JP4751337B2 - 診断画像データのコンピュータ支援による視覚化のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元の生体構造オブジェクトのコンピュータ支援による視覚化のための方法に関し、そこでは、そのオブジェクトの少なくとも２つの診断画像データレコードが記録され及び処理される。

本発明は、更に、この方法を実行する診断画像化デバイスと、斯かる診断画像化デバイスのためのコンピュータプログラムとに関する。

血管造影の分野において、適切な造影剤を注入することにより血管を表示する２次元X線投影法が、今日日常的に使用される。しかしながら近年、例えば、３次元X線画像化法(CT)又は磁気共鳴画像化法(MR)などの３次元血管造影画像化法の重要度が増してきている。斯かる方法により得られるボリューム画像データは、例えば、狭窄、動脈瘤といった血管障害を診断するための興味深い形態学的情報を含む。処置をする医師が、可能性のあるリスク源(例えば、梗塞若しくは血栓症のリスク、又は動脈瘤が破裂するリスク)を迅速かつ確実に検出することができるよう、記録された血管構造の視覚化は、２次元及び３次元の医療画像化法の両方において重要である。

現代のコンピュータ支援による視覚化法は、一方では、高精度で血管の経路を表示することを可能にする。そこでは、興味ある血管系に属さない任意の生体構造(anatomical structure)を排除することが可能である。更に、例えば経皮的冠動脈形成術(PTCA)のような処置を計画するとき、コンピュータ支援による視覚化法は、有益な助けにもなる。

更に、上述された血管造影法と同じように血管の形態を明確にするのではなく、むしろ対応する血管によって供給される器官、例えば心臓の機能を検査することを可能にするのに使用される２次元及び３次元の画像化法が知られている。斯かる方法は、例えば、冠状血管障害を診断するのに、血管造影法に加えて用いられることができる。心筋の機能障害を発見するために、心臓に関する２次元又は３次元の診断画像データレコードの時間的な系列が記録され及び評価される方法が知られている。この目的のため、通常の機能とは異なる心筋の領域が、記録された画像データにおいて特定される。これは、例えば、心臓壁が厚く若しくは薄くなった領域に基づき、又は心臓壁に関して観測された異常な動きに基づいてさえ評価されることができる。更に、心筋を流れる血流が検査されることを可能にする機能的な画像化法が知られている。例えば、いわゆるMR灌流(perfusion:かんりゅう)法である。MR灌流法においては、MR画像の時間的な系列に基づきパラメタ画像が生成される。そこでは、適用された造影剤の濃度がその個別のピクセルの位置において時間に応じてどのように変化するかが、ピクセル毎に計算される。

簡単かつ確実な診断を可能にするために、診断画像データを視覚化するときには、特に形態における病理学的な変化が、対応する機能的な障害に関連して直接的に配置されることができるようにして、形態学的な(例えば、血管造影の)画像データを機能的な画像データと結合させた表現にて結びつけることが望ましい。従って、例えば、血管造影画像において検出される事が可能な狭窄を、心筋の対応する領域における不正確な機能に割り当てる表現が、処置をする医師によって使用されることが可能にされることができる。このために、米国特許5 151 856において、まず、MR又はCTを用いて記録される３次元診断画像データレコードを手始めに、最初にコンピュータを用いて検査対象の心筋の３次元モデルを計算することが提案される。そして、このモデルに基づき、心筋における様々な領域での機能が検査される。加えて、冠状動脈の形態の２次元表現を表示する２次元血管造影投影画像が記録される。最後に、心筋に関し計算されたモデルが、３次元表現として視覚化される。そこでは、記録された血管造影図がこの表現に重ねられる。このため、できるだけ現実に近い態様で、生体構造の状態(anatomical condition)を示すよう、血管造影図が適切にスケール化され、かつ揃えられる。過去に知られた方法によれば、機能障害が特定される心筋の領域は、色を用いて強調されることができる。その知られた方法は、こうして、直接的に心臓の機能障害を冠状動脈における目に見える形態的な変化に割り当てることを可能にする。

過去に知られた方法における１つの特有の不利な点は、心臓モデルの２次元血管造影図と３次元図との重ね合わせが幾何学的な観点においてあまり好適に規定されておらず、このことが、診断に悪影響を与える不正確及びエラーをもたらす点にある。別の不利な点は、過去に知られた方法において、それ自体は知られている、いわゆるレンダリングアルゴリズムにより生成される心臓モデルの３次元図が、例えば医療レポートにおける標準化された描写を可能にするには最適ではない点にある。更に、具体的な表現は、個別的に調節可能な多数のパラメタに依存するので、３次元視覚化の再現性が常に満足のいくものとはいかない。こうした理由から、関与する医師は、斯かる３次元図がむしろ望ましくないと気づく。

上記に基づき、本発明の目的は、２つ又はそれ以上の診断画像データレコードの結合された表現を可能にするコンピュータ支援による視覚化のための方法を提供することにある。その方法において、前述の表現は、幾何学的な観点において正確に規定され、かつ正確に再現可能となる。更に、その画像データレコードに含まれる生体構造特徴(anatomical feature)の３次元図が避けられることになる。

上記目的は、本発明による、請求項１に記載の方法により達成される。本発明によれば、まず、視覚化される生体構造オブジェクト(anatomical object)に関する２つ又はそれ以上の診断画像データレコードが記録される。その後、その画像データを２次元ディスプレイ平面上に画像化するための画像化仕様が規定される。そこでは、画像化仕様を規定するために、そのオブジェクトの生体構造特徴が、少なくとも１つの画像データレコードにおいて特定される。最終的に、過去に規定された画像化仕様に基づき、その２つ又はそれ以上の画像データレコードを共通のディスプレイ平面上に画像化することにより、結合された２次元表現が計算される。

本発明による方法は、視覚化される３次元の生体構造オブジェクトについての３次元図の生成を完全に省略する点が、最も重要である。結果として、３次元表現に起因する上述した不利な点が、大幅に回避される。代わりに、本発明によれば、特に、一様に決定される画像化仕様に基づき、幾何学的に明確な態様で、画像データにより示される生体構造を考慮して、結合的に視覚化されるすべての画像データレコードに対して、２次元表現が計算される。純粋に２次元の表現はまた、例えば、医療レポートにおいて、標準化され、かつ再現可能な態様で表される事ができる利点を特別に持つ。

画像化仕様を規定するとき、例えば、画像データの共通ディスプレイ平面上への投影に関する投影ジオメトリが規定されることができる。この場合、それ自体は従来技術(例えば、Etienne他による「Soap Bubble」、Visualization and Quantitative Analysis of 3D Coronary Magnetic Resonance Angiograms、Magnetic Resonance in Medicine、第48巻、658頁、2002)により知られている、いわゆる「ソープバブル」法が、拡張された形態で利用されることができる。そして、ソープバブルアルゴリズムは、本発明による特定を用いて、記録された画像データレコードに含まれる生体構造特徴に関するそのパラメタを受け取る。本発明における１つの重要な基本となるアイデアは、画像データを用いて特定される生体構造に基づき、それに従って画像化仕様を規定することである。画像化仕様を規定するための生体構造特徴の特定は、例えば、対応する画像化デバイスのユーザによって共にインタラクティブに、又は、それ自体は知られた記録アルゴリズムを用いて自動的に行われることができる。

本発明による方法において、生体構造特徴を特定するときと、結合された２次元表現を計算するときとの両方において、記録された画像データレコードによって、それぞれの場合に覆われる画像領域の相対的な空間配置が考慮されることも特に重要である。個別の画像の空間的な位置決めは、診断画像の実際の記録を計画する間に行われ、例えば、MR画像化の場合には、通常は、一旦いわゆるスカウト画像データレコードが記録されると行われる。後者は、興味ある検査ボリュームの全体を覆う低解像度の生体構造画像データレコードである。そして、スカウト画像データレコードに基づく画像領域における手動又は自動の位置決めが、空間的な観点で診断画像データを互いに比較すること、及び本発明によりそれらを共に表示することを可能にするのに必要な幾何学的情報を与える。

本発明による方法の１つの有利な発展が、請求項２に記載されるようにして得られ、そこでは、画像化仕様を規定するために、画像データレコードにおいて特定されるオブジェクトの生体構造特徴が含まれるようにして、曲面で区切られるオブジェクトボリュームが決定される。オブジェクトボリュームの表面形状は、例えば、心臓又は別の器官といった、検査される生体構造オブジェクトの形状に対応する態様で形成されることができる。オブジェクトボリュームの表面は、例えば、生体構造オブジェクトの外側の輪郭にまず適合される。そして、例えば、請求項３に記載されるように、ある画像化仕様がこの適合から生じる。その画像化仕様に基づき、そのオブジェクトボリュームに含まれる生体構造特徴が投影される。そのオブジェクトボリュームの外側に位置する画像データは、排除される。オブジェクトボリュームを検査される生体構造オブジェクト(心臓)の外側の輪郭に対して区切る曲面を適合する事に関する１つの可能性は、Etienne他による上述の文書において述べられている。２次元表現を計算する事に関する１つの別の可能性は、請求項４に記載されるように、そのオブジェクトボリュームの非デカルト表面座標に、ディスプレイ平面内のデカルト座標を割り当てることを含む。オブジェクトボリュームは、例えば、楕円形状を持つことができる。すると楕円の表面は、極座標によりパラメタ化されることができる。２次元的な態様で、オブジェクトボリュームの表面へ投影を表示するために、特に簡単な方法で、極座標が対応するデカルト座標に変換されることができる。オブジェクトの生体構造特徴間の距離が現実的な態様で再現されることができないという事実が考慮されるべきであるものの、画像化仕様は、その結果、幾何学的な観点において明確に規定される。原理上は、本発明による方法において、いかなるタイプの画像化が使用されることができる。その画像化を用いると、３次元空間における任意の曲面が、２次元ディスプレイ平面上に画像化される。

請求項５に記載されるように、本発明による方法は、有利には、検査される生体構造オブジェクトに関する形態学的及び機能的な画像情報の結合された表示のために使用されることができる。この場合、形態学的な画像データにおいて検出されることができる病理学的な変化が、機能的な画像データにおいて検出されることができる対応する障害に確実に割り当てられることを可能にするためには、画像データを２次元ディスプレイ平面上に画像化するための画像化仕様を正確に規定することが前提条件である。請求項６に記載されるように、機能的な画像情報は、例えば、上述したMR灌流法においてと同様、生体構造オブジェクトの形態学的な画像データの時間的な系列を評価することにより得られることができる。これは、特に、冠状動脈障害を検査するために本発明による方法を用いるとき可能である。なぜなら、上述したように、心筋の不正確な機能が、壁の厚さと心筋の動きとを評価することにより連続的に決定されることができるためである。

請求項７に記載されるように、本発明による方法において、少なくとも１つの画像データレコードは、生体構造オブジェクトのスライス画像を有する。従って、本発明による方法は、多数のスライス画像を結合された２次元表現で結合するのに用いられることができる。

請求項８及び９に記載されるように、本発明による方法において、画像データレコードは、コンピュータ断層撮影法、磁気共鳴又は超音波を用いて記録されることができる。画像データレコードを記録するには、異なる画像化法を用いる可能性もある。従って、本発明によれば、例えば、超音波によって得られる画像データが、結合された表現においてMR画像データと結合されることが可能である。

請求項１０に記載される診断画像化デバイスは、本発明による方法を実行するのに適している。その診断画像化デバイスは、生体構造オブジェクトの３次元の画像データレコードを記録する記録手段と、その画像データを視覚化するコンピュータ手段とを持つ。コンピュータ手段は、プログラム制御を伴い与えられ、そのプログラム制御を用いて、本発明による上述された方法が実行されることができる。

本発明による方法は、対応するコンピュータプログラムの形式で斯かる診断画像化デバイスのユーザにも利用可能とすることができる。コンピュータプログラムは、適切なデータ担体、例えば、CD-ROM若しくはフロッピーディスクに格納されることができ、又はインターネットを介して、画像化デバイスのコンピュータ手段にダウンロードされることができる。

本発明は、図面に示される実施形態の例を参照し更に説明されることになる。しかしながら、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１は、患者の心臓の形態学的及び機能的状態を評価することに関する、心臓病学的なMR検査に基づく本発明による方法を示す。本方法は、心臓に関する様々な診断画像データレコードを記録することで始まる。図１は、その一番上に、３次元のMR冠状動脈画像化を用いて記録される画像データレコード１の図を示す。画像データレコード１内の冠状動脈２の経路が図１に見られることができる。更に、心筋に関する３つの機能的なスライス画像３、４及び５が、上述のMR灌流技術を用いて生成される。スライス画像３、４、及び５は、各ピクセルに対して、心臓の長手方向の軸に垂直な平面において心筋を通る個別の血流を示す。図１の一番上及び真ん中の図を参照すれば、画像データレコード１、３、４及び５が検査ボリューム６内でお互いに対して、空間的にどのような配置されるかが見られることができる。この相対的な空間配置は、画像の記録の計画により規定されるか、又は例えば適切な記録アルゴリズムを用いて連続的に決定されなければならないかのどちらかである。

画像データ１、３、４及び５を２次元ディスプレイ平面上へ画像化するための画像化仕様の規定が、図１の真ん中の図において示される。画像化仕様を規定するために、実施形態の例においては、楕円オブジェクトボリューム７の形状、位置及び方向が、画像データレコード１、３、４及び５より見られることができる心臓の生体構造特徴に適合される。この場合、楕円７の長軸(longitudinal axis)が、心臓の軸におよそ対応し、楕円７の表面が心筋の外側の輪郭に大体対応する。画像化仕様によれば、オブジェクトボリューム７に含まれるデータレコード１、３、４及び５の画像情報は、楕円７の表面に投影される。楕円の形状は、ここでは、説明のためだけに選択される。他の表面形状が、検査される生体構造に応じて選択されることもできる。画像化仕様を規定するために、例えば、冠状動脈２が適切な記録アルゴリズムを用いて特定されることも可能である。

次のステップでは、画像データの実際の視覚化が行われ、これは、図１の一番下に示される。実施形態の例において、結合された２次元表現は、以前に規定された画像化仕様に基づき、画像データレコード２、３、４及び５を共通のディスプレイ平面８上へ画像化することにより計算される。このため、ディスプレイ平面８内のデカルト座標が、極座標θ及びφに割り当てられる。その極座標を用いて、楕円オブジェクトボリューム７の表面がパラメタ化される。冠状動脈２の形態が２次元表現において非常に好適に見られることができる。特に、この表現において、血管の１つが狭窄９であることが見られることができる。ディスプレイ平面８でのスライス画像３、４及び５の投影は、領域１０における心筋組織を通る血流の欠如を示す。従って、本発明により生成された２次元表現を用いて、処置をする医師が、病理学的な変化９をその領域１０における機能的な障害に直接割り当てることができる。

図２におけるブロック図として示される診断画像化デバイスは、従来のデザインのMRデバイスである。MRデバイスは、患者１２が位置する検査ボリュームにおいて一様な定常磁場を生成するメインフィールド・コイル１１から成る。MRデバイスは、更に、検査ボリューム内で、異なる空間方向に磁場グラジエントを生成するグラジエントコイル１３、１４及び１５を持つ。示される診断画像化デバイスのコンピュータ手段は、グラジエントアンプ１７を介してグラジエントコイル１３、１４及び１５に接続される中央制御ユニット１６により形成される。検査ボリューム内の磁場グラジエントの時間的及び空間的プロファイルは、それにより制御される。MRデバイスの画像記録手段は、検査ボリュームにおける高周波場を生成し、その検査ボリュームから信号を受信するのに使用される高周波コイル１８を含む。高周波コイル１８は、送信ユニット１９を介して制御ユニット１６に接続される。高周波コイル１８により受信されるMR信号は、受信ユニット２０により復調され、増幅され、及び同様に診断画像化デバイスのコンピュータ手段に属する再構築及び視覚化ユニット２１に与えられる。そして、再構築及び視覚化ユニット２１により処理されるMR信号は、本発明に従う態様でスクリーン２２に表示されることができる。再構築及び視覚化ユニット２１及び制御ユニット１６は、上述した方法を実行するのに適したプログラム制御を持つ。

本発明による方法の進行の概略的な図である。 本発明によるMRデバイスを示す図である。

Claims (10)

1. ３次元の生体構造オブジェクトのコンピュータ支援による視覚化のための方法において、
   a) 前記オブジェクトの２つ又はそれ以上の診断画像データレコードを記録するステップと、
   b) 前記画像データを２次元のディスプレイ平面上へ画像化するための画像化仕様を規定するステップであって、前記画像化仕様を規定するために前記オブジェクトの生体構造特徴が、前記画像データレコードの少なくとも１つにおいて規定されるステップと、
   c) 以前に規定された前記画像化仕様に基づき、前記２つ又はそれ以上の画像データレコードを共通の前記ディスプレイ平面上へ画像化することにより、結合された２次元表現を計算するステップとを有し、
   前記画像化仕様を規定するために、前記オブジェクトの前記生体構造特徴のうち特定されるべきものが含まれるよう、曲面により区切られるオブジェクトボリュームが決定される、方法。
2. 前記画像化仕様に基づき、前記オブジェクトボリュームに含まれる前記データレコードの前記画像情報の投影が、前記２次元表現の前記計算の間に計算される、請求項１に記載の方法。
3. 前記２次元表現を計算するために、前記ディスプレイ平面内のデカルト座標が、前記オブジェクトボリュームの非デカルト表面座標に割り当てられる、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの画像データレコードが、前記生体構造オブジェクトの形態学的な画像情報を有しており、少なくとも１つの追加的な画像データレコードは、前記生体構造オブジェクトに関する機能的な画像情報を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記機能的な画像情報が、前記生体構造オブジェクトの形態学的な画像データの時間的な系列を評価することにより得られる、請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも１つの前記画像データレコードが、前記生体構造オブジェクトの少なくとも１つのスライス画像を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記画像データレコードが、コンピュータ断層撮影法、磁気共鳴又は超音波を用いて記録される、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記画像データレコードが、異なる画像化モードを用いて記録される、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 生体構造オブジェクトの３次元の画像データレコードを記録する記録手段と、前記画像データを視覚化するコンピュータ手段とを備える診断画像化デバイスであって、前記コンピュータ手段が、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法を実行するプログラム制御を持つ、診断画像化デバイス。
10. 診断画像化デバイスのためのコンピュータプログラムであって、前記画像化デバイスのコンピュータ手段に、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法のステップを実行させるためのコンピュータプログラム。

Images