JP4690361B2 - 心臓機能解析装置、方法およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、心臓の機能を表示する心臓機能解析装置、方法およびそのプログラムに関するものである。

従来、複数時相を用いたCT画像を対象と心臓運動解析では、それぞれの時相から三次元画像の中から短軸方向の断面画像（短軸像）を切り出し、対応する位置の断層画像を対象に各時相から心筋壁の輪郭R1,R2,R3,R4を抽出し(図８ａの拡張期の図と図８ｂの収縮期の図を参照)、長軸Ｌの同じ位置の交線上の断面における心筋壁(内腔)の輪郭R1，R3を求め、その差分量を心筋壁運動量とする処理をおこなっている(図８ｃ参照)。この処理を心基部から心尖部までの長軸に直交する各短軸段面位置でおこない、まとめたものを三次元的な解析結果としている。

また、このような心臓運動解析の結果を表す表示方法としてブルズアイ（Bull’s Eye）表示法が用いられている。ブルズアイ表示法は、心臓を楕円体モデルで近似して考えたとき、楕円の長軸を横切る方向に一定の間隔で切ったスライス面を同心円状に配置して表示する手法である。この表示方法は、主に機能画像を対象として用いられ、心筋シンチグラフィ（SPECT）によって直接撮影されたものや、CT/MRIから得られた解析結果から得られた機能を表わすために用いられる（例えば、特許文献１など）。
特開2005-27999公報

しかしながら、上述のCT/MRIから得られた解析結果は、短軸像から中心からの放射方向の動きに注目して求められているが、実際の心臓の動きは膨張や収縮だけでなく回転やねじれも加わるため解析結果は実際の心臓の動きに基づいた心臓の機能を反映したものではなかった。

そこで、本発明では、心臓の機能を正確に評価することが可能な心臓機能解析装置、方法およびそのプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明の心臓機能解析装置は、所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群を記憶するボリュームデータ記憶手段と、
前記３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める位置取得手段と、
該位置取得手段により得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、３次元空間内の各点における心臓の機能を表す機能情報を取得する機能情報取得手段と、
該機能情報取得手段により得られた前記機能情報に応じて前記各点における心臓の運動機能を前記被写体の心臓の形状に合わせて表示する表示手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明のプログラムは、コンピュータを、
所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する各点の位置を求める位置取得手段と、
該位置取得手段により得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、３次元空間内の各点における心臓の機能を表す機能情報を取得する機能情報取得手段と、
該機能情報取得手段により得られた前記機能情報に応じて前記各点における心臓の運動機能を前記被写体の心臓の形状に合わせて表示する表示手段として機能させることを特徴とするものである。

また、本発明の心臓機能解析方法は、所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する各点の位置を求める位置取得ステップと、
該位置取得ステップにより得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、３次元空間内の各点における心臓の機能を表す機能情報を取得する機能情報取得ステップと、
該機能情報取得ステップにより得られた前記機能情報に応じて前記各点における心臓の運動機能を前記被写体の心臓の形状に合わせて表示する表示ステップとを備えたことを特徴とするものである。

「心臓の機能を表す機能情報」とは、心臓の運動機能を評価する指標となるものであって、例えば、心臓の対応する点が移動した変位量や心臓の壁厚や心室の径などから得られるものである。

また、前記機能情報が、前記各点における心筋の厚さから壁厚の変化量または増加率を表すものであってもよい。

また、前記機能情報が、前記各点における拡張期の心室の径と収縮期の心室の径の差を表すものであってもよい。

さらに、前記機能情報が、前記対応する各点の変位量を表すものであってもよい。

さらにまた、前記表示手段が、前記心臓の形状の上に前記機能情報の値に応じて異なる色を各点に配置して表示するものが望ましい。

本発明によれば異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求め、２以上の心臓の対応する各点での心臓の機能を求めて、この動きに応じた心臓の運動機能を被写体の心臓の形状に合わせて表示することにより、単に膨張や収縮だけでなく回転やねじれも加わる実際の心臓の機能を反映した心臓の運動機能を評価することができる。

また、機能を評価するものとして、心臓の対応する点の変位量、心筋の厚さから壁厚の変化量や増加率、拡張期と収縮期の心室の径の差を求めることにより、心臓の運動機能を定量的に表すことができる。

また、表示する際に心臓の形状の上に前記機能情報の値に応じて異なる色を各点に配置して表示することにより、心臓の機能の良いところと悪いところを確認することができる。

以下、図面を参照して本発明の心機能表示装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の心臓機能解析装置の概略構成図である。なお、図１のような心機能表示装置１の構成は、補助記憶装置に読み込まれた心臓機能解析処理プログラムをコンピュータ上で実行することにより実現される。このとき、この心臓機能解析処理プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、コンピュータにインストールされる。

本発明の心臓機能解析装置１は、所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた複数の３次元ボリュームデータ１００からなる３次元ボリュームデータ群１１０を記憶するボリュームデータ記憶手段１０と、２以上の３次元ボリュームデータ１００内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める位置取得手段２０と、２以上の３次元ボリュームデータ１００内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置から、３次元空間内の各点の心臓の機能を表す機能情報を取得する機能情報取得手段３０と、機能情報に応じて各点における心臓の運動機能を被写体の心臓の形状に合わせて表示する表示手段４０とを備える。

３次元ボリュームデータ１００は、診断対象となる心臓などを断層面に垂直な方向に沿って順に得られる２次元の断層像データを積層することによって得られ、CT装置やMRI装置などで撮影された複数の断層画像を重ね合わせて生成される。例えば、CT装置を用いて得られたボリュームデータには、ボクセルごとにＸ線の吸収量を蓄えたデータが得られ、各ボクセルに対して１つの画素値（CT装置で撮影した場合は、Ｘ線の吸収量を示す値）が与えられたデータとなる。

３次元ボリュームデータ群１１０は、複数の３次元ボリュームデータ１００で構成され、例えば、被写体を一定の時間間隔Δｔで撮影を行ない、時間ｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎで撮影した一連の３次元ボリュームデータ１００である。

記憶手段１０は、ハードディスクなどの大容量の記憶装置である。記憶手段１０には３次元ボリュームデータ群１１０が記憶される。

位置取得手段２０は、異なる時間に撮影された２つ以上の３次元ボリュームデータ１００間で、３次元ボリュームデータ１００内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める。

具体的には、時間ｔと時間ｔ＋Δｔの２つの時相の３次元ボリュームデータ１００間で３次元のボリュームデータの画素値が一致するように位置合わせをすることによって、心臓の解剖学的に対応する点の位置を求め、さらに、時間の経過に沿って、２つ以上の時相の３次元ボリュームデータ１００内の位置合わせを順次行うことで、２以上の時相の心臓の解剖学的に対応する点の位置を求めることができる。

位置合わせには、例えば、３次元空間を変形させることで３次元空間内の画像を変形させて位置合わせする手法を用いることができる。まず、図２ａに示すように３次元空間内に、一定の間隔で３次元の格子状にB-Splineの制御点（図２ａの四角）を配置し、この制御点を矢印の方向へ移動させることで、図２ｂのように３次元空間を変形させ、図３に示すような時間ｔにおける心臓の形状（実線）と時間ｔ＋Δｔにおける心臓の形状（破線）が一致するように３次元空間を変形させる（図４参照）。具体的には、２つの画像間の差の自乗が小さくなるような場所を求めるＳＩＤ（squared intensity difference）の手法や、相関係数が高くなるような場所を求めるＣＣ（correlation coefficient）の手法を用いて最も類似した場所を検索して位置合わせを行う。この位置合わせの結果に基づいて心臓の解剖学的に対応する点の位置を求めることができる。ここでは、B-Splineの制御点を移動させることで３次元空間を変形させる場合について説明したが、他の補間式を用いて空間を記述して３次元空間を変形するようにしてもよい。

機能情報取得手段３０は、２以上の３次元ボリュームデータ１００から、心臓の解剖学的に対応する各点から心臓の機能を表す機能情報を取得する。心臓の運動機能は、膨張や収縮を繰り返す心臓の動きによって評価されるが、心臓は中心からの放射方向へ動くだけでなく実施には心臓に回転やねじれが加わって動いている。心臓の機能は、心臓の対応する点が移動した変位量、心室の内径、心筋の厚さなどから評価することができるので、各時相の心臓の対応する点の変位量や心室の内径や心筋の厚さから機能情報を求める。

機能情報としては、具体的には、心壁の対応する各点の変位量、拡張期の心筋の厚さから収縮期の心筋の厚さの差を表した壁厚変化量、拡張期の心筋の厚さをA、収縮期の心筋の厚さをBとした時、B-A/Aで計算された値を表した壁厚増加率、拡張期の心室の径から収縮期の心室の径の差を表した壁運動量などを求める。

表示手段４０は、機能情報に応じて各点における心臓の機能を心臓の形状に合わせて表示する。具体的には、心壁の各点の変位を表す三次元のベクトルのx,y,z成分の大きさに対応して色成分r,g,b成分を割り当てて、実際の心臓の形状の上に、各点の機能情報の値に対応した色を配置して動きの方向を可視化する（図５参照。図5では、色の変わったところをハッチングを変えて表している。）。他の機能情報についても、心壁上の各点の機能情報の値に対応する色を配置して心臓の機能を可視化することができる。このように心臓の形状の上に機能に応じた色を配置することによって、心臓の各位置がどの程度機能しているかを即座に把握することができる。また、色に限らずテクスチャーを変えても表示してもよいし、機能情報を表す数値を心臓の各対応位置の上に表示してもよい。

次に本発明の心臓機能解析装置を用いて心臓の機能を表した画像を生成する処理の流れについて図６のフローチャートに従って説明する。

診断対象となる被写体をCT装置などにより時間間隔Δｔで撮影した３次元ボリュームデータ群１１０をハードディスク（記憶手段１０）に記憶する（S100）。

次に、位置取得手段２０で、これらの３次元ボリュームデータ群１１０内の各３次元ボリュームデータ内の心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める（S101）。心臓の拡張期と収縮期によってねじれが加わるため、心臓の解剖学的に対応する各点は、図７に示すようにねじれた位置に存在する。

そこで、機能情報取得手段３０で、２以上の３次元ボリュームデータ内の心臓の解剖学的に対応する各点の位置、心筋の厚さ、心室の径から、機能情報として各対応する点の変位量・壁厚変化量・壁厚増加率・壁運動量などを求める（S102）。表示手段４０は、機能情報取得手段３０で得られた機能情報の値に応じた色を心臓の形状上の各点に配置した画像を表示する（S103）。

以上、詳細に説明したように、心臓の膨張や収縮だけでなく回転やねじれも加わる実際の心臓の動きを反映して評価された心臓の運動機能を表示することが可能になる。

本発明の心臓機能解析装置の概略構成図 ３次元空間を変形させる方法を説明するための図（その１） ３次元空間を変形させる方法を説明するための図（その２） 位置あわせを説明するための図（その１） 位置あわせを説明するための図（その２） 心臓の形状に合わせて機能情報に応じた色を配置した画像の一例 心臓機能解析装置の処理の流れを説明するための図 心臓の解剖学的に対応する点が動いた位置を表す図 心臓の拡張期の図 心臓の収縮期の図 心臓の拡張期と収縮期の心筋壁の位置と心臓の機能を説明するための図

符号の説明

１ 心臓機能解析装置
２ 表示装置
１０ ボリュームデータ記憶手段
２０ 位置取得手段
３０ 機能情報取得手段
４０ 表示手段
100 ３次元ボリュームデータ
110 ３次元ボリュームデータ群

Claims (4)

1. 所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群を記憶するボリュームデータ記憶手段と、
   前記３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める位置取得手段と、
   該位置取得手段により得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、該対応する各点間の心臓の変位を表わす３次元の変位ベクトルを機能情報として取得する機能情報取得手段と、
   該機能情報取得手段により得られた前記心臓上の各点における変位ベクトルの方向を表すように色を前記心臓の各点に割り当て、前記被写体の心臓の形状上の各点の位置に該各点に割り当てられた色を表示する表示手段とを備え、
   前記表示手段が、前記心臓上の各点に、前記変位ベクトルの方向を表わす色として、該変位ベクトルのｘ、ｙ、ｚ成分の大きさに対応して異なる色成分を割り当てることにより定まる色を割り当てるものであることを特徴とする心臓機能解析装置。
2. 前記表示手段が、前記心臓上の各点に、前記変位ベクトルのｘ、ｙ、ｚ成分の大きさに対応して色成分ｒ、ｇ、ｂを割り当てることを特徴とする請求項１記載の心臓機能解析装置。
3. コンピュータを、
   所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める位置取得手段と、
   該位置取得手段により得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、該対応する各点間の心臓の変位を表わす３次元の変位ベクトルを機能情報として取得する機能情報取得手段と、
   該機能情報取得手段により得られた前記心臓上の各点における変位ベクトルの方向を表すように色を前記心臓の各点に割り当て、前記被写体の心臓の形状上の各点の位置に該各点に割り当てられた色を表示する表示手段として機能させる心臓機能解析プログラムであって、
   前記表示手段が、前記心臓上の各点に、前記変位ベクトルの方向を表わす色として、該変位ベクトルのｘ、ｙ、ｚ成分の大きさに対応して異なる色成分を割り当てることにより定まる色を割り当てるものであることを特徴とする心臓機能解析プログラム。
4. 所定の時間間隔で被写体の心臓を撮影して得られた３次元ボリュームデータ群から心臓の機能を解析する心臓機能解析装置の作動方法であって、
   前記３次元ボリュームデータ群のうちの異なる時に撮影された２以上の３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の解剖学的に対応する点の位置を求める位置取得手段が作動し、
   該位置取得手段により得られた２以上の前記３次元ボリュームデータ内に存在する心臓の前記対応する各点の位置から、該対応する各点間の心臓の変位を表わす３次元の変位ベクトルを機能情報として取得する機能情報取得手段が作動し、
   該機能情報取得手段により得られた前記心臓上の各点における変位ベクトルの方向を表すように色を前記心臓の各点に割り当て、前記被写体の心臓の形状上の各点の位置に該各点に割り当てられた色を表示する表示手段が作動する心臓機能解析装置の作動方法であって、
   前記表示手段が、前記心臓上の各点に、前記変位ベクトルの方向を表わす色として、該変位ベクトルのｘ、ｙ、ｚ成分の大きさに対応して異なる色成分を割り当てることにより定まる色を割り当てるものであることを特徴とする心臓機能解析装置の作動方法。

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