JP6362853B2 - Blood vessel analyzer and method for operating blood vessel analyzer - Google Patents

Blood vessel analyzer and method for operating blood vessel analyzer Download PDF

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Description

本発明の実施の形態は、血管解析装置、および血管解析装置の作動方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a blood vessel analysis device and a method for operating the blood vessel analysis device .

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、脳動脈瘤、またはそれらの予兆となる頸動脈のプラークによる狭窄を、非侵襲に予防、診断するための技術が望まれている。冠動脈の狭窄は虚血性心疾患に至る重大な病変である。心疾患ではステント治療を行うべきかどうか等を判断する必要があるが、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。   A technique for non-invasive prevention and diagnosis of stenosis due to coronary artery stenosis, cerebral aneurysm, or carotid artery plaque, which is one of the three major diseases, is desired. Yes. Coronary stenosis is a serious lesion leading to ischemic heart disease. For heart disease, it is necessary to determine whether or not stent treatment should be performed, but coronary angiography (CAG) using a catheter is the mainstream for stenosis diagnosis of coronary arteries.

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)があり、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で定義される。この血流比は、狭窄近位部冠内圧に対する狭窄遠位部冠内圧の比率とほぼ同じになり、カテーテル先の圧力センサで圧力比を測定する。   A diagnostic index for coronary artery lesions is the fractional flow reserve (FFR), defined as the ratio of maximum coronary blood flow in the presence of stenosis to maximum coronary blood flow in the absence of stenosis. . This blood flow ratio is substantially the same as the ratio of the stenosis distal coronary pressure to the stenosis proximal coronary pressure, and the pressure ratio is measured by a pressure sensor at the catheter tip.

ここで、心臓のX線CT画像(CT:Computed Tomography、以下、単にCT画像という)で冠動脈の狭窄解析ができれば、カテーテル手術を必要とせず、低侵襲で患者負担低減となり、医療コスト節約にもつながる。現状はCT画像によるプラークまたは血栓の大きさに基づく指標しか非侵襲な判断材料がない。   Here, if the stenosis analysis of the coronary artery can be performed with an X-ray CT image (CT: Computed Tomography, hereinafter simply referred to as CT image) of the heart, catheter surgery is not required, and the burden on the patient can be reduced with minimal invasiveness. Connected. At present, there is only a non-invasive judgment material based on an index based on the size of plaque or thrombus by CT image.

CT画像から血栓前後の圧力差等を構造流体シミュレーションにより解析できれば、血栓(またはプラーク)の及ぼす影響の定量化が期待できる。そして、得られた解析結果から、例えば狭窄の程度(狭窄度)等の血管の異常を診断できれば医師や患者にとって大きなメリットとなる。   If the pressure difference before and after the thrombus can be analyzed from the CT image by the structural fluid simulation, the influence of the thrombus (or plaque) can be quantified. Then, from the obtained analysis results, if a blood vessel abnormality such as the degree of stenosis (the degree of stenosis) can be diagnosed, it will be a great merit for doctors and patients.

しかし、解析結果には、各時刻における流速・流量・圧力データ等の大量のデータを含んでいる。このため、血管の異常診断用の画像を得るには、多大な計算リソースおよび多大な計算時間が必要となる。このようなことから、血管の異常診断に対して、上述の解析結果は、利用し難いものとなる恐れがある。   However, the analysis result includes a large amount of data such as flow velocity / flow rate / pressure data at each time. For this reason, in order to obtain an image for diagnosing a blood vessel abnormality, enormous calculation resources and enormous calculation time are required. For this reason, the above analysis result may be difficult to use for diagnosing abnormal blood vessels.

特開2008−241432号公報JP 2008-241432 A

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 Heart Simulator: Introduction of the World's Most Advanced Heart Simulator and its Applications, Vol.41, No.6) James K.Min.,et.al.,“Rationale and design of the DeFACTO(Determination of Fractional Flow Reserve by Anatomic Computed Tomographic AngiOgraphy)study”,Journal of Cardiovascular Computed Tomography(2011)5,301−9James K. Min. , Et. al. , “Relational and design of the DeFACTO (Determination of Fractional Flow Reservoir by Anatomic Computed TomoGraphicAnalogiology) tudy”, Journal

本発明が解決しようとする課題は、構造流体シミュレーションによる解析結果を、血管の異常診断に容易に適用可能とした血管解析装置、および血管解析装置の作動方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a blood vessel analyzing apparatus and an operating method of the blood vessel analyzing apparatus that can easily apply the analysis result by the structural fluid simulation to the abnormality diagnosis of blood vessels.

実施の形態によれば、注入プロファイル取得部が、被検体の血管に注入された造影剤の注入プロファイルを取得し、CT値取得部が、造影剤注入後の血管内腔におけるCT値を取得する。また、構造流体解析部が、注入プロファイルおよびCT値を入力として構造流体解析シミュレーションを行う。第1算出部は、注入プロファイルおよび事前に取得し、血管の異常の有無が判明しているCT値を用いて構造流体解析シミュレーションした結果から、構造流体解析シミュレーションに対応する入力と出力の関係を表すモデルを算出して記憶装置に記憶する。そして、差分モデル算出部が、血管の異常診断を行う被検体のCT値と記憶装置に記憶されているモデルとの差分を検出することで、血管の異常の度合いを示す差分モデルを算出し、診断部が、差分モデルを評価して血管の異常を診断する。 According to the embodiment, the injection profile acquisition unit acquires the injection profile of the contrast agent injected into the blood vessel of the subject, and the CT value acquisition unit acquires the CT value in the blood vessel lumen after the contrast agent injection. . Further, the structural fluid analysis unit performs a structural fluid analysis simulation with the injection profile and the CT value as inputs. The first calculation unit obtains the relationship between the input and the output corresponding to the structural fluid analysis simulation from the result of the structural fluid analysis simulation using the injection profile and the CT value acquired in advance and the CT value in which the presence or absence of the blood vessel is known. A model to be represented is calculated and stored in the storage device. Then, the difference model calculation unit calculates a difference model indicating the degree of abnormality of the blood vessel by detecting a difference between the CT value of the subject performing the abnormality diagnosis of the blood vessel and the model stored in the storage device, The diagnosis unit evaluates the difference model to diagnose a blood vessel abnormality.

図1は、実施の形態の医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)の概略的なハードウェア構成図である。FIG. 1 is a schematic hardware configuration diagram of a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus) according to an embodiment. 図2は、実施の形態の医用画像診断装置の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である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a dynamic model related to a target region for structural fluid analysis of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図3は、実施の形態の医用画像診断装置の構造流体解析処理の流れを示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a flow of structural fluid analysis processing of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図4は、実施の形態の医用画像診断装置の画像処理装置の機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram of the image processing apparatus of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図5は、血管の芯線に直交する断面を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section orthogonal to the core line of the blood vessel. 図6は、画像追尾処理に利用される血管芯線形態の時間的変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing temporal changes in the vascular core form used in the image tracking process. 図7は、時刻tと時刻t+Δtとの間における追尾処理の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the tracking process between time t and time t + Δt. 図8は、画像解析・追尾処理による血管芯線の曲げ変形および回転変位の算出例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a calculation example of bending deformation and rotational displacement of a blood vessel core line by image analysis / tracking processing. 図9は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部により構築される形状モデルの芯線に直交する断面を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a cross section orthogonal to the core line of the shape model constructed by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図10は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による形状モデルへの強制変位履歴の割り当てを説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining assignment of the forced displacement history to the shape model by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図11は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による形状モデルへの強制変位履歴の他の割り当て方法を示す図であり、血管形状変形指標がねじれの場合における割り当て例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating another method for assigning the forced displacement history to the shape model by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment, and illustrating an example of assignment when the blood vessel shape deformation index is twisted. It is. 図12は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による形状モデルへの強制変位履歴の他の割り当て方法を示す図であり、血管形状変形指標が曲げの場合における割り当て例を示すである。FIG. 12 is a diagram showing another assignment method of the forced displacement history to the shape model by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus of the embodiment, showing an assignment example when the blood vessel shape deformation index is bending. is there. 図13は、実施の形態の医用画像診断装置の統計的同定部による、階層ベイズモデルおよ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および平均内圧の同定を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the calculation of the posterior distribution and the identification of the average internal pressure related to the load condition (average pressure in the blood vessel) by the hierarchical Bayesian model and the Markov chain Monte Carlo method by the statistical identification unit of the medical image diagnostic apparatus of the embodiment. FIG. 図14は、実施の形態の医用画像診断装置の統計的同定部による、階層ベイズモデルおよ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および材料モデルパラメータ(血管壁の等価弾性率)の同定を説明するための図である。FIG. 14 shows the calculation of the posterior distribution and the identification of the material model parameter (equivalent elastic modulus of the blood vessel wall) regarding the material model parameter by the hierarchical Bayesian model and the Markov chain Monte Carlo method by the statistical identification unit of the medical image diagnostic apparatus of the embodiment. It is a figure for demonstrating. 図15は、実施の形態の医用画像診断装置における、力学的指標の一つである内圧の空間分布の表示例を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of internal pressure that is one of the mechanical indices in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図16は、実施の形態の医用画像診断装置における、血液流量指標の一つである流速値の空間分布の表示例を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of a flow velocity value that is one of blood flow indexes in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図17は、実施の形態の医用画像診断装置における、左冠動脈起始部の血圧に関するグラフの表示例を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a display example of a graph regarding the blood pressure of the left coronary artery origin in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図18は、実施の形態の医用画像診断装置における、LCXとLDAとの分岐点付近の血圧に関するグラフの表示例を示す図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a display example of a graph relating to blood pressure in the vicinity of a branch point between LCX and LDA in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図19は、実施の形態の医用画像診断装置における、芯線方向に関する血圧変化に関するグラフの表示例を示す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating a display example of a graph relating to a blood pressure change in the core line direction in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図20は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による強制変位履歴の他の割り当て例を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating another assignment example of the forced displacement history by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図21は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による強制変位履歴の他の割り当て例を示す図である。FIG. 21 is a diagram illustrating another allocation example of the forced displacement history by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図22は、実施の形態の医用画像診断装置の力学モデル構築部による強制変位履歴の他の割り当て例を示す図である。FIG. 22 is a diagram illustrating another allocation example of the forced displacement history by the dynamic model construction unit of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図23は、実施の形態の医用画像診断装置における繊維グループの変形を示す図である。FIG. 23 is a diagram illustrating deformation of the fiber group in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図24は、実施の形態の医用画像診断装置の肉厚円筒の力学モデルの直交断面を示す図である。FIG. 24 is a diagram illustrating an orthogonal cross section of a dynamic model of a thick cylinder of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図25は、実施の形態の医用画像診断装置における、微小扇形要素の拡大図である。FIG. 25 is an enlarged view of a minute sector element in the medical image diagnostic apparatus of the embodiment. 図26は、実施の形態の医用画像診断装置における、狭窄モデル同定を説明するための図である。FIG. 26 is a diagram for explaining stenosis model identification in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図27は、実施の形態の医用画像診断装置における、直接推定結果と狭窄モデルによる推定結果を比較するための図である。FIG. 27 is a diagram for comparing the direct estimation result and the estimation result based on the stenosis model in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図28は、実施の形態の医用画像診断装置で血管の異常診断を行う場合における機能ブロック図である。FIG. 28 is a functional block diagram when a blood vessel abnormality diagnosis is performed by the medical image diagnostic apparatus of the embodiment. 図29は、実施の形態の医用画像診断装置における、造影剤の注入パターンを示す図である。FIG. 29 is a diagram illustrating an injection pattern of a contrast agent in the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment. 図30は、狭窄の有無に応じた造影剤の濃度変化を示すグラフである。FIG. 30 is a graph showing changes in contrast agent concentration according to the presence or absence of stenosis. 図31は、造影剤濃度勾配を説明するためのグラフである。FIG. 31 is a graph for explaining a contrast medium concentration gradient.

実施の形態の血管解析装置および血管解析方法は、医用画像診断装置で生成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に適用できる。このコンピュータ装置は、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であっても良い。以下、実施の形態の血管解析装置および血管解析方法が適用されたコンピュータ装置が組み込まれた医用画像診断装置を、図面を参照して詳細に説明する。   The blood vessel analysis device and the blood vessel analysis method of the embodiment can be applied to a computer device for structural fluid analysis of a blood vessel region included in a medical image generated by a medical image diagnostic device. This computer apparatus may be incorporated in the medical image diagnostic apparatus, or may be a workstation or the like separate from the medical image diagnostic apparatus. Hereinafter, a medical image diagnostic apparatus in which a computer device to which a blood vessel analysis device and a blood vessel analysis method according to an embodiment are applied will be described in detail with reference to the drawings.

(概要)
冠動脈等の動脈の流体解析では、血管またはプラークの硬さの影響、心臓拍動が動脈流へ及ぼす影響、動脈入口および動脈出口の境界条件の影響、を適切に考慮する必要がある。
(Overview)
In fluid analysis of arteries such as coronary arteries, it is necessary to appropriately consider the influence of blood vessel or plaque hardness, the influence of cardiac pulsation on arterial flow, and the influence of boundary conditions at the arterial inlet and outlet.

このため、実施の形態の医用画像診断装置は、以下の構造流体解析を行う。すなわち、医用画像診断装置は、医用3次元画像に時間軸を加えた医用4次元画像を画像解析して得られる3次元変形履歴情報、および画像追尾から得られる変位履歴情報から、動脈の血管壁の形状変形指標と変位拘束条件を算出する。また、医用画像診断装置は、硬さ算定領域では、血管壁表面のみ、血管壁の力学モデルの節点に、強制変位履歴による変位自由度拘束条件を与える。   For this reason, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment performs the following structural fluid analysis. That is, the medical image diagnostic apparatus uses the three-dimensional deformation history information obtained by image analysis of a medical four-dimensional image obtained by adding a time axis to a medical three-dimensional image, and the displacement history information obtained from image tracking to determine the blood vessel wall of the artery. The shape deformation index and the displacement constraint condition are calculated. Further, in the hardness calculation region, the medical image diagnostic apparatus gives a displacement freedom degree constraint condition based on a forced displacement history only to the surface of the blood vessel wall and to a node of the mechanical model of the blood vessel wall.

また、医用画像診断装置は、硬さ算定領域以外の領域では、血管壁の力学モデルにおける表面と内部の節点に強制変位履歴を与え、変位拘束条件を与えた構造流体解析を行う。これにより、硬さ算定領域の材料モデルおよび入口、出口の境界条件を同定する構造流体解析を行うことができ、高精度な血管および血行動態の解析が可能となる。そして、医用画像診断装置は、このような高精度な構造流体解析で得られた正常時および狭窄時のノミナルモデルを作成し、診断対象データとのモデル同定から狭窄度を診断する。   The medical diagnostic imaging apparatus gives a forced displacement history to the surface and internal nodes in the vascular wall dynamic model in a region other than the hardness calculation region, and performs structural fluid analysis with a displacement constraint condition. Thereby, the structural fluid analysis for identifying the material model of the hardness calculation region and the boundary conditions of the inlet and outlet can be performed, and the blood vessel and hemodynamic analysis can be performed with high accuracy. Then, the medical image diagnostic apparatus creates a normal model at normal time and stenosis obtained by such a highly accurate structural fluid analysis, and diagnoses the degree of stenosis from the model identification with the diagnosis target data.

具体的には、実施の形態の医用画像診断装置は、CT(Computed Tomography)診断装置から血管の4次元画像を取得し、血管の画像追尾から得られた血管部の各点の移動ベクトルを強制変位履歴として算出する。また、医用画像診断装置は、画像追尾情報から血管内腔の容積変化、直径変化、形状変化、または位相変化等の物理量を算出する。また、医用画像診断装置は、算出した物理量を指標として、指定領域部の材料モデル、または境界条件を同定する。   Specifically, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment acquires a four-dimensional image of a blood vessel from a CT (Computed Tomography) diagnostic apparatus, and forces a movement vector of each point of the blood vessel part obtained from the image tracking of the blood vessel. Calculated as displacement history. Further, the medical image diagnostic apparatus calculates a physical quantity such as a volume change, a diameter change, a shape change, or a phase change of the blood vessel lumen from the image tracking information. In addition, the medical image diagnostic apparatus identifies the material model or boundary condition of the designated region using the calculated physical quantity as an index.

医用画像診断装置は、このような画像追尾と構造流体解析と逆解析(統計的同定法)に基づく血管解析により、血行動態における血圧、血流、応力、またはひずみ等の狭窄等の血管病変の予防、診断に必要な指標を高精度に解析する。そして、医用画像診断装置は、狭窄の有無が判明している典型例を対象に解析を行い、低次の標準モデル(ノミナルモデル)を予め作成しておき、診断対象データとのモデル同定から狭窄度を診断する。   The medical diagnostic imaging system uses vascular analysis based on such image tracking, structural fluid analysis, and inverse analysis (statistical identification method) to detect vascular lesions such as stenosis such as blood pressure, blood flow, stress, or strain in hemodynamics. Analyzes indicators necessary for prevention and diagnosis with high accuracy. Then, the medical image diagnostic apparatus analyzes a typical example in which the presence or absence of stenosis is known, creates a low-order standard model (nominal model) in advance, and performs stenosis based on model identification with the diagnosis target data. Diagnose the degree.

このような実施の形態の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。実施の形態の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(Single Photon Emission CT)装置、PET(Positron Emission Tomography)装置、および放射線治療装置等に適宜利用可能である。以下、説明を具体的に行うため実施の形態の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 of such an embodiment can be applied to any kind of image diagnostic apparatus equipped with an imaging mechanism for scanning a subject. Examples of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment include an X-ray computed tomography apparatus (X-ray CT apparatus), a magnetic resonance diagnostic apparatus, an ultrasonic diagnostic apparatus, a SPECT (Single Photon Emission CT) apparatus, and a PET (Positron Emission Tomography). The present invention can be appropriately used for an apparatus, a radiotherapy apparatus, and the like. Hereinafter, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment is assumed to be an X-ray computed tomography apparatus for specific description.

図1は、実施の形態の医用画像診断装置(X線コンピュータ断層撮影装置)の概略的なハードウェア構成図である。図1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、例えば心臓である。   FIG. 1 is a schematic hardware configuration diagram of a medical image diagnostic apparatus (X-ray computed tomography apparatus) according to an embodiment. As shown in FIG. 1, 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 under the control of the gantry controller 23 of the console 20. The imaging site is, for example, the heart.

CT架台10は、X線管11、X線検出器13、およびデータ収集装置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。   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.

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。   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、および記憶装置33を有している。   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.

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。   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.

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 backprojection)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。   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. Image reconstruction algorithms include analytical image reconstruction methods such as FBP (filtered backprojection) method, successive approximation images such as ML-EM (maximum likelihood expectation maximization) method and OS-EM (ordered subset expectation maximization) method. Existing algorithms such as reconstruction can be employed.

実施の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。   In the 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。   The image processing device 27 constructs a dynamic model based on the time-series CT images and executes structural fluid analysis. Details of the processing of the image processing device 27 will be described later.

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。   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.

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。   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.

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、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 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 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実施の形態の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 the blood vessel analysis program stored in the ROM or RAM to execute the blood vessel structure analysis processing of the embodiment.

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、および記憶装置33は、血管解析装置50を構成する。実施の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(picturearchiving 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 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 analyzing device 50 is separate from the medical image diagnostic device, the blood vessel analyzing device 50 collects medical data such as time-series CT images from the medical image diagnostic device or PACS (picturearchiving and communication systems) via the network. Just do it.

次に、実施の形態の動作例を詳細に説明する。なお、実施の形態の医用画像診断装置は、心臓血管、頸動脈、または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。以下、一例として、心臓の血管が解析対象であることとして説明を進める。   Next, an operation example of the embodiment will be described in detail. Note that the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment can analyze blood vessels in any part of the human body such as a cardiovascular vessel, a carotid artery, or a cerebral artery. Hereinafter, as an example, description will be made assuming that the blood vessel of the heart is the analysis target.

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、心筋の収縮およ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。   Examples of the blood vessel 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 ensured 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、収縮期に逆行性波が認められ、大動脈逆流症では、収縮期順行波が大きくなる等、疾患によって特異な血流波形とな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ている。   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. In hypertrophic cardiomyopathy and aortic stenosis, retrograde waves are observed in the systole, and in aortic reflux, the systolic antegrade wave is increased, resulting in a specific blood flow waveform depending on the disease. Yes. 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 is thought to 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共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、いわゆる冠狭窄等の無い場合には、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 anatomically branching 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、冠動脈硬化等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.

血管解析装置50は、時系列のCT画像に基づいて、力学モデルを構築し、力学モデルを利用して心臓の血管についての構造流体解析を実行し、血管内の力学的指標や血管流量指標を高精度に算出する。精度の高い力学的指標や血管流量指標を算出するためには、力学モデルに精度の高い潜在変数を割り当てる必要がある。血管解析装置50は、力学モデルを構築する際、初期的な力学モデルに逆解析を施して潜在変数を統計的に同定する。これにより血管解析装置50は、高精度の潜在変数を決定することができる。   The blood vessel analysis device 50 constructs a dynamic model based on the time-series CT images, performs structural fluid analysis on the blood vessels of the heart using the dynamic model, and calculates the mechanical index and the blood flow rate index in the blood vessel. Calculate with high accuracy. In order to calculate a highly accurate mechanical index or vascular flow index, it is necessary to assign a highly accurate latent variable to the dynamic model. When constructing a dynamic model, the blood vessel analyzing apparatus 50 performs inverse analysis on the initial dynamic model and statistically identifies latent variables. Thereby, the blood vessel analysis device 50 can determine a highly accurate latent variable.

力学的指標は、血管壁や血液に関する力学的な指標を意味する。血管壁に関する力学的指標としては、例えば血管壁の変位に関する指標、血管壁に生じる応力やひずみに関する指標、血管内腔に負荷される内圧分布に関する指標、血管の硬さ等をあらわす材料特性に関する指標等に分類される。血管の硬さ等をあらわす材料特性に関する指標は、血管組織の応力とひずみの関係を示す曲線の平均的な傾き等が挙げられる。   The mechanical index means a mechanical index related to a blood vessel wall or blood. Examples of the mechanical index related to the blood vessel wall include an index related to the displacement of the blood vessel wall, an index related to stress and strain generated in the blood vessel wall, an index related to the distribution of internal pressure applied to the blood vessel lumen, and an index related to material properties representing the hardness of the blood vessel. And so on. Examples of the index relating to the material property representing the hardness of the blood vessel include an average slope of a curve indicating the relationship between stress and strain of the blood vessel tissue.

血液に関する力学的な指標における血管流量指標は、血管を流れる血液に関する血行動態の指標を意味する。血管流量指標としては、例えば血液の流量、血液の流速、血液の粘性等が挙げられる。なお、潜在変数は、例えば、血管の材料構成式、または血液の材料構成式といった材料モデルのパラメータ(例えばヤング率やポアソン比等)、血管内腔に負荷される内圧分布等の負荷条件パラメータ、構造解析や流体解析の境界条件パラメータ、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ばらつき分布パラメータの少なくとも一つを含む。   The blood vessel flow rate index in the mechanical index related to blood means a hemodynamic index related to blood flowing through the blood vessel. Examples of the blood vessel flow rate index include blood flow rate, blood flow rate, blood viscosity, and the like. The latent variable is, for example, a material model parameter such as a blood vessel material constitutive equation or a blood material constitutive equation (eg, Young's modulus or Poisson's ratio), a load condition parameter such as an internal pressure distribution applied to the vascular lumen, It includes at least one of boundary condition parameters for structural analysis and fluid analysis, and variation distribution parameters related to uncertainties of time-series form indices and shape deformation indices.

ここで、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ばらつき分布パラメータとは、医用画像データには、各CT値のノイズに起因したばらつき分布や、生体組織の境界閾値の曖昧性に起因する確率分布等が存在することを考慮して、血管組織や血液の境界座標および特徴点(血管分岐部や造影剤分散配置等)の空間座標における不確定性、または幾何学的構造パラメータ(芯線に垂直な断面の内腔半径等)の不確定性、または医用画像データ自体(CT値や境界閾値等)の不確定性を、確率分布として表現したものである。   Here, the variation distribution parameter related to the uncertainty of the time-series shape index and the shape deformation index means that the medical image data includes a variation distribution caused by noise of each CT value and an ambiguity of a boundary threshold value of a living tissue. Uncertainty in spatial coordinates of boundary coordinates and feature points (blood vessel bifurcations, contrast agent dispersion, etc.) of vascular tissue and blood, or geometric structure The uncertainty of a parameter (such as a lumen radius of a cross section perpendicular to the core line) or the uncertainty of medical image data itself (such as a CT value or a boundary threshold value) is expressed as a probability distribution.

力学モデルは、血管や血液の挙動を表現するための数値モデルである。力学モデルは、構造流体解析の手法に応じて異なるタイプを有している。例えば、力学モデルは、連続体力学モデルと簡易的力学モデルとに分類される。連続体力学モデルは、例えば、有限要素法(FEM:finite element method)や境界要素法に用いられる。簡易的力学モデルは、例えば材料力学に基づく材料力学モデルと流れ学に基づく流体力学モデルとに分類される。   The dynamic model is a numerical model for expressing the behavior of blood vessels and blood. The mechanical model has different types depending on the method of structural fluid analysis. For example, the dynamic model is classified into a continuum dynamic model and a simple dynamic model. The continuum mechanical model is used, for example, in a finite element method (FEM) or a boundary element method. The simple dynamic model is classified into, for example, a material dynamic model based on material dynamics and a hydrodynamic model based on rheology.

なお、以下の説明において特に言及しない場合、力学モデルのタイプについては特に限定しないものとする。初期的な力学モデルは、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集合(各パラメータの組み合わせの集合)が割り当てられた力学モデルを意味するものとする。   Note that the type of the dynamic model is not particularly limited unless otherwise specified in the following description. The initial dynamic model means a dynamic model to which a sampling set (a set of combinations of parameters) related to the parameters of the latent variable obtained from the probability distribution of the latent variable and the variable range is assigned.

図2は、構造流体解析の対象領域(以下、解析対象領域と呼ぶ)に関する力学モデルM1の一例を示す図である。図2に示すように、力学モデルM1は、大動脈領域R1と右冠動脈領域R2と左冠動脈領域R3とを有している。血液は、大動脈から右冠動脈または左冠動脈へ流れる。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a dynamic model M1 related to a target region for structural fluid analysis (hereinafter referred to as an analysis target region). As shown in FIG. 2, the dynamic model M1 has an aorta region R1, a right coronary artery region R2, and a left coronary artery region R3. Blood flows from the aorta to the right or left coronary artery.

図2に示すように、力学モデルM1の大動脈起始部側の末端が血流の入口に設定され、右冠動脈領域の末端と左冠動脈領域の末端とが血流の出口に設定される。入口と出口との各々に境界条件が設定される。入口に関する境界条件は、例えば入口における血流の流速または血流による圧力、またはそれらの変化率を含む。出口に関する境界条件は、例えば、出口における血流の流速または血流による圧力、またはそれらの変化率を含む。   As shown in FIG. 2, the end of the dynamic model M1 on the aortic origin side is set as the blood flow inlet, and the right coronary artery region end and the left coronary artery region end are set as the blood flow outlet. A boundary condition is set for each of the inlet and the outlet. The boundary conditions regarding the inlet include, for example, the blood flow velocity at the inlet or the pressure due to the blood flow, or the rate of change thereof. Boundary conditions for the outlet include, for example, the blood flow velocity at the outlet or the pressure due to the blood flow, or the rate of change thereof.

大動脈、右冠動脈、および左冠動脈の変形は、血流に起因する血管壁への力学的作用、心臓の拍動による血管壁への力学的作用(外力)、血管断面境界の負荷条件、血管壁の材料モデル、血管の無応力状態、および血管壁の幾何学的形状等の様々な要因に依存する。   Deformation of the aorta, right coronary artery, and left coronary artery is due to mechanical action on the blood vessel wall due to blood flow, mechanical action on the blood vessel wall due to heartbeat (external force), load condition at the blood vessel cross-sectional boundary, blood vessel wall Depending on various factors such as the material model, the unstressed state of the vessel, and the geometry of the vessel wall.

ここで、血流に起因する血管壁への力学的作用は、例えば、血流に起因する内圧と血流に起因するせん断力とを含む。血流に起因する内圧により、血管半径方向あるは血管内腔面の垂直方向に変形する。心臓の拍動による血管壁への力学的作用と、血流に起因するせん断力は、血管芯線方向に関する伸縮、ねじり、曲げといった血管壁への力学的作用による変形を生じさせる。   Here, the mechanical action on the blood vessel wall caused by the blood flow includes, for example, an internal pressure caused by the blood flow and a shearing force caused by the blood flow. Due to the internal pressure caused by the blood flow, the blood vessel deforms in the radial direction of the blood vessel or in the direction perpendicular to the surface of the blood vessel lumen. The mechanical action on the blood vessel wall due to the pulsation of the heart and the shearing force due to the blood flow cause deformation due to the mechanical action on the blood vessel wall such as expansion / contraction, twisting and bending in the blood vessel core direction.

血管芯線方向に関する伸縮、ねじり、曲げといった血管の全体的および局所的な変形挙動は、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3、またはその一部、またはその周辺組織に、強制変位(移動ベクトルや回転変位)または荷重ベクトルの時間的変化を与えることで、負荷条件を設定する。また、血流に起因する内圧に基づく血管半径方向または内腔面に垂直な方向への変形は、血管内腔への圧力分布の時間的変化として与えることで、負荷条件を設定する。   The overall and local deformation behavior of the blood vessel, such as stretching, twisting, and bending with respect to the blood vessel core direction, is forced displacement in the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3, or a part thereof, or the surrounding tissue. A load condition is set by giving a temporal change in (movement vector or rotational displacement) or load vector. Further, the deformation in the radial direction of the blood vessel based on the internal pressure caused by the blood flow or the direction perpendicular to the lumen surface is given as a temporal change in the pressure distribution to the blood vessel lumen, thereby setting the load condition.

大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3には、構造流体解析において、強制変位による変位拘束条件が割り当てられる。これにより、構造流体解析における血管壁の変形自由度を縮小することができ、計算収束性の安定化や、解析時間の短縮を実現できる。   In the structural fluid analysis, a displacement constraint condition by forced displacement is assigned to the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. As a result, the degree of freedom of deformation of the blood vessel wall in the structural fluid analysis can be reduced, and the calculation convergence can be stabilized and the analysis time can be shortened.

また、例えば、血管の形状の変形度合は、血管壁の材料に依存する。そのため、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域R3に材料モデルが割り当てられる。また、例えば、血管の形状の変形度合は、血管の無応力状態に依存する。負荷条件の初期値として、血管の残留応力分布を負荷条件として与えても良い。   Further, for example, the degree of deformation of the blood vessel shape depends on the material of the blood vessel wall. Therefore, material models are assigned to the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. Also, for example, the degree of deformation of the blood vessel shape depends on the unstressed state of the blood vessel. As an initial value of the load condition, a residual stress distribution of the blood vessel may be given as the load condition.

ここで、血管解析対象の数値計算用力学モデルの空間を離散化した節点集合および節点から構成される要素集合において、材料モデルや境界条件や負荷条件等の解析条件を同定しない領域と、同定する領域にわけ、解析条件を同定しない領域内の節点には強制変位履歴の変位拘束条件を与え、材料モデルを同定する領域では、血管壁表面(外表面)の節点のみ強制変位履歴の変位拘束条件を与え、血管壁内部は変位自由度を確保し変位拘束を与えない。これにより、構造流体解析の変形自由度をおさえることができ、安定的かつ効率的に解析を行うことができる。   Here, in the element set composed of the node set and nodes that discretize the space of the numerical model for blood vessel analysis, identify the region that does not identify the analysis conditions such as the material model, boundary condition, load condition, etc. Displacement constraint of forced displacement history is given to the nodes in the region where analysis conditions are not identified, and the displacement constraint condition of forced displacement history is given only to the nodes on the blood vessel wall surface (outer surface) in the region where the material model is identified. The inside of the blood vessel wall secures a degree of freedom of displacement and does not give displacement restraint. Thereby, the deformation | transformation freedom degree of structural fluid analysis can be suppressed, and it can analyze stably and efficiently.

ただし、血管壁表面上に緩衝用のダミーの要素集合を設け、その表面の節点に強制変位を与えてもよい。これにより、血管内腔にプラーク等による突起がある場合や、血管分岐部等、内圧による負荷が、芯線方向の断面外の変形に影響を与える場合には、血管内腔だけではなく血管壁の形態指標も参照して血管に負荷される荷重ベクトルと内圧を分離して同定することができる。また、生理学的には壁表面の脂肪層を模擬しており、一方、数値計算上は、血管壁表面に強制変位を与えることで血管壁内部に局所的に実際とは異なる高い応力が発生することを避ける効果もある。   However, a dummy dummy set for buffering may be provided on the surface of the blood vessel wall, and a forced displacement may be applied to a node on the surface. As a result, when there is a projection due to plaque or the like in the blood vessel lumen, or when a load due to internal pressure such as a blood vessel bifurcation affects the deformation outside the cross section in the core line direction, not only the blood vessel lumen but also the blood vessel wall The load vector applied to the blood vessel and the internal pressure can be separated and identified with reference to the shape index. Physiologically, it simulates the fat layer on the wall surface. On the other hand, in the numerical calculation, forced displacement is applied to the surface of the blood vessel wall, and high stresses that are different from the actual locality are generated inside the blood vessel wall. There is also an effect to avoid that.

これら材料モデル、境界条件、および負荷条件等の潜在変数に関するパラメータは、後述する力学モデルに基づく逆解析(統計的同定処理)により同定される。逆解析により同定された精確な潜在変数は、力学モデルに割り当てられる。精確な潜在変数が割り当てられた力学モデルにより、解析対象血管領域外の血管や心臓等の外部要因による当該解析対象血管領域への影響を加味した構造流体解析または流体解析または構造解析または画像解析に基づく血行動態解析を実行することができる。   Parameters related to latent variables such as the material model, boundary condition, and load condition are identified by inverse analysis (statistical identification processing) based on a dynamic model described later. Accurate latent variables identified by inverse analysis are assigned to the dynamic model. For structural fluid analysis or fluid analysis or structural analysis or image analysis that takes into account the influence of external factors such as blood vessels and heart outside the analysis target blood vessel region to the analysis target blood vessel region using a dynamic model to which precise latent variables are assigned Based on hemodynamic analysis can be performed.

血管解析装置50は、力学モデルの構築に関し、逆解析による潜在変数の同定により、次の4点の困難を解決することができる。困難1.冠動脈の材料モデルの同定方法。困難2.心臓の形状の変形の冠動脈への影響の組み込み。困難3.冠動脈の境界条件の同定方法。困難4.医用画像データの不確定性に起因したばらつきを有する血管形状による画像解析や構造流体解析。この4点の困難の克服により、血管解析装置50は、逆解析による潜在変数の同定を行わない従来の血管構造流体解析に比して、解析精度の向上を実現する。   The blood vessel analysis device 50 can solve the following four difficulties by identifying latent variables by inverse analysis regarding the construction of a dynamic model. Difficult Identification method of coronary artery material model. Difficult 2 Incorporation of coronary effects of heart shape deformation. Difficult 3 A method for identifying boundary conditions of coronary arteries. Difficult 4 Image analysis and structural fluid analysis using blood vessel shapes with variations due to the uncertainty of medical image data. By overcoming these four difficulties, the blood vessel analysis device 50 achieves improved analysis accuracy compared to conventional blood vessel structure fluid analysis in which latent variables are not identified by inverse analysis.

次に、実施の形態の医用画像診断装置における構造流体解析処理の詳細について説明する。図3は、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4は、画像処理装置27の機能ブロック図である。   Next, details of the structural fluid analysis process in the medical image diagnostic apparatus of the embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing a typical flow of the structural fluid analysis process performed under the control of the system control unit 21. FIG. 4 is a functional block diagram of the image processing device 27.

図3に示すように、構造流体解析処理においては、まず、システム制御部21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、画像処理装置27に供給される。医用画像ファイルは、時系列のCT画像のデータの他に、当該被検体に関する血管内腔に関する圧力値のデータ、血液流量指標の観測値のデータ、およ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. 3, in the structural fluid analysis process, first, the system control unit 21 reads a medical image file to be processed from the storage device 33 and supplies it to the image processing device 27. The medical image file includes, in addition to time-series CT image data, pressure value data related to the subject's blood vessel lumen, blood flow index observed value data, and plaque index. 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.

図3に示すように、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の領域設定部51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、領域設定部51は、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。   As shown in FIG. 3, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform a region setting process (step S1). In step S <b> 1, the region setting unit 51 of 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 region setting unit 51 sets the analysis target region and the identification target region in the blood vessel region by an instruction from the user via the input device 29 or image processing.

ここで、図5を参照しながら、血管の構造について説明する。図5は、血管の芯線に直交する断面(以下、血管断面と呼ぶ)を模式的に示す図である。図5に示すように、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。   Here, the structure of the blood vessel will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section perpendicular to the blood vessel core line (hereinafter referred to as a blood vessel cross section). As shown in FIG. 5, 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.

図5に示すように、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値の大きさ等により相対的に判別することができる。しかし、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。   As shown in FIG. 5, 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に画像解析・追尾処理を行わせる(ステップS2)。ステップS2において画像処理装置27の画像解析・追尾処理部53は、時系列のCT画像に画像処理を施して時系列の血管形態指標と時系列の血管形状変形指標とを算出する。具体的には、画像解析・追尾処理部53は、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時系列の血管形状変形指標を算出する。   When step S1 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform image analysis / tracking processing (step S2). In step S2, the image analysis / tracking processing unit 53 of the image processing device 27 performs image processing on the time-series CT image to calculate a time-series blood vessel shape index and a time-series blood vessel shape deformation index. Specifically, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates a time-series blood vessel shape index by performing an image analysis process on the time-series CT image, and performs a tracking process on the time-series CT image. A series of blood vessel shape deformation indices is calculated.

より詳細には、画像解析・追尾処理部53は、画像解析処理において、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。画像解析・追尾処理部53は、血管形態指標として、血管の芯線に垂直な断面、また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。   More specifically, the image analysis / tracking processing unit 53 extracts a blood vessel region from each CT image in the image analysis processing, and relates to a pixel region relating to a blood vessel lumen (hereinafter referred to as a blood vessel lumen region) and a blood vessel wall. A pixel region (hereinafter referred to as a blood vessel wall region) is specified. The image analysis / tracking processing unit 53 uses, as a blood vessel shape index, 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. The three-dimensional coordinates of are specified.

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および0°の方向ベクトル、または断面における全角度に対する平均面積や平均半径、または、芯線方向に垂直な複数の断面で囲まれた血管内腔容積、また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。   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, a blood vessel 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 may be used.

追尾処理において、画像解析・追尾処理部53は、ユーザからの入力機器29を介した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、画像解析・追尾処理部53は、血管分岐部や表面の特徴形状等の追跡点集合を設定する。各時刻(各心位相)における画像解析・追尾処理部53の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または血管壁内部また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等により算出し、強制変位として与える。   In the tracking process, the image analysis / tracking processing unit 53 displays a feature point, a feature shape, a representative point, a pixel, or the like in a blood vessel region, blood, a contrast agent, or a proton by an indication or image processing via the input device 29 from the user. Set multiple tracking points. For example, the image analysis / tracking processing unit 53 sets a tracking point set such as a blood vessel bifurcation or a surface feature shape. From the displacement data of the tracking point set obtained by the tracking processing of the image analysis / tracking processing unit 53 at each time (each cardiac phase), the displacement time of the node on the blood vessel wall surface, the blood vessel wall, or the blood vessel lumen of the dynamic model The change is calculated by interpolation processing or the like and given as a forced displacement.

また、例えば画像解析・追尾処理部53は、力学モデルに血管芯線上の節点を定義する。画像解析・追尾処理部53は、力学モデルの血管壁表面または血管壁内部また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。   For example, the image analysis / tracking processing unit 53 defines a node on the blood vessel core line in the dynamic model. The image analysis / tracking processing unit 53 extracts deformation related to expansion / contraction, torsion, and bending in the core direction of the blood vessel from temporal changes in the displacement of the nodes on the surface of the blood vessel wall in the mechanical model, in the blood vessel wall, or in the blood vessel lumen. You may express by giving as a forced displacement of the node in the cross section perpendicular | vertical to a core wire and a core wire. 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.

以下、図6および図7を参照しながら、画像解析・追尾処理を説明する。図6は、血管芯線の形態の時間的変化を示す図である。図6に示すように、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画像が得られることとする。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。図6に示すように、芯線の形態は、心位相の経過に従って変化している。   The image analysis / tracking process will be described below with reference to FIGS. FIG. 6 is a diagram showing temporal changes in the shape of the blood vessel core line. As shown in FIG. 6, for example, a time-series medical image is assumed to include 20 CT images per heartbeat. That is, 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. As shown in FIG. 6, the form of the core wire changes as the cardiac phase progresses.

図7は、時刻tと時刻t+Δtとの間における追尾処理の一例を示す図である。図7に示すように、血管芯線上にP1からP10の力学モデルにおける節点が設定されており、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等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。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the tracking process between time t and time t + Δt. As shown in FIG. 7, nodes in the dynamic model P1 to P10 are set on the blood vessel core line, and are dynamically connected to the nodes of the mechanical model of the blood vessel 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 points 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.

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、ねじり、または曲げ等の強制変位を抽出し、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。   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. From the image analysis / tracking processing unit 53, a forced displacement such as expansion, contraction, torsion, or bending in the blood vessel core direction between the node P13 and the node P14 is extracted, and the forced displacement of the node P13 (the movement 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.

図8は、血管芯線の曲げ変形および回転変位の算出例を示す図である。図8に示すように、例えばねじり角は、線aおよび線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。   FIG. 8 is a diagram illustrating a calculation example of bending deformation and rotational displacement of the blood vessel core wire. As shown in FIG. 8, for example, the torsion angle may be calculated from a change in the normal direction vector c of the surface composed of the line a and the line b.

図7および図8に示すように、画像解析・追尾処理部53は、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、画像解析・追尾処理部53は、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。   As shown in FIGS. 7 and 8, the image analysis / tracking processing unit 53 performs forced displacement of each node on the core line (movement displacement in the three-dimensional space and the core line direction based on the coordinates of the tracking point and the movement vector. ), And a blood vessel shape deformation index is calculated. For example, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates the temporal change in the coordinate difference between two adjacent nodes as the expansion / contraction distance ΔL in the core line direction.

また、画像解析・追尾処理部53は、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(血管内腔または血管壁また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、画像解析・追尾処理部53は、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。   Further, the image analysis / tracking processing unit 53, for each node on each core line, between the node and another node on the blood vessel region cross section including the node (node in the blood vessel lumen, blood vessel wall, or plaque region). The time change of the distance is calculated as the expansion / contraction distance Δr in the radial direction. Further, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates, for each tracking point, a twist angle Δθ in the core line direction of the node on the core line based on the coordinates and movement vectors of a plurality of tracking points in the vicinity of the tracking point. To do.

また、画像解析・追尾処理部53は、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、流速または芯線方向断面の平均流速または平均流量を算出してもよい。   Further, the image analysis / tracking processing unit 53 may calculate a flow velocity or an average flow velocity or average flow rate in the cross section in the core line direction as a blood flow index by image tracking of a contrast agent or proton in the blood region.

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 “shape history”, and the time-series blood vessel shape deformation index is referred to as “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に構築処理を行わせる(ステップS3)。ステップS3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,超音波エコー画像等の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。   When step S2 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform a construction process (step S3). In step S <b> 3, the dynamic model construction unit 55 of the image processing device 27 performs shape history (time-series blood vessel shape index), forced displacement history (time-series blood vessel shape index), and time-series medical image (CT image, Based on the DICOM data (MRI image, ultrasonic echo image, etc.), a dynamic model for the analysis target region is provisionally constructed. The dynamic model is a numerical model related to an analysis target region for performing structural fluid analysis.

以下、ステップS3について詳細に説明する。力学モデル構築部55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。   Hereinafter, step S3 will be described in detail. The dynamic model construction unit 55 first constructs a shape model for solving a dynamic model (mathematical model) based on the medical image and the shape history. The shape model schematically represents the geometric structure of the blood vessel region at each time. The shape model is divided into a plurality of discretized regions, for example. The vertices of each discretized region are called nodes.

力学モデル構築部55は、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。   The dynamic model construction unit 55 may construct a shape model for each time based on a blood vessel region and a blood vessel shape index included in the medical image for each time, or a blood vessel included in the medical image for a specific time phase. A shape model for each time may be constructed based on the region and the blood vessel morphology index. 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.

図9は、形状モデルの芯線に直交する断面を示す図である。図9に示すように、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。   FIG. 9 is a diagram showing a cross section orthogonal to the core wire of the shape model. As shown in FIG. 9, the shape model has a blood vessel lumen region and a blood vessel wall region from the core line toward the outside. 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.

形状モデルが構築されると力学モデル構築部55は、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等による、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。   When the shape model is constructed, the dynamic model construction unit 55 obtains a sampling value relating to the parameter of the latent variable obtained from the probability distribution and the variable range of each latent variable (for example, from a set of combinations of each parameter by Markov chain Monte Carlo method or the like). Set Sampling to the dynamic model.

例えば、力学モデル構築部55は、図2に示すように、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。力学モデル構築部55は、各境界条件同定領域に境界条件の確率分布または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。   For example, as shown in FIG. 2, the dynamic model construction unit 55 sets a boundary condition identification target region (hereinafter referred to as a boundary condition identification region) related to the entrance to the end of the aortic region R1 on the aortic origin side. A boundary condition identification region relating to the exit is set at the end of the coronary artery region R2 and the end of the left coronary artery region R3. The dynamic model construction unit 55 assigns a sampling value related to a boundary condition parameter obtained from the probability distribution of the boundary condition or the variable range to each boundary condition identification region.

また、力学モデル構築部55は、大動脈領域R1、右冠動脈領域R2、および左冠動脈領域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)およ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。力学モデル構築部55は、各材料モデル同定領域に材料モデルの確率分布または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。   The dynamic model construction unit 55 also includes 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 material model identification region) in the aorta region R1, the right coronary artery region R2, and the left coronary artery region R3. Hereinafter, this is referred to as a load condition identification region). The mechanical model construction unit 55 assigns a sampling value related to a material model parameter obtained from the probability distribution or variable range of the material model to each material model identification region, and obtains from each of the load condition identification regions from the probability distribution of the load condition and the variable range. Assign a sampling value for the load condition parameter

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、力学モデル構築部55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、力学モデル構築部55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、また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等であってよい。詳細は、後述するが、力学モデル構築部55は、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。   It is said that blood vessels have residual stress even when the flow rate is zero. For example, the dynamic model construction unit 55 may assign the residual stress when the flow rate is 0 to the analysis target region as the initial value of the load condition. In addition, the dynamic model construction unit 55 may set a region for which the geometric structure is to be identified (hereinafter referred to as a geometric structure identification region) 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 or the boundary threshold value of the living tissue Or the like. Although details will be described later, the dynamic model construction unit 55 may set a material model 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力学モデル構築部55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。潜在変数およ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, the dynamic model construction unit 55 assigns the time-series blood vessel shape deformation index calculated in step S2, that is, the forced displacement history, to the shape model. A shape model to which a latent variable and a forced displacement history are assigned is called a “mechanical model”.

図10は、形状モデルM2は血管や血液の力学モデルの一部を示しており、力学モデルの節点への強制変位履歴の割り当てを説明するための図である。図10は、形状モデルM2の一部分を示している。ただし、図10では芯線がM2内に位置する場合を示しているが、芯線がM2外に位置する場合でも良い。図10に示すように、形状モデルM2には複数の節点PN(PN1,PN2)が設定されている。芯線上の節点をPN1と称し、血管や血液の力学モデルにおける節点をPN2と称することにする。形状モデルM2は、ダミー要素表面、血管外壁、血管内壁、プラーク領域表面、プラーク領域内部、または血液部、に設定される。力学モデル構築部55は、形状モデルM2の各節点PN1に強制変位、すなわち、血管形状変化指標を時刻毎に割り当てる。   FIG. 10 shows a part of a mechanical model of blood vessels and blood as a shape model M2, and is a diagram for explaining assignment of forced displacement history to nodes of the dynamic model. FIG. 10 shows a part of the shape model M2. However, although FIG. 10 shows the case where the core wire is located within M2, the core wire may be located outside M2. As shown in FIG. 10, a plurality of nodes PN (PN1, PN2) are set in the shape model M2. A node on the core line is referred to as PN1, and a node in a blood vessel or blood dynamic model is referred to as PN2. The shape model M2 is set on the dummy element surface, blood vessel outer wall, blood vessel inner wall, plaque region surface, plaque region inside, or blood part. The dynamic model construction unit 55 assigns a forced displacement, that is, a blood vessel shape change index to each node PN1 of the shape model M2 for each time.

具体的には、力学モデル構築部55は、芯線上の隣り合う節点PN1と節点PN1とをビーム要素(またはリジッド要素)EBで結ぶ。また、力学モデル構築部55は、節点PN1と当該節点PN1を通る直交断面に含まれる他の節点PN2とをビーム要素EBで結ぶ。力学モデル構築部55は、節点PN1およびビーム要素EBに各血管形状変形指標の形状変位方向に関する拘束条件を割り当てる。   Specifically, the dynamic model construction unit 55 connects adjacent nodes PN1 and PN1 on the core line with beam elements (or rigid elements) EB. Further, the dynamic model construction unit 55 connects the node PN1 and the other node PN2 included in the orthogonal cross section passing through the node PN1 by the beam element EB. The dynamic model construction unit 55 assigns a constraint condition related to the shape displacement direction of each blood vessel shape deformation index to the node PN1 and the beam element EB.

材料モデルまたは血管内腔の内圧を同定する領域では、強制変位としては、芯線方向に関する血管壁(またはダミー要素)表面の伸縮、血管壁(またはダミー要素)表面のねじれ、血管壁(またはダミー要素)表面の曲げ変形が挙げられる。例えば、材料モデルや血管内腔の内圧を同定しない領域では、芯線方向に関する強制変位だけではなく、半径方向に関する血管壁の時系列の伸縮(変位)も強制変位履歴として割り当てられる。   In the region that identifies the internal pressure of the material model or the blood vessel lumen, the forced displacement includes expansion / contraction of the surface of the blood vessel wall (or dummy element) with respect to the core line direction, twist of the surface of the blood vessel wall (or dummy element), blood vessel wall (or dummy element) ) Surface bending deformation. For example, in a region where the material model and the internal pressure of the blood vessel lumen are not identified, not only forced displacement in the core line direction but also time-series expansion / contraction (displacement) of the blood vessel wall in the radial direction is assigned as the forced displacement history.

また、血管内腔に突起がある場合や血管分岐部等のように、内圧が、芯線方向断面外への変形に寄与する場合は、その領域には強制変位を与えずに、その領域の周辺部(例えば、ダミー要素の表面節点)のみに強制変位履歴を割り当てる。また、力学モデル構築部55、節点PN1およびビーム要素EBに時系列の血管形状変形指標を強制変位履歴として割り当てられる。これにより、血管の全体および局所に関する伸縮変形やねじれ変形や曲げ変形が表現される。   Also, when the internal pressure contributes to deformation outside the cross section in the core line direction, such as when there is a protrusion in the blood vessel lumen or in a blood vessel bifurcation, the area around that area is not forcedly displaced. A forced displacement history is assigned only to a portion (for example, a surface node of a dummy element). In addition, a time-series blood vessel shape deformation index is assigned to the dynamic model construction unit 55, the node PN1, and the beam element EB as a forced displacement history. As a result, expansion deformation, torsion deformation, and bending deformation related to the whole and local blood vessels are expressed.

なお、強制変位履歴の割当対象は、芯線上の節点およびビーム要素に限定されない。図11および図12は、形状モデルへの強制変位履歴の他の割り当て方法を示す図である。図11は、血管形状変形指標がねじれの場合における割り当て例を示している。また、図12は、血管形状変形指標が曲げの場合における割り当て例を示している。図11および図12に示すように、力学モデル構築部55は、形状モデルの表面または内部の節点に直接的に強制変位履歴を割り当てても良い。例えば、ステップS2において画像解析・追尾処理部53は、特徴点についての伸縮量やねじり量や曲げ量等の血管形状変形指標を算出する。力学モデル構築部55は、算出された血管形状変形指標を特徴点の周囲の節点へ補間(内挿や外挿)することにより直接的に割り当てる。   The assignment target of the forced displacement history is not limited to the nodes and beam elements on the core line. FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams showing another method for assigning the forced displacement history to the shape model. FIG. 11 shows an example of assignment when the blood vessel shape deformation index is twisted. FIG. 12 shows an example of assignment when the blood vessel shape deformation index is bending. As shown in FIGS. 11 and 12, the dynamic model construction unit 55 may directly assign a forced displacement history to the surface or internal node of the shape model. For example, in step S <b> 2, the image analysis / tracking processing unit 53 calculates a blood vessel shape deformation index such as an expansion / contraction amount, a torsion amount, and a bending amount for the feature point. The dynamic model construction unit 55 directly assigns the calculated blood vessel shape deformation index by interpolating (interpolating or extrapolating) the nodes around the feature points.

実施の形態の画像処理装置27は、ステップS3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S6において行われる。ステップS4およびS5は、それぞれ統計的同定処理に用いる血管形態指標およ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 of the embodiment performs inverse analysis using the dynamic model provisionally constructed in step S3, and statistically identifies latent variables set in the dynamic model. The statistical identification process is performed in step S6 described later. Steps S4 and S5 are provided for calculating a blood vessel shape index and a blood flow index used for the statistical identification process, respectively.

ステップ3が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置に27に血管応力解析処理を行わせる(ステップS4)。ステップS4において画像処理装置27の血管応力解析部57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。   When step 3 is performed, the system control unit 21 causes the image processing apparatus to perform blood vessel stress analysis processing on 27 (step S4). In step S4, the vascular stress analysis unit 57 of the image processing device 27 performs 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 a lumen region or a cross-sectional shape index of a blood vessel wall in the blood vessel core direction may be used.

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、内腔領域の直径等)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、壁領域の直径等)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。   Specifically, the cross-sectional shape index of the lumen region is at least one of the coordinate value of the pixel of interest in the lumen region and the geometric structure parameters of the lumen region (the radius of the lumen region, the diameter of the lumen region, etc.). One. In addition, 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 parameters 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3が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に血液流体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の血液流体解析部59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、またはその空間的・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 3 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform blood fluid analysis processing (step S5). In step S <b> 5, the blood fluid analysis unit 59 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S4およびS5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S6)。ステップS6において画像処理装置27の統計的同定部61は、ステップS4において算出された血管形態指標の予測値とステップS5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 S4 and S5 are performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform identification processing (step S6). In step S6, the statistical identification unit 61 of the image processing device 27 acquires the blood vessel morphology in which the predicted value of the blood vessel shape index calculated in step S4 and the predicted value of the blood flow index calculated in step S5 are collected in advance. The parameters of the latent variables of the mechanical model are statistically identified so as to match the observed value of the index and the observed value of the blood flow index.

図4に示すように、統計的同定部61は、第1統計的同定部61−1と第2統計的同定部61−2とを有している。第1統計的同定部61−1は、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。第2統計的同定部61−2は、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。以下、第1統計的同定部61−1と第2統計的同定部61−2とを順番に説明する。   As illustrated in FIG. 4, the statistical identification unit 61 includes a first statistical identification unit 61-1 and a second statistical identification unit 61-2. The first statistical identification unit 61-1 statistically identifies the parameter of the latent variable so that the predicted value of the blood vessel shape index matches the observed value of the blood vessel shape index. The second statistical identification unit 61-2 statistically identifies the parameter of the latent variable so that the predicted value of the blood flow index matches the observed value of the blood flow index. Hereinafter, the first statistical identification unit 61-1 and the second statistical identification unit 61-2 will be described in order.

具体的には、ステップS6において第1統計的同定部61−1は、ステップS4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。   Specifically, in step S6, the first statistical identification unit 61-1 sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index calculated in step S4. 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.

力学モデルにおける各節点また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。   A normal distribution function value regarding 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.

次に、第1統計的同定部61−1は、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、およ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。第1統計的同定部61−1は、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。   Next, the first statistical identification unit 61-1 assigns a prior distribution (prior probability distribution) to the latent variable of the dynamic model. Specifically, a prior distribution is assigned to each of the material model, the boundary condition, the load condition, and the parameters related to the uncertainty of the time-series shape index and shape deformation index. 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. The first statistical identification unit 61-1 calculates a probability distribution of internal pressure values, that is, a prior distribution, for each discretized region by executing a Monte Carlo simulation related to the internal pressure values within the assumed range.

また、力学モデル構築部55は、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。   In addition, as a prior distribution, the dynamic model construction unit 55 has observed that the pressure distribution in the core line direction is smooth, that the pressure change with the passage of time is smooth, and that there is no backflow of blood flow. In this case, for example, a probability distribution expressed mathematically by a multivariate normal distribution function that the slope of the average pressure change in the core line direction is negative may be set as the prior distribution.

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。   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. .

次に、第1統計的同定部61−1は、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、第1統計的同定部61−1は、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。   Next, the first statistical identification unit 61-1 calculates a posterior distribution (a posteriori probability distribution) by performing a statistical identification process on the prior distribution and the data distribution for each latent variable. Examples of the statistical identification process include a hierarchical Bayes model and a Markov chain model. And the 1st statistical identification part 61-1 identifies the parameter of each latent variable from statistical values, such as the mode value and average value of posterior distribution, about each latent variable. 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13は、階層ベイズモデルおよ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13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。   FIG. 13 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. 13, 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.

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。   For example, the blood vessel shape index calculated in step S2 is used as the observed value of the blood vessel shape index.

第2統計的同定部61−2による処理は、データ分布の算出に用いる指標が異なるだけで第1統計的同定部61−1による処理と同様である。すなわち、第2統計的同定部61−2は、まず、ステップS5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。   The process by the second statistical identification unit 61-2 is the same as the process by the first statistical identification unit 61-1, except that the index used for calculating the data distribution is different. That is, the second statistical identification unit 61-2 first sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood flow index calculated in step S5.

次に、第2統計的同定部61−2は、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、弾性率等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。   Next, the second statistical identification unit 61-2 assigns a prior distribution to the latent variables 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.

第2統計的同定部61−2は、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。   The second statistical identification unit 61-2 sets the probability distribution of the parameter of the material model for each discretized region, that is, sets a prior distribution, limits the range within these assumed ranges, and follows the assumed probability distribution of the material model. A Monte Carlo simulation on the parameters can be executed, and a sampling value of the material model parameter (latent variable) for setting to the dynamic model can be obtained.

次に、第2統計的同定部61−2は、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。   Next, the second statistical identification unit 61-2 calculates a posterior distribution by applying a statistical identification process to the prior distribution and the data distribution for each latent variable, and calculates each statistic value of the calculated posterior distribution. Identify the parameters of the latent variable. 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14は、階層ベイズモデルおよ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14に示すように、血管モデルは、図13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. 14 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 Bayes model and a Markov chain Monte Carlo method. As shown in FIG. 14, the blood vessel model is assumed to be 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また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等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 a 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, proton image tracking 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、統計的同定部61は、各節点の座標値の芯線方向に関する所定範囲内の変動、または、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等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, the statistical identification unit 61 pre-distributes 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. It is good to set as. 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.

なお、各ステップS6において第1統計的同定部61−1による統計的同定処理と第2統計的同定部61−2による統計的同定処理との両方が行われなくても良い。すなわち、各ステップS6においては、第1統計的同定部61−1による統計的同定処理と第2統計的同定部61−2による統計的同定処理との何れか一方が行われても良い。   In each step S6, both the statistical identification process by the first statistical identification unit 61-1 and the statistical identification process by the second statistical identification unit 61-2 may not be performed. That is, in each step S6, either the statistical identification process by the first statistical identification unit 61-1 or the statistical identification process by the second statistical identification unit 61-2 may be performed.

また、上記の例においては、第1統計的同定部61−1は、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し、第2統計的同定部61−2は、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とした。しかし、統計的同定部61は、構造−流体連成解析に基づいて、血管形態指標の予測値と血液流量指標の予測値とが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潜在変数のパラメータを統計的に同定しても良い。統計的同定部61による統計的同定処理のさらなる詳細については後述する。   In the above example, the first statistical identification unit 61-1 statistically identifies the parameters of the latent variable so that the predicted value of the blood vessel shape index matches the observed value of the blood vessel shape index, and the second The statistical identification unit 61-2 statistically identifies the parameters of the latent variable so that the predicted value of the blood flow index matches the observed value of the blood flow index. However, based on the structure-fluid coupling analysis, the statistical identification unit 61 matches the predicted value of the blood vessel shape index and the predicted value of the blood flow index with the observed value of the blood vessel shape index and the observed value of the blood flow index. Thus, the parameters of the latent variable may be identified statistically. Further details of the statistical identification process by the statistical identification unit 61 will be described later.

ステップS6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S7)。ステップS7において画像処理装置27の力学モデル構築部55は、ステップS6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 S6 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform setting processing (step S7). In step S7, the dynamic model construction unit 55 of the image processing device 27 sets the parameter of the latent variable calculated in step S6 to the dynamic model.

ステップS7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S8)。ステップS8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S8:NO)、システム制御部21は、ステップS4、S5、S6、S7、およびS8を繰り返す。   When step S7 is performed, the system control unit 21 determines whether or not the identification end condition is satisfied (step S8). If it is determined in step S8 that the identification end condition is not satisfied (step S8: NO), the system control unit 21 repeats steps S4, S5, S6, S7, and S8.

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。   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.

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、力学モデル構築部55は、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。   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. When the identification end condition is satisfied, the dynamic model construction unit 55 sets the latest dynamic model at that time as the final dynamic model.

最終的な力学モデルが構築されると、力学モデル構築部55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、およ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、およ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、テーブルまた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 unit 55 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 (hereinafter referred to as the related model). Called a model). 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S4、S5、S6、S7、およびS8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、内圧および外圧を厚肉円筒の材料力学の式と、ハーゲン・ポアズイユ流れおよ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 S4, S5, S6, S7, and S8 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 of using internal pressure and external pressure for the material dynamics equation of the thick-walled cylinder, Hagen-Poiseuille flow and 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S8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S8:YES)、システム制御部21は、画像解析・追尾処理部53に修正処理を行わせても良い(ステップS9)。ステップS9において画像解析・追尾処理部53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および血液流体指標の予測値)が観測値(力学的指標の観測値およ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。   If it is determined in step S8 that the identification completion receipt is satisfied (step S8: YES), the system control unit 21 may cause the image analysis / tracking processing unit 53 to perform correction processing (step S9). In step S9, the image analysis / tracking processing unit 53 performs the structural fluid analysis result (predicted value of the mechanical index and predicted value of the 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).

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、血管解析装置50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。または、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。   The display device 31 displays a diagnosis result based on the corrected time-series medical image. Thereby, the blood vessel analysis device 50 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.

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。   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S9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る(ステップS10)。ステップS10において画像処理装置27の血管応力解析部57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。   When step S9 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform vascular stress analysis processing (step S10). In step S <b> 10, the vascular stress analysis unit 57 of the image processing device 27 performs vascular stress analysis on the final mechanical model 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.

また、ステップS9が行われるとシステム制御部21は、画像処理装置27に血液流体解析処理を行わせる(ステップS11)。ステップS11において画像処理装置27の血液流体解析部59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。   When step S9 is performed, the system control unit 21 causes the image processing device 27 to perform blood fluid analysis processing (step S11). In step S11, the blood fluid analysis unit 59 of the image processing device 27 performs blood fluid analysis on the tentatively constructed dynamic model to calculate a spatial distribution of predicted values of the time series blood flow index. Specifically, the predicted value of the blood flow index is calculated for each discretized region.

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。   Note that FFR may be calculated as a mechanical index or a blood flow index.

ステップS9およびS10が行われるとシステム制御部21は、表示機器31に表示処理を行わせる(ステップS11)。ステップS11において表示機器31は、ステップS9において算出された時系列の力学的指標の予測値とステップS10において算出された時系列の血液流量指標の予測値とを表示する。   When steps S9 and S10 are performed, the system control unit 21 causes the display device 31 to perform display processing (step S11). In step S11, the display device 31 displays the predicted value of the time-series dynamic index calculated in step S9 and the predicted value of the time-series blood flow index calculated in step S10.

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を、時系列の力学モデルを当該予測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、各種の予測値とカラー値(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、予測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。   For example, the display device 31 displays a time-series dynamic index or a time-series blood vessel flow index as a moving image of a time-series dynamic model in a color corresponding to the predicted value. For this reason, the display device 31 holds a color table indicating the relationship between various predicted values and color values (for example, RGB). The display device 31 specifies a color value corresponding to the predicted value using a color table, and displays a discretization region corresponding to the predicted value with a color corresponding to the specified color value.

図15は、力学的指標の一つである内圧の空間分布の表示例を示す図である。図15に示すように、表示機器31は、力学モデルを構成する各離散化領域を当該離散化領域に関する内圧値に応じた色で動画的に表示する。ユーザは、力学モデルを観察することにより、経時的且つ空間的に変化する力学的指標を色で把握することができる。   FIG. 15 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of internal pressure that is one of the mechanical indices. As shown in FIG. 15, the display device 31 displays each discretized area constituting the dynamic model in a moving image with a color corresponding to the internal pressure value related to the discretized area. By observing the dynamic model, the user can grasp the dynamic index that changes with time and space by color.

図16は、血液流量指標の一つである流速値の空間分布の表示例を示す図である。図16に示すように、表示機器31は、力学モデルを構成する各離散化領域を当該離散化領域に関する流速値に応じた色で動画的に表示する。ユーザは、力学モデルを観察することにより、経時的且つ空間的に変化する血液流量指標を色で把握することができる。   FIG. 16 is a diagram illustrating a display example of a spatial distribution of a flow velocity value that is one of blood flow index. As shown in FIG. 16, the display device 31 displays each discretized area constituting the dynamic model in a moving image with a color corresponding to the flow velocity value related to the discretized area. By observing the dynamic model, the user can grasp the blood flow index that changes with time and space by color.

例えば、血管内が完全に狭窄している場合、狭窄部位の内圧は、非狭窄部位の内圧よりも小さい。力学的指標として内圧が指定された場合、ユーザは、力学モデル上での局所的な色の違いにより狭窄の有無を判断することができる。また、狭窄部位の流量は、非狭窄部位の流用よりも小さい。血液流量指標として流量が指定された場合、ユーザは、力学モデル上での局所的な色の違いにより狭窄の有無を判断することができる。   For example, when the inside of the blood vessel is completely stenotic, the internal pressure at the stenotic site is smaller than the internal pressure at the non-stenotic site. When the internal pressure is designated as the mechanical index, the user can determine the presence or absence of stenosis based on a local color difference on the dynamic model. Further, the flow rate of the stenosis site is smaller than that of the non-stenosis site. When the flow rate is designated as the blood flow index, the user can determine the presence or absence of stenosis based on a local color difference on the dynamic model.

また、血管応力解析部57は、プラーク領域の材料モデルパラメータの同定結果に基づいて、力学的指標として硬さ値の空間分布を算出しても良い。この場合、表示機器31は、プラーク領域に関する硬さ値の空間分布を力学モデル上において表示しても良い。また、表示機器31は、プラーク領域周辺の内圧分布や応力分布、ひずみ分布を表示して良い。ユーザは、これらの表示をプラークの性状と破綻しやすさとを推定することに活用することができる。   Further, the vascular stress analysis unit 57 may calculate the spatial distribution of the hardness value as a mechanical index based on the identification result of the material model parameter of the plaque region. In this case, the display device 31 may display the spatial distribution of the hardness value related to the plaque region on the dynamic model. The display device 31 may display an internal pressure distribution, a stress distribution, and a strain distribution around the plaque region. The user can use these displays to estimate the nature of the plaque and the likelihood of failure.

力学的指標および血液流量指標の予測値は、力学モデルの離散化領域の色で表現する方法のみに限定されない。例えば、図17、図18、および図19に示すように、グラフで表示しても良い。なお、図17は、左冠動脈起始部の血圧に関するグラフである。図17のグラフの縦軸は正規化した血圧に規定され、横軸は心位相[%]に規定される。図18は、LCXとLDAとの分岐点付近の血圧に関するグラフである。図18のグラフの縦軸は正規化した血圧に規定され、横軸は心位相[%]に規定される。図19は、芯線方向に関する血圧変化に関するグラフである。図19のグラフの縦軸は血圧比に規定され、横軸は大動脈からの距離[mm]に規定される。表示機器31は、力学的指標および血液流量指標の予測値をグラフで表示することにより、これら値をユーザに簡便に把握させることができる。   The predicted values of the mechanical index and the blood flow index are not limited only to the method of expressing with the color of the discretized region of the dynamic model. For example, as shown in FIG. 17, FIG. 18, and FIG. FIG. 17 is a graph relating to the blood pressure of the left coronary artery origin. The vertical axis of the graph of FIG. 17 is defined by normalized blood pressure, and the horizontal axis is defined by cardiac phase [%]. FIG. 18 is a graph relating to blood pressure near the branch point between LCX and LDA. The vertical axis of the graph of FIG. 18 is defined by normalized blood pressure, and the horizontal axis is defined by cardiac phase [%]. FIG. 19 is a graph relating to changes in blood pressure with respect to the core line direction. The vertical axis of the graph of FIG. 19 is defined by the blood pressure ratio, and the horizontal axis is defined by the distance [mm] from the aorta. The display device 31 allows the user to easily grasp these values by displaying the predicted values of the mechanical index and the blood flow index in a graph.

ステップS11が行われると構造流体解析処理が終了する。   When step S11 is performed, the structural fluid analysis process ends.

なお、図10において、強制変位履歴は、形状モデルの芯線部と外壁部とに設定されるとしたが、強制変位履歴の設定箇所は、これに限定されない。例えば、強制変位履歴は、芯線部と外壁部との間の血管壁領域に設定されても良い。   In FIG. 10, the forced displacement history is set in the core line portion and the outer wall portion of the shape model, but the setting location of the forced displacement history is not limited to this. For example, the forced displacement history may be set in a blood vessel wall region between the core line portion and the outer wall portion.

また、強制変位履歴の拘束条件の割り当て対象は、境界条件および材料モデルを同定するか否かに応じて切り分けられても良い。図20は、強制変位履歴の他の割り当て例を示す図であり、形状モデルの断面を示している。例えば、図20の(a)に示すように、境界条件および材料モデルを同定する場合、形状モデルの外壁部OW上の節点PN2のみに強制変位履歴を割り当て、血管壁領域RVの節点PN3には強制変位履歴を割り当てなければよい。   Further, the assignment target of the constraint condition of the forced displacement history may be divided according to whether the boundary condition and the material model are identified. FIG. 20 is a diagram illustrating another allocation example of the forced displacement history, and illustrates a cross section of the shape model. For example, as shown in FIG. 20A, when the boundary condition and the material model are identified, the forced displacement history is assigned only to the node PN2 on the outer wall portion OW of the shape model, and the node PN3 of the blood vessel wall region RV is assigned to the node PN3. There is no need to assign a forced displacement history.

また、図20の(b)に示すように、境界条件および材料モデルを同定しない場合、形状モデルの外壁部の節点PN2と血管壁領域RVの節点PN3との両方に強制変位履歴を割り当てればよい。この場合、芯線上の節点PN1に強制変位履歴が割り当てられる。また、外壁部OWの節点PN2と節点PN1とをビーム要素EBで結び、ビーム要素EB上の節点PN2およびPN3にも強制変位履歴を割り当ててもよい。このとき、半径方向に関する収縮および膨張は、ビーム要素EBの伸縮変位で表現する。なお、血管内腔領域RIには、強制変位履歴が割り当てられなくて良い。   Further, as shown in FIG. 20B, if the boundary condition and the material model are not identified, the forced displacement history is assigned to both the node PN2 of the outer wall portion of the shape model and the node PN3 of the blood vessel wall region RV. Good. In this case, a forced displacement history is assigned to the node PN1 on the core line. Further, the node PN2 and the node PN1 of the outer wall portion OW may be connected by the beam element EB, and the forced displacement history may be assigned to the nodes PN2 and PN3 on the beam element EB. At this time, contraction and expansion in the radial direction are expressed by expansion and contraction of the beam element EB. Note that the forced displacement history need not be assigned to the blood vessel lumen region RI.

図21は、強制変位履歴の割り当ての他の例を示す図であり、血管周辺組織のダミー要素RDを含む形状モデルの断面を示している。図21に示すように、ダミー要素RDは、血管壁領域RNの外側に設定される。形状モデルがダミー要素RDを含む場合、血管壁領域RNに加え、ダミー要素RDにも節点PN4が設定される。節点PN4にも強制変位履歴が割り当てられる。   FIG. 21 is a diagram showing another example of assignment of forced displacement history, and shows a cross section of a shape model including a dummy element RD of a tissue around a blood vessel. As shown in FIG. 21, the dummy element RD is set outside the blood vessel wall region RN. When the shape model includes the dummy element RD, the node PN4 is set in the dummy element RD in addition to the blood vessel wall region RN. A forced displacement history is also assigned to the node PN4.

力学モデル構築部55は、境界条件および材料モデルを同定する場合、血管壁領域RVに含まれる節点PN3に強制変位履歴を割り当て、境界条件および材料モデルを同定しない場合、強制変位履歴を割り当てなくても良い。節点PN3に強制変位履歴を割り当てる場合、内腔領域RIに関する形状指標以外にも血管壁領域RVに関する形状指標も参照して材料モデルの同定が行われる。   The mechanical model construction unit 55 assigns a forced displacement history to the node PN3 included in the blood vessel wall region RV when identifying the boundary condition and the material model, and does not assign a forced displacement history when the boundary condition and the material model are not identified. Also good. When the forced displacement history is assigned to the node PN3, the material model is identified with reference to the shape index related to the blood vessel wall region RV in addition to the shape index related to the lumen region RI.

図22は、強制変位履歴の割り当ての他の例を示す図であり、プラーク領域RPを含む形状モデルの断面を示している。図22に示すように、プラーク領域RPは、血管壁領域RVに含まれる。プラーク領域RPは、材料モデル同定領域に設定される。プラーク領域RPについては、内腔形状指標、血管壁形状指標、およびプラーク指標を考慮して材料モデルが同定される。   FIG. 22 is a diagram showing another example of assignment of the forced displacement history, and shows a cross section of the shape model including the plaque region RP. As shown in FIG. 22, the plaque region RP is included in the blood vessel wall region RV. The plaque region RP is set in the material model identification region. For the plaque region RP, a material model is identified in consideration of the lumen shape index, the blood vessel wall shape index, and the plaque index.

既述のように、プラーク指標は、例えば、超音波診断装置による組織性状診断により得られたプラークの性状に関するデータである。力学モデル構築部55は、性状に応じてプラーク領域を複数の部分領域に区分し、複数の部分領域に個別に材料モデル同定領域を設定する。各部分領域には、予め、当該部分領域の性状に応じたパラメータ範囲を設定することが好ましい。既述の統計的同定処理により、各部分領域についての材料モデルパラメータが統計的同定部61により同定される。そして、ステップS10において表示機器31が力学的指標として血管の材料特性に関する指標を表示することにより、ユーザは、プラークの性状を正確且つ容易に把握することができる。   As described above, the plaque index is, for example, data relating to the plaque property obtained by the tissue property diagnosis by the ultrasonic diagnostic apparatus. The mechanical model construction unit 55 divides the plaque region into a plurality of partial regions according to the properties, and individually sets the material model identification regions in the plurality of partial regions. It is preferable to set a parameter range in advance for each partial region according to the properties of the partial region. By the above-described statistical identification process, the material model parameters for each partial region are identified by the statistical identification unit 61. In step S10, the display device 31 displays an index related to the material characteristics of the blood vessel as a mechanical index, so that the user can accurately and easily grasp the property of the plaque.

次に、潜在変数の一つである材料モデルについて詳細に説明する。血管の材料モデルとしては、弾性モデル、超弾性モデル、異方性超弾性モデル、粘性特性を考慮した超弾性モデル等が適用可能である。異方性超弾性モデルとしては、例えば、Y.C.Funにより提案された数理モデルや、Holzapfel−Gasser構成式と呼ばれる数理モデルを適用できる。   Next, a material model that is one of latent variables will be described in detail. As a blood vessel material model, an elastic model, a superelastic model, an anisotropic hyperelastic model, a superelastic model considering viscosity characteristics, and the like are applicable. Examples of anisotropic superelastic models include Y. C. A mathematical model proposed by Fun or a mathematical model called Holzapfel-Gasser constitutive equation can be applied.

単位参照体積あたりのひずみエネルギーは、以下の(1)式で表わされる。(1)式の第1項は、コラーゲンを含まない等方性基礎材料のせん断変形に関するエネルギーを表している。また、(1)式の第2項は、コラーゲンを含まない等方性基礎材料の体積変形に関するエネルギーを表している。また、(1)式の第3項は、コラーゲン繊維各グループの寄与(繊維方向の分散を考慮)を表している。   The strain energy per unit reference volume is expressed by the following equation (1). The first term of the formula (1) represents the energy related to the shear deformation of the isotropic basic material not containing collagen. Further, the second term of the formula (1) represents the energy related to the volume deformation of the isotropic basic material not containing collagen. The third term of the formula (1) represents the contribution of each group of collagen fibers (considering the dispersion in the fiber direction).

図23は、繊維グループの変形を示す図である。図23に示すように、円筒形上の外膜を仮定する。芯線方向zと周方向θとにより規定される面における平均方向Aでの繊維グループの変形は、下記の(2)式で表される。   FIG. 23 is a diagram illustrating deformation of a fiber group. As shown in FIG. 23, a cylindrical outer membrane is assumed. The deformation of the fiber group in the average direction A on the surface defined by the core line direction z and the circumferential direction θ is expressed by the following equation (2).

(1)式および(2)式中の材料モデルに関するパラメータとしては、以下の表1に示すように、材料パラメータと繊維分散パラメータとがある。材料パラメータとしては、C10、D,K1、K2等が用いられ、繊維分散パラメータとしては、Kappaやγ等が用いられる。各パラメータのデフォルト値と制約条件とは表1に示す通りである。   Parameters relating to the material model in the equations (1) and (2) include a material parameter and a fiber dispersion parameter as shown in Table 1 below. C10, D, K1, K2, etc. are used as material parameters, and Kappa, γ, etc. are used as fiber dispersion parameters. The default values and constraint conditions for each parameter are as shown in Table 1.

血液の材料モデルは、以下の(3)式のようなCasson構成式や(4)式のようなHB構成式が好適である。   As the blood material model, a Casson constitutive expression such as the following expression (3) and an HB constitutive expression such as the expression (4) are suitable.

これら材料モデルのパラメータは、上述のステップS6において統計的同定部61により、血管形態指標および血液流体指標を用いた統計的同定処理により同定される。   The parameters of the material model are identified by the statistical identification unit 61 in the above-described step S6 by statistical identification processing using the blood vessel shape index and the blood fluid index.

次に、統計的同定部61により行われる統計的同定処理の詳細について説明する。   Next, details of the statistical identification processing performed by the statistical identification unit 61 will be described.

時系列の医用画像から計測される血管形態指標および血液流量指標のような観測変数は、不確定性を有している。統計的同定部61は、このような不確定性が存在する状況下における潜在変数の統計的同定法として、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とに基づく統計的手法を活用する。   Observation variables such as blood vessel shape indices and blood flow indices measured from time-series medical images have uncertainties. The statistical identification unit 61 uses a statistical method based on a hierarchical Bayesian model and a Markov chain Monte Carlo method as a statistical identification method of a latent variable in a situation where such uncertainty exists.

既述のように、ステップS6において統計的同定部61は、ステップS4において算出された血管形態指標または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。データ分布は、例えば血管形態指標または血液流量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。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。   As described above, in step S6, the statistical identification unit 61 sets a data distribution based on the predicted value and the observed value of the blood vessel shape index or blood flow index calculated in step S4. The data distribution indicates, for example, a multivariate normal distribution function related to an error between a predicted value and an observed value of a blood vessel shape index or a blood flow index. The data distribution may be set individually for each time or may be set collectively for a plurality of times.

次に、統計的同定部61は、形状モデルの強制変位と潜在変数とに事前分布を割り当てる。事前分布は、取り得る値の確率分布を示す。次に、統計的同定部61は、潜在変数に関する数値シミュレーションのパラメータサーベイを実行し、潜在変数と血管形態指標または血液流量指標との関係を表現するモデルを構築する。例えば、材料モデルパラメータと内圧分布パラメータと血管形態指標または血液流量指標との関係がモデルに規定される。なお、血管形態指標または血液流量指標と潜在変数との関係は、モデルという形態ではなく、データベースまたはテーブルにより規定されても良い。これらモデル、データベース、または、テーブルは、記憶装置33に記憶される。   Next, the statistical identification unit 61 assigns a prior distribution to the forced displacement and the latent variable of the shape model. The prior distribution indicates a probability distribution of possible values. Next, the statistical identification unit 61 executes a parameter survey of a numerical simulation regarding the latent variable, and constructs a model that expresses the relationship between the latent variable and the blood vessel shape index or the blood flow index. For example, the relationship between the material model parameter, the internal pressure distribution parameter, and the blood vessel shape index or blood flow index is defined in the model. The relationship between the blood vessel shape index or blood flow index and the latent variable may be defined by a database or a table instead of a model. These models, databases, or tables are stored in the storage device 33.

統計的同定部61は、モデル、データベース、または、テーブルを利用して事前分布から血管形態指標または血液流量指標の確率分布を算出する。統計的同定部61は、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とにより得られる事後分布から潜在変数を統計的に同定する。   The statistical identification unit 61 calculates a probability distribution of the blood vessel shape index or the blood flow index from the prior distribution using a model, a database, or a table. The statistical identification unit 61 statistically identifies latent variables from the posterior distribution obtained by the hierarchical Bayesian model and the Markov chain Monte Carlo method.

具体的には、この同定問題は、次の3条件を満足しない不良設定問題となる。3条件は、(1)解の存在が保証される、(2)解が唯一に定まる、(3)解がデータに対して連続的に変化し測定誤差に対して解が安定している、である。不良設定問題は、正規化理論とその拡張とからなる枠組み内で捉えると扱いやすい。不良設定問題を解くことは、標準正規化理論では不十分である。不良設定問題を解くためには、内部状態の不連続点を検出し、検出された不連続点を内部状態の推定に役立てる方法論が必要となる。この点で、本実施形態の統計的同定処理においてマルコフ確率場理論が有効となる。   Specifically, this identification problem is a defect setting problem that does not satisfy the following three conditions. The three conditions are (1) the existence of a solution is guaranteed, (2) the solution is uniquely determined, (3) the solution continuously changes with respect to the data, and the solution is stable with respect to the measurement error, It is. The defect setting problem is easy to handle when viewed within the framework of normalization theory and its extensions. The standard normalization theory is insufficient to solve the defect setting problem. In order to solve the defect setting problem, a methodology for detecting discontinuities in the internal state and using the detected discontinuous points for estimation of the internal state is required. In this respect, Markov random field theory is effective in the statistical identification processing of the present embodiment.

血管形態指標と血液流量指標とに不確定性が存在する環境下において統計的同定部61は、適切な制約条件の下において潜在変数の確率分布パラメータを同定する。適切な制約条件を決定するためには、解の性質を事前に知っている必要がある。統計的同定部61は、解空間の制約条件に関するデータベースをシミュレーションと観測値とに基づいて、発生する。   In an environment where uncertainty exists in the blood vessel shape index and the blood flow index, the statistical identification unit 61 identifies the probability distribution parameter of the latent variable under an appropriate constraint condition. In order to determine appropriate constraints, it is necessary to know the nature of the solution in advance. The statistical identification unit 61 generates a database related to the constraint condition of the solution space based on the simulation and the observation value.

統計的同定部61は、発生されたデータベースを利用して、超多自由度大規模問題に対してマルコフ確率場理論と階層ベイズモデルとに基づく統計的同定処理を実行する。制約条件となる事前分布の設定では、多くの数値実験結果に基づいて、これらの要因に関するパラメータの確率分布が並列的に個別に構成される。統計的同定部61は、複数の確率分布を統合しデータの欠損を補間することで潜在変数のパラメータを同定する。この処理のために、統計的同定部61は、マルコフ確率場理論を用いたモデルに基づく階層ベイズ法による推定を行う。解析対象とする構造の変形状態の実測結果から、同定した中間変数をもとに、ある負荷条件と境界条件における圧力や流量分布が推定できるという仕組みである。   The statistical identification unit 61 uses the generated database to execute statistical identification processing based on Markov random field theory and a hierarchical Bayesian model for a super-multi-degree-of-freedom large-scale problem. In the setting of the prior distribution as a constraint condition, the probability distribution of parameters relating to these factors is individually configured in parallel based on many numerical experimental results. The statistical identification unit 61 identifies parameters of latent variables by integrating a plurality of probability distributions and interpolating data loss. For this processing, the statistical identification unit 61 performs estimation by a hierarchical Bayesian method based on a model using Markov random field theory. This is a mechanism that can estimate pressure and flow rate distribution under certain load conditions and boundary conditions based on the identified intermediate variables from the measurement results of the deformation state of the structure to be analyzed.

冠動脈の構造流体解析における材料モデル、境界条件、および負荷条件の同定問題は、非線形逆解析と位置付けられ、解の一意性および安定性が保証されない場合が多い。生体組織の材料特性や血圧の現実的に取り得る範囲は先験情報として想定できるため、これらを事前分布の確率分布として設定できる。また、圧力や変位は空間的時間的に滑らかであることも想定できるためこの情報も先験情報として事前分布の確率分布として設定できる。   The identification problem of material models, boundary conditions, and load conditions in structural fluid analysis of coronary arteries is positioned as nonlinear inverse analysis, and the uniqueness and stability of the solution are often not guaranteed. Since realistically possible ranges of material properties and blood pressure of living tissue can be assumed as a priori information, these can be set as a probability distribution of prior distribution. In addition, since pressure and displacement can be assumed to be spatially and temporally smooth, this information can also be set as a priori probability distribution as a priori information.

または、血液の流れに逆流が生じていない事実を考慮できる場合は血管芯線方向の全体的な圧力分布の傾きは負(圧力降下が存在)であることも制約条件として用いて良い。負荷条件(内圧分布等)、境界条件、および材料モデルに対して、時系列のCT画像に基づく血管形状変形指標の観測値と力学モデルに基づく血管形状変形指標の予測値との2乗誤差分布をデータ分布として設定できる。   Alternatively, when the fact that no back flow occurs in the blood flow can be taken into account, the fact that the slope of the overall pressure distribution in the blood vessel core direction is negative (there is a pressure drop) may be used as a constraint condition. For load conditions (internal pressure distribution, etc.), boundary conditions, and material model, square error distribution between observed value of blood vessel shape deformation index based on time-series CT image and predicted value of blood vessel shape deformation index based on dynamic model Can be set as the data distribution.

観測可能な平均流量に関する2乗誤差分布もデータ分布として追加してもよい。これらの事前分布とデータ分布とに基づいて、階層ベイズモデルとモンテカルロ法とを利用して事後分布を算出することができる。事後分布の発生確率や分散により、潜在変数のパラメータの同定値を得ることができる。発生確率が高く、分散が小さいほうが確信度合の高い同定値といえる。   A square error distribution related to the observable average flow rate may be added as a data distribution. Based on these prior distribution and data distribution, the posterior distribution can be calculated using the hierarchical Bayesian model and the Monte Carlo method. The identification value of the parameter of the latent variable can be obtained by the occurrence probability and variance of the posterior distribution. It can be said that the higher the probability of occurrence and the smaller the variance, the higher the confidence value.

事後分布が多峰性分布となる場合でも、複数の同定値のうちの分散が小さい同定値を選択すれば良い。または、複数の同定値が存在し得る場合、それぞれの同定条件で、構造流体解析を実施し、それぞれの可能性を認識して、同定値や解析結果を、診断や予防の指針情報として活用することができる。時系列のCT画像にも誤差が含まれていることから、力学モデルの各節点に関する血管形態指標にも誤差が含まれる。このため、各血管形態指標を、例えば、時系列のCT画像から計測された血管形態指標の予測値を平均値とした正規分布の確率変数として扱い、位置の空間的順序を保つという制約を含めた上で、事前分布を設定してもよい。   Even when the posterior distribution is a multimodal distribution, an identification value having a small variance among a plurality of identification values may be selected. Or, when multiple identification values can exist, perform structural fluid analysis under each identification condition, recognize each possibility, and use the identification values and analysis results as guide information for diagnosis and prevention be able to. Since an error is included in the time-series CT image, an error is also included in the blood vessel shape index related to each node of the dynamic model. For this reason, for example, each blood vessel shape index is treated as a normal distribution random variable having an average value of the predicted value of the blood vessel shape index measured from a time-series CT image, and includes a restriction that the spatial order of positions is maintained. In addition, a prior distribution may be set.

また、潜在変数のパラメータの同定において、一意性がなく、複数の候補が考えられる場合がある。この場合、時系列のCT画像から計測された血管形態指標の不確定性に従う乱数のサンプリング点に対する、潜在変数の同定値のサンプル集合の変動幅をチェックすることで、各同定値の候補のロバスト性(安定性)を判定する。各同定値の候補のロバスト性に基づいて、最終的な同定値を決定しても良い。   In addition, there are cases where there is no uniqueness in identification of parameters of latent variables, and a plurality of candidates can be considered. In this case, by checking the fluctuation range of the sample set of the identification value of the latent variable with respect to the random sampling point according to the uncertainty of the blood vessel shape index measured from the time-series CT image, the robustness of each identification value candidate is checked. Judgment (stability). The final identification value may be determined based on the robustness of each identification value candidate.

次に、力学モデルの詳細について説明する。既述のように、力学モデル構築部55は、力学モデルの種類に応じて異なるタイプの力学モデルを構築することができる。連続体力学に基づくFEMを用いる場合、力学モデル構築部55は、血管壁の応力解析用のための形状モデル(FEMモデル)と血液の流体解析用のための形状モデル(FEMモデル)との両方を構築する。   Next, details of the dynamic model will be described. As described above, the dynamic model construction unit 55 can construct different types of dynamic models depending on the type of the dynamic model. When FEM based on continuum mechanics is used, the mechanical model construction unit 55 includes both a shape model for stress analysis of the blood vessel wall (FEM model) and a shape model for fluid analysis of blood (FEM model). Build up.

材料力学に基づく簡易的な同定法を用いる場合、材料力学における内圧を受ける厚肉円筒の式から近似的に圧力と弾性率と変位との関係を求める。この場合、芯線方向に配列された複数の離散化領域の各々について厚肉円筒近似が形状モデルとして用いられる。具体的には、力学モデル構築部55は、芯線上に離散的に配列された節点を通る断面上の血管内腔形状と血管壁表面形状と断面中心とを特定する。   When a simple identification method based on material mechanics is used, the relationship between pressure, elastic modulus, and displacement is approximately obtained from the equation of a thick cylinder that receives internal pressure in material mechanics. In this case, thick cylindrical approximation is used as a shape model for each of a plurality of discretized regions arranged in the core line direction. Specifically, the dynamic model construction unit 55 identifies the blood vessel lumen shape, the blood vessel wall surface shape, and the cross-sectional center on the cross section passing through the nodes discretely arranged on the core line.

次に力学モデル構築部55は、血管内腔形状と血管壁表面形状とに基づいて、平均面積、内腔の平均半径、および平均壁厚を算出する。そして力学モデル構築部55は、平均面積、内腔の平均半径、および平均壁厚に基づいて、各離散化領域の血管領域に厚肉円筒近似を施して形状モデルを構築する。   Next, the dynamic model construction unit 55 calculates the average area, the average radius of the lumen, and the average wall thickness based on the blood vessel lumen shape and the blood vessel wall surface shape. Based on the average area, the average radius of the lumen, and the average wall thickness, the dynamic model construction unit 55 constructs a shape model by performing thick-walled cylinder approximation on the blood vessel region of each discretization region.

流れ力学に基づく簡易的な同定法を用いる場合、血流の平均圧力と平均流量とを近似的に求めるため、流体力学における修正ベルヌーイの式、または、ハーゲン・ポアズイユ流れ(Hagen−Poiseuille Flow)の式を用いる。この場合、複数の離散化領域の各々の血圧差と流量との関係を近似的に求めるための形状モデルが構築される。ここで、血圧差は、入口の血圧と出口の圧力との圧力差であり、流量は、単位時間あたり入口流量(または流速)と出口流量(または流速)とを意味する。ただし、力学モデル構築部55は、ステップS2において算出された芯線方向に関する伸縮距離とねじれ角とに基づいて、各節点に関する移動ベクトルと当該節点に隣接する節点に関する回転変位とを各時刻で対応させると良い。   When a simple identification method based on flow mechanics is used, the modified Bernoulli equation in fluid mechanics or the Hagen-Poiseille Flow is used to approximate the mean blood pressure and mean flow. Use the formula. In this case, a shape model for approximating the relationship between the blood pressure difference and the flow rate of each of the plurality of discretized regions is constructed. Here, the blood pressure difference is a pressure difference between the inlet blood pressure and the outlet pressure, and the flow rate means the inlet flow rate (or flow velocity) and the outlet flow rate (or flow velocity) per unit time. However, the dynamic model construction unit 55 associates the movement vector for each node with the rotational displacement for the node adjacent to the node at each time based on the expansion / contraction distance and the twist angle in the core line direction calculated in step S2. And good.

次に、連続体力学モデルを用いる構造流体解析について説明する。   Next, structural fluid analysis using a continuum mechanics model will be described.

血管および血液(血管と血液を構成する物質)についての運動学は、その運動を引き起こしている力とは無関係である。血管および血液についての運動学の基本概念は、位置、時間、物体、運動、および変形し得る物質の集合についての直感的概念を数学的用語へ抽象化したものである。血管および血液に関する変形および運動の局所的解析を支配する基礎的運動学テンソルは、変形勾配テンソルFと速度勾配テンソルLとである。   The kinematics for blood vessels and blood (substances that make up blood vessels and blood) are independent of the forces causing that motion. The basic concept of kinematics for blood vessels and blood is an abstraction of the intuitive notion of position, time, objects, motion, and a collection of deformable substances into mathematical terms. The basic kinematic tensors that govern the local analysis of deformation and motion for blood vessels and blood are the deformation gradient tensor F and the velocity gradient tensor L.

変形勾配テンソルFは、運動する血管および血液の物質要素に生じる大きさおよび形の変化を規定する。変形勾配テンソルFは、回転テンソル(正格直交テンソル)Rとストレッチングテンソル(正値対称テンソル)U,Vとの積で表わされる。ストレッチングテンソルU,Vは、まず、基本形態での正規直交ベクトルRによって定められる方向に関するストレッチを課し、次に、正規直交ベクトルRによって与えられる剛体回転を課すことによりもたらされる。なお、ストレッチを課す順番と剛体回転を課す順番とは逆でも良い。   The deformation gradient tensor F defines the size and shape changes that occur in the moving blood vessels and blood material elements. The deformation gradient tensor F is represented by the product of a rotation tensor (strict orthogonal tensor) R and a stretching tensor (positive symmetric tensor) U and V. The stretching tensors U, V are brought about by first imposing a stretch on the direction defined by the orthonormal vector R in the basic form and then imposing a rigid body rotation given by the orthonormal vector R. Note that the order of imposing stretch and the order of imposing rigid body rotation may be reversed.

速度勾配テンソルLは、基準形態に依存せず現在形態にのみ依存する。速度勾配テンソルLは、運動する血管および血液の物質要素に生じる大きさおよび形の変化が生じる速度を規定する。速度勾配テンソルLは、ひずみ速度テンソルD(対称テンソル)とスピンテンソル(反対称テンソル)とに分離できる。ひずみ速度テンソルDは、物体がその現在形態をちょうど通過するときのストレッチの変化率を表す。スピンテンソルは、物体がその現在形態をちょうど通過するときの回転の変化率を表す。   The velocity gradient tensor L does not depend on the reference form but depends only on the current form. The velocity gradient tensor L defines the rate at which the size and shape changes that occur in the moving blood vessels and blood material elements occur. The velocity gradient tensor L can be separated into a strain rate tensor D (symmetric tensor) and a spin tensor (antisymmetric tensor). The strain rate tensor D represents the rate of change of the stretch when the object just passes through its current form. The spin tensor represents the rate of change of rotation when an object just passes through its current form.

血管の力学モデルの外表面節点(または積分点)の一部に関する変形勾配テンソルと速度勾配テンソルとに変位拘束条件(時間的変化を含む)を割り当てる。力学モデルの内腔節点(または積分点)に関する予測値(変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、またはそれらの関数値(例えば、変位や面積でも良い))と、観測値(観測データから得られた変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、またはそれらの関数値)とが整合するように、材料モデルのパラメータ、負荷条件(力学モデルの内腔における表面力ベクトル)、および境界条件(血管境界における力ベクトル)を同定する。ここで、血管内部の応力の初期状態は、予め仮定しておいてもよいし、同定してもよい。   Displacement constraint conditions (including temporal changes) are assigned to the deformation gradient tensor and velocity gradient tensor relating to a part of the outer surface node (or integration point) of the mechanical model of the blood vessel. Predicted values (deformation gradient tensor, velocity gradient tensor, or their function values (for example, displacement or area)) and observation values (deformation obtained from observation data) for the lumen node (or integration point) of the dynamic model The material model parameters, loading conditions (surface force vector in the lumen of the dynamic model), and boundary conditions (force vector at the vessel boundary) are matched so that the gradient tensor, velocity gradient tensor, or their function values match. Identify. Here, the initial state of the stress inside the blood vessel may be assumed in advance or may be identified.

連続体力学に基づく力学モデルは、運動中の血管および血液における質量、運動学、運動量、角運動量、およびエネルギーの平衡を表す方程式を基礎としている。質量、力、熱、および内部エネルギーという概念が基本である。平衡則とは、運動量の時間全微分が物体力と接触力との和に等しくなり、また、角運動量の時間全微分が物体トルクと接触トルクとの和に等しくなり、また、運動エネルギーと内部エネルギーとの時間的変化が、仕事率(力学的エネルギー)と単位時間あたりの熱供給と熱流束との和に等しくなる、ということを意味している。   Dynamic models based on continuum mechanics are based on equations representing the balance of mass, kinematics, momentum, angular momentum, and energy in moving blood vessels and blood. The concepts of mass, force, heat, and internal energy are fundamental. The balance law is that the momentary total derivative of momentum is equal to the sum of object force and contact force, the momentary total derivative of angular momentum is equal to the sum of object torque and contact torque, and kinetic energy and internal It means that the change with time in energy is equal to the sum of power (mechanical energy), heat supply per unit time and heat flux.

平衡則、構成式、および跳躍条件から、変形勾配テンソル、速度勾配テンソル、および応力テンソルといった場の方程式を導き、血管および血液の力学モデルを記述できる。また、血管および血液におけるひずみ場は、適合条件を満たす。   From balance laws, constitutive equations, and jump conditions, field equations such as deformation gradient tensors, velocity gradient tensors, and stress tensors can be derived to describe vascular and blood dynamic models. In addition, the strain fields in blood vessels and blood satisfy the fitting conditions.

ここで、構成式とは、密度、内部エネルギー、速度ベクトル、応力テンソル、熱流束ベクトル、および温度からなる10個のスカラ方程式の組の関係を与えるものである。場の釣り合い式の中の17個のスカラ場、つまり、密度、内部エネルギー、速度ベクトル、応力テンソル、および熱流束ベクトルのうち、場の釣り合いにより8個のスカラ関係が与えられ、温度を加えた残りの未知量の関係を与える。ただし、物体力bと熱源rとは既知としている。これらのスカラ場を与える方程式のパラメータが材料モデルパラメータである。   Here, the constitutive equation gives a relationship of a set of 10 scalar equations composed of density, internal energy, velocity vector, stress tensor, heat flux vector, and temperature. Of the 17 scalar fields in the field balance equation, ie, density, internal energy, velocity vector, stress tensor, and heat flux vector, the field balance gives 8 scalar relationships and added the temperature Give the remaining unknown relationships. However, the object force b and the heat source r are known. The parameters of the equations giving these scalar fields are material model parameters.

連続体力学に基づく力学モデルは、有限要素法又は境界要素法による数値解析法により変位ベクトル、応力テンソル、ひずみテンソル、および速度ベクトル等の場の近似解を、与えられた境界条件、負荷条件、および材料モデルのもとに算出することができる。   The mechanics model based on continuum mechanics is a numerical analysis method using the finite element method or the boundary element method, and approximates the field such as displacement vector, stress tensor, strain tensor, and velocity vector, given boundary condition, load condition, And can be calculated based on the material model.

構造−流体連成解析において、構造および流体の方程式を解く方法は、一体型解法(monolithic method)と分離型解法(partitioned method)とのいずれでも良い。また、構造と流体との間の境界面での連成は、弱連成でも強連成でもよい。また、流体解析においては、ALE法に代表されるような境界面追跡型の手法で移動境界を扱ってもよいし、「Immersed Boundary method」、「Immersed Finite Element Method」、または「Fictitious Domain Method」等の境界面補足型の手法でもよい。   In the structure-fluid coupled analysis, the method of solving the structure and fluid equations may be either a monolithic method or a partitioned method. Further, the coupling at the interface between the structure and the fluid may be weakly coupled or strongly coupled. Further, in fluid analysis, a moving boundary may be handled by a boundary surface tracking type technique represented by the ALE method, or “Immersed Boundary method”, “Immersed Finite Element Method”, or “Fittious Domain Method”. A boundary surface supplement type technique such as the above may be used.

次に、簡易的な力学モデルの例として、内圧と外圧とを受ける厚肉円筒の材料力学の式と、ハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式とについて詳細に説明する。   Next, as an example of a simple dynamic model, the material dynamics equation of the thick cylinder subjected to internal pressure and external pressure, the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation will be described in detail.

まず、図24と図25とを参照しながら、厚肉円筒の材料力学の式について説明する。図24は、肉厚円筒の力学モデルの直交断面を示す図である。図25は、図24の微小扇形要素の拡大図である。内半径ra、外半径rbの厚肉円筒に内圧paと外圧pbとが作用する場合の応力やひずみ、変位等の式を説明する。Eおよびνは材料モデルパラメータである。Eは弾性率、νはポアソン比を表している。厚肉円筒では,半径応力σrも考慮し、円周応力σθ の半径方向分布も考慮する必要がある。以降では、軸方向のひずみεzは、断面の位置および向きに関して一様とする。   First, an equation of material dynamics of a thick cylinder will be described with reference to FIGS. FIG. 24 is a diagram showing an orthogonal cross section of a dynamic model of a thick cylinder. FIG. 25 is an enlarged view of the minute sector element of FIG. Expressions such as stress, strain, and displacement when the internal pressure pa and the external pressure pb are applied to a thick cylinder having the inner radius ra and the outer radius rb will be described. E and ν are material model parameters. E represents the elastic modulus, and ν represents the Poisson's ratio. For thick cylinders, it is necessary to consider the radial stress σr and the radial distribution of the circumferential stress σθ. Hereinafter, the axial strain εz is assumed to be uniform with respect to the position and orientation of the cross section.

また円筒断面は、軸対称である場合について説明するが任意形状であっても良い。円筒断面が軸対称である場合、平衡条件は、任意の断面の半径方向についてのみ考えれば良い。任意の断面上で半径rとr+drの同心円筒と中心角dθで切り取られた単位厚さ1の微小扇形要素について、半径方向に関する力の平衡を考える。変形も軸対称であるため、ab面およびbc面には、せん断応力が生じないので、垂直応力のみ作用する。従って、半径方向に関する力の平衡は、以下の(5)式のように表現することができる。   Moreover, although the case where a cylindrical cross section is axially symmetrical is demonstrated, arbitrary shapes may be sufficient. When the cylindrical cross section is axisymmetric, the equilibrium condition may be considered only in the radial direction of an arbitrary cross section. Consider a balance of forces in the radial direction on a concentric cylinder with radii r and r + dr on a given cross section and a small sector element with unit thickness 1 cut at a central angle dθ. Since the deformation is also axisymmetric, no shear stress is generated on the ab plane and the bc plane, so that only normal stress acts. Therefore, the force balance in the radial direction can be expressed as the following equation (5).

σr rdθ+2σθr sin(dθ/2)-(σr+(dσr/dr)dr)(r+dr)dθ=0 …(5)   σr rdθ + 2σθr sin (dθ / 2)-(σr + (dσr / dr) dr) (r + dr) dθ = 0 (5)

ここで、drはrより小さく、dσr はσrより小さいので、(5)式に含まれる高次の微小項を省略し、sin(dθ/2)≒dθ/2とすれば、(5)式は、以下の(6)式のように表現することができる。   Here, since dr is smaller than r and dσr is smaller than σr, if high-order minute terms included in equation (5) are omitted and sin (dθ / 2) ≈dθ / 2, then equation (5) Can be expressed as the following equation (6).

rdσr/dr+σr-σθ=0 …(6)   rdσr / dr + σr-σθ = 0 (6)

半径rにおける半径方向の変位をuとすれば、u+drでの同方向の変位はu+(du/dr)drとなるので、半径rにおける半径方向のひずみεrはεr=du/drとなる。また、半径方向の変位uによって、半径rの円は半径r+uの円になる。従って、円周ひずみεθは、以下の(7)式のように表現することができる。   If the radial displacement at the radius r is u, the displacement in the same direction at u + dr is u + (du / dr) dr, so the radial strain εr at the radius r is εr = du / dr. Further, due to the radial displacement u, the circle with the radius r becomes a circle with the radius r + u. Therefore, the circumferential strain εθ can be expressed as the following equation (7).

εθ =(2π(r+u)-2πr)/2πr=u/r …(7)   εθ = (2π (r + u) -2πr) / 2πr = u / r (7)

また、応力とひずみの関係式から、以下の(8)式または(9)式が得られる。   Moreover, the following (8) Formula or (9) Formula is obtained from the relational expression of stress and strain.

d2u/dr2+(1/r)(du/dr)-u/r2=0 …(8)   d2u / dr2 + (1 / r) (du / dr) -u / r2 = 0 (8)

d2u/dr2+d(u/r)/dr=0 …(9)   d2u / dr2 + d (u / r) / dr = 0 (9)

(8)式または(9)式を積分すると以下の(10)式を得ることができる。   The following formula (10) can be obtained by integrating the formula (8) or the formula (9).

u=c1r+c2/r …(10)   u = c1r + c2 / r (10)

これにより以下の(11)式、(12)式、(13)式が得られる。   As a result, the following equations (11), (12), and (13) are obtained.

σr=(E/((1+ν)(1-2ν)))(c1-(1-2ν)(c2/r2)+νεz) …(11)   σr = (E / ((1 + ν) (1-2ν))) (c1- (1-2ν) (c2 / r2) + νεz) (11)

σθ=(E/((1+ν)(1-2ν)))(c1+(1-2ν)(c2/r2)+νεz) …(12)   σθ = (E / ((1 + ν) (1-2ν))) (c1 + (1-2ν) (c2 / r2) + νεz) (12)

σz=(Eν/((1+ν)(1-2ν)))(2c1+((1-ν)/ν)εz) …(13)   σz = (Eν / ((1 + ν) (1-2ν))) (2c1 + ((1-ν) / ν) εz) (13)

(11)式、(12)式、(13)式における定数c1,c2は、周辺条件、すなわち、円筒の内周r=raでσr=−pa、外周r=rbでσr=−pbから定めることができる。この周辺条件により、(11)式、(12)式、および(13)式から以下の(14)式、(15)式、(16)式をそれぞれ得ることができる。また、変位uは、以下の(17)式のように表現することができる。   The constants c1 and c2 in the equations (11), (12), and (13) are determined from the peripheral conditions, that is, σr = −pa at the inner circumference r = ra of the cylinder and σr = −pb at the outer circumference r = rb. be able to. Under these peripheral conditions, the following expressions (14), (15), and (16) can be obtained from the expressions (11), (12), and (13), respectively. Further, the displacement u can be expressed as the following equation (17).

σr=(1/(rb2-ra2))(ra2(1-rb2/r2)pa-rb2(1-ra2/r2)pb) …(14)   σr = (1 / (rb2-ra2)) (ra2 (1-rb2 / r2) pa-rb2 (1-ra2 / r2) pb) (14)

σθ=(1/(rb2-ra2))(ra2(1+rb2/r2)pa-rb2(1+ra2/r2)pb) …(15)   σθ = (1 / (rb2-ra2)) (ra2 (1 + rb2 / r2) pa-rb2 (1 + ra2 / r2) pb) (15)

σz=2ν(ra2pa-rb2pb)/(rb2-ra2)+Eεz=ν(σr+σθ)+Eεz …(16)   σz = 2ν (ra2pa-rb2pb) / (rb2-ra2) + Eεz = ν (σr + σθ) + Eεz (16)

u=((1+ν)(1-2ν)/E)((ra2pa-rb2pb)/(rb2-ra2))r+((1+ν)/E)((ra2rb2)/((rb2-ra2)r))(pa-pb)-νεzr …(17)   u = ((1 + ν) (1-2ν) / E) ((ra2pa-rb2pb) / (rb2-ra2)) r + ((1 + ν) / E) ((ra2rb2) / ((rb2-ra2) r)) (pa-pb) -νεzr (17)

(16)式および(17)式は、εzの項が含んでいる。従って、(16)式は、対象とする円筒の境界における拘束条件に応じて異なる。例えば、対象とする円筒の両端が拘束される場合、εz =0となり、両端が開放され、σz=0となる。   Expressions (16) and (17) include the term εz. Therefore, equation (16) varies depending on the constraint condition at the boundary of the target cylinder. For example, when both ends of the target cylinder are constrained, εz = 0, both ends are opened, and σz = 0.

rθ面内のせん断応力τrは、以下の(18)式のように表現することができる。   The shear stress τr in the rθ plane can be expressed as the following equation (18).

τr=(1/2)(σr-σθ)=((ra2rb2)/((rb2-ra2)r2))pb …(18)   τr = (1/2) (σr−σθ) = ((ra2rb2) / ((rb2-ra2) r2)) pb (18)

θz面内のせん断応力τr’は、σz=0のとき最大になるのでσz=0とすると、以下の(19)式のように表現することができる。   Since the shear stress τr ′ in the θz plane becomes maximum when σz = 0, when σz = 0, it can be expressed as the following equation (19).

τr’=(1/2)|σθ|=(1/2)((rb2)/(rb2-ra2))(1+ra2/r2)pb …(19)   τr ′ = (1/2) | σθ | = (1/2) ((rb2) / (rb2-ra2)) (1 + ra2 / r2) pb (19)

次に、ハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式について説明する。流体が円管内へ流入すると、下流に進むにつれて圧力は降下するとともに、流れの速度分布も徐々に変化する。流れが管内へ流入すると管壁から境界層が発達し、下流へ進むにつれて境界層は厚さを増し、ついには管内の流れは境界層に覆われる。このため、速度分布は管入口のほぼ平らな分布から下流の放物形分布へと変化し、それ以降の速度分布は変化しなくなる。この状態を完全に発達した流れと呼び、管摩擦損失による圧力降下も一定の割合になる。流れが管入口から発達した流れに達する区間を助走区間または入口区間といい、その区間の長さを助走距離または入口長さと呼ぶ。完全に発達した流れの速度分布は下流方向へ変化しないから、以下の(20)式に示すように、管摩擦損失によって生じる圧力損失ΔPの作用力と流体の粘性によって生じるせん断応力τの摩擦力は釣り合うことになる。円管内流れの場合、レイノルズ数Reがおよそ2300以下のとき層流となるといわれている。   Next, the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation will be described. When the fluid flows into the circular pipe, the pressure decreases as it proceeds downstream, and the flow velocity distribution also gradually changes. When the flow flows into the pipe, a boundary layer develops from the pipe wall, and as the flow proceeds downstream, the boundary layer increases in thickness, and finally the flow in the pipe is covered with the boundary layer. For this reason, the velocity distribution changes from a substantially flat distribution at the pipe inlet to a downstream parabolic distribution, and the velocity distribution thereafter does not change. This state is called a fully developed flow, and the pressure drop due to pipe friction loss is also a constant rate. The section where the flow reaches the flow developed from the pipe entrance is called the run-up section or the entrance section, and the length of the section is called the run-up distance or the entrance length. Since the velocity distribution of the fully developed flow does not change in the downstream direction, as shown in the following equation (20), the acting force of the pressure loss ΔP caused by the pipe friction loss and the friction force of the shear stress τ caused by the viscosity of the fluid Will be balanced. In the case of a flow in a circular pipe, it is said that the flow becomes laminar when the Reynolds number Re is about 2300 or less.

速度分布uは層流の場合、以下の(21)式のように軸対称な回転放物面で表わされる。   In the case of laminar flow, the velocity distribution u is represented by an axisymmetric rotational paraboloid as shown in the following equation (21).

流量Qは、速度分布uを管断面全体にわたって積分することにより、以下の(22)式のように表現することができる。   The flow rate Q can be expressed as the following equation (22) by integrating the velocity distribution u over the entire pipe cross section.

断面平均流速vは、以下の(23)式のように表現することができる。   The cross-sectional average flow velocity v can be expressed as the following equation (23).

圧力勾配は、流れ方向へ一定で、圧力は減少する。圧力勾配は、管長lの圧力降下Δpを用いると、以下の(24)式のように表現できる。(24)式に(22)式を代入すると(25)式が得られる。(25)式は、流量Qが圧力損失Δpに比例することを意味する。この関係を満たす流れをハーゲン・ポアズイユ流れという。
The pressure gradient is constant in the flow direction and the pressure decreases. The pressure gradient can be expressed as the following equation (24) using the pressure drop Δp of the tube length l. Substituting equation (22) into equation (24) yields equation (25). Equation (25) means that the flow rate Q is proportional to the pressure loss Δp. The flow that satisfies this relationship is called the Hagen-Poiseuille flow.

損失がある場合の修正ベルヌーイの式は、以下の(26)式、(27)式のように表現することができる。   The modified Bernoulli equation when there is a loss can be expressed as the following equations (26) and (27).

ここで、lは管の長さ、dは管内径、vは管内平均速度、λは管摩擦係数である。管摩擦係数λは、流れが層流の場合にはレイノルズ数Reによって、乱流の場合にはレイノルズ数Reと表面粗さとによって定まる値になる。流体の粘性によって摩擦抵抗が必ず作用する。この摩擦抵抗は、流れを駆動する動力またはエネルギーを消費することになるのでエネルギー損失になる。   Here, l is the tube length, d is the tube inner diameter, v is the tube average velocity, and λ is the tube friction coefficient. The pipe friction coefficient λ is a value determined by the Reynolds number Re when the flow is laminar and by the Reynolds number Re and the surface roughness when the flow is turbulent. Frictional resistance is always affected by the viscosity of the fluid. This frictional resistance is energy loss because it consumes the power or energy that drives the flow.

ハーゲンポワズイユ流れの式をダルシー・ワイズバッハの式のように変形すると、圧力差と流速および管内径とに関する以下の(28)式が得られる。   When the Hagen-Poiseuille flow equation is transformed to the Darcy-Weissbach equation, the following equation (28) relating to the pressure difference, flow velocity, and pipe inner diameter is obtained.

以上でハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式の説明を終了する。   This completes the description of the Hagen-Poiseuille flow and the modified Bernoulli equation.

上述のように、画像処理装置27は、この材料力学の式とハーゲン・ポアズイユ流れおよび修正ベルヌーイの式とを利用して潜在変数を同定することができる。例えば、力学モデルとして、血管の変形を厚肉管の材料力学の式を用い、管径変化を内圧変化と弾性率とにより表現する場合について考える。   As described above, the image processing device 27 can identify latent variables using the material dynamics equation and the Hagen-Poiseuille flow and modified Bernoulli equations. For example, as a dynamic model, consider a case in which the deformation of a blood vessel is expressed by an equation of material dynamics of a thick-walled tube, and the change in the tube diameter is expressed by an internal pressure change and an elastic modulus.

無応力状態を初期形状(例えば、血管が最も収縮する状態)と仮定した場合、血管壁およびプラークの弾性率をある値に設定すると、血管内腔の平均半径等の血管形状変形指標の観測値の時間的変化量と内圧の変化量との関係式が得られる。血管形状変形指標の観測値は、時系列のCT画像から計測される。この血管形状変形指標の観測値の時間的変化量に合致するように血管の内圧分布の時間的変化が決定される。この内圧分布の下に血液の流体解析を行うことで血管流量指標の予測値が計測される。この血管流量指標の予測値が観測値に一致しない場合、画像処理装置27は、最初に決めた血管壁またはプラークの弾性率を変更して、さらに同様の解析を行う。   Assuming that the stress-free state is the initial shape (for example, the state in which the blood vessel contracts the most), if the elastic modulus of the blood vessel wall and plaque is set to a certain value, the observed value of the blood vessel shape deformation index such as the average radius of the blood vessel lumen A relational expression between the amount of change in time and the amount of change in internal pressure is obtained. The observed value of the blood vessel shape deformation index is measured from a time-series CT image. The temporal change of the internal pressure distribution of the blood vessel is determined so as to match the temporal change amount of the observed value of the blood vessel shape deformation index. The predicted value of the blood vessel flow rate index is measured by performing blood fluid analysis under this internal pressure distribution. If the predicted value of the blood vessel flow rate index does not match the observed value, the image processing device 27 changes the initially determined elastic modulus of the blood vessel wall or plaque and performs the same analysis.

これを繰り返すことにより、画像処理装置27は、血管形状変形指標の観測値と血液流量指標の観測値とに整合する血管壁およびプラークの弾性率、内圧分布、流体解析の圧力境界条件等の潜在変数を決定することができる。この決定方法をより効率的かつ安定的に行うために、階層ベイズモデルとマルコフ連鎖モンテカルロ法とによる統計的同定手法を用いてもよい。   By repeating this, the image processing device 27 can detect potentials such as the elastic modulus of the blood vessel wall and plaque that match the observed value of the blood vessel shape deformation index and the observed value of the blood flow index, the internal pressure distribution, and the pressure boundary condition of the fluid analysis. Variables can be determined. In order to perform this determination method more efficiently and stably, a statistical identification method using a hierarchical Bayesian model and a Markov chain Monte Carlo method may be used.

上記のように、血管解析装置50は、記憶装置33、領域設定部51、画像解析・追尾処理部53、力学モデル構築部55、および統計的同定部61を有している。記憶装置33は、被検体の血管に関する時系列の医用画像のデータを記憶する。領域設定部51は、時系列の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。画像解析・追尾処理部53は、時系列の医用画像を画像処理して解析対象領域の時系列の形態指標と時系列の形状変形指標とを算出する。   As described above, the blood vessel analysis device 50 includes the storage device 33, the region setting unit 51, the image analysis / tracking processing unit 53, the dynamic model construction unit 55, and the statistical identification unit 61. The storage device 33 stores time-series medical image data related to the blood vessels of the subject. The region setting unit 51 sets an analysis target region in a blood vessel region included in a time-series medical image. The image analysis / tracking processing unit 53 performs image processing on the time-series medical image and calculates a time-series shape index and a time-series shape deformation index of the analysis target region.

力学モデル構築部55は、時系列の形態指標と時系列の形状変形指標と時系列の医用画像とに基づいて、解析対象領域の構造流体解析に関する力学モデルを暫定的に構築する。統計的同定部61は、暫定的に構築された力学モデルに基づく血管形態指標および血液流量指標の予測値が予め計測された血管形態指標および血液流量指標の観測値に整合するように解析対象領域に関する力学モデルの潜在変数を同定する。   The mechanical model construction unit 55 provisionally constructs a mechanical model related to the structural fluid analysis of the analysis target region based on the time-series form index, the time-series shape deformation index, and the time-series medical image. The statistical identification unit 61 analyzes the region to be analyzed so that the predicted values of the blood vessel shape index and the blood flow rate index based on the tentatively constructed dynamic model match the pre-measured values of the blood vessel shape index and the blood flow rate index. To identify the latent variables of the dynamic model.

上記構成により、実施の形態の血管解析装置50は、材料モデル、境界条件、負荷条件、および幾何学的構造等の潜在変数を血管形状変形指標と血液流量指標とを用いた逆解析により同定することができる。   With the above configuration, the blood vessel analysis device 50 according to the embodiment identifies latent variables such as a material model, boundary conditions, load conditions, and a geometric structure by inverse analysis using a blood vessel shape deformation index and a blood flow index. be able to.

血管解析装置50は、潜在変数を変更しながら逆解析を反復して行うことにより、上述の4点の困難、すなわち、1.冠動脈の材料モデルの同定方法、2.心臓の形状の変形の冠動脈への影響の組み込み、3.冠動脈の境界条件の同定方法、4.不確定性を有する血管形状を利用した材料モデルや負荷条件、境界条件の同定方法、を全て加味した潜在変数を同定することができる。   The blood vessel analysis device 50 repeatedly performs the inverse analysis while changing the latent variable, thereby achieving the above four points of difficulty, namely, 1. 1. Identification method of coronary artery material model 2. Incorporating the effects of heart shape deformation on coronary arteries. 3. Identification method of coronary artery boundary condition; It is possible to identify a latent variable in consideration of all of a material model using a blood vessel shape having uncertainty, a load condition, and a boundary condition identification method.

従って、血管解析装置50は、CT画像に描出されない血管や心臓等の外部要因による影響を加味した構造流体解析を実行することができる。このように、実施の形態の医用画像診断装置によれば、血管の構造流体解析の精度の向上を図ることができる。   Therefore, the blood vessel analysis device 50 can perform structural fluid analysis in consideration of the influence of external factors such as blood vessels and the heart that are not depicted in the CT image. Thus, according to the medical image diagnostic apparatus of the embodiment, the accuracy of the structural fluid analysis of blood vessels can be improved.

次に、このような血管の力学モデルによる構造解析、流体解析、または構造流体連成解析結果から得られた様々な指標(血管の断面積、応力の変化、血流の流速・流量・圧力の変化等)を用いてノミナルモデルを作成し、診断対象のデータとのモデル同定により血管の異常を診断する方法について説明する。なお、以下、血管の異常診断として、血管の狭窄度の診断を行う例を説明する。   Next, various indices (blood vessel cross-sectional area, change in stress, blood flow velocity, flow rate, pressure, etc.) obtained from the results of structural analysis, fluid analysis, or structural fluid coupled analysis using such a vascular dynamic model A method of creating a nominal model using a change etc. and diagnosing a blood vessel abnormality by model identification with the data to be diagnosed will be described. Hereinafter, an example of diagnosing the degree of stenosis of a blood vessel will be described as a blood vessel abnormality diagnosis.

ある2組の指標を選択し、一方を入力、他方を出力としたとき、入出力関係に因果関係があるならば入出力モデルを仮定し、モデルを同定することが可能となる。すなわち、図26に示すように、狭窄の有無に依存しない指標を入力uとし、狭窄の有無で影響を受ける指標を出力とする。また、狭窄なしの出力をy1、狭窄ありの出力をyとすると、狭窄なしの場合は入力u、出力yとしたモデルGが仮定される。同様に、狭窄ありの場合は、入力u、出力yとしたモデルGが仮定される。 When two sets of indices are selected and one is input and the other is output, if the input / output relationship has a causal relationship, an input / output model is assumed and the model can be identified. That is, as shown in FIG. 26, an index that does not depend on the presence or absence of stenosis is input u 1, and an index that is affected by the presence or absence of stenosis is output. Further, y 1 output without stenosis, when the output of there stenosis and y 2, for no stenosis input u 1, model G 1 is is assumed that the output y 1. Similarly, in the case of there stenosis, the input u 1, model G 2 is assumed that the output y 2.

このとき、モデルGおよびモデルGが有限個のパラメータで表現され、モデル同士を比較できるならば、血管の狭窄度を評価できる。モデルの同定精度が高ければ、推定したモデルGhatに、入力uを入力した時に出力される出力yhatは、観測したyとの誤差が小さい。なお、「hat」は、推定値を意味する。 At this time, model G 1 and the model G 2 is represented by a finite number of parameters, if they can compare models with each other, it can be evaluated narrowing of the blood vessels. If the model identification accuracy is high, the output y 1 hat output when the input u 1 is input to the estimated model G 1 hat has a small error from the observed y 1 . “Hat” means an estimated value.

一般的に推定精度を上げるためには、モデルの次数を上げる必要がある。高次のモデル同士の比較は、評価対象となるパラメータが多くなるため、結果が不安定なものになりやすい。そこで、予め同定したモデルを「ノミナルモデル」とし、その出力yhatを計算しておく。yhatを入力とし、比較対象となる指標yを出力とする新たな入出力モデルG12を仮定し、同定する。このモデルは狭窄の有無を表現したものであるため、以下、「狭窄モデル」と呼ぶこととする。yhatには、高次のモデルの要素が含まれている。このため、狭窄モデルとして、次数を減らした低次モデルを用いることができる。 In general, in order to increase the estimation accuracy, it is necessary to increase the order of the model. Comparison between higher-order models tends to be unstable because the number of parameters to be evaluated increases. Therefore, a model identified in advance is set as a “nominal model”, and its output y 1 hat is calculated. as input y 1 hat, assuming a new input-output model G 12 to output the index y 2 to be compared to identify. Since this model expresses the presence or absence of stenosis, it is hereinafter referred to as “stenosis model”. y 1 hat includes a higher-order model element. For this reason, a low-order model with reduced order can be used as the stenosis model.

一例を図27に示す。図27のグラフは、横軸が時間、縦軸がCT値(造影剤の濃度)を示している。この図27のグラフにおいて、○で示すグラフは、狭窄ありの出力yのグラフである。実線のグラフは、ノミナルモデルG2を同定し、共通の入力u1を入力したときの出力yhatのグラフである。これに対し、点線のグラフは、狭窄なしの出力y1から同定した別のノミナルモデルGで推定した出力yhatを入力とし、yを出力とした狭窄モデルG12を同定し、yhatを入力した時の推定値のグラフである。ノミナルモデルGは3/6次、狭窄モデルG12は2/2次であり、少ないパラメータでありながら推定精度が高いのが分かる。 An example is shown in FIG. In the graph of FIG. 27, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates CT value (contrast medium concentration). In the graph of FIG. 27, a graph indicated by a circle is a graph of output y 2 with stenosis. The solid line graph is a graph of the output y 2 hat when the nominal model G 2 is identified and the common input u 1 is input. In contrast, the dotted line of the graph, the output y 1 hat estimated at different nominal model G 1 identified from the output y 1 no constriction as input to identify stenosis model G 12 which is the output of y 2, y It is a graph of the estimated value when 1 hat is input. The nominal model G 1 3/6 primary stenosis model G 12 is 2/2 next seen the high estimation accuracy, yet few parameters.

図28に、実施の形態の医用画像診断装置の、血管の狭窄度の診断を行う場合における、血管解析装置50の機能ブロック図を示す。この場合、血管解析装置50は、構造流体解析を行う上述の画像処理装置27、およびノミナルモデル(後述するARXモデルの各種パラメータ)が記憶される記憶装置33と共に、造影剤注入プロファイル取得部71を有する。また、血管解析装置50は、第1入出力モデル算出部72、時系列CT画像取得部73、血管芯線抽出部74、時系列CT値抽出部75、第2入出力モデル算出部76、狭窄モデル算出部77、および狭窄度診断部78を有している。   FIG. 28 is a functional block diagram of the blood vessel analyzing device 50 when the medical image diagnostic device according to the embodiment diagnoses the degree of stenosis of blood vessels. In this case, the blood vessel analysis device 50 includes the above-described image processing device 27 that performs structural fluid analysis, and a storage device 33 that stores a nominal model (various parameters of an ARX model to be described later) and a contrast medium injection profile acquisition unit 71. Have. The blood vessel analyzing apparatus 50 includes a first input / output model calculation unit 72, a time series CT image acquisition unit 73, a blood vessel core line extraction unit 74, a time series CT value extraction unit 75, a second input / output model calculation unit 76, and a stenosis model. A calculation unit 77 and a stenosis degree diagnosis unit 78 are included.

造影剤注入プロファイル取得部71は、注入プロファイル取得部の一例である。時系列CT画像取得部73は、時系列CT値取得部の一例である。画像処理装置27は、構造流体解析部の一例である。第1入出力モデル算出部72は、第1算出部の一例である。造影剤注入プロファイル取得部71、第1入出力モデル算出部72、時系列CT画像取得部73、画像処理装置27、および記憶装置33は、時系列モデル生成部の一例である。記憶装置33は、記憶装置の一例である。時系列CT値抽出部75は、時系列CT値抽出部の一例である。狭窄モデル算出部77は、狭窄モデル算出部の一例である。狭窄度診断部78は、診断部の一例である。第2入出力モデル算出部76は、第2算出部の一例である。   The contrast agent injection profile acquisition unit 71 is an example of an injection profile acquisition unit. The time series CT image acquisition unit 73 is an example of a time series CT value acquisition unit. The image processing device 27 is an example of a structural fluid analysis unit. The first input / output model calculation unit 72 is an example of a first calculation unit. The contrast agent injection profile acquisition unit 71, the first input / output model calculation unit 72, the time series CT image acquisition unit 73, the image processing device 27, and the storage device 33 are examples of a time series model generation unit. The storage device 33 is an example of a storage device. The time series CT value extraction unit 75 is an example of a time series CT value extraction unit. The stenosis model calculation unit 77 is an example of a stenosis model calculation unit. The stenosis degree diagnostic unit 78 is an example of a diagnostic unit. The second input / output model calculation unit 76 is an example of a second calculation unit.

造影剤注入プロファイル取得部71〜狭窄度診断部78は、全てをハードウェアで構成してもよいし、全てをソフトウェアで構成してもよい。または、一部をハードウェアで構成し、残りをソフトウェアで構成してもよい。   The contrast agent injection profile acquisition unit 71 to the stenosis degree diagnosis unit 78 may be all configured by hardware or all configured by software. Alternatively, a part may be configured by hardware and the rest may be configured by software.

まず、血管の狭窄度の診断を行う場合、上述のノミナルモデルを事前に用意する。順を追って説明すると、CT画像の撮像には、血管造影のために造影剤を用いることが多い。造影剤が、例えば上腕部の静脈より一定量注入されると、造影剤が通過した領域のCT値(HU値)が上昇し、血管以外の組織との識別が容易になる。CT架台10は、時系列でCT画像を撮影するように、システム制御部21および架台制御部23により制御される。これにより、CT値が変化する速度を観測することができる。   First, when diagnosing the degree of stenosis of a blood vessel, the above-described nominal model is prepared in advance. To explain in sequence, a contrast agent is often used for angiography for CT image acquisition. When a certain amount of contrast agent is injected from, for example, the vein of the upper arm, the CT value (HU value) of the region through which the contrast agent has passed rises, making it easy to distinguish from tissues other than blood vessels. The CT gantry 10 is controlled by the system control unit 21 and the gantry control unit 23 so as to capture CT images in time series. Thereby, the speed at which the CT value changes can be observed.

一例として、図29に造影剤の注入パターンを示す。図29の実線のグラフ、点線のグラフ、および一点鎖線のグラフは、それぞれ造影剤の注入パターンを示している。図29の実線のグラフは、造影剤を約7秒間かけてゆっくり注入した注入パターンを示している。図29の点線のグラフは、造影剤を約4.5秒間かけて高速に注入した注入パターンを示している。図29の一点鎖線のグラフは、造影剤を約6秒間かけて中速で注入した注入パターンを示している。なお、造影剤の注入は、担当医師等が手動で行ってもよいし、担当医師監督のもと、注入機を用いて行ってもよい。   As an example, FIG. 29 shows a contrast agent injection pattern. The solid line graph, the dotted line graph, and the alternate long and short dash line graph in FIG. 29 respectively show contrast agent injection patterns. The solid line graph in FIG. 29 shows an injection pattern in which the contrast medium is slowly injected over about 7 seconds. The dotted line graph in FIG. 29 shows an injection pattern in which a contrast medium is injected at a high speed over about 4.5 seconds. The dashed-dotted line graph in FIG. 29 shows an injection pattern in which the contrast medium is injected at a medium speed over about 6 seconds. The injection of the contrast agent may be performed manually by the doctor in charge or the like, or may be performed using an injector under the supervision of the doctor in charge.

図30は、造影剤注入後の注目領域におけるCT値の変化のグラフである。図29の実線のグラフ、点線のグラフ、および一点鎖線のグラフに示した注入パターンのうち、どの注入パターンで造影剤を注入しても、大体、図30と同様のグラフを得られる。この図30において、○のグラフは、狭窄なしの場合のCT値の変化を示している。また、図30において、●のグラフは、狭窄ありの場合のCT値の変化を示している。この図30は、注目領域に狭窄が無い場合、CT値の変化は、○のグラフに示すように立ち上がりが早く、また、ピークも高くなる。これに対して、注目領域の上流側に狭窄部が存在する場合、CT値の変化は、●のグラフに示すように立ち上がりが遅く、また、ピークも低くなる。実施の形態の医用画像診断装置では、造影剤の注入パターンを入力、注目領域でのCT値を出力とした入出力モデルを用いている。   FIG. 30 is a graph of a change in CT value in a region of interest after contrast medium injection. Of the injection patterns shown in the solid line graph, dotted line graph, and alternate long and short dash line graph of FIG. 29, the same graph as in FIG. 30 can be obtained regardless of the injection pattern. In FIG. 30, the circled graph shows the change in CT value without stenosis. Further, in FIG. 30, a black circle indicates a change in CT value when stenosis occurs. In FIG. 30, when there is no stenosis in the region of interest, the change in the CT value rises quickly and the peak increases as shown by the circle. On the other hand, when a stenosis exists on the upstream side of the region of interest, the change in the CT value has a slow rise as shown in the graph ●, and the peak is also low. The medical image diagnostic apparatus according to the embodiment uses an input / output model in which a contrast agent injection pattern is input and a CT value in a region of interest is output.

図28の説明に戻り、ノミナルモデルを生成する場合、造影剤注入プロファイル取得部71は、図29を用いて説明した造影剤の注入プロファイルを取得する。取得された造影剤の注入プロファイルは、画像処理装置27、第1入出力モデル算出部72、および第2入出力モデル算出部76に供給される。   Returning to the description of FIG. 28, when generating a nominal model, the contrast agent injection profile acquisition unit 71 acquires the injection profile of the contrast agent described with reference to FIG. 29. The acquired contrast agent injection profile is supplied to the image processing device 27, the first input / output model calculation unit 72, and the second input / output model calculation unit 76.

上述の画像処理装置27は、時系列CT画像取得部73で取得された時系列のCT画像(MRI画像等でもよい)を、構造流体解析する。なお、時系列CT画像取得部73は、記憶装置33に記憶されている時系列のCT画像を取得してもよいし、CT架台10でリアルタイムかつ時系列で撮像されたCT画像を取得してもよい。画像処理装置27の解析により、流体の一つである造影剤の注入プロファイルに対応する出力(造影剤の濃度変化)をシミュレーションすることが可能となる。構造流体解析部は、図29を用いて説明した注入パターンで注入された造影剤の濃度変化をシミュレーションする。そして、このシミュレーション結果となる図30に示す造影剤の濃度変化を示す情報を、第1入出力モデル算出部72に供給する。   The above-described image processing device 27 performs structural fluid analysis on the time-series CT image (may be an MRI image or the like) acquired by the time-series CT image acquisition unit 73. The time-series CT image acquisition unit 73 may acquire a time-series CT image stored in the storage device 33, or may acquire a CT image captured in real time and time-series by the CT mount 10. Also good. By the analysis of the image processing device 27, it is possible to simulate an output (concentration change in contrast agent) corresponding to an injection profile of a contrast agent that is one of fluids. The structural fluid analysis unit simulates a change in the concentration of the contrast agent injected with the injection pattern described with reference to FIG. Then, information indicating the change in the concentration of the contrast agent shown in FIG. 30 as the simulation result is supplied to the first input / output model calculation unit 72.

第1入出力モデル算出部72(および第2入出力モデル算出部76)は、有限個のパラメータからなる線形差分方程式で表現されるモデルを算出する。すなわち、第1入出力モデル算出部72(および第2入出力モデル算出部76)は、有限個のパラメータで表現する入出力モデルの一例として、いわゆるARXモデルを算出する。ARXは、「Auto Regressive with eXogenous inputs)、または(Auto Regressive with eXternal inputs)の略記である。ARXモデルは、入力をu(t)、出力をy(t)、式誤差ε(t)とすると、以下の(29)式で表される。   The first input / output model calculation unit 72 (and the second input / output model calculation unit 76) calculates a model expressed by a linear difference equation including a finite number of parameters. In other words, the first input / output model calculation unit 72 (and the second input / output model calculation unit 76) calculates a so-called ARX model as an example of an input / output model expressed by a finite number of parameters. ARX is an abbreviation of “Auto Regressive with eXenous inputs” or (Auto Regressive with eXternal inputs). The ARX model has u (t) as input, y (t) as output, and error ε (t). It is represented by the following equation (29).

A(q)y(t) = B(q)u(t) + ε(t) …(29)   A (q) y (t) = B (q) u (t) + ε (t) (29)

ただし、A(q)は、以下の(30)式、B(q)は、以下の(31)式のとおりである。   However, A (q) is the following (30) Formula, B (q) is as the following (31) Formula.

A(q) = 1 + a1q-1 + … + amq-m …(30) A (q) = 1 + a 1 q -1 +… + a m q -m … (30)

B(q) = b1q-1 + … + bnq-n …(31) B (q) = b 1 q -1 +… + b n q -n … (31)

(29)式における「t」は、各時間でサンプリングされた離散的なサンプリングデータ(図30の○または●のCT値(サンプリングデータ)を参照)を意味している。また、(30)式および(31)式における「q」が、時間軸に沿ってシフトするシフトパラメータを意味している。例えば、「q-1」は、時間的に一つ前の値を用いることを意味している。また、この例のモデルは、合計m+n個のパラメータで表現されている。このモデルのパラメータA、Bは、式誤差の二乗和を最小化するように最小二乗法を用いて決定される。 “T” in the equation (29) means discrete sampling data sampled at each time (see the CT values (sampling data) of ○ or ● in FIG. 30). Further, “q” in the expressions (30) and (31) means a shift parameter that shifts along the time axis. For example, “q −1 ” means that the previous value in time is used. In addition, the model in this example is expressed by a total of m + n parameters. The parameters A and B of this model are determined using the least square method so as to minimize the sum of squares of the formula error.

このように算出されたARXモデルの各パラメータは、ノミナルモデルとして記憶装置33に記憶される。一例として、記憶装置33に記憶されるノミナルモデルとしては、狭窄なしの場合のノミナルモデル、狭窄度30パーセントの場合のノミナルモデル、狭窄度50パーセントの場合のノミナルモデル等の複数のノミナルモデルが記憶される。なお、この例では、入出力モデルとしてARXモデルを用いたが、パラメータで表現可能なモデルであれば、どのようなモデルを用いてもよい。   Each parameter of the ARX model calculated in this way is stored in the storage device 33 as a nominal model. As an example, as the nominal model stored in the storage device 33, a plurality of nominal models such as a nominal model without stenosis, a nominal model with a stenosis degree of 30%, and a nominal model with a stenosis degree of 50% are stored. Is done. In this example, the ARX model is used as the input / output model, but any model may be used as long as it is a model that can be expressed by parameters.

次に、このようなノミナルモデルが記憶装置33に記憶されると、血管の狭窄度診断が可能となる。血管の狭窄度診断時となると、造影剤が注入された被検体の時系列CT画像を、時系列CT画像取得部73が取得する。また血管芯線抽出部74は、取得された時系列CT画像から、上述のように血管の芯線を抽出する。時系列CT値抽出部75は、芯線が抽出された血管の注目領域のCT値を時系列で抽出する。この時系列で抽出された各CT値が、図27のグラフの○印で示すCT値に相当する。   Next, when such a nominal model is stored in the storage device 33, the degree of stenosis of the blood vessel can be diagnosed. When the blood vessel stenosis degree is diagnosed, the time-series CT image acquisition unit 73 acquires a time-series CT image of the subject into which the contrast agent has been injected. In addition, the blood vessel core line extraction unit 74 extracts the blood vessel core line from the acquired time-series CT image as described above. The time series CT value extraction unit 75 extracts the CT value of the attention area of the blood vessel from which the core line has been extracted in time series. Each CT value extracted in this time series corresponds to a CT value indicated by a circle in the graph of FIG.

次に、第2入出力モデル算出部76は、第1入出力モデル算出部72と同様に、有限個のパラメータで表現する入出力モデルの一例として、いわゆるARXモデルを算出する。第2入出力モデル算出部76は、各CT値を取得した際に被検体に注入した造影剤の注入プロファイルを、造影剤注入プロファイル取得部71を介して取得する。そして、第2入出力モデル算出部76は、造影剤の注入プロファイルおよび時系列で抽出された各CT値から、記憶装置33に記憶されているノミナルモデルと同様のパラメータセットとなるARXモデルを、第2入出力モデルとして算出する。   Next, like the first input / output model calculation unit 72, the second input / output model calculation unit 76 calculates a so-called ARX model as an example of an input / output model expressed by a finite number of parameters. The second input / output model calculation unit 76 acquires, via the contrast agent injection profile acquisition unit 71, the injection profile of the contrast agent injected into the subject when each CT value is acquired. Then, the second input / output model calculation unit 76 calculates an ARX model that is a parameter set similar to the nominal model stored in the storage device 33 from the contrast agent injection profile and each CT value extracted in time series. Calculate as the second input / output model.

最後に、狭窄モデル算出部77が、記憶装置33に記憶されているノミナルモデル(図27の実線のグラフに相当するパラメータ)と第2入出力モデルとの各パラメータの差分となる狭窄モデルを算出し、狭窄度診断部78は、算出された狭窄モデルのパラメータを、血管の狭窄度として診断する。   Finally, the stenosis model calculation unit 77 calculates a stenosis model that is a difference between each parameter of the nominal model (parameter corresponding to the solid line graph in FIG. 27) stored in the storage device 33 and the second input / output model. Then, the stenosis degree diagnosis unit 78 diagnoses the calculated stenosis model parameter as the stenosis degree of the blood vessel.

すなわち、造影剤注入プロファイルをノミナルモデルに入力した時の出力結果を入力とし、同じく造影剤注入プロファイルを第2入出力モデルに入力したときの出力結果を出力としてARXモデルで計算を行う。仮に、第2入出力モデルとノミナルモデルとの間に差が無ければ、得られた狭窄モデルの伝達関数は「1」となり、第2入出力モデルとノミナルモデルとが同一であることを示すようになる。   That is, the ARX model is used to calculate the ARX model using the output result when the contrast medium injection profile is input to the nominal model as the input and the output result when the contrast medium injection profile is input to the second input / output model. If there is no difference between the second input / output model and the nominal model, the transfer function of the obtained stenosis model is “1”, indicating that the second input / output model and the nominal model are the same. become.

狭窄度診断部78は、狭窄モデルをそのまま評価(伝達関数1からどれくらい離れているか)してもよいし、例えば30パーセントの狭窄、10パーセントの狭窄等のように、血管の狭窄度を表示してもよい。狭窄度の異なるデータを使って作成した複数のノミナルモデルで評価を行い、「どのノミナルモデルに近いか」ということを表示してもよい。さらには、狭窄度診断部78は、狭窄が無しの正常時の値を「0」として、スケールで狭窄の度合いを表示してもよい。すなわち、狭窄の度合いが分かれば、どのような表示形態で表示してもよい。   The stenosis degree diagnosis unit 78 may evaluate the stenosis model as it is (how far away from the transfer function 1), and displays the degree of stenosis of the blood vessel, for example, 30% stenosis, 10% stenosis, etc. May be. Evaluation may be performed using a plurality of nominal models created using data with different degrees of stenosis, and “which nominal model is closest” may be displayed. Furthermore, the stenosis degree diagnosis unit 78 may display the degree of stenosis on a scale with the normal value without stenosis being “0”. That is, as long as the degree of stenosis is known, any display format may be used.

以上の説明から明らかなように、実施の形態の医用画像診断装置は、画像追尾、構造流体解析および逆解析(統計的同定法)に基づく血管解析により、血行動態における血圧、血流、応力、またはひずみ等の狭窄等の血管病変の予防、診断に必要な指標を高精度に解析する。そして、実施の形態の医用画像診断装置は、狭窄の有無が判明している典型例を対象に解析を行い、低次の標準モデル(ノミナルモデル)を予め作成しておき、診断対象データとのモデル同定から狭窄度を診断する。   As is clear from the above description, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment performs blood pressure, blood flow, stress in hemodynamics by blood vessel analysis based on image tracking, structural fluid analysis, and inverse analysis (statistical identification method). Alternatively, the index necessary for prevention and diagnosis of vascular lesions such as stenosis such as strain is analyzed with high accuracy. Then, the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment analyzes the typical example in which the presence or absence of stenosis is known, creates a low-order standard model (nominal model) in advance, Diagnose stenosis from model identification.

これにより、画像処理装置で計算された解析結果を有効に利用して、血管の異常診断を可能とすることができる。また、低次の標準モデル(ノミナルモデル)と診断対象データとのモデル同定をから狭窄度を診断することで、少ない計算リソースおよび極めて短時間で血管の異常診断を行うことができる。   This makes it possible to diagnose abnormalities of blood vessels by effectively using the analysis results calculated by the image processing apparatus. Further, by diagnosing the degree of stenosis based on the model identification of the low-order standard model (nominal model) and the diagnosis target data, it is possible to diagnose a blood vessel abnormality with a small amount of calculation resources and in an extremely short time.

また、時系列CT値抽出部75で抽出された各CT値、および造影剤注入プロファイルから第2入出力モデル算出部76でARXモデルを算出し、算出したARXモデルと、記憶装置33に記憶されているノミナルモデルとを、狭窄モデル算出部77で比較している。このため、同じARXモデル同士を比較することができるため、精度よく、狭窄度を診断することができる。   Further, an ARX model is calculated by the second input / output model calculation unit 76 from each CT value extracted by the time-series CT value extraction unit 75 and the contrast agent injection profile, and is stored in the storage device 33. The nominal model is compared by a stenosis model calculation unit 77. For this reason, since the same ARX model can be compared, the stenosis degree can be diagnosed with high accuracy.

(変形例1)
上述の実施の形態の説明では、同じARXモデル同士を比較するために、第2入出力モデル算出部76でARXモデルを算出したが、時系列CT値抽出部75で抽出された各CT値と、記憶装置33に記憶されているノミナルモデルとを狭窄モデル算出部77で比較して、狭窄度を診断してもよい。この場合、第2入出力モデル算出部76を省略することができるため、実施の形態の医用画像診断装置の構成の簡略化および低コスト化を図ることができる。
(Modification 1)
In the description of the above-described embodiment, the ARX model is calculated by the second input / output model calculation unit 76 in order to compare the same ARX models, but each CT value extracted by the time series CT value extraction unit 75 The stenosis degree may be diagnosed by comparing the nominal model stored in the storage device 33 with the stenosis model calculation unit 77. In this case, since the second input / output model calculation unit 76 can be omitted, the configuration of the medical image diagnostic apparatus according to the embodiment can be simplified and the cost can be reduced.

(変形例2)
時系列のCT値として、血管の狭窄前後を含む芯線方向にCT値を取得し、血管の走行方向における勾配(造影剤濃度勾配)を算出した勾配の時系列データを用いてもよい。図31は、造影剤濃度勾配のグラフの一例である。図31中、実線で示すグラフは、狭窄なしの場合の造影剤濃度勾配のグラフである。造影剤濃度勾配は、負の勾配となり、狭窄なしの場合、早い時間で立下り、早い時間で0レベルに復帰する勾配のグラフとなる。これに対して、図31中、点線で示すグラフは、狭窄ありの場合の造影剤濃度勾配のグラフである。狭窄ありの場合、緩やかに時間をかけて立下り、また、緩やかに時間をかけて0レベルに復帰する勾配のグラフとなる。このような勾配の時系列データを用いても、上述と同様の効果を得ることができる。
(Modification 2)
As the time-series CT value, the time-series data of the gradient obtained by obtaining the CT value in the core line direction including before and after the stenosis of the blood vessel and calculating the gradient (contrast agent concentration gradient) in the blood vessel running direction may be used. FIG. 31 is an example of a contrast medium concentration gradient graph. In FIG. 31, a graph indicated by a solid line is a graph of a contrast medium concentration gradient when there is no stenosis. The contrast agent concentration gradient is a negative gradient, and when there is no stenosis, the gradient of the contrast agent falls at an early time and returns to 0 level at an early time. On the other hand, in FIG. 31, a graph indicated by a dotted line is a graph of a contrast medium concentration gradient in the case of stenosis. In the case of stenosis, the graph shows a gradient that slowly falls over time and gradually returns to level 0 over time. Even if time series data having such a gradient is used, the same effect as described above can be obtained.

以上、実施の形態および変形例を説明したが、実施の形態および変形例は、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。これら新規な実施の形態および変形例は、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。実施の形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。   Although the embodiment and the modification have been described above, the embodiment and the modification are presented as examples, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. The embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are 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
50 血管解析装置
51 領域設定部
53 画像解析・追尾処理部
55 力学モデル構築部
57 血管応力解析部
59 血液流体解析部
61 統計的同定部
71 造影剤注入プロファイル取得部
72 第1入出力モデル算出部
73 時系列CT画像取得部
74 血管芯線抽出部
75 時系列CT値抽出部
76 第2入出力モデル算出部
77 狭窄モデル算出部
78 狭窄度診断部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 CT mount 11 X-ray tube 13 X-ray detector 15 Data acquisition apparatus 20 Console 21 System control part 23 Mount control part 25 Reconstruction apparatus 27 Image processing apparatus 29 Input apparatus 31 Display apparatus 33 Storage apparatus 50 Blood vessel analysis apparatus 51 Area setting Unit 53 image analysis / tracking processing unit 55 dynamic model construction unit 57 vascular stress analysis unit 59 blood fluid analysis unit 61 statistical identification unit 71 contrast medium injection profile acquisition unit 72 first input / output model calculation unit 73 time-series CT image acquisition unit 74 Blood vessel core line extraction unit 75 Time series CT value extraction unit 76 Second input / output model calculation unit 77 Stenosis model calculation unit 78 Stenosis degree diagnosis unit

Claims (8)

被検体の血管に注入された造影剤の注入プロファイルを取得する注入プロファイル取得部と、
前記造影剤注入後の前記血管内腔におけるCT値を取得するCT値取得部と、
前記注入プロファイルおよび前記CT値を入力として構造流体解析シミュレーションを行う構造流体解析部と、
前記注入プロファイルおよび事前に取得し、血管の異常の有無が判明しているCT値を用いて前記構造流体解析シミュレーションした結果から、前記構造流体解析シミュレーションに対応する入力と出力の関係を表すモデルを算出する第1算出部と、
前記モデルを記憶する記憶装置と、
血管の異常診断を行う被検体のCT値と前記記憶装置に記憶されている前記モデルとの差分を検出することで、血管の異常の度合いを示す差分モデルを算出する差分モデル算出部と、
前記差分モデルを評価して血管の異常を診断する診断部と
を有する血管解析装置。
An injection profile acquisition unit for acquiring an injection profile of a contrast medium injected into a blood vessel of a subject;
A CT value acquisition unit for acquiring a CT value in the blood vessel lumen after the contrast agent injection;
A structural fluid analysis unit for performing a structural fluid analysis simulation using the injection profile and the CT value as inputs;
A model representing the relationship between the input and output corresponding to the structural fluid analysis simulation is obtained from the result of the structural fluid analysis simulation using the injection profile and the CT value acquired in advance and the presence or absence of a vascular abnormality is known. A first calculation unit for calculating;
A storage device for storing the model;
A difference model calculation unit that calculates a difference model indicating a degree of an abnormality of a blood vessel by detecting a difference between a CT value of a subject that performs an abnormality diagnosis of the blood vessel and the model stored in the storage device;
A blood vessel analyzing apparatus comprising: a diagnosis unit that evaluates the difference model and diagnoses a blood vessel abnormality.
前記第1算出部は、前記構造流体解析シミュレーションに対応する入力と出力の関係を表すモデルとして、前記構造流体解析シミュレーションと同じ入力と出力の関係を表すノミナルモデルを算出すること
を特徴とする請求項1に記載の血管解析装置。
The first calculation unit calculates a nominal model representing the same input / output relationship as in the structural fluid analysis simulation as a model representing an input / output relationship corresponding to the structural fluid analysis simulation. Item 1. The blood vessel analysis device according to Item 1.
前記CT値取得部で取得された、血管の異常診断を行う被検体のCT値から、目標領域のCT値を抽出するCT値抽出部と、
前記CT値抽出部で抽出された、目標領域のCT値、および前記注入プロファイル取得部により取得された、前記血管の異常診断を行う被検体に対して注入された造影剤の注入プロファイルから、前記モデルに対応する第2入出力モデルを算出する第2算出部を有し、
前記差分モデル算出部は、前記モデルと前記第2入出力モデルとの差分を示す前記差分モデルを算出すること
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の血管解析装置。
A CT value extraction unit that extracts a CT value of a target region from a CT value of a subject that performs a blood vessel abnormality diagnosis acquired by the CT value acquisition unit;
From the CT value of the target region extracted by the CT value extraction unit, and the injection profile of the contrast agent injected into the subject that performs the abnormality diagnosis of the blood vessel acquired by the injection profile acquisition unit, A second calculator that calculates a second input / output model corresponding to the model;
The differential model calculation unit, vessel analysis apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that for calculating said difference model representing the difference between the and the model second input model.
前記CT値取得部は、血管の異常発生後の目標領域で撮影されたCT画像からCT値を取得すること
を特徴とする請求項1から請求項のうち、いずれか一項に記載の血管解析装置。
The blood vessel according to any one of claims 1 to 3 , wherein the CT value acquisition unit acquires a CT value from a CT image photographed in a target region after the occurrence of a blood vessel abnormality. Analysis device.
前記血管の異常部位の前後を含む血管の芯線方向にCT値を取得し、血管の走行方向における造影剤濃度勾配を算出する濃度勾配算出部を有し、
前記CT値として、算出された前記造影剤濃度勾配のCT値を用いること
を特徴とする請求項1から請求項のうち、いずれか一項に記載の血管解析装置。
Obtaining a CT value in a blood vessel core direction including before and after the abnormal site of the blood vessel, and having a concentration gradient calculation unit for calculating a contrast agent concentration gradient in the blood vessel running direction;
The blood vessel analysis device according to any one of claims 1 to 4 , wherein a CT value of the calculated contrast medium concentration gradient is used as the CT value.
前記第1算出部および前記第2算出部のうち、少なくとも一方は、有限個のパラメータからなる線形差分方程式で表現されるモデルを算出すること
を特徴とする請求項に記載の血管解析装置。
4. The blood vessel analysis device according to claim 3 , wherein at least one of the first calculation unit and the second calculation unit calculates a model expressed by a linear difference equation including a finite number of parameters.
前記CT値として、時系列CT値を用いること
を特徴とする請求項1から請求項のうち、いずれか一項に記載の血管解析装置。
The blood vessel analysis device according to any one of claims 1 to 6 , wherein a time-series CT value is used as the CT value.
システム制御部が、
注入プロファイル取得部、被検体の血管に注入された造影剤の注入プロファイルを取得する注入プロファイル取得ステップを実行させ
CT値取得部、前記造影剤注入後の前記血管内腔におけるCT値を取得するCT値取得ステップを実行させ
構造流体解析部、前記注入プロファイルおよび前記CT値を入力として構造流体解析シミュレーションを行う構造流体解析ステップを実行させ
第1算出部、前記注入プロファイルおよび事前に取得し、血管の異常の有無が判明しているCT値を用いて前記構造流体解析シミュレーションした結果から、前記構造流体解析シミュレーションに対応する入力と出力の関係を表すモデルを算出して記憶装置に記憶する第1算出ステップを実行させ
差分モデル算出部、血管の異常診断を行う被検体のCT値と前記記憶装置に記憶されている前記モデルとの差分を検出することで、血管の異常の度合いを示す差分モデルを算出する差分モデル算出ステップを実行させ
診断部、前記差分モデルを評価して評価の結果を表示する表示ステップを実行させる、
ことを含む、血管解析装置の作動方法。
The system controller
Causing the injection profile acquisition unit to execute an injection profile acquisition step of acquiring an injection profile of the contrast medium injected into the blood vessel of the subject;
The CT value acquisition unit, to execute a CT value acquisition step of acquiring CT values in the blood vessel lumen after the contrast medium injection,
The structural fluid analysis unit, to execute a structural fluid analysis step of performing a structural fluid analysis simulation of the injection profile and the CT value as an input,
The first calculation unit, said injection profile and advance acquired from the results whether the vascular abnormality has the structural fluid analysis simulation using the CT value has been found, an input corresponding to the structural fluid analysis simulation output A first calculation step of calculating a model representing the relationship and storing the model in a storage device;
The difference model calculation unit, by detecting the difference between the model stored in the storage device and CT value of the object performing abnormality diagnosis of the blood vessels, the difference calculating a difference model indicating the degree of vascular abnormalities Run the model calculation step,
The diagnosis unit to execute a display step of displaying the results of the evaluation by evaluating the difference model,
A method of operating a blood vessel analyzing apparatus .
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