(57)【要約】  呼吸メカニクスデータと暗視野画像データとが相乗的に組み合わされることで、空間分解能及び診断情報、特に位置特定及び重症度データが拡充された肺機能データが得られる強制振動技法及び暗視野撮像法が開示される。
2021505258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の肺の肺胞を振動圧力で刺激して、前記被験者の呼吸メカニクスデータを生成する強制振動技法デバイスと、
前記振動圧力に反応して、前記被験者の肺の少なくともサブセクション内の前記肺胞の暗視野画像データを含む画像データを、格子干渉計を用いて取得する暗視野Ｘ線撮像デバイスと、
前記呼吸メカニクスデータ及び前記画像データに基づいて、肺機能データを生成する計算デバイスと、
を含む、被験者の肺機能を決定するデバイス。
【請求項２】
前記強制振動技法デバイスの振動周波数を変調するコントローラと、
好適には、前記振動周波数と前記画像取得周波数とが互いに同相であるように、前記振動周波数に基づいて、前記暗視野Ｘ線撮像デバイスの画像取得周波数を変調する前記コントローラと同じ又は異なるコントローラと、
を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記暗視野Ｘ線撮像デバイスは、最大膨張状態にある前記肺胞の前記少なくともサブセクションの暗視野画像データと、最大収縮状態にある前記肺胞の前記少なくともサブセクションの暗視野画像データとを取得する、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記暗視野Ｘ線撮像デバイスは更に、前記被験者の肺内の前記肺胞の前記少なくともサブセクションの位置に関する情報を含む位置特定データを含む画像データを取得し、好適には、位置特定情報は、前記肺胞の膨張状態又は収縮状態に関する情報と組み合わされる、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記コントローラは、前記振動周波数を複数の異なる連続周波数で変調するか、及び／又は、前記振動周波数をパルスパターンで変調する、請求項２から４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記暗視野Ｘ線撮像デバイスは、２Ｄ暗視野画像データを生成する診断Ｘ線デバイスであるか、又は、３Ｄ画像データを生成する診断画像デバイスである、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記強制振動技法デバイスは、被験者の呼気を直接受け取る非侵襲的デバイスであるか、又は、被験者の気道に挿入される侵襲的デバイスである、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記計算デバイスは、幾つかの振動サイクルにわたる前記画像データ内の個々のピクセル、好適には各ピクセルと、参照波形との相互相関分析に基づいて相互相関画像を生成し、前記参照波形は、前記強制振動技法デバイスのマウスピース内で測定されるか、又は、前記計算デバイスによって生成される、前記請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
振動周波数で振動圧力を印加して、被験者の肺の肺胞を刺激するステップと、
前記被験者の呼吸メカニクスデータを生成するステップと、
前記振動圧力に反応して、前記被験者の肺の前記肺胞の少なくともサブセクションの暗視野Ｘ線画像データを取得するステップと、
前記呼吸メカニクスデータ及び前記暗視野Ｘ線画像データに基づいて肺機能データを計算するステップと、
前記肺機能データをユーザに提供するステップと、
を含む、被験者の肺機能を決定する方法。
【請求項１０】
前記暗視野Ｘ線画像データは、格子干渉計を使用して取得される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
強制振動技法デバイスを使用して、前記肺胞は刺激され、前記呼吸メカニクスデータが生成される、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記暗視野Ｘ線画像データは、最大膨張状態及び最大収縮状態における前記肺胞の前記少なくともサブセクションの画像データ、及び／又は、前記被験者の肺内の前記肺胞の前記少なくともサブセクションの位置に関する情報を含む位置特定データを含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記暗視野Ｘ線画像データは、前記振動圧力の前記振動周波数に基づく画像取得周波数で取得され、好適には前記振動周波数及び前記画像取得周波数は互いに同相である、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
幾つかの振動サイクルにわたる前記暗視野Ｘ線画像データ内の個々のピクセル、好適には各ピクセルと、参照波形との相互相関分析に基づいて、相互相関画像が生成され、前記参照波形は、前記強制振動技法デバイスのマウスピース内で測定されるか、又は、前記計算デバイスによって計算される、請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法で決定された呼吸メカニクスデータ及び画像データに基づいて、肺機能データを計算するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して被験者の肺機能を決定するデバイス、方法及びコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）や喘息といった肺疾患は、人口の大部分が罹患している。ＣＯＰＤは気流閉塞を特徴とする疾患であり、約３億３０００万人、つまり、世界人口のほぼ５％が罹患している。喘息は、肺の気道の炎症性疾患であり、世界中で約３億人が罹患している。早期診断及び治療によって、これらの疾患の更なる悪化を防ぎ、治癒の可能性を高めるか、少なくとも疾病の影響を軽減して、患者の健康を増進すると共に、医療費が削減される。
【０００３】
肺内のガス交換は、肺胞の膜内で行われる。肺胞は、呼吸中に膨張したり収縮したりする小さい風船状の組織構造である。吸入中、肺胞は膨張し、これは周囲組織に比べて内部に過剰圧力を必要とする。呼気中、肺胞は、その弾性特性と肺胞壁の張力とによって、又は、横隔膜の動きによる肺胞の外側への過剰圧力によって収縮する。吸入中、肺胞の半径は約０．０５ｍｍから０．１ｍｍに増加する。これには、健康な被験者で約１ｍｍＨｇの圧力差が必要である。
【０００４】
ＣＯＰＤや喘息といった肺疾患では、例えば肺胞自体の損傷又は肺の他の領域の閉塞若しくは損傷によって、肺胞が最適に膨張及び／又は収縮しない。
【０００５】
肺疾患は、通常、肺、具体的には肺胞が活性化又は刺激され、その影響が測定される肺機能検査によって評価される。
【０００６】
肺疾患の最も一般的な肺機能検査は、肺活量測定であり、これは吸入及び呼気中の肺容量及び気流を測定するのに適している。肺活量測定中、被験者は、測定される流れ及び容量の変化を生成するために、幾つかの呼吸操作を行う必要がある。その後、結果が医師による診断に使用される。肺活量測定の欠点は、測定時の被験者の能力、行動及び協力に強く依存することにより、精度及び再現性が制限され、結果がかなり不正確になる点である。また、肺活量測定では、空間分解能のない呼吸に関する統合情報（容量及び流れ）しか測定することができない。
【０００７】
強制振動技法（ＦＯＴ）は、被験者の能動的な協力を必要とせず、自発呼吸の生理学的状態中に換気パラメータを測定する、呼吸メカニクスを評価する確立された代替肺活量測定法である。ＦＯＴ中は、難しい呼吸操作を必要とせずに、自発呼吸中に低振幅、低周波の圧力振動が生成される。この外部励振を使用することにより、駆動振動圧力及び結果として生じる振動流を測定することが可能である。
【０００８】
典型的なＦＯＴセットアップ１０（図１に示す）では、被験者は、マウスピース１２及び終端抵抗器１３を通して呼吸する。終端抵抗器１３と並列で、マウスピース１２と開接続するラウドスピーカ１１を使用して振動が引き起こされる。振動の周波数及び振幅が、制御デバイス２０から送信される。肺組織の弾性特性により、空気振動が肺胞の誘起及び制御された膨張並びに収縮をもたらす。流量は、抵抗器１４内の膜、毛細管又は薄板といった空気経路狭窄構造１５を通して気流が導かれるベンチュリ効果を使用する技法である呼吸流量計で測定される。差圧トランスデューサ１６が、狭窄構造１５の両側の気圧を測定し、圧力差を、この例では計算デバイスと制御デバイスとの両方として機能するコンピュータ２０である計算デバイス２０に送信する。呼吸流量計には、温度依存性を低減するために、サーモスタットが具備される。好適には、口腔内圧は、より信頼できるデータを得ることが知られている。これは、マウスピース１２内又はその近くの更なる圧力トランスデューサ１７を用いて測定され、測定された口腔内圧も計算デバイス２０に送信される。計算デバイス２０は、肺機能を示すデータを計算し、医師に提示する。呼吸流量計の代わりに、タービン、超音波、熱線風速計又は当業者に知られている任意の他の適切なデバイスといった他のデバイスを使用して気流を決定することもできる。また、侵襲的な代替手段を使用してもよい。
【０００９】
ＦＯＴは、被験者への依存を排除するが、それでも非常に限られた空間分解能しかなく、上気道閉塞と末梢気道閉塞とを区別することしかできない。
【００１０】
国際特許公開ＷＯ２０１３／１５５５５６Ａ１は、ＦＯＴデバイスと、肺内の異なる領域間の肺機能パラメータを比較し、その視覚的表現を作成する処理手段とを含む肺の動的検査装置を開示している。視覚的表現を作成するために、シンクロトンＸ線源を使用して、肺の動きを撮像する位相コントラスト撮像が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
肺活量測定やＦＯＴといった肺機能検査の空間的及び時間的分解能を高め、肺の健康状態を直接決定して、肺のどこで且つなぜ肺機能低下の問題が生じているのかを正確に判断できると有利である。
【００１２】
本発明は、上記を達成することを目的とし、他の利点は当業者には明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による実施形態は、被験者の肺機能を決定するデバイスに関する。デバイスは、被験者の肺の肺胞を振動圧力で刺激して、被験者の呼吸メカニクスデータを生成する強制振動技法デバイスを含む。デバイスは更に、振動圧力に反応して、被験者の肺の少なくともサブセクション内の肺胞の暗視野画像データを含む画像データを生成する暗視野Ｘ線撮像デバイスを含む。
【００１４】
更に、デバイスは、呼吸メカニクスデータ及び画像データに基づいて、肺機能データを生成する計算デバイスを含む。
【００１５】
このデバイスは、ＦＯＴの利点（患者に依存しない、統合された定量的呼吸メカニクスデータ）とＤＡＸの利点（空間分解能の向上）とを兼ね備えている。その上、患者の肺内の特定の問題領域をより適切に特定し、疾患の原因をその呼吸への影響に一致させることができる。
【００１６】
好適には、デバイスは更に、強制振動技法デバイスの振動周波数を変調するコントローラを含む。同じ又は異なるコントローラが、振動周波数に基づいて、暗視野撮像デバイスの画像取得周波数を変調する。好適には、振動周波数及び画像取得周波数は互いに同相である。
【００１７】
振動周波数は既知であり、振動周波数から肺胞の反応を導き出すことができるので、既知の肺胞状態におけるＤＡＸ画像を取得することが可能になる。
【００１８】
好適には、最大膨張状態にある肺胞の少なくともサブセクションの暗視野画像データと、最大収縮状態にある肺胞の少なくともサブセクションの暗視野画像データとである。このため、最大膨張と収縮との差を分析することができる。差が大きいほど肺胞が健康であり、差が小さいほど肺胞が罹患している可能性がある（又は肺胞への供給が妨げられている）ことを示す。これは、ＦＯＴ画像と相互相関することができる呼吸メカニクスの追加の尺度を提供し、これにより、診断に利用できる情報が拡充される。
【００１９】
好適には、暗視野撮像デバイスは更に、被験者の肺内の肺胞の少なくともサブセクションの位置に関する情報を含む位置特定データを含む画像データを取得し、好適には、位置特定情報は、肺胞の膨張状態又は収縮状態に関する情報と組み合わされる。呼吸メカニクス情報と共に位置特定画像データを取得することができることにより、医師は肺疾患をより一層正確に診断し、患者の肺の様々なセクション（例えば健康領域と病変領域）を比較して、例えば症状の重症度に関する情報を取得することができる。
【００２０】
好適には、コントローラは、振動周波数を複数の異なる連続周波数で変調するか、及び／又は、振動周波数をパルスパターンで変調する。これにより、肺胞が様々な条件（例えば高い又は低い振動周波数）においてどのように反応するかに関するＦＯＴ及びＤＡＸ情報を取得するための様々な種類の振動が可能になる。
【００２１】
好適には、暗視野撮像デバイスは、２Ｄ暗視野画像データを生成する診断Ｘ線デバイスであるか、又は、３Ｄ画像データを生成する診断画像デバイスである。これらは、例えば診断２Ｄ  Ｘ線デバイス、ＣアームＸ線デバイス、トモシンセシスＸ線デバイス及びコンピュータ断層撮影Ｘ線デバイスである。
【００２２】
一変形例では、強制振動技法デバイスは、被験者の呼気を直接受け取る非侵襲的デバイスである。これにより、呼吸流量計に基づくデバイスを含む、既知のＦＯＴデバイスの使用が可能になる。
【００２３】
別の変形例では、強制振動技法デバイスは、被験者の気道に挿入される侵襲的デバイスである。これにより、肺の特定の領域のみに振動を誘起し、ＤＡＸ撮像をその領域に縮小して、線量を低減し、関心の特定の領域により適切に焦点を合わせることができる。
【００２４】
好適には、計算デバイスは、幾つかの振動サイクルにわたって、画像データ内の個々のピクセル、好適には各ピクセルと、参照波形との間で行われる相互相関分析に基づいて相互相関画像を生成する。参照波形は、強制振動技法デバイスのマウスピース内で測定されるか、又は、計算デバイスによって生成される。これにより、肺の異なるセクションにおける肺胞振動の位相の時間遅延を決定することができる。
【００２５】
本発明の別の実施形態は、被験者の肺機能を決定する対応する方法に関する。
【００２６】
本発明の更なる実施形態は、上記方法で決定された呼吸メカニクスデータ及び画像データに基づいて肺機能データを計算するコンピュータプログラムプロダクトに関する。
【００２７】
本発明の更なる態様及び実施形態は、以下の詳細な説明を読んで理解すると、当業者には理解されよう。以下の好適な実施形態の詳細な説明を読むと、当業者には多数の追加の利点及び利益が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明は、図面によって説明される。
【００２９】
【図１】図１は、強制振動技法（ＦＯＴ）デバイスの概略図を示す。
【図２】図２は、暗視野Ｘ線（ＤＡＸ）撮像デバイスの概略図を示す。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態によるＦＯＴ−ＤＡＸデバイスを使用した肺の一部の撮像を説明する概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の態様による被験者の肺機能を決定する方法の概略フローチャートを示す。
【図５】図５は、（ａ）例示的な誘起振動圧力と、（ｂ）それに対する肺胞の反応及び画像取得時間の図を示す。
【図６】図６は、ＦＯＴ−ＤＡＸによって得られた肺機能データの例示的な提示方法を示す概略図を示す。
【００３０】
本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの構成、また、様々なステップ及びステップの構成の形を取ってよい。図面は、好適な実施形態を例示するに過ぎず、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。視認性を高めるために、幾つかの特徴を省略したり、寸法が縮尺通りではない場合がある。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、（例えばＦＯＴによって）呼吸器系内の空気に圧力振動を重ね合わせ、肺組織、特に肺胞の反応を撮像することを相乗的に使用することで、被験者への依存を大幅に低減するだけでなく、空間分解能を高め、肺疾患の肺内の正確な位置及びその影響の重症度に関する正確な情報を提供する肺機能データを決定することができるという洞察に基づいている。
【００３２】
撮像技術には優れた選択肢があるが、ほとんどの撮像技術は過度に不正確で、速度が遅く及び／又はコントラストや空間分解能が不十分であるため不適切である。本発明の更なる洞察は、暗視野Ｘ線撮像が、一般的な撮像技術の上記欠点を克服すると同時に、空間分解能を高め、ＦＯＴにおいて欠けている位置特定をもたらす点である。
【００３３】
暗視野Ｘ線（ＤＡＸ）撮像は、医用撮像においてごく最近に実用化された撮像技術である。暗視野撮像は、視覚光学において既に長く知られているが、Ｘ線撮像では、そのサイズと非常に限られたエネルギーバンド幅及び角度発散のために医用撮像に適していない非常に明るいシンクロトロンＸ線源に制限されていた。しかし、最近になって、医用撮像において一般的に使用されるＸ線管を使用して暗視野Ｘ線画像を生成する格子ベースのソリューションが開発された［Ｐｆｅｉｆｆｅｒらの「Ｈａｒｄ−Ｘ−ｒａｙ  ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」（Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第７巻、２００８年２月、１３４〜１３７頁）]。
【００３４】
ＤＡＸ撮像は、図２に概略的に示すＤＡＸセットアップ４０を使用して行うことができる。Ｘ線ビーム４３が、Ｘ線源４１のＸ線焦点４２から放出される。一般に線源格子と呼ばれる第１の格子構造Ｇ０が、焦点４２の近くに配置される。放射線ビーム４３は、線源格子Ｇ０があることにより、実質的に線状線源アレイに分割される。線状線源アレイは、次に、一般に位相格子と呼ばれ、撮像される被験者５０の前又は後ろに配置されてよい第２の格子構造Ｇ１を通過する。Ｘ線ビーム４３は、一般にアナライザ格子と呼ばれる第３の格子構造Ｇ２を通過した後、検出器４４によって検出される。検出器４４において撮像情報が生成され、処理装置（図示せず）に送信される。位相格子Ｇ１及びアナライザ格子Ｇ２の両方が画像コントラストに寄与し、位相格子Ｇ１は、Ｘ線ビーム４３に周期的な空間位相変調をもたらす。部分的にコヒーレントなＸ線の伝播により、位相変調は、５〜５０μｍの範囲の典型的な周期を有する強度変調に変換される（タルボット効果）。次に、アナライザ格子Ｇ２は、高周波強度変調を低周波強度変調に変換する。位相格子Ｇ１又はアナライザ格子Ｇ２が、放射線ビーム４３に対して横方向に動かされると、検出されたＸ線強度は、検出器４４の各ピクセルにおいて振動し、振動の大きさは被験者５０によって決定される。次に、これらの局所的な強度変化を使用して、暗視野画像データを決定することができる。得られた暗視野画像データは、被験者５０を通ったＸ線ビーム４３の散乱情報を表す。この散乱データは、特に高吸収領域と低吸収領域との差の減衰測定データを提供するＸ線透過画像データと、軟組織コントラストが向上された位相コントラスト画像データと同時に取得される。
【００３５】
このＤＡＸセットアップは非常に適切であるが、本発明は、医用撮像に適したどのＤＡＸセットアップとも、例えばより多い又はより少ない数の格子を使用する変形例、格子の代わりに結晶を使用する変形例及び当業者に知られている任意の他の変形例とも動作することができる。
【００３６】
暗視野信号は、肺組織の微細構造といった強く小角散乱する軟組織領域に特に有用である。被験者内のＸ線の（光電吸収及びコンプトン散乱による）減衰のみが測定される従来のＸ線撮像とは異なり、ＤＡＸ撮像は、例えば肺内の肺胞の任意の空気と組織との界面において生じる小角散乱を測定する。つまり、ＤＡＸ信号は、これらの界面の数に比例し、界面の数は、肺胞のサイズに比例する（例えば国際特許公開ＷＯ２０１７／０５５５２７Ａ１も参照）。
【００３７】
ＤＡＸ自体は、被験者の肺内の肺胞の分布及びサイズに関する情報を提供するが、機能情報は生成されないため、それ自体は、ＣＯＰＤや喘息といった呼吸器疾患に関連する肺の診断での使用には制限がある。
【００３８】
ＤＡＸセットアップ４０にＦＯＴデバイス１０を追加することによって、両診断技術の長所が残る一方で、互いの弱点は相殺され、相乗的に、それぞれが個別では得られない新しいタイプの肺機能データが提供される。収縮状態及び膨張状態における肺胞のサイズ差は、肺胞の健康状態の尺度である（つまり、健康な肺胞に比べて、不健康な肺胞の膨張は少ないか、まったくない）。したがって、膨張状態及び収縮状態の肺胞のＤＡＸ信号は、肺胞の健康状態の直接的尺度を提供する。ＤＡＸ画像は肺の一部又は全体を対象とするため、肺のどこでどの肺胞が最適に機能しておらず、どの程度で肺の１つ以上の領域内の不健康な肺胞が肺機能パラメータの低下に寄与しているのかが明らかになる。
【００３９】
図３に、コントローラ２０、ＤＡＸセットアップ４０及びＦＯＴデバイス１０を含む概略的なＤＡＸ−ＦＯＴセットアップを示す。更に、上気道５１、気管支５２、５２’及び肺胞５３、５３’を含む被験者の肺の一部（縮尺通りではない）も示されている（明確にするために、気管支５２、５２’及び肺胞５３、５３’の一部のみに参照符号を付して示す）。この例では、図３に示すように、被験者は、一部の気管支５２’の粘液、粉塵、汚染物質、腫瘍等といった閉塞５４によって引き起こされる呼吸器疾患を持っている。上記閉塞５４によって、上気道５１から肺胞５３’への気流はひどく妨げられている。他の場合では、肺胞５３’は、閉塞以外の原因、例えば炎症、感染症、肺気腫、嚢胞性線維症又は肺胞の損傷若しくは多孔性により、機能に問題がある場合もある。これらの影響は、場合によっては他の症状と相まって、影響を受けている肺胞５３’が完全に、即ち、まったく膨張又は収縮しないという点で類似する。対照的に、閉塞のない気管支５２の肺胞５３は、（肺胞５３内の矢印で示すように）適切に膨張及び収縮する。
【００４０】
ＦＯＴだけを使用すると、肺機能の低下は検出されるが、問題の正確な原因及び場所は検出されない。ＤＡＸだけを使用すると、肺胞５３、５３は撮像されるが、それらがどの膨張状態又は収縮状態にあるかは不明であり、肺疾患を適切に診断することができない。場合によっては、対応する位相コントラスト画像が、閉塞や損傷を明らかにする可能性があるが、これは、肺機能データとはリンクされていない。ＦＯＴを行ってからＤＡＸを行うと、又は、その反対も、測定の呼吸状態が一致せず、ＦＯＴデータとＤＡＸデータとを適切に相関させることができないため、相乗効果は得られない。
【００４１】
図３に示す実施形態では、被験者５０は、ＦＯＴデバイス１０のマウスピース１２を通して呼吸する又は吹き込むことによって呼吸流３０を引き起こす。これは被験者５０の状態、やる気及び活動に依存するので、この呼吸流は、通常、あまりうまく制御できず、規則正しくない又は再現可能ではない。コンピュータ２０を使用してＦＯＴデバイス１０を制御して、ＦＯＴデバイス１０のラウドスピーカ１１内で生成された強制振動の周波数及び振幅を送信することにより、振動流３１を生成する。この振動流３１は、ＦＯＴデバイス１０及び被験者４１の上気道５１を通って気管支５２、５２’及び肺胞５３、５３’に向かって進む。適切に機能してる場合、肺胞５３は、最大膨張サイズと最大収縮サイズとの間で膨張及び収縮する。ＦＯＴデバイス１０は、前述したように肺機能データを提供する。肺機能データは、次に、この実施形態では、ＦＯＴデバイス１０からのデータを処理及び分析する計算デバイス２０としても機能するコンピュータ２０に送信される。ＦＯＴは推奨される技術であるが、通常の呼吸動作に対応して制御されたやり方で肺胞５３、５３’を膨張又は収縮させる他の手法も適している。
【００４２】
ＦＯＴ手順中に、被験者５０、具体的には被験者５０の肺の少なくとも一部が、ＤＡＸイメージャ４０を使用して撮像される。ここに示すＤＡＸセットアップ４０は、Ｃアーム診断Ｘ線イメージャであるが、例えば別のタイプのフラットパネル診断Ｘ線イメージャ又はコンピュータ断層撮影イメージャであってもよい。格子構造は、図が混雑しないように示されていない。
【００４３】
被験者の肺領域全体が撮像されてもよいが、問題のない領域への放射線被ばくを低減し、計算量を削減するために、肺のサブセクションを撮像することとしてもよい。これは、問題のある領域がどこにあるかが既に分かっているならば当然である。問題のある領域は、以前の検査から又はＤＡＸ-ＦＯＴ手順前に行われる低線量のスカウトスキャンから分かっている場合がある。
【００４４】
手順中、生の暗視野画像データがＤＡＸ手順を通じて得られる。本実施形態では、このデータは、ＤＡＸデバイス４０から暗視野画像データを分析するコンピュータ２０に送信される。手順中の肺胞サイズの変化は、ＤＡＸのコントラストを変更し、肺胞の膨張の様々な状態に対して異なる画像をもたらし、これにより、手順中の肺胞のサイズ及び膨張状態を決定することが可能である。
【００４５】
ＦＯＴ−ＤＡＸ手順中、透過データ及び位相コントラスト画像データが、暗視野画像データと同時に得られ、これらのデータもコンピュータ２０に送信され、分析されて、暗視野画像データと共に又は別個に使用される。
【００４６】
この実施形態では、コンピュータ２０はまた、新しい暗視野画像がいつ取得されるかを決定する画像取得周波数といった画像取得データをＤＡＸデバイスに提供する制御デバイスでもある。本発明のコンテキストでは、画像取得周波数との用語は、一連の画像が、連続する画像の取得間で一定の又は変化する時間間隔で取得されるシーケンスを意味する。
【００４７】
この実施形態では、コンピュータ２０は、画像取得周波数及び位相を、それらが、肺胞が最大膨張状態にある時間及び肺胞が最大収縮状態にある時間における画像の取得に対応するように制御する。これは、ＦＯＴデバイスによってもたらされた振動流の期間中に複数の画像を取得した後に、得られた暗視野画像データを分析して、肺胞が最大膨張状態にある画像と肺胞が最大収縮状態にある画像とを選択することで達成することができる。これは、幾分時間がかかる手動タスクであるか、又は、自動選択の場合には、追加の計算能力が必要となる。また、取得頻度は、肺胞が最大膨張状態及び／又は最大収縮状態にあるような頻度ではない場合もある。このため、上記最大の状態がＤＡＸ画像データの少なくとも一部に含まれている可能性を高めるために、多くの画像を撮る必要がある（これにより、放射線量が増加する及び／又は手順時間が長くなる）。
【００４８】
この問題は、ＦＯＴデバイス１０の振動周波数に基づいてＤＡＸデバイス４０の画像取得周波数を変調するように、ＦＯＴデバイス及びＤＡＸデバイス用の制御デバイス２０を構成することによって解決することができる。図４に、このプロセスの簡単なフロー図を示す。誘起振動流は、制御デバイス２０によって設定された（２００）既知の周波数で誘起される（１００）。したがって、肺胞の膨張及び収縮のパターンが分かる。ＦＯＴ−ＤＡＸ手順中に、ＦＯＴデバイス４０から得られる振動流及び呼吸流データから、測定された呼吸メカニクスデータが取得される（１０１）。測定された呼吸メカニクスデータは、計算デバイス２０に送信される（１０２）。制御デバイス２０は、少なくとも肺胞が最大膨張状態にある時間及び肺胞が最大収縮状態にある時間において生のＤＡＸ画像データが取得される（１０３）ように、振動周波数を用いて画像取得周波数及び位相を（例えばそれらが互いに同相であるように）設定する（２０１）。誘起されたＦＯＴ励振と撮像システムの取得との間の位相差を変更すると、異なるコントラストメカニズムをもたらし、肺組織の様々な特性が可視となる。
【００４９】
コントラストを異ならせるために、振動周波数を変更することができる。これはまた、肺胞への信号伝播への気管支の影響を推定することができ、例えばＣＯＰＤと喘息とを区別するために使用することができる。
【００５０】
一実施形態では、ＦＯＴデバイス４０は、通常は５〜１００Ｈｚの範囲の設定周波数で正弦波圧力振動を生成する。肺が外部圧力波に線形に反応すると仮定すると、外部圧力波に対して少なくとも３つの異なる位相でＤＡＸ画像データを取得することが望ましい。これを図５に示す。図５ａは、ＦＯＴデバイス４０によって誘起される外部励振波の一例を示す。図５ｂは、外部励振に反応する肺胞サイズを示す。図５ａ及び図５ｂでは共に、縦軸は任意の単位であり、横軸は時間（両方について同じ尺度）を示す。肺胞サイズ変化は、誘起振動周波数と同じ周波数を有するが、肺胞の反応は、通常、位相がややずれている。
【００５１】
位相回復が、外部振動と同じ相対位相において撮られた画像に対して行われる。つまり、最初のＤＡＸ画像（４５−１）については第１の格子位置で取得された画像Ｉ１１からＩ４１まで、２番目のＤＡＸ画像（４５−２）については第２の格子位置で取得された画像Ｉ１２からＩ４２まで、その他（４５−３、４５−４、...）に対して行われる。フーリエ解析を使用して、最大及び最小のＤＡＸ信号レベルがこれらの個々の画像から導き出される。図５ｂの例示的な図では、４枚の画像が、励振期間の単一の期間内で取得される（取得の時間は、水平時間軸上の垂直線で示される）。高周波の場合、これらの画像は異なる期間に分散する可能性がある。図５ｂの例示的な図では、格子の動きを可能にするために、後続の格子位置の画像は、励振の後続の期間では取得されない。この動きは、単一の励振期間よりも長くかかる場合もある。
【００５２】
生の暗視野画像データは、計算デバイス２０に送信される（１０４）。次に、計算デバイス２０は、測定された呼吸メカニクスデータ及び生の暗視野画像データを分析及び組み合わせて、肺機能データを生成する（１０５）。肺機能データは、医師といったユーザに提示されてよい（１０６）。
【００５３】
肺内で、駆動圧力振動波は、気管支内の経路の長さや、気管支及び細気管支の弾性に応じて、異なる時間に異なる肺胞に到達する。この時間挙動を測定するために、参照波形の位相が調整される。これにより、肺胞振動の位相を決定することができる。これを達成するために、計算デバイス２０は、幾つかの振動サイクルにわたる暗視野画像データ内の個々のピクセルと参照波形との相互相関分析に基づいて相互相関画像を生成することができる。参照波形は、ＦＯＴデバイスのマウスピース１２内で測定されても、制御デバイス２０によって生成されてもよい。一実施形態では、この相互相関分析は、すべてのピクセルに対して行われる。
【００５４】
閉塞又は異なる弾性パラメータを有する肺の領域は、異なる画像コントラストを示す。これは、振動駆動信号が、肺胞に到達する前に様々に減衰されるからである。したがって、この方法もまた、閉塞の場所及び寸法を推定するために使用することができる。
【００５５】
生成された肺機能データは、処理された呼吸メカニクスデータ及び処理された暗視野画像データを含み、別々に提示されるか、組み合わされて若しくは統合されて提示されるか、又は、ユーザは、肺機能データをどのように及びどのデータを提示するのかを選択することができる。
【００５６】
肺機能データは、ディスプレイ、例えばコンピュータ２０のディスプレイに視覚的に提示されてよい（１０６）。又は、肝機能データは、別のコンピュータ若しくはワークステーション又はプリンタに送信されてもよい。
【００５７】
計算デバイス２０は、生の暗視野画像データを分析して、最大膨張状態と最大収縮状態との間の肺胞のサイズ（例えば半径、直径又は容積）の差（又は肺胞のグループの平均差）と定義される膨張係数を決定することができる。したがって、計算デバイスは、異なる膨張係数を有する異なる領域の位置特定情報を提供することができる。位置特定情報は、肺機能データに含まれ、また、これらの異なる領域を示す表示された２Ｄ又は３Ｄ暗視野画像において、例えば特定の閾値よりも低い膨張係数を有する領域（つまり、これらの肺胞の機能が低下していることを示す）を強調表示するか、又は、様々な膨張係数を表す異なる色（例えば健康な肺胞を表す大きな値には緑を、不健康である可能性のある肺胞を表す低い値には赤）で色分けされたマップを提供することによってユーザに提示される。
【００５８】
肺機能データはまた、位相コントラスト画像データ及び／又は透過画像データを更に含んでよい。また、すべての利用可能なデータから、追加の診断支援データ（例えば自動腫瘍検出又は追跡）が決定されて、ユーザに提示されてもよい。
【００５９】
図６は、本発明の態様によるＦＯＴ−ＤＡＸ手順から得られた肺機能データの概略的で例示的なＦＯＴ−ＤＡＸ表示画像６０を示す。この表示画像６０は、ＦＯＴ測定に基づいて処理された呼吸メカニクスデータ画像６１と、生のＤＡＸ画像データに基づいて処理されたＤＡＸ画像６２と、測定条件に関するメタデータ６３と、診断を支援する他の関連データとを含む。
【００６０】
処理された呼吸メカニクスデータ画像６１は、通常のＦＯＴデータに相当し、全体として被験者の肺の肺機能の統合ビューを提示する。ここでは、処理された呼吸メカニクスデータ画像６１は、抵抗グラフとして示されるが、異なるやり方で又は他の一般的に使用されるデータと組み合わせて提示されてもよい（例えばリアクタンスグラフ、振幅圧力グラフ等）。処理された呼吸メカニクスデータ画像６１はまた、テキストデータや、測定値といった数値データからなるか又はそれらを含んでもよい。他の実施形態では、ユーザは、様々なタイプの処理された呼吸メカニクスデータ画像６１から選択しても、それらの間で切り替えてもよい。
【００６１】
処理されたＤＡＸ画像６２は、ここでは、被験者５０の肺の暗視野画像の概略図として示される。左肺葉５６及び右肺葉５５は共に、白い領域が大きい膨張係数を有する領域（健康な領域）を示し、暗い領域５９が低い膨張係数（ひどく不健康な領域）を示す領域を示す。ハッチングパターンの間隔が異なる領域５７、５８は、中間の膨張係数を有する領域を示し、ハッチング線間の間隔が小さいほど、膨張係数が低くなる（つまり、ハッチング線が互いに近いほど、当該領域における肺胞の健康状態は悪い）。ＤＡＸ画像はまたズーム可能であってよい。
【００６２】
メタデータ６３は、振動周波数、取得頻度並びに測定及び撮像条件に関連する他のデータだけでなく、識別データ、体重、年齢、（予備的）診断、担当医等といった患者固有のデータに関する情報を含んでよい。
【００６３】
幾つかの実施形態では、データはまた、ユーザインターフェースを介してユーザによって操作可能であってもよい。例えば異なる膨張係数レベルの閾値を設定したり、暗視野画像、位相コントラスト画像及び透過画像を切り替えたりすることができる。
【００６４】
別のオプションは、肺機能データを以前に取得した肺機能データと比較して、被験者の肺の健康状態が改善したか又は悪化したかを確認することである。計算デバイス２０は、現在の肺機能データと以前の肺機能データとを自動的に比較して、差のみを表示するか又は両者を重ね合わせて提示することができる。
【００６５】
（前述したように）他の強制振動技法もまた、それらが肺胞の制御された膨張及び拡張を生じさせる限り、使用することができる。１つの特定例では、駆動圧力振動が侵襲性の気管支鏡検査中に印加されてもよい。気管支鏡検査では、器具（気管支鏡）が通常は口又は鼻を通して気道に挿入される。強制振動は、例えば気管支鏡の先端にあるラウドスピーカ又はその他のデバイスによって誘起される。必要に応じて、気管支樹の関心の枝をバルーンで塞ぐことができる。これにより、単一の肺葉、肺のセグメント又は枝を測定することが可能である。侵襲性のＦＯＴ−ＤＡＸの欠点は、ＦＯＴデバイス１０も撮像されて、肺の一部を不明瞭にするか又はその存在によりアーチファクトを引き起こす可能性がある点である。
【００６６】
別の変形例では、連続的に振動する駆動信号ではなく、パルス駆動信号を使用することができる。各パルスの後、組織の時間的反応を測定するために画像が取得される。次に、パルスが繰り返され、測定値が合計され、肺胞を含む肺組織の柔軟性と回復力に関する詳細情報が提供される。
【００６７】
肺活量測定と比較した場合に、ＦＯＴの主な利点は、ＦＯＴは息止めを必要としないものの、息止めモードでも機能することである。ＤＡＸ撮像は、通常、同じ物体について幾つかのＸ線投影を撮る必要があるため、動きに敏感である。つまり、画像データに動きアーチファクトが生じる。したがって、息止め中の撮像を使用して、これらの動きに対する感度を下げることができる。息止めの間、患者は喉頭蓋で気管を閉じてはいけない。これには、患者が協力的であることや、撮像中にこの状況を検出する方法が必要である。標準的なＦＯＴセットアップは、閉じた喉頭蓋を自動的に検出することができる。これは、喉頭蓋が閉じていると、気道系の抵抗は喉頭蓋が開いているときは全く異なるからである。これにより、ＤＡＸ撮像をトリガすることもできる。
【００６８】
本発明は、図面及び前述の説明において詳細に例示及び説明されてきたが、そのような例示及び説明は、例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。
【００６９】
例えば被験者は、人間であっても、動物であってよい。
【００７０】
更に、説明する実施形態では、コンピュータ２０は、ＦＯＴ−ＤＡＸ制御デバイス２０と計算デバイス２０とを組み合わせたものであり、すべての制御及び計算タスクを行う。或いは、個々の制御及び／又は計算タスクは、別個のデバイス、例えばＦＯＴデバイスに接続されたコンピュータ及びＤＡＸデバイス４０専用の（又はＤＡＸデバイス４０と統合された）コンピュータによって行われてもよい。また、他の専用計算デバイス及び制御デバイスを別々に利用することもできる。デバイスは同じ場所にある必要はなく、クラウド計算等を提供するリモートデバイスといったリモートデバイスが含まれる。このような実施形態では、様々な計算デバイス及び制御デバイスは、当該様々な計算デバイス及び制御デバイス間での高速データ転送のために十分なデータ帯域が利用可能であるようにリンクされなければならない。
【００７１】
開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する際に当業者によって理解及び達成することができる。請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形は複数を排除しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に引用される幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されることだけで、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体上に記憶及び／又は分散されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するといった他の形式で分配されてもよい。請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【国際調査報告】
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