JPWO2019058658A1 - 流体解析装置および流体解析装置の作動方法並びに流体解析プログラム - Google Patents
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Abstract
本発明は、血管のような流体の流れの傾向が把握し易くするような表示を行う流体解析装置および流体解析装置の作動方法並びに流体解析プログラムを提供する。解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報を各ボクセルが有する３次元ボリュームデータを用いて、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与し、解剖学的構造物内の１点から３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択することにより流体の流れ表す軌跡を視認可能に描画する。
Description
本発明は、解剖学的構造物内の流体の流速を表示する流体解析装置および流体解析装置の作動方法並びに流体解析プログラムに関する。
近年、血液の流れを診断または治療に役立てようとする研究などが多数報告され、実際の血流を４次元的に測定する４Ｄ Ｆｌｏｗ技術、または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により把握する方法などが用いられるようになってきた。
このような医用画像を用いた血流解析の手法を用いれば、例えば、超音波、または、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ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）画像を用いて、３次元または２次元平面上において、各ボクセル、各ピクセル、または領域毎に流速ベクトルを表示することが可能である。また、造影剤を投与して撮影したＣＴ画像またはＭＲＩ画像から血管モデルを生成し、その血管モデルに基づいて、ＣＦＤを行って流速ベクトルを求める手法も提案されている。
また、患者の心疾患の診断をするために、血液の流れを確認できるようにすることが望まれている。画像診断の初期、カンファレンスまたは学会発表時、または、患者説明時などにおいて血液の流れの全体像をわかりやすく簡便に示すことが有用であり、様々な表示手法が検討されている。さらに、流れを３次元的に描画する手法として、流線、流跡線、および流脈線表示が広く使われている。
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、血管内の各点の２次元速度ベクトルを計算し、各点の２次元速度ベクトルに基づいて、血流の流れの経路（例えば、流線）を推定する手法が記載されている。また、特許文献２では、速度ベクトルの分布に基づいて血流の流れを示す流線を形成する際に、流速ベクトルの逆方向に血流の流れを逆追跡して開始点を探索し、開始点から伸長された流線を形成する手法が記載されている。特許文献３には、ボリュームデータから推定された流速ベクトル場に基づいて流跡線を推定する際に、造影剤の濃度に基づいて臓器内の体液の流量に関係する流跡線を出力する手法が記載されている。
従来、図１２に示すように、３次元投影画像上において血管を流れる血液の流れを示すベクトルまたは流線を表示する方法が広く用いられている。しかし、血管が重なりあって存在している場合には血管壁を越えて、実際とは異なる流れが表示されてしまう（破線で囲まれている箇所Ｐを参照）。
そこで、本発明では、上述のような問題を解決するために、血液のような流体の流れの傾向を把握し易くするような表示を行う流体解析装置および流体解析装置の作動方法並びに流体解析プログラムを提供することを目的とする。
本発明の流体解析装置は、内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与する付与部と、解剖学的構造物内の１点から３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択することにより流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する描画部とを備える。
本発明の流体解析装置の作動方法は、付与部と描画部を備えた流体解析装置の作動方法であって、付与部が、内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与し、描画部が、解剖学的構造物内の１点から３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択することにより流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する。
本発明の流体解析プログラムは、コンピュータを、内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与する付与部と、解剖学的構造物内の１点から３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択することにより流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する描画部として機能させる。
「解剖学的構造物」とは、組織または臓器などの体を構成する構造物をいう。
また、「３次元ボリュームデータ」は、３次元空間を細かく区切ったボクセルにより構成され、各ボクセルの位置に存在する液体の流速、あるいは、臓器または組織などを放射線または磁気が透過した透過量などに応じた物理量を表わすデータにより構成される。例えば、具体的には、各ボクセルに、血液などの流体の流速の値、臓器または組織に応じた濃度値などのデータを有している。また、濃度値は、血管のような組織に含まれる血液などの流体の濃度値も含んでいる。また、「３次元流速ベクトル」は、各ボクセルの流速の値から取得してもよいし、組織に応じた濃度値の移動量から取得してもよい。
「経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報」とは、経路に沿った位置のボクセルの順番がわかる情報であって、例えば、経路に沿った各ボクセルに割り振った連続する番号であってもよい。「経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択する」とは、経路に沿って経路位置情報が単調に増加（または減少）するボクセルを選択し、各ボクセルの３次元流速ベクトルを取得することをいう。経路位置情報が順に並ぶようにボクセルを選択するには、選択したボクセルが連続した番号でなくとも、経路上の２点間の経路に沿った距離が所定の距離以上に離れた位置のボクセルではなく、かつ、ボクセルを経路に沿って追跡する際に単調に増加（または減少）する経路位置情報を有したボクセルを選択するようにすればよい。また、経路位置情報は、経路の分岐点または合流点ではその前後関係を表す情報に基づいて経路に沿った位置がわかる情報である。
「流体の流れ表す軌跡を視認可能に描画」とは、流体の流れを表す軌跡が認識可能であればよく、線により軌跡を表したものであっても、流体を構成する各粒子を描画することにより粒子が移動する様子を認識可能なものであってもよい。
また、付与部が、解剖学的構造物の中心線を抽出して中心線に沿って経路位置情報を付与し、解剖学的構造物の中心線に垂直な断面内の各位置に中心線に付与された経路位置情報と同じ情報を付与してもよい。
また、付与部が、解剖学的構造物内の３次元流速ベクトルの位置に最も近い解剖学的構造物の中心線に沿って付与された経路位置情報と同じ経路位置情報を付与してもよい。
また、描画部は、解剖学的構造物の形態を投影面に投影した形態画像上に、軌跡を視認可能に描画するようにしてもよい。
また、付与部が、解剖学的構造物が分岐または合流する接続部の前後において、分岐前の経路と分岐後の複数の経路の接続関係、または、合流前の複数の経路と合流後の経路の接続関係を表す相対位置情報を付与するようにして、描画部が、経路位置情報および相対位置情報に基づいて軌跡を視認可能に描画するようにしてもよい。
また、３次元流速ベクトルは、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次元ボリュームデータから得られてもよい。
また、解剖学的構造物が血管であり、かつ、流体が血液である場合に、３次元流速ベクトルは、血液の流速ベクトルであってもよい。
また、３次元流速ベクトルは、血流解析シミュレーションの結果により得られてもよい。
また、流体が髄液であって、３次元流速ベクトルは、髄液の流速ベクトルであってもよい。
また、軌跡は、流線、流跡線、または、流脈線であってもよい。
また、軌跡は、粒子追跡法により描画されてもよい。
本発明の他の流体解析装置は、コンピュータに実行させるための命令を記憶するメモリと、記憶された命令を実行するよう構成されたプロセッサとを備え、プロセッサは、内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与し、解剖学的構造物内の１点から３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択する処理を実行する。
本発明によれば、解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報を各ボクセルが有する３次元ボリュームデータを用いて、解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を解剖学的構造物の内部の各位置に付与し、解剖学的構造物内の１点から経路位置情報が順に並ぶように３次元流速ベクトルを選択することにより流体の流れ表す軌跡を視認可能に描画する。これにより、解剖学的構造物の経路が交差している場合でも構造物の経路に沿わない流れを表示することがなくなるため、迅速かつ直感的に流れの傾向を３次元的に把握することが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態の流体解析装置１を備えた医療情報システムについて説明する。図１は、本実施形態の医療情報システムの概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の医療情報システムは、具体的には、図１に示すように、流体解析装置１、医用画像保管サーバ２、および、撮影装置３（以下、モダリティという）がネットワーク４を介して互いに通信可能な状態で接続されて構成されている。
モダリティ３は、たとえばＣＴ（Computed Tomography）装置、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置および超音波撮影装置などであり、撮影された３次元ボリュームデータは、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and COmmunications in Medicine）規格に準拠した格納フォーマットおよび通信規格に従って、ネットワーク４を介して医用画像保管サーバ２に送信されて保管される。
流体解析装置１は、汎用のコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ（主記憶装置）、ストレージ（補助記憶装置）、入出力インターフェース、通信インターフェース、入力装置、表示装置、および、データバスなどの周知のハードウェア構成を備え、周知のオペレーションシステムなどがインストールされている。また、表示装置として液晶ディスプレイなどを有し、入力装置としてキーボードおよび／またはマウスなどのポインティングデバイスを有している。ストレージは、ハードディスクまたはＳＳＤ(Solid State Drive)などにより構成される。なお、必要に応じてコンピュータにＧＰＵ（Graphics Processing Unit）を設けるようにしてもよい。このコンピュータに、本実施形態の流体解析プログラムをインストールし、このコンピュータが流体解析プログラムを実行することにより流体解析装置１として機能する。また、流体解析装置１は、医用画像保管サーバ２に対する画像の送信要求、医用画像保管サーバ２から画像の受信を行う機能を備え、各機能のためのソフトウェアプログラムを実行することにより行われる。
流体解析プログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）およびＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）など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。または、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対して、外部からアクセス可能な状態で記憶され、外部からの要求に応じてコンピュータにダウンロードされた後に、インストールされるようにしてもよい。
流体解析装置１は、図２に示すように画像取得部１０、構造物抽出部１１、付与部１２、描画部１３、および形態画像生成部１５を備える。
画像取得部１０は、予め撮影された患者の３次元ボリュームデータ６を取得する。３次元ボリュームデータ６は、本実施形態においては、ＣＴ装置、ＭＲＩ装置または超音波撮影装置などによって撮影されたデータである。
３次元ボリュームデータ６は、医用画像保管サーバ２に患者の識別情報とともに予め保管されており、画像取得部１０は、キーボードなどの入力装置を用いてユーザによって入力された患者の識別情報に基づいて、その識別情報を有する１種類以上の３次元ボリュームデータ６を医用画像保管サーバ２から読み出してストレージ（不図示）に記憶する。また、３次元ボリュームデータ６は、ＣＴ画像、造影ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、造影ＭＲＩ画像、および３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法（3D cine PC MRI）によって撮影されたボリュームデータなどであり、本実施形態では、同じ患者の同じ部位を撮影した複数種類の３次元ボリュームデータをストレージに記憶する場合について説明する。
構造物抽出部１１は、３次元ボリュームデータ６から解剖学的構造物を抽出する。内部に流体が流れる構造物には、血管のような管状構造物がある。以下、本実施形態では、画像取得部１０により、患者の胸部の３次元ボリュームデータ６を取得し、解剖学的構造物が血管あり、流体が血液である場合について説明する。なお、構造物抽出部１１は、血管領域抽出部１１として以下説明する。
血管領域抽出部１１は、３次元ボリュームデータ６から血管領域（解剖学的構造物の領域）を抽出する。具体的には、血管領域の抽出は、ＣＴ画像（または、造影ＣＴ画像）、ＭＲＩ画像（または造影ＭＲＩ画像）を用いて行われる。本実施形態の血管領域抽出部１１は、胸部のＣＴ画像から血管領域を抽出する場合について説明する。血管領域抽出部１１は、例えば、胸部の３次元ボリュームデータ６に対して多重解像度変換を行って複数の異なる解像度の画像を生成し、各解像度の画像に対してヘッセ行列を用いて固有値解析を行って線構造を抽出する。さらに、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、胸部領域中の様々なサイズの線構造の集合体として、血管領域を抽出する（たとえば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など参照）。さらに、最小全域木アルゴリズムなどを用いて、抽出された各線構造の中心線を連結することにより、血管を表す木構造のデータを生成する。あるいは、血管の中心線を結ぶ芯線上の各点において芯線に直交する断面を求め、各断面において血管の輪郭を認識し、その輪郭を表す情報を利用してグラフカット法などの公知のセグメンテーション手法を用いて、血管領域を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、領域拡張法などのその他の公知な手法を用いるようにしてもよい。
付与部１２は、血管の経路に沿った位置の順番が識別可能な経路位置情報を血管の内部の各位置に付与する。
まず、図３に示すように、血管領域抽出部１１によって抽出した血管領域の中心線Ｃを抽出し、中心線Ｃの各ボクセルに、一意に決められた経路位置情報を経路に沿って順に付与する。具体的には、経路位置情報は中心線Ｃの所定の１点から順に連続する数字を割り当てる。例えば、経路位置情報として、経路に沿って１，２，３・・・と順に数字を割り当てる。図３は、割り当てた数字を１０ごとに表した例である。血管領域Ｒの中心線Ｃの各位置において垂直断面Ｑを設定して、中心線Ｃの経路位置情報と同じ経路位置情報を血管領域Ｒ内の全てのボクセルに付与する。図３の右の拡大図に示すように、中心線Ｃに該当するボクセルの経路位置情報が「１０」の場合、垂直断面Ｑに含まれる血管領域Ｒのボクセルの経路位置情報は全て「１０」にする。
図４に示すように、２つの血管領域Ｒ１およびＲ２が隣接する場所においては、各ボクセルｖｉから２つの血管領域Ｒ１およびＲ２の中心線Ｃ１およびＣ２までの距離が短い方の血管領域の経路位置情報をそのボクセルに付与する。図４は、中心線Ｃ１の垂直断面のボクセルの経路位置情報が「２０」であり、中心線Ｃ２の垂直断面のボクセルの経路位置情報が「３０」である場合を示す。ボクセルｖｉから中心線Ｃ１までの距離と、ボクセルｖｉから中心線Ｃ２までの距離では、中心線Ｃ２までの距離の方が短いのでのボクセルｖｉの経路位置情報は「３０」となる。
図５Ａに示すように血管の経路が２つに分岐している接続部、あるいは、図５Ｂに示すように２つの血管が合流している接続部では、経路位置情報は不連続になり、経路位置情報の順番が接続部では識別できなくなる。そこで、分岐前の経路と分岐後の複数の経路の接続関係、または、合流前の複数の経路と合流後の経路の接続関係を表す相対位置情報を記録する。
図５Ａの例では、血管領域Ｒ０および血管領域Ｒ１は連続した経路位置情報が付与され、「Ａ０」から順に連続する数字が割り当てられている。血管が分岐後の血管領域Ｒ２では、接続部「Ａ９０」から新たな経路位置情報「Ｂ０」が付与され、「Ｂ０」から順に連続する数字が割り当てられている。「Ａ９０」と「Ｂ０」が接続部となり、分岐部において分岐前の経路と分岐後の複数の経路が接続することを表す相対位置情報として記録する。図５Ａの例では、血管領域Ｒ０および血管領域Ｒ２が血管領域Ｒ０の「Ａ９０」と血管領域Ｒ２の「Ｂ０」において接続し、ここから血管が２つに分岐することを表わす相対位置情報を記録する。
図５Ｂの例では、血管領域Ｒ３および血管領域Ｒ４は連続した経路位置情報が付与され、「Ａ２００」から順に連続する数字が割り当てられている。血管領域Ｒ５は合流する血管であり、最初の経路位置情報「Ｃ１００」から順に連続する数字が割り当てられ、「Ｃ１６０」において血管領域Ｒ４の「Ａ２７０」に合流する。図５Ｂの例では、血管領域Ｒ３および血管領域Ｒ４が血管領域Ｒ３の「Ａ２７０」と血管領域Ｒ４の「Ｃ１６０」において接続し、２つの血管が合流することを表わす相対位置情報を記録する。
描画部１３は、ベクトル取得部１４をさらに備え（図２参照）、付与部１２により付与されたボクセルの経路位置情報および相対位置情報と、ベクトル取得部１４により取得した３次元流速ベクトルの向きとに従って、血液の流れが認識可能なような描画を行なって、表示装置に表示を行う。具体的には、例えば、血液の流れを表す軌跡を描画して表示してもよい。軌跡には、流線、流跡線、または流脈線がある。流線は、始点の位置から血液の速度ベクトルを滑らかにつないだ線であり、流跡線は、１つの流体粒子が時間の経過により移動する軌跡であり、流脈線は、流れの中のある固定点を通過した全ての流体粒子を連ねてできる線である。あるいは、血液の流れを表す軌跡を認識可能な描画を行う手法として、粒子追跡法（Particle TrackingまたはParticle Tracer）などの速度場の中においた粒子が動く様子を可視化する手法を用いて、血液の流れを認識できるような描画をおこなうようにしてもよい。
ベクトル取得部１４は、血管領域内の血流速度および血流方向を表す３次元流速ベクトルを取得する。３次元流速ベクトルは、種々の方法により取得することができるが、例えば、画像取得部１０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撮影された３次元ボリュームデータを取得し、その３次元ボリュームデータに基づいて取得された血管領域内の速度情報を用いて３次元流速ベクトルを取得する。
図６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ボリュームデータは、マグニチュードデータＭと、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向にエンコード（ＶＥＮＣ：velocity encoding）した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）で得たボリュームデータで構成される。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り、３つの位相データから各ボクセル位置の３次元流速ベクトルが得られる。
次に、血管領域抽出部１１により血管領域を抽出したＣＴ画像と、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各位相データＰｈｘ、ＰｈｙおよびＰｈｚは、同じ位置が対応するように位置合せを行なっておく。ＣＴ画像と各位相データのボリュームデータ間の位置合せは、撮影部位の特徴点を位置合わせするなど公知の手法を用いればよい。血管領域内の３次元流速ベクトルは、血管領域抽出部１１の結果に基づいて、血管領域のボクセルの位置に対応する各位相データＰｈｘ、ＰｈｙおよびＰｈｚの各ボクセルから各軸方向の速度成分を得て３次元流速ベクトルを取得する。以下、ＭＲＩ装置を用いて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ボリュームデータを用いて、血管領域内の３次元流速ベクトルを取得する場合を例に具体的に説明する。
次に、描画部１３が、ベクトル取得部１４により取得した３次元流速ベクトルに従って、血液の流れが認識可能なような描画を行う手法について具体的に説明する。ここでは、流線を例に描画方法を説明する。まず、血管領域内の１点を開始点に選択して、各ボクセルの３次元流速ベクトルに従って経路位置情報が連続するボクセルを辿りながら流線を生成する。ボクセルの辿り方を、図７Ａを用いて説明する。なお、図７Ａでは、便宜上２次元で表したボクセルを用いて説明する。図７Ａの格子がそれぞれ１つのボクセルを表し、矢印は流速ベクトル方向を示す。破線の枠は血管領域Ｒ１の中心線Ｃ１または血管領域Ｒ２の中心線Ｃ２に対して垂直な断面の１区画分に含まれるボクセルの範囲を示し、破線の枠内は同じ経路位置情報が付される。まず、ボクセルｖ１から流線の描画を開始する場合について説明する。ボクセルｖ１の経路位置情報は「Ａ１０」である。ボクセルｖ１の次のボクセルは、ボクセルｖ１から流速ベクトルの指す方向にあるボクセルｖ２である。ボクセルｖ２の経路位置情報は「Ａ１１」であり、ボクセルｖ１とボクセルｖ２の経路位置情報は連続している。つまり、経路に沿って経路位置情報が並んでいるので、ボクセルｖ２は血管領域Ｒ１内にあると判定され、ボクセルｖ１とボクセルｖ２の流線ベクトルをつないだ流線を生成する。さらに、ボクセルｖ２の次のボクセルは、ボクセルｖ２から流速ベクトルの指す方向の先にあるボクセルｖ３となる。ボクセルｖ３の経路位置情報は「Ａ１２」であり、ボクセルｖ２とボクセルｖ３の経路位置情報は順に並んでいるので、ボクセルｖ３は血管領域Ｒ１内にあると判定される。そこで、ボクセルｖ２とボクセルｖ３の流線ベクトルをつないだ流線を生成し、既に生成したボクセルｖ１とボクセルｖ２の流線ベクトルをつないだ流線を伸ばしていく。同様にして、ボクセルｖ３の次のボクセルｖ４の経路位置情報は「Ａ１３」であり、ボクセルｖ３とボクセルｖ４の経路位置情報は連続しているので、ボクセルｖ４は血管領域Ｒ１内にあると判定され、ボクセルｖ３とボクセルｖ４の流線ベクトルをつないだ流線を生成し、既に生成された流線を伸ばしていく。
ボクセルｖ４の次のボクセルは、ボクセルｖ４から流速ベクトルが指す方向にあるボクセルｖ５であるが、ボクセルｖ５の経路位置情報は「Ａ１１０」であり、ボクセルｖ４の経路位置情報「Ａ１３」に連続する経路位置情報ではない。また、ボクセルｖ４とｖ５の経路位置情報はそれぞれ「Ａ１３」と「Ａ１１０」であり、経路に沿った区間が９６区画離れている。２点の間で９６区画分ある様な場合は、２点間の経路に沿った距離（中心線上の距離）はかなり離れていると考えられるため、ボクセルｖ１と同じ血管領域Ｒ１ではなく、ボクセルｖ５は血管領域Ｒ２にあると考えられる。そこで、ボクセルｖ５の位置は同じ血管領域Ｒ１内ではなく隣接する血管領域Ｒ２である判定される。そこで、ボクセルｖ１から始まった流線はボクセルｖ４で終点となる。
一方、血管の経路の向きとボクセルの関係が図７Ｂに示すような関係である場合には、経路の傾きとボクセルの位置によっては、経路位置情報が連続した値でなくとも同じ血管領域Ｒ１内である場合も存在する。最初のボクセルｖ１の経路位置情報は「Ａ１０」であるが、ボクセルｖ１の流速ベクトルが指す向きの次のボクセルｖ２の経路位置情報は「Ａ１２」になる場合がある。この場合、経路位置情報は連続していないが経路位置情報は順に並んでいると判定される。例えば、ボクセルｖ２の経路位置情報が、ボクセルｖ１の経路位置情報「Ａ１０」に連続する経路位置情報「Ａ１１」の前後の数字、例えば、「Ａ１０」または「Ａ１２」などの「Ａ１１」に近い経路位置情報になることがある。ボクセルｖ１とｖ２の経路位置情報はそれぞれ「Ａ１０」と「Ａ１２」であり、１区画分しか離れていないためどちらも血管領域Ｒ１にあると考えられるので、ボクセルｖ１とボクセルｖ２間で流速ベクトルをつないだ流線を生成する。このように経路位置情報が連続する番号でなくとも、ボクセルの大きさと血管の幅から、１つのボクセルから辿った次のボクセルの経路位置情報が同じ血管領域Ｒ１内であると判定できる場合には、２つのボクセルの流速ベクトルをつないだ流線を生成する
以上の通りボクセルを辿って流線を作成する場合、各ボクセルの経路位置情報に基づいて、経路に沿った距離に応じて２つのボクセルが、所定の距離以上に離れているか否かを判別することにより隣接する他の血管領域内であるか否かを判定する。
上述では、２次元平面で流線の描画方法について説明したが、実際には、描画部１３は、図８に示すように、３次元ボリュームデータ６の各ボクセルを辿って生成した流線を投影面Ｓに投影した画像を表示装置に表示する。
上述では、経路位置情報が経路に沿って単調に増加する場合について説明したが、経路位置情報が経路に沿って単調に減少するようにしてもよい。
図９に上記の手法によって流線を描画した例を示す。図１２の従来の手法では、破線により囲まれた箇所Ｐのように血管壁を突き抜けていた流線を、本発明の手法では血管壁の前で終わりにすることが可能である。
次に、血管が分岐している個所について説明する。図５Ａに示すように、「Ａ９０」と「Ｂ０」が接続部になり、この周辺では、「Ａ９０」に続く経路位置情報を付与されたボクセルおよび「Ｂ０」に続く経路位置情報を付与されたボクセルが存在する。「Ａ９０」と「Ｂ０」から先につなぐ流線は、各ボクセルの３次元流速ベクトルが指す方向に「Ｂ０」に続く経路位置情報が付与されたボクセルがあるか、「Ａ９０」に続く経路位置情報が付与されたボクセルがあるかに応じて、流線が血管領域Ｒ０から血管領域Ｒ１の方向に繋がるか、流線が血管領域Ｒ０から血管領域Ｒ２の方向に繋がるかに分かれる。図１０Ａに、「Ａ９０」と「Ｂ０」の接続部から２つの血管に流線が分かれる例を示す。
次に、血管が合流する個所について説明する。図５Ｂに示すように、「Ａ２７０」と「Ｃ１６０」が接続部になり、この周辺では、「Ａ２７０」に繋がる経路位置情報を付与されたボクセルおよび「Ｃ１６０」に繋がる経路位置情報を付与されたボクセルが存在する。「Ａ２７０」と「Ｃ１６０」に繋がる流線には、各ボクセルの３次元流速ベクトルが指す方向に「Ａ２７０」に繋がる経路位置情報が付与されたボクセルがあるか、「Ｃ１６０」に繋がる経路位置情報が付与されたボクセルがあるかに応じて、血管領域Ｒ３から血管領域Ｒ４の方向に繋がる流線と、血管領域Ｒ５から血管領域Ｒ４の方向に繋がる流線とがある。図１０Ｂに、「Ａ２７０」と「Ｃ１６０」の接続部から２つの流線が１つの血管に合流する例を示す。
以上説明したように、３次元流速ベクトルを辿った時のボクセルの経路位置情報が順に並んでいるボクセルの３次元流速ベクトルのみをつないで流線を生成する。このように、経路位置情報を付与することにより、血管壁を越えて血管領域Ｒ１から血管領域Ｒ２に入るような流線を描画しないようにすることが可能になる。流跡線または流脈線の描画においても、同様に判定することにより、血管壁を越えて軌跡を描くことを防ぐことが可能になる。粒子追跡法を用いて描画する場合も同様である。
上述では、３次元流速ベクトルを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ボリュームデータから取得する場合について説明したが、血管領域抽出部１１によって抽出された血管領域を用いて数値流体力学を用いた血流解析（ＣＦＤ）を行うことによって流速ベクトルを取得するようにしてもよい。例えば、時系列で撮影されたＣＴ画像のそれぞれから抽出された血管領域を用いて血流解析を行うことが可能である。具体的には、造影ＣＴ画像、または造影ＭＲＩ画像を用いることができる。
また、画像取得部１０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するようにしてもよい。
形態画像生成部１５は、ＣＴ画像またはＭＲＩ画像に対してボリュームレンダリング処理を施すことにより形態画像を生成する。形態画像を生成する場合には、特に、造影ＣＴ画像または造影ＭＲＩ画像のように血管領域とそれ以外の領域の区別が明確な画像を用いて、形態画像を生成するようにするのが望ましい。
描画部１３は、形態画像生成部１５によって生成された形態画像上に、上記の流線、流跡線、または流脈線のような血液の流れを示す軌跡を重ねて表示する。あるいは、形態画像上に粒子追跡法により得られた粒子が動く様子を重ねて描画する。
次に本実施形態の流体解析装置の処理の流れについて、図１１に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ユーザによる患者の識別情報などの設定入力に応じて、その患者の造影ＣＴと、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ＭＲＩの２種類の３次元ボリュームデータが画像取得部１０によって取得される（Ｓ１０）。
次に、画像取得部１０によって取得された胸部の造影ＣＴ画像から血管領域抽出部１１を用いて血管領域を抽出する（Ｓ１１）。また、形態画像生成部１５によって形態画像を生成する（Ｓ１２）。
さらに、付与部１２は、血管領域抽出部１１が抽出した血管領域の経路に沿って経路位置情報および相対位置情報を付与する（Ｓ１３）。
描画部１３は、開始点のボクセルを選択して（Ｓ１４）、付与部１２によって付与されたボクセルの経路位置情報と、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ＭＲＩの３次元ボリュームデータからベクトル取得部１４によって取得した３次元流速ベクトルの向きとに従って、次のボクセルを選択して、ボクセルの流速ベクトルをつないだ流線を描画する（Ｓ１５）。流線が終了するまで（Ｓ１６−ＮＯ）、経路位置情報と３次元流速ベクトルの向きに基づいてボクセルを辿りながら、各ボクセルの流速ベクトルをつないだ流線を描画する（Ｓ１５）。また、血管が分岐または合流する接続部では、血管の相対位置情報と経路位置情報を用いて流線をつないでいく。
描画部１３は、経路位置情報に連続していないボクセルに到達すると、流線の描画を終了する。あるいは、血管領域が終了すると、流線の描画を終了する（Ｓ１６−ＹＥＳ）。
上記の実施形態では、図９に示すように、流線が血管壁を越えることなく描画されるので、血流の流れが分かりやすくなる。このように流体解析装置において、血液の流れを把握しやすくすることにより、心臓から出た動脈における逆流、または動脈瘤内において血流が渦状になっている箇所を観察することが可能になり診断が容易になる。
上記の実施形態では、血流を解析する場合について説明したが、解剖学的構造物が脳のように髄液が流れる領域であって、流体が髄液であってもよい。なお、解剖学的構造物が脳の場合は、形態画像生成部１５では、脳などのボリュームレンダリングした形態画像を生成する。このようにして生成された形態画像上に流線などの流れが認識可能な描画を重ねて表示する。
上記では流線を描画する場合について詳細に説明したが、流跡線、流脈線、または、粒子追跡法により描画される場合であっても、経路位置情報および相対位置情報を血管の経路に沿って付与することによって、血管壁を通り抜ける流れがなくなり、血液の流れを正確に把握することが可能になる。
上記では、１つのコンピュータを流体解析装置として機能させる場合について説明したが、複数のコンピュータに機能を分散させるようにしてもよい。例えば、解剖学的構造物の抽出および／または形態画像の生成は画像処理専用の他のコンピュータによって行ない、流体解析処理の結果を表示させるコンピュータでは、画像処理専用の他のコンピュータから解剖学的構造物の情報および／または形態画像を受信して、形態画像を表示した上で代表２次元流速ベクトルを重ねて表示するようにしてもよい。
また、上記では、汎用コンピュータが流体解析装置として機能する場合について説明したが、専用コンピュータによって実施されてもよい。専用コンピュータは、内蔵されたＲＯＭ(Read Only Memory)またはフラッシュメモリなど、不揮発メモリに記録されたプログラムを実行するファームウェアであってもよい。さらに、この流体解析装置の少なくとも一部の機能を実行するためのプログラムを永久的に記憶するＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit ：特定用途向け集積回路）またはＦＰＧＡ（field programmable gate arrays）などの専用回路を設けるようにしてもよい。あるいは、専用回路に記憶されたプログラム命令と、専用回路のプログラムを利用するようにプログラムされた汎用のＣＰＵによって実行されるプログラム命令と組み合わせるようにしてもよい。以上のように、コンピュータのハードウェア構成をどのように組み合わせてプログラム命令を実行してもよい。
１ 流体解析装置
２ 医用画像保管サーバ
３ 撮影装置
４ ネットワーク
６ ３次元ボリュームデータ
１０ 画像取得部
１１ 構造物抽出部
１２ 付与部
１３ 形態画像生成部
１３ 描画部
１４ ベクトル取得部
１５ 形態画像生成部
２ 医用画像保管サーバ
３ 撮影装置
４ ネットワーク
６ ３次元ボリュームデータ
１０ 画像取得部
１１ 構造物抽出部
１２ 付与部
１３ 形態画像生成部
１３ 描画部
１４ ベクトル取得部
１５ 形態画像生成部
Claims (13)
- 内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから前記解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、前記解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を前記解剖学的構造物の内部の各位置に付与する付与部と、
前記解剖学的構造物内の１点から前記３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように前記３次元流速ベクトルを選択することにより前記流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する描画部とを備えた流体解析装置。 - 前記付与部が、前記解剖学的構造物の中心線を抽出して該中心線に沿って経路位置情報を付与し、前記解剖学的構造物の前記中心線に垂直な断面内の各位置に該中心線に付与された経路位置情報と同じ情報を付与する請求項１記載の流体解析装置。
- 前記付与部が、前記解剖学的構造物内の３次元流速ベクトルの位置に最も近い前記解剖学的構造物の中心線に沿って付与された経路位置情報と同じ前記経路位置情報を付与する請求項２記載の流体解析装置。
- 前記描画部は、前記解剖学的構造物の形態を投影面に投影した形態画像上に、前記軌跡を視認可能に描画する請求項１〜３のいずれか１項記載の流体解析装置。
- 前記付与部が、前記解剖学的構造物が分岐または合流する接続部の前後において、前記分岐前の経路と前記分岐後の複数の経路の接続関係、または、前記合流前の複数の経路と前記合流後の経路の接続関係を表す相対位置情報を付与し、
前記描画部が、前記経路位置情報および前記相対位置情報に基づいて前記軌跡を視認可能に描画する請求項１〜４のいずれか１項記載の流体解析装置。 - 前記３次元流速ベクトルは、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次元ボリュームデータから得られる請求項１〜５のいずれか１項記載の流体解析装置。
- 前記解剖学的構造物が血管であり、かつ、前記流体が血液であり
前記３次元流速ベクトルは、血液の流速ベクトルである請求項１〜６のいずれか１項記載の流体解析装置。 - 前記３次元流速ベクトルは、血流解析シミュレーションの結果により得られる請求項７記載の流体解析装置。
- 前記流体が髄液であり、
前記３次元流速ベクトルは、髄液の流速ベクトルである請求項１〜６のいずれか１項記載の流体解析装置。 - 前記軌跡は、流線、流跡線、または、流脈線である請求項１〜９のいずれか１項記載の流体解析装置。
- 前記軌跡は、粒子追跡法により描画される請求項１〜９のいずれか１項記載の流体解析装置。
- 付与部と描画部を備えた流体解析装置の作動方法であって、
前記付与部が、内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから前記解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、前記解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を前記解剖学的構造物の内部の各位置に付与し、
前記描画部が、前記解剖学的構造物内の１点から前記３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように前記３次元流速ベクトルを選択することにより前記流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する流体解析装置の作動方法。 - コンピュータを、
内部に流体が流れる解剖学的構造物を含む被写体を撮影した３次元ボリュームデータから前記解剖学的構造物内の流体の流速を表わす３次元流速ベクトルの情報をボクセルごとに取得し、前記解剖学的構造物の経路に沿った順番が識別可能な経路位置情報を前記解剖学的構造物の内部の各位置に付与する付与部と、
前記解剖学的構造物内の１点から前記３次元流速ベクトルが存在する位置の経路位置情報が順に並ぶように前記３次元流速ベクトルを選択することにより前記流体の流れを表す軌跡を視認可能に描画する描画部として機能させるための流体解析プログラム。
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