JP5523785B2 - ３次元画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療器具に関する３次元画像のデータを処理する３次元画像処理装置に関する。

心臓血管内インターベンション中に、ステントなど局所領域を３次元再構成して表示する技術がある。医師はこの３次元画像を観察しながら、これから進めていく手技の戦略を練る。例えば分岐部にステントを留置する場合は、本管にステントを配置後、分岐血管にガイドワイヤを挿入し、ステントストラットを拡張する。これにより分岐部への血液が抵抗なく流れるようにする。既存のＭＩＰ（Maximum Intensity Projection）、ＭＰＲ（Multi Plane Reconstruction）、ＶＲ（Volume Rendering）、スライス等の３次元画像表示方法では、上記のようなステントストラットの広がり具合を観察しづらく、例えば動画で回転させながら表示するなどの工夫が必要である。

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２００５−２８８１６４号公報

上述したように、従来の３次元画像表示方法では、ステントストラットの広がり具合を観察しづらく、動画で回転させながら表示するなどの工夫が必要であり、施術中に手間がかかるという問題がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、被検体に留置した医療器具の形状等を容易に把握することができる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３次元画像処理装置は、以下のような手段を講じている。

本発明の第１の態様は、被検体に留置する医療器具の３次元領域の画像のデータを記憶する記憶部と、前記画像のデータに基づいて、前記医療器具の軸に直交する複数の断面画像上で前記軸側から広がる複数の放射線に沿った画素値の分布をもとに前記医療器具の像に対応する画素を抽出する抽出部と、前記抽出された画素を、前記軸方向と前記放射線の角度方向とに対応付けた平面領域に分布させ、前記医療器具を展開した画像のデータを生成する生成部とを具備する３次元画像処理装置を提供する。

第２の態様は、被検体に留置する医療器具の３次元領域の画像のデータを記憶する記憶部と、前記画像のデータに基づいて、前記医療器具の軸に直交する複数の断面画像上で前記軸側から広がる複数の放射線に沿った画素値の分布をもとに前記医療器具の像に対応する画素を抽出する抽出部と、前記軸から前記画素が抽出された位置までの距離を検出する検出部と、前記検出された距離に応じた画素値を有する画素を、前記軸方向と前記放射線の角度方向とに対応付けた平面領域に分布させ、前記医療器具を展開した画像のデータを生成する生成部とを具備する３次元画像処理装置を提供する。

第３の態様は、上記第１又は２の態様において、前記抽出部は、前記放射線上で最大又は最小の画像値を有する画素を抽出する。

第４の態様は、上記第１又は２の態様において、前記抽出部は、前記断面画像上で前記軸から一定範囲を前記画素の抽出範囲から除外する。

第５の態様は、上記第１又は２の態様において、前記生成部は、前記被検体の心臓中心部の反対側から前記医療器具を切り開いた画像のデータを生成する。

第６の態様は、上記第１又は２の態様において、前記生成された画像を、前記医療器具の３次元領域の画像と共に表示する表示部をさらに具備する。

第７の態様は、上記第２の態様において、前記生成部は、前記画素値をカラー化して前記平面領域に分布させる。

第８の態様は、上記第２の態様において、前記生成された画像上の各画素に対応する前記距離に関する情報を表示する表示部をさらに具備する。

第９の態様は、上記第２の態様において、前記距離が基準値から外れている場合に、前記基準値との差を表示する表示部をさらに具備する。

第１０の態様は、上記第２の態様において、前記生成された画像上の空隙部分の面積に関する情報を表示する表示部をさらに具備する。

第１１の態様は、上記第２の態様において、前記生成された画像上の前記医療器具の像の空隙部分の面積が統計値と比較して異常である場合に警告表示する表示部をさらに具備する。

以上本発明によれば、被検体に留置した医療器具の形状等を容易に把握することができる３次元画像処理装置を提供することができる。

本発明に係る３次元画像処理装置を備えたＸ線撮影装置の一実施形態を示す図。 ステントの展開画像を示す図。 実施例１の動作を示す図。 実施例１の画像処理手順を示すフローチャート。 実施例２の動作を示す図。 実施例２の画像処理手順を示すフローチャート。 ステント形状に関する指標の表示例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る３次元画像処理装置について説明する。なお、以下の実施形態では、３次元画像処理装置はＸ線撮影装置に組み込まれるものとして説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る３次元画像処理装置を装備したＸ線撮影装置の構成図である。Ｘ線撮影装置は、Ｃアーム５を有する。Ｃアーム５は、床置き又は天井吊りの支持機構（図示せず）により、直交３軸に関して回転自在に支持される。Ｃアーム５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５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アーム回転機構６は、システム制御部９の制御に従って、Ｃアーム５を回転するためにその駆動源に電力を供給する。Ｃアーム５が回転しながら撮影を繰り返すことで、３次元画像の再構成に必要な多方向のＸ線画像（投影画像）を取得することができる。

Ｃアーム５の回転、Ｘ線管２１への高電圧の印加、及びＸ線検出器２の信号読み出しがシステム制御部９により制御され、画像収集回路１０により撮影方向の異なる複数の投影画像のデータが収集される。また、本Ｘ線撮影装置では、被検体Ｐを計測して心電図を発生するために心電計１０が装備される。画像データ記憶部１１は、上記画像収集回路１０で収集された複数の投影画像のデータを、上記撮影方向のデータに関連付けて記憶する。

再構成処理部１２は、画像データ記憶部１１に記憶された撮影方向が異なる複数の投影画像をもとにボリュームデータを再構成する。本実施形態では、血管内インタベーションにおいて対象部位に留置されたステントに関する連続位置の複数のスライス画像のデータが画像データ記憶部１１に記憶される。

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。モニタ７は、ＣＲＴ（cathode-ray tube）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等で構成される。

さらに、本実施形態では、ステントストラットの広がり具合を観察し易くするために、画像生成部１３及び表示処理部１４を設ける。画像生成部１３は、図２に示すように、画像データ記憶部１１に記憶されたボリュームデータをもとに筒状のステントを平面状に展開した展開画像のデータを生成する。表示処理部１４は、画像生成部１３により生成されたステントの展開画像をモニタ７に表示する。

以下、画像生成部１３及び表示処理部１４の具体的な処理内容を各実施例にしたがって説明する。
（実施例１）
実施例１では、各スライス画像上でのステント像の中心からの放射線上での最大画素値をもとにステントを展開した画像のデータを作成する手法を説明する。
図３は、実施例１の動作を説明するための図である。図４は、実施例１における画像処理手順を示すフローチャートである。

図４において、画像生成部１３は、各スライス画像上でのステント像の中心を取得する（ステップＳ１ａ）。ステント像の中心は、例えば、ステントの３次元画像においてステント中心にガイドワイヤが通っている場合には、ガイドワイヤを軸とすることで求めることができる。その他にも、ステントを拡張させるためのバルーンの両側にＸ線不透過のマーカーがあるので、そのマーカーを結ぶ直線を軸としても、ステントの中心を求めることができる。また、画像処理アルゴリズムを用いて各スライス画像上でのステント像の中心を求めるようにしてもよい。

次に、画像生成部１３は、ステント像の中心から複数の放射線を仮想し、各放射線上において中心から所定距離内での輝度の最大値（黒反転している画像の場合は最小値）を抽出する（ステップＳ２ａ）。各放射線における最大輝度値の抽出範囲は、想定されるステント半径の２倍程度とする。例えば、心臓に用いられるステント直径は２〜５ミリであるので、抽出範囲は５ミリとする。この範囲は、任意に変更可能とする。

そして、画像生成部１３は、上記抽出した最大輝度値を、縦方向をスライス番号、横方向を各放射線の角度に対応付けた領域に分布させた画像のデータを生成する（ステップＳ３ａ）。このように生成されたステントの展開画像の一例を図３右下に示す。図３に示すように、上記抽出処理を全周囲３６０度にわたって１度ずつ行い、横方向に放射線の角度ごとに得られた最大輝度値を並べると、図３右上のような横３６０ピクセル×縦１ピクセルの１ライン分の画像が生成される。画像生成部１３は、この処理を３次元画像において、ステントの軸に直交する全てのスライスについて行う。このスライス毎の１ラインずつの画像を縦方向にスライス番号の順に積み重ねると、図３右下に示すように、抽出した最大輝度値を横方向に０〜３６０度、縦方向にスライス順に並べたステントの展開画像のデータが生成される。

表示処理部１４は、上記生成されたステントの展開画像をモニタ７の画面に表示する。例えば、図３下段に示すように、上記３次元画像のＭＩＰ画像と上記生成された展開画像とが並べて表示される。また、ユーザが操作部８により、展開画像上にマウスポインタを置くと、ＭＩＰ画像の対応する位置にマークが表示される。

以上述べたように、実施例１の画像生成部１３は、ステントの軸に直交する複数のスライス画像上で軸側から広がる複数の放射線に沿った画素値の分布をもとにステントの像に対応する画素を抽出し、抽出された画素を、軸方向と放射線の角度方向とに対応付けた平面領域に分布させた画像を生成する。すなわち、上記実施例１によれば、ステントの３次元画像をもとにステントを平面状に展開した展開画像を表示することが可能となる。このようにすることで、医師は、ステントの形状を詳細に観察できるようになり、従来の３次元表示では分かりにくかったステントストラットの広がり具合を容易に視認できるようになる。

なお、上記実施例１では、放射線の角度間隔を１度として説明したが、１０度間隔でも、０．１度間隔でも任意の値に設定できる。また、輝度の最大値を抽出するようにしたが、ノイズを避けるため、輝度の最大値を１００％とした場合に９０％程度の輝度を持つ画素を抽出するようにしてもよい。つまり、放射線に沿った画素値の分布をもとにステントの像に対応する画素を抽出する。また、ステント中心にガイドワイヤが通っている場合は、そのガイドワイヤの部分の画素は最大値の抽出範囲に含めないように、軸から一定範囲を除外する。具体的には、例えば、ステントの中心から０．５ミリは計算対象外とする。

また、上記生成された展開画像において横方向を角度としたが、縦方向と横方向とが逆であっても良いし、斜めにすることもできる。また、展開画像の縦横方向のスケールは任意でよい。展開画像の両端（切り口）は、どの方向でも可能であるが、心臓中心から最も遠い方向（心臓中心部と反対側）から切り開くようにするのが望ましい。このようにすることで、心臓表面で分岐する血管が切り口にくることを避けることができ、さらに視認性に優れる。上記実施例１では、ステントが１個の場合について説明したが、ステントが直列に２個連なっている場合にも使われる。この場合、軸方向の計算範囲はユーザが指定できるようにすると良い。

（実施例２）
実施例２では、上記実施例１と同様に最大画素値を抽出し、ステント像の中心から最大画素値の抽出位置までの距離に応じた画素値をもとにステントを展開した画像のデータを作成する手法を説明する。
図５は、実施例２の動作を説明するための図である。図６は、実施例２における画像処理手順を示すフローチャートである。

図６において、上記実施例１と同様に、画像生成部１３は、各スライス画像上でのステント像の中心を取得する（ステップＳ１ｂ）。画像生成部１３は、上記取得したステント像の中心から複数の放射線を仮想し、各放射線上において中心から所定距離内での輝度の最大値（又は最小値）を抽出する（ステップＳ２ｂ）。

次に、画像生成部１３は、ステント像の中心から輝度の最大値の抽出位置までの距離を求める（ステップＳ３ｂ）。そして、画像生成部１３は、この距離に応じた輝度値を、縦方向をスライス番号、横方向を放射線の角度に対応付けた領域に分布させた画像のデータを生成する（ステップＳ４ｂ）。

すなわち、実施例２の画像生成部１３は、ステントの軸に直交する複数のスライス画像上で軸側からの複数の放射線に沿った画素値の分布をもとにステントの像に対応する画素を抽出し、上記軸から画素の抽出位置までの距離に応じた画素値を有する画素を、軸方向と放射線の角度方向とに対応付けた平面領域に分布させた画像を生成する。

このように生成されたステントの展開画像は、図５に示すように、ステントストラットが中心に近いところにあれば距離が短くなるので黒くなり、中心から離れるにつれて白っぽくなり、ストラットが無い空隙部分では距離が遠く隔たるので真っ白になる。医師は白黒のグラディエントに注目することで、ステントストラットの広がり具合を詳細に観察することができる。

なお、上記生成される展開画像の白黒は逆にすることもできる。すなわち中心からストラットまでの距離が近いほど白くしてもよい。また、白黒を擬似カラーにして、カラー表示してもよい。カラーにする場合は、例えば差異が０．２ｍｍ以内であれば色はつけず、それ以上は色をつけるようにしてもよい。

また、表示処理部１４は、オペレータがモニタ７に表示された展開画像上でマウスポインタをストラット上に置くと、距離を数値で表示する。例えば「１．８ｍｍ」のように表示され、これはステント中心軸からストラットまでの半径に相当する。また、オペレータが基準値を入力すると、基準値との差を画像として表示する。例えばステント拡張目標半径を「１．５ｍｍ」と入力すると、例えばある箇所での距離が１．８ｍｍであった場合は、その差異の０．３ｍｍを画像上に表示する。あるいは、基準値より短い場合は赤系統の色で、遠い場合は青系統の色で表示する。これにより、拡張目標値との差を視認しやすくなり、拡張不足が容易に判別可能となる。

また、図７に示すように、ステント中心からストラットまでの距離の異常値は、ステントのすべてのスライスにおける距離の分布を計算し、その平均μと分散σを計算し、例えばある箇所が２σ以上であったら、その箇所を異常と判定してもよい。

また、表示処理部１４は、オペレータがモニタ７に表示されたステントの展開画像上でマウスポインタを移動させると、各ストラットのメッシュの隙間（空隙部分）ごとの面積を表示する。これはストラットの開口面積に相当するので、例えば血管分岐部においてとても有用である。さらに、ストラットの開口面積が異常であれば、警告としてその部分をカラーで表示する。異常かどうかは、ステントの展開画像の全体で平均面積と分散を計算し、その箇所が異常に狭かったり、広かったりする場合に警告表示する。

上記実施例１及び実施例２で生成されるステントの展開画像は、ある１つのボリュームデータについて１画像作成できる。よって、ステントを動画で表示する必要がなくなり、静止画でステント全体を観察できる。また、２本のステントを直列に並べる時の重なり具合なども確認しやすくなる。さらに、石灰化部分がわかりやすくなる可能性がある。また、生成された展開画像を印刷してカルテに貼り付けるなど、レポートとして利用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い。例えば、上記実施形態は、１本のステントの他、２本のステントを直列にする場合、分岐部にステントを配置する場合、などにも用いることができる。また、上記実施形態は、特にステントにおいて有用であるが、バルーン等の他の医療デバイスにも、もちろん適用可能である。

また、上記実施形態においては、上記実施形態は、循環器用Ｘ線画像を説明に用いたが、Ｘ線画像に限らず、ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、超音波画像など他のシステムで収集された医用画像への拡張も可能である。

上記実施形態では、本発明に係る３次元画像処理装置は、Ｘ線撮影装置と一体化した構成として説明したが、画像データ記憶部、画像生成部、表示処理部及びモニタを備えた３次元画像処理装置として、別個に独立した構成とすることもできる。

また、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。

要するに、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。例えば、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。

１…Ｘ線管、２…Ｘ線検出器、３…天板、４…Ｘ線制御部、５…Ｃアーム、６…Ｃアーム回転機構、７…モニタ、８…操作部、９…システム制御部、１０…画像収集回路、１１…画像データ記憶部、１２…再構成処理部、１３…画像生成部、１４…表示処理部。

Claims (10)

1. 被検体に留置する医療器具の３次元領域の画像のデータを記憶する記憶部と、
   前記画像のデータに基づいて、前記医療器具の軸に直交する複数の断面画像上で前記軸側から広がる複数の放射線に沿った画素値の分布をもとに前記医療器具の像に対応する画素を抽出する抽出部と、
   前記軸から前記画素が抽出された位置までの距離を検出する検出部と、
   前記検出された距離に応じた画素値を有する画素を、前記軸方向と前記放射線の角度方向とに対応付けた平面領域に分布させ、前記医療器具を展開した画像のデータを生成する生成部と
   を具備することを特徴とする３次元画像処理装置。
2. 前記抽出部は、前記放射線上で最大又は最小の画像値を有する画素を抽出することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
3. 前記抽出部は、前記断面画像上で前記軸から一定範囲を前記画素の抽出範囲から除外することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
4. 前記生成部は、前記被検体の心臓中心部の反対側から前記医療器具を切り開いた画像のデータを生成することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
5. 前記生成された画像を、前記医療器具の３次元領域の画像と共に表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
6. 前記生成部は、前記画素値をカラー化して前記平面領域に分布させることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
7. 前記生成された画像上の各画素に対応する前記距離に関する情報を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
8. 前記距離が基準値から外れている場合に、前記基準値との差を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
9. 前記生成された画像上の空隙部分の面積に関する情報を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。
10. 前記生成された画像上の前記医療器具の像の空隙部分の面積が統計値と比較して異常である場合に警告表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の３次元画像処理装置。

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