WO2007111207A1 - 3次元スパイログラム計測方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Classifications
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- A61B6/50—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications
- A61B6/507—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications for determination of haemodynamic parameters, e.g. perfusion CT
Definitions
- the present invention relates to a method and a computer program for measuring respiratory function in a lung region, and more particularly, based on a multi-phase CT (Computed Tomography) image of a lung taken in three dimensions.
- This is related to a computer program for realizing a 3D spygram measurement method and a 3rd order C spygram measurement method for measuring the respiratory function of a computer.
- a spirometer has been used for the examination of ventilation capacity, and a method of measuring the flow rate of air called from the mouth is generally used.
- the ventilation capacity is quantified by estimating the ventilation volume, airway resistance, etc. from the volume and speed of the incoming and outgoing air.
- the function of the whole lung such as decline can be evaluated, but it is impossible to know the relationship between pulmonary structuring and dysfunction and to evaluate the local function in the lung.
- Non-Patent Document 1 A nuclear medicine examination method is known as a method for determining the ventilation distribution in the lung (see Non-Patent Document 1), and MRI (agnetic Resonance Imaging) that visualizes hyperpolarized helium or oxygen molecules Research on ventilation images is also underway (see Non-Patent Document 2).
- Non-patent literature 1 A nuclear medicine examination method is known as a method for determining the ventilation distribution in the lung (see Non-Patent Document 1), and MRI (agnetic Resonance Imaging) that visualizes hyperpolarized helium or oxygen molecules Research on ventilation images is also underway (see Non-Patent Document 2).
- Non-patent literature 1 A nuclear medicine examination method is known as a method for determining the ventilation distribution in the lung (see Non-Patent Document 1), and MRI (agnetic Resonance Imaging) that visualizes hyperpolarized helium or oxygen molecules Research on ventilation images is also underway (see Non-Patent Document 2).
- Non-patent literature 1 A nuclear medicine examination method is known as a method for
- the present inventors do not require expensive drugs by analyzing 3D CT images during expiration and inspiration, which are widely used in the diagnosis of respiratory diseases.
- Accurate and accurate three-dimensional ventilation distribution inside Propose and measure a ventilation distribution measurement method that can be measured Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 5-2 8
- the lung region is extracted from the CT image during exhalation and the CT image during exhalation, which are three-dimensionally imaged.
- the extracted lung region is aligned between the CT image and the CT image during inspiration, and the displacement vector field in the lung region is determined from the alignment.
- the divergence is calculated, and the local ventilation of the lung is obtained based on the divergence calculated at each point.
- the volume change in the lung due to the conversion can be regarded as local ventilation.
- the amount of local body change within the ffi is almost identical to the local divergence of the displacement vector field in the lung region.
- the present invention has been made in view of such circumstances, and estimates various ventilation performance distributions (air-flow ratio distribution, 1-second rate distribution, flow resistance distribution, and compliance distribution) of a subject with high accuracy. It can be used in general clinical settings without the need for expensive drugs and equipment, and 3D snow measurement methods and computers.
- the purpose is to provide O
- the 3D spygram measurement method of the present invention is a method for measuring respiratory functions in the lung based on a CT image of a multi-phase lung imaged three-dimensionally.
- Estimation of ventilation blood flow ratio distribution by image analysis of CT images, estimation of 1-second rate distribution by image analysis of multi-phase CT images of lungs, and airflow by simulation analysis in continuum mechanics Do at least one of the resistance distribution estimation and the compliance distribution estimation by simulation analysis in continuum mechanics. It is characterized by.
- the 3D spirogram measurement method of the present invention is a tissue which can obtain the local ventilation obtained from the CT value by calculating the local ventilation of the lung based on the 3D C ⁇ image during expiration and the 3D CT image during inspiration.
- the ventilation / blood flow ratio distribution is estimated by a value divided by mass.
- the 3D spirodrum measurement method of the present invention obtains local lung ventilation based on a 3D CT image at rest, 3D C ⁇ image at rest inspiration and 3D CT image at maximum inspiration, It is characterized in that the 1-second rate distribution is estimated from the ratio of the amount of ventilation during rest inspiration and exhalation and the amount of ventilation during maximum inspiration / rest exhalation.
- the method of measuring the plasma is to calculate the air flow in each branch based on the 3D C ⁇ image during expiration and the 3D CT image during inspiration, and divide the calculated air flow by the volume of each leaf. It is characterized by estimating the airflow resistance distribution.
- the 3D spirogram measurement method of the present invention estimates the compliance distribution from the elastic modulus obtained based on the displacement obtained from the analysis of the 3D C image during expiration and the 3D CT image during inspiration. It is characterized by this.
- the computer program of the present invention is a computer program for causing a computer to estimate a ventilation blood flow ratio distribution based on a CT image of a multi-phase lung imaged three-dimensionally. Steps that allow the computer to determine the local ventilation of the lung based on the 3D CT image during exhalation and the 3D CT image during inspiration, and the local ventilation obtained by the computer It includes the step of estimating the ventilation / blood flow ratio distribution by the value obtained by dividing the volume by the tissue mass obtained from the CT value.
- the computer program of the present invention estimates the 1-second rate distribution on the computer based on CT images of multi-phase lungs imaged three-dimensionally.
- a computer program for pulmonary local ventilation based on a 3D CT image during a quiet exhalation, a 3D CT image during a quiet inspiration, and a 3D CT image during a maximum inspiration.
- a computer program of the present invention is a computer program for causing a computer to estimate an airflow resistance distribution based on a CT image of a multi-phase lung imaged three-dimensionally.
- the computer program according to the present invention is a computer program for causing a computer to estimate a compliance distribution based on a CT image of a multi-phase lung imaged three-dimensionally.
- the computer determines the elastic modulus based on the displacement obtained from the analysis of the 3D CT image during expiration and the 3D CT image during inspiration. And a step of estimating the compliance distribution from the elastic modulus.
- a CT image of the lung that is three-dimensionally imaged is acquired during resting exhalation, during resting inspiration, and during maximum inspiration, and the acquired three-dimensional CT image is used as input data.
- the blood flow ratio distribution and the 1-second rate distribution are estimated by image analysis technology, and the flow resistance distribution and the compliance distribution are estimated by simulation analysis in continuum mechanics. To do.
- the displacement of the local region of the lungs during exhalation and inspiration is analyzed, and at least one of the four types as described above is estimated. A constant result is obtained and the ventilation capacity is standardized.
- Ventilation / perfusion ratio distribution is determined by 3D CT images during expiration and 3D during inspiration.
- the 1-second rate distribution is calculated based on the three-dimensional CT image at the time of resting lung, the three-dimensional CT image at the time of rest inspiration, and the three-dimensional CT image at the time of maximum inspiration. Estimated from the ratio of the maximum inspiration / rest exhalation volume to the inspiration / rest exhalation volume.
- the flow resistance distribution was calculated by calculating the flow rate in the leaf branch based on the third-order CT image at the time of call and the dimension C ⁇ image at the time of inspiration, and dividing the '50, flow rate divided by the volume of each leaf.
- the ⁇ compli- ance distribution estimated from the value is obtained based on the displacement obtained from the analysis of the 3D CT image during exhalation and the 3D C image during inspiration, and is estimated from the elastic modulus.
- an expensive drug or a special device is used, and the function in the local region of the lung of the subject is determined.
- the C-image of the lung imaged three-dimensionally is used as input data to estimate the ventilation blood flow ratio distribution and the 1-second rate distribution by image analysis technology, as well as continuum mechanics
- image analysis technology as well as continuum mechanics
- the airflow resistance distribution and the compliance distribution are estimated, so that the ventilation capacity for each local region of the lung can be easily and accurately known.
- C ⁇ device that is already widely used in general clinical practice, ventilation of the local area of the lung without any expensive drugs or special equipment is required. Can be easily introduced into general clinical practice.
- FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for carrying out a three-dimensional spirogram measuring method according to the present invention.
- Fig. 2 is an image showing the estimated ventilation blood flow ratio distribution.
- Figure 3 shows the estimated 1-second rate distribution (region where the local 1-second rate is 50% or less).
- Fig. 4 is a chart showing a calculation example of the value obtained by dividing the air flow rate by the volume of each lung lobe.
- Fig. 5 is an image showing the airflow distribution.
- Figure 6 shows an image of the estimated compliance distribution.
- FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a device for carrying out the 3D spirogram measurement method according to the present invention.
- This device includes a control unit 1 composed of a CPU. .
- the control unit 1 is connected to the ROM 2, RAM 3, input unit 4, display unit 5, output unit 6, information base 7, etc., according to a computer program 10 stored in the ROM 2 in advance.
- Various software processes are executed in cooperation with each department.
- R A M 3 stores temporary data generated during execution of software processing by the control unit 1 and is configured by a semiconductor memory such as D R A -3
- the computer program stored in ROM 2 is a ventilation blood flow ratio distribution estimation process 1 1 for estimating a ventilation blood flow ratio distribution based on a three-dimensional chest CT image, and a three-dimensional chest C. 1 second rate distribution estimation process to estimate 1 second rate distribution based on ⁇ image 1 2, 3D chest flow estimation process to estimate air flow resistance distribution based on 3D chest CT image 1 3 It includes a plug-in for performing compliance distribution estimation processing 14 that determines the compliance distribution m based on CT images.
- the input unit 4 is used to input a three-dimensional chest CT image as input data for estimating the four types of 3 ⁇ 43 ⁇ 4 air distribution as described above.
- the image data of the 3D CT image acquired in the chest CT examination is input, and ⁇ 0
- the 3D CT image data at rest exhalation, at rest inhalation, and at maximum inspiration are input respectively. Enter as data 0
- the display unit 5 is, for example, a liquid crystal display device, and displays on the screen the results of the four types of aeration distribution determined, the acquired chest CT images, and data during the conversion estimation process.
- 0 Jtj force unit 6 is a printer device, for example, and prints the results of four types of estimated ventilation capacity distribution on paper. Print out.
- the information database 7 stores information necessary for estimating the ventilation distribution (for example, the convergence threshold in the steepest descent method described later).
- Input a 3D CT image during inspiration and a 3D CT image during exhalation captured by the multi-slice CT device.
- the spatial distribution of CT values obtained for each pixel of these 3D CT images is grasped in units of voxels that make up grid points in 3D space.
- the ventilation volume in a local region composed of one or a plurality of adjacent voxel units is obtained.
- the method proposed in the prior application is used as a method for obtaining the ventilation amount.
- Fig. 2 is an image showing the distribution of ventilation to blood flow ratio (VTR mapping) for normal and pulmonary emphysema cases. Fig. 2 also shows an image showing the distribution of the ventilation rate determined based on the local ventilation and an image showing the distribution of the dead space area where the VTR is more than three times the average value. .
- 3D CT image during rest inspiration taken with a multi-slice CT system
- the image and the 3D CT image at rest and the 3D CT image at maximum inspiration are input.
- the ventilation volume at rest inspiration / rest exhalation and the maximum inspiration / rest ventilation volume are obtained.
- the method proposed in the prior application is used as a method for obtaining the ventilation amount.
- the 1-second rate is the ratio of the amount of air exhaled from the maximum inspiratory position, and the amount of air exhaled during the first second.
- the normal one-second rate is approximately 80%. If the proportion of air exhaled locally in the lungs is constant, the maximum inspiratory / resting ventilation volume ( ⁇ ) of inspiratory / resting ventilation volume
- the ratio ( ⁇ / ⁇ ) to ( ⁇ ) is equal to the ratio ( ⁇ ../ 'BT) of the whole lung ventilation (known as the difference in total lung volume). Therefore, the local 1 second rate can be approximated by the following equation.
- Fig. 3 is an image showing an area where the local 1-second rate is 50% or less for normal cases and emphysema cases.
- the distribution of airflow resistance in each lobe bronchus can be estimated from the obtained division value.
- This division Figure 4 shows an example of calculation of values (relative values).
- the product is the cross-sectional area of the tube or each lobe bronchus.
- the distribution of airflow resistance in the lobe and bronchus can be displayed as an image.
- the lungs are divided into multiple cubes with different Young's moduli (side 0).
- a displacement vector between inspiration and expiration is obtained based on a linear analysis of both inspiration and expiration CT images.
- the displacement vector obtained by calculating the divergence of the vector is the correct vector when solving the inverse problem.
- the evaluation function is the sum of the similarity of the vector and the similarity of the vector divergence.
- the hang rate is updated sequentially so that the displacement vector obtained by the static structure analysis with the set Young's modulus approaches the correct answer. Then, the combination of the correct vector at each node and the displacement vector obtained by static structure analysis, and the combination of Young's modulus that minimizes the difference in divergence of both vectors are obtained.
- Fig. 6 is an image showing the compliance distribution for normal and pulmonary emphysema cases.
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Abstract
被験者の肺内局所の呼吸機能(換気能分布)を高精度に計測することができ、高額な薬剤、設備を必要とせずに一般的な臨床の現場での適用が可能である3次元スパイログラム計測方法及びコンピュータプログラムを提供する。3次元的に撮像された多時相の肺の3次元CT画像を入力データとして入力部から入力し、制御部がコンピュータプログラムに従って、3次元CT画像の画像解析により、換気血流比分布と1秒率分布とを推定し、3次元CT画像に基づく連続体力学におけるシミュレーション解析により、気流抵抗分布とコンプライアンス分布とを推定する。
Description
糸田 »
3 次元ス パイ ロ グラム計測方法及びコ ンピュータプロ グラム 技術分野
本発明は、 肺内局所の呼吸機能を計測する方法及びコ ンピュータ プロ グラ ムに関し.、 特に、 3 次元的に撮像された多時相の肺の C T ( Computed Tomography)画像に基づいて肺内局所の呼吸機能を計測 する 3 次元ス パイ 口 グラム計測方法及び 3次 Cスパィ グラム計測 方法をコ ンビユー ,々で実現するためのコ ンビュータプ口 グラムに関 する。 背景技術
気管支喘息、 肺 腫、 肺炎な どの呼吸器疾患では、 肺內の気管支 肺胞に構造変化が生じて換気能障害が起こ る よって 、 このよ う な 呼吸器疾患の診断及ぴ経過観察には肺内局所の呼吸機台匕
匕の検査が必 須である。 従来から 、 換気能の検查には肺活量計を用レ、て、 口から 呼出される空気の流量を計測する検査法が一般的であ り 、 従来のス パィ ロ グラム計測では、 ロ カ ら出入される空 の量と速さ と から、 換気量、 気道抵抗などを推定して換気能を定量化してい Ό のよ う な従来の検査法 (ス ノ イ ロ グラム計測) では 、 換気量の低下のよ う な肺全体における機能は評価でき るが、 肺内の構造 化と機能障 害と の関係を知つた り 、 肺内の局所的な機能を評価する こ と はでき ないとい う 問題があ
肺内の換気分布を求める方法と して、 核医学的検査手法が知 られ てお り (非特許文献 1 参照) 、 また過分極へ ゥムまたは酸素分子 を可視化する M R I ( agnet i c Resonance Imaging) 換気画像の研 究も進め られている (非特許文献 2参照) 。
非特許文献 1
ムス ク , ジ一等 (Musch, G. et al. ) , トポグラ フィ カル ディ ス ト リ ビューシ ョ ン ォブ パノレモナ リ ーパーフ ユ一ジ ョ ン ァ ン ド ヴェ ンテ ィ レーシ ' ヨ ン, アセス ト バイ ピー ィ ー テ ィ ー イ ン' スパィ ン ァ ン ド プロ ーン ヒ ューマ ンズ
V Topographical distribution oi pulmonaryper fusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans ) ン' エイ . アプリ ケーシ ョ ン フ ィ ジオロ ジー (J. Appl. Physiol) , 9 3 , 2 0 0 2年, p . 1 8 4 1 - 1 8 5 1 非特許文献 2
ラ ンゲ, ィー . ィ一等 (Lange, E. E. et al) , ラ ング エア スペース : ェム アール. イ メ ージング ェヴァ リ ユエ一シ ョ ン ウ イ ズ ハイパーポラ ライ ズ ト 3 H e ガス . ラジォ口 ジ一 I, Lung air space: MR imaging evaluation with hyper polarized 3He gas. Radiology) , 2 1 0 , 1 9 9 9年, p . 8 5 1 — 8 5 7 発明の開示
発明が解決しよ う とする課題
しかしなが ら、 上述した核医学的検査手法には、 高額な薬剤及び 高価な装置が必要であ り 、 M R I 換気画像の手法では、 薬剤の生成 及び定量性に問題があるため、 これらの手法は一般的な臨床の現場 では用い られていないのが現状である。
と こ ろで、 本発明者等は、 呼吸器疾患の診断に広く 用いられてい る呼気時及び吸気時の 3次元 C T画像を解析する こ と によ り 、 高額 な薬剤を必要とせず、 肺内の 3 次元的な換気分布を正確に高精度に
計測でき る換気分布計測方法を提案してレヽる (特開 2 0 0 5 - 2 8
1 2 1 号公報 、 以下 先行出願と レ、 う ) の換気分布計測方法で は、 3 次元的に撮像された呼気時の C T画像と吸 時の C T画像と から肺領域を抽出 し 呼気時の C T画像と吸気時の C T画像と の間 でその抽出 した肺領域の位置合せを行い の位置合せから肺領域 における変位べク 卜ル場を求め、 求めた変位ぺク ル場の各点にお いて発散を計算 し、 各点において計算された発散に基づき肺の局所 換気量を求める。 換 によ る肺内局所の体積変化量は、 局所換気量 とみなすこ とができ る 。 一方、 ffi内局所の体 変化量は肺領域にお ける変位ベク トル場の局所における発散と略一致する。 よって、 変 位ベク トル場の各点における発散を計算する こ と によ り 、 肺内の局 所換気量を求める こ レ 力 sでき る。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであ り 、 被験者の各種 の換気能分布 ( 気血流比分布、 1 秒率分布 流抵抗分布及びコ ンプライ ア ンス分布 ) を高精度に推定する こ と ができ、 高額な薬剤、 設備を必要とせずに一般的な臨床の現場での 用が可能である 3 次 元スノ ィ 口 グラム計測方法及びコ ンピュ一■々プ口 力、、ラムを提供する こ と を 目的とす O
課題を解決するための手段
本発明の 3 次元スパイ 口 グラム計測方法は、 3 次元的に撮像され た多時相の肺の C T画像に基づいて、 肺内局所の呼吸機能を計測す る方法において、 肺の多時相の C T画像の画像解析によ る換気血流 比分布の推定、 肺の多時相の C T画像の画像解析による 1 秒率分布 の推定、 連続体力学におけるシ ミ ュ レーシ ョ ン解析によ る気流抵抗 分布の推定、 及び、 連続体力学における シ ミ ュ レ一シ ョ ン解析によ る コ ンプライ ア ンス分布の推定の う ちの少なく と も一つを行 う こ と
を特徴とする。
本発明の 3次元スパイ ロ グラム計測方法は 、 呼気時の 3 次元 C Τ 画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づいて肺の局所換気量を求め 求めた局所換気量を C T値から得られる組織質量で除した値によ り 前記換気血流比分布を推定する こ と を特徴とする
本発明の 3 次元スパイ ロ ダラム計測方法は 、 安静呼気時の 3 次元 C T画像、 安静吸気時の 3 次元 C τ画像及び最大吸気時の 3次元 C T画像に基づいて肺の局所換気量を求め、 安静吸気 ,安静呼気時の 換気量と最大吸気 /安静呼気時の換気量と の比から刖記 1 秒率分布 を推定する こ と を特徴とする。
本発明の 3 次元スノ、。イ ロ グラム計測方法は 、 呼気時の 3 次元 C Τ 画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づいて各葉 支における気 流量を求め、 求めた気流量を各葉の容積で除した値から前記気流抵 抗分布を推定する こ と を特徴とす
本発明の 3 次元スパイ ロ グラム計測方法は 、 呼気時の 3次元 C Τ 画像及び吸気時の 3 次元 C T画像の解析から得られる変位に基づい て求められる弾性率から前記コ ンプライ アンス分布を推定する こ と を特徴とする。
本発明のコ ンピュータプロ グラムは、 コ ン'ピュ一タに、 3次元的 に撮像された多時相の肺の C T画像に基づいて換気血流比分布を推 定させるためのコ ン ピュータプ グラ ムであつて 、 ^ ンピュータ に 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づいて肺 の局所換気量を求めさせるステ ップと 、 コ ンピュ一タ に、 求めた局 所換気量を C T値から得られる組織質量で除した値によ り換気血流 比分布を推定させるステ ップと を含むこ と を特徴とす Ο
本発明のコ ン ピュータプロ グラムは、 コ ンピュ一タ に、 3次元的 に撮像された多時相の肺の C T画像に基づいて 1 秒率分布を推定さ
せるためのコ ンピュータプロ グラムであって、 コ ンピュータに、 安 静呼気時の 3次元 C T画像、 安静吸気時の 3 次元 C T画像及び最大 吸気時の 3次元 C T画像に基づいて肺の局所換気量を求めさせるス テ ツプと、 コ ン ピュータ に、 安静吸気/安静呼気時の換気量と最大 吸気 Z安静呼気時の換気量と の比から 1 秒率分布を推定させるステ ップと を含むこ と を特徴とする。
本発明のコ ンピュータプロ グラムは、 コ ン ピュータ に、 3 次元的 に撮像された多時相の肺の C T画像に基づいて気流抵抗分布を推定 させるためのコ ンピュータプロ グラムであって、 コ ンピュータ に、 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づいて各 葉気管支における気流量を求め させるステ ップと 、 コ ンピュータに、 求めた気流量を各葉の容積で除した値から気流抵抗分布を推定させ るステ ップと を含むこ と を特徴とする。
本発明のコ ン ピュータプロ グラムは、 コ ン ピュータ に、 3 次元的 に撮像された多時相の肺の C T画像に基づいてコ ンプライ ア ンス分 布を推定させるためのコ ン ピュータプロ グラムであって、 コ ン ビュ —タに、 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元 C T画像の解 析から得られる変位に基づいて弾性率を求め させるステ ップと 、 コ ンピュータ に、 求めた弾性率から コ ンプライ ア ンス分布を推定させ るステ ップと を含むこ と を特徴とする。
本発明にあっては、 安静呼気時、 安静吸気時、 最大吸気時な どに おいて 3 次元的に撮像された肺の C T画像を取得し、 取得した 3次 元 C T画像を入力データ と して、 画像解析技術によって換気血流比 分布と 1 秒率分布と を推定する と共に、 連続体力学における シ ミ ュ レーシ ョ ン解析によ り 、 気流抵抗分布と コ ンプラ イ ア ンス分布と を 推定する。 本発明では、 呼気時と吸気時と における肺の局所領域の 変位を解析し、 上記のよ う な 4種類の う ちの少なく と も 1 種類の推
定結果を得て、 換気能を定 化している。
換気血流比分布は、 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元
C T画像に基づき先行出願の手法にて肺の局所換気量を求め、 求め た局所換気量を C T値から得られる組織質量で除した値で推定する
1 秒率分布は、 肺の安静呼 時の 3 次元 C T画像、 安静吸気時の 3 次元 C T画像及び最大吸気時の 3 次元 C T画像に基づき先行出願 手法にて肺の局所喚起量を求め、 安静吸気/安静呼気時の換 最大吸気 安静呼気時の換 量と の比から推定する。
また 、 気流抵抗分布は、 呼 時の 3 次 Π C T画像及び吸気気時の 次元 C τ画像に基づいて葉 管支における 流量を算出 し、 出 た '50,流量を各葉の容積で除した値から推定す α コ ンプライ ン 分布は 、 呼気時の 3次元 C T画像及び吸 時の 3 次元 C Τ画 の 析カ ら得られる変位に基づいて求め られ o弾性率から推定す
本発明にあっては、 被験者の実際に撮像された胸部の 3 次 C 画像に基づき、 高額な薬剤または特殊な装置を用レ、る こ と な 験者の肺の局所領域における機能を求める よつて 、 呼吸系
元ァ像るく 患者について、 肺内の構造変化と機能障口 と の関係 、 及び、
解被のスのの Τとし 3 局所的な機能を知る上での なデータ を 易に提供する。
発明の効果
本発明では、 3 次元的に撮像された肺の C Τ画像を入力データ と して、 画像解析技術によつて換気血流比分布と 1 秒率分布と を推定 する と共に、 連続体力学にねけるシミ ュ レーショ ン解析によ り 、 気 流抵抗分布と コ ンプライ アンス分布と を推定する よ う に したので、 肺の局所領域毎の換気能を簡単かつ正確に知る こ と ができ る。 また 一般的な臨床に既に普及されている C Τ装置があれば、 それ以外に 高額な薬剤または特殊な装 を必要とせずに、 肺の局所領域の換気
能が求められる ので 一般的な臨床への導入を容易とする こ とがで き る 図面の簡単な説明
第 1 図は本発明に係る 3次元スパイ ロ グラ ム計測方法を実施する ための装置の構成を示すブロ ック図である。
第 2 図は推定した換気血流比分布を示す画像である。
第 3 図は推定した 1秒率分布 (局所 1秒率が 5 0 %以下の領域) を示す画像である。
第 4 図は気流量を各肺葉の容積で除した値の算出例を示す図表で ある。
第 5 図は気流分布を示す画像である。
第 6 図は推定したコ ンプライ ア ンス分布を示す画像である。 符号の説明
1 制御部
2 R O M
3 R A M
4 入力部
5 表示部
6 出力部
7 情報データベース
1 0 コ ン ピュータプロ グラム 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説 明する。 なお、 本発明は、 以下の実施の形態に限定されるも のでは
ない。
第 1 図は、 本発明に係る 3次元スパィ 口 グラム計測方法を実施す るための装置の構成を示すプロ ック 図である 0 この装置は、 C P U で構成された制御部 1 を備えている。 制御部 1 は、 R O M 2 、 R A M 3 、 入力部 4 、 表示部 5 、 出力部 6 、 情報ァ ― ベ ス 7 などと 接続され、 R O M 2 に予め格納されている コ ピュ一タプロ グラム 1 0 に従って各部と協業して各種のソフ 卜 ゥェァ処理を実行する。 R A M 3 は、 制御部 1 による ソフ 卜 ゥェァ処理の実行時に発生する 一時的なデータ を記憶する ものであ り 、 例えば D R A Mのよ う な半 導体メ モ リ によって構成されてい -3 o
R O M 2 に格納されてレ、る コ ンピュータプ Π グラム 1 0 は、 3 次 元胸部 C T画像に基づいて換気血流比分布を推定する換気血流比分 布推定処理 1 1 と 、 3 次元胸部 C τ画像に基づいて 1 秒率分布を推 定する 1 秒率分布推定処理 1 2 と 、 3 次元胸部 C T画像に基づいて 気流抵抗分布を推定する気流抵抗分布推定処理 1 3 しレ ヽ 3 次元胸部 C T画像に基づいてコ ンプライ ァンス分布を m定する ンプライ ア ンス分布推定処理 1 4 と を行う ためのプ口 グフムを含んでいる。 入力部 4 は、 上述したよ う な 4種類の ¾¾気能分布を推定するため の入力データ と なる 3次元胸部 C T画像を入力するためのものであ り 、 マルチス ライ ス C T装置を用いた被験者に対する胸部 C T検査 で取得された 3 次元の C T画像の画像デ一タが入力 され, Ο 0 なお、 安静呼気時と安静吸気時と最大吸気時と における 3次元の C T画像 の画像データ をそれぞれ入力デ一タ と して入力する 0
表示部 5 は、 例えば液晶表示装置であ Ό 、 m定された 4種類の換 気能分布の結果、 取得した胸部 C T画像 、 換 能の推定処理時にお ける途中のデータなどを画面に表示する 0 Jtj力部 6 は、 例えばプリ ンタ装置であ り 、 推定された 4種類の換気能分布の結果を用紙にプ
リ ン トア ウ トする。 情報データベース 7 は、 換気能分布を推定する 際に必要な情報 (例えば、 後述する最急降下法における収束の閾値 など) を格納している。
次に、 4種類の換気能分布の推定処理について説明する。
(換気血流比分布推定処理)
マルチス ライ ス C T装置で撮像された吸気時の 3 次元 C T画像と 呼気時の 3 次元 C T画像と を入力する。 これらの 3 次元 C T画像の 画素毎に得られた C T値の空間分布は、 3 次元空間上での格子点を 構成するボクセル単位で把握される。 そ して、 1 または隣接する複 数のボクセル単位で構成される局所領域における換気量を求める。 この換気量を求める手法は、 先行出願で提案した手法を用いる。
求めた局所領域における換気量を C T値から得られる組織質量で 除した値を算出 し、 その算出値から換気血流比を推定する。 肺胞壁 の質量を表す組織質量は肺胞壁を通る血液量に比例するため、 組織 質量あた り の換気量は、 換気血流比と ほぼ等価である。 したがって、 換気量/組織質量 ( V T R : Ventilation-Tissue mass Ratio)を算 出する こ と によ り 、 換気血流比を推定でき る。 各局所領域で算出 し た換気量 /''組織質量をマ ッ ピングする こ と によ り 、 肺全体における 換気血流比の分布を画像表示する こ と ができ る。 第 2 図は、 正常な 例と肺気腫の例と についての換気血流比分布 ( V T Rのマ ッ ピン グ) を示す画像である。 第 2 図には、 局所換気量に基づいて求め ら れる換気率の分布状態を示す画像、 及び、 V T Rが平均値の 3倍以 上である死腔領域の分布状態を示す画像も併せて示す。
( 1 秒率分布推定処理)
マルチス ライ ス C T装置で撮像された安静吸気時の 3次元 C T画
像と安静呼気時の 3次元 C T画像と最大吸気時の 3次元 C T画像と を入力する。 これらの 3次元 C Τ画像の解析によ り 、 安静吸気/安 静呼気時の換気量と、 最大吸気./安静呼気時の換気量と を求める。 この換気量を求める手法は、 先行出願で提案した手法を用いる。
1秒率とは、 最大吸気位から吐き出す空気量の う ち、 最初の 1秒 間に吐き出される空気の量の割合であ り 、 正常者の 1秒率は約 8 0 %である。 肺内局所で吐き出す空気の割合が一定であれば、 最大吸 気/安静呼気時の換気量 (Α ) の安静吸気ノ安静呼気時の換気量
( Β ) に対する比 (Α / Β ) は、 肺全体の換気量 '(総肺容積の差で 知れる) の比 (ΑΤ../' BT ) と等しい。 したがって、 局所の 1秒率は以 下の式で近似でき る。
{ ( 1 — 0 . 2 ) X ( Α / Β ) ( ΑΤ ,' ΒΤ ) } X 1 0 0 ( % ) 各局所領域で推定した 1秒率をマッ ピングするこ とによ り 、 肺全 体における 1秒率の分布を画像表示する こ とができ る。 第 3 図は、 正常な例と肺気腫の例とについて、 局所 1秒率が 5 0 %以下の領域 を示す画像である。
(気流抵抗分布推定処理)
マルチス ラ イ ス C Τ装置で撮像された吸気時の 3次元 C Τ画像と 呼気時の 3次元 C Τ画像と を入力する。 流体ソルバ (流体解析のプ ロ グラ ム) を用い、 葉気管支までの気流を定常層流とみなして各葉 気管支の気流分布 (各葉気管支の複数の局所領域における単位時間 あたり の気流量) を算出 し、 算出 した単位時間あた り の気流量 (気 流流速) を各肺葉の容積で除した除算値 (気流コンダクタンス) を 求める。 求めた除算値に基づき、 各葉気管支における気流コンダク タンス (気流抵抗の逆数) の分布を推定する。 つま り 、 求めた除算 値から各葉気管支における気流抵抗の分布を推定でき る。 この除算
値の算出例 (相対値) を第 4図に す。 第 4図において、 積は 管または各葉気管支の断面積である。 第 4 図における気流量 容積
(正規化) は、 抵抗 (正規化) を表してい また、 第 5図は、 気 流分布を示す画像であ
従来の気流抵抗を求める手法では、 どこに空 ¼を ½ てレヽる力 力 S 同定されていないモデルを使用 していたので 、 肺全体と しての気流 抵抗しか推定するこ とができなかつた 本発明では、 3次元 C T画 像の画像解析によって気流の空間分布を把握できるため 、 気流量を 肺葉容積で除するこ とによ り、 各葉気管支の 流分布の推定が可能 となる。 S卩ち、 気流量を各肺葉の容積で除して正規化しているため、 正しい気流抵抗の分布を推定でき る。
、
各局所領域で推定した気流抵抗をマッ ピ グするこ とによ り 、 葉 気管支における気流抵抗の分布を画像表示す こ とができ る。
( 3 ンプライア ンス分布 m定処理)
マルチスライス C T装置で撮像された吸気時の 3次元 C T画像と 呼気時の 3次元 C T画像と を入力する。 これらの C T画像を解析し て得られた変位の逆問題と して弾性体力学を用いて、 最適なャン .ゲ 率の解を算出 し、 その算出した解から体積弹性率の逆数であるコ ブラィア ンスを求める。
具体的には、 肺を異なるヤング率を有する複数の立方体 (一辺 0
5 〜 1 c m ) の有限要素 レ して表し、 立方体の各節点について、 吸 気時 /呼気時の両 C T画像に対する線形解析に基づき吸気 /呼気間 での変位ベク トルを求めヽ 求めた変位べク トルの発散を算出 してお こ の求めた変位べク トルが、 逆問題を解く 際の正解ベク トルと なる
して、 最急降下法によ り最適なヤング率の組み合わせを探索す
る。 評価関数は、 ベタ トルの類似度とベタ トル発散の類似度と の和 とする。 設定したヤング率によ る静構造解析で得られる変位べク ト ルが正解べタ トノレに近づく よ う に、 ャング率を順次更新していく 。 そ して、 各節点における正解べグ トルと静構造解析で得られた変位 べク トル と の差、 及び、 両べク トルの発散の差を最小にするヤング 率の組み合わせを求める。
求めたヤング率の組み合わせから各局所領域における コ ンプライ ア ンスを求め、 各局所領域のコ ンプライ ア ンスをマツ ピングする こ と によ り 、 肺全体における推定したコ ンプライ ア ンス の分布を画像 表示する こ と ができ る。 第 6 図は、 正常な例と肺気腫の例と につい てのコ ンプライ アンス分布を示す画像である。
以上のよ う に本発明では、 肺における 4種類の換気能分布を高精 度に推定する こ とができ、 呼吸系患者の鑑別診断、 経過観察などに 大いに寄与するデータ を提供する こ と可能と なる。 また、 高額な薬 剤、 特殊な装置が不要であるため、 一般的な臨床への導入も容易で ある。
Claims
1 . 3 次元的に撮像された多時相の肺の c τ画像に基づいて、 肺 内局所の呼吸機能を計測する方法において、
肺の多時相の C T画像の画像解析による換気血流比分布の推定、 肺の多時相の C T画像の画像解析によ る 1 秒率分布の推定、 連続体 力学におけるシ 、 、ユ レ一シ 3 ン解析によ る気流抵抗分布の推定、 及 び、 連続体力学におけるシ 、 ユ レ一ショ ン解析によ る コ ンプライ ア ンス分布の推定の う ちの少なく と も一つを行う こ と を特徴とする 3 次元スパィ 口 グつノ ム計測方法 o
2 . 呼 ¼日寺の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づ いて肺の局所換 量を求め 求めた局所換気量を C T値から得られ る組織質量で除した値によ り 前記換気血流比分布を推定する こ と を 特徴とす き主
Ό ロ冃求項 1 記載の 3 次元スパィ ロ グラ ム計測方法。
3 . 安静呼 時の 3 次兀 C T画像、 安静吸気時の 3 次元 C T画像 及び最大吸気時の 3 次元 C T画像に基づいて肺の局所換気量を求め、 安静吸気 , 女静呼気時の換 量と最大吸気/安静呼気時の換気量と の比力 ら刖記 1 秒 '77 ¾を 定する こ と を特徴とする請求項 1 記載 の 3 次元スノ ィ グラム計測方法。
4 . 呼 5¾日守の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3 次元 C T画像に基づ いて各葉 支における気流量を求め、 求めた気流量を各葉の容積 で除した値から前 BD 流抵抗分布を推定する こ と を特徴とする請求 項 1 記載の 3 次元スパィ 力、'ラム計測方法。
5 . 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3次元 C T画像の解析 力 ら得られる変位に基づレ、て求め られる弾性率から前記コ ンプライ ア ンス分布を推定する こ と を特徴とする請求項 1 記載の 3 次元スパ イ ロ ダラム計測方法。
6 ンピュータ に、 3次元的に撮像された多時相の肺の C Τ画 像に基づいて換気血流比分布を推定させるためのコ ンビュータプロ グラムであ て 、
コ 、
ノ ピュ一タに、 呼気時の 3 次元 C Τ画像及び吸気時の 3次元 C
T画像に基づレ、て肺の局所換気量を求めさせるステ ップ レ 、 コ ンピ ュ ' ~タに 、 求めた局所换気量を C Τ値から得られる組織質量で除し た値によ り 換 血流比分布を推定させるステ ップと を含むこ と を特
、 .
徴とする ノ ピユータプロ グラム。
7 コ ンピュータに、 3次元的に撮像された多時相の肺の C Τ画 像に基づいて 1 秒率分布を推定させるためのコ ン ビュ一タプ口 グラ ムであつ て 、
コ 、 ^
ノ ピュ一々 に、 安静呼気時の 3 次元 C τ画像、 安静吸気時の 3 次元 C Τ画像及び最大吸気時の 3 次元 C Τ画像に基づいて肺の局所
¼気量を求めさせるステ ツプと 、 コ ンピュータに、 安静吸気. κ安静 呼気時の換 '50,量と最大吸気 /安静呼気時の換気量と の比から 1 秒率 分布を m定させる ステ ップと を含むこ と を特徴とする コ ンピュータ プ口 グラム
、
8 ノ ピュータに、 3 次元的に撮像された多時相の肺の C Τ画 像に基づいて 流抵抗分布を推定させるためのコ ンビュ 々 プロ 力-、 ラムであつて 、
コ ン ピュ一タに、 呼気時の 3 次元 C Τ画像及び吸気時の 3 次元 C
T画像に基づレ、て各葉 管支における ¾流量を求め させるステ ップ と 、 ンピュ一タに、 求め 7こ 5¾流量を各葉の容積で除した値から気 流抵抗分布をナ 定させるステ ツプと を含むこ と を特徴とする コ ン ビ ュ ' ~タプ口 ラム。
9 ンピュータに、 3 次元的に撮像された多時相の肺の C Τ画 像に基づいて ンプライ アンス分布を推定させるための ンピュー
タプロ グラ ムであって、
コ ンピュータに、 呼気時の 3 次元 C T画像及び吸気時の 3次元 C T画像の解析から得られる変位に基づいて弾性率を求め させるステ ップと 、 コ ンピュータ に、 求めた弾性率から コ ンプライ アンス分布 を推定させるステップと を含むこ と を特徴とする コ ン ピュータプロ グラ ム。
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