JP2012090722A - 画像処理装置およびプログラム並びに画像診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】心臓再同期療法の有効症例の予測に適した、左心室非同期の評価を安定に行うことができる画像診断装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線ＣＴ装置やＭＲ装置などの画像診断装置において、被検体の心臓の内部構造を表す時系列的な画像に基づいて、心臓の複数の局所領域における心筋壁厚の時間変化を求め（Ｓ５，Ｓ６）、この心筋壁厚の時間変化に基づいて、上記複数の局所領域における心筋壁厚の大きさまたは変化速度が所定の条件、例えば最大となる心位相のばらつきの程度が反映された指標値を算出する（Ｓ７，Ｓ９）。
【選択図】図３

Description

本発明は、心臓の左心室非同期の評価に適した画像処理装置およびそのためのプログラム（program）並びに画像診断装置に関する。

心臓の電気刺激の伝達に異常があると、左心室の少なくとも一部において収縮タイミング（timing）がうまく合わなくなる現象（左心室非同期）が起こり、心臓のポンプ（pump）機能を十分果たせない場合がある。このような場合の治療法として、心臓の異常部分に外部から適切なタイミングで電気刺激を与えて症状を改善する心臓再同期療法（ＣＲＴ；Cardiac
Resynchronization Therapy）が知られている。

しかし、心臓再同期療法の効果が認められない無効症例（non-responder）もかなりの割合で存在することが報告されており、心臓再同期療法の効果が認められる有効症例（responder）の正確な予測は、心臓再同期療法における重要な課題の一つとなっている。

従来、このような有効症例を予測する代表的な方法として、心エコー（echo）による方法、すなわち超音波診断装置を用いた組織ドプラ（Doppler）法やスペックルトラッキング（speckle
tracking）法により心臓の左心室の非同期を評価する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特表２００７−５００５５０号公報

しかしながら、心エコーによる方法では、得られる情報の正確さが操作者の熟練度に依存し、また再現性や客観性が高くない。

このような事情により、心臓の左心室非同期を安定に評価することができる画像処理装置およびそのためのプログラム並びに画像診断装置が望まれている。

第１の観点の発明は、被検体の心臓の内部構造を表す時系列的な画像に基づいて、前記心臓の複数の局所領域における心筋壁厚の時間変化を求める手段と、該心筋壁厚の時間変化に基づいて、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の大きさまたは変化速度が所定の条件となる心位相のばらつきの程度が反映された指標値を算出する手段を備えている画像処理装置を提供する。

第２の観点の発明は、前記指標値が、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚が最大となる心位相のばらつき度である上記第１の観点の画像処理装置を提供する。

第３の観点の発明は、前記指標値が、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の増大方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度である上記第１の観点の画像処理装置を提供する。

第４の観点の発明は、前記指標値が、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の減少方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度である上記第１の観点の画像処理装置を提供する。

第５の観点の発明は、前記指標値が、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚が最大となる心位相のばらつき度、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の増大方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度、および前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の減少方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度のうち少なくとも２つの加算値、平均値、二乗加算値、または二乗平均値である上記第１の観点の画像処理装置を提供する。

第６の観点の発明は、前記ばらつき度が、標準偏差である上記第２の観点から第５の観点のいずれか一つの観点の画像処理装置を提供する。

第７の観点の発明は、前記複数の局所領域が、米国心臓病学会（ＡＨＡ）が提唱しているセグメントモデル（segment model）の少なくとも２つのセグメントである上記第１の観点から第６の観点のいずれか一つの観点の画像処理装置を提供する。

第８の観点の発明は、前記複数の局所領域での心筋壁厚の時間変化を表すグラフ（graph）を生成する生成手段をさらに備えている上記第１の観点から第７の観点のいずれか一つの観点の画像処理装置を提供する。

第９の観点の発明は、コンピュータ（computer）を、上記第１の観点から第８の観点のいずれか一つの観点の画像処理装置として機能させるためのプログラムを提供する。

第１０の観点の発明は、前記被検体を撮影して前記時系列的な画像を得る撮影手段と、上記第１の観点から第８の観点のいずれか一つの観点の画像処理装置とを備えている画像診断装置を提供する。

第１１の観点の発明は、前記撮影手段が、前記被検体をＸ線ＣＴ（Computed tomography）撮影する上記第１０の観点の画像診断装置を提供する。

第１２の観点の発明は、前記撮影手段が、前記被検体をＭＲ撮影する上記第１０の観点の画像診断装置を提供する。

上記観点の発明によれば、時系列的な画像から心臓の複数の局所領域における心筋壁厚の時間変化を求めるので、心臓の収縮運動に関する情報を、操作者の熟練度に依存しないで、正確に、また高い再現性や客観性を持って得ることができる。また、心筋壁厚が最大となる心位相が収縮末期に相当することを利用して、求めた心筋壁厚の時間変化を基に、複数の局所領域における収縮タイミングのばらつきの程度を表す指標値を算出することができる。その結果、心臓の左心室非同期を安定に評価することができる。

本実施形態のＸ線ＣＴ装置の構成ブロック（block）図である。 本実施形態のＸ線ＣＴ装置における左心室非同期評価処理に係る部分の機能ブロック図である。 本実施形態のＸ線ＣＴ装置による左心室非同期評価処理の流れを示すフローチャート（flowchart）である。 心筋壁厚を算出する複数の局所領域としての１７セグメントモデルを示す図である。 心筋壁厚の算出例を示す図である。 時間−壁厚曲線とその１次微分曲線の生成例を示す図である。 補間処理後の時間−壁厚曲線と補間処理後のその１次微分曲線の例を示す図である。 最大駆出速度到達時間（ＴＰＥ）、収縮末期到達時間（ＴＥＳ）、最大充満速度到達時間（ＴＰＦ）の定義を説明する図である。 時間−壁厚曲線のグラフおよび左心室非同期指標値の表示結果の例を示す図である。

以下、図を参照して発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のＸ線ＣＴ装置の構成ブロック図である。このＸ線ＣＴ装置１００は、操作コンソール（console）１、撮影テーブル（table）１０、走査ガントリ（gantry）２０とを具備している。

操作コンソール１は、操作者の入力を受け付ける入力装置２と、画像再構成処理などを実行する中央処理装置３と、走査ガントリ２０で取得した投影データを収集するデータ収集バッファ（buffer）５と、投影データから再構成したＣＴ画像等を表示するモニタ（monitor）６と、プログラムやデータ、ＣＴ画像などを記憶する記憶装置７とを具備している。

撮影テーブル１０は、被検体を載置して走査ガントリ２０のボア（bore）に対し搬入搬出するクレードル（cradle）１２を具備している。クレードル１２は、撮影テーブル１０に内蔵するモータ（motor）で昇降および水平直線移動される。

走査ガントリ２０は、Ｘ線管２１と、Ｘ線コントローラ（controller）２２と、コリメータ（collimator）２３と、Ｘ線検出器２４と、データ収集部ＤＡＳ（Data
Acquisition System）２５と、被検体の体軸の回りにＸ線管２１などを回転させる回転部コントローラ２６と、制御信号などを操作コンソール１や撮影テーブル１０とやり取りする制御コントローラ２９とを具備している。

本実施形態におけるＸ線ＣＴ装置の構成は概ね上記の通りである。この構成のＸ線ＣＴ装置において、投影データの収集は例えば次のように行われる。

まず、被検体を走査ガントリ２０の回転部１５の空洞部に位置させた状態でｚ方向の位置を固定し、Ｘ線管２１からのＸ線ビーム（beam）を被検体に照射し（Ｘ線の投影）、その透過Ｘ線をＸ線検出器２４で検出する。そして、この透過Ｘ線の検出を、Ｘ線管２１とＸ線検出器２４を被検体の周囲で回転させて、投影角度すなわちビュー（view）角度を変化させながら投影データ収集を行う。

検出された各透過Ｘ線は、ＤＡＳ２５でディジタル（digital）値に変換されて投影データとしてデータ収集バッファ５を介して操作コンソール１に転送される。スキャン方式としては、コンベンショナルスキャン（conventional
scan）すなわちアキシャルスキャン（axial scan）や、ヘリカルスキャン（helical scan）を考えることができる。

操作コンソール１は、走査ガントリ２０から転送されてくる投影データを中央処理装置３の固定ディスク（disk）ＨＤＤに格納するとともに、例えば、所定の再構成関数と重畳演算を行い、逆投影処理により断層像を再構成する。ここで、操作コンソール１は、スキャン処理中に走査ガントリ２０から順次転送されてくる投影データからリアルタイム（real
time）に断層像を再構成し、常に最新の断層像をモニタ６に表示させることが可能である。さらに、固定ディスクＨＤＤに格納されている投影データを呼び出して改めて画像再構成を行わせることも可能である。

以下、本実施形態のＸ線ＣＴ装置における左心室非同期評価処理について説明する。

図２は、本実施形態のＸ線ＣＴ装置における左心室非同期評価処理に係る部分の機能ブロック図である。

本実施形態のＸ線ＣＴ装置は、左心室非同期評価処理に係る部分として、投影データ収集部３０１、画像再構成部３０２、心筋輪郭検出部３０３、心筋壁厚算出部３０４、グラフ生成部３０５、特定心位相検出部３０６、局所領域選択部３０７、非同期指標算出部３０８、および表示制御部３０９を有している。

また、図３は、本実施形態のＸ線ＣＴ装置による左心室非同期評価処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに対応するプログラムは、固定ディスク（hard disk）ＨＤＤ等からなる記憶装置７にインストール（install）されている画像処理プログラムに含まれ、中央処理装置３によって実行されるものである。

ステップ（step）Ｓ１では、投影データ収集部３０１が、走査ガントリ２０を制御して、被検体の心臓に対する投影データ収集を行う。本例では、心拍同期によるスキャンを行い、心臓４１ｈの複数ビューの投影データを１心拍分程度収集する。スキャン方式は、アキシャルスキャンやヘリカルスキャンなど、いずれの方式であってもよい。なお、アキシャルスキャンの場合で、心臓がｚ方向の検出器幅内に納まらない場合には、スキャン範囲を分割して複数回のスキャンを行うことにより、心臓全体の投影データを収集する。

ステップＳ２では、画像再構成部３０２が、ステップＳ１で収集された投影データを基に、所定の心位相間隔で画像再構成を行う。本例では、心位相５％の間隔で計２０の各心位相について、心臓４１ｈの各スライス（slice）の画像再構成を行う。例えば、逆投影する投影データのビュー範囲を心位相５％分ずつビュー方向（時間軸方向）にずらしながら画像再構成を繰り返す。これにより、心臓４１ｈに対する計２０の時系列的な３次元画像が得られる。なお、一般的に、画像再構成を行う心位相の間隔が小さいほど、後述する左心室非同期指標値の計算精度は向上する。しかし、この心位相の間隔が小さいと演算量が膨大になるので、現在の計算機の性能を考慮すると、例えば心位相３〜１０％程度の間隔で画像再構成を行うのが妥当である。

ステップＳ３では、心筋輪郭検出部３０３が、ステップＳ２で得られた各心位相の３次元画像ごとに、心筋の輪郭（境界）を検出する。本例では、心位相５％間隔で再構成された計２０の３次元画像について、心臓４１ｈの心筋の内壁および外壁を輪郭として検出する。輪郭の検出方法は、公知の方法、例えば特開平０８−２７９０３３号公報や特開平０６−１８９９３７号公報に開示されている方法を用いることができる。

ステップＳ４では、心筋壁厚算出部３０４が、ステップＳ３で検出された心筋の輪郭を基に、各心位相の３次元画像ごとに、心臓の複数の局所領域における心筋壁厚を算出する。この複数の局所領域は、例えば、米国心臓病学会（ＡＨＡ；American Heart Association）が提唱している１７セグメントモデルや２０セグメントモデルにおける各セグメント（局所領域）とすることができる。

本例では、心位相５％の間隔で再構成された計２０の３次元画像について、局所領域ごとに心筋壁厚を算出する。局所領域は、図４に示すような１７セグメントモデルにおける各セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ１７とする。図４（ａ）は、１７セグメントモデルのポーラー・マップ（polar map）ＰＭである。また、図４（ｂ）は、ｈｚ方向を長軸とする心臓４１ｈの斜視図であり、１７セグメントモデルを用いて複数のセグメントに分割した様子を示している。第１〜第６セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ６は心基部側に相当し、第１７セグメントｓｅｇ１７は心尖部側に相当する。図５に心筋壁厚の算出例を示す。この例では、ある心位相の３次元画像から得られる心臓４１ｈの短軸像を基に、その心位相における心臓４１ｈの第１〜第６セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ６での心筋壁厚ＷＴ１〜ＷＴ６が算出される様子を示している。なお、図５において、ＲＶは右心室、ＬＶは左心室を示している。

ステップＳ５では、グラフ生成部５０５が、ステップＳ４で得られた各心位相における各局所領域の心筋壁厚を基に、局所領域ごとに、時間−壁厚曲線とその１次微分曲線を生成する。図６に時間−壁厚曲線とその１次微分曲線の生成例を示す。この例では、第１〜第３セグメントｓｅｇ１についての各曲線を示しているが、本実施形態の場合、実際には第１〜第１７セグメントすべてについて各曲線を生成することになる。

ステップＳ６では、グラフ生成部５０５が、ステップＳ５で生成された時間−壁厚曲線とその１次微分曲線に対して、時間軸方向の補間処理を行う。心位相３〜１０％程度の間隔で算出された心筋壁厚の１心拍分の時間変化データは、十個から数十個のプロット（plot）で構成される。この場合、図６の例からも分かるように、曲線の滑らかさに欠け、時間分解能が不十分となることが多い。このままでは、これ以降のステップにおける計算精度に問題が生じる可能性があるため、ここでは、補間処理によってデータの連続性や実効的な時間分解能を改善する。補間処理の方法は、公知の補間方法でよいが、高次スプライン（spline）補間やベジェ（bezier）補間などの非線形補間法が望ましい。図７に、補間処理後の時間−壁厚曲線と補間処理後の１次微分曲線の例を示す。図７では、第１〜第３セグメントｓｅｇ１についての心位相５％の間隔のデータを、データ点数すなわちサンプリング（sampling）数が２０倍になるよう補間しており、実効的に心位相０．２５％の間隔のデータに相当する。

ステップＳ７では、特定心位相検出部５０６が、第１〜第１７セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ１７の各セグメントに対して、ステップＳ６で得られた補間処理後の時間−壁厚曲線とその１次微分曲線を基に、最大駆出速度到達時間（ＴＰＥ；Time to peak Ejections）、収縮末期到達時間（ＴＥＳ；Time to peak Systoles）、最大充満速度到達時間（ＴＰＦ；Time
to peak Fillings）を検出する。図８に示すように、ＴＰＥは、心筋壁厚の増大方向の変化速度が最大となる時間（時相）、すなわち１次微分曲線における最大ピークを与える時間である。ＴＥＳは、心筋壁厚が最大となる時間（時相）、すなわち時間−壁厚曲線における最大ピークを与える時間である。また、ＴＰＦは、心筋壁厚の減少方向の変化速度が最小となる時間（時相）、すなわち１次微分曲線における最小ピークを与える時間である。

ステップＳ８では、局所領域選択部５０７が、必要に応じて、操作者が指定した任意のセグメントを、左心室の非同期を評価する指標値（左心室非同期指標値）の算出対象となるセグメントとして選択する。ただし、少なくとも２つ以上のセグメントを選択する。このとき、１７セグメントすべてを選択してもよいし、例えば１７セグメントのうち心尖部の第１７セグメントを除いた領域や、いわゆるアンテリア（anterior）領域等の特定の領域のみを選択してもよい。このように特定の領域のみを指標値の計算対象とすることで、任意の注目心筋の非同期を評価することができる。

ステップＳ９では、非同期指標算出部３０８が、ステップＳ８で選択されたセグメントを算出対象として、左心室非同期の指標値を算出する。具体的には、次の数式１〜３のように、ＴＰＥ，ＴＥＳ，ＴＰＦのセグメント間のばらつき度、例えば標準偏差を、Ｒ−Ｒ間隔（時間）で正規化した値を算出する。Ｒ−Ｒ間隔で正規化することで、心拍に依らず客観的な比較が可能となる。

Ｉｎｄｅｘ＿ＴＰＥ，Ｉｎｄｅｘ＿ＴＥＳ，Ｉｎｄｅｘ＿ＴＰＦは、それぞれ単独で左心室非同期指標値とすることもできるが、これらのうち少なくとも２つの加算値、平均値、二乗加算、二乗平均等を左心室非同期指標値としてもよい。

ステップＳ１０では、表示制御部３０９が、ステップＳ６で生成されたグラフや、ステップＳ７で特定されたＴＰＥ，ＴＥＳ，ＴＰＦの位置、ステップＳ９で算出された左心室非同期の指標値をモニタ６に表示する。

図９に、時間−壁厚曲線のグラフおよび左心室非同期指標値の表示結果の例を示す。図中の破線は、各セグメントの時間−壁厚曲線におけるＴＥＳの位置を示している。図９の例では、左心室非同期指標として、Ｉｎｄｅｘ＿ＴＥＳを表示している。図９（ａ）の例におけるＩｎｄｅｘ＿ＴＥＳは３．３であり、左心室非同期の重篤度が低いと考えられる。一方、図９（ｂ）の例におけるＩｎｄｅｘ＿ＴＥＳは１８．９であり、左心室非同期の重篤度が高いと考えられる。一般的に、左心室非同期の重篤度が低いと、心臓再同期療法の効果が認められる有効症例となる可能性が高く、同重篤度が高いと、同療法の無効症例となる可能性が高いと言われている。したがって、本実施形態によって算出された左心室非同期指標値を参照することで、対象症例が有効症例であるか否かを正確かつ安定に予測できるものと考えられる。

以上、本実施形態によれば、時系列的な画像から心臓の複数の局所領域における心筋壁厚の時間変化を求めるので、心臓の収縮運動に関する情報を、操作者の熟練度に依存しないで正確に、また高い再現性や客観性を持って得ることができる。また、心筋壁厚が最大となる心位相が収縮末期に相当することを利用して、求めた心筋壁厚の時間変化を基に、複数の局所領域における収縮タイミングのばらつきの程度を表す指標値を算出することができる。その結果、心臓の左心室非同期を安定に評価することができる。

また、一般的に、心臓の各局所領域における収縮タイミングを知るための方法としては、心軸から心筋壁までの距離を求める方法が考えられる。この場合、心筋壁だけでなく、心軸も検出することになるが、心軸は実体がない分、心筋壁より検出精度が悪くなることが予想される。一方、本実施形態では、心臓の各局所領域における収縮タイミングを知るための方法として、心筋壁厚を求める方法を採用しているので、心軸から心筋壁までの距離を求める方法よりも、その検出精度がよいため、収縮タイミングをより正確に知ることができる。

また、左心室の非同期を評価する従来法としては、心エコーによる方法の他に、心臓のＳＰＥＣＴ画像から、局所容積の時間変化に基づいて左心室の非同期を評価する方法が知られている（例えば、非特許文献 Quantification of left ventricular regional using ECG-gated
myocardial perfusion SPECT. Ann Nucl Med 2006;20(7):449-456を参照されたい）。しかし、ＳＰＥＣＴ画像による方法では、空間分解能が低く、さらにＳＰＥＣＴ装置による検査費用が高価で検査施設にも限りがある。本実施形態では、Ｘ線ＣＴ装置を用いて左心室非同期を評価しようとしており、Ｘ線ＣＴ装置や心臓ＣＴ検査の普及を考えると、ＳＰＥＣＴ画像による方法と比べて多くの施設で評価が可能である。

また、本実施形態では、左心室非同期指標値も、理論・計算式ともにシンプル（simple）であり、再現性や繰り返し性が高い。

なお、発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更・追加等が可能である。

例えば、本実施形態は、発明をＸ線ＣＴ装置に適用した場合の例であるが、発明をＭＲ装置に適用することも可能である。この場合、心臓の時系列的な画像は、ＭＲ撮影によって取得される。なお、ＭＲ装置やＭＲ装置による心臓検査の普及を考えると、Ｘ線ＣＴ装置と同様、ＳＰＥＣＴ画像による従来法に比べて多くの施設で評価が可能である。

また例えば、本実施形態は、心臓の時系列的な画像を得る撮影手段を含んでいる画像診断装置としているが、撮影手段を含まず、心臓のＸ線投影データ、心臓のＭＲデータ、あるいは心臓の画像を読み込み、そのデータを基に上述の処理を行って左心室非同期指標値を算出する画像処理装置もまた、発明の一実施形態である。さらに、コンピュータをこのような画像処理装置として機能させるためのプログラムもまた発明の一実施形態である。

１…操作コンソール
２…入力装置
３…中央処理装置
５…データ収集バッファ
６…モニタ
７…記憶装置
１０…撮影テーブル
１２…クレードル
１５…回転部
２０…走査ガントリ
２１…Ｘ線管
２２…Ｘ線コントローラ
２３…コリメータ
２４…Ｘ線検出器
２５…データ収集部ＤＡＳ
２６…回転部コントローラ
２９…制御コントローラ
３０…スリップリング
３０１…投影データ収集部
３０２…画像再構成部
３０３…心筋輪郭検出部
３０４…心筋壁厚算出部
３０５…グラフ生成部
３０６…特定心位相検出部
３０７…局所領域選択部
３０８…非同期指標算出部
３０９…表示制御部

Claims (12)

1. 被検体の心臓の内部構造を表す時系列的な画像に基づいて、前記心臓の複数の局所領域における心筋壁厚の時間変化を求める手段と、
   該心筋壁厚の時間変化に基づいて、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の大きさまたは変化速度が所定の条件となる心位相のばらつきの程度が反映された指標値を算出する手段とを備えている画像処理装置。
2. 前記指標値は、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚が最大となる心位相のばらつき度である請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記指標値は、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の増大方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度である請求項１に記載の画像処理装置。
4. 前記指標値は、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の減少方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度である請求項１に記載の画像処理装置。
5. 前記指標値は、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚が最大となる心位相のばらつき度、前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の増大方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度、および前記複数の局所領域における前記心筋壁厚の減少方向の変化速度が最大となる心位相のばらつき度のうち少なくとも２つの加算値、平均値、二乗加算値、または二乗平均値である請求項１に記載の画像処理装置。
6. 前記ばらつき度は、標準偏差である請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の画像処理装置。
7. 前記複数の局所領域は、米国心臓病学会（ＡＨＡ）が提唱しているセグメントモデルの少なくとも２つのセグメントである請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の画像処理装置。
8. 前記複数の局所領域での心筋壁厚の時間変化を表すグラフを生成する生成手段をさらに備えている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の画像処理装置。
9. コンピュータを、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の画像処理装置として機能させるためのプログラム。
10. 前記被検体を撮影して前記時系列的な画像を得る撮影手段と、
    請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の画像処理装置とを備えている画像診断装置。
11. 前記撮影手段は、前記被検体をＸ線ＣＴ撮影する請求項１０に記載の画像診断装置。
12. 前記撮影手段は、前記被検体をＭＲ撮影する請求項１０に記載の画像診断装置。

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