JP2005028121A - 呼吸気ｃｔ画像による換気分布計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】患者個別のデータに対応して肺の３次元的な換気分布を高精度に計測できるようにするとともに、一般臨床への導入を図る。
【解決手段】３次元的に撮像された肺の吸気時ＣＴ画像１および呼気時ＣＴ画像２より肺領域を抽出する。非剛体レジストレーション手法を用いて、吸気時ＣＴ画像１と呼気時ＣＴ画像２との間で、肺領域の位置合せを行なう。この位置合せにより肺領域における変位ベクトル場を求め、求められた変位ベクトル場の各点において発散を計算する。計算された発散により肺の局所換気量を求め、発散を肺領域内において体積積分することにより肺の総換気量を求める。
【選択図】 図１
【解決手段】３次元的に撮像された肺の吸気時ＣＴ画像１および呼気時ＣＴ画像２より肺領域を抽出する。非剛体レジストレーション手法を用いて、吸気時ＣＴ画像１と呼気時ＣＴ画像２との間で、肺領域の位置合せを行なう。この位置合せにより肺領域における変位ベクトル場を求め、求められた変位ベクトル場の各点において発散を計算する。計算された発散により肺の局所換気量を求め、発散を肺領域内において体積積分することにより肺の総換気量を求める。
【選択図】 図１
Description
本発明は、肺の３次元的な換気分布を計測する方法に関し、特にＣＴ（computed tomography）放射線診断システムを用いて３次元的に撮像された肺の呼気時のＣＴ画像および吸気時のＣＴ画像より肺の換気分布を計測するようにした、呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法に関するものである。
気管支喘息、肺気腫などの呼吸器疾患は、気管支肺胞系の構造変化をもたらし、これにより換気障害を引き起こすと考えられている。現在、換気障害の検査は、肺活量計等を用いた呼吸機能検査法により行なわれるのが一般的である。しかし、呼吸機能検査法では、換気量の低下といった肺全体の機能障害については評価し得るものの、肺内の構造変化と機能障害の関係を知ることや、肺内の局所的な機能障害について評価することはできない。肺内の構造変化と機能障害の関係や肺内の局所的な機能障害を検査するには、肺内での３次元的な換気分布を知ることが極めて重要となる。
従来、肺内における換気分布を求める方法としては、ＰＥＴ（positron emission tomography）やＳＰＥＣＴ（single-photon emission computer tomography）などの核医学的検査（下記非特許文献１参照）が知られている。また、近年では、過分極ヘリウムを用いたＭＲＩ（magnetic resonance imaging）、いわゆる過分極ＨｅＭＲＩ（下記非特許文献２参照）も開発されている。また、本発明者らは、肺の３次元モデルに時間軸を加えた４次元肺モデルを用いた換気分布シミュレーション方法（下記非特許文献３参照）を提案している。
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しかしながら、上述したＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学的検査および過分極ＨｅＭＲＩなどの方法は、高額な薬剤や重装備の設備を必要とし、また、換気画像の解像度や再現性に問題があることから、一般臨床で用いられる段階には至っていない。また、４次元肺モデルを用いた換気分布シミュレーション方法は、現時点では計算機内に構築したモデルによるシミュレーションの段階にあり、患者個別のデータに対応した換気分布の解析を行なえる段階には至っていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、患者個別のデータに対応して肺の３次元的な換気分布を高精度に計測することが可能であり、かつ高額な薬剤や設備を必要とせず一般臨床への導入が可能な呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法は、３次元的に撮像された肺の呼気時のＣＴ画像および吸気時のＣＴ画像より肺領域を抽出し、非剛体レジストレーション手法を用いて前記呼気時のＣＴ画像と前記吸気時のＣＴ画像との間で、前記肺領域の位置合せを行ない、該位置合せにより前記肺領域における変位ベクトル場を求め、求められた前記変位ベクトル場の各点において発散を計算し、計算された前記各点における前記発散に基づき前記肺の局所換気量を求めることを特徴とするものである。
上記「発散」とは、任意のベクトル関数をＡ（ｘ，ｙ，ｚ）とするとき、一般的にｄｉｖＡまたはハミルトンの演算子∇を用いて∇・Ａと表記され、下式（１）で定義されるものを意味する。
本発明の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法において、前記局所換気量に基づき、前記肺の換気分布状態を求めるようにしてもよい。あるいは、前記発散の体積積分により前記肺の総換気量を求めるようにしてもよい。
また、前記非剛体レジストレーション手法は、前記位置合せをボクセルベースで行なって、前記変位ベクトル場を求めるボクセルベース非剛体レジストレーション手法とすることができる。この場合、呼吸中の肺の変形を記述するためには、一般的なボクセルベース非剛体レジストレーション手法において用いられている通常の評価関数に替えて、上記変位ベクトル場の発散を記述する発散項を含む評価関数を用いることが好ましい。また、その際、肺実質のボクセルに対応する発散項には負の所定の重みを与え、肺胸膜、血管のボクセルに対応する発散項には正の所定の重みを与えることが好ましい。
本発明の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法によれば、肺の呼気時および吸気時のＣＴ画像より肺領域を抽出した上で、非剛体レジストレーション手法を用いて、呼気時と吸気時のＣＴ画像間で肺領域の位置合せを行なうことにより肺領域における変位ベクトル場を求め、この変位ベクトル場の各点における発散を計算する。
換気による肺内局所の体積変化量は局所換気量とみなすことができ、また、肺内局所の体積変化率は肺領域の変位ベクトル場の局所における発散と略一致するので、変位ベクトル場の各点における発散を計算することにより、肺内の局所換気量を高精度に求めることができる。
また、実際に撮像されたＣＴ画像を用いるので、患者個別のデータに対応した肺の３次元的な換気分布を求めることが可能であり、さらに一般臨床への普及が進んでいるＣＴ装置があれば、他に高額な薬剤や設備を必要とせずに実施することができることから、一般臨床への導入が容易である。
以下、本発明に係る呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る肺の呼吸気ＣＴ画像を示す図で、同図（Ａ）は最大吸気位における肺の吸気時ＣＴ画像、同図（Ｂ）は最大吸気位から空気を１リットル呼出（スパイロメトリで計測）した状態の肺の呼気時ＣＴ画像である。
この実施形態に係る方法では、まず、マルチスライスＣＴ装置を用いて図１に示すように、人（患者）の吸気時ＣＴ画像１および呼気時ＣＴ画像２を撮像する。なお、ＣＴ画像の撮像は、吸気時および呼気時共に３次元的に行われ、各層のＣＴ画像の画素毎に得られたＣＴ値の空間分布は、３次元空間上での格子点を構成するボクセル（ｖｏｘｅｌ）ベースで把握される。
次に、得られた吸気時ＣＴ画像１および呼気時ＣＴ画像２において、肺領域を抽出する。肺領域の抽出方法としては、各画像データから、画素ごとの濃度値をヒストグラム化し、肺領域を閾値処理して抽出する方法や、部分的なヒストグラムを用いて閾値処理し、輪郭をスプライン曲線で近似する方法などを用いることができる。
次いで、吸気時ＣＴ画像１と呼気時ＣＴ画像２との間で、抽出された肺領域の位置合せを行ない、肺領域における変位ベクトル場（位置座標を変数とするベクトル関数）を求める。位置合せの手法としては、上記非特許文献４に開示されているようなボクセルベース非剛体レジストレーション手法を用いることが好ましい。このボクセルベース非剛体レジストレーション手法は、２つの画像間の位置合せをボクセルベースで行なうもので、画素値の類似度が最大で、かつ変形による弾性エネルギが最小となる変位ベクトル場を求めることで達成される。
連続体力学によると、弾性エネルギは、変形テンソルの各成分の２乗和と発散の２乗にそれぞれ固有の弾性係数（ラメ定数、μ，λ）を掛け合わせたもので定義される。しかしながら、通常の画像位置合せの際には、対象の変形は軽度で、容積変化は無視し得ることが想定されているので、上記非特許文献４のボクセルベース非剛体レジストレーション手法で用いられている評価関数では、発散項は取り入れられていない。しかるに、呼吸中の肺の変形は、通常の弾性体の変形と異なり、空気の流出入による容積変化が主体である。したがって、吸気時と呼気時の肺の位置合せを行なう際には、発散項を導入するのが適切である。ところで、通常の物質のラメ定数は正値であり、物質に固有の値をとる。しかるに、呼吸時の肺の容積変化は空気の流出入に伴うものであるため、発散項に負の重みを与えるのが適切である。具体的には、λがμの２／３倍であるときに、等方性の容積変化のエネルギが最小値をとる。肺以外の組織（肺胸膜，血管）は、空気の流出入は起こらないので、λには正の値を与える。なお、肺と肺以外の組織の区別はＣＴ値で（例えば、−２００ＨＵ以下は肺実質、それ以上は肺以外の組織というように）なされる。
なお、吸気時ＣＴ画像と呼気時ＣＴ画像との間では、含気量の変化により画素値（ＣＴ値）が変化するため、この変化を考慮して類似度を構成する必要がある。また、肺のように骨や他の臓器が隣接している領域では、肺領域と骨や他の臓器との間の変位が不連続となる。上記非特許文献４で提案されている弾性エネルギを最小化するアルゴリズムは、位置合せの対象となる領域の変位が連続していることを前提としているので、予め肺領域を抽出しておく必要がある。
次に、求められた肺領域の変位ベクトル場において、各点における発散を計算することにより、肺内の局所換気量を求める。なお、局所換気量とは、肺内の任意の一部領域（局所）内における換気量をいう。本実施形態において局所は、１または互いに隣接する複数のボクセルで構成される。肺領域の変位ベクトル場における各点の発散と肺内の局所換気量との関係は、以下のように説明される。
すなわち、換気は肺内における空気の非圧縮性の移動であり、空気の移動により肺実質が変形する。呼吸に伴う肺実質の変形は、肺を多孔性の弾性体とみなすことにより、弾性体の理論を適用することが可能となる。弾性体における局所変形は、局所における変位ベクトルと変形テンソル（３×３の行列形式）を用いて表すことができ、特に、座標軸の方向を変形テンソルの主方向にとれば、変形テンソルは対角化され、そのトレース（対角成分の和）は、変位ベクトルの発散と一致することが知られている。また、このとき局所における体積変化率は、対角化された変形テンソルのトレースと近似することができる、すなわち、変形による体積の変化率は変位ベクトルＵの発散に一致するとみなすことが可能である。なお、肺血管など、空気の移動のない組織では、変形はしても体積変化は無視し得るため発散は０となる。
図２は変位ベクトルの発散と変形による体積変化との関係を概念的に示す図である。なお、図２において、Ｕは点Ｐにおける変位ベクトルを表し、ｄｘ，ｄｙ，ｄｚは単位立方体のｘ，ｙ，ｚ各座標軸方向の微小変位を示している。このとき、単位立方体の体積変化は、（１＋ｄｘ）・（１＋ｄｙ）・（１＋ｄｚ）−１で求まるが、これは、ｄｘ＋ｄｙ＋ｄｚで近似することができる。したがって、単位立方体の体積変化率は、変位ベクトルＵの発散ｄｉｖＵに一致するとみなせる。
呼吸に伴う肺局所の容積変化が、肺の局所換気量となる。上述したように、変位ベクトル場の局所における発散は局所における体積変化率と略一致するので、吸気時ＣＴ画像１と呼気時ＣＴ画像２との位置合せにより得られた変位ベクトル場における各点の発散を計算することにより、肺の局所換気量を求めることが可能となる。
また、変位ベクトル場における各点の発散を、肺領域内において体積積分（容積積分）することにより、肺の総換気量を求めることが可能となる。図１に示す吸気時ＣＴ画像１および呼気時ＣＴ画像２に基づき、肺の総換気量を求めたところ、０．９９１リットルとなった。この結果は、スパイロメトリによる計測結果と略一致する。
次に、求められた肺の局所換気量に基づき、肺の換気分布状態を求める。図３は肺の一横断面における換気分布状態を可視化した平面画像を示す図であり、図４は肺全体の換気分布状態を可視化した立体画像を示す図である。なお、図４に示す立体画像の作成にあたっては、画像処理におけるボリュームレンダリングの手法を用いている。
図３に示す平面画像３および図４に示す立体画像４は、カラー画像を白黒画像として取り込んだものであるため、判別が難しくなっているが、これらの画像において、黒く見える部分が容積減少部（図３，４において符号５を付してその一部を例示する）であり、やや白く見える部分は容積変化が無い部分（図３，４において符号６を付してその一部を例示する）である。また、図３および図４において、白い曲線で囲まれ少し黒く見える部分が容積増加部（図３，４において符号７を付してその一部を例示する）である。なお、実際の画像は、各部分が異なる色によって識別が容易なように可視化されており、その解像度は高い。
１ 吸気時ＣＴ画像
２ 呼気時ＣＴ画像
３ 平面画像
４ 立体画像
５ 容積減少部
６ 容積変化が無い部分
７ 容積増加部
２ 呼気時ＣＴ画像
３ 平面画像
４ 立体画像
５ 容積減少部
６ 容積変化が無い部分
７ 容積増加部
Claims (5)
- ３次元的に撮像された肺の呼気時のＣＴ画像および吸気時のＣＴ画像より肺領域を抽出し、
非剛体レジストレーション手法を用いて前記呼気時のＣＴ画像と前記吸気時のＣＴ画像との間で、前記肺領域の位置合せを行ない、
該位置合せにより前記肺領域における変位ベクトル場を求め、
求められた前記変位ベクトル場の各点において発散を計算し、
計算された前記各点における前記発散に基づき前記肺の局所換気量を求めることを特徴とする呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法。 - 前記局所換気量に基づき、前記肺の換気分布状態を求めることを特徴とする請求項１記載の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法。
- 前記発散の体積積分により前記肺の総換気量を求めることを特徴とする請求項１または２記載の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法。
- 前記非剛体レジストレーション手法が、前記位置合せをボクセルベースで行なって、前記変位ベクトル場を求めるボクセルベース非剛体レジストレーション手法であることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項記載の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法。
- 前記ボクセルベース非剛体レジストレーション手法において用いられる評価関数は、前記変位ベクトル場の前記発散を記述する発散項を含み、該発散項は、肺実質のボクセルに対応するものに対しては負の所定の重みが与えられ、肺胸膜、血管のボクセルに対応するものには正の所定の重みが与えられることを特徴とする請求項４記載の呼吸気ＣＴ画像による換気分布計測方法。
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