JP5180593B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置及び３次元画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体の心臓に関する３次元再構成された動画像により心筋の動きを観察するためのＸ線コンピュータ断層撮影装置及び３次元画像処理装置に関する。

従来、心筋の動きを観察するためには、Ｘ線Ａｎｇｉｏ装置にて観察する方法、もしくはＣＴで動画再構成した画像を観察する方法がある。Ｘ線Ａｎｇｉｏ装置では、カテーテルを使用して血管内に造影剤を注入し、その流れをＸ線で連続的に撮影することで非常に高精細な血管構造が描出され得る。しかしながら、上記方法では、視覚的な評価指標でしないため、手術などの緊急時において迅速に状態を把握することができなかった。

なお、本願に関連する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
特開２００２−３３０９６１公報

上述したように、従来は心筋の動きを、Ｘ線Ａｎｇｉｏ装置やＣＴで動画再構成した画像により目視で観察するしかなかった。このため、心筋梗塞の治療等において、迅速に状態を把握することができなかった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、心筋の動きを定量的に評価できるようにするＸ線コンピュータ断層撮影装置及び３次元画像処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、Ｘ線を発生するＸ線管球と、被検体の心臓を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管球を前記Ｘ線検出器とともに前記被検体の周囲を連続的に回転する回転駆動部と前記Ｘ線検出器の出力に基づいて時間的に連続する複数の投影データセットを発生する投影データ発生部と、前記発生された複数の投影データセットに基づいて時間的に連続する複数の３次元画像を再構成する再構成処理部と、前記３次元画像の各々から前記心臓の複数の部分を追跡する追跡部と、前記追跡された各部分の変位に基づいて各部分の運動量を算出する算出部と、前記算出された運動量を前記３次元画像と共に表示する表示部とを具備することを特徴とする。

また、本発明に係る３次元画像処理装置は、被検体の心臓に関する時間的に連続する複数の３次元画像のデータを記憶する記憶手段と、前記３次元画像の各々から前記心臓の複数の部分を追跡する追跡手段と、前記追跡された各部分の変位に基づいて各部分の運動量を算出する算出手段と、前記算出された運動量を前記３次元画像と共に表示する表示手段とを具備することを特徴とする。

以上本発明によれば、心筋の動きを定量的に評価できるようにするＸ線コンピュータ断層撮影装置及び３次元画像処理装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。高電圧発生部１０９からスリップリング１１１を経由してＸ線管球１０１に管電圧が印加され、フィラメント電流が供給される。それによりＸ線管球１０１からＸ線が発生される。Ｘ線検出器１０３は、例えば２５６列のマルチスライス型が採用される。なお、Ｘ線検出器１０３は、他の列数のマルチスライス型又はシングルスライス型検出器であってもよい。入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出器１０３のＸ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよい。

Ｘ線管球１０１とＸ線検出器１０３は、回転可能に支持された円環状の回転フレーム１０２に搭載される。Ｘ線管球１０１に対してＸ線検出器１０３は、開口部１２２を挟んで対向する位置及び向きに配置される。開口部１２２には、図示しない寝台天板に載置された被検体が挿入される。Ｘ線検出器１０３はＸ線管球１０１から発生され、被検体を透過したＸ線を検出する。

回転フレーム１０２は、回転駆動部１０７の駆動により例えば０．４秒／回転の高速で連続的に回転される。管球位置検出部は、Ｘ線管球１０１の角度を検出するために設けられ、典型的にはロータリーエンコーダを有している。Ｘ線管球１０１の角度は、典型的には、Ｘ線管球１０１が最上位置にあるときを基準角度（０°）としてそこからの変位角として検出される。なお、角度（１８０°）は最下位置に対応する。

Ｘ線検出器１０３は、被検体を透過したＸ線を検出する。データ収集回路１０４は、一般的にＤＡＳ(data acquisition system)と呼ばれている。データ収集回路１０４は、Ｘ線検出器１０３からチャンネルごとに読み出される信号を増幅し、さらにディジタル信号に変換する。データ収集回路１０４から出力されるデータは、入射Ｘ線の強度を反映しており、一般的に、純生データと称される。投影データ発生部１０６は、データ収集回路１０４から非接触データ伝送部１０５を経由して受け取った純生データに対して、対数変換、感度補正等の前処理を施して、再構成処理の直前段階にあるいわゆる投影データ（生データとも称される）を発生する。投影データは、それを収集した時刻を表すタイムコードと、その収集時のＸ線管球１０１の角度に関するデータとを関連付けられて、データ記憶部１１２に記憶される。投影データはそのタイムコードにより心電図と対応付けられることができる。

再構成処理部１１４は、いわゆるハーフ再構成法が採用され、被検体の周囲の（１８０°＋ファン角）分の投影データに基づいて、画像（シングルスライス、マルチスライス又はボリューム）のデータを再構成することができる。なお、説明の便宜上、（１８０°＋ファン角）分の投影データを一単位として投影データセットと称する。また、投影データセットに対応する角度位置とは、ハーフ再構成に要する（１８０°＋ファン角）分の開始位置、終端位置、又は中心位置のいずれかを示すものとする。

さて、３次元画像処理装置１は、操作部１１５、表示部１１６、制御部１１７、心筋解析部１１８、および三次元表示部１１９を有する。操作部１１５は、キーボードおよびマウス等の入力装置を備える。表示部１１６は、ＣＲＴ、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示装置である。制御部１１７はマイクロプロセッサ等の中央処理ユニット（Central Processing Unit：ＣＰＵ）である。心筋解析部１１８および三次元表示部１１９は、制御部１１７により実行される制御プログラムであり、処理の詳細は後述する。

上記マルチスライス型ＣＴ撮影機構によって被検体の心臓領域の４次元データを撮影する。ここで４次元とは３次元に時間を加えたもの、すなわち３次元データの動画像を示す。制御部１１７は、データ記憶部１１２から再構成された動画像を三次元表示部１１９に転送し、動画表示する。

図２に、三次元表示部１１９により表示部１６に表示されるＧＵＩ画面の一例を示す。図２に示すように、ＧＵＩ画面には心筋用解析アイコン（［Ａｎａｌｙｚｅ］スイッチ２１）があり、オペレータによりこのスイッチが押下されると、制御部１１７は心筋解析部１１８により解析処理を開始する。

（心筋解析処理）
図３は心筋解析部１１８の処理の手順を示すフローチャートである。解析対象は１フレーム目の画像と２フレーム目の画像、２フレーム目と３フレーム目、…、Ｎフレーム目とＮ＋１フレーム目というようにＮがＭ（１周期Ｍフレームのデータと仮定）となるまで、前後のフレームを用いてシーケンシャルに処理を行う（ステップＳ３ａ〜Ｓ３ｆ）。

図３において、心筋解析部１１８は、まずステップＳ３ｂにおいてＮフレームの画像で心筋の壁を抽出する。抽出方法は以下の３種類の手法を用いることができる。

第１の手法は、３次元画像上でＣｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌを用いて心臓部分のみをマニュアルで切り出し、そこから心筋の壁を自動的に抽出する。

第２の手法は、３次元画像上で心臓の内部の点と、外部との接点（大動脈、肺動脈、大静脈、肺静脈の起始部）を指定し、そこからＲｅｇｉｏｎ Ｇｒｏｗｉｎｇ法で心臓領域を特定し、心臓の壁を抽出する。

第３の手法は、予めメモリに心臓部の３次元モデルを記憶しておき、撮影した心臓部の３次元データを比較し、３Ｄモデルを変形しつつ（位置、角度、径）撮影した３次元データにフィッティングを行う。そしてＦｉｔｔｉｎｇが最も適した状態から３次元モデルの心筋の壁から最も近い壁を撮影した３Ｄデータの心筋の壁とする。

次にステップＳ３ｃにおいて、心筋解析部１１８は上記抽出した壁を微小領域に分割し、Ｎ＋１フレーム目の画像上の同じ位置から一定範囲内のサーチ領域内で細かく移動させながら相関演算を順次行う。その結果演算結果の一番低いところを対応位置と判定し、その位置への移動ベクトルを記憶する。この処理をＮフレームの壁全体について行い、領域毎の移動ベクトルを算出する。ここで相関演算は以下のように記述できる。

ここで、ｆＮ（ｘ，ｙ，ｚ）、ｆＮ＋１（ｘ，ｙ，ｚ）は、それぞれＮフレーム目、Ｎ＋１フレーム目の画像である。ＣＲ_ｘｙｚ(Δｘ_ｘｙｚ, Δｙ_ｘｙｚ,Δｚ_ｘｙｚ)は、（ｘ，ｙ，ｚ）での相関演算の結果であり、(Δｘ_ｘｙｚ, Δｙ_ｘｙｚ,Δｚ_ｘｙｚ)のシフトベクトルが最小となる位置を求める。なお本演算だけではＮフレーム目の異なる位置の心壁が、Ｎ＋１フレーム目の同じ位置に対応することが起こりえる。この問題を防ぐには以下のように画像全体で最適な組み合わせを決めることもできる。

ここで（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）と（ｘ_ｉ＋１，ｙ_ｉ＋１，ｚ_ｉ＋１）は隣接する心壁の微小領域を示す。

この対応付けが完了すると、領域毎の速度Ｖ_Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）、軌跡の長さＬ_Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）を以下のように計算することができる。

ここで、ΔｔはＮフレームの再構成像と、Ｎ＋１フレーム目の再構成像との標準時間差を示す。またその時点での位置ベクトル（画像中心を原点とする）をＰ_Ｎ＝（ｘ，ｙ，ｚ）として記憶する。

上記処理を１フレームからＭ−１フレーム（１周期Ｍフレームのデータと仮定）繰り返し（最後の処理はＭ−１とＭフレーム目との処理）、領域毎の速度と軌跡を求める。さらに領域毎に|Ｐ_Ｎ|を計算し、その最小値、最大値を用いて以下のように正規化する。

（解析結果表示処理）
次に解析結果の表示処理について説明する。以上のように解析処理が完了すると、制御部１１７は、図２に示したＧＵＩ画面に設けられた解析結果表示用の各種ラジオスイッチ２２を選択可能にする。図４に、三次元表示部１１９により表示部６に表示される心筋解析結果の一例を示す。

第一の解析結果として［Ｍｏｔｉｏｎ］が選択されると、三次元表示部１１９は、微小領域毎に軌跡のトータル長を計算し、３次元の心筋データ上に色を変えて表示する。トータル長が長い部位は赤系を、トータル長が短い部位は青系を表示する。

第二の解析結果として［Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（Ａｖｅ．）］が選択されると、三次元表示部１１９は、微小領域毎に速度の平均値を計算し、３次元の心筋データ上に色を変えて表示する。平均値が高い部位は赤系を、平均値が低い部位は青系を表示する。

第三の解析結果として［Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（Ｍａｘ．）］が選択されると、三次元表示部１１９は、微小領域毎に速度の最大値を求め、３次元の心筋データ上に色を変えて表示する。最大値が大きい部位は赤系を、最大値が小さい部位は青系を表示する。

第四の解析結果として［Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（Ｍｉｎ．）］が選択されると、三次元表示部１１９は、微小領域毎に速度の最小値を求め、３次元の心筋データ上に色を変えて表示する。最小値が大きい部位は赤系を、最小値が小さい部位は青系を表示する。

第五の解析結果として［Ｐｈａｓｅ］が選択されると、三次元表示部１１９は、３次元の心筋データ上に色を変えて表示する。色はＮＰ_Ｎを元に決定し、この値が１に近ければ赤系を、この値が０に近ければ青系を表示する。この場合は他の解析結果表示と異なり、位相を変えると色も変化する。

以上述べたように、上記実施形態では、時間的に連続する心臓部の３次元画像について各フレームで心筋の壁を抽出し、この抽出された壁の微小領域ごとに時間的変位を示す移動ベクトルを求める。この求められた移動ベクトルをもとに各領域の運動量速度、軌跡長、位相を算出して色や輝度等で３次元画像上にグラフィカルに表示する。

したがって上記実施形態によれば、心筋の動きを定量的に評価できるようになるため、手術などの緊急時において術者が迅速に心臓の状態を把握することが可能となる。

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。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

（１）本実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

（２）上記実施形態においては、心壁全体の結果を表示する方法であったが、例えば３次元画像上で任意の位置を指定し、その部位のみのデータを計算して表示しても良い。このようにすると、計算量が少なくて済むため処理時間を短縮することができる。なお、計算結果は数値で表示しても良いし、図５に示すように色で示しても良い。

（３）上記実施形態においては、速度と軌跡をそのまま使用しているが、心臓の大きさには個人差がある。したがって単に絶対値を使用して色を決定するよりも、個人差を考え、心臓の大きさ（例えば拡張末期の体積や長さなど）で正規化して表示しても良い。これにより個人差をある程度吸収し、異なる患者間でのデータの客観的な比較が可能となる。

（４）上記実施形態においては、マルチスライス型ＣＴを通常のプログラムで撮影しているが、例えば動きの激しい心位相では細かく、緩やかな部位では粗く撮影することで解析を容易にしたり、また患者の負担を低減することができる。それを実現するためにマルチスライス型ＣＴのガントリー回転を制御し、動きの激しい位相では速く、動きの少ない位相では緩やかに回転させ、再構成時間間隔を制御しても良い。

（５）なお本実施形態ではマルチスライス型ＣＴを用いた例を示したが、本発明はモダリティに限定されることなく、例えばＭＲＩ装置やＣｏｎｅ Ｂｅａｍ ＣＴなどで再構成された画像を用いても良い。また、Ｂｉｐｌａｎｅ構成の循環器用Ｘ線装置を用いることもできる。すなわち、図６に示すようにＣｏｒｏｎａｒｙ（冠状動脈）を動画撮影し、そこからＥｐｉｐｏｌａｒ拘束条件などを用いてＣｏｒｏｎａｒｙ画像を再構成し、ＮフレームとＮ＋１フレーム間で血管同士の対応付けを行い、血管の移動速度、移動軌跡長を計算する。その後心臓モデル上のＣｏｒｏｎａｒｙと再構成したＣｏｒｏｎａｒｙとのマッチングを取り、計算した結果を心臓モデルのＣｏｒｏｎａｒｙ上に重ねて表示する。このようにしても上記実施形態と同様に、心筋の動きの定量的な評価が可能となる。

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。

本発明の一実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図。 表示部に表示されるＧＵＩ画面の一例を示す図。 心筋解析部の処理の手順を示すフローチャート。 三次元表示部により表示される心筋解析結果の一例を示す図。 三次元表示部により表示される心筋解析結果の他の例を示す図。 Ｂｉｐｌａｎｅ構成の循環器用Ｘ線装置による冠状動脈の撮影を示す図。

符号の説明

１…３次元画像処理装置、１０１…Ｘ線管球、１０２…回転フレーム、１０３…Ｘ線検出器、１０４…データ収集回路、１０５…非接触データ伝送部、１０６…投影データ発生部、１０７…回転駆動部、１０９…高電圧発生部、１１０…スキャンコントローラ、１１１…スリップリング、１１２…データ記憶部、１１４…再構成処理部、１１５…操作部、１１６…表示部、１１７…心電計、１１８…心筋解析部、１１９…三次元表示部。

Claims (14)

1. Ｘ線を発生するＸ線発生部と、
   被検体の心臓を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
   Ｘ線管球を前記Ｘ線検出器とともに前記被検体の周囲を連続的に回転する回転駆動部と、
   前記Ｘ線検出器の出力に基づいて投影データを発生する投影データ発生部と、
   前記発生された投影データに基づいて時間的に異なる複数の３次元データを再構成する再構成処理部と、
   前記３次元データの前記心臓の複数の心筋部分を追跡する追跡部と、
   前記追跡された各部分の運動に関する情報を算出する算出部と、
   前記情報を前記３次元データに基づく画像と共に表示する表示部と
   を具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記表示部は、前記情報を色、輝度および数値のうち少なくとも１つで表すことをさらに特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記情報は、各部分の速度、軌跡長および位相のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記算出部は、前記情報を前記心臓の大きさに基づいて正規化することをさらに特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. 前記再構成処理部は、前記情報に応じて前記３次元データの時間間隔を変化させることをさらに特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記回転駆動部は、前記時間間隔に応じて回転速度を変化させることをさらに特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
7. 前記表示部は、ユーザの選択に従って前記情報として算出される各部分の速度、軌跡長および位相のいずれかを前記３次元データに基づく画像と共に表示することをさらに特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
8. 前記追跡部は、前記３次元データから前記心筋の壁を抽出し、前記抽出した壁を微小領域に分割し、前記微小領域毎にフレーム間で相関演算を行うことを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
9. 被検体の心臓に関する時間的に異なる複数の３次元データを記憶する記憶手段と、
   前記３次元データの前記心臓の複数の心筋部分を追跡する追跡手段と、
   前記追跡された各部分の運動に関する情報を算出する算出手段と、
   前記情報を前記３次元データに基づく画像と共に表示する表示手段と
   を具備することを特徴とする３次元画像処理装置。
10. 前記表示手段は、前記情報を色、輝度および数値のうち少なくとも１つで表すことをさらに特徴とする請求項９記載の３次元画像処理装置。
11. 前記情報は、各部分の速度、軌跡長および位相のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項９記載の３次元画像処理装置。
12. 前記算出手段は、前記情報を前記心臓の大きさに基づいて正規化することをさらに特徴とする請求項９記載の３次元画像処理装置。
13. 前記表示手段は、ユーザの選択に従って前記情報として算出される各部分の速度、軌跡長および位相のいずれかを前記３次元データに基づく画像と共に表示することをさらに特徴とする請求項９記載の３次元画像処理装置。
14. 前記追跡手段は、前記３次元データから前記心筋の壁を抽出し、前記抽出した壁を微小領域に分割し、前記微小領域毎にフレーム間で相関演算を行うことを特徴とする請求項９記載の３次元画像処理装置。

Images