JP6139116B2 - 医用画像処理装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、医用画像処理装置に関する。
周知の通り、虚血性心疾患では、冠動脈の閉塞や狭窄等により、心筋への血流が阻害され供給が不足もしくは途絶えることにより、心臓に障害が起こる。症状としては、主に前胸部、時に左腕や背中に痛み、圧迫感を生じる。
ＦＦＲ（Fractional Flow Reserve）は、冠動脈狭窄によって、心筋が虚血状態になっているかどうかを判断するための指標である。図９に示すように、プレッシャーワイヤを被検体の血管に挿入し、狭窄部の上流圧力であるＰinと、下流の圧力であるＰoutとを計測する。ＦＦＲ＝Ｐout ／Ｐinで定義される。
一般的に、ＦＦＲ値が、０．８より低い(重症)と外科治療(カテーテル手術：ＰＣＩ)が必要とされ、０．８より高い場合は薬物療法が選択されることが多い。プレッシャーワイヤを用いたＦＦＲの計測は侵襲的なので、非侵襲的な計測・計算法が望まれている。
そこで、近年、流体解析を用いたシミュレーションベースの計測法が考案されている。このシミュレーションは３次元シミュレーションである。シミュレーションベース計測の基本概念としては、造影画像から計算した血管壁の硬さや血液流入量などの物理パラメータをインプットとしＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics)で一般的に用いられるナビエストークスの式を用いて圧力を計算（計算）し、ＦＦＲを求める。
しかしシミュレーションベース計測では、少なくとも１心拍にわたる時系列のボリュームデータが必要となるため、撮像やデータ解析においても多くの手間と時間がかかってしまう。また、心臓の動きが速い心拍位相では冠動脈がぶれて写ってしまうこともあるため、かえってデータに誤差を含めてしまう可能性もある。
Journal of Cardiovascular Computed Tomography - Min et al. - 2011
目的は、時系列のボリュームデータから流体解析等を経て血流圧を計算するに際して、解析処理等に要する時間を削減することとともに拍動によるぶれを主な原因とする解析誤差を軽減することにある。
本実施形態に係る医用画像処理装置は、心臓に関する複数の心拍時相に係る複数の画像のデータを記憶する記憶部と、前記複数の画像から複数の冠動脈芯線構造を抽出する芯線抽出部と、前記心臓の１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造を発生するために、前記抽出された複数の冠動脈芯線構造から他の心拍時相に係る冠動脈芯線構造を補間する補間処理部と、前記１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造から各心拍位相間の変位分布を計算する変位分布計算部と、前記複数の画像から選択された特定時相に係る画像から冠動脈モデルを生成する冠動脈モデル生成部と、前記変位分布に基づいて前記冠動脈モデルを心拍位相毎に変形する変形処理部とを具備する。
本実施形態に係る医用画像処理装置は、心臓に関する複数の心拍時相の画像を処理する。複数の画像から複数の冠動脈芯線構造が抽出される。抽出された複数の冠動脈芯線構造から他の心拍時相に係る冠動脈芯線構造を補間することにより、心臓の１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造が発生される。１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造から各心拍位相間の変位分布が計算される。特定時相に係る画像から冠動脈モデルが生成される。冠動脈モデルは変位分布に基づいて心拍位相毎に変形される。
図１には本実施形態に係る医用画像処理装置の構成を示している。本実施形態に係る医用画像処理装置１は、ＬＡＮや公衆電子通信回線等のネットワーク４を介して心電計３を備えるＣＴ装置２に接続される。ＣＴ装置２は２次元アレイ検出器を備え、ボリュームスキャンを実現する。ボリュームスキャンにより、３次元のＣＴ画像データ（以下単にボリュームデータという）が発生される。
医用画像処理装置１はインタフェース１１を有している。医用画像処理装置１は、制御部１２の制御のもとでＣＴ装置２から供給された、処理対象画像としての当該被検体の心臓を含む胸部領域に関する複数の心拍時相にそれぞれ対応するボリュームデータを記憶する画像記憶部１３を有する。各ボリュームデータには心電計３で計測したデータ収集時の心拍位相が関連付けられている。なお、心拍位相とは１心拍期間の各位置を百分率で表現したものをいう。
冠動脈解析処理部１４は、ボリュームデータから造影剤ＣＴ値により抽出した冠動脈領域を用いて冠動脈の内壁の領域及び外壁の領域を抽出する。３次元モデル生成部１６は、冠動脈解析処理部１４で抽出された、特定の心拍位相に対応する内壁の領域及び外壁の領域から、内壁線及び外壁線の立体的構造を示す３次元冠動脈モデルを生成する。なお、特定の心拍位相は、典型的には拍動の比較的少ない拡張末期（ＥＤ）である。
芯線解析処理部１５は、画像記憶部１３に記憶されている複数の心拍時相にそれぞれ対応するボリュームデータから制御部１２の読み出し制御により選択された２つの特定の心拍位相にそれぞれ対応するボリュームデータを対象として、造影剤ＣＴ値により抽出した冠動脈領域の芯線を示す冠動脈芯線構造（ワイヤモデル）を抽出する。なお、２つの特定の心拍位相は、典型的には拍動の比較的少ない収縮末期（ＥＳ）と拡張末期（ＥＤ）とからなる。また芯線解析処理部１５は、収縮末期（ＥＳ）の冠動脈芯線構造と、拡張末期（ＥＤ）の冠動脈芯線構造とから、他の心拍位相の冠動脈芯線構造を補間処理により生成する。それにより１心拍期間にわたる複数の心拍位相にそれぞれ対応する複数の冠動脈芯線構造が生成される。さらに芯線解析処理部１５は、１心拍期間にわたる複数の心拍位相にそれぞれ対応する複数の冠動脈芯線構造から、各心拍位相間における芯線上の各点ごとに変位、つまり移動方向と移動距離とを計算し、その変位分布を作成する。
４次元モデル生成部１８は、３次元冠動脈モデルを変位分布に従って変形する。全ての心拍位相で変形処理を連鎖することにより、１心拍期間にわたる複数の心拍位相にそれぞれ対応する複数の３次元冠動脈モデルを生成する。このような時系列を構成する複数の３次元冠動脈モデルを総称して、４次元冠動脈変形モデルという。
流体解析処理部１９は、４次元冠動脈変形モデルから各心拍位相間における冠動脈の変形量（径変化、屈曲角変化、移動距離等）を冠動脈上の各位置ごとに計算し、その変形量から血管壁の硬さ及び血液流入量を位置ごと且つ心拍位相毎に計算する。また流体解析処理部１９は、血管壁の硬さ及び血液流入量の分布に対して流体解析処理を適用することにより冠動脈上の各位置ごと且つ心拍位相毎に圧力を計算する。それによりプレッシャーワイヤで実測したものに近似する圧力分布を生成することができる。
カラーマップ発生部２０は、各心拍位相ごとに圧力分布を所定のルックアップテーブルにより圧力に応じて色相の異なるカラーマップに変換する。各カラーマップは対応する心拍位相の３次元冠動脈モデルに重畳されて表示部２１に表示される。
図２には本実施形態による医用画像処理の手順を示している。冠動脈解析処理部１４により、記憶部１３に記憶されている時系列のボリュームデータ各々から造影剤のＣＴ値により冠動脈領域（造影剤領域）を抽出し、その冠動脈領域から冠動脈の内壁及び外壁を抽出する（Ｓ１）。各心拍位相の内壁及び外壁から制御部１２の読み出し制御により特定の心拍位相、典型的には拍動の少ない拡張末期の心拍位相の内壁及び外壁のデータが選択され（Ｓ３）、この拡張末期位相の内壁及び外壁のデータから３次元モデル生成部１６により拡張末期位相に対応する冠動脈血管の立体構造を示す３次元冠動脈モデル（図４左上参照）が生成される（Ｓ５）。
画像記憶部１３に記憶されている複数の心拍時相にそれぞれ対応するボリュームデータから制御部１２の読み出し制御により選択された典型的には図３に示すように拍動の比較的少ない収縮末期（ＥＳ）と拡張末期（ＥＤ）との２つの心拍位相にそれぞれ対応するボリュームデータに対して、造影剤ＣＴ値により抽出した冠動脈領域の芯線を示す冠動脈芯線構造（図４右上参照）が芯線解析処理部１５により抽出される（Ｓ２）。収縮末期（ＥＳ）の冠動脈芯線構造と拡張末期（ＥＤ）の冠動脈芯線構造とからその間の複数の心拍位相それぞれに対応する複数の冠動脈芯線構造が補間処理により芯線解析処理部１５により生成される（Ｓ４）。それにより１心拍期間にわたる複数の心拍位相にそれぞれ対応する複数の冠動脈芯線構造が生成される。次に１心拍期間にわたる複数の心拍位相にそれぞれ対応する複数の冠動脈芯線構造から、各心拍位相間における芯線上の各点ごとに変位（移動方向、移動距離）が計算される（Ｓ６）。
各心拍位相の変位分布に従って４次元モデル生成部１８により、拡張末期（ＥＤ）の３次元冠動脈モデルを基準として、そこから連鎖的に変形され（図４中央参照）、それにより４次元モデルが生成される（Ｓ７）。
この４次元冠動脈変形モデルから各心拍位相間における冠動脈の変形量（径変化、屈曲角変化、移動距離等）が冠動脈上の各位置ごとに流体解析処理部１９により計算され、その変形量から血管壁の硬さ及び血液流入量が位置ごと且つ心拍位相毎に計算される（Ｓ８）。血管壁の硬さ及び血液流入量の分布に対して流体解析処理を適用することにより流体解析処理部１９により冠動脈上の心拍位相毎に圧力分布が計算される（Ｓ９）。
これら各心拍位相ごとの圧力分布はカラーマップ発生部２０により所定のルックアップテーブルを用いて圧力に応じて色相の異なるカラーマップに変換される（Ｓ１０）。各カラーマップは対応する心拍位相の３次元冠動脈モデルに重畳されて表示部２１に表示される（Ｓ１１）。
上述の通り冠動脈の動きを解析するために重要かつ心臓があまり動かない心拍位相の芯線構造を基準として、その他の心拍位相の芯線構造を補間して、それら芯線構造から心臓があまり動かない特定位相の３次元冠動脈モデルを基準として変形することで１心拍にわたる複数の心拍位相にかかる複数の３次元冠動脈モデル、つまり４次元冠動脈変形モデルを作成することで、撮像やデータ解析にかかる時間を削減し、かつ心臓の動きが速い心拍位相を間引くことにより解析誤差が生じることを防ぐことができる。
図５に図２の変形例を示している。図５において図２の工程と同じ工程には同じ符号を付して説明は省略する。工程Ｓ１２において、画像記憶部１３に記憶されている複数の心拍時相にそれぞれ対応するボリュームデータから制御部１２の読み出し制御により選択された典型的には図６に示すように拍動の比較的少ない収縮末期（ＥＳ）と、拡張末期（ＥＤ）と、これら２つの心拍位相の中央位相（ＭＤ）とにそれぞれ対応するボリュームデータに対して、冠動脈芯線構造が芯線解析処理部１５により抽出される。
収縮末期（ＥＳ）の冠動脈芯線構造と中央位相（ＭＤ）の冠動脈芯線構造とからその間の複数の心拍位相それぞれに対応する複数の冠動脈芯線構造が補間処理により生成され、中央位相（ＭＤ）の冠動脈芯線構造と拡張末期（ＥＤ）の冠動脈芯線構造とからその間の複数の心拍位相それぞれに対応する複数の冠動脈芯線構造が補間処理により生成される（Ｓ４）。
３心拍位相の芯線構造から他の心拍位相の芯線構造を補間することで、その補間精度を向上でき、それにより４次元冠動脈変形モデルの精度、さらに流体解析処理の精度も、２心拍位相での解析よりも向上させることができる。
図７に図２の他の変形例を示している。図７において図２の工程と同じ工程には同じ符号を付して説明は省略する。工程Ｓ１４において、画像記憶部１３に記憶されている複数の心拍時相にそれぞれ対応するボリュームデータから制御部１２の読み出し制御により処理対象のボリュームデータが選択される。処理対象として選択されるボリュームデータの時間密度は不等、つまり隣接するボリュームデータの時間間隔は一定ではない。典型的には、制御部１２は、心臓の動きが早くボケが多くきれいに撮影できない期間は、低密度でボリュームデータを選択する、つまり隣接するボリュームデータの時間間隔を比較的長く設定する。逆に、心臓の動きが遅くボケが少なくきれいに撮影できる期間は、高密度でボリュームデータを選択する、つまり隣接するボリュームデータの時間間隔を比較的短く設定する。
なお、不等密度でボリュームデータを選択することは、ＣＴ装置２で心拍位相に応じてボリュームデータの収集密度を変動させ、そうして収集され記憶された全ボリュームデータを処理対象として用いることに変更することができる。
心臓の動きに応じて密度が変化するように選択されたボリュームデータから冠動脈芯線構造を抽出し（Ｓ１５）、それら冠動脈芯線構造からそれぞれの間の１又は複数の心拍位相それぞれに対応する複数の冠動脈芯線構造を補間処理により生成する（Ｓ１６）。
それにより２又は３心拍位相の芯線構造から他の心拍位相の芯線構造を補間するよりも、さらにその補間精度の向上及びモーションアーチファクトの影響を軽減でき、それにより４次元冠動脈変形モデルの精度、さらに流体解析処理の精度も、２心拍位相での解析よりもさらに向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。
１…医用画像処理装置、２…ＣＴ装置、３…心電計、４…ネットワーク、１１…インタフェース、１２…制御部、１３…画像記憶部、１４…冠動脈解析処理部、１５…芯線解析処理部、１６…３次元モデル生成部、１８…４次元モデル生成部、１９…流体解析処理部部、２０…カラーマップ発生部、２１…表示部。
Claims (9)
- 心臓に関する複数の心拍時相に係る複数の画像のデータを記憶する記憶部と、
前記複数の画像から複数の冠動脈構造を抽出する芯線抽出部と、
複数の心拍時相についての冠動脈構造を発生するために、前記抽出された複数の冠動脈構造から他の心拍時相に係る冠動脈構造を補間する補間処理部と、
複数の心拍時相についての冠動脈構造から各心拍位相間の変位分布を計算する変位分布計算部と、
前記複数の画像から選択された特定時相に係る画像から冠動脈モデルを生成する冠動脈モデル生成部と、
前記変位分布に基づいて、前記冠動脈モデルを前記特定時相とは異なる時相の冠動脈モデルに変形する変形処理部とを具備することを特徴とする医用画像処理装置。 - 心臓に関する複数の心拍時相に係る複数の画像のデータを記憶する記憶部と、
前記複数の画像から複数の冠動脈芯線構造を抽出する芯線抽出部と、
前記心臓の１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造を発生するために、前記抽出された複数の冠動脈芯線構造から他の心拍時相に係る冠動脈芯線構造を補間する補間処理部と、
前記１心拍にわたる複数の冠動脈芯線構造から各心拍位相間の変位分布を計算する変位分布計算部と、
前記複数の画像から選択された特定時相に係る画像から冠動脈モデルを生成する冠動脈モデル生成部と、
前記変位分布に基づいて前記冠動脈モデルを心拍位相毎に変形する変形処理部とを具備することを特徴とする医用画像処理装置。 - 前記心臓の収縮末期位相の画像から抽出した冠動脈構造と、拡張末期位相の画像から抽出した冠動脈構造とから、前記他の心拍時相に係る冠動脈構造が補間されることを特徴とする請求項１記載の医用画像処理装置。
- 前記心臓の収縮末期位相の画像から抽出した冠動脈構造と、拡張末期位相の画像から抽出した冠動脈構造と、前記収縮末期位相と前記拡張末期位相との中間期の心拍位相の画像から抽出した冠動脈構造とから、前記他の心拍時相に係る冠動脈構造が補間されることを特徴とする請求項１記載の医用画像処理装置。
- 前記複数の画像に関する時間密度は不等であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の医用画像処理装置。
- 前記冠動脈モデルは、拡張期の心拍位相に係る画像から生成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の医用画像処理装置。
- 前記画像は前記心臓を含む部位に関するボリュームデータであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載の医用画像処理装置。
- 前記変形された冠動脈モデルの時間変化から１心拍にかかる冠動脈の血管壁の硬さと血液流入量を計算する計算部を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項記載の医用画像処理装置。
- 前記計算された血管壁の硬さと血液流入量とから圧力分布を生成する圧力分布生成部を更に備えることを特徴とする請求項８記載の医用画像処理装置。
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