JP2002538915A - ３次元仮想検査、ナビゲーション及び視覚化を実行するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 システム及び方法は、容量視覚化技術を用いて器官のような物体の３次元視覚化像を発生させ、ガイドされたナビゲーションシステムを用いて像を調べ、これによって、オペレータは、フライト経路に沿って進行するとともに、関心のある像の特定の部分に視野を調整して、例えば、視覚化された器官のポリープ、嚢胞又は他の異常形態を識別する。電子的な生検を、視覚化された物体の識別された成長又は塊上で実行することもできる。向上したフライ経路の発生及び容量描写技術は、関心のある領域の向上したナビゲーション及び検査を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術の分野） この出願は、「３次元仮想検査を行うシステム及び方法」という発明の名称の
米国特許番号第５，９７１，７６７号の一部継続出願である「３次元仮想セグメ
ント化及び検査を行うシステム及び方法」という発明の名称の１９９９年６月２
９日に出願した米国特許出願番号０９／３４３，０１２号の一部継続出願であり
、この出願は、「３次元仮想検査」という拝命の名称の１９９９年３月１８日に
出願した米国分割特許出願番号６０／１２５，０４１号の利益も主張する。 本発明は、３次源仮想検査に基づく容量測定を行うシステム及び方法に関する
ものであり、特に、向上した視覚化及びナビゲーション特性を提供するシステム
に関するものである。

【０００２】 （背景技術） 結腸癌は、世界中で主要な死因となっていする。人間の直腸において最初にそ
れ自体がポリープとして現れる癌の成長の早期の検出によって、患者が回復する
機会が大幅に増大する。現在のところ、被験者の結腸のポリープ又は他の塊を検
出する二つの通常的な方法がある。第１の方法は、物理的に直腸に挿入すること
によって、スコープを用いて結腸を視覚的に検査する直腸スコープ(colonoscope
)と称されるフレキシブルファイバスコープチューブを用いる直腸スコープ手順
である。医師は、結腸中の任意の異常な成長を調べるためにチューブを操作する
。直腸スコープは、信頼性があるとしても、金銭的コスト及び時間的コストが比
較的高く、被験者を侵害し、被験者にとって不快で痛みを伴う手順である。

【０００３】 第２の検出技術は、バリウム浣腸及び結腸の２次元的なＸ線撮像の使用である
。バリウム浣腸は、結腸をバリウムで被覆するのに使用され、２次元的なＸ線撮
像によって、直腸の像を取得する。しかしながら、バリウム浣腸は、常に結腸全
体の視野を提供するわけではなく、膨大な前処理及び被験者の操作を必要とし、
操作を実行する際にしばしばオペレータに依存し、結腸スコープの場合に比べて
感度が低い。これまで説明した従来の実務における不都合のために、結腸のポリ
ープを調べるために、更に信頼性があり、比較的侵入的でなく、かつ、比較的廉
価な方法が所望されている。信頼性があり、廉価であり、かつ、患者の不快感が
比較的少ない、肺のような他の人間の器官の塊(masses)を検査する方法も所望さ
れている。

【０００４】 演算された断層Ｘ線写真法及びＭＲＩ（磁気共鳴像）のような現在利用できる
医療撮像装置を用いた人間の器官の２次元的な（２Ｄ）視覚化は、被験者の診断
法に対して広く用いられている。３次元像は、スキャニングマシンから生成した
２次元画像間のスタック及び補間によって形成することができる。器官を撮像す
るとともにその容量を３次元空間において視覚化することは、物理的な侵入がな
く、かつ、データ処理が容易であるために有利である。しかしながら、３次元的
な容量の像の補間を、器官を内側から仮想的に観察する利点を十分に利用するた
めに適切に実行する必要がある。

【０００５】 環境の３次元的な（３Ｄ）容量の仮想像を観察するに当たり、機能モデルを用
いて仮想空間を検診する必要がある。一つのあり得るモデルは、仮想空間を観察
するために観察者の基準点として使用することができる仮想カメラである。一般
的な３Ｄ仮想環境内のナビゲーションの背景のカメラ制御は以前に研究されてい
る。仮想空間のナビゲーションに対して提供される２タイプのカメラ制御が従来
提案されている。第１のタイプは、所望の視野を達成するために互いに相違する
位置及び向きでカメラを操作できるよう十分なカメラ制御を、オペレータに提供
する。オペレータはカメラを有効に操作する。これによって、オペレータは、関
心のある特定の区分を検診し、その間他の区分を無視する。しかしながら、比較
的大きな領域におけるカメラの完全な制御は、退屈でうんざりするものであり、
オペレータは、検診の開始地点と終了地点との間の全ての重要な特徴を観察しな
いおそれがある。

【０００６】 カメラ制御の第２の技術は、計画されたナビゲーション方法であり、この方法
によれば、取り出されるべき予め設定された経路を、カメラに割り当て、それは
、オペレータによって変更することができない。これによって、オペレータは、
観察される仮想空間に集中することができ、検査される環境の壁部に進行するの
を心配する必要がない。しかしながら、この第２の技術は、コースを変更する、
すなわち、フライト経路に沿って観察される関心のある領域を調査する柔軟性を
観察者に提供しない。

【０００７】 両方の技術の利点を実現するとともに各々の不都合を最小にするために上記二
つのナビゲーション技術の組み合わせを使用するのが望ましい。検査中に挿入が
なく、かつ、痛みを伴わずに実行するために、仮想的な３Ｄ空間で表された人間
又は動物の期間の検査に対して、柔軟性のあるナビゲーション技術を適用するの
が望ましい。所望のナビゲーション技術によって、柔軟性が許容されるオペレー
タによる３Ｄ空間の仮想器官の完全な検査も許容し、かつ、器官の中及び周辺の
円滑な経路及び完全な検査を満足する。器官を観察するのに必要な演算を最小に
する技術を用いることによって、器官の検診の表示をリアルタイムで表示できる
ようにすることも望ましい。所望の技術を、任意の仮想物体の検診に利用できる
ようにする必要もある。

【０００８】 本発明の他の目的は、特定の容量的な要素を可変の目安で透明又は半透明にす
るために表示中の各容量的な要素に不透明計数を割り当てて、観察される物体の
一部の視覚化を特別に行うことである。物体の区分を、不透明係数を用いて構成
することもできる。

【０００９】 （発明の開示） 本発明によれば、容量的な視覚化技術を用いて人間の器官のような物体の３次
元視覚化イメージを発生させ、ガイド用ナビゲーションシステムを用いて仮想イ
メージを検診し、ナビゲーションシステムによって、オペレータは、予め規定さ
れたフライト経路に沿って移動し、かつ、予め規定された経路から離間したイメ
ージ中の関心のある特定の位置に対する位置及び視野角を調整して、器官中のポ
リープ、嚢胞又は他の異常形態を識別することができる。

【００１０】 仮想検査のためのナビゲーション方法によれば、結腸の管腔のような仮想器官
を通じたフライ経路を発生させる。結腸の管腔の容量的な要素表示から、仮想的
な結腸の管腔の壁部からの容量的な収縮を用いて、圧縮された結腸の管腔のデー
タセットを発生させる。圧縮された直腸の管腔のデータセットから、仮想の直腸
の管腔の終点間に最小距離を発生させる。その後、制御点が、仮想的な結腸の管
腔の長さに沿った最小距離に沿って抽出される。その後、制御点は、仮想的な結
腸内の中央に配置される。最後に、最終的なナビゲーションフライ経路を規定す
るために、中央に配置された制御点管にラインが補間される。

【００１１】 フライ経路を発生させる上記方法において、容量収縮ステップは、イメージデ
ータの複数のスタックとして結腸の管腔を表すステップと、離散ウェーブレット
変換(discrete wavelet transformation)をイメージデータに適用するステップ
と、複数の周波数に対する成分を有する複数のサブデータセットを発生させるス
テップと、サブデータセットの最低周波数成分を選択するステップとを有する。

【００１２】 仮想結腸検査(virtual colonoscopy)中の仮想的な結腸の管腔を複数のセグメ
ントに区分けするステップを有する。各セグメント内で１点が選択され、その点
は、仮想的な結腸の管腔の壁部に対して中央に配置される。中央に配置された制
御点は、フライ経路を確立するために互いに接続される。

【００１３】 仮想的な結腸の管腔の検査を行う方法は、容量描写操作を有する。結腸内の各
視点に対して、各イメージ画素を通じて視点から光線が投影される。視点から結
腸の管腔の壁部までの最短距離は、各光線に対して決定される。その距離が、予
め設定されたサンプリング間隔を超えると、その距離だけ光線に沿った飛越し処
理が行われ、オープンスペース伝達関数に基づく値を、飛び越された距離に亘る
光線に沿った点に割り当てる。距離がサンプリング間隔を超えない場合、現在の
点がサンプリングされ、表示可能な特性を伝達関数に従って決定する。

【００１４】 撮像する方法及び容量的に描写する方法は、結腸壁や疑いのある塊のような領
域の仮想的な生検を行う方法にも役に立つ。イメージスキャナデータから取得し
た領域の容量的な表示から、容量的な描写は、結腸の管腔をナビゲートするとと
もに領域の表面を観察するために領域に対して初期伝達関数(initial transfer
function)を用いることによって適用される。疑いのある領域が検出されると、
伝達関数の動的な変更によって、医師のようなオペレータは、領域の不透明度と
観察される合成情報とを選択的に変更することができる。これによって、ポリー
プのような疑いのある内側領域の３次元的な観察を許容する。

【００１５】 本発明による更に別の方法において、検査を経た領域の表面上に配置されたポ
リープを自動的に検出することができる。結腸の管腔は、複数の容量ユニットに
よって表される。さらに、結腸の管腔の表面は、連続的な２回微分可能な表面と
してあらわされ、この場合、各表面容量ユニットは、関連の全曲率を有する。全
曲率を、領域的な傾向から逸脱する局所的な特徴に対して自動的に探索し及び評
価することができる。結腸の壁部表面からの凸状の突出部に対応する局所的な形
態は、他の検査に対してポリープとして分類される。

【００１６】 本発明の仮想的なイメージングによる他の方法において、仮想的な結腸検査を
行う方法は、結腸を含む領域のイメージデータセットを取得するステップと、イ
メージデータを容量ユニットに変換するステップとを有する。結腸の管腔の壁部
を表す容量ユニットが識別され、結腸の管腔を通じたナビゲーションに対するフ
ライ経路が確立される。少なくとも一つの伝達関数を用いて、結腸の管腔の壁部
に色係数および不透明度係数を写像する。結腸は、割り当てられた伝達関数に従
ってフライ経路に沿って表示される。

【００１７】 仮想的な結腸検査の方法において、フライ経路を発生させるステップは、仮想
的な結腸の管腔の壁部からの容量的な収縮を用いて、減少したデータセットを発
生させる。減少したデータセットから、仮想的な結腸の管腔の終点間の最小距離
経路が発生する。仮想的な結腸の管腔の距離に沿った制御点を、最小距離経路に
沿って割り当てることができる。仮想的な結腸の管腔内の制御点は中央に配置さ
れ、中央に配置された制御点に接続するラインが補間されて、ナビゲーションフ
ライ経路を完全にする。

【００１８】 また、仮想的な結腸の管腔を複数のセグメントに区分けし、各セグメント内で
点を選択し、仮想的な結腸の管腔の壁部に対して各点を中央に配置し、かつ、中
央に配置した点を互いに接続して、フライ経路を確立することによって、フライ
経路を発生させることもできる。

【００１９】 本発明による領域の３次元的なイメージング、ナビゲーション及び検査を行う
システムは、イメージデータを取得するためのＭＲＩやＣＴスキャナのようなイ
メージセンサを有する。プロセッサは、イメージデータを、容量要素データセッ
トを形成する複数の容量要素に変換する。プロセッサは、結腸の管腔の壁部を表
す容量ユニットを識別するステップと、結腸の管腔を通じてナビゲーションを行
うフライ経路を確立するステップと、少なくとも一つの伝達関数を適用して、結
腸の管腔の壁部に対して色及び不透明度を写像するステップを更に実行する。表
示ユニットは、フライ経路及び少なくとも一つの伝達関数に従って領域を表示す
るプロセッサに機能的に結合される。

【００２０】 本発明によって形成した仮想検査用の他のコンピュータに基づくシステムは、
バス構造アーキテクチャに基づく。スキャナインタフェースボードは、バス構造
に結合され、データをイメージスキャナからバスに供給する。バスにも結合した
主記憶も設ける。局所的に存在する容量描写メモリを有する音量描写ボードは、
イメージスキャナからデータの少なくとも一部を受信し、このデータを、容量描
写動作中に容量描写メモリに格納する。グラフィックボードは、バス構造と、シ
ステムからの像を表示する表示装置とに結合される。プロセッサは、バス構造に
対して作動的に結合し、イメージスキャナからのデータに応答する。プロセッサ
は、イメージスキャナからのデータを容量要素表示に変換し、容量要素表示を主
記憶に格納し、容量要素表示をイメージスライスに区分し、かつ、容量要素区分
を容量描写ボードに転送する。

【００２１】 （発明を実施するための最良の形態） 本明細書に記載した方法及びシステムを、検査すべきに任意の物体に適用する
ことができるが、説明する好適な実施の形態を、人体の器官、特に結腸の検査と
する。結腸は長くて湾曲しているため、好適な実施の形態によって、被験者が金
銭を節約するとともに物理的なプローブの不快感及び危険を除去する仮想的な検
査に特に適切になる。検査することができる器官の他の例は、肺、胃、胃腸系の
一部、心臓及び血管を含む。

【００２２】 図１は、容積視覚化技術を用いたバーチャル結腸スコープ法を実施する上で必
要なステップを説明する。ステップ１１０において、医師又は特定の走査機器の
いずれかの必要に応じて、試験のための視覚化を目的として走査される結腸を準
備する。このような準備として、経口摂取によって胃経由で結腸に辿り着く「カ
クテル」又は液体による該結腸の洗浄が含まれる。カクテルは、患者に対して結
腸に存在する老廃物の排出を促す。使用される物質の一例は、ゴリテリ（Golyte
ly）である。また、結腸の場合、空気又は二酸化炭素を結腸に送り込んで結腸を
膨らませることで結腸をよりいっそう容易に走査かつ試験することができる。こ
のことは、直腸に設置した小さな管によって達成されるもので、約１，０００ｃ
ｃの空気を結腸に注入して該結腸を膨張させる。使用したスキャナの種類に応じ
て、結腸壁それ自体と老廃物とを区別するために、非膨張性の糞をすべて被覆す
るバリウム等の造影剤を飲むことが患者にとって必要なものでろう。あるいは、
結腸をバーチャル検査する方法は、この明細書において後で説明するように、結
腸のバーチャル検査に先立って、又はその間にバーチャル老廃物を取り除くこと
ができる。図１において破線で示したように、全ての検査で必ずしもステップ１
０１を実行する必要はない。

【００２３】 ステップ１０３は、検査すべき臓器を走査する。スキャナは当業者に良く知ら
れた装置であって、容積視覚化で必要なデータを得るために、例えば結腸を走査
するためのらせんＣＴスキャナ、又はキセノンガス等で標識された肺を走査する
ためのゼニタ（Zenita）ＭＲＩ機器である。単一ＣＴ画像の一例は、結腸の左結
腸曲の上部から直腸にかけて実行される４０ｃｍ視野で、５ｍｍ幅、１：１ない
し２：１ピッチのＸ線ビームを使用するものである。

【００２４】 前記対象物の個別データ表示は、走査とは別の方法によって作られる。対象物
を表すボクセルデータ表示は、１９８８年７月２６日に出願され、１９９１年８
月８日に発行されたカウフマン（Kaufman）による「連続的３次幾何学的表示を
３次元ボクセルシステム内の離散的３次元ボクセルに基づく表示に変換するため
の方法」と題された米国特許第５，０３８，３０２号に記載された技術による幾
何学的モデルから誘導することができる。なお、該文献をここでは参照によって
援用する。また、データは３次元ボクセルへ変換することが可能で、かつこの発
明に基づいて探索可能な画像のコンピュータモデルによって生成される。この種
のデータの一例は、スペースシャトル宇宙船を囲む気流のコンピュータ・シュミ
レーションである。

【００２５】 ステップ１０４は、走査画像を３次元の容積要素（ボクセル）に変換すること
である。脊椎を検査するための好ましい実施形態では、１ｍｍ又は２．５ｍｍの
増分で走査データは５ｍｍ厚のスライスに整形し直し、さらに１ｍｍのスライス
に再構成し、各スライスが５１２ｘ５１２ピクセルからなるマトリックスとして
表される。これによって、約１立方ｍｍのボクセルが得られる。したがって、多
数の２Ｄスライスが走査の長さに応じて生成される。次に、２Ｄスライスからな
る組が３Ｄボクセルに対して再構築される。スキャナからの２Ｄ画像を３Ｄボク
セルへの変換プロセスは、走査機器そのものによって、又は当業者に良く知られ
ているような技術を持つコンピュータ等の別個の機器によって、実施することが
できる（例えば、１９８８年１１月１１日出願し、１９９１年１月１５日に発行
されたカウフマン（Kaufman）他の「ボクセルに基づくデータを格納し、アクセ
スし、かつ処理するための方法及び装置」と題された米国特許第４，９８５，８
５６号を見よ。なお、本明細書では該特許文献を援用する）。

【００２６】 ステップ１０５は、オペレータが検査されるべき選択された臓器の部分を定義
することを可能とする。医師は、２次元スライス概略マップを見て検査すべき断
面を示す。観察される経路の開始ポイントと終了ポイントは、医師／オペレータ
によって示される。従来のコンピュータ及びコンピュータ・インタフェース（例
えば、キーボード、マウス、又はスペースボール）を使用して、詳細に調べるべ
き結腸の一部分を設計することに使用可能である。座標を持つ格子系を用いてキ
ーボードによる入力が可能であり、又は医者／オペレータは所望の点を「クリッ
ク」することができる。必要に応じて結腸の全体像も見ることができる。

【００２７】 ステップ１０７は、検査しているバーチャル臓器の計画又は誘導されたナビゲ
ーション動作を実施する。誘導ナビゲーション動作の実行は、いつでもオペレー
タによって手動調整可能な事前に決められた、あるいは自動的に事前に決められ
た飛行経路に沿って環境内を移動するものとして定められる。走査データが３Ｄ
ボクセルに変換された後、臓器の内部が選択された開始点から選択された終了点
へトラバースされなければならない。バーチャル検査は、終了点の方に向けられ
たレンズによってバーチャル空間を移動する小さなカメラを有するものとしてモ
デル化される。誘導ナビゲーション技術によってカメラとの相互作用（対話）の
レベルを与えることで、オペレータによる干渉がない限り、カメラが自動的にバ
ーチャル環境内を自由に動き回ることができ、また同時に、必要に応じてオペレ
ータがカメラを操作することが可能となる。誘導ナビゲーションを達成するため
の好ましい実施形態は、図２及び図３に詳細に示されるように、カメラの動きを
制御するために電場を用いる物理的カメラモデルを使用するものである。

【００２８】 ステップ１０７と同時に実行されるステップ１０９は、誘導ナビゲーション動
作の選択経路に沿ってカメラモデルの視点から臓器の内側を表示する。３次元表
示は、立方体整合技術（matching cubes technique）等の当業者によく知られた
技術を用いて得られる。しかし、結腸をリアルタイムで表示するために、バーチ
ャル臓器の表示に必要なデータの膨大な計算を少なくする技術が必要である。図
９は、表示ステップをより詳細に示している。

【００２９】 図１に示す方法もまた、身体の複数の臓器を同時に走査する際に適用できる。
例えば、ある患者に対して結腸及び肺の両方について悪性腫瘍の増殖を調べる。
図１の方法に変更を加えて、ステップ１０３で関心のある全ての領域を走査して
もよく、またステップ１０５で現在の臓器を選択してもよい。例えば、医者／オ
ペレータは最初に結腸を選択してバーチャル探索を行い、その後に肺の探索を行
うことができる。あるいは、専門が異なる２人の医者がそれぞれの専門に関連し
て走査した異なる臓器をバーチャル探索してもよい。ステップ１０９に続いて、
検査すべき次の臓器が選択され、その部分の範囲が定められるとともに探索され
る。このことは、検査を必要とする全ての臓器が処理されるまで続けられる。

【００３０】 図１に関連して説明したステップは、容積成分によって表すことができる任意
の対象物の探索にも適用することができる。例えば、建築構造又は無生物対象物
を同様の方法で表示及び探索することができる。

【００３１】 図２は、ステップ１０７の誘導ナビゲーション技術を実行する「サブマリン」
カメラ制御モデルを示す。誘導ナビゲーションの際にオペレータ制御がない場合
、デフォルトナビゲーションは結腸の選択された１点から他の点への飛行経路に
沿ってカメラを自動的に方向付ける計画ナビゲーションの場合と同様である。計
画ナビゲーションフェーズの間、結腸の表面の良好な像を得るために、カメラは
結腸の中央部にとどまる。興味ある領域に遭遇した場合、誘導ナビゲーションを
用いたバーチャルカメラのオペレータは、対話式にカメラを特定の領域に近づけ
てカメラの動き及び角度を指示し、結腸の壁部に不本意ながら衝突することもな
く、興味ある領域の詳細を調べることができる。オペレータは、キーボード、マ
ウス等の標準的なインタフェースや、スペースボール等の非標準的デバイスを用
いてカメラを制御することができる。バーチャル環境下でカメラを完全に操作す
るために、６自由度がカメラに求められる。カメラは、バーチャル環境下で全て
の面及び角度を移動及び走査するために、水平方向、垂直方向、及びＺ方向（軸
２１７）に移動することができ、同様に別の３自由度（軸２１９）で回転可能で
なければならない。誘導ナビゲーションのカメラモードは、電場２１５にさらさ
れている２つの粒子ｘ_１２０３とｘ_２２０５とが結合している非伸展性無重力ロ
ッド２０１を有する。電場は、臓器の壁部からカメラを遠ざけるために該臓器の
壁部で最も高くなるように定められている。

【００３２】 粒子の位置は、ｘ_１及びｘ_２によって与えられ、それらは同一の質量ｍを有し
、その視野方向はｘ_１ｘ_２に一致する。サブマリンは、２つの粒子が以下に定め
る電場Ｖ（ｘ）、任意の摩擦力、及び任意のシミュレートした外力による力によ
って影響を受けるので、モデルの質量ｘの中心の周りを回転したり、並進運動し
たりすることができる。ｘ_１、ｘ_２、及びｘの関係は以下の通りである。

【数１】 式中、γ、θ、及びφはベクターｘｘ_１の極座標である。

【００３３】 モデルの運動エネルギーＴは、ｘ_１及びｘ_２の動きの運動エネルギーの和とし
て定義される。

【数２】

【００３４】 次に、サブマリンモデルの動きに関する等式は、ラグランジュの方程式を用いて
得られる。

【数３】 式中、ｑ_ｊｓはモデルの一般化座標であり、時間ｔの変数と見なすことができる
。

【数４】 式中、Ψは後述する我々のカメラシステムの回転角度を示す。Ｆ_ｉＳは、一般力
と呼ぶ。サブマリンの制御は、ｘ_１に対するシミュレートした外力を与えること
によって行われる。

【数５】

【００３５】 また、ｘ_１及びｘ_２の両方とも電場からの力と各粒子の速度とは逆方向に作用
する摩擦とによって影響を受ける。そのため、一般力は以下の式によって表され
る。

【数６】 ここでｋは前記システムの摩擦係数である。外力Ｆ_ｅｘｔは、オペレータによ
って、図２に示すように、前記表示された画像において所望の方向２０７におい
てマウスボタンを単にクリックすることによって加えられる。次にこのカメラモ
デルは、この方向において移動する。これは、前記オペレータが前記カメラの少
なくとも５つの自由度を前記マウスボタンの１回のクリックだけで制御すること
を可能にする。式（２）、（３）及び（５）から、我々の潜水艦モデルの５個の
パラメータの加速度を得ることができる。

【数７】 ここで、

【外１】 及び

【外２】 は、ｘの１次導関数及び２次導関数を各々示し、

【外３】 は地点ｘにおけるポテンシャルの勾配を示す。

【外４】 の項

【外５】 及び

【外６】 の項

【外７】 を、各々、遠心力及びコリオリ力と呼び、これらは前記潜水艦の各速度の交換に
関する。前記モデルが前記潜水艦のロッドに関して規定される慣性モーメントを
持たないため、これらの項は、φの数値計算のオーバフローを生じる傾向にある
。幸いにも、これらの項は、前記潜水艦の各速度が重要な場合にのみ重要になり
、これは本質的には前記カメラが速く移動しすぎることを意味する。前記器官を
適切に見ることができないため、前記カメラをそんなに速く動かせるようにする
ことは無意味であるため、これらの項は、我々のインプリメンテーションにおい
ては最小になり、前記オーバフロー問題は回避される。

【００３６】 式（６）の最初の３つの式から、以下の条件が満たされるとき、前記ポテンシ
ャル場に対する外力は前記潜水艦を推進することができないことがわかる。

【数８】 前記潜水艦の速度と外力Ｆ_ｅｘｔは、我々のインプリメンテーションにおいて上
限を有することから、物体の境界において十分に高いポテンシャル値を仮定する
ことによって、前記潜水艦が前記環境における物体又は壁にぶつからないことを
保証することができる。

【００３７】 上述したように、前記カメラシステムのロール角Ψを考慮する必要がある。あ
る可能な選択は、角度Ψのオペレータの完全な制御である。しかしながら、前記
オペレータが前記カメラを前記モデルのロッドの周囲で自由に回転させられると
しても、彼又は彼女は用意に方角を見失うようになるかもしれない。好適な技術
は、前記カメラの上部方向を質量ｍ_２を有する振り子３０１に接続し、この振り
子は、図３に示すように、前記潜水艦のロッドの周囲を自由に回転する。前記振
り子の方向ｒ_２を、

【数９】 と表すことができ、前記潜水艦の運動に加えてこの振り子の正確な運動を計算で
きるとしても、システム方程式をまた複雑にする。したがって、ロール角Ψを除
くすべての一般化座標を一定とし、このようにして、前記振り子システムの独立
した運動エネルギーを、

【数１０】 として規定する。これは、前記モデルをロール角に関して簡単にする。このモデ
ルにおいて、重力、

【数１１】 が、質量点ｍ_２において働くとしているため、Ψの加速度を、ラグランジェ方程
式、

【数１２】 を使用して得ることができる。式（６）及び（７）から、一般化座標ｑ（ｔ）及
びこれらの導関数

【外８】 、テイラー級数、

【数１３】 を使用することによって漸進的に計算し、前記潜水艦を自由に動かす。前記潜水
艦の運動を滑らかにするために、時間ステップｈを、前記運動を滑らかにするた
めにできるだけ小さく、しかし、計算コストを減らすためにできるだけ大きく、
これらの間で釣り合った値として選択する。

【００３８】 ポテンシャル場の定義 図２における潜水艦モデルにおけるポテンシャル場は、前記仮想器官における
境界（壁又は他の物体）を、前記潜水艦カメラが前記壁又は他の境界と衝突しな
いことを保証するために、前記境界に対して高いポテンシャルを割り当てること
によって規定する。前記カメラモデルがオペレータによって高いポテンシャルの
領域中に移動させられようとすると、前記カメラモデルは、もしオペレータが例
えば境界の後ろの又はポリープの内部の器官を検査したくなければ、そうするこ
とを抑制されるであろう。仮想大腸内視鏡検査を行う場合において、ポテンシャ
ル場の値を、容量測定の結腸データ（体積要素）の各々の部分に割り当てる。図
１のステップ１０５において興味ある特定の領域が開始及び終了点で指定された
場合、前記走査された結腸の選択された領域内のボクセルを、慣例的なブロック
化動作を使用して識別する。続いて、ポテンシャル値を前記選択された体積のす
べてのボクセルｘに、以下の３つの距離値、すなわち、前記終了点からの距離ｄ
ｔ（ｘ）と、前記結腸表面からの距離ｄｓ（ｘ）と、前記結腸空間の中心線から
の距離ｄｃ（ｘ）とに基づいて割り当てる。ｄｔ（ｘ）を、慣例的な成長戦略を
使用して計算する。前記結腸表面からの距離ｄｓ（ｘ）を、表面のボクセルから
内側へ成長させる慣例的な技を使用して計算する。ｄｃ（ｘ）を決定するために
、前記ボクセルから前記結腸の中心線を最初に抽出し、次に、ｄｃ（ｘ）を、前
記結腸の中心線からの慣例的な成長戦略を使用して計算する。

【００３９】 ユーザ指定の始点及びユーザ指定の終点により決定される選択結腸部分の中心
線を計算するために、ds(x)の最大値を決定し、dmaxと示す。次に興味のある部
分内の各ボクセルに対し、dmax-ds(x)のコスト値を割り当てる。従って、結腸表
面に近接するボクセルは高いコスト値を有し、中心線に近接するボクセルは比較
的低いコスト値を有する。次に、コスト割当てに基づいて、従来公知のシングル
ソース最短パス技術を適用してソース点から終点までの最小コストパスを効率よ
く計算する。この低コストラインは検査する必要がある結腸区分の中心線又はス
ケルトンを示す。この中心線決定技術は本発明の好適技術である。

【００４０】 興味のある部分内のボクセルｘに対するポテンシャル値を計算するために、次
の式：

【数１４】 ここで、Ｃ1，Ｃ2，μ及びνはタスクのために選択された定数 を使用する。仮想カメラと仮想結腸表面との衝突を避けるために、結腸外部の全
ての点に十分に大きなポテンシャル値を割り当てる。その結果としてポテンシャ
ルフィールドの勾配が大きくなるため、サブマリンモデルカメラは実行中に決し
て結腸壁と衝突しない。

【００４１】 結腸内のパスの中心線を決定する他の技術は「層剥離」技術と呼ばれ、図４-
８に示されている。 図４は体積結腸の２Ｄ(二次元)断面を示し、結腸の２つの側壁４０１及び４０
３が示されている。興味のある結腸の区分を決定するために２つの遮断壁がオペ
レータにより選択される。遮断壁を超える部分は何も見えない。これは仮想画像
を表示する際の計算数を低減するのに役立つ。遮断壁は側壁とともに検査すべき
結腸の体積形状を識別する。

【００４２】 図５は仮想検査のフライトパスの２つの端点、すなわち始点ボクセル５０１及
び終点ボクセル５０３を示す。始点及び終点は図１のステップ１０５においてオ
ペレータにより選択される。始点及び了点と結腸側壁との間のボクセルは、図６
に”ｘ”で示す部分で示すように識別され、マークされる。

【００４３】 次に層剥離技術を図６に示すように識別されマークされたボクセルに適用する
。全てのボクセルのうち最も外側の層（結腸壁に最も近い層）を一層づつ、一つ
の内部層のボクセルのみが残るまで剥す。換言すれば、中心点から最も遠い各ボ
クセルを、その除去が始点ボクセルと終点ボクセルとの間のパスの切断を生じな
ければ除去する。図７は仮想結腸内のボクセルの多数回の剥離の反復後における
中間結果を示す。結腸の壁に近い棒セルが除去されている。図８は剥離反復の完
了後における結腸中心に沿うカメラモデル用の最終フライトパスを示す。このプ
ロシージャは結腸の中心で本質的にスケルトンであり、カメラモデル用の所望の
フライトパスになる。

【００４４】Ｚバッファ援助可視性 図９はカメラモデルにより臓器の仮想３次元体積表現で示された仮想画像を表
示するリアルタイム可視技術を記述する。図９は図１のステップ１０９に対応す
る変更Ｚバッファを用いる表示技術を示す。カメラモデルから見ることができる
ボクセルの数は極めて大きい。計算し可視化する必要のあるエレメント(又はポ
リゴン)の総数が走査環境における全セットのボクセルから減少されなければ、
計算の総数のために可視表示処理が大きな内部面積に対し非常にゆっくりになる
。しかし、本発明では、結腸表面に見える像のみを表示のために計算するだけで
よい。走査環境はもっと小さな区分又はセルに細分することができる。Ｚバッフ
ァ技術はカメラから見えるセルの一部分のみを描画する。Ｚバッファ技術は３次
元ボクセル表現にも使用することができる。変更Ｚバッファの使用は計算すべき
可視ボクセルの数を低減し、仮想結腸のリアルタイム検査を医者や医療技術者に
可能にする。

【００４５】 ステップ１０７でその中心線が計算された興味のある部分を表示技術の適用前
にセルに細分する。セルは可視単位となるボクセルの集合群である。各セル内の
ボクセルは群として表示される。各セルは複数のポータルを含み、これらのポー
タルを通して他のセルを見ることができる。結腸は、選択された始点から、中心
線１００１に沿って終点に向って細分していく。このとき中心線に沿って所定の
閾値距離に達するごとにセル(例えば図１０のセル１００３、１００５及び１０
０７)に区分する。閾値距離は、可視化技術が実行されるプラットフォームの仕
様、その蓄積及び処理能力に基づく。セルサイズはプラットフォームにより蓄積
し処理し得るボクセルの数に比例する。閾値距離は大きく変化し得るが、その一
例は５ｃｍである。各セルは図１０に示すようにセルの外部を見るポータルとし
て２つの断面を有する。

【００４６】 図９のステップ９０１は選択した臓器内の現在カメラを含んでいるセルを識別
する。代えラインのカメラの向きが与えられれば、見える全ての他のセルのみな
らず現在セルも表示される。ステップ９０３は、後に更に詳細に説明するように
、カメラから(規定のポータルを経て)見える可能性のあるセルの階層データのス
タブトリー(トリー図)を構成する。スタブトリーはカメラに見える全てのセルに
対するノードを含む。いくつかのセルは透明で妨害物体が存在しないため、一つ
の方向に２以上のセルが見える。ステップ９０５はどのセルが見えるかを効率よ
く決定するために隣接するセルエッジの交点を含むセルからのボクセルのサブセ
ットを蓄積するとともにこれらのボクセルをスタブトリーの外部エッジに蓄積す
る。

【００４７】 ステップ９０７はスタブトリー内にループノードが存在するか検査する。ルー
プノードは単一セルの２以上のエッジがともに同一の隣りのセルと境を接すると
きに生起する。これは、単一セルが他のセルにより取り囲まれるときに起り得る
。ループノードがスタブトリー内に識別される場合には、この方法はステップ９
０９を続ける。ループノードがない場合には、プロセスはステップ９１１へ進む
。

【００４８】 ステップ９０９はループノードを構成する２つのセルをつぶして一つの大きな
セルにする。こうしてスタブトリーは補正される。これはループノードのために
同一のセルが２度見える問題を除去する。このステップは識別された全てのルー
プノードに実行される。次にプロセスはステップ９１１を続ける。

【００４９】 ステップ９１１はＺバッファを最大Ｚ値を用いて開始する。Ｚ値はカメラから
スケルトンパスに沿って離れる距離を規定する。このときトリーが巡回され、各
ノードにおける交点値を最初に検査する。ノード交点が覆われているならば、現
在のポータルシーケンスは閉塞されていることを意味し（Ｚバッファテストによ
り決定される）、トリー内の現在の枝路の横断が停止される。ステップ９１３は
各枝路を横断してノードが覆われているか検査し、そうでない場合にはそれらの
ノードを表示する。

【００５０】 ステップ９１５は、従来既知の種々の技術の一つ、例えば合成によるボリュー
ムレンダリングを用いて、ステップ９１３において識別された可視セル内のボク
セルからオペレータのスクリーンに表示すべき画像を構成する。表示されるセル
は見えるものとして識別されたもののみである。この技術は計算を必要とするセ
ルの数を制限してリアルタイム表示を達成するとともに表示速度を増大して一層
良好な性能を得るものである。この技術は、全可視データ点をそれらが実際に見
えるか見えないかと無関係に計算する従来の技術の大きな改善を与える。

【００５１】 図１１ａは誘導ナビゲーションにより検査されオペレータスクリーンに表示す
べき臓器の２次元画像表現である。臓器１１０１は２つの側壁１１０２と通路の
中心にある物体１１０５を示す。寒気は４つのセルＡ１１５１、Ｂ１１５３、Ｃ
１１５５及びＤ１１５７に分割されている。カメラ１１０３はセル１１５７に向
いていおり、円錐状領域を識別し得るビジョンベクトル１１０７，１１０８によ
り規定される視界を有する。カメラが見ることができるセルはセルＢ１１５３、
Ｃ１１５５及びＤ１１５７である。セルＣ１１５５はセルＢにより完全に囲まれ
、したがってノードループを構成する。

【００５２】 図11Bは図11Aのセルから構築したスタブツリーを示す。カメラを含むノードA1
109はツリーの基部に存在する。ブロックされることのない可視経路であるサイ
トライン（視線）またはサイトコーンをノードB1110までひく。ノードBはノード
C1112およびノードD1114の双方までの直接可視サイトラインを有し、接続矢印に
よって示す。ノードC1112の観察カメラ方の方向におけるサイトラインはノードB
1110と組合せて用いられる。従って、図11Cに示すように、１つの大きなノードB
′1122に収束される。

【００５３】 図11Cは（ノードBおよびノードCの双方を含む）ノードB′1122およびノードD1
114に隣接するカメラを含むノードA1109を示す。ノードA、B′およびDはオペレ
ータに少なくとも部分的に表示される。

【００５４】 図12A-12Eは観察を妨害する物体を含むセルを有する修正Zバッファを用いる場
合を示す。物体とは仮想結腸の一部分における或る廃棄物である。図12Aは１０
個の潜在セル：A1251、B1253,C1255,D1257,E1259,F1261,G1263,H1265,I1267およ
びJ1269を有する仮想スペースを示す。セルの或るものは対象物を含む。カメラ1
201はセルI1267に位置し、可視ベクトル1203によって示されるように、セルF126
1と対向させる場合には、図９のフローダイアグラムによって示される技術に従
って、スタブツリーが発生する。図12BはセルI1267をツリーの基部ノードとして
示す。その理由はツリーがカメラ1201を含むからである。ノードI1211は（矢印
で示すように、）ノードF1213にポインティングされている。その理由はセルFが
カメラの視線に直結されているからである。ノードF1213は多角形B1215およびノ
ードE1219の双方にポインティングされている。ノードB1215はノードA1217にポ
インティングされている。ノードC1202はカメラ1201によって視線から完全にブ
ロックされており、従ってスタブツリーには示されていない。

【００５５】 図12CはノードI1211がオペレータに対し表示された後のスタブツリーを示す。
次いで、ノード1211はスタブツリーから除去される。その理由はこのノード1211
が既に表示され、ノードF1213が基部となるからである。図12DはノードF1213を
ノードI1211に結合せしめることを示す。従って、矢印で結合されたツリーの次
のノードをチェックしてこれらノードが（既に処理されて）既にカバーされてい
るかどうかを確認する。この例において、セルI1267に位置するカメラからの興
味ある全てのノードがカバーされ、従って、ノードB515（従ってノードAに依存
）はディスプレイに表示せしめる必要はない。

【００５６】 図12Eは交差点がカバーされているかどうかを判断するためにチェックされる
ノードE515を示す。これを有するため、図12A-12Eの例における実行ノードはノ
ードIおよびノードFのみであるが、ノードA、BおよびEは可視されず、これらセ
ルを表示に準備する必要はない。

【００５７】 図９に示した修正Zバッファ技術は少ない計算を考慮し、多角形のようなボク
セルまたは他のデータ要素によって表わされる対象物に適用することができる。

【０００５８】 図１３はその壁部の一方に沿って存在する大きなポリープを有する結腸の２次
元仮想画像を示す。即ち、図１３は更に診察すべき患者の結腸の選択される断面
を示す。この画像には1305で示される腫瘍を有する２つの結腸壁1302および1303
を示す。層部分1307、1309および1311は腫瘍の内部層を示す。任意の癌性その他
有害物質の腫瘤の内側を観察するためにポリープまたは腫瘍の層を剥離すること
は医師にとって必要なことである。実際上、この処理は、腫瘤を実際に切削する
ことなく腫瘤の仮想生検を行うことである。結腸をボクセルによって表示する場
合には、対象物の層を剥離する処理を図４−８につき記載した所と同様に容易に
行う。また、腫瘤をスライスして、特定の断面を検査し得るようにする。図１３
において、平面カット1313を行って、腫瘤の特定の部分を検査し得るようにする
。また、ユーザ設定スライス1313を腫瘤において任意のように行なうことができ
る。ボクセル1319は以下に説明するように剥離または修正することができる。

【００５９】 各ボクセルに対する不透明性を表わす係数を変更することによって対象物を透
明、半透明または不透明とし得る興味のある区域において各ボクセルに対して透
明性機能を呈せしめる。不透明係数はその密度に基づいて各ボクセルに割当てる
。次いで、マッピンング機能によってその密度値を、不透明性を表わす係数に変
換する。高密度で走査されたボクセルは、簡単なオープンスペースの他に壁部ま
たは他の濃密物質を示す。次いで、オペレータまたはプログラムルーチンによっ
てボックスまたはボックス群の不透明係数を変化させ、これらをサブマリンカメ
ラモデルに対し透明または半透明となるようにする。例えば、オペレータは全腫
瘍の内側または外側の一腫瘍部を観察することができる。また、透明なボクセル
は図９の表示ステップに対しては存在しないかのように見える。対象物の一区分
の合成はこの区分のボクセルの不透明係数の重み付平均値を用いて形成すること
ができる。

【００６０】 医者がポリープの種々の層を観察して癌区域を監視したい場合には、ポリープ
1305の外側層を除去して第１層1307を露出することによりこれを達成する。さら
に、第１内側層1307を剥離して第２内側層1309を観察することができる。この第
２内側層をさらに剥離して第３内側層1311、等を観察することができる。また、
医者はポリープ1305をスライスして所望の区域内のこれらボクセルのみを観察す
ることもできる。このスライスする区域は完全にユーザー設定とすることができ
る。

【００６１】 また、不透明係数を追加することによって種々の点で仮想システムの調査の手
助けの用いるこができる。廃棄物が存在し、これが或る既知の範囲内で他の特性
としての密度を有する場合には、この廃棄物を診察中その不透明係数を変化させ
て仮想カメラに対して透明とすることができる。これによって患者が手順前腸洗
浄剤を摂取するのを防止することができ、診察を迅速且つ容易とすることができ
る。他の対象物も実際の適用に依存して同様に消失させることができる。さらに
、ポリープのような或る対象物も適当な変換機能を用いることによってコントラ
スト剤により電子的に増強させることができる。

【００６２】 図１４は本明細書に記載した技術を用いる人の器官のような対象物の仮想検査
を行なうシステムを示す。患者1401をプラットホーム1402に横たえ、走査装置14
05によって器官を含む区域または検査すべき器官を走査する。走査装置1405は患
者の像を実際に撮る走査部分1403および電子部分1406を含む。電子部分1406はイ
ンターフェース1407、中央演算処理装置1409、走査データを一時的に蓄積するメ
モリ1411、データを仮想ナビゲーションプラットフォームに送る第２インターフ
ェース1413を具える。これらインターフェース1407および1413は単一インターフ
ェース構成部品に含めるか、または同一の構成部品とすることできる。電子部分
1406の構成部品は慣例のコネクタとともに接続することができる。

【００６３】 システム1400では、走査装置1403の走査部分から得たデータを処理用走査部分
1405に転送し、メモリ1411に蓄積する。中央演算処理装置1409によって走査され
た２次元データを３次元ボクセルデータに変換するとともにその結果をメモリ14
11の他の部分に蓄積する。或は又、変換されたデータを仮想ナビゲーション端末
1416の転送すべきインターフェースユニット1413に直接送ることもできる。また
、２次元データの変換はインターフェース1413から転送された後、仮想ナビゲー
ション端末1416で行なう。好適な例では、変換されたデータをキャリア1414を経
て仮想ナビゲーション端末1416に転送し、オペレータが仮想診断を行い得るよう
にする。また、かかるデータは蓄積媒体にデータを蓄積する等の他の慣例の手段
で、または衛星通信を用いて転送し、医者がこれを仮想ナビゲーション端末1416
に転送する。

【００６４】 走査されたデータは可視表現エンジンが３次元形状にすることを必要とするま
で、３次元表示に変換しない。斯様にすることによってコンピュータ化ステップ
およびメモリ蓄積スペースを節約する。

【００６５】 仮想ナビゲーション端末1416は、仮想器官または他の走査画像を観察するスク
リーン、電子部分1415およびキーボード、マウスまたはスペースボールのような
インターフェース制御部1419を含む。電子部分1415はインターフェースポート14
21、中央演算処理装置1423、端末を実行するに必要な他の構成部品1427およびメ
モリ1425を具える。仮想ナビゲーション端末1416の構成部品は慣例のコネクタに
よって相互接続する。変換されたボクセルデータはインターフェースポート1421
で受信し、メモリ1425に蓄積する。次いで、中央演算処理装置1423によって３次
元ボクセルに組換えて図２および３につき説明したサブマリンカメラモデルを実
行し、仮想診断を行うようにする。サブマリンカメラが仮想器官を進行するにつ
れて、図９に示す可視技術を用いて仮想カメラから見えるこれら区域のみを計算
し、スクリーン1417に表示する。これら表示を行うために、グラフィックアクセ
ラレータを用いることができる。オペレータはインターフェース装置1419を用い
て走査された対象物の部位を調査すべきであるかを示すことができる。さらにイ
ンターフェース装置1419を用いて図２およびその説明につき記載されているよう
に、所望のサブマリンカメラを制御し、移動させることができる。端末部分1415
は、一般にストニーブルックのニューヨーク州立大学コンピュータサイエンス部
門から得られるキューブ４専用システムボックスとすることができる。

【００６６】 走査装置１４０５と、端末１４１６又はその一部分とは同じユニットの一部分
としうる。走査画像データを受け、これを必要に応じ３Ｄボクセルに接続し、案
内ナビゲーションを実行するのに、１つのプラットホームが用いられる。

【００６７】 システム１４００における重要な特徴は、患者のいない後の段階で仮想器官を
検査しうるということである。更に、仮想検査は、患者を走査している間に行な
うことができる。走査データを複数の端末に送って、複数の医者が器官の内側を
同時に見うるようにもしうる。従って、ニューヨークの医者がカリフォルニアの
医者と同じ時間に患者の器官の同じ部分を見ながらこのケースを討論することが
できる。或いはまた、データを異なる時間に見ることができる。２人以上の医者
が、困難な場合の同じデータをそれぞれ独自に検査することができる。又、複数
の仮想ナビゲーション端末を用いて同じ走査データを見ることができる。器官を
個々の組のデータを有する仮想器官として再生することにより、精度、費用及び
可能なデータ操作のような面で種々の利点がある。

【００６８】 上述した技術は、コンピュータトモグラフィー（ＣＴ）又は磁気共鳴像（ＭＲ
Ｉ）走査中に結腸中に残っている流体や大便を検出して仮想結腸内視像から除去
しうるように、画像のセグメント化処理を伴う修正された腸調整処理を採用する
改善した電子式結腸洗浄技術を用いることにより、仮想結腸内視術分野で更に高
めることができる。このような技術を用いることにより、結腸を通常のように物
理的に洗浄したりすることや、これにともなう不便さ及び不快感を最少にするか
或いは完全に回避しうる。

【００６９】 図１５を参照するに、電子式結腸洗浄における第１工程は、ＣＴ又は磁気共鳴
像（ＭＲＩ）走査を導入する前に行なわれて、結腸内に残存する大便及び流体が
ガス充填結腸内部及び結腸壁部とは著しく異なる像特性を呈する状態を生ぜしめ
る腸調整工程（工程１５１０）である。代表的な腸調整処理は、ニューヨーク、
ウエストベリーのＥ‐Ｚ‐ＥＭ社により製造されたような２５０ｃｃの薬用量の
２．１％Ｗ／Ｖの硫酸バリウム溶液をＣＴ又はＭＲＩ走査の前日に３回摂取する
処理を含む。３回の薬用量は１日の中で分ける必要があり、３食と一緒にそれぞ
れ摂取することができる。硫酸バリウムは結腸中に残存するいかなる大便の像を
も強調する作用をする。硫酸バリウムの摂取に加えて、ＣＴ又はＭＲＩ走査の前
日に流体の摂取量を高めるのが好ましい。腸の流体を高めるにはクランベリージ
ュースが知られており、水も摂取することができるも、クランベリージュースの
方が好ましい。ＣＴ走査の前夜と、ＣＴ走査当日の朝との双方に、ミズーリ州、
セントルイスのMallinckrodt社により製造されたMD‐Gastroviewとして市販され
ている、ジアトリゾ酸メグルミンとジアトリゾ酸ナトリウムとの６０ｍｌの溶液
を、結腸の流体の像特性を高めるのに摂取することができる。この溶液にリン酸
ナトリウムをも加えて、結腸中の大便を液化させ、これにより結腸流体及び残存
大便の一層の均一の像強調を達成することができる。

【００７０】 上述した代表的で予備的な腸調整処理は、ＣＴ走査の前に１ガロン（約３．８
リットル）のゴリテリー（Golytely）溶液を摂取する通常の結腸洗浄プロトコル
を回避できる。

【００７１】 ＣＴ走査を行なう直前に、インディアナ州、インディアナポリスのEly Lily社
により製造されたグルカゴンを１ミリリットルだけ静脈注射して結腸の虚脱を最
少にすることができる。次に、直腸管を通して導入しうるＣＯ₂ 又は大気のよう
な圧縮ガスを約１０００ｃｃ用いて結腸を膨張させることができる。この時点で
通常のＣＴ走査を行なって、結腸の領域からデータを得る（工程１５２０）。デ
ータは、例えば、５ｍｍのらせんモード、１．５〜２．０：１ピッチで動作し、
１ｍｍのスライスで再構成されるＧＥ／ＣＴＩらせんモードスキャナーを用いて
得ることができる。この場合、ピッチは患者の高さに基づいて既知のように調整
される。この処理のためには、１２０ｋＶｐ及び２００〜２８０ｍａのルーチン
撮像プロトコルを用いることができる。データは、患者の寸法に依存して３４〜
４０ｃｍの範囲で変化する視野中で５１２×５１２画素のアレイ寸法を有する１
ｍｍ厚のスライス画像として得られ且つ再構成しうる。このようなスライスの個
数は一般に、これらの条件の下で患者の高さに応じて３００〜４５０の範囲で変
化する。画像データの組はボクセルに変換される（工程１５３０）。

【００７２】 画像のセグメント化は種々の方法で行なうことができる。画像のセグメント化
の１方法では、画像データのボクセルを同様な強度値に応じて分類するのに、局
部近傍技術を用いる。この方法では、得られた画像の各ボクセルを、近傍ボクセ
ルの群に対して評価する。現在考慮しているボクセルを中央ボクセルと称し、関
連の強度値を有する。各ボクセルに対する分類インジケータは、中央ボクセルの
値を、その近傍ボクセルの各々と比較することにより確立される。近傍ボクセル
が中央ボクセルと同じ値を有すると、分類インジケータの値は増大される。しか
し、近傍ボクセルが中央ボクセルと異なる値を有する場合、中央ボクセルに対す
る分類インジケータが減少される。この際、中央ボクセルは、局部的な近傍ボク
セルの中で最も均一な近傍を示す最大インジケータ値を有するカテゴリーに分類
される。各分類は特定の強度範囲を表わし、この強度範囲は撮像される１つ以上
の材質の種類を表わす。この方法は、得られた類似度分類に対し混合確率関数を
採用することにより更に向上させることができる。

【００７３】 画像のセグメント化の他の処理は、低レベル処理と高レベル特徴抽出との２つ
の主たる処理として実行される。低レベル処理中は、ボディの輪郭の外部の領域
を更なる処理から排除し、ボディ輪郭の内部のボクセルを、強度特性の良好に規
定されたクラスに応じて粗く分類する。例えば、腹部領域のＣＴ走査により、良
好に規定された強度分布を呈する傾向にあるデータ組を発生させる。図１６のグ
ラフは、このような強度分布を、強度しきい値に応じて分類しうる４つの良好に
規定されたピーク１６０２、１６０４、１６０６、１６０８を有する代表的なヒ
ストグラムとして示している。

【００７４】 腹部のＣＴデータ組のボクセルを、強度しきい値により４つのクラスターとし
て粗く分類する（工程１５４０）。例えば、クラスター１は、強度が１４０より
も低いボクセルを含みうる。このクラスターは一般に、ガスが充填された結腸の
内部内の最低密度領域に相当する。クラスター２は、２２００を越える強度値を
有するボクセルを含みうる。これらの強度値は、結腸内の像強調された大便及び
流体や骨に相当する。クラスター３は、約９００〜約１０８０の範囲内の強度値
を有するボクセルを含みうる。この強度値の範囲は一般に、結腸とは関連しそう
もない脂肪や筋肉のような軟組織を表わす。結腸壁（結腸壁を囲む粘膜と分容積
部との混合物を含む）や、肺組織及び軟骨と関連しそうなその他の残りのボクセ
ルをクラスター４として一緒にグループ化しうる。

【００７５】 クラスター１及び３は結腸壁を識別するのに特に価値あるものではなく、従っ
て、これらクラスターには仮想結腸内視術に対する画像セグメント化処理中に重
要な処理は行なわれない。クラスター２に関連するボクセルは結腸壁から大便及
び流体を分離するのに重要であり、高レベルの特徴抽出処理中に、更に処理され
る。低レベル処理は、結腸組織に相当する可能性が最大である第４クラスター４
に集中される（工程１５５０）。

【００７６】 第４クラスターにおける各ボクセルに対し、これ自体及びその近傍ボクセルを
用いて強度ベクトルを発生させる。強度ベクトルは、所定のボクセルに最も近い
近傍ボクセルにおける強度変化を表わす。強度ベクトルを確立させるのに用いら
れる近傍ボクセルの個数は臨界的なものではなく、処理費用と精度とを考慮して
決めることができる。例えば、単一のボクセル強度ベクトルは、考慮しているボ
クセルと、その前後の近傍ボクセルと、その左右の近傍ボクセルと、その上下の
近傍ボクセルとの７つのボクセルを以て確立でき、考慮しているボクセルを囲む
これらの全ての近傍ボクセルは３つの互いに垂直な軸上にある。図１７は、選択
されたボクセル１７０２と、その第１、第２及び第３次近傍ボクセルを含む２５
ボクセルの強度ベクトルモデルの形態の代表的な強度ベクトルを示す斜視図であ
る。選択されたボクセル１７０２はこのモデルの中心点であり、固定ボクセルと
称される。固定ボクセルと同じ平面上の１２個の近傍ボクセルを含む、ボクセル
の平坦スライスは固定スライス１７０４と称される。固定スライスに隣接する平
面上には、最近接の２つのスライス１７０６があり、これらの各々は５つのボク
セルを有する。これら第１最近接スライス１７０６に隣接して２つの第２最近接
スライス１７０８があり、これらの各々は１つのボクセルを有する。第４クラス
ターにおける各ボクセルに対する強度ベクトルの集合を、局部ベクトル列と称す
る。

【００７７】 腹部像用のデータのセットは、一般的に、各断層像あたり５１２×５１２ボク
セルアレイであって、各ボクセルは関連する２５ボクセルローカルベクトルを有
するような３００枚以上の断層像を含むため、一連のボクセルローカルベクトル
に対する特徴解析を実行して計算機の負荷を減少させることが好適である。この
ような特徴解析の１つは、主成分分析（Principal component Analysis；ＰＣＡ
）であり、これを一連のローカルベクトルに対して適用して、一連の特徴ベクト
ル（feature vector）の寸法（dimension）およびクラスター４のボクセル用の
直交変換行列を決定する。

【００７８】 ＣＴ像強度（即ち輝度）のヒストグラム（図１６）が、与えられた同等の前処
理およびスキャニングパラメータにおいて特定のスキャナーを使用する場合、ど
の患者でもほぼ一定の傾向を示すことがわかった。この観察に基づき、直交変換
行列を規定することができ、これは、同じ条件の下、同じスキャナーを使用して
得られた練習データの幾つかのセットを使用することによって決定される予め定
められる行列である。当該データから、カールフネン−ロエブ（Karlhunen-Loev
e；Ｋ−Ｌ）変換などの変換行列を、既知の方法を用いて生成することができる
。この変換行列を一連のローカルベクトルに適用して、一連の特徴ベクトルを生
成する。特徴ベクトルの空間領域内の場合は、ベクトル量技法を使用して一連の
特徴ベクトルをクラス分け、即ち分類することができる。

【００７９】 分析的な、自己適応アルゴリズムを使用して特徴ベクトルを分類することがで
きる。このアルゴリズムを定義するために、一連の特徴ベクトルを ｛Ｘ_i∈Ｒ^４：ｉ＝1,2,3,…,Ｎ｝ とし、ここでＮは特徴ベクトルの数であり、Ｋはクラスの最大数、Ｔはデータの
セットに適応する閾値である。各クラスのために、当該アルゴリズムによって、
代表的な要素を生成する。ａ_ｋをクラスｋの代表要素とし、ｎ_Ｋを当該クラスの
特徴ベクトルの数とする。 アルゴリズムの概要は以下のようになる。

【００８０】

【表１】

【００８１】 このアルゴリズムでは、dist(x,y)は、ベクトルｘおよびｙとの間のユークリ
ッド距離であり、逆最小値ｄ_ｊ（arc min d_j）は、ｄ_ｊの最小値を実現するよう
な整数ｊを与える。

【００８２】 上述したアルゴリズムは、パラメータＴおよびＫのみに依存する。しかしなが
ら、各ボクセルクラスター内のクラスの数に関連するＫの値は重要ではなく、Ｋ
＝１８などのように定数値を設定することができる。しかしながら、ベクトル類
似閾値（vector similarity threshold）であるＴは、分類の結果に大きく影響
を与える。選択されたＴの値が大きすぎる場合は、単一のクラスのみが生成され
るであろう。一方、Ｔの値が小さすぎる場合は、結果として生じるクラスは好ま
しくない冗長性を示すであろう。Ｔの値を、一連の特徴ベクトルの最大の成分の
変化と同じになるように設定することによって、識別可能なクラスの最大の数が
結果的に生じる。

【００８３】 初期の分類プロセスの結果として、選択されたクラスター内の各ボクセルには
、クラスが割り振られる（ステップ１５７０）。例示としての仮想の結腸の場合
には、クラスター４内に幾つかのクラスがある。従って、次の仕事は、クラスタ
ー４内の幾つかのクラスのどれが、結腸壁に相当するのかを決定することである
。特徴ベクトルの第１の座標、即ち最も高い変化を示す特徴ベクトルの座標は、
３Ｄのローカルボクセルにおける強度の平均の情報を反映する。特徴ベクトルの
残りの座標は、隣接するローカルボクセル内の方向性の強度変化の情報を包含す
る。結腸内部用の結腸壁ボクセルは、一般的にクラスター１のガスボクセルに極
めて接近しているものであるため、典型的なＣＴデータのセットの典型的な結腸
壁強度から選択されたデータのサンプルによって、閾値の間隔を決定することが
でき、その結果、結腸壁のボクセルの座標をおおまかに区別することができる。
特定の閾値の値が、それぞれの特定のイメージ処理プロトコルや装置に対して選
択される。この閾値の間隔は、全てのＣＴデータのセット（同じイメージ処理プ
ロトコルを使用して同じ機器から得られた）に適用できる。代表要素の第１の座
標が、閾値の間隔を指し示す場合は、対応するクラスは結腸壁であるとみなされ
、当該クラスの全てのボクセルは結腸壁類似ボクセルと呼ばれる。

【００８４】 それぞれの結腸壁類似ボクセルは、結腸壁ボクセルの候補である。結腸壁では
ないと考えられる３つの結果がある。第１のケースは、結腸内部の大便や液体に
近いものであるボクセルに関連する場合である。第２のケースは、ボクセルが肺
組織の領域に存在するときに発生する場合である。第３のケースは、粘膜のボク
セルを表わす場合である。低レベルのクラス分け即ちの分類によって、明らかに
、不確かな程度の分類がもたらされる。低レベルの分類の不確実性の原因は変化
するものである。例えば、１種以上の物質タイプ（即ち、流体、結腸壁）を含む
ボクセルから生じる部分容積（partial volume）効果は、第１のケースの不確実
性を導く。第２および第３のケースの不確実性は、部分容積効果のみならず、同
様にＣＴ像の低いコントラストも原因である。不確実性を解決するためには、追
加の情報が必要である。従って、本方法における高レベルの特徴抽出手順を用い
て、ＣＴ像の先験的な解剖学上の知識に基づき、その他の結腸壁類似ボクセルの
中から結腸壁の候補をより一層識別する（ステップ１５８０）。

【００８５】 高レベルの特徴抽出手順の初期のステップでは、低レベルの分類結果から肺組
織の領域を選り分けることができる。図１８Ａは、肺領域１８０２を明確に示す
例示の断層像である。肺領域１８０２は、図１８Ｂに示すように、結腸類似ボク
セルによって囲まれた一般的に接触している３次元の容積と同一視することがで
きる。この特性を考えると、領域成長法を使用して肺領域を識別することができ
る。この技法の第１のステップは、成長する領域の中で種（seed）のボクセルを
見つけることである。ＣＴ撮像スキャンを実施するオペレータは、ＣＴスキャン
の一番上の断層が結腸ボクセルを何ら含まないような撮影範囲を設定することが
好ましい。肺の内部は空気で満たされているので、空気のボクセルを選択するこ
とによって低レベルな単純な分類によって種が提供される。図１８Ｂの肺領域の
輪郭が決定されると、肺容積を断層像から除去することができる（図１８Ｃ）。

【００８６】 高レベルの特徴抽出を実行する際の次のステップは、クラスター２の増加した
大便や流動物のボクセルから骨のボクセルを分離するステップにすることができ
る。骨組織ボクセルは、一般的に結腸壁から比較的にかなり離れており、かつ、
結腸容積の外側に位置する。これとは反対に、残留する大便１９０６と流体１９
０４とは、結腸容積の内部に入っている。先験的な近接情報と、低レベル分類プ
ロセスによって得られる結腸壁情報とを組合せて、概略の結腸壁容積が生成され
る。結腸壁および結腸容積の外部から、所定の数（例えば３）を越えるボクセル
単位数によって分離されたボクセルは、骨であるものと標識が付けられ、その後
、像から除去される。クラスター２の残りのボクセルは、結腸容積の内部の大便
および流体を表わすものと仮定することができる（図１９Ａ〜Ｃを参照されたい
）。

【００８７】 大便1906及び体液1904と認められる結腸体内のボクセルは画像から除去して、
綺麗な結腸内腔及び結腸壁の画像を生成することができる。一般的に、大便／体
液領域には２種類ある。１つの領域のタイプは結腸壁に付着する大便1906の小さ
い残留域である。もう１つの領域のタイプは大量の体液1904で窪地状の結腸の襞
内に集まっている（図19A-C 参照）。

【００８８】 付着する残留大便の領域1906は低レベル分類過程中に生成される凸凹のある結
腸体の内側にあるから確認し除去することができる。窪地状の結腸の襞内の体液
1904は重力の効果により通常は水平な表面1908を持つ。該表面の上は常に気体領
域であってそれは体液の密度に対し極めて高い対照をなす。従って体液領域の表
面インターフェースは容易にマークすることができる。

【００８９】 領域成長戦略を用いて付着した大便領域1906の輪郭を描くことができ、結腸壁
から離れている部分は除去できる。同様に体液領域1904の輪郭を描くこともでき
る。水平な表面1908を消去した後で結腸壁の輪郭が見えるようにされて綺麗な結
腸壁が得られる。

【００９０】 粘膜のボクセルを結腸壁のボクセルと区別することは困難である。例え上述の
３次元処理により粘膜のボクセルの幾分かを除去することができても、すべての
粘膜のボクセルを除去することは困難である。光学的結腸検査では医師は粘膜の
ボクセルを直接に観察して粘膜の色及び組織の傷を探索する。仮想結腸検査では
結腸壁上の粘膜のボクセルの大部分を、更に多くの情報を保存するために完全な
ままに残しておくことができる。これは３次元体表現のために極めて有益であろ
う。

【００９１】 分割された結腸壁体から結腸の内側の表面、外側の表面、及び壁自身が抽出さ
れ、仮想対象として視ることができる。これにより結腸の外部の壁が内部の壁と
同様に検査できるので、在来の光学的結腸検査よりも明確な利点を与える。更に
また、分割することから結腸壁と結腸内腔とは別々に求めることができる。

【００９２】 結腸は画像化に先立って内容物をほぼ排泄しているので、通例遭遇する問題点
は結腸内腔が時々つぶれていることである。圧縮気体、例えば空気又はCO2 で結
腸を膨らませるとつぶれた領域の頻度は減るが尚且つそんな領域は起きる。仮想
結腸検査を実行するにはつぶれた領域を通過する飛行経路を自動的に維持するこ
とが望ましく、また走査された画像データを用いてつぶれた領域の中の結腸内腔
を少なくとも部分的に再生することも望ましい。上述の画像を分割する方法は結
腸壁の外側と内側の双方を効率的に導くから、この情報はつぶれた領域を通過す
る飛行経路の生成を強化するのに使うことができる。

【００９３】 結腸のつぶれた領域を通過する飛行経路を延長するか結腸のつぶれた領域を拡
大するときに最初のステップはつぶれた領域を検出することである。結腸壁の周
囲及び外側からの画像データのグレースケール値は、結腸壁自身の内部や脂肪、
筋肉及びその他の種類の組織のような他の領域内のグレースケール値に比して遙
かに劇的に変化するという前提を用いれば、結腸のつぶれた領域を検出するのに
エントロピー分析が利用できる。

【００９４】 例えば中心線に沿ったグレースケール値の変化の度合いはエントロピー値で表
現し測定することができる。エントロピー値を計算するには、結腸壁の外側表面
のボクセルが選ばれる。そのような点は上述の画像分割技術から同定される。関
心のある画素上に中心を合わせた５×５×５の立方ウィンドウが画素に与えられ
る。エントロピー値を計算するに先立って、画像データからノイズを濾過して除
くためにもう少し小さい（３×３×３）ウィンドウを関心のある画素に与えるこ
とができる。そうすると該画素につき選定されたウィンドウのエントロピー値は
次式により算定することができる：

【数１５】 但しＥはエントロピーであり、C(i)はグレースケールがｉ(i＝0,1,2,…,255) の
ウィンドウ中の点の数である。各ウィンドウに対し計算されたエントロピー値は
予め定められたしきい値と比較される。空気の領域に対しては、エントロピー値
は組織の領域に比してかなり低いであろう。それ故に結腸内腔の中心線に沿って
エントロピー値が増加して予め定められたしきい値を超えるときにはつぶれた領
域を表している。しきい値の正確な値は厳密なものではなく、或る程度は画像化
プロトコル及び画像化デバイスの特性に依存するであろう。

【００９５】 一旦つぶれた領域が検出されると前以て定められていた中心線飛行経路は１ボ
クセル幅の航行ラインでつぶれの中心を貫通することにより領域を通して延長す
ることができる。

【００９６】 結腸内腔を通る仮想カメラの飛行経路を自動的に続けることに追加して、物理
的モデル化技術を使って結腸のつぶれた領域を仮想的に開いて、つぶれた領域の
特性のうちの或るものを回復することができる。この技術では結腸壁の物理的特
性のモデルが展開される。このモデルから動き、質量密度、ダンピング密度、伸
長及び屈曲係数のパラメタがLagrange方程式に対して推定される。そうすると拡
張力モデル（すなわち結腸にポンプで送り込まれる例えば空気のような気体又は
液体）が数式化され、Lagrange方程式の定義により結腸のつぶれた領域の画像が
自然の形状に戻るように結腸の伸縮特性に従って与えられる。

【００９７】 結腸をモデル化するのに有限エレメントのモデルが結腸内腔のつぶれた領域又
は不通領域に与えられる。これは８ボクセルブリックのような正規格子中のエレ
メントを標本化し、次いで在来型の体積表現技術を応用することにより実行され
る。それに代わって、例えば四面体のような不正規体積表現アプローチをつぶれ
た領域に応用することもできる。

【００９８】 結腸モデルに外力（ポンプで空気を送り込む）モデルを応用するときは結腸壁
のつぶれた領域を正しく分離するために外力の大きさが先ず定められる。結腸壁
の内部及び外部表面を平行的にトレースするのに３次元成長モデルを用いること
ができる。それぞれの表面はつぶれた領域の開始点から成長源の点へとマークさ
れ、表面を類似の自然なやり方で拡張するために力モデルが与えられる。内部表
面と外部表面の間の領域すなわち結腸壁は共有領域として分類される。外部反発
力モデルはこれらの共有領域に与えられて結腸のつぶれた領域の部分を自然なや
り方で分離し拡張する。

【００９９】 例えば結腸のように仮想検査の課題になる仮想対象物の性格を一層明瞭に視覚
化するために、該対象物の種々の組織の表現を与えることが有益である。光学的
検査中に提示されるカラー画像の中で観察されるそのような組織は、CT画像デー
タにより供給される黒白のグレースケール画像の中ではしばしば失われる。従っ
て仮想検査の経過中の組織画像化のシステム及び方法が必要となる。

【０１００】 図20は組織コンポネントを持つ仮想対象物を生成するための現在の方法を説明
するフローチャートである。この方法の目的は赤緑青(RGB) カラー空間で光学的
結腸検査画像により、例えば可視人間(Visible Human) から得られた組織を、仮
想対象物を生成するのに使われるグレースケール・モノクロームCT画像データ上
に写像することである。光学的結腸検査画像は通常のデジタル画像取得技術、例
えばデジタル「フレーム強奪者」("frame grabber")1429 により取得される。こ
の「フレーム強奪者」はビデオカメラのようなカメラからアナログ光学的画像を
受け取りそれをデジタルデータに変換しインターフェースポート1431を介してCP
U 1423に供給することのできるものである（図14）。この過程の最初のステップ
はCT画像データを分割することである（ステップ2010）。上述の画像分割技術は
グレースケール画像中の強度しきい値を選んでCT画像データを骨や結腸壁の組織
や空気等々のような種々の組織のタイプに分類するのに応用することができるも
のである。

【０１０１】 CT画像データについて画像分割を実行することに追加して、光学的画像の組織
の特徴を光学的画像データから抽出することが必要である（ステップ2020）。こ
れを行うには光学的画像データにガウスフィルタ(gausian filter)を適用するこ
とができ、それに続いてデータを多重解像ピラミッドに分解するサブ標本化を行
う。ラプラス(laplacian) フィルタ及び操縦可能(steerable) フィルタを多重解
像ピラミッドに適用してデータの指向(oriented)及び非指向特性を得ることもで
きる。この方法は組織の特性を抽出し捕捉するのに有効であるが、このアプロー
チを実行するには多大のメモリ及び処理能力が必要である。

【０１０２】 光学的画像から組織の特性を抽出することに代替するアプローチは、小波変換
(wavelet transform) を利用することである。しかし小波変換は一般にコンピュ
ータ的には有効であるが、通常の小波変換は軸に平行な指向を持つ特徴を捕らえ
ることに限定され、関心のある領域に直接応用することはできない。これらの限
定を克服するために非分割フィルタを用いることができる。例えば、２ステップ
の予知及び更新アプローチを使う任意の次元で小波変換のためのフィルタバンク
を構築するのに持ち上げスキームを用いることができる。このようなフィルタバ
ンクは多次元多項式内挿のためのBoor-Romアルゴリズムにより合成することがで
きる。

【０１０３】 組織の特性が光学的画像データから抽出された後でこれらの特性を記述するた
めにモデルが生成されなければならない（ステップ2030）。これは例えば、自然
組織に起因する非ガウス分布のエントロピーを推定し巧みに操作することに基づ
いている非パラメタ多重スケール統計的モデルを用いることにより実行すること
ができる。

【０１０４】 光学的画像データから組織モデルが一旦生成されると、これらのモデルを分割
されたCT画像データに関連付けるために組織の整合が実行されなければならない
（ステップ2050）。組織が連続しているCT画像データの領域内では、対応する組
織の分類は容易に整合する。しかし２つ以上の組織領域の間の境界領域では、そ
の過程はもっと複雑になる。境界領域の周辺でのCTデータの分割はしばしばファ
ジーなデータを導く、換言すれば結果は各素材又は組織からの構造のパーセンテ
ージを反映して、それらの各構造の種々の重み付けにより変動する。重み付けの
パーセンテージは整合の判定基準を設定するのに用いることができる。 非パラメタ多重スケール統計的モデルの場合には、境界領域内の種々の異なる
構造の分布を測定するのに、クロスエントロピーすなわち Kullback-Leiber発散
アルゴリズムを用いることができる。

【０１０５】 組織の整合の後で組織の合成がCT画像データ上で実行される（ステップ2050）
。これは組織が光学的画像データからCT画像データへと融合することによりなさ
れる。骨で示されるような等方性の組織パターンに対しては、組織は光学的デー
タから分割されたCT画像データに直接標本化できる。結腸粘膜のような異方性の
組織領域に対しては、多重解像標本化手順の方が好適である。この過程では均質
及び不均質の領域に対して選択的な再標本化が行われる。

【０１０６】 体積表現 上述の画像分割及び組織写像の外にも、仮想結腸検査手順に関連して結果の画
像の忠実度を更に高めるために体積表現技術を用いることができる。図21は透視
体積光線投射の方法を説明するもので、これは本発明による体積表現のために用
いることができる。選択された仮想観点、例えば結腸内腔の内部のようなカメラ
位置から光線は最も近い画像の各画素を通って投射される（ステップ2100）。各
光線に対して最初の標本化の点は光線に沿った現時点の画像の画素として設定さ
れる（ステップ2110）。そうすると現時点の標本化の点と最も近い結腸壁との距
離(d) が定められる（ステップ2120）。現時点の距離(d) が予め定められた標本
化の間隔(i) と比較される（ステップ2130）。もし距離(d) が標本化の間隔(i)
より大きいならば、そのときには標本化は生じないで光線に沿って距離ｄをジャ
ンプすることにより光線に沿って次の標本化の点が定められる（ステップ2140）
。もし距離が標本化の間隔(i) より小さいか等しいならば、そのときにはこの点
で通常の標本化が実行され（ステップ2150）、標本化の間隔(i) に従って次の標
本化の点が選択される（ステップ2160）。例えば、標本化の点における新しい密
度値を定めるために８個の隣接するボクセルの密度値の間の３本の線の(triline
ar) 内挿を実行することができる。

【０１０７】 図21の方法は、画像平面の光線に沿って空虚な空間を迅速に跳び越えて結腸壁
に達するのに空間跳び越し技術が用いられるのだから、光線の投射を効率的に加
速する。この方法では標本点から最も近い結腸壁までの距離が各光線に沿って定
められる。もしその距離が予め定められた標本化の間隔(i) より大きいならば、
光線に沿って次の標本化の点へのジャンプが実行される。最も近接した距離情報
は仮想カメラ制御のために使われるポテンシャル場(potential field) から既に
得られているのだから、距離の符号化の計算を更に追加して行う必要はない。こ
の場合には表面の表現とＺバッファ変換とはどちらも必要でないから、その結果
として前処理の時間とメモリの容量とが節約される。

【０１０８】 代替案として空間跳び越しの方法が対応する表面表現の画像のＺバッファ情報
から各光線への距離情報を導くことができる。もし表面表現の画像と体積表現の
画像とが共に生成されるならば、Ｚバッファ情報が表面表現の方法の結果として
供給されるのだから、このアプローチは処理過程のオーバヘッドの負担を最小に
する。従って空間跳び越し方法のこの形式は画像空間ドメインから全世界空間ド
メインへの深さ変換を実行する追加処理が必要となるのみである。

【０１０９】 ステップ2140で距離(d) を通り過ぎたこれらの光線沿いの領域に対して、光線
沿いの領域は開放空間に対応し開放空間転移関数による値を割り当てられること
ができる。典型的には開放空間は最終の画素値には何の貢献もしないであろう。
原始体積データの標本値の種々の異なる範囲を種々の異なる色と不透明度及び恐
らくはその他の表示可能なパラメタに写像するために、標本化が生起する各点に
対して１つ以上の定義された転移関数を割り当てることができる。例えば、CT密
度値を、各々が０から255 までの範囲にある特定の赤緑青の色と不透明度に写像
することにより、４個の独立の転移関数が異なる素材を定めるのに既に使われて
いる。

【０１１０】バーチャルバイオプシー 上述の技術は、被検領域の仮想（バーチャル）電子的バイオプシーを実施して
融通性がありかつ非侵襲性の生体組織検査を行なうシステムの基本を構成するこ
とができる。 上述したように、容積レンダリング技術は１種類又はそれ以上の
規定された転写機能を使用して、元容積データのサンプル値の異なる範囲を進路
誘導（ナビゲーション）及び視認（ビューイング）のために異なる色、不透明度
、及び他のディスプレイ表示可能なパラメータにマップする。誘導中選択した転
写機能は最大の不透明度を結腸壁に割り当て、外表面を容易に見ることができる
ようにする。このバーチャル検査の実施中に不審部位が検出されたとき、医療担
当者は容積レンダリング操作中に割り当てられた転写機能を対話的に変更し、見
ている外表面がほぼ透明になるようにし、領域情報を合成し、この領域の内部組
織が見えるようにする。所定の数の転写機能を使用して、プロセス全体にわたり
割り当てられた不透明度を変化させることによって、不審部位は多数の異なる深
さで見ることができる。

【０１１１】ポリープ検出 本発明装置及び方法は自動ポリープ検出を行なうのに使用することができる。
図１３を参照して説明すると、例えば、結腸内に発生するポリープ１３０５は、
通常結腸壁１３０１から凸状に突出する小さいこぶ状の構造をしている。この形
状は結腸壁のひだとは区別がつく。このように、異なる形状のモデルを使用して
結腸壁におけるポリープを検出することができる。

【０１１２】 結腸腔（結腸ルーメン）の表面は、例えば、Ｃ‐２平滑化（スムーズネス）サ
ーフェスモデルを使用し、三次元ユークリッド空間における連続的な二次微分可
能な表面として表現することができる。このようなモデルは、参考までに挙げて
おくと、１９９４年スプリンガー‐ヴァーラグ(Springer-Verlag）発行、Ｂ.Ａ.
デュブロビン氏等共著の「モダンジオメトリの方法と用途(Modern Geometry Met
hods and Applications)」に記載されている。このモデルにおいて、結腸表面に
おけるボクセルは、これに関連する幾何学的特徴を有し、この幾何学的特徴はガ
ウス曲率場（フィールド）と称されるガウス曲率を有する。ポリープであること
を示す表面上の凸状のこぶは、ガウス曲率場における特異な局部的特徴を有する
。従って、ガウス曲率場から特別な局部的特徴をサーチすることによってポリー
プを検出することができる。検出したとき、不審なポリープにハイライトを当て
て医療担当者の注意を引きつけ、医療担当者が不審ポリープを測定し、上述のバ
ーチャルバイオプシー方法を使用して更に、不審領域を精査することができるよ
うになる。

【０１１３】中心フライ‐パス生成 バーチャルコロノスコピー（結腸観察）の場合、結腸腔（結腸ルーメン）にわ
たる適切な進路誘導（ナビゲーション）ライン又はフライ‐パスを決定すること
は上述の装置及び方法では重要なポイントである。仮想的（バーチャル）カメラ
モデルのフライ‐パスを決定する所定の技術を図４〜図８について説明したが、
図２２において結腸腔にわたる中心フライ‐パスを生成する他の方法を示す。結
腸壁を、例えば、本明細書で説明するイメージセグメンテーション方法により識
別した後、容積収縮アルゴリズムを使用して結腸腔の傾向（トレンド）を強調し
、ルーメン容積内におけるその後のサーチ回数を減少する（ステップ２３１０）
ことができる。

【０１１４】 図２３は更に、多重解像度分析モデルに基づく容積収縮アルゴリズムの一例の
ステップを示す。この手順では、同一マトリックスサイズを有するバイナリイメ
ージのスタックによって三次元容積を表わす（ステップ２３１０）。これらイメ
ージが集合してバイナリデータのセットを形成する。離散ウェーブレット変換を
バイナリデータセットに適用してバイナリデータセットの頻度成分を表わす多数
のサブデータセットを生ずる（ステップ２３２０）。例えば、離散ウェーブレッ
ト変換は８個のサブデータセットを生ずる。このサブデータセットを所定の閾値
と比較し、最低の頻度成分を認識する（２３３０）。この成分は順次の離散ウェ
ーブレット変換ステップ及び閾値比較ステップのためのバイナリデータセットを
形成し、反復的に多重解像度構造に適用される（ステップ２３４０）。バーチャ
ルコロノスコピー（仮想結腸観察）においては、離散ウェーブレット変換及びこ
れに関連する閾値比較は、最低の頻度成分を表わす順次のサブデータセットに対
して３回反復して適用することができる（３レベル多重解像度分解）。

【０１１５】 図２２に戻って説明すると、減少結腸容積モデルから距離マップ技術を使用し
て結腸の２個の端部間即ち、結腸から盲腸までの最小距離経路（パス）を生成す
る（ステップ２２１５）。この結果得られた経路（パス）は結腸腔の全体的（グ
ローバル）傾向の情報を保持するが、局部的なひだによって現われる傾向は無視
する。このとき、グローバル結腸における制御ポイントは、元データスペースま
での最小距離経路をマッピングすることによって決定することができる（ステッ
プ２２２０）。例えば、３レベル多重解像度分解の場合、減少した容積は元容積
よりも３分の１となり、また既知の擬似変換を使用して減少容積モデルを元のス
ケールの容積に正確に復元マッピングすることができる。減少した値の最小距離
経路も、結腸内の制御ポイントとして使用することができる一連のポイントとし
て元スケールの容積に復元マッピングすることができる。

【０１１６】 好適なフライパスは結腸腔の中心ライン上に存在する。しかし、初期制御ポイ
ントは結腸腔の中心に正確に位置しないこともある。従って、初期制御ポイント
を、例えば２等分面アルゴリズムを使用することによって心合わせする（ステッ
プ２２３０）。例えば、選択した各制御ポイントにおいて、２等分面を傾斜方向
に直交する平面として結腸腔を横切る平面として規定することができる。最大デ
ィスクアルゴリズムのような集中化アルゴリズムを各２等分面に実施することが
できる。このようなアルゴリズムは、参考までに挙げておくと、１９９６年ＰＡ
ＭＩのＩＥＥＥ会報、第１８号、頁１０５５〜１０６６、ゲ氏等による記事「On
the Gemeration of Skeletons form Discrete Euclidean Distance Maps」に記
載されている。

【０１１７】 制御ポイントが心合わせされたとき、これらポイントを結ぶ等を補間すること
によってフライトパスを決定することができる（ステップ２２４０）。バーチャ
ルコロノスコピー（仮想結腸観察）の場合、補間したフライトパスは結腸腔内で
ほぼ中心に沿った滑らかな曲線の形式をとるのが望ましい。微分幾何学理論にお
けるセレット‐フレネット定理に基づく矯正立方体Ｂ‐スプライン補間アルゴリ
ズムを使用して、１９９２年ケンブリッジ大学プレス出版の第２版、のプレス氏
等による共著「Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing」
に記載されているような滑らかな曲線を描く適当なフライトパスを生成すること
ができる。

【０１１８】 図２４におけるセグメント化した結腸腔の図解的表現及び図２５のフローチャ
ートは、本発明による更に他のフライパス生成方法を示す。この代案方法におい
ては、結腸腔２４００の表現は、結腸腔２４００の長さに沿って先ず多数のセグ
メント２４０２ａ〜ｇに区分けする（ステップ２５００）。各セグメント２４０
２内から代表ポイント２４０４ａ〜ｇを選択する（ステップ２５２０）。各代表
ポイント２４０４ａ〜ｇは結腸壁に対して心合わせし（ステップ２５３０）、例
えば、ポイントを対応のセグメントの中心に押し出すのに使用する物理学に基づ
く変形モデルを使用することによって心合わせする。代表ポイントが心合わせさ
れた後、ポイントを順次結合し、バーチャルカメラモデルのための中心ラインフ
ライパスを生成する（ステップ２５４０）。セグメントの長さが十分短い場合に
は、心合わせしたポイントは直線セグメント２４０６ａ〜ｆで結ばれる。しかし
、線形曲線適合技術を適用して心合わせしたポイントを結び、滑らかに連続する
フライトパスを生成することもできる。

【０１１９】 上述の方法は、それぞれ図１４に示す装置を使用し、ＣＰＵ１４０９及びＣＰ
Ｕ１４２３のオペレーションを制御する適切なソフトウェアを設けることによっ
て実施することができる。

【０１２０】 パーソナルコンピュータでの展開に好適な他のハードウェアを図２６に示す。
この装置（システム）は、４００ＭＨｚ以上のクロック速度で動作するPentium(
登録商標）-IIIのような高速マルチタスクプロセッサの形式とすることができる
プロセッサ２６２０を有する。プロセッサ２６２０を、高速でパラレルのデータ
転送ができる通常のバスストラクチャ２６２５に接続する。更に、このバススト
ラクチャ２６２５には、主メモリ２６３０、グラフィックスボード２６４０、及
び容積レンダリングボード２６５０も接続する。グラフィックスボード２６４０
は好適には、ダイヤモンド・マルチメディア・システム社によって製造されてい
るDiamond Viper v770 Ultra（商標名）のようなテクスチャマッピングを行なう
ことができるものとする。容積レンダリングボード２６５０は、参考までに挙げ
ると、米国特許第５，７６０，７８１号及び同第５，８４７，７１１号に基づく
三菱エレクトリック社から製造販売されているVolumePro(登録商標）の形式とす
ることができる。通常のＳＶＧＡ又はＲＧＢモニターのようなディスプレイ装置
が動作するようこのディスプレイ装置２６４５をグラフィックボード２６４０に
接続してイメージデータを表示するようにする。更に、スキャナインターフェイ
スボード２６６０を設け、イメージングスキャナ例えば、ＭＲＩ、ＣＴスキャナ
からのデータを受け取り、このようなデータをバスストラクチャ２６２５に伝送
する。スキャナインターフェイスボード２６６０は、選択した撮像（イメージン
グ）スキャナのために特化したインターフェイス製品とするか、又は汎用入／出
力カードとすることができる。ＰＣベースのシステム２６００は、一般的にはＩ
／Ｏデバイス２６８０、例えば、キーボード、ディジタルポインタ（例えば、マ
ウス）等をプロセッサ２６２０に接続するためのＩ／Ｏインターフェイス２６７
０を有する。代案として、Ｉ／Ｏインターフェイスはバスストラクチャ２６２５
を介してプロセッサ２６２０に接続することもできる。

【０１２１】 テキスチャ合成及び容積レンダリングを含む三次元イメージングの場合、膨大
なデータのハンドリング及びプロセッシングの演算を必要とする。結腸腔及びそ
の周囲の領域で表わされるような大量のデータセットに対して、このようなプロ
セッシングは極めて膨大な時間とメモリを必要とする。しかし、図２７のフロー
チャートに示すプロセッシング方法に従う図２６のトポロジーを使用することに
よって、このような演算は比較的低コストのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で
実施することができる。イメージングデータはプロセッサ２６２０が受け取り、
スキャナインターフェイスボード２６６０及びバスストラクチャ２６２５を介し
て主メモリ２６３０に記憶する。このイメージデータ（ピクセル）を容積要素（
ボクセル）表現に変換する（ステップ２７１０）。主メモリ２６３０に記憶した
容積表現を例えば、撮像されている領域の主要容積軸線又は他の部分に沿ったス
ライスに区分けする（ステップ２７２０）。これら容積区分を容積レンダリング
ボードに転送し、容積レンダリングメモリ２６５５に一時的に記憶して容積レン
ダリング演算を行なう（ステップ２７３０）。局部的に存在する容積レンダリン
グメモリ２６５５を使用することによって、全体容積の各スライスのレンダリン
グ処理中バス２６２５を経るデータの出し入れの必要はないため、容積レンダリ
ングの速度を向上することができる。あるスライスの容積レンダリングが完了し
た後、反映されたデータは、順次のバッファとして主メモリ２６３０又はグラフ
ィックボード２６４０に逆転送される（ステップ２７４０）。注目される部分の
すべてのスライスがレンダリングを受けた後、順次のバッファの内容をグラフィ
ックボード２６４０によって処理され、ディスプレイユニット２６４５に表示さ
れる（ステップ２７５０）。

【０１２２】 上述したところは本発明の原理を説明したに過ぎない。従って、当業者であれ
ば、本明細書には明瞭に示さなかった又は説明しなかったが本発明の原理を実現
し、しかも請求の範囲に規定する発明の精神及び範囲内で種々のシステム、装置
及び方法を実施することができるであろう。

【０１２３】 例えば、本明細書で説明した方法及び装置は動物、魚、又は無生物のバーチャ
ル検査に適用することができる。上述の医療分野の用途以外に、この技術を開け
ることができないシールされた物体の内容検査にも使用することができる。この
技術は、建物又は洞窟のようなのような建造物の内部にも使用し、オペレータが
この建造物を誘導探査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による物体、特に結腸の視覚的な検査を行うステップのフロー
チャートである。

【図２】 視覚的な器官のナビゲーションを行う「サブマリン」カメラモデルを
示す。

【図３】 「サブマリン」カメラのピッチ及びロールをモデル化するのに使用す
る振り子を示す。

【図４】 ２個のブロック化した壁部を識別する容積測定に関する結腸の２次元
断面を示す図である。

【図５】 開始容積エレメント及び終了容積エレメントを選択する容積測定に関
する結腸の２次元断面を示す図である。

【図６】 ブロック化した壁部及び結腸表面によって包囲された離散副容積を示
す容量的な結腸の２次元断面を示す図である。

【図７】 剥ぎ取られた多重層を有する容量測定に関する結腸の２次元断面を示
す図である。

【図８】 残りのフライトパスを有する容量測定に関する結腸の２次元断面を示
す図である。

【図９】 スキャンした器官の容量の視覚化を行うステップのフローチャートで
ある。

【図１０】 細胞を散文した仮想的な結腸を示す。

【図１１】 図１１Ａは、仮想的に検査される器官の線図であり、図１１Ｂは、
図１１Ａの器官を表すときに発生するスタブツリーの線図であり、図１１Ｃは、
図１１Ａの器官を表すときに発生するスタブツリーの他の線図である。

【図１２】 図１２Ａは、シーンの所定の細胞内の物体を表現すべきシーンの線
図であり、図１２Ｂは、図１２Ａのシーンを表す間に発生するスタブツリーの線
図であり、図１２Ｃ−１２Ｅは、図１２Ａのイメージを表す間に発生したスタブ
ツリーの他の線図である。

【図１３】 図１３は、層を除去することができるポリープを有する仮想的な結
腸の２次元表示である。

【図１４】 本発明による人間の器官の仮想的な検査を行う装置の図である。

【図１５】 向上したイメージセグメント化方法を示すフローチャートである。

【図１６】 典型的な腹部ＣＴデータセットの周波数に対するボッケル(voxel)
強度のグラフである。

【図１７】 関心のあるボッケル及び選択した隣接部を有する強度ベクトル構造
の斜視図である。

【図１８】 図１８Ａは、主に肺を含む領域を示す人間の腹部領域のＣＴスキャ
ンからのイメージスライスの一例であり、図１８Ｂは、図１８Ａのイメージスラ
イスの肺領域の識別を表す図であり、図１８Ｃは、図１８Ｂで識別した肺の容量
の除去を表す図である。

【図１９】 図１９Ａは、主に結腸及びホ年の一部を含む領域を表す人間の腹部
の領域のＣＴスキャンを形成するイメージスライスの一例であり、図１９Ｂは、
図１９Ａのイメージスライスからの結腸及び骨領域の識別を示す図であり、図１
９Ｃは、除去した骨の領域を有する図１９Ａのイメージスキャンを示す図である
。

【図２０】 構造にモノクロイメージデータを適用する方法を示すフローチャー
トである。

【図２１】 高速斜視光投影技術(fast perspective ray casting technique)を
用いた容量描写方法を示すフローチャートである。

【図２２】 容量収縮技術を用いて、結腸の管腔を通じた中央のフライトパスを
決定する方法を示すフローチャートである。

【図２３】 図２２に示した方法で使用される容量収縮技術を表す他のフローチ
ャートである。

【図２４】 発生した中央フライパスを有するセグメント化した結腸の管腔の３
次元画像表示を示す。

【図２５】 セグメント化技術を用いた結腸の管腔を通じた中央フライトパスを
発生させる方法を示すフローチャートである。

【図２６】 パーソナルコンピュータバスアーキテクチャに基づくシステムの実
施の形態のブロック図である。

【図２７】 図２６のシステムを用いた容量のイメージ化を行う方法を示すフロ
ーチャートである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 15/70 Ｇ０１Ｎ 24/02 ５３０Ｙ ５２０Ｙ (31)優先権主張番号 ０９／４９３，５５９ (32)優先日 平成12年１月28日(2000．1．28) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アリー イー カウフマン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11803 プレインビュー セダー ドライヴ ダ ブリュー 94 (72)発明者 ツェンロン リャン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11790 ストーニー ブルック ホートン ブー ルヴァード 28 (72)発明者 マーク アール ワックス アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11740 グリーンローン イー サンダース ス トリート ６ (72)発明者 ミン ワン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11790 ストーニー ブルック チャピン コン プレックス 459 (72)発明者 ドンチン チェン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11779 レイク ロンコンコマ ロンコンコマ アヴェニュー 100 イー１ Ｆターム(参考） 4C093 AA22 CA23 DA10 FD05 FD09 FF23 FF42 FG01 4C096 AA01 AA18 AA20 AB50 AC04 AC05 AD03 AD14 AD15 BA18 DA03 DA08 DA14 DA15 DB08 DB12 DB19 DC11 DC14 DC18 DC22 DC36 DC37 DD02 DE02 FC20 5B050 AA02 BA08 EA28 FA02 5B080 AA07 AA17 FA15 FA17 GA02 GA22

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 仮想的な結腸検査を行うために結腸壁部によって一部を規定した
   仮想的な結腸の管腔を通じたフライ経路を発生させる方法であって、 前記仮想的な結腸の管腔の壁部からの容量的な収縮を用いて、圧縮された結腸
   の管腔のデータセットを発生させるステップと、 前記圧縮された結腸の管腔のデータセットから前記仮想的な結腸の管腔の終点
   間の最短距離経路を発生させるステップと、 前記仮想的な結腸の管腔の長さに沿った最短距離経路に沿って、制御点を抽出
   するステップと、 前記制御点を、前記仮想的な結腸の管腔内で中央に配置するステップと、 前記中央に配置した制御店間にラインを補間するステップとを具えることを特
   徴とするフライ経路を発生させる方法。
2. 【請求項２】 前記容量的な収縮のステップが、 前記結腸の管腔をイメージデータの複数のスタックとして表示するステップと
   、 前記イメージデータに離散ウェーブレット変換を適用して、複数の周波数の成
   分を有する複数のサブデータセットを発生させるステップと、 前記サブデータセットの最低周波数成分を選択するステップとを有することを
   特徴とする請求項１記載のフライ経路を発生させる方法。
3. 【請求項３】 仮想的な結腸検査中に仮想的な結腸の管腔を通じたフライ経路を
   発生させる方法であって、 仮想的な結腸の管腔を複数のセグメントに区分けするステップと、 各セグメント内でポイントを選択するステップと、 前記仮想的な結腸の管腔の壁部に対して各点を中央に配置するステップと、 前記中央に配置された点を互いに接続して前記フライ経路を確立するステップ
   とを具えることを特徴とする方法。
4. 【請求項４】 仮想的な結腸の管腔の検査を行う方法であって、 前記結腸の管腔内で視点を選択するステップと、 前記視点から各イメージ画素を通じて光線を投影するステップと、 各光線に沿った前期視点から前記結腸の壁部までの距離を決定するステップと
   、 前記距離がサンプリング間隔を超える場合、前記距離によって前記光線に沿っ
   た飛越しを行い、オープンスペース伝達関数を、前記距離を超えた光線に沿った
   点に割り当てるステップと、 前記距離が前記サンプリング間隔を超えない場合、前記画素をサンプリングす
   るとともに、伝達関数に基づいて値を決定するステップとを具えることを特徴と
   する方法。
5. 【請求項５】 仮想的な結腸中の領域の仮想的な生検を行う方法であって、 最初の伝達関数を、前記結腸をナビゲートする領域に割り当てるステップと、 前記最初の伝達関数を用いて、容量的な描写を行うステップと、 前記領域を観察するステップと、 伝達関数を動的に変更して、観察される領域の不透明度を選択的に変更するス
   テップと、 変更された伝達関数を用いて量的な描写を行うステップとを具えることを特徴
   とする方法。
6. 【請求項６】 複数の容量ユニットによって表される仮想的な結腸の壁部上のポ
   リープを検出する方法であって、 前記結腸の壁部の表面を２回微分可能な表面として表し、各表面容量ユニット
   が関連の全曲率を有するステップと、 局所的な形態に対して全曲率を探索するステップと、 凸形状の突起に対応する局所的な形態を、前記結腸の壁部の表面からポリープ
   として分類するステップとを具えることを特徴とする方法。
7. 【請求項７】 ポリープとして分類した前記結腸の領域上で仮想的な生検を行う
   ステップを有することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】 前記仮想的な生検を実行するステップが、 最初の伝達関数を、前記結腸をナビゲートする領域に割り当てるステップと、 前記最初の伝達関数を用いて、容量的な描写を行うステップと、 前記領域を観察するステップと、 伝達関数を動的に変更して、観察される前記領域の不透明度を選択的に変更す
   るステップと、 変更された伝達関数を用いて容量的な描写を行うステップとを具えることを特
   徴とする請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 仮想的な結腸検査を行う方法であって、 結腸を含む領域のイメージデータセットを取得するステップと、 前記イメージデータを容量ユニットに変換するステップと、 前記結腸の管腔を複数の容量ユニットとして表示するステップと、 前記結腸の管腔の壁部を表す容量ユニットを識別するステップと、 前記結腸の管腔を通じてナビゲートするフライ経路を確立するステップと、 少なくとも一つの伝達関数を適用して、前記結腸の管腔の壁部に色及び負透明
   度を写像するステップと、 割り当てられた伝達関数に従って、前記フライ経路に沿った結腸の管腔を表示
   するステップとを具えることを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 前記フライ経路を発生させるステップが、 前記仮想的な結腸の管腔の壁部からの容量的な収縮を利用するステップと、 前記結腸の管腔の終点間の最短距離を発生させるステップと、 前記仮想的な結腸の管腔の長さに沿って制御点を抽出するステップと、 前記制御点を、前記仮想的な結腸の管腔内の中央に配置するステップと、 前記中央に配置された点を接続するラインを補間するステップとを具えること
    を特徴とする請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記容量収縮のステップが、 前記結腸の管腔をイメージデータの複数のスタックとして表現するステップと
    、 離散的なウェーブレット変換を前記イメージデータに適用して、複数のサブデ
    ータセットを発生させるステップと、 前記サブデータセットの最低周波数成分を選択するステップとを有することを
    特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記フライ経路を発生させるステップが、 前記仮想的な結腸の管腔を複数のセグメントに区分けするステップと、 各セグメント内の点を選択するステップと、 前記仮想的な結腸の管腔の壁部に対して各点を中央に配置するステップと、 前記中央に配置された点を互いに接続して、前記フライ経路を確立するステッ
    プとを具えることを特徴とする方法。
13. 【請求項１３】 少なくとも一つの伝達関数を適用するステップが、 前記結腸内で視点を選択するステップと、 前記視点から各イメージ画素を通じて光線を投影するステップと、 各光線に沿って前期視点から前記結腸の管腔の壁部までの距離を決定するステ
    ップと、 前記距離がサンプリング間隔を超える場合、前記距離だけ前記光線に沿った飛
    越しを行うとともに、オープンスペース伝達関数を、前記距離を越える光線に沿
    った点に割り当てるステップと、 前記距離が前記サンプリング間隔を超えない場合、前記画素値のサンプリング
    に基づく伝達関数を割り当てるステップとを具えることを特徴とする方法。
14. 【請求項１４】 前記結腸の管腔の少なくとも一部の伝達関数を動的に変更して
    、観察される領域の不透明度を選択的に変更するステップを更に具えることを特
    徴とする請求項９記載の方法。
15. 【請求項１５】 領域の３次元的なイメージ、ナビゲーション及び検査を行うシ
    ステムであって、 イメージデータを取得するイメージスキャナと、 そのイメージデータを、容量要素データセットを形成する複数の容量要素に変
    換し、前記結腸の管腔の壁部を表す容量ユニットを識別するステップと、前記結
    腸の管腔を通じてナビゲートするフライ経路を確立するステップと、少なくとも
    一つの伝達関数を適用して、前記結腸の管腔の壁部に対して色及び不透明度を写
    像するステップとを更に実行するプロセッサと、 前記プロセッサに作動的に結合し、前記フライ経路及び少なくとも一つの伝達
    関数に従って、前記領域を表示するディスプレイユニットとを具えることを特徴
    とするシステム。
16. 【請求項１６】 仮想的な検査を行うコンピュータに基づくシステムであって、 バス構造と、 前記バス構造に結合し、イメージスキャナからデータを供給するスキャナイン
    タフェースボードと、 前記バスに結合した主記憶と、 局所容量描写メモリを有し、その局所容量描写メモリが、前記イメージスキャ
    ナからデータの少なくとも一部を受信し、容量描写動作中に前記容量描写メモリ
    に前記データを格納する容量描写ボードと、 前記バス構造に結合したグラフィックボードと、 前記グラフィックボードに結合した表示装置と、 前記バス構造に作動的に結合し、前記イメージスキャナからの前記データに応
    答し、前記イメージスキャナからのデータを容量要素表示に変換し、前記容量要
    素表示を格納し、前記容量要素表示をイメージスライスに区分し、容量要素区分
    を前記容量描写ボードに転送するプロセッサとを具えることを特徴とする、コン
    ピュータに基づくシステム。