JP6289124B2 - 超音波診断装置、医用画像処理装置および医用画像処理プログラム - Google Patents

Description

本実施形態は、超音波診断装置、医用画像処理装置、および医用画像処理プログラムに関する。

図１に示すように、従来の超音波イメージングシステムは、処理ユニット１と、ディスプレイユニット２と、ケーブル３と、超音波変換器ユニットまたはプローブ４とを有する。プローブまたは変換器４は、ケーブル３を介して処理ユニット１に接続される。処理ユニット１は、一般に、患者の対象領域に向かって超音波パルスを送信し、患者から反響された超音波エコーを受信するように変換器ユニット４を制御する。処理ユニット１は、それと同時に、関心領域の画像をディスプレイユニット２上に表示するためのさらなる処理のために、反響された超音波信号を実時間で変換器ユニット４から受信する。

診断イメージングは、複数の用途のための、特に超音波分析における血液灌流の評価を含む。灌流評価は、患者に超音波造影剤を投与した後に得られる一連の超音波造影画像の分析に基づく。１つの例示的な超音波造影剤は、気泡が液体キャリア中にある懸濁剤であり、ガス充填微小胞と称される。別の種類の超音波造影剤は、ポリマーまたは他の固体の多孔性微小粒子の懸濁剤であり、微小粒子の孔内に補足された気泡を担持する。一般的には、造影剤は、エコーパワー信号を生じさせる超音波の効率的な超音波反響体として働く。造影剤は、患者の体内では血液と実質的に同じ速さで流れるため、その追跡により、対象領域内の血液のかん流についての時間情報が提供される。

通常実施されるフラッシュ・リプレニッシュイメージング手法では、臓器は、微小気泡などの造影剤を用いて一定の速さでかん流される。微小気泡が臓器の組織内に充分充満すると、画像平面内において高い音響エネルギーを持つ超音波が、臓器に対して放射され、臓器内に充満した造影剤が崩壊される。血液灌流についての定量的な情報は、臓器内に造影剤が無い状態（もしくは造影剤が破壊された状態）から関心領域（ＲＯＩ）内に微小気泡が補充されるまでのエコーパワー信号の時間的推移を測定することによって導出される。上記の測定技術は、造影剤の一定かつ連続的な供給を必要とする。連続的な投与は、特有のプッシュシリンジポンプを必要とし、それによって医用コントラスト検査においてさらなる複雑さを招いている。加えて、２本以上のバイアルの造影剤が必要になり得るため、コストが増大する可能性がある。最後に、潜在的な生物学的影響が、高い音響エネルギーレベルと微小粒子を組み合わせて使用することから生じることがある。

別の灌流技術は、通常は２秒から２０秒の範囲内の短時間にわたって与えられる造影剤の単回投与であるボーラス投与である。フラッシュ・リプレニッシュイメージング手法と比較して、ボーラス技術は、制御がより簡単で、コストもそれほどかからない。ボーラス投与におけるボーラス静脈投与後、所与の臓器内への造影剤の取り込みは、経時的に増大して（流入段階）最大値に達し、次いで除々に低減する（流出段階）。一般に、造影剤の取り込み動態は、細胞の状態などにより種々に変化するため、当技術分野で知られている現在の数学的モデル化技術は、かん流プロセスを厳密に表すのに必ずしも適するものではない。

対象の１つの特定領域（ＲＯＩ）に焦点をあてると、特定の数学的モデルが、灌流プロセスを厳密に表すのに適し得る。他方では、血流は、ＲＯＩに対する血流の方向において、包括的または識別不能なものである。従来は、ＲＯＩの造影剤量の総和について、時間的推移を解析して診断を行っていた。しかし、この手法では単にＲＯＩ内の造影剤量の総和が評価できるだけであって、３次元的な血流方向による影響を考慮することができない。

上記の理由のため、特定のＲＯＩ内のかん流プロセスを厳密に表すためにかん流プロセスの評価を改善することが依然として望ましい。

特表２００６−５２７０４１号公報

目的は、時間強度曲線に基づいて、対象領域における灌流応答特性を決定可能な超音波診断装置、医用画像処理装置、医用画像処理プログラムを提供することにある。

本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波振動子を介して、造影剤が投与された被検体との間で超音波を送受信する送受信部と、前記送受信部からの出力に基づいて、時系列に沿った一連のボリュームデータを発生するボリュームデータ発生部と、前記ボリュームデータに基づいて、前記ボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間強度曲線を決定する曲線決定部と、前記ボリュームデータにおいて、灌流応答特性の解析対象となる対象ボクセルと、前記対象ボクセルとは異なる位置にある通過関連ボクセルとを設定する設定部と、前記通過関連ボクセルと前記対象ボクセルそれぞれにおける前記時間強度曲線に基づいて、前記対象ボクセルにおける前記灌流応答特性を決定する応答特性決定部と、を具備し、前記通過関連ボクセルは、前記対象ボクセルとは異なる位置にある複数のボクセルであり、前記応答特性決定部は、前記通過関連ボクセルのうち所定のボクセルに関する前記時間強度曲線による前記灌流応答特性への影響を排除して、前記灌流応答特性を決定することを特徴とする。

図１は、１つの例示的な従来技術の超音波イメージングシステムを示す図である。 図２は、本実施形態に係る超音波診断装置の構成の概略を示す概略図である。 図３は、本実施形態に係り、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、陽電子放出コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ）および磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含むモダリティにおける灌流定量化のシステム同定手法を示す図である。 図４は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の単一の血流方向を示す図である。 図５は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の単一の血流方向における所定の造影剤の時間強度曲線を示すグラフである。 図６は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の２つの血流方向を示す図である。 図７は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の２つの血流方向における所定の造影剤の時間強度曲線を示すグラフである。 図８は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の６つの血流方向を示す図である。 図９は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する所定の６つの血流方向における所定の造影剤の時間強度曲線を示すグラフである。 図１０は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する３Ｄ流入ベクトルを示す図である。 図１１は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する３Ｄ流入および流出ベクトルを示す図である。 図１２は、本実施形態に係り、対象のボクセルに対する流入および流出ベクトルに基づく３Ｄ曲線ベクトルの計算を示す図である。 図１３は、本実施形態に係り、組織灌流応答を定量化するプロセスに含まれる例示的なステップを示すフローチャートである。

本超音波イメージングシステムの実施形態は、プローブまたは変換器ユニットと、処理ユニットと、プローブを処理ユニットに接続する任意のケーブルとを含む。通常、プローブの実施形態は、従来の超音波プローブの構造、構成要素、および要素の少なくとも一部を含む。すなわち、プローブの１つの実施形態は、超音波パルスを発生させ、これらを患者の特定領域に向かって送信する。この実施形態はまた、患者から反響された超音波エコーを受信する。プローブの多くの実施形態は、通常携帯デバイスであるが、一部は携帯デバイスではない。

本超音波診断装置の例示的な実施形態が、添付の図を参照して詳細に以下で説明される。次に図２を参照すると、概略図は、本超音波診断装置の実施形態を示している。本実施形態（超音波診断装置）は、超音波プローブ１００と、モニタ１２０と、タッチ入力デバイス１３０と、装置本体１０００とを含む。超音波プローブ１００の１つの実施形態は、圧電振動子などの複数の変換素子をさらに有する。これらの素子は、装置本体１０００内に収容された送信部１１１から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生させる。

超音波が、超音波プローブ１００内の圧電振動子などの複数の変換素子から被検体Ｐｔに送信されるとき、送信された超音波は、被検体Ｐｔの体内組織内の音響インピーダンスの不連続面によって連続して反響され、これはまた、超音波プローブ１００の圧電振動子によって、反響したエコー信号として受信される。受信された、反響した波信号の大きさは、超音波を反響させる不連続面の音響インピーダンスにおける差違によって左右される。たとえば、送信された超音波パルスが、移動する血流または心臓壁の表面によって反響されたとき、反響したエコー信号は、周波数シフトの影響を受ける。すなわち、ドップラー効果により、反響したエコー信号の周波数は、移動する対象物の超音波送信方向の速度成分に依存する。

装置本体１０００は、最終的には、超音波画像を表す信号を発生させる。装置本体１０００は、超音波をプローブ１００から患者の対象領域に向かって送信すると共に、反響したエコーを超音波プローブ１００において受信することを制御する。装置本体１０００は、送信部１１１と、受信部１１２と、Ｂモード処理部１１３と、ドプラ処理部１１４と、処理部１１５と、画像メモリ１１６と、制御部１１７と、内部記憶部１１８とを含み、これらすべては、内部バスを介して接続される。

送信部１１１は、制御部１１７による制御のもとで、超音波プローブ１００における複数の圧電振動子各々に駆動信号を供給する。受信部１１２は、各圧電振動子によって発生されたエコー信号に基づいて、受信信号を発生する。送信部１１１と受信部１１２とまとめて送受信部と呼ぶ。送受信部は、圧電振動子（超音波振動子）を介して、造影剤が投与された被検体との間で超音波を送受信する。

具体的には、送受信部は、図示していないパルス発生器と、送信遅延回路と、パルサ回路と、プリアンプと、アナログディジタル（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ（以下、Ａ／Ｄと呼ぶ））変換器と、受信遅延回路と、加算器とを有する。

パルス発生器は、所定のレート周波数ｆｒＨｚ（周期：１／ｆｒ秒）で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。発生されたレートパルスは、チャンネル数に分配され、送信遅延回路に送られる。

送信遅延回路は、複数のチャンネルごとに、送信超音波をビーム状に収束し、かつ送信指向性を決定するために必要な遅延時間（以下、送信遅延時間と呼ぶ）を、各レートパルスに与える。送信超音波の送信方向または送信遅延時間（以下、送信遅延パターンと呼ぶ）は、内部記憶部１１８に記憶される。内部記憶部１１８に記憶された送信遅延パターンは、制御部１１７により超音波の送信時に参照される。

パルサ回路は、このレートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１００の圧電振動子ごとに電圧パルス（駆動信号）を印加する。これにより、超音波ビームが被検体に送信される。

プリアンプは、超音波プローブ１００を介して取り込まれた被検体Ｐからのエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換する。

受信遅延回路は、ディジタル信号に変換されたエコー信号に、受信指向性を決定するために必要な遅延時間（以下、受信遅延時間と呼ぶ）を与える。エコー信号の受信方向または受信遅延時間（以下、受信遅延パターンと呼ぶ）は、内部記憶部１１８に記憶される。内部記憶部１１８に記憶された受信遅延パターンは、制御部１１７により超音波の受信時に参照される。

加算器は、遅延時間が与えられた複数のエコー信号を加算する。この加算により、送受信部は、受信指向性に応じた方向からの反射成分を強調した受信信号（ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号ともいう）を発生する。この送信指向性と受信指向性とにより超音波送受信の総合的な指向性が決定される。この総合的な指向性により、超音波ビーム（いわゆる「超音波走査線」）が決まる。

Ｂモード処理部１１３は、送受信部における受信部１１２から出力された受信信号に基づいて、Ｂモードデータを発生する。具体的には、Ｂモード処理部１１３は、図示していない包絡線検波器、対数変換器などを有する。包絡線検波器は、送受信部から出力された受信信号に対して包絡線検波を実行する。包絡線検波器は、包絡線検波された信号を、後述する対数変換器に出力する。対数変換器は、包絡線検波された信号に対して対数変換して弱い信号を相対的に強調する。Ｂモード処理部１１３は、対数変換器により強調された信号に基づいて、各走査線における深さごとの信号値（Ｂモードデータ）を発生する。Ｂモード処理部１１３は、Ｂモードデータに基づいて、Ｂモードに関するボリュームデータ（以下、Ｂモードボリュームデータと呼ぶ）を発生する。

ドプラ処理部１１４は、送受信部における受信部１１２から出力された受信信号に基づいて、ドプラデータを発生する。具体的には、ドプラ処理部１１４は、図示していないミキサー、低域通過フィルタ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：以下ＬＰＦと呼ぶ）、速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイス等を有する。ミキサーは、送受信部から出力された受信信号に、送信周波数と同じ周波数ｆ０を有する基準信号を掛け合わせる。この掛け合わせにより、ドプラ偏移周波数ｆｄの成分の信号と（２ｆ０＋ｆｄ）の周波数成分を有する信号とが得られる。ＬＰＦは、ミキサーからの２種の周波数成分を有する信号のうち、高い周波数成分（２ｆ０＋ｆｄ）の信号を取り除く。ドプラ処理部は、高い周波数成分（２ｆ０＋ｆｄ）の信号を取り除くことにより、ドプラ偏移周波数ｆｄの成分を有するドプラ信号を発生する。

なお、ドプラ処理部１１４は、ドプラ信号を発生するために、直交検波方式を用いてもよい。このとき、受信信号（ＲＦ信号）は、直交検波されＩＱ信号に変換される。ドプラ処理部１１４は、ＩＱ信号を複素フーリエ変換することにより、ドプラ偏移周波数ｆｄの成分を有するドプラ信号を発生する。ドプラ信号は、例えば、血流、組織、造影剤によるドプラ成分である。

速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイスは、図示していないＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）フィルタ、ＬＰＦフィルタ、自己相関演算器等を有する。なお、自己相関演算器の代わりに相互相関演算器を有していてもよい。ＭＴＩフィルタは、発生されたドプラ信号に対して、臓器の呼吸性移動や拍動性移動などに起因するドプラ成分（クラッタ成分）を除去する。ＭＴＩフィルタは、ドプラ信号から血流に関するドプラ成分（以下、血流ドプラ成分と呼ぶ）を抽出するために用いられる。ＬＰＦは、ドプラ信号から組織の移動に関するドプラ成分（以下、組織ドプラ成分と呼ぶ）を抽出するために用いられる。

自己相関演算器は、血流ドプラ成分及び組織ドプラ成分に対して自己相関値を算出する。自己相関演算器は、算出された自己相関値に基づいて、血流および組織の平均速度値、分散値、ドプラ信号の反射強度（パワー）等を算出する。速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイスは、複数のドプラ信号に基づく血流および組織の平均速度値、分散値、ドプラ信号の反射強度等に基づいて、被走査領域の各位置におけるカラードプラデータを発生する。以下、ドプラ信号とカラードプラデータとをまとめて、ドプラデータと呼ぶ。

ドプラ処理部１１４は、ドプラデータに基づいて、ドプラモードに関するボリュームデータ（以下、ドプラボリュームデータと呼ぶ）を発生する。以下、Ｂモードボリュームデータとドプラボリュームデータとをまとめて、ボリュームデータと呼ぶ。

また、Ｂモード処理部１１３とドプラ処理部１１４とをまとめてボリュームデータ発生部と呼ぶ。ボリュームデータ発生部は、送受信部における受信部１１２からの出力に基づいて、時系列に沿った一連のボリュームデータを発生する。

具体的には、ボリュームデータ発生部は、被走査領域におけるアジマス（Ａｚｉｍｕｔｈ）方向、エレベーション（Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向、深さ方向（以下、レンジ（Ｒａｎｇｅ）方向と呼ぶ）にそれぞれ対応付けて配列された複数の信号値（Ｂモードデータ、ドプラデータ）に基づいて、ボリュームデータを発生する。レンジ方向とは、走査線上の深さ方向である。アジマス方向とは例えば、１次元超音波振動子の配列方向に沿った電子走査方向である。エレベーション方向とは、１次元超音波振動子の機械的揺動方向である。Ｂモードボリュームデータは、複数の画素値または複数の輝度値などを、走査線に沿って、アジマス方向、エレベーション方向、レンジ方向にそれぞれ対応付けて配列させたデータであってもよい。

図２を参照すれば、組織灌流応答（灌流応答特性）を求めるためのシステム１１００は、１つの実施形態の装置本体１０００に加えて灌流ユニット３００を含む。１つの例示的な実施形態では、灌流ユニット３００は、ボーラス投与を提供するために、短時間、通常は約２秒から２０秒の範囲にわたって所定の灌流造影剤を一回投与する。灌流ユニット３００の１つの例示的な実施形態は、比較的少量の所定の造影剤を含有するシリンジを含む。

それにしたがって、プローブ１００は、所定の灌流造影剤の上記で説明したボーラス投与後に関心領域上に置かれてデータを取得する。取得されたデータは、関心領域から反響されて検出されたエコーから生成される。取得されたデータは、コントラスト強調された超音波量の時間系列を描出する。取得されたデータは、画像メモリ１１６などの所定のメモリデバイス、または内部記憶部１１８内にさらなる処理のために保存される。通常、所定のソフトウェアプログラム上を実行する、処理部１１５などのマイクロプロセッサは、時系列のコントラスト強調された超音波量を処理して生物学的組織内の灌流を定量化する。対象の単位体積あたりの組織灌流応答が、血液量および血流などの定量的機能パラメータを提供するために推定される。

処理部１１５は、図示していない曲線決定部と設定部と応答特性決定部とを有する。曲線決定部は、時系列に沿った一連のボリュームデータに基づいてボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間強度曲線（Ｔｉｍｅ−Ｉｎｔｅｎｃｉｔｙ Ｃｕｒｖｅ：以下、ＴＩＣと呼ぶ）を決定する。なお、曲線決定部は、時系列に沿った一連のボリュームデータに基づいてボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間濃度曲線（Ｔｉｍｅ−Ｄｅｎｓｉｔｙ−Ｃｕｒｖｅ：以下、ＴＤＣと呼ぶ）を決定してもよい。すなわち、曲線決定部は、複数のボクセル各々について、ＴＩＣまたはＴＤＣを示す曲線の関数を決定する。なお、曲線決定部は、設定部により設定された複数のボクセルまたは複数の領域について、ＴＩＣまたはＴＤＣを示す曲線の関数を決定してもよい。

設定部は、ボリュームデータにおいて、灌流応答特性の解析対象となる対象ボクセル（ｔＲＯＩ）を設定する。なお、対象ボクセルは、複数のボクセルを有する領域であってもよい。設定部は、設定された対象ボクセル（ｔＲＯＩ）を通過する造影剤に関連する通過関連ボクセルを決定する。例えば、設定部は、入力部（タッチ入力デバイス１３０）を介して入力された操作者の指示に従って、ｔＲＯＩを設定する。また、設定部は、入力部（タッチ入力デバイス１３０）を介して入力された操作者の指示に従って、ｔＲＯＩの周囲の通過関連ボクセルを設定する。

応答特性決定部は、通過関連ボクセルと対象ボクセルとにおけるＴＩＣまたはＴＤＣに基づいて、対象ボクセルにおける灌流応答特性を決定する。応答特性決定部は、決定した灌流応答特性をモニタ１２０に出力する。

以下、処理部１１５における処理内容について詳述する。

次に図３を参照すると、図は、本実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、陽電子放出コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ）および磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含むモダリティにおける灌流定量化のシステム同定手法を示している。関数ｘ（ｔ）は、対象の組織領域（対象ボクセル：ｔＲＯＩ）に供給する動脈内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する入力関数である。関数ｙ（ｔ）は、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する出力関数である。

入力関数ｘ（ｔ）は、対象の組織領域（対象ボクセル）に流入する造影剤に関連する少なくとも一つのボクセル（入力ボクセル）におけるＴＩＣを示す関数である。また、出力関数ｙ（ｔ）は、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）から流出する造影剤に関連する少なくとも一つのボクセル（出力ボクセル）におけるＴＩＣを示す関数である。すなわち、ボリュームデータにおいて対象ボクセルに対する前記造影剤の通過に関連する入力ボクセルおよび出力ボクセルは、通過関連ボクセルである。

最後に、ｈ（ｔ）は、時間ｔにわたる組織灌流応答を表すために求められる伝達関数である。すなわち、ｈ（ｔ）、対象ボクセル（ｔＲＯＩ）内における灌流応答特性を示す関数である。ｈ（ｔ）は、図３におけるｔＲＯＩ内におけるｈ（ｔ）の疑問符（右辺）によって示される。出力関数ｙ（ｔ）は、入力関数ｘ（ｔ）と組織灌流応答ｈ（ｔ）とのコンボリューション（＊）によって定義され、これは以下の式によって示される。

その結果、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）内の組織灌流応答ｈ（ｔ）は、入力関数ｘ（ｔ）と出力関数ｙ（ｔ）とのデコンボリューション（逆畳み込み）（＊^−１）によって得られ、これは以下の式によって示される。

医用イメージングでは、特定の組の時間強度曲線（ＴＩＣ）は、分析されるべき組織ボリュームの部分を輪郭付けする関心領域（ｔＲＯＩ）内の造影剤の取り込み動態に関連する。灌流の定量化は、通常は、ＴＩＣから導出された造影剤の取り込み量の推移であって、対象の領域（ｔＲＯＩ）周辺の血液量または血流を示すパラメータに関連して変化する。そうではあるが、ＴＩＣは、推定される組織灌流応答の関数だけでなく、ボーラス投与として患者に静脈内投与される造影剤によっても影響を受ける。臨床環境において、注入条件は、造影剤のタイプ、その用量、およびまたはその注入速度または患者の状態（たとえば心拍出量）によって検査ごとに変化する。この変化は取得されるデータに反映されるため、続いて生成されるＴＩＣは、灌流定量化を再現するのに必要な一貫性に欠ける。

上記の理由のため、注入条件またはパラメータから独立して組織灌流応答（灌流応答特性）を計算するために、本実施形態によるコントラストイメージングのシステムおよび方法は、システム同定手法を利用する。図３に示すように、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）内の組織灌流応答ｈ（ｔ）は、入力関数ｘ（ｔ）と出力関数ｙ（ｔ）とのデコンボリューションによって得られる。出力関数ｙ（ｔ）は、ｔＲＯＩ内の測定されたＴＩＣに基づく。１つの従来技術の手法によれば、ＲＯＩに造影剤を供給すると仮定される動脈内で入力関数ｘ（ｔ）に関するＲＯＩ（以下、ｘＲＯＩと呼ぶ）を任意で描くことにより、入力関数ｘ（ｔ）は、臨床医によって任意に選択される。従来技術の手動作動は、オペレータ依存性が強く、したがって灌流の定量化にさらなる変動要因源をもたらす。

組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の１つの実施形態は、コントラスト強調された超音波イメージングデバイスによって取得された時系列のボリュームデータ（４Ｄ）を利用する。３次元領域における時間強度をマッピングしたボリュームデータにおいて、時間経過を示すデータが、４Ｄデータとして定義される。ボリュームデータは、通常、３次元（３Ｄ）であり、時系列は別次元であるため、４次元（４Ｄ）は、時系列ボリュームデータを指す。組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の別の実施形態は、コントラスト強調された超音波イメージングデバイスによって取得された時系列の３次元データを処理する。組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法のさらに別の実施形態は、コントラスト強調された超音波イメージングデバイスによって取得された時系列の２次元データを処理する。

組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の実施形態は、入力関数の定義から、注入条件およびオペレータ依存性などの灌流の定量化における変動要因源を実質的に取り除く。組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の１つの実施形態は、所定の血流方向に沿って、１ボクセルあたりの組織灌流応答を求める。すなわち、この実施形態は、所定のモダリティを時間関数として使用してデータを取得し、隣接ボクセルおよび対象の少なくとも１つのボクセルからなるボクセルの所定の組の各々に対して、取得されたデータに基づいて時間強度曲線（ＴＩＣ）を求める。

ＴＩＣは、例えば、ボリュームデータにおける複数のボクセル各々における時間に沿った輝度値の変化を示す曲線である。ＴＩＣは、時間に沿った輝度値の変化をフィッティングすることにより得られ、時間に対する輝度値の変化を示す関数である。なお、ＴＩＣの代わりに、時間に対する輝度値の変化を示す関数であるＴＤＣが、用いられてもよい。

その後、この実施形態は、ＴＩＣに基づいて、対象のボクセルへの所定の血流方向に沿って対象のボクセルのすぐ近隣および距離を離した近隣内の隣接ボクセルのいずれか１つに対応する一部のデータを任意選択で排除する。例えば、対象のボクセルの組織灌流応答を解析する際、伝達関数および入力関数がわかっていれば、任意のボクセルから対象ボクセルに与えられる影響を排除することができる。すなわち、対象ボクセルに対する特定のボクセルの入力関数の影響を排除することができる。この入力関数の排除は、設定部により通過関連ボクセルの設定により実行されてもよい。

排除後、残りの取得されたデータは、選択された隣接ボクセルを定義する。換言すれば、造影剤の空間的分布は、対象のボクセルとその隣接ボクセルとの間の相互作用に基づいて考えられる。さらには、この実施形態は、選択された隣接ボクセルの取得されたデータに基づいて局所的入力関数を求め、最後に、取得されたデータにしたがって、局所的入力関数および出力関数に基づいて組織灌流応答を求める。

なお、入力関数、出力関数、伝達関数は、ボクセル単位で設定または計算されるが、複数のボクセル（例えば、４×４ボクセル）をまとめて評価されてもよい。複数のボクセルのまとめ方は、例えば、自動的に２×２、３×３、４×４、１６×１６などの様に賽の目状に設定されてもよいし、入力部（タッチ入力デバイス１３０）および設定部を介して操作者がボクセルの集合の形状を定義してもよい。また、通過関連ボクセル（入力ボクセル（ｘＲＯＩ）および出力ボクセル）は、対象ボクセル（ｔＲＯＩ）に隣接するボクセルに限定されない。すなわち、通過関連ボクセルは、対象ボクセル（ｔＲＯＩ）に完全に隣接している必要はなく、対象ボクセル（ｔＲＯＩ）から所定の距離だけ離間したボクセルであってもよい。このとき、例えば、入力ボクセル（ｘＲＯＩ）は、対象ボクセル（ｔＲＯＩ）から離間して離散的に配置された複数のボクセルとなる。

組織灌流応答（灌流応答特性）は、応答特性決定部により、入力関数と出力関数とのデコンボリューションによって得られる。この場合、出力関数は、対象のボクセル内のフィッティングされた時間強度曲線（ＴＩＣ）である。入力関数は、対象のボクセル（ｔＲＯＩ）に隣接するボクセルからフィッティングされたＴＩＣを、設定部により選択的に排除されることによって定義される。隣接ボクセルの排除は、本実施形態による、対象のボクセルに対する所定の血流方向に基づく。さらには、所定の血流方向は、本実施形態による、ボクセルまたはボクセルのグループに対する特定の単一方向には限定されない。換言すれば、血流方向は、関心領域の所定ボリュームに対して複数の所定の血流方向の組み合わせを含む。

次に図４を参照すれば、図は、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の単一の血流方向を示している。特定の実施態様に関しては、組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の実施形態は、ボクセルまたはボクセルのグループなどのデータ単位を定義する。たとえば、矢印によって示す軸Ｉ、Ｊ、およびＫの所定の組内で、関心領域に対応する対象のボクセルＶＯＩは、座標（ｉ，ｊ，ｋ）に位置し、一方で隣接ボクセルＡｄｊＶは、座標（ｉ−１，ｊ，ｋ）に位置している。血流方向ＢＦＤが、矢印によって示すように、軸Ｉに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶから対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定すると、組織灌流応答は、本システムおよび方法の１つの実施形態において入力関数および出力関数に基づいて、応答特性決定部により求められる。局所的入力関数は、所定の単一の血流方向ＢＦＤに隣接ボクセルＡｄｊＶ（ｉ−１，ｊ，ｋ）が対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）に供給する時間ｔにわたる造影剤の動的取り込み（ＴＩＣ）を描出する入力関数である。したがって、局所的入力関数は、ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）として定義される。局所的出力関数は、所定の単一の血流方向ＢＦＤの血流を受け入れる際の対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する出力関数である。したがって、局所的出力関数は、ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）として定義される。その結果、対象のボクセルＶＯＩ内の組織かん流応答ｈ（ｔ）は、局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）と局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）とのデコンボリューションによって得られ、これは以下によって示される。

次に図５を参照すれば、グラフは、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の単一の血流方向の所定の造影剤の時間強度曲線を示している。ｙ軸は、所定の単位における、検出された信号のエコーパワー（相対的な造影剤の濃度に比例する量）であり、一方でｘ軸は秒単位の時間である。組織灌流応答を求める上で、局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）および局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）はそれぞれ、実線および点線によって描かれている。グラフで示すように、局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）のピークは、局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）より時間的に先行している。図５は、時間強度曲線（ＴＩＣ）によって示されるように１つだけの入力関数を示している。複数の入力関数が存在するとき、ピークまでの時間（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｐｅａｋ：以下、ＴＴＰと呼ぶ）などの時間関連パラメータが、これらの入力関数の一部の影響を排除するために使用される。時間関連パラメータは、ピークまでの時間には限定されず、中間通過時間、平均通過時間または立上がり時間などの他の時間関連パラメータを含む。加えて、入力関数は、特定の単一方向に沿った血流には限定されず、対象の領域に対して軸に沿った複数の方向に沿う血流を含む。

次に図６を参照すれば、図は、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の２つの血流方向を示している。特定の実施態様に関しては、組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の実施形態は、ボクセルなどのデータの単位を定義する。たとえば、矢印によって示す軸Ｉ、Ｊ、およびＫの所定の組内で、対象のボクセルＶＯＩは、座標（ｉ，ｊ，ｋ）に位置し、一方で２つの隣接ボクセルＡｄｊＶ１およびＡｄｊＶ２はそれぞれ、座標（ｉ−１，ｊ，ｋ）および（ｉ，ｊ＋１，ｋ）に位置している。第１の血流方向ＢＦＤ１は、第１の矢印によって示すように、軸Ｉに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ１から対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定される。また、第２の血流方向ＢＦＤ２は、第２の矢印によって示すように、軸Ｊに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ２から対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定される。

この点において、組織灌流応答は、本システムおよび方法の１つの実施形態において２つの入力関数および出力関数に基づいて求められる。局所的入力関数は、所定の２つの血流方向ＢＦＤ１およびＢＦＤ２に対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）に供給する２つの隣接ボクセルＡｄｊＶ１（ｉ−１，ｊ，ｋ）およびＡｄｊＶ２（ｉ，ｊ＋１，ｋ）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込み（ＴＩＣ）を描出する入力関数である。したがって、局所的入力関数は、ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）およびｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）の和として定義される。あるいは、局所的入力関数は、２つの定義の平均または任意の組み合わせとして定義される。局所的出力関数は、所定の２つの方向ＢＦＤ１およびＢＦＤ２の血流を受け入れる際の対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する出力関数である。したがって、局所的出力関数は、ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）として定義される。その結果、対象のボクセルＶＯＩ内の組織かん流応答ｈ（ｔ）は、局所的入力関数の和｛ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）＋ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）｝と局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）とのデコンボリューションによって得られ、これは以下によって示される。

次に図７を参照すれば、グラフは、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の２つの血流方向の所定の造影剤の時間強度曲線を示している。ｙ軸は、所定の単位における検出された信号のエコーパワーであり、一方でｘ軸は秒単位の時間である。組織灌流応答を求める上で、第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）、第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）、および局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）はそれぞれ、一点鎖線、二点鎖線、および実線によって描かれる。第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）および第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）の和もまた、三点鎖線によって描かれる。グラフに示すように、第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）のピークと第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）のピークの両方は、局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）のピークより時間的に先行している。図７は、時間強度曲線（ＴＩＣ）によって示されるように２つだけの入力関数を示しているが、３つ以上の入力関数が存在するとき、ピークまでの時間（ＴＴＰ）などの時間関連パラメータが、これらの一部の入力関数の影響を排除するために使用される。時間関連パラメータは、ピークまでの時間には限定されず、中間通過時間、平均通過時間または立上がり時間などの他の時間関連パラメータを含む。加えて、入力関数は、特定の２つの方向に沿った血流には限定されず、対象の領域に対して軸に沿った複数の方向に沿う血流を含む。

次に図８を参照すれば、図は、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の６つの血流方向を示している。特定の実施に関しては、組織灌流応答を定量化するためのシステムおよび方法の実施形態は、ボクセルなどのデータ単位を定義する。たとえば、矢印によって示すような軸Ｉ、Ｊ、およびＫの所定の組内で、対象のボクセルＶＯＩは、座標（ｉ，ｊ，ｋ）に位置し、一方で６つの隣接ボクセルＡｄｊＶ１からＡｄｊＶ６は、（ｉ−１，ｊ，ｋ）、（ｉ，ｊ＋１，ｋ）、（ｉ，ｊ，ｋ＋１）、（ｉ，ｊ−１，ｋ）、（ｉ，ｊ，ｋ−１）および（ｉ＋１，ｊ，ｋ）に位置している。第１の血流方向ＢＦＤ１は、第１の矢印によって示すように、軸Ｉに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ１から対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定される。また、第２の血流方向ＢＦＤ２は、第２の矢印によって示すように、軸Ｊに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ２から対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定される。さらには、第３の血流方向ＢＦＤ３は、第３の矢印によって示すように、軸Ｋに沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ３から対象のボクセルＶＯＩまでであると仮定される。同様に、第４から第６の血流方向、ＢＦＤ４からＢＦＤ６はそれぞれ、対応する矢印によって示すように、所定の軸に沿って隣接ボクセルＡｄｊＶ４〜ＡｄｊＶ６から、対象のボクセルＶＯＩまでである。

この点において、組織灌流応答は、本発明によるシステムおよび方法の１つの実施形態において３つの入力関数および出力関数に基づいて求められる。局所的入力関数は、所定の３つの血流方向ＢＦＤ１、ＢＦＤ２およびＢＦＤ３で対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）に供給する３つの隣接ボクセルＡｄｊＶ１（ｉ−１，ｊ，ｋ）、ＡｄｊＶ２（ｉ，ｊ＋１，ｋ）およびＡｄｊＶ３（ｉ，ｊ，ｋ＋１）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込み（ＴＩＣ）を描出する入力関数である。したがって、局所的入力関数は、ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）、ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）およびｘ（ｉ，ｊ，ｋ＋１，ｔ）の和として定義される。局所的出力関数は、所定の３つの方向ＢＦＤ１、ＢＦＤ２、およびＢＦＤ３の血流を受け入れる際の対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込み（ＴＩＣ）を描出する出力関数である。したがって、局所的出力関数は、ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）として定義される。その結果、対象のボクセルＶＯＩ内の組織灌流応答ｈ（ｔ）は、局所的入力関数の和｛ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）＋ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）＋ｘ（ｉ，ｊ，ｋ＋１，ｔ）｝と局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）とのデコンボリューションによって得られ、これは以下によって示される。

次に図９を参照すれば、グラフは、本実施形態による、関心領域（ＲＯＩ）に対する所定の６つの血流方向における所定の造影剤の時間強度曲線を示している。ｙ軸は、所定の単位における検出された信号のエコーパワーであり、一方でｘ軸は秒単位の時間である。組織灌流応答を求める上で、第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）、第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）、第３の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ，ｋ＋１，ｔ）および局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）はそれぞれ、第１の線Ｌ１、第２の線Ｌ２、および第３の線Ｌ３によって描かれる。第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）、第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）、および第３の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ，ｋ＋１，ｔ）の和もまた、第４の線Ｌ４で描かれる。グラフに示すように、第１の局所的入力関数ｘ（ｉ−１，ｊ，ｋ，ｔ）、第２の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ＋１，ｋ，ｔ）、および第３の局所的入力関数ｘ（ｉ，ｊ，ｋ＋１，ｔ）のピークはすべて、局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）のピークより時間的に先行している。図９は、線Ｌ１からＬ３ならびにＬ５からＬ７の時間強度曲線（ＴＩＣ）によって示されるように６つの入力関数を示しているが、ピークまでの時間（ＴＴＰ）などの時間関連パラメータが、線Ｌ５およびＬ７によって描かれたＴＩＣを有する、これらの入力関数のうちの３つの入力関数の影響を排除するために使用される。

オプション的な排除は、対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）に対して複数の血流方向に関連付けられたデータを処理する実施形態では重要である。Ｌ５、Ｌ６およびＬ７によって描かれるＴＩＣのピークは、線Ｌ８によって描かれるＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）における出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）のピークＬ８Ｍより遅れているため、対象のボクセル（ＶＯＩ）による造影剤の取り込みは、これらの血流方向に沿ったＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）でのピーク前に起こっていない。すなわち、排除された入力関数は、対象のボクセルＶＯＩ（ｉ，ｊ，ｋ）に対して同じ血流方向にはなく、それにより、ＴＩＣ（Ｌ５、Ｌ６、およびＬ７）によって示される造影剤の取り込みは、時間的にＴＩＣ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の後に起こっている。換言すれば、対象のボクセル（ＶＯＩ）から流出する方向を示すあらゆる隣接ボクセルが、本システムおよび方法の１つの実施形態における以下の規則に基づいて排除される。残りの隣接ボクセルは、次いで、入力関数を求める際に隣接ボクセルとして選択される。

（ｄＴ＞０）である場合、隣接ボクセルＶｎを排除し、他の場合（ｄＴ＜０）はＶｎを排除しない。
ここでｄＴ＝Ｔ（Ｖｎ）−Ｔ（Ｖｉ）であり、
Ｔ（Ｖｎ）は、隣接ボクセルＶｎ内の第１の時間関連パラメータ（例えばＴＴＰ）であり、
Ｔ（Ｖｉ）は、対象のボクセルＶＯＩ内の第２の時間関連パラメータ（例えばＴＴＰ）である。ここで、Ｖｉは、ＶＯＩ内のボクセルである。

本システムおよび方法の別の実施形態では、対象のボクセル（ＶＯＩ）内への血流方向を示すあらゆる隣接ボクセルは、以下の反対の規則に基づいて排除されない。残りの隣接ボクセルは、次いで、入力関数を求める際に隣接ボクセルとして選択される。

（ｄＴ＜０）である場合、Ｖｎを排除せず、他の場合（ｄＴ＞０）はＶｎを排除する。
ここでｄＴ＝Ｔ（Ｖｎ）−Ｔ（Ｖｉ）であり、
Ｔ（Ｖｎ）は、隣接ボクセルＶｎ内の第１の時間関連パラメータであり、
Ｔ（Ｖｉ）は、対象のボクセルＶＯＩ内の第２の時間関連パラメータである。

要約すると、隣接ボクセルに対する上記の排除規則は、もっぱら対象のボクセル内へのまたは対象のボクセルからの血流方向に基づく。本発明の別の実施形態では、時間における局所的出力関数ｙ（ｉ，ｊ，ｋ，ｔ）は、排除されたボクセルからのフィッティングされたＴＩＣの組み合わせとして定義される。

すなわち、Ｔ（Ｖｎ）＞Ｔ（Ｖｉ）のとき、隣接ボクセルＶｎは、灌流応答特性の入力関数として排除される。また、Ｔ（Ｖｎ）＜Ｔ（Ｖｉ）のとき、隣接ボクセルＶｎは、灌流応答特性の入力関数として用いられる。

なお、灌流応答特性を計算するデコンボリューションに用いられずに排除される隣接ボクセルは、タッチ入力デバイス（入力部）１３０を介した操作者の指示により、指定されてもよい。例えば、灌流応答特性を計算するデコンボリューションから排除するボクセルが存在する方向が、対象ボクセル（ＶＯＩ）に対して指定される。次いで、灌流応答決定部は、対象ボクセル（ＶＯＩ）に隣接する複数のボクセルから、指定された方向に関する隣接ボクセルを排除する。

なお、排除したい隣接ボクセルが存在する方向を指定する代わりに、以下のようにして（隣接）ボクセルを排除してもよい。灌流応答特性（ｈ（ｔ））の決定において、単に血流が存在するボクセル（ドプラデータによる血流の流速が一定値以上のボクセル）の位置から対象ボクセルに向かう方向に位置するボクセルに関する入力関数の影響を排除するために、排除されるボクセルをが指定されてもよい。具体的には、応答特性決定部は、ドプラデータに関するボリュームデータ（例えばカラードプラに関するカラードプラボリュームデータ）に基づいて、例えば、対象ボクセルを通過する造影剤の流れにおいて対象ボクセルの下流に位置するボクセルを排除する。

すなわち、応答特性決定部は、カラードプラボリュームデータにおいてドプラ情報を有するボクセルの位置と対象ボクセル（ＶＯＩ）とに基づいて、通過関連ボクセルのうち、灌流応答特性の決定において排除される所定のボクセルを決定する。例えば、応答特性決定部は、通過関連ボクセルのうち所定のボクセルに関する時間強度曲線による灌流応答特性への影響を排除して、灌流応答特性を決定する。

次に図１０を参照すれば、本システムおよび方法の実施形態では、ｘ、ｙ、ｚの直交３方向の入力関数を、３次元（３Ｄ）の血液流入ベクトルの方向を考慮して求めることができる。３Ｄ血液流入ベクトルＦ_{in_VOI}は、対象のボクセル（ＶＯＩ）に属するものであり、任意に選択された隣接ボクセルの線形結合として求められ、これは、次の通りであり、

ここで、Ｆ_{in_V1}およびＦ_{in_V2}はそれぞれ、ＶＯＩの３Ｄ中心を原点とした球面座標系（ｒ、θ、φ）において、中心が（ｒ１、θ１、φ１）に位置する第１の隣接ボクセルＡｄｊＶ１、および中心が（ｒ２、θ２、φ２）に位置する第２の隣接ボクセルＡｄｊＶ２の流入ベクトルである。このベクトルにより、図１０に示すような図に関連する方法およびシステムは、ベクトル性灌流プロセススキームとして考えられる。ｗ₁は、第１の隣接ボクセルＡｄｊＶ１におけるフィッティングされたＴＩＣから導出された正規化パラメータとして定義された第１の重み付け係数である。一方でｗ₂は、第２の隣接ボクセルＡｄｊＶ２におけるフィッティングされたＴＩＣから導出された正規化パラメータとして定義された第２の重み付け係数である。同じようにして、Ｆ_{in_V}および対応する重み付け係数の組は、Ｎ個まで与えられ、これは以下のように定義される。

１つの実施においては、重み付け係数は、正規化された曲線下面積（ＡＵＣ）などの大きさ関連値であり、重み付け係数は、

として定義され、ここでＮは、流入として選択されたボクセルの総数であり、ｊは選択された流入ボクセルの指数である。

他の実施においては、重み付け係数は、上記で説明したようなデコンボリューションプロセスによる組織応答ｈ（ｔ）から導出された任意のパラメータである。たとえば、組織応答の正規化されたＡＵＣ（ＡＵＣ＿ｈ）は、局所的血流量（ＢＶ）に対応して、重み付け係数

を与え、ここでＢＶ_i＝ＡＵＣ_hiである。すなわち、上記曲線下面積（ＡＵＣ）および局所的血流量を用いた重み付け係数の決定は、対象ボクセル（ＶＯＩ）に流入する血流の体積に応じて重み付け係数を計算することに対応する。第２の例では、重み付け係数は、組織応答から導出された正規化された逆の（分母分子を転置した）平均通過時間（１／ＭＴＴ＿ｈ）であり、局所的血流速度（ＢＶｅｃ）に対応し、重み付け係数

を与え、ここで

である。すなわち、上記局所的血流速度（ＢＶｅｃ）（平均通過時間（１／ＭＴＴ＿ｈ）の逆数）を用いた重み付け係数の決定は、対象ボクセル（ＶＯＩ）に流入する血流の速度（時間の逆数）に応じて重み付け係数を計算することに対応する。第３の例では、重み付け係数は、ＢＶおよびＢＶｅｃの正規化された積であり、局所的血流（ＢＦ）に対応し、

として定義され、ここで

である。すなわち、上記局所的血流（ＢＦ）を用いた重み付け係数の決定は、対象ボクセル（ＶＯＩ）に流入する血流の流量に応じて重み付け係数を計算することに対応する。第４の例では、重み付け係数は、すぐ近隣だけでなく、ＶＯＩに対してさらに距離が離れた隣接ボクセルも含む。すぐ近隣とは、ボクセルが、少なくとも１点によって対象のボクセルに直接連結されていることを意味する。

次に図１１を参照すれば、本システムおよび方法の実施形態では、３Ｄ血液流出ベクトルＦ_{out_VOI}は、対象のボクセル（ＶＯＩ）に属するものであり、図１０に関して説明された３Ｄ血液流入ベクトルＦ_{in_VOI}と組み合わせられる。このベクトルにより、図１０に示すような図に関連する方法およびシステムは、ベクトル性灌流プロセス方式として考えられる。３Ｄ血液流入ベクトルＦ_{in_VOI}は、対象のボクセル（ＶＯＩ）に属するものであり、選択された隣接ボクセルの線形結合として求められ、これは、次の通りであり、

ここで

および

はそれぞれ、ＶＯＩの３Ｄ中心を原点とした球面座標系（ｒ、θ、φ）において、中心が（ｒ１、θ１、φ１）に位置する第１の隣接ボクセルＡｄｊＶ１、および中心が（ｒ２、θ２、φ２）に位置する第２の隣接ボクセルＡｄｊＶ２の流入ベクトルである。ｗ_1inは、第１の隣接ボクセルＡｄｊＶ１における近似ＴＩＣから導出された正規化パラメータとし定義された第１の重み付け係数である。一方でｗ_2inは、第２の隣接ボクセルＡｄｊＶ２における近似ＴＩＣから導出された正規化パラメータとして定義された第２の重み付け係数である。

さらに図１１を参照すれば、３Ｄ血液流出ベクトルＦ_{out_VOI}は、対象のボクセル（ＶＯＩ）に属するものであり、選択された隣接ボクセルの線形結合として求められ、これは、次の通りであり、

ここで

および

はそれぞれ、ＶＯＩの３Ｄ中心を原点とした球面座標系（ｒ、θ、φ）において、中心が（ｒ３、θ３、φ３）に位置する第３の隣接ボクセルＡｄｊＶ３、および中心が（ｒ４、θ４、φ４）に位置する第４の隣接ボクセルＡｄｊＶ４の流出ベクトルである。ｗ_1outは、第１の隣接ボクセルＡｄｊＶ３における近似ＴＩＣから導出された正規化パラメータとし定義された第１の重み付け係数である。一方でｗ_2outは、第２の隣接ボクセルＡｄｊＶ４における近似ＴＩＣから導出された正規化パラメータとして定義された第２の重み付け係数である。流入と流出ベクトル成分との両方に関して２つだけのベクトルが示されているが、いずれの流れも、ベクトル成分の対には限定されず、

のベクトル成分および対応する重み付け係数ｗ_iの組を含み、この組はＮ個まで与えられ、以下で定義される。

同様に、１つの実施においては、重み付け係数は、上記で定義したような重み付け係数を有する正規化されたＡＵＣなどの大きさ関連値である。他の実施態様においては、重み付け係数は、任意選択では、上記で説明したようなデコンボリューションプロセスによる組織応答ｈ（ｔ）から導出された任意のパラメータである。

さらには、３Ｄ血液ベクトルの方向、長さを視覚的に表現するため、３次元的に血液の流れの方向および血液速度の大きさを示すベクトル場が、特定の実施態様において組織応答を用いて色でレンダリングされる。たとえば、絶対的な血液量（ＢＶ）、血流速度（ＢＶｅｃ）、血流（ＢＦ）、または任意の他のパラメータは、１つの実施において組織応答を用いて色分けされる。時間関連パラメータは、ピークまでの時間に限定されず、中間通過時間および平均通過時間を含む。加えて、入力関数は、特定の３つの方向に沿った血液流入に限定されず、対象の領域に対して軸に沿った複数の方向に沿う血流を含む。別の実施形態では、流入および流出データを組み合わせた３Ｄ場のベクトルが、レンダリングされる。たとえば、流入および流出はそれぞれ、赤などの１つの原色および青などの第２の原色に帰属させる。加えて、各色のグラデーションは、ＢＦなどの選択されたパラメータの値に応じて、輝度における線形法則または対数法則などの所定の法則にしたがう。

次に図１２を参照すれば、さらなる別の実施形態において、流入および流出ベクトルが、外挿法において使用され、所定のＶＯＩに対する３Ｄ曲線ベクトルを生成する。外挿プロセスは、ベジエ曲線およびスプライン補間などの任意の方法を用いて行われる。生成された３Ｄ曲線ベクトルは、流入と流出との間の流れの曲率を表している。図示する例では、３Ｄ流入ベクトル

および３Ｄ流出ベクトル

は外挿されて、対象のボクセル（ＶＯＩ）に対する３Ｄ流入ベクトルの３Ｄ血流曲線ベクトル

を生成する。

本実施形態のうち１つの実施形態では、平均、標準偏差、またはエントロピなどの統計的パラメータが、ボクセルのグループを含む対象のボリューム内の３Ｄ場のベクトルまたは３Ｄ曲線ベクトルから導出される。統計的パラメータは、腫瘍などの特定組織の微小血管状態を示すものである。たとえば、統計的パラメータは、対象のボリュームによって手動でまたは自動的に描出された組織の一部分の空間的不均一性または均一性のレベルを示す。この点において、１つの可能な臨床用途は、薬物療法に対する患者反応を示す、腫瘍の空間的不均一性のレベルによって薬物療法を監視することである。患者反応は、通常、腫瘍の空間的不均一性が低下する場合は陽性である。これとは反対に、空間的不均一性が増大する場合はむしろ陰性である。統計的パラメータの分析は、対象のボリューム内の灌流状態を示す、組織応答から導出されたＢＶ、ＢＶｅｃおよびＢＦなどのパラメータの任意のパラメータに適用可能である。任意の空間的パラメータおよび灌流パラメータの線形結合はまた、実施形態において他の実施における組織微小血管系の状態を表すために、オプションとして使用される。

パラメータは、さまざまな方法で求められ使用される。１つの実施形態では、統計的パラメータは、局所的にまたは対象の３Ｄ組織もしくは臓器全体にわたって置かれた非直交格子、または微小血管の構造もしくは灌流の流れの方向を示す接続性のネットワークにおける３Ｄ場ベクトルまたは曲率ベクトルから求められる。これらのネットワークは、オプションとして、灌流状態を表す単一のパラメータを導出するための先進的統計分析の対象である。別の実施形態では、３Ｄ場ベクトル、曲線ベクトル、または組織応答灌流パラメータは、病変、腫瘍、壊死部分、および健康組織などの対象の３Ｄ組織を自動的にセグメント化するまたは描出するために使用される。１つの実施形態では、本方法およびシステムは、医用分子イメージングにおいて標的組織と、分子イメージング用造影剤との結合のレベルを定量化し評価するために使用される。他の実施形態では、本方法およびシステムは、３Ｄ超音波または任意の他の医用イメージング技術を介して行われる薬物送達システムにより、標的の造影剤によって運ばれた医薬品有効成分の放出を監視し、制御し、または引き起こすために使用される。最後に、人工知能手法を用いる１つの実施形態では、本パラメータのすべてまたは選択されたパラメータの組が、コンピュータ支援診断（ＣＡＤ）アプリケーションソフトウェアをトレイニングするための特徴ベクトルとして入力される。コンピュータ支援診断アプリケーションソフトウェアにおいては、複数種類のパラメータや出力関数、灌流応答などに基づいて予測される疾患を判定する。

図４、６、８、１０、１１および１２では、各例は、隣接ボクセルを、対象のボクセルに直接隣接して、並置されたボクセルとして示しているが、本実施形態は、直接隣接するボクセルを必ずしも必要としない。この理由のため、用語、隣接ボクセルは、本明細書および特許請求の範囲においては、対象のボクセルに並置された直接隣接するボクセル、ならびに対象のボクセルに並置されていない近隣ボクセルの両方を含むように交換可能に使用される。この点において、図１０、１１、および１２に示すような直接隣接するボクセルは、対象のボクセルに対して任意の空間的に連結されたボクセル（６面＋８コーナー＝１４隣接ボクセル）を含む。この点において、直接並置されたボクセルの数は、対象の単一のボクセルに対して、最小１から最大１３までの範囲になる。

なお、対象のボクセル（ＶＯＩ）に対して直接隣接するボクセルは、１４隣接ボクセルに限定されず、例えば、最大２６のボクセルであってもよい。２６の隣接ボクセルは、具体的には、対象ボクセルの６面と、８つのコーナーと、１２の辺に隣接するボクセルである。なお、対象のボクセル（ＶＯＩ）から所定のボクセルだけ離れた離散的なボクセルが、隣接ボクセルの代わりに用いられても良い。また、対象ボクセルの周囲の複数のボクセルを１つの単位として、入力関数が求められてもよい。加えて、３Ｄ流入ベクトルは、入力関数に関する入力ボクセルを決定または特定するために用いられてもよい。また、３Ｄ流出ベクトルは、出力関数に関する出力ボクセルを決定または特定するために用いられてもよい。

微小気泡が血管内または血液プール造影剤に使用される純灌流プロセスの文脈では、上記の最小／最大選択は、「エネルギー保存則」にしたがって厳密に順守されなければならない。すなわち、血液の流入／流出は、創出または破壊されない。この規則の１つの可能な例外は、造影剤が活性化プロセスにより組織内に蓄積することができる医用分子イメージングである。なお、造影剤が組織内に蓄積したり、あるいは超音波によって破壊されたりする造影撮像においては、造影剤の流入/流出量が等しくならない場合がある。

次に図１３を参照すれば、フローチャートは、本実施形態による組織灌流応答を定量化する方法に含まれる例示的なステップを示している。各ステップは、単に例示的なものであり、本実施形態による組織灌流応答を定量化するプロセスを他の実施形態で実施するために、これより多いまたは少ないステップまたは動作をオプションとして含む。図示するプロセスでは、ステップは、本実施形態による組織灌流応答を定量化するための実施形態において前に説明したように、ソフトウェアおよびハードウェアの任意の組み合わせによってオプションとして実施される。他方では、図示するプロセスのステップはまた、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、陽電子放出コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、および光音響イメージング（ＰＩ）を含む、前に説明されていないモダリティのためのソフトウェアおよびハードウェアの特定の組み合わせによって実施されてもよい。

また、図１３を参照すれば、図示するプロセスは、所定の造影剤がステップＳ１０において被検体に灌流された後、ステップＳ２０においてデータを取得する。灌流プロセスは、微小気泡などの所定の造影剤が、血液循環によって特定の組織ボリュームなどの対象の領域内に入ることを可能にする。造影剤の取り込み動態は、ステップＳ３０において、取得されたデータに基づいて時間強度曲線（ＴＩＣ）を生成することによってさらに調査される。ＴＩＣの１つのグループは入力関数であり、対象の領域に対して少なくとも１つの所定の血流方向にしたがって生成される。入力関数は、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）に供給する動脈内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する。１つの例示的な実施では、所定の方向は、座標系の軸に対して平行であり、選択されたボクセルは、組織内の対象のボクセル（複数可）に隣接している。隣接ボクセルの選択は、ＶＯＩの近隣の特定のボクセルを排除することによって、対象のボクセル（ＶＯＩ）に対するその血流方向にしたがって実施される。ＴＩＣの他のグループは、ボクセルに基づいてｔＲＯＩ内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出する出力関数である。

ステップＳ３０では、ＴＩＣを生成するために、所定の血流方向は、本実施形態による、対象の特定のボクセルに対する血液流入方向および血液流出方向を含む。特定の実施形態では、血液流入方向および血液流出方向の各々は、３Ｄベクトルの組み合わせである。たとえば、血液流入方向は、対象のボクセルへの血液流入に寄与する血流の方向および大きさを各々示す３Ｄベクトルの２つまたはそれ以上の組み合わせである。同じようにして、血液流出方向は、対象のボクセルからの血液流出に寄与する血流の方向および大きさを各々示す３Ｄベクトルの２つまたはそれ以上の組み合わせである。血液の流入と流出の両方に関しては、血流の大きさは、血液量および流速を含む。さらには、３Ｄベクトルは、３Ｄベクトルの和が血液流入ベクトルまたは血液流出ベクトルになるように、対応する重み付け係数の組によって任意選択で重み付けられる。

ステップＳ４０では、特定のＴＩＣがｔＲＯＩ内の組織灌流応答ｈ（ｔ）のさらなる決定から排除されるべきか否かが確認される。この選択は、本実施形態によるプロセスに先立ってまたはプロセスの間にオプションとして行われる。ＴＩＣの排除が行われることがステップＳ４０において確認された場合、プロセスはステップＳ５０に進む。他方では、ＴＩＣの排除が行われないことがステップＳ４０において確認された場合、プロセスはステップＳ６０に進む。

排除ステップＳ５０は、対象の領域に対して２つ以上の所定の血流方向に関して生成された入力関数の一部の成分を排除するために、所定の排除規則にしたがって実施される。所定の排除規則は、時間強度曲線のピークまでの時間、中間通過時間、または平均通過時間などの時間関連パラメータまたは指標に基づく。別の時間関連指標は、平均通過時間によって血液量を割ることによって得られる血流を含む。たとえば、第１の所定の血流方向に対する第１のＴＩＣのピークまでの時間（ＴＴＰ）は、対象のボクセル（ＶＯＩ）内の出力関数のものより長く、一方で第２の所定の血流方向に対する第２のＴＩＣのＴＴＰは、ＶＯＩ内の出力関数のものより短い。１つの例示的な排除ステップＳ５０では、第１および第２のＴＩＣのいずれか１つが、所定の規則に応じて排除される。すなわち、造影剤の取り込みがＶＯＩ内への血液流入に対して調査される場合、第２のＴＩＣが排除される。他方では、造影剤の取り込みがＶＯＩからの血液流出に対して調査される場合、第１のＴＩＣが排除される。入力関数は、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）に供給する動脈内の時間ｔにわたる造影剤の動的取り込みを描出するため、排除された成分は、特定の状況下では、ｔＲＯＩに供給する動脈内の時間ｔにわたる造影剤の取り込みに寄与しない。他の特定の状況下では、一部の成分は、排除された成分が、ｔＲＯＩに供給する動脈内での時間ｔにわたる造影剤の取り込みに寄与する場合であっても排除される。

時間関連パラメータ、時間関連パラメータの組み合わせ、または時間関連パラメータおよび大きさ関連値（正規化されたＡＵＣ）の組み合わせは、任意の隣接ボクセルにおける近似曲線から求められる。オプションとして、上記のパラメータは、近似曲線の導関数（解析的または数値的）に基づいて決定される。たとえば、１次導関数は、時間に対する血流速度を示し、２次導関数は、血流加速度を示している。さらには、３次導関数は血液の躍度（ｊｅｒｋ）（加速度変化率）を示し、４次導関数は血液の激しい揺れ（ｊｏｕｎｃｅ）を示し、より高次の導関数に関してはその他諸々である。

最後にステップＳ６０では、組織灌流応答が、上記で説明した入力関数および出力関数に基づいて求められる。組織灌流応答ｈ（ｔ）は、ｔＲＯＩにおける時間ｔにわたる伝達関数である。出力関数ｙ（ｔ）は、入力関数ｘ（ｔ）と組織灌流応答ｈ（ｔ）とをコンボリューションすることによって得られ、これは以下によって示される。

その結果、対象の組織領域（ｔＲＯＩ）における組織灌流応答ｈ（ｔ）は、入力関数ｘ（ｔ）と出力関数ｙ（ｔ）とのデコンボリューションによって得られ、これは以下によって示される。

上記で説明したように、入力関数ｘ（ｔ）は、排除がステップＳ４０において確認された場合にステップＳ５０において排除された後の残りの入力関数成分の和である。入力関数ｘ（ｔ）はまた、所定の血流方向に沿った単一の所定の関数であり、またはオプションとして、ステップＳ５０における排除がステップＳ４０において確認されないときの特定の指定された入力関数成分の和でもある。

上記で説明した方法およびシステムは、独立した造影剤の投与と、対象のボリュームに対する血流方向の選択による特定のＴＩＣデータの排除との組み合わせに基づいて、灌流の定量化を実質的に改良する。この方法は、造影剤の投与パラメータおよび心拍出量などの患者の状態から独立しているため、客観的な方法で灌流を定量化することを可能にしている。上記で説明したように、造影剤は、ボーラス投与によって被検体に投与される。すなわち、造影剤の投与技術は、本発明によるシステムおよび方法において対象のボクセルあたりの組織灌流応答を求めるために、特定の用量およびまたは速度に限定されない。

上記で説明した方法は単に例示的なものであり、他の実施態様は、ソフトウェアとハードウェアの両方において利用可能である。換言すれば、本実施形態による、組織灌流応答を求めるためのシステムは、ハードウェアデバイスまたはソフトウェアプログラムの特定の組に限定されない。この点において、システムおよび方法は、特定のモダリティに限定されず、また、本実施形態を実施するためにＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴおよびＰＩなどのコントラストイメージングのモダリティを含む。

上記のプロセスは、単に例示的なプロセスを説明するものであり、本実施形態を実施するために、いくつかのクロスポイントスイッチおよびまたはその加算器などにおける特定の実施に限定されない。同様に、上記のステップは、単に１つの例示的な実施を示しており、本実施形態を実施するために、クロスポイントスイッチからの特定の数の出力の組に限定されない。

加えて、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（医用画像処理プログラム）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（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憶媒体に格納して頒布することも可能である。

また、上記実施形態の変形例として、本超音波診断装置１の技術的思想を医用画像処理装置で実現する場合には、例えば図２の構成図における破線内の構成要素を有するものとなる。この時、灌流応答特性おｗ決定する処理は、図１３のステップＳ３０乃至Ｓ６０の処理に対応する。これらの処理については、実施形態と同様である。なお、ステップＳ２０におけるデータは、予め内部記憶部１１８に記憶される。また、医用画像処理装置において、超音波診断装置から出力されたＤＩＣＯＭファイル（例えば、ボリュームデータなど）を読み込んで、上記処理を実行することも可能である。

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。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。

１…処理ユニット、２…ディスプレイユニット、３…ケーブル、４…超音波変換器ユニットまたはプローブ、１００…超音波プローブ、１１１…送信部、１１２…受信部、１１３…Ｂモード処理部、１１４…ドプラ処理部、１１５…処理部、１１６…画像メモリ、１１７…制御部、１１８…内部記憶部、１２０…モニタ、１３０…入力デバイス、３００…灌流ユニット、１０００…装置本体、１１００…組織灌流応答（灌流応答特性）を求めるためのシステム。

Claims (7)

1. 超音波振動子を介して、造影剤が投与された被検体との間で超音波を送受信する送受信部と、
   前記送受信部からの出力に基づいて、時系列に沿った一連のボリュームデータを発生するボリュームデータ発生部と、
   前記ボリュームデータに基づいて、前記ボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間強度曲線を決定する曲線決定部と、
   前記ボリュームデータにおいて、灌流応答特性の解析対象となる対象ボクセルと、前記対象ボクセルとは異なる位置にある通過関連ボクセルとを設定する設定部と、
   前記通過関連ボクセルと前記対象ボクセルそれぞれにおける前記時間強度曲線に基づいて、前記対象ボクセルにおける前記灌流応答特性を決定する応答特性決定部と、
   を具備し、
   前記通過関連ボクセルは、前記対象ボクセルとは異なる位置にある複数のボクセルであり、
   前記応答特性決定部は、
   前記通過関連ボクセルのうち所定のボクセルに関する前記時間強度曲線による前記灌流応答特性への影響を排除して、前記灌流応答特性を決定することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記ボリュームデータ発生部は、
   前記送受信部からの出力に基づいて、カラードプラボリュームデータを発生し、
   前記応答特性決定部は、
   前記カラードプラボリュームデータにおいてドプラ情報を有するボクセルの位置と前記対象ボクセルとに基づいて、前記所定のボクセルを決定すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記設定部は、
   前記時間強度曲線に基づいて、前記対象ボクセルを通過する前記造影剤の流れ方向を設定し、
   前記応答特性決定部は、
   前記設定された流れ方向に基づいて、前記所定のボクセルを決定すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記応答特性決定部は、
   前記時間強度曲線を表す関数に基づいて、前記灌流応答特性を表す関数を決定すること、
   を特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の超音波診断装置。
5. 前記応答特性決定部は、
   前記通過関連ボクセルから前記所定のボクセルを除いたボクセル各々の前記時間強度曲線を表す関数と、前記対象ボクセルにおける前記時間強度曲線を示す関数との逆畳み込み演算を実行することで、前記灌流応答特性を決定すること、
   を特徴とする請求項２または３に記載の超音波診断装置。
6. 時系列に沿った一連のボリュームデータを記憶する記憶部と、
   前記ボリュームデータに基づいて、前記ボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間強度曲線を決定する曲線決定部と、
   前記ボリュームデータにおいて、灌流応答特性の解析対象となる対象ボクセルを設定し、前記対象ボクセルに対する造影剤の通過に関連する通過関連ボクセルを設定する設定部と、
   前記通過関連ボクセルと前記対象ボクセルとにおける前記時間強度曲線に基づいて、前記対象ボクセルにおける前記灌流応答特性を決定する応答特性決定部と、
   を具備し、
   前記通過関連ボクセルは、前記対象ボクセルとは異なる位置にある複数のボクセルであり、
   前記応答特性決定部は、
   前記通過関連ボクセルのうち所定のボクセルに関する前記時間強度曲線による前記灌流応答特性への影響を排除して、前記灌流応答特性を決定することを特徴とする医用画像処理装置。
7. コンピュータに、
   時系列に沿った一連のボリュームデータを記憶させ、
   前記ボリュームデータに基づいて、前記ボリュームデータにおける複数のボクセル各々の時間強度曲線を決定させ、
   前記ボリュームデータにおいて、灌流応答特性の解析対象となる対象ボクセルを設定させ、
   前記ボリュームデータにおいて、前記対象ボクセルに対する造影剤の通過に関連する通過関連ボクセルを設定させ、
   前記通過関連ボクセルと前記対象ボクセルとにおける前記時間強度曲線に基づいて、前記対象ボクセルにおける前記灌流応答特性を決定させること、
   を具備し、
   前記通過関連ボクセルは、前記対象ボクセルとは異なる位置にある複数のボクセルであり、
   前記灌流応答特性を決定させることは、
   前記通過関連ボクセルのうち所定のボクセルに関する前記時間強度曲線による前記灌流応答特性への影響を排除して、前記灌流応答特性を決定させることを特徴とする医用画像処理プログラム。

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