WO2018159708A1 - 血流解析装置および方法並びにプログラム - Google Patents

血流解析装置および方法並びにプログラム Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a blood flow analysis apparatus, method, and program for analyzing blood flow flowing in a blood vessel region using a blood vessel region extracted from a medical image.
  • a flow velocity vector for each voxel, for each pixel or for each region using an MRI (Magnetic Resonance Imaging) image photographed by a three-dimensional cine phase contrast magnetic resonance method for example, a flow velocity vector for each voxel, for each pixel or for each region using an MRI (Magnetic Resonance Imaging) image photographed by a three-dimensional cine phase contrast magnetic resonance method.
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-188323 proposes that a blood vessel model is generated from a medical image and a flow velocity vector is obtained by performing CFD (Computational Fluid Dynamics) based on the blood vessel model.
  • CFD Computer Fluid Dynamics
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-153919 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-150142 propose that color Doppler measurement is performed using an ultrasonic diagnostic apparatus to visualize a backflow.
  • the flow line when the user confirms the direction of the velocity vector near the location of interest or sets the region of interest can be confirmed by confirming the formation of the backflow, but in this case, if there is a backflow other than where the user intended to observe, there is a possibility of overlooking the backflow .
  • the present invention provides a blood flow analysis device, method, and program capable of capturing a backflow location even when there is a backflow at an unexpected location and reducing the risk of overlooking the backflow location. It is intended to do.
  • a blood flow analysis apparatus includes a blood vessel region extraction unit that extracts a blood vessel region from a blood vessel image obtained by photographing a subject including blood vessels, and a flow velocity vector that acquires a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region.
  • the acquisition unit and the central axis extending in the extending direction of the blood vessel region are set, the integral value obtained by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction is calculated, and based on the change in the integrated value,
  • a backflow specifying unit for specifying the presence or absence of a backflow of blood flow.
  • the backflow specifying unit can specify that there is backflow when the integral value is not monotonously increasing or monotonically decreasing.
  • the blood flow analysis device of the present invention may further include a display control unit that displays a map image in which the location of the backflow is mapped on the coordinate axis of the blood vessel region on the display unit.
  • the display control unit can generate a map image using an integral value obtained by integrating the flow velocity vector for a preset period.
  • the preset period can be a period of one heartbeat.
  • the display control unit can generate a map image in time series and display it on the display unit as a moving image every time the flow velocity vector is integrated in the time axis direction.
  • the display control unit can display the map image superimposed on the two-dimensional or three-dimensional blood vessel image.
  • the display control unit can cause the display unit to display information on the amount of backflow based on the integral value.
  • the display control unit can display an index indicating blood flow other than the map image on the display unit.
  • a flow velocity vector, stream line, or trajectory line can be displayed as an index indicating blood flow.
  • the backflow specifying unit can calculate an integral value for each voxel in the blood vessel region or for each of a plurality of voxels.
  • the backflow specifying unit can calculate an integral value for each cross section orthogonal to the central axis direction of the blood vessel region.
  • the flow velocity vector acquisition unit acquires a flow velocity vector based on a three-dimensional blood vessel image taken in time series or a three-dimensional blood vessel image taken at an arbitrary time point. can do.
  • the flow velocity vector acquisition unit uses a computational fluid dynamics model of a blood vessel region, a three-dimensional cine phase contrast magnetic resonance method, or a three-dimensional ultrasonic image.
  • a vector can be obtained.
  • the blood flow analysis method of the present invention extracts a blood vessel region from a blood vessel image obtained by photographing a subject including a blood vessel, acquires a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region, An extending central axis is set, an integrated value obtained by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction is calculated, and the presence or absence of the backflow of blood flow in the blood vessel region is specified based on the change in the integrated value.
  • the blood flow analysis program obtains a blood vessel region extraction unit that extracts a blood vessel region from a blood vessel image obtained by photographing a subject including blood vessels, and a flow velocity vector that represents a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region.
  • a blood vessel region extraction unit that extracts a blood vessel region from a blood vessel image obtained by photographing a subject including blood vessels, and a flow velocity vector that represents a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region.
  • Set the central axis extending in the extending direction of the blood vessel region calculate the integrated value obtained by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction, based on the change in the integrated value, It functions as a backflow specifying unit that specifies the presence or absence of backflow of blood flow in the blood vessel region.
  • Another blood flow analysis apparatus includes a memory that stores a command to be executed by a computer, and a processor configured to execute the stored command, and the blood vessel in which a subject includes a blood vessel is imaged by the processor.
  • a process for extracting a blood vessel region from an image a process for obtaining a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region, and setting a central axis extending in the extending direction of the blood vessel region.
  • An integral value obtained by integrating the direction component in the time axis direction is calculated, and a process for specifying the presence or absence of the backflow of the blood flow in the blood vessel region is executed based on a change in the integral value.
  • a blood vessel region is extracted from a blood vessel image obtained by photographing a subject including a blood vessel, and a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region is obtained. Then, a central axis extending in the extending direction of the blood vessel region is set, an integrated value is calculated by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction, and the blood flow in the blood vessel region is calculated based on the change in the integrated value. Specify the presence or absence of backflow. In this way, by identifying the presence or absence of backflow based on the integral value of the central component of the flow velocity vector, even if there is backflow at an unexpected location, the backflow location can be detected, and the backflow location is overlooked Risk can be reduced.
  • the block diagram which shows schematic structure of the blood-flow analysis system using one Embodiment of the blood-flow analyzer of this invention.
  • the figure which shows the example of a display of the backflow location at the time of calculating an integral value for every section The flowchart for demonstrating the effect
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a blood flow analysis system of the present embodiment.
  • the blood flow analysis system of the present embodiment includes a blood flow analysis device 1, a medical image storage server 2, a display unit 3, and an input unit 4.
  • the blood flow analysis device 1 is obtained by installing the blood flow analysis program of the present embodiment on a computer.
  • the blood flow analysis apparatus 1 includes a central processing unit (CPU (central processing unit)), a semiconductor memory, and a storage device such as a hard disk or an SSD (Solid state drive).
  • CPU central processing unit
  • the blood flow analysis program of this embodiment is installed in the storage device, and the blood flow analysis program is executed by the central processing unit, whereby the image acquisition unit 10, the blood vessel region extraction unit 11, and the like illustrated in FIG.
  • the flow velocity vector acquisition unit 12, the backflow specifying unit 13, and the display control unit 14 operate.
  • the blood flow analysis program is recorded and distributed on a recording medium such as a DVD (Digital Versatile Disc) or a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), and is installed on the computer from the recording medium.
  • a recording medium such as a DVD (Digital Versatile Disc) or a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory)
  • the blood flow analysis program is stored in a state where it can be accessed from the outside with respect to a storage device or network storage of a server computer connected to the network. Then, it is downloaded and installed on the computer in response to an external request.
  • the image acquisition unit 10 acquires a medical image of a patient imaged in advance.
  • the three-dimensional medical image 6 is, for example, a CT (Computed Tomography) apparatus, an MRI. (Magnetic Resonance Imaging)
  • a three-dimensional medical image 6 captured by an apparatus, an ultrasonic imaging apparatus, or the like is acquired.
  • a case where a three-dimensional medical image 6 (corresponding to a blood vessel image of the present invention) of a patient's heart (corresponding to a subject of the present invention) is acquired will be described. And other organs such as the head.
  • the three-dimensional medical image 6 is stored in advance together with patient identification information in the medical image storage server 2, and the image acquisition unit 10 is based on the patient identification information input by the user using the input unit 4 or the like.
  • the three-dimensional medical image 6 having the identification information is read from the medical image storage server 2 and temporarily stored.
  • the blood vessel region extraction unit 11 extracts a blood vessel region from the three-dimensional medical image 6. Specifically, the blood vessel region extraction unit 11 of the present embodiment extracts a coronary artery region from the three-dimensional medical image 6 of the heart as a blood vessel region.
  • the blood vessel region extraction unit 11 performs, for example, multi-resolution conversion on the three-dimensional medical image 6 of the heart, performs eigenvalue analysis of the Hessian matrix for each resolution image, and integrates the analysis results in each resolution image.
  • To extract coronary artery regions as a collection of line structures (blood vessels) of various sizes in the heart region eg Y Sato, et al., “Three-dimensional multi-scale-line filter for segmentation and visualization of curvilinear structures in medical images.
  • the tree structure data representing the coronary artery is generated, and each core line connecting the center points of the extracted coronary arteries is generated.
  • a cross section orthogonal to the core line is obtained, and in each cross section, the contour of the coronary artery is recognized using a known segmentation method such as a graph cut method, and information representing the contour is represented by the tree structure.
  • the coronary artery region may be extracted by associating with each node of the data.
  • the method for extracting the coronary artery region is not limited to the above method, and other known methods such as a region expansion method may be used.
  • the flow velocity vector acquisition unit 12 acquires a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region.
  • a flow velocity vector can be acquired by performing blood flow analysis by CFD (Computational Fluid Dynamics) using the blood vessel region extracted by the blood vessel region extracting unit 11.
  • CFD Computer Fluid Dynamics
  • blood flow analysis may be performed using a blood vessel region extracted from the three-dimensional medical image 6 photographed at an arbitrary time point, or the three-dimensional medical image 6 photographed in time series. Blood flow analysis may be performed using the blood vessel region extracted from each.
  • the image acquisition unit 10 acquires an MRI image photographed by a three-dimensional cine phase contrast magnetic resonance method (3D cine PC MRI), and uses the velocity information in the blood vessel region acquired based on the MRI image to obtain a flow velocity. You may make it acquire a vector.
  • 3D cine PC MRI three-dimensional cine phase contrast magnetic resonance method
  • the image acquisition unit 10 acquires a three-dimensional ultrasonic image photographed in time series by Doppler measurement, and acquires a flow velocity vector using velocity information in the blood vessel region acquired based on the ultrasonic image. You may do it.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the flow velocity vector V in the blood vessel region B.
  • the backflow specifying unit 13 specifies the presence / absence of a backflow of blood flow in the blood vessel region based on the flow velocity vector in the blood vessel region acquired by the flow velocity vector acquisition unit 12.
  • the backflow specifying unit 13 sets a central axis C extending in the extending direction of the blood vessel region B, and integrates the direction component of the central axis C of the flow velocity vector V in the time axis direction. An integrated value is calculated, and the presence or absence of backflow of blood flow in the blood vessel region is specified based on the change in the integrated value.
  • a cross section S orthogonal to the central axis C is set for each point on the central axis C.
  • a central axis direction component Vc of the flow velocity vector V is calculated.
  • an integral value obtained by integrating the central axis direction component Vc in the time axis direction is calculated, and it is determined whether the integral value monotonously increases or monotonously decreases. That is, for example, when the backflow does not occur in the blood vessel region, the integral value described above increases monotonously or decreases monotonously.
  • the backflow specifying unit 13 determines that there is no backflow, and the integral value of the central axis direction component Vc does not monotonously increase or monotonically. When it does not decrease, it is determined that there is a backflow.
  • the integral value of the central axis direction component Vc an average value of the integral values of the central axis direction components Vc of the flow velocity vectors V in the cross section S may be used, or a median value may be used. Good.
  • the setting interval in the direction of the central axis of the cross section S orthogonal to the central axis C of the blood vessel region B can be set to an arbitrary interval by the user.
  • the integration period for calculating the integral value can be set at an arbitrary interval by the user.
  • the integration period is a period of one heartbeat.
  • the display control unit 14 causes the display unit 3 to display information on the backflow location specified by the backflow specifying unit 13. Specifically, the display control unit 14 generates a map image in which the backflow location is mapped on the coordinate axis of the blood vessel region and causes the display unit 3 to display the map image.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a mapping image in which the backflow point R is mapped on the coordinate axis of the blood vessel region B.
  • a cross section orthogonal to the central axis of the blood vessel region is set, and an integral value is calculated for each cross section. Therefore, as shown in FIG. .
  • the integral value calculated for each cross section represents the reverse flow rate. Therefore, an image representing the reverse flow rate can be obtained by changing the display according to the integral value. At this time, it may be displayed as a still image by generating and displaying an image representing the reverse flow rate based on the integral value of the entire integration period, or each time the flow velocity vector is integrated in the time axis direction, That is, for each integration value of each integration process within the integration period, an image representing the reverse flow rate may be sequentially generated and displayed so as to be displayed as a moving image.
  • the map image shown in FIG. 5 is an example of a map image in which the density increases as the integral value increases.
  • the map image is desirably displayed in color. In that case, it is desirable to change the hue or saturation according to the integral value.
  • map image may be displayed superimposed on the three-dimensional medical image 6.
  • the image to be overlaid with the map image is not limited to the three-dimensional medical image 6, and the map image may be superimposed and displayed on the two-dimensional cross-sectional image.
  • the medical image storage server 2 is a computer that stores and manages various data, and includes a mass storage device and a database management program.
  • the medical image storage server 2 acquires a pre-captured three-dimensional medical image 6 or the like from an imaging apparatus such as a CT apparatus or an MRI apparatus via a network, and stores and manages it in a large-capacity storage device.
  • the input unit 4 receives various setting inputs by the user and includes input devices such as a keyboard and a mouse.
  • the input unit 4 receives, for example, setting input of patient identification information.
  • a medical image of the patient is acquired by the image acquisition unit 10 in response to a setting input such as patient identification information by the user (S10).
  • the three-dimensional medical image 6 of the heart is acquired as described above.
  • the three-dimensional medical image 6 of the heart acquired by the image acquisition unit 10 is input to the blood vessel region extraction unit 11, and the blood vessel region extraction unit 11 extracts a blood vessel region from the input three-dimensional medical image 6 ( S12).
  • the backflow specifying unit 13 specifies the presence or absence of the backflow of the blood flow based on the flow velocity vector in the blood vessel region. Specifically, the backflow specifying unit 13 sets the central axis extending in the extending direction of the blood vessel region as described above, calculates an integral value obtained by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction, Based on the change in the integrated value, the presence or absence of the backflow of the blood flow in the blood vessel region is specified (S16).
  • specification part 13 is output to the display control part 14, and the display control part 14 produces
  • a blood vessel region is extracted from a blood vessel image obtained by photographing a subject including a blood vessel, and a flow velocity vector representing a blood flow velocity and a blood flow direction in the blood vessel region is acquired. Then, a central axis extending in the extending direction of the blood vessel region is set, an integral value obtained by integrating the direction component of the central axis of the flow velocity vector in the time axis direction is calculated, and the blood flow in the blood vessel region is calculated based on the change in the integrated value. Specify the presence or absence of backflow. In this way, by identifying the presence or absence of backflow based on the integral value of the central component of the flow velocity vector, even if there is backflow at an unexpected location, the backflow location can be detected, and the backflow location is overlooked Risk can be reduced.
  • the integral value of the flow velocity vector is calculated for each cross section orthogonal to the central axis direction of the blood vessel region.
  • An integral value may be calculated for each voxel.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which an integral value is calculated for each of a plurality of voxels, and a map image is generated by specifying the backflow locations R1 and R2.
  • an average value of the integral values calculated for each of the plurality of voxels may be used, or a median value may be used.
  • the backflow location can be specified in more detail.
  • the display control unit 14 may cause the display unit 3 to display an index indicating blood flow other than the map image.
  • an index indicating blood flow an arrow indicating a flow velocity vector may be superimposed on the map image, or a streamline or a trajectory line indicating the blood flow may be superimposed on the map image.
  • the backflow location is specified using the three-dimensional medical image 6, but it is not necessarily a three-dimensional image, and a two-dimensional cross-sectional image is used.
  • the flow velocity vector may be acquired in the same manner as in the above embodiment, and the backflow location may be specified based on the change in the integral value of the central axis direction component of the blood vessel region.

Abstract

想定外の箇所に逆流があった場合でも、その逆流箇所をとらえることができ、逆流箇所の見落としリスクを減らすことができる血流解析装置および方法並びにプログラムを提供する。　血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する血管領域抽出部（１１）と、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する流速ベクトル取得部（１２）と、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する逆流特定部（１３）とを備える。

Description

血流解析装置および方法並びにプログラム
　本発明は、医用画像から抽出された血管領域を用いて、その血管領域内を流れる血流の解析を行う血流解析装置および方法並びにプログラムに関するものである。
　近年、心臓などを撮影した医用画像を用いて、心臓などの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、たとえば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算出し、これを表示する方法が提案されている。
　また、特開２０１４－１８８３２３号公報においては、医用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（Computational Fluid Dynamics）を行って流速ベクトルを求めることが提案されている。
　ここで、血流解析においては、血流が逆流している箇所を特定することが、診断上重要である。上述したように流速ベクトルを表示した場合、ユーザが、その向きと大きさを観察することによって逆流箇所を特定することができる。
　また、医用画像から抽出された血管領域に関心領域を設定し、その関心領域に流れる血流を表す流線を表示させて観察することにより、逆流を確認することもできる。
　また、超音波診断の分野でも逆流を確認することが行われている。たとえば特開２００９－１５３９１９号公報および特開平８－１５０１４２号公報においては、超音波診断装置を用いてカラードップラ計測を行って、逆流を可視化することが提案されている。
　しかしながら、上述した３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法およびＣＦＤを用いて逆流箇所を確認する場合、ユーザが関心のある箇所付近の流速ベクトルの向きを確認したり、関心領域を設定した際の流線の形成具合を確認したりすることによって、逆流箇所を確認することができるが、この場合、ユーザが目的を持って観察しようとした場所以外で逆流があった場合、逆流を見落とす可能性がある。
　また、超音波診断によって逆流を確認する場合、ユーザが関心のある領域にプローブを当ててカラードップラ計測が行われるが、超音波画像は２次元的であり、２次元画像上での流れの正負を表示させることはできるが、血管形状に沿った流れを抽出することは困難であり、逆流として画像化することは難しい。
　本発明は、上記事情に鑑み、想定外の箇所に逆流があった場合でも、その逆流箇所をとらえることができ、逆流箇所の見落としリスクを減らすことができる血流解析装置および方法並びにプログラムを提供することを目的とするものである。
　本発明の血流解析装置は、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する血管領域抽出部と、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する流速ベクトル取得部と、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する逆流特定部とを備える。
　また、上記本発明の血流解析装置において、逆流特定部は、積分値が単調増加または単調減少でない場合に、逆流が有ると特定することができる。
　また、上記本発明の血流解析装置においては、逆流の箇所を血管領域の座標軸上にマッピングしたマップ画像を表示部に表示させる表示制御部を備えることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、表示制御部は、流速ベクトルを予め設定された期間だけ積分した積分値を用いてマップ画像を生成することができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、上記予め設定された期間は、１心拍の期間とすることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、表示制御部は、流速ベクトルを時間軸方向に積分する毎にマップ画像を時系列に生成して動画として表示部に表示させることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、表示制御部は、マップ画像を２次元または３次元の血管画像上に重畳表示させることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、表示制御部は、積分値に基づいて、逆流の量の情報を表示部にさせることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、表示制御部は、マップ画像以外の血流を示す指標を表示部に表示させることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置においては、血流を示す指標として、流速ベクトル、流線または流跡線を表示させることができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、逆流特定部は、血管領域のボクセル毎または複数のボクセル毎に積分値を算出することができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、逆流特定部は、血管領域の中心軸方向に直交する断面毎に積分値を算出することができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、流速ベクトル取得部は、時系列に撮影された３次元の血管画像または任意の時点において撮影された３次元の血管画像に基づいて、流速ベクトルを取得することができる。
　また、上記本発明の血流解析装置において、流速ベクトル取得部は、血管領域の数値流体力学(Computational　Fluid　Dynamics)モデル、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法または３次元の超音波画像を用いて流速ベクトルを取得することができる。
　本発明の血流解析方法は、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出し、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得し、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する。
　本発明の血流解析プログラムは、コンピュータを、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する血管領域抽出部と、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する血流ベクトル取得部と、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する逆流特定部として機能させる。
　本発明の他の血流解析装置は、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を備え、プロセッサが、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する処理と、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する処理と、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する処理とを実行するように構成されている。
　本発明の血流解析装置および方法並びにプログラムによれば、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出し、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する。そして、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する。このように流速ベクトルの中心軸方向成分の積分値に基づいて逆流の有無を特定することによって、想定外の箇所に逆流があった場合でも、その逆流箇所をとらえることができ、逆流箇所の見落としリスクを減らすことができる。
本発明の血流解析装置の一実施形態を用いた血流解析システムの概略構成を示すブロック図 血管領域内における流速ベクトルを模式的に示す図 逆流箇所の特定方法を説明するための図 積分値が単調増加または単調減少しない例を示す図 断面毎に積分値を算出した場合の逆流箇所の表示例を示す図 本発明の血流解析装置の一実施形態を用いた血流解析システムの作用を説明するためのフローチャート 複数のボクセル毎に積分値を算出した場合の逆流箇所の表示例を示す図
　以下、図面を参照して本発明の血流解析装置の一実施形態を用いた血流解析システムについて説明する。図１は、本実施形態の血流解析システムの概略構成を示すブロック図である。
　本実施形態の血流解析システムは、具体的には、図１に示すように、血流解析装置１と、医用画像保管サーバ２と、表示部３と、入力部４とを備えている。
　血流解析装置１は、コンピュータに本実施形態の血流解析プログラムをインストールしたものである。 
　血流解析装置１は、中央処理装置（ＣＰＵ（central processing unit））、半導体メモリ、およびハードディスクやＳＳＤ(Solid State Drive)等のストレージデバイスを備えている。ストレージデバイスには、本実施形態の血流解析プログラムがインストールされており、この血流解析プログラムが中央処理装置によって実行されることによって、図１に示す画像取得部１０、血管領域抽出部１１、流速ベクトル取得部１２、逆流特定部１３および表示制御部１４が動作する。
　血流解析プログラムは、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、血流解析プログラムは、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る。そして、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、インストールされる。
　画像取得部１０は、予め撮影された患者の医用画像を取得するものである。３次元医用画像６は、本実施形態においては、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によって撮影された３次元医用画像６を取得する。本実施形態では、患者の心臓（本発明の被写体に相当する）の３次元医用画像６（本発明の血管画像に相当する）を取得する場合について説明するが、これに限らず、肺、肝臓および頭部などその他の臓器でもよい。
　３次元医用画像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、入力部４など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３次元医用画像６を医用画像保管サーバ２から読み出して一時記憶するものである。
　血管領域抽出部１１は、３次元医用画像６から血管領域を抽出するものである。具体的には、本実施形態の血管領域抽出部１１は、心臓の３次元医用画像６から冠動脈の領域を血管領域として抽出する。血管領域抽出部１１は、たとえば心臓の３次元医用画像６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、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、冠動脈の領域を抽出する（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）。また、さらに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、冠動脈を表す木構造のデータを生成し、抽出された冠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、グラフカット法などの公知のセグメンテーション手法を用いて冠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、冠動脈の領域を抽出するようにしてもよい。
　なお、冠動脈の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。
　流速ベクトル取得部１２は、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得するものである。流速ベクトルの取得方法としては、種々の方法を採用することができる。具体的には、たとえば血管領域抽出部１１によって抽出された血管領域を用いてＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）による血流解析を行うことによって流速ベクトルを取得することができる。なお、この際、任意の時点において撮影された３次元医用画像６から抽出された血管領域を用いて血流解析を行うようにしてもよいし、時系列に撮影された３次元医用画像６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ようにしてもよい。
　また、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（3D cine PC MRI）によって撮影されたＭＲＩ画像を取得し、そのＭＲＩ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。
　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。図２は、血管領域Ｂ内における流速ベクトルＶを模式的に示した図である。
　逆流特定部１３は、流速ベクトル取得部１２によって取得された血管領域内の流速ベクトルに基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定するものである。
　逆流特定部１３は、具体的には、図２に示すように、血管領域Ｂの延伸方向に延びる中心軸Ｃを設定し、流速ベクトルＶの中心軸Ｃの方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、その積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する。
　流速ベクトルＶの中心軸Ｃの方向成分については、たとえば図２および図３に示すように、中心軸Ｃ上の各点について、中心軸Ｃに直交する断面Ｓを設定し、その断面Ｓ内の流速ベクトルＶの中心軸方向成分Ｖｃを算出する。そして、中心軸方向成分Ｖｃを時間軸方向に積分した積分値を算出し、その積分値が、単調増加するかまたは単調減少するかを判定する。すなわち、たとえば血管領域内において逆流が生じていない場合には、上述した積分値は単調増加するか、または単調減少する。これに対し、血管領域内において逆流が生じている場合には、流速ベクトルＶの中心軸方向成分Ｖｃが逆方向に変化するので、中心軸方向成分Ｖｃの積分値は、図４ＩまたはＩＩに示すように、単調増加または単調減少とはならない。
　したがって、逆流特定部１３は、中心軸方向成分Ｖｃの積分値が単調増加するかまたは単調減少する場合には、逆流は無いと判定し、中心軸方向成分Ｖｃの積分値が単調増加しないまたは単調減少しない場合には、逆流が有ると判定する。なお、中心軸方向成分Ｖｃの積分値としては、断面Ｓ内の各流速ベクトルＶの中心軸方向成分Ｖｃの積分値の平均値を用いるようにしてもよいし、中央値を用いるようにしてもよい。
　なお、血管領域Ｂの中心軸Ｃに直交する断面Ｓの中心軸方向の設定間隔については、ユーザによって任意の間隔に設定可能である。また、積分値を算出する際の積分期間についても、ユーザによって任意の間隔に設定可能である。本実施形態のように、心臓の血管内を流れる血流の逆流の有無を特定する場合には、積分期間を１心拍の期間とすることが好ましい。
　図１に戻り、表示制御部１４は、逆流特定部１３によって特定された逆流箇所の情報を表示部３に表示させるものである。具体的には、表示制御部１４は、逆流箇所を血管領域の座標軸上にマッピングしたマップ画像を生成し、表示部３に表示させる。図５は、血管領域Ｂの座標軸上に逆流箇所Ｒをマッピングしたマッピング画像の一例を示す図である。本実施形態においては、上述したように血管領域の中心軸に直交する断面を設定し、断面毎に積分値を算出するので、図５に示すように、逆流箇所Ｒは断面単位で表示される。
　また、断面毎に算出される積分値は逆流量を表す。したがって、積分値に応じて表示を変更することによって、逆流量を表す画像とすることができる。この際、全積分期間の積分値に基づいて逆流量を表す画像を生成して表示することによって、静止画として表示するようにしてもよいし、流速ベクトルを時間軸方向に積分する毎に、すなわち積分期間内における各積分過程の積分値毎に、逆流量を表す画像を順次生成して表示することによって、動画として表示するようにしてもよい。
　このように逆流量を表す画像を表示させることによって、直観的に逆流量をとらえることができ、診断や治療の際に役立てることができる。
　図５に示すマップ画像は、積分値が大きいほど濃度を大きくしたマップ画像の一例である。マップ画像としては、カラー表示することが望ましく、その場合には、積分値に応じて色相を変化させたり、彩度を変化させたりすることが望ましい。
　また、マップ画像を３次元医用画像６上に重畳表示させるようにしてもよい。なお、マップ画像を重ね合わせる画像としては、３次元医用画像６に限らず、２次元の断面画像上にマップ画像を重畳表示するようにしてもよい。
　図１に戻り、医用画像保管サーバ２は、各種データを保存して管理するコンピュータであり、大容量記憶装置およびデータベース管理用プログラムを備えている。医用画像保管サーバ２は、予め撮影された３次元医用画像６などをネットワーク経由でＣＴ装置またはＭＲＩ装置などの撮影装置から取得し、大容量記憶装置に保存して管理する。
　入力部４は、ユーザによる種々の設定入力を受け付けるものであり、キーボードやマウスなどの入力デバイスを備えたものである。入力部４は、たとえば患者の識別情報の設定入力などを受け付けるものである。
　次に、本実施形態の血流解析システムの作用について、図６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、その患者の医用画像が画像取得部１０によって取得される（Ｓ１０）。本実施形態においては、上述したように心臓の３次元医用画像６が取得される。
　そして、画像取得部１０によって取得された心臓の３次元医用画像６は、血管領域抽出部１１に入力され、血管領域抽出部１１は、入力された３次元医用画像６から血管領域を抽出する（Ｓ１２）。
　そして、流速ベクトル取得部１２において、たとえば血管領域を用いてＣＦＤにより血流解析が行われ、血管領域内の流速ベクトルが取得される（Ｓ１４）。そして、逆流特定部１３において、血管領域内の流速ベクトルに基づいて、血流の逆流の有無が特定される。具体的には、逆流特定部１３は、上述したように血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、その積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する（Ｓ１６）。
　そして、逆流特定部１３によって特定された逆流箇所の情報が表示制御部１４に出力され、表示制御部１４は、入力された情報に基づいてマップ画像を生成して表示部３に表示させる（Ｓ１８）。
　上記実施形態の血流解析システムによれば、血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出し、血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する。そして、血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、流速ベクトルの中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、積分値の変化に基づいて、血管領域内の血流の逆流の有無を特定する。このように流速ベクトルの中心軸方向成分の積分値に基づいて逆流の有無を特定することによって、想定外の箇所に逆流があった場合でも、その逆流箇所をとらえることができ、逆流箇所の見落としリスクを減らすことができる。
　また、上記実施形態の血流解析システムにおいては、血管領域の中心軸方向に直交する断面毎に流速ベクトルの積分値を算出するようにしたが、これに限らず、血管領域のボクセル毎または複数のボクセル毎に積分値を算出するようにしてもよい。図７は、複数のボクセル毎に積分値を算出し、逆流箇所Ｒ１，Ｒ２を特定してマップ画像を生成した例を示す図である。複数のボクセル毎の積分値としては、たとえば複数のボクセルのそれぞれについて算出された積分値の平均値を用いるようにしてもよいし、中央値などを用いるようにしてもよい。このようにボクセル毎または複数のボクセル毎に積分値を算出することによって、逆流箇所をより詳細に特定することができる。
　また、上記実施形態の血流解析システムにおいては、表示制御部１４が、マップ画像以外の血流を示す指標を表示部３に表示させるようにしてもよい。具体的には、血流を示す指標として、流速ベクトルを表す矢印をマップ画像に重畳表示したり、血流を示す流線または流跡線などをマップ画像に重畳表示したりしてもよい。
　また、上記実施形態の血流解析システムにおいては、３次元医用画像６を用いて逆流箇所を特定するようにしたが、必ずしも３次元的な画像でなくてもよく、２次元の断面画像を用いて、上記実施形態と同様にして流速ベクトルを取得し、その血管領域の中心軸方向成分の積分値の変化に基づいて逆流箇所を特定するようにしてもよい。
１　　血流解析装置
２　　医用画像保管サーバ
３　　表示部
４　　入力部
６　　３次元医用画像
１０　画像取得部
１１　血管領域抽出部
１２　流速ベクトル取得部
１３　逆流特定部
１４　表示制御部
Ｂ　　血管領域
Ｃ　　中心軸
Ｒ　　逆流箇所
Ｒ１，Ｒ２　逆流箇所
Ｓ　　断面
Ｖ　　流速ベクトル
Ｖｃ　流速ベクトルの中心軸方向成分

Claims (16)

  1. 　血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する血管領域抽出部と、
    　前記血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する流速ベクトル取得部と、
    　前記血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、前記流速ベクトルの前記中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、前記積分値の変化に基づいて、前記血管領域内の血流の逆流の有無を特定する逆流特定部とを備えた血流解析装置。
  2. 　前記逆流特定部が、前記積分値が単調増加または単調減少でない場合に、前記逆流が有ると特定する請求項１記載の血流解析装置。
  3. 　前記逆流の箇所を前記血管領域の座標軸上にマッピングしたマップ画像を表示部に表示させる表示制御部を備えた請求項１または２記載の血流解析装置。
  4. 　前記表示制御部が、前記流速ベクトルを予め設定された期間だけ積分した前記積分値を用いて前記マップ画像を生成する請求項３記載の血流解析装置。
  5. 　前記予め設定された期間が、１心拍の期間である請求項４記載の血流解析装置。
  6. 　前記表示制御部が、前記流速ベクトルを時間軸方向に積分する毎に前記マップ画像を時系列に生成して動画として前記表示部に表示させる請求項３記載の血流解析装置。
  7. 　前記表示制御部が、前記マップ画像を２次元または３次元の血管画像に重畳表示させる請求項３から６いずれか１項記載の血流解析装置。
  8. 　前記表示制御部が、前記積分値に基づいて、前記逆流の量の情報を前記表示部にさせる請求項３から７いずれか１項記載の血流解析装置。
  9. 　前記表示制御部が、前記マップ画像以外の血流を示す指標を前記表示部に表示させる請求項３から８いずれか１項記載の血流解析装置。
  10. 　前記血流を示す指標が、前記流速ベクトル、流線または流跡線である請求項９記載の血流解析装置。
  11. 　前記逆流特定部が、前記血管領域のボクセル毎または複数のボクセル毎に前記積分値を算出する請求項１から１０いずれか１項記載の血流解析装置。
  12. 　前記逆流特定部が、前記血管領域の中心軸方向に直交する断面毎に前記積分値を算出する請求項１から１０いずれか１項記載の血流解析装置。
  13. 　前記流速ベクトル取得部が、時系列に撮影された３次元の血管画像または任意の時点において撮影された３次元の血管画像に基づいて、前記流速ベクトルを取得する請求項１から１２いずれか１項記載の血流解析装置。
  14. 　前記流速ベクトル取得部が、前記血管領域の数値流体力学(Computational　Fluid　Dynamics)モデル、３次元シネ位相コントラスト磁気共鳴法または３次元の超音波画像を用いて前記流速ベクトルを取得する請求項１から１２いずれか１項記載の血流解析装置。
  15. 　血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出し、
    　前記血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得し、
    　前記血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、前記流速ベクトルの前記中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、前記積分値の変化に基づいて、前記血管領域内の血流の逆流の有無を特定する血流解析方法。
  16. 　コンピュータを、
    　血管を含む被写体を撮影した血管画像から血管領域を抽出する血管領域抽出部と、
    　前記血管領域内における血流速度および血流方向を表す流速ベクトルを取得する血流ベクトル取得部と、
    　前記血管領域の延伸方向に延びる中心軸を設定し、前記流速ベクトルの前記中心軸の方向成分を時間軸方向に積分した積分値を算出し、前記積分値の変化に基づいて、前記血管領域内の血流の逆流の有無を特定する逆流特定部として機能させる血流解析プログラム。
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