JP7319192B2 - 光学画像から導出される心臓運動信号 - Google Patents
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Description
- 振幅:心臓によって誘発される動きの振幅は、少なくとも1桁又は2桁小さい。したがって、高解像度光学イメージング(レンズ、センサ、光)は、そのタイプの動きを捕捉するのに有用である可能性があり得、追跡アルゴリズムも、短い期間のごくわずかな動き(典型的にはピクセル単位未満)に対して感受性である可能性がある。
- 周波数:心臓によって誘発される動きの周波数は約60~100心拍毎分であり、一方で、呼吸は10~20サイクル毎分である。したがって、時間分解能のより高い光学カメラが、波形を捕捉するために必要とされる。10フレーム毎秒以上のレートにおいて測定することが、胸部において呼吸と心臓運動との間で区別するために有用である。
- 標的身体部分の動きを検出することができるように位置決めされた光学イメージングシステム(ビデオカメラ)。赤外線(IR)スペクトルをイメージングすることができる光学イメージングシステム(IR光源及びIRセンサ)が有利であるが、必須ではない。RFコイル又はMRIの表面コイルのような、例えば、胸郭上に配置された物体の動きを代理として使用することもできる。
- 光路(物体とカメラとの間の距離、光学ズーム、センサ分解能、光条件)は、例えば、10又はさらには可能であれば20フレーム毎秒以上の速度で0.1mm以上の運動振幅を検出及び追跡することができるように、設計することができる。
- 以下の特性のうちの1つ又は複数を有する、ビデオストリームから心臓運動信号を抽出する処理アルゴリズム。
- 身体表面運動の優勢な(例えば、前後方向の)成分が抽出される。
- 心臓活動に起因しない運動は、低帯域周波数カットフィルタのようなフィルタリング技法を使用して、又は、そろった運動と呼吸運動とを並列に測定し、得られた信号を合成することによって、抑制される。
- スキャン取得をトリガ又は同期させるための抽出された心臓波形の特定の形状に起因して各心周期の始まりを検出するトリガリング処理アルゴリズム。
例は、以下の利点のうちの1つ又は複数を有する。
- ワークフロー改善、センサを患者上に配置する必要がない。ECGとは逆に、専用の技術/医療専門知識は必要ない。
- ロバストな信号取得、
- 心電図(ECG)信号は、MRI環境、特に3Tにおいては大きく損なわれることが非常に多く、これらの事例においては完全に無用になる。
- フォトプレチスモグラム(PPG)信号の品質(SNR)は患者に大きく依存し、例えば取り付け位置におけるデバイスの持続する圧力の結果として、末端循環が低減すると、経時的に消滅する可能性がある。これは、デバイスの動きにも非常に感受性が高い。
・ 本当の心収縮に対する遅延がPPGよりも短く、患者依存性が低い。
多くの医療イメージング用途について、特に心臓スキャンについて、例えば、同期又はトリガのために、心臓活動のモニタリングが必要である。
心臓運動は、心臓電気活性を記録するために患者の胸郭上に配置される電極を使用するECGセンサによって測定されることが多い。
MR用途におけるECGセンサに対する既知の代替技法は、フィンガクリップを使用して心拍動をモニタリングするPPGセンサである。
- ハードウェア信頼性、コスト、デバイスの誤った位置決め、ワークフローの阻害などに起因するエラー又は不正確性のような、通常の生理学的センサの使用と関連付けられる既知の問題。
- ECG信号は、MRI環境、特に3Tにおいては大きく損なわれることが非常に多く、これらの事例においては完全に無用になる。
- PPG信号の品質(SNR)は患者に大きく依存し、例えば取り付け位置におけるデバイスの持続する圧力の結果として、末端循環が低減すると、経時的に消滅する可能性がある。これは、デバイスの動きにも非常に感受性が高い。
- PPGにおいては本当の心収縮に対する遅延が患者に依存し、相対的に長く(数百ms程度)、MRシーケンスの不正確なトリガをもたらす可能性がある。
- ビデオカメラに基づく他の心臓パルスモニタリング手法とは対照的に、皮膚の位置をイメージングする必要がある。
- 胸郭又は咽喉のような他の表面の動きを検出することができるように位置決めされているビデオカメラ。IRスペクトル(IR光源及びIRセンサ)が有利であるが、必須ではない。
- 光路(物体とカメラとの間の距離、光学ズーム、センサ分解能、光条件)は、例えば20フレーム毎秒以上の速度で0.1mm以上の運動振幅を検出及び追跡するように、設計される。
- 以下の特性を有する、ビデオストリームから心臓運動信号を抽出する処理アルゴリズム。
〇 身体表面運動の優勢な(例えば、前後方向の)成分のみが抽出される。
〇 心臓活動に起因しない運動は、低帯域周波数カットフィルタのようなフィルタリング技法を使用して、又は、そろった運動と呼吸運動とを並列に測定し、得られた信号を合成することによって、抑制される。
・ 心臓波形の特定の形状に起因して各心周期の始まりを検出するトリガリング処理アルゴリズム。
101 医療イメージングシステム
102 対象者
104 対象者支持体
106 光学イメージングシステム
108 対象者
110 心臓運動によって引き起こされる動き
112 動きの画像
114 レンズまでの距離
200 医療機器
202 壁
300 医療機器
302 反射面
400 光学イメージングシステムを使用して一連の画像を取得する
402 一連の画像から心臓運動信号を導出する
500 医療機器
502 磁気共鳴イメージングシステム
504 磁石
506 磁石の孔
508 イメージングゾーン
509 関心領域
510 磁場勾配コイル
512 磁場勾配コイル電源
514 無線周波数コイル
516 送受信機
518 対象者
520 対象者支持体
526 コンピュータシステム
528 ハードウェアインタフェース
530 プロセッサ
532 ユーザインタフェース
534 コンピュータメモリ
540 機械実行可能命令
542 パルスシーケンスコマンド
544 一連の画像
546 心臓運動信号
548 磁気共鳴データ
550 磁気共鳴画像
600 ECG信号
602 PPG信号
Claims (15)
- 医療装置であって、前記医療装置は、
対象者の心臓運動を表す一連の光学画像を取得する光学イメージングシステムと、
機械実行可能命令を記憶するためのメモリと、
前記医療装置を制御するためのプロセッサと
を備え、
前記機械実行可能命令を実行することによって、前記プロセッサは、
前記光学イメージングシステムを使用して一連の画像を取得することであって、前記一連の画像は、少なくとも10フレーム毎秒のレートで取得される、取得することと、
前記一連の画像から心臓運動信号を導出することであって、前記心臓運動信号は、前記一連の画像内で少なくともピクセルグループの動きを追跡することによって導出され、前記ピクセルグループの動きを追跡することは、前記一連の画像から、前記対象者の身体表面運動の前後方向の成分のみを抽出することによって実行される、導出することと
を繰り返し行う、医療装置。 - 前記機械実行可能命令を実行することによって、前記プロセッサはさらに、前記心臓運動信号を使用して医療イメージングシステムによる医療画像データの取得を修正し、前記医療イメージングシステムは、イメージングゾーン内の対象者から前記医療画像データを取得する、請求項1に記載の医療装置。
- 前記医療イメージングシステムは、磁気共鳴イメージングシステムであり、前記メモリは、磁気共鳴イメージングプロトコルに従って磁気共鳴データを取得するように前記磁気共鳴イメージングシステムを制御するためのパルスシーケンスコマンドをさらに含む、請求項2に記載の医療装置。
- 前記磁気共鳴イメージングプロトコルは、動脈スピン標識磁気共鳴イメージングプロトコル、拡散画像磁気共鳴イメージングプロトコル、かん流画像磁気共鳴イメージングプロトコル、スピンエコー磁気共鳴イメージングプロトコル、高速スピンエコー磁気共鳴イメージングプロトコル、勾配エコー磁気共鳴イメージングプロトコル、エコープラナー磁気共鳴イメージングプロトコル、及び、定常自由歳差運動磁気共鳴イメージングプロトコルのうちのいずれか1つである、請求項3に記載の医療装置。
- 前記医療イメージングシステムは、X線マシン、CTマシン、PETマシン、SPECT、デジタルX線マシン、又は超音波マシンである、請求項2に記載の医療装置。
- 前記同期取得は、前記心臓運動信号の閾値、前記心臓運動信号の導関数、及び前記の組み合わせのうちのいずれか1つに従ってトリガされる、請求項2から5のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記光学イメージングシステムは、対象者の表面上に配置されている反射面をイメージングする、請求項1から6のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記光学イメージングシステムは、前記対象者の表面上に配置され、物体表面上のパターン又は線をイメージングする、請求項1から7のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記一連の画像は、少なくとも15フレーム毎秒のレートで取得される、少なくとも20フレーム毎秒のレートで取得される、及び、少なくとも25フレーム毎秒のレートで取得される、のうちのいずれか1つである、請求項1から8のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記光学イメージングシステムは、mの等価拡大係数を有するレンズシステムを備え、前記光学イメージングシステムは、rのピクセルサイズを有する光学センサアレイをさらに備え、前記レンズシステム及び前記光学センサアレイの相当焦点面の間の距離はsであり、前記光学イメージングシステムは、Lの距離において合焦され、(r・L)/(s・m)は、2mm、1mm、及び0.5mmのうちの任意の1つよりも小さい、請求項1から9のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記医療装置はディスプレイをさらに備え、前記機械実行可能命令を実行することによって、前記プロセッサはさらに、前記心臓運動信号から導出される心拍数及び/又は前記心臓運動信号を前記ディスプレイ上に表示するようにされる、請求項1から10のいずれか一項に記載の医療装置。
- 前記心臓運動信号は、前記一連の画像内の少なくともピクセルグループの動きを二次元的に追跡することによって導出される、請求項1から11のいずれか一項に記載の医療装置。
- 医療装置の作動方法であって、前記医療装置は、対象者の心臓運動を表す一連の光学画像を取得する光学イメージングシステムを備え、前記作動方法は、
前記光学イメージングシステムが一連の画像を取得するステップであって、前記一連の画像は、少なくとも10フレーム毎秒のレートで取得される、取得するステップと、
前記一連の画像から心臓運動信号を導出するステップであって、前記心臓運動信号は、前記一連の画像内で少なくともピクセルグループの動きを追跡することによって導出され、前記ピクセルグループの動きを追跡することは、前記一連の画像から、前記対象者の身体表面運動の前後方向の成分のみを抽出することによって実行される、導出するステップと
の繰り返しを有する、医療装置の作動方法。 - 前記作動方法は、前記光学イメージングシステムを前記対象者の表面上に合焦させるステップをさらに有し、前記表面は、頸動脈の上方の表面、前記対象者の胸郭上の表面、及び前記対象者の心臓の上方の表面のうちのいずれか1つである、請求項13に記載の医療装置の作動方法。
- 医療装置を制御するプロセッサによって実行するための機械実行可能命令を含むコンピュータプログラムであって、前記医療装置は、対象者の心臓運動を表す一連の光学画像を取得する光学イメージングシステムを備え、前記機械実行可能命令を実行することによって、前記プロセッサは、
前記光学イメージングシステムを使用して一連の画像を取得することであって、前記一連の画像は、少なくとも10フレーム毎秒のレートで取得される、取得することと、
前記一連の画像から心臓運動信号を導出することであって、前記心臓運動信号は、前記一連の画像内で少なくともピクセルグループの動きを追跡することによって導出され、前記ピクセルグループの動きを追跡することは、前記一連の画像から、前記対象者の身体表面運動の前後方向の成分のみを抽出することによって実行される、導出することと
を繰り返し行う、コンピュータプログラム。
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