WO2021002478A1 - 診断支援プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
(ある大雑把な範囲のdensity変化の平均)≒(心拍)≒(心臓の変化)≒(心電図)≒(心臓の表面積及び体積の変化)
本明細書では、画像変化の傾向を、同調一致率として説明する。例えば、心筋の領域を検出し、複数のブロック領域に分割し、各フレーム画像におけるブロック領域の平均density(画素値x)を算出する。そして、平均density(画素値x)の最小値から最大値の変化幅(0%~100%)に対する各フレーム画像におけるブロック領域の平均画素値の割合(x’)を算出する。一方、心筋の最小位置から最大位置の変化幅(0%~100%)に対する各フレーム画像の心筋の変化(y)の割合(y’)との比の値(x’/y’)を用いて、比の値(x’/y’)が予め定められた一定の範囲内にあるブロック領域のみを抽出する。
肺野、胸郭、心臓などの動的部位のコントラストは、ラインに沿って一様でない場合がある。その場合はノイズ除去に使用する閾値を変更して、複数回検出処理を行なうことによって、動的部位の形状をより正確に検出することができる。例えば、左肺において、横隔膜のラインのコントラストは、人体内部にいくに従って弱くなる傾向がある。また、心尖部・心基部は動きが小さく、心臓中央部では動きが大きくなるという事情もある。このような場合、ノイズ除去に利用した閾値の設定を変えたり、画素値に異なる係数を乗算することによって、横隔膜の左半分の残りの部分や、心臓の動きの大きい部位や小さい部位を検出することができる。この処理を複数回繰り返すことによって、横隔膜全体の形状を検出したり、心臓全体の形状を検出することが可能となる。このように、本手法によって、横隔膜の位置だけでなく、胸郭や心臓、動的部位の形状について線や面の変化率や変化量を数値化することも可能となり、新たな診断に役立てることができる。
本発明では、上記の「動的部位検出の精緻化」の一態様として、肺野検出の精緻化を図ることが可能である。この処理では、最大肺野と最小肺野を設定した後、その値を用いてその他の肺野を計算する。図11は、本発明における肺野検出方法の一例を示す図である。この方法では、「B-spline曲線」を用いて、「各画像の係数」を表す。図11では、波形Xが、「肺野を示す各画像Lの係数」を表しており、左から右の方向へ、1枚目の画像の係数、2枚目の画像の係数...となっている。図11中の制御点Yを動かすと「各画像の係数」が滑らかに変化する。本発明では、このように、係数のグラフを直接編集することが可能となっている。図11において、「灰色の折れ線Z」は「各画像の画素平均値」を表す。至適条件で撮影すると、肺野の大きさの変化と画素平均値の変化が一致する。ここで、この画素平均値をカーブフィッティングで平滑化して、直接「係数」として用いることもできる。心臓、その他心血管の周波数に携わる臓器についても同様に適用することが可能となる。
図2は、心臓の概略構成を示す断面図である。「心機能」とは、一般的に「血液を体内に循環させる左心室のポンプ機能である」とされている。「虚血性心疾患」、特に、「心筋梗塞」では、患者の予後を推定する上で、心機能解析は重要である。例えば、左室駆出率(EF)の値が低下すると、心臓のポンプとしての出力が低下し、全身に十分な血液を送出することができなくなる。他に、心機能として、左室拡張末期容積(EDV)、左室収縮末期容積(ESV)、1回拍出量(SV)、心拍出量(CO)、心係数(CI)がある。心筋の局所的評価としては、図2Aの軸線Aと直交する平面による断面である図2Bおよび図2Cに示すように、壁厚、壁運動、壁厚変化率等を示した「Bull's eye map」が用いられている。この「Bull's eye map」は、心尖部の断面を円の中央に配置し、その外側へ同心円状に短軸断層像を順に並べ、心基部の断面を最も外側に配置するように表示された画像である。
本実施形態では、以下の指標に基づいて血管拍を解析する。すなわち、心電図や脈拍計等の他のモダリティの計測結果、または肺輪郭から心臓・肺門位置・主要血管を特定し、各部位のdensity/intensityの変化を用いて血管拍を解析する。また、マニュアルで画像上にプロットし、対象部位のdensity/intensityの変化を解析しても良い。そして、心拍または血管拍から得られる心拍要素を用いることも可能である。なお、一拍毎の解析結果を比較し、複数のデータから傾向を解析して、データの確度を高めることが望ましい。また、各部位のdensity/intensityの抽出は、複数回実施したり、一定の範囲に対して行うことで精度を高めることが可能となる。また、心血管拍周波数もしくは周波数帯を入力する方法もある。
データベース(DICOM)から画像を抽出し、上記の心機能解析結果を用いて、心臓領域(特に心筋)を自動検出する。次に、心筋を複数のブロック領域に分けて、各ブロック領域の変化を計算する。ここで、撮影速度に応じてブロック領域の大きさを定めても良い。撮影速度が遅い場合は、あるフレーム画像の次のフレーム画像で対応する部位が特定しにくくなるため、ブロック領域を大きくする。一方、撮影速度が速い場合は、単位時間当たりのフレーム画像数が多いため、ブロック領域が小さくても追従することが可能となる。また、心臓の動きの周期のうちどのタイミングを選ぶかに応じて、ブロック領域の大きさを計算しても良い。ここで、心筋の領域のずれを補正することが必要になる場合がある。その際には、心臓の動きを同定し、また、心臓の輪郭の相対位置を把握し、その動きに基づいて相対的に評価する。なお、ブロック領域が小さすぎると、画像のちらつきが発生する場合がある。これを防止するため、ブロック領域は一定の大きさを有する必要がある。
次に、心筋を複数のブロック領域に分ける手法について説明する。図2Bおよび図2Cは、心筋を、心臓の中心から放射状に分割する手法を示す図である。心臓の領域は、心臓の動きおよび血管の位置関係を同定し、心臓の輪郭の相対的位置を把握し、その動きに基づいて相対的に評価すべきものである。このため、本願発明では、心臓の輪郭を自動検出した後、心筋の領域を複数のブロック領域に分割し、各ブロック領域に含まれる画像の変化の値(画素値)を平均化する。その結果、心臓の形態が時間の経過によって変化しても、注目する領域の経時的変化を追跡することが可能となる。
上記のように解析した心臓の動きの周期および血管拍周期に基づいて、各ブロック領域のdensity/intensityの値や、また、その変化量について、フーリエ解析を実施する。図3Aは、特定ブロックのintensity変化と、それをフーリエ解析した結果を示す図である。図3Bは、心拍に近い周波数成分を抜き出したフーリエ変換結果と、これをフーリエ逆変換して心拍に近い周波数成分のintensity変化を示す図である。例えば、特定ブロックのintensity変化をフーリエ変換(フーリエ解析)すると、図3Aに示すような結果が得られる。そして、図3Aに示した周波数成分から、心拍に近い周波数成分を抜き出すと、図3Bの紙面に対して右側に示すような結果が得られる。これをフーリエ逆変換することによって、図3Bの紙面に対して左側に示すように、心拍の変化に同調したintensity変化を得ることができる。
(2)心拍/病的血流に対応するスペクトルのピークとその近辺の複数の合成波のピークの中間で区切り、スペクトルを抽出する。
(3)心拍/病的血流に対応するスペクトルのピークとその近辺の複数の合成波のスペクトルの谷の部分で区切り、スペクトルを抽出する。
(4)心拍成分(血流成分)から、ある一定の帯域幅に含まれるスペクトルを抽出しても良い。この場合、複数のスペクトルが重なったスペクトルが得られるが、各成分を分離することで、各スペクトルを復元することが可能となる。
心臓、血管、脳波、その他検査にて一定の波形として認識されるものについて波形解析を行なう。足の動きなど、一定の状態で繰り返される動作を含む。また、繰り返し行なわれる動作のHzを重ねて同じ傾向があるのかどうかを解析する。波形データを比較し、2つのデータの一致率を算出する。そして、フーリエ解析後のデータを比較する。
なお、上述したフーリエ解析の代わりに、ディジタルフィルタを用いることも可能である。ディジタルフィルタは、信号の周波数成分を調整するために、信号の周波数成分を抽出する数学のアルゴリズムである「高速フーリエ変換および逆高速フーリエ変換」に基づいて、時間領域と周波数領域との変換を行なうものである。これにより、上述したフーリエ解析と同様の効果を得ることが可能となる。
上記のように解析した結果を、視覚化および数値化する。standard uptakeとして、計測された心臓の領域全体のdensity/intensityから平均値を1として相対的/対数的に値を表示することがある。また、血流の方向だけを採用するため、特定方向への変化を切り出すことがある。これにより、意味のある方法のデータだけを取り出すことが可能となる。心臓の領域の同定結果を用いて、解析範囲の変化に追従して疑似カラー化を行なう。すなわち、フェーズに合わせた特定の形(最小、最大、平均、中央値)に沿って、各個人(被写体)の解析結果を相対的な領域に当てはめる。また、複数の解析結果を比較できる特定の形状・フェーズに変形させる。
本明細書では、ベジエ曲線および直線の組み合わせを用いて心臓の輪郭を仮に描画し、合致性が高くなるように、心臓を調整する手法を採用する。例えば、心臓の輪郭を4本のベジェ曲線と1本の直線で表現すると、心臓の輪郭上の5点と、制御点4点を求めることで、心臓の輪郭を描画することが可能になる。点の位置をずらして、複数の心臓の輪郭を描画し、“輪郭内のdensityの合計値が最大になる”、“輪郭線の内側と外側の数ピクセルのdensity合計の差分が最大になる”等の条件を用いて合致性を評価することで、心臓の輪郭を精度高く検出することができるようになる。なお、古典的な二値化による輪郭抽出により、外縁に近い点を抽出し、最小二乗法等を利用して、ベジェ曲線の制御点位置を調整することも可能である。なお、以上の手法は、心臓に限定されるわけではなく、「臓器の検出」として、他の臓器にも適用可能である。また、平面的な画像のみならず、立体的な画像(3D画像)についても適用可能である。曲面の方程式を定義し、その制御点を設定することによって、複数の曲面で囲まれた対象物を臓器と推定することが可能となる。
次に、本実施形態に係るフーリエ解析を用いた心機能解析について説明する。図4は、本実施形態に係る心機能解析の概要を示すフローチャートである。基本モジュール1がデータベース15からDICOMの画像を抽出する(ステップS1)。ここでは、少なくとも、一心拍内に含まれる複数のフレーム画像を取得する。次に、取得した各フレーム画像において、少なくとも心筋のある一定領域における画素値の変化、例えば、密度(density/intensity)の変化を用いて、心臓の動きの周期を特定する(ステップS2)。次に、心臓(心筋)の領域を検出し(ステップS3)、検出した心筋を複数のブロック領域に分割する(ステップS4)。ここでは、上述したように、ボロノイ分割(ティーセン分割)を用いて、心筋を心臓の中心から放射状に分割する。そして、各フレーム画像における各ブロック領域の画素値の変化を計算する(ステップS5)。ここでは、各ブロック領域内での変化の値を平均化し、1つのデータとして表現する。
(2)心拍/血流に対応するスペクトルのピークとその近辺の複数の合成波のピークの中間で区切り、スペクトルを抽出する。
(3)心拍/血流に対応するスペクトルのピークとその近辺の複数の合成波のスペクトルの谷の部分で区切り、スペクトルを抽出する。
次に、本実施形態に係るディジタルフィルタを用いた機能解析について説明する。図5は、本実施形態に係る心機能解析の概要を示すフローチャートである。ステップS1からステップS5までと、ステップS7からステップS9までは、上述した「フーリエ解析を用いた心機能解析」と同様であるため、説明を省略する。図5のステップT1において、ディジタルフィルタ処理を行なう(ステップT1)。ディジタルフィルタは、信号の周波数成分を調整するために、信号の周波数成分を抽出する数学のアルゴリズムである「高速フーリエ変換および逆高速フーリエ変換」に基づいて、時間領域と周波数領域との変換を行なうものである。これにより、上述したフーリエ解析と同様の効果を得ることが可能となる。
次に、本実施形態に係る同調一致率を用いた心機能解析について説明する。図6は、本実施形態に係る心機能解析の概要を示すフローチャートである。ステップS1からステップS5までと、ステップS7からステップS9までは、上述した「フーリエ解析を用いた心機能解析」と同様であるため、説明を省略する。図6のステップR1において、同調一致率の解析を行なう(ステップR1)。すなわち、心臓(心筋)の領域を検出し(ステップS3)、心筋を複数のブロック領域に分割した後(ステップS4)、各フレーム画像におけるブロック領域の平均density(画素値x)を算出し、平均density(画素値x)の最小値から最大値の変化幅(0%~100%)に対する各フレーム画像におけるブロック領域の平均画素値の割合(x’)を算出する(ステップS5)。一方、心臓の表面積(または体積)の最小から最大の変化幅(0%~100%)に対する各フレーム画像の心臓の変化(y)の割合(y’)との比の値(x’/y’)を算出する(ステップS5)。これらを用いて、比の値(x’/y’)が予め定められた一定の範囲内にあるブロック領域のみを抽出することができる(ステップR1)。
3 心機能解析部
5 血流解析部
7 その他の血流解析部
9 フーリエ解析部
10 波形解析部
11 視覚化・数値化部
13 入力インタフェース
15 データベース
17 出力インタフェース
19 ディスプレイ
Claims (24)
- 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記各フレーム画像間の臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化をフーリエ変換する処理と、
前記フーリエ変換後に得られるスペクトルのうち、臓器の動きの周波数に対応するスペクトルを含む一定の帯域内のスペクトルを抽出する処理と、
前記一定の帯域から抽出したスペクトルに対して逆フーリエ変換する処理と、
前記逆フーリエ変換後の各画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を複数のブロック領域に分割し、前記各フレーム画像におけるブロック領域の画像の変化を計算する処理と、
前記各フレーム画像における各ブロック領域の画像の変化をフーリエ変換する処理と、
前記フーリエ変換後に得られるスペクトルのうち、臓器の動きの周波数に対応するスペクトルを含む一定の帯域内のスペクトルを抽出する処理と、
前記一定の帯域から抽出したスペクトルに対して逆フーリエ変換する処理と、をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記各フレーム画像間の臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記画像中の臓器の状態を特徴づける周期的な変化の周波数に対応して変化する画素をディジタルフィルタで抽出する処理と、
前記ディジタルフィルタで抽出された画素を含む画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 臓器の画像を複数のブロック領域に分割し、前記各フレーム画像におけるブロック領域の画像の変化を計算する処理と、
前記ブロック領域毎に、前記画像中の臓器の動きの周波数に対応して変化する画素をディジタルフィルタで抽出する処理と、をさらに含むことを特徴とする請求項3記載の診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記各フレーム画像間の臓器の状態を特徴づける周期的な変化率を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化率に対応する色彩を選定する処理と、
前記画素値の変化率に前記選定した色彩を付して前記画像をディスプレイに表示する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 臓器の画像を複数のブロック領域に分割し、前記各フレーム画像におけるブロック領域の画像の変化率を計算する処理と、
前記ブロック領域毎に、前記画素値の変化率に対応する色彩を選定する処理と、をさらに含むことを特徴とする請求項5記載の診断支援プログラム。 - 人体の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記取得したすべてのフレーム画像について、解析範囲を定義する処理と、
解析範囲をボロノイ分割の手法を用いて複数の領域に分割する処理と、
前記分割された各領域について、周期的な変化に対して行われるいずれかの演算を実行する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人体の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記取得したすべてのフレーム画像について、解析範囲を定義する処理と、
解析範囲を複数の領域に分割する処理と、
前記分割された各領域について、周期的な変化の指標に基づいて、前記各領域を分類する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
複数のフレーム画像内の各画素の絶対的位置関係を維持した状態で、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化をフーリエ変換する処理と、
前記フーリエ変換後に得られるスペクトルのうち、臓器の動きの周波数に対応するスペクトルを含む一定の帯域内のスペクトルを抽出する処理と、
前記一定の帯域から抽出したスペクトルに対して逆フーリエ変換する処理と、
前記逆フーリエ変換後の各画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
複数のフレーム画像内の各画素の絶対的位置関係を維持した状態で、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記画像中の臓器の状態を特徴づける周期的な変化の周波数に対応して変化する画素をディジタルフィルタで抽出する処理と、
前記ディジタルフィルタで抽出された画素を含む画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
複数のフレーム画像内の各画素の絶対的位置関係を維持した状態で、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化率に対応する色彩を選定する処理と、
前記画素値の変化率に前記選定した色彩を付して前記画像をディスプレイに表示する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 複数のフレーム画像を複数のグループに分類し、各グループに属する複数のフレーム画像内の各画素の絶対的位置関係を維持した状態で、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出することを特徴とする請求項9から請求項11のいずれかに記載の診断支援プログラム。
- 隣接するフレームであるかどうかを問わず、前記各フレーム画像間で、前記臓器を示す画素の相対的位置関係を維持した状態で、前記各フレーム画像におけるブロック領域の画像の変化を計算することを特徴とする請求項2、請求項4または請求項6記載の診断支援プログラム。
- X線によって撮影されたフレーム画像中、特定の領域の透過度から、変化した透過度を一定の形に戻す処理をさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載の診断支援プログラム。
- MRIによって撮影されたフレーム画像中、MRIの磁場が不均一である領域の信号値を補正し、磁場が均一であった場合に得られる画像に変換する処理をさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載の診断支援プログラム。
- 隣接するフレームであるかどうかを問わず、前記各フレーム画像間で、前記臓器全体の変化の態様から変化率を算出し、算出した変化率に基づいて、前記特定のブロック領域の画像の変化を計算することを特徴とする請求項2、請求項4または請求項6記載の診断支援プログラム。
- 前記変化率は、前記臓器におけるブロック領域の位置に応じて変化し、または前記臓器全体で一定であることを特徴とする請求項16記載の診断支援プログラム。
- 前記臓器の大きさが最大となるときの最大外縁を設定する処理と、
前記臓器の大きさが最小となるときの最小外縁を設定する処理と、
前記最大外縁および前記最小外縁を用いて、各画像におけるその他の大きさの臓器の外縁の係数を算出する処理と、
前記各画像の臓器の外縁の係数に対応する波形および前記波形の制御点をグラフ上に表示する処理と、を含み、
前記制御点の位置を変動させることによって、各画像の係数を変化させることを特徴とする請求項1から請求項17のいずれかに記載の診断支援プログラム。 - 前記グラフ上に、前記臓器の画像の画素平均値を表示することを特徴とする請求項18記載の診断支援プログラム。
- 前記臓器の画像を前記グラフと並置して表示することを特徴とする請求項18または請求項19記載の診断支援プログラム。
- 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
前記各フレーム画像における人間の臓器の画像を複数のブロック領域に分割する処理と、
前記各フレーム画像におけるブロック領域の画像の変化を計算する処理と、
前記各ブロック領域の変化値をフーリエ変換する処理と、
周波数成分の構成比に基づいて、各領域を色分けする処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
特定のフレーム画像内の各画素に対して、次以降のフレーム画像内で前記各画素とは異なる座標を有する画素を抽出し、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化をフーリエ変換する処理と、
前記フーリエ変換後に得られるスペクトルのうち、臓器の動きの周波数に対応するスペクトルを含む一定の帯域内のスペクトルを抽出する処理と、
前記一定の帯域から抽出したスペクトルに対して逆フーリエ変換する処理と、
前記逆フーリエ変換後の各画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
特定のフレーム画像内の各画素に対して、次以降のフレーム画像内で前記各画素とは異なる座標を有する画素を抽出し、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記画像中の臓器の状態を特徴づける周期的な変化の周波数に対応して変化する画素をディジタルフィルタで抽出する処理と、
前記ディジタルフィルタで抽出された画素を含む画像を出力する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。 - 人間の臓器の画像を解析し、解析結果を表示する診断支援プログラムであって、
複数のフレーム画像を取得する処理と、
特定のフレーム画像内の各画素に対して、次以降のフレーム画像内で前記各画素とは異なる座標を有する画素を抽出し、臓器の状態を特徴づける周期的な変化を算出する処理と、
前記臓器の状態を特徴づける周期的な変化率に対応する色彩を選定する処理と、
前記画素値の変化率に前記選定した色彩を付して前記画像をディスプレイに表示する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする診断支援プログラム。
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