JP2005322257A - 3次元画像処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ボクセルデータの3次元配列からなる3次元データを用いて該3次元データ中の表示対象物体65を2次元上に投影した画像2を生成し、表示を行う3次元画像処理方法であって、少なくとも、3次元画像上で注目点32を指定し、指定した3次元画像上の注目点32の奥行き座標値を求め、注目点の3次元座標値を記憶する。現在の視線方向で注目点32を通る線である注目点32へのアプローチ71を設定し、投影画像生成計算のパラメータが変更・入力されるたびに、そのパラメータによる3次元画像と注目点と該注目点へのアプローチとを合成表示する。
【選択図】図13
Description
更に、あらかじめセグメンテーションされた3次元データを表示する場合に、特定の領域について特定の組織を表示することにより、内部の状態を表示する方法が知られており、“Surface Rendering”,IEEE CG & A,vol.10,pp.41−53(March,1990)に、表示例が示されている。
これは、予め腫瘍と頭骸骨を抽出した表面データに対して処理を行っているものであり、ガイドチューブの挿入方向は、パラメータの数値入力により決定している。
まず、上述のシンセサイズド・オブリーク法では、断面表示しか行えないため、立体的な形状を把握することが困難である。
また、上述の、ある領域に対してマスクをかけてデータを切り出す方法では、表示対象を回転させることにより、領域を切り出して穴を開けた深さ方向と、視線方向が一致しなくなると、穴の底にある領域を表示できなくなってしまう。これでは、データを取り除き、その奥にある注目領域を観察しようとしても目的が果せなくなる。
そこで、本発明の基本的な目的は、注目領域の立体的な形状の把握や、3次元データ全体と注目領域との位置関係をあらゆる角度から把握することを可能とする3次元画像処理方法を提供することである。
すなわち、まず、ボリュームレンダリングにより表示を行う手段によって立体的な形状を把握できるようにする。また、注目点を3次元空間上で設定し、回転後の注目点の位置を計算し、投影面上で注目点を中心とする関心領域であるROI(Region of Interest)を自動的に計算して設定する手段を実現し、更に、視線方向に沿ったROI内について、その他の領域とは別にボリュームレンダリング計算のパラメータを設定し、計算して表示する手段を実現することにより、視線方法とROIの深さ方向を一致させる。
更に、希望する深さの領域を削除するために、ROI内のレンダリングの開始点の深さを指定する手段を実現する。
また、ROIの大きさや、形状を指定できる手段を実現する。
更に、注目点と投影面との間に表示対象が存在しない場合に注目点の位置を3次元画像に重ねて表示する手段を実現する。
また、この注目点の位置を指定する方法として、仮の注目点を指定した後、仮の注目点を通り投影面に平行な断面画像を表示する手段と、断面の切断位置を平行に移動する手段と、断面画像上で真の注目点を指定する手段を実現する。
更に、注目点を通る視線方向に平行なアプローチ方向を設定する手段と、3次元画像と注目点、アプローチ方向を重ねて表示する手段を実現する。
上述の手段により、常に注目点の周囲をROIとし、かつ、ROIの奥行きが視線方向に一致するため、回転中心と注目点が異なっていても、あらゆる角度から注目領域の視察が可能となる。
また、ROI部分のみをその他の領域とは異なったパラメータで表示する手段を実現したことにより、以下の作用が提供できる。まず、多くの場合、簡易的なセグメンテーションはしきい値により可能であり、抽出を行わずに、パラメータであるしきい値を変更するだけで、注目している対象を表示することができる。
また、ROIの大きさと形状を入力する手段を実現したことにより、注目領域の大きさや形状をあわせたROIの視野を確保できる。
更に、注目点の手前に表示対象がないときに注目点を3次元画像に重ねて表示する手段を実現したことにより、注目点が3次元データに書き込まれたような効果になり、注目点の3次元的な位置を3次元データと同じ感覚で確認できる。
更に、アプローチ方向を視線方向に一致させて設定することにより、直観的にアプローチ方向を指定できる。
更に、表示対象について穴をあけるような表示や、アプローチ方向を表示することにより、手術の計画などを行うことができるようになる。
図1は、本発明の第1の実施例に係る3次元画像処理方法を示すフローチャート、図2は、本実施例のボリュームレンダリング法を説明する図である。
図2において、1は3次元データ、2は投影面、3は投影面2上でいま投影される値を求めようとするピクセル、4は該ピクセル3から投影面に垂直な線7上に存在する、再サンプリングされたボクセル集合、5は3次元データの座標系Aで、座標値は(x,y,z)で表わされ、また、6は投影を行う座標系Vで、座標値は(X,Y,Z)で表わされる。
図3は、本実施例に係る3次元画像処理方法において、3次元データ1のボクセルを再サンプリングするときの例であり、右側の図は左側の図の一部を拡大したものである。
図3中、11は3次元データ1のボクセルの中心点、12は再サンプリングするボクセルの中心位置、13は再サンプリングするボクセル12を囲む8つのボクセル中心からなるセルである。
図5は、本実施例により表示された頭部3次元画像の例である。図5中、31は表示対象である頭部表面、32は注目点、33は注目点32を中心とするROI、34は表示パラメータにより表示対象となった脳表面である。
以下、図1〜図5に従って、本実施例に係る3次元画像処理方法の動作を説明する。
まず、ボリュームレンダリングにより、3次元データ全体の3次元画像を表示する(ステップ101)。このボリュームレンダリング法について、図2を用いて説明する。投影面2は、図のように3次元データ1に対して配置され、視線方向は投影面に垂直であるとする。
また、カラーというのはボクセルの発する色のことであり、ボクセル自体が持つ色に対して、ボクセル位置での仮想表面における光の反射を、ボクセルデータ値(以下、「ボクセル値」と呼ぶ)の傾斜ベクトルを仮想表面の向きであると考えることにより考慮し、光源の向きや投影面の方向などにより影付けを行ったものである。このとき、ボクセル集合4の各ボクセルに対して、投影面から近い順に番号を付け、各ボクセルの不透明度、カラーをそれぞれ、α(1),C(1)、・・・、α(n),C(n)とする。
以上のような場合に、光を投影面から最も近いボクセルから遠いボクセルへと透過させ、各ボクセルでの反射量を加算する方法で、式(1)によってピクセル3に投影される値Pを計算する。本実施例では、説明の簡略化と扱うデータの性質を考慮して拡散反射のみを扱い、光は平行光で投影面に垂直であるとする。
図3の左側の図のように、あるボクセルについて再サンプリングしようとするとき、右側の図のような座標系Aの8つのボクセル中心に囲まれたセルの中で、それらのボクセル中心と再サンプリングするボクセル中心12との距離の比が、図のように、s:(1−s),t:(1−t),u:(1−u)となっているとする。このとき、再サンプリングしたボクセルの不透明度やカラーなどの値は、次の式(2)のtrilinear法によって求める。ここで、不透明度やカラーなどの値を代表してQを用いて表わす。
以上のような方法で計算を行うとき、ボリュームレンダリング計算におけるパラメータを定義する。
まず、不透明度αはボクセル値から定義されるが、この対応付けを変化させることで様々な表示が可能となる。そこで、本実施例ではボクセル値に比例して不透明度を決めることにする。図4のように、ボクセル値fと不透明度αを対応付け、不透明度を0とするボクセル値のしきい値fthと、比例定数kをパラメータとすることにする。これは、不透明度を簡単に設定できるようにするためと、X線CTなどで計測された人体のような3次元データを表示する場合には、ボクセル値の高いものほど不透明度が高いように設定すると、自然な表示が行えるためである。
また、3次元データと投影面の位置関係を変えることで、様々な方向からの3次元画像表示が可能となる。そこで、3次元データ空間の座標系Aと投影空間の座標系Vとの座標変換を行う行列、特に本実施例では回転のみを考え、回転行列をパラメータとする。
本実施例では簡略化のため、以上の要素のみをパラメータとし、ボクセルの色はモノクロとし、光源の方向などについては固定とするが、もちろん、これらをパラメータに加え、可変にしても良いことは言うまでもない。
さて、上述の方法で、ステップ101でボリュームレンダリングを行うとき、各ピクセルの投影値を求めるときのライン上にあるボクセルで、しきい値fthを超える、最も投影面に近いボクセルの投影面からの距離をZバッファとして記憶する(ステップ102)。
指定された着目点のZバッファを参照し、回転後の座標系Vにおける着目点の座標値を得る(ステップ104)。
ステップ105では、3次元画像上のROIとして、着目点を中心とするあらかじめ定めた初期値の半径を持つ円を設定し、3次元画像上にROIの範囲を表示する。
座標系Vにおける着目点の座標を変換し、オリジナルの座標Aにおける着目点の座標を求めて記憶する(ステップ106)。
以上で着目点の設定とROIの設定が終了し、表示パラメータの変更・入力待ち状態となり、この時点で表示されている3次元画像は、図5(a)に示すようになる。
パラメータが入力され(ステップ107)、ステップ108で回転パラメータかどうかチェックする。ここでは、回転パラメータが入力されたため、ステップ109へ進む。
ステップ109では、入力された回転行列を用い、記憶した座標系Aにおける着目点の座標から座標系Vにおける座標値を求める。
求めた座標系Vにおける着目点の投影面上の座標を中心とする。円形のROIを設定し、表示する(ステップ110)。
この後は、ステップ111で、投影面全体についてボリュームレンダリングを行う。このとき、計算中のピクセル位置が、設定されたROIの領域内かどうか判定し(ステップ112)、ROI内についてはROI用の表示パラメータで、それ以外の領域は通常の表示パラメータでボリュームレンダリングをして、表示を行う(ステップ113,114)。このとき表示される画像は、図5(b)のようになり、注目点32を中心としたROI33が注目点とともに回転する。
また、通常のパラメータが変更されたときは、ROI以外のピクセルについてのみ、通常のパラメータでボリュームレンダリングを行い、ROI以外の部分のみ表示し直す(ステップ117)。このとき表示される画像は図5(d)のように、ROI以外の部分について表示部位を変更できる。
表示が終れば、次の入力待ち状態となり、レンダリングパラメータが入力されればステップ107へ戻る。
上記実施例によれば、注目点を中心としてROIが設定でき、回転を行った場合にも注目点を特別の表示パラメータで表示することが可能となる。更に、ROIの深さ方向は視線方向と一致するため、関心領域が奥まで隠れることなしに表示できる。
また、上記実施例では、投影画像計算方法としてボリュームレンダリング法を用いたが、他の方法でも良い。例えば、しきい値を超えたボクセル位置に表面があると考えて、表面ボクセルの位置から、表面の傾きを求めて、表面における反射を計算して投影画像を生成する。ボクセル法と呼ばれる方法などでも良い。
更に、前記実施例では注目点を設定するのにマウスを用いていたが、キーボードや、ペン入力装置など、他の座標指示装置を用いても良い。
また、Zバッファの位置を決めるとき、最も投影面に近いしきい値を超えたボクセルの位置をとっていたが、その視線上にあるボクセルの反射光量が最も多いボクセルの位置をとっても良い。これは、仮想的な表面をどう定義するかということであり、このようなデータでは実際の表面が曖昧であるため、どちらでも問題ではない。
また、上記実施例において、表示パラメータとして、ROIのサンプリング数を増やすことによって高精細なレンダリングを行うことができる。
図6に、この実施例を示す。簡略化のため、3次元データ1は投影面2と平行であるとする。41は3次元データ中に存在する線上の物体、42は投影面上におけるROI、43はROIに対応した3次元データ上の領域、44はROI以外の領域と同じサンプリング間隔で表示したときのROIの画像、45はROI以外の領域の半分のサンプリング間隔で表示したときのROIの画像であり、46は物体41を投影した領域である。
図6のようにサンプリング間隔を細かくとった方が、より細かく正確な画像を得ることができる。サンプリング数が増えるため、計算時間は増えるが、注目している限定されたROIのみについて計算するため、全体を細かく計算するより圧倒的に計算量は少なくて済む。
ここで、図7に示すようなデータについて、ROIの深さをレンダリングパラメータとして指定する実施例について説明する。図7では、説明を簡略化するため、3次元データ中のある1断面のレンダリングについて考える。図中51は、今着目する3次元データの1断面、52は3次元データ中に存在する物体で、内部に丸い形状の53、四角い形状の54、三角の形状の55の構造を持ち、それぞれの領域のボクセル値は丸囲みの数字で示された10,50,100,30である。
まず、通常のレンダリング計算開始位置58から計算を行うと、しきい値が10より小さければ四角い物体の表面が表示され、10〜50では丸い物体が、50〜100では棒状の物体が表示される。このように、しきい値を変更することでROI内の物体の内部を表示できる。
次に、レンダリング計算開始位置59から計算を行うと、しきい値が30より小さければ三角の物体の表面と丸い物体の内部が表示され、30〜50では丸い物体の内部が、50〜100では棒状の物体が表示される。
更に、レンダリング計算開始位置60から計算を行うと、しきい値が50より小さければ丸い物体の内部が表示され、50〜100では棒状の物体が表示される。
以上の実施例では、レンダリング開始位置を投影面からの距離で設定したが、他の設定法でもよく、例えば、ボクセル値10の物体の表面からの奥行きで設定したりすることもできる。
次に、ROIの形状と大きさを変更する実施例について、図8を用いて説明する。図中、35は変更後のROIである。
まず、ROIの初期状態が、例えば、注目点32を中心とする正方形で1辺が20の長さだとする。このとき、マウスを用いて正方形ROIの頂点をドラッグすることで、ROIの大きさを変更する。ROIは注目点を中心として変化し、変更後のROI35は1辺が30となったとする。ここで、例えば、ポップアップメニューからROIの形状を選択し、円形に変更したとすると、ROIは直径30の円になる。マウスでこの円周をドラッグすることで、ROIの大きさを変更する。
次に、注目点の位置を表示する実施例を図9に示す。図中、61は表示対象物である。
まず、(a)の角度で表示したときに注目点32を設定する。これを回転して別の角度から表示したものが、(b),(c),(d)である。
(b)は、回転後、座標系Vにおいて、注目点の手前側、すなわち注目点と投影面との間に表示対象物61が存在する場合で、このような場合には、注目点の位置を表示しない。
このようにすることで、注目点を3次元データに書き込んだような効果を得ることができ、自然な前後関係で表示が行える。
また、(d)では、注目点と投影面との間に物体が存在するときには、注目点と物体の色を平均した色で表示を行い、半透明に表示する。これは、(b),(c)両方の長所と欠点を持つ。
そこで、上の(b),(c),(d)の方法を場合によって使いわけるようにする。
注目点位置の表示は、図1におけるステップ111または116の終了後に、ステップ109で求めたV系での注目点座標と3次元画像のZバッファを用いて上記の方法により行う。
以上の実施例では、注目点は物体の表面にしか設定ができなかったので、物体の内部にも設定できる実施例について、図10,図11を用いて説明する。
このとき、3次元データ1中の表示対象は、図11(a)に示す65のような球状の中身の詰まった物体であるとする。以下、フローチャートを用いて注目点の設定方法を説明する。
まず、ステップ201では、物体65が投影された3次元画像67上で仮の注目点68を指定する。すると、3次元空間上では物体の表面位置66に注目点が設定される(図11(a)参照)。
次のステップ202では、ステップ201で設定した仮の注目点66を通り、投影面2に平行な断面の画像69を計算し、ステップ203で表示する。この段階では、断面は物体の表面に接するような位置なので、図11(b)のように点として表示されている。
平行移動を行いながら注目点を設定する位置が決まったら、ステップ204で注目点を設定するステップ206へ進み、図11(d)のように真の注目点の位置を指定する。断面画像上で指定された注目点の3次元位置を求めて記憶し、図1に示した実施例のステップ107以降の処理に用いることができる。
以上の実施例により、物体の内部に注目点を指定することができる。これにより、例えば腫瘍の中心を常に関心領域の中心とした表示が可能となり、腫瘍が関心領域をはみ出さないように回転することができる。
さて、次に、注目点へのアプローチ方向を設定し、表示するための実施例について図12のフローチャートと図13を用いて説明する。本実施例は、例えば、腫瘍のある患者を撮影した3次元データに対して、注目点として腫瘍を指定し、手術する際のアプローチを事前に検討するような場合に利用できる。
まず、注目点を設定するところに関しては、図1に示した実施例と同じである(ステップ101,102,103,104,106)。
注目点を設定した後、回転を行って、表示対象を様々な角度から観察を行い、注目点へアプローチするために最適な方向を探して、アプローチ方向を決定する(ステップ301)。
回転後座標系V系における、Z軸向きの(投影面に垂直方向の)単位ベクトルのオリジナル座標系A系における値を求めて、アプローチ方向単位ベクトルとして記憶する(ステップ302)。
アプローチが設定されたときには、アプローチ方向は投影面と垂直であるため投影面上では注目点と重なる位置に点として表示される(図13(a))。回転をして、アプローチ方向と視線方向が一致しない場合には、アプローチは直線として表示されるが、このとき、アプローチを示す直線と投影面との間に物体が存在すれば、アプローチは表示しないようにする(図13(b))。また、アプローチは注目点から、アプローチ方向単位ベクトルの向きに、ある良さだけ表示することにする。この長さは初期設定されているものとする。
アプローチが設定された、または、回転などのパラメータが入力された場合には(ステップ311)、ステップ312で、回転後のV系における注目点の座標を求める。
また、すでに指定されているアプローチの長さとアプローチ方向単位ベクトルと注目点の座標から、アプローチを表示する際の注目点ではない方の端点を求める(ステップ314)。そこで、注目点と端点を結ぶ直線を投影面に投影し、そのときのV系でのZバッファを記憶する(ステップ315)。ボリュームレンダリングを行い、3次元画像を求め(ステップ316)、そのとき求めた画像のZバッファ(ステップ317)とアプローチのZバッファとを比較し、画像のZバッファの方が投影面に近い場合には3次元画像を表示し、そうでなければアプローチを表示する(ステップ318)。
その後、注目点は、例えば、図9の実施例のように表示する。
本実施例により、前後関係を考慮した自然な合成表示を行うことができるが、アプローチと3次元画像を合成表示するならば、他の方法でも良い。
また、アプローチの長さや太さは変更できるようにしてもよい。
図12におけるフローチャートに次の処理を加える。
ステップ302によりアプローチ方向が決定された後、現在の表示角度での座標系Aから座標系Vへの回転行列を記憶する(ステップ401)。これにより、アプローチビュー方向が記憶される。
ここで、アプローチビュー表示を行う指示が入力されると(ステップ411)、ステップ401で記憶した回転行列をパラメータに入力する(ステップ412)。
すると、図12のステップ311へ進み、上記の図12の実施例により、アプローチ方向と視線方向が一致したアプローチビューが表示される。
図15にアプローチ表面位置を求めるための実施例を示す。
まず、注目点やアプローチを設定する前に、ボリュームレンダリングを行い、体表面を表示するようなパラメータを設定し、記憶する(ステップ501)。本実施例ではしきい値を記憶する。
ここで、図12の実施例のステップ301,302によりアプローチ方向が設定されたあと、ステップ501で記憶したパラメータ(しきい値)を呼び出し、レンダリングパラメータに入力する(ステップ511)。
すると、図12に示した実施例(ステップ311〜318)により、体表面の3次元画像とアプローチと注目点とを合成表示する。このとき、アプローチは投影面と垂直のため点となり、アプローチと注目点は重なり、図13(a)のようになる。
以降、記憶されたアプローチ表面位置は、注目点を表示するときに、記憶していた座標系Aから、座標系Vに変換し、図9の実施例と同様に表示を行う。
以上の実施例により、術前にアプローチ方向と、アプローチ表面位置の検討を行うことができる。
なお、上記各実施例は本発明の一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるべきものでないことは言うまでもないことである。
2 投影面
5 3次元データのオリジナル座標系
6 回転後の投影座標系
21 しきい値
22 不透明度を定義する比例定数
32 注目点
33 関心領域
66 仮の注目点
70 真の注目点
71 アプローチ方向
Claims (3)
- ボクセルデータの3次元配列からなる3次元データを用いて該3次元データ中の表示対象物体を2次元上に投影した画像を生成し、表示を行う3次元画像処理方法であって、
少なくとも、前記3次元画像上で、注目点を指定するステップと、指定した3次元画像上の注目点の奥行き座標値を求めるステップと、注目点の3次元座標値を記憶するステップと、現在の視線方向で注目点を通る線である、注目点へのアプローチを設定するステップとを持ち、投影画像生成計算のパラメータが変更・入力されるたびに、そのパラメータによる3次元画像と注目点と該注目点へのアプローチとを合成表示するステップを持つことを特徴とする3次元画像処理方法。 - 前記各ステップに加え、一つの操作で、アプローチ方向と視線方向を一致させるステップを持つことを特徴とする請求項1記載の3次元画像処理方法。
- 前記各ステップに加え、物体の表面を表示するときの投影画像生成計算のパラメータを記憶するステップと、注目点へのアプローチを設定したときに、物体表面を表示するパラメータに変更するステップと、アプローチ上で物体表面にある点の位置を求めるステップと、投影画像生成計算のパラメータが変更・入力されるたびに、そのパラメータによる3次元画像と注目点と該注目点へのアプローチと該アプローチ上の物体表面の点を合成表示するステップとを持つことを特徴とする請求項1記載の3次元画像処理方法。
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