、血管樹の再構成が、典型的なものとしてここで考えられることができる。このような再構成は、例えば冠状血管の経路及びサイズに関して可能な限り高い精度をもつ虚血性心疾患の診断において必要である。この点について、３次元Ｘ線回転アンジオグラフィの枠組みの範囲内で、Ｘ線ユニットは、検査されるべき患者の周囲を回転されるとともに、さまざまな異なる空間方向から心臓の２次元Ｘ線投影を生成する。概して、造影剤が、Ｘ線画像において冠状血管をより良好に表示するために、画像取得中に冠状血管に注入される。

しかしながら、心拍の結果としての心臓の自発的な運動のため、生成されるＸ線投影のうち心臓の同じ運動フェーズから生じるもののみが、血管経路の３次元モデルの再構成のために使用されることができる。一般に、有用な投影画像の適切な選択は、並行して記録される心電図の助けによって行われる。

更に、概して非常に複雑な血管経路及び制限されたイメージング品質のため、要求される３次元モデルは、今日では、手動で完全に再構成されなければならない。これは、血管中心線の経路に沿った基準ポイント及び任意には他のパラメータ（血管直径、分起点等）が、第１の選択された投影画像上で指定されなければならないことを意味する。対応するポイント又はサイズが、同じ心拍フェーズから生じていなければならない第２の投影画像上で手動で選択され、その結果、要求されるモデルが確立される。（T.J. Keating、P.R. Wolf及びF.L. Scarpaceの「An improved method of digital image correlation」（Photogrammetric Eng. Remote Sensing, vol. 41, 993-1002, 1975）;C. Smets、F. van deWerf、P. Suetens及びA. Oosterlinckの「Knowledge-based system for the three-dimensional reconstruction of blood vessels from two angiographic projections」(Med. Biol. Eng. Comp., vol. 29, NS27 - 36, 1991)を参照されたい）。

この背景に対して、本発明の目的は、例えば特に血管樹のような空間構造の３次元モデルのより簡単であり、より信頼できる再構成のための手段を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成され、更には請求項１０の特徴を有する方法によって達成される。有利な実施例は、従属請求項に含まれる。

本発明による装置は、特に血管樹でありうる空間構造の３次元モデルを生成するための役目を果たす。装置は、以下の構成要素を有する：

ａ）さまざまな方向から構造の２次元投影画像を生成するためのイメージングユニット。前記イメージングユニットは、特に、例えばコンピュータトモグラフィにおいて使用されるような回転Ｘ線ユニットでありうる。

ｂ）イメージングユニットに結合され、入力手段を有する表示ユニット。この点について、表示ユニットは、イメージングユニットによって生成される投影画像の１つ（「基準画像」として以下に示される）をユーザのために表示することができ、それによって、ユーザは、前記基準画像上の構造の少なくとも１つの画像ポイントを基準ポイントとして対話的に指定することができる。

ｃ）イメージングユニット及び表示ユニットに結合され、特にイメージングユニットの一部でありえ、イメージングユニットにおいては制御及び画像処理のタスクを引き受けることができるデータ処理装置。データ処理装置は、ユーザの対話なしで、表示ユニットを使用して、他の投影画像から、構造の基準ポイントに属すると決定される空間ポイントを再構成するように設計される。この点について、「他の投影画像」とは、画像処理装置を使用して、他の方向からの基準画像として発生されるものである。決定される空間ポイントは、要求される３次元モデル又は少なくともその一部に対応する。

記述される装置は、それが、構造の３次元モデルの半自動の再構成を可能にするという利点を有する。この場合、既知の方法とは異なり、ユーザによる基準ポイントの対話的な指定は、第１の基準画像上でのみ必要である。構造の関連する空間ポイントは、他の投影画像を用いて、前記基準ポイントからデータ処理装置によって自動的に再構成される。自動再構成のための適切な方法又はアルゴリズムの例が、以下の記述において説明されるが、本発明は、これらの特定の解決策の用途に制限されない。

好適な実施例により、データ処理装置は、基準ポイントの個々のエピポーラ線上にある「他の投影画像」の画像ポイントを評価することによって、指定された基準ポイントに属する要求される空間ポイントを再構成するように設計される。この点について、「所与の投影画像に関する基準ポイントのエピポーラ線」とは、前記投影画像内にあって、基準ポイントの投影線（すなわち基準ポイントと基準画像の投影中心との間の接続線）が所与の投影画像上に投影される場合に生じるラインとして理解されることができる。エピポーラ線は、空間ポイントの位置に関して残余の不確実性を記述し、空間ポイントのうち基準ポイントだけが、基準画像の画像として知られる。「他の投影画像」の自動的な検査は、結果的に、幾何学的な理由のためだけに可能であるエピポーラ線に制限されることができ、これは、計算努力の低減のためになる。

上述の実施例の他の見地において、データ処理装置は、更に、計算によって、基準ポイントのエピポーラ線上にある画像ポイントの画像ポイント値（すなわち例えばグレー値）を基準ポイントの投影線上に投影し、合計プロファイルを形成するように点状（puntiform）の態様でそれらを加算するように設計される。基準ポイントの投影線は、既に説明したように、基準画像の投影中心を基準ポイントに接続するラインである。合計プロファイルは、さまざまな他の投影画像からの情報項目を累積し、その結果、要求される空間ポイントの位置について可能な推論を行う。

この点について、データ処理装置は、特に、要求される空間ポイントを基準ポイントの投影線上の位置として規定するように設計されることができ、その位置において、合計プロファイルは、（合計プロファイルに寄与するすべての投影画像にわたって）平均した基準ポイントの画像ポイント値をもっている。投影線上にある要求される空間ポイントの構造が、例えば、前記空間ポイントが、すべてのその投影においてほぼ同じグレー値ｘ_０を与えるようなものである場合、前記グレー値ｘ_０は、合計プロファイルに平均で保存される。他方、基準ポイントの投影線から離れて位置し、同様のグレー値ｘ_０を有する構造の一部は、投影線上の異なる位置における合計プロファイルへの寄与をもたらし、このような位置に形成される平均値は、概して値ｘ_０と異なるという結果を与える。この点について、特に重要なのは、基準ポイントの画像ポイント値ｘ_０が、可能な画像ポイントに関して、例えばＸ線画像上の最大吸収に対応する極値を有する場合である。この場合、空間ポイントに対応する位置における合計プロファイルは、同様に、極値、すなわち絶対最小値をもつ。構造（例えば生物学的構造）内の空間ポイントは、概して、それぞれ異なる絶対グレー値を有するそれぞれ異なるＸ線投影画像上に表示され、すなわちすべての画像上でほぼ同じグレー値ｘ_０を有しないので、上述のケースは、特に実際に重要である。対照的に、グレー極値（個々の投影に関連する）を有する特性は、概して、さまざまな投影において良好に保存される。

装置を使用して再構成される空間構造は、原則的に、例えば球形状等の任意の要求される形状を有することができる。特に、空間構造は、線形経路を有することができ、それにより、定義上、ラインの（任意にはカーブしたおよび／または分岐した）方向におけるその伸張は、それに垂直な方向においてよりも大きい。上記で既に繰り返し言及された血管樹は、分岐する線形構造の典型例である。このような構造を再構成するために、データ処理装置は、好適には、基準画像上の複数の基準ポイントの指定により、３次元モデルで線形経路を再構成するように設計される。一般に、ユーザは、この場合、投影画像上の構造の中心線の経路を手動で指定し、それによって、データ処理装置は、残りの空間的な経路を自動的に再構成することができる。

上述の実施例の他の見地により、データ処理装置は、前記モデルの再構成のために使用された投影画像上に構造の再構成された３次元モデルを投影することから、線形に伸びる構造の幅を決定するように設計される。このようにして、すべての投影画像の情報が、まず、構造の３次元線形経路を再構成するために使用され、第２のステップにおいて、前記再構成の結果が、すべての投影画像において幅を決定するために使用される。

イメージングされる構造は、多くのアプリケーションにおいて、周期性の自発的運動を受ける。これは、特に心拍及び呼吸の一定の動作を受ける脈管系（vascular system、血管系）の場合にあてはまる。このようなアプリケーションの場合、装置は、好適には、周期性の自発的運動の特徴的なパラメータを決定するための手段を有する。脈管系と関連して、この手段は、特に、電気的な心臓アクティビティを記録するための心電図記録装置（ＥＣＧ）でありうる。更に、データ処理装置は、この場合、空間ポイントの再構成のために、前記空間ポイントに属する基準画像と同じ自発的運動のフェーズから生じる投影画像のみを使用するように設計される。これは、イメージングされた構造が、使用される投影画像の画像取得処理の間は、ほぼ同じ空間位置を呈することを確実にする。

しかしながら、装置は、同じ運動フェーズからの投影画像の説明された選択に依存する必要はないことに留意されたい。そうではなく、合計プロファイルの計算を使用する上述の特定の方法の利点は、他の運動フェーズから生じる投影画像のおそらく幾何学的に一貫しない寄与が平均化されるので、他の運動フェーズから生じるそれらの投影画像も使用されることができることである。従って、とりわけＥＣＧのような付加のパラメータの決定を要求しない投影画像の不経済な事前選択が、不要にされることができる。この点で、更に、すべての投影画像において得られる情報が最大限に利用されることが有利である。

更に、本発明は、
ａ）それぞれ異なる方向から取得される構造の２次元投影画像を生成するステップと、
ｂ）構造の少なくとも１つの画像ポイントを基準ポイントとして対話的に指定することを可能にするために、投影画像の１つを基準画像として表示するステップと、
ｃ）生成される他の投影画像から、構造の指定された画像ポイントに属する空間ポイントを自動的に決定するステップと、
を含む、空間構造の３次元モデルを生成する方法に関する。

一般的な形態において、方法は、上述のタイプの装置によって実行されることができるステップを表す。従って、方法、その利点及びその変形例のより詳細な説明については、上述の説明を参照されたい。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記述される実施例から明らかであり、それらを参照して解明される。

図１は、例えば冠状血管の一部でありうる３次元の血管樹Ｇを概略的に示している。血管樹Ｇから、その３次元経路のモデルが、可能な限り正確に決定されることができ、このモデルは、更に、血管の個々の幅を再生することができる。

要求されるモデルを再構成するために、血管樹Ｇの２次元投影画像Ａ、Ｂ、Ｃが、より詳細には図示されない回転Ｘ線ユニットを用いて生成される。この点について、図示される３つの投影より多くの投影が、実際には生成される。個々の投影中心（すなわちＸ線源の位置）は、Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ及びＦ_Ｃによって示されている。モデルの十分な信頼性を達成するために、ユーザの対話的な協力がその再構成において必要である。この理由は、投影画像が、制限された精度のみを有し、血管樹の構造が、通常は非常に複雑であり、血管樹の位置及び形状が、心拍のため、投影画像ごとに周期的に変化するからである。

ユーザの対話は、ユーザが、「基準画像」と以下に示される（例えば任意に選択される）投影画像Ａ上で、関心のある血管又は血管セグメントの中心線の経路に沿ったポイントを指定する点において、目下考えられる方法において行われる。このために、基準画像Ａは、モニタ上に表示されることがき、それによって、ユーザは、例えばマウスのようなポインタ機器を用いて、前記ポイントをマークすることができる。この点に関して、図１は、ユーザによって手動でマークされたポイントの１つ、いわゆる基準ポイントＣ_Ａを示している。

上述したシナリオから続いて、本発明による装置によって自動的に達成されるべき目的は、基準画像Ａ内で対話的に指定される基準ポイントＣ_Ａについて、基準ポイントＣ_Ａによってイメージングされる血管樹Ｇ上の関連する空間ポイントＣ_３Ｄを見つけることである。この点について、基準画像Ａの投影中心_ＦＡから基準ポイントＣ_Ａに向くベクトル、すなわち、Ｃ_Ａの「投影線」は、Ｌによって以下に示され、要求される空間ポイントＣ_３Ｄは、投影線上の未知の位置にある。他の投影画像Ｂ、Ｃが、前記位置を決定するために使用される。

この点について、個々の投影画像Ｃ又はＢ上へのベクトルＬの投影として規定されるエピポーラ線Ｅ_Ｃ及びＥ_Ｂが、投影画像Ｂ、Ｃ上で考えられる。血管樹Ｇが、考慮されるすべての投影画像Ａ、Ｂ及びＣの生成において、同じ空間位置を有すると仮定（テストされるべきである）すると、要求される空間ポイントＣ_３Ｄに属する画像ポイントが、前記エピポーラ線Ｅ_Ｃ、Ｅ_Ｂ上になければならない。完全に手動の方法では、この点について、エピポーラ線Ｅ_Ｃ上のＣ_３Ｄの画像ポイントの位置が、第２の投影画像、例えば投影画像Ｃ上で手動で決定されることができ、このことから、Ｃ_３Ｄの要求される空間位置が計算される。しかしながら、このようなプロシージャは、２つの異なる投影画像（Ａ及びＣ）が、手動で評価されなければならず、第２の投影画像上での対応するポイントの正しい決定は概して非常に難しいという不利益を有する。更に、すべての他の投影画像に含まれる情報は、考慮に入れられない。従って、本発明により、ベクトルＬ上の空間ポイントＣ_３Ｄの位置を自動的に特定するための方法が提案される。

前記方法の第１のステップにおいて、１次元のグレー値プロファイルが、第１の投影画像Ｂのエピポーラ線Ｅ_Ｂに沿って決定される。図２は、更に、エピポーラ線Ｅ_Ｂに沿ったプロファイルの関連する経路を示しており、これは、対応するようにスケーリングされ、ベクトルＬ上に投影される。

図３は、別の投影画像Ｃ及び関連するエピポーラ線Ｅ_Ｃについての同じプロシージャを示している。Ｘ線を通さないとされる血管樹Ｇは、低いグレー値にわたって、すなわちグレー値プロファイルの下方のふれにわたって、すべての画像Ａ、Ｂ、Ｃにそれ自体現れる。

図４は、個別の投影画像Ｂ、Ｃ（図２、３）のベクトルＬ上に投影されるグレー値プロファイルから加算的に作られる合計プロファイルＳの計算を示している。ベクトルＬ上にある要求される空間ポイントＣ_３Ｄだけが、すべての個別の投影されたグレー値プロファイルの同じ位置において最小値を有する。他方、ベクトルＬを横切らない血管分岐の最小値は、それぞれのケースで、ベクトルＬ上の別の位置に投影される。これらの理由により、要求される空間ポイントＣ_３Ｄの位置は、建設的な重ね合わせによって合計プロファイルＳ内で強調され、他の血管セグメントの寄与は、破壊的に（destructively）加算され、すなわち本質的に平均される。合計プロファイルＳにおけるグレー値の最小の位置は、結果的に、要求されるポイントＣ_３Ｄの実際の空間位置として規定されることができる。

上記に性質的に記述された方法は、以下、より正確に数学的に表現される。この際、要求されるポイントＣ_３Ｄのすべての可能な空間位置が、以下の式によってパラメータ化された形で記述される。

ここで、Ｆ _Ａは、基準画像Ａの投影中心の半径方向ベクトルであり、Ｌ／｜Ｌ｜は、Ｌの方向の基準ベクトルである。Ｘ線ユニットのＣ−アームの所与の角度に属する投影画像ｉ上の任意の空間ポイントＰの画像ポイントＸ _ｉ＝（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を与える投影は、下式に従って、投影マトリックス

によって計算されることができる：

更に、ｇ_ｉ（Ｘ _ｉ）を、位置Ｘ _ｉの前記投影画像ｉ内におけるグレー値とする。この関数を用いて、「合計プロファイル」グレー値Ｓ（Ｐ（λ））が、下式に従ってＬ上のあらゆるポイントＰ（λ）に割り当てられることができる：

この式において、Ｘ _ｉは、式（２）から決定されることができる特定の投影画像ｉ内におけるＰ（λ）の２次元投影された位置である。ｎは、関連する投影画像の最大数である。

基準画像Ａに対してほぼ９０°の角度にある投影Ｃは、ベクトルＬ上に最小幅をもってイメージングされ、従って、すべての投影のグレー値プロファイルによってオーバラップされるＬ上の領域の境界Ｌ１を決定する。図２が示すように、９０°にないあらゆる投影Ｂの投影されるグレー値プロファイルは、９０°の投影Ｃに対して、ベクトルＬ上で引き伸ばされる。

血管樹Ｇのような線形構造において、所与のグレー値プロファイルの最小値又は谷は、血管が空間内に位置しうる潜在的位置を表す。合計プロファイルＳにおいて、前記最小値は、要求される空間ポイントＣ_３Ｄにおいてのみ建設的に加算され、その一方、重ね合わせは、他の「候補」に関して破壊的であり、結果的に平均をもたらす（血管樹Ｇが２回以上ベクトルＬを横切る場合に例外が生じる；この特別なケースでは、合計プロファイルＳは、多くの最小値を有する）。

再構成のために使用される投影画像Ａ、Ｂ、Ｃは、心電図を並行に記録することによって、それらの投影画像すべてが心周期の同じフェーズに属するようなやり方で、任意に選択されることができる。しかしながら、記述される方法の特別な利点は、不適切な心臓フェーズからの投影画像の寄与は平均されるので、このような事前選択が絶対に必要なわけではないことである。従って、方法は、選択を省くことによって一層簡単にされることができ、すべての投影画像からの情報が、同時に使用されることができる。

更に、記述される方法は、血管樹Ｇの血管の幅を決定することも可能にする。この方策は、例えば、合計プロファイルＳの最小値の幅から得られることができる。しかしながら、有利には、一旦再構成された３次元の血管樹が、すべての利用可能な投影画像Ａ，Ｂ，Ｃ上に投影されることにより、血管の中心線をそこに表示する。個々の血管幅は、例えば投影された血管経路を横切るグレー値分布を評価することによって、各投影画像内の血管経路に沿って点状に決定されることができる。

実験的な例の説明については、B. Movassaghi, V. Rasche, M.A. Viergever及びW. J. Niessenによる「Single Projection Modeling」(Medical Image Computing and Computer Assisted Interventions - MICCAI-Conference 2003)というタイトルの刊行物を参照されたい。この刊行物の内容は、参照によって本願の全範囲に盛り込まれる。

３つの投影画像Ａ、Ｂ、Ｃ上への血管構造Ｇの２次元中心投影と、基準画像Ａ上の基準ポイントＣ_Ａの位置との関係を示す概略的な斜視図。 第１の投影Ｂからのグレー値プロファイルの寄与を示す、図１に対応する図。 第２の投影Ｃからのグレー値プロファイルの寄与を示す、図１に対応する図。 図２及び図３に従う寄与の合計プロファイルＳへの加算的な重ね合せを示す図。

Claims (8)

1. 空間構造の３次元モデルを生成する装置であって、
   ａ）さまざまな方向から前記構造の２次元投影画像を生成するイメージングユニットと、
   ｂ）前記イメージングユニットに結合され、前記投影画像の１つを基準画像として表示する表示ユニットであって、前記構造の少なくとも１つの画像ポイントを基準ポイントとして対話的に指定することを可能にするための入力手段を有する、表示ユニットと、
   ｃ）前記イメージングユニット及び前記表示ユニットに結合されるとともに、前記イメージングユニットを使用して他の方向から生成される他の投影画像から、前記構造の前記基準ポイントに対応する空間ポイントの位置を算出するように設計される、データ処理装置と、
   を有し、前記空間ポイントの位置の前記算出は、他の投影画像における前記基準ポイントのエピポーラ線を決定し、前記エピポーラ線上の画像ポイントに対応する画像ポイント値を決定し、前記画像ポイント値を前記基準ポイントの投影線上に投影し、複数の前記投影画像の前記エピポーラ線からの前記投影された画像ポイント値を加算して合計プロファイルを形成し、前記合計プロファイルが極値を示す前記投影線上の位置を、前記空間ポイントの位置として規定する、ことによって行われる装置。
2. 前記イメージングユニットは、回転Ｘ線ユニットであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記画像ポイントの画像ポイント値は、前記基準ポイントの投影線上に投影され、前記合計プロファイルを形成するために点状に加算されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記合計プロファイルは、すべての前記他の投影画像の画像ポイント値が前記合計プロファイルに寄与するセグメントにおいてのみ評価されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記空間構造は線形経路を有し、前記データ処理装置は、基準画像に位置する複数の基準ポイントの指定から、前記経路を再構成するように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記データ処理装置は、再構成された３次元モデルの前記構造の投影画像への投影から、前記構造の幅を決定するように設計されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記空間構造の周期性の自発的運動について特徴的なパラメータを決定する手段を有し、前記データ処理装置が、空間ポイントの位置の算出のために、前記関連する基準画像と同じ前記自発的運動のフェーズから生じる投影画像のみを使用するように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 空間構造の３次元モデルを生成する方法であって、
   ａ）異なる方向から取得される構造の２次元投影画像を生成するステップと、
   ｂ）前記構造の少なくとも１つの画像ポイントを基準ポイントとして対話的に指定することを可能にするために、前記投影画像の１つを基準画像として表示するステップと、
   ｃ）生成される他の投影画像から、前記構造の前記指定された画像ポイントに対応する空間ポイントの位置を自動的に算出するステップと、
   を含み、前記空間ポイントの位置の前記算出は、他の投影画像における前記基準ポイントのエピポーラ線を決定し、前記エピポーラ線上の画像ポイントに対応する画像ポイント値を決定し、前記画像ポイント値を前記基準ポイントの投影線上に投影し、複数の前記投影画像の前記エピポーラ線からの前記投影された画像ポイント値を加算して合計プロファイルを形成し、前記合計プロファイルが極値を示す前記投影線上の位置を、前記空間ポイントの位置として規定する、ことによって行われる方法。

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