JPS63125250A - Nmrデータの集約方法及び装置 - Google Patents

Nmrデータの集約方法及び装置

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JPS63125250A
JPS63125250A JP62264028A JP26402887A JPS63125250A JP S63125250 A JPS63125250 A JP S63125250A JP 62264028 A JP62264028 A JP 62264028A JP 26402887 A JP26402887 A JP 26402887A JP S63125250 A JPS63125250 A JP S63125250A
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    • G01R33/48NMR imaging systems
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    • G01R33/56Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
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    • G01R33/5673Gating or triggering based on a physiological signal other than an MR signal, e.g. ECG gating or motion monitoring using optical systems for monitoring the motion of a fiducial marker
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 (技術分野) 本発明は一般的に核磁気共振(nuclear mag
neticresonance  ; NMRと略称)
トモグラフィに関するものであり、とくに心臓位相・呼
吸位相面内のNMRk−スペース測定値の時間遡及クラ
スタリング(集約化)及び分析に関するものである。本
プロセスを行う装置(システム)及び方法により、心臓
血管の運動及び呼気運動の映像内のアーチファクト(誤
差陰影)を減少でき、映像を用いるかまたは用いずして
心臓構造及び機能の量子化特性判断ができる。
(背景技術) NMR分光分析(スペクトロスコピイ)、すなわち均−
磁界内の小サンプルの分析プロセス及び正確なパルス化
無線周波数励振による無線周波データを得る技術はブロ
ック及びパーセル(Block及びPurcell )
によって発明された。過去16年間にわたる研究中に、
分光分析(スペクトロスコピイ)によるNMR分析は、
物理化学の領域より生化学(バイオロジカルケミストリ
ー)及びバイオロジカル医学応用分野、すなわち健康組
織と病的組織を生化学的にサンプルする領域に移行して
きた。
ローチルバール(Lauterbur )及びダマディ
アン(Damad ian )及び他の人がそれぞれ別
個にNMR原理を用いて映像を形成することを発明して
いる。
“参考文献” アールΦダマディアン(RlDamadian)サイエ
ンス171. 1151.1971 ;ビー會シー・ロ
ーチルバール(P、C1Lauterbur)ネーチュ
ア242.190. ’1973  ;ピーψシーeロ
ーチルバール ピュア・アンド・アプライド・ケミストリー40、14
9.1974 これらによって得られた装置、すなわちNMR映像シス
テムは二次元及び三次元データを生じ、その内に表され
るグレースケールは複数のパラメータによる機能を表わ
す。これらのパラメータとは、例えば、とくに解剖学的
映像内の3つのパラメー夕、すなわち核密度にュークラ
イド密度)と、T、で表される縦方向リラクセーション
時間と、T2で表わされる横方向リラクセーション時間
を含むものである。
NMR映像技術は例えば“プロトンNMR)モグラフィ
”ビー・アール・ローヘル(P、R,Locher)著
フィリップス・テクニカル・レビューVol、 41゜
1983/84 Nα3.73−88頁に開示され発表
されており、その内容を本明細書中NMR映像技術の背
景技術とする。
生物組織のNMR生態(vivo)映像では生物組織の
移動によって、かなりの難しさがある。とくに心臓のN
MR映像は、心臓の鼓動によりとくに一層の困難さを生
ずる。心臓のNMR映像内のぼけ(blurring)
と移動によるアーチファクト(artifacts  
;誤差陰影)をなくすため、測定を患者のE、 C0G
、に同期させることが知られている。
これは例えば次の如き発表がある。
ホラセル(FO8Sel)他米国特許(口、S、 P、
 )4.409.550ホツセル(FO8Sel)他米
国特許(U、S、 P、 )4.413.233核磁気
共振(NMR)映像の非移動的特性と、骨格構造による
妨害の無いことより、この映像再現方法は心臓の映像化
に極めて好ましい技術である。しかし比較的に長い走査
時間を必要とすることから動きによるアーチファクトが
生ずる。心臓の鼓動サイクルに映像のシーケンスを同期
させることにより、このようなアーチファクトを大幅に
減少させ得る。
NMR法では、心臓の鼓動サイクルの任意の位相(フェ
ース)を映像化することが可能であるため、収縮期末よ
り拡張期末までの量的測定を可能にする。さらにある映
像のループにおける連続する位相の映像を表示すること
によって動作を評価することも可能である。心臓と大動
脈の解剖学的状況を表示するのに、非トリがまたは電気
カージオグラム(BCG))’Jガの両者によりNMR
映像を使用すること、及びその利点は良く知られている
。この技術において、心臓内の解剖上の細部が示される
他、NMR心臓映像法は、梗塞の検出と寸法(大きさ)
測定に重要な、組織の特性検査を可能にする。
速度(ベロシティ)映像を用いて、心臓壁の運動及び血
流速度がNMR映像法によって量子化される。
二次元フーリエ変換(2DFT)映像法を用いると、複
合2DFTによる時系列信号よりNMR映像を再構成(
リコンストラクション)できる。128 X128画素
(ピクセル)の映像マトリックスに対し、128の連続
映像シーケンスの信号が得られる。心臓の映像化には、
患者の6CGのR波により導出したパルスによってこれ
らの各シーケンスをトリガする。
このパルスの遅延時間により心臓鼓動サイクル内の映像
化位相が定まる。各シーケンスは、一連の無線周波数(
RF)及び磁界グレーディエンド(傾斜)パルスにより
それぞれ形成され、信号の識別と信号内の空間情報を提
供する。RF励振パルス(90゜パルス)の後に供給さ
れるグラディエンド磁界は、異なる周波数で励振スライ
スのブレセス(歳差運動前進)内の異なる位置のスピン
を与える。このようなスピンは共振周波数位相に対し位
相外れを開始させる。所定の位置に対して生ずる位相外
れは、グラディエンドの振幅とグラディエンドの加わっ
ている時間に比例する。さらにこれに加えて、固定スピ
ンと移動スピンの間に位相シフトの差が存する。グレー
ディエンドの方向内に均一に移動するスピンに対し、グ
レーディエンド方向の速度に正比例する特別項が加算さ
れる。
(発明の目的) 本発明は、従来より心臓トリガリング(カーブイアツク
トリガリング)及び呼吸ゲーティング(レスピラトリー
ゲーティング)に一般に使用されている心臓/呼吸モニ
タ装置よりのNMRデータを相関させる改良した方法と
システムを得ることを目的とする。
(従来技術) 従来もこの問題を解決するため多くの試みがなされてき
ていた。BCG R・波形の後に一定の遅延を設けてN
MRデータ収集を開始すると異常なR−R間隔を排除で
きる。典型的な既知の回路では、R・ピークの後にある
一定の固定した遅延を設けて各データ収集を開始させる
。多スライスによる研究では、データ収集は次のR・ピ
ークに接近して継続される。心臓が正常に規則正しく鼓
動している場合には、各測定瞬時は心臓サイクル内の同
じ位相に位置する。
しかしながら、不整脈が存する場合には、いくつかのデ
ータ収集に対し心臓位置のずれが生じ、これによってぼ
けと移動によるアーチファクトが生ずる。またこのよう
な不整脈は反復時間TRに変化を生じる結果をもたらし
易く、このためT、測定の正確度の低下と雑音レベルの
増加を由来し、また−次映像の全体的映像品質を低下さ
せる。これについては次の発表がある。
シー・ガロナト デー・ジェー・トロスト ニス・ニス・プラトー −、;−・yイtfンハークSMRMVol、2.19
85゜核医療分野においては、不整脈中、およびその直
後において、収集されたデータを排除(リジェクト)す
ることにより映像品質と正確さとが改善されることが良
く知られている。しかしながらこれ迄においては、この
ような方法のデータ収集を簡単かつ効果的に行うことは
困難であった。
呼吸サイクルのタイミングを用いたNMRk・スペース
サンプリングも既に利用されている。しかしながらこれ
らでは、異常な生理学的サイクルを排除(ディスカード
)したり、生理学的サイクルに連係したk・スペースサ
ンプルを行うと、実際上の異常性を見落とすこととなり
、NMR走査による診療の目的に対しては欠陥となって
いた。冠状動脈結滞のようなときはR−R間隔の変化に
よって、心臓サイクルの終わりにおいては、心臓トリガ
は有効性が少なくなり、心臓の前(プレ)・R・波形が
心臓収縮異常に対する検出の端緒となることがある。
従来考えられていたNMRデータ収集の解決手段は、ス
ライス、位相、トリガ、遅延、ウィンドウ(時間枠)、
データ排除、記録等を組合せた複雑なものであり、心臓
位相の不正確さ、解像時間の限定、スピン飽和の不均一
等の問題を生じていた。
(発明の要旨) 本発明はこれらの各難点を解決するためになされたもの
である。
本発明によるタイムクラスタ心臓・呼吸エンコータハ、
マイクロコンビ二一夕をベースとスル装置(システム)
であり、心臓(カーブイアツク;C)R・波時間、呼吸
(レスビラトリ;R)ダイヤフラム位置、及びNMRデ
ータ取得(アクイジション;A)タイミングデータを並
列に収集するもので、標準磁気共振イメジャー(映像器
)上に自走(フリーランニング)像として収集する。多
数の映像に等価の原データが収集された後、C−A−R
位相タイミング データをマイクロ コンピュータより
そのスキャナのミニコンピユータにアップロードし、こ
れらの原データを新規なデータセットとして使用できる
ように集約化(クラスタ)を行い、所望の各心臓・呼吸
(C−R)位相の組合せに1つの映像が等価となるよう
にする。量子化したC−R位相平面内のNMRプロフィ
ルの位置が、クラスター映像を決定し、これは例えば、
何れかの心臓位相と呼吸位相の組合せに属することとな
る。次でかくクラスタされたデータを記入(フィル)し
、かつふるい分け(フィルタ)して、非均一k・スペー
スサンプリングを補償し、最終的には一般の二次元(2
D)または三次元(30)フーリエ変換によって再構成
する。
2つの複式(マルチプル)プロフィル映像を得るため、
すなわち心臓のサイクルの2つの異なった位相における
心臓の状態を表示するため、本発明を使用すると、例え
ば心臓サイクルの最初の5分の1の周期期間を示すもの
では、この期間中のそれぞれのR−R間隔にわたって求
めたすべてのプロフィルよりのタイム・クラスタ映像を
得、また心臓サイクルの第4番目の5分の1周期期間を
示すものではこの第45分の1周期期間中の対応のR−
R間隔中に求めたプロフィルによる心臓サイクルのタイ
ム・クラスタ映像を得ることができる。
本発明の装置(システム)は任意のNMR装置と組合せ
て構成でき、かつ任意のパルスシーケンスで使用できる
。本装置は、従来の心臓トリガ及び呼吸ゲートに共通に
使用されている標準の心臓/呼吸モニタ装置より容易に
得られる出力信号を必要とするのみで、またこれに伴っ
てスキャナよりのタイミング信号と異なるパルスシーケ
ンスに適合するようにソフトウェアのパラメータを変化
させることを必要とするのみである。
本発明は心臓位相・呼吸位相面におけるNMRk・スペ
ース測定プロフィルの時間遡及ならびに集約(クラスタ
リング)を行う簡単かつフレキシブルなシステムを提供
しようとするもので、とくに次の点を考慮しているもの
である。
1) 心筋及び呼吸フロー/運動映像アーチファクトの
減少、 2) 映像化を行うか、行わないかの双方に対し、心臓
の構造/機能の量子化特性づけ。
(実施例) 本発明は心臓位相、呼吸位相平面内のNMRk・スペー
ス測定プロフィルの時間遡及(レトロスペクティブ)集
約化(クラスタ)に対するエンコーダ方法及び装置に関
するものであり、この方法と装置とは次の如くの機能を
行う。
1) 心筋及び呼吸フロー運動の映像アーチファクトを
減少させること、及び 2) 映像を映写するか、或いは映写を行わずして心臓
の構造/機能の量子化特性測定を行うこと。
第1図は本発明によるタイムクラスタ心臓、呼吸(カー
ディオレスピラトリー)エンコーダ(TCCRB )の
全体図を示し、第2図はこれに使用するハードウェアで
あり、第3図はこのエンコーダ及びその機能的使用方法
の説明図である。これら各図面において心II(カーデ
ィアク(C))時間、呼吸(レスピラト’J−(R))
時間、またはダイアフラム位置、及びNMRデータ収集
(アクイジション(A))サイクルマーカデータをマイ
クロコンピュータ(1)によって収集し、これと並列に
標準磁気共振映像器(2)用にフリーランニングの特に
安定状態とするを可とする映像収集を行う。複数の映像
に対応する原データを収集した後、C−A−R位相マー
カデータをマイクロコンピュータ(1)よりNMRスキ
ャナーのミニコンピユータ(3)ニ。
−ドし、映像の原データのC−R平面クラスタに使用す
る。量子化したC−R位相平面内のNMRプロフィルの
位置を決定し、次いで新しいデータのセットとしてクラ
スタを行う。この1つの映像はそれぞれ各々の所望のC
−R位相組合せに等価なものである。次いでこれらの原
データを記入し、またふるい分け(フィルタ)を加え、
均一でないk・スペースサンプリングに対する補償を行
い、最終的に再構成を行う。
第1図及び第3図に示した本発明の方法は次の如くであ
る。
(1)フリーランニングの、また可能な場合は速度符号
化パルスシーケンスよりNMR7’ロフイルを収集し、
同時にディジタル化εCG信号を収集する。
P(k  x、  k  y、  k  z、  t)
BCG (t)→BCG−j(t) ;心臓サイクルの
j分の1、(2)直列核医療データに使用すると同じよ
うな技術を用い、利用可能な信号対雑音に適当な量子化
された心臓サイクル時間枠(ビン)を検索する。
即ち、プロフィルの時間を使用し、これより前位のR・
波の時間をマイナスし、これらを後続するR・波時間で
割り、さらに前位のR・波時間をマイナスし、プロフィ
ルを設けるべき時間枠を決定する。呼吸サイクル内のプ
ロフィル位置は同様にして次で定まる。
P  i(k  x、k  y、k  z、  t);
心臓サイクルの1分の1の位相 ti−1<t<ti これらのデータは(速度)映像のセットを形成し、これ
らデータの1つは移動している心臓組織に対し選択した
それぞれの心臓サイクル位相の時間枠に対応するが、こ
のセットの核映像はk・スペースを不完全にカバーし、
また少し異なるようにこれを表わす。
(3)  周波数スペースを保ちながら、データをパラ
メータ付のダイナミックな心臓モデルにフィツトさせる
(4)ディスクリートな、均一でないフーリエ変換を用
い、非均一なk・スペースカバーを克服するため、この
データを記入(充填)し、ふるい分けし、変換する。
(5)所望に応じ、心臓のダイナミックシュミレーショ
ン(D)をそのパラメータと共に集積グラフィックワー
クステーション(図表表示装置) (W)にディスプレ
イ (表示)を行う。
(6)所望に応じ、新規の再構成データを用い、ダイナ
ミック心臓モデルをアップディトする。
TCCRB映像はより少ないフロー/モーションアーテ
ィファクトを示し、より良好な心臓の表示を示す。これ
は、比較位相トリガ映像に比べて良好であり、特に冠状
動脈閉塞が生じている箇所の心臓サイクルの限界的(ク
リティカル)な後側の部分においてこれが顕著である。
第1図及び第3図に示す如< 、TCCRBはディジタ
ル化した心臓R・波信号と、アナログまたはディジタル
呼吸入力及びNMRデータ収集時間データをそれぞれ並
列に受信する。
第3図に示すように、このTCCRE  (タイムクラ
スタートカーディオレスビラトリーエンコーダ)は1つ
の走査中に収集できるか、または1つの観測期間で集め
られる全てのltMR及び生理学的(フィジオロジカル
(PD))データ、(例えば心臓εCG及び呼吸信号等
)を数学的心臓構造/機能モデル(M)並びに同じ患者
の心臓の以前に調べたタイムクラスタート心臓、呼吸エ
ンコーダスキャン”を用いて集約化(インチグレート)
する。この結果は映像化を行うか、或いは行わない双方
に対し、可能な限り完全な心臓の特性化したものとなる
全てのデータは可能な限り急速に、かつ均一となるよう
にこれらを収集し、磁界不均一の修正とデータの修正を
容易に行わせるためのスピン飽和及び渦流の平衡化を生
じさせる。この集約化されたデータは、映像品質を改良
するために利用でき、また所望の構造/機能バラメーク
を計算するために利用できる。このシステムの出力は、
心臓のダイナミック三次元シュミレーション(D)、或
いは最大の可能性をもってフィツトされた心臓構造機°
能(CF)特性化パラメータ(P)または映像(IM)
であり、これらは呼吸フロー運動アーチファクトを減少
させ、改良したものである。
第1図及び第3図にふいて使用したNMR及び生理学的
タイミング信号(PD)はNMRパルスプログラマタイ
ミング信号(A)、心臓ECG R・波(C)及びアナ
ログダイアフラム位置呼吸信号(R)である。
これらの全ての信号は測定中の全ての時間においてマイ
クロプロセッサ(1)によって収集される。
これらのデータはミニコンピユータ(3)に移され、こ
のミニコンピユータ内でソフトウェアにより量子化した
心臓及び呼吸サイクルの基準フレーム、即ちC−R平面
内にNMRK・スペースプロフィルデータをクラスタす
る。必要に応じ、再構成前または再構成中に数学的モデ
ル(M)をこのデータに適応させることができ、このモ
デル(M)は予め存在しているデータにより変形するこ
とができる。
このようにプロセスを加えたデータは映像(IM)に再
構成でき、これをディスプレイ表示しうるか、この構造
/機能パラメータ(P)は脈動している心臓のシュミレ
ーションを駆動するに使用することができる。これらを
第1図及び第3図に図表的に示しである。
このシステムは連続的に集められたNMRデータとEC
G R・波信号とディジタル化した呼吸信号を映像品質
改良の目的によりノルマル化(量子化)したC−R平面
内に時間遡及的クラスタを行うために使用できる。
第4A図に示した図表は2つの64プロフイル映像の収
集を示すものであり、心臓のサイクルの2つの異なる位
相を示し、呼吸クラスタリングを伴っていないものを示
している。この図表を参照するとTCCRBによりクラ
スタされた映像Aはサイクルの最初の5分の1の期間に
対応し、これらはプロフィル;a2. a7. ・・・
、e58により形成されるものである。TCCRBクラ
スタ映像Bはサイクルの4番目の5分の1に対応し、プ
ロフィルa5. a9. e63及びe64により形成
される。短いR2−R3間隔及び長いR64−R65間
隔は種々の心臓サイクル内で固定トリガによる遅延によ
る問題を示すものであり、プロフィルB2は、R−Rの
間隔終わりよりくるものであり、またプロフィル864
はその中央部よりくるものである。
呼吸のクラスタリングが望まれる場合には、各信号クラ
スタを同様にブレークダウンして量子化した呼吸サイク
ル軸に沿って細かいクラスタ表示とする。例えば第4B
図に示すような4×3心臓呼吸クラスタとする。
本発明方法を行うための装置を第2図に示しである。第
2図の装置(システム)は次の如き構成部分を有してい
る。
M68020単一ボードコンピュータ(VMEブス/電
力供給ラック搭載ケース内); 4−8チヤネルA[)Cカード(ADC)  ;8チヤ
ネル光学的に分離されたディジタルI10カード(Il
o); 調整可能なラッチングを設けたディジタル化した入力ラ
ッチボー/ クス(LATCHBOX) ;ディジタル
 エクイップメント コーポレーション製 VAX/1
1/750(3)  ’/ 7 トウ! 7ヘースー 
7レイプロセツサ付; 映像再構成用フィリップス フレキシブル レコンスト
ラクション パッケージ(FLEXIRIliC)  
;M68020ベースグラフィック ワークステーショ
ン(W)  (3−D分析及び表示ソフトウェア付)。
【図面の簡単な説明】
第1図は、心臓診察システム内に設けた本発明によるタ
イムクラスタ心臓一呼吸エンコーダを示す機能的ブロッ
ク図、 第2図は、NMR心臓診断システム内の本発明によるタ
イムクラスタ心臓一呼吸エンコーダのハードウェアブロ
ック図、 第3図は、本発明によるタイムクラスタ心臓一呼吸エン
コーダの使用する方法ステップの機能的ブロック図、 第4A図は、タイムクラスタ映像と心臓トリガ映像の関
係を示すプロット、 第4B図は、平常な心臓及び呼吸サイクル平面内の2次
元的クラスタアレイを示す図である。 ■・・・マイクロコンピュータ 2・・・核磁気共振イメージヤ− 3・・・ミニコンピユータ 4・・・アレイプロセッサ ム− Φ ムー

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、心臓及び呼吸サイクルのNMRデータの集約(遡及
    タイム・クラスタ)装置において、 エレクロカーデイオグラム(BCG)装置よりの心臓R
    ・波データ、呼吸ダイヤフラム位置データ、NMRゲー
    タ取得タイミングデータを含み、かつこれらに付随する
    フリーランニングの、安定状態を可とするN−Rイメー
    ジャーより収集映像データを受信し、互に関連させるデ
    ータ収集工程を行うデータ収集・プロセス手段と、 前記の収集データを新しいデータセットに 集約(クラスタ)し、各心臓・呼吸位相平面領域に等価
    である1つの映像と、量子化したC−R位相平面内のN
    MRプロフィルの位置をこれらが存するクラスタ映像心
    臓位相・呼吸位相によって決定し、かつ既知の心臓位相
    、無制約時間分析及びスピン飽和に対するデータを形成
    する計算手段と、 前記収集データを非均一k・スペースサン プリングを行うための記入及びふるい分けを行う手段と
    、 二次元(20)または三次元(30)フーリエ変換技術
    により前記データを再構成する手段とを具えてなること
    を特徴とするNMRデータの集約装置。 2、数学的構造/機能モデルを蓄積する手段と、前記集
    約(タイム・クラスタ)NMRデータを前記数学的構造
    /機能モデルと共にプロセスし、ただし依然として周波
    数スペース内で心臓機能のダイナミックシュミレーショ
    ンまたは再構成映像を改善するためのパラメータを形成
    する手段をさらに含むことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の装置。 3、前記再構成データにもとづいて、数学的構造/機能
    モデルをアップデート(更新)する特許請求の範囲第2
    項記載の装置。 4、前記装置に接続され、前記再構成データに基づく映
    像をディスプレイ表示する図表ワークステーションを含
    む第1項、第2項または第3項に記載の装置。 5、静止状態を可とするフリーランニング符号化パルス
     シーケンス(列)よりNMRプロフィルを収集する工
    程と、 同時にディジタル化データ信号を収集する 工程と、 前記信号プロフィルを量子化した心臓サイ クル時間枠内に分類(ソート)し、信号対雑音係数を補
    償する工程と、 運動している心臓組織に対し選択した各心 臓サイクル時間枠に1つづつの映像の新しいセットを形
    成し、前記セットの各映像がk・スペースを不完全かつ
    僅か異なった態様でカバーする如くする工程と、 前記データの記入とふるい分けを行う工程 と、 ディスクリートな不均一フーリエ変換を用 いて、前記不均一k・スペースカバーを打消す工程とを
    含んでなることを特徴とする心臓位相・呼吸位相内のN
    MRk・スペースプロフィルを集約(時間遡及クラスタ
    )する方法。 6、多くのパラメータを有するダイナミック心臓モデル
    を選択する工程と、 前記変換データを該ダイナミック心臓モデ ルに適合させて、再生映像を改良するか、あるいは心臓
    のダイナミックシュミレーションを得る工程を含んでな
    る特許請求の範囲第5項記載の方法。 7、前記変換再構成データを用いて、前記ダイナミック
    心臓モデルをアップデートする特許請求の範囲第6項記
    載の方法。 8、前記変換再構成データを用いて、心臓のダイナミッ
    ク三次元シュミレーションを表示する特許請求の範囲第
    5、6または7項記載の方法。
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