JP2005058327A - 投影画像作成表示方法及びこの方法を用いる手術支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｘ線ＣＴ等のマルチスライス画像データから投影画像を得る際に必要なスライス間補間を、３次元画像データを用いるのではなく、投影画面である２次元平面上で処理することにより、データ量を減じるとともに、演算を簡単にする。
【解決手段】 Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データから被写体の任意な個所の投影画像を作成表示する投影画像作成表示方法であり、この投影画像作成表示方法が、Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データを利用してこれを集積するステップ１と、投影する視点と投影面及び表示個所を指定するステップ２と、スライス画像データの各画素を視点に逆行して投影面上に投影するステップ３と、投影面の画素間で補間して連続した投影画像を作成するステップ４と、からなることを特徴とする投影画像作成表示方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スライス画像データを用いて投影面に投影画像を表示する投影画像作成表示方法に関するものであり、特に、Ｘ線ＣＴのスライス画像データを用いる医用投影画像作成処理方法及びこの方法を利用する手術支援装置に関するものである。

医療の分野、例えば、整形外科領域において、骨の整復や人工関節置換術に際しては、２次元画像であるＸ線投影画像が利用されている。しかし、手術には患部の３次元的な情報は不可欠であることから、多方向から撮影してこれを賄っている。しかし、多方向から撮影すると、患者に無理な姿勢を強いて苦痛を与えたり、Ｘ線被爆量が増して危険が高まったりする。又、得られた画像相互の位置関係が曖昧で、撮影回数が増した割には効果が低いといったことが挙げられる。

一方、Ｘ線ＣＴのようなマルチスライス画像データから任意の個所の投影画像を得る方法も行なわれているが、従来における投影画像の作成には、スライス間補間を必要としないほどスライス間隔を詰めて撮影して投影画像を作成する方法と、ある程度スライス間隔をあけて撮影し、その間をボクセル化した３次元画像データを前処理としてスライス間補間を行って３次元画像データを構築し、これから投影画像を作成する方法とがあった。

しかし、Ｘ線ＣＴでスライス間隔を小さくして撮影した場合には、ＣＴ装置の容量等から撮影範囲も小さくなるし、又、撮影時間が長くなるとともに、Ｘ線被爆量が増加するため、患者の肉体的負担は増大する。更に、入力データ量の増大によって多大なメモリーが必要であったりする。一方、スライス間補間による方法では、入力データに加えて新たに３次元画像データを貯蓄する必要があり、使用メモリー量が増大するとともに、演算処理に専用のワークステーションを必要としたりして、投影画像構築には多くの時間を要していた。

尚、マルチスライス画像データを基にこれをスライス間補間して直方体状３次元ボクセルデータとして蓄積し、視点から各スライス面までの距離を基準に拡大率を決定して遠近感のある投影（透視）画像を得る方法が提案されている（特許文献１）。しかし、この方法も、スライス間補間をするものであるから、膨大な量のデータの処理が必要となり、演算時間の遅延、メモリーの増大を来す。更に、拡大率の計算も必要である。
特開２０００−３３３９４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、マルチスライス画像を基に任意の個所における投影画像を作成するに際し、データ量が増大して演算処理の遅延をもたらすととともに、メモリー量の増大を来す３次元画像データを構築するスライス間補間を排することである。

本発明は、請求項１に記載したように、Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データから被写体の任意な個所の投影画像を作成表示する投影画像作成表示方法であり、この投影画像作成表示方法が、Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データを利用してこれを集積するステップ１と、投影する視点と投影面及び表示個所を指定するステップ２と、スライス画像データの各画素を視点に逆行して投影面上に投影するステップ３と、投影面の画素間で補間して連続した投影画像を作成するステップ４と、からなることを特徴とする投影画像作成表示方法を提供したものである。

又、本発明は、請求項３に記載の、上記した各ステップを実行するために、指令を入力し、情報を記憶、演算し、結果を表示するハードウェアを有する投影画像作成表示方法を利用する手術支援装置も提供する。

本発明は、スライス面間のデータ不足を投影面上で補う点に最大の特徴を有している。則ち、被写体の特定個所を投影面に投影画像として投影し、その際に不足している画素を他の画素を基に演算して作成するものである。この点で、スライス間補間のように３次元画像データを処理するものに比べて演算時間は短縮されるし、データの収量も少なくてすむ。従って、画像処理を標準的なパソコンで行うことができる。本発明を達成したことに種々な方向から撮影することによる患者の苦痛を和らげるとともに、Ｘ線の被爆量を少なくすることができる。

図１は本発明に係る投影画像作成表示方法を実行するフローチャートであるが、この方法は、次のステップを経て実行される。まず、ステップ１では、Ｘ線ＣＴやＭＲＩによる一連のスライス画像データをスライス方向に沿って積層、蓄積する。この作業には、ＤＩＣＯＭ形式で出力がなされているデータを利用し、各データをスライス方向の位置情報を基に重要度の順位を決定し、３次元空間上に配置する（ボクセル化する）。図２はこれを示す模式図であるが、ボクセル化された３次元データをスライス方向と平行な方向から見て（後述する視点）投影面上に投影画像を作成して表示するのである。

ステップ１に続いてステップ１′がとられることもある。ＤＩＣＯＭ形式の画像データ内の情報である画素の濃淡を表現するＣＴ値等を基準として被写体のうちの任意のレベルを強調する。一般に、医用画像は多階調であるから、ダイナミックレンジの広い入力画像に対して読映の対象となるＣＴ値のみに注目してウインドウ変換を行う。本発明では、演算処理の簡略化のための線形ウインドウ変換を適用したが、非線形ウインドウ変換を適用しても差し支えない。但し、この処理は、画像を特別の目的の下に鮮明化するものであるから、すべての場合に必要なものでばない（任意的なものである）。

ステップ２では、視点と投影面及び表示個所の指定を行う。ここで視点とは、投影画像を見る方向という意味であり、投影面とは、視点から見た投影画像を投影する面という意味であって、本発明では、視点と被写体との間に存在すると想定している。表示個所とは、投影しようとする個所のことであり、被写体の注目個所等が該当する。３次元空間上での視点とその方向（視線方向）の指定は、Ｘ線ＣＴやＭＲＩによる画像データのスライス方向に平行な方向と、これに直角な方向にそれぞれ投影した画像を利用する。

図３はこの指定を示すコンピュータのＣＲＴであるが、画面左上には、一連のスライス画像から作成したスライス方向と直角な方向から見た投影画像を表示し、左下には、スライス方向と平行な方向からの投影画像を表示しておく（これらの画像は本発明の方法で作成表示してある）。このとき、両画像にはそれぞれ視点が矢印として表示され、又、表示個所が枠線として表示されるようになっている。そこで、パソコンのポインターデバイス（カーソル）等を操作して、矢印の方向と枠線の位置及び大きさを指定する。

ステップ３では、以上の視点及び投影面並びに表示個所の指定に基づいてスライス画像を投影面に表示する。この操作は、いわば、スライス画像データを視線方向に逆行して投影面上に投影するものといえる。ところで、この投影のとき、スライス間の画像データは存在しないのであるから、これを連続した画像にするためには、何らかの補間をしなくてはならない。ステップ４でこれを行うのであるが、本発明では、この補間を３次元画像データそのものを作成するのではなく、投影面上で不足する画素を他のスライス面における画像データを基に作成するのである。この点で２次元処理といえ、処理するデータ量は格段に少なくてすむ。

この補間の基本原則は、投影された点の明暗については、その点の影響が一番強く、その周囲に行くに従って影響が小さくなるであろうとの論理に基づいている。具体的には、Ｒを投影に使用した回転行列、ｐをスライス画像データ断面の座標、ｐ′をスライス画像データが投影された投影面上の位置、ｎをスライス画像データ断面の単位法線ベクトル、Ｉをスライス間隔、ｄを投影面画素の一辺の長さとしたとき、整数ｍを以下のように決定する。ここで、投影面画素の一辺の長さｄは、スライス間隔ｌの大きさと関係するので、得られる投影画像状態を考慮して適度に調整して差し支えない。

ｐ′＝Ｒ・ｐ‥（１）

ｍ＝｜Ｒ・ｎ｜ｌ／ｄ‥（２）

ｎを投影面上に投影し、規格化したベクトルをｎ′とすると、

ｎ′＝Ｒ・ｎ／｜Ｒ・ｎ｜‥（３）

投影面上のスライス画像データが投影された位置から間隔ｄで±ｎ′方向にｍ点投影する。投影するＣＴ値等の濃淡値は投影された位置から距離に対して線形又は非線形（段階的）に減少させる。スライス画像データの濃淡値がａであれば、位置ｐ_k を内包する投影面の画素に対してａ_k の濃淡値が加算される。

ｐ_k ＝ｐ′±ｋ・ｄ・ｎ′‥（４）

ａ_k ＝（ｍ−ｋ）・ａ（ｋ＝０，１，２，‥ｍ−１）‥（５）

この処理により、スライス間の空隙を補間することができ、又、重なり合った輪郭を強調することができる。更に、入力データを投影してその後補間することで、データ量の増大を抑制して必要とされるメモリー量を低減するとともに、演算時間の短縮化を可能にする。以上の処理をすべての画素について行い、投影された濃淡値の平均によって濃度変換を行い、その画素の明度を決定する。この時点で、データが投影されていない画素の明度を０とする。

次に、この投影画像作成表示方法を利用する手術支援装置について説明する。この手術支援装置は、例えば、詳細な設置位置決定が要求される人工関節置換術等において有用である。図４はこの支援装置のブロック・フローチャート図であるが、Ｘ線ＣＴやＭＲＩから一連のスライス画像データを読み込み、上記した手法によってスライス方向に平行な方向と直角な方向について投影画像を作成する。この二つの画像を同時に表示し、視点方向と表示個所を指定する。

すると、当該指定に基づく投影画像が表示されるが、このときの指定を個々に変えて行くことで、この指定投影画像は動的に表示されるようになる。従って、読映者は視点方向を変更して容易に望む方向からの投影画像を得ることができる。この投影画像を利用すれば、画面上で患部の特定の位置を認知（計測）できる。３次元空間上の位置を定義するには、最低２方向からの平面で位置を指定する必要があるが、本発明では、視点を変更しても、動的に投影画像が表示されるので、投影画像で位置を指定後、視点方向を変更しながら３次元空間上の位置を確認、決定することが容易になる。このとき、何か指標になるようなもの（例えば、金属製のピン）を体内に埋め込んでおけば、位置の確認がより確実になる。

以上、本発明は、上記したものであるが、この投影画像作成表示方法及びこれを利用する手術支援装置の適用対象は人工関節置換術に限定されない。あらゆる疾患の診断、治療（手術）に適用できるのはいうまでもない。

投影画像作成表示方法のフローチャートである。 ３次元画像データの蓄積状況の模式図である。 視点、投影面、表示個所の指定方法を示す説明図である。 投影画像作成表示方法を利用する手術支援装置のブロック、フローチャートである。

Claims (3)

1. Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データから被写体の任意な個所の投影画像を作成表示する投影画像作成表示方法であり、この投影画像作成表示方法が、Ｘ線ＣＴやＭＲＩから得られるスライス画像データを利用してこれを集積するステップ１と、投影する視点と投影面及び表示個所を指定するステップ２と、スライス画像データの各画素を視点に逆行して投影面上に投影するステップ３と、投影面の画素間で補間して連続した投影画像を作成するステップ４と、からなることを特徴とする投影画像作成表示方法。
2. ステップ１とステップ２との間に、目的に応じてＣＴ値を基準としてこれを敷居値によって投影画像中の特定の濃度で表現される患部を任意に強調するステップ１′が挿入される請求項１の投影画像作成表示方法。
3. 請求項１又は２の各ステップを実行するために、指令を入力し、情報を記憶、演算し、結果を表示するハードウェアを有する投影画像作成表示方法を利用する手術支援装置。