JP6362851B2 - Blood vessel analysis device, blood vessel analysis program, and blood vessel analysis device operating method - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、血管解析装置、血管解析プログラム、及び血解析装置の作動方法に関する。 Embodiments of the present invention, vessel analysis apparatus, vessel analysis program, and a method of operating vascular analyzer.

三大疾患の一つである心疾患の原因となる冠動脈の狭窄や、脳動脈瘤、あるいはそれらの予兆となる頸動脈のプラークによる狭窄を、非侵襲あるいは低侵襲に予防・診断するための技術が望まれている。   Technology for preventing and diagnosing non-invasive or minimally invasive stenosis of coronary arteries, cerebral aneurysms, or plaques of carotid arteries that are the precursors of heart disease, one of the three major diseases Is desired.

冠動脈の狭窄は、虚血性心疾患に至る重大な病変である。冠動脈の狭窄診断としては、カテーテルによる冠動脈造影検査(CAG:Coronary Angiography)が主流である。冠動脈の器質的病変の診断指標として、心筋血流予備量比(FFR:Fractional Flow Reserve)がある。FFRは、狭窄非存在下の最大冠血流に対する狭窄存在下の最大冠血流の比率として定義される。FFRは、狭窄近位部冠内圧に対する狭窄遠位部冠内圧の比率に略一致する。カテーテル先端に設けられた圧力センサが測定される。すなわち、FFRの測定は、カテーテル手術を必要とする。   Coronary stenosis is a critical lesion leading to ischemic heart disease. As a diagnosis of coronary stenosis, coronary angiography (CAG) using a catheter is the mainstream. As a diagnostic index of an organic lesion of the coronary artery, there is a myocardial blood flow reserve ratio (FFR: Fractional Flow Reserve). FFR is defined as the ratio of the maximum coronary blood flow in the presence of stenosis to the maximum coronary blood flow in the absence of stenosis. The FFR substantially matches the ratio of the stenotic distal coronary pressure to the proximal stenotic coronary pressure. A pressure sensor provided at the catheter tip is measured. That is, the measurement of FFR requires catheter surgery.

冠動脈の構造流体解析が心臓CTで可能であれば、カテーテル手術によるFFRの測定に比して、低侵襲、患者の負担低減、及び医療コストが節約できる。しかしながら、心臓CTにおいては、CT画像に含まれるプラーク領域あるいは血栓領域の大きさに基づく指標しか非侵襲に計測することしかできない。CT画像に基づいて血栓前後の圧力差などを構造流体解析により計測できれば、血栓(あるいはプラーク)が及ぼす影響の定量化が期待できる。   If structural fluid analysis of coronary arteries is possible with cardiac CT, it is possible to save minimally invasive, reduce patient burden, and save medical costs compared to FFR measurement by catheter surgery. However, in cardiac CT, only an index based on the size of a plaque region or a thrombus region included in a CT image can be measured non-invasively. If the pressure difference before and after the thrombus can be measured by structural fluid analysis based on the CT image, the effect of the thrombus (or plaque) can be quantified.

冠循環の動態評価として臨床的には、超高速CT、シネアンギオグラム、超音波法、SPECT(シングルフォトンエミッショントモグラフィ)やPET(ポジトロンエミッショントモグラフィ)を含む核医学イメージング、MRI(核磁気共鳴画像法)などが開発導入され、診断や治療法の評価に役立っている。   Clinical evaluation of coronary circulation dynamics includes ultrafast CT, cineangiogram, ultrasound, nuclear medicine imaging including SPECT (single photon emission tomography) and PET (positron emission tomography), MRI (nuclear magnetic resonance) Imaging method) has been developed and introduced, which is useful for diagnosis and evaluation of treatment methods.

しかしながら、冠微小血管を医用画像診断装置で正確に捉えることは困難である。また、血管形状が鮮明であっても医用画像にノイズが含まれる場合や、生体組織の境界の閾値設定に曖昧性が存在する場合も多い。このように、医用画像診断装置から得られる血管形状は不確定性を有している。   However, it is difficult to accurately capture coronary microvessels with a medical image diagnostic apparatus. Further, even if the blood vessel shape is clear, there are many cases where the medical image includes noise or there is ambiguity in the threshold setting of the boundary of the living tissue. As described above, the blood vessel shape obtained from the medical image diagnostic apparatus has uncertainty.

臨床応用で活用する場合、冠微小血管より上流の大動脈起始部から冠動脈の太い領域のみを対象として解析が行われる場合も多い。冠動脈の血流が冠微小血管の緊張性(トーヌス)にも大きく影響をうけるため、太い領域の冠動脈の出口における流量あるいは圧力もしくはそれらの変化率といった流体解析の境界条件を適切に設定することが課題となる。また、冠動脈の血流は、心臓の拍動による機械的因子(拍動による全体的な動き、局所的な伸縮、ねじり、せん断変形による強制変位あるいは外力)を受ける。流体解析のみでは、心臓の拍動等の機械的因子の影響を考慮できないため、血流の流量分布や内圧分布を精確に計測することができない。一方、画像で捉えられる心臓および血管系を対象とし、機械的因子の影響を考慮した構造-流体連成解析も実施されている。しかし、構造−流体連成解析を行う場合でも、血液(造影剤を含む)の流体解析における血管の入口や出口の境界条件や血管やプラークの材料モデルを正しく設定することが困難な場合も多い。また、画像に描出されない微小血管が存在する場合には、微小血管が血流に与える影響を考慮できない場合もある。そのため、構造-流体連成解析の解析結果は、実際の血流や血管変形を再現できていない恐れがある。また、境界条件や負荷条件や材料モデルが適切でない場合や、血管が大きな動きを伴う場合、収束性や解析安定性に問題がある場合もある。このように、従来の血管の構造流体解析は、多大な解析リソースと解析時間とが必要となる場合や、解析結果の誤差が大きくなる場合があり、現実的に臨床の現場で活用するのに問題が生じる場合がある。   When utilized in clinical applications, analysis is often performed only on the thick region of the coronary artery from the aortic root upstream of the coronary microvessel. Since coronary blood flow greatly affects coronary microvascular tonicity (tonus), it is possible to appropriately set boundary conditions for fluid analysis such as flow rate or pressure at the exit of coronary artery in the thick region or rate of change thereof It becomes a problem. The blood flow in the coronary arteries is subjected to mechanical factors (total movement due to pulsation, local expansion / contraction, torsion, forced displacement or external force due to shear deformation) due to the pulsation of the heart. The fluid analysis alone cannot take into account the influence of mechanical factors such as the pulsation of the heart, and therefore cannot accurately measure the blood flow distribution and internal pressure distribution. On the other hand, a structure-fluid interaction analysis that considers the influence of mechanical factors has been performed on the heart and vascular system captured by images. However, even when a structure-fluid coupled analysis is performed, it is often difficult to correctly set the boundary condition of the blood vessel inlet and outlet and the blood vessel and plaque material model in the blood (including the contrast medium) fluid analysis. . In addition, when there are micro blood vessels that are not depicted in the image, the influence of the micro blood vessels on the blood flow may not be considered. For this reason, the analysis result of the structure-fluid coupling analysis may not reproduce the actual blood flow and blood vessel deformation. In addition, when boundary conditions, load conditions, and material models are not appropriate, or when a blood vessel is accompanied by a large movement, there may be a problem in convergence and analysis stability. As described above, the conventional structural fluid analysis of blood vessels may require a lot of analysis resources and analysis time, and the error of the analysis result may increase. Problems may arise.

米国特許第8157742号明細書US Pat. No. 8,815,774 門岡ら(ITUジャーナル、心臓シミュレータが拓くテーラーメード医療〜世界最先端の心臓シミュレータとその適用例のご紹介〜、Vol.41、No.6)Kadooka et al. (ITU Journal, Tailor-made Medicine Developed by the Heart Simulator-Introduction of the World's Most Advanced Heart Simulator and its Applications-, Vol. 41, No. 6)

実施形態の目的は、血管(血液を含む)の画像解析と構造流体解析に基づき、狭窄による血流量の変化や圧力損失の変化といった狭窄指標の解析を高精度に行うことを可能とする血管解析装置、血管解析プログラム、及び血解析装置の作動方法を提供することにある。 The purpose of the embodiment is based on image analysis and structural fluid analysis of blood vessels (including blood), and blood vessel analysis that enables highly accurate analysis of stenosis indices such as changes in blood flow and pressure loss due to stenosis device is to provide vascular analysis program, and a method of operating a blood tube analyzer.

実施形態によれば、造影剤が注入された被検体の血管に関する複数の時位相に亘る医用画像のデータが記憶部に記憶される。複数の時位相に亘る医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域が設定される。複数の時位相に亘る医用画像を画像処理して解析対象領域の複数の時相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標が画像処理部で算出される。画像処理部はさらに複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて解析対象領域に含まれる対象部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と局所血管領域における血管断面形状変形指標とが算出される。局所血管領域におけるCT値変化指標と血管断面形状変形指標とに基づいて対象部位に関する狭窄指標が算出される。 According to the embodiment, medical image data over a plurality of time phases related to a blood vessel of a subject into which a contrast agent has been injected is stored in the storage unit. An analysis target region is set in a blood vessel region included in a medical image over a plurality of time phases. Morphology index over a plurality of time-position phase of a plurality of time medical image imaging to the analysis target region spreading phase, the shape deformation index, and CT value change index is calculated by the image processing unit. The image processing unit forms an index further over a plurality of time phases, deformation index, and CT due to flow rate change of the contrast medium in the local vascular region surrounding the target site contained in the analysis target area based on the CT value change index A value change index and a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region are calculated. A stenosis index relating to the target region is calculated based on the CT value change index and the blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region.

本実施形態に係る狭窄指標解析法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the stenosis parameter | index analysis method concerning this embodiment. 本実施形態に係る狭窄指標解析法で用いられる血管狭窄の血流現象に関わるパラメータの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the parameter in connection with the blood-flow phenomenon of the blood vessel stenosis used with the stenosis parameter | index analysis method concerning this embodiment. 本実施形態に係る狭窄指標解析法による狭窄同定前に準備されるべきモデルベースの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the model base which should be prepared before the stenosis identification by the stenosis parameter | index analysis method concerning this embodiment. 本実施形態に係る医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)の概略的なブロック構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic block configuration of a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus) according to the present embodiment. 本実施形態に係る構造流体解析に必要なパラメータの具体的な同定方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the specific identification method of the parameter required for the structural fluid analysis which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る構造流体解析における観測データと推定データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the observation data and estimation data in the structural fluid analysis which concerns on this embodiment. 図4のシステム制御部の制御のもとに行われる構造流体解析処理の典型的な流れを示す図である。It is a figure which shows the typical flow of the structural fluid analysis process performed under control of the system control part of FIG. 図7の構造流体解析処理手順の具体的な流れの一例を処理およびデータ種類から示す図である。It is a figure which shows an example of the specific flow of the structural fluid analysis processing procedure of FIG. 7 from a process and a data type. 図8の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of FIG. 図7の構造流体解析処理手順をさらに具体的に示す図である。It is a figure which shows the structural fluid analysis processing procedure of FIG. 7 more concretely. 本実施形態に係る構造流体解析の対象領域に関する力学モデルの一例を示す図。The figure which shows an example of the dynamic model regarding the object area | region of the structural fluid analysis which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る構造流体解析処理における、階層ベイズモデル及びマルコフ連鎖モンテカルロ法による負荷条件(血管内の平均圧力)に関する事後分布算出と平均内圧の同定とを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the posteriori distribution calculation regarding the load conditions (average pressure in a blood vessel) by the hierarchical Bayes model and the Markov chain Monte Carlo method, and identification of an average internal pressure in the structural fluid analysis process concerning this embodiment. 本実施形態に係る構造流体解析処理における、階層ベイズモデル及びマルコフ連鎖モンテカルロ法による材料モデルパラメータに関する事後分布算出と材料モデルパラメータ(血管壁の等価弾性率)の同定とを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the posterior distribution calculation regarding the material model parameter by the hierarchical Bayes model and the Markov chain Monte Carlo method, and the identification of the material model parameter (equivalent elastic modulus of the blood vessel wall) in the structural fluid analysis processing according to the present embodiment. .

本実施形態に係る血管解析装置は、図1に示すように、検出素子が縦横に配列された二次元アレイ型の検出器を備えて検出器およびX線管の連続回転および連続照射により複数の時位相に亘るボリュームデータ(以下単に医用画像という)を発生するいわゆる4D−CTによる造影剤が注入された被検体の血管(血液を含む)に関する複数時位相の医用画像のデータ(1)を解析して、血管壁座標変化、特定血管領域のCT値変化、断面形状変化の抽出し、血管(狭窄部も含む)および血流(造影剤も含んでも良い)の構造・流体解析条件(2)を同定し、狭窄部前後の圧力変化や流量変化、さらには造影剤濃度変化といった狭窄指標(3)を解析することができる。   As shown in FIG. 1, the blood vessel analyzing apparatus according to the present embodiment includes a two-dimensional array type detector in which detection elements are arranged vertically and horizontally, and a plurality of detectors and X-ray tubes are continuously rotated and continuously irradiated. Analyzing multi-phase medical image data (1) relating to blood vessels (including blood) of a subject injected with a contrast agent by so-called 4D-CT that generates volume data over time phases (hereinafter simply referred to as medical images). Then, extraction of blood vessel wall coordinate change, CT value change of specific blood vessel region, cross-sectional shape change, structure / fluid analysis condition of blood vessel (including stenosis) and blood flow (including contrast medium) (2) And a stenosis index (3) such as pressure change before and after the stenosis, flow rate change, and contrast agent concentration change can be analyzed.

つまり本実施形態では、構造流体解析を行う際に造影剤の濃度勾配(4)をさらに考慮して、狭窄領域の境界条件を同定することで解析精度向上を図っている。   That is, in the present embodiment, the analysis accuracy is improved by identifying the boundary condition of the stenosis region in consideration of the concentration gradient (4) of the contrast agent when performing the structural fluid analysis.

本実施形態に係わる血管解析装置は、血管狭窄部の前後で、狭窄部による血流阻害の影響の大きさに依存して、血管断面形状変化およびCT値変化が特徴的な変化を示すことに着目している。   The blood vessel analysis device according to the present embodiment is characterized in that the change in the cross-sectional shape of the blood vessel and the change in the CT value show characteristic changes before and after the stenosis part, depending on the magnitude of the influence of blood flow inhibition by the stenosis part. Pay attention.

ここで、図2には血管狭窄の血流現象に関わるパラメータの関係を示している。構造・流体解析条件同定処理では、解析対象の血管入口・出口の境界条件(流量、圧力)と、血管壁の材料モデルパラメータ(弾性率)、狭窄部の材料モデルパラメータ(弾性率)、血管壁形状パラメータ(無応力状態の血管形状)、CT値と流量の関係モデルパラメータを同定することを特徴とする。CT値分布や血管断面形状や造影剤濃度や流速分布は相互に依存して変化するため、これらの関係モデルパラメータも考慮して、パラメータを同定することも特徴としている
図2に示すように、狭窄前後の圧力損失、圧力比、流速比、造影剤濃度勾配といった狭窄指標を算出するために、3つの関係モデルを、血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態のCT画像解析および画像追尾による血管形状、血管断面形状変形、CT値変化データを活用して、血管応力解析、血流解析を活用して準備する。
Here, FIG. 2 shows the relationship of parameters related to the blood flow phenomenon of vascular stenosis. In the structure / fluid analysis condition identification process, the boundary conditions (flow rate and pressure) of the target blood vessel inlet and outlet, the material model parameters (elastic modulus) of the blood vessel wall, the material model parameters (elastic modulus) of the stenosis, and the blood vessel wall It is characterized by identifying a shape parameter (an unstressed blood vessel shape) and a relationship model parameter between a CT value and a flow rate. Since the CT value distribution, the blood vessel cross-sectional shape, the contrast medium concentration, and the flow velocity distribution change depending on each other, the feature is that the parameters are identified in consideration of these relational model parameters .
As shown in FIG. 2, in order to calculate a stenosis index such as pressure loss before and after stenosis, pressure ratio, flow rate ratio, and contrast medium concentration gradient, three relational models are calculated: CT in the vasodilation state, the contraction state, and the intermediate state Prepare by utilizing vascular stress analysis and blood flow analysis using vascular shape, vascular cross-sectional shape deformation, CT value change data by image analysis and image tracking.

関係モデル1. 血管断面形状変形51と内圧52と壁厚54と無応力状態断面形状53と血管材料構成式55の関係モデル;Func1
関係モデル2. 血管狭窄前後の圧力損失61と流速62と断面形状63,64と血液材料構成式65の関係モデル;Func2
関係モデル3. CT値71と断面形状72と流速73と造影剤濃度74と造影剤材料構成式75の関係モデル;Func3
これらの関係モデルは、各パラメータ間の応答曲面モデル(例えば多項式などの数式)で表現する。
Relationship model Relationship model of blood vessel cross-sectional shape deformation 51, internal pressure 52, wall thickness 54, unstressed cross-sectional shape 53, and vascular material constitutive equation 55; Func1
Relational model 2. Relationship model of pressure loss 61 before and after blood vessel stenosis, flow velocity 62, cross-sectional shapes 63 and 64, and blood material constitutive equation 65;
Relational model 3. Relational model of CT value 71, cross-sectional shape 72, flow velocity 73, contrast agent concentration 74, and contrast agent material constitutive formula 75; Func3
These relationship models are expressed by response surface models (for example, mathematical expressions such as polynomials) between the parameters.

例えば、図3に例示するように、関係モデル1は、血管断面直径の変形量=Func1(圧力、血管弾性率、ポアソン比、無応力状態直径、初期壁厚)、関係モデル2は、血管狭窄前後の圧力損失=Func2(流速、狭窄部直径、血管形状)、関係モデル3は、CT値=Func3(流速、血管断面直径、造影剤濃度)、があげられる。   For example, as illustrated in FIG. 3, the relationship model 1 is the deformation amount of the blood vessel cross section diameter = Func1 (pressure, vascular elasticity, Poisson's ratio, unstressed diameter, initial wall thickness), and the relationship model 2 is the vascular stenosis. Before and after pressure loss = Func2 (flow velocity, stenosis diameter, blood vessel shape), relational model 3 includes CT value = Func3 (flow velocity, vessel cross-sectional diameter, contrast agent concentration).

ここで、血管狭窄前後の位置は、狭窄前の位置をA、狭窄後の位置をBと表記する。血管応力解析では、狭窄前のAより前の領域や、狭窄後のBより後の領域も含めて応力解析を行う。一方、血流解析では、入口境界条件が圧力条件の場合には、入口が圧力条件の場合には、狭窄前のAの断面を入口とし、また、出口境界条件が圧力条件の場合には、狭窄後のBの断面を出口とする。入口境界条件が流量あるいは流速分布条件の場合には、狭窄前のAより前の領域を、あるいは、出口境界条件が流量あるいは流速分布条件の場合には、狭窄後のBより後の領域も含めて、血流解析を行う。   Here, the positions before and after the stenosis are expressed as A before the stenosis and B after the stenosis. In vascular stress analysis, stress analysis is performed including the region before A before stenosis and the region after B after stenosis. On the other hand, in the blood flow analysis, when the inlet boundary condition is a pressure condition, when the inlet is a pressure condition, the cross section of A before stenosis is taken as the inlet, and when the outlet boundary condition is a pressure condition, The section of B after stenosis is the exit. If the inlet boundary condition is a flow rate or flow velocity distribution condition, include the region before A before stenosis, or if the outlet boundary condition is a flow rate or flow velocity distribution condition, include the region after B after stenosis. Blood flow analysis.

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる血管解析装置及び血管解析プログラムを説明する。   Hereinafter, a blood vessel analysis device and a blood vessel analysis program according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

本実施形態に係る血管解析装置は、医用画像診断装置により発生された医用画像に含まれる血管領域を構造流体解析するためのコンピュータ装置である。本実施形態に係る血管解析装置は、医用画像診断装置に組み込まれていても良いし、医用画像診断装置とは別体のワークステーション等のコンピュータ装置であっても良い。以下、説明を具体的に行うため本実施形態に係る血管解析装置は医用画像診断装置に組み込まれているものとする。   The blood vessel analysis device according to the present embodiment is a computer device for analyzing a structural fluid of a blood vessel region included in a medical image generated by a medical image diagnostic device. The blood vessel analyzing apparatus according to the present embodiment may be incorporated in a medical image diagnostic apparatus, or may be a computer apparatus such as a workstation separate from the medical image diagnostic apparatus. Hereinafter, it is assumed that the blood vessel analyzing apparatus according to the present embodiment is incorporated in a medical image diagnostic apparatus for specific description.

本実施形態に係る医用画像診断装置は、被検体をスキャンするための撮像機構を装備する如何なる種類の画像診断装置にも適用可能である。本実施形態に係る医用画像診断装置としては、例えば、X線コンピュータ断層撮影装置(X線CT装置)、磁気共鳴診断装置、超音波診断装置、SPECT装置、PET装置、放射線治療装置等が適宜利用可能である。以下、説明を具体的に行うため本実施形態に係る医用画像診断装置は、X線コンピュータ断層撮影装置であるものとする。   The medical image diagnostic apparatus according to this embodiment can be applied to any type of image diagnostic apparatus equipped with an imaging mechanism for scanning a subject. As a medical image diagnostic apparatus according to the present embodiment, for example, an X-ray computed tomography apparatus (X-ray CT apparatus), a magnetic resonance diagnostic apparatus, an ultrasonic diagnostic apparatus, a SPECT apparatus, a PET apparatus, a radiotherapy apparatus, etc. are used as appropriate. Is possible. Hereinafter, it is assumed that the medical image diagnostic apparatus according to the present embodiment is an X-ray computed tomography apparatus for specific description.

図4は、本実施形態に係る医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)の概略的なブロック構成図である。図4に示すように、X線コンピュータ断層撮影装置は、CT架台10とコンソール20とを有する。CT架台10は、コンソール20の架台制御部23からの制御に従ってX線で被検体の撮像部位をスキャンする。撮像部位は、典型的には心臓である。CT架台10は、X線管11、X線検出器13、及びデータ収集装置15を有している。X線管11とX線検出器13とは、回転軸Z回りに回転可能にCT架台10に装備されている。X線管11は、造影剤が注入された被検体にX線を照射する。X線検出器13は、X線管11から発生され被検体を透過したX線を検出し、検出されたX線の強度に応じた電気信号を発生する。データ収集装置15は、X線検出器13から電気信号を読み出してデジタルデータに変換する。1ビュー毎のデジタルデータのセットは、生データセットと呼ばれている。複数のスキャン時刻に関する時系列の生データセットは、非接触データ伝送装置(図示しない)によりコンソール20に伝送される。   FIG. 4 is a schematic block diagram of a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus) according to this embodiment. As shown in FIG. 4, the X-ray computed tomography apparatus includes a CT mount 10 and a console 20. The CT gantry 10 scans the imaging region of the subject with X-rays according to the control from the gantry controller 23 of the console 20. The imaging site is typically the heart. The CT mount 10 includes an X-ray tube 11, an X-ray detector 13, and a data acquisition device 15. The X-ray tube 11 and the X-ray detector 13 are mounted on the CT mount 10 so as to be rotatable around the rotation axis Z. The X-ray tube 11 irradiates a subject into which a contrast medium has been injected with X-rays. The X-ray detector 13 detects X-rays generated from the X-ray tube 11 and transmitted through the subject, and generates an electric signal corresponding to the detected X-ray intensity. The data collection device 15 reads an electrical signal from the X-ray detector 13 and converts it into digital data. A set of digital data for each view is called a raw data set. A time-series raw data set relating to a plurality of scan times is transmitted to the console 20 by a non-contact data transmission device (not shown).

コンソール20は、システム制御部21を中枢として、架台制御部23、再構成装置25、画像処理装置27、入力機器29、表示機器31、及び記憶装置33を有している。架台制御部23は、ユーザにより入力機器29を介して設定されたスキャン条件に応じてコンソール20内の各装置を制御する。再構成装置25は、生データセットに基づいて被検体に関するCT画像のデータを発生する。具体的には、まず、再構成装置25は、生データセットに前処理を施して投影データセットを発生する。前処理としては、対数変換や不均一補正、キャリブレーション補正等が含まれる。次に、再構成装置25は、投影データセットに画像再構成処理を施してボリュームデータとしてのCT画像のデータを発生する。画像再構成アルゴリズムとしては、FBP(filtered back projection)法等の解析学的画像再構成法や、ML−EM(maximum likelihood expectation maximization)法やOS−EM(ordered subset expectation maximization)法等の逐次近似画像再構成等の既存のアルゴリズムが採用可能である。本実施形態において再構成装置25は、時系列の投影データセットに基づいて時系列のCT画像のデータを発生する。CT画像は、造影剤により造影された血管に関する画素領域(以下、血管領域と呼ぶことにする。)を含んでいる。なお、CT画像は、CT値の2次元空間分布を表現するスライスデータであっても良いし、CT値の3次元空間分布を表現するボリュームデータであっても良い。以下、CT画像はボリュームデータであるとする。時系列のCT画像のデータは、記憶装置33に記憶される。   The console 20 includes a gantry control unit 23, a reconstruction device 25, an image processing device 27, an input device 29, a display device 31, and a storage device 33 with the system control unit 21 as a center. The gantry control unit 23 controls each device in the console 20 in accordance with the scan condition set by the user via the input device 29. The reconstruction device 25 generates CT image data related to the subject based on the raw data set. Specifically, first, the reconstruction device 25 generates a projection data set by pre-processing the raw data set. Pre-processing includes logarithmic conversion, nonuniformity correction, calibration correction, and the like. Next, the reconstruction device 25 performs image reconstruction processing on the projection data set to generate CT image data as volume data. Image reconstruction algorithms include analytical image reconstruction methods such as FBP (filtered back projection) method, ML-EM (maximum likelihood expectation maximization) method, OS-EM (ordered subset expectation maximization) method, etc. Existing algorithms such as image reconstruction can be employed. In the present embodiment, the reconstruction device 25 generates time-series CT image data based on the time-series projection data set. The CT image includes a pixel region related to a blood vessel contrasted with a contrast agent (hereinafter referred to as a blood vessel region). Note that the CT image may be slice data representing a two-dimensional spatial distribution of CT values, or volume data representing a three-dimensional spatial distribution of CT values. Hereinafter, it is assumed that the CT image is volume data. Time-series CT image data is stored in the storage device 33.

画像処理装置27は、時系列のCT画像に基づいて力学モデルを構築して構造流体解析を実行する。画像処理装置27の処理の詳細については後述する。入力機器29は、ユーザからの各種指令や情報入力を受け付ける。入力機器29としては、キーボードやマウス、スイッチ等が利用可能である。表示機器31は、CT画像や構造流体解析結果等の種々の情報を表示する。表示機器31としては、例えばCRTディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、プラズマディスプレイ等が適宜利用可能である。記憶装置33は、ハードディスク装置等の種々の記憶媒体により構成される。記憶装置33は、造影剤を注入された被検体を対象とする時系列の投影データや時系列のCT画像データ等の種々のデータを記憶する。例えば、記憶装置33は、時系列のCT画像データをDICOM(digital imaging and communications in medicine)規格に準拠した医用画像ファイル形式で記憶する。また、記憶装置33は、外部機器により収集された医用データを時系列のCT画像データに医用画像ファイル内において関連付けて記憶しても良い。   The image processing device 27 constructs a dynamic model based on time-series CT images and executes structural fluid analysis. Details of the processing of the image processing device 27 will be described later. The input device 29 receives various commands and information input from the user. As the input device 29, a keyboard, a mouse, a switch, or the like can be used. The display device 31 displays various information such as CT images and structural fluid analysis results. As the display device 31, for example, a CRT display, a liquid crystal display, an organic EL display, a plasma display, or the like can be used as appropriate. The storage device 33 is composed of various storage media such as a hard disk device. The storage device 33 stores various data such as time-series projection data and time-series CT image data for a subject into which a contrast medium has been injected. For example, the storage device 33 stores time-series CT image data in a medical image file format conforming to the DICOM (digital imaging and communications in medicine) standard. The storage device 33 may store medical data collected by an external device in association with time-series CT image data in a medical image file.

システム制御部21は、中央演算処理装置(CPU:central processing unit)や読み出し専用メモリ(ROM:read only memory)、ランダムアクセスメモリ(RAM:random access memory)を有する。システム制御部21は、X線コンピュータ断層撮影装置の中枢として機能する。システム制御部21は、ROMやRAMに記憶されている血管解析プログラムを実行して本実施形態に係る血管構造解析処理を実行する。   The system control unit 21 includes a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), and a random access memory (RAM). The system control unit 21 functions as the center of the X-ray computed tomography apparatus. The system control unit 21 executes a blood vessel structure analysis process according to the present embodiment by executing a blood vessel analysis program stored in the ROM or RAM.

なお、システム制御部21、画像処理装置27、入力機器29、表示機器31、及び記憶装置33は、血管解析装置50を構成する。本実施形態のように血管解析装置50は、医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)に組み込まれていても良いし、医用画像診断装置とは別体のコンピュータ装置であっても良い。血管解析装置50が医用画像診断装置とは別体の場合、血管解析装置50は、医用画像診断装置やPACS(picture archiving and communication systems)からネットワークを介して時系列のCT画像等の医用データを収集すれば良い。   The system control unit 21, the image processing device 27, the input device 29, the display device 31, and the storage device 33 constitute a blood vessel analysis device 50. As in the present embodiment, the blood vessel analyzing apparatus 50 may be incorporated in a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus), or may be a computer apparatus separate from the medical image diagnostic apparatus. When the blood vessel analysis device 50 is separate from the medical image diagnostic device, the blood vessel analysis device 50 receives medical data such as time-series CT images from the medical image diagnostic device or PACS (picture archiving and communication systems) via a network. Collect it.

次に、図5を参照して、本実施形態に係る動作例を簡単に説明する。なお、本実施形態に係る血管解析装置は、心臓血管や頸動脈、脳動脈等の人体のあらゆる部位の血管を解析対象とすることができる。しかしながら、以下、説明を具体的に行うため本実施形態に係る解析対象は、心臓の血管であるとする。心臓の血管について簡単に説明すると、心臓の血管としては、例えば、冠動脈と大動脈とが挙げられる。冠動脈は、大動脈の冠動脈起始部から始まり心筋表面を走行し、心外膜側から内膜側に入り込む。冠動脈は、心筋の内膜において無数の毛細管に分岐する。分岐後、無数の毛細管は、再び統合して大心静脈を形成し、冠静脈洞に接続する。冠血管系は、他の臓器と異なり、心筋の収縮及び弛緩という力学的変化のなかで、灌流が保障されなければならないという点で特徴的である。   Next, an example of an operation according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. Note that the blood vessel analysis device according to the present embodiment can analyze blood vessels in all parts of the human body such as cardiovascular, carotid artery, and cerebral artery. However, in the following, for the sake of specific description, it is assumed that the analysis target according to the present embodiment is a blood vessel of the heart. Briefly describing the blood vessels of the heart, examples of the blood vessels of the heart include a coronary artery and an aorta. The coronary artery starts from the coronary artery origin of the aorta, travels on the myocardial surface, and enters the intima side from the epicardium side. The coronary arteries branch into myriad capillaries in the intima of the myocardium. After bifurcation, countless capillaries reintegrate to form the great cardiac vein and connect to the coronary sinus. Unlike other organs, the coronary vasculature is unique in that perfusion must be guaranteed in the course of mechanical changes such as myocardial contraction and relaxation.

冠血流の特徴としては、心筋収縮による機械的血流阻害作用で冠動脈起始部の内圧が高くなる収縮期よりも、左心室拡張期に灌流圧が低下したときに多く流れることである。そのため、正常の冠動脈血流速波形は収縮期と拡張期の二峰性であり、拡張期血流が優位である。肥大型心筋症や大動脈弁狭窄症では収縮期に逆行性波を認め、大動脈逆流症では収縮期順行波が大きくなるなど疾患によって特異的な血流波形を呈することが知られている。また、拡張期の順行性波形は左室拡張機能、特に左室弛緩と密接な関係がある。左室弛緩遅延例では拡張期波形のピークが後ろにずれ、また減速脚がゆるやかになる傾向がある。また、このような症例では、頻拍時には拡張期の冠血流は十分に増大できず、心筋虚血を助長すると考えられる。   A characteristic of coronary blood flow is that it flows more when the perfusion pressure decreases in the left ventricular diastole than in the systole where the internal pressure at the coronary artery origin increases due to the mechanical blood flow inhibition effect due to myocardial contraction. Therefore, the normal coronary blood flow velocity waveform is bimodal in the systolic and diastolic phases, and the diastolic blood flow is dominant. It is known that retrograde waves are observed during systole in hypertrophic cardiomyopathy and aortic stenosis, and specific blood flow waveforms are exhibited depending on the disease, such as an increase in the systolic forward wave in aortic regurgitation. In addition, the antegrade waveform in the diastole is closely related to the left ventricular dilation function, particularly the left ventricular relaxation. In the left ventricular relaxation delay example, the peak of the diastolic waveform shifts backward, and the deceleration leg tends to be gentle. In such cases, coronary blood flow during diastole cannot be sufficiently increased during tachycardia, which may promote myocardial ischemia.

解剖学的に大動脈起始部から分岐する左右冠動脈に大動脈圧に等しい冠灌流圧(すなわち、冠動脈が分枝する大動脈起始部の圧力)がかかることにより、冠血流が生じる。冠血流を決定するのは大動脈圧である駆動圧とともに冠血管抵抗が重要である。140〜180μm以上の太い冠血管には冠血管低抗の20%程度が存在するのに対し、100〜150μm以下の微小血管には抵抗成分の残りの多くが存在するといわれる。従って、いわゆる冠狭窄などのない場合には抵抗値は冠微小血管の緊張性(トーヌス)に左右される。   Coronary blood flow is generated by applying coronary perfusion pressure equal to the aortic pressure (that is, the pressure at the aortic root where the coronary artery branches) to the left and right coronary arteries branching anatomically from the aortic root. Coronary blood flow resistance as well as driving pressure, which is aortic pressure, is important for determining coronary blood flow. A thick coronary vessel of 140 to 180 μm or more has about 20% of the resistance to coronary vessels, whereas a microvessel of 100 to 150 μm or less is said to have a lot of remaining resistance components. Therefore, in the absence of so-called coronary stenosis, the resistance value depends on the tonicity of coronary microvessels.

血管抵抗因子としては、血管特性、動脈硬化、管狭窄、血液粘性、機械的因子があげられる。冠微小血管のトーヌスは、血管特性、心筋代謝(心筋酸素消費)、神経体液性因子、機械的因子、体液因子としての各種の血管作動性物質、血液粘性に規定され、さらに、心肥大、冠動脈硬化などを含めた様々な病変によっても影響され冠循環障害を起こす。   Vascular resistance factors include vascular properties, arteriosclerosis, vascular stenosis, blood viscosity, and mechanical factors. Coronary microvessel tonus is defined by vascular properties, myocardial metabolism (myocardial oxygen consumption), neurohumoral factors, mechanical factors, various vasoactive substances as humoral factors, blood viscosity, cardiac hypertrophy, coronary artery Coronary circulatory disturbance is also affected by various lesions including sclerosis.

冠動脈血流拍動は、冠動脈血流の拍動パターン、心筋収縮による心筋内血流の制御、機械的刺激に対する心筋内血管の反応に影響される。心筋収縮が血流を阻害する機序としては、心筋内圧の上昇、心筋内血管容量の変化、心筋内血管の圧迫が挙げられる。心筋拡張期の血流規定因子には、拡張期の冠動脈圧、拡張期の血管外力、心拍数、心周期に占める拡張期の割合、心筋弛緩が存在する。   Coronary blood flow pulsation is affected by the pulsation pattern of coronary blood flow, the control of intramyocardial blood flow by myocardial contraction, and the intramyocardial vascular response to mechanical stimulation. The mechanism by which myocardial contraction inhibits blood flow includes an increase in intramyocardial pressure, changes in intramyocardial vascular volume, and compression of intramyocardial blood vessels. The blood flow regulating factor in the myocardial diastole includes diastole coronary artery pressure, diastole extravascular force, heart rate, ratio of diastole to cardiac cycle, and myocardial relaxation.

次に構造流体解析に必要なパラメータの具体的な同定方法について図6を参照して説明する。同定方法の流れは次の通りである。血管収縮状態1、拡張収縮中間状態2、拡張状態3における狭窄前の断面直径din1、 d in2、 d in3、狭窄後の断面直径dout1、 d out2、 d out3より次を求める。
Pin1=Func1(din1、 E、 d0)
Pin2=Func1(din2、 E、 d0)
Pin3=Func1(din3、 E、 d0)
Pout1=Func1(dout1、 E、 d0)
Pout2=Func1(dout2、 E、 d0)
Pout3=Func1(dout3、 E、 d0)
0=Func1(d0、 E、 d0)
ただしEは血管の硬さパラメータ、d0は無応力状態の直径である。
ΔP1= Pin1 − Pout1
ΔP2= Pin2 − Pout2
ΔP3= Pin3 − Pout3
狭窄部の内腔形状パラメータをdpとすると
ΔP1=Func2(v1、dp)
ΔP2=Func2(v2、dp)
ΔP3=Func2(v3、dp)
を求める。
Next, a specific method for identifying parameters necessary for structural fluid analysis will be described with reference to FIG. The flow of the identification method is as follows. The following is obtained from the cross-sectional diameters d in1 , d in2 , d in3 before stenosis and the cross-sectional diameters d out1 , d out2 , d out3 after stenosis in the vasoconstriction state 1, the expansion / contraction intermediate state 2, and the expansion state 3.
P in1 = Func1 (d in1 , E, d 0 )
P in2 = Func1 (d in2 , E, d 0 )
P in3 = Func1 (d in3 , E, d 0 )
P out1 = Func1 (d out1 , E, d 0 )
P out2 = Func1 (d out2 , E, d 0 )
P out3 = Func1 (d out3 , E, d 0 )
0 = Func1 (d 0 , E, d 0 )
Where E is the stiffness parameter of the blood vessel and d 0 is the unstressed diameter.
ΔP 1 = P in1 − P out1
ΔP 2 = P in2 − P out2
ΔP 3 = P in3 − P out3
If the lumen shape parameter of the stenosis is d p
ΔP 1 = Func2 (v 1 , d p )
ΔP 2 = Func2 (v 2 , d p )
ΔP 3 = Func2 (v 3 , d p )
Ask for.

流量0のときのCT値をCT0とすると、状態1、2、3のCT値とからv1、v2、v3と CT1−CT0、 CT2−CT0、 CT3−CT0がFunc3の関係を満たすように階層ベイズアルゴリズムで、パラメータE、d0、dpを求める。状態1、2、3のそれぞれで得られたdpと圧力分布の関係から狭窄部の硬さパラメータEpを構造逆解析により求める。 If the CT value at flow rate 0 is CT0, hierarchical Bayes such that v1, v2, v3 and CT1-CT0, CT2-CT0, CT3-CT0 satisfy the Func3 relationship from the CT values in states 1, 2, and 3. Parameters E, d 0 , and d p are obtained by an algorithm. From the relationship between d p obtained in each of states 1, 2, and 3 and the pressure distribution, the hardness parameter E p of the stenosis is obtained by structural inverse analysis.

前記の3つの応答曲面モデル(各パラメータの関係式)を、拡張時と収縮時およびその中間状態のCT画像処理データに基づく構造・流体解析により作成し、圧力損失、血管硬さ(弾性率)、流量を推定値として、狭窄部直径と無応力状態直径をパラメータに、階層ベイズ&マルコフ連鎖モンテカルロ法により、観測できる変数から、観測できない変数を得る。   The above three response surface models (relational equations for each parameter) are created by structural / fluid analysis based on CT image processing data during expansion, contraction, and intermediate states, pressure loss, vessel hardness (elastic modulus) Using the flow rate as an estimated value and the diameter of the constriction and the stress-free state as parameters, the variable that cannot be observed is obtained from the variable that can be observed by the hierarchical Bayes & Markov chain Monte Carlo method.

これら構造流体解析では、造影画像を用いて、その造影剤の濃度勾配をさらに考慮して、狭窄領域の境界条件を同定することでその解析精度向上を図っている。   In these structural fluid analyses, the accuracy of the analysis is improved by identifying the boundary condition of the stenosis region by using the contrast image and further considering the concentration gradient of the contrast agent.

次に、本実施形態に係る構造流体解析処理の詳細について説明する。図7は、本実施形態に係るシステム制御部21の制御のもとに行われる構造流体解析処理の典型的な流れを示す図である。図8、図9は処理の流れをデータ種類から示している。図9は、図8の流れに対して構造流体解析を用いている点において相違し、他は同一である。図10は画像処理装置27を具体的に示している。   Next, details of the structural fluid analysis processing according to the present embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram showing a typical flow of structural fluid analysis processing performed under the control of the system control unit 21 according to the present embodiment. 8 and 9 show the flow of processing from the data type. FIG. 9 differs in that it uses structural fluid analysis for the flow of FIG. 8, and is otherwise the same. FIG. 10 specifically shows the image processing device 27.

図7に示すように、構造流体解析処理において、まず、システム制御部21の制御により4Dデータ取得部41により記憶装置33から処理対象の医用画像ファイルが読み出される。医用画像ファイルは、造影剤が注入された被検体に関する時系列のCT画像のデータの他に、血圧データ取得部41で取得された当該被検体に関する血管内腔に関する圧力値のデータ、流量・流速データ取得部43等で取得された血液流量指標の観測値のデータ、及びプラーク指標を含んでいる。CT画像以外ではMRI画像や超音波エコー画像であってもよい。時系列のCT画像のデータは、時系列のCT値の3次元空間分布を表現するデータである。時系列のCT画像は、例えば、1心拍で約20枚、すなわち、約20心位相分のCT画像を含んでいる。   As shown in FIG. 7, in the structural fluid analysis process, first, the medical image file to be processed is read from the storage device 33 by the 4D data acquisition unit 41 under the control of the system control unit 21. The medical image file includes, in addition to time-series CT image data relating to the subject into which the contrast agent has been injected, pressure value data relating to the blood vessel lumen obtained by the blood pressure data obtaining unit 41, flow rate / flow velocity. Data on the observed value of the blood flow index acquired by the data acquisition unit 43 and the like, and a plaque index are included. Other than the CT image, an MRI image or an ultrasonic echo image may be used. The time-series CT image data is data representing a three-dimensional spatial distribution of time-series CT values. The time-series CT images include, for example, about 20 CT images for one heartbeat, that is, about 20 heart phases.

システム制御部21は、画像処理装置27に領域設定処理を行わせる(ステップS1)。ステップS1において画像処理装置27は、時系列のCT画像に含まれる血管領域に構造流体解析の解析対象領域を設定する。解析対象領域は、冠動脈に関する血管領域の任意の一部分に設定される。例えばユーザによる入力機器29を介した指示、または、画像処理により血管領域に解析対象領域と同定対象領域を設定する。   The system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform area setting processing (step S1). In step S <b> 1, the image processing device 27 sets an analysis target region for structural fluid analysis in a blood vessel region included in a time-series CT image. The analysis target region is set to an arbitrary part of the blood vessel region related to the coronary artery. For example, the analysis target region and the identification target region are set in the blood vessel region by an instruction from the user via the input device 29 or by image processing.

血管の構造について簡単に説明する。血管は、管状の血管壁を有している。血管壁の中心軸は芯線と呼ばれている。血管壁の内側は内腔と呼ばれている。内腔に血液が流れる。内腔と血管壁との境は血管内壁と呼ばれている。血管壁の外側には心筋等の血管周辺組織が分布している。血管壁と血管周辺組織との境は血管外壁と呼ばれている。血管壁内部にプラークが発生することがある。プラークは、例えば、石灰化した石灰化プラーク、粥状プラーク等に分類される。粥状プラークは、やわらかく、血管内壁が破裂して血栓として血管内部に染み出す危険性があり、不安定プラークと呼ばれることもある。従って、プラークの性状を把握することは臨床的に有用である。プラークの性状や存在領域は、医用画像ファイルに含まれるプラーク指標により特定可能である。プラーク指標は、例えば骨のCT値を基準に正規化したCT値の大きさなどにより相対的に判別することができる。しかしながら、血管内部のプラークの変形特性や硬さを解析するのは容易ではない。   The structure of the blood vessel will be briefly described. The blood vessel has a tubular blood vessel wall. The central axis of the blood vessel wall is called the core wire. The inside of the vessel wall is called the lumen. Blood flows into the lumen. The boundary between the lumen and the blood vessel wall is called the blood vessel inner wall. A tissue around a blood vessel such as a myocardium is distributed outside the blood vessel wall. The boundary between the blood vessel wall and the tissue surrounding the blood vessel is called the blood vessel outer wall. Plaques may develop inside the vessel wall. Plaques are classified into, for example, calcified calcified plaques, rod-shaped plaques and the like. Spider-like plaque is soft and has a risk of rupturing the inner wall of the blood vessel and oozing out into the blood vessel as a thrombus, and is sometimes called unstable plaque. Therefore, it is clinically useful to grasp the characteristics of plaque. Plaque properties and existing areas can be identified by a plaque index included in the medical image file. The plaque index can be relatively discriminated by, for example, the magnitude of the CT value normalized with reference to the CT value of bone. However, it is not easy to analyze the deformation characteristics and hardness of the plaque inside the blood vessel.

ステップS1が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に時系列のCT画像に画像処理を施させて時系列の血管形態指標、時系列の血管形状変形指標、及びCT値変化指標を計算する。(ステップS2)。時系列の血管形状変形指標は具体的には、画像解析・画像追尾部44により時系列のCT画像に画像解析処理を施すことにより時系列の血管形態指標を算出し、時系列のCT画像に追尾処理を施すことにより算出される。   When step S1 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform image processing on the time-series CT image to obtain a time-series blood vessel shape index, a time-series blood vessel shape deformation index, and a CT value change index. calculate. (Step S2). More specifically, the time-series blood vessel shape deformation index is calculated by performing image analysis processing on the time-series CT image by the image analysis / image tracking unit 44 to obtain a time-series blood vessel shape index. It is calculated by performing a tracking process.

より詳細には、解析処理において、各CT画像から血管領域を抽出し、血管の内腔に関する画素領域(以下、血管内腔領域と呼ぶ)と血管壁に関する画素領域(以下、血管壁領域と呼ぶ)とを特定する。血管形態指標として、血管の芯線に垂直な断面、あるいは血管内腔面に垂直な面が、血管内腔、血管壁、プラーク領域に交わる領域上の複数の画素の3次元座標を特定する。なお、血管形態指標は、3次元座標だけでなく、芯線に垂直な断面における一定角度ごとの血管内腔の半径や直径及び0°の方向ベクトル、あるいは断面における全角度に対する平均面積や平均半径、あるいは、芯線方向に垂直な複数の断面で囲まれた血管内腔容積、あるいは内腔面に垂直な複数断面で囲まれた血管壁容積やプラーク容積等の幾何学的指標でも良い。   More specifically, in the analysis processing, a blood vessel region is extracted from each CT image, and a pixel region related to the lumen of the blood vessel (hereinafter referred to as a blood vessel lumen region) and a pixel region related to the blood vessel wall (hereinafter referred to as a blood vessel wall region). ). As a blood vessel morphology index, a three-dimensional coordinate of a plurality of pixels on a region where a cross section perpendicular to a blood vessel core line or a surface perpendicular to a blood vessel lumen surface intersects a blood vessel lumen, a blood vessel wall, and a plaque region is specified. The blood vessel shape index is not only a three-dimensional coordinate, but also a radius and diameter of a blood vessel lumen at a certain angle in a cross section perpendicular to the core line and a direction vector of 0 °, or an average area and average radius for all angles in the cross section, Alternatively, it may be a vascular lumen volume surrounded by a plurality of cross sections perpendicular to the core line direction, or a geometric index such as a blood vessel wall volume or a plaque volume surrounded by a plurality of cross sections perpendicular to the lumen surface.

追尾処理において、ユーザからの入力機器29を介した指示または画像処理により、血管領域や血液や造影剤やプロトンにおける特徴点や特徴形状、代表点、画素等の複数の追跡点を設定する。例えば、血管分岐部や表面の特徴形状などの追跡点集合を設定する。各時刻(各心位相)における追尾処理により得られた追跡点集合の変位データから、力学モデルの血管壁表面あるいは血管壁内部あるいは血管内腔における節点の変位の時間的変化を補間処理などにより算出し、強制変位として与える。また、例えば力学モデルに血管芯線上の節点を定義する。力学モデルの血管壁表面あるいは血管壁内部あるいは血管内腔における節点の変位の時間的変化から、血管の芯線方向に関する伸縮やねじりや曲げに関する変形を抽出し、血管芯線と芯線に垂直な断面における節点の強制変位として与えることで表現しても良い。このように、血管形状変形指標としては、力学モデルにおける各時刻の節点の強制変位データ(強制変位履歴)を特定する。さらに画像解析・追尾処理を説明する。例えば、時系列の医用画像は、1心拍につき20枚のCT画像を含んでいるものとする。すなわち、心位相0%から95%まで5%おきにCT画像が得られているものとする。画像解析・追尾処理部53により血管領域の芯線が抽出される。芯線の形態は、心位相の経過に従って変化している。   In the tracking process, a plurality of tracking points such as a feature point, a feature shape, a representative point, and a pixel in a blood vessel region, blood, contrast medium, and proton are set by an instruction or image processing from the user via the input device 29. For example, a tracking point set such as a blood vessel bifurcation or a surface feature shape is set. From the displacement data of the tracking point set obtained by the tracking process at each time (each cardiac phase), the temporal change of the displacement of the node on the vascular wall surface or inside the vascular wall or in the vascular lumen of the dynamic model is calculated by interpolation processing etc. And given as forced displacement. For example, a node on the blood vessel core line is defined in the dynamic model. From the temporal change in the displacement of the node on the surface of the blood vessel wall, inside the blood vessel wall or inside the blood vessel in the mechanical model, the deformation in the blood vessel core line direction is extracted, and deformations related to torsion and bending are extracted and the nodes in the cross section perpendicular to the blood vessel core line and the core line are extracted. It may be expressed by giving it as a forced displacement. Thus, the forced displacement data (forced displacement history) at the nodes at each time in the dynamic model is specified as the blood vessel shape deformation index. Further, image analysis / tracking processing will be described. For example, it is assumed that a time-series medical image includes 20 CT images per heartbeat. That is, it is assumed that CT images are obtained every 5% from 0% to 95% of the cardiac phase. The image analysis / tracking processing unit 53 extracts the core line of the blood vessel region. The form of the core wire changes as the cardiac phase progresses.

血管芯線上に力学モデルにおける節点P1〜P10が設定されており、各断面上の血管の力学モデルの節点と力学的につながっている。ただし、血液の力学モデルの節点とは独立である。血管の追跡点の変位データをもとに、血管芯線上のP1からP20の節点の変位データを補間などの処理により算出し、各節点に強制変位が設定されているものとする。血管形状変形指標と血管形態指標について説明するため、節点P13と節点P14とにより規定される局所血管領域RAを考える。時刻tにおいて、芯線方向に関する節点P13と節点P14との間の距離がLであり、血管領域の半径がrであるとする。画像解析・追尾処理部53から、節点P13と節点P14の血管芯線方向の伸縮やねじりや曲げといった強制変位を抽出することにより、節点P13の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)と節点P14の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)を算出する。例えば、ねじり角は、線a及びbから構成される面の法線方向ベクトルcの変化から算出しても良い。   Nodes P1 to P10 in the dynamic model are set on the blood vessel core line and are mechanically connected to the nodes of the blood vessel dynamic model on each cross section. However, it is independent of the nodes of the blood dynamic model. It is assumed that the displacement data of the nodes P1 to P20 on the blood vessel core line is calculated based on the displacement data of the blood vessel tracking point by a process such as interpolation, and the forced displacement is set at each node. In order to describe the blood vessel shape deformation index and the blood vessel shape index, a local blood vessel region RA defined by the node P13 and the node P14 is considered. It is assumed that the distance between the node P13 and the node P14 in the core line direction is L and the radius of the blood vessel region is r at time t. By extracting forced displacement such as expansion / contraction, torsion and bending in the blood vessel core direction between the nodes P13 and P14 from the image analysis / tracking processing unit 53, the forced displacement of the node P13 (moving displacement in the three-dimensional space and the core line direction) Rotational displacement) and forced displacement of the node P14 (moving displacement in the three-dimensional space and rotational displacement in the core line direction) are calculated. For example, the torsion angle may be calculated from a change in the normal direction vector c of the surface composed of the lines a and b.

追跡点の座標と移動ベクトルとに基づいて、芯線上の各節点の強制変位(3次元空間における移動変位と、芯線方向の回転変位)を算出し、血管形状変形指標を算出する。例えば、隣り合う2つの節点の座標差の時間変化を芯線方向に関する伸縮距離ΔLとして算出する。また各芯線上の節点について、当該節点と当該節点を含む血管領域断面上の他の節点(血管内腔あるいは血管壁あるいはプラーク領域における節点)との間の距離の時間変化を半径方向に関する伸縮距離Δrとして算出する。また、各追跡点について、当該追跡点の近傍の複数の追跡点の座標と移動ベクトルとに基づいて、芯線上の当該節点の芯線方向のねじれ角度Δθを算出する。また血液領域の造影剤やプロトンの画像追尾により、血液流量指標として、流速あるいは芯線方向断面の平均流速あるいは平均流量を算出してもよい。   Based on the coordinates of the tracking point and the movement vector, a forcible displacement (movement displacement in the three-dimensional space and rotational displacement in the direction of the core line) of each node on the core line is calculated, and a blood vessel shape deformation index is calculated. For example, the time change of the coordinate difference between two adjacent nodes is calculated as the expansion / contraction distance ΔL in the core line direction. In addition, with respect to the nodes on each core line, the time change of the distance between the node and other nodes on the cross section of the blood vessel region including the node (nodes in the blood vessel lumen, the blood vessel wall, or the plaque region) is changed by the expansion / contraction distance in the radial direction. Calculated as Δr. Further, for each tracking point, the twist angle Δθ in the core line direction of the node on the core line is calculated based on the coordinates of the plurality of tracking points near the tracking point and the movement vector. Alternatively, the blood flow contrast index or proton image tracking may be used to calculate the flow velocity or the average flow velocity or average flow rate in the cross section in the core line direction as the blood flow index.

血管形状変形指標は、力学モデルにおける強制変位として利用される。以下、時系列の血管形態指標を形状履歴と呼び、時系列の血管形状変形指標を強制変位履歴と呼ぶことにする。   The blood vessel shape deformation index is used as a forced displacement in the dynamic model. Hereinafter, the time-series blood vessel shape index is referred to as a shape history, and the time-series blood vessel shape deformation index is referred to as a forced displacement history.

ステップS2が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に時系列の血管形態指標、時系列の血管形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて解析対象領域に含まれる狭窄部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と血管断面形状変形指標とを算出させる(ステップS3)。   When step S <b> 2 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to surround the stenosis site included in the analysis target region based on the time-series blood vessel shape index, the time-series blood vessel shape deformation index, and the CT value change index. The CT value change index and the blood vessel cross-sectional shape deformation index due to the change in the contrast agent flow rate in the local blood vessel region are calculated (step S3).

次にシステム制御部21は、画像処理装置27に構築処理を行わせる(ステップS4)。ステップS4において画像処理装置27の力学モデル構築部55は、形状履歴(時系列の血管形態指標)と強制変位履歴(時系列の血管形状変形指標)と時系列の医用画像(CT画像、MRI画像、超音波エコー画像などのDICOMデータ)とに基づいて解析対象領域に関する力学モデルを暫定的に構築する。力学モデルは、構造流体解析を行うための解析対象領域に関する数値モデルである。   Next, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform a construction process (step S4). In step S4, the dynamic model construction unit 55 of the image processing apparatus 27 performs shape history (time-series blood vessel shape index), forced displacement history (time-series blood vessel shape deformation index), and time-series medical image (CT image, MRI image). Then, a dynamic model relating to the analysis target region is provisionally constructed on the basis of DICOM data such as an ultrasonic echo image. The dynamic model is a numerical model related to an analysis target region for performing structural fluid analysis.

ステップS4について詳細に説明する。力学モデル構築においては、まず、医用画像と形状履歴とに基づいて、力学モデル(数理モデル)を解くための形状モデルを構築する。形状モデルは、各時刻における血管領域の幾何学的構造を模式的に表現したものである。形状モデルは、例えば、複数の離散化領域に区分されている。各離散化領域の頂点は、節点と呼ばれる。時刻毎の医用画像に含まれる血管領域と血管形態指標とに基づいて時刻毎の形状モデルを構築しても良いし、特定の時相の医用画像に含まれる血管領域と血管形態指標とに基づいて時刻毎の形状モデルを構築しても良い。また、例えば、初期の負荷状態として、解析対象領域に対応する血管に残留応力が存在しないと仮定する場合、無応力状態の時相として、解析対象領域に対応する血管が最も収縮した時相を無応力状態であると仮定する。   Step S4 will be described in detail. In building a dynamic model, first, a shape model for solving a dynamic model (mathematical model) is built based on a medical image and a shape history. The shape model schematically represents the geometric structure of the blood vessel region at each time. The shape model is divided into, for example, a plurality of discretized regions. The vertices of each discretized region are called nodes. A shape model for each time may be constructed based on the blood vessel region and the blood vessel shape index included in the medical image for each time, or based on the blood vessel region and the blood vessel shape index included in the medical image at a specific time phase. Thus, a shape model for each time may be constructed. Further, for example, when it is assumed that there is no residual stress in the blood vessel corresponding to the analysis target region as the initial load state, the time phase in which the blood vessel corresponding to the analysis target region is most contracted is set as the time phase in the no stress state. Assume no stress.

形状モデルは、芯線から外側に向けて血管内腔領域、血管壁領域を有している。プラークが存在する場合、血管壁領域にプラーク領域を設けても良い。また、血管周辺組織による血管への影響を考慮する場合、血管周辺組織のダミー要素を血管壁領域の外側に設けても良い。   The shape model has a blood vessel lumen region and a blood vessel wall region outward from the core line. When plaque exists, a plaque region may be provided in the blood vessel wall region. Further, when considering the influence on the blood vessel by the blood vessel peripheral tissue, a dummy element of the blood vessel peripheral tissue may be provided outside the blood vessel wall region.

図11に示すように、形状モデルが構築されると、各潜在変数の確率分布や変数範囲から得られる潜在変数のパラメータに関するサンプリング値(例えばマルコフ連鎖モンテカルロ法などによる、各パラメータの組み合わせの集合からのサンプリング)を力学モデルに設定する。例えば解析条件同定部45により大動脈領域R1の大動脈起始部側の末端に入口に関する境界条件の同定対象の領域(以下、境界条件同定領域)を設定し、右冠動脈領域R2の末端と左冠動脈領域R3の末端とに出口に関する境界条件同定領域を設定する。各境界条件同定領域に境界条件の確率分布や変数範囲から得られる境界条件のパラメータに関するサンプリング値を割り当てる。また、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、及び左冠動脈領域R3に材料モデルの同定対象の領域(以下、材料モデル同定領域と呼ぶ)及び負荷条件の同定対象の領域(以下、負荷条件同定領域と呼ぶ)を設定する。各材料モデル同定領域に材料モデルの確率分布や変数範囲から得られる材料モデルのパラメータに関するサンプリング値を割り当て、各負荷条件同定領域に負荷条件の確率分布や変数範囲から得られる負荷条件のパラメータに関するサンプリング値を割り当てる。血管は、流量が0でも残留応力が存在すると言われている。例えば、力学モデル構築処理S4では、流量が0の場合の残留応力を負荷条件の初期値として解析対象領域に割り当てても良い。また、力学モデル構築処理S4では、幾何学的構造に不確定性がある部位に、幾何学的構造の同定対象の領域(以下、幾何学的構造同定領域と呼ぶ)を設定しても良い。なお、幾何学的構造のパラメータは、幾何学的構造の不確定性に関連するばらつき分布パラメータ、あるいは医用画像データに内在するばらつき分布パラメータであり、各CT値のばらつき分布や生体組織の境界閾値のばらつき分布などであってよい。詳細は、後述するが、プラーク領域に材料モデルを設定しても良い。材料モデルの詳細については後述する。   As shown in FIG. 11, when a shape model is constructed, sampling values relating to parameters of latent variables obtained from the probability distribution and variable range of each latent variable (for example, from a set of combinations of parameters by Markov chain Monte Carlo method). Sampling) in the dynamic model. For example, the analysis condition identification unit 45 sets a region to be identified for boundary conditions related to the entrance (hereinafter referred to as boundary condition identification region) at the end of the aortic region R1 on the aortic origin side, and the end of the right coronary artery region R2 and the left coronary artery region A boundary condition identification region relating to the exit is set at the end of R3. A sampling value related to a boundary condition parameter obtained from a boundary condition probability distribution or a variable range is assigned to each boundary condition identification region. In addition, the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3 include a material model identification target region (hereinafter referred to as a material model identification region) and a load condition identification target region (hereinafter referred to as a load condition identification region). Set). Sampling values related to the material model parameters obtained from the probability distribution and variable range of the material model are assigned to each material model identification region, and sampling related to the load condition parameters obtained from the probability distribution of the load condition and variable range is assigned to each load condition identification region. Assign a value. It is said that blood vessels have residual stress even when the flow rate is zero. For example, in the dynamic model construction process S4, the residual stress when the flow rate is 0 may be assigned to the analysis target region as the initial value of the load condition. Further, in the dynamic model construction process S4, a region for which the geometric structure is to be identified (hereinafter referred to as a geometric structure identification region) may be set in a region where the geometric structure is uncertain. The geometric structure parameter is a variation distribution parameter related to the uncertainty of the geometric structure or a variation distribution parameter inherent in the medical image data. The variation distribution of each CT value and the boundary threshold value of the living tissue Or the like. Although details will be described later, a material model may be set in the plaque region. Details of the material model will be described later.

形状モデルが構築されると、血管狭窄モデル構築部46における力学モデル構築処理S4では、ステップS2において算出された時系列の血管形状変形指標、すなわち、強制変位履歴を形状モデルに割り当てる。潜在変数及び強制変位履歴が割り当てられた形状モデルを力学モデルと呼ぶことにする。   When the shape model is constructed, in the mechanical model construction processing S4 in the blood vessel stenosis model construction unit 46, the time-series blood vessel shape deformation index calculated in step S2, that is, the forced displacement history is assigned to the shape model. A shape model to which a latent variable and a forced displacement history are assigned is called a dynamic model.

本実施形態に係る画像処理装置27は、ステップS4において暫定的に構築された力学モデルを用いて逆解析を施し、力学モデルに設定される潜在変数を統計的に同定する。統計的同定処理は、後述のステップS7において行われる。ステップS5及びS6は、それぞれ統計的同定処理に用いる血管形態指標及び血液流量指標を算出するために設けられている。   The image processing apparatus 27 according to the present embodiment performs reverse analysis using the dynamic model provisionally constructed in step S4, and statistically identifies latent variables set in the dynamic model. The statistical identification process is performed in step S7 described later. Steps S5 and S6 are provided for calculating a blood vessel shape index and a blood flow index used for statistical identification processing, respectively.

ステップ4が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27の血管応力解析部47に血管応力解析処理を行わせる(ステップS5)。ステップS5において画像処理装置27の血管応力解析機能は、現段階の力学モデルに血管応力解析を施して時系列の血管形態指標の予測値を算出する。血管形態指標は、既述の血管形態指の何れであっても良いが、例えば、血管芯線方向に関する内腔領域の断面形状指標や血管壁の断面形状指標が用いられると良い。具体的には、内腔領域の断面形状指標は、内腔領域の注目画素の座標値、内腔領域の幾何学的構造パラメータ(内腔領域の半径、内腔領域の直径など)の少なくとも一つである。また、血管壁領域の断面形状指標は、具体的には、血管壁領域の注目画素の座標値、血管壁領域の幾何学的構造パラメータ(血管壁領域の半径、壁領域の直径など)の少なくとも一つである。なお、予測値は、力学モデルに血管応力解析を施して算出された血管形態指標の算出値を意味する。   When step 4 is performed, the system control unit 21 causes the vascular stress analysis unit 47 of the image processing device 27 to perform vascular stress analysis processing (step S5). In step S5, the vascular stress analysis function of the image processing device 27 performs a vascular stress analysis on the current dynamic model to calculate a predicted value of a time-series vascular shape index. The blood vessel shape index may be any of the above-described blood vessel shape fingers. For example, a cross-sectional shape index of the lumen region or a cross-sectional shape index of the blood vessel wall in the blood vessel core direction may be used. Specifically, the cross-sectional shape index of the lumen region is at least one of the coordinate value of the target pixel of the lumen region and the geometric structure parameters of the lumen region (such as the radius of the lumen region and the diameter of the lumen region). One. Further, the cross-sectional shape index of the blood vessel wall region specifically includes at least the coordinate value of the target pixel of the blood vessel wall region, the geometric structure parameter of the blood vessel wall region (the radius of the blood vessel wall region, the diameter of the wall region, etc.) One. Note that the predicted value means a calculated value of a blood vessel shape index calculated by performing vascular stress analysis on the dynamic model.

また、ステップ4が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27の血管流体解析部48に血液流体解析処理を行わせる(ステップS6)。ステップS6において画像処理装置27の血液流体解析機能は、暫定的に構築された力学モデルに血液流体解析を施して時系列の血液流量指標の予測値を算出する。血液流量指標は、血流量または流速、あるいはその空間的・時間的な平均値の少なくとも一つである。なお、予測値は、力学モデルに血液流体解析を施して算出された血液流体指標の算出値を意味する。   When step 4 is performed, the system control unit 21 causes the vascular fluid analysis unit 48 of the image processing device 27 to perform blood fluid analysis processing (step S6). In step S <b> 6, the blood fluid analysis function of the image processing device 27 performs blood fluid analysis on the tentatively constructed dynamic model to calculate a predicted value of the time-series blood flow index. The blood flow index is at least one of a blood flow rate or a flow velocity, or a spatial and temporal average value thereof. Note that the predicted value means a calculated value of the blood fluid index calculated by performing blood fluid analysis on the dynamic model.

ステップS5及びS6が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に同定処理を行わせる(ステップS7)。ステップS7において画像処理装置27の統計的同定機能は、ステップS5において算出された血管形態指標の予測値とステップS6において算出された血液流量指標の予測値とが、事前に収集された血管形態指標の観測値と血液流量指標の観測値とに整合するように力学的モデルの潜在変数のパラメータを統計的に同定する。   When steps S5 and S6 are performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform identification processing (step S7). In step S7, the statistical identification function of the image processing device 27 is a blood vessel shape index in which the predicted value of the blood vessel shape index calculated in step S5 and the predicted value of the blood flow index calculated in step S6 are collected in advance. The parameters of the latent variables of the mechanical model are statistically identified so as to match the observed values of the blood flow and the observed values of the blood flow index.

血管形態指標の予測値が血管形態指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定する。血液流量指標の予測値が血液流量指標の観測値に整合するように潜在変数のパラメータを統計的に同定する。   The parameters of the latent variable are statistically identified so that the predicted value of the blood vessel shape index matches the observed value of the blood vessel shape index. The parameters of the latent variable are statistically identified so that the predicted value of the blood flow index matches the observed value of the blood flow index.

具体的には、ステップS7において、ステップS5において算出された血管形態指標の予測値と観測値とに基づくデータ分布を設定する。データ分布は、例えば、血管形態指標の予測値と観測値との誤差に関する多変量正規分布関数を示す。具体的には、力学モデルにおける各節点あるいは各要素での予測値と観測値の誤差に関する正規分布関数値を算出し、それらの積をデータ分布として統計的同定処理部において設定する。データ分布は、時刻毎に個別に設定されても良いし、複数時刻まとめて設定されても良い。次に、力学モデルの潜在変数に事前分布(事前確率分布)を割り当てる。具体的には、材料モデル、境界条件、負荷条件、及び時系列の形態指標や形状変形指標の不確定性に関連するパラメータの各々に事前分布が割り当てられる。例えば、負荷条件のパラメータの一つである血管内腔に関する圧力値に関する事前分布が割り当てられる。圧力値の取り得る値の範囲(想定範囲)は、経験的に予め限定することができる。これら想定範囲内に限定して内圧値に関するモンテカルロシミュレーションを実行することにより、各離散化領域について内圧値の確率分布、すなわち、事前分布を算出する。また、事前分布として、芯線方向の圧力分布は滑らかであること、また、時間経過に伴う圧力変化が滑らかであること、血流の逆流がないことが観測されている場合には芯線方向の平均的な圧力変化の傾きが負であることを、例えば、多変量正規分布関数により数学的に表現した確率分布を事前分布として設定しても良い。これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、負荷条件のパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための負荷条件(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。次に、各潜在変数について、事前分布とデータ分布とに統計的同定処理を施すことにより事後分布(事後確率分布)を算出する。統計的同定処理は、例えば、階層ベイズモデルやマルコフ連鎖モデルが挙げられる。そして、各潜在変数について、事後分布の最頻値や平均値等の統計値から各潜在変数のパラメータを同定する。例えば、上述の例の場合、血管内腔圧力値に関する事後分布が算出され、この事後分布から血管内腔圧力値の同定値が算出される。   Specifically, in step S7, a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index calculated in step S5 is set. The data distribution indicates, for example, a multivariate normal distribution function related to an error between the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index. Specifically, a normal distribution function value related to the error between the predicted value and the observed value at each node or each element in the dynamic model is calculated, and the product of these is set as a data distribution in the statistical identification processing unit. The data distribution may be set individually for each time or may be set collectively for a plurality of times. Next, a prior distribution (prior probability distribution) is assigned to the latent variable of the dynamic model. Specifically, a prior distribution is assigned to each of the parameters related to the uncertainty of the material model, boundary conditions, load conditions, and time-series form and shape deformation indices. For example, a prior distribution relating to a pressure value related to a blood vessel lumen, which is one of parameters of a load condition, is assigned. The range of values that can be taken by the pressure value (assumed range) can be empirically limited in advance. By executing a Monte Carlo simulation related to the internal pressure value within the assumed range, a probability distribution of internal pressure values, that is, a prior distribution is calculated for each discretized region. In addition, as a prior distribution, if the pressure distribution in the core line direction is smooth, the pressure change over time is smooth, and there is no backflow of blood flow, the average in the core line direction For example, a probability distribution expressed mathematically by a multivariate normal distribution function may be set as a prior distribution. It is possible to execute a Monte Carlo simulation regarding the parameters of the load condition according to the assumed probability distribution, and to obtain a sampling value of the load condition (latent variable) to be set in the dynamic model, within the assumed range. . Next, for each latent variable, a posterior distribution (a posteriori probability distribution) is calculated by performing statistical identification processing on the prior distribution and the data distribution. Examples of the statistical identification process include a hierarchical Bayes model and a Markov chain model. And about each latent variable, the parameter of each latent variable is identified from statistical values, such as the mode value and average value of posterior distribution. For example, in the case of the above-described example, the posterior distribution related to the vascular lumen pressure value is calculated, and the identification value of the vascular lumen pressure value is calculated from the posterior distribution.

図12は、階層ベイズモデル及びマルコフ連鎖モンテカルロ法による負荷条件(血管内の平均圧力)に関する事後分布算出と平均内圧の同定とを説明するための図である。図12に示すように、血管起始部から延びる血管に石灰化プラーク領域と粥状プラーク領域とが設定されているものとする。石灰化プラーク領域は材料モデル同定領域に設定され、粥状プラーク領域に材料モデル同定領域に設定される。血管起始部から血管芯線方向に沿って進むにつれて血管内圧が降下する。血管芯線に沿って複数の節点が設定される。各節点を含む直交断面(節点断面)において内腔内圧の事後分布が算出され、事後分布の最頻値が同定される。なお、血管形態指標の観測値としては、例えば、ステップS2において算出された血管形態指標が用いられる。   FIG. 12 is a diagram for explaining the calculation of the posterior distribution and the identification of the average internal pressure regarding the load condition (average pressure in the blood vessel) by the hierarchical Bayes model and the Markov chain Monte Carlo method. As shown in FIG. 12, it is assumed that a calcified plaque region and a hook-like plaque region are set in a blood vessel extending from the blood vessel starting portion. The calcified plaque region is set as the material model identification region, and the calcified plaque region is set as the material model identification region. The blood pressure in the blood vessel decreases as the blood vessel progresses along the blood vessel core direction from the blood vessel starting portion. A plurality of nodes are set along the blood vessel core line. The posterior distribution of the intraluminal pressure is calculated in the orthogonal section (node section) including each node, and the mode value of the posterior distribution is identified. For example, the blood vessel shape index calculated in step S2 is used as the observed value of the blood vessel shape index.

さらに統計的同定機能は、まず、ステップS6において算出された血液流量指標の予測値と観測値とに基づくデータ分布を設定する。次に、力学モデルの潜在変数に事前分布を割り当てる。例えば、血管に関する材料モデルのパラメータや血液に関する材料モデルのパラメータ、プラークに関する材料モデルのパラメータに関する事前分布が割り当てられる。これら材料モデルのパラメータとしては、例えば、弾性率などの材料モデルパラメータや、血液の構成式における粘性に関するパラメータが挙げられる。材料モデルのパラメータの想定範囲や確率分布は、経験的に予め設定することができる。各離散化領域について材料モデルのパラメータの確率分布、すなわち、事前分布を設定し、これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、材料モデルのパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための材料モデルパラメータ(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。次に各潜在変数について、事前分布とデータ分布とに統計的同定処理を施すことにより事後分布を算出し、算出された事後分布の統計値から各潜在変数のパラメータを同定する。例えば、上述の例の場合、材料モデルのパラメータに関する事後分布が算出され、この事後分布から材料モデルのパラメータの同定値が算出される。   Further, the statistical identification function first sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood flow index calculated in step S6. Next, a prior distribution is assigned to the latent variable of the dynamic model. For example, a prior distribution relating to a material model parameter relating to blood vessels, a material model parameter relating to blood, and a material model parameter relating to plaque is assigned. Examples of parameters of these material models include material model parameters such as elastic modulus and parameters related to viscosity in blood constitutive equations. The assumed range and probability distribution of the parameters of the material model can be set empirically in advance. Probability distribution of material model parameters for each discretized region, i.e., prior distribution can be set, limited to these assumed ranges, and according to the assumed probability distribution, Monte Carlo simulation on the material model parameters can be executed, Sampling values of material model parameters (latent variables) for setting to a dynamic model can be obtained. Next, for each latent variable, a posterior distribution is calculated by performing statistical identification processing on the prior distribution and the data distribution, and parameters of each latent variable are identified from the calculated statistical value of the posterior distribution. For example, in the case of the above-described example, the posterior distribution relating to the parameter of the material model is calculated, and the identification value of the parameter of the material model is calculated from this posterior distribution.

図13は、階層ベイズモデル及びマルコフ連鎖モンテカルロ法による材料モデルパラメータに関する事後分布算出と材料モデルパラメータ(血管壁の等価弾性率)の同定とを説明するための図である。図13に示すように、血管モデルは、図12と同様であるとする。材料モデル同定領域に限定して、血管壁の材料モデルのパラメータ(例えば、等価弾性率)の事後分布が算出され、事後分布の最頻値が同定される。   FIG. 13 is a diagram for explaining a posteriori distribution calculation and identification of a material model parameter (equivalent elastic modulus of a blood vessel wall) regarding a material model parameter by a hierarchical Bayesian model and a Markov chain Monte Carlo method. As shown in FIG. 13, it is assumed that the blood vessel model is the same as that in FIG. By limiting to the material model identification region, the posterior distribution of the parameter (for example, equivalent elastic modulus) of the material model of the blood vessel wall is calculated, and the mode value of the posterior distribution is identified.

なお、血液流量指標の観測値は、例えば、大動脈に送り出される血流量変化であると仮定し、血管形態指標の観測値を、時系列のCT画像から画像処理により計測される左心室の容積変化値(CFA)として用いることができる。造影剤の冠動脈内注入後の造影剤の画像追尾により特徴点の移動量の時間的変化を算出することにより、流速や流量を算出してもよい。また、造影剤の血管芯線方向あるいは時間的な特定領域の濃度変化量を取得し、その濃度変化を各領域の芯線方向距離間隔で除した値や、濃度変化の時間的変化率から、流速や流量を算出してもよい。MRIの場合はプロトンの画像追尾を用い、超音波エコーの場合には、コントラストエコー図法などにより流量を算出する。   Note that the observed value of the blood flow index is assumed to be, for example, a change in the blood flow sent to the aorta, and the observed value of the blood vessel shape index is changed from the time-series CT image by image processing. It can be used as a value (CFA). The flow rate and flow rate may be calculated by calculating the temporal change in the amount of movement of the feature points by image tracking of the contrast agent after injection of the contrast agent into the coronary artery. In addition, the concentration change amount of the specific region in the blood vessel core direction or temporal direction of the contrast agent is acquired, and the flow rate and the value of the concentration change divided by the distance in the core direction direction of each region and the temporal change rate of the concentration change are calculated. The flow rate may be calculated. In the case of MRI, image tracking of protons is used, and in the case of ultrasonic echoes, the flow rate is calculated by contrast echography or the like.

また、解析対象領域の各画素の座標値が確定値であることを前提としない場合、すなわち、解析対象領域の幾何学的構造に不確定性があると仮定する場合、潜在変数に幾何学的構造を含めても良い。この場合、各節点の座標値の芯線方向に関する所定範囲内の変動、あるいは、解析対象領域の径の所定範囲内の変動を表現した正規分布などの確率分布を事前分布として設定すると良い。この場合、解析対象領域の形状が滑らかであること、また、芯線における節点の順番が不変であるという制約も事前分布として設定しても良い。これら想定範囲内に限定して、想定した確率分布に従って、幾何学的構造のパラメータに関するモンテカルロシミュレーションを実行することができ、力学モデルへ設定するための幾何学的構造の不確定性パラメータ(潜在変数)のサンプリング値を得ることができる。   In addition, if it is not assumed that the coordinate value of each pixel in the analysis target area is a definite value, that is, if it is assumed that the geometric structure of the analysis target area is uncertain, the geometrical A structure may be included. In this case, a probability distribution such as a normal distribution expressing a variation within a predetermined range of the coordinate value of each node in the core line direction or a variation within a predetermined range of the diameter of the analysis target region may be set as the prior distribution. In this case, a restriction that the shape of the analysis target area is smooth and that the order of the nodes in the core line is unchanged may be set as a prior distribution. It is possible to perform Monte Carlo simulations on geometric parameters according to the assumed probability distribution, and limit the uncertainty parameters of the geometric structure (latent variables) to be set to the dynamic model. ) Sampling value can be obtained.

ステップS7が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に設定処理を行わせる(ステップS8)。ステップS8においてステップS7において算出された潜在変数のパラメータを力学モデルに設定する。   When step S7 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform setting processing (step S8). In step S8, the parameter of the latent variable calculated in step S7 is set in the dynamic model.

ステップS8が行われるとシステム制御部21は、同定終了条件が満たされたか否かを判定する(ステップS9)。ステップS9において同定終了条件が満たされていないと判定した場合(ステップS9:NO)、システム制御部21は、ステップS5、S6、S7、S8、及びS9を繰り返す。ここで、同定終了条件は、同定終了を判定するための指標(以下、同定終了指標と呼ぶ)が規定値に達するか否かにより表現される。同定終了指標としては、例えば、血管形態指標の予測値と観測値との差分値が挙げられる。この場合、システム制御部21は、この差分値が既定値よりも大きい場合、同定終了条件が満たされていないと判定し、差分値が既定値よりも小さい場合、同定終了条件が満たされたと判定する。また、同定終了指標は、例えば、モンテカルロ法のサンプリング点の数でも良い。この場合、システム制御部21は、このサンプリング点の数が既定値よりも小さい場合、同定終了条件が満たされていないと判定し、サンプリング点の数が既定値よりも大きい場合、同定終了条件が満たされたと判定する。同定終了条件が満たされた場合、その時点の最新の力学モデルを最終的な力学モデルに設定する。   When step S8 is performed, the system control unit 21 determines whether the identification end condition is satisfied (step S9). When it is determined in step S9 that the identification end condition is not satisfied (step S9: NO), the system control unit 21 repeats steps S5, S6, S7, S8, and S9. Here, the identification end condition is expressed by whether or not an index for determining the end of identification (hereinafter referred to as an identification end index) reaches a specified value. As an identification end index, for example, a difference value between a predicted value and an observed value of a blood vessel morphology index can be cited. In this case, the system control unit 21 determines that the identification end condition is not satisfied when the difference value is larger than the predetermined value, and determines that the identification end condition is satisfied when the difference value is smaller than the predetermined value. To do. Further, the identification end index may be, for example, the number of sampling points of the Monte Carlo method. In this case, when the number of sampling points is smaller than the predetermined value, the system control unit 21 determines that the identification end condition is not satisfied, and when the number of sampling points is larger than the predetermined value, the identification end condition is Determined to be satisfied. If the identification termination condition is satisfied, the latest dynamic model at that time is set as the final dynamic model.

最終的な力学モデルが構築されると、力学モデル構築機能は、血管形状変形指標の観測値、最終的な力学モデルにおける負荷条件のパラメータ、及び材料モデルのパラメータを関連付けたモデル(以下、関連モデルと呼ぶ)を算出する。関連モデルは、記憶装置33に記憶される。関連モデルは、検索の容易性等のため患者情報や検査情報等に関連付けて記憶されると良い。なお、血管形態指標や血液流量指標の観測値、最終的な力学モデルにおける負荷条件のパラメータ、及び材料モデルのパラメータは、必ずしもモデルの形態で関連付けられる必要はなく、例えば、テーブルあるいはデータベースであっても良い。   When the final mechanical model is constructed, the mechanical model construction function is a model (hereinafter referred to as a related model) that associates the observed value of the blood vessel shape deformation index, the load condition parameter in the final mechanical model, and the material model parameter. Is called). The related model is stored in the storage device 33. The related model may be stored in association with patient information, examination information, or the like for ease of search. Note that the observed values of the blood vessel shape index and blood flow index, the load condition parameter in the final dynamic model, and the material model parameter do not necessarily have to be associated with each other in the form of the model. Also good.

上記のステップS5乃至S9は、同一の同定法で反復しても良いし、異なる同定法で反復しても良い。異なる同定法で反復する場合、例えば、まず、簡易的力学モデルを利用して潜在変数を暫定的に同定し、次に、連続体力学モデルを利用して潜在変数を正確に同定しても良い。このように統計的同定処理を異なる手法で2段階に分けて行うことにより、潜在変数のパラメータを短時間で収束させることができる。簡易的力学モデルを利用する方法としては、内圧及び外圧を厚肉円筒の材料力学の式と、ハーゲン・ポアズイユ流れ及び修正ベルヌーイの式とを用いる方法が挙げられる。連続体力学モデルを利用する方法としては、FEM構造流体解析が挙げられる。簡易的力学モデルを利用する同定法と連続体力学モデルを利用する同定法との詳細については後述する。   The above steps S5 to S9 may be repeated with the same identification method, or may be repeated with different identification methods. When iterating with different identification methods, for example, first, a latent variable may be tentatively identified using a simple dynamic model, and then a latent variable may be accurately identified using a continuum dynamic model. . Thus, by performing the statistical identification process in two steps using different methods, the parameters of the latent variable can be converged in a short time. As a method of using a simple dynamic model, there is a method using internal pressure and external pressure using the equation of material dynamics of a thick-walled cylinder, the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation. As a method using the continuum mechanics model, FEM structural fluid analysis can be mentioned. Details of the identification method using a simple mechanical model and the identification method using a continuum mechanical model will be described later.

ステップS9において同定終了受件が満たされたと判定した場合(ステップS9:YES)、システム制御部21は、画像解析・追尾処理機能に修正処理を行わせても良い(ステップS10)。ステップS10において画像解析・追尾処理機能は、統計的同定法による逆解析で得られた潜在変数のもとで実施した構造流体解析結果(力学的指標の予測値及び血液流体指標の予測値)が観測値(力学的指標の観測値及び血液流体指標の観測値)に整合するように、時系列の医用画像に含まれる血管領域の形状を修正しても良い。表示機器31は、修正後の時系列の医用画像に基づく診断結果を表示する。これにより、血管解析機能は、最終的な力学モデルを考慮した診断結果を表示することができる。あるいは、表示機器31は、逆解析による同定とその構造流体解析により観測結果とが整合しない血管箇所・領域を画面に表示しても良い。例えば、血管の挙動の動きの速い心位相の画像はぼやけることが多く、医用画像をもとにした画像解析により観測した血管形状には誤差が大きい箇所や領域が存在する。比較的、血管の挙動が安定した心位相のデータでは、ノイズが少ない画像から得られる。そのような誤差分布の小さい血管形状データに基づき、誤差が大きな心位相での血管形状を、力学モデルを用いることで、正しく内挿することができ、そのような誤差が大きい血管箇所や領域について、正しく内挿した形状とともに、元データからのばらつき分布とともに、表示することができる。これにより、血管形状表示の安定性を確保できるとともに、形状の不確定性をユーザが認識できる。   If it is determined in step S9 that the identification completion receipt is satisfied (step S9: YES), the system control unit 21 may cause the image analysis / tracking processing function to perform a correction process (step S10). In step S10, the image analysis / tracking processing function uses the structural fluid analysis result (predicted value of mechanical index and predicted value of blood fluid index) performed based on the latent variable obtained by the inverse analysis by the statistical identification method. The shape of the blood vessel region included in the time-series medical image may be corrected so as to match the observed value (the observed value of the mechanical index and the observed value of the blood fluid index). The display device 31 displays a diagnosis result based on the corrected time-series medical image. Thereby, the blood vessel analysis function can display the diagnosis result in consideration of the final dynamic model. Alternatively, the display device 31 may display on the screen a blood vessel location / region where the identification by the inverse analysis and the observation result do not match by the structural fluid analysis. For example, an image of a cardiac phase in which the behavior of a blood vessel is fast is often blurred, and there are locations and regions with large errors in the blood vessel shape observed by image analysis based on a medical image. The cardiac phase data in which the blood vessel behavior is relatively stable can be obtained from an image with little noise. Based on such blood vessel shape data with a small error distribution, the blood vessel shape in the cardiac phase with a large error can be correctly interpolated by using a dynamic model. Along with the correctly interpolated shape, it can be displayed with the variation distribution from the original data. Thereby, the stability of the blood vessel shape display can be ensured and the user can recognize the uncertainty of the shape.

ステップS10が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に血管応力解析処理を行わせ、また血管応力解析処理を行わせる。血管応力解析処理は、最終的な力学モデルに血管応力解析を施して時系列の力学的指標の予測値の空間分布を算出する。具体的には、離散化領域毎に力学的指標の予測値が算出される。血液流体解析は、暫定的に構築された力学モデルに血液流体解析を施して時系列の血液流量指標の予測値の空間分布を算出する。具体的には、離散化領域毎に血液流量指標の予測値が算出される。なお、力学的指標または血液流量指標として、FFRが算出されても良い。   When step S10 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform vascular stress analysis processing and also to perform vascular stress analysis processing. In the vascular stress analysis process, the final mechanical model is subjected to vascular stress analysis to calculate a spatial distribution of predicted values of time-series mechanical indices. Specifically, the predicted value of the mechanical index is calculated for each discretized region. In the blood fluid analysis, the temporal distribution of the predicted value of the blood flow index in time series is calculated by performing the blood fluid analysis on the tentatively constructed dynamic model. Specifically, the predicted value of the blood flow index is calculated for each discretized region. Note that FFR may be calculated as a mechanical index or a blood flow index.

ステップS11において表示機器31は、時系列の力学的指標の予測値と時系列の血液流量指標の予測値とを表示する。またステップS12において表示機器31は、狭窄部前後の圧力変化や流量変化、さらには造影剤濃度変化といった時系列の狭窄指標を表示する。例えば、表示機器31は、時系列の力学的指標または時系列の血管流量指標、さらに狭窄指標を、時系列の力学モデルを当該値に応じた色で動画的に表示する。このため、表示機器31は、各値とカラー値(例えば、RGB)との関係を示すカラーテーブルを保持している。表示機器31は、値に応じたカラー値をカラーテーブルを利用して特定し、特定されたカラー値に応じた色で当該予測値に対応する離散化領域を表示する。   In step S11, the display device 31 displays the predicted value of the time-series dynamic index and the predicted value of the time-series blood flow index. In step S12, the display device 31 displays a time-series stenosis index such as a pressure change or flow rate change before and after the stenosis, and further a contrast agent concentration change. For example, the display device 31 displays a time-series dynamic index or a time-series blood flow rate index, and further a stenosis index in a moving image of a time-series dynamic model in a color corresponding to the value. Therefore, the display device 31 holds a color table indicating the relationship between each value and a color value (for example, RGB). The display device 31 specifies a color value corresponding to the value using a color table, and displays a discretization region corresponding to the predicted value with a color corresponding to the specified color value.

このように解析対象領域の複数の時相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて解析対象領域に含まれる狭窄部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と局所血管領域における血管断面形状変形指標とを算出し、この局所血管領域におけるCT値変化指標と血管断面形状変形指標とに基づいて狭窄部位に関する狭窄指標を高精度に算出することができる。   As described above, due to the change in the contrast agent flow rate in the local vascular region around the stenosis site included in the analysis target region based on the shape index, shape deformation index, and CT value change index over a plurality of time phases of the analysis target region The CT value change index to be calculated and the blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region are calculated, and the stenosis index for the stenosis site is calculated with high accuracy based on the CT value change index and the blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region. be able to.

以上の通り、本実施形態によれば、血管(血液を含む)の画像解析と構造流体解析に基づき、狭窄による血流量の変化や圧力損失の変化といった狭窄指標の解析を高精度に行うことができるものである。   As described above, according to the present embodiment, based on the image analysis of blood vessels (including blood) and the structural fluid analysis, it is possible to analyze stenosis indices such as changes in blood flow volume and pressure loss due to stenosis with high accuracy. It can be done.

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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…CT架台、11…X線管、13…X線検出器、15…データ収集装置、20…コンソール、21…システム制御部、23…架台制御部、25…再構成装置、27…画像処理装置、29…入力機器、31…表示機器、33…記憶装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... CT mount, 11 ... X-ray tube, 13 ... X-ray detector, 15 ... Data acquisition device, 20 ... Console, 21 ... System control part, 23 ... Mount control part, 25 ... Reconstruction device, 27 ... Image processing Device 29 ... Input device 31 ... Display device 33 ... Storage device.

Claims (8)

造影剤が注入された被検体の血管に関する複数の時位相に亘る医用画像のデータを記憶する記憶部と、
前記複数の時位相に亘る医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域を設定する設定部と、
前記複数の時位相に亘る医用画像を画像処理して前記解析対象領域の前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標を算出する画像処理部と、
前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて前記解析対象領域に含まれる対象部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と前記局所血管領域における血管断面形状変形指標とを算出する算出部と、
前記局所血管領域におけるCT値変化指標と血管断面形状変形指標とに基づいて前記対象部位に関する狭窄指標を算出する構造流体解析部と、
を具備する血管解析装置。
A storage unit for storing data of medical images over a plurality of time phases related to a blood vessel of a subject into which a contrast medium is injected;
A setting unit for setting a region to be analyzed in a blood vessel region included in the medical image over the plurality of time phases;
An image processing unit that performs image processing on the medical images over the plurality of time phases and calculates a shape index, a shape deformation index, and a CT value change index over the plurality of time phases of the analysis target region;
CT value change index resulting from a change in contrast agent flow rate in a local blood vessel region around the target region included in the analysis target region based on the shape index, shape deformation index, and CT value change index over the plurality of time phases And a calculation unit for calculating a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region,
A structural fluid analyzer that calculates a stenosis index for the target region based on a CT value change index and a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region;
An apparatus for analyzing blood vessels.
造影剤が注入された被検体の血管に関する複数の時位相に亘る医用画像のデータを記憶する記憶部と、
前記複数の時位相に亘る医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域を設定し、前記解析対象領域に潜在変数同定領域を設定する設定部と、
前記複数の時位相に亘る医用画像を画像処理して前記解析対象領域の前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及び造影剤の流量変化に起因するCT値変化を算出する画像処理部と、
前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて前記解析対象領域に含まれる対象部位の周辺の局所血管領域における前記複数の時位相に亘る造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と前記局所血管領域における血管断面形状変形指標とを算出する算出部と、
前記複数の時位相に亘る前記解析対象領域の形態指標及び形状変形指標と前記局所血管領域におけるCT値変化指標及び血管断面形状変形指標とに基づいて前記解析対象領域に関する力学モデルを暫定的に構築する構築部と、
前記暫定的に構築された力学モデルに基づく血管形態指標の予測値及び血液流量指標の予測値の少なくとも一方が予め計測された血管形態指標の観測値及び血液流量指標の観測値の少なくとも一方に整合するように前記潜在変数同定領域に関する潜在変数を同定する同定部と、
前記同定された潜在変数が前記潜在変数同定領域に割り当てられた力学モデルに構造流体解析を施して前記対象部位に関する狭窄指標の予測値を算出する狭窄指標算出部と、
を具備する血管解析装置。
A storage unit for storing data of medical images over a plurality of time phases related to a blood vessel of a subject into which a contrast medium is injected;
A setting unit that sets an analysis target region in a blood vessel region included in the medical image over the plurality of time phases, and sets a latent variable identification region in the analysis target region;
Image processing for calculating a CT value change resulting from a change in a flow rate of a contrast agent and a shape index, a shape deformation index, and a contrast agent over the plurality of time phases of the analysis target region by performing image processing on the medical images over the plurality of time phases And
Changes in the flow rate of the contrast agent over the plurality of time phases in the local blood vessel region around the target portion included in the analysis target region based on the shape index, the shape deformation index, and the CT value change index over the plurality of time phases A calculation unit for calculating a CT value change index caused by the blood vessel and a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region;
Temporarily construct a dynamic model for the analysis target region based on the shape index and shape deformation index of the analysis target region over the plurality of time phases, and the CT value change index and blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region A construction department to
At least one of the predicted value of the blood vessel shape index and the predicted value of the blood flow index based on the tentatively constructed dynamic model matches at least one of the observed value of the blood vessel shape index and the observed value of the blood flow index. An identification unit for identifying a latent variable related to the latent variable identification region,
A stenosis index calculator that performs structural fluid analysis on the dynamic model in which the identified latent variable is assigned to the latent variable identification region to calculate a predicted value of the stenosis index for the target site;
An apparatus for analyzing blood vessels.
前記算出部は、前記CT値変化指標として、前記対象部位よりも上流側の局所血管領域におけるCT値の時間変化を算出し、前記血管断面形状変形指標として、前記上流側の局所血管領域と前記対象部位の下流側の局所血管領域とにおける血管領域の断面形状の変形を算出する、請求項1又は2記載の血管解析装置。   The calculation unit calculates a temporal change in CT value in a local blood vessel region upstream from the target site as the CT value change index, and the upstream local blood vessel region and the upstream as the blood vessel cross-sectional shape deformation index. The blood vessel analysis device according to claim 1 or 2, wherein the deformation of the cross-sectional shape of the blood vessel region in the local blood vessel region on the downstream side of the target site is calculated. 前記算出部は、前記CT値変化指標として、前記対象部位よりも上流側の局所血管領域と前記対象部位の下流側の局所血管領域との間のCT値の空間変化を算出し、前記血管断面形状変形指標として、前記上流側の局所血管領域と前記下流側の局所血管領域とにおける血管領域の断面形状の変化を算出する、請求項1又は2記載の血管解析装置。   The calculation unit calculates, as the CT value change index, a spatial change in CT value between a local blood vessel region upstream of the target site and a local blood vessel region downstream of the target site, and the blood vessel cross section The blood vessel analysis device according to claim 1 or 2, wherein a change in cross-sectional shape of the blood vessel region between the upstream local blood vessel region and the downstream local blood vessel region is calculated as a shape deformation index. 血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態のCT画像解析および画像追尾による血管形状、血管断面形状変形、CT値変化データに基づき、第1関係モデルとして、血管断面形状変形と内圧と壁厚と無応力状態断面形状と血管材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルと、第2関係モデルとして、血管狭窄前後の圧力損失と流速と断面形状と血液材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルと、第3関係モデルとして、CT値と断面形状と流速と造影剤濃度と造影剤材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルを活用して、血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態の血管断面形状変形量と、狭窄前後における血管断面形状変形量と、血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態のCT値変化量、および狭窄前後のCT値変化データを入力として、狭窄前後の血管断面での内圧、あるいは、狭窄前後の血管断面での流量もしくは流速もしくは造影剤濃度を同定することを特徴とした血管解析装置。   Based on CT image analysis and image tracking of vessel expansion state and contraction state and intermediate state of blood vessel, blood vessel cross-sectional shape deformation, CT value change data, as the first relational model, blood vessel cross-sectional shape deformation, internal pressure, wall thickness and no A relational model including at least two parameters of the stress state cross-sectional shape and the vascular material constitutive equation, and at least two of pressure loss, flow velocity, cross-sectional shape, and blood material constitutive equation before and after vascular stenosis as a second relational model Using the relational model including the above parameters and the third relational model, a relational model including at least two or more parameters among the CT value, the cross-sectional shape, the flow velocity, the contrast agent concentration, and the contrast agent material constitutive formula is used. The amount of deformation of the blood vessel cross-section in the expanded state, the contracted state and the intermediate state, the amount of deformation of the blood vessel cross-sectional shape before and after stenosis, The inter-state CT value change amount and CT value change data before and after stenosis are used as input to identify the internal pressure in the blood vessel cross section before and after stenosis, or the flow rate or flow velocity or contrast agent concentration in the blood vessel cross section before and after stenosis. Characteristic blood vessel analyzer. コンピュータを、
血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態のCT画像解析および画像追尾による血管形状、血管断面形状変形、CT値変化データに基づき、第1関係モデルとして、血管断面形状変形と内圧と壁厚と無応力状態断面形状と血管材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルと、第2関係モデルとして、血管狭窄前後の圧力損失と流速と断面形状と血液材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルと、第3関係モデルとして、CT値と断面形状と流速と造影剤濃度と造影剤材料構成式のうち少なくとも2つ以上のパラメータを含む関係モデルを活用して、血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態の血管断面形状変形量と、狭窄前後における血管断面形状変形量と、血管拡張状態と収縮状態およびその中間状態のCT値変化量、および狭窄前後のCT値変化データを入力として、狭窄前後の血管断面での内圧、あるいは、狭窄前後の血管断面での流量もしくは流速もしくは造影剤濃度を同定するものとして機能させるための血管解析プログラム。
Computer
Based on CT image analysis and image tracking of vessel expansion state and contraction state and intermediate state of blood vessel, blood vessel cross-sectional shape deformation, CT value change data, as the first relational model, blood vessel cross-sectional shape deformation, internal pressure, wall thickness and no A relational model including at least two parameters of the stress state cross-sectional shape and the vascular material constitutive equation, and at least two of pressure loss, flow velocity, cross-sectional shape, and blood material constitutive equation before and after vascular stenosis as a second relational model Using the relational model including the above parameters and the third relational model, a relational model including at least two or more parameters among the CT value, the cross-sectional shape, the flow velocity, the contrast agent concentration, and the contrast agent material constitutive formula is used. The amount of deformation of the blood vessel cross-section in the expanded state, the contracted state and the intermediate state, the amount of deformation of the blood vessel cross-sectional shape before and after stenosis, As an input to identify the internal pressure in the blood vessel cross section before and after the stenosis, or the flow rate or flow velocity or contrast agent concentration in the blood vessel cross section before and after the stenosis, using the CT value change amount of the interstitial state and the CT value change data before and after the stenosis as input Blood vessel analysis program to make it function.
造影剤が注入された被検体の血管に関する複数の時位相に亘る医用画像のデータを記憶する記憶部、及び前記複数の時位相に亘る医用画像に基づいて構造流体解析を実行するシステム制御部を備える血管解析装置の作動方法であって、
前記システム制御部は、
設定部を制御し、前記複数の時位相に亘る医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域を設定し、
画像処理部を制御し、前記複数の時位相に亘る医用画像を画像処理して前記解析対象領域の前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標を算出し、
算出部を制御し、前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて前記解析対象領域に含まれる対象部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と前記局所血管領域における血管断面形状変形指標とを算出し、
構造流体解析部を制御し、前記局所血管領域におけるCT値変化指標と血管断面形状変形指標とに基づいて前記対象部位に関する狭窄指標を算出する
管解析装置の作動方法。
A storage unit for storing data of medical images over a plurality of time phases related to a blood vessel of a subject into which a contrast medium has been injected, and a system control unit for executing structural fluid analysis based on the medical images over the plurality of time phases An operation method of a blood vessel analysis device comprising:
The system controller is
Control the setting unit, set the analysis target region in the blood vessel region included in the medical image over the plurality of time phases,
Controlling the image processing unit, image processing medical images over the plurality of time phases to calculate the shape index, shape deformation index, and CT value change index over the plurality of time phases of the analysis target region,
The calculation unit is controlled to change the contrast agent flow rate in the local blood vessel region around the target region included in the analysis target region based on the shape index, the shape deformation index, and the CT value change index over the plurality of time phases. Calculate the resulting CT value change index and the blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region,
Controlling the structural fluid analysis unit to calculate a stenosis index for the target region based on a CT value change index and a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region ;
Method for operating a blood tube analyzer.
コンピュータに、
造影剤が注入された被検体の血管に関する複数の時位相に亘る医用画像に含まれる血管領域に解析対象領域を設定する設定機能と、
前記複数の時位相に亘る医用画像を画像処理して前記解析対象領域の前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標を算出する画像処理機能と、
前記複数の時位相に亘る形態指標、形状変形指標、及びCT値変化指標に基づいて前記解析対象領域に含まれる対象部位の周辺の局所血管領域における造影剤の流量変化に起因するCT値変化指標と前記局所血管領域における血管断面形状変形指標とを算出する算出機能と、
前記局所血管領域におけるCT値変化指標と血管断面形状変形指標とに基づいて前記対象部位に関する狭窄指標を算出する構造流体解析機能と、
を実現させる血管解析プログラム。
On the computer,
A setting function for setting a region to be analyzed in a blood vessel region included in a medical image over a plurality of time phases related to a blood vessel of a subject into which a contrast medium has been injected;
An image processing function that performs image processing of the medical images over the plurality of time phases to calculate a shape index, a shape deformation index, and a CT value change index over the plurality of time phases of the analysis target region;
CT value change index resulting from a change in contrast agent flow rate in a local blood vessel region around the target region included in the analysis target region based on the shape index, shape deformation index, and CT value change index over the plurality of time phases And a calculation function for calculating a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region,
A structural fluid analysis function for calculating a stenosis index for the target region based on a CT value change index and a blood vessel cross-sectional shape deformation index in the local blood vessel region;
Blood vessel analysis program that realizes.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4278974A1 (en) * 2022-05-18 2023-11-22 Koninklijke Philips N.V. Estimation of contrast induced hyperemia from spectral x-ray imaging

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6667999B2 (en) * 2014-05-16 2020-03-18 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 Image processing apparatus, image processing method, and program
US10610184B2 (en) 2016-08-12 2020-04-07 Canon Medical Systems Corporation Medical-information processing apparatus and X-ray CT apparatus
JPWO2018123559A1 (en) * 2016-12-28 2019-11-07 国立大学法人京都大学 Information processing apparatus, information processing method, and program
JPWO2018131416A1 (en) * 2017-01-11 2019-11-14 国立大学法人京都大学 Information processing apparatus, information processing method, and program
CN110546684B (en) 2017-04-05 2022-09-02 西门子医疗有限公司 Quantitative evaluation of time-varying data
CN112785580B (en) * 2021-01-28 2024-02-02 深圳睿心智能医疗科技有限公司 Method and device for determining vascular flow velocity
JP7424423B1 (en) 2022-07-20 2024-01-30 コニカミノルタ株式会社 Dynamic image analysis device, program and dynamic image analysis method
CN116363131B (en) * 2023-06-01 2023-07-28 山东第一医科大学第二附属医院 Peripheral blood vessel image analysis method, system and storage medium based on image processing

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5868052B2 (en) * 2010-07-21 2016-02-24 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft Comprehensive patient-specific heart modeling method and system
US8315812B2 (en) * 2010-08-12 2012-11-20 Heartflow, Inc. Method and system for patient-specific modeling of blood flow
US10186056B2 (en) * 2011-03-21 2019-01-22 General Electric Company System and method for estimating vascular flow using CT imaging
JP5596099B2 (en) * 2012-10-01 2014-09-24 株式会社東芝 Medical image processing apparatus and medical image processing program

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4278974A1 (en) * 2022-05-18 2023-11-22 Koninklijke Philips N.V. Estimation of contrast induced hyperemia from spectral x-ray imaging
WO2023222434A1 (en) * 2022-05-18 2023-11-23 Koninklijke Philips N.V. Estimation of contrast induced hyperemia from spectral x-ray imaging

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