JP7236769B2 - 心筋血流量及びct画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法 - Google Patents
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Description
心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法は以下のステップを含む:
S01:心臓CT画像を分割し、形態学操作により心臓画像を得て、当該心臓画像をヒストグラム分析して心室心房画像を得て、心臓画像と心室心房画像の差分により心筋画像を得て、心筋画像に基づいて心筋体積を特定し、
S02:大動脈画像を処理して全大動脈相補画像を得て、領域成長を行い、冠状動脈口を含む大動脈画像を得て、冠状動脈口を含む大動脈画像と全大動脈相補画像に基づき、冠状動脈口を含む画像を得て、冠状動脈口を含む画像に基づいて冠状動脈口を特定し、
S03:心筋画像において冠状動脈口をシードポイントとし、領域成長により冠状動脈を抽出し、冠状動脈の平均グレースケール及び平均分散を計算し、冠動脈グレースケール分布に基づき、冠状動脈方向に沿って冠動脈ツリーを抽出し、
S04:冠状動脈画像を二値化し、等値面画像を描き、冠状動脈三次元格子画像を得て、
S05:最大充血状態における冠動脈入口箇所の総流量Qtotal=心筋体積×心筋血流量×CFRを計算し、CFRは冠状動脈冠血流予備能(coronary flow reserve:CFR)であり、
S06:充血状態における血流速度V1及び最大充血状態における平均移動時間Tmnを計算し、
S07:V1を冠動脈狭窄血管の入口流速とし、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは大動脈平均圧であり、微小循環抵抗指数IMR=Pd×Tmnを得る。
S61:流量体積スケーリング則及び心臓CT三次元再構成の心臓表面冠状動脈ツリーに基づき、ツリー内の任意の一本の血管内の血流量Q=Qtotal×(V/Vtotal)3/4を特定し、但し、Vtotalは心臓CT三次元再構成のすべての心臓表面冠状動脈の血管体積の和であり、Vは心臓表面冠状動脈ツリー内の任意の一本の血管及びその下流血管中の血管体積の和であり、
S62:流量体積スケーリング則及び心臓CT三次元再構成の心臓表面冠状動脈ツリーに基づき、ツリー内の任意の一本の血管内の血流速度V1=Q/Dを特定し、但し、Dは当該血管の平均断面積であり、
S63:冠動脈血管長さL及び流速V1に基づき最大充血状態における平均移動時間Tmn=L/V1を得ること、を含む。
P、ρ、μはそれぞれ流速、圧力、血液密度、血液粘度であり、
入口境界条件は、最大充血状態における冠動脈狭窄血管の入口流速V1であり、
三次元計算流体力学により各冠動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3・・・、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算する、但し、Paは大動脈平均である、ことを含む。
CT再構成のジオメトリ構造に基づき、狭窄のある血管を真っすぐに引き伸ばし、二次元軸対称モデルを構築し、二次元格子を分割し、数値解法を用いて連続性及びナビエ-ストークス方程式の解を求め:
入口境界条件は、最大充血状態における冠動脈狭窄血管の入口流速V1であり、
二次元流体力学により各冠動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3・・・、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算する、但し、Paは大動脈平均圧である、ことを含む。
本発明は心筋血流量及び心臓CT画像により、微小循環抵抗指数を早く、正確に、全自動で得ることができる。非侵襲的測定により、操作が簡単で、手術の難度及びリスクを大幅に低減し、臨床で大規模に応用を進めることができる。
心臓CT画像を分割し、形態学操作により心臓画像を得て、当該心臓画像をヒストグラム分析して心室心房画像を得て、心臓画像と心室心房画像の差分により心筋画像を得る。図2参照。
大動脈画像の二値化画像に対して形態学膨張を行い、全大動脈の二値画像を得て、そして画素リバースにより全大動脈相補画像を得る。
大動脈中心線上点の平均グレースケールに基づき領域成長を行い、冠状動脈口を含む大動脈画像を得る。図3参照。
冠状動脈口を含む大動脈画像と全大動脈相補画像により画像乗算を行い、冠状動脈口を含む画像を得て、冠状動脈口を含む画像に対して連結領域分析を行い、異なるグレースケールラベルで各連結領域をマークし、冠状動脈口を特定する。図4参照。
心筋画像において冠状動脈口をシードポイントとし、領域成長により冠状動脈を抽出し、冠状動脈の平均グレースケール及び平均分散を計算し、冠動脈グレースケール分布に基づき、冠状動脈方向に沿って冠動脈ツリーを抽出する。図5参照。
ステップ三により、冠状動脈画像データV1を得て、当該データ中のボクセルは空間上に一つの立方体を構成し、冠状動脈部分に属すボクセル画素値は0ではなく(画素値約-3000~3000の間)、残りのボクセル画素値はすべて0である。
本ステップにおいて、ステップ五における計算のために、データを空間三次元格子データV3に変える必要がある。
冠状動脈画像データV1中のボクセルをトラバーサルし、簡単な画素値判断を行い、もし画素A1が0に等しい場合、当該画素値は変わらず、もしA1が0に等しくない場合、A1の画素値を1とする。
最終的に一つの新しい画像データV2が得られ、当該画像において、冠状動脈部分に属するボクセル画素値は1であり、残りの部分は0である。
ボクセルは一つの極小の六面体であると定義され、隣接する上下層の間の四つの画素が立方体上の八つの頂点を構成する。等値面とは空間中のある同じ属性値を有するすべての点の集合である。これは次のように表すことができる:
{(x、y、z)│f(x、y、z)=c}、cは定数である
本方法におけるcは三次元再構成過程において与えられた画素値1である。
(1)原始データを前処理した後、特定の配列に読み込む。
(2)格子データボディから一つのユニットボディを抽出して現在のユニットボディとすると同時に当該ユニットボディのすべての情報を得る。
(3)現在のユニットボディの8個の頂点の函数値と所定の等値面値Cを比較し、当該ユニットボディの状態表を得る。
(4)現在のユニットボディの状態表インデックスから、等値面と交わるユニットボディエッジを探し出し、そして線形補間の方法により各交点の位置座標を計算する。
(5)中心差分法により現在のユニットボディの8個の頂点の法線ベクトルを求め、それから線形補間の方法により三角パッチの各頂点の法線を得る。
(6)各三角パッチの頂点座標及び頂点の法線ベクトルに基づき等値面イメージの作成を行う。
最終的に冠状動脈の三次元格子画像データV3を得る。図6参照。
心筋コントラストエコー法(MCE)または単一光子放射断層撮影法(SPECT)または陽電子放出断層撮影法(PET)または心臓核磁気共鳴画像法(MRI)またはCT灌流等非侵襲的測定により、安静状態心筋血流量及び冠状動脈冠血流予備能(CFR)を特定し、心筋体積、心筋血流量、CFRにより、最大充血状態における冠動脈入口箇所(左冠動脈ツリー及び右冠動脈ツリーの和を含む)の総流量Qtotal=心筋体積×心筋血流量×CFRを計算する。
V1を冠動脈狭窄血管の入口流速とし、計算流体力学(CFD)方法により各冠動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3等、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは大動脈平均圧であり、最後に式IMR=Pd×Tmnにより微小循環抵抗指数を計算する。
CT再構成のジオメトリ構造に基づき、三次元格子を分割し、数値解法(例えば、有限差分、有限要素法、有限体積法等)により連続性及びナビエ-ストークス(Navier‐Stokes)方程式の解を求め:
P、ρ、μはそれぞれ流速、圧力、血液密度、血液粘度であり、
入口境界条件は、最大充血状態における冠動脈狭窄血管の入口流速V1であり、
式[A1]及び[A2]に基づき、三次元CFDを実行して各冠動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3等、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは大動脈平均圧である。
CT再構成のジオメトリ構造に基づき、狭窄のある血管を真っすぐに引き伸ばし(二次元軸対称モデル)、二次元格子を分割し、数値解法(例えば、有限差分、有限要素法、有限体積法等)により連続性及びナビエ-ストークス方程式の解を求め:
入口境界条件は、最大充血状態における冠動脈狭窄血管の入口流速V1であり、
式[A3]-[A5]に基づき、二次元CFDを実行し、各冠動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3等、冠動脈入口から冠動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは大動脈平均圧である。
Claims (7)
- S01:心臓を含むCT画像を分割し、形態学操作により心臓のみを含む心臓画像を得て、前記心臓画像をヒストグラム分析して心室心房のみを含む心室心房画像を得て、前記心臓画像と前記心室心房画像の差分により心筋を含む画像を得て、前記心筋を含む画像に基づいて心筋体積を特定し、
S02:前記心臓画像から心臓の大動脈画像を得て、前記大動脈画像の二値化画像に対して形態学膨張を行い、心臓の全大動脈の二値画像を得て、そして画素リバースにより心臓の全大動脈相補画像を得て、前記大動脈画像において前記大動脈の中心線上点の平均グレースケールに基づき領域成長を行い、冠状動脈口を含む大動脈画像を得て、前記冠状動脈口を含む大動脈画像と前記全大動脈相補画像に基づき、冠状動脈口を含む画像を得て、冠状動脈口を含む画像に基づいて前記大動脈における前記冠状動脈口の位置を特定し、
S03:前記心筋を含む画像において前記冠状動脈口をシードポイントとし、領域成長により前記冠状動脈を抽出し、前記冠状動脈の平均グレースケールを計算し、前記冠状動脈のグレースケール分布及び前記冠状動脈の平均グレースケールを比較し、前記冠状動脈の成長方向に沿って冠状動脈ツリーを抽出し、
S04:前記冠状動脈ツリーの画像を二値化し、二値化したデータに基づいて等値面画像を三次元座標系に描き、最終的に前記冠状動脈の三次元格子画像を得て、
S05:最大充血状態における前記冠状動脈口の総流量Qtotal=心筋体積×安静状態心筋血流量×CFRを計算し、CFRは冠状動脈冠血流予備能(coronary flow reserve:CFR)であり、
S06:最大充血状態における血流速度V1及び最大充血状態における平均移動時間Tmnを計算し、
S07:V1を冠状動脈狭窄血管の入口流速とし、冠状動脈入口から冠状動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは心臓の大動脈平均圧であり、微小循環抵抗指数IMR=Pd×Tmnを得る、
ステップを含み、
前記ステップS06は、
S61:流量体積スケーリング則及び三次元再構成の前記冠状動脈ツリーに基づき、前記冠状動脈ツリー内の任意の一本の血管内の血流量Q=Q total ×(V/V total ) 3/4 を特定し、但し、Q total は前記最大充血状態における前記冠状動脈口の総流量であり、V total は三次元再構成の前記冠状動脈ツリーの中のすべての心臓表面冠状動脈の血管体積の和であり、Vは前記冠状動脈ツリー内の任意の一本の血管及びその下流血管中の血管体積の和であり、
S62:流量体積スケーリング則及び三次元再構成の前記冠状動脈ツリーに基づき、前記冠状動脈ツリー内の任意の一本の血管内の血流速度V 1 =Q/Dを特定し、但し、Dは当該血管の平均断面積であり、
S63:前記冠状動脈血管長さL及び流速V 1 に基づき最大充血状態における平均移動時間Tmn=L/V 1 を得ることを含み、
前記ステップS07は具体的に、
血管三次元格子に対して解を求め、数値解法を用いて連続性及びナビエ-ストークス(Navier-Stokes)方程式の解を求め:
P、ρ、μはそれぞれ流速、圧力、血液密度、血液粘度であり、
入口境界条件は、最大充血状態における冠状動脈狭窄血管の入口流速V 1 であり、
三次元計算流体力学により各冠状動脈狭窄の圧力損失ΔP 1 、ΔP 2 、ΔP 3 ・・・、冠状動脈入口から冠状動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔP i (i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算し、但し、Paは大動脈平均である、ことを含む、
ことを特徴とする心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。 - 前記ステップS02において、冠状動脈口を含む画像を得た後、前記冠状動脈口を含む画像に対して連結領域分析を行い、異なるグレースケールラベルで各連結領域をマークし、前記大動脈における前記冠状動脈口の位置を特定する、ことを特徴とする請求項1に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。
- 前記ステップS02において、前記心臓画像において、大動脈断面が円状になる特徴を利用し、心臓の上行大動脈及びその中心線を抽出し、心臓の大動脈画像を得る、
ことを特徴とする請求項1に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。 - 前記ステップS04において冠状動脈画像二値化は、
前記冠状動脈画像V1中のボクセルをトラバーサルし、もしボクセル画素が0に等しい場合、当該画素値は変わらず、もし0に等しくない場合、画素値を1とし、これらの画素値は一つの新しいデータV2となることを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。 - 前記ステップS05において心筋コントラストエコー法(MCE)または単一光子放射断層撮影法(SPECT)または陽電子放出断層撮影法(PET)または心臓核磁気共鳴画像法(MRI)またはCT灌流により、安静状態心筋血流量及び冠状動脈冠血流予備能(CFR)を特定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。 - 前記ステップS07は、
CT再構成の前記冠状動脈の三次元格子画像に基づき、狭窄のある血管を真っすぐに引き伸ばし、二次元軸対称モデルを構築し、二次元格子を分割し、数値解法を用いて連続性及びナビエ-ストークス方程式の解を求め:
入口境界条件は、最大充血状態における冠状動脈狭窄血管の入口流速V1であり、
二次元流体力学により各冠状動脈狭窄の圧力損失ΔP1、ΔP2、ΔP3・・・、冠状動脈入口から冠状動脈狭窄遠位までの圧力損失ΔP=ΣΔPi(i=1、2、3・・・)、狭窄遠位冠状動脈内平均圧Pd=Pa-ΔPを計算する、但し、Paは大動脈平均圧である、ことを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。 - 前記ステップS07はさらに、
前記冠状動脈の異なるタイプの弯曲に対して、前記冠状動脈の三次元格子画像で冠状動脈入口から冠状動脈狭窄遠位までの圧力損失を計算し、前記二次元軸対称モデルに照らして計算し、各タイプの弯曲の二次元軸対称結果に対する修正係数を記憶するためのデータベースを構築し、
圧力損失を得た後、前記データベース中の修正係数に照らし、修正後の冠状動脈入口から冠状動脈狭窄遠位までの圧力損失を得て、その後前記IMRを計算する、
ことを含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の心筋血流量及びCT画像に基づく微小循環抵抗指数の計算方法。
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