JP4444100B2

JP4444100B2 - 多次元構造の解析方法

Info

Publication number: JP4444100B2
Application number: JP2004512019A
Authority: JP
Inventors: ラッシェ，フォルカー; モファッサギ，ババク; グラス，ミヒャエル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: AU2003232983A8; US7706589B2; EP1514239A2; WO2003105017A3; US20050185831A1; CN1659594A; CN100359534C; WO2003105017A2; AU2003232983A1; JP2005528965A

Description

本発明は、２次元データセットから管状構造を含む多次元構造を解析する方法に関連する。

かかる解析の方法は、非特許文献１から公知である。

公知の方法は、Ｘ線血管造影図のシーケンスの形の２次元データセットからの３次元冠状動脈樹木構造の再構成に関連する。かかる血管造影図は、検査されるべき患者に造影剤を注射し、患者にＸ線源からのＸ線を通すことによって作成される。公知の方法は、患者に対するＸ線源の夫々の向き又はビューにおける２つの標準的なＸ線造影図シネ画像シーケンスの収集を用いる。心臓の対応する位相に関連するこれらのシネ画像の一対が特定される。この一対の特定された対応するシネ画像は、最初の２次元データセットとしての役割を果たす。対応する対の各シネ画像から、数学的な階層的な有向グラフによって表わされる血管階層構造が構築される。続いて、一対の対応するシネ画像のビュー間の空間的な関係を特徴付ける変換が作られる。この変換は、階層的な有向グラフ中の一組の２次元分岐点が与えられているとき、３次元分岐点の最適な推定値として計算される。最適な推定値は、２次元分岐点の組が与えられているとき３次元分岐点の最小自乗誤差として得られる。特に、公知の方法は、Ｘ線源と画像増倍管とを担持する可動ガントリを有するＸ線検査装置によって利用される。ガントリの角度の付け方は、シネ画像の向きを決定する。ガントリの角度の付け方についての不正確な値は、Ｘ線検査装置に記録される。ガントリの角度の付け方の記録された値は、階層的な有向グラフから計算される変換の最初の推定値として用いられる。
エス・ジェイムス・チェン（S. James Chen）、ジョン・ディー・キャロル（John D. Carroll）、ＩＥＥＥ医用画像に関する議事録（Tr. Med. Imag.）、第１９号、（２０００年）、第３１８−３３６頁

本発明は、管状構造の局所的な寸法についてのより正確な結果を生じさせる、管状構造を含む多次元構造の解析の方法を提供することを目的とする。

この目的は、本発明によれば、夫々の所定の投影方向に対する２次元データセットから管状構造を含む多次元構造を解析する方法であって、
２つの夫々の最初の２次元データセット中で管状構造の少なくとも一対の対応する最初の投影された中心点を特定する段階と、
少なくとも１つの更なる２次元データセット中で最初の投影された中心点に対応する少なくとも１つの更なる投影された中心点を特定する段階と、
投影された中心点に対応する管状構造の中心点の３次元空間位置を導出する段階と、
夫々の投影された中心点の近くで最初の２次元データセットの中で及び更なる２次元データセットの中で管状構造の投影されたエッジを特定する段階と、
投影されたエッジ及び所定の投影方向から管状構造の中心点の３次元空間位置における管状構造の局所的な寸法を導出する段階とを有する方法によって達成される。

本発明は、所定の投影方向についての一組の２次元データセットに基づく。特に、これらの２次元データセットは、夫々の所定の投影方向に対するディジタル化されたＸ線画像として形成される。投影方向は、Ｘ線源及びＸ線検出器の予め較正された向きを有するＸ線検査装置によってＸ線投影画像が発生されるにつれて、予め決定される。かかる予め較正されたＸ線検査装置は、国際出願ＥＰ０１／１２７４３号に記載されている。

本発明によれば、２つの最初の２次元データセット中に管状構造の対応する最初の投影された中心点が特定される。これらの投影された中心点は、多次元データセット中の管状構造中の同じ中心点に関連する点で対応する。対応する最初の投影された中心点は、例えば、よく認識された２次元データセット中の特徴に基づいて特定される。例えば、管状構造は、患者の血管系の一部、特に冠状動脈の血管の樹木構造に関連しうる。血管系の投影を表わす２次元データセット中、最初の投影された中心点は、２次元データセットを形成する投影画像中の解剖学的な情報に基づいて正確に特定されうる。特に、適当な解剖学的な特徴は、表示画面上に表示されるときに２次元データセット中でしばしばよく認識される分岐した血管構造の分岐点である。

続いて、管状構造中の中心点の３次元幾何学空間中の位置が、最初の２次元データセットの所定の投影方向及びこれらの最初の２次元データセット中の最初の投影された中心点の場所から計算される。少なくとも１つの更なる投影された２次元データセット中の管状構造の局所的な寸法についての正確な値を得るために、少なくとも１つの更なる投影された中心点が特定される。この更なる投影された中心点もまた、最初の投影された中心点に対応する管状構造中の中心点に対応する。即ち、最初の投影された中心点、並びに、１つ又はいくつかの更なる２次元データセット中の更なる中心点は全て、管状構造中の同じ中心点に関連する。最初の２次元データセット中で、及び更なる２次元データセット中で、管状構造の投影されたエッジは、夫々の２次元データセット中の投影された中心点において局所的に特定される。投影されたエッジを特定するには様々な方法があり、例えばグレー値の輝度値の間の局所的な差に基づいて、又は２次元データセット中の輝度又はグレー値の局所的な勾配に基づいて特定される。これらの投影されたエッジ及び夫々の２次元データセットの所定の投影方向から、特に管状構造の断面寸法といった正確な推定値が計算される。特に、夫々の２次元データセット中の投影されたエッジ及びそれらの所定の投影方向は、局所的には当該の中心点にある管状構造の局所的な断面積の内接多角形を生じさせる。従って、異なる投影方向について使用される２次元データセットが多ければ多いほど、内接多角形の頂点の数は多くなり、内接多角形に基づく管状構造の局所的な断面積の推定値はより正確となる。

本発明の上述の及び他の面について、従属項に定義される実施例を参照して更に詳述する。

望ましくは、最初の２次元データセットの投影方向及び中心点の空間的位置に基づいて、第１のエピポーラ線は、第２の最初の２次元データセットの投影平面と、最初の２次元データセットの投影方向によって広がり管状構造中の当該中心点を含む平面との交差部として計算される。第２の最初の２次元データセット中の最初の投影された中心点は、エピポーラ線上の位置のみを考えればよいため、エピポーラ線上で容易に特定される。更に、エピポーラ線上の投影された中心点は、非常に正確に得られる。第２の最初の２次元データセット中の投影された中心点の位置の正確さは、所定の投影方向の較正の正確さによって決定される。所定の投影方向は、投影された中心点の位置が２次元データセット中の画素寸法よりも遙かに正確に決定されるように構成されうることがわかる。

尚、更なるエピポーラ線は、夫々の投影方向に対する任意の更なる一対の２次元データセットに対して計算されうる。投影された中心点は、特定が容易に行われるようかかるエピポーラ線上に配置され、なぜならばエピポーラ線上の点のみを考慮に入れればよいためである。投影された中心点はまた、投影方向の夫々の対に関連するエピポーラ線の交差部として特定されうる。

本発明による方法の更なる望ましい実施では、冠状構造の投影の投影された中心線が構築される。これらの投影された中心線は、管状構造の局所的な長手軸の投影を表わす。例えば、投影された中心線は、Ｘ線投影画像に投影された当該の血管の内腔に沿った中心軸を表わす。投影された中心線は、個々の２次元データセット中の夫々の連続した投影された中心点から得られる。かかる投影された中心点の連続は、対応する最初の投影された中心点及び更なる投影された中心点に対して上述されたのと同じ方法で取得されうる。投影された中心線は、例えば、個々の２次元データセット中の続く投影された中心点をつなぐことにより見つけられる。個々の２次元データセット中、投影された中心線は、当該の２次元データセット中のデータ値に基づいて補正される。例えば、投影された中心線の補正は、投影された中心線の近傍のデータ値の分布に基づいて、又は、データ値の局所的な勾配、即ちデータ値間の局所的な差に基づいて、又は、投影された中心線の近傍のデータ値の局所的なＨｅｓｓｉａｎマトリックス（即ち局所的な空間的な２次導関数）に基づいて行われうる。従って、投影された中心線に近いデータ値に基づいて、中心線の位置が補正される。結果として、投影された中心線の位置は補正され、より正確となる。従って、管状構造の局所的な寸法の精度は改善される。

特に、管状構造の局所的な寸法は、当該の中心点を通り、補正された投影中心線に対して横向きの、局所的な直径として計算される。このようにして、管状構造の局所的な寸法は、夫々の投影方向で計算される。このように、管状構造の断面の、円形とは異なる複雑な形状が考慮される。

特に投影された中心線に対する正確な結果は、最初の２次元データセットが３０°乃至１５０°の範囲の角度を囲む投影範囲を有する場合に見つけられる。非常に正確な結果は、最初の２次元データセットが約９０°相違する場合に見つけられる。望ましくは、更なる２次元データセットの投影方向は、やはり３０°乃至１５０°の範囲内の角度を囲む。結果として、２次元データセットが取得されるべき投影方向の範囲は、２次元データセットを取得するための時間が減少するよう、完全な１８０°の範囲よりも少ない。更に、最初の２次元データセットの投影方向の間で囲まれる角度は、３０°乃至１５０°の範囲のどこでも選択されえ、特に、当該の角度を９０°に設定するという煩わしさは必要でない。しかしながら、約９０°相違する投影では、投影される管状構造の重なり合い及び縮小は比較的少ないため、対応する中心点は容易に特定されることに留意すべきである。

望ましくは、特に、冠状構造中に（ほぼ）周期的な動きが生ずる場合、２次元データセットの時間ゲーテッド収集が用いられる。時間ゲーテッド収集では、夫々の２次元データセットのデータ値は、管状構造の動きの状態が略同じである連続する時間期間中に取得される。例えば、略同じ動き状態が再び起こる周期的な時点における夫々の投影方向における連続的な２次元データセットである。従って、２次元データセットは、実際上は、夫々の投影方向における管状構造のストロボ表現を生じさせる。例えば、管状構造が患者の心臓の血管系に関連するとき、時間ゲーテッド収集は、ＥＣＧでトリガされた取得によって行われうる。

本発明の方法は、特に検査されるべき患者の血管系に適用されたときは、血管構造の適切な空間的な描出をもたらし、これは医師が患者の血管系を検査するための有用な技術的な手段である。

本発明は更に、請求項７に記載のコンピュータプログラムに関連する。本発明によるコンピュータプログラムは、コンピュータに本発明の方法を実行させることを可能とするようコンピュータのワーキングメモリにロードされうる。コンピュータプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭといったデータ担体上に供給されえ、また、コンピュータプログラムはワールドワイドウェブといったデータネットワークからダウンロードされうる。本発明はまた、請求項８に記載のワークステーションに関連する。ワークステーションは、本発明の方法を実行するようにされ、従って、ワークステーションは、方法の段階を実行するためのプロセッサのハードウエア回路を具備するか、本発明によるコンピュータプログラムはプロセッサのワーキングメモリに記憶される。望ましくは、本発明によるワークステーションは、Ｘ線検査装置からの画像データが２次元データセットとしてワークステーションに供給されるよう、Ｘ線検査装置と共に配置される。

本発明の上述の及び他の面について、以下説明する実施例を参照して、また添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明が用いられるＸ線検査装置を示す図である。Ｘ線検査装置は、内側Ｃアーム１２に取り付けられたＸ線源２及びＸ線検出器３を有する。内側Ｃアーム１２は、内側Ｃアームの平面上にある軸ｚ₄回りに回転しうるよう外側Ｃアームに取り付けられる。軸ｚ₄は、しばしば「プロペラ軸」と称される。外側Ｃアーム１４は、天井から吊り下げられたスリーブ１５内に取り付けられる。スリーブ１５は、スリーブ１５の長軸に対して横方向に延びる軸ｚ₁回りに回転可能であり、本例では軸ｚ₁は垂直である。外側Ｃアーム１４は、Ｘ線源２をＸ線検出器３と共に軸ｚ₃回りに回転させるようスリーブ１５を通って可動であり、従ってプロペラ軸ｚ₄は水平軸ｚ₂に対して角度αに設定されうる。

放射線検査を受けるべき患者といった検査されるべき対象は、患者台４の上に配置される。いくつかの２次元データセットは、夫々の所定の投影方向に従ってＸ線源及びＸ線検出器を位置決めすることにより作成される。所定の投影方向は、プロペラ軸ｚ₄を設定するよう、また、内側Ｃアーム１２をプロペラ軸回りに回転させるよう、外側Ｃアーム１４を変位させることによって達成される。

２次元データセットは、Ｘ線検出器３の入力面に形成されるＸ線投影画像の形で生成される。即ち、検査されるべき患者中のＸ線減衰中の差により、検査されるべき患者を通過したＸ線ビームに空間的な強度の変化が生ずる。これらの空間的な輝度の変化は、Ｘ線検出器３の入力面に形成されるＸ線画像中に異なる輝度値を生じさせる。Ｘ線検出器は、入力面として入力スクリーンを有するＸ線画像増倍器であってもよく、又はＸ線検出器は入力面を形成するＸ線感応センサ素子のセンサマトリクスを含むフラットＸ線検出器であってもよい。望ましくは、Ｘ線画像は、Ｘ線検出器１３の出力回路中に設けられたアナログ・ディジタル変換器においてディジタル化される。これらのディジタル化されたＸ線画像は２次元データセットを形成する。

図２は、本発明の方法で用いられるエピポーラ線に基づく夫々の２次元データセット中の中心点の特定について概略的に示す図である。２つの最初の２次元データセット２１、２２は、検査されるべき患者の心臓を、Ｘ線源２、特にＸ線源の中のＸ線焦点の夫々の位置ｆ^A及びｆ^Bから、Ｘ線により照射することによって形成されるＸ線画像を表わす。従って、Ｘ線画像は、患者の冠動脈血管構造の夫々の投影を示す。Ｘ線吸収性の造影剤が患者の血液に投与されているため、血管のコントラストは強調される。対応する中心点Ｃ_A及びＣ_Bは、夫々の２次元データセット２１、２２中に示される。特に、対応する中心点Ｃ_A及びＣ_Bは、血管構造中の分岐点のように解剖学的に容易に認識されるように選定される。

Ｘ線源の位置ｆ^Cから、Ｘ線画像３の形の少なくとも１つの更なる２次元データセットが得られる。第１及び第２のエピポーラ線Ｅ^A及びＥ^Bが示されている。第１のエピポーラ線Ｅ^Aは、第１の最初の２次元データセット２１の投影方向と更なる２次元データセット２３の投影方向に広がる平面上への、２次元データセット２３に関連付けられるＸ線画像が投影される平面の交差線である。同様に、第２のエピポーラ線Ｅ ^Bは、第２の最初の２次元データセット２２の投影方向と更なる２次元データセット２３の投影方向に広がる平面への、２次元データセット２３に関連付けられるＸ線画像が投影される平面の交差線である。中心点Ｃ_A及びＣ_Bはいずれも患者の血管構造中の同じ中心点に対応するため、更なる２次元データセット２３中の対応する中心点は、両方のエピポーラ線の交点として見つけられる。

図３は、本発明の方法で用いられる、冠状構造の投影されたエッジの特定と、管状構造の局所的な寸法の導出を表わす図である。血管の個々の要素に対しては、各投影中に対応する２次元中心線の点を有する３次元中心線の点が計算される。これらの各点に対して、以下のように２つの半径ベクトル
〔外１〕

が再構成されうる２つのエッジ点対（Ｅ_r，Ｅ_l）が存在する。まず、画像点Ｐ^B _2Dとその対応する焦点ｆ^Bをつなぐ線ｌと、３次元中心線の点Ｐ^o _3Dの間の最小距離が計算される。線Ｌ上の対応する点は、Ｐ^B _3Dとして定義される。３次元中心線の計算に２つ以上の投影が関連している場合、距離は、上述の誤差によりゼロとはならない。Ｐ^B _3Dから垂直に、点Ｅ_r、Ｅ_l及び焦点ｆ^Bによって画成される三角形のエッジを指す２つのベクトルは、探されている半径ベクトル
〔外２〕

である。血管の内腔は、血管の内腔が円形であることを仮定すると、画像中の測定された血管の寸法を用いることにより、単一のビューから推定されうる。２つのビューが収集されると、楕円形の断面が使用されうる。２つよりも多くの投影については、補間が行われる。この推定値の質は、使用される投影の数とともに増加する。

本発明が用いられるＸ線検査装置を示す図である。本発明の方法で用いられるエピポーラ線に基づく夫々の２次元データセット中の中心点の特定を表わす図である。本発明の方法で用いられる管状構造の投影されたエッジの特定及び管状構造のローカルな寸法の導出を表わす図である。

Claims

夫々の所定の投影方向に対する２次元データセットから管状構造を含む多次元構造を解析する方法であって、
２つの夫々の最初の２次元データセット中で前記管状構造の少なくとも一対の対応する最初の投影された中心点を特定する段階と、
少なくとも１つの更なる２次元データセット中で前記最初の投影された中心点に対応する少なくとも１つの更なる投影された中心点を特定する段階と、
前記投影された中心点に対応する前記管状構造の中心点の３次元空間位置を導出する段階と、
夫々の投影された中心点の近くで、前記最初の２次元データセットの中で及び前記更なる２次元データセットの中で、前記管状構造の投影されたエッジを特定する段階と、
前記最初の２次元データセット中及び前記更なる２次元データセット中の前記管状構造の前記投影されたエッジならびに前記最初の２次元データセット及び前記更なる２次元データセットの所定の投影方向から前記管状構造の中心点の３次元空間位置における前記管状構造の局所的な寸法を導出する段階とを有する方法。
前記少なくとも一対の対応する最初の投影された中心点を特定する段階は、
第１の最初の２次元データセット中で第１の最初の投影された中心点を特定すること、
第１のエピポーラ線を、第２の最初の２次元データセットの投影平面と前記最初の２次元データセットの投影方向によって張られる平面の交差部として計算すること、
前記第２の最初の２次元データセット中の前記第１のエピポーラ線上で前記第２の最初の２次元データセット中の第２の最初の投影中心点を特定することを含む、
請求項１記載の多次元構造を解析する方法。
前記２次元データセットのうちの少なくとも１つの中で、一連の投影された中心点が特定され、
前記少なくとも１つの２次元データセット中で、前記一連の投影された中心点から、投影された中心線が導出され、
前記投影された中心線は、前記少なくとも１つの２次元データセット中のデータ値に基づいて補正される、
請求項１記載の方法。
前記管状構造の局所的な寸法は、前記少なくとも１つの２次元データセット中の前記特定された投影されたエッジと前記補正された投影された中心線に対して横向きの方向との交差部から導出される、請求項３記載の方法。
前記最初の２次元データセットは、３０°乃至１５０°の範囲の角度を囲む投影方向を有する、請求項１記載の方法。
前記２次元データセットは、時間ゲーテッド・データ収集によって収集される、請求項１記載の方法。
２つの夫々の最初の２次元データセット中で管状構造の少なくとも一対の対応する最初の投影された中心点を特定し、
少なくとも１つの更なる２次元データセット中で前記最初の投影された中心点に対応する少なくとも１つの更なる投影された中心点を特定し、
前記投影された中心点に対応する前記管状構造の中心点の３次元空間位置を導出し、
夫々の投影された中心点の近くで、前記最初の２次元データセットの中で及び前記更なる２次元データセットの中で、前記管状構造の投影されたエッジを特定し、
前記最初の２次元データセット中及び前記更なる２次元データセット中の前記管状構造の前記投影されたエッジならびに前記最初の２次元データセット及び前記更なる２次元データセットの所定の投影方向から前記管状構造の中心点の３次元空間位置における前記管状構造の局所的な寸法を導出するための命令を含むコンピュータプログラム。
２つの夫々の最初の２次元データセット中で管状構造の少なくとも一対の対応する最初の投影された中心点を特定し、
少なくとも１つの更なる２次元データセット中で前記最初の投影された中心点に対応する少なくとも１つの更なる投影された中心点を特定し、
前記投影された中心点に対応する前記管状構造の中心点の３次元空間位置を導出し、
夫々の投影された中心点の近くで、前記最初の２次元データセットの中で及び前記更なる２次元データセットの中で、前記管状構造の投影されたエッジを特定し、
前記最初の２次元データセット中及び前記更なる２次元データセット中の前記管状構造の前記投影されたエッジならびに前記最初の２次元データセット及び前記更なる２次元データセットの所定の投影方向から前記管状構造の中心点の３次元空間位置における前記管状構造の局所的な寸法を導出するよう構成された、
ワークステーション。