JP6419551B2 - Ｘ線診断装置、画像処理装置及び画像処理プログラム - Google Patents

Ｘ線診断装置、画像処理装置及び画像処理プログラム Download PDF

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Description

本発明の実施の形態は、Ｘ線診断装置、画像処理装置及び画像処理プログラムに関する。
従来、インターベンションや血管造影検査においては、Ｘ線画像の透視下で血管内に挿入されたカテーテルが、心臓、脳、肝臓等に生じた患部まで進められる。ここで、Ｘ線画像においては、造影剤などで血管を強調することによって血管の位置や構造が視認されるようになるが、被検体に対する影響を考慮して、造影剤の使用量を低減することが求められる。
造影剤の使用量を低減するための技術としては、例えば、予め造影剤を注入して撮影したＸ線画像と、透視画像とを重畳して表示するロードマップ機能が知られている。ロードマップ機能は、造影剤を使うことなく血管の位置や構造を把握することができるため、例えば、複雑な血管内にカテーテルを挿入する場合などに用いられる。ここで、複雑な血管内へカテーテルを挿入する場合、２次元の血管画像を透視画像に重畳させた２次元ロードマップ画像では血管の構造の把握に限界があり、カテーテルが目的の血管に入らない場合がある。
このような場合、３次元画像データから血管画像を生成して透視画像に重畳させる３次元ロードマップ画像を用いることで、血管画像の向きを自由に変化させられるようになり、血管の構造をより詳細に把握することができるようになる。しかしながら、上述した従来技術では、３次元ロードマップ画像を生成するための画像データの収集に時間がかかる場合があった。
特開２００７−２２９４７３号公報
本発明が解決しようとする課題は、バイプレーンで収集したＤＳＡ画像からボリュームデータを容易に再構成することを可能にするＸ線診断装置、画像処理装置及び画像処理プログラムを提供することである。
実施の形態のＸ線診断装置は、取得部と、再構成部とを備える。取得部は、造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域よりも前記造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報をそれぞれ取得する。再構成部は、前記第１の遷移情報を前記造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が前記複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するように３次元画像データを再構成する。
図１は、第１の実施形態に係るＸ線診断装置の構成の一例を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係るＸ線診断装置による処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図３Ａは、第１の実施形態に係る３次元再構成部による再構成の概要を説明するための図である。 図３Ｂは、第１の実施形態に係る３次元再構成部による再構成の概要を説明するための図である。 図４は、第１の実施形態に係る３次元再構成部による再構成の概要を説明するための図である。 図５は、第１の実施形態に係る上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの関係を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態に係る上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの関係を説明するための図である。 図７は、第１の実施形態に係る表示制御部によって表示される３次元ロードマップ画像の一例を示す図である。
以下に、添付図面を参照して、実施形態に係るＸ線診断装置を説明する。なお、本願に係るＸ線診断装置は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１の構成の一例を示す図である。図１に示すように、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１は、Ｘ線撮影機構１０と、画像処理装置１００とを有する。Ｘ線撮影機構１０は、Ｘ線管球１１ａと、検出器（ＦＰＤ（Flat Panel Detector）など）１２ａと、Ｃ型アーム１３ａとを有する第１の撮影機構と、Ｘ線管球１１ｂと、検出器（ＦＰＤなど）１２ｂと、Ω型アーム１３ｂとを有する第２の撮影機構とを備えるバイプレーン撮影機構である。また、Ｘ線撮影機構１０は、寝台１４を有し、インジェクター５０が接続される。
インジェクター５０は、被検体Ｐに挿入されたカテーテルから造影剤を注入するための装置である。ここで、インジェクター５０からの造影剤注入開始は、後述する画像処理装置１００を介して受信した注入開始指示に従って実行される場合であってもよいし、操作者が直接インジェクター５０に対して入力した注入開始指示に従って実行される場合であってもよい。
Ｃ型アーム１３ａは、Ｘ線管球１１ａ及び検出器１２ａを支持し、支持部（図示を省略）に設けられたモータにより、寝台１４上に横臥する被検体Ｐの周りをプロペラのように高速回転する。ここで、Ｃ型アーム１３ａは、直交する３軸であるＸＹＺ軸に関してそれぞれ回転可能に支持され、図示しない駆動部によって各軸で個別に回転する。Ω型アーム１３ｂは、Ｘ線管球１１ｂ及び検出器１２ｂを支持し、天井レールからなる支持部（図示を省略）に設けられたモータにより、寝台１４上に横臥する被検体Ｐの周りを回転する。ここで、Ω型アーム１３ｂは、直交する３軸であるＸＹＺ軸に関してそれぞれ回転可能に支持され、図示しない駆動部によって各軸で個別に回転する。
Ｘ線撮影機構１０は、図示しない撮影制御部によって制御される。例えば、撮影制御部は、後述する制御部３０の制御のもと、Ｘ線撮影機構１０による撮影に係る各種処理を制御する。例えば、撮影制御部は、Ｃ型アーム１３ａや、Ω型アーム１３ｂを回転させながら所定のフレームレートで投影データを収集する回転撮影を制御する。一例を挙げると、撮影制御部は、インジェクター５０から造影剤注入開始時に出力される信号を契機として、単一の造影剤注入の後に複数回の回転撮影を制御する。また、撮影制御部は、Ｃ型アーム１３ａや、Ω型アーム１３ｂを回転制御している間、図示しない高電圧発生部を制御してＸ線管球１１ａや、Ｘ線管球１１ｂからＸ線を連続的又は断続的に発生させ、検出器１２ａ又は検出器１２ｂによって被検体Ｐを透過したＸ線を検出させるように制御する。
画像処理装置１００は、図１に示すように、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換部２１と、画像メモリ２２と、サブトラクション部２３と、フィルタリング部２４と、３次元画像処理部２５と、Ａ／Ｄ変換部２６と、ＬＵＴ（Look Up Table）２７と、アフィン変換部２８と、３次元再構成部２９と、制御部３０と、表示部４０とを有する。また、画像処理装置１００は、図示していないが、例えば、マウスやキーボード、トラックボール、ポインティングデバイスなど、Ｘ線診断装置１に対する各種操作を操作者から受け付ける入力部を有する。
表示部４０は、画像処理装置１００によって処理された各種画像や、ＧＵＩ（Graphical User Interface）などの各種情報を表示する。例えば、表示部４０は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）モニタや液晶モニタなどである。Ａ／Ｄ変換部２１は、検出器１２ａに接続され、検出器１２ａから入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＸ線収集画像として画像メモリ２２に格納する。Ａ／Ｄ変換部２６は、検出器１２ｂに接続され、検出器１２ｂから入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＸ線収集画像として画像メモリ２２に格納する。
画像メモリ２２は、Ｘ線収集画像（投影データ）を記憶する。例えば、画像メモリ２２は、第１の撮影機構によって収集された投影データと、第２の撮影機構によって収集された投影データとをそれぞれ記憶する。また、画像メモリ２２は、後述する３次元再構成部２９によって再構成された再構成データ（ボリュームデータ）や、３次元画像処理部２５によって生成された３次元画像を記憶する。また、画像メモリ２２は、後述するサブトラクション部２３によって生成された差分画像を記憶する。
サブトラクション部２３は、ＤＳＡ（Digital Subtraction Angiography）画像などの差分画像を生成する。例えば、サブトラクション部２３は、画像メモリ２２に記憶されたマスク画像及びコントラスト画像の投影データ又はボリュームデータを用いてＤＳＡ画像あるいは血管ボリュームデータを生成する。フィルタリング部２４は、高周波強調フィルタリングなどを行う。ＬＵＴ２７は、諧調変換を行う。アフィン変換部２８は、画像の拡大や縮小、移動などを行う。
３次元再構成部２９は、Ｘ線撮影機構１０による回転撮影によって収集された投影データから再構成データ（以下、３次元画像データ又はボリュームデータと記す）を再構成する。例えば、３次元再構成部２９は、サブトラクション部２３によってマスク画像とコントラスト画像とが差分され、画像メモリ２２によって記憶されたサブトラクション後の投影データからボリュームデータを再構成する。或いは、３次元再構成部２９は、Ａ／Ｄ変換部２１又はＡ／Ｄ変換部２６によってデジタルデータに変換され、画像メモリ２２に記憶された投影データからボリュームデータを再構成する。そして、３次元再構成部２９は、再構成したボリュームデータを画像メモリ２２に格納する。
ここで、第１の実施形態に係る３次元再構成部２９は、第１の撮影機構によって収集された投影データに基づいてサブトラクション部２３が生成したサブトラクション画像と、第２の撮影機構によって収集された投影データに基づいてサブトラクション部２３が生成したサブトラクション画像とを用いて、ボリュームデータを再構成する。すなわち、３次元再構成部２９は、２方向から収集された２次元のＸ線画像を用いてボリュームデータを再構成する。なお、上述したボリュームデータの生成については、後述する。
３次元画像処理部２５は、画像メモリ２２によって記憶されたボリュームデータから３次元画像を生成する。例えば、３次元画像処理部２５は、ボリュームデータからボリュームレンダリング画像や、ＭＰＲ（Multi Planar Reconstruction）画像を生成する。そして、３次元画像処理部２５は、生成した３次元画像を画像メモリ２２に格納する。
制御部３０は、Ｘ線診断装置１全体を制御する。具体的には、制御部３０は、Ｘ線撮影機構１０によるＸ線画像の撮影、画像再構成、表示画像の生成、表示部４０における表示画像の表示などに係る各種処理を制御する。例えば、制御部３０は、第１の撮影機構及び第２の撮影機構によるＸ線画像の撮影や、撮影された投影データからのボリュームデータの再構成、再構成されたボリュームデータから３次元画像を生成して透視画像に重畳させた３次元ロードマップ画像を表示部４０にて表示するように制御する。ここで、制御部３０は、例えば、図１に示すように、取得部３１と、表示制御部３２とを有する。
上述したように、従来のＸ線診断装置では、３次元ロードマップ画像を生成するための画像データの収集に時間がかかるため、カテーテルを挿入する場合などのツールとして３次元ロードマップ画像が用いられていなかった。例えば、インターベンションや血管造影検査において、血管構造が特異である場合や、血管起始部が狭窄している場合、或いは、血管起始部が石灰化している場合などに目的の血管に対してカテーテルが入らない場合がある。
かかる場合、従来技術では、例えば、２次元ロードマップ画像を生成して血管を観察し、手技の角度を変更する。しかしながら、この方法の場合、生成した２次元ロードマップ画像が必ずしも適切な方向から血管を描出しているとは限らず、２次元ロードマップ画像の生成と角度の変更を繰り返す恐れがある。ここで、３次元ロードマップ画像を用いることができれば、血管の構造を詳細に把握することができるようになるが、上述したように３次元ロードマップ画像を生成するための画像データの収集に時間がかかるため、利用しにくかった。
例えば、目的の血管に対してカテーテルが入らない場合に、３次元ロードマップ画像を生成しようとすると、まず、ボリュームデータを再構成するための画像データを収集する。バイプレーンのＸ線診断装置の場合、まず、バイプレーンをシングルプレーンに切り替えて、アームの一方を退避させ、被検体の位置を決定する。そして、インジェクターを準備して、高速回転するアームに被検体がぶつからないことを確認する。その後、ボリュームデータを再構成するための画像データを撮影し、撮影が終了したら、インジェクターをはずして被検体の状態を確認し、退避していたアームを元の状態に戻す。上述した操作は、少なくとも５分程度はかかり、その後、３次元ロードマップ画像を生成して表示させ、観察するとどの程度の時間がかかるかわからない。また、３次元ロードマップ画像を生成するための画像データを収集する場合には、被曝量が増加するとともに、造影剤をさらに注入することとなる。そのため、現状、カテーテルの挿入に３次元ロードマップ画像は用いられていない。
上述した３次元ロードマップ画像とは別のツールとしては、例えば、Ｃ型アームを左右に交互に回転させて収集した視差画像や、ステレオ管球を用いて収集した視差画像を用いて立体視画像を表示させる技術が考えられる。しかしながら、Ｃ型アームを左右に交互に回転させて視差画像を収集する場合、視差画像の収集時の時相が異なるため、立体視できない場合がある。例えば、収集した視差画像間でカテーテルが動いている場合、立体視できなくなる。また、ステレオ管球を用いる場合、使用できる装置が限られてしまう。また、ボリュームデータを再構成するための画像データを収集する際のアームを振る角度を、例えば、２００度から１２０度に設定することで、バイプレーンの一方のアームを退避させなくてもよくなるが、その他の操作は短縮することができない。
そこで、本願に係るＸ線診断装置１は、バイプレーンで撮影した２方向からの画像データを用いてボリュームデータを容易に再構成することを可能にする。すなわち、Ｘ線診断装置１は、３次元専用のプログラムではなく、診断や観察に用いられる撮影プログラムを利用してボリュームデータを再構成可能とすることで、カテーテルの挿入などの際にも３次元ロードマップ画像を利用可能とし、血管の構造をより詳細に把握することを可能にする。
具体的には、取得部３１は、造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域に含まれるピクセルの値と、注目領域よりも造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報とをそれぞれ取得する。３次元再構成部２９は、第１の遷移情報を造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するようにボリュームデータを再構成する。
ここで、３次元再構成部２９は、血管内での造影剤の希釈、拡散、血管壁の抵抗に因る速度低下、及び、到達遅れ時間のうち少なくとも１つの因子によって変化させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値がピクセル値に近似するように３次元画像データを再構成する。すなわち、３次元再構成部２９は、造影剤の希釈、拡散、血管壁の抵抗に因る速度低下、及び、到達遅れ時間のうち少なくとも１つの因子を拘束条件に用いた逐次近似再構成により、２方向の画像データからボリュームデータを再構成する。
以下、本実施形態に係るＸ線診断装置１による処理の一例について、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１による処理の手順の一例を示すフローチャートである。図２に示すように、Ｘ線診断装置１においては、制御部３０の制御のもと、Ｘ線撮影機構１０がバイプレーンによって画像データをそれぞれ収集する（ステップＳ１０１）。例えば、Ｘ線診断装置１においては、まず、造影剤注入前に、第１の撮影機構及び第２の撮影機構がそれぞれマスク画像を収集する。ここで、マスク画像は、第１の撮影機構及び第２の撮影機構が同時に収集する場合であってもよく、或いは、片方ずつ収集する場合であってもよい。
マスク画像が収集されると、インジェクター５０が被検体に対して造影剤を注入する。なお、造影剤の注入は、インジェクター５０によって自動的に開始してもよいが、造影剤注入タイミングを通知する情報を表示部４０にて表示させ、その情報に基づいて、操作者がマニュアル（シリンジ）で開始してもよい。インジェクター５０を用いるか否かは、血管の太さによって決定される場合でもよい。また、本願においては、造影剤によって可視化させたい領域が限られているため（例えば、血管が分岐している部分のみなど）、造影剤の注入は、通常の３次元用撮影よりも短い時間となり、例えば、通常の３次元用撮影の注入時間よりも１ｓｅｃ程度短い時間となる。
被検体に造影剤が注入されると、第１の撮影機構及び第２の撮影機構がそれぞれコントラスト画像を収集する。ここで、コントラスト画像は、マスク画像と同様に収集される。すなわち、第１の撮影機構及び第２の撮影機構がマスク画像を同時に収集した場合、第１の撮影機構及び第２の撮影機構は、コントラスト画像も同時に収集する。一方、マスク画像を片方ずつ収集した場合、第１の撮影機構及び第２の撮影機構は、コントラスト画像も片方ずつ収集する。上述したコントラスト画像の収集は、例えば、血流の速さ応じて収集レートを変更することができる。一例を挙げると、通常、１５ｐｐｓ（pair per second）の収集レートによって収集させ、血流が非常に早い血管の場合には、３０ｐｐｓ又は６０ｐｐｓに変更し、血流が非常に遅い血管の場合には、６ｐｐｓ又は１０ｐｐｓに変更する場合であってもよい。
上述したように、第１の撮影機構及び第２の撮影機構によってマスク画像とコントラスト画像とが収集されると、サブトラクション部２３が、ＤＳＡ画像をそれぞれ生成する（ステップＳ１０２）。例えば、サブトラクション部２３は、第１の撮影機構によって収集された経時的に収集されたコントラスト画像とマスク画像とをそれぞれ差分して経時的なＤＳＡ画像を生成する。同様に、サブトラクション部２３は、第２の撮影機構によって収集された経時的に収集されたコントラスト画像とマスク画像とをそれぞれ差分して経時的なＤＳＡ画像を生成する。
サブトラクション部２３によってＤＳＡ画像が生成されると、表示制御部３２は、生成されたＤＳＡ画像を表示部４０にそれぞれ表示する（ステップＳ１０３）。操作者は、表示部４０に表示されたバイプレーンのＤＳＡ画像をそれぞれ参照し、入力部を介して注目領域と上流領域とを指定する。ここで、注目領域はボリュームデータを生成したい領域（例えば、血管が分岐している領域）であり、上流領域は注目領域よりも造影剤が早く流入する血管領域（注目領域の血管よりも心臓に近い血管の領域）である。
なお、上流領域は、単一のピクセルであってもよいが、ノイズの影響を低減するために複数のピクセルを含む領域であるほうがよく、また、血管がＸ線の進行方向に対して垂直に走行している領域が望ましい。例えば、上流領域としては、Ｘ線の進行方向に対してなるべく垂直に走行している血管において、血管の走行方向に垂直な線か、或いは、血管上の領域が指定される。
上述したように、上流領域が指定されると、取得部３１は、ＤＳＡ画像において指定された位置（座標）に上流領域を設定し（ステップＳ１０４）、上流領域のＴＤＣを計測する（ステップＳ１０５）。例えば、取得部３１は、経時的なＤＳＡ画像を用いて上流領域に含まれるピクセルにおけるＴＤＣをそれぞれ計測し、計測したＴＤＣを平均することで上流領域のＴＤＣを算出する。ここで、取得部３１は、経時的なＤＳＡ画像のピクセルからそれぞれ取得した離散的な値を１次或いは高次の関数で補完することによって連続的な上流領域のＴＤＣ「ｇ（ｔ）」を算出する。また、取得部３１は、上流領域の血管径（ｍｍ）を計測し、さらに当該血管がほぼ回転中心にあると仮定して再構成空間における血管径（ｍｍ）「Ｌ」を算出する。ここで、Ｘ線ビームの広がりを無視すると、再構成空間における上流領域のＴＤＣ「ｆ（ｔ）」は、以下の式（１）によって算出される。
さらに、取得部３１は、バイプレーンのＤＳＡ画像においてそれぞれ指定された位置（座標）に注目領域を設定し（ステップＳ１０６）、注目領域の再構成空間における領域を同定する（ステップＳ１０７）。３次元再構成部２９は、抽出された２方向の動画像を用いて３次元画像データ（ボリュームデータ）を再構成する（ステップＳ１０９）。ここで、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を用いて、第１の実施形態に係る３次元再構成部２９による再構成の概要について説明する。図３Ａ、図３Ｂ及び図４は、第１の実施形態に係る３次元再構成部２９による再構成の概要を説明するための図である。
例えば、２方向の画像データからボリュームデータを再構成する場合、画像データ間で対応する位置を特定することになる。すなわち、図３Ａに示すＤＳＡ画像Ｉ１に投影された血管とＤＳＡ画像Ｉ２に投影された血管との対応する位置関係を特定することにより、投影元のボクセル位置が特定可能となり、ボリュームデータが再構成可能となる。例えば、図３Ａに示す直線Ｌ１とＤＳＡ画像Ｉ１との交点に投影されるオブジェクト（血管）は、直線Ｌ１上に位置しているが、ＤＳＡ画像Ｉ１だけではＬ１上のどこに位置しているか特定することができない。
一方、直線Ｌ１をＤＳＡ画像Ｉ２上に投影すると、上述したオブジェクト（血管）が、直線Ｌ１を投影してＤＳＡ画像Ｉ２上の血管と交差する線分Ｌ２上の血管の交点に位置することとなる。ここで、ＤＳＡ画像Ｉ２において、線分Ｌ２上にある血管は点Ａ及び点Ｂであることから、直線Ｌ１とＤＳＡ画像Ｉ１との交点に投影されるオブジェクト（血管）は、点Ａ又は点Ｂに対応することがわかる。そこで、３次元再構成部２９は、直線Ｌ１とＤＳＡ画像Ｉ１との交点に対応するＤＳＡ画像Ｉ２上の血管の点を、血流プロファイルを示すＴＤＣによって特定して、ボリュームデータを再構成する。
すなわち、３次元再構成部２９は、図３Ｂに示すように、図３Ｂの（Ａ）に示す線分Ｌ２上の点Ａを示すＴＤＣ１及び点Ｂを示すＴＤＣ２と、図３Ｂの（Ｂ）に示す直線Ｌ１とＤＳＡ画像Ｉ１との交点を示すＴＤＣ３とを比較解析することで、対応する点を特定する。例えば、３次元再構成部２９は、図４に示すように、直線Ｌ１とＤＳＡ画像Ｉ１との交点に対応するＤＳＡ画像Ｉ２上の点が点Ａであることを特定して、Ｘ線管球１１ｂの焦点と点Ａとを結ぶ直線Ｌ３と、直線Ｌ１との交点Ｖ１を投影元のボクセル位置として特定して、ボリュームデータを再構成する。
上述したように、３次元再構成部２９は、対象となる血管の血流プロファイルを用いて、２方向から収集したＤＳＡ画像の血管の対応関係を特定して、ボリュームデータを再構成する。ここで、ピクセル値で示された各ＤＳＡ画像上の血管の位置関係を特定して、ボリュームデータを再構成する式として、３次元再構成部２９は、以下の式（２）を用いる。ここで、式（２）における「Ｅ」は誤差を示し、ベクトル「ｇ」はＤＳＡ画像上のピクセル値を時間順に列状に並べたものであり、ベクトル「ｆr」はボリュームデータのボクセル値をやはり時間順に列状に並べたものであり、「Ｈ」はボクセル値を画素値に変換する投影マトリクスを示す。
すなわち、３次元再構成部２９は、式（２）に示すように、注目領域に含まれるピクセルの値と、推定したボクセル値を投影することで導出されるピクセル値との差分が所定の閾値以下となるように、ボクセル値を変化させる逐次近似再構成によってボリュームデータを再構成する。ここで、３次元再構成部２９は、上述した逐次近似再構成の拘束条件として血流プロファイルを示すＴＤＣを用いる。具体的には、３次元再構成部２９は、取得部３１によって計測された上流領域のＴＤＣによって各ボクセル値を表現し、ＴＤＣを変化させることによってボクセル値を変化させる逐次近似再構成によってボリュームデータを再構成する。
ここで、血管におけるＴＤＣは、上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの間に以下のような関係がある。図５及び図６は、第１の実施形態に係る上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの関係を説明するための図である。なお、図５は、種々の因子を考慮しない単純モデルを示し、図６は、種々の因子を考慮した複雑モデルを示す。例えば、血管が、図５の（Ａ）に示すように走行しており、血流が図中の矢印に示すように下から上に流れるとする。そして、図中の矢印６１で指示する位置（領域）を上流領域として設定した場合の単純モデルにおける上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの関係は、例えば、図５の（Ｂ）〜（Ｄ）のようになる。
仮に図５の（Ａ）の血管径を全て１ｍｍとし、さらにＸ線ビームの広がりの影響を無視すると、例えば、矢印６１で指示する上流領域のＴＤＣは、図５の（Ｂ）に示すように、時点「０」からＤＳＡ値が立ち上がるＴＤＣ「ｆ（ｔ）」として示すことができる。そして、単純モデルにおいては、矢印６２、６３で指示する下流領域におけるＴＤＣを、時間経過に伴ってＴＤＣ「ｆ（ｔ）」がシフトしたＴＤＣとして示すことができる。また、例えば、矢印６２で指示する血管が重なった下流領域におけるＴＤＣは、図５の（Ｃ）に示すように、上流領域から時間「ｔ1」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ1）」と、上流領域から時間「ｔ3」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ3）」とによって形成されるＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ1）＋ｆ（ｔ−ｔ3）」として示すことができる。
また、例えば、矢印６３で指示する血管が重なっていない下流領域におけるＴＤＣは、図５の（Ｄ）に示すように、上流領域から時間「ｔ2」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ2）」として示すことができる。すなわち、単純モデルで考えた場合、下流領域におけるＴＤＣは、上流領域で計測された基準のＴＤＣを単に時間に応じてシフトさせたものとなる。
しかしながら、実際の血管内を流れた場合、造影剤は、血液による希釈、血管内での拡散、血管壁の抵抗による速度低下、到達遅れなどの種々の因子の影響を受けるため、図５に示す単純モデルでは実際の状況を反映したものとは言えない。そこで、本願では、図６に示す複雑モデルを用いて基準となる上流領域のＴＤＣを変化させ、変化させたＴＤＣによってボクセル値を表現する。
例えば、図５の（Ａ）に示す血管に対して複雑モデルを適用した場合、上流領域のＴＤＣと下流領域のＴＤＣとの関係は、図６の（Ａ）〜（Ｃ）のようになる。例えば、矢印６１で指示する上流領域のＴＤＣは、図５の（Ｂ）と同様、図６の（Ａ）に示すように、時点「０」からＤＳＡ値が立ち上がるＴＤＣ「ｆ（ｔ）」として示すことができる。そして、複雑モデルにおいては、矢印６２、６３で指示する下流領域におけるＴＤＣは、時間経過に伴ってＴＤＣ「ｆ（ｔ）」がシフトしたＴＤＣを、造影剤の希釈や血管の太さなどの因子を示す「α」〜「γ」や、造影剤の拡散の因子を示す「ｑ（Ａｔ）」〜「ｑ（Ｃｔ）」などによって変形したＴＤＣによって示される。
また、例えば、矢印６２で指示する血管が重なった下流領域におけるＴＤＣは、図６の（Ｂ）に示すように、上流領域から時間「ｔ1」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ1）」を「α」と「ｑ（Ａｔ）」によって変形したＴＤＣ「αｆ（ｔ−ｔ1）＊ｑ（Ａｔ）」と、上流領域から時間「ｔ3」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ3）」を「γ」と「ｑ（Ｃｔ）」によって変形したＴＤＣ「γｆ（ｔ−ｔ3）＊ｑ（Ｃｔ）」とによって形成されるＴＤＣ「αｆ（ｔ−ｔ1）＊ｑ（Ａｔ）＋γｆ（ｔ−ｔ3）＊ｑ（Ｃｔ）」として示すことができる。
また、例えば、矢印６３で指示する血管が重なっていない下流領域におけるＴＤＣは、図６の（Ｃ）に示すように、上流領域から時間「ｔ2」後に通過する造影剤に基づくＴＤＣ「ｆ（ｔ−ｔ2）」を「β」と「ｑ（Ｂｔ）」によって変形したＴＤＣ「βｆ（ｔ−ｔ2）＊ｑ（Ｂｔ）」として示すことができる。第１の実施形態に係る３次元再構成部２９は、上述した複雑モデルを用いて、ボクセル値を推定する。
例えば、３次元再構成部２９は、ベクトル「ｆr」の各要素であるボクセル値を、以下の式（３）によって算出する。ここで、式（３）における「ｆr」はボクセル値を示し、「Ａ」は造影剤の希釈及びビームハードニング効果を調整するファクターを示し、「Δｔ」は血管壁の抵抗による速度低下及び到達遅れ時間を示す。また、式（３）における「ｑ（ｔ）」は拡散を示し、「＊」はコンボリューション演算子を示す。
例えば、３次元再構成部２９は、式（３）に示すように、種々の因子で「ｆ（ｔ）」を変形させたＴＤＣをボクセル値とする。ここで、式（３）における拡散「ｑ（ｔ）」は、以下の式（４）によって算出される。なお、式（４）における「σ」は拡散係数を示す。
なお、上記した式（４）では、拡散を理想的な式によって示しているが、実際には血管壁の抵抗などの影響により理想的な式から外れてしまう場合がある。そこで、このような場合、３次元再構成部２９は、血管が重なっていない上流領域及び下流領域のＴＤＣを比較して、２つのＴＤＣの変化に基づいて拡散「ｑ（ｔ）」を算出し、算出した拡散「ｑ（ｔ）」を用いて上述した処理を実行する。
また、再構成する領域（注目領域）が上流領域と近接しており、且つ非常に限定される領域の場合、拡散の影響はほとんどないと考えられることから、３次元再構成部２９は、式（３）を単純化した以下の式（５）によってボクセル値を表現する。
上述したように、３次元再構成部２９は、式（３）又は式（５）によってボリュームデータにおけるボクセル値をそれぞれ変化させ、変化後のボクセル値を投影した値と実際に収集されたＤＳＡ画像におけるピクセル値との誤差が小さくなるように逐次近似再構成を実行する。すなわち、３次元再構成部２９は、第１の撮影機構によって収集されたＤＳＡ画像におけるピクセル値との誤差と、第２の撮影機構によって収集されたＤＳＡ画像におけるピクセル値との誤差とがそれぞれ小さくなるように「Ａ」や「ｑ（ｔ）」などによりボクセル値を変化させる。
そして、３次元再構成部２９は、第１の撮影機構によって収集されたＤＳＡ画像におけるピクセル値との誤差と、第２の撮影機構によって収集されたＤＳＡ画像におけるピクセル値との誤差とがそれぞれ所定の閾値以下となった場合に、再構成処理を終了して再構成したボリュームデータを画像メモリ２２に格納する。なお、３次元再構成部２９による再構成処理は、ボクセルごとに各未知数（Ａや、Δｔなど）を細かく変化させて誤差が低下するかどうかを判定してもよいが、得られた誤差を逆投影して、逆投影結果とその前に推定されたボクセル値との和に式（３）又は式（５）をフィットさせるように未知数を変化させてもよい。これにより、処理時間を短縮することができる。
図２に戻って、上述したようにボリュームデータの再構成が実行されると（ステップＳ１０９）、３次元画像処理部２５が画像メモリ２２からボリュームデータを読み出し、読み出したボリュームデータから血管画像を生成する（ステップＳ１１０）。そして、表示制御部３２が、生成された血管画像とリアルタイムで実行されている透視画像とを重畳させた３次元ロードマップ画像を表示部４０に表示させる。
図７は、第１の実施形態に係る表示制御部３２によって表示される３次元ロードマップ画像の一例を示す図である。例えば、図７に示すように、３次元画像処理部２５は、３次元再構成部２９によって再構成されたボリュームデータＤ１を用いて、現時点の各アームの位置から投影した血管画像を生成して、バイプレーンによって収集されている透視画像にそれぞれ重畳させた３次元ロードマップ画像を表示部４０に表示させる。ここで、３次元画像処理部２５は、血管画像として、ボリュームレンダリング画像や、投影画像、ＭＩＰ画像などを生成する。
上述した実施形態では、推定したボクセル値を投影した値とピクセル値との誤差を低下させるように再構成を行う場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、隣接するボクセル値の情報を用いる場合であってもよい。すなわち、隣接するボクセルにおいては、種々の因子がほぼ一致している場合がある。そこで、３次元再構成部２９は、推定したボクセル値を投影した値とピクセル値との誤差を低下させるとともに、近接するボクセル間のボクセル値の差分が最小となるように再構成を行ってもよい。
また、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１においては、経時的なＤＳＡ画像におけるピクセル値の時間変化を用いて再構成を行うこともできる。かかる場合には、取得部３１は、複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、ピクセルごとの造影剤の時間変化の情報を取得する。３次元再構成部２９は、時間変化の総和を用いて３次元画像データを再構成する。
ここで、３次元再構成部２９は、時間的に連続する３次元画像データにおける同一位置のボクセルにおいて、ボクセル値の時間変化が連続するように連続する３次元画像データをそれぞれ再構成する。また、３次元再構成部２９は、時間的に連続する３次元画像データにおける同一位置のボクセルにおいて、ボクセル値の時間変化がマイナスになるボクセルを血管領域として再構成する。
（変形例１）
上述した実施形態では、再構成したボリュームデータを用いて３次元ロードマップ画像を生成して表示する場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、手技を行うのに適切な角度を提供する場合であってもよい。一例を挙げると、まず、表示制御部３２が、インターベンションや血管造影検査中に、再構成されたボリュームデータに対して現時点のアームの角度からボリュームレンダリング処理を実行させた血管のボリュームレンダリング画像を表示部４０にて表示させる。ここで、操作者が入力部を介して血管の向きを変化させると、表示制御部３２が血管の向きの変化に応じたアームの角度の変化情報を表示部４０に表示させる。例えば、操作者が血管の分岐が見やすくなるようにボリュームレンダリング画像の血管の向きを変化させると、表示制御部３２は、透視画像に変化後の向きの血管が描出されるアームの角度情報を表示部４０に表示させる。操作者が表示された角度になるようにアームを移動させると、透視画像に対象の血管が見やすい角度で描出されることとなる。
上述したように、第１の実施形態によれば、取得部３１は、造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域に含まれるピクセルの値と、注目領域よりも造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報とをそれぞれ取得する。３次元再構成部２９は、第１の遷移情報を造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するように３次元画像データを再構成する。従って、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１は、バイプレーンで収集したＤＳＡ画像から３次元画像データを容易に再構成することができ、通常の手技から大きく外れることなく、短時間で３次元ロードマップ画像用の画像データを収集することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、３次元再構成部２９は、血管内での造影剤の希釈、拡散、血管壁の抵抗に因る速度低下、及び、到達遅れ時間のうち少なくとも１つの因子によって変化させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値がピクセル値に近似するように３次元画像データを再構成する。従って、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１は、実際に血管内で流れる造影剤を考慮して再構成することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、３次元再構成部２９は、近接するボクセル間のボクセル値の差分が最小となるように、３次元画像データを再構成する。従って、第１の実施形態に係るＸ線診断装置１は、より精度の高い再構成を行うことを可能にする。
（第２の実施形態）
さて、これまで第１の実施形態について説明したが、上述した第１の実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。
第１の実施形態で図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、或いは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
また、第１の実施形態で説明した制御方法は、予め用意された制御プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この制御プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、この制御プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
以上説明したとおり、第１及び第２の実施形態によれば、本実施形態のＸ線診断装置は、バイプレーンで収集したＤＳＡ画像から３次元画像データを容易に再構成することを可能にする。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ Ｘ線診断装置
２９ ３次元再構成部
３１ 取得部
３２ 表示制御部
１００ 画像処理装置

Claims (8)

  1. 造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域よりも前記造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報をそれぞれ取得する取得部と、
    前記第１の遷移情報を前記造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が前記複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するように３次元画像データを再構成する再構成部と、
    を備える、Ｘ線診断装置。
  2. 前記再構成部は、血管内での前記造影剤の希釈、拡散、血管壁の抵抗に因る速度低下、及び、到達遅れ時間のうち少なくとも１つの因子によって変化させた前記第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が前記ピクセルの値に近似するように前記３次元画像データを再構成する、請求項１記載のＸ線診断装置。
  3. 前記再構成部は、近接するボクセル間のボクセル値の差分が最小となるように、前記３次元画像データを再構成する、請求項２記載のＸ線診断装置。
  4. 前記取得部は、前記複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、ピクセルごとの前記造影剤の時間変化の情報を取得し、
    前記再構成部は、前記時間変化の総和を用いて前記３次元画像データを再構成する、請求項１乃至３のいずれか１つに記載のＸ線診断装置。
  5. 前記再構成部は、時間的に連続する３次元画像データにおける同一位置のボクセルにおいて、ボクセル値の時間変化が連続するように前記連続する３次元画像データをそれぞれ再構成する、請求項４記載のＸ線診断装置。
  6. 前記再構成部は、時間的に連続する３次元画像データにおける同一位置のボクセルにおいて、ボクセル値の時間変化がマイナスになるボクセルを血管領域として再構成する、請求項４又は５記載のＸ線診断装置。
  7. 造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域よりも前記造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報をそれぞれ取得する取得部と、
    前記第１の遷移情報を前記造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が前記複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するように３次元画像データを再構成する再構成部と、
    を備える、画像処理装置。
  8. 造影剤を注入された被検体を少なくとも２方向から撮影することで収集された複数の経時的なＸ線画像群それぞれについて、注目領域よりも前記造影剤の流入が早い領域における造影剤の信号強度の遷移を示す第１の遷移情報をそれぞれ取得し、
    前記第１の遷移情報を前記造影剤に関する因子によって変形させた第２の遷移情報によって表現されるボクセル値を投影した値が前記複数の経時的なＸ線画像群それぞれで対応するピクセルの値に近似するように３次元画像データを再構成する、
    各処理をコンピュータに実行させる、画像処理プログラム。
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