JP4871292B2 - 解剖学的ツリー構造を視覚化するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は一般的に、医療撮像の分野に関する。特に本発明は、解剖学的ツリー(anatomical tree)構造の平面角視覚化(planar angular visualization)に対する方法及び装置、並びに三次元の肺の気管支樹構造の平面位相マッピングに関係している。

ヘリカルＣＴ撮像において、被験者の周りにＸ線源のらせん軌道を実現するためのガントリ回転平面に垂直な方向に沿って検査領域を通り線形に患者が進められる。このらせん軌道中に得られるＸ線吸収データは、被験者又は被験者の選択した部分の三次元画像表示を生成するために、フィルター補正逆投影法又は他の再構成方法を使用して再構成される。

マルチスライススキャナからの高解像度のＣＴデータセットは、診断目的で気管支の検査をより小さな気道に落とし込むことを可能にする。結果生じる画像は、気管支の気道内腔(airway lumen)及び壁部の厚さを検査するのに使用されることができる。

気管支樹構造は、数百のサブセグメントを含んでいる。これにより、三次元の気管支樹における全ての経路の目視検査は非常に時間がかかる。他方、前記三次元ツリーの平面投影は、図１に説明されるように多数の閉塞をまねき、このツリーの繊細な構造のせいで特定の気道路の続きを辿るのは難しい。

故に、本発明の目的は、三次元の解剖学的ツリーの改善した表示を供給するシステム及び方法を提供することである。

従って、本発明は好ましくは、従来の上記欠陥及び欠点の１つ以上を単独で又は何れかの組み合わせで軽減、緩和又は削除しようとすると共に、添付する請求項による解剖学的ツリーの平面角視覚化を提供するシステム、画像取得装置、方法、コンピュータ読み取り可能媒体及び画像ワークステーションを提供することにより上述した問題を少なくとも解決することである。

本発明の一般的な解決法は、セグメントの閉塞又は交差が起こらず、サブセグメントの階層が導出可能であり、それが肺の葉部(lobe)のような本当の解剖学的範囲に類似点を運ぶような肺の三次元の気管支樹構造の平面位相マッピングを提案している。従来の幾何学的な３Ｄto２Ｄ投影とは対照的に、このマップは、例えば全ての気管支セグメントの竜骨(carina)への選択した距離を変化させるＧＵＩスライダを介するような低い自由度でビュー内において気管支樹の検査を可能にする。

本発明のある態様によれば、以下のステップを有する解剖学的ツリー構造を視覚化する方法が提供される。この解剖学的ツリー構造は、身体の少なくとも一部の三次元画像セットからセグメント化される。この解剖学的ツリー構造の平面角視覚化が次に決められる。この解剖学的ツリー構造の平面角視覚化が次に表示される。

本発明の他の態様によれば、解剖学的ツリー構造を視覚化するシステムが開示される。セグメント化手段は、身体の少なくとも一部の三次元画像セットから前記解剖学的ツリー構造をセグメント化する。決定手段は、この解剖学的ツリー構造の平面視覚化を決める。表示手段は、この解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を表示する。

本発明のさらに他の態様によれば、コンピュータにより処理するための、解剖学的ツリー構造を自動抽出するためのコンピュータプログラムをそれに組み込んだコンピュータ読み取り可能媒体が提供される。このコンピュータプログラムは、身体の少なくとも一部の三次元画像セットから解剖学的ツリー構造をセグメント化するためのコードセグメント、解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を決めるためのコードセグメント、及び解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を表示するためのコードセグメントを有する。

本発明は、セグメントの閉塞又は交差が最小、すなわち起こらず、これにより解剖学的ツリー構造の経路の目視検査をより簡単にして、従って異常に対する前記ツリーの分析用に得られた情報の後続する自動又は手動処理を容易にする解剖学的マップの二次元表示を提供する従来技術を上回る利点を持っている。

本発明が可能であるこれら及び他の態様、特徴並びに利点は、本発明の実施例の以下の記載から明らかであり、説明されている。

以下の記載は、ＣＴシステム、特にマルチスライスＣＴのデータに応用可能である本発明の実施例に焦点を当てている。しかしながら、本発明がこの応用に制限されるのではなく、例えばＭＲＩシステム、３Ｄ−ＲＡ(three-dimensional Rotational Angiography)スキャナ、ＰＥＴ(Position Emission Tomography)スキャナ、ＳＰＥＣＴ(single Photon Emission Computed Tomography)スキャナ等を含む他の多くの撮像システムに利用されてもよい。

以下には、マルチスライスＣＴのデータから解剖学的ツリーを抽出するための自動式の方法が記載されている。本発明の議論の大半が気管支樹に関係している一方、本発明が例えば血管樹のような何らかのタイプの解剖学的ツリーに関係し、本発明がそれらには制限されないことも当業者により理解される。

本発明のある実施例によるＣＴ取得装置２０の一例が図２に説明されている。このＣＴ取得装置２０は、マルチアレイＣＴのガントリ２２及びこのガントリ２２内に位置決めされる患者台２４を有する。この患者台２４は患者の生画像データの取得中、患者を支えている。粗い画像データがコンピュータ２６に供給され、このコンピュータが生画像データの体積画像データを再構成する。コンピュータ２６は、本発明に従ってコンピュータ２６が気管気管支樹(tracheobronchial tree)のセグメント化したツリーを計算する方法でプログラミングされる。コンピュータ２６は次いで、解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を決め、前記ツリー及び視覚化がコンピュータの表示装置に表示される。代わりに、再構成した体積画像データは、本発明の方法に従って前記データを処理するための画像処理システム２８に転送される。この画像処理システム２８は、ワークステーション３０の適当にプログラミングされたコンピュータでもよい。図９を参照して以下に詳細に説明されるワークステーション３０はスクリーン３２に接続されている。このシステムはさらに、マイクロプロセッサ、ＲＡＭのような汎用メモリ及びソフトウェアバスを介して互いに通信するように接続されている他のメモリを有する。このメモリは本発明による方法を実行するように設計されるコンピュータが読み取り可能なソフトウェアコードを有する。このメモリは、先に説明したようなセグメント化した気管気管支樹、平面角視覚化及び本来の画像セットを有するように設計されたディスプレイバッファである。このバッファの内容は表示装置３２において表示される。ＣＤ、ＤＶＤ等のような記憶装置からコンピュータが読み取り可能なソフトウェアをダウンロードする、又は例えばインターネットからワークステーションのメモリにコンピュータが読み取り可能なソフトウェアをダウンロードすることもさらに可能である。これにより、ワークステーション３０はＣＤドライブのような、記憶装置からソフトウェアを読み取ることが可能である適当な記憶読み取り装置を有する。このＣＤドライブは次いでソフトウェアバスにも動作可能なように接続される。

本発明の方法の第１の実施例において、図３を参照して以下の手続きが行われる。

最初に、マルチスライスＣＴを使用して人間にＸ線を照射し、人間の気管支樹を表す３Ｄデータセットがステップ３００において既知の方法で作成される。次にステップ３０２において、この気管支樹は例えばSchlatolter他に記載されるアルゴリズム(Simultaneous Segmentation and Tree Reconstruction of Airways for Virtual Bronchoscopy, SPIE conference on Medical Imaging, Proceedings of SPIE Vol. 4684, pp. 103-113(2002)) に基づいて三次元画像からセグメント化される。

監視されない気管支樹のセグメント化は気管から始まり、いわゆる前方伝搬方法(front propagation approach)に基づいている。領域成長は、あるハウンズフィールド(Hounsfield)しきい値より下の全てのボクセルを一体にする。成長界面(growth front)が異なるセグメントに分割されるときは、他の領域成長が前記セグメントの各々において始まる。実質組織への"漏れ(leakage)"は、成長界面の有り得る急激な増大を監視することにより検出及び阻止される。この領域成長処理が完了した後、次に気管、気管支及び小さな気道の中心線（骨格線）が抽出され、前記ツリー構造の分岐点を表すリンク付けした図表構造が構築される。

図３に戻り参照すると、気管支樹構造の平面角視覚化が次にステップ３０４において決められる。最後にステップ３０６において、この気管支樹構造の平面視覚化が表示される。

本発明は、図４に説明されるように、セグメントの閉塞又は交差が起こらず、これらセグメントの階層が明らかであるような気管支樹の二次元の平面マッピングを提案する。本来の幾何学的関係は維持されないが、位相関係は、一般的な路線図におけるように真実である。その上、主セグメントは、冠状投影においてこれらセグメントの本来の幾何学位置のおおよその方向に向け、ここで図４及び図５に説明されるように上部肺葉（４２、４１）は上に向けられ、下部肺葉（４４、４３）は下に向けられる。図５は、中間の肺葉４５も説明している。提案される平面のマッピングは、気管支樹の概要を単一の二次元図で与え、これは図５に説明されるように解剖学的関係に直観的に類似している。

この平面マッピング処理の特徴は詳細には説明されない。気管５０における左主気管支５２及び右主気管支５４への主幹分岐（竜骨）は、図４に示されるように平面図の中心に記入されている。この図の他のポイント全ては、これらポイントの図の中心への半径方向距離が気道を介し前記竜骨への中心線距離に比例し、これはＣＴデータセットの解像度には関係なくミリメートルで測定される。

本実施例において、気管５０は、竜骨を表す図の中心に向かい下降し、次に左及び右主気管支が９０°で分岐する。この角度が例えば後で詳細に説明される図７に示されるように他の値で固定されることも可能なことは、当業者により理解されるであろう。気道の各分岐において、記入された中心線は、均等な角度ステップ幅で現在の角度方向の左側及び右側に分岐する。この角度ステップ幅は、各分岐後１／２に減少する。これら分岐は、上述した領域成長方法において、成長界面が分解（分裂）した場所として特徴付けられる。

このように、既定のポイントより下のサブツリー(subtree)が他のサブツリーの図表域には入らないことが保証される。

前記マッピングにおける各ポイントは、図の中心に対する角度及び距離により与えられる。この図の中心に対する距離は、竜骨への気管支路距離に比例し、角度は以前の分岐の数により決められる。図におけるセグメントの長さは、前に説明したとおり決められたポイント位置間の接続により与えられる。

本実施例において、図におけるセグメントの長さは、その実際の長さの本当の表示ではない。前記セグメントは重複を避けるのに十分離れて広がらなければならないので、これは不可能である。逆に半径方向距離は、竜骨へ戻る気道の長さの本当の表示である。言い換えると、図における正接方向（円周上）距離が前記セグメントを広げるのに使用されるが、半径方向距離は本当である。

図１０に説明されるような平面マッピングの他の実施例において、図におけるセグメントの長さをセグメントの本当の長さに比例させることも可能である。この代替モードにおいて、図の中心に対するこの図におけるポイントの半径方向距離は竜骨には比例していない。むしろ、それの実際の長さに比例する長さの（竜骨から始まる）各セグメントに対する経路が描かれている。次に、世代ｉの各分岐において、前記マッピングは、現在の方向から角度±θｉだけ新しい方向に分岐し、分岐角は、各世代でθｉ＋１＝（１／２）θｉで減少するので、閉塞のないマッピングが保証される。

本当の解剖学的位置に対する図の類似性を改善させるために、図における分岐の方向は、（足から頭の方向に）より高い重心(centroid)を持つ２つのサブツリーの１つが上に向いて曲がっている図における分岐として選択される一方、他の分岐は図の下に向いて曲がっているように制御される。

表示される図の色又はグレイスケール値は、図１０に説明されるような、解剖学的に区別される葉部(lobe)と主セグメントとを映すように選択される。実際に表示される色又はグレイスケール値は、特徴的な映像をユーザに提供するようにユーザにより選択されることが可能であることは当業者により理解される。

この図は、図の既定のポイントをマウスでクリックすることがオルトビューワ(orthoviewer)のような他の表示装置を平面マッピングにおける前記クリックポイントにより表される三次元ＣＴのデータセットの場所に直に設置するようにインタラクティブである。この図は、図の既定のポイントをマウスでクリックすることがこのポイントから気管への気道の中心線路を選択し、この線路に沿って他の定量的情報、例えば内腔の直径、気管支壁の厚さ等を表示するようにインタラクティブである。この図は、ある図領域にわたるマウスの移動は、高次の前記ツリー世代が識別可能になるようにこの領域を拡大するようにインタラクティブである。

他の特徴は、竜骨から規定の距離にある前記ツリーにおけるポイントの全てに対し、垂直方向に再フォーマットされた画像が図の対応する位置に示され、図６の画像により説明されるように、スライダを動かすことが前記規定の竜骨への距離を変更することを可能にするようにユーザがＧＵＩのスライダを移動させることが可能である。この竜骨への距離に対する気道内腔直径を示す平面マッピングの代替表示が図７に示される。

図の各ポイントにおける線の太さは、気管支樹の対応するポイントでの測定される気道内腔直径に比例するように描かれる。異なる線の太さは図７に説明される。

円滑な角度補間は、図７に説明されるようなより有機的な外観を与えるために使用される。分岐は図４及び図５における位置と同じ位置にあり、その位置は以前の分岐の数及び竜骨までの長さにより規定されるが、これら分岐点間において、中心線のポイントは、その角度及び半径方向距離（ρ及びφ座標）に関し線形に補間される。

図の各ポイントにおける気管支壁の厚さは、気管支樹において対応するポイントにおける測定される壁の厚さに比例するように図が描かれる。

気管支の内腔直径及び壁の厚さに関する異常が自動的に検出され、図のそれぞれの位置にマーカ又は色分け(color coding)により指し示される。さらに、他の画像処理モジュールは、気管支樹の各ポイントにおいて付随する動脈を見つけることができる。この付随する動脈の直径は自動的に測定されることができる。このとき、（重要な臨床パラメタである）気管支の直径と動脈の直径との比は平面マッピングの各ポイントに色分けされることができる。

この平面マッピングの他の応用は、セグメント化された肺動脈血管樹をマッピングすることであり、グラフの各ポイントにおいて血管の直径又は何らかの可能な検出される異常を表示することである。例えば、グラフの各ポイントにおいて、この血管部におけるＣＴハウンズフィールド(CT-Hounsfileld)の最小投影がレンダリングされるので、（血塊により生じ、場合によっては肺塞栓症を示す）陰影欠損(filling defect)が一目で検出されることができる。

図８による本発明の他の実施例において、コンピュータ読み取り可能媒体が概略的に説明されている。コンピュータ読み取り可能媒体１００は、コンピュータ１１３により処理するための、３Ｄ医療画像１１２から解剖学的ツリーの平面角視覚化を自動抽出するコンピュータプログラム１１０を取り込んでいる。このコンピュータプログラムは、身体の少なくとも一部の三次元画像セットから解剖学的ツリー構造をセグメント化するコードセグメント１１４、この解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を決めるためのコードセグメント１１５、及びこの解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を表示するためのコードセグメント１１６を有する。

図９は、本発明による他の実施例に従う例示的な医療画像ワークステーション１１９を説明している。この医療ワークステーションは、本発明の方法を実施するために配され、３Ｄ医療画像を入力及び処理するように構成される。好ましくは、このワークステーションは、本発明による方法を実行するために上述したプログラムのコードセグメントを実行するように配される。本実施例によれば、医療ワークステーション１１９は、３Ｄ医療画像から解剖学的ツリーの平面角視覚化を自動抽出するために構成され、身体の少なくとも一部の三次元画像セットから解剖学的ツリー構造をセグメント化するためのセグメント化手段１２０、解剖学的ツリー構造の平面視覚化を決めるための決定手段１２１、及び前記解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を表示するための表示手段１２２を有する。上記手段１２０−１２２は好ましくは、適当なやり方で互いに動作可能な状態で接続される電子部品である。例えばディスプレイ又はポインタ作動装置のような医療ワークステーションの他の部品は詳細には説明又は論じない。

本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれら何れかの組み合わせを含む何らかの適当な形式で実施される。しかしながら好ましくは、本発明は１つ以上のデータプロセッサ及び／又はデジタル信号プロセッサ上で実行するコンピュータソフトウェアとして実施される。本発明の実施例の要素及び部品は、何らかの適当なやり方で物理的、機能的及び論理的に実施されてもよい。実際は、機能が単一ユニット、複数のユニット又は他の機能ユニットの一部として実施されてもよい。本発明は単一ユニットで実施されてもよいし、又は異なるユニット及びプロセッサ間に物理的及び機能的に分散されてもよい。

本発明が特定の実施例を参照して上述したとしても、ここで述べた特定の形式に限定されることを意味していない。むしろ、本発明は付随する特許請求の範囲によってのみ限定され、例えば上述した構造とは異なる解剖学的ツリー構造のような上記以外の他の実施例は、添付の特許請求の範囲内において同様に可能である。

請求項において、"有する／持つ"の用語は他の要素又はステップの存在を排除するものではない。さらに個々に挙げられたとしても、複数の手段、要素又は方法のステップが例えば単一ユニット又はプロセッサにより実施されてもよい。加えて、個々の特徴が別々の請求項に含まれていたとしても、これら特徴が場合によって有利に組み合わされてもよく、別々の請求項に含まれることが特徴の組み合わせは不可能である及び／又は有利ではないことを意味しているのではない。加えて、単数での表示は複数あることを排除するものではない。"１つ"、"第１"、"第２"等は複数あることを排除するものではない。請求項における参照符号は単に明瞭な例として設けられ、決して特許請求の範囲を限定するとは解釈しない。

特定のＣＴの肺のデータセットから抽出したような気管支樹の冠状投影。 本発明の実施例によるＣＴ取得装置。 本発明の実施例による解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を作る方法。 本発明の実施例による特定のＣＴの肺のデータセットから抽出した解剖学的ツリーの平面角マッピング。 本発明の実施例による主要な解剖学的範囲（肺葉）の領域の平面角マッピング。 本発明の実施例による様々な再フォーマット画像。 本発明の実施例による特定のＣＴの肺のデータセットから抽出した解剖学的ツリーの平面マッピングの代替的な表示。 本発明の実施例によるコンピュータ読み取り可能媒体。 本発明の実施例による画像ワークステーション。 気管支樹のセグメントが実際の長さに比例している本発明の実施例による気管支樹。

Claims (11)

1. 解剖学的ツリー構造を視覚化するためのシステムにおいて、
   −身体の少なくとも一部の三次元画像セットから前記解剖学的ツリー構造をセグメント化するためのセグメント化手段、及び
   −前記解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を決めるための決定手段
   を有するシステムであって、
   世代ｉの各分岐において、前記解剖学的ツリー構造の前記平面角視覚化は、現在の方向から分岐角±θ_ｉだけ２つの新しい方向に分岐し、前記分岐角は各世代でθ_ｉ＋１＝（１／２）θ_ｉで減少することを特徴とする、システム。
2. −前記解剖学的ツリー構造の前記平面角視覚化を表示するための表示手段をさらに有する請求項１に記載のシステム。
3. 前記解剖学的ツリー構造の各セグメントの表示される長さは、各セグメントの実際の長さに比例している請求項２に記載のシステム。
4. 前記解剖学的ツリー構造の前記表示される平面視覚化は対話形式である請求項２に記載のシステム。
5. 前記解剖学的ツリー構造の前記表示される平面角視覚化の各ポイントにおいて表示される幅は、前記解剖学的ツリー構造の対応するポイントでの計測される気道内腔の直径に比例している請求項２に記載のシステム。
6. 前記解剖学的ツリーは気管支樹である請求項１に記載のシステム。
7. 前記解剖学的ツリー構造は肺動脈血管樹である請求項１に記載のシステム。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のシステムを有する画像取得装置。
9. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のシステムを有する画像ワークステーション。
10. コンピュータにより処理するための、解剖学的ツリー構造を自動抽出するコンピュータプログラムを取り込んでいるコンピュータ読み取り可能媒体において、
    −身体の少なくとも一部の三次元画像セットから前記解剖学的ツリー構造をセグメント化するためのコードセグメント、及び
    −前記解剖学的ツリー構造の平面角視覚化を決めるためのコードセグメントを有するコンピュータプログラムを取り込んでいるコンピュータ読み取り可能媒体であって、
    世代ｉの各分岐において、前記解剖学的ツリー構造の前記平面角視覚化は、現在の方向から分岐角±θ_ｉだけ２つの新しい方向に分岐し、前記分岐角は各世代でθ_ｉ＋１＝（１／２）θ_ｉで減少することを特徴とする、コンピュータ読み取り可能媒体。
11. −前記解剖学的ツリー構造の前記平面角視覚化を表示するためのコードセグメントをさらに有する請求項１０に記載のコンピュータ読み取り可能媒体。

Images