JP6068177B2 - 医用画像診断装置、医用画像処理装置及び医用画像処理方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線ＣＴ装置等の医用画像診断装置に係り、特に心臓等の周期的に変化する臓器の撮影を行い、４Ｄ画像を表示して観察することができる医用画像診断装置、医用画像処理装置及び医用画像処理方法に関する。

従来、心臓等の動きのある臓器を撮影して４Ｄ画像（動画）を表示して観察する場合、患者座標は寝台に対して固定であるため、臓器は少しずつ動いて見える。つまり、臓器が時相・位相毎に位置や向きが少しずつ変化するため、動画として連続表示する場合は、各ボリュームについて臓器の見え方が同じになるように位置や角度を調整する必要がある。

しかしながら、各ボリュームについて表示位置や角度を調整するのは面倒である。また人手による調整であるため、後日同様な表示をしたい場合に再現することが困難であるという不具合があった。

特開２０１２−５５３９２号公報 特開平３−２５１２３７号公報

発明が解決しようとする課題は、自動的に臓器の位置や向きを一致させ、臓器の同じ位置を観察できるようにした医用画像診断装置、医用画像処理装置及び医用画像処理方法を提供することにある。

実施形態に係る医用画像診断装置は、被検体を透過した放射線を検出して投影データを収集する撮影部と、前記被検体が発する周期的に変化する生体情報を検出する検出部と、前記検出部からの前記生体情報に同期して前記撮影部を制御するスキャン制御部と、前記投影データを処理して得たボリュームデータから少なくとも２つの特徴点を抽出して、前記２つの特徴点を結ぶ軸線と前記軸線を起点とする方向ベクトルを検出し、前記軸線上に設定した注目部位の基準座標と前記方向ベクトルが一致するように、時間的に連続する複数のボリュームデータの座標を変換し、それぞれのボリュームデータの前記基準座標を通る断面画像を生成する画像処理部と、前記画像処理部で処理した画像を表示する表示部と、を備える。

一実施形態に係る医用画像診断装置を示すブロック図。 一実施形態における心電波形の一例を示す説明図。 心臓の構造を概略的に示す説明図。 一実施形態における心臓画像の処理を説明するフローチャート。 一実施形態において生成した心臓の３Ｄ画像の一例を示す説明図。 一実施形態においてボリュームに設定した基準座標を示す説明図。 一実施形態において断面位置を基準座標に一致させた心臓の３Ｄ画像と断面画像と連続画像の一例を示す説明図。 断面位置を固定したときの心臓の断面画像と３Ｄ画像の連続画像の一例を示す説明図。 第２の実施形態に係る医用画像診断装置を示すブロック図。 第２の実施形態において肺を撮影したときの特徴点を示す説明図。

以下、発明を実施するための実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
図１は、一実施形態に係る医用画像診断装置を示すブロック図であり、一例としてＸ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）を示している。図１において、Ｘ線ＣＴ装置１００は、ガントリ（架台）１０を有し、このガントリ１０内には回転フレーム１１が設けられ、図示しない回転機構によって回転する。回転フレーム１１内には、Ｘ線管１２とＸ線検出器１３が対向して配置されており、回転フレーム１１の中心部分は開口しており、開口部には、寝台の天板１４に載置された被検体２００が挿入される。以下の説明では、被検体２００を患者と呼ぶ場合もある。

Ｘ線管１２からのＸ線は、被検体２００に照射され、被検体２００を透過したＸ線はＸ線検出器１３で電気信号に変換され、ＤＡＳ(data acquisition system)と呼ばれるデータ収集部１５で増幅され、デジタルデータに変換される。デジタルデータは、データ伝送部を介して投影データとして操作コンソール２０（後述）に伝送される。Ｘ線検出器１３は、多数のＸ線検出素子が被検体２００の体軸方向（スライス方向）及び体幅方向（チャンネル方向）にマトリクス状に配列されており、スライス方向に配列された検出器列毎に投影データを収集する。Ｘ線管１２、Ｘ線検出器１３及びデータ収集部１５は撮影部を構成する。

また、ガントリ１０には架台・寝台制御部１６及びスリップリング１７を設けている。天板１４は、寝台１８に設けた寝台駆動部１９によって架台１０の開口部に進退可能であり、寝台駆動部１９には架台・寝台制御部１６から駆動信号が供給される。寝台１８は架台・寝台制御部１６に対して寝台の位置情報を送る。

操作コンソール２０は、コンピュータシステムを構成する。操作コンソール２０は前処理部２１を有し、データ収集部１５からのデジタルデータがデータ伝送部を介して前処理部２１に送られる。前処理部２１では、信号強度の補正や信号欠落の補正等の処理を行い、投影データをバスライン２０１に出力する。

バスライン２０１には、システム制御部２２が接続されている。システム制御部２２には、スキャン制御部２３が接続され、またバスライン２０１を介して画像処理部２４、画像データ記憶部２５等が接続されている。スキャン制御部２３は、高電圧発生部２６、架台・寝台制御部１６に接続している。またシステム制御部２２には、操作部を有する入力部２７、及び表示部２８が接続されている。

システム制御部２２は、ホストコントローラとして機能し、操作コンソール２０の各部の動作を制御する。またスキャン制御部２３は、架台・寝台制御部１６及び高電圧発生部２６を制御し、被検体２００をスキャンする際のＸ線の照射量や曝射のタイミングを制御する。

画像処理部２４は、システム制御部２２の制御のもとに動作し、ボリュームデータから関心領域或いは関心臓器を抽出し、３Ｄ（三次元）画像データ等を再構成する。また画像処理部２４は、例えば心電同期再構成法により複数心拍にわたる心臓の投影データを収集し、各心拍位相のデータを切り出して再構成し、４Ｄ画像を生成する。画像データ記憶部２５は、断層画像等のデータを記憶する。

入力部２７はシステム制御部２２に接続され、操作者（医師、検査技師等）によって操作可能であり、データ処理する上で各種の設定を行う。また、患者の状態や検査方法等の各種情報を入力する。また操作者によって基準座標（後述）を設定する際に入力部２７を操作する。表示部２８は、画像処理部２４によって得られた画像、又は画像データ記憶部２５に記憶された画像データを表示する。

高電圧発生部２６は、スリップリング１７を介してＸ線管１２に電力を供給し、Ｘ線の曝射に必要な電力（管電圧、管電流）を与える。Ｘ線管１２は、被検体２００の体軸方向に平行なスライス方向と、それに直交するチャンネル方向の２方向に広がるビームＸ線を発生する。

またＸ線ＣＴ装置１００には、被検体２００が発する周期的に変化する生体情報を検出するために、例えば心電計（ＥＣＧ）３０を設けている。心電計３０は、被検体２００が発する生体情報（心電波形）を検出する検出部を構成する。心電計３０で検出した心電波形データは、スキャン制御部２３に供給する。心電計３０は、Ｘ線ＣＴ装置の構成要素として組み込んでもよいし、外部機器として構成してもよい。

例えば、Ｘ線ＣＴ装置における心臓検査では、図２に示すような心電波形に同期して指定した心拍位相のスキャンを行い、目的とする心拍位相での画像を再構成する。図２は、心電波形の一例を示している。心電波形は、一心拍周期の期間にＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、Ｕ波が現れ、心臓が最も動いている期間にＲ波が現れ、動きの比較的緩やかな期間にＵ波が現れる。したがって、一般的には、Ｒ波の発生期間を避け動きの比較的緩やかな期間にスキャン（心電同期スキャン）を行うようにしている。

次に、実施形態に係る医用画像診断装置における画像処理方法について説明する。以下の説明では、臓器の撮影として心臓を撮影し、４Ｄ画像を表示する例を説明する。

図３は、心臓の構造を概略的に示す説明図である。心臓は、右心房、左心房、右心室、左心室から成り、血液の逆流を防止するため４つの弁（三尖弁、肺動脈弁、僧帽弁、大動脈弁）を有している。また心臓は、上部の太く大きな血管がある部分を「心底」、下部の尖った部分を「心尖」と呼んでいる。図３での矢印は、血液の流れ方向を示している。

一実施形態では臓器の特徴点、例えば心臓では、僧帽弁と心尖を結ぶ軸線Ｙを検出するとともに、上記軸線Ｙの一点を起点として４室（右心房、左心房、右心室、左心室）を通る断面で右心室の方向を示す軸線Ｘ（方向ベクトル）を検出する。また観察したい注目部位の位置を示す基準座標を設定し、全てのボリュームについて、観察したい位置の基準座標と方向ベクトルＸが一致するように表示位置、方向を調整して表示する。

以下、図４のフローチャートを参照して画像処理の方法を説明する。図４は心臓を撮影したときの心臓画像の処理を説明するフローチャートである。

先ず、ステップＳ１では被検体２００に造影剤を注入し、次のステップＳ２において、スキャン制御部２３は架台・寝台制御部１６を制御して、心電同期スキャンを行う。心電同期スキャンでは、心電計３０からの心電波形（図２）を用いてスキャンする。

次のステップＳ３で画像処理部２４は、複数の心拍位相での画像を再構成する。ステップＳ４では、画像処理部２４は、再構成した複数の心拍位相の画像を全て取り込み、ボリュームデータを表示部２８に表示する。図５は、心臓のボリュームデータに基づく３Ｄ画像３０の一例を示す。図５では、説明を分かり易くするため、心臓を簡略化して示し、僧帽弁から心尖までの画像を模式化し、右心室３１と左心室３２の画像を示している。

次に、画像処理部２４は、ステップＳ５で、特徴点である僧帽弁の位置を検出し、ステップＳ６では、もう１つの特徴点である心尖の位置を検出する。またステップＳ７では、僧帽弁と心尖を結ぶ軸線である心軸Ｙ（図５参照）を決定し、次のステップＳ８では短軸像を作成する。短軸像は軸線Ｙに直交する方向から切断した断面の画像である。

また画像処理部２４は、ステップＳ９で短軸像をもとに右心室の方向ベクトルＸを検出する。方向ベクトルＸは、心軸Ｙの一点から４室（右心房、左心房、右心室、左心室）を通る断面で右心室の方向を示す軸線である。方向ベクトルＸは、心臓の向きを規定するものであり、ベクトルＸが示す方向が右であることを示す。

さらに画像処理部２４は、ステップＳ１０で任意断面像、例えば４室表示断面像や２室表示断面像を作成する。４室表示断面像は、心軸Ｙに直交し、４室（右心房、左心房、右心室、左心室）を横断する断面像である。２室表示断面像は、心軸Ｙと平行な方向に左心室と左心房の部分を縦方向に切断した断面図である。左心室は大動脈に血液を送り出す部分であるため、２室表示断面像は診断上重要な画像となる。４室表示断面像又は２室表示断面像の作成指示は、操作者が入力部２７を操作して行う。またステップＳ１１では、操作者の入力部２７の操作に応答して、断面位置を決めるために基準座標を設定する。例えば、梗塞がある部分、或いは梗塞がありそうな部分に基準座標を設定する。図６は、ボリュームに設定した基準座標を示す説明図である。

図６は、例えば心電同期スキャンにより得た先頭のボリュームを示し、心軸Ｙと右心室の方向ベクトルＸは、図５に対応する。例えば心臓の心軸Ｙ上に梗塞があり、僧帽弁と心尖間の距離をＬ１とし、梗塞の位置が僧帽弁から距離Ｌ１の３０％の位置にあるとき、その断面位置（α・Ｌ１）に基準座標Ｐを設定する。

比率αは、（０＜α＜１）であり、梗塞の位置が僧帽弁から距離Ｌ１の３０％の位置にあるときα＝０．３となる。特徴点である僧帽弁の位置から距離α・Ｌ１の位置（ポイントＰ）が動画表示の基準座標となる。図６では、基準座標Ｐを横切り、方向ベクトルＸと平行の断面位置をＡで示している。

また画像処理部２４は、ステップＳ５〜Ｓ９により、他の全てのボリュームデータについても同様に、特徴点（僧帽弁と心尖）をもとにそれぞれ心軸Ｙを決定し、方向ベクトルＸを検出する。

次に、ステップＳ１２において、画像処理部２４は、入力部２７からの操作者の指示に従って３Ｄ画像を時系列的に連続表示し動画を表示する。このとき、画像処理部２４は、それぞれのボリュームデータをステップＳ１１で設定した基準座標とベクトルＸが一致するように移動・回転して調整し、調整した複数のボリュームデータによる３Ｄ画像を連続して表示部２８に表示し、４Ｄ画像（動画）を表示する。

つまり、いずれか一つ（たとえば先頭）のボリュームをもとに基準座標Ｐを設定する。また他の全てのボリュームおける軸線Ｙ上の特徴点間の距離に、先に求めた比率αを適用して、全てのボリュームについて基準座標を設定し、それぞれの基準座標と方向ベクトルが一致するように全てのボリュームの座標を変換する。

図７（ａ）は、時間Ｔ１〜Ｔ５で変化する心臓の３Ｄ画像を連続的に示した図である。また図７（ｂ）は、図７（ａ）の各３Ｄ画像の基準座標Ｐに断面位置Ａを一致させ、それぞれの断面位置Ａで切断した断面画像の連続画像を示す。図７（ｂ）の断面位置Ａは、図６の断面位置Ａに対応する。

図７（ａ）に示すように、心臓は心室の収縮と拡張によって血液の循環を行うため心周期で拍動する。したがって臓器（心臓）の位置や向きが時相・位相毎に少しずつ変化する場合であっても、各ボリュームの基準座標Ｐと方向ベクトルＸを一致させることにより、図７（ｂ）の断面画像には梗塞部が常に表示されるため、診断を容易にすることができる。

図８は、心臓の３Ｄ画像において断面位置を固定したときの断面画像の連続画像の一例を示す。図８（ａ）は、時間Ｔ１〜Ｔ５で変化する心臓の３Ｄ画像を連続的に示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）の各３Ｄ画像の固定位置に断面位置Ｂを設定したときの断面画像の連続画像を示す。

図８（ｂ）に示すように、断面位置Ｂが固定されていると、臓器（心臓）の位置や向きが時相・位相毎に変化した場合に、断面画像に梗塞部が表示されないことがあり、診断に時間がかかる。

上述したように、一実施形態では、４Ｄデータのそれぞれのボリュームについて、基準座標Ｐを設定して断面画像を表示することにより、注目部位（例えば梗塞部）の画像を常に表示することができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態に係る医用画像診断装置について説明する。第２の実施形態では、呼吸同期によるスキャンを実行し、臓器（例えば肺）の撮影画像を処理するものである。

図９は、第２の実施形態のブロック図である。図９では、図１の心電計３０に代えて呼吸検出器４０を設け、患者の呼吸に合わせてスキャンを行うものである。呼吸検出器４０は、被検体２００が発する周期的に変化する生体情報（呼吸データ）を検出する検出部を構成する。他の構成については図１と同じであるため、説明は省略する。

即ち、呼吸検出器４０は被検体２００が発する呼吸データを生成し、患者が息を吸ったとき又は吐き出したタイミングを検出する。検出方法としては、例えば患者が呼吸運動をしたときの胸部の膨らみ(胸の厚さ)を測定する方法がある。或いは呼吸の流量や流速を測定してもよい。呼吸検出器４０からの呼吸データは、スキャン制御部２３に供給され、例えば胸部の検査等において、呼吸同期でスキャンを行う。

図１０は、胸部の検査のために肺を撮影するときの特徴点を示す説明図である。肺を撮影した場合、いずれか一つ（たとえば先頭）のボリュームをもとに特徴点を検出する。特徴点として、例えば肺の頂部（Ｐ１）と横隔膜の頂部（Ｐ２）を検出し、特徴点Ｐ１とＰ２を結ぶ軸線Ｙを決定する。また軸線Ｙと直交する方向の短軸像（断面画像）を作成し、肺の方向ベクトルを検出する。

そして、任意断面画像を作成し、その画像から注目部位（例えば結節Ｃが有る部分）を判別し、基準座標を設定する。例えば、特徴点Ｐ１とＰ２間の距離をＬ２としたとき、結節の位置が特徴点Ｐ１から距離Ｌ２の３０％の位置にあるとき、その断面位置（α・Ｌ２）に基準座標Ｐを設定する。つまり、特徴点Ｐ１の位置から距離α・Ｌ２の位置が動画表示の基準座標Ｐとなる。

また他の全てのボリュームにおける軸線Ｙ上の特徴点間の距離に、先に求めた比率αを適用し、全てのボリュームについて基準座標と方向ベクトルが一致するように座標を変換する。

第２の実施形態においても、断面位置を基準座標に一致させることにより、３Ｄ画像を連続的に表示したときに、臓器（肺）の大きさが患者の呼吸によって変化する場合であっても、断面画像の注目部位（結節部）が常に表示されるため、診断を容易にすることができる。

また肺以外に、呼吸などによって変化する臓器としては、例えば声帯があるが、このような臓器でも、特徴点及び軸線を求めて基準座標を設定することにより、注目部位の画像を表示することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態によれば、ボリュームの特徴点を求めて基準座標を作成し、各ボリュームの基準座標を一致させることにより、ぞれぞれの時相・位相間で臓器の同じ位置を観察することができる。したがって、診断が容易になる。また同じ画像セットはいつも同じように調整されて表示することができ、後日同様な表示をしたい場合でも、再現することが可能になる。

尚、本発明のいくつかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…医用画像診断装置（Ｘ線ＣＴ装置）
１０…ガントリ
１１…回転プレート
１２…Ｘ線管
１３…Ｘ線検出器
１４…天板
１５…データ収集部
１６…架台・寝台制御部
１８…寝台
２０…操作コンソール
２１…前処理部
２２…システム制御部
２３…スキャン制御部
２４…画像処理部
２５…画像データ記憶部
２６…高圧発生部
２７…入力部
２８…表示部
３０…心電計
４０…呼吸検出器
Ｐ…基準座標

Claims (14)

1. 被検体を透過した放射線を検出して投影データを収集する撮影部と、
   前記被検体が発する周期的に変化する生体情報を検出する検出部と、
   前記検出部からの前記生体情報に同期して前記撮影部を制御するスキャン制御部と、
   前記投影データを処理して得たボリュームデータから少なくとも２つの特徴点を抽出して、前記２つの特徴点を結ぶ軸線と前記軸線を起点とする方向ベクトルを検出し、前記軸線上に設定した注目部位の基準座標と前記方向ベクトルが一致するように、時間的に連続する複数のボリュームデータの座標を変換し、それぞれのボリュームデータの前記基準座標を通る断面画像を生成する画像処理部と、
   前記画像処理部で処理した画像を表示する表示部と、
   を備える医用画像診断装置。
2. 前記画像処理部は、前記注目部位の基準座標の設定のために前記ボリュームの任意断面像を作成し、前記表示部に表示する請求項１記載の医用画像診断装置。
3. 前記画像処理部は、前記ボリュームデータの前記軸線を横切る短軸像を作成して前記方向ベクトルを検出する請求項１記載の医用画像診断装置。
4. 前記画像処理部は、時間的に連続する複数のボリュームをもとに連続した３次元画像を作成し、前記基準座標を通る断面画像とともに前記表示部に出力して表示する請求項１記載の医用画像診断装置。
5. 前記検出部は、前記被検体の心臓の動きを検出する心電計を含み、前記スキャン制御部は、前記心電計の出力をもとに心電同期スキャンにより心臓を撮影するように制御する請求項１記載の医用画像診断装置。
6. 前記検出部は、前記被検体の呼吸状態を検出する呼吸検出器を含み、前記スキャン制御部は、前記被検体の呼吸データをもとに呼吸同期スキャンにより臓器を撮影するように制御する請求項１記載の医用画像診断装置。
7. 撮影部によって撮影した被検体の投影データを取得し、前記投影データを処理して得たボリュームデータから少なくとも２つの特徴点を抽出して、前記２つの特徴点を結ぶ軸線と前記軸線を起点とする方向ベクトルを検出し、前記軸線上に設定した注目部位の基準座標と前記方向ベクトルが一致するように、時間的に連続する複数のボリュームデータの座標を変換し、それぞれのボリュームデータの前記基準座標を通る断面画像を生成する画像処理部と、
   前記画像処理部で処理した画像を表示する表示部と、
   を備える医用画像処理装置。
8. 前記画像処理部は、前記注目部位の基準座標の設定のために前記ボリュームの任意断面像を作成し、前記表示部に表示する請求項７記載の医用画像処理装置。
9. 前記画像処理部は、前記ボリュームデータの前記軸線を横切る短軸像を作成して前記方向ベクトルを検出する請求項７記載の医用画像処理装置。
10. 前記画像処理部は、時間的に連続する複数のボリュームをもとに連続した３次元画像を作成し、前記基準座標を通る断面画像とともに前記表示部に出力して表示する請求項７記載の医用画像処理装置。
11. 撮影部によって撮影した被検体の投影データを取得し、
    前記投影データを処理して得たボリュームデータの、少なくとも２つの特徴点を抽出して、前記２つの特徴点を結ぶ軸線と前記軸線を起点とする方向ベクトルを検出し、
    前記軸線上に設定した注目部位の基準座標と前記方向ベクトルが一致するように、時間的に連続する複数のボリュームデータの座標を変換し、
    それぞれのボリュームデータの前記基準座標を通る断面画像を生成し、
    前記生成した断面画像を表示部に表示する、医用画像処理方法。
12. 前記注目部位の基準座標の設定のために前記ボリュームの任意断面像を作成し、前記表示部に表示する請求項１１記載の医用画像処理方法。
13. 前記ボリュームデータの前記軸線を横切る短軸像を作成して前記方向ベクトルを検出する請求項１１記載の医用画像処理方法。
14. 時間的に連続する複数のボリュームをもとに連続した３次元画像を作成し、前記基準座標を通る断面画像とともに前記表示部に出力して表示する請求項１１記載の医用画像処理方法。

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