DE102015116296A1

DE102015116296A1 - WIRBELSEGMENTIERUNGS-VORRICHTUNG, -VERFAHREN und -PROGRAMM

Info

Publication number: DE102015116296A1
Application number: DE102015116296.2A
Authority: DE
Inventors: Caihua WANG
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2016-04-14
Also published as: CN105455837B; JP2016067610A; JP6184926B2; US20160089074A1; CN105455837A

Abstract

Das zugrunde liegende Problem ist ein Segmentieren mehrerer Wirbel derart, dass jeder der mehreren Wirbel erkennbar ist, selbst wenn eine Schichtdicke relativ groß ist in einer Wirbelsegmentierungs-Vorrichtung, -Verfahren und -Programm. Eine Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 erfasst Positionen von Zwischenwirbellöchern in einem dreidimensionalen medizinischen Bild einschließlich mehrerer Wirbel. In diesem Fall wird beispielsweise ein Merkmalswert, welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, verwendet. Eine Wirbelidentifikationseinrichtung 26 identifiziert jeden der mehreren Wirbelkörper, indem die detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher verwendet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung, ein Verfahren und ein Programm zum Segmentieren mehrerer Wirbel derart, dass jeder der mehreren Wirbel in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit den mehreren Wirbeln erkennbar ist.
Beschreibung des Stands der Technik
Das Rückenmark ist ein äußerst wichtiger Bereich, der die Funktion des Übertragens von Nachrichten, welche zwischen dem Gehirn und dem jeweiligen Bereich einer Region gesendet und empfangen werden, übernimmt. Daher wird das Rückenmark von mehreren Wirbeln (Wirbelsäule) geschützt. Es wird zum Überprüfen, ob eine Beschädigung oder eine Verletzung in einem Wirbel vorhanden ist, ein Tomographiebild ausgelesen, welches mittels Abtasten eines Subjekts erhalten wird. In diesem Fall ist es notwendig, jeden Wirbel zu erkennen, um einen Wirbel in dem eine Beschädigung oder eine Verletzung vorliegt, zu melden. Daher wurden verschiedene Arten von Wirbelsegmentierungsalgorithmen basierend auf Bildverarbeitung vorgeschlagen, bei denen mehrere Wirbel segmentiert werden, basierend auf einem tomographischen Bild, das durch das Abtasten eines Subjekts erhalten wird, derart, dass jeder der mehreren Wirbeln erkennbar ist und ein Zuweisen einer Markierung an den Wirbel erfolgt.
Beispielsweise schlägt Patentdokument 1 ein Verfahren vor, in welchem Schnittbilder einer schneidenden Ebene und einer Ebene parallel zu einer Mittellinie eines jeden Wirbels mit Bezug auf ein erhaltenes dreidimensionales Bild auf der Grundlage von tomographischen Bildern erzeugt werden, wie beispielsweise ein CT (Computertomographie) Bild und ein MRI (Magnetresonanztomographie) Bild. Ferner wird ein Merkmalswert, der die Klarheit eines Querschnitts in jedem der Schichtbilder beschreibt und ein Merkmalswert, der die Regelmäßigkeit der Anordnung der Wirbel beschreibt, berechnet und eine Segmentierung in jeden der Wirbel mittels Identifizierens durchgeführt wird, basierend auf diesen Merkmalswerten, der Position einer Bandscheibe zwischen den Wirbeln. Ferner werden Markierungen auf Wirbelregionen nach der Segmentierung angebracht.
[Patentdokument]
[Patentdokument 1]

Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung No. 2011-131040

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Inzwischen ist allgemein bekannt, dass, wenn eine Schichtdicke eines tomographischen Bildes in der Abtastrichtung (die Richtung der Körperachse) groß ist, die räumliche Auflösung in der Richtung der Körperachse unzureichend ist und die Performanz der Bilddarstellung sinkt. Im Bereich der Halswirbel bis zu einem oberen Teil der Brustwirbel, in dem die Länge jedes Wirbels relativ kurz ist, ist die Dicke der Bandscheibe besonders klein. Wenn daher eine Schichtdicke beispielsweise 3 mm übersteigt ist es schwierig, die Position der Bandscheibe zu ermitteln. Als Ergebnis ist es unmöglich, die Bandscheibe genau zu erfassen und die Segmentierung der Mehrzahl von Wirbeln wird schwierig. In diesem Fall kann eine Schichtdicke reduziert werden. Wenn die Schichtdicke verringert wird, wird jedoch die Datenmenge des dreidimensionalen Bildes extrem groß, und die Anzahl der Rechenschritte zum Segmentieren der Wirbel wird ebenfalls extrem groß. Ferner, wenn die Schichtdicke klein ist, muss der Arzt auf eine noch größere Zahl von Bildern zurückgreifen und die Belastung für den Arzt ist erheblich.
Angesichts der obigen Umstände stellt die vorliegende Erfindung eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung, ein Verfahren und ein Programm bereit, welche in der Lage sind, mehrere Wirbel derart zu segmentieren, dass jeder der mehreren Wirbel erkennbar ist, selbst wenn eine Schichtdicke relativ groß ist.
Wenn Wirbel, welche die Wirbelsäule formen, von der Seite beobachtet werden, wird in zwei benachbarten Wirbeln ein Wirbelloch durch eine Kerbe auf dem oberen Wirbel (eine Unterkerbe) und einer Kerbe auf dem unteren Wirbel (einer Überkerbe) ausgebildet, welche jeweils zugewandt sind. Das Zwischenwirbelloch bildet einen Kanal für Spinalnerven aus dem Rückenmark im Spinalkanal. Wenn dieses Zwischenwirbelloch von der Seite betrachtet wird (in anderen Worten, in einer sagittalen Schnittebene) sind mehrere Wirbel periodisch in der Richtung, in der sich die Wirbelsäule erstreckt, angeordnet und die Größe eines Zwischenwirbellochs in der Richtung, in welcher sich die Wirbelsäule erstreckt, ist etwas größer als die Dicke einer Bandscheibe. Der vorliegenden Erfindung liegt diese Erkenntnis zugrunde.
Insbesondere weist eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung auf, welche Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit einer Mehrzahl von Wirbeln detektiert und eine Wirbelidentifikationseinrichtung, die jeweils jeden aus der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher identifiziert Der Ausdruck ”detektiert Positionen der Zwischenwirbellöcher” bedeutet Detektieren der Position eines Voxels, welches zu dem Zwischenwirbelloch in dem dreidimensionalen medizinischen Bild gehört.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung die Positionen der Zwischenwirbellöcher unter Verwendung von Merkmalswerten, die in dem dreidimensionalen medizinischen Bild eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben, detektieren.
Als ein Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Wirbellochs beschreibt, kann eine Ausgabe, welche von einem Klassifizierer erzeugt wird, zum Detektieren eines Zwischenwirbellochs verwendet werden. Alternativ kann ein Voxel-Wert, der ein Zwischenwirbelloch in einem dreidimensionalen medizinischen Bild darstellt, verwendet werden.
Der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Mittellinien-Detektierungseinrichtung umfassen, die in dem dreidimensionalen medizinischen Bild zumindest eine von einer Mittellinie des Rückenmarks und einer Mittellinie einer Wirbelsäule detektiert, eine Schichtbilderzeugungseinrichtung, welche in Bezug auf zumindest eine der Mittellinie des Rückenmarks und der Mittellinie der Wirbelsäule mindestens ein Schichtbild zum Detektieren der Zwischenwirbellöcher erzeugt, und eine Merkmalswertberechnungseinrichtung, die den Merkmalswert, welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellt, basierend auf dem mindestens einen Schichtbild berechnet. Weiter kann die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung die Positionen der Zwischenwirbellöcher basierend auf dem Merkmalswert erfassen.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schichtbilderzeugungseinrichtung eine Mehrzahl von Schichtbildern in einem vorgegebenen Abstand zu einer Mehrzahl von Schnittebenen, welche orthogonal zu der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule sind, generieren.
Das ”vorbestimmte Intervall” wird unter Berücksichtigung der Betriebsgeschwindigkeit und der Erfassungsgenauigkeit bestimmt. Beispielsweise kann ein Wert von etwa 3 bis 7 mm, und vorzugsweise ein Wert von etwa 5 mm, verwendet werden.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Merkmalswertberechnungseinrichtung einen ersten Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs in einer Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern beschreibt, und einen zweiten Merkmalswert berechnet, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs in der anderen Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern, wenn jedes aus der Mehrzahl von Schichtbildern derart geteilt ist, dass die eine Seite und die andere Seite symmetrisch in Bezug auf eine gerade Linie, die durch die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule verläuft, ist, und einen repräsentativen Wert des ersten Merkmalswerts und des zweiten Merkmalswerts, als den Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, bestimmen.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner in der Schichtbilderzeugungseinrichtung das mindestens eine Schichtbild einer Schnittebene erzeugt werden, welches die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule umfasst und in eine vorbestimmte Richtung gerichtet ist.
Die ”vorbestimmte Richtung” ist eine Richtung bezüglich einer Mittellinie des Rückenmarks oder eine Mittellinie einer Wirbelsäule, bei der eine Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines Zwischenwirbellochs in dieser Richtung hoch ist. Beispielsweise, falls die Mittellinie des Rückenmarks verwendet wird, und falls eine Linie, die durch die Mittellinie des Rückenmarks verläuft und sich in der Querrichtung des Körpers von links nach rechts erstreckt, als eine Basislinie verwendet wird, kann eine Richtung von 30 bis 45 Grad in Bezug auf die Basislinie, betrachtet von der Mittellinie des Rückenmarks, als die vorbestimmte Richtung verwendet werden.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner in der Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung der Merkmalswert zu einer vorbestimmten periodischen Funktion oder quasiperiodischen Funktion in der Richtung der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule angepasst werden, und die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher basierend auf der periodischen Funktion oder der quasiperiodischen Funktion detektiert werden, an die der Merkmalswert angepasst wurde.
In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner in der Merkmalswertberechnungseinrichtung ein erster Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, in einer Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern, und ein zweiter Merkmalswert berechnet werden, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs, in der anderen Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern beschreibt, wenn jedes der Mehrzahl von Schichtbildern derart geteilt ist, dass die eine Seite und die andere Seite in Bezug auf eine gerade Linie symmetrisch ist, die durch die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule verläuft.
Ferner kann die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung jeden von erstem Merkmalswert und zweitem Merkmalswert zu einer vorbestimmten periodischen Funktion oder quasiperiodischen Funktion in der Richtung der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule anpassen, und die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher auf Basis der periodischen Funktion oder der quasiperiodischen Funktion, zu der sowohl der erste Merkmalswert als auch der zweite Merkmalswert angepasst sind, bestimmen. In der Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher auch unter Verwendung eines Merkmalswerts detektieren, der eine Klarheit einer Schnittebene beschreibt, welche die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule schneidet, eines Merkmalswerts, der die Klarheit einer Schnittebene parallel zu der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule beschreibt, und Merkmalswerten, welche eine Regelmäßigkeit der Anordnung der Wirbel beschreiben, welche basierend auf der Schärfe der schneidenden und der Schärfe der parallelen Schnittebene berechnet sind.
Ein Wirbelsegmentierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Detektierens von Positionen von Zwischenwirbellöchern in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit mehreren Wirbeln, und Identifizieren jedes der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher.
Ein Wirbelsegmentierungsprogramm gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Programm bereitgestellt werden, das einen Computer veranlasst, das Wirbelsegmentierungsverfahren auszuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit mehreren Wirbeln detektiert, wobei jede der mehreren Wirbel unter Verwendung der erfassten Positionen der Zwischenwirbellöcher identifiziert wird. Wird hier eine Wirbelsäule von der Seite beobachtet, so ist die Größe eines Zwischenwirbelloches in Längsrichtung der Wirbelsäule etwas größer als die Dicke einer Bandscheibe. Selbst wenn daher eine Schichtdicke von einem dreidimensionalen medizinischen Bild relativ groß ist, ist die Position eines Wirbellochs detektierbar. Folglich ist es möglich, die Segmentierung von mehreren Wirbeln in einer solchen Weise, dass jeder der mehreren Wirbel erkennbar ist, durchzuführen und jeden aus der Mehrzahl von Wirbeln zu identifizieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Hardware-Konfiguration eines Diagnose-Assistenzsystems, bei dem eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet ist;
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Konfiguration einer Wirbelsegmentierungsvorrichtung mittels Installation eines Wirbelsegmentierungsprogramms in einem Computer erreicht;
3 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Detektierens einer Mittellinie des Rückenmarks;
4 ist eine schematische Darstellung mehrerer Schichtbilder, welche generiert werden;
5 ist ein Diagramm mit einem Beispiel eines Schichtbildes;
6 ist ein Diagramm von Beispielbildern mit einem Zwischenwirbelloch;
7 ist ein Diagramm als ein Beispiel einer Berechnung eines Merkmalswert;
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Detektierens der Positionen der Zwischenwirbellöcher;
9 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Veränderung in dem Merkmalswert entlang einer Mittellinie des Rückenmarks;
10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Verarbeitung zum Identifizieren von Wirbeln;
11 ist eine schematische Darstellung eines sagittalen Bildes, das eine Anordnung von Wirbeln zeigt;
12 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsschritte gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
13 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Erfassung der Position eines Zwischenwirbellochs gemäß einer dritten Ausführungsform; und
14 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Erfassung der Position eines Zwischenwirbellochs gemäß einer dritten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Hardware-Konfiguration eines Diagnose-Assistenzsystems illustriert, bei dem eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. Wie in 1 dargestellt, weist dieses System eine Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform auf, eine dreidimensionale Bildabbildungsvorrichtung 2 und einen Bildspeicherserver 3, die miteinander durch ein Netzwerk 4 derart miteinander verbunden sind, dass sie miteinander kommunizieren können.
Die dreidimensionale Bildabbildungsvorrichtung 2 erzeugt ein dreidimensionales Bild, das eine Region eines Subjekts das ein Ziel der Diagnose ist, mittels Abbildung der Region repräsentiert. Insbesondere ist die dreidimensionale Bildabbildungsvorrichtung 2 eine CT-Vorrichtung, eine MRI-Vorrichtung, eine PET-Vorrichtung (Positron Emission Tomography) oder dergleichen. Ein von dieser dreidimensionalen Bildabbildungsvorrichtung 12 erzeugtes dreidimensionales Bild wird an der Bildspeicherserver 3 gesendet und gespeichert. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass der Diagnose-Zielbereich des Subjekts ein Wirbel ist und die dreidimensionale Bildabbildungsvorrichtung 2 ein CT-Gerät ist, und das dreidimensionale Bild ein CT-Bild ist.
Der Bildspeicherserver 3 ist ein Computer, der verschiedene Arten von Daten speichert und verwaltet und umfasst eine externe Speichereinheit mit großer Kapazität und Software für die Verwaltung einer Datenbank. Der Bildspeicherserver 3 sendet und empfängt Bilddaten oder dergleichen, zur Kommunikation mit anderen Geräten über das drahtgebundene oder drahtlose Netzwerk 4. Insbesondere empfängt der Bildspeicherserver 3 Bilddaten, wie beispielsweise ein dreidimensionales Bild, erzeugt durch die Bildabbildungsvorrichtung 2, über das Netzwerk, und speichert die Bilddaten auf einem Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise einer externen Speichereinheit mit großer Kapazität, und verwaltet die Bilddaten. Das Speicherformat von Bilddaten und die Kommunikation zwischen Vorrichtungen über das Netzwerk 4 basieren auf einem DICOM Protokoll (Digital Imaging and Communication in Medicine) oder dergleichen. Ferner wird ein Tag des DICOM-Standards dem dreidimensionalen Bild hinzugefügt. Das Tag enthält einen Patientennamen, Informationen die eine Bildgebungsvorrichtung beschreiben, ein Datum und eine Zeit der Bilderzeugung und Information über einen abgebildeten Bereich.
Die Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1 ist ein Rechner, in dem ein Wirbelsegmentierungsprogramm gemäß der vorliegenden Erfindung installiert ist. Der Rechner kann als eine Arbeitsstation oder ein PC, welcher direkt von einem Arzt betrieben wird, der eine Diagnose erstellt oder ein Server-Computer, welcher über ein Netzwerk verbunden ist, verwendet werden. Der Wirbelsegmentierungsprogramm ist auf einem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet, wie beispielsweise einer DVD und einer CD-ROM, und wird verteilt. Das Wirbelsegmentierungsprogramm wird auf einem Rechner von dem Aufzeichnungsmedium aus installiert. Alternativ wird das Wirbelsegmentierungsprogramm in einem Speicher eines Server-Computers mit einem Netzwerk oder in einem externen Netzwerkspeicher gespeichert, und auf Anfrage heruntergeladen und auf einem Computer, der von einem Arzt verwendet wird, installiert.
2 ist ein schematisches Diagramm, wobei die Konfiguration der Wirbelsegmentierungsvorrichtung durch Installation eines Wirbelsegmentierungsprogramms in einem Rechner erreicht wird. Wie in 2 dargestellt ist, weist die Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1 eine CPU 11, einen Speicher 12 und einen Speicher 13, als Standardkonfiguration einer Workstation, auf. Ferner ist ein Display 14 und eine Eingabeeinheit 15, wie etwa eine Maus, mit der Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1 verbunden.
Ein von dem Bildspeicherserver 3 über das Netzwerk 4 erhaltenes dreidimensionales Bild, ein Bild erzeugt in der Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1, und verschiedene Arten von Information, einschließlich für die Verarbeitung erforderlicher Information, sind in dem Speicher 13 gespeichert.
Ferner speichert Speicher 12 ein Wirbelsegmentierungsprogramm ab. Das Wirbelsegmentierungsprogramm definiert, da die Verarbeitung durch die CPU 11 ausgeführt wird, die Bilderzeugungsverarbeitung, die Mittelliniendetektierungsverarbeitung, die Schichtbild-Erzeugungsverarbeitung, die Merkmalswert-Berechnungsverarbeitung, die Zwischenwirbelloch-Positionsdetektierungsverarbeitung und Wirbelidentifikationsverarbeitung. In der Bilderzeugungsverarbeitung wird ein dreidimensionales Bild V1 eines Subjekts einschließlich mehrerer Wirbel als Diagnoseziel erzeugt, welches von dem Bildabbildungsgerät 2 erzeugt ist. In der Mittelliniendetektierungsverarbeitung wird zumindest eine von einer Mittellinie des Rückenmarks und einer Mittellinie einer Wirbelsäule in dem dreidimensionalen Bild V1 detektiert. In der Schichtbilderzeugungsverarbeitung wird zumindest ein Schichtbild zum Detektieren eines Zwischenwirbellochs in Bezug auf zumindest eine der Mittellinie des Rückenmarks und der Mittellinie der Wirbelsäule erzeugt. In der Merkmalswertberechnungsverarbeitung wird ein Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs basierend auf zumindest eine Schichtbild beschreibt, detektiert. In der Zwischenwirbelloch-Positionsdetektierungsverarbeitung wird die Position eines Zwischenwirbellochs unter Verwendung des Merkmalswerts, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt detektiert. In der Wirbelidentifikationsverarbeitung wird jeder aus der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der erfassten Zwischenwirbellöcher identifiziert.
Dann fungiert, wenn diese Art der Verarbeitung durch die CPU 11 entsprechend dem Programm ausgeführt wird, ein Computer als eine Bilderfassungseinrichtung 21, eine Mittellinien-Detektierungseinrichtung 22, eine Schichtbilderzeugungseinrichtung 23, eine Merkmalswertberechnungseinrichtung 24, eine Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 und eine Wirbelidentifikationseinrichtung 26. Die Wirbelsegmentierungsvorrichtung 1 kann mehrere CPUs aufweisen, welche die Bilderzeugungs-Verarbeitung durchführen, sowie die Mittelliniendetektierungsverarbeitung, die Schichtbilderzeugungsverarbeitung, die Merkmalswertberechnungsverarbeitung, die Zwischenwirbelloch-Positionsdetektierungsverarbeitung und die Wirbelidentifikationsverarbeitung.
Die Bilderfassungseinheit 21 erhält ein dreidimensionales Bild V1 aus dem Bildspeicherserver 3. Die Bilderfassungseinrichtung 21 kann das dreidimensionale Bild V1 von dem Speicher 13 erhalten, falls das dreidimensionale Bild V1 bereits in dem Speicher 13 gespeichert ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass die Richtung einer Körperachse des dreidimensionalen Bildes V1 als z-Achse vorliegt, eine Richtung von der dorsalen Seite an der Bauchseite des Subjekts in einem dreidimensionalen Bild V1 als x-Achse vorliegt und eine Querrichtung von links nach rechts des Subjekts als y-Achse vorliegt.
Die Mittelliniendetektierungseinrichtung 22 erfasst zumindest eine der Mittellinie des Rückenmarks und der Mittellinie der Wirbelsäule in dem dreidimensionalen Bild V1. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass die Mittellinie des Rückenmarks detektiert wird. Als ein Verfahren zum Detektieren der Mittellinie des Rückenmarks wird zum Beispiel das in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung No. 2011-142960 gezeigte Verfahren verwendet. In dem in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung No. 2011-142960 offenbarten Verfahren werden mehrere Schichtbilder aus axialen Schnittebenen, die senkrecht zu der Körperachse sind, generiert, basierend auf dem dreidimensionalen Bild V1. Ferner sind Querschnittsformen des Rückenmarks in den mehreren Schichtbildern detektiert und die Mittellinie 30 des Rückenmarks, wie in 3 dargestellt ist, wird durch interpolierende Positionen zwischen den Positionen der mehreren erfassten Querschnittsformen detektiert. Das Verfahren zur Detektierung der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule ist nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Ein beliebiges Verfahren, zum Beispiel ein in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung No. 2009-207886 offenbartes Verfahren, kann verwendet werden.
Die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 erzeugt, in Bezug auf zumindest eine der Mittellinien des Rückenmarks und der Mittellinie der Wirbelsäule, mindestens ein Schichtbild zum Detektieren eines Zwischenwirbellochs. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23, bezüglich der Mittellinie 30 des Rückenmarks, mehrere Schnittbilder Di (i = 1 bis n, n ist die Anzahl von Schichtbildern) orthogonal zur Mittellinie 30 des Rückenmarks. Die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 erzeugt, basierend auf dem dreidimensionalen Bild V1, mehrere Schnittbilder Di entlang der Mittellinie 30 des Rückenmarks in einem vorbestimmten Intervall (beispielsweise einem Intervall von 3 bis 7 mm, und in der vorliegenden Ausführungsform einem Intervall von 5 mm). Die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 wandelt das xyz-Koordinatensystem des dreidimensionalen Bildes V1 in das x'y'z'-Koordinatensystem, in dem die Mittellinie 30 des Rückenmarks als z'-Achse gesetzt wird. Ferner erzeugt die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 mehrere Schichtbilder Di nach der Transformation orthogonal zur z-Achse in dem x'y'z'-Koordinatensystem sind. 4 ist eine schematische Darstellung mehrerer Schichtbilder, die generiert werden. Wie in 4 dargestellt ist, liegen die Schnittbilder Di, die von der Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 erzeugt werden, auf mehreren Ebenen, die orthogonal zur z'-Achse sind, beispielsweise die Mittellinie 30 des Rückenmarks und parallel zueinander. Mit anderen Worten, Schichtbilder Di sind auf Schnittebenen senkrecht zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks vorhanden. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Schichtbilds zeigt. Es hängt von der Lage der Schnittebene in dem Schichtbild ab, aber das Schichtbild stellt einen Wirbel da, der bei einer Schnittebene senkrecht zur Mittellinie 30 des Rückenmarks geschnitten ist, wie es in 5 dargestellt ist.
Es ist möglich, ein dreidimensionales Bild durch Anordnen mehrerer Schnittbilder Di entlang der Mittellinie 30 des Rückenmarks zu erzeugen. Nachstehend wird das dreidimensionale Bild V1 welches vom Bildabbildungsvorrichtung 2 erzeugt ist, als erstes dreidimensionales Bild V1 bezeichnet. Ein durch Anordnen mehrerer Schnittbilder Di entlang der Mittellinie 30 des Rückenmarks erzeugtes dreidimensionales Bild wird als zweites dreidimensionales Bild V2 bezeichnet. Das Koordinatensystem des zweiten dreidimensionalen Bildes V2 ist das x'y'z'-Koordinatensystem.
Die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 berechnet einen Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellt. Zuerst setzt die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 in jedem Schichtbild Di einen Suchbereich 33 bezüglich eines Schnittpunkts 32 mit der Mittellinie 30 des Rückenmarks. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Linie, die durch den Schnittpunkt 32 verläuft und sich in der Richtung der x-Achse als Mittellinie 31 fortsetzt, gesetzt, wie in 5 dargestellt. Die Mittellinie 31 trennt das Schichtbild Di in zwei Bereiche derart, dass die beiden Bereiche symmetrisch bezüglich der Mittellinie 31 sind. Die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 setzt einen rechteckigen Suchbereich 33 in einem Bereich auf der linken Seite der Mittellinie 31 derart, dass der rechteckige Suchbereich 33 eine seiner Seiten auf der Mittellinie 31 hat und einen Querfortsatz der Wirbelsäule enthält. Hierbei kann der Suchbereich auf einen Bereich auf der rechten Seite der Mittellinie 31 eingestellt werden.
Hier enthält die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 einen Klassifizierer zum Berechnen eines Merkmalswerts, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellt. Der Klassifizierer wird durch Durchführen eines maschinellen Lernens an mehreren Musterbildern einschließlich Zwischenwirbellöcher auf den Schnittflächen senkrecht zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks errechnet, wie in dargestellt ist, beispielsweise durch Verwendung eines Verfahrens, welches beispielsweise den AdaBoost Algorithmus durchführt. Dann wendet die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 den Klassifizierer eines zweidimensionalen Patches mit der gleichen Größe wie das Beispielbild in dem Musterbild an und berechnet, als den Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs angibt, den maximalen Wert der Ausgangssignale der Klassifizierung im Suchbereich. Die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 erhält Merkmalswerte in dem Suchbereich, wie es in 5 dargestellt ist, durch Berechnen der Merkmalswerte in einem vorgegebenen Bereich von Winkeln im Uhrzeigersinn von einer Linie, die durch den Schnittpunkt 32 hindurchgeht und orthogonal zu der Mittellinie 31 ist. Als vorbestimmter Winkelbereich kann ein Bereich von 20 Grad bis 45 Grad und wünschenswerterweise ein Bereich von 30 Grad verwendet werden.
Alternativ kann die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 in dem zweiten dreidimensionalen Bild V2 eine Ebene 38 setzen, dessen Mittelpunkt im Schnittpunkt 32 mit der Mittellinie 30 des Rückenmarks in jedem Schichtbild Di ist, wie in dargestellt. Die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 kann dreidimensional die Ebene 38 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkeln in Bezug auf die X'Y'-Ebene neigen. Ferner kann die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 einen Merkmalswert durch Verwendung von Voxelwerten des zweiten dreidimensionalen Bild V2 auf der geneigten Ebene berechnen. Folglich, auch wenn eine Mittelposition eines Zwischenwirbellochs nicht in der Schnittebene Di vorhanden ist, ist es möglich, den Suchbereich der Zwischenwirbellöcher zu erweitern. Daher ist es möglich, den Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs bestimmt, genauer zu berechnen. Es ist wünschenswert, dass der Winkelbereich beispielsweise etwa ±20 Grad beträgt.
Die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 detektiert die Position der Zwischenwirbellöcher auf der Basis des Merkmalswerts, welcher durch die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 berechnet wird. 8 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erkennung der Positionen der Zwischenwirbellöcher. In 8 ist ein Teil der Wirbelsäule im x'y'z'-Koordinatensystem schematisch dargestellt. 8 zeigt vier Wirbel 40A bis 40D und vier Schnittebenen 41A bis 41D orthogonal zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks. Schnittebene 41A durchläuft ungefähr das Zentrum eines Zwischenwirbellochs. Daher ist ein Merkmalswert, der im Schnittbild der Schnittebene 41A berechnet ist, ein relativ großer Wert. Die Schnittebene 41B verläuft nicht durch Zwischenwirbellöcher. Daher ist ein Merkmalswert, der im Schichtbild der Schnittebene 41B berechnet ist, ein relativ kleiner Wert. Schnittebene 41C durchläuft gerade noch ein Zwischenwirbelloch. Daher ist ein Merkmalswert, der im Schichtbild der Schnittebene 41C berechnet ist, ein relativ kleiner Wert. Schnittebene 41D durchläuft ein ungefähres Zentrum eines Zwischenwirbellochs. Daher ist ein Merkmalswert, der im Schnittbild der Schnittebene 41D berechnet, ist ein relativ großer Wert. Daher wird, wenn die Werte der Merkmalswerte entlang der Richtung der Mittellinie 30 des Rückenmarks aufgetragen und miteinander glatt verbunden sind, eine sich periodisch ändernde Kurve entlang der z-Achse, wie in 9 dargestellt ist, erhalten. Die Merkmalswerte haben ein lokales Maximum bei der Position eines Zwischenwirbellochs und ein lokales Minimum an einer Position zwischen den Zwischenwirbellöcher. Die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 zeichnet die Werte der Merkmalswerte entlang der Richtung der Mittellinie 30 des Rückenmarks, und erzeugt eine Kurve, die sich mittels glatter Abschnitte periodisch ändert. Ferner erfasst die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25, als diejenige Position eines Zwischenwirbellochs, die Position eines Voxel in dem zweiten dreidimensionalen Bild V2, bei der der Merkmalswert ein lokales Maximum in der Kurve erreicht. Die erfasste Position der Zwischenwirbellöcher repräsentiert das Zentrum des Zwischenwirbellochs.
Die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 identifiziert jeden aus einer Mehrzahl von Wirbelkörpern, indem die Positionen der Zwischenwirbellöcher verwendet werden, welche durch die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 erzeugt werden. 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Verarbeitungsschritte zum Identifizieren der Wirbel. In 10 ist ein Teil der Wirbelsäule im x'y'z'-Koordinatensystem schematisch dargestellt. In 10 sind vier Wirbel 40A bis 40D und Zentren 42A bis 42C dargestellt, welche in der Mitte von drei Zwischenwirbellöchern erkannt wurden. Wie in 10 dargestellt ist, sind Bandscheiben 43A bis 43C zwischen den Wirbeln 40A bis 40D vorhanden. Anatomische Positionsbeziehungen zwischen den Zentren 42A bis 42C der Zwischenwirbellöcher und den Bandscheiben 43A bis 43C sind jeweils fixiert. Daher identifiziert die Wirbelidentifikationseinrichtung 26, auf der Basis einer anatomischen Positionsbeziehung zwischen der Position eines Zwischenwirbellochs und der Position einer Bandscheibe, die Position der Bandscheibe unter Verwendung der Lage der Zwischenwirbellöcher im zweiten dreidimensionalen detektierten Bild V2. Die Position der Bandscheibe in der z'-Achse ist ausreichend für die Position der Bandscheibe. Daher umfasst die identifizierte Position der Bandscheibe nur einen Wert auf der z'-Achse.
Dann wandelt die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 die identifizierte Position der Bandscheibe in dem Koordinatensystem des ersten dreidimensionalen Bildes V1 um. Diese Koordinatentransformation ist einfach, da eine positionelle Beziehung zwischen einem Punkt auf der z'-Achse und der xyz-Koordinate des ersten dreidimensionalen Bildes V1 bekannt ist.
Dementsprechend wird die Position der Bandscheibe in z-Richtung in dem Koordinatensystem des ersten dreidimensionalen Bildes V1 identifiziert. Wirbel und Bandscheiben sind abwechselnd in der Wirbelsäule vorhanden. Daher identifiziert die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 jeden der Wirbel, basierend auf den identifizierten Bandscheiben, mittels Segmentierung von mehreren Wirbeln derart, dass die Wirbel erkennbar sind.
Die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 weist jedem der identifizierten Wirbel ein Label zu. In der vorliegenden Ausführungsform werden anatomische Typen von Wirbeln als Etiketten verwendet. 11 ist eine schematische Darstellung einer seitlichen Aufnahme einer Anordnung von Wirbeln. Wie in 11 dargestellt, sind anatomische Nummern den Wirbeln zugewiesen. Die Wirbelsäule besteht aus vier Teilen nämlich Halswirbel, Brustwirbel, Lendenwirbel und Kreuzbein. Die Halswirbel umfassen einen ersten bis siebten Halswirbel und anatomisch wird die Identifikationsinformation C1 bis C7 dem ersten bis siebten Halswirbel zugeordnet. Brustwirbel umfassen den ersten bis 12. thorakalen Wirbel und anatomisch wird die Identifikationsinformation Th1 bis Th12 dem ersten bis 12. thorakalen Wirbel zugeordnet. Die Lendenwirbel weisen den ersten bis fünften Lendenwirbel auf und anatomisch wird die Identifikationsinformation L1 bis L5 dem ersten bis fünften Lendenwirbel zugeordnet. Das Kreuzbein enthält nur einen Knochen, und anatomisch wird die Identifikationsinformation S1 dem Kreuzbein zugeordnet.
Die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 weist diese Identifizierungsinformation jeweils der identifizierten Wirbel als Marker zu.
Als nächstes wird die Verarbeitung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 12 ist ein Flussdiagramm der Verarbeitung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Zuerst erhält die Bilderfassungseinrichtung 21 ein erstes dreidimensionales Bild V1 eines Diagnoseziels von dem Bildspeicherserver 3 (Schritt ST1). Die Mittelliniendetektionseinrichtung 22 detektiert die Mittellinie 30 des Rückenmarks (Schritt ST2). Dann erzeugt die Schichtbilderzeugungseinrichtung 23 mehrere Schichtbilder Di orthogonal zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks (Schritt ST3). Die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 berechnet Werte, die eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellen auf der Grundlage mehrerer Schichtbilder Di (Schritt ST4).
Die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 erfasst die Positionen der Zwischenwirbellöcher auf der Basis der Merkmalswerte, die eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs (Schritt ST5) darstellen. Ferner identifiziert die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 Wirbel auf Basis der erfassten Positionen der Zwischenwirbellöcher (Schritt ST6) und weist ein Etikett jedem der identifizierten Wirbeln zu (Schritt ST7), und beendet die Verarbeitung.
Wie oben beschrieben, sind in der ersten Ausführungsform die Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild aufweisend mehrere Wirbel detektiert und die Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher identifiziert. Wenn die Wirbelsäule von der Seite beobachtet wird, ist die Größe eines Zwischenwirbellochs in Längsrichtung der Wirbelsäule etwas größer als die Dicke einer Bandscheibe. Daher kann, selbst wenn eine Schichtdicke des dreidimensionalen Bildes relativ groß ist, es möglich sein die Positionen der Zwischenwirbellöcher zu detektieren. Als Ergebnis ist es möglich, die mehreren Wirbelsegmente zu segmentieren und jeden der Wirbelkörper zu identifizieren. Daher ist es möglich, Marker den Wirbeln zuzuweisen, wie es in 11 veranschaulicht ist.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur in der Verarbeitung des Detektierens der Position eines Zwischenwirbellochs. Daher werden detaillierte Erläuterungen über die Konfiguration der Vorrichtung an dieser Stelle weggelassen.
Wie oben beschrieben, sind die Zwischenwirbellöcher periodisch in der Richtung der Mittellinie 30 des Rückenmarks angeordnet. In der zweiten Ausführungsform werden die Positionen der Zwischenwirbellöcher durch angepasste Merkmalswerte detektiert, die eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben, welche durch die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 anhand einer vorbestimmten Anpassungsfunktion berechnet werden (eine periodische Funktion oder eine quasiperiodische Funktion). Hierbei ist die ”periodische Funktion” eine Funktion, die eine Periodizität zu den Positionen auf der z'-Achse aufweist und deren Zyklus konstant ist, unabhängig von Positionen auf der z'-Achse. Ferner ist die ”quasiperiodischen Funktion” eine Funktion, die Periodizität zu Positionen auf der z'-Achse aufweist, aber deren Zyklus in Abhängigkeit von Positionen auf der z'-Achse schwankt.
Als Anpassungsfunktion kann eine periodische Funktion, wie eine trigonometrische Funktion, verwendet werden. Mehrere Wirbel haben die strukturellen Merkmale, dass die Höhe eines Wirbels in Richtung der z'-Achse allmählich größer wird, vom Halswirbel über die Lendenwirbel. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die quasiperiodische Funktion g(z'), repräsentiert durch folgenden Ausdruck, als eine Anpassungsfunktion verwendet. Diese Anpassungsfunktion wird in dem Speicher 13 gespeichert.
[Ausdruck 1]

g(z') = cos2π(z' – c) / az' + b (1)

In dem Ausdruck (1) sind a, b und c Koeffizienten, die zur Bestimmung der Form von g(z') dienen. Funktion g(z') ist eine periodische Funktion, falls a = 0 gilt.
Die Definition der Werte des Ausdrucks g(z') stimmt mit der Definition von Werten der Merkmalswerte überein, welche eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben. Insbesondere hat Ausdruck g(z') ein lokales Maximum in der Mitte eines Zwischenwirbellochs und ein lokales Minimum in einer Position zwischen benachbarten Zwischenwirbellöcher.
Ferner passt die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 global Merkmalswerte an, die eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben. Hierbei meint der Ausdruck ”global anpassen” ein Anpassen von Merkmalswerten in dem gesamten möglichen Bereich, in dem eine Position z' auf der z'-Achse vorhanden sein kann. Die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 kann optimale Koeffizienten a, b und c durch Ausführen einer Mehrvariablenanalyse bestimmen, wie ein Verfahren der kleinsten Quadrate (least Squares). Beispielsweise wird der Evaluierungswert H durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt. Hier ist f(z') ein Merkmalswert einer Wahrscheinlichkeit eines Wirbellochs. [Ausdruck 2]
Die Koeffizienten a, b und c sind so gewählt, dass dieser Evaluierungswert H maximiert ist. In diesem Fall sind mögliche Werte der Koeffizienten a, b und c im voraus festgelegt, und alle Kombinationen von a, b und c in den Bereichen werden gesucht. Dementsprechend ist es möglich, die Merkmalswerte, die eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben, und welche durch die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 berechnet worden sind, zu der Anpassungsfunktion, welche durch den Ausdruck (1) repräsentiert wird, anzupassen.
Das Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 erfasst die Position eines jeden der Zwischenwirbellöcher in Bezug auf die Anpassungsfunktion, an die die Merkmalswertelemente angepasst wurden. Zum Beispiel kann die Anpassungsfunktion, repräsentiert durch den Ausdruck (1), die Position z'(n) der n-ten Zwischenwirbellöcher berechnen, gemäß dem folgenden Ausdruck (3):
[Ausdruck 3]

z'(n) = 2c + (2n + 1)b / 2c – (2n + 1)a (3)

Wenn ein Zwischenwirbelloch durch eine Verletzung oder eine Krankheit abgeflacht worden ist, ist es unmöglich, die Position der Zwischenwirbellöcher unter Verwendung der Merkmalswerte eines Zwischewirbellochs allein zu detektieren. In der zweiten Ausführungsform ist der Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Wirbellochs beschreibt, an eine Anpassungsfunktion angepasst. Daher ist es möglich, das periodische Vorhandensein von Zwischenwirbellöchern zu detektieren. Daher ist es möglich, die Position der Zwischenwirbellöcher genauer zu detektieren.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur in der Verarbeitung des Detektierens der Position eines Zwischenwirbellochs. Daher werden detaillierte Erläuterungen über die Konfiguration der Vorrichtung an dieser Stelle weggelassen.
13 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Detektierens der Position eines Zwischenwirbellochs gemäß der dritten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform setzt die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25, in einer der Schichtbilder Di, eine gerade Linie 34, die durch einen Schnittpunkt 32 der Mittellinie 30 des Rückenmarks verläuft und sich in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die y'-Achse neigt. Ferner setzt die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25, in dem zweiten dreidimensionalen Bild V2, eine Schnittebene 35, die durch die Gerade 34 verläuft und parallel zur z'-Achse verläuft und erzeugt ein Schichtbild D35 auf der Schnittebene 35. Hierbei ist es wünschenswert, dass der vorbestimmte Winkel 30 Grad bis 45 Grad aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der vorbestimmte Winkel 30 Grad. Hier verläuft die gerade Linie 34 durch eine Position in einem Zwischenwirbelloch im Schichtbild Di. Daher schneidet in dem zweiten dreidimensionalen Bild V2 die Schnittebene 35 mehrere Zwischenwirbellöcher. Der Bereich eines Wirbels hat einen hohen CT-Wert im Schnittbild D35. Daher wird in Schichtbild D35 der Bereich der Zwischenwirbellöcher mit niedrigen CT-Werten zwischen Bereichen mit hohen CT-Werten deutlich, wie in 14 veranschaulicht.
In der dritten Ausführungsform erfasst die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 die Position eines Zwischenwirbellochs im Schichtbild D35. Insbesondere digitalisiert die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 einen Bereich auf der linken Seite der Mittellinie 30 des Rückenmarks in Schnittbild D35 und entfernt ein Rauschen, das aus niedrigen CT-Werten in einer Region mit hohen CT-Werten mittels Durchführen einer Morphologieoperation bezüglich dem Bereich mit dem zusammengesetzt hohen CT-Wert ist. Dementsprechend extrahiert die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 den Bereich mit dem hohen CT-Wert. Im zweiten dreidimensionalen Bild V2 ist der Bereich mit dem hohen CT-Wert ein Knochenbereich und der Bereich mit dem niedrigen CT-Wert zwischen den Bereichen mit dem hohen CT-Wert ist eine Zwischenwirbellochregion. Daher verwendet die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung 25 als Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, einen CT-Wert, der niedriger ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, und erkennt, als die Position eines Zwischenwirbellochs, die Position des einen Bereichs mit niedrigem CT-Wert zwischen den extrahierten Bereichen mit hohem CT-Wert.
In der dritten Ausführungsform wird mit Bezug auf Schichtbild D35 ein Klassifizierer zum Berechnen eines Merkmalswerts, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, basierend auf Schichtbild D35 in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform, hergestellt. Ferner kann ein Ausgangssignal von dem Klassifizierer als Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellt, berechnet werden und die Lage der Zwischenwirbellöcher auf der Grundlage des berechneten Merkmalswerts, der eine Wahrscheinlichkeit einer Zwischenwirbellochs beschreibt, detektiert werden. In diesem Fall kann die Position eines Zwischenwirbellochs durch Anpassen des berechneten Merkmalswerts an eine Anpassungsfunktion in ähnlicher Weise wie in der zweiten Ausführungsform detektiert werden.
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur in der Verarbeitung des Detektierens der Position eines Zwischenwirbellochs. Daher werden detaillierte Erläuterungen über die Konfiguration der Vorrichtung an dieser Stelle weggelassen.
In der ersten Ausführungsform berechnet die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 einen Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, und detektiert die Position eines Zwischenwirbellochs basierend auf dem Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt. Im vierten Ausführungsbeispiel wird die Position der Zwischenwirbellöcher durch Verwendung eines anderen Merkmalswerts detektiert.
In der vierten Ausführungsform berechnet die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 einen Merkmalswert, der die Klarheit einer Querschnittsform rechtwinklig zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks beschreibt, in anderen Worten, der z'-Achse (die als orthogonaler Schnittebenenmerkmalswert f1(z') bezeichnet wird) und einen Merkmalswert, der die Klarheit der Mehrheit an Schnittformen parallel zu der Mittellinie 30 des Rückenmarks beschreibt (die als Parallelschnittebenemerkmalswert f2(z') bezeichnet wird) ähnlich wie bei einem Verfahren, welches zum Beispiel in dem Patentdokument 1 offenbart ist. Als orthogonaler Schnittebenenmerkmalswert f1(z') wird beispielsweise ein Merkmalswert für das Extrahieren eines ringförmigen Musters mit einem vorbestimmten Punkt auf der z'-Achse als Mittelpunkt verwendet. Dieser Merkmalswert wird, beispielsweise durch Verwendung einer Eigenwertanalyse-Methode der Hesse-Matrix, berechnet. Hier kann der vorbestimmte Punkt ein Punkt auf der Schichtbild Di gemäß der ersten Ausführungsform sein. Als Parallelschnittebenemerkmalswert f2(z') kann beispielsweise ein Merkmalswert für das Extrahieren eines rohrförmigen Musters, welches sich in der Richtung der z'-Achse erstreckt und einen vorbestimmten Punkt auf z'-Achse als Zentrum hat, verwendet werden. Dieser Merkmalswert wird berechnet, beispielsweise unter Verwendung einer Eigenwertanalyse-Methode der Hesse-Matrix. Ferner kann die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 einen Klassifikatorausgabemerkmalswert berechnen, welcher ein Ausgangssignal von einem Klassifizierer ist, zum Berechnen eines Merkmalswerts ist, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt (der als f3(z') bezeichnet wird), ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Der Klassifikatorausgabemerkmalswert f3(z') in der vierten Ausführungsform ist der gleiche Wert wie der Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs wie in der ersten und zweiten Ausführungsform beschreibt.
Dann berechnet die Merkmalswertberechnungseinrichtung 24 den Merkmalswert f(z'), welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, durch den folgenden Ausdruck (4) unter Verwendung des orthogonalen Schnittebenenmerkmalswerts f1(z'), des Parallelschnittebenemerkmalswerts f2(z') und des Klassifikatorausgabemerkmalwerts f3(z'). In dem Ausdruck (4) ist α ein Gewichtungskoeffizient und g(z', σ) eine Gauß-Funktion mit Standardabweichung σ. [Ausdruck 4]
Hier sind der orthogonale Schnittebenenmerkmalswert und der Parallelschnittebenenmerkmalswert lokale Maxima in der Mittelposition eines Wirbels in Richtung der z'-Achse und lokale Minima an der Stelle einer Bandscheibe in der Richtung der z'-Achse. Der Klassifikatorausgangsmerkmalswert ist ein lokales Maximum an der Position eines Zwischenwirbellochs und ein lokales Minimum in einer Position zwischen den Zwischenwirbellöcher. Da unterdessen eine anatomische Positionsbeziehung zwischen einem Zwischenwirbelloch und einer Bandscheibe bekannt ist, ist eine anatomische Positionsbeziehung zwischen dem Zwischenwirbelloch und der Mittelposition eines Wirbels ebenfalls bekannt. Die Phasendifferenz β wird hinzugefügt zur Herstellung von Übereinstimmungen von lokalen Maxima, zum Klassifikatorausgabemerkmalswert f3(z') im Ausdruck (4) um eine Position bei der der orthogonale Schnittebenenmerkmalswert f1(z') und der Parallelschnittebenenmerkmalswert f2(z') lokale Maxima sind und eine Position auf der z'-Achse, in der der Klassifikatorausgabemerkmalwert f3(z') ein lokales Maximum ist, miteinander übereinstimmen.
Ferner kann der Merkmalswert f(z'), welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, unter Verwendung einer Anpassungsfunktion in ähnlicher Weise wie in der zweiten Ausführungsform auch in der vierten Ausführungsform berechnet werden. In diesem Fall, wenn ein erster Ausdruck und ein zweiter Ausdruck auf der rechten Seite des Ausdrucks (4) hinzugefügt werden und als Merkmalswert f4(z') dargestellt werden und den orthogonalen Schnittebenenmerkmalswert f1(z') und den Parallelschnittebenenmerkmalswert f2(z') zusammenfassen, kann der Merkmalswert f(z'), welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, mittels des folgenden Ausdrucks (5) berechnet werden. In dem Ausdruck (5) sind a3, a4, b3, b4, c3 und c4 Koeffizienten zum Bestimmen der Form einer Anpassungsfunktion, und γ ist ein Phasenunterschied für die Herstellung eines lokalen Maximums des orthogonalen Schnittebenenmerkmalswerts f1(z') und des Parallelschnittebenenmerkmalswerts f2(z'), mit anderen Worten, ein lokales Maximum des Merkmalswerts f4(z') stimmt mit einem lokalen Maximum des Klassifikatorausgangsmerkmalswerts f3(z') überein. [Ausdruck 5]
In jeder der vorgenannten Ausführungsformen wird ein Suchbereich gesetzt zum Berechnen eines Merkmalswerts, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, in einem linksseitigen Bereich und einem rechtsseitigen Bereich der Mittellinie 31 des Schichtbilds Di, wie es in 5 veranschaulicht ist. Alternativ können Suchbereiche für beide, den rechtsseitigen Bereich und den linksseitigen Bereich, gesetzt werden, und ein Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, kann jeweils im Suchbereich der linken Seite und der rechten Seite berechnet werden. Hier wird, wenn Merkmalswerte in dem linken Suchbereich und dem rechtsseitigen Suchbereich fL(z') und fR(z') berechnet sind, ein repräsentativer Wert verwendet, wie beispielsweise ein Maximalwert und ein Mittelwert des linksseitigen Merkmalswerts fL(z') und des rechtsseitigen Merkmalswerts fR(z'), der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs in dem Schichtbild Di beschreibt. Merkmalswerte fL(z') und fR(z') sind der erste Merkmalswert und der zweite Merkmalswert gemäß der vorliegenden Erfindung.
Hier wird, wenn der Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Wirbellochs beschreibt, an eine Anpassungsfunktion angepasst ist, wie in der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dann sollte ein repräsentativer Wert für den Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit des Zwischenwirbellochs beschreibt, des linksseitigen Merkmalswerts fL(z') und des rechtsseitigen Merkmalswerts fL(z') verwendet werden. Ferner können, wie durch den folgenden Ausdruck (6) gezeigt, beide, der linksseitige Merkmalswert fL(z') und der rechtsseitige Merkmalswert fR(z') gleichzeitig an die Anpassungsfunktion angepasst werden. In dem Ausdruck (6) sind al, ar, bl, br, cl und cr-Koeffizienten zur Bestimmung der Form einer Anpassungsfunktion und λ ist ein Gewichtungskoeffizient. [Ausdruck 6]
In den oben erwähnten Ausführungsformen wird die Mittellinie 30 des Rückenmarks detektiert. Alternativ kann die Mittellinie der Wirbelsäule anstelle der Mittellinie 30 des Rückenmarks detektiert werden. In diesem Fall wird eine anatomische Positionsbeziehung zwischen der Mittellinie der Wirbelsäule und einem Zwischenwirbelloch auf einer Schnittebene orthogonal zu der Mittellinie der Wirbelsäule fixiert. Daher ist es möglich, einen Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, ähnlich wie in den oben erwähnten Ausführungsformen, zu berechnen.
In den vorgenannten Ausführungsformen weist die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 jedem der identifizierten Wirbel einen Marker zu. Alternativ kann die Wirbelidentifikationseinrichtung 26 nur mehrere Wirbel segmentieren, ohne das Anbringen von Markern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011-131040 [0004]
JP 2011-142960 [0046, 0046]
JP 2009-207886 [0046]

Claims

Wirbelsegmentierungsvorrichtung, umfassend: eine Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25), welche Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit einer Mehrzahl von Wirbeln detektiert; und eine Wirbelidentifikationseinrichtung (26), die jeweils jeden aus der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher identifiziert.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25) die Positionen der Zwischenwirbellöcher unter Verwendung von Merkmalswerten, die in dem dreidimensionalen medizinischen Bild eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreiben, detektiert.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Vorrichtung ferner umfasst: eine Mittellinien-Detektierungseinrichtung (22), die in dem dreidimensionalen medizinischen Bild zumindest eine von einer Mittellinie des Rückenmarks und einer Mittellinie einer Wirbelsäule detektiert; eine Schichtbilderzeugungseinrichtung (23), welche in Bezug auf zumindest eine der Mittellinie des Rückenmarks und der Mittellinie der Wirbelsäule mindestens ein Schichtbild zum Detektieren der Zwischenwirbellöcher erzeugt; und eine Merkmalswertberechnungseinrichtung (24), die den Merkmalswert, welcher eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs darstellt, basierend auf dem mindestens einen Schichtbild berechnet, wobei die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25) die Positionen der Zwischenwirbellöcher basierend auf dem Merkmalswert erfasst.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Schichtbilderzeugungseinrichtung (23) eine Mehrzahl von Schichtbildern in einem vorgegebenen Abstand zu einer Mehrzahl von Schnittebenen, welche orthogonal zu der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule sind, generiert.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Merkmalswertberechnungseinrichtung (24) einen ersten Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs in einer Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern beschreibt, und einen zweiten Merkmalswert berechnet, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs in der anderen Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern, wenn jedes aus der Mehrzahl von Schichtbildern derart geteilt ist, dass die eine Seite und die andere Seite symmetrisch in Bezug auf eine gerade Linie, die durch die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule verläuft, ist, und einen repräsentativen Wert des ersten Merkmalswerts und des zweiten Merkmalswerts, als den Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, bestimmt.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Schichtbilderzeugungseinrichtung (23) das mindestens eine Schichtbild einer Schnittebene erzeugt, welches die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule umfasst und in eine vorbestimmte Richtung gerichtet ist.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25) den Merkmalswert zu einer vorbestimmten periodischen Funktion oder quasiperiodischen Funktion in der Richtung der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule anpasst, und die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher basierend auf der periodischen Funktion oder der quasiperiodischen Funktion detektiert, an die der Merkmalswert angepasst wurde.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Merkmalswertberechnungseinrichtung (24) einen ersten Merkmalswert, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs beschreibt, in einer Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern, und einen zweiten Merkmalswert berechnet, der eine Wahrscheinlichkeit eines Zwischenwirbellochs, in der anderen Seite von jedem der Mehrzahl von Schichtbildern beschreibt, wenn jedes der Mehrzahl von Schichtbildern derart geteilt ist, dass die eine Seite und die andere Seite in Bezug auf eine gerade Linie symmetrisch ist, die durch die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule verläuft, und wobei die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25) jeden von erstem Merkmalswert und zweitem Merkmalswert zu einer vorbestimmten periodischen Funktion oder quasiperiodischen Funktion in der Richtung der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule anpasst, und die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher auf Basis der periodischen Funktion oder der quasiperiodischen Funktion detektiert, an welche sowohl der erste Merkmalswert als auch der zweite Merkmalswert angepasst wurde.
Wirbelsegmentierungsvorrichtung, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Zwischenwirbellochpositionsdetektierungseinrichtung (25) die Position von jedem der Zwischenwirbellöcher auch unter Verwendung eines Merkmalswerts detektiert, der eine Klarheit einer Schnittebene beschreibt, welche die Mittellinie des Rückenmarks oder die Mittellinie der Wirbelsäule schneidet, eines Merkmalswerts, der die Klarheit einer Schnittebene parallel zu der Mittellinie des Rückenmarks oder der Mittellinie der Wirbelsäule beschreibt, und Merkmalswerten, welche eine Regelmäßigkeit der Anordnung der Wirbel beschreiben, welche basierend auf der Schärfe der schneidenden und der Schärfe der parallelen Schnittebene berechnet sind.
Wirbelsegmentierungsverfahren, umfassend die Schritte: Detektieren von Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit einer Mehrzahl von Wirbeln; und Identifizieren jedes der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der jeweils detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher.
Wirbelsegmentierungsprogramm, das einen Computer veranlasst das Verfahren auszuführen: Detektieren von Positionen der Zwischenwirbellöcher in einem dreidimensionalen medizinischen Bild mit einer Mehrzahl von Wirbeln; und Identifizieren jedes der Mehrzahl von Wirbeln unter Verwendung der jeweils detektierten Positionen der Zwischenwirbellöcher.