JP2005157664A - ３次元画像生成装置および３次元画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンダリング処理における効率を改善すると共に、ノイズの混入を排除し得る３次元画像生成装置等を提供する。
【解決手段】 視線に沿って不透明度を累積加算し、累積不透明度が、ある閾値に達した点をレンダリング終了点とし、次いで、レンダリング終了点から視線に逆向きに沿って不透明度を累積加算し、累積不透明度が、ある閾値に達した点をレンダリング開始点とし、得られたレンダリング開始点とレンダリング終了点の間の範囲だけをレンダリング処理する。また、ボクセル値のサンプリング点がボクセルの格子点と一致しない場合に、ボクセル値の近似法として、レンダリング開始点とレンダリング終了点の探索時には最近傍近似などの処理の軽い手法を用い、レンダリング処理時には線形補間近似などの高画質な３次元画像を生成することのできる手法を用いる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ボリュームレンダリングにより３次元画像を生成する３次元画像生成装置およびその方法に関し、さらに、上記の３次元画像生成機能を備えた各種医用診断装置に関する。

従来、超音波、Ｘ線および磁気などを利用して得られた画像に基づいて、被験者の病巣等を立体的に観察するために、ボクセルおよびボリュームレンダリングを用いて、３次元的な構造を表す画像（以下「３次元画像」という。）を生成することが行われている。
図１１は、従来の３次元画像生成装置１００の機能構成を示すブロック図である。本装置１００は、ボリュームデータ獲得部１０１、ボリュームデータ記憶部１０２、視線方向設定部１０３、レンダリング終了点探索部１０４、レンダリング処理部１０６、３次元画像記憶部１０７および表示部１０８から構成されている。

ボリュームデータ獲得部１０１は、例えば超音波診断装置の場合であればエコー信号を利用して、対象空間を構成するボクセルの集合からなるボリュームデータを生成する。ボリュームデータ記憶部１０２は、ボリュームデータ獲得部１０１において生成されたボリュームデータを記憶する。
視線方向設定部１０３は、ユーザからの指示により、ボリュームレンダリングにおけるボリュームデータを観察する視線方向の設定を行う。レンダリング終了点探索部１０４は、レンダリング処理部１０６で処理するボクセル範囲の終了点を探索する。

レンダリング処理部１０６は、視線に沿ってボクセルを順次処理して３次元画像の画素値を計算する。３次元画像記憶部１０７は、レンダリング処理部１０６において生成された３次元画像データを記憶する。表示部１０８は、３次元画像記憶部１０７に記憶されている３次元画像データを読み出してＣＲＴなどに表示する。
次に、以上のように構成される３次元画像生成装置１００の動作について説明する。

まず、ボリュームデータ獲得部１０１において、ボクセルの集合からなるボリュームデータが生成／獲得され、獲得されたボリュームデータはボリュームデータ記憶部１０２に記憶される。なお、ボリュームデータ獲得部１０１の動作は個々の装置によって異なっている。
図１２は、３次元画像を生成する際のボリュームデータや３次元画像と視線との空間的な関係を示す図である。図１２に示されるように、操作者の指示により、ボリュームデータを観察する方向として視線１３３が設定される。このとき、視線１３３に垂直な投影面へのボリュームデータ１３１の投影像が３次元画像１３２である。

視線１３３は、３次元画像１３２の各ピクセルを通るように、複数本設定される（図１２には１本だけが示されている）。
ここで、レンダリング処理部１０６におけるボリュームレンダリングについて説明する。
ボリュームレンダリングでは、各視線に沿ってボクセル値をサンプリングし、順次次式を適用して３次元画像の画素値を計算する。

Ｃ（０）＝０ （１）
Ｃ（ｉ）＝（１−α（ｉ））×Ｃ（ｉ−１）＋α（ｉ）×Ｖ（ｉ） （２）
（ｉ＝１、２、・・・）
ここで、
Ｃ（ｉ）はｉ番目のボクセルサンプリング点からの出力、
α（ｉ）はｉ番目のボクセルサンプリング点の不透明度（０〜１）、
Ｖ（ｉ）はｉ番目のボクセルサンプリング点のボクセル値
である。

不透明度α（ｉ）の値はボクセル値Ｖ（ｉ）に応じて定義される。最終的な出力値Ｃ（ｎ）が、視線に対応する３次元画像のピクセル値になる。
ここで、ボクセル値のサンプリング点がボクセルの格子点と一致しないときは、サンプリング点の周囲のボクセル値から近似して求めることとする。
近似の方法としては、最近傍ボクセル値を用いる方法や、周囲の８つのボクセル値を線形補間する方法などが用いられる。

レンダリング処理部１０６で生成された３次元画像は、３次元画像記憶部１０７に記憶される。そして、表示部１０８によって操作者に提示される。
なお、レンダリング処理部１０６における処理を高速にするために、レンダリング処理を途中で打ち切るという手法が用いられている。この場合、レンダリング終了点探索部１０４は、図１３（ａ）に示すように、視線に沿ってボクセルを順次処理してレンダリング処理部１０６における画素値計算処理の終了点（レンダリング終了点）を探索する。そして、レンダリング処理部１０６は図１３（ｂ）に示すように、レンダリング終了点探索部１０４により得られたレンダリング終了点１４５まで処理すると、そこで、上記式（１）、式（２）による画素値の計算を打ち切り、そのときの出力値Ｃ（ｎ）を３次元画像の画素値とする。なお、レンダリング処理の打ち切りには、レンダリング対象の表面を良好に描出し得るという効果もある。

なお、レンダリング終了点を探索する手法については、具体的な手法が開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１では、視線に沿って不透明度α（ｉ）を累積加算し、累積不透明度がある閾値（例えば１．０）に達した点をレンダリング終了点としている。また、特許文献２では、視線上でボクセル値Ｖ（ｉ）が最大となる点をレンダリング終了点としている。
特許第２８８３５８４号公報 特開２００１−１７４２６号公報

しかしながら、上記従来の手法では、レンダリング終了点に達するまでのすべての範囲に対して画素値計算を行うことになる。したがって、図１４に示すように、レンダリング終了点１４５に達するまでの範囲に有効なデータ１３４が存在しない領域が多く含まれるときは、レンダリング処理部１０６は、無駄な画素値計算を多くすることになり、効率が悪い。

また、有効なデータ１３４が存在しない領域にノイズデータ１３５が存在すると、上記の画素値計算時にノイズデータ１３５も処理対象に含めてしまい、結果として生成される３次元画像にノイズが混入してしまうという問題もある。
そこで、本発明は、レンダリング処理における効率を改善すると共に、ノイズの混入を排除し得る３次元画像生成装置等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る３次元画像生成装置は、対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する３次元画像生成装置において、特定の視線に沿ってボクセル値のサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索手段と、前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像の画素値を算出する画素値算出手段とを備える。

これにより、本発明に係る３次元画像生成装置は、特定の視線に沿って、逆方向から２つの端点を特定することにより、有効なデータが存在しない領域に対する処理を省略するため、ボリュームレンダリング処理を高速に実行することができる。
なお、本発明は、上記３次元画像生成装置として実現することができるだけでなく、上記３次元画像生成装置が備える特徴的な手段を備える超音波診断装置などの医用診断装置として実現してもよい、さらに、それらの特徴的な手段をステップとする３次元画像生成方法として実現したり、それらのステップをパソコン等のコンピュータに実行させるプログラムとして実現してもよい。

本発明に係る３次元画像生成装置は、有効なデータが存在しない領域に対する処理を省略するため、ボリュームレンダリング処理を高速に実行することができる。
また、有効なデータの存在しない領域にあるノイズデータを処理対象から除くことにより、生成される３次元画像の画質を向上することができる。
さらに、レンダリング終了点及びレンダリング開始点の探索においては、計算量の小さい近似アルゴリズムを使用し、レンダリング処理においては計算量が比較的大きいが高画質な３次元画像を生成することのできる近似アルゴリズムを使用することにより、高画質な３次元画像を高速に生成することができる。

以下、本発明に係る実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における３次元画像生成装置１０の機能構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本装置１０は、全体制御部１、ボリュームデータ獲得部１０１、ボリュームデータ記憶部１０２、視線方向設定部１０３、レンダリング終了点探索部１０４、レンダリング開始点探索部１０５、レンダリング処理部１０６、３次元画像記憶部１０７および表示部１０８などを備える。

全体制御部１は、例えばＲＯＭやＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータであり、本３次元画像生成装置１０全体を制御する。さらに、全体制御部１は、各部署の処理タイミング等の制御を行う（図１において、制御線は簡略化して示している）。
ボリュームデータ獲得部１０１は、例えば超音波診断装置の場合であればエコー信号を利用して、対象空間を構成するボクセルの集合からなるボリュームデータを生成する。各ボクセルは、その色を表す値（例えば、輝度値。「ボクセル値」ともいう。）を持つ。

ボリュームデータ記憶部１０２は、ボリュームデータ獲得部１０１で生成されたボリュームデータを記憶する。
視線方向設定部１０３は、操作者の指示により、ボリュームレンダリングにおいてボリュームデータを観察する視線方向を設定する。
レンダリング処理部１０６は、視線に沿ってボクセルを順次処理して３次元画像の画素値（例えば、輝度値）を計算する。

レンダリング終了点探索部１０４は、レンダリング処理部１０６における処理対象範囲の終了点を探索する。
レンダリング開始点探索部１０５は、レンダリング処理部１０６における処理対象範囲の開始点を探索する。
３次元画像記憶部１０７は、レンダリング処理部１０６において生成された３次元画像を記憶する。表示部１０８は、３次元画像記憶部１０７に記憶されている３次元画像データを読出してＣＲＴ等に表示を行う。

図２は、超音波診断装置において、上記ボリュームデータ獲得部１０１を構成した場合の機能構成を示すブロック図である。
超音波送受信制御部１１１は、操作者によって被検者の検査部位にあてられたプローブ１１３から超音波パルスを送信すると共に、被検体内で反射されて戻ってきた超音波を受信するためにプローブ１１３を制御する。さらに、超音波送受信制御部１１１は、プローブ揺動制御部１１２の動作タイミング等を制御する。

断層情報生成部１１４は、プローブ１１３から反射したパルスを受信し、包絡線検波などの処理を施して、図３に示すような被検体の断層面１２１における断層情報（２次元データ）を生成する。断層情報蓄積部１１５は、断層情報生成部１１４で生成された断層情報を記録する。
ここで、プローブ揺動制御部１１２は、超音送受信制御部１１１の指示により、図３に示すように、プローブ１１３を断層面に直交する方向に揺動する。これにより、少しずつ位置をずらされた複数の断層面の断層情報を生成することが可能となる。これら複数の断層情報は順次、断層情報蓄積部１１５に記録される。

座標変換部１１６は、超音波の送受信方向に依存した３次元データの座標軸を直交座標系の３次元データに変換する。
なお、以上で述べた超音波診断装置におけるボリュームデータ獲得部１０１の構成及びその動作は一例であり、ボクセルに基づくボリュームデータが得られる限りにおいて、この他の構成や動作であっても本発明の趣旨から外れない。

また、ＣＴ装置やＭＲＩ装置のような超音波診断装置以外の装置の場合は、上記ボリュームデータ獲得部１０１の構成やその動作は全く異なるが、ボクセルに基づくボリュームデータが得られる限りにおいて本発明の趣旨から外れないのは同様である。
３次元画像を生成する際のボリュームデータ、３次元画像、視線の空間的な関係は、上記従来の３次元画像生成装置１００における図１２と同じである。

さらに、操作者によりボリュームデータを観察する方向が定められると、視線方向設定部１０３は、観察方向として、この定められた方向を視線１３３の方向として設定する。このとき、視線１３３に垂直な投影面へのボリュームデータ１３１の投影像が３次元画像１３２となる。視線１３３は、３次元画像１３２の各ピクセルに対応して、それぞれ対応するピクセルを通るように、複数本設定される。

以下では、上記のレンダリング終了点探索部１０４およびレンダリング開始点探索部１０５の処理内容について、図４を参照しながら、さらに詳細に説明する。
レンダリング終了点探索部１０４は、図４（ａ）に示すように、視線に沿ってボクセル値のサンプリング点１４１、１４２と順次不透明度α（ｉ）を累積加算し、累積不透明度がある閾値Ｔ１に達する点を探索する。そして、この累積不透明度が閾値Ｔ１に達したサンプリング点１４３をレンダリング終了点とする。

なお、視線に沿ってボリュームデータの終端までサンプリング点の不透明度α（ｉ）を合計しても閾値Ｔ１に達しない場合は、視線に沿った最後のサンプリング点１４４をレンダリング終了点とする。以上の手順を図５のフローチャートに示す。
なお、操作者の指示により、ボリュームデータに対してレンダリング処理の対象となる領域を設定する手段を設け、視線に沿って操作者が設定した領域の最初のサンプリング点から処理を開始し、視線に沿って操作者が設定した領域の終端までサンプリング点の不透明度α（ｉ）を合計しても閾値Ｔ１に達しない場合は、
操作者が設定した領域内の最後のサンプリング点をレンダリング終了点とすることもできる。

次に、レンダリング開始点探索部１０５は、図４（ｂ）に示すように、レンダリング終了点１４５から視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点１４５、１４６と順に不透明度α（ｉ）を累積加算し、累積不透明度がある閾値Ｔ２に達する点を探索する。そして、この累積不透明度が閾値Ｔ２に達したサンプリング点１４７をレンダリング開始点とする。ここで、Ｔ１≧Ｔ２となるように閾値Ｔ１、Ｔ２を設定すれば、累積不透明度が閾値Ｔ２に達する点は必ず存在する。以上の手順を図６のフローチャートに示す。

これらレンダリング開始点及び終了点により、レンダリング処理部１０６は、ボリュームレンダリングにより３次元画像を生成する。図４（ｃ）に示すように視線に沿って、レンダリング開始点１４８からレンダリング終了点１４５の間のボクセル値のサンプリング点に対し、順次（１）式および（２）式を適用して３次元画像の画素値を計算する。
レンダリング処理部１０６で生成された３次元画像は、３次元画像記憶部１０７に記憶される。そして、表示部１０８に表示される。

以上の構成にすることにより、上記従来の構成（図１０（ｂ））に比べて本発明の構成（図４（ｃ））では、レンダリング処理部１０６で処理するボクセルの範囲が短くなるのでレンダリング処理の処理時間を短縮することができ、３次元画像生成の処理を高速に実行することができる。
また、閾値Ｔ１及びＴ２を適切に定めることにより、図７に示すようなレンダリング開始点１４８並びにレンダリング終了点１４５が得られるようにすることが可能であるので、ノイズデータ１３５がレンダリング処理部１０６における処理範囲に含まれず、結果として生成される３次元画像からノイズが除去され、画質の向上を図ることができる。

ここで、閾値Ｔ１及びＴ２の定め方としては、Ｔ１＝Ｔ２とすることができる。これによっても、画質を劣化させることなく上記のように３次元画像生成処理を高速に実行することができ、３次元画像からのノイズ除去の効果も有する。
また、同じＴ１に対して実用上問題のない画質の範囲でＴ２の値を小さくする、すなわちＴ１＞Ｔ２とすることにより、レンダリング処理部１０６で処理するボクセルの範囲がさらに短くなり、実行速度がさらに向上する。

なお、本発明のより好ましい実施の形態としては、レンダリング終了点探索部１０４並びにレンダリング開始点探索部１０５において、レンダリング終了点１４５およびレンダリング開始点１４８を探索する際と、レンダリング処理部１０６において３次元画像の画素値を計算する際とで、サンプリング点の周囲のボクセル値からサンプリング点のボクセル値を求めるときに異なる近似アルゴリズムを用いることができる。

すなわち、レンダリング終了点探索部１０４およびレンダリング開始点探索部１０５においては計算量の小さい近似アルゴリズムを使用し、レンダリング処理部１０６においては計算量が比較的大きいが高画質な３次元画像を生成することのできる近似アルゴリズムを使用する。これにより、高画質な３次元画像の生成を高速に実行することができる。
具体的な近似アルゴリズムとしては、例えば、レンダリング終了点探索部１０４及びレンダリング開始点探索部１０５においては最近傍近似を使用し、レンダリング処理部１０６においては例えば線形補間近似を使用することができる。

次に、図８を用いて最近傍近似及び線形補間近似について説明する。
図８においては、８つの黒丸はサンプリング点の周囲のボクセル格子点であり、Ｖ１〜Ｖ８はそれぞれの格子点のボクセル値である。また、白丸はボクセル値のサンプリング点であり、Ｖが近似によって求めるボクセル値である。
サンプリング点は、図８に示されるように、ボクセル格子点間を各軸に沿ってそれぞれｓ：１−ｓ（０≦ｓ＜１）、ｔ：１−ｔ（０≦ｔ＜１）、ｕ：１−ｕ（０≦ｕ＜１）に内分する位置にある。最近傍近似では、サンプリング点に最も近いボクセル格子点のボクセル値をそのままサンプリング点の近似ボクセル値とする。上記の図８においては、ｓ＞０．５、ｔ＜０．５、ｕ＜０．５であるから、Ｖ＝Ｖ２となる。

また、線形補間近似では、次式によってサンプリング点の近似ボクセル値を求めることができる。
Ｖ＝（１−ｓ）×（１−ｔ）×（１−ｕ）×Ｖ１
＋ｓ×（１−ｔ）×（１−ｕ）×Ｖ２
＋（１−ｓ）×ｔ×（１−ｕ）×Ｖ３
＋ｓ×ｔ×（１−ｕ）×Ｖ４
＋（１−ｓ）×（１−ｔ）×ｕ×Ｖ５
＋ｓ×（１−ｔ）×ｕ×Ｖ６
＋（１−ｓ）×ｔ×ｕ×Ｖ７
＋ｓ×ｔ×ｕ×Ｖ８ （３）
なお、上記では、最近傍近似と線形補間近似について説明したが、レンダリング終了点探索部１０４及びレンダリング開始点探索部１０５においては計算量の小さい近似アルゴリズムを使用し、レンダリング処理部１０６においては計算量が比較的大きいが高画質な３次元画像を生成することのできる近似アルゴリズムを使用する限りにおいて、その他の近似アルゴリズムを使用しても本発明の趣旨を逸しないことは言うまでもない。

ところで、上記の説明では、レンダリング処理部１０６において視線に沿ってボクセル値のサンプリング点を順次処理して３次元画像の画素値を計算したが、
視線の方向と逆向きにボクセル値のサンプリング点を順次処理して３次元画像の画素値を計算してもよい。
この場合の３次元画像生成装置の構成は図示しないが、上記の第１探索手段によってレンダリング開始点を探索し、上記第２探索手段によってレンダリング終了点を探索する。レンダリング開始点を探索する方法は上記のレンダリング終了点を探索する方法と同様であり、レンダリング終了点を探索する方法は上記のレンダリング開始点を探索する方法と同様である。

そして、レンダリング開始点からレンダリング終了点まで、視線の方向と逆向きにボクセル値のサンプリング点に対し順次（１）式および（２）式を適用して３次元画像の画素値を計算する。この場合、レンダリング終了点の探索とレンダリング処理を同時に実行することもできる。
すなわち、レンダリング開始点からボクセル値のサンプリング点に対して順次、
累積不透明度が閾値Ｔ２に達したかどうかを調べながら（数１）を適用して３次元画像の画素値を計算し、累積不透明度が閾値Ｔ２に達した点で３次元画像の画素値の計算を打ち切るようにしてもよい。
以上で述べた構成は本発明の実施の形態の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて様々な形態で実施可能であることは勿論である。

（実施の形態２）
上記実施の形態１においては、最初にレンダリング終了点を探索し、その後でレンダリング開始点を探索する実施例について説明したが、本実施の形態では、最初に仮のレンダリング終了点を定めておいてレンダリング開始点を探索し、改めてレンダリング終了点を探索する実施例について説明する。

図９は、本実施の形態における３次元画像生成装置２０の機能構成を示すブロック図である。図９に示すように、本装置２０は、全体制御部１、リュームデータ獲得部１０１、ボリュームデータ記憶部１０２、視線方向設定部１０３、レンダリング終了点仮探索部１５１、レンダリング開始点探索部１５２、レンダリング終了点探索部１５３、レンダリング処理部１０６、３次元画像記憶部１０７および表示部１０８などを備える。なお、上記実施の形態１における３次元画像生成装置１０と同じ機能構成については同一の符号を付し、その説明は省略することとする。

全体制御部１は、例えばＲＯＭやＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータであり、本３次元画像生成装置２０全体を制御する。さらに、全体制御部１は、各部署の処理タイミング等の制御を行う（図９において、制御線は簡略化して示している）。
レンダリング終了点仮探索部１５１は、レンダリング処理部１０６における処理対象範囲の終了点の仮位置を探索する。

レンダリング開始点探索部１５２は、レンダリング処理部１０６で処理するボクセルの範囲の開始点を探索する。
レンダリング終了点探索部１５３は、レンダリング処理部１０６で処理するボクセルの範囲の終了点を探索する。
本装置２０は、レンダリング終了点仮探索部１５１、レンダリング開始点探索部１５２およびレンダリング終了点探索部１５３により、後段のレンダリング処理部１０６における画素値計算を行う範囲を決定する。この処理の詳細について、上記図５および図１０を参照しながら説明する。

レンダリング終了点仮探索部１５１は、基本的には上記実施の形態１におけるレンダリング終了点探索部１０４（上記図４（ａ））の処理と同じであるが、累積不透明度が閾値Ｔ1に達したサンプリング点１４３をレンダリング終了点として確定させず仮位置として設定する。また、サンプリング点の周囲のボクセル値からサンプリング点のボクセル値を求める際に、「最近傍近似」などの計算量の小さい近似アルゴリズムを使用する。

次に、レンダリング開始点探索部１５２は、図１０（ａ）に示すように、レンダリング終了点の仮位置１４９から視線１３３の方向とは逆向きにレンダリング開始点を探索する。処理の内容は、探索をレンダリング終了点の仮位置１４９から開始する以外、上記実施の形態１におけるレンダリング開始点探索部１０５（上記図４（ｂ））と同様である。ただし、レンダリング終了点仮探索部１５１と同様、ボクセル値を求める際に、「最近傍近似」などの計算量の小さい近似アルゴリズムを使用する。

最後に、レンダリング終了点探索部１５３は、図１０（ｂ）に示すように、レンダリング開始点１４８から視線１３３に沿って、レンダリング終了点を探索する。処理の内容は、探索をレンダリング開始点１４８から開始する以外、上記実施の形態１におけるレンダリング終了点探索部１０４（上記図４（ａ））と同様である。ただし、サンプリング点の周囲のボクセル値からサンプリング点のボクセル値を求める際に、レンダリング処理部１０６で使用する近似アルゴリズムと同じ「線形補間近似」などの計算量が比較的大きいが高画質の３次元画像を生成することができる近似アルゴリズムを使用する。

レンダリング処理部１０６は、以上で求められたレンダリング開始点１４８からレンダリング終了点１４５の間のボクセル値のサンプリング点に対し、ボリュームレンダリング処理を実行して３次元画像を生成する（図４（ｃ））。
以上のように、本実施の形態に係る３次元画像生成装置を用いることにより、レンダリング終了点仮探索部１５１およびレンダリング開始点探索部１５２で計算量の小さい近似アルゴリズムを用いて予め処理するボクセルの範囲を限定してからレンダリング終了点探索部１５３で実際にレンダリング処理部１０６で用いる近似アルゴリズムと同じ近似アルゴリズムを用いてレンダリング終了点を探索し直すので、計算量の増加を抑制しつつ、より厳密に３次元画像の画素値計算の範囲を求めることができる。よって、従来より少ない計算量（即ち、高速）となると共にノイズの少ない、より高画質の３次元画像を生成することができる。

なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、上記３次元画像生成装置の応用例として超音波診断装置を挙げたが、超音波診断装置に限定するものではなく、３次元データの生成が可能なＸ線を用いるＣＴ装置や磁気を用いるＭＲＩ装置等にも応用が可能である。

本発明に係る３次元画像生成装置およびその方法は、ボクセルで構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングにより、被検体である人体や動物や品物の３次元画像を生成し得る超音波診断装置、ＣＴ装置、ＭＲＩ装置等に適している。

実施の形態１における３次元画像生成装置の機能構成を示すブロック図である。 超音波診断装置において、ボリュームデータ獲得部を構成した場合の機能構成を示すブロック図である。 超音波診断装置でボリュームデータを獲得する様子を示す図である。 実施の形態１におけるレンダリング終了点およびレンダリング開始点の探索方法とレンダリング処理の様子を示す図である。 実施の形態１におけるレンダリング終了点を探索する処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態１におけるレンダリング開始点を探索する処理の流れを示すフローチャートである。 レンダリング終了点とレンダリング開始点、および有効なデータとノイズデータの関係を示す図である。 ボクセル値のサンプリング点に適用する近似アルゴリズムを説明するための図である。 実施の形態２における３次元画像生成装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態２におけるレンダリング終了点およびレンダリング開始点の探索方法とレンダリング処理の様子を示す図である。 従来の３次元画像生成装置の機能構成を示すブロック図である。 一般的なボリュームデータ、３次元画像、視線の空間的な関係を示す図である。 従来の３次元画像生成装置におけるレンダリング終了点の探索方法とレンダリング処理の様子を示す図である。 従来の３次元画像生成装置におけるレンダリング終了点、有効なデータ、ノイズデータの関係を示す図である。

符号の説明

１ 全体制御部
１０１ ボリュームデータ獲得部
１０２ ボリュームデータ記憶部
１０３ 視線方向設定部
１０４ レンダリング終了点探索部
１０５ レンダリング開始点探索部
１０６ レンダリング処理部
１０７ ３次元画像記憶部
１０８ 表示部
１１１ 超音波送受信制御部
１１２ プローブ揺動制御部
１１３ プローブ
１１４ 断層情報生成部
１１５ 断層情報蓄積部
１１６ 座標変換部
１２１ 断層面
１２２ ３次元領域
１３１ ボリュームデータ
１３２ ３次元画像
１３３ 視線
１３４ 有効なデータ
１３５ ノイズデータ
１４１、１４２、１４６ サンプリング点
１４３ 累積不透明度が閾値Ｔ１に達するサンプリング点
１４４ 最後のサンプリング点
１４５ レンダリング終了点
１４７ 累積不透明度が閾値Ｔ２に達するサンプリング点
１４８ レンダリング開始点

Claims (16)

1. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する３次元画像生成装置において、
   特定の視線に沿ってボクセル値のサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索手段と、
   前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、
   前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像
   の画素値を算出する画素値算出手段と
   を備えることを特徴とする３次元画像生成装置。
2. 前記第１探索手段は、
   ボクセル値に応じて定義された不透明度を累積加算して累積不透明度を求める不透明度加算部と、
   前記累積不透明度が第１の閾値以上か否かを判定する不透明度判定部とを備え、
   視線に沿って順次算出したボクセル値のサンプリング点の累積不透明度に基づいて前記第１の閾値に達したサンプリング点を前記一方の端点とし、
   前記第２探索手段は、
   ボクセル値に応じて定義された不透明度を累積加算して累積不透明度を求める不透明度加算部と、
   前記累積不透明度が第２の閾値以上かどうかを判定する不透明度判定部とを備え、
   前記第１の端点から、前記視線の方向とは逆向きの方向に沿って順次算出されたボクセル値のサンプリング点の累積不透明度に基づいて前記第２の閾値に達したサンプリング点を前記他方の端点とする
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元画像生成装置。
3. 前記第１の閾値と前記第２の閾値とは等しい
   ことを特徴とする請求項２記載の３次元画像生成装置。
4. 前記第２の閾値は前記第１の閾値より小さい値である
   ことを特徴とする請求項２記載の３次元画像生成装置。
5. 前記第１探索手段、前記第２探索手段および前記画素値算出手段は、それぞれ対応する、
   視線に沿ったボクセル値のサンプリング点がボクセルの格子点と一致しない場合には、サンプリング点の周囲のボクセル値からサンプリング点のボクセル値を、近似して算出する第１近似手段、第２近似手段および第３近似手段を備え、
   前記第１近似手段および前記第２近似手段は、前記第３近似手段より粗い近似アルゴリズムを用いる
   ことを特徴とする請求項２〜４項の何れか１項に記載の３次元画像生成装置。
6. 前記第１近似手段および前記第２近似手段は、
   近似アルゴリズムに最近傍近似を用い、
   前記第３近似手段は、
   近似アルゴリズムに線形補間近似を用いる
   ことを特徴とする請求項５記載の３次元画像生成装置。
7. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する３次元画像生成装置において、
   特定の視線に沿ってボクセル値のサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点の仮位置を特定する第１探索手段と、
   前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、
   前記第１端点を改めて探索する第３探索手段と、
   前記探索された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像の画素値を算出する画素値算出手段と
   を備えることを特徴とする３次元画像生成装置。
8. 前記第１探索手段は、
   ボクセル値に応じて定義された不透明度を累積加算して累積不透明度を求める第１加算部と、
   前記累積不透明度が第１の閾値以上か否かを判定する第１判定部とを備え、
   視線に沿って順次算出したボクセル値のサンプリング点の累積不透明度に基づいて前記第１の閾値に達したサンプリング点を前記一方の端点の仮位置とし、
   前記第２探索手段は、
   ボクセル値に応じて定義された不透明度を累積加算して累積不透明度を求める第２加算部と、
   前記累積不透明度が第２の閾値以上か否かを判定する第２判定部とを備え、
   前記第１の端点から、前記視線の方向とは逆向きの方向に沿って順次算出されたボクセル値のサンプリング点の累積不透明度に基づいて前記第２の閾値に達したサンプリング点を前記他方の端点とし、
   前記第３探索手段は、
   前記探索された前記他方の端点から、ボクセル値に応じて定義された不透明度を累積加算して累積不透明度を求める第３加算部と、
   前記累積不透明度が第３の閾値以上か否かを判定する第３判定部とを備え、
   視線に沿って順次算出したボクセル値のサンプリング点の累積不透明度に基づいて前記第３の閾値に達したサンプリング点を前記一方の端点とする
   ことを特徴とする請求項７記載の３次元画像生成装置。
9. 前記第２の閾値および前記第３の閾値と、前記第１の閾値とは等しい
   ことを特徴とする請求項８記載の３次元画像生成装置。
10. 前記第１探索手段、前記第２探索手段、第３探索手段および前記画素値計算手段は、それぞれ対応する、
    視線に沿ったボクセル値のサンプリング点がボクセルの格子点と一致しない場合には、サンプリング点の周囲のボクセル値からサンプリング点のボクセル値を、近似して算出する第１近似手段、第２近似手段、第３近似手段又は第４近似手段を備え、
    前記第１近似手段および前記第２近似手段は、前記第３近似手段および前記第４近似手段より粗い近似アルゴリズムを用いる
    ことを特徴とする請求項８又は９記載の３次元画像生成装置。
11. 前記第１近似手段および前記第２近似手段は、
    近似アルゴリズムに最近傍近似を用い、
    前記第３近似手段および前記第４近似手段は、
    近似アルゴリズムに線形補間近似を用いる
    ことを特徴とする請求項１０記載の３次元画像生成装置。
12. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する超音波診断装置において、
    超音波を用いて被検体内部の構造を表すボリュームデータを獲得するボリュームデータ獲得手段と、
    特定の視線に沿ってサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索手段と、
    前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、サンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、
    前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像の画素値を算出する画素値算出手段と
    を備えることを特徴とする超音波診断装置。
13. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成するＣＴ装置において、
    Ｘ線を用いて被検体内部の構造を表すボリュームデータを獲得するボリュームデータ獲得手段と、
    特定の視線に沿ってサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索手段と、
    前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、サンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、
    前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像の画素値を算出する画素値算出手段と
    を備えることを特徴とするＣＴ装置。
14. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成するＭＲＩ装置において、
    磁気を用いて被検体内部の構造を表すボリュームデータを獲得するボリュームデータ獲得手段と、
    特定の視点に沿ってサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索手段と、
    前記第１探索手段における視線の方向とは逆向きに、サンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索手段と、
    前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像の画素値を算出する画素値算出手段と
    を備えることを特徴とするＭＲＩ装置。
15. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する３次元画像生成方法であって、
    特定の視線に沿ってボクセル値のサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索ステップと、
    前記第１探索ステップにおける視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索ステップと、
    前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像
    の画素値を算出する画素値算出ステップと
    を含むことを特徴とする３次元画像生成方法。
16. 対象空間における各ボクセルの集合により構成されるボリュームデータに対してボリュームレンダリングを施すことにより３次元画像を生成する３次元画像生成装置のためのプログラムであって、
    特定の視線に沿ってボクセル値のサンプリング点の範囲の一方の端点である第１端点を探索する第１探索ステップと、
    前記第１探索ステップにおける視線の方向とは逆向きに、ボクセル値のサンプリング点の範囲の他方の端点である第２端点を探索する第２探索ステップと、
    前記特定された前記第１端点と前記第２端点とによって定義される範囲のサンプリング点に沿って、ボクセル値を取得し、順次処理することにより３次元画像
    の画素値を算出する画素値算出ステップと
    をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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