(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
心臓の３次元モデル、前記心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの前記心臓の形状を示す心臓挙動データ、患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示す心電図データを記憶する記憶部と、
前記心臓挙動データに基づいて、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が前記心臓に現れたときの第１のタイムステップと、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が前記心臓に現れたときの第２のタイムステップとを判断し、前記心電図データに基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、前記心臓の拍動一拍分の期間を、一拍の電気信号の出力開始から前記第１の波のピークまでの第１の区間、前記第１の波のピークから前記第２の波のピークまでの第２の区間、および前記第２の波のピークから一拍の電気信号終了までの第３の区間に分け、電気信号の前記第１の波がピークになったときを前記第１のタイムステップでの前記心臓の形状の再現時期に決定し、電気信号の前記第２の波がピークになったときを前記第２のタイムステップでの前記心臓の形状を再現時期に決定し、同一区間内での１タイムステップあたりの進行時間が同一になるように、前記第１および第２のタイムステップ以外の各タイムステップでの前記心臓の形状の再現時期を決定し、前記心臓挙動データに基づいて、前記再現時間の進行に伴い、タイムステップごとの前記心臓の形状を、決定された再現時期に前記３次元モデルで再現する演算部と、
を有する可視化装置。
【請求項２】
前記第１の波は心電図に現れるＰ波であり、前記第２の波は心電図に現れるＲ波であることを特徴とする請求項１記載の可視化装置。
【請求項３】
前記第１のタイムステップは心房の収縮が開始したときのタイムステップであり、前記第２のタイムステップは心室の収縮が開始したときのタイムステップであることを特徴とする請求項１または２に記載の可視化装置。
【請求項４】
心臓の３次元モデル、前記心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの前記心臓の形状を示す心臓挙動データ、患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示す心電図データを記憶する記憶部と、
前記心臓挙動データに基づいて、心房を横断する直線と心房の自由壁との交差点における心房の心筋が、該交差点から最初に移動したタイムステップを、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が前記心臓に現れたときの第１のタイムステップと判断し、心室を横断する直線と心室の自由壁との交差点における心室の心筋が、該交差点から最初に移動したタイムステップを、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が前記心臓に現れたときの第２のタイムステップと判断し、前記心電図データに基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、電気信号の前記第１の波が再現されたときに前記第１のタイムステップでの前記心臓の形状が再現され、電気信号の前記第２の波が再現されたときに前記第２のタイムステップでの前記心臓の形状が再現されるように、前記心臓挙動データに基づいて、前記再現時間の進行に伴う前記心臓の挙動を前記３次元モデルで再現する演算部と、
を有する可視化装置。
【請求項５】
コンピュータが、
心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの前記心臓の形状を示す心臓挙動データに基づいて、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が前記心臓に現れたときの第１のタイムステップと、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が前記心臓に現れたときの第２のタイムステップとを判断し、
患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示す心電図データに基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、前記心臓の拍動一拍分の期間を、一拍の電気信号の出力開始から前記第１の波のピークまでの第１の区間、前記第１の波のピークから前記第２の波のピークまでの第２の区間、および前記第２の波のピークから一拍の電気信号終了までの第３の区間に分け、電気信号の前記第１の波がピークになったときを前記第１のタイムステップでの前記心臓の形状の再現時期に決定し、電気信号の前記第２の波がピークになったときを前記第２のタイムステップでの前記心臓の形状を再現時期に決定し、同一区間内での１タイムステップあたりの進行時間が同一になるように、前記第１および第２のタイムステップ以外の各タイムステップでの前記心臓の形状の再現時期を決定し、前記心臓挙動データに基づいて、前記再現時間の進行に伴い、タイムステップごとの前記心臓の形状を、決定された再現時期に前記心臓の３次元モデルで再現する、
可視化方法。
【請求項６】
コンピュータに、
心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの前記心臓の形状を示す心臓挙動データに基づいて、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が前記心臓に現れたときの第１のタイムステップと、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が前記心臓に現れたときの第２のタイムステップとを判断し、
患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示す心電図データに基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、前記心臓の拍動一拍分の期間を、一拍の電気信号の出力開始から前記第１の波のピークまでの第１の区間、前記第１の波のピークから前記第２の波のピークまでの第２の区間、および前記第２の波のピークから一拍の電気信号終了までの第３の区間に分け、電気信号の前記第１の波がピークになったときを前記第１のタイムステップでの前記心臓の形状の再現時期に決定し、電気信号の前記第２の波がピークになったときを前記第２のタイムステップでの前記心臓の形状を再現時期に決定し、同一区間内での１タイムステップあたりの進行時間が同一になるように、前記第１および第２のタイムステップ以外の各タイムステップでの前記心臓の形状の再現時期を決定し、前記心臓挙動データに基づいて、前記再現時間の進行に伴い、タイムステップごとの前記心臓の形状を、決定された再現時期に前記心臓の３次元モデルで再現する、
処理を実行させる可視化プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心臓の挙動を再現する可視化装置、可視化方法、および可視化プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータを用いた数値解析技術の発達により、心臓に起きる様々な現象をコンピュータ内で再現することが可能になってきた。数値解析として得られる心筋の挙動は、例えば３次元コンピュータグラフィックス技術を用いて表示される。またシミュレーションの結果、胸郭上の心電図を出力することも可能である。電気現象のデータの出力であれば、興奮伝播のデータと連携し動画像として可視化可能である。
【０００３】
心電図データは、不整脈の解析などに利用できる。例えば、致死的な不整脈の発生可能性の予知に有用な情報を、心電図の電気的活動を指標値の分布という点から評価する心電図解析装置が考えられている。また心電図の波形分類手法として、クラスタリングを用いたホルター心電図波形分類手法が考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１３１２２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】露梨，小栗，松尾，岩田、“クラスタリングを用いたホルター心電図波形分類”、一般社団法人電子情報通信学会、電子情報通信学会技術研究報告. MBE, MEとバイオサイバネティックス、2003年12月1日、103(489)、p.23-28
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
心臓疾患が疑われる患者の場合、心筋に生じる電気信号の測定が行われ、心電図データが作成される。このとき、心電図データと比較しながら、心臓の動作シミュレーションによって再現された心臓の挙動を確認したい場合がある。この場合、心筋の動きや血流などの動作シミュレーションが行われ、シミュレーション結果として得られる心臓の挙動が、心臓の３次元モデルで再現される。
【０００７】
しかし、心電図データとシミュレーションの結果とでは、時間進行の同期がとられておらず、正確に連携表示することは困難である。すなわち心電図データがすでに存在する場合、心電図データに示される興奮伝播の状態をシミュレーションの入力とし、心筋の挙動のシミュレーションが行われる。このシミュレーションにより、離散的な時間進行を示すタイムステップごとの心臓の状態を示すデータが得られる。ところが、心電図に現れる電気信号のタイミングと、その電気信号に応じて心筋が収縮するタイミングとには、時間的なずれがある。そのため、単に心臓の一拍分の心電図の電気信号の強さの変化表示と、心臓の挙動のアニメーション表示とを同時に再生開始しただけでは、正しく同期がとれない。
【０００８】
１つの側面では、本件は、測定された心電図とシミュレーション結果から再現された心臓挙動とを同期させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの案では、記憶部と演算部とを有する可視化装置が提供される。記憶部は、心臓の３次元モデル、心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの心臓の形状を示す心臓挙動データ、患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示す心電図データを記憶する。演算部は、心臓挙動データに基づいて、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が心臓に現れたときの第１のタイムステップと、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が心臓に現れたときの第２のタイムステップとを判断する。さらに演算部は、心電図データに基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、電気信号の第１の波が再現されたときに第１のタイムステップでの心臓の形状が再現され、電気信号の第２の波が再現されたときに第２のタイムステップでの心臓の形状が再現されるように、心臓挙動データに基づいて、再現時間の進行に伴う心臓の挙動を３次元モデルで再現する。
【発明の効果】
【００１０】
１態様によれば、測定された心電図とシミュレーションによって再現された心臓挙動とを同期させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る可視化装置の機能構成例を示す図である。
【図２】第２の実施の形態に用いるコンピュータのハードウェアの一構成例を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係るコンピュータの機能を示すブロック図である。
【図４】非構造格子データ記憶部のデータ構造の一例を示す図である。
【図５】心臓の３次元モデルの一例を示す図である。
【図６】シミュレーション結果記憶部のデータ構造の一例を示す図である。
【図７】心電図データ記憶部のデータ構造の一例を示す図である。
【図８】興奮伝播の一例を示す図である。
【図９】心電図の一例を示す図である。
【図１０】心電図と興奮伝播との関係を示す図である。
【図１１】１２誘導心電図の例を示す図である。
【図１２】表示処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】心房・心室の初期位置設定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１４】心室内側の最低部を示す図である。
【図１５】長軸と短軸との例を示す図である。
【図１６】初期位置を示す図である。
【図１７】同期情報生成処理の手順を示すフローチャートの前半である。
【図１８】同期情報生成処理の手順を示すフローチャートの後半である。
【図１９】同期情報の一例を示す図である。
【図２０】心電図と心臓の挙動との再現画像の一例を示す図である。
【図２１】１２誘導心電図の表示例を示す図である。
【図２２】再現時間の進行に伴う心臓形状の変化の様子を示す図である。
【図２３】不整脈時の心電図と心臓挙動との表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。なお各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。
〔第１の実施の形態〕
まず第１の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、第１の実施の形態に係る可視化装置の機能構成例を示す図である。可視化装置１０は、記憶部１１と演算部１２とを有している。
記憶部１１には、心臓の３次元モデル１、心臓挙動データ２、および心電図データ３が格納されている。心臓挙動データ２は、心臓の挙動シミュレーション上のタイムステップごとの心臓の形状を示すデータである。タイムステップは、心臓の動作を再現する際の時系列に沿って、０から昇順の番号が付与されている。心電図データ３は、患者から測定された心筋上の電気信号の強度の時間変化を示すデータである。電気信号は、例えば電圧である。
【００１４】
演算部１２は、心臓挙動データ２に基づいて、電気信号の第１の波に応じた第１の挙動が心臓に現れたときの第１のタイムステップと、電気信号の第２の波に応じた第２の挙動が心臓に現れたときの第２のタイムステップとを判断する（ステップＳ１）。第１の波は、例えば心電図に現れるＰ波である。その場合、第１のタイムステップは、心房の収縮が開始したときのタイムステップである。また第２の波は、心電図に現れるＲ波である。その場合、第２のタイムステップは、心室の収縮が開始したときのタイムステップである。
【００１５】
また演算部１２は、心電図データ３に基づいて、再現時間の進行に伴う心筋の電気信号の強度変化を再現すると共に、心臓挙動データ２に基づいて、再現時間の進行に伴う心臓の挙動を３次元モデル１で再現する（ステップＳ２）。演算部１２は、心臓の挙動を再現する際に、電気信号の第１の波が再現されたときに第１のタイムステップでの心臓の形状が再現され、電気信号の第２の波が再現されたときに第２のタイムステップでの心臓の形状が再現されるようにする。例えば、演算部１２は、再現された電気信号が第１の波のピーク（最大値）となったときに第１のタイムステップでの心臓の形状が再現され、再現された電気信号が第２の波のピークとなったときに第２のタイムステップでの心臓の形状が再現されるようにする。演算部１２は、再現した心電図と心臓の挙動とを、例えば画面４に表示する。
【００１６】
このような可視化装置１０によれば、演算部１２により、シミュレーションの結果として得られた心臓挙動データ２において、心房が収縮を開始したときの第１のタイムステップが判断される。この第１のタイムステップの番号をｉ（ｉは０以上の整数）とする。また演算部１２により、心室が収縮を開始したときの第２のタイムステップが判断される。この第２のタイムステップの番号をｊ（ｊは０以上の整数）とする。
【００１７】
次に演算部１２により、心電図と心臓の挙動とが同期して再現される。例えば演算部１２により、心臓挙動データ２のタイムステップごとの再現時期が、心電図データに基づいて決定される。例えば、心房の収縮が開始したｉ番目のタイムステップは、心電図において電気信号がＰ波のピークとなる時間（ｔｉ）が再現時期となる。また心室の収縮が開始したｊ番目のタイムステップは、心電図において電気信号がＲ波のピークとなる時間（ｔｊ）が再現時期となる。
【００１８】
このようにして決定された再現時期に従って、心電図を再現する際の電気信号の時間変化に合わせ、各タイムステップの心臓の形状を再現することで、心電図と心臓の挙動とが連携し、正しく同期して再現される。心電図の再現では、例えば横軸に時間、縦軸に電気信号強度を採った心電図を示すグラフが表示される。そして心電図のグラフ上を、電気信号強度の再現箇所を示すマークが、再現時間の進行に伴って移動する。
【００１９】
同期して再現された心電図と心臓の挙動とが画面４に表示されることで、心電図に現れた電気信号により心臓がどのような挙動を示すのかが、容易に把握できるようになる。しかも、心電図のＰ波のピークに心房の収縮開始時期を合わせ、Ｒ波のピークに心室の収縮開始時期を合わせることで、心筋への電気信号の到達から心筋収縮までの時間の遅延を反映させて、心電図と心臓挙動とを正確に同期させることができる。すなわちＰ波の立ち上がり時に心房の心筋に電気信号が発生しているが、すぐにその心房が収縮するわけではなく、ある程度の時間をおいて収縮が開始する。そのため心電図のＰ波がピークになるまで待って、再現する心臓挙動における心房の収縮を開始させることで、現実に即した心臓挙動を再現できる。
【００２０】
なお、演算部１２は、例えば可視化装置１０が有するプロセッサにより実現することができる。また、記憶部１１は、例えば可視化装置１０が有するメモリにより実現することができる。
【００２１】
また、図１に示した各要素間を接続する線は通信経路の一部を示すものであり、図示した通信経路以外の通信経路も設定可能である。
〔第２の実施の形態〕
次に第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、心電図を採取した患者の心臓についての挙動のシミュレーションを行い、心電図と心臓の挙動とを正確に同期して表示させるものである。
【００２２】
図２は、第２の実施の形態に用いるコンピュータのハードウェアの一構成例を示す図である。コンピュータ１００は、プロセッサ１０１によって装置全体が制御されている。プロセッサ１０１には、バス１０９を介してメモリ１０２と複数の周辺機器が接続されている。プロセッサ１０１は、マルチプロセッサであってもよい。プロセッサ１０１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。プロセッサ１０１がプログラムを実行することで実現する機能の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路で実現してもよい。
【００２３】
メモリ１０２は、コンピュータ１００の主記憶装置として使用される。メモリ１０２には、プロセッサ１０１に実行させるＯＳ（Operating System）のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。また、メモリ１０２には、プロセッサ１０１による処理に必要な各種データが格納される。メモリ１０２としては、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性の半導体記憶装置が使用される。
【００２４】
バス１０９に接続されている周辺機器としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１０３、グラフィック処理装置１０４、入力インタフェース１０５、光学ドライブ装置１０６、機器接続インタフェース１０７およびネットワークインタフェース１０８がある。
【００２５】
ＨＤＤ１０３は、内蔵したディスクに対して、磁気的にデータの書き込みおよび読み出しを行う。ＨＤＤ１０３は、コンピュータ１００の補助記憶装置として使用される。ＨＤＤ１０３には、ＯＳのプログラム、アプリケーションプログラム、および各種データが格納される。なお、補助記憶装置としては、フラッシュメモリなどの不揮発性の半導体記憶装置を使用することもできる。
【００２６】
グラフィック処理装置１０４には、モニタ２１が接続されている。グラフィック処理装置１０４は、プロセッサ１０１からの命令に従って、画像をモニタ２１の画面に表示させる。モニタ２１としては、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）を用いた表示装置や液晶表示装置などがある。
【００２７】
入力インタフェース１０５には、キーボード２２とマウス２３とが接続されている。入力インタフェース１０５は、キーボード２２やマウス２３から送られてくる信号をプロセッサ１０１に送信する。なお、マウス２３は、ポインティングデバイスの一例であり、他のポインティングデバイスを使用することもできる。他のポインティングデバイスとしては、タッチパネル、タブレット、タッチパッド、トラックボールなどがある。
【００２８】
光学ドライブ装置１０６は、レーザ光などを利用して、光ディスク２４に記録されたデータの読み取りを行う。光ディスク２４は、光の反射によって読み取り可能なようにデータが記録された可搬型の記録媒体である。光ディスク２４には、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）／ＲＷ（ReWritable）などがある。
【００２９】
機器接続インタフェース１０７は、コンピュータ１００に周辺機器を接続するための通信インタフェースである。例えば機器接続インタフェース１０７には、メモリ装置２５やメモリリーダライタ２６を接続することができる。メモリ装置２５は、機器接続インタフェース１０７との通信機能を搭載した記録媒体である。メモリリーダライタ２６は、メモリカード２７へのデータの書き込み、またはメモリカード２７からのデータの読み出しを行う装置である。メモリカード２７は、カード型の記録媒体である。
【００３０】
ネットワークインタフェース１０８は、ネットワーク２０に接続されている。ネットワークインタフェース１０８は、ネットワーク２０を介して、他のコンピュータまたは通信機器との間でデータの送受信を行う。
【００３１】
以上のようなハードウェア構成によって、第２の実施の形態の処理機能を実現することができる。なお、第１の実施の形態に示した可視化装置１０も、図２に示したコンピュータ１００と同様のハードウェアにより実現することができる。
【００３２】
コンピュータ１００は、例えばコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムを実行することにより、第２の実施の形態の処理機能を実現する。コンピュータ１００に実行させる処理内容を記述したプログラムは、様々な記録媒体に記録しておくことができる。例えば、コンピュータ１００に実行させるプログラムをＨＤＤ１０３に格納しておくことができる。プロセッサ１０１は、ＨＤＤ１０３内のプログラムの少なくとも一部をメモリ１０２にロードし、プログラムを実行する。またコンピュータ１００に実行させるプログラムを、光ディスク２４、メモリ装置２５、メモリカード２７などの可搬型記録媒体に記録しておくこともできる。可搬型記録媒体に格納されたプログラムは、例えばプロセッサ１０１からの制御により、ＨＤＤ１０３にインストールされた後、実行可能となる。またプロセッサ１０１が、可搬型記録媒体から直接プログラムを読み出して実行することもできる。
【００３３】
図３は、第２の実施の形態に係るコンピュータの機能を示すブロック図である。コンピュータ１００は、非構造格子データ記憶部１１０、心臓シミュレータ１２０、シミュレーション結果記憶部１３０、心電図データ記憶部１４０、および可視化部１５０を有する。
【００３４】
非構造格子データ記憶部１１０は、心臓の形状を３次元で表す非構造格子データを記憶する。非構造格子データでは、例えば複数の４面体の要素によって心臓の形状が表される。その場合、心臓が存在する空間に、多数の節点が設けられる。そして４つの節点を頂点とする多数の４面体が定義される。１つの４面体が、例えば心臓の心筋細胞を表す要素である。非構造格子データ記憶部１１０としては、例えばメモリ１０２またはＨＤＤ１０３の記憶領域の一部が使用される。
【００３５】
心臓シミュレータ１２０は、心臓の３次元モデルに基づいて、拍動を含む心臓の挙動をシミュレートする。また心臓シミュレータ１２０は、心臓の血液の流れ（冠循環）をシミュレートすることもできる。そして心臓シミュレータ１２０は、シミュレーション結果を、シミュレーション結果記憶部１３０に格納する。例えば心臓シミュレータ１２０は、シミュレーション上の時刻（タイムステップ）を所定時間ずつ進行させ、その都度、３次元モデルの節点の位置、および要素や節点における物理量（例えば血圧や血流量など）を算出する。各時刻での節点の位置や物理量は、その前の時刻における節点の位置や物理量に基づいて算出される。心臓シミュレータ１２０は、シミュレーション上の時刻における所定のタイミングで、その時点での節点の位置、および要素や節点における物理量を、シミュレーション結果として出力する。
【００３６】
シミュレーション結果記憶部１３０は、シミュレーション結果を記憶する。シミュレーション結果記憶部１３０としては、例えばメモリ１０２またはＨＤＤ１０３の記憶領域の一部が使用される。
【００３７】
心電図データ記憶部１４０は、患者から計測した心電図の元データを記憶する。心電図の元データとは、心臓に生じた電気信号の強度を示すデータである。心電図データ記憶部１４０としては、例えばメモリ１０２またはＨＤＤ１０３の記憶領域の一部が使用される。
【００３８】
可視化部１５０は、心電図と心臓の挙動とを同期させて、モニタ２１に表示する。例えば可視化部１５０は、再現された心臓の挙動における心房の収縮開始時と、心電図のＰ波のピークとを一致させ、心室の収縮開始時と、心電図のＲ波のピークとを一致させる。
【００３９】
なお可視化部１５０は、図１に示した第１の実施の形態における演算部１２の一例である。また非構造格子データ記憶部１１０、シミュレーション結果記憶部１３０、および心電図データ記憶部１４０を合わせた機能は、図１に示した第１の実施の形態における記憶部１１の一例である。なお、図３に示した各要素間を接続する線は通信経路の一部を示すものであり、図示した通信経路以外の通信経路も設定可能である。また、図３に示した各要素の機能は、例えば、その要素に対応するプログラムモジュールをコンピュータに実行させることで実現することができる。
【００４０】
次に、非構造格子データ記憶部１１０のデータ構造例について説明する。
図４は、非構造格子データ記憶部のデータ構造の一例を示す図である。非構造格子データ記憶部１１０には、例えば節点情報テーブル１１１と要素情報テーブル１１２とが含まれる。節点情報テーブル１１１と要素情報テーブル１１２とによって、非構造格子データが構成される。節点情報テーブル１１１には、節点ごとに、節点番号と節点の位置を示す座標とが設定されている。なお、節点情報テーブル１１１に設定されている各節点の座標は、シミュレーション開始前の節点の位置を示しており、シミュレーションにより心臓の拍動が再現されると、節点の位置が変化する。要素情報テーブル１１２には、要素ごとに、要素番号と４面体の要素の頂点となる節点の節点番号とが設定されている。
【００４１】
図４に示した非構造格子データ記憶部１１０に格納されたデータに基づいて、心臓の３次元モデルが生成できる。
図５は、心臓の３次元モデルの一例を示す図である。図５の例では、３次元モデル３１は、４面体の要素の集合体である。このような３次元モデル３１に対して、電気信号の初期条件を与えることで、心臓の心筋を介した電気信号の伝播状況（興奮伝播）の再現シミュレーションを実行できる。また３次元モデル３１に対して、心筋の収縮や拡張の動作に関する条件を与えることで、心臓の動きのシミュレーションが可能となる。シミュレーションが行われると、シミュレーション結果が、シミュレーション結果記憶部１３０に格納される。
【００４２】
図６は、シミュレーション結果記憶部のデータ構造の一例を示す図である。シミュレーション結果記憶部１３０には、１回分のシミュレーション結果の記録時点を１タイムステップとし、タイムステップごとの心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・が格納されている。心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・は、タイムステップのときの心臓の状態（形状を含む）を示す情報である。心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・には、タイムステップの番号（タイムステップインデックス）が付与されている。
【００４３】
例えば心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・には、要素・節点ＩＤに対応付けて、要素または節点の位置、様々な物理量の値が設定されている。タイムステップごとの節点の位置により、各タイムステップでの心臓の形状が決まる。なお要素の位置は、例えば４面体の要素の重心位置である。また１つの物理量に関し、要素と節点の両方に値が設定されていてもよく、要素または節点の一方にのみ値が設定されていてもよい。
【００４４】
次に、心電図データ記憶部１４０に格納される心電図データについて説明する。
図７は、心電図データ記憶部のデータ構造の一例を示す図である。心電図データ記憶部１４０には、患者の複数の箇所で測定した心電図データ１４１，１４２，１４３，・・・が格納されている。例えば１２誘導心電図のデータであれば、誘導ごとの１２個の心電図データが格納される。心電図データ１４１，１４２，１４３，・・・には、電気信号の測定開始からの時間に対応づけて、その時間に測定された電圧が設定されている。
【００４５】
このような心電図データは、患者の体に複数の電極を取り付け、心筋に生じる電圧を測定することで得られる。心筋に生じる電圧は、興奮伝播による電気信号の強度を表している。
【００４６】
以下、興奮伝播と、興奮伝播により心筋上で検出される電気信号とについて説明する。
図８は、興奮伝播の一例を示す図である。心臓４０は、右心房４１、左心房４２、右心室４３、および左心室４４を有する。右心房４１、左心房４２、右心室４３、および左心室４４それぞれは、興奮伝播で送られた電気信号に応じて収縮する。心臓４０の興奮伝播は、刺激伝達系を介して行われる。刺激伝達系は、筋肉が収縮するための電気信号を伝える筋肉である。
【００４７】
刺激伝達系の開始点は、右心房にある洞結節４５である。洞結節４５は、外部からの刺激を受けなくても、一定時間ごとに繰り返し電気信号を発生する。洞結節４５で発生した電気信号は、まず右心房４１と左心房４２に送られる。そして電気信号は、心房の筋肉を伝わって房室結節４６に到達する。右心房４１と左心房４２との筋肉は、電気信号に応じて収縮する。房室結節４６は、所定の時間待ってから、電気信号を心室へ伝達する。伝達された電気信号は、左右に分かれて、心室の底部まで達し、その後、心室の筋肉全体に伝搬する。
【００４８】
このような興奮伝播における電気信号は、心筋での電圧として測定できる。測定された電圧の変動の様子が、心電図である。
図９は、心電図の一例を示す図である。正常な心臓の心電図では、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、Ｕ波の６つの波が現れる。このうち、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波は、連続して現れ、まとめて「ＱＲＳ波」と呼ばれる。これらの波のうち、Ｐ波は、心房の脱分極（興奮）によって生じる波である。興奮伝播による電気信号の伝播が始まって最初の上向き（正の方向）の波が、Ｐ波である。ＱＲＳ波は、心室の脱分極（興奮）によって生じる波である。ＱＲＳ波のうちの、最初の下向き（負の方向）の波がＱ波、次の上向きの波がＲ波、次の下向きの波がＳ波である。
【００４９】
図１０は、心電図と興奮伝播との関係を示す図である。洞結節４５における電気信号の発生により、Ｐ波が開始する。そして、電気信号が房室結節４６で到達したときに、Ｐ波が終了する。房室結節４６に達した電気信号がヒス束４７を伝わる。ヒス束４７から左右の脚に分岐するときに、ＱＲＳ波が開始する。そして、心室の心筋内の左右の脚を先端部まで電気信号が伝わったときに、ＱＲＳ波が終了する。
【００５０】
なお、多くの場合、心電図は１２誘導（１２種類）取得される。
図１１は、１２誘導心電図の例を示す図である。１２誘導心電図５１では、１２種の誘導の心電図が表示される。１２誘導心電図のうち、多くの誘導の心電図では、Ｒ波の方が、その次に起こるＳ波（陰の波形）よりも大きいが、誘導によってはＲ波よりも、その次に起こるＳ波の方が大きくなるものもある。また一部の波形が現れない心電図もある。また、計測された心電図には、ノイズが波形として現れる場合もある。
【００５１】
このような心電図を表示する際に、シミュレーション結果として得られた心臓の挙動を同時に表示することで、心電図に現れる電気信号に応じた心臓の挙動とを容易に把握できる。
【００５２】
患者の心臓の挙動のシミュレーションを行う際には、その患者の心電図データを用いて、シミュレーションのパラメータを決定することができる。心電図データに合わせたパラメータでシミュレーションを実行することで、患者の心臓における興奮伝播状況を反映させたシミュレーションを行うことができる。例えば不整脈の症状を有する患者から測定した心電図データを用いてシミュレーションを行えば、不整脈を起こした心臓の挙動を再現することができる。
【００５３】
心電図と心臓の挙動の再現とを同期させるために、可視化部１５０は、心電図のＰ波と洞結節４５からの電気信号に基づく心房収縮とのタイミングを合わせ、心電図のＲ波と洞結節４５からの電気信号に基づく心室収縮とのタイミングを合わせる。すなわち可視化部１５０は、心電図におけるＰ波のピーク時に、再現された心臓挙動において心房の収縮が開始するようにする。また可視化部１５０は、心電図におけるＲ波のピーク時に、再現された心臓挙動において心室の収縮が開始するようにする。
【００５４】
次に、心電図と３次元モデルを用いて再現した心臓挙動との同期表示処理の手順について説明する。
図１２は、表示処理の手順を示すフローチャートである。
【００５５】
［ステップＳ１０１］可視化部１５０は、心房と心室との初期位置を設定する。初期位置は、例えば心房・心室それぞれの拍動前の状態における、できるだけ離れた２点に設定される。心房が初期位置から移動したときに、心房の収縮が開始したものと判断できる。また心室が初期位置から移動したときに、心室の収縮が開始したものと判断できる。心房と心室の初期位置設定処理の詳細については後述する（図１３参照）。
【００５６】
［ステップＳ１０２］可視化部１５０は、心臓挙動のタイムステップごとの再現タイミングを示す同期情報を生成する。同期情報生成処理の詳細は後述する（図１７参照）。
［ステップＳ１０３］可視化部１５０は、心電図と、３次元モデルによる心臓挙動の再現とを同期させて、モニタ２１に表示する。
【００５７】
次に、心房と心室との初期位置の設定処理について詳細に説明する。
図１３は、心房・心室の初期位置設定処理の手順を示すフローチャートである。
［ステップＳ１１１］可視化部１５０は、非構造格子データ記憶部１１０から、心臓の３次元モデル３１のデータを取得する。
【００５８】
［ステップＳ１１２］可視化部１５０は、心臓の３次元モデル３１に対して、心軸（長軸）を設定する。長軸は、心臓の上下方向の軸である。
［ステップＳ１１３］可視化部１５０は、心臓の３次元モデル３１に対して、心房短軸と心室短軸とを設定する。心房短軸は、長軸に垂直に交わる、心房の横方向の軸である。心室短軸は、長軸に垂直に交わる、心室の横方向の軸である。
【００５９】
［ステップＳ１１４］可視化部１５０は、心房短軸と心筋自由壁との交差点座標を、心房の初期位置に設定する。また可視化部１５０は、心室短軸と心筋自由壁との交差点座標を、心室の初期位置に設定する。
【００６０】
以下、初期位置の具体的な設定例を、図１４〜図１６を参照して説明する。まず、拍動前の状態の心臓の３次元モデルに対して、心室内側の最低部を通る長軸が設定される。
図１４は、心室内側の最低部を示す図である。心臓の３次元モデル３１における、心室の最低部６０を通る直線が、長軸となる。
【００６１】
図１５は、長軸と短軸との例を示す図である。可視化部１５０は、心臓の３次元モデル３１における大動脈弁の中心と僧帽弁の中心とを結ぶ線分６１を生成する。そして可視化部１５０は、線分６１の中点と最低部６０とを通る直線を長軸６２とする。
【００６２】
次に可視化部１５０は、長軸６２に直交する２つの直線６３，６４を生成する。直線６３は、最低部６０を通る。直線６４は、長軸６２が心臓内にある最上位の点を通る。ここで線分６１と直線６４との間隔を、Ｌａとする。そして可視化部１５０は、線分６１からｌａ（＝２Ｌａ／５）の距離に、長軸６２に直交する直線を生成し、その直線を心房短軸６５とする。また線分６１と直線６３との間隔を、Ｌｖとする。そして可視化部１５０は、直線６３からｌｖ（＝２Ｌｖ／５）の距離に、長軸６２に直交する直線を生成し、その直線を心室短軸６６とする。
【００６３】
可視化部１５０は、心房短軸６５が自由壁（中隔以外の壁）と接触する位置を、心房の初期位置に設定する。また可視化部１５０は、心室短軸６６が自由壁と接触する位置を、心室の初期位置に設定する。
【００６４】
図１６は、初期位置を示す図である。３次元モデル３１における、心房短軸６５上に２つの初期位置７１，７２が設定され、心室短軸６６上に２つの初期位置７３，７４が設定されている。
【００６５】
このようにして、初期位置が設定できる。可視化部１５０は、設定された初期位置に基づいて、同期情報を生成する。例えば可視化部１５０は、心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・に基づく心臓の挙動の再現の際に、心房の自由壁が初期位置７１，７２から移動した時点を、心電図のＰ波のピークに合わせる。また可視化部１５０は、心臓の挙動の再現の際に、心室の自由壁が初期位置７３，７４から移動した時点を、心電図のＲ波のピークに合わせる。
【００６６】
また可視化部１５０は、１拍分の心筋データを、心電図の１拍と一致させる。例えばＰ波のピークから次のＰ波のピークまでを、一拍とすることができる。また、シミュレーションの最初のタイムステップが、洞結節４５での電気信号の出力開始時点であれば、Ｐ波の立ち上がり開始時点から、次のＰ波の立ち上がりまでを一拍としてもよい。また心室の拡張が終了し収縮が開始する時期を開始点とし、次の拍動の対応する開始点までを一拍としてよい。なお、心室の拡張が終了し収縮が開始するのは、ＱＲＳ時間（Ｑ波の立ち上がりからＳ波の終了までの時間）内のＲ波以降の時期である。
【００６７】
そして可視化部１５０は、心臓の挙動を心電図に同期させるための、タイムステップごとの再現タイミングを示す情報として、同期情報を生成する。
図１７は、同期情報生成処理の手順を示すフローチャートの前半である。
【００６８】
［ステップＳ１２１］可視化部１５０は、シミュレーション結果記憶部１３０から、タイムステップごとの心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・を取得する。
［ステップＳ１２２］可視化部１５０は、タイムステップの番号を示す変数Ｔに０を設定する。
【００６９】
［ステップＳ１２３］可視化部１５０は、変数Ｔの値が、一拍分のタイムステップ数（Max＿timestep）未満か否かを判断する。変数Ｔの値がMax＿timestep未満であれば、処理がステップＳ１２４に進められる。変数Ｔの値がMax＿timestep以上であれば、処理がステップＳ１３１（図１８参照）に進められる。
【００７０】
［ステップＳ１２４］可視化部１５０は、変数Ｔの値が一拍分のタイムステップ数未満のとき、Ｔ番目のタイムステップの心臓の形状において、心房の心筋が初期位置から移動を開始したか否かを判断する。例えば可視化部１５０は、変数Ｐ＿ｔｏｐに値が設定されていないときに、Ｔ番目のタイムステップの心臓の心房の心筋が、初期位置から移動していれば、Ｔ番目のタイムステップで初期位置から移動を開始したと判断する。なお心房の心筋が初期位置から移動を開始したことは、心房の収縮が開始したことを意味している。心房の心筋が初期位置から移動を開始した場合、処理がステップＳ１２５に進められる。移動を開始していないか、Ｔ番目のタイムステップより前に移動が開始されているときは、処理がステップＳ１２８に進められる。
【００７１】
［ステップＳ１２５］可視化部１５０は、心房が収縮を開始したタイムステップを示す変数Ｐ＿ｔｏｐにＴの値を設定する。
［ステップＳ１２６］可視化部１５０は、Ｔ番目のタイムステップの心臓の形状において、心室の心筋が初期位置から移動を開始したか否かを判断する。例えば可視化部１５０は、変数Ｒ＿ｔｏｐに値が設定されていないときに、Ｔ番目のタイムステップの心臓の心室の心筋が、初期位置から移動していれば、Ｔ番目のタイムステップで初期位置から移動を開始したと判断する。なお心室の心筋が初期位置から移動を開始したことは、心室の収縮が開始したことを意味している。心室の心筋が初期位置から移動を開始した場合、処理がステップＳ１２７に進められる。移動を開始していないか、Ｔ番目のタイムステップより前に移動が開始されているときは、処理がステップＳ１２８に進められる。
【００７２】
［ステップＳ１２７］可視化部１５０は、心室が収縮を開始したタイムステップを示す変数Ｒ＿ｔｏｐにＴの値を設定する。
［ステップＳ１２８］可視化部１５０は、変数Ｔの値に１を加算して、処理をステップＳ１２３に進める。
【００７３】
図１７に示した処理によって、心房と心室とのそれぞれが収縮を開始したタイムステップの番号が、それぞれ変数Ｐ＿ｔｏｐと変数Ｒ＿ｔｏｐとに設定される。その後、各タイムステップの心筋データにより心臓の形状を再現するタイミングが決定される。
【００７４】
図１８は、同期情報生成処理の手順を示すフローチャートの後半である。
［ステップＳ１３１］可視化部１５０は、心電図データ記憶部１４０から心電図データ１４１，１４２，１４３，・・・を取得する。
【００７５】
［ステップＳ１３２］可視化部１５０は、変数Ｔに０を設定する。
［ステップＳ１３３］可視化部１５０は、心電図における電気信号の出力開始位置からＰ波のピークまでの時間に再現する心臓の挙動における、タイムステップの時間間隔Δｔ１を計算する。例えば可視化部１５０は、心筋データにおける心臓の拍動開始時のタイムステップから、Ｐ＿ｔｏｐのタイムステップまでのタイムステップ数をｎ１とする。次に可視化部１５０は、心電図における電気信号の出力開始位置からＰ波のピークまでの時間を、ｔ１とする。そして可視化部１５０は、ｔ１をｎ１で除算した値をΔｔ１とする。
【００７６】
［ステップＳ１３４］可視化部１５０は、変数Ｔの値がＰ＿ｔｏｐ未満か否かを判断する。変数Ｔの値がＰ＿ｔｏｐ未満であれば、処理がステップＳ１３５に進められる。変数Ｔの値が、Ｐ＿ｔｏｐ以上であれば、処理がステップＳ１３７に進められる。
【００７７】
［ステップＳ１３５］可視化部１５０は、同期情報におけるＴ番目のタイムステップの再現時期を、Ｔ−１番目のタイムステップの再現時期からΔｔ１後に設定する。なお０番目のタイムステップについては、可視化部１５０は、一拍の心電図の開始時期を、そのタイムステップの再現時期とする。
【００７８】
［ステップＳ１３６］可視化部１５０は、変数Ｔの値に１を加算して、処理をステップＳ１３４に進める。
［ステップＳ１３７］可視化部１５０は、心電図におけるＰ波のピークからＲ波のピークまでの時間に再現する心臓の挙動における、タイムステップの時間間隔Δｔ２を計算する。例えば可視化部１５０は、心筋データにおけるＰ＿ｔｏｐのタイムステップからＲ＿ｔｏｐのタイムステップまでのタイムステップ数をｎ２とする。次に可視化部１５０は、心電図における電気信号のＰ波のピークからＲ波のピークまでの時間を、ｔ２とする。そして可視化部１５０は、ｔ２をｎ２で除算した値をΔｔ２とする。
【００７９】
［ステップＳ１３８］可視化部１５０は、変数Ｔの値がＲ＿ｔｏｐ未満か否かを判断する。変数Ｔの値がＲ＿ｔｏｐ未満であれば、処理がステップＳ１３９に進められる。変数Ｔの値が、Ｒ＿ｔｏｐ以上であれば、処理がステップＳ１４１に進められる。
【００８０】
［ステップＳ１３９］可視化部１５０は、同期情報におけるＴ番目のタイムステップの再現時期を、Ｔ−１番目のタイムステップの再現時期からΔｔ２後に設定する。
［ステップＳ１４０］可視化部１５０は、変数Ｔの値に１を加算して、処理をステップＳ１３８に進める。
【００８１】
［ステップＳ１４１］可視化部１５０は、心電図におけるＲ波のピークから一拍の終端までの時間に再現する心臓の挙動における、タイムステップの時間間隔Δｔ３を計算する。例えば可視化部１５０は、心筋データにおけるＲ＿ｔｏｐのタイムステップから一拍の最後のタイムステップまでのタイムステップ数をｎ３とする。次に可視化部１５０は、心電図における電気信号のＲ波のピークから一拍の最後までの時間を、ｔ３とする。そして可視化部１５０は、ｔ３をｎ３で除算した値をΔｔ３とする。
【００８２】
［ステップＳ１４２］可視化部１５０は、変数Ｔの値が一拍分のタイムステップ数（Max＿timestep）未満か否かを判断する。変数Ｔの値がMax＿timestep未満であれば、処理がステップＳ１４３に進められる。変数Ｔの値がMax＿timestep以上であれば、処理が終了する。
【００８３】
［ステップＳ１４３］可視化部１５０は、同期情報におけるＴ番目のタイムステップの再現時期を、Ｔ−１番目のタイムステップの再現時期からΔｔ３後に設定する。
［ステップＳ１４４］可視化部１５０は、変数Ｔの値に１を加算して、処理をステップＳ１４２に進める。
【００８４】
このようにして、各タイムステップの心臓の形状の再現時期が同期情報に設定される。
図１９は、同期情報の一例を示す図である。同期情報１５１には、タイムステップ番号に対応づけて、再現時期が設定されている。再現時期には、対応するタイムステップに示される心臓の形状を再現する時期が、例えば一拍分の心電図の先頭からの経過時間で示される。なお同期情報１５１は、例えば可視化部１５０が管理するメモリ１０２内の領域に格納される。
【００８５】
なお、図１９の例では同期情報をテーブル形式の情報で示しているが、例えばタイムステップ番号をインデックスとした配列に、同期情報を格納することもできる。
また図１８、図１９の例では、心臓の拍動一拍分の期間を、Ｐ波のピークとＲ波のピークとを境界とする３つの期間に分けているが、Ｒ波のピークから次の拍動のＰ波のピークまでを１つの期間にまとめて、１タイムステップごとの時間間隔を計算してもよい。
【００８６】
このような同期情報１５１を用いることで、心電図に同期して心臓の挙動を再現した画面を表示することができる。
図２０は、心電図と心臓の挙動との再現画像の一例を示す図である。再現画像８０には、心電図表示部８１と心臓挙動表示部８２とが含まれる。心電図表示部８１には、心電図データに基づいて再現された心電図が表示される。心電図表示部８１内には、再現位置を示すマーク８３が表示されている。マーク８３は、例えば、心電図において電圧の強度を示す折れ線上を、再現時間の進行に従って左から右に移動する。
【００８７】
心臓挙動表示部８２には、心筋データ１３１，１３２，１３３，・・・に基づいて変形させることで心臓の挙動が、３次元モデルによって表示される。心臓挙動表示部８２内に示された３次元モデルの形状は、心電図表示部８１におけるマーク８３で示された位置の再現時間に応じたタイムスタンプの心筋データに基づいて生成される。従ってマーク８３の位置が時間経過に従って移動すると、その移動に伴って３次元モデルの形状を示す心筋データが更新され、心臓の挙動がアニメーション表示される。
【００８８】
なお心電図表示部８１には、１２誘導すべての心電図を表示することもできる。
図２１は、１２誘導心電図の表示例を示す図である。心電図表示部８１には、１２誘導それぞれの心電図が表示されている。各心電図には、再現位置を示すマークが表示されている。心臓挙動表示部８２には、心電図の開始位置から再現位置を示すマーク８３までの時間（再現時間）に応じた心臓の画像が表示される。マーク８３が右に移動するのに従い、心臓挙動表示部８２に示される心臓の画像も変化する。
【００８９】
図２２は、再現時間の進行に伴う心臓形状の変化の様子を示す図である。心電図表示部８１内の心電図上をマーク８３が再現時間に伴って右に移動する。心臓挙動表示部８２には、心電図がマーク８３の位置の電圧となったときの心臓の形状が示される。例えばマーク８３が心電図のＰ波のピークに達したときには、心臓挙動表示部８２には、「Ｐ＿ｔｏｐ」のタイムステップにおける心臓の形状が表示される。またマーク８３が心電図のＲ波のピークに達したときには、心臓挙動表示部８２には、「Ｒ＿ｔｏｐ」のタイムステップにおける心臓の形状が表示される。
【００９０】
また、正常な心臓の挙動だけでなく、不整脈を発症した患者の心電図と同期して、不整脈発生時の心臓の挙動を表示することもできる。
図２３は、不整脈時の心電図と心臓挙動との表示例を示す図である。図２３では、頻脈性不整脈の例を示している。頻脈性不整脈の場合、心電図には、通常より多くの波が現れる。そのようなとき、心臓挙動表示部８２には、例えば不自然なしわのある心臓が表示される。
【００９１】
このように心電図と心臓の挙動とを同期して表示させることで、心電図上でどのような電気信号が現れたときに、心臓がどのような挙動を示すのかがわかりやすくなる。その結果、患者の病状を正確に把握することができる。
【００９２】
以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。さらに、前述した実施の形態のうちの任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１  ３次元モデル
２  心臓挙動データ
３  心電図データ
４  画面
１０  可視化装置
１１  記憶部
１２  演算部
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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