JP7195458B2 - 流体解析装置、方法およびプログラム - Google Patents

Description

本開示は、流体の流れを解析して表示する流体解析装置、方法およびプログラムに関する。

近年、心臓および脳等を撮影した医用画像を用いて、血管内の血流を解析することが行われている。このような医用画像を用いた血流解析方法としては、例えば、実際の血流を４次元的に測定する４Ｄフローの手法が用いられている。４Ｄフローは、例えば３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって撮影された３次元のＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）画像を用いて、ボクセル毎、ピクセル毎または領域毎に流速ベクトルを導出し、流速ベクトルを時間の流れと合わせて動的に表示する手法である。また、数値流体力学を用いた血流解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）により、血液の流れをシミュレーションする手法も用いられている。

また、上述した４ＤフローおよびＣＦＤによる解析結果を、例えば、流線、流跡線および流脈線等によって表示することにより、血液の流れを３次元的に表示する手法が提案されている。

ところで、血液の流れを実際の血管内の流れに近い状態で可視化するためには、ＭＲＩ画像の各ボクセルに対して流速ベクトルを表示すればよい。しかしながら、すべてのボクセルに流速ベクトルを描画すると、その情報量が膨大なものとなるため、描画の処理に膨大な時間を要する。また、すべてのボクセルに流速ベクトルを表示した場合、流速ベクトルの間隔が密になりすぎて、解析結果を把握することが困難なものとなる。

一方、流速ベクトルを表示するためのサンプリング間隔を増減させることによって、表示させる流速ベクトルの量を増減することができる。しかしながら、血管上の着目すべき部分で粗い流速ベクトルの描画になってしまったり、逆にそれほど多くの情報が必要ない部分で密な流速ベクトルの描画となってしまう等、一定のサンプリング間隔だと流速ベクトルの表示が見にくくなる場合がある。

このため、流速ベクトルのサンプリング間隔を設定する各種手法が提案されている。例えば、特許文献１には、超音波診断装置から得られた血流速度の情報に基づいて、流速ベクトルを表示する際に、表示部位、表示深度および関心領域の面積等に応じて、サンプリング間隔を設定する手法が提案されている。また、特許文献２には、超音波診断装置から得られた血流速度の情報に基づいて流速ベクトルを表示する際に、流速ベクトルを間引くことにより、適当な密度の流速ベクトルを表示する手法が提案されている。

特開平８－３３６２５号公報 特開２００６－０００４２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された手法のように、表示部位または表示深度に応じて流速ベクトルのサンプリング間隔を設定したのでは、血管上の着目すべき部分で粗い流速ベクトルの描画になってしまったり、逆にそれほど多くの情報が必要ない部分で密な流速ベクトルの描画となってしまったりする可能性がある。また、関心領域の面積に応じてサンプリング間隔を設定したのでは、ユーザによる関心領域の設定が必要となる。また、特許文献２に記載された手法は、流速ベクトルを間引いて表示するものであるが、間引く基準が明確でない。

本開示は上記事情に鑑みなされたものであり、ユーザに負担をかけることなく、適切なサンプリング間隔で流速ベクトル等の流体情報を表示できるようにすることを目的とする。

本開示による流体解析装置は、少なくとも１つのプロセッサを備え、
プロセッサは、内部に流体が流れる管状構造物を含む被写体を撮影することによって取得された画像を解析することにより、管状構造物内の各画素位置における流体の流れに関する流体情報を導出し、
画像に含まれる管状構造物内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における流体情報と、注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報との一致度を導出し、
一致度に応じて、流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、
設定された第２のサンプリング間隔により流体情報をサンプリングしてディスプレイに表示するように構成される。

「流体の流れに関する流体情報」としては、流速ベクトル、壁面せん断応力（ＷＳＳ(Wall Shear Stress)）および渦度等が挙げられる。

なお、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、画像に含まれる管状構造物の中心線と交わる領域の大きさに応じて、第１のサンプリング間隔を設定するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、一致度が大きいほど大きい第２のサンプリング間隔を設定するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、一致度が予め定められたしきい値以上である場合、第２のサンプリング間隔を、第１のサンプリング間隔に設定するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、領域内における流体情報を代表する代表流体情報をディスプレイに表示するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、一致度が予め定められたしきい値より小さい場合、画像に含まれる管状構造物の中心線と交わる領域の大きさに応じて、第２のサンプリング間隔を設定するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、管状構造物の中心線と交わる方向において、第２のサンプリング間隔を設定するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、流体情報をベクトルとして表示するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、ベクトルの幅を第２のサンプリング間隔が大きいほど太くするように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、画像は、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって被写体を撮影することにより取得された３次元画像であり、
プロセッサは、３次元画像を解析することにより取得される流体の流速ベクトルを、流体情報として導出するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、プロセッサは、数値流体力学を用いた解析により流体の流れをシミュレーションすることにより取得される流体の流速ベクトルを、流体情報として導出するように構成されるものであってもよい。

また、本開示による流体解析装置においては、管状構造物が血管であり、流体が血液であってもよい。

本開示による流体解析方法は、内部に流体が流れる管状構造物を含む被写体を撮影することによって取得された画像を解析することにより、管状構造物内の各画素位置における流体の流れに関する流体情報を導出し、
画像に含まれる管状構造物内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における流体情報と、注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報との一致度を導出し、
一致度に応じて、流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、
設定された第２のサンプリング間隔により流体情報をサンプリングしてディスプレイに表示する。

なお、本開示による流体解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。

本開示によれば、ユーザに負担をかけることなく、適切なサンプリング間隔で流体情報を表示できる。

本開示の実施形態による流体解析装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図 本開示の実施形態による流体解析装置の概略構成を示す図 ３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって撮影された第１の３次元画像を示す図 第１のサンプリング間隔の設定を説明するための図 断面の大きさとサンプリング間隔とを対応づけたテーブルを示す図 注目画素位置を示す図 流体情報の表示画面を示す図 流体情報の表示画面を示す図 本実施形態において行われる処理を示すフローチャート 予め定められた間隔となるように第１のサンプリング間隔を設定した場合における、注目画素位置を基準とした領域を示す図 血管の断面図 図１１に示す断面における流体情報の表示を説明するための図 図１１よりも小さい断面における流体情報の表示を説明するための図 中心線が延びる方向におけるサンプリング間隔の設定を説明するための図 流体情報の表示画面を示す図

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。図１は、本開示の実施形態による流体解析装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図である。図１に示すように、診断支援システムでは、本実施形態による流体解析装置１、３次元画像撮影装置２、および画像保管サーバ３が、ネットワーク４を経由して通信可能な状態で接続されている。

３次元画像撮影装置２は、被写体の診断対象となる部位を撮影することにより、その部位を表す３次元画像を生成する装置であり、具体的には、ＣＴ装置、ＭＲＩ装置、およびＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置等である。３次元画像撮影装置２により生成された３次元画像は画像保管サーバ３に送信され、保存される。なお、本実施形態では、患者の大動脈の３次元画像を取得する場合について説明するが、これに限らず、他の血管でもよい。また、本実施形態においては、３次元画像撮影装置２はＭＲＩ装置であり、ＭＲＩ装置において３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって被写体を撮影したＭＲＩ画像を３次元画像Ｇ０として取得するものとする。しかしながら、取得される３次元画像の種類はこれらに限定されるものではない。また、大動脈が本開示の管状構造物に、血液が本開示の流体にそれぞれ対応する。

画像保管サーバ３は、各種データを保存して管理するコンピュータであり、大容量外部記憶装置およびデータベース管理用ソフトウェアを備えている。画像保管サーバ３は、有線あるいは無線のネットワーク４を介して他の装置と通信を行い、画像データ等を送受信する。具体的には３次元画像撮影装置２で生成された３次元画像の画像データを含む各種データをネットワーク経由で取得し、大容量外部記憶装置等の記録媒体に保存して管理する。なお、画像データの格納形式およびネットワーク４経由での各装置間の通信は、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine）等のプロトコルに基づいている。

流体解析装置１は、１台のコンピュータに、本開示の流体解析プログラムをインストールしたものである。コンピュータは、診断を行う医師が直接操作するワークステーションまたはパーソナルコンピュータでもよいし、それらとネットワークを介して接続されたサーバコンピュータでもよい。流体解析プログラムは、ネットワークに接続されたサーバコンピュータの記憶装置、もしくはネットワークストレージに、外部からアクセス可能な状態で記憶され、要求に応じて医師が使用するコンピュータにダウンロードされ、インストールされる。または、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）あるいはＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の記録媒体に記録されて配布され、その記録媒体からコンピュータにインストールされる。

図２は、コンピュータに流体解析プログラムをインストールすることにより実現される流体解析装置の概略構成を示す図である。図２に示すように、流体解析装置１は、標準的なワークステーションの構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、メモリ１２、ストレージ１３および通信Ｉ／Ｆ（インターフェース）１４を備える。また、流体解析装置１には、液晶ディスプレイ等のディスプレイ１５、並びにキーボードおよびマウス等の入力デバイス１６が接続されている。ＣＰＵ１１がプロセッサに対応する。

ストレージ１３は、ハードディスクドライブまたはＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージデバイスからなり、ネットワーク４を経由して画像保管サーバ３から取得した３次元画像、並びに処理に必要な情報を含む各種情報が記憶されている。

通信Ｉ／Ｆ１４は、ネットワーク４を介して、画像保管サーバ３等の外部装置と、流体解析装置１との各種情報の伝送制御を行うネットワークインターフェースである。

また、メモリ１２には、本実施形態による流体解析プログラムが記憶されている。流体解析プログラムは、ＣＰＵ１１に実行させる処理として、３次元画像撮影装置２において、被写体を撮影することによって取得された３次元画像Ｇ０を取得する画像取得処理、３次元画像Ｇ０を解析して、大動脈内の各画素位置における血液の流れに関する流体情報を導出する解析処理、３次元画像Ｇ０に含まれる大動脈内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における流体情報と、注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報との一致度を導出する一致度導出処理、一致度に応じて流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定するサンプリング処理、および設定された第２のサンプリング間隔により流体情報をサンプリングしてディスプレイ１５に表示する表示制御処理を規定する。

そして、ＣＰＵ１１がプログラムに従いこれらの処理を実行することで、コンピュータは、画像取得部２０、解析部２１、一致度導出部２２、サンプリング部２３および表示制御部２４として機能する。

画像取得部２０は、３次元画像Ｇ０を画像保管サーバ３から取得する。なお、３次元画像Ｇ０が既にストレージ１３に記憶されている場合には、画像取得部２０は、ストレージ１３から３次元画像Ｇ０を取得するようにしてもよい。

解析部２１は、３次元画像Ｇ０を解析して、大動脈内の各画素位置における血液の流れに関する流体情報Ｒ０を導出する。本実施形態においては、解析部２１は、まず、３次元画像Ｇ０から血管領域を抽出する。具体的には、解析部２１は、３次元画像Ｇ０に対して多重解像度変換を行い、各解像度の画像に対してヘッセ行列の固有値解析を行い、各解像度の画像における解析結果を統合することによって、３次元画像Ｇ０に含まれる心臓領域中の様々なサイズの線構造（血管）の集合体として、大動脈弓の領域を血管領域として抽出する（例えばY Sato, et al.、「Three-dimensional multi-scale line filter for segmentation and visualization of curvilinear structures in medical images.」、Medical Image Analysis、1998年6月、Vol.2、No.2、p.p.143-168等参照）。さらに、解析部２１は、最小全域木アルゴリズム等を用いて、抽出された各線構造の中心点を連結することにより、大動脈を表す木構造のデータを生成し、抽出された大動脈の中心点を結ぶ芯線上の各点（木構造データの各ノード）において、芯線に直交する断面を求め、各断面において、グラフカット法等の公知のセグメンテーション手法を用いて大動脈の輪郭を認識し、その輪郭を表す情報を木構造データの各ノードに関連づけることによって、大動脈の領域を血管領域として抽出するようにしてもよい。

なお、血管領域の抽出方法としては上記の方法に限らず、領域拡張法等のその他の公知の手法を用いるようにしてもよい。

そして、解析部２１は、３次元画像Ｇ０から抽出された血管領域内の速度情報を用いて、血管内の各ボクセル位置における流速ベクトルを流体情報Ｒ０として導出する。

図３は、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって撮影された３次元画像Ｇ０を示す図である。図３に示すように、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって撮影された３次元画像Ｇ０の画像データは、マグニチュードデータＭ、Ｘ方向の位相データＰｈｘ、Ｙ軸方向の位相データＰｈｙ、およびＺ軸方向の位相データＰｈｚを、時間ｔに沿って所定の周期（例えば心周期）で得た３次元データを含む。Ｘ方向の位相データＰｈｘ、Ｙ軸方向の位相データＰｈｙ、およびＺ軸方向の位相データＰｈｚは、マグニチュードデータＭをＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向にエンコード（ＶＥＮＣ：velocity encoding）することにより生成される。Ｘ方向の位相データＰｈｘ、Ｙ軸方向の位相データＰｈｙ、およびＺ軸方向の位相データＰｈｚは各軸方向の流速を表すデータである。解析部２１は、３つの位相データから３次元画像Ｇ０の各ボクセル位置の３次元流速ベクトル（以下、流速ベクトルとする）を流体情報Ｒ０として導出する。

なお、画像取得部２０において、ドップラー計測によって時系列に撮影された３次元の超音波画像を取得し、その超音波画像に基づいて取得された血管領域内の速度情報を用いて流速ベクトルを取得して、流体情報Ｒ０を導出するようにしてもよい。

一致度導出部２２は、３次元画像Ｇ０に含まれる大動脈内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における流体情報と、注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報との一致度を導出する。このために、一致度導出部２２は、まず、注目画素位置を設定する際のサンプリング間隔となる第１のサンプリング間隔を設定する。本実施形態においては、解析部２１において、血管領域の抽出時に導出された芯線を中心線として使用し、中心線と交わる領域の大きさに応じて、注目画素位置を設定する際の第１のサンプリング間隔を設定する。

図４は第１のサンプリング間隔の設定を説明するための図である。なお、図４においては、抽出された大動脈における大動脈弓３０、腕頭動脈３１、左総頚動脈３２および左鎖骨下動脈３３を示している。図４に示すように、一致度導出部２２は、まず予め定められた初期基準位置Ｐ０において、大動脈弓３０の中心線Ｃ０に交わる領域である断面Ｄ０を設定する。具体的には中心線Ｃ０に直交する断面Ｄ０を規定する。なお、初期基準位置Ｐ０は、抽出された大動脈のボリュームレンダリング画像等をディスプレイ１５に表示し、表示した大動脈の画像に対して、操作者が入力デバイス１６を用いて指定することにより設定すればよい。

そして、一致度導出部２２は、断面Ｄ０の大きさを導出する。断面Ｄ０の大きさとしては、断面Ｄ０の直径または半径、断面Ｄ０の面積、または断面Ｄ０を含む予め定められた厚さの体積を用いることができる。厚さとしては例えば１ｍｍとすることができるが、これに限定されるものではない。

そして、一致度導出部２２は、初期基準位置Ｐ０を基準として、中心線Ｃ０に沿って予め定められた間隔を空けて、第１のサンプリング間隔を設定するための複数の基準位置Ｐｋ（ｋ＝１～ｎ）を設定する。予め定められた間隔としては、例えば５ｍｍ、１ｃｍおよび３ｃｍ等、任意の間隔とすることができる。そして、各基準位置にＰｋにおいて、断面Ｄｋの大きさを導出する。

一致度導出部２２は、腕頭動脈３１、左総頚動脈３２および左鎖骨下動脈３３についても同様に初期基準位置Ｐ１－０，Ｐ２－０，Ｐ３－０を設定し、予め定められた間隔を空けて基準位置Ｐ１－１，Ｐ１－２…、Ｐ２－１，Ｐ２－２…、Ｐ３－１，Ｐ３－２…を設定し、初期基準位置および基準位置において、断面の大きさを導出する。

そして、一致度導出部２２は、断面Ｄｋの大きさに応じて、注目画素位置を設定するための第１のサンプリング間隔を設定する。具体的には、断面Ｄｋが小さいほどサンプリング間隔を小さくする。本実施形態においては、図５に示すように、断面Ｄｋの大きさと第１のサンプリング間隔とを対応づけたテーブルＬＵＴ１がストレージ１３に保存されている。なお、図５においては、断面Ｄｋの大きさを直径としているが、半径、面積または体積であってもよい。また、図５における「０～１０」は、０ｍｍより大きく１０ｍｍ以下であることを表す。また、第１のサンプリング間隔の数値は、流体情報Ｒ０を表示する画素と画素との間に存在する画素の数を表す。なお、大動脈の直径は最大でも３５ｍｍ程度であるため、テーブルＬＵＴ１においては、大きさを３５ｍｍまで示している。図５に示すように、テーブルＬＵＴ１においては、断面Ｄｋの大きさが５ミリ刻みで大きくなり、サンプリング間隔が２画素刻みで大きくなっている。一致度導出部２２は、テーブルＬＵＴ１を参照して、断面Ｄｋの大きさに応じた第１のサンプリング間隔を設定する。なお、第１のサンプリング間隔はテーブルＬＵＴ１に示された値に限定されるものではない。

なお、テーブルＬＵＴ１を参照して第１のサンプリング間隔を設定することに代えて、断面Ｄｋの大きさに比例させて第１のサンプリング間隔を設定するようにしてもよい。

ここで、第１のサンプリング間隔は、３次元画像Ｇ０上における３次元的なサンプリング間隔である。しかしながら、大動脈におけるある断面を２次元表示する場合を想定して、２次元のサンプリング間隔を設定してもよい。

そして、一致度導出部２２は、設定した第１のサンプリング間隔にて、注目画素位置を設定する。図６は注目画素位置を示す図である。なお、図６においては、注目画素位置Ｔｉを黒点にて示している。

さらに一致度導出部２２は、注目画素位置Ｔｉを基準とした予め定められたサイズの領域を設定する。領域としては、注目画素位置Ｔｉを中心とする例えば１０×１０×１０画素とするが、これに限定されるものではない。また、領域としては例えば注目画素位置を中心とする球状の領域または多面体の領域を設定してもよい。また、第１のサンプリング間隔を設定した場合と同様に、断面Ｄｋが大きいほど、大きいサイズの領域を設定してもよい。

一致度導出部２２は、設定した領域内において、注目画素位置Ｔｉにおける流体情報Ｒｔと、注目画素位置以外の他の画素位置における流体情報Ｒｊ（ｊは他の画素位置の数）との一致度Ｅ０を導出する。ここで、一致度Ｅ０とは、流体情報Ｒｊ、すなわち流速ベクトル間の向きの一致度、または向きおよび大きさの一致度を表す。本実施形態においては、一致度Ｅ０として、流体情報間の向きの一致度を用いるものとする。このために、一致度導出部２２は、流体情報Ｒｔと流体情報Ｒｊのそれぞれとのコサイン類似度をＥｊとして導出する。コサイン類似度とは、流体情報Ｒ０である流速ベクトルがなす角度のコサインの値であり、－１以上１以下の値となる。そして、一致度導出部２２は、流体情報Ｒｔと流体情報Ｒｊのそれぞれとのコサイン類似度Ｅｊの総和を導出し、導出した総和の領域内における平均値を一致度Ｅ０として導出する。このため、一致度Ｅ０は下記の式（１）により表される。式（１）において、Ｎは領域内における注目画素位置Ｔｉ以外の画素位置の数である。なお、式（１）に代えて、式（２）に示すように、領域内における注目画素位置Ｔｉ以外の画素位置の注目画素位置Ｔｉからの距離に応じて、コサイン類似度Ｅｊを重みｗｊにより重み付けして、一致度Ｅ０を導出してもよい。

Ｅ０＝（ΣＥｊ）／Ｎ （１）
Ｅ０＝（ΣＥｊ×ｗｊ）／Σｗｊ （２）

一方、一致度Ｅ０として、流体情報間の向きおよび大きさの一致度を用いる場合には、一致度導出部２２は、流体情報Ｒｔと流体情報Ｒｊのそれぞれとの向きおよび大きさの相違Ｄｊを、Ｄｊ＝｜Ｒｊ－Ｒｔ｜／｜Ｒｔ｜により導出する。そして、下記の式（３）に示すように、相違Ｄｊの総和の領域内における平均値を一致度Ｅ０として導出する。式（３）において、Ｎは領域内における注目画素位置Ｔｉ以外の画素位置の数である。なお、式（３）に代えて、式（４）に示すように、領域内における注目画素位置Ｔｉ以外の画素位置の注目画素位置Ｔｉからの距離に応じて、相違Ｄｊを重みｗｊにより重み付けして、一致度Ｅ０を導出してもよい。

Ｅ０＝（ΣＤｊ）／Ｎ （３）
Ｅ０＝（ΣＤｊ×ｗｊ）／Σｗｊ （４）

サンプリング部２３は、一致度導出部２２が導出した一致度Ｅ０に応じて、流体情報Ｒ０を表示する第２のサンプリング間隔を設定する。具体的には、一致度Ｅ０が大きいほど、大きい第２のサンプリング間隔を設定する。本実施形態においては、例えば一致度Ｅ０を予め定められたしきい値Ｔｈ１，Ｔｈ２（Ｔｈ１＞Ｔｈ２）と比較し、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１以上であれば、第２のサンプリング間隔を第１のサンプリング間隔に設定する。一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ２以上Ｔｈ１未満であれば、第２のサンプリング間隔を第１のサンプリング間隔の１／２に設定し、領域内において流体情報Ｒ０が表示される画素位置の数を２倍にする。一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ２未満であれば、第２のサンプリング間隔を第１のサンプリング間隔の１／３に設定し、領域内において流体情報Ｒ０が表示される画素位置の数を３倍にする。ここで、サンプリング間隔を狭める、すなわち流体情報Ｒ０を表示する画素位置を増やす方向は、例えば、大動脈弓３０の中心線Ｃ０に直交する断面の径方向とすればよいが、中心線Ｃ０の方向としてもよい。なお、しきい値は２つに限定されるものではなく、１つのみまたは３以上のしきい値を設定することが可能である。また、第２のサンプリング間隔としきい値との関係も、上記に限定されるものではなく、任意に設定することが可能である。なお、第２のサンプリング間隔としきい値との関係は、ストレージ１３に保存しておけばよい。

表示制御部２４は、サンプリング部２３が設定した第２のサンプリング間隔により、流体情報Ｒ０をサンプリングしてディスプレイ１５に表示する。図７は、ディスプレイ１５に表示された流体情報Ｒ０の表示画面を示す図である。図７に示すように、表示画面４０には、腕頭動脈３１、左総頚動脈３２、左鎖骨下動脈３３、大動脈弓３０を含む領域４１が表示されている。そして、領域４１内の図４における基準位置に直交する断面を始点として、サンプリング部２３が設定した第２のサンプリング間隔により流体情報Ｒ０がサンプリングされて表示されている。なお、図７においては、説明のために腕頭動脈３１、左総頚動脈３２および左鎖骨下動脈３３を含む大動脈弓３０を２次元画像として示しているが、実際にはボリュームレンダリング等の手法により、腕頭動脈３１、左総頚動脈３２および左鎖骨下動脈３３を含む大動脈弓３０は３次元的に表示される。

なお、表示される流体情報Ｒ０は、一致度Ｅ０を導出した領域内におけるすべての流体情報Ｒ０の代表流体情報となる。例えば、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１以上であって、第１のサンプリング間隔と第２のサンプリング間隔とが一致する場合、注目画素位置Ｔｉにおいてのみ流体情報Ｒ０が表示される。この場合、流体情報Ｒ０は、領域内におけるすべての流体情報Ｒ０の代表値となる。一方、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１未満であり、領域内において複数の流体情報Ｒ０を表示する際には、流体情報Ｒ０を表示する画素位置を含む予め定められた領域内の流体情報Ｒ０の代表値とすればよい。例えば、一致度Ｅ０を導出した領域内において、流体情報Ｒ０を表示する画素位置が３つの場合、一致度Ｅ０を導出した領域を３分割し、分割した領域のそれぞれにおける流体情報Ｒ０の代表値を表示すればよい。代表値としては、流体情報Ｒ０を表示する画素位置の流体情報Ｒ０、領域内におけるすべての流体情報Ｒ０の平均値、流体情報Ｒ０を表示する画素位置に近いほど重み付けを大きくした重み付け平均値、中央値、最小値または最大値等とすることができる。

ここで、一致度Ｅ０が大きい場合、注目画素位置Ｔｉを基準とする領域内において、流体情報Ｒ０が揃っていることとなる。例えば、大動脈弓３０において動脈瘤等の異常がない場合、血管の太さが変化しなければ血流の方向および大きさが揃う。このため、サンプリング部２３が設定する第２のサンプリング間隔は、第１のサンプリング間隔と一致することとなる。したがって、図７に示すように、注目画素位置Ｔｉにおいてのみ流体情報Ｒ０が表示されることとなる。なお、図７においては、中心線Ｃ０が延びる方向についてのサンプリング間隔は、基準位置間の間隔となっている。

一方、大動脈に大動脈瘤が存在する場合、大動脈瘤内部においては、血流すなわち流体情報Ｒ０の向きおよび大きさはランダムなものとなる。このため、大動脈瘤内部においては、一致度導出部２２が導出する一致度Ｅ０は小さくなる。したがって、サンプリング部２３は、大動脈瘤内においては、第１のサンプリング間隔よりも小さい第２のサンプリング間隔を設定する。このような場合の流体情報Ｒ０の表示画面を図８に示す。図８に示す表示画面４２においては、腹部大動脈３５に大動脈瘤３６が存在する場合、大動脈瘤３６でない部分においては、図７と同様に、第２のサンプリング間隔は第１のサンプリング間隔と一致する。一方、大動脈瘤３６内においては、第１のサンプリング間隔よりも小さいサンプリング間隔で、方向および大きさがランダムな流体情報Ｒ０が表示される。なお、図８においては、図示を簡単なものとするために、大動脈瘤３６内の流体情報Ｒ０の矢印の大きさは一定となっている。

次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図９は本実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、画像取得部２０が３次元画像Ｇ０を画像保管サーバ３から取得する（画像取得；ステップＳＴ１）。そして、解析部２１が３次元画像Ｇ０を解析して、血管内の各位置における血液の流れに関する流体情報Ｒ０を導出する（ステップＳＴ２）。次いで、一致度導出部２２が、３次元画像Ｇ０に含まれる大動脈内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置Ｔｉにおける流体情報Ｒｔと、注目画素位置Ｔｉを基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報Ｒｊとの一致度Ｅ０を導出する（ステップＳＴ３）。

そして、サンプリング部２３が、一致度Ｅ０に応じて流体情報Ｒ０を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定する（ステップＳＴ４）。さらに、表示制御部２４が、設定された第２サンプリング間隔により流体情報Ｒ０をサンプリングしてディスプレイ１５に表示し（ステップＳＴ５）、処理を終了する。

このように、本実施形態においては、注目画素位置Ｔｉにおける流体情報Ｒｔと、注目画素位置Ｔｉを基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における流体情報Ｒｊとの一致度Ｅ０に応じて、流体情報Ｒ０を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、設定された第２のサンプリング間隔により流体情報Ｒ０をサンプリングして表示するようにした。このため、ユーザに負担をかけることなく、適切なサンプリング間隔で流体情報Ｒ０を表示できる。

なお、上記実施形態においては、中心線Ｃ０を通る断面の大きさに応じて、注目画素位置を設定するための第１のサンプリング間隔を設定しているが、これに限定されるものではない。予め定められた間隔となるように第１のサンプリング間隔を設定してもよい。例えば、図８に示すような大動脈瘤３６を含む腹部大動脈３５において、予め定められた間隔となるように第１のサンプリング間隔を設定した場合、注目画素位置を基準とする領域は、例えば図１０に示すように、等間隔の矩形（立方体）の領域となる。

また、上記実施形態においては、一致度Ｅ０に応じて第２のサンプリング間隔を設定しているが、例えば、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１未満である場合には、さらに中心線と交わる領域の大きさに応じて第２のサンプリング間隔を設定するようにしてもよい。この場合、中心線と交わる領域が大きいほど、第２のサンプリング間隔を大きく設定してもよい。図１１はある血管の断面図である。図１１において、説明のために４つの注目画素位置Ｔ１～Ｔ４が設定されており、注目画素位置Ｔ１～Ｔ４を基準とした４つの領域Ａ１～Ａ４が設定されているものとする。

ここで、領域Ａ１，Ａ３において流体情報Ｒ０の一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１以上である場合、領域Ａ１，Ａ３における第２のサンプリング間隔は、注目画素位置Ｔ１，Ｔ３のサンプリング間隔である第１のサンプリング間隔となる。一方、領域Ａ２，Ａ４において一致度Ｅ０が小さい場合、断面の大きさに応じて第２のサンプリング間隔が設定され、設定された第２のサンプリング間隔により流体情報Ｒ０が表示される。表示された流体情報を図１２に示す。

一方、図１１，１２に示す血管よりも断面積が小さい血管についての流体情報Ｒ０の表示の例を図１３に示す。図１３に示す領域Ａ１１，Ａ１３においては、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１以上であり、領域Ａ１２，Ａ１４においては、一致度Ｅ０がしきい値Ｔｈ１未満であるとする。図１３に示す血管の断面は、図１１，１２に示す血管の断面よりも小さいため、領域Ａ１２，Ａ１４における流体情報Ｒ０の表示のサンプリング間隔は、図１１に示す領域Ａ２，Ａ４における流体情報Ｒ０の表示のサンプリング間隔よりも小さくなっている。

なお、中心線と交わる領域の大きさに応じた第２のサンプリング間隔は、操作者により予め定め設定可能なものとすればよい。設定された第２のサンプリング間隔は、ストレージ１３に保存しておけばよい。

また、上記実施形態においては、血管の中心線Ｃ０が延びる方向においては、予め定められた基準位置の間隔を第１のサンプリング間隔としているが、これに限定されるものではない。血管の中心線Ｃ０が延びる方向において、中心線Ｃ０と交わる領域の大きさに応じて、第１のサンプリング間隔を設定してもよい。以下、中心線Ｃ０が延びる方向における第１のサンプリング間隔の設定について説明する。

図１４は、中心線Ｃ０が延びる方向における第１のサンプリング間隔の設定を説明するための図である。なお、図１４は説明を容易なものとするために、直径が徐々に小さくなる血管５０を示している。血管５０においては、径が小さくなる方向が血流の下流側となる。まず、サンプリング部２３は、図１４に示すように、初期基準位置Ｐ０を基準として、中心線Ｃ０に沿って予め定められた初期間隔Ｌ０を空けて次の基準位置Ｐ１を設定する。初期間隔Ｌ０が初期基準位置Ｐ０と基準位置Ｐ１との間のサンプリング間隔となる。なお、初期間隔Ｌ０としては、例えば５ｍｍ、１ｃｍおよび３ｃｍ等、任意の間隔とすることができる。

そして、一致度導出部２２は、初期基準位置Ｐ０および基準位置Ｐ１にそれぞれ断面Ｄ０，Ｄ１を設定し、断面Ｄ０に対する断面Ｄ１の大きさの比率ａ１を導出する。一致度導出部２２は、初期間隔Ｌ０に比率ａ１を乗算することにより、基準位置Ｐ１と次の基準位置Ｐ２との間隔Ｌ１を決定する。すなわち、Ｌ１＝ａ１×Ｌ０により、間隔Ｌ１を設定する。間隔Ｌ１が基準位置Ｐ１と基準位置Ｐ２との間の第１のサンプリング間隔となる。ここで、Ｄ１＜Ｄ０であるため、Ｌ１＜Ｌ０となる。

次いで、一致度導出部２２は、基準位置Ｐ２に断面Ｄ２（不図示）を設定し、断面Ｄ１に対する断面Ｄ２の大きさの比率ａ２を導出する。一致度導出部２２は、間隔Ｌ１に比率ａ２を乗算することにより、基準位置Ｐ２と次の基準位置Ｐ３との間隔Ｌ２を決定する。すなわち、Ｌ２＝ａ２×Ｌ１により、間隔Ｌ２を設定する。間隔Ｌ２が基準位置Ｐ２と基準位置Ｐ３との間の第１のサンプリング間隔となる。ここで、Ｄ２＜Ｄ１であるため、Ｌ２＜Ｌ１となる。

以下、同様にして、一致度導出部２２は、基準位置Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５…を設定することにより、血管５０における中心線Ｃ０が延びる方向のサンプリング間隔Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…を設定する。これにより、図１４に示すように、血管５０が細くなる、すなわち中心線Ｃ０と交わる領域が小さくなるほど、中心線Ｃ０が延びる方向の第１のサンプリング間隔が小さくなる。すなわち、初期間隔Ｌ０及び第１のサンプリング間隔Ｌ１～Ｌ５の関係は、Ｌ５＜Ｌ４＜Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ０となる。

なお、中心線Ｃ０が延びる方向の第１のサンプリング間隔が小さくなりすぎると、第２のサンプリング間隔が第１のサンプリング間隔と一致した際に、表示される流体情報Ｒ０が見にくくなる。このため、第１のサンプリング間隔が予め定められたしきい値以下となった場合には、中心線Ｃ０が延びる方向の第１のサンプリング間隔を一定としてもよい。図１４においては、サンプリング間隔Ｌ５～Ｌ７が一定となっている。

なお、上記実施形態においては、一致度Ｅ０が大きいほど第２のサンプリング間隔を小さくしているため、一致度Ｅ０が大きい領域を多く含む、すなわち一致度Ｅ０が大きい領域が支配的な血管においては、表示される流体情報Ｒ０が疎となる。この場合、血液の流れが速くても、表示画面においては血液の流れが遅く感じられてしまう。このため、一致度Ｅ０が大きい領域が支配的な血管においては、表示される流体情報Ｒ０の線幅を太くしてもよい。図１５は、一致度Ｅ０が大きい領域が支配的な血管において、表示される流体情報Ｒ０の線幅を太くした表示画面を示す図である。図１５に示すように、表示画面４２においては、腹部大動脈３５における大動脈瘤３６以外の部分において、表示される流体情報Ｒ０の線幅が太くなっている。

また、上記実施形態においては、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって被写体を撮影したＭＲＩ画像を３次元画像Ｇ０として取得し、３次元画像Ｇ０を用いて流体情報Ｒ０を導出しているが、これに限定されるものではない。ＣＴ装置において造影剤を用いて被写体を撮影した造影ＣＴ画像を３次元画像Ｇ０として取得し、解析部２１において、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）による血流解析を行うことにより、３次元画像Ｇ０の各ボクセル位置における流速ベクトルを流体情報Ｒ０として導出するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、血管内の各位置における流速ベクトルを流体情報Ｒ０として導出しているが、これに限定されるものではない。流速ベクトルの他、例えば壁面せん断応力（ＷＳＳ(Wall Shear Stress)）および渦度等を流体情報Ｒ０として用いてもよい。

また、上記実施形態においては、内部に流体が流れる構造物として血管を用いているがこれに限定されるものではない。例えば、脳脊髄液の流れを可視化することを考えた場合、内部に髄液が流れる構造物として、頭蓋内での脳室、とくにくも膜下腔を、脊柱管内では脊髄くも膜下腔を、内部に流体が流れる構造物として用いてもよい。また、内部にリンパ液が流れるリンパ管を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、人体を対象とした画像を対象としているが、これに限定されるものではない。例えば、配管内を流れる流体の流れを解析する際にも、本開示の技術を適用できることはもちろんである。

また、上記実施形態において、例えば、画像取得部２０、解析部２１、一致度導出部２２、サンプリング部２３および表示制御部２４といった各種の処理を実行する処理部（Processing Unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（Processor）を用いることができる。上記各種のプロセッサには、上述したように、ソフトウェア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device :PLD）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。

１つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせまたはＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。また、複数の処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。

複数の処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアントおよびサーバ等のコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアとの組み合わせで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip:SoC）等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。

さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路（Circuitry）を用いることができる。

１ 流体解析装置
２ ３次元画像撮影装置
３ 画像保管サーバ
４ ネットワーク
１１ ＣＰＵ
１２ メモリ
１３ ストレージ
１４ 通信Ｉ／Ｆ
１５ ディスプレイ
１６ 入力デバイス
２０ 画像取得部
２１ 解析部
２２ 一致度導出部
２３ サンプリング部
２４ 表示制御部
３０ 大動脈弓
３１ 腕頭動脈
３２ 左総頚動脈
３３ 左鎖骨下動脈
３５ 腹部大動脈
３６ 大動脈瘤
４０，４２ 表示画面
４１ 領域
５０ 血管
Ａ１～Ａ４、Ａ１１～Ａ１４ 領域
Ｃ０ 中心線
Ｄ０ 断面
ＬＵＴ１ テーブル
Ｍ マグニチュードデータ
Ｐｈｘ 位相データ
Ｐｈｙ 位相データ
Ｐｈｚ 位相データ
Ｐ０，Ｐ１－０，Ｐ２－０，Ｐ３－０ 初期基準位置
Ｐ１～Ｐ８，Ｐ１－１，Ｐ１－２，Ｐ２－１，Ｐ２－２，Ｐ２－３，Ｐ３－１，Ｐ３－２，Ｐ３－３ 基準位置
Ｔ１～Ｔ４ 注目画素位置

Claims (14)

1. 少なくとも１つのプロセッサを備え、
   前記プロセッサは、
   内部に流体が流れる管状構造物を含む被写体を撮影することによって取得された画像を解析することにより、前記管状構造物内の各画素位置における前記流体の流れに関する流体情報を導出し、
   前記画像に含まれる前記管状構造物内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における前記流体情報と、前記注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における前記流体情報との一致度を導出し、
   前記一致度に応じて、前記流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、 前記設定された第２のサンプリング間隔により前記流体情報をサンプリングしてディスプレイに表示するように構成される流体解析装置。
2. 前記プロセッサは、前記画像に含まれる前記管状構造物の中心線と交わる領域の大きさに応じて、前記第１のサンプリング間隔を設定するように構成される請求項１に記載の流体解析装置。
3. 前記プロセッサは、前記一致度が大きいほど大きい前記第２のサンプリング間隔を設定するように構成される請求項１または２に記載の流体解析装置。
4. 前記プロセッサは、前記一致度が予め定められたしきい値以上である場合、前記第２のサンプリング間隔を、前記第１のサンプリング間隔に設定するように構成される請求項３に記載の流体解析装置。
5. 前記プロセッサは、前記領域内における流体情報を代表する代表流体情報を前記ディスプレイに表示するように構成される請求項４に記載の流体解析装置。
6. 前記プロセッサは、前記一致度が予め定められたしきい値より小さい場合、前記画像に含まれる前記管状構造物の中心線と交わる領域の大きさに応じて、前記第２のサンプリング間隔を設定するように構成される請求項３から５のいずれか１項に記載の流体解析装置。
7. 前記プロセッサは、前記管状構造物の中心線と交わる方向において、前記第２のサンプリング間隔を設定するように構成される請求項６に記載の流体解析装置。
8. 前記プロセッサは、前記流体情報をベクトルとして表示するように構成される請求項１から７のいずれか１項に記載の流体解析装置。
9. 前記プロセッサは、前記ベクトルの幅を前記第２のサンプリング間隔が大きいほど太くするように構成される請求項８に記載の流体解析装置。
10. 前記画像は、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法によって前記被写体を撮影することにより取得された３次元画像であり、
    前記プロセッサは、前記３次元画像を解析することにより取得される前記流体の流速ベクトルを、前記流体情報として導出するように構成される請求項１から９のいずれか１項に記載の流体解析装置。
11. 前記プロセッサは、数値流体力学を用いた解析により前記流体の流れをシミュレーションすることにより取得される前記流体の流速ベクトルを、前記流体情報として導出するように構成される請求項１から９のいずれか１項に記載の流体解析装置。
12. 前記管状構造物が血管であり、前記流体が血液である請求項１から１１のいずれか１項に記載の流体解析装置。
13. 内部に流体が流れる管状構造物を含む被写体を撮影することによって取得された画像を解析することにより、前記管状構造物内の各画素位置における前記流体の流れに関する流体情報を導出し、
    前記画像に含まれる前記管状構造物内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における前記流体情報と、前記注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における前記流体情報との一致度を導出し、
    前記一致度に応じて、前記流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、 前記設定された第２のサンプリング間隔により前記流体情報をサンプリングしてディスプレイに表示する流体解析方法。
14. 内部に流体が流れる管状構造物を含む被写体を撮影することによって取得された画像を解析することにより、前記管状構造物内の各画素位置における前記流体の流れに関する流体情報を導出する手順と、
    前記画像に含まれる前記管状構造物内において、第１のサンプリング間隔にて設定された複数の注目画素位置における前記流体情報と、前記注目画素位置を基準とした予め定められた領域内の複数の画素位置における前記流体情報との一致度を導出する手順と、
    前記一致度に応じて、前記流体情報を表示する際の第２のサンプリング間隔を設定し、 前記設定された第２のサンプリング間隔により前記流体情報をサンプリングしてディスプレイに表示する手順とをコンピュータに実行させる流体解析プログラム。

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