JP4777164B2

JP4777164B2 - 心拍位相決定装置、プログラム及びｘ線診断装置

Info

Publication number: JP4777164B2
Application number: JP2006182309A
Authority: JP
Inventors: 卓弥坂口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP2008006211A

Description

本発明は、一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを処理する心拍位相決定装置、プログラム及びＸ線診断装置に関する。

周知の通り、近年では、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に限らず、Ｃアームシステムでも、多方向から撮影した複数の投影画像から三次元画像を再構成する技術が実用化されつつある。Ｃアームシステムでは、Ｘ線管をＸ線検出器とともに１８０°程度回転させ、その間に２０フレーム／秒程度で撮影を繰り返している。

ここで、検査対象が心臓であれば、心臓の動きに対してＣアームの回転速度が遅いので、モーションアーチファクトの影響を軽減するために、心電同期再構成のように、観察者が指定した心拍の位相（以下単に位相又は心位相という）で、それを中心とした指定幅（ウインドウの幅又は時間幅という）の期間内に収集された投影画像を、上記１８０°程度の回転期間中に収集した１セットの投影画像から部分的に抽出して、再構成処理にかけることがなされている。

心位相を、動きの比較的少ない拡張中末期や収縮末期に指定することである程度、モーションアーチファクトの影響を軽減できるが、その位相やウインドウ幅について様々に試行錯誤を繰り返して最適な心位相や幅を絞り込む必要があった。
特開２００４−１８１２４６号公報

本発明の目的は、心臓の動きの比較的少ない心位相とウインドウ幅を高精度に特定することにある。

本発明は、第１局面において、一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する決定部とを具備する心拍位相決定装置を提供する。
本発明は、第２局面において、一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する手段と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラムを提供する。
本発明は、第３局面において、一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する決定部とを具備することを特徴とする心拍位相決定装置を提供する。
本発明は、第４局面において、一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する手段と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラムを提供する。
本発明は、第５局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを移動する移動機構と、前記Ｘ線検出器を介して一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する決定部と、前記決定された心拍位相と時間幅とに基づいて前記Ｘ線の発生／停止又は前記Ｘ線の強度変化を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線診断装置を提供する。
本発明は、第６局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを移動する移動機構と、前記Ｘ線検出器を介して一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する決定部と、前記決定された心拍位相と時間幅とに基づいて前記Ｘ線の発生／停止又は前記Ｘ線の強度変化を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線診断装置を提供する。

本発明によれば、心臓の動きの比較的少ない心位相とウインドウ幅を高精度に特定することができる。

以下図面を参照して本発明の実施形態に係るＸ線診断装置を説明する。なお、本実施形態のＸ線診断装置は、心臓の動きの比較的少ない心拍位相及びそれを中心とした時間ウインドウの幅を決定する心拍位相決定機能を特徴的に有している。この心拍位相決定機能は、Ｘ線診断装置から分離して、心拍位相決定装置として単体で提供され得る。また、当該心拍位相決定機能は、その処理をコンピュータに実現させるためのプログラムとして提供可能であり、またそれを記憶したコンピュータで読み取り可能な記憶媒体として提供され得る。

図１に示すように、Ｘ線診断装置は、Ｃアーム装置５を有する。Ｃアーム装置５は、Ｃアーム１６と、Ｃアーム１６を直交３軸に関して回転自在に支持する床置き又は天井吊り支持機構と、回転駆動源とを有する。Ｃアーム１６の一端にはＸ線管１が取り付けられる。Ｘ線制御部４は、システム制御部９の制御に従って、Ｘ線管１からＸ線を発生するために、Ｘ線管１の電極間に管電圧を印加し、またＸ線管１の陰極フィラメントに加熱電流を供給する。Ｃアーム１６の他端にはＸ線検出器２が取り付けられる。Ｘ線管１とＸ線検出器２とは天板３上の被検体Ｐを挟んで対向する。Ｘ線検出器２は、例えばイメージインテンシファイアとＴＶカメラとの組み合わせから構成される。または、Ｘ線検出器２は、マトリクス状に配列された半導体検出素子を有するフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ：平面型Ｘ線検出器）で構成される。Ｃアーム／天板移動制御部６は、システム制御部９の制御に従って、Ｃアーム１６を回転するためにその駆動源に電力を供給する。またＣアーム／天板移動制御部６は、システム制御部９の制御に従って、天板を移動するためにその駆動源に電力を供給する。

本Ｘ線診断装置では、被検体Ｐを計測して心電図を発生するために心電計７が装備される。心電計７で発生された心電図は、後述するように最適心位相及び最適ウインドウ幅の決定処理、心電同期撮影等に用いられる。画像データ記憶部１０は、Ｘ線検出器２で発生された複数の投影画像に関するデータを、心電図からシステム制御部９により取得される心位相のデータを関連付けて記憶する。なお、心位相とは、心電図のＲ波から次のＲ波までの期間内の各時点を規定する尺度として定義され、典型的には、Ｒ波から次のＲ波までの期間を１００％に規格化し、当該期間内の各時点をパーセントの単位で表記する。Ｃアーム１６を回転しながら撮影を繰り返すいわゆる回転撮影においては、各投影画像には心位相とともに撮影角度（Ｘ線管１の回転角度）が関連付けられる。画像再構成処理部１１は、画像データ記憶部１０に記憶された撮影角度が相違する複数の投影画像から断層画像を再構成する。モニタ１２は、主に、投影画像、断層画像、後述する時間ウインドウ幅及び心位相に対する特徴点の移動距離の関係性を表す立体的図表や等高線図表を表示するために設けられている。操作部８は、ユーザからの各種指令をシステム制御部９に伝達するために設けられ、キーボード、マウス等の各種入力デバイスを有する。

本実施形態では、心臓の動きの比較的少ない心位相とウインドウ幅を高精度に特定するために、特徴点追跡部１３、移動距離計算部１４、最適心位相／最適ウインドウ幅決定部１５が装備されている。特徴点追跡部１３は、操作部８を介して任意の投影画像上に指定された解剖学上形態的な特徴を有する特徴点を他の各投影画像上で同定する。移動距離計算部１４は、撮影時刻が前後する一対の投影画像上で心臓の動きに主に起因して変位する特徴点間距離、つまり一対の投影画像の撮影間隔で特徴点が移動する移動距離を計算する。最適心位相／最適ウインドウ幅決定部１５は、計算された移動距離の時間変化と、ユーザ指定された移動距離の上限値（閾値）とに基づいて、移動距離が閾値未満であって、ウインドウ幅が最大となる心位相を最適心位相として、またその最大のウインドウ幅を最適ウインドウ幅として決定する。

以下、最適心位相、最適ウインドウ幅の決定について詳細に説明する。まず、使用する各種用語について、図２、図３を参照して、定義をする。回転撮影とは、Ｃアーム１６の回転によりＸ線管１をＸ線検出器２とともに被検体の周囲を回転させ、その間、複数の投影画像を撮影する。本実施形態では、回転期間の全期間にわたってＸ線を継続的に被検体に照射して、撮影を繰り返すのではなく、特定の期間に限定してＸ線を被検体に照射して、その期間だけ撮影をする。特定の期間を心電図に対応付けた撮影法が心電同期撮影と呼ばれる。撮影が行われる特定の期間を、ここでは「時間ウインドウ」と定義し、その時間長を「時間ウインドウの幅」と定義する。また、時間ウインドウの中心に対応する心位相を関心位相と称する。本実施形態では、関心位相と、時間ウインドウの幅とを最適化して、心臓の動きにより断層画像上に顕在化するモーションアーチファクトの発生をできるだけ抑えることを目的としている。

図４には、本実施形態によるシステム制御部９の制御のもとで実行される動作全体の手順を示している。図５にはその補足図を示している。まず、第１段階において、ユーザ指令にしたがってＣアーム１６が被検体に対して適当な角度で固定され、その方向から一連の複数の投影画像が撮像される（Ｓ１）。複数の投影画像は、動画を構成し、例えば２０フレーム／秒、つまり１秒あたり２０枚を撮影する速度で、複数の心拍周期、好ましくは少なくとも３心拍周期にわたって継続的に撮影される。撮影された投影画像の枚数は、Ｎと仮定する。複数の投影画像の撮影と並行して心電図が計測され、システム制御部９で特定された心位相（％）のデータとともに複数の投影画像のデータが、画像データ記憶部１０に記憶される。

次に、第２段階において、まず最初に撮影した第１フレームの投影画像が、画像データ記憶部１０から読み出され、モニタ１２に表示される。観察者は操作部８を介して表示画像上に特徴点を指定する（Ｓ２）。図６Ａは狭窄部分、図６Ｂは分岐血管、図６Ｃはカテーテル等のワイヤ先端、図６Ｄはステントに装備されたＸ線不透過性を有するマーカーをそれぞれ特徴点として指定した様子を例示している。特徴点には同定しやすいと考えられる形態的特徴が明瞭な部位が指定される。

特徴点追跡部１３により、２フレーム目以降の各投影画像から特徴点が抽出され、各位置が特定される（Ｓ３）。特徴点の位置としては、心臓の収縮方向に近い画像のＸ軸又はＹ軸いずれか一方の座標が特定される。しかし、特徴点の位置としては、Ｘ軸又はＹ軸いずれか一方の一次元位置に限定されず、ＸＹ座標で表される二次元位置として特定してもよい。図７に特徴点の位置が時間とともに変位する様子を示している。拍動にしたがって特徴点の位置が周期的に変位する様子が理解される。

次に、移動距離計算部１４では、図７、図１１Ａに示した複数心拍にわたる特徴点の位置の時間変化を、典型的にはＲ波を基準として心拍周期毎に区分し、各区分を心位相を揃えて規格化して並列する。なお、各区分を心位相を揃えて並列する手法に限定されず、図１１Ｂに示すように各区分の後端を合わせてそこからの戻し時間（絶対時間）で揃えて並列しても良いし、図１１Ｃに示すように各区分の前端を合わせてそこからの遅れ時間（絶対時間）を揃えて並列しても良い。

この特徴点の位置の時間変化に対して、移動距離計算部１４では、時間ウインドウの候補を適用する。この時間ウインドウの候補の時間幅（％で表す）の中で特徴点の最大移動距離（以下単に移動距離という）を計算する。つまり、図８に示すように、時間ウインドウ候補の時間幅の中で、最も離れた２つの特徴点の位置を選択し、選択した２つの特徴点の位置の間の長さを移動距離として計算する。この移動距離の計算は、時間ウインドウの候補の中心位相を１％間隔で移動しながら繰り返される。それにより図９に示すように、移動距離と心位相との関係が得られる。さらに、この関係の中で、最小移動距離が特定される。この最小移動距離は、当該処理に使用した時間ウインドウ候補の時間幅に関する固有値とされる。つまり、当該時間幅では、心臓の動きが最も少ない心位相がその移動距離（最小移動距離）とともに特定される。上記処理は、時間ウインドウ候補の時間幅を、予め決められた範囲を予め決められた間隔で変えながら繰り返される。それにより、図１０、図１２に示すように、時間ウインドウ候補の時間幅と最小移動距離との関係が得られる。また、図１３に示すように、心位相と時間ウインドウ候補の時間幅とに対して移動距離を分布させ、同じ移動距離を等高線のように結んで表現した図表が得られる。

最適心位相／最適ウインドウ幅決定部１５は、例えば図１３に示すように、移動距離が閾値未満であって、時間ウインドウの時間幅が最大となる心位相（最適心位相）と時間ウインドウの時間幅（時間ウインドウの最適な時間幅）とを決定する（Ｓ５）。時間ウインドウの時間幅を拡大することで、画像再構成に用いることのできる投影画像の枚数を増加させることができ、それにより再構成画像（断層画像）の画質向上を図ることができる。

なお、最適心位相／最適ウインドウ幅決定部１５は、心位相の変化及びウインドウ時間幅の変化に対する特徴点の移動距離（ウインドウ時間幅内の最大移動距離）の変化を表す図表を作成する機能を有する。当該図表として典型的には、図１５に示すように、心位相、ウインドウ候補の時間幅及び移動距離を直交３軸に対応させた立体的な図表であり、また図１６に示すように、心位相とウインドウ候補の時間幅との直交２軸上で移動距離が同じ点を結んだ等高線を含む図表である。

上述の通り決定した最適な心位相を中心とした最適な時間幅を有する時間ウインドウにしたがってシステム制御部９は撮像条件を設定し（Ｓ６）、心電計７からの心電図を使って心電同期により回転撮像を実行する（Ｓ７）。つまり、Ｘ線管１及びＸ線検出器２をＣアーム１６とともに一定速度で回転し（図１７参照）、その回転期間において、上記決定した最適な心位相を中心とした最適な時間幅を有する時間ウインドウの期間に限定してＸ線を発生し、被検体を透過したＸ線に関する投影画像を収集する（図１８、図１９、図２０、図２１参照）。

上記決定された最適な心位相を中心とした最適な時間幅を有する時間ウインドウの期間は、心臓の動きが通常は上記閾値未満を示すので、収集された投影画像から断層画像を再構成したとき（Ｓ８）、その断層画像は心臓の動きに起因するアーチファクトが軽減されている。

なお、上述では、ウインドウ候補の時間幅内での移動距離を、特徴点の１次元又は２次元の位置から計算したが、図２２に示すように、バイプレーン撮影により２方向の投影画像を収集し、２方向の投影画像からエピポーラ理論により特徴点の３次元的な位置を求め、３次元空間上の特徴点の移動距離を計算するようにしてもよい。

また、上述の説明では、心臓の動きを特徴点の移動距離によりその指標としたが、移動距離に代えて、図２３に示すように、左室造影撮影により得られた画像内の黒化部分（造影領域）の面積（ピクセル数）を用いてもよい。

また、上述では、回転撮像の例を説明したが、図２４に示すように、一方向に固定した動画撮影においても適用できる。

また、上述では、最適な心位相を中心とした最適な時間幅を有する時間ウインドウの期間に限定してＸ線を発生したが、その期間を他の期間と比較して、パルスレートを変え（遅く）、Ｘ線強度を変え（強くする又は弱くする）、Ｘ線照射時間を変え（長くする）、Ｘ線量を変え（増やす）、またはリカーシブを変える（過去画像を多くする）ようにしてもよい。

また、上述では、心拍位相決定機能を、回転撮影型のＸ線診断装置へ適用する例を説明したが、２方向からの立体画像構成装置にもそれ特有の高い効果とともに適用することができる。２方向からの立体画像構成は、図２５に示すように、２方向それぞれで被検体を静止画もしくは動画で撮影する。撮影した２方向の画像間の同じ部位の位置ずれから立体的な位置を特定する。この装置で心臓血管のように動く被検体を撮像する場合、２枚の画像は心臓が同じ位相にある２画像を使う必要がある。この際、もし心臓の動きが激しい心位相付近を用いると、撮像タイミングが少しずれただけで心臓が大きく動いてしまうため、２枚の画像が同じ心位相にならず、よって立体画像の精度が悪くなる。そこで本実施形態による心拍位相決定法を適応し、心臓の動きが比較的小さい心位相を選択し、その付近の画像を用いるようにする。これにより撮像タイミングが少しずれても、心臓はほとんど動いていないため、立体画像の精度を良く保てる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係るＸ線診断装置の構成を示す図。本実施形態による心電同期スキャンの概要を示す図。図２の補足図。本実施形態の動作手順を示す流れ図。本実施形態の全体動作の概要を示す図。図５の特徴点として狭窄部分を例示する図。図５の特徴点として分岐血管を例示する図。図５の特徴点としてワイヤ先端を例示する図。図５の特徴点としてステントマーカを例示する図。図５のＳ３の特徴点の位置の時間変化を示す図。図５のＳ４における特徴点の移動距離の計算方法を補足する図。図５のＳ４における特徴点の移動距離に関する時間変化を示す図。図５のＳ４における特徴点の最小移動距離に関する時間幅変化を示す図。図５のＳ３の特徴点位置の時間変化を平均化する第１の例を示す図。図５のＳ３の特徴点位置の時間変化を平均化する第２の例を示す図。図５のＳ３の特徴点位置の時間変化を平均化する第３の例を示す図。図５のＳ４における特徴点の最小移動距離に関する時間幅変化の作成処理を示す図。図５のＳ４における特徴点の移動距離に関する時間変化を複数の時間ウインドウ幅について同時に示す図。図５のＳ４における最適な心位相と最適な時間ウインドウ幅の選択法を示す図。図５のＳ４において、時間ウインドウ幅及び心位相に対する特徴点の移動距離の関係性を表す立体的図表を示す図。図５のＳ４において、時間ウインドウ幅及び心位相に対する特徴点の移動距離の関係性を表す等高線図表を示す図。本実施形態によるＸ線管の焦点軌道を示す図。本実施形態において、図１７の焦点軌道に対して撮影位置を示す図。本実施形態において、心電波形に対する撮影位置を示す図。本実施形態において、焦点軌道及び心電波形に対する撮影位置を示す図。図２０の焦点位置に対する検出器の位置を示す図。本実施形態において、特徴点の移動距離を３次元に拡張する変形例を示す図。本実施形態において、特徴点の移動距離に代えて左室造影部分の面積を適用する変形例を示す図。本実施形態の変形例において、動作手順を示す流れ図。本実施形態において、立体画像構成装置への適用例を示す図。

符号の説明

１…Ｘ線管、２…Ｘ線検出器、３…天板、４…Ｘ線制御部、５…Ｃアーム機構、６…移動制御部、７…心電計、８…操作部、９…システム制御部、１０…画像データ記憶部、１１…画像再構成処理部、１２…モニタ、１３…特徴点追跡部、１４…移動距離計算部、１５…最適心位相／最適ウインドウ幅決定部。

Claims

一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、
前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する決定部とを具備することを特徴とする心拍位相決定装置。
一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する手段と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラム。
一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、
前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する決定部とを具備することを特徴とする心拍位相決定装置。
一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する手段と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラム。
Ｘ線を発生するＸ線管と、
被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを移動する移動機構と、
前記Ｘ線検出器を介して一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、
前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて心拍位相と時間幅とを決定する決定部と、
前記決定された心拍位相と時間幅とに基づいて前記Ｘ線の発生／停止又は前記Ｘ線の強度変化を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線診断装置。
Ｘ線を発生するＸ線管と、
被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを移動する移動機構と、
前記Ｘ線検出器を介して一定周期で収集された被検体に関する複数の投影画像のデータを記憶する記憶部と、
前記投影画像各々に含まれる形態上の特徴点を特定する特定部と、
前記特徴点の移動距離の時間変動と前記被検体の心電図とに基づいて、前記移動距離が閾値未満であって、前記移動距離に対応する時間幅が最大となる心拍位相を決定する決定部と、
前記決定された心拍位相と時間幅とに基づいて前記Ｘ線の発生／停止又は前記Ｘ線の強度変化を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線診断装置。
前記心拍位相の変化及び前記時間幅の変化に対する前記特徴点の移動距離の変化を表す図表を作成する作成部をさらに備えることを特徴とする請求項６記載のＸ線診断装置。
前記作成部は、前記心拍位相、前記時間幅及び前記移動距離を直交３軸に対応させた立体的な図表を作成することを特徴とする請求項７記載のＸ線診断装置。
前記作成部は、前記移動距離が同じ点を結んだ等高線を含む図表を作成することを特徴とする請求項７記載のＸ線診断装置。