JP2010022667A

JP2010022667A - 脳血流解析装置

Info

Publication number: JP2010022667A
Application number: JP2008188979A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ikeda; 佳弘池田; Naoko Toyoshima; 直穂子豊嶋
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】動脈と被検査領域の造影剤到達時刻の時間差によらず、被検査部位の血液の平均通過時間を安定に算出することにある。
【解決手段】造影剤が投与された被検体関心部位をスキャンして収集した撮影時間の異なる複数の画像を再構成し、この再構成画像から脳組織内血管の脳血流を解析する装置において、複数の再構成画像から被検体の脳組織内の動脈及び被検査部位の時間−造影剤濃度変化を表す動脈曲線、被検査部位曲線を作成する変化曲線作成手段２６Ｃと、この作成された動脈曲線を、被検査部位曲線よりも時間軸負方向へシフトするシフト処理手段２６Ｄと、被検査部位の造影剤到達時刻が前記動脈よりも遅い血流伝達関数モデルに基づき、シフト後の動脈曲線と被検査部位曲線とから被検査部位の血流の平均通過時間を算出する手段２６Ｅとを備えた脳血流解析装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置等に用いられる脳組織内の脳血流解析装置に係り、特に被検体に投与した造影剤の到達時刻により生ずる脳血流解析の影響を回避する脳血流解析装置に関する。

従来、被検体（例えば患者）の脳組織内血管の脳血流を解析する場合、被検体に造影剤を投与した後、造影剤が被検体の関心部位を通過するまで、所定の間隔（ダイナミックインターバルという）でダイナミックスキャンを実施し、連続した複数枚の画像を取り出し、脳血流解析（ＣＴ−パフュージョン（perfusion））を行う方法が提案されている（特許文献１）。

この脳血流解析方法は、造影剤を投与した被検体の例えば頭部（全被検査領域）を反復して撮影し、連続した複数枚のダイナミックＣＴ画像を作成する。そして、作成された複数枚のダイナミックＣＴ画像から被検体頭部の関心部位である動脈毎及び各被検査部位毎のＣＴ値の経時変化を表す時間−濃度（ＣＴ値）曲線を取得し、脳血流の解析を行う方法である。

ここで、脳血流解析としては、ＣＴ値曲線を用いて、脳血流量（ＣＢＰ：脳素組織の毛細血管内の単位体積及び単位時間当りの血流量）、脳血液量（ＣＢＶ：Cerebral Blood Volume：脳組織内の単位体積当りの血液量）、平均通過時間（ＭＴＴ：Mean Transit Time：毛細血管の血液平均通過時間）などを算出する。
特開２００３−１９０１４８号公報

ところで、以上のような脳血流解析方法は、被検体に造影剤を投与した後、造影剤が被検体の関心部位である動脈及び各検査部位を通過するまで、連続的に所定枚数の透過画像を取り込んで再構成し表示する。そして、図７（ａ）に示すようにユーザが頭部１００内の特定の動脈１０１を指定し、同図（ｂ）に示す動脈のＣＴ値の経時変化を表す時間−濃度曲線（動脈の造影剤濃度変化曲線：以下、動脈曲線Ｃａと呼ぶ）及び各被検査部位のＣＴ値の経時変化を表す時間−濃度曲線（被検査部位の造影剤濃度変化曲線：以下、被検査部位曲線Ｃｉと呼ぶ）を作成する。

このとき、通常，造影剤で染まった血液は、心臓、肺を経由し、動脈１０１を通った後、脳組織内の各被検査部位１０２へ流れ込んでいくので、先に動脈１０１に関するＣＴピーク値をもった動脈曲線Ｃａが現れ、この動脈曲線Ｃａとほぼ同じか、それよりも遅れて各被検査部位１０２に関するＣＴピーク値をもった被検査部位曲線Ｃｉが現れる。

因みに、動脈曲線Ｃａと脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉとの関係から脳組織内の血液の平均通過時間ＭＴＴを伝達関数で表すと、模式的には図８に示すように表すことができる。

すなわち、脳動脈曲線Ｃａと脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉが造影剤の投与開始直後にほぼ同じＣＴ値分布で立ち上がった後にほぼ同じピーク値から降下したとき、造影剤の投与開始直後にパルス状となる伝達関数で表すことができる（図８（ａ）参照）。また、脳動脈曲線Ｃａが脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉよりも先にほぼ同じＣＴ値分布で現れたとき、造影剤の投与開始点からある時間経過後にパルス状の伝達関数で表すことができる（図８（ｂ）参照）。また、両曲線Ｃａ，Ｃｉが造影剤の投与開始直後に正負方向に立ち上がり特性を示しながら脳組織内の被検査部位曲線ＣｉのＣＴピーク値が小さくなったとき、それに伴って低いパルス状となる伝達関数で表すことができる（図８（ｃ）参照）。

さらに、脳動脈曲線Ｃａと脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉとの造影剤濃度ピーク到達時刻が離れるに従って、造影剤の投与開始点からある時間経過後に理想的な矩形波の伝達関数で表すことができる（図８（ｄ）参照）。

しかし、脳動脈曲線Ｃａが脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉよりも遅く立ち上がった場合には伝達関数モデルが成立しなくなる（図８（ｅ）参照）。

このことは、何らかの理由により指定動脈１０１に異常が生じている場合、被検査部位１０２に関する被検査部位曲線Ｃｉが先に現れ、その後に指定動脈１０１の脳動脈曲線Ｃａが現れることがある。

本来、被検査部位１０２の血液の平均通過時間ＭＴＴは、造影剤で染まった血液が動脈１０１に達する到達時間とある特定の被検査部位１０２に達する到達時間との時間差から算出されることから、図８（ｅ）のように動脈１０１の曲線Ｃａが被検査部位１０２の被検査部位曲線Ｃｉよりも遅れて現れる場合、被検査部位１０２における血液の平均通過時間の解析精度が大きく低下し、脳血流の解析が不能となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、動脈と被検査領域との造影剤到達時刻の時間差によらず、被検査部位の血液の平均通過時間を安定に算出する脳血流解析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、造影剤が投与された被検体の関心部位をスキャンして得られた撮影時間の異なる複数の画像に基づいて脳組織内の血流を解析する脳血流解析装置において、前記複数の画像から前記被検体の関心部位となる脳組織内の動脈及び被検査部位の時間−造影剤濃度変化を表す動脈曲線及び被検査部位曲線を作成する変化曲線作成手段と、この変化曲線作成手段により作成された動脈曲線を、前記被検査部位曲線よりも時間軸負方向へシフトする動脈曲線シフト処理手段と、前記被検査部位の造影剤到達時刻が前記動脈よりも遅い血流伝達関数モデルに基づき、前記シフト後の前記動脈曲線と前記被検査部位曲線とから前記被検査部位の血流の平均通過時間を算出する手段とを備えた脳血流解析装置である。

本発明によれば、動脈と被検査領域との造影剤到達時刻の時間差によらず、被検査部位の血液の平均通過時間を安定に算出することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るＸ線ＣＴ装置における脳血流解析装置の一実施の形態を示す構成図である。

この脳血流解析装置は、被検体関心部位画像検出装置１０と脳血流解析装置本体部２０とで構成される。

被検体関心部位画像検出装置１０としては、被検体から時系列的に連続する複数枚の画像を発生させるものであって、特定の装置に限定されるものでなく、例えばＸ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータトモグラフィ装置）、シングルフォトンエミッショントモグラフィ装置（ＳＰＥＣＴ装置）、ポジトロンエミッショントモグラフィ装置（ＰＥＴ装置）、ＭＲＩ装置の何れか１つが用いられるが、ここでは便宜上、Ｘ線ＣＴ装置を用いた例について説明する。

Ｘ線ＣＴ装置としては、Ｘ線発生器１１と２次元の検出チャンネルを有するＸ線検出器１２との間に被検体１３（患者）を載置したテーブル１４が配置され、Ｘ線発生器１１から被検体１３の例えば頭部１３ａに向けてＸ線が照射される。

２次元のＸ線検出器１２は、被検体１３の頭部１３ａから透過してくるＸ線透過データを２次元的に検出し、デジタル透過データとして脳血流解析装置本体部２０に送出するか、あるいは脳血流解析装置本体部２０の読み込み指示に従ってデジタル透過データが収集される。

１５はＸ線検出器１２に対して所望の管電圧及び管電流を設定する高電圧発生装置である。

すなわち、被検体関心部位画像検出装置１０は、回転リングにＸ線発生器１１とＸ線検出器１２とを互いに対向するように設置し、テーブル１４上の被検体１３の頭部１３ａを挟んだ状態に設定し、Ｘ線発生器１１からＸ線を照射した状態で回転リングを高速、かつ、回転させつつ、頭部１３ａを透過してくるＸ線透過データを連続的に２次元Ｘ線検出器１２で検出し、異なる投影方向に対応する複数のデジタル的なＸ線透過データを取得する。

脳血流解析装置本体部２０は、コンピュータ装置によって構成され、ハードウエア的には、インターフェース２１、このインターフェース２１に連なるバス２２に各種の機能ユニットが接続されている。

この機能ユニットとしては、透過データ収集指示、画像再構成指示、脳組織内の血流解析処理上必要な各種データの設定、その他各種の制御指示などを入力するキーボード，ポインティングデバイスなどの操作部２３、連続的な複数枚のＸ線透過データを収集し記憶する記憶装置２４、収集したＸ線透過データの再構成画像及び各種の処理画像を表示する画像表示部２５、脳組織内の血流の解析処理を実行するＣＰＵで構成される画像解析処理部２６、ＲＯＭ２７及びＲＡＭ２８などで構成される。

画像解析処理部２６は、記憶装置２４に記憶された被検体１３の関心領域（例えば頭部１３ａ）の複数枚の画像に基づいて、脳組織の血流解析処理用プログラムに従ってかかる部位の組織血流（パフュージョン）の動態を解析処理するものである。

ＲＯＭ２７には脳組織の血流解析処理用プログラムが記憶される。ＲＡＭ２８には画像解析処理部２６で処理される脳組織内血流の解析処理途中、処理結果等の画像、情報を一時的に記憶する。

前記画像解析処理部２６としては、機能的には図２に示すように、連続的な複数枚のＸ線透過データを収集し表示する透過データ収集手段２６Ａと、収集されたＸ線透過データに基づいて画像を再構成する再構成処理手段２６Ｂと、ユーザによって指定された特定の動脈曲線（動脈のＣＴ値の経時変化を表す時間−濃度曲線）及び脳組織内の各被検査部位曲線（各被検査部位のＣＴ値の経時変化を表す時間−濃度曲線）を作成する変化曲線作成手段としてのＣＴ値曲線作成手段２６Ｃと、このＣＴ値曲線作成手段２６Ｃで作成された動脈曲線を時間軸負方向へシフトする動脈曲線シフト処理手段２６Ｄと、血流量算出手段２６Ｅとが設けられている。

なお、被検体関心部位画像検出装置１０が例えばＸ線ＣＴ装置であれば、当該Ｘ線ＣＴ装置自体で透過データ収集手段２６Ａ及び再構成処理手段２６Ｂを実行し、脳血流解析装置本体部２０は、再構成された画像を取得する場合もあり得る。

次に、以上のように構成された脳血流解析装置の作用について、図３を参照して説明する。

まず、被検体関心部位画像検出装置１０により、被検体１３の例えば頭部１３ａの所望断面にダイナミックスキャンが実行される。このスキャンに際して、被検体１３に脳血管透過性を持たないＸ線造影剤を急速投与する。この造影剤は、心臓、肺を経由して脳動脈に流れ込み、この動脈流から脳組織内の各検査部位を通り、脳静脈に流れ出る。

ここで、脳血流解析装置本体部２０は、ユーザが操作部２３から収集指示を入力すると、画像解析処理部２６は、透過データ収集手段２６Ａを実行する。

この透過データ収集手段２６Ａは、前述したダイナミックスキャンにより、一定時間毎又は連続的に被検体１３の頭部１３ａの所望断面における異なる投影方向に対応するＸ線透過データ（生データ）を収集し、記憶装置２４に順次記憶していく（Ｓ１）。

Ｘ線透過データを収集した後、再構成処理手段２６Ｂを実行する。再構成処理手段２６Ｂは、再構成処理用プログラムに従い、収集したＸ線透過データを用いて再構成し、脳血流解析のためのダイナミックＣＴ画像とし、記憶装置２４の所定領域に記憶する（Ｓ２）。

なお、ステップＳ１，Ｓ２による一連の処理は、被検体関心部位画像検出装置１０側でダイナミックＣＴ画像（再構成画像）を作成する場合には、脳血流解析装置本体部２０は、撮影時間の異なる時間的に連続した当該ダイナミックＣＴ画像を所定枚数（例えば４０枚）収集し記憶装置２４の所定領域に記憶するものとする。このダイナミックＣＴ画像は、所望断面における造影剤の挙動情報（時間経過に伴う変化情報）を反映した画像になる。尚、ダイナミックＣＴ画像は、一断面の画像のみではなく、３次元的な空間領域に対応する画像とすることもできる。

画像解析処理部２６は、脳組織内血管の脳血流の解析に必要な条件が整ったとき、ユーザによる脳血流の解析指示を受けると、ＲＯＭ２７から血流解析処理用プログラムを読み出して例えば記憶装置２４に書き込んだ後、血流解析処理用プログラムに従い、ＣＴ値曲線作成手段２６Ｃを実行する。

すなわち、ＣＴ値曲線作成手段２６Ｃは、記憶装置２４から複数枚（例えば４０枚）のダイナミックＣＴ画像を読み出し（Ｓ３）、ノイズ除去等を行った後、画像表示部２５に表示する（Ｓ４）。

そして、複数枚のダイナミックＣＴ画像に対して、ユーザが操作部２３を介して動脈３１の指定有りかを判断し（Ｓ５）、指定有りの場合には当該指定動脈３１に関するＣＴ値（造影剤濃度値）を、画像毎に時系列的に読み取り、指定動脈のＣＴ値の経時変化を表す時間−造影剤濃度曲線である動脈曲線Ｃａを作成し、同様に関心部位である頭部１４の脳組織内の各被検査部位のＣＴ値の経時変化を表す時間−造影剤濃度曲線である被検査部位曲線Ｃｉを作成した後（Ｓ６）、動脈曲線シフト処理手段２６Ｄを実行する。

この動脈曲線シフト処理手段２６Ｄは、ＣＴ値曲線作成手段２６Ｃにより作成された動脈曲線Ｃａ及び被検査部位曲線Ｃｉをそれぞれ解析し、これら動脈曲線Ｃａ、被検査部位曲線Ｃｉから、少なくとも造影剤が指定動脈３１に到達する動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻（開始時刻）ｔａ及び造影剤が被検査部位に到達する被検査部位曲線の立ち上がり時刻（開始時刻）ｔｉを算出する（Ｓ７）。

なお、被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時間の算出は、被検査部位曲線Ｃｉ（ｔ）または当該曲線Ｃｉ（ｔ）における時間方向の微分値ｄＣｉ（ｔ）が予め定める設定値よりも大きくなる時刻を立ち上がり時刻ｔｉとしてもよい。また、時間軸方向に平滑化を行うとか、被検査部位曲線全体や曲線の一部を多項式やガンマ関数などに当てはめ、立ち上がり時刻ｔｉを算出してもよい。

被検査部位曲線Ｃｉ（ｔ）を求めるに際しては、ある特定の画素（ピクセル）における造影剤濃度変化曲線でなくてもよく、例えばある設定領域内の複数の画素の平均値を用いてもよい。

動脈曲線Ｃａ（ｔ）の立ち上がりについても、被検査部位曲線Ｃｉの場合と同様の手法により算出してもよい。

さらに、動脈曲線シフト処理手段２６Ｄは、立ち上がり時刻（開始時刻）ｔａ，ｔｉを算出した後、次のようなシフト方法により動脈曲線Ｃａをシフトする。

（１）動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻ｔａと被検査部位曲線の立ち上がり時刻ｔｉとを比較し、動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻ｔａが被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻ｔｉよりも遅いと判断したとき、動脈曲線Ｃａが被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻ｔｉよりも時間軸負方向のある時刻から立ち上がるように平行移動量ｔｓを算出する（Ｓ８）。

そして、動脈曲線Ｃａを時間時負方向に平行移動量ｔｓ分シフト（平行移動）させることにより、図４（ａ）に示すようなシフトした動脈曲線Ｃａ´を作成する（Ｓ９）。

（２）また、他のシフト方法としては、予めソフト的に動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻ｔａを被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻ｔｉとするか、あるいは当該時刻ｔｉよりも時間軸負方向にシフトするような処理を実施してもよい。このように動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻を、被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻ｔｉよりもｔｄ（≧０）時間軸負方向にシフトする場合、動脈曲線Ｃａのシフト量ｔｓ（＜０の時）は、ｔｓ＝ｔｉ−ｔｄ−ｔａから算出する。

すなわち、予めソフト的にシフト前の動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻を、被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻、あるいは撮影開始時刻まで時間軸負方向へシフトすることが定められている場合、シフト前の動脈曲線Ｃａを被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻、あるいは造影剤投与開始時刻まで時間軸負方向へ平行にシフトする平行移動量を算出し、この算出された移動量に従ってシフト前の動脈曲線を時間軸負方向へシフトし、このシフト後の動脈曲線を作成する。

なお、ｔｓ≧０の時は、ｔｓ＝０とし、動脈曲線Ｃａをシフトしなくてもよい。動脈曲線Ｃａ（ｔ）を時間軸方向にｔｓ分シフトした場合、Ｃａ´（ｔ）＝Ｃａ（ｔ−ｔｓ）となる。

さらに、画像解析処理部２６は血流量算出手段２６Ｅを実行する。この血流量算出手段２６Ｅは、前記被検査部位の造影剤到達時刻が前記動脈よりも遅い血流伝達関数モデル（図４（ｂ）参照）に基づき、デコンボリューション操作により、脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉの平均通過時間ＭＴＴを算出し、また、従来周知の算出方法を用いて血流量を算出する（Ｓ１０）。

なお、造影剤の遅延を考慮したデコンボリューションとして、ＳＶＤ法など伝達関数の形状を規定しない手法を用いるか、あるいは伝達関数モデルに当てはめる場合には図５に示すように遅延時間ｄｅｌａｙをパラメータとして伝達関数モデルに組み入れて解析を行ってもよい。

従って、以上のような実施の形態によれば、少なくとも動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻が被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻よりも遅い場合、動脈曲線Ｃａを被検査部位曲線よりも時間軸負方向の時刻から立ち上がるように平行移動するようにシフトする。そして、被検査部位の造影剤到達時刻が動脈よりも遅い血流伝達関数モデルに基づき、脳組織内の被検査部位曲線Ｃｉの平均通過時間ＭＴＴを算出するので、動脈と被検査領域との造影剤到達時刻の時間差によらず、常に安定に各被検査部位の造影剤平均通過時間ＭＴＴを算出できる。

因みに、動脈曲線Ｃａの立ち上がり時刻が被検査部位曲線Ｃｉの立ち上がり時刻よりも遅いにも拘らず、動脈曲線Ｃａをシフトなし状態とした場合、図６（ａ）に示すように脳血流の解析画像の左側が解析不能となり、真っ赤なマップ（図では薄黒色）となってしまうが、動脈曲線Ｃａをシフトした場合には同図（ｂ）に示すように正常な解析画像を得ることができる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明に係る脳血流解析装置の一実施の形態を示す構成図。図１の画像解析処理部の機能構成を示す図。図１の画像解析処理部の一連の処理の流れを説明する図。シフト後の動脈曲線と被検査部位曲線との関係から得られる伝達関数モデル図。遅延時間ｄｅｌａｙをパラメータとして表した伝達関数モデル図。動脈曲線をシフト無しの状態とシフトした状態の血流解析画像を示す図。従来例を説明する被検体の関心部位と当該関心部位である動脈曲線及び被検査部位曲線との関係を説明する図。動脈曲線と被検査部位曲線との関係から表した模式的な伝達関数モデル図。

符号の説明

１０…被検体関心部位画像検出部、１１…Ｘ線発生器、１２…Ｘ線検出器、１３…被検体、１３ａ…関心部位である頭部、２０…脳血流解析装置本体部、２３…操作部、２４…記憶装置、２５…画像表示部、２６…画像解析処理部、２６Ａ…透過データ収集手段、２６Ｂ…再構成処理手段、２６Ｃ…ＣＴ値曲線作成手段、２６Ｄ…動脈曲線シフト処理手段、２６Ｅ…血流量算出手段。

Claims

造影剤が投与された被検体の関心部位をスキャンして得られた撮影時間の異なる複数の画像に基づいて脳組織内の血流を解析する脳血流解析装置において、
前記複数の画像から前記被検体の関心部位である脳組織内の動脈及び被検査部位の時間−造影剤濃度変化を表す動脈曲線及び被検査部位曲線を作成する変化曲線作成手段と、
この変化曲線作成手段により作成された動脈曲線を、前記被検査部位曲線よりも時間軸負方向へシフトする動脈曲線シフト処理手段と、
前記被検査部位の造影剤到達時刻が前記動脈よりも遅い血流伝達関数モデルに基づき、前記シフト後の前記動脈曲線と前記被検査部位曲線とから前記被検査部位の血流の平均通過時間を算出する手段と
を備えたことを特徴とする脳血流解析装置。
請求項１に記載の脳血流解析装置において、
前記動脈曲線シフト処理手段は、前記シフト前の動脈曲線と前記被検査部位曲線との立ち上がり時刻を算出する立ち上がり時刻算出手段と、この立ち上がり時刻算出手段で算出された前記シフト前の動脈曲線の立ち上がり時刻が前記被検査部位曲線の立ち上がり時刻よりも遅いと判断したとき、前記シフト前の動脈曲線を当該被検査部位曲線の立ち上がり時刻よりも時間軸負方向へ平行にシフト移動する移動量を算出する手段と、この算出された移動量に従って前記シフト前の動脈曲線を時間軸負方向へシフトし、このシフト後の動脈曲線を算出する手段とを有することを特徴とする脳血流解析装置。
請求項１に記載の脳血流解析装置において、
前記動脈曲線シフト処理手段は、予め前記シフト前の動脈曲線の立ち上がり時刻を、前記被検査部位曲線の立ち上がり時刻、あるいは撮影開始時刻まで時間軸負方向へシフトすることが定められている場合、前記シフト前の動脈曲線を前記被検査部位曲線の立ち上がり時刻、あるいは造影剤投与開始時刻まで時間軸負方向へ平行にシフト移動する移動量を算出する手段と、この算出された移動量に従って前記シフト前の動脈曲線を時間軸負方向へシフトし、このシフト後の動脈曲線を算出する手段とを有することを特徴とする脳血流解析装置。