CN105455837B - 椎骨分割装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供椎骨分割装置、方法及程序，即使在切片厚较大的情况下，也能够可识别地分别分离多个椎骨。椎间孔位置检测部(25)从包含多个椎骨的三维医用图像中检测出椎间孔的位置。此时，例如使用表示椎间孔可能性的特征量。椎骨特定部(26)使用所检测出的椎间孔而对多个椎骨分别进行确定。

Description

椎骨分割装置及方法
技术领域
本发明涉及根据包含多个椎骨的三维医用图像可识别地分离多个椎骨的各椎骨的椎骨分割装置、方法及程序。
背景技术
脊髄起到用于传递在大脑与身体的各部中往来的消息的作用，是非常重要的部位。因此，脊髄由多个椎骨(脊椎)保护。另外，通过对扫描被摄体而得到的断层图像进行读影而对椎骨的损伤、病变的有无进行确认。此时，为了对例如有损伤、病变的椎骨进行报告，需要对各椎骨进行识别。因此，提出了各种椎骨分割的算法，上述椎骨分割的算法是基于扫描被摄体而得到的断层图像而可识别地分别分离多个椎骨，并对各椎骨赋予标签的图像处理。
例如在专利文献1中，提出了如下方法：将根据CT(Computed Tomography：计算机断层扫描)图像或MRI(magnetic resonance imaging：磁共振成像)图像等断层图像而得到的三维图像作为对象，生成与各椎骨的中心轴交叉的面及平行的面的截面图像，算出表示各截面图像中的截面形状的鲜明度的特征量即表示椎骨的排列的规则性的特征量，并基于上述特征量而确定位于各椎骨之间的椎间盘的位置，由此对各椎骨进行分离，进而对分离出的椎骨的区域赋予标签。
专利文献1：日本特开2011-131040号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，一般已知在断层图像的扫描方向(体轴方向)的切片厚度较大的情况下，体轴方向的空间分辨率不足，而图像表现能力下降。在各椎骨的长度从比较短的颈椎到胸椎上部的范围中，椎间盘的厚度尤其小。因此，例如在超过3mm那样的切片厚度的情况下，难以确定椎间盘的位置。其结果为，无法高精度地检测出椎间盘，难以对多个椎骨进行分离。在该情况下，可以想到减小切片厚度。但是，当减小了切片厚度时，三维图像的数据量变得庞大，用于椎骨的分离的运算量也变得庞大。另外，当减小了切片厚度时，在图像的读影时需要参照更多的图像，因此医师的负担较大。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的是在椎骨分割装置、方法及程序中，即使切片厚度较大也能够可识别地分别分离多个椎骨。
用于解决课题的方法
当从侧面观察构成脊椎的椎骨时，在相邻的两个椎骨中，上侧的椎骨的凹下的部分(椎下切迹)与下侧的椎骨的凹下的部分(椎上切迹)相互相对而形成椎间孔。椎间孔成为从位于脊柱管中的脊髄出来的脊髄神经的通路。在从侧面观察该椎间孔(即弧矢剖面中)的情况下，多个椎骨周期性地存在于脊椎延伸的方向，脊椎延伸的方向中的椎间孔的大小比椎间盘的厚度大很多。本发明者着眼于该点而想到本发明。
即，本发明的椎骨分割装置的特征在于，具备：椎间孔位置检测单元，从包含多个椎骨的三维医用图像中检测椎间孔的位置；及椎骨特定单元，使用所检测出的椎间孔的位置而对多个椎骨分别进行确定。
“检测椎间孔的位置”意味着检测三维医用图像中的椎间孔所属的像素位置。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将椎间孔位置检测单元设为以下单元：使用表示三维医用图像中的椎间孔可能性的特征量来检测椎间孔的位置。
作为表示椎间孔可能性的特征量，除了为检测椎间孔而创建的辨别器的输出以外，还能够使用表示三维医用图像中的椎间孔的像素值。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以是，还具备：中心线检测单元，从三维医用图像中检测脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方；
截面图像生成单元，生成以脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方为基准的、用于检测椎间孔的至少一个截面图像；及
特征量计算单元，根据至少一个截面图像来算出表示椎间孔可能性的特征量，
也可以将椎间孔位置检测单元设为基于特征量来检测椎间孔的位置的单元。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将截面图像生成单元设为以下的单元：对与脊髄中心线或者脊椎中心线正交的、预先规定的间隔的多个截面生成多个截面图像。
“预先规定的间隔”是考虑了运算的速度和检测的精度而决定的间隔，例如能够使用3～7mm左右的值，优选为5mm左右的值。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将特征量计算单元设为以下的单元：分别在由通过脊髄中心线或者脊椎中心线的直线线对称地分割各截面图像的情况下的一侧及另一侧中，分别算出表示椎间孔可能性的第一特征量及第二特征量，并将第一特征量及第二特征量的代表值决定为表示椎间孔可能性的特征量。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将截面图像生成单元设为以下的单元：生成包含脊髄中心线或者脊椎中心线并朝向预先规定的方向的截面的截面图像。
“预先规定的方向”是以脊髄中心线或者脊椎中心线为基准，存在椎间孔的可能性高的方向。例如，在使用脊髄中心线的情况下，在以通过脊髄中心线的沿身体的左右方向延伸的线为基准线的情况下，能够将相对于基准线从脊髄中心线观察而呈30～45度的方向设为预先规定的方向。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将椎间孔位置检测单元设为以下单元：在脊髄中心线或者脊椎中心线的方向上使特征量与预先规定的周期函数或者准周期函数拟合，并基于所拟合的周期函数或者准周期函数来检测各椎间孔的位置。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将特征量计算单元设为以下单元：分别在由通过脊髄中心线或者脊椎中心线的直线线对称地分割各截面图像的情况下的一侧及另一侧中，分别算出表示椎间孔可能性的第一特征量及第二特征量，
也可以将椎间孔位置检测单元设为以下单元：在脊髄中心线或者脊椎中心线的方向上使第一特征量及第二特征量与预先规定的周期函数或者准周期函数拟合，并分别基于所拟合的周期函数或者准周期函数来检测各椎间孔的位置。
另外，在本发明的椎骨分割装置中，也可以将椎间孔位置检测单元设为还使用以下特征量来检测各椎间孔的位置的单元：表示与脊髄中心线或者脊椎中心线交叉的截面的鲜明度的特征量、表示与脊髄中心线或者脊椎中心线平行的截面的鲜明度的特征量及根据表示该交叉的截面和该平行的截面的清晰度的各特征量而算出的表示椎骨的排列的规则性的特征量。
本发明的椎骨分割方法的特征在于，从包含多个椎骨的三维医用图像中检测出椎间孔的位置，使用所检测出的椎间孔的位置而对多个椎骨分别进行确定。
另外，也可以将本发明的椎骨分割方法作为用于使计算机执行的程序而提供。
发明效果
根据本发明，从包含多个椎骨的三维医用图像中检测出椎间孔的位置，并使用所检测出的椎间孔的位置而对多个椎骨分别进行确定。在此，在从侧面观察脊椎的情况下，脊椎的长度方向的椎间孔的大小比椎间盘的厚度大很多。因此，即使三维医用图像的切片厚度较大，也能够检测出椎间孔的位置，其结果是，能够可识别地分别分离多个椎骨，并对各椎骨进行确定。
附图说明
图1是表示应用了本发明的第一实施方式的椎骨分割装置的诊断支援系统的概要的硬件结构图。
图2是表示通过在计算机中安装椎骨分割程序而实现的椎骨分割装置的概略结构的图。
图3是用于对脊髄中心线的检测进行说明的图。
图4是示意性地表示生成的多个截面图像的图。
图5是表示截面图像的例子的图。
图6是表示包含椎间孔的采样图像的图。
图7是表示特征量的计算的例子的图。
图8是用于对椎间孔的位置检测进行说明的图。
图9是用于对特征量沿着脊髄中心线的变化进行说明的图。
图10是用于对椎骨的确定进行说明的图。
图11是示意性地表示对椎骨的排列进行表示的弧矢图像的图。
图12是表示在第一实施方式中进行的处理的流程图。
图13是用于对第三实施方式中的椎间孔的位置检测进行说明的图。
图14是用于对第三实施方式中的椎间孔的位置检测进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示应用了本发明的第一实施方式的椎骨分割装置的诊断支援系统的概要的硬件结构图。如图1所示，在该系统中，第一实施方式的椎骨分割装置1、三维图像摄影装置2及图像保管服务器3经由网络4而以可通信的状态连接。
三维图像摄影装置2是通过对被摄体的成为诊断的对象的部位进行摄影而生成表示该部位的三维图像的装置，具体来说，是CT装置、 MRI装置及PET(Positron EmissionTomography：正电子发射断层扫描) 装置等。由该三维图像摄影装置2生成的三维图像被发送并保管于图像保管服务器3。另外，在本实施方式中设为，被摄体的诊断对象部位是椎骨，三维图像摄影装置2是CT装置，三维图像是CT图像。
图像保管服务器3是保存并管理各种数据的计算机，具备大容量外部存储装置及数据库管理用软件。图像保管服务器3通过有线或无线的网络4而与其他装置进行通信，对图像数据等进行发送接收。具体来说，经由网络而获取由三维图像摄影装置2生成的三维图像等图像数据，并保存于大容量外部存储装置等记录介质中而进行管理。另外，图像数据的存储形式和经由网络4的各装置间的通信，基于DICOM (Digital Imaging andCommunication in Medicine：医学数字成像与通信)等协议。另外，对三维图像赋予基于DICOM标准的标签。在标签中包括患者姓名、表示摄影装置的信息、摄影日期和时间及摄影部位等信息。
椎骨分割装置1是在一台计算机中安装有本发明的椎骨分割程序的装置。计算机既可以是进行诊断的医师直接操作的工作站或个人计算机，或者也可以是与它们经由网络而连接的服务器计算机。椎骨分割程序被记录在DVD、CD-ROM等记录介质中而被分发，从该记录介质安装到计算机。或者，以能够从外部访问的状态存储于连接于网络的服务器计算机的存储装置或网络贮存器中，根据要求而下载并安装于医师使用的计算机。
图2是表示通过在计算机中安装椎骨分割程序而实现的椎骨分割装置的概略结构的图。如图2所示，椎骨分割装置1作为标准的工作站的结构，具备CPU11、存储器12及贮存器13。另外，椎骨分割装置 1与显示器14及鼠标等输入部15连接。
在贮存器13中存储有经由网络4而从图像保管服务器3获取的三维图像、通过椎骨分割装置1的处理而生成的图像及包括处理所需要的信息的各种信息。
另外，在存储器12中存储有椎骨分割程序。椎骨分割程序作为使 CPU11执行的处理而规定了如下处理：获取三维图像摄影装置2所获取的包含成为诊断对象的多个椎骨的被摄体的三维图像V1的图像获取处理；从三维图像V1中检测脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方的中心线检测处理；生成以脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方为基准的、用于检测椎间孔的至少一个截面图像的截面图像生成处理；根据至少一个截面图像算出表示椎间孔可能性的特征量的特征量计算处理；使用表示椎间孔可能性的特征量对椎间孔的位置进行检测的椎间孔位置检测处理；及使用所检测出的椎间孔的位置对多个椎骨分别进行确定的椎骨特定处理。
并且，CPU11按照程序执行上述处理，由此计算机作为图像获取部21、中心线检测部22、截面图像生成部23、特征量计算部24、椎间孔位置检测部25及椎骨特定部26而发挥作用。另外，椎骨分割装置1也可以是具备分别进行图像获取处理、中心线检测处理、截面图像生成处理、特征量计算处理、椎间孔位置检测处理及椎骨特定处理的多个CPU的装置。
图像获取部21从图像保管服务器3获取三维图像V1。在三维图像V1已经存储于贮存器13的情况下，图像获取部21也可以从贮存器 13获取。另外，在本实施方式中，将三维图像V1的体轴方向设定为z 轴，将三维图像V1中的从被摄体的背部朝向腹侧的方向设定为x轴，将左右方向设定为y轴。
中心线检测部22从三维图像V1中检测出脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方。在本实施方式中设为检测脊髄中心线。作为检测脊髄中心线的方法，而使用例如记载于日本特开2011-142960号公报的方法。记载于日本特开2011-142960号公报的方法是如下方法：根据三维图像V1而生成多个与体轴正交的轴向截面的截面图像，根据多个截面图像对脊髄的截面形状进行检测，通过对所检测出的多个截面形状的位置进行插补，而如图3所示的那样检测出脊髄中心线30。另外，作为检测脊髄中心线或者脊椎中心线的方法，不限定于此，能够使用例如在记载于日本特开2009-207886号公报的方法等任意的方法。
截面图像生成部23生成以脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方为基准的、用于检测椎间孔的至少一个截面图像。在本实施方式中，以脊髄中心线30为基准，根据三维图像V1并沿着脊髄中心线30每隔预先规定的间隔(例如3～7mm间隔，本实施方式中为5mm间隔)而生成与脊髄中心线30正交的多个截面图像Di(i＝1～n，n为截面图像的数量)。具体来说，将三维图像V1的xyz坐标系转换为以脊髄中心线30为z′轴的x′y′z′坐标系，并生成与转换后的x′y′z′坐标系中的z′轴正交的多个截面图像Di。图4是示意性地表示所生成的多个截面图像的图。如图4所示，截面图像生成部23生成的截面图像 Di将存在于与z′轴即脊髄中心线30正交并相互平行的多个平面即与脊髄中心线30正交的截面上。图5是表示截面图像的例子的图。如图 5所示，截面图像还基于该截面的位置，但表示用与脊髄中心线30正交的截面来切断椎骨而得到的图像。
另外，通过沿着脊髄中心线30排列多个截面图像Di而能够生成三维图像。以下，将三维图像摄影装置2获取的三维图像V1称为第一三维图像V1，将通过沿着脊髄中心线30排列多个截面图像Di而生成的三维图像称为第二三维图像V2。第二三维图像V2的坐标系为x′y ′z′坐标系。
特征量计算部24算出表示椎间孔可能性的特征量。首先，特征量计算部24在各截面图像Di上，设定以与脊髄中心线30的交点32为基准的搜索范围33。在本实施方式中，如图5所示，将沿通过交点32 的x′轴方向延伸的线设定为中心线31。另外，中心线31是线对称地分割截面图像Di的线。特征量计算部24在以中心线31为基准的左侧的区域中，以在中心线31上具有一边并包含脊椎的横突起的方式设定矩形的搜索范围33。另外，搜索范围33也可以设定在以中心线31为基准的右侧的区域。
在此，特征量计算部24具有用于算出表示椎间孔可能性的特征量的辨别器。如图6所示，辨别器使用例如自适应增强算法等方法通过进行机械学习而获取包含与脊髄中心线30正交的截面上的椎间孔的多个采样图像。并且，在与截面图像Di上的采样图像相同尺寸的二维小块区域中应用辨别器，算出搜索范围内的辨别器的输出的最大值作为表示椎间孔可能性的特征量。另外，在搜索范围内，如图5所示，在从通过交点32并与中心线31正交的线右旋转预先规定的角度范围内，进行搜索范围内的特征量的计算。另外，作为预先规定的角度范围能够使用20度～45度，优选的是30度的范围。
另外，如图7所示，也可以设计为在第二三维图像V2上设定以与各截面图像Di上的脊髄中心线30的交点32为中心的平面38，并使该平面38在以x′y′平面为基准而预先规定的角度范围内三维地倾斜，使用倾斜后的平面上的第二三维图像V2的像素值进行特征量的计算。由此，即使在截面图像Di上不存在椎间孔的中心位置的情况下，也能够扩大椎间孔的搜索范围，因此能够更可靠地算出表示椎间孔可能性的特征量。另外，优选的是作为角度范围而设为例如±20度左右的值。
椎间孔位置检测部25基于特征量计算部24所算出的特征量而对椎间孔的位置进行检测。图8是用于对椎间孔的位置检测进行说明的图。另外，在图8中示意性地表示x′y′z′坐标系中的脊椎的一部分。另外，在图8中表示四个椎骨40A～40D及与脊髄中心线30垂直的四个截面41A～41D。由于截面41A通过椎间孔的大致中心，因此在截面 41A的截面图像中算出的特征量是比较大的值。由于截面41B不通过椎间孔，因此在截面41B的截面图像中算出的特征量是比较小的值。由于截面41C只稍稍通过椎间孔，因此在截面41C的截面图像中算出的特征量是比较小的值。由于截面41D通过椎间孔的大致中心，因此在截面41D的截面图像中算出的特征量是比较大的值。因此，若沿着脊髄中心线30的方向对特征量的值进行绘制并顺畅地连接绘图，则如图9所示，成为特征量在椎间孔的位置取极大值，在椎间孔之间的位置取极小值的沿着z′轴周期性地变化的曲线。椎间孔位置检测部25 对特征量的值沿着脊髄中心线30的方向进行绘制，顺畅地连接绘图而生成周期性地变化的曲线，检测出曲线中特征量取极大值的第二三维图像V2中的像素位置作为椎间孔的位置。另外，所检测出的椎间孔的位置表示椎间孔的中心。
椎骨特定部26使用椎间孔位置检测部25所检测出的椎间孔的位置来对多个椎骨分别进行确定。图10是用于对椎骨的确定进行说明的图。另外，在图10中，示意性地表示x′、y′、z′坐标系中的脊椎的一部分。另外，在图10中，检测出了四个椎骨40A～40D及三个椎间孔的中心42A～42C。如图10所示，在各椎骨40A～40D之间夹有椎间盘43A～43C。并且，各椎间孔的中心42A～42C与椎间盘43A～ 43C的解剖学上的位置关系是一定的。因此，椎骨特定部26根据在第二三维图像V2中检测出的椎间孔的位置，基于椎间孔的位置与椎间盘的位置的解剖学上的位置关系，而对椎间盘的位置进行确定。另外，关于椎间盘的位置，只要知道z′方向中的位置即可，因此所确定的椎间盘的位置仅具有z′轴上的值。
并且，椎骨特定部26将所特定出的椎间盘的位置转换为第一三维图像V1的坐标系。另外，由于z′轴上的点与第一三维图像V1的xyz 坐标的位置关系是已知的，因此能够容易地进行这种坐标转换。由此，推定出作为第一三维图像V1的坐标系的z方向中的椎间盘的位置。在此，在脊椎中，椎骨与椎间盘交替地存在。因此，椎骨特定部26通过基于所确定的椎间盘来将多个椎骨分离成能够识别，而对各椎骨进行确定。
椎骨特定部26对确定出的各椎骨赋予标签。在本实施方式中，使用解剖学上的椎骨的种类作为标签。图11是示意性地表示对椎骨的排列进行表示的弧矢图像的图。如图11所示，对各椎骨按照解剖学赋予编号。在此，脊椎由颈椎、胸椎、腰椎及腰椎骨这四个部分构成。颈椎由第一～第七颈椎构成，在解剖学上赋予C1～C7的识别信息。胸椎由第一～第十二胸椎构成，在解剖学上赋予Th1～Th12的识别信息。腰椎由第一～第五腰椎构成，解剖学上赋予L1～L5的识别信息。腰椎骨仅由一个骨头构成，在解剖学上赋予S1的识别信息。椎骨特定部26 对确定出的各椎骨赋予上述识别信息作为标签。
接下来，对在本实施方式中进行的处理进行说明。图12是表示在本实施方式中进行的处理的流程图。首先，图像获取部21从图像保管服务器3中获取作为诊断对象的第一三维图像V1(步骤ST1)，中心线检测部22对脊髄中心线30进行检测(步骤ST2)。然后，截面图像生成部23生成与脊髄中心线30正交的多个截面图像Di(步骤ST3)，特征量计算部24基于多个截面图像Di而算出表示椎间孔可能性的特征量(步骤ST4)。
接下来，椎间孔位置检测部25基于表示椎间孔可能性的特征量，对椎间孔的位置进行检测(步骤ST5)，此外，椎骨特定部26基于检测出的椎间孔的位置对椎骨进行确定(步骤ST6)，对确定出的各椎骨赋予标签(步骤ST7)，并结束处理。
如此，在第一实施方式中，根据包含多个椎骨的三维医用图像对椎间孔的位置进行检测，使用所检测出的椎间孔的位置分别对多个椎骨进行确定。在此，在从侧面观察脊椎的情况下，脊椎的长度方向的椎间孔的大小比椎间盘的厚度大很多。因此，即使三维图像的切片厚度比较大，也能够检测出椎间孔的位置，其结果是，能够将多个椎骨分离为可识别，而对各椎骨进行确定。因此，如图11所示，能够对椎骨赋予标签。
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。另外，在第二实施方式中，与第一实施方式相比，仅检测椎间孔的位置的处理不同，因此，在此省略关于装置的结构的详细的说明。
如上所述，椎间孔沿着脊髄中心线30的方向周期性地存在。在第二实施方式中，使特征量计算部24所算出的表示椎间孔可能性的特征量与预定的拟合函数(周期函数或者准周期函数)拟合，而对椎间孔的位置进行检测。在此，“周期函数”是指相对于z′坐标的位置具有周期性，且无论z′坐标的位置如何周期为恒定的函数。另外，“准周期函数”是指相对于z′坐标的位置具有周期性，但是周期根据z′坐标的位置而调制的函数。
另外，作为拟合函数也可以使用三角函数那样的周期函数，但是多个椎骨具有z′轴方向的高度从颈椎到腰椎逐渐地变大的构造性特征。因此，在本实施方式中，使用下述式(1)所示的准周期函数g(z ′)作为拟合函数。另外，拟合函数保存于贮存器13中。
〔数学式1〕
Figure BDA0000813351000000131
在式(1)中，a、b、c是用于决定g(z′)的形状的常数。另外，在a＝0时，g(z′)成为周期函数。
该g(z′)的值的定义与表示椎间孔可能性的特征量的值的定义一致。即，在椎间孔的中心取极大值，在相邻的椎间孔之间的位置取极小值。
并且，椎间孔位置检测部25使表示椎间孔可能性的特征量全局地拟合。在此，“全局地拟合”是指在z′轴上的位置z′的能够采用的整个范围中进行拟合。椎间孔位置检测部25通过进行最小二乘法等多变量解析，而能够决定最拟适的常数a、b、c。例如，拟适的评价值H 由下述式(2)表示。另外，f(z′)是表示椎间孔可能性的特征量。
〔数学式2〕
Figure BDA0000813351000000132
选择使该评价值H为最大的常数a、b、c。在该情况下，预先对常数a、b、c的能够采用的范围进行规定，以处于该范围内的全部a、 b、c的组合进行搜索。由此，能够使特征量计算部24算出的表示椎间孔可能性的特征量与式(1)所示的拟合函数拟合。
椎间孔位置检测部25基于所拟合的拟合函数而对各椎间孔的位置进行检测。例如，在式(1)所示的拟合函数的例子中，第n个椎间孔的位置z′(n)能够如下述式(3)那样求出。
〔数学式3〕
Figure BDA0000813351000000141
在此，在因为受伤或疾病而椎间孔受损的情况下，仅通过表示椎间孔可能性的特征量无法检测椎间孔的位置。在第二实施方式中，由于使表示椎间孔可能性的特征量与拟合函数拟合，因此能够对椎间孔的周期性的存在进行检测。因此，能够更高精度地检测出椎间孔的位置。
接下来，对本发明的第三实施方式进行说明。另外，在第三实施方式中，与第一实施方式相比，仅检测椎间孔的位置的处理不同，因此在此省略关于装置的结构的详细的说明。
图13是用于对第三实施方式的椎间孔的位置检测进行说明的图。在第三实施方式中，椎间孔位置检测部25在某截面图像Di上设定通过与脊髄中心线30的交点32、并相对于y′轴以预先规定的角度倾斜的直线34。并且，在第二三维图像V2中，设定通过直线34并与z′轴平行的截面35，生成截面35中的截面图像D35。另外，作为预先规定的角度，优选的是30度～45度，在本实施方式中设为30度。在此，在截面图像Di中直线34通过椎间孔的位置。因此，在第二三维图像 V2中，截面35是切断多个椎间孔的截面。另一方面，在截面图像D35 中，椎骨的区域中CT值变高。因此，如图14所示，截面图像D35在 CT值较高的区域之间，CT值较低的椎间孔的区域明确地显现。
因此，在第三实施方式中，椎间孔位置检测部25根据截面图像D35对椎间孔的位置进行检测。具体来说，在截面图像D35中，使位于脊髄中心线30的左侧的区域二值化，通过对CT值较高的区域进行形态运算而除去包含于CT值较高的区域的由较低的CT值构成的噪声，来提取CT值较高的区域。在此，在第二三维图像V2中，CT值较高的区域为骨部，其间的CT值较低的区域为椎间孔的区域。因此，椎间孔位置检测部25使用比预先规定的阈值更低的CT值作为表示椎间孔可能性的特征量，而检测出位于所提取的CT值较高的区域之间的 CT值较低的区域的位置作为椎间孔的位置。
另外，第三实施方式中，对于截面图像D35，也可以与第一实施方式相同地准备用于根据截面图像D35算出表示椎间孔可能性的特征量的辨别器，将辨别器的输出作为表示椎间孔可能性的特征量而算出，基于表示所算出的椎间孔可能性的特征量，对椎间孔的位置进行进行检测。在该情况下，也可以与第二实施方式相同，使所算出的特征量与拟合函数拟合而对椎间孔的位置进行检测。
接下来，对本发明的第四实施方式进行说明。另外，在第四实施方式中，与第一实施方式相比仅检测椎间孔的位置的处理不同，因此在此省略关于装置的结构的详细的说明。
在上述第一实施方式中，在特征量计算部24中算出表示椎间孔可能性的特征量，并基于表示椎间孔可能性的特征量对椎间孔的位置进行检测，但是在第四实施方式中，还使用其它特征量对椎间孔的位置进行检测。
在第四实施方式中，与记载于例如利文献1的方法相同，特征量计算部24算出表示与脊髄中心线30即z′轴正交的截面形状的鲜明度的特征量(设为正交截面特征量f1(z′))及表示与脊髄中心线30 平行的多个截面形状的鲜明度的特征量(设为平行截面特征量f2(z ′))。作为正交截面特征量f1(z′)，例如使用提取以z′轴上的预定的点为中心的圆环状的图案的特征量。在该特征量的计算中，例如使用海森矩阵的固有值解析法。另外，作为预定的点，能够设为第一实施方式中的截面图像Di上的点。作为平行截面特征量f2(z′)，例如使用提取对以z′轴上的预定的点为中心并沿着z′轴方向延伸的管状的图案的特征量。在该特征量的计算中，例如使用海森矩阵的固有值解析法。另外，特征量计算部24与上述第一实施方式同样，算出用于算出表示椎间孔可能性的特征量的辨别器的输出即辨别器输出特征量(设为f3(z′))。另外，第四实施方式中的辨别器输出特征量 f3(z′)与第一及第二实施方式中的表示椎间孔可能性的特征量是相同的值。
并且，特征量计算部24使用正交截面特征量f1(z′)、平行截面特征量f2(z′)及辨别器输出特征量f3(z′)，通过下述式(4)
而算出表示椎间孔可能性的特征量f(z′)。另外，式(4)中，α是权重系数，G(z′，σ)是将标准偏差设为σ的高斯函数。
〔数学式4〕
Figure BDA0000813351000000161
在此，正交截面特征量及平行截面特征量在z′轴方向的椎骨的中央位置为极大值，在椎间盘的位置为极小值。辨别器输出特征量在椎间孔的位置为极大值，在椎间孔之间的位置为极小。另外，因为椎间孔与椎间盘的解剖学上的位置关系是已知的，因此椎间孔与椎骨的中央位置的解剖学的位置关系也是已知的。因此，为了使成为正交截面特征量f1(z′)及平行截面特征量f2(z′)的极大值的z′轴上的位置与成为辨别器输出特征量f3(z′)的极大值的z′轴上的位置一致，在式(4)中，在辨别器输出特征量f3(z′)上加上了用于使极大值一致的相位差β。
另外，在第四实施方式中，也能够与第二实施方式相同地使用拟合函数来算出表示椎间孔可能性的特征量f(z′)。此时，当对式(4) 的右边的第一项及第二项相加，而将汇总了正交截面特征量f1(z′) 及平行截面特征量f2(z′)的特征量表示为f4(z′)时，能够通过下述式(5)算出表示椎间孔可能性的特征量f(z′)。在式(5)中， a3、a4、b3、b4、c3、c4是用于决定拟合函数的形状的系数，γ是用于使正交截面特征量f1(z′)及平行截面特征量f2(z′)的极大值即特征量f4(z′)的极大值与辨别器输出特征量f3(z′)的极大值一致的相位差。
〔数学式5〕
Figure BDA0000813351000000171
另外，在上述各实施方式中，如图5所示，将用于算出表示椎间孔可能性的特征量的搜索范围设定在设定于截面图像Di的中心线31 的左侧的区域或者右侧的区域，但是也可以将搜索范围设定在中心线 31的右侧及左侧的区域双方，并分别在左右的搜索范围算出表示椎间孔可能性的特征量。另外，将在左侧及右侧的搜索范围分别算出的特征量设为fL(z′)、fR(z′)。在该情况下，将左右的特征量fL(z ′)、fR(z′)中的最大值或者平均值等代表值设为表示关于该截面图像Di的椎间孔可能性的特征量即可。另外，特征量fL(z′)、fR(z′)是本发明的第一特征量及第二特征量。
在此，在如第二实施方式那样使表示椎间孔可能性的特征量与拟合函数拟合的情况下，使用左右的特征量fL(z′)、fR(z′)的代表值即表示椎间孔可能性的特征量即可。另外，也可以如下述式(6) 所示那样，使左右的特征量fL(z′)、fR(z′)同时与拟合函数拟合。另外，在式(6)中，al、ar、bl、br、cl、cr是用于决定拟合函数的形状的系数，λ是权重系数。
〔数学式6〕
Figure BDA0000813351000000181
Figure BDA0000813351000000182
另外，在上述实施方式中，对脊髄中心线30进行了检测，但是也可以替代脊髄中心线30而对脊椎中心线进行检测。在该情况下，在与脊椎中心线正交的截面中，脊椎中心线与椎间孔的解剖学上的位置关系也是一定的，因此能够与上述各实施方式相同地算出表示椎间孔可能性的特征量。
另外，在上述实施方式中，在椎骨特定部26中对确定出的椎骨分别赋予标签，但也可以不赋予标签而仅进行多个椎骨的各自分离。

Claims (8)

1.一种椎骨分割装置，具备：
椎间孔位置检测单元，从包含多个椎骨的三维医用图像中检测椎间孔的位置；及
椎骨特定单元，使用所检测出的所述椎间孔的位置而对所述多个椎骨分别进行确定，
所述椎骨分割装置的特征在于，
所述椎间孔位置检测单元是以下的单元：使用表示所述三维医用图像中的椎间孔可能性的特征量来检测所述椎间孔的位置，且在脊髄中心线或者脊椎中心线的方向上使所述特征量与预先规定的周期函数或者准周期函数拟合，并基于所拟合的所述周期函数或者所述准周期函数来检测各所述椎间孔的位置。
2.根据权利要求1所述的椎骨分割装置，其特征在于，
还具备：
中心线检测单元，从所述三维医用图像中检测脊髄中心线和脊椎中心线的至少一方；
截面图像生成单元，生成以所述脊髄中心线和所述脊椎中心线的至少一方为基准的、用于检测所述椎间孔的至少一个截面图像；及
特征量计算单元，根据所述至少一个截面图像来算出表示所述椎间孔可能性的特征量，
所述椎间孔位置检测单元是基于所述特征量来检测所述椎间孔的位置的单元。
3.根据权利要求2所述的椎骨分割装置，其特征在于，
所述截面图像生成单元是对与所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线正交的、预先规定的间隔的多个截面生成多个截面图像的单元。
4.根据权利要求3所述的椎骨分割装置，其特征在于，
所述特征量计算单元是以下的单元：分别在由通过所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线的直线线对称地分割各所述截面图像的情况下的一侧及另一侧中，分别算出表示所述椎间孔可能性的第一特征量及第二特征量，并将该第一特征量及该第二特征量的代表值决定为表示所述椎间孔可能性的特征量。
5.根据权利要求2所述的椎骨分割装置，其特征在于，
所述截面图像生成单元是生成包含所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线并朝向预先规定的方向的截面的截面图像的单元。
6.根据权利要求3所述的椎骨分割装置，其特征在于，
所述特征量计算单元是以下单元：分别在由通过所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线的直线线对称地分割各所述截面图像的情况下的一侧和另一侧中，分别算出表示所述椎间孔可能性的第一特征量及第二特征量，
所述椎间孔位置检测单元是以下的单元：在所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线的方向上使所述第一特征量及所述第二特征量分别与预先规定的周期函数或者准周期函数拟合，并分别基于所拟合的所述周期函数或者所述准周期函数来检测各所述椎间孔的位置。
7.根据权利要求1或2所述的椎骨分割装置，其特征在于，
所述椎间孔位置检测单元是还使用以下特征量来检测各所述椎间孔的位置的单元：表示与所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线交叉的截面的鲜明度的特征量、表示与所述脊髄中心线或者所述脊椎中心线平行的截面的鲜明度的特征量及根据表示该交叉的截面和该平行的截面的清晰度的各特征量而算出的表示所述椎骨的排列的规则性的特征量。
8.一种椎骨分割方法，
从包含多个椎骨的三维医用图像中检测椎间孔的位置，
使用所检测出的所述椎间孔的位置而对所述多个椎骨分别进行确定，
所述椎骨分割方法的特征在于，
使用表示所述三维医用图像中的椎间孔可能性的特征量来检测所述椎间孔的位置，且在脊髄中心线或者脊椎中心线的方向上使所述特征量与预先规定的周期函数或者准周期函数拟合，并基于所拟合的所述周期函数或者所述准周期函数来检测各所述椎间孔的位置。
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