JP6975235B2 - 生物物理的シミュレーション用の血管樹標準化及び／又はプルーニングされた部分用の拡張シミュレーション - Google Patents
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Description
以下は、概して、部分冠血流予備量比（ＦＦＲ）、瞬時血流予備量比（ｉＦＲ）、流動シミュレーション及び／又は他の生物物理学的シミュレーション等といった生物物理学的シミュレーションに関し、より具体的には、生物物理学的シミュレーション用の血管樹標準化、及び／又は、標準化の間に、血管樹からプルーニングされた（剪定された、枝刈りされた）血管の一部用の生物物理学的シミュレーションの拡張に関し、部分冠血流予備量比−コンピュータ断層撮影（ＦＦＲ−ＣＴ）への特定の応用を用いて説明される。しかし、以下は、Ｘ線、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）及び／若しくは他の撮像モダリティを含む他の撮像モダリティ並びに／又は他の生物物理学的シミュレーションにも適している。
冠動脈疾患は、世界で最大死因の一つである。部分冠血流予備量比（ＦＦＲ）は、ＦＦＲ指数を介して、石灰化プラーク又は軟質プラークによる冠動脈病変の血行動態的意義を定量化するための、カテーテル検査室（Ｃａｔｈ Ｌａｂ）における確立した侵襲的処置である。この指数は、冠動脈造影中に行われた圧力測定から計算される冠動脈狭窄の機能的重症度を示し、充血状態下での（小孔近くの）近位血圧に対する（狭窄の後ろの）遠位血圧として規定される。つまり、ＦＦＲ指数は、狭窄がないと仮定した場合の最大流量と比較される狭窄がある場合の血管を流れる最大流量を表す。ＦＦＲ値は、０から１の絶対数であり、値０．５０は、所与の狭窄が５０％の血圧低下を引き起こすことを示す。
ＦＦＲは、大腿動脈又は橈骨動脈へのカテーテルの挿入と、狭窄へのカテーテルの前進とを必要とするという点で侵襲的処置であり、狭窄では、カテーテルの先端にあるセンサが、血管形状、伸展性及び抵抗並びに／又は他の特性に影響を与える様々な薬品によって促進された状態の間、狭窄における圧力、温度及び流量を感知する。ＦＦＲ−ＣＴは、標準的な心臓ＣＴ血管造影図（ＣＣＴＡ）に基づく侵襲的ＦＦＲの非侵襲的シミュレーションに基づく代替である。この手法は、冠動脈を通る血液の流量及び圧力がシミュレートされる計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを介して、ＦＦＲ指数を推定する。１つのシミュレーション手法では、あいにく、心臓セグメンテーション、冠動脈セグメンテーション、ＦＦＲシミュレーションを含む処理のために、ＣＣＴＡをオフサイトの中央データセンタに送る必要があり、これは結果を遅らせることがある。
従来のＣＴＡスキャンにおける自動的にセグメント化される冠動脈の長さは、有効画像解像度及び冠動脈における良好な造影剤取り込みに依存する。更に、冠動脈樹の抽出を誘導する人間のオペレータによる半自動セグメンテーションでは、人間のオペレータの能力及び努力もまた、抽出される血管の数及び長さに強く寄与する。ＦＦＲ−ＣＴ予測に使用される患者固有の生物物理学的モデルの境界条件は、通常は画像に見えない微小血管系の影響をシミュレートすると考えられている。境界条件は、通常、冠動脈セグメンテーションの遠位端に適用される。母集団平均及び／又はスケーリング則を使用して、境界条件が作成される。したがって、境界条件は、血管の局所的な大きさ及び幅に依存し、結果として、オペレータ、画像解像度等にも依存する。あいにく、これは、ＦＦＲ−ＣＴシミュレーションの再現性及び信頼性を制限する可能性がある。
本明細書において説明される態様は、上記問題及び他の問題に対処する。
一態様では、コンピューティングシステムは、ボリュメトリック画像データからセグメント化されたセグメント化血管樹及び所定のプルーニング規則セットから、標準化血管樹を決定するセグメンテーション標準化器、及び、標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行う生物物理学的シミュレータを含むコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読記憶媒体を含む。コンピューティングシステムは更に、ボリュメトリック画像データからセグメント化されたセグメント化血管樹及び所定のプルーニング規則セットから、標準化血管樹を決定するように、セグメンテーション標準化器を実行し、また、標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行うように、生物物理学的シミュレータを実行するプロセッサを含む。コンピューティングシステムは更に、標準化血管樹と生物物理学的シミュレーションの結果とのうちの少なくとも１つを表示するディスプレイを含む。
別の態様では、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピューティングシステムのコンピュータプロセッサによって実行されると、コンピュータプロセッサに、所定のプルーニング規則セットを使用して、ボリュメトリック画像データからセグメント化されたセグメント化血管樹から、標準化血管樹を決定するセグメント化標準化器を実行させ、標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行う生物物理学的シミュレータを実行させ、標準化血管樹と生物物理学的シミュレーションの結果とのうちの少なくとも１つを表示するディスプレイモニタを介して表示させるコンピュータ可読命令が符号化されている。
別の態様では、方法は、所定のプルーニング規則セットを使用して、セグメント化血管樹を標準化して、標準化血管樹を作成するステップを含む。方法は更に、標準化血管樹について、生物物理学的シミュレーションを行うステップを含む。方法は更に、生物物理学的シミュレーションの結果を表示するステップを含む。
当業者であれば、添付の説明を読んで理解すると、本願の更に他の態様を認識するであろう。
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、並びに、様々なステップ及びステップの配置で形を取ることができる。図面は、好適な実施形態を例示することのみを目的としており、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
以下は、概して、生物物理学的シミュレーション用の血管樹標準化、及び／又は、標準化の間に、血管樹からプルーニングされた（剪定された、枝刈りされた）血管の一部用の生物物理学的シミュレーションの拡張に関する。簡潔さ及び説明のために、以下は、ＦＦＲ−ＣＴの非限定的な例への特定の応用を用いて説明される。しかし、当然ながら、標準化された血管樹は、血管樹又は他の樹木構造を使用する応用に使用することができる。
図１は、ＣＴスキャナといった撮像システム１００を概略的に示す。撮像システム１００は、通常固定されているガントリ１０２と、固定ガントリ１０２によって回転可能に支持され、Ｚ軸の周りで検査領域１０６の周りを回転する回転ガントリ１０４とを含む。カウチといった被験者支持体１０８が、検査領域１０６内の物体又は被験者を支持する。
Ｘ線管といった放射線源１１０が、回転ガントリ１０４によって回転可能に支持され、回転ガントリ１０４と共に回転し、検査領域１０６を横断する放射線を放出する。放射線感受性検出器アレイ１１２が、検査領域１０６を横断して放射線源１１０の反対側に角度のついた弧を成す。放射線感受性検出器アレイ１１２は、検査領域１０６を横断する放射線を検出し、各検出された光子について放射線を示す信号を生成する。
再構成器１１４が、投影データを再構成し、検査領域１０６内の被験者又は物体のスキャンされた部分を示すボリュメトリック画像データを生成する。汎用コンピューティングシステム又はコンピュータが、オペレータコンソール１１６として機能する。コンソール１１６は、モニタといった人間が読み取り可能な出力デバイスと、キーボード、マウスといった入力デバイスとを含む。コンソール１１６に常駐するソフトウェアは、オペレータが、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）又は他の方法でスキャナ１００とインタラクトし及び／又はスキャナ１００を操作することを可能にする。
セグメンタ１１８が、ボリュメトリック画像データからの血管樹のセグメント化を容易にする。一例では、これには、冠動脈枝をセグメント化し、セグメント化された冠動脈枝の血管の中心線を特定し、左冠状動脈（ＬＣＡ）、右冠状動脈（ＲＣＡ）、左前下行枝（ＬＤＡ）等といった主血管を標識化し、及び／又は、狭窄位置といった関心位置を標識化することが含まれる。手動、半自動及び／又は自動セグメンテーション手法を使用することができる。セグメンテーションの例は、Ｂｕｌｏｗ他による「Ａ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｔｒｅｅ Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｖｏｌｕｍｅ Ｄａｔａ」（ＭＩＣＣＡＩ２００４、第３２１６巻、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｐｐ５３３〜５４０）及びＧｕｌｓｕｎ他による「Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｖｉａ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｈｓ ａｎｄ ＣＮＮ Ｐａｔｈ Ｐｒｕｎｉｎｇ」（ＭＩＣＣＡＩ２０１６、第９９０２巻、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｐｐ３１７〜３２５）に説明されている。
セグメンテーション標準化器１２０が、セグメント化された血管樹を標準化する。以下により詳細に説明するように、１つの非限定的な例では、これには、関心位置を考慮することを含む、血管樹の１つ以上の血管を選択的にプルーニングする又は修正する所定の規則のセットを、「標準化された」構成又は樹に適用することが含まれる。したがって、ＦＦＲを決定するために使用される血管樹（標準化された血管樹）の形状、サイズ及び／又は幾何学は、元のセグメンテーションとは異なり、例えあったとしても、画像解像度、造影剤の取り込み及び／又はオペレータのセグメンテーションにほとんど依存しない。後続のＦＦＲ−ＣＴシミュレーションは、忠実な境界条件及び正確な予測で信頼が高くなる。
生物物理学的シミュレータ１２２が、少なくとも、標準化されたセグメント化された血管樹を処理して、生物物理学的シミュレーションを行う。ＦＦＲに関して、生物物理学的シミュレータは、そのＦＦＲ指数を決定する。以下により詳細に説明するように、変形例では、シミュレーションは、プルーニングされた部分の初期条件を決定するために、標準化されたセグメント化された血管樹を用いたシミュレーションの結果を使用して、プルーニングされた領域まで拡張される。したがって、本明細書において説明される手法は、シミュレーションにおける境界条件を、入口及び出口だけでなく血管樹の血管の内側の位置にも実施する。結果として、境界条件をシフトさせ、シミュレーションをそれ以上に拡張することによって標準化が達成される標準化された患者特有の生物物理学的シミュレーションを行うことができる。
ＦＦＲ手法の例は、２０１３年５月１０日に出願され、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｒｅｓｅｒｖｅ （ｆｆｒ） ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ａ ｓｔｅｎｏｓｉｓ ｏｆ ａ ｖｅｓｓｅｌ」なる名称の米国特許出願第１４／３９６，４０７号（公開第２０１５／００９２９９９Ａ１号）、２０１３年１０月２４日に出願され、「Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｒｅｓｅｒｖｅ （ｆｆｒ） ｉｎｄｅｘ」なる名称の米国特許出願第１４／４３７，９９０号（公開第２０１５／０２８２７６５Ａ１号）、２０１３年１０月２２日に出願され、「Fｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｒｅｓｅｒｖｅ （ｆｆｒ） ｉｎｄｅｘ ｗｉｔｈ ａｄａｐｔｉｖｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ」なる名称の米国特許出願第１４／０５９，５１７号（公開第２０１５／０１１２１９１Ａ１号）に説明されている。これらの３つはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ＦＦＲ指数は、ディスプレイモニタ１３２を介して表示され、記憶され、他のデバイス等に伝達されてもよい。
図示する例では、セグメンタ１１８、セグメンテーション標準化器１２０及び／又は生物物理学的シミュレータ１２２は、物理メモリ及び／又は他の非一時的記憶媒体といった１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体１３０（一時的媒体を除く）に記憶された１つ以上のコンピュータ可読命令１２８を実行するコンピューティングシステム１２６の１つ以上のコンピュータプロセッサ１２４（例えば中央処理演算装置、即ち、ＣＰＵ、マイクロプロセッサ等）を用いて実現される。プロセッサ１２４は、追加的に又は代替的に、搬送波、信号及び／又は他の一時的媒体によって運ばれる１つ以上のコンピュータ可読命令を実行することができる。図示するように、命令１２８はオンサイト（現場）で実行される。別の例では、命令１２８のうちの１つ以上の命令は、例えば「クラウド」及び／又は他のコンピューティングリソース若しくはサービスを介して、システム１２６から遠く離れて計算される。
図２は、セグメンテーション標準化器１２０の一例を概略的に示す。
図示するセグメンテーション標準化器１２０の一例は、所定のプルーニング規則セット２０４を使用して、セグメント化された血管樹をプルーニングする血管プルーナ（pruner）２０２を含む。所定のプルーニング規則セット２０４は、Ｎ個の規則を含み、Ｎは正の整数である。一例では、所定のプルーニング規則セット２０４は、デフォルトの規則セットである。別の例では、所定のプルーニング規則セット２０４は、少なくとも１つのユーザ定義規則及び／又は施設定義規則を含む。別の例では、所定のプルーニング規則セット２０４は、デフォルト規則と、ユーザ及び／又は施設定義の規則との組み合わせを含む。
図示する所定のプルーニング規則セット２０４は、主血管プルーニング規則２０６、短血管プルーニング規則２０８、関心位置（ＬＯＩ）プルーニング規則２１０、遠位セグメントプルーニング規則２１２、血管直径プルーニング規則２１４、及び／又は、１つ以上の他のプルーニング規則２１６を含む。変形例では、１つ以上の他のプルーニング規則２１６が省略され、所定のプルーニング規則セット２０４は、規則２０６〜２１４のみを含む。別の実施形態では、規則２０６〜２１４のうちの１つ以上が省略される。別のプルーニング規則は、画像データの解像度、患者の解剖学的構造、及び／又は、男性若しくは女性、成人若しくは子供等といった人口統計学データに特有であってよい患者特有のパラメータに基づくことができる。
主血管プルーニング規則２０６の一例は、主血管（例えばＲＣＡ、ＬＣＡ、ＬＡＤ等）が、例えば中心線に沿った大動脈口からのその長さが、所定の長さよりも大きい場合にのみプルーニングされることである。主血管の長さが所定の長さ以下である場合、主血管はプルーニングされない。主血管の長さが所定の長さよりも大きい場合、主血管はプルーニングされるが、当該所定の長さまでしかプルーニングされない。一例では、所定の長さは８センチメートル（８ｃｍ）から１２センチメートル（１２ｃｍ）の範囲内の単一値である。別の例では、所定の長さは９センチメートル（９ｃｍ）から１１センチメートル（１１ｃｍ）の範囲内の単一値である。他の例では、所定の長さは１０センチメートル（１０ｃｍ）である。
短血管プルーニング規則２１０の一例は、血管が中心線に沿った所定の長さ未満の長さを有する場合、プルーニングされることである。したがって、血管が所定の長さ未満の長さを有する場合、当該血管は、血管樹から取り除かれる。血管が所定の長さ以上の長さを有する場合、当該血管はプルーニングされない。一例では、所定の長さは０．２５から２センチメートル（０．２５〜２．０ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは０．５から１．５センチメートル（０．５〜１．５ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは１センチメートル（１ｃｍ）である。
関心位置プルーニング規則２１０の一例は、血管の端部が、特定された関心位置からのその長さが所定の長さよりも大きい場合にのみプルーニングされることである。関心位置は、血管の表示されている部分でのマウスクリック及び／又は他の方法で特定することができる。長さが関心位置から所定の長さ以下である場合、端部はプルーニングされない。長さが所定の長さよりも大きい場合、端部はプルーニングされるが、当該所定の長さまでしかプルーニングされない。一例では、所定の長さは０．５から３センチメートル（０．５〜３．０ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは１から２．５センチメートル（１．０〜２．５ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは２センチメートル（２．０ｃｍ）である。
遠位セグメントプルーニング規則２１２の一例は、最遠位枝の後ろのセグメントである最遠位セグメントが、その長さが分岐からの所定の長さよりも大きい場合にプルーニングされることである。最遠位セグメントの長さが所定の長さ以下である場合、最遠位セグメントはプルーニングされない。最遠位セグメントの長さが所定の長さよりも大きい場合、最遠位セグメントはプルーニングされるが、当該所定の長さまでしかプルーニングされない。一例では、所定の長さは０．５から３センチメートル（０．５〜３．０ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは１から２．５センチメートル（１．０〜２．５ｃｍ）の範囲内である。他の例では、所定の長さは２センチメートル（２．０ｃｍ）である。
一例では、例示的な遠位セグメントプルーニング規則２１２は、主血管プルーニング規則２０６及び関心位置プルーニング規則２１０によって制約される。例えば遠位セグメントプルーニング規則２１２は、結果が主血管プルーニング規則２０６及び関心位置プルーニング規則２１０を満たす場合にのみ適用される。遠位セグメントプルーニング規則２１２の結果が、主血管プルーニング規則２０６及び関心位置プルーニング規則２１０を満たさない場合、遠位セグメントプルーニング規則２１２は適用されない。例えば遠位セグメントプルーニング規則２１２を適用して、１０ｃｍ未満の主血管又は関心位置から２ｃｍ未満の遠位端をもたらす場合、規則２１２は適用されない。
血管直径プルーニング規則２１２の一例は、血管直径が所定の血管直径よりも大きい場合、血管が出口（血管端）から入口（当該血管が別の血管又は大動脈に接続される領域）に向かってプルーニングされることである。血管直径が所定の直径以下である場合、血管はプルーニングされない。血管直径が所定の直径よりも大きい場合、血管はプルーニングされるが、血管直径が所定の直径以下になるまでしかプルーニングされない。一例では、所定の直径は０．５から２．５ミリメートル（０．５〜２．５ｍｍ）の範囲内にある。他の例では、所定の直径は１から２ミリメートル（１．０〜２．０ｍｍ）の範囲内である。別の例では、所定の直径は１．５ミリメートル（１．５ｍｍ）である。
本明細書において説明されるプルーニング規則を適用することによって、ＦＦＲ指数を計算するために使用される血管樹である標準化された血管樹は、以下のうちの１つ以上を少なくとも満たす。１）血管セグメントは、最後の分岐位置の後は、標準化された長さを有する。２）固定の画像解像度では明確にできない小さ過ぎる直径を有する血管の遠位部は、ほとんど関連性がない。３）血管の断端、即ち、信頼性の低い大きさ／ボリュームを有する非常に短い血管は、無視される。４）ＬＡＤ、ＬＣＡ及びＲＣＡといった主要血管は、最小長さを有する。５）狭窄及び／又は血管樹の位置といった人間のオペレータにとって関心のある可能性のある位置。規則は、中心線又はルーメンセグメンテーションは変更しない。規則は、単にシミュレーションのサポート、境界条件が適用される位置及び境界条件モデルの解剖学的パラメータを規定するだけである。
標準化パラメータは、すべての母集団について固定され、訓練母集団全体にわたる最適化プロセスによってある範囲から選択される。或いは、標準化パラメータは、患者の性別、体重、年齢、心臓の大きさといった人口統計学的及び／又は解剖学的患者特性を含むがこれらに限定されない患者特性を使用することによって、各患者の範囲から個別化することができる。
１つのＦＦＲ−ＣＴ手法では、プルーニング規則２０４は、集中モデルパイプラインのＦＦＲ−ＣＴ予測を、当該予測が可能な限り正確になるように最適化する。例えばプルーニング規則２０４は、Ｎｉｃｋｉｓｃｈ他による「Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｐａｔｉｅｎｔ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｌｕｍｐｅｄ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ」（ＭＩＣＣＡＩ２０１５、ｐｐ４３３−４４１）の集中モデルパイプラインのＦＦＲ−ＣＴ予測を最適化する。プルーニング規則２０４はまた、集中モデルパイプラインの他のＦＦＲ−ＣＴ予測も最適化することができる。経験的に、プルーニング規則２０４は、シミュレーションのユーザ依存性を減少させ、集中モデルパイプラインの精度を高める。集中モデルを使用しない他のＦＦＲ−ＣＴを含む他のシミュレーションもまた、本明細書では想定されている。例えば有限要素法、有限体積法、有限差分法といったメッシュに基づくシミュレーションだけでなく、粒子法又は格子ボルツマン法といったメッシュフリー手法及び／又は他の手法が、本明細書では想定されている。
図３は、例えばセグメンタ１１８によって出力されるセグメント化された冠動脈樹を示す。図４は、セグメンテーション標準化器１２０が、図３のセグメント化された冠動脈樹にプルーニング規則２０４を適用した後の標準化されたセグメント化された冠動脈樹を示す。この例では、規則は、血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８の端部をプルーニングする結果をもたらした。図４は、血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８に沿った端部が切り取られた位置に配置されるプルーニングマーカ４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６及び４１８を示す。変形例では、プルーニングされた部分は、グレーアウトされるか、及び／又は、そうでなければ、マーキングされる。
図５は、生物物理学的シミュレータ１２２が、ＦＦＲ指数決定器である一例を概略的に示す。ＦＦＲ指数決定器１２２は、標準化された血管樹（例えば図４）を入力として受信する。
ＦＦＲ指数決定器１２２は、標準化された血管樹の１つ以上の境界条件を推定する境界条件推定器５０２を含む。例えば境界条件推定器５０２は、被験者の体重、体格指数（ＢＭＩ）、性別、年齢、血液検査結果、解剖学的撮像データ（例えば心筋質量及び推定される１回拍出量）及び／又は被験者データといったデータに基づいて生成することができる流入量ＱＯ（即ち、小孔における流量）、及び、標準化された血管樹の幾何学（例えば小孔における直径ＤＯ）を決定及び／又は受信する。これに基づき、境界条件推定器５０２は、血管出口における流量Ｑ、平均速度及び／又は抵抗といった少なくとも１つの境界条件を推定する。
非限定的な例として、一例では、境界条件推定器５０２は、出口における流量境界条件Ｑを、ＱＯ及びＤＯの関数として、
（式中、Ｄは、各出口における有効直径）として推定し、平均速度を、
（式中、Ｋは、血管長の直径に対する比）として推定し、抵抗境界条件を、
（式中、健康な血管では、ＰＯ＝Ｐであり、ＰＯは、上腕血圧測定により求めることができる小孔における大動脈圧）として推定し、健康な組織の抵抗Ｒｈは、
として決定することができる。
ＦＦＲ指数決定器１２２は更に、境界条件を使用して、標準化された血管樹について計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを行い、ＣＦＤの結果に基づいてＦＦＲを決定する標準化された血管樹プロセッサ５０４を含む。ＣＦＤの出力は、圧力及び速度のボリュメトリック情報を含み、ＦＦＲは、これに基づいて計算される。例えばＦＦＲは、狭窄病変から遠位の最大血流量（Ｐｄ）の同じ血管内の正常最大血流量（Ｐａ）に対する比、即ち、ＦＦＲ＝Ｐｄ／Ｐａとして計算される。別の適切な手法は、Ｎｉｃｋｉｓｃｈ他による「Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｐａｔｉｅｎｔ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｌｕｍｐｅｄ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ」（ＭＩＣＣＡＩ２０１５、第２部、ＬＮＣＳ９３５０、ｐｐ４３３〜４４１、２０１５年）に説明されている。
図６は、シミュレーション結果が（例えばグレースケールで）血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８に重ね合わされた又はオーバーレイされた標準化された血管樹（図４）を示す表示出力例を示す。この例では、プルーニングマーカ４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６及び４１８は、血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８がプルーニングされた位置を示すように表示される。これにより、ユーザはどこでプルーニングが行われたかを確認することができる。変形例では、プルーニングマーカは表示されない。図６では、表示されていない血管のプルーニングされた部分（即ち、プルーニングマーカ４０２〜４１８から遠位の部分）についてのシミュレーション結果はない。
図７は、ＦＦＲ指数決定器１２２が更に、プルーニングされた血管セグメントプロセッサ６０２を含むこと以外は、図５と実質的に同様である。プルーニングされた血管セグメントプロセッサ６０２は、標準化された血管樹プロセッサ５０４の出力に基づいた境界条件を使用して、血管のプルーニングされた部分のＦＦＲ値を決定する。プルーニングされた血管セグメントプロセッサ６０２は、流動シミュレーションを、標準化された血管樹（例えば図４）の最初のシミュレーション領域を越えて拡張する。一例では、プルーニングされた血管セグメントプロセッサ６０２は、以下に説明するように、集中定数モデルを利用する。しかし、本明細書において説明するように、メッシュ、メッシュフリー等といった他の手法も、本明細書では想定されている。
図９に、適切な集中定数モデルの一例を示す。この例は、ｎ個の要素と、接地を含むｍ個のノードとを含み、ｎ及びｍは正の整数である。中心線表現に基づいて、集中モデルが、非線形抵抗で設定される。黒い長方形は、流入及び流出境界条件を示す。樹セグメント伝達関数φ（ｆ）を表す白い管は、局所的な血管形状及び水力学的効果の両方を反映する一連の線形及び非線形の抵抗要素で構成される。これに基づき、プルーニングされた血管セグメントプロセッサ６０２は、血管のプルーニングされた部分を、一連の非線形流体力学的抵抗要素と見なす。
プルーニングされた血管の延長について、プルーニングされた位置（プルーニングマーカ４０２〜４１８）におけるプルーニングされたシミュレーションのボリュメトリック流量及び絶対圧力が取り出されるか又は読み取られる。これらの値は、プルーニング位置から遠位のプルーニングされた部分のみを含む後続のシミュレーションの初期値として使用される。分岐点のない血管では、流量は血管全体で一定である。シミュレーションは、プルーニングされた血管に沿った局所伝達関数の評価である。
下位血管樹全体がプルーニングされる場合、（対応する入口条件を持つ）水力学的網状組織全体がシミュレートされる。一例では、これは、それぞれの流量及び圧力を得るために、非線形方程式系を解くことを含む。非線形方程式系の一例は、
であり、式中、Ａは、ノード対要素（node-to-element）行列を表し、下付き文字のＲ、Ｐ、Ｆ及びＶは、それぞれ、抵抗器、圧力源、流量源及びバリスタを表し、Ｒは、対角抵抗行列、
及び
は、圧力/流量源パラメータを含むベクトルであり、φ−１は、ベクトルに積み重ねられた逆バリスタ伝達関数であり、ｑは、接地ノードに対する絶対圧力を含み、ｆＰは、圧力源におけるボリュメトリック流量を表す。出口境界条件の適切なセットは、母集団のスケーリング則を使用する抵抗又は出口流量を含む。
下位血管樹又は血管がプルーニング処理において完全に除去され、下位血管樹又は血管が別の血管から分岐していた場合、流れは残っておらず、ゼロの値が割り当てられるため、定圧及び定ＦＦＲ値が下位血管樹全体に沿って割り当てられる。これ以外のものはすべて、主の流れのどの部分が下位血管樹又は血管を通るのかを決定する手段を必要とし、最終的には、プルーニングされた領域のシミュレーション結果の修正が必要となる。
図８は、プルーニングされた部分及びそのシミュレーション結果が（グレースケールで）血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８に重ね合わされた又はオーバーレイされた標準化された血管樹（図６）を示す表示出力例を示す。この例でも、プルーニングマーカ４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６及び４１８は、血管３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８がプルーニングされた位置を示すように表示される。変形例では、プルーニングマーカは表示されない。
本明細書において説明される手法は、標準化がセグメンテーション標準化器１２０のハードプルーニングに制約されない、標準化された患者特有の生物物理学的シミュレーションを行うことを可能にする。例えば縮小領域での計算結果が出発点として使用され、その後、縮小領域での結果を修正することなく、領域全体の別個の部分についての結果が続いて追加される。
図１０は、方法例を示す。当然ながら、上記行為の順序は、限定ではない。したがって、本明細書では他の順序も想定される。更に、１つ以上の行為を省略しても、及び／又は、１つ以上の追加の行為を含めてもよい。
ステップ１００２において、血管樹がボリュメトリック画像データ（例えばＣＴ）からセグメント化される。
ステップ１００４において、セグメント化された血管樹が、本明細書に説明されるように、及び／又は、他の方法で標準化される。例えばセグメント化された血管樹は、セグメント化された血管樹の特定の血管の特定の部分をプルーニングする図２に関連して説明したような所定のプルーニング規則セットに基づいて標準化することができる。
ステップ１００６において、生物物理学的シミュレーションが、標準化されたセグメント化された血管樹について行われる。
ステップ１００８において、結果（例えば標準化されたセグメント化された血管樹及びＦＦＲ指数）が、ディスプレイモニタを介して視覚的に表示される。
図１１は、別の方法例を示す。当然ながら、上記行為の順序は、限定ではない。したがって、本明細書では他の順序も想定される。更に、１つ以上の行為を省略しても、及び／又は、１つ以上の追加の行為を含めてもよい。
ステップ１１０２において、血管樹がボリュメトリック画像データ（例えばＣＴ）からセグメント化される。
ステップ１１０４において、セグメント化された血管樹が、本明細書に説明されるように、及び／又は、他の方法で標準化される。例えばセグメント化された血管樹は、セグメント化された血管樹の特定の血管の特定の部分をプルーニングする図２に関連して説明したような所定のプルーニング規則セットに基づいて標準化することができる。
ステップ１１０６において、生物物理学的シミュレーションが、標準化されたセグメント化された血管樹について行われる。
ステップ１１０８において、本明細書において説明されるように、及び／又は、他の方法で、生物物理学的シミュレーションが、プルーニングされた部分について行われる。
ステップ１１１０において、結果（例えばセグメント化された血管樹と、標準化され及びプルーニングされた部分のＦＦＲ指数）が、ディスプレイモニタを介して視覚的に表示される。
上記は、コンピュータプロセッサによって実行されたときに、当該プロセッサに上記ステップを行わせる、コンピュータ可読記憶媒体上に符号化された又は埋め込まれたコンピュータ可読命令によって実現することができる。更に又は或いは、コンピュータ可読命令の少なくとも１つは、信号、搬送波又はコンピュータ可読記憶媒体ではない他の一時的媒体によって運ばれる。
本発明を、好適な実施形態を参照して説明した。上記詳細な説明を読んで理解すれば、修正態様及び変更態様を当業者が想到することができる。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内である限り、そのようなすべての修正形態及び変更形態を含むように構成されることを意図している。
Claims (15)
- ボリュメトリック画像データからセグメント化されたセグメント化血管樹及び所定のプルーニング規則セットから、所定の長さを有する血管セグメントを有する標準化血管樹を決定するセグメンテーション標準化器、及び、前記標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行う生物物理学的シミュレータを含むコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読記憶媒体と、
ボリュメトリック画像データからセグメント化された前記セグメント化血管樹及び前記所定のプルーニング規則セットから、前記標準化血管樹を決定するように、前記セグメンテーション標準化器を実行し、また、前記標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行うように、前記生物物理学的シミュレータを実行するプロセッサと、
前記標準化血管樹と前記生物物理学的シミュレーションの結果とのうちの少なくとも１つを表示するディスプレイと、
を含む、コンピューティングシステム。 - 前記所定のプルーニング規則セットは、少なくとも、主血管プルーニング規則、短血管プルーニング規則、関心位置プルーニング規則、遠位セグメントプルーニング規則及び血管直径プルーニング規則を含む、請求項１に記載のコンピューティングシステム。
- 前記プロセッサは、前記主血管プルーニング規則に基づいて、主血管の大動脈から前記主血管の端部までの長さが、所定の主血管長さよりも大きい場合にのみ、前記主血管をプルーニングし、また、前記所定の主血管長さまでしかプルーニングしない、請求項２に記載のコンピューティングシステム。
- 前記プロセッサは、前記短血管プルーニング規則に基づいて、短血管の長さが、所定の短血管長さ未満であるにのみ、前記短血管をプルーニングする、請求項３に記載のコンピューティングシステム。
- 前記プロセッサは、前記関心位置プルーニング規則に基づいて、関心位置からの血管の端部の長さが、所定の関心位置長さよりも大きい場合にのみ、前記関心位置からの前記血管の前記端部をプルーニングし、また、前記所定の関心位置長さまでしかプルーニングしない、請求項４に記載のコンピューティングシステム。
- 前記プロセッサは、前記遠位セグメントプルーニング規則に基づいて、分岐からの血管の遠位端部の長さが、所定の遠位セグメント長さよりも大きい場合にのみ、前記分岐からの前記血管の前記遠位端部をプルーニングし、また、前記所定の遠位セグメント長さまでしかプルーニングしない、請求項５に記載のコンピューティングシステム。
- 前記遠位セグメントプルーニング規則は、前記主血管プルーニング規則及び前記関心位置プルーニング規則によって制約される、請求項６に記載のコンピューティングシステム。
- 前記プロセッサは、前記血管直径プルーニング規則に基づいて、血管の血管直径が、所定の血管直径よりも大きい場合にのみ、前記直径を前記血管の出口から前記血管の入口に向かってプルーニングし、また、前記所定の血管直径に到達するまでしかプルーニングしない、請求項６又は７に記載のコンピューティングシステム。
- 前記生物物理学的シミュレータは更に、前記セグメント化血管樹のプルーニングされた部分のみについて、生物物理学的シミュレーションを行うプルーニングされた血管セグメントプロセッサを含む、請求項２から８の何れか一項に記載のコンピューティングシステム。
- プルーニングされた血管の延長であるプルーニングされた部分について、前記血管セグメントプロセッサは、前記標準化血管樹の前記生物物理学的シミュレーションからのボリュメトリック流量及び絶対圧力を、前記プルーニングされた部分だけのシミュレーションの初期値として利用して、前記プルーニングされた部分の前記生物物理学的シミュレーションを決定する、請求項９に記載のコンピューティングシステム。
- プルーニングされた下位血管樹全体について、前記血管セグメントプロセッサは、非線形方程式系を解くことによって水力学的網状組織全体をシミュレートして、流量及び圧力を取得し、前記プルーニングされた下位血管樹の前記生物物理学的シミュレーションを決定する、請求項９又は１０に記載のコンピューティングシステム。
- プルーニングされた血管全体又は別の血管からプルーニングされた下位血管樹について、前記血管セグメントプロセッサは、定圧を決定し、前記プルーニングされた血管全体又は前記下位血管樹に沿って、一定値を割り当てる、請求項９から１１の何れか一項に記載のコンピューティングシステム。
- 前記ディスプレイは、前記セグメント化血管樹、並びに、前記標準化血管樹及び前記プルーニングされた部分についての前記シミュレーションの結果を表示する、請求項９から１２の何れか一項に記載のコンピューティングシステム。
- コンピューティングシステムのプロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
所定のプルーニング規則セットを使用して、ボリュメトリック画像データからセグメント化されたセグメント化血管樹から、所定の長さを有する血管セグメントを有する標準化血管樹を決定するセグメント化標準化器を実行させ、
前記標準化血管樹に基づいて、生物物理学的シミュレーションを行う生物物理学的シミュレータを実行させ、
前記標準化血管樹と前記生物物理学的シミュレーションの結果とのうちの少なくとも１つを表示するディスプレイモニタを介して表示させる、コンピュータ可読命令が符号化された、コンピュータ可読記憶媒体。 - 前記所定のプルーニング規則セットは、少なくとも、主血管プルーニング規則、短血管プルーニング規則、関心位置プルーニング規則、遠位セグメントプルーニング規則及び血管直径プルーニング規則を含む、請求項１４に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
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