JP2005520590A - コンピュータ連動断層撮影データの解析およびディスプレイシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

患者をスキャンして得られるデータセットからレンダリングされた画像を解析およびディスプレイするシステム（１０）および方法が提供される。ディスプレイされる画像は患者の解剖学的構造の選定部、たとえば、結腸等の管状構造の二次元および三次元の両方のビューを含んでいる。

Description

（関連特許の相互参照）
本出願は２００２年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／３６４，２９８号、および２００２年１１月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／４２９，８２７号に対する優先権の恩典を請求する。
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は一般的に人体のさまざまな器官を表すコンピュータ連動断層撮影を使用して得られるデータの解析およびディスプレイに関連する。特に、本発明は身体の管状構造、たとえば、結腸や胃腸管から得られるデータを解析し、管状構造の組織構造の迅速な評価および存在する任意の異状の正確な確認を行うようにそのデータをディスプレイするためのコンピュータ連動システムに関連する。

（関連技術の説明）
産業化された国家では、結腸直腸癌が悪性疾患から死に至る第２の原因となっている。米国では、毎年およそ１５万人の人に結腸癌のあることが確認される。残念ながら、結腸癌によりおよそ６万人の人が毎年死亡し、米国の人口でこれよりも死亡者が多いのは肺癌だけである。これらの統計を真に不運なものとしているのは、結腸癌が通常は良性のポリープとして始まり５−１０年かけてゆっくり成長して癌性となるため、最も防止できる癌の一つであるということである。これらのポリープが検出されて除去されれば、結腸癌が進行する危険性は非常に低減される。

残念ながら、普及している結腸直腸スクリーニングおよび予防措置は、限定されたリソース、方法論的不適切さ、および応諾の悪さにつながる患者の同意の悪さを含むいくつかの実施する上での支障により妨げられている。さらに、便潜血検査（ＦＯＢＴ）は大多数の癌および予癌性ポリープを発見することができない。Ｓ状結腸鏡検査は結腸の一部しか調べないため、それも多くのポリープを見逃す。バリウム注腸の精度はセンター間で変動するため、必ずしも信頼できない。

したがって、発見されないかもしれない腫瘍により生じる結腸直腸壁の増厚等の、他の異状だけでなく、予癌性結腸ポリープをスクリーニングするのに使用できる新しい検査が必要とされている。他の全てのスクリーニング検査と同様に、この新しい検査は比較的費用がかからず、最小侵襲性であり、しかも非常に特定的でなければならない。

ヘリカル（スパイラルとしても知られる）コンピュータ連動断層撮影（ＣＴ）を使用して結腸を貫くコンピュータシミュレーション管内飛行を生成する技術が結腸直腸新生物を発見する新しい方法としてバイニング デージェー、シフリン アールワイ、グリショウ イーケー、リュー ケー、ゲルファンド デーダブリューにより提案されている、Ｖｉｒｔｕａｌ ｃｏｌｏｎｏｓｃｏｐｙ（Ａｂｓｔ），Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｒｇｍ １９９４，１９３（Ｐ）：４４６。この技術は最初にバイニング デージェー、ゲルファンド デーダブリューによる昔の要約、Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ ｃｏｌｏｎｏｓｃｏｐｙｕｓｉｎｇ ｈｅｌｉｃａｌ ＣＴ ｓｃａｎｎｉｎｇ，３Ｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ（Ａｂｓｔ），ＳＧＲ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍ，１９９４、にバイニング等により記述されている。“仮想結腸鏡検査（ｖｉｒｔｕａｌ ｃｏｌｏｎｏｓｃｏｐｙ）”と呼ばれるこの技術には空気を吹き込んだ浄化した結腸、およそ３０−６０秒のヘリカルＣＴスキャン、および粘膜表面を抽出してディスプレイするための特殊化された三次元（３Ｄ）撮像ソフトウェアが必要である。こうして得られるＣＴスキャンデータから発生された管腔内画像が診断の目的で開業医にディスプレイされる。

結腸中心線に垂直な２Ｄ断面を再フォーマット化する技術も１９９５年１０月１７日にコインに対して発行された米国特許第５，４５８，１１１号に記述されている。しかしながら、結腸のスキャンは数百の軸方向断層Ｘ線図から成るため、断面画像の直接判断は困難である。進んだ画像操作ツールが無ければ、これらの断面だけから結腸の複雑な三次元形状を判断するのは開業医にとって非常に困難である。

精度を改善する一つの方法は断面における再フォーマット化された２Ｄ画像および結腸中心線に対する直交角度を作り出すことを含んでいる。これらの再フォーマット化された２Ｄ画像は対応する管内３Ｄ画像と共に見ると相補的診断情報を提供することができる。低価格コンピュータハードウェアによる高速、インタラクティブ評価を許す革新的３Ｄレンダリング技術により検査効率を向上することができる。

これらの技術により結腸直腸癌の診断を支援するのにＣＴスキャニングを使用する技術は進歩したが、とりわけ、従来技術は典型的に膨大な計算容量および特殊化されたワークステーションを必要とする。さらに、従来技術はポリープの存在を見えなくすることがある結腸直腸経路のビューの提供に限定されており、結腸直腸経路の表面下形態構造、または解析される他の管状構造に関するいかなる情報も提供しない。典型的に、データディスプレイを観察する医師や技師に提供されるビューは被評価管状構造の二次元および三次元管腔内、冠状、矢状および軸方向ビューだけである。

一般的に、ＣＴスキャナおよびコンピュータワークステーションは生きた人間の消化道等の人体の管状構造を撮像するのに使用される。ＣＴスキャナは人間の結腸の断面軸方向画像を発生するのに使用され、次に、それはコンピュータワークステーションへ転送される。結腸中心線が画定されそれは結腸管腔に従う。コンピュータワークステーションは再フォーマット化された断面画像、ボリュームレンダリングされたスカウト、および管腔内ビューを発生しディスプレイすることにより結腸中心線の画定をサポートする。半自動中心線確定ツールも含めることができる。中心線が画定された後で、診断の目的で画像のモンタージュがディスプレイされる。この画像は軸方向断面、管腔横切断面、管内ボリュームレンダリングされた画像を含んでいる。

半自動方法はその近似中心線を識別することにより結腸の三次元形状を描くのに使用される。これは中心線に直交する軸ずれ平面だけでなく冠状、矢状、および軸方向ビューのディスプレイによりサポートされる。中心線に沿ったまっすぐにされた湾曲部および中心線の端部からのレンダリングされたビューもディスプレイすることができる。これらのビューのいずれかの中心線を編集することにより、典型的に、他のビューは更新される。結腸の中心線が描かれた後で、データは抽出され結腸は効率的に調べることができる。

前記した装置を使用する一般的な慣行において、放射線技師等の開業医は描かれた中心線に沿った仮想視点を動かすことにより、患者の結腸等の、患者の管状構造を調べる。三次元直交軸ずれ断面、ボリュームレンダリングされた管外スカウトまたはオリジナル軸方向二次元画像、および結腸内面の高解像度透視レンダリングをディスプレイして、開業医が被解析管状構造の組織構造を観察できるようにすることができる。透視ビューは典型的に任意の方向に向け直すことができる。結腸の中心線に沿った回転可能な縦断面もディスプレイすることができる。結腸の全長に沿って進むことができるこのビューは３Ｄ画像に沿った前方または後方経路のナビゲーションおよび３Ｄ画像の判断を向上させる。

断面およびレンダリングされたビューの同時ディスプレイによりＣＴデータの診断判断は断面または管内ビューだけの場合よりも向上することが経験上知られている。ＣＴデータのボリュームレンダリングは組織のプリコンピュテーションその他の技術を使用して手ごろな価格のワークステーションでインタラクティブ性能を達成するカスタムアルゴリズムにより実施される。

一般的に、前記したように発生される三次元画像の少なくとも二つのビューが開業医にディスプレイされる。第１のビューは、典型的に、肛門縁等の結腸の終端位置から離れる視点からの結腸ビューを取り囲む前方管内ビューである。第２のビューは肛門縁等の結腸の終端位置へ向かう視点からの結腸ビューを取り囲む後方管内ビューとすることができる。両方のビューをディスプレイすることにより、興味ある特徴が結腸のトポロジーにより不明瞭になる可能性が少なくなる。

画像上でカーソルをポイントし同時にキーを押すかあるいは適切な命令をコンピュータワークステーションへ発することにより、開業医は予め画定された中心線から視点をシフトすることができ、２Ｄ再フォーマット化画像、３Ｄ管内画像、および２Ｄ軸方向画像を含む全画像を指示された位置に対応するビューに更新することができる。開業医はポインティングデバイスを使用してランダムに視点を移したり、予め定められた中心線上の最寄の点に戻すことができる。

診断を支援するために、結腸の展開すなわち開放ビューも観察者にディスプレイすることができる。結腸の開放ビューは結腸の湾曲を維持しながら、ガーデンホースをその縦軸に沿って半分に切断するように、検査のために物理的に分割され切開されている全体結腸のビューに対応する。しかしながら、この“展開”技術は管状構造すなわち結腸の内部構造のビューしか与えず、結腸の固有の湾曲が“平坦化”されている、結腸の内壁の真の“平坦化”ビューは提供せず、そのため膨起襞等の結腸内壁から隆起する構造が小さなポリープその他の異状等の構造を開業医のビューから隠してしまうことがある。

さらに、現在利用可能なシステム、方法または技術はどれも管状構造の壁の評価を提供できるとは思われない。たとえば、ある結腸直腸癌はポリープに対して大きくなりすぎることはなく、結腸の壁内に現れる。これらの方法はどれも管状構造の壁厚や密度の解析を考慮しないため、このような癌を前記した手段を使用して観察することはできない。

必要とされながらこれまで利用できずにいるのは、管状構造内の構造が結腸内ポリープ等の異状ビューを不明瞭にすることを防止する管状構造の平坦化されたビューを提供する、ＣＴデータの効率的かつ正確なプレゼンテーションを提供する技術である。さらに、このような技術はＡｐｐｌｅ社製コンピュータやＩＢＭクローン等の広く利用可能なコンピュータプラットホーム上で効率的かつ迅速に実行できなければならない。さらに、このようなシステムは、腫瘍状の成長その他の病気の存在を示すことがある壁厚または密度の変動等の、管状構造の壁内に存在する異状も解析できなければならない。本発明はこれらのニーズおよびその他のニーズを満たす。

（発明の概要）
最も広い側面において、本発明はユーザまたは、外科医や医師等の、他の人間が病状を診断しその治療を処方するのを支援するように設計される人体の選定部のスキャナにより発生されたデータのビューをユーザに提供する三次元画像のレンダリングシステムおよび方法において実施される。適切なパターン認識および解析ソフトウェアを使用して三次元ボリュームデータをさらに処理して撮像された身体構造、特に、身体の結腸等の管状構造内の異状を識別するシステムおよび方法も開示される。

一側面において、本発明は壁により画定される管腔を有する管状体構造を撮像する方法において実施され、それは管状体の縦軸に沿った身体の管状構造の複数の断面画像を表すデータを含むデータセットを提供するステップと、データセットを処理して管状体の三次元画像を再構成するステップと、三次元画像の管腔を通る中心経路を識別するステップと、中心経路に沿った始点を選択するステップと、始点で始まり結腸の三次元画像の縦方向長さに沿って続くデータを処理しかつ三次元画像の平坦化されたビューをレンダリングするステップと、平坦化されたビューを表すデータを画像バッファ内に格納するステップと、画像の平坦化されたビューをディスプレイするステップと、を含んでいる。

もう一つの側面において、本発明は、さらに、中心経路に沿った点を選定するステップと、選定された点のデータを処理しかつ選定された点の管状構造の壁の断面画像をレンダリングするステップと、管状構造の壁の断面画像をディスプレイするステップと、を含む方法において実施される。

本発明のさらにもう一つの側面において、本発明はデータを処理して平坦化された画像をレンダリングし、始点から壁へ光線を投射し、光線の投射方向は視角に対応し、さらに画像バッファにボクセル値を加えることを含んでいる。一つの選択において、この方法は視角を１度分シフトし、もう一つの光線を始点から壁に投射し、視角が初期始点から合計３６０度シフトされていなければ、光線の方向はシフトした視角に対応することも含むことができる。さらに、もう一つの選択において、この方法は、視角が初期始点から合計３６０度シフトされていれば、始点を管腔の縦軸に沿って選定値だけ進め、管腔の全長が処理されるまで光線を投射しボクセル値を画像バッファ内に格納するステップを繰り返すことも含むことができる。

さらに、もう一つの実施例では、本発明は壁外部に隣接する組織を含む身体の管状構造の壁内部のビューを発生する方法を含み、それは、
（ａ）管状体の縦軸に沿った身体の管状構造を表す三次元ボリュームを表すデータを含むデータセットを提供し、管状体は壁により画定される管腔を有する、ステップと、
（ｂ）管状体の縦軸に沿って配置された中心経路に沿った始点を選定するステップと、
（ｃ）始点から光線に沿って壁へ向けて進むことにより光線を壁に向けて選定された距離だけ投射するステップと、
（ｄ）光線の各ステップの位置におけるボクセル値を計算するステップと、
（ｅ）ボクセル値を画像バッファに加えるステップと、
（ｆ）光線の角投射を１度分増分するステップと、
（ｇ）始点が選定されてから光線の角投射が３６０度増分されているかを確認するステップと、
（ｈ）増分された角状を有する光線を壁に向けて投射するステップと、
（ｉ）光線の角投射が３６０度増分されるまでステップ（ｄ）から（ｈ）を繰り返すステップと、
（ｊ）表面下ボリューム画像をディスプレイするステップと、
を含んでいる。

もう一つの実施例では、本発明は三次元ボリュームデータセットを予め定められた異状を表す幾何学パターンのライブラリと比較するステップと、三次元ボリュームデータセット内に含まれる構造が予め定められた耐性内で少なくとも一つの幾何学パターンのライブラリと一致することが確認されたら、その構造を異状として識別するステップと、を含んでいる。別の実施例では、本発明は、さらに識別された異状構造を処理して識別された構造が異状ではないかどうかを確認するステップを含んでいる。

さらに、もう一つの側面において、本発明はプロセッサ、プログラムメモリおよび半永久記憶メモリを有するコンピュータ内で実施される。プロセッサはスキャナにより発生されたデータセットを受信し、そのメモリ内のデータセット内のデータを処理してスキャンされたデータの三次元ビューをレンダリングし、さらにスキャンされたデータの平坦化されたビューをレンダリングするように設計されたソフトウェアプログラムによりプログラムされる。あるいは、プロセッサはスキャンされたデータを処理して興味ある構造の表面下ビューをレンダリングする。

本発明の特徴を例により示す添付図と共に下記の詳細な説明を読めば、本発明の他の特徴および利点は自明である。

（好ましい実施例の詳細な説明）
本発明は一般的に人体の構造を表すインタラクティブ二次元および三次元特徴を発生しディスプレイする方法およびシステムに関連する。三次元構造は身体の選定領域、特に、結腸、気管気管支気道、血管、等の中空管腔を有する身体器官の一般的形状である。本発明の方法およびシステムに従って、コンピュータ連動断層撮影スキャナ、すなわちＣＡＴスキャンにより得られたデータから発生された一連の二次元画像から、選定身体器官のインタラクティブ三次元レンダリングが発生される。ＣＡＴスキャニング技術の最近の進歩、注目すべきはヘリカルすなわちスパイラルＣＡＴスキャナの使用により、膨大な量のデータを比較的短時間で収集できるため人体構造のスキャニングに革命がもたらされた。たとえば、患者が自分の呼吸を堪えられる時間内に全体結腸直腸スキャンを遂行することができる。しかしながら当業者には明らかなように、ＣＡＴスキャナ、磁気共鳴（ＭＲＩ）、陽電子射出断層撮影スキャナ（ＰＥＴ）、超音波装置等により作り出されるように、スキャナにより作り出されるデータセットから引き出すことができる任意のタイプのデジタル画像は、本発明のシステムおよび方法を使用して処理される。

典型的に、患者はスキャナ内に位置され、患者身体の所望部がスキャンされる。患者のスキャンを表すデータセットが抽出され適切な識別情報が格納される。次に、データセットをコンピュータワークステーションへ転送して解析することができる。従来技術で知られているように、スキャンデータは多様な手段により解析サイトまで送信できるように圧縮することができる。たとえば、本発明は適当な量のワーキングメモリ、処理力およびハードドライブ記憶容量を有するマッキントッシュコンピュータやＩＢＭクローンコンピュータ等のパーソナルコンピュータに基づいたコンピュータワークステーションで使用するのに特に適している。発明者は本発明を実施するソフトウェアをアップル社製マッキントッシュＧ４およびその他のコンピュータで動作させた。

本発明のシステムおよび方法は、ＣＴスキャンデータを低減して三次元画像を発生するのに使用された従来の方法のような、特殊化されたワークステーションを必要としないため、ＣＴスキャンデータはインターネット、ローカルエリアネットワークまたは適切な通信装置を使用する電話回線および従来技術で既知の技術を介して本発明の特徴を取り入れたソフトウェアの制御下で動作するスキャナ位置から遠隔配置されたコンピュータおよびワークステーションに送ってさらに処理および解析することができる。

患者は最初にその結腸を洗浄することにより撮像準備される。洗浄手順の目的は結腸から便を除去することである。保持された便や流体は小さなポリープをシミュレートまたはマスクすることがあるため、ＣＴスキャニングの前に絶対的にクリーンな結腸が所望される。

結腸は洗浄されるとガスを吹き込んで膨張させる。結腸を膨張させることにより結腸内面は最終画像ディスプレイにおいてはっきり見えることが保証される。直腸カテーテル、すなわち、（１．２７ｃｍ（０．５インチ））径の標準バリウム浣腸カテーテルが挿入され結腸内にガスが導入される。結腸は個別的な一吹きやまたは定流量でガスを注入することにより予め定められた圧力または体積まで充填される。空気を使用することができるが、ＣＯ_２は結腸粘膜を通って血流に入り実質的に呼気され、検査後に患者が経験する鼓張および痙攣の量を減少させるため好ましい。従来の結腸鏡検査とは異なり、この手順のために患者を鎮静させる必要はない。

吹込み後に、結腸はたとえばヘリカルＣＴスキャナによりスキャンされて結腸における一連の二次元画像を作り出す。画像内の要素、すなわち、ピクセルは結腸に関連付けられた少なくとも一つの物理的性質を表す。物理的性質は、たとえば、結腸壁または結腸内の空気柱のＸ線減衰とすることができる。撮像は一般的に患者の腹部領域全体にわたって規則正しく間隔のとられた位置で行われる。連続する画像間の間隔が小さいほど、最終ディスプレイ画像の解像度は良くなる。各ボクセルのＸおよびＹディメンジョンはそれぞれおよそ１ｍｍであるため、好ましくは、連続する画像間の間隔はおよそ１ｍｍとして等方性ボクセルを作り出す。

結腸を膨張させた直後に、およそ３０−５０秒内に完了する息堪え取得中に、たとえば、ＧＥ ＨｉＳｐｅｅｄ Ａｄｖａｎｔａｇｅ Ｈｅｌｉｃａｌ ＣＴ Ｓｃａｎｎｅｒにより腹部がスキャンされる。スキャニングパラメータは、たとえば、５ｍｍ（０．２０インチ）Ｘ線ビームコリメーション、２：１ピッチを与える１０ｍｍ／秒（０．４インチ／秒）テーブル速度、および１ｍｍ（０．０４インチ）画像再構成間隔から成ることができる。Ｘ線ビームコリメーションはＸ線ビームの幅であり、そのためＣＴスライス厚およびＺ軸空間解像度を確立する。ピッチはコリメーションで除したＣＴテーブル速度である。画像再構成間隔は二次元画像が再構成される間隔を反映する。５ｍｍのＸ線ビームコリメーションおよび１ｍｍの選定再構成間隔を使用して、５ｍｍＣＴスライス厚を反映する画像が１ｍｍ間隔で発生される。したがって１ｍｍ再構成間隔の連続する５ｍｍ厚画像間に４ｍｍのオーバラップがある。

Ｚ軸方向に毎秒１０ｍｍのテーブル速度で５０秒スキャンすることにより、５００ｍｍのＺ軸長を有するボリュームのデータが生成される。このボリュームのデータのＺ軸の長さにわたって１ｍｍ再構成間隔を使用して各々がＺ軸に沿った５ｍｍ厚区間を表す５００画像を作り出す。典型的に、スキャンは患者を腹臥位置にして１回と患者を背臥位置にして１回の２回行われ、およそ１０００画像を発生する。４および１６チャネルのデータ取得帯域幅を有するものを含む新しいマルチスライスＣＴシステムはおよそ３０−４０秒以内に２ｍｍ毎に５ｍｍ厚スライスを得ることができ、２００−２５０画像を有するデータセットが得られる。１．０ｍｍ毎に２．５ｍｍ厚スライスをスキャンすればその数はデータセット当り４００−５００画像へ増加する。ＣＴスキャン完了後に、直腸カテーテルは取り外され、ガスが放出され、患者は解放される。

図１は本発明の原理に従って画像をレンダリングするのに使用することができるシステムを一般的に示す。システム１０はコンピュータ１４に接続されるスキャナ１２を含んでいる。コンピュータ１４はスキャナ１２の動作を制御するのに使用され、またスキャナ１２により発生されるデータを取得するのにも使用される。コンピュータ１４はスキャナを制御して患者の身体、または選定部位、のスキャン中にスキャナにより発生されるデータを取得し格納するためのカスタマイズされたソフトウェアを実行することができる、十分な計算力、記憶装置およびメモリを有する任意のコンピュータとすることができる。カスタムソフトウェアを使用してプログラムすることができるプロセッサまたはマイクロプロセッサの他に、コンピュータ１４はランダムアクセスメモリまたはリードオンリーメモリとすることができるメモリ１８、および、たとえば、ハードドライブ、ＣＤまたはＤＶＤを含むことができる適切な記憶媒体２０、またはスキャナにより発生されるデータを格納するのに適切な他の記憶媒体を含むことができる。スキャナにより発生されるデータからレンダリングされた画像だけでなく、スキャナに対するデータおよび動作パラメータのディスプレイをオペレータが見られるようにするディスプレイ１６がコンピュータ１４に接続されている。さらに、図示されてはいないが、コンピュータ１４はスキャナのユーザによるコマンドの入力を許す装置にも接続されている。このような入力装置はマウスその他のポインティングデバイス、キーボード、バーコードスキャナその他の装置を含んでいる。

また、コンピュータ１４は電話回線、ケーブル、ＤＳＬ接続、ローカルエリアネットワーク、インターネット、またはワイヤレスネットワーク等の通信手段２２への接続性を提供することができるモデムまたは他の通信装置に接続することもできる。それによりコンピュータ１４は他の適切にプログラムされたコンピュータシステムまたはワークステーション２４と通信して、スキャナにより発生されたデータを他方のコンピュータシステムまたはワークステーション２４に送信することができる。

コンピュータまたはワークステーション２４は同様にコンピュータ手段２２を介してコンピュータ１４と通信して、コンピュータ２４で発生された解析および報告をコンピュータ１４のユーザに通信するようにされている。コンピュータ２４はプロセッサまたはマイクロプロセッサ、メモリ２６および記憶媒体２６も含んでいる。さらに、有線または無線接続を介して、マウスまたは他のポインティングデバイス３２も接続してコンピュータ２４で実行しているソフトウェアプログラムにコマンドを入力してソフトウェアプログラムの側面の動作を制御することができる。典型的に、コンピュータ４のプロセッサは本発明の方法を取り入れたカスタムソフトウェアによりプログラムされてディスプレイ３０上にディスプレイされるスキャンにより発生されたデータのさまざまなビューを提供する。これらの方法に従って動作するソフトウェアがコンピュータ２４を制御しているかのように本発明の方法を以下に説明するが、当業者ならば同じソフトウェアがコンピュータ１４を動作させかつ制御して、患者のスキャン中に発生されたデータを遠隔場所に送信することなく、コンピュータ２４により発生される同じ解析、ビューおよび報告をコンピュータ１４のユーザに提供できることが理解される。

次に、本発明の方法を実施するようにプログラムされたソフトウェアを操作するシステムを通るデータの流れを示す一般化されたフロー図が図２に示されている。有線ベースまたは無線通信システムを介してデータベースを受信することにより、ＣＴスキャンデータが取得される。あるいは、ポータブルハードドライブ、Ｚｉｐ（登録商標）ディスク、ＣＤまたはＤＶＤまたは十分な容量を有する他のポータブル記憶媒体を使用することにより、データベースをシステムに手動で提供することができる。

典型的に、スキャンデータはスキャン対象であった構造からとったスライスを表す一連の二次元画像から成っている。二次元画像は三次元画像へ変換される。典型的に、二次元画像はコンピュータコンソールにより操作されるヘリカルＣＴスキャナから得られる。たとえば、スキャナはオプショナルなＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔコンピュータコンソールまたは医師のコンソールに接続されたＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＨｉＳｐｅｅｄ Ａｄｖａｎｔａｇｅ Ｈｅｌｉｃａｌ ＣＴ Ｓｃａｎｎｅｒとすることができる。しかしながら、コンピュータコンソールは独立コンソールの替わりにヘリカルＣＴスキャナの一体部とすることができる。二次元画像は超音波、陽電子射出断層撮影、射出コンピュータ連動断層撮影、および磁気共鳴撮像から得ることもできる。測定された物理的性質は二次元画像を作り出すのに使用されたスキャン技術と直接関連付けられる。ＣＴ画像に対して測定された物理的性質は典型的にはＸ線減衰であり、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）に対して測定された物理的性質は一般的に陽電子密度等のさまざまな性質に関連している。

個別の二次元画像の各々が絵素、すなわちピクセル、の二次元（Ｘ−Ｙ）マトリクスを定義し各ピクセルは三次元構造内の特定場所における三次元構造すなわち器官に関連付けられた予め定められた物理的性質を表す。連続的な二次元画像が三次元構造全体にわたって三次元方向（Ｚ）に間隔がとられている。

典型的に、二次元画像の系列をスタックして三次元ボリューム１３を形成し、三次元ボリューム全体にわたって配置された座標における三次元構造に関連付けられた少なくとも一つの物理的性質を表す三次元マトリクス（Ｘ，ＹおよびＺ軸）を定義することにより解析が続けられる。三次元マトリクスは二次元ピクセルに類似した三次元要素、すなわちボクセル、により構成される。三次元ボリュームから、三次元レンダリングを行うターゲットボリュームを選択することができる。たとえば、ターゲットボリュームはオリジナル三次元ボリュームから分離される選定器官すなわち興味ある領域を含むことができる。ターゲットボリュームは全体器官を含むことができ、あるいは、器官もしくは器官の管腔内に閉じ込められた空気柱すなわちボリュームを含むことができる。

オリジナル三次元ボリュームを表すデータセットは随意データベース縮小プロセスを適用して画像または空間解像度を低減さるか、あるいは、ターゲットボリュームを分離する前にオリジナルボリュームをデータのより小さいサブボリュームへ分割することができる。データベース低減および／またはサブボリューム選択が必要であるのはグラフィックスコンピュータの能力が三次元ボリューム全体を有効または効率的に三次元レンダリング処理するのに不適切な場合だけである。三次元構造をリアルタイムで得るために、画像の三次元ボリュームを表すデータベースのサイズ低減を必要とすることがある。たとえば、オリジナル三次元ボリュームのデータセットは１００−２５０メガバイトのオリジナルサイズからおよそ５−１０メガバイトのサイズへの縮小を必要とすることがある。しかしながら、縮小量はオリジナルデータセットのサイズおよび三次元レンダリングに使用されたコンピュータの処理速度および能力によって変動することがある。

データベース縮小に続いて、興味ある器官または領域の三次元画像がセグメント化されてデータのボリュームから分離される。測定した物理的性質、たとえば、Ｘ線減衰によって決まるある範囲の組織値を選定して興味ある器官または領域を指示することができる。次に、興味ある器官または領域はデータのボリュームから分離される。興味ある領域は、たとえば、結腸または気管気管支気道を含む空気柱、または空気、血液、尿、対比物質等の均質物質を充填した管腔を有する他の身体部分とすることができる。

たとえば、興味ある器官を指示するように機能する閾値限界により境界を定められたある範囲の物理的性質を指示することによりセグメンテーションプロセスを遂行することができる。選定ボリュームまたはサブボリュームに対して、選定閾値範囲内に入るボクセルには白色を与える単一値、たとえば、２５５が割当てられ、選定閾値範囲を外れるボクセルには黒色を与える異なる単一値、たとえば、０が割当てられる。したがって、選定ボリュームはその中の各ボクセルを閾値限界と比較しかつ、このような各ボクセルが閾値限界により規定される閾値範囲内に入るかどうかに応じて、このような各ボクセルに適切な色値０または２５５を割当てることにより閾値が決められる。選定ボリュームの閾値を決めることにより、等しいボクセル値を有するターゲットボリュームが形成される。特に、白色を有するターゲット器官が作り出され閾値限界外部の全てのボリュームは黒色を有して作り出される。画像処理技術を使用して解消することができるさまざまなアーチファクトを除けば、閾値ターゲット器官だけが白色とされ他は全て黒色とされる。

図２に戻って、ボックス５０においてＣＴデータが取得されると、このデータはそれをセグメント化して放射線専門医または技師がデータセットを注釈して、ボックス５５に示すように、全体報告を準備できるようにするサブプログラムに入力することができる。このステップはオプショナルであり、本発明の主題から逸脱せずに省くことができる。

データがボックス５５の方法により処理されるかどうかにかかわらず、スキャンデータは二次元画像として修正されて出力され、情報を識別する関連する患者により識別されるフォルダ等の予め定められたメモリ場所に、たとえば、“ｐｉｃｔ”ファイル等の適切なファイルフォーマットで格納される。当業者ならば他のファイルフォーマット、特に、損失の多い方法で画像をクリップまたは圧縮する必要性を回避しつつオリジナル軸方向画像の全ビット深さを維持しながら画像データを格納することができるフォーマットを使えることが理解される。

一連の二次元画像内にデータが格納されると、データはそれを前記したように操作して、ボックス６０において、三次元画像にレンダリングできるようにするサブプログラム内にインポートされる。使用できる一つのプログラムが発明者により開発されていてＶＩＳＵＡＬＩＺＥと呼ばれているが、二次元画像を適切な解像度を有する三次元画像へ変換できる任意のレンダリングプログラムを使用することができる。たとえば、レンダリングプロセスはＩＲＩＳ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ（登録商標）等の汎用ボリューム可視化プログラムを使用して達成することができる。

結腸の管状構造等の三次元物体の画像はレイ−トレーシング技術を使用する観察者にデータをディスプレイする二次元画面座標に投影される。ユーザの視点から送られる仮想光線は、ユーザのモニタ画面と呼ばれる、ビューイングプレーンを通過して物体内に入る。光線が物体と交差する場合、対応するビューイングプレーンピクセルは背景色とは異なる色でペイントされる。交差が見つからなければ、ピクセルは背景としてペイントされる。光線を止めるのに使用される基準はビューイングプレーンピクセル上にどの値が投影されるかを決定する。このプロセスは、典型的にポリゴン・レンダリングを使用して画像を発生する、表面レンダリングとは異なり、対照的に、ボリュームレンダリングは全ボクセルの重み付けされた平均を光線に沿って投影して画像を発生する。

管状構造、たとえば、結腸中を“飛び”抜ける（“ｆｌｙ”ｔｈｒｏｕｇｈ）能力をユーザに提供する形で三次元画像をモニタ上にディスプレイできるようになる。飛び抜けを容易にし、かつ三次元画像のより進んだ解析およびディスプレイをできるようにするために、ボックス６５において結腸を通る中心経路が決定される。このステップについてより詳細に説明する。

ボックス６５においてフライバイワイヤ（ｆｌｙ ｂｙ ｗｉｒｅ）経路が決定されると、データはボックス７０においてさらに処理されて結腸の平坦化されたビューを提供する。結腸の平坦化されたビューは、結腸を慎重に切り込んでボード上に広げ、従来の多面ビューを使用して見た場合隠されてしまうことがある、ポリープ等の構造がもはや結腸壁の湾曲により不明瞭とされることがないように擬することができるビューを提供する。データ処理をさらに行って、平坦化された画像しか見ない場合には明白とならないことがある、平坦な腫瘍または壁狭窄等の結腸壁異状の診断を助ける、平坦化されたビューと同期化された、結腸の壁の表面下ビューを発生することができる。

所望する全ての画像処理が完了すると、処理された画像データを含むデータセットが格納される。これらのデータセットは、ユーザがデータセット内の画像をあたかもデータセットが映画であるかのように見ることができるようにする形に配列されたデータを含んでいることが理解される。この配列によりスキャンデータを評価する医師は結腸中を任意の方向に飛び抜け、異状が見つかっていてさらに解析するマークが付されている結腸の選定部に飛び越すことができる。

本発明の一実施例では、ボックス７５に示すように、データセットは解析する平坦化されたボリュームビュー、３Ｄボリュームおよび表面下ビューデータを受信する放射線専門医に送信することができる。ボックス８０において、放射線技師はデータを見てこのケースの自分の診断を示す。次に、ボックス８５において、診断報告が外科医および／または患者の医師へ送られる。

図２について一般的に説明したシステムのさまざまな側面を、次に、より詳細に説明する。次に、図３に関して結腸内の中心経路の決定について説明する。図に示すように、結腸の一区間、ここでは、Ｓ状結腸が興味ある領域として識別される。結腸の管腔に沿った中心点１００が、特殊化されたソフトウェアを使用するか、あるいは適切に訓練された技師により手作業で識別される。自動化された中心“フライバイワイヤ”経路発生を使用することができるが、しばしば蛇行、狭窄または崩壊した経路を通る正確な経路が得られることを保証するために手作業決定が有利なこともある。図３に示すように、一連の点が結腸の中央管腔内で技師により識別される。これらの点は結腸の二次元多面表現中をスクロールし、所望する場所をマウスまたは他の適切なデバイスでポイントしかつクリックして所望する中心点を表すデータベース内の点をマークして識別される。ソフトウェアはこの場所を記憶して他のこのように決定された中心点に関連付けてフライバイワイヤ経路を決定する。

結腸の中心線はいくつかの方法で決定することができる。たとえば、結腸の管腔を通る中心経路を決定する一つの方法では、所望する開始位置における結腸の管腔内にある第１の点が選定される。最小断面積を有する始点を通る面が決定され、このような領域の中心がマークされる。次に、その面内の表面領域に垂直な方向の中心点から、たとえば、１ｃｍ離れた新しい点が選定される。結腸を切断しかつ新しい点を通る最小面積の新しい面が決定され、その新しい領域の対応する中心がマークされる。この反復プロセスは中心点を繋ぐ中心パスが決定されるまで続けられる。前記したように、これは結腸の管腔を通る中心パスを決定するのに使用することができるさまざまな方法の一つにすぎず、どのようにも限定するものではない。

フライバイワイヤ経路が決定されると、データをリアルタイムで処理して結腸の全長、または結腸の選定部の映画のような飛び抜けを提供することができる。さらに、本発明のシステムおよび方法では、ユーザが所望する時はいつでも、適切なマウスクリックまたはキーボードコマンドによりデータディスプレイを停止することができる。それによりユーザはポリープや腫瘍の存在等に対してより精密な評価を必要とする結腸の領域を観察する場合に飛び抜けを停止することができる。後述するように、ユーザにより異状が識別される結腸内の場所はさまざまな方法でユーザにディスプレイすることができる。

“飛び抜け”として前記したような三次元物体のアニメーションはボリュームの多数の三次元ビューを迅速にディスプレイして達成することができる。現在利用可能なコンピュータプラットホームを使用する表面レンダリング計算はボリュームのインタラクティブ操作を許すのに十分な速さである。さらに、レンダリングソフトウェアは典型的に各ビューイングプレーンピクセルの色のシェードを変えることにより物体の特徴を改善する能力を提供する。たとえば、“シェードされた表面”画像はカメラ視点により近いピクセルをより明るいシェードで発色することにより奥行きのイルージョンを付加する。シェードされた表面画像内のピクセルは解剖学的構造とユーザの視点間の距離を反映している。ユーザと仮想光源の相対“位置”の情報は、レンダリングされた構造に関する情報と共に、レンダリングされたボリュームを適切にシェードして解剖学的構造のリアリスティックな印象を作り出すのに使用される。

前記したように、レンダリングまたは収束ステップ６０は迅速かつインタラクティブに行われ、データのボリューム中を“飛び”抜ける能力をユーザに与える。“飛行”方向は、マウスまたはカーソルの方向ポインティングによりキーボードを介して入力されるコマンドを使用して制御され、マウスまたはキーボード上のボタンを押すことにより速度（逆方向および順方向）も制御することができる。インタラクティブ三次元レンダリングの速度により“仮想現実”環境が作り出され、ユーザは実際の内視鏡検査と類似した方法で画像データを調べることができる。

比較的短い、ローカルである、あるいは結腸の全体または主要部にわたる長距離飛行であるかどうかにかかわらず、各シミュレートされた飛行のパスを記録し、“再生”モードを使用して飛行パスをトレースし直すことができる。個別の三次元シーンも写真と同様にコンピュータ上に格納することができる。結腸を抜ける各シミュレートされた“飛行”を、所望により、記録保管の目的でビデオレコーダ上のＶＨＳビデオテープまたは他の適切な記憶媒体上に記録することができる。さらに、データは胃腸病専門医および外科医に送信してさらに検討および解析することができる。

オリジナルＣＴデータボリュームの解剖学的詳細を保存しながら適切なレンダリング速度を達成するために、縮小されたデータセットボリュームから作られた縮小された三次元画像をナビゲートすることすなわち“飛び”抜けることができる。しかしながら、動作が止まった時はオリジナルＣＴイメージボリュームを使用して可能な最高解像度で三次元シーンを再ディスプレイすることができる。

さらに、飛び抜け中の軸方向画像および多面直交軸方向、矢状および冠状画像等の他の画像をディスプレイしてユーザが結腸の形態を解析するのを支援することが有用である。このようなディスプレイの例が図４に示されている。

図４は本発明の方法を使用してレンダリングされた結腸の６つの別々の同期化されたビューを示す。図に示されているように、基準線２１０はさらに評価が必要な構造を有するものとして飛び抜け中に識別されている結腸内の特定の場所をポイントしている。この動作モードでは、ユーザはマウスを使用して結腸中を飛び抜けて飛行の速度および方向を制御する。基準線をクリックすることにより、画像を進めたり後退させることができ、ユーザは上流および下流の両方に飛ぶことができる。ユーザが結腸中を飛び抜けると、後述するように、基準線は“Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｗｉｄｔｈ Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｖｉｅｗ”というタイトルの画像上に移り、ディスプレイされたビューの結腸内の場所を指示する。Ｍａｇ Ａｘｉａｌ，Ｍａｇ Ｓａｇｉｔｔａｌ（ＭＰＲ），Ｅｎｄｏｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｍａｇ Ｃｏｒｏｎａｌ（ＭＰＲ）ビュー等の他のビューの各々が基準線と同期化されて、開業医は多様な視点から異状構造を調べることができる。

さらに、図４に示すディスプレイは後述する表面下ビューを含んでいる。それにより医師または訓練された技師は結腸の壁内の異状も調べることができる。結腸の壁厚を同期的にディスプレイするこの能力により結腸の内面で見られることがあるポリープまたは他の異状構造として明示されないことがある腫瘍その他の病気の診断を行うことができる。表面下ビューの^“＊”２２０および他のビューの十字線で示すように、全てのビューは厚くされた結腸壁の領域に同期化されており、ユーザに壁を評価し壁厚を結腸の任意他の構造的異状と相関させるための多様なビューを提供する。

表面下ビューは“窓掛けされる（ｗｉｎｄｏｗｅｄ）”ことができる、すなわち、ビューを発生するのに使用されたパラメータをユーザは所望により変えることができる。たとえば、利用可能なコントラスト限界を調節して小さな異状のディスプレイを最適化することができ、あるいはビューの解像度を調節することができる。あるいは、パラメータ調節または窓掛けの程度の限界をソフトウェア内にプログラミングして二次元軸方向、矢状および冠状ポリープサーチに広く使用される高コントラストの、狭い、“肺”設定を防止することができる。使用された“肺”ウインドウが狭すぎる場合、二次元多面ビューを見ているユーザは結腸の壁厚を評価する窓掛けパラメータの調節に失敗すると狭窄腫瘍を観察しないことがある。

（一般的なシステム説明）
図５は本発明のシステムおよび方法を介した階層構造および情報フローを一般的に説明するフロー図である。ソフトウェアプログラムに対して典型的であるように、システム３００はボックス３１０においてさまざまな変数、オブジェクト、ルックアップテーブルおよび他のユーザ定義可能なサブプロセスを呼び出して初期化することにより開始する。ボックス３１０において初期化が完了した後で、ステップ３２０においてモニタはデフォールトウインドウレイアウトをディスプレイする。次に、メインループ３３０を初期化することができ、ディスプレイされる画像のどの部分がモニタ上にレンダリングされるかを決定するユーザ入力を待機する。前記したように、ユーザに結腸の始り部分の概観が呈示されると、ユーザはマウス、またはキーボードコマンド、または他のポインティングデバイスを使用して、ソフトウェアが動作しているコンピュータにディスプレイされる三次元ボリュームを形成するスタックされた三次元画像中をスクロールするよう指令する信号を発生することができる。ユーザがデータをスクロールするコマンドをコンピュータに入力すると、ステップ３６０において、三次元ボリュームを開き予め平坦化された大きな軸方向多面ウインドウレイアウトを提供する、サブプログラム３５０等の、さまざまなサブプログラムが開始される。本発明の一実施例では、このステップはユーザが管腔画像の中心点を手動指示するのに使用することができる二次元多面画像の迅速なレンダリングを提供する。あるいは、管腔中心点を自動的に決定かつ指示し、結腸画像の全長またはその指示された部分を、スライス毎に、自動的に進んで結腸中のフライバイワイヤ経路を決定するように設計されたソフトウェアを使用して、これらのビューを含むデータを解析することができる。

さらに、ボックス３７０に示し、かつ図４に示すマルチビューディスプレイに関して説明したように、本発明を実施するソフトウェアはボックス３８０においてレンダリングされる管状構造のセグメントを平坦化させるのに必要な計算を実施して平坦化されたボリュームを生成し、次に、ステップ３９０において平坦化されたビューをディスプレイする。さまざまなビューが計算されている間に、ステップ４００から４２０において結腸の概観を発生してさまざまな他のビューと共にディスプレイすることもできる。

結腸のスクローリングすなわち飛び抜けが完了されると、ボックス４３０は結腸内の異状を識別するために平坦化されたビューのさらなる解析を行う。たとえば、ユーザが結腸の特定の平坦化された部分内で異状を観察すると、ボックス４４０においてその異状をマークし、ボックス４５０において測定することができる。さらに、疑わしい異状のローカルボクセル密度測定を行って疑わしい異状を、たとえば、便や空気充填憩室から区別するよう試みることができる。これらの測定値はさらに解析するために記録することができ、ボックス４４０において異状をマークすることにより確立される異状場所も格納したり、マークされた異状のメニューの中に加えたりユーザがさらに解析するためのプリントアウトとして提供することができる。

図５には図４でディスプレイされる多面（ＭＰＲ）ビューから始めることができるさまざまなサブプロセスも示されている。たとえば、特定のＭＰＲビュー内の異状が観察されると、それはボックス４７０においてマークすることができる。さらに、結腸の飛び抜けが進むと、ボックス４８０に示すように、異状を追跡してその範囲および一般的形状を発生することができる。ユーザに提供される画像は、本質的に、結腸の一端、たとえば、直腸から結腸の他端、すなわち盲腸までのフライバイワイヤ経路に沿って生成される管腔内映画を含んでいる。映画は盲腸から直腸への飛行を許すよう逆方向に動くこともできる。本発明により作り出される管腔内ビューにおいて、飛び抜けはユーザにより異状場所の上にロックすることができるポインタを含み、それにより異状のさまざまな側面をディスプレイするために映画を上映することができ、異状の絞込み、識別、観察および診断を助ける。

さまざまなＭＰＲビューはビューの窓掛けを変える、すなわち、さまざまなサイズの異状または興味ある特徴が、ある種のズームインまたはズームアウト機能において、単一ウインドウ内に含まれるようにウインドウサイズを調節する能力もユーザを提供する、ボックス４９０。さらに、ボックス５００に示すように、多面ビューの位置は、必要に応じて調節して、膨起襞等の構造により隠されることがある任意の異状が見られるようになることを可能な程度まで保証することができる。ボックス５１０に示すように、ＭＰＲビューは結腸の３−Ｄビューを示す能力を含むこともでき、前記したように、コントラスト調節のために窓掛けすることができ、かつローカル映画のフライオーバをトリガするのに使用して選定異状のビューイングを絞り込むことができる。

（モジュール平坦化）
本発明は管状構造を表すレンダリングされたボリュームを“平坦化する”方法を含んでいる。平坦化されたビューを提供する従来の試みは、管の索をスライスして得られるような結腸の縦方向区間をディスプレイするさまざまな方法を使用している。これらの方法の欠点は、この区間に対して有用なデータが得られないほど小さな索径が使用されなければ、結腸の全体ビューが湾曲されたままとなることである。対照的に、本発明は結腸の壁を貫通する単一スライスを作って結腸の管状構造を平坦になるまで広げるのに譬えられるやりかたで、結腸の画像を真に平坦化する方法を開発している。このように結腸を平坦化することにより、たとえ膨起襞のような結腸の構造により予め隠されていても、表面異状は目立つようにされ見えるようにされる。

図６は結腸６０５の管腔中心を通るフライバイワイヤ経路を示す結腸６００の図を示している。図６には本発明の原理に従って三次元管状構造から平坦化されたビューへ変換することができる結腸の薄いスライスを表す結腸セグメント６１０および６２０も示されている。

図７−９は平坦化プロセスの一般的原理を示す。図７に示すように、結腸６５０は壁により画定される内外部を有する管状構造である。単なる説明の目的で、結腸の管状構造は位置０（図示せず）で始り図７で時計回りに３６０度延びる壁と考えることができる。

図８は所望の場所で取られた結腸壁６５５のスライスを示す。図８に示すように、平坦化された結腸壁は０度から３６０度まで延び、結腸の壁を広げることにより平坦化された画像が形成される（図７）。スライス６５５の幅はユーザの所望する任意の幅とすることができるが、典型的には結腸の１ｍｍ幅区間を表している。

図９にこの関係をより詳細に示す。結腸のスライス６８０は平坦化された画像６８５へ変換される。ポリープ“Ｐ”のエッジはスライス６８５上に入り込み、観察者の視点をすぐ頭上に設定するビューから見ることができる。それにより、膨起襞等の結腸の突起する構造により隠されてしまうポリープその他の異状を見ることができる。

次に、結腸の平坦化されたスライスをレンダリングするのに使用されたプロセスを図７−１０について説明する。前記したように、全体ディスプレイプロセスの最初のステップは三次元ボリュームまたは三次元ボリュームを発生するのに使用された一連の二次元画像を本発明の原理を実施するソフトウェアプログラムに従って動作しているコンピュータまたはプロセッサのメモリ内にロードすることである。図３について前記したように、プログラムによりディスプレイされるデータセットの多面ビューを使用して、プログラムのユーザは結腸中を延びる経路の典型的には肛門または直腸領域に近い始点を定義し、結腸の管腔中心を通るフライバイワイヤ経路を定義する。識別された点を使用してキーフレームを識別することもでき、それをスタックして三次元ボリュームを形成することができる。ある実施例では、プログラムは方向性ベクトルおよび点間の湾曲経路を自動的に定義するサブプロセスを含んでいる。別の実施例では、プログラムはフライバイワイヤ点を自動的に中心に置きフライバイワイヤ経路に沿って位置を自動的に進める能力をユーザに与える。フライバイワイヤ経路が完了して保存されると、同じデータをさらに処理して平坦化されたボリュームを生成することができる。あるいは、データの追加処理を実施してフライバイワイヤ経路を微調整、最適化および／または平滑化することができる。

典型的に、平坦化プロセスはフライバイワイヤ経路の長さを決定するためのデータの事前サンプリング解析で始り、そこから平坦化された画像の高さを決定することができる。この事前サンプリングプロセスは絶対的に必要なものではなく、本発明の原理を逸脱することなく省くことができる。事前サンプリングプロセスはカメラ／ユーザ視点をフライバイワイヤ経路に沿って移動させる。経路に沿った各点またはステップにおいて、カメラはＹ軸周りに９０度回転されて結腸壁に対向する。次に、サンプルはオリジナルＺ軸周りに３６０度、典型的には事前サンプリングラウンド中に５度の増分で、回転されて解析時間を低減する。回転の各ステップにおいて、結腸壁内に光線が投射され壁までの距離が測定される。測定された平均距離はフライバイワイヤ経路内の特定点における結腸径を決定するのに使用される。次に、フライバイワイヤ経路に沿った距離が増分され、処理が繰り返される。

事前サンプリング解析後に、画像バッファを生成することができる。画像バッファの高さは結腸中を通るフライバイワイヤ経路の長さにより決定することができる。画像バッファの幅は結腸壁の再トレースに使用される全３６０度回転に対処するために典型的に３６０である。

画像バッファが生成された後で、処理を継続して最終平坦化画像を発生することができる。平坦化最終画像はフライバイワイヤ経路中を再度ステッピングすることにより生成される。フライバイワイヤ経路に沿った各ステップにおいて、カメラはＹ軸周りに９０度回転されて結腸壁に対向する。次に、カメラ（すなわち、仮想観察者の視点）はオリジナルＺ軸周りに、最終平坦化画像発生中に１度の増分で、１８０度回転される。各回転毎に結腸壁に光線が投射される。レイトレーシングすなわち投射プロセスは管腔壁に向かうｚ−ベクトルに沿ってカメラ位置をおよそ１ボクセルだけ増分させて行われる。ここでは１ボクセルステップについて記述されるが、他の長さすなわち多数ボクセルのステップも使用することができる。各ステップにおいて、定められたボクセルの不透明度はステップのその位置で見つかるボクセルの値をユーザにより定義される不透明度テーブルと比較して決定される。その中をステップされるボクセルが不透明度テーブルにおいて典型的にゼロとして定義される空気ではない場合には、その値は予め定められた耐性に関するその不透明度の重みに基づいてボクセル値カウンタに加えられる。あるボクセルは透明であるが、画像に影響を及ぼし、相対重みは非常に小さいことが理解される。解像度およびコントラストに応じてユーザにより決定される予め定められた耐性、または画像を最適化するために選定される他の窓掛けパラメータを超えると、累積ボクセル値が平坦化画像バッファに書き込まれる。

典型的に、描かれる最初のボクセルは平坦化画像バッファ内の最後の垂直線を使用する。この場合、画像バッファｙオフセットは平坦化画像バッファマイナス１の高さである。画像バッファｘオフセットは１８０となる。図９に示すように、平坦化画像は実際上０度で始り１８０度まで回転して画像バッファに描かれる。１８０度回転が完了すると、カメラは結腸壁に対向するそのオリジナル視点にリセットされ、カメラを反対方向に１８０度回転させてプロセスが繰り返される。画像バッファオフセットは１８０にリセットされ、画像のその水平線の右側が最初に描かれるため、各回転毎に増分される。平坦化画像バッファ内の最初の水平線が描かれると、平坦化画像バッファのｙ−オフセットは次の行を書き下ろすために減分される。このプロセスは継続され、フライバイワイヤ経路に沿って前進しコンポジット平坦化ビューが描かれるまでフライバイワイヤ経路に沿った各増分ステップにおいて平坦化プロセスを繰り返す。平坦化画像が完了すると、それはディスクに格納され、図４に示すように、別のウインドウ内にディスプレイすることができる。

図１０は前記した平坦化プロセスを示す一般化されたフロー図である。前記したように、平坦化プロセスの最初のステップは、ボックス７１０に示すように、変数を初期化しプロセスにより使用される適切なバッファおよびルックアップテーブルを設定することである。ボックス７１０において変数を初期化するプロセスはフライバイワイヤ経路に沿って始点をピッキングすることも含んでいる。

変数が初期化されかつフライバイワイヤ経路の始点が選定されると、プロセスはフライバイワイヤ経路に沿って１ステップ前進増分する。増分ステップの長さはユーザが定義することができ、一般的に１．０−２．０ｍｍの範囲内である。ボックス７２０においてフライバイワイヤ経路に沿った最初の前進ステップが完了すると、平坦化フレームサブプロセス７３０が実行される。

前記したように、ボックス７４０において、ユーザの始点を表すカメラが１度分回転される。図７の光線６７で示すように、ボックス７５０において管腔壁に光線が投射される。（図７では光線６５２は３６０度を指しており、第１増分の位置である１度を指す光線は判り易くするために省かれているが、当業者であればその位置を用意に理解できる）。光線が管腔壁に投射されると、ボックス７６０に示すように、ボクセル値が平坦化画像バッファに加えられる。前記したように、光線が結腸壁の内面に遭遇したことを示すゼロよりも大きい不透明度を確認するまで、プロセッサは光線の長さに沿ったボックスの不透明度値を調べる。

ボックス７６０において、ボクセル値が平坦化画像に加えられると、プロセッサはカメラが３６０度回転されているかどうかを確認する。カメラが３６０度回転されていなければ、プログラムはボックス７４０に分岐し戻り、そこでカメラは１度分回転されてボックス７５０および７６０のプロセスが繰り返される。カメラが３６０度回転されておれば、平坦化フレームプロセスはフライバイワイヤ経路上のその点に対して完了しており、プロセスはボックス７８０に分岐し戻る。ボックス７８０において、プログラムはフライバイワイヤ経路の終りに達しているかどうかを確認する。フライバイワイヤ経路の終りに達していなければ、プロセスは７２０に分岐し戻り、そこでフライバイワイヤ経路に沿った場所が１単位（たとえば、１．０ｍｍとすることができる）増分される。フライバイワイヤ経路の全長、またはその選定部、が処理されるまで各増分ステップに対してプロセスは繰り返される。ボックス７２０において前進増分ステップが実行されておれば、プロセスは再度平坦化フレームサブプロセス７３０に遭遇し、必要に応じてそれを繰り返す。ボックス７８０においてフライバイワイヤ経路の終りに達していることが確認されると、ボックス７９０において平坦化画像はディスクその他適切な記憶媒体に格納され、次に、ボックス８００においてディスプレイされる。結腸の他のビューと同期化された平坦化画像のディスプレイの例が図４に示す“Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｗｉｄｔｈ Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｖｉｅｗ”というタイトルのビューに示されている。平坦化ビューデータを含むファイルは映画のように上映することができる、すなわち仮想結腸中の前進または後退飛行を示すようにディスプレイすることができ、航空機飛行シミュレーションプログラムがシミュレートされた地形上を飛ぶ感覚を提供するのと同様に、結腸の表面上を飛ぶ感覚をユーザに提供することが理解される。

平坦化画像内の各水平線は取得される結腸ボリュームデータセット内の三次元位置にリンクされる。平坦化画像はボリューム中のフライバイワイヤ経路に沿って進むことで生成されているため、ユーザは平坦化画像内の定められた位置からボリューム内の正確な場所に跳び戻ることができる。平坦化画像内の垂直位置（直腸から盲腸）は結腸の管腔中心におけるフライバイワイヤ経路に沿った三次元位置を提供する。

平坦化画像からの水平位置を使用して、管腔壁上の三次元位置を得ることができる。この値は平坦化画像内のそのピクセルを生成する光線を投射するのに使用された角度にカメラを回転させるのに使用することができる。この位置から、ちょうど平坦化プロセスにおいてカメラを三次元ボリューム内の実際の位置に移動させるように光線が投射される。光線をこのように投射して、ソリッド組織中の結腸壁内に光線を増分し続けられるようにすれば、結腸壁の表面下ビューを発生することができる。

このように結腸壁の表面下ビューを発生することにより、異状領域に対する粘膜および粘膜下壁厚を評価することができる。たとえば、このような絞り込まれた異状は緩やかに成長する可視ポリープではなく、いかなるスクリーニング手順でも検出することが困難である、急成長する攻撃的な平坦腫瘍から生じるおおよそ７％の結腸直腸癌の一つであることがある。さらに、従来のウインドウ幅およびウインドウレベル設定とは無関係な方法で壁厚を評価することにより、ＣＴ画像データを見て解析するのに狭い高コントラストウインドウ設定に頼る三次元管腔内ビューまたは二次元多面ビューしか使用しないと見過ごすことがある狭窄腫瘍を、見落とす可能性が最小限に抑えられる。

狭められた結腸セグメントが観察される所では、その原因が、不適切な空気注入、痙攣、炎症性腸病または腫瘍等の結腸壁内因性、あるいは、結腸周囲付近の隣接器官または塊等の結腸外因性の管腔を圧縮する構造であることがある。典型的な“肺”ウインドウ設定を使用した場合、不適切な空気注入等の永続的人工的（ａｒｔｉｆａｃｔ）、ある潜伏性病気または構造的異状によって狭められるか否かを観察者が確認するのは、不可能ではないとしても非常に困難である。

この方法の利点は図４を示す可変幅平坦化ビューを参照すれば容易に判る。ここで、基準線２１０は周辺腫瘍により狭窄されている結腸区間の一部に設定されている。図４に示す種類の画像読取りに習熟した人にはお判りのように、周辺腫瘍は図４に示す三次元管腔内ビューからは容易に判らない。やはり図４に示すｍａｇ軸方向、ｍａｇ矢状、またはｍａｇ冠状画像が従来の“肺”ウインドウを使用して与えられておれば（図４では、これらの画像は適切に窓掛けされている）、これらの狭窄腫瘍も見落とされている。しかしながら、表面下ビューは進行した悪性結腸腫瘍を表す結腸壁の厚くなった外皮を示す。

次に、ボリュームデータセットの表面下ビューをレンダリングするプロセスを図１１および１２について説明する。図１１は結腸壁および結腸周辺構造内に光線を進めることにより表面下構造がどのように決定されるかのイラストを含んでいる。図１１には可変幅平坦化ビューの特定区間の表面下ビューを有する可変幅平坦化ビューも含まれている。表面下ビューは再トレーシングプロセスを例示するグラフィックのディスプレイに合わせられる。

図１２は平坦化画像の選定スキャン線に対するボリュームセットの表面下ビューのレンダリングに含まれるさまざまなステップを示す一般化されたフロー図である。

図１１に矢符９００で示すように、ユーザが可変幅平坦化ビュー内の場所を選定していると、表面下ビューの発生に使用されるプロセスが開始する。ボックス９５０に示すように、管腔壁内に光線が投射される。ボックス９７０に示すように、管腔壁内への光線投射において、光線はベクトルに沿ってｘボクセルだけ壁内に進められる。次に、ボックス９８０において、プログラムは投射がｘピクセルだけ進んだかどうかを確認し、それに対する値はユーザにより選択される。投射がｘピクセルだけ進んでいなければ、プロセスはボックス９６０へ分岐し戻って繰り返される。投射がｘピクセル、たとえば、９０ピクセルだけ進んでいることが確認されれば、プログラムはボックス９９０へ分岐し、そこでカメラ（すなわち、視点）は回転し、１度分シフトされる。

このプロセスを絵で表す例が図１１に示されている。ここでは、光線の始点はＡ点で示され、Ｙ−軸に沿った距離ｙは任意にゼロに等しく設定される。この点は典型的に結腸管腔を満たす空気の中心として選定される。次に、プロセッサは結腸壁に向けて光線を外向きに投射する。一般的に、光線は中心点から典型的に９０ピクセルの距離だけ投射され、この解析に対してユーザは他の投射距離を選定することもできる。９０ピクセル、または他の所望するより大きい距離、の光線を投射することにより光線は壁内に投射され、壁の内部構造および壁両側の構造を撮像することができる。光線が投射されると、ボックス９９０において光線が遭遇する任意の構造に対して不透明度テーブルに基づいてボクセル値が計算され、ステップ１０００において表面下画像バッファに加えられる。

図１１に線図で示すように、光線はｙが３５に等しいＢ点、次に、ｙが６５に等しいＣ点に増分投射され続ける。ｙの単位は距離の実際の測定値とすることもできるが、そうでないこともあることを理解しなければならない。あるいは、ｙの単位は中心点から始まって壁内に所望距離だけ延びる所望の解析距離から決定される比例ステップを示すことができる。

ｙが６５に等しい位置Ｃにおいて、光線は結腸の壁に遭遇する。次に、光線はｙが１００に等しいＤ点までの距離だけさらに投射することができ、結腸壁の厚さだけでなく結腸周辺付近内へのある距離をも含む画像をレンダリングする。

このステップワイズプロセスも図１１に示す表面下ビュー内で観察することができる。表面下ビューにおいて、Ａ点は結腸管腔を満たす空気の中心における始点を表す。Ｃ点は結腸壁の内面を表す。表面下ビュー内のＤ点に光線が投射されると、結腸周辺構造の幾分かだけでなく結腸の構造をも見ることができる。このようにして、平坦化結腸の背景と区別をつけるのが極端に困難である、矢符９００で示す、結腸壁の表面上に位置する異状を、矢符９０５で示すように、表面下ビューにおいて容易に見ることができる。

表面下ビューは、平坦化ビューと協調して、結腸を見る二つの異なる方法をユーザに提供する。平坦化ビューは結腸の壁から延びる、ポリープ等の、構造の表面評価データを含む結腸の広げられた航空学表面地形図になぞらえることができる。対照的に、表面下ビューは結腸壁表面の上下構造のビューを提供する。このようにして、本発明の原理に従って発生される表面下ビューは、ＣＴスキャンデータの解析に現在利用可能な任意他のビューでは見ることができない異状すなわち病気関連アーチファクトを観察する能力をユーザに与える実質的な利点を提供する。

再度図１２に戻って、投射がｘピクセル進んだ後で、プロセスはボックス９９０へ戻り、そこでカメラすなわちユーザの視点は１度分回転される。次に、ボックス１０００において、プロセスはカメラが３６０回回転されている、したがって、結腸壁の内面全体の周りを回転しているかどうかを確認する。カメラが３６０回回転されておれば、プログラムはボックス１０１０へ分岐し表面下ボリュームがディスプレイされる。カメラが３６０回回転されていなければ、プログラムはボックス９５０へ分岐し戻り、そこで全体画像がレンダリングされるまで管腔壁内への光線の投射が繰り返される。

本発明の方法を使用して発生される等方性データセットはコンピュータ支援診断システムに対する入力として使用することもできる。このようなシステムでは、データセットはパターン認識ソフトウェアを使用してさらに処理することができる。このようにして、ポリープまたは他の異状構造を識別する三次元特徴の計算により異状を識別することができる。二次方程式判別解析、ヒステリシス閾値およびファジークラスタリングの適用等のさまざまな技術を使用して異状構造の擬陽性識別の発生を低減することができる。

図１３はパターン認識を使用して結腸内の構造的異状を識別する診断を行うのに使用されるステップを一般的に説明するフロー図である。前記した方法を使用して、ボックス１１１０において、ＣＴスキャンデータが処理されて三次元ボリュームデータセットが発生される。ボックス１１２０に示すように、全体結腸または結腸の選定部を表すデータを三次元ボリュームデータセットから抽出することができる。

次に、ボックス１１３０において、抽出されたデータセットはボリュームデータセットの三次元特徴を、ポリープ等の、結腸内で見つかる異状の幾何学形状を表すように決められている一組の予め定められた地理的形状と比較するように設計されているパターン認識プログラムを使用して処理される。プログラムは異状が見つかる三次元データベース内の座標を含む異状のリストを発生し、それは視覚により異状を評価して、異状が適切に識別されているか、またそれが異状に似た単なる構造的特徴であって良性であることを決定するのに使用することができる。異状を表すデータはデータセットから抽出して将来の解析のために別個に格納することもできる。

必須ではないが、ボリューム１４０に示すように、三次元データセットをさらに処理して異状構造の識別をさらに明確に定めて擬陽性、すなわち、異状とタグ付けされたが実際上良性である構造の発生を低減するのが望ましいことがある。さらなる処理は全体データセット、または識別された異状の位置を取り巻く結腸の領域を表すボリュームデータを含む抽出されたデータセットに実施される。このようなさらなる処理は二次方程式判別解析、ヒステリシス閾値およびファジークラスタリング等の従来技術で既知のさまざまな技術をデータに適用して異状の識別を改善し擬陽性の発生を低減することを含んでいる。

全処理が完了すると、ボックス１１５０において報告が発生され外科医および／または患者の医師へ通信される。この報告はスキャンおよびスキャン中に識別された異状に関するさまざまな情報を含み、医師による患者の診断および治療を助けようとするものである。

このような報告の例が図１４および１５に示されている。図１４は患者の全体結腸のビューを示し、特定のセグメントが識別される。図１５は図１４で識別されたセグメントに合わせられたコンピュータ発生報告を示している。これらの報告は医師が使用するのに適しており、医師が患者に直接与えて患者が自分の状態、および医師が示唆する任意の処置を理解するのを助けるようにすることができる。

本発明のシステムおよび方法のさまざまな実施例の特に有利な応力は比較的低廉なコンピュータおよびデータベースを使用して自動的、または半自動的にボリュームデータセットをレンダリングし、異状を診断し報告を発生する能力、および一つ以上のスキャニングセンターから遠隔解析サイトに通信されるデータを使用してそうする能力である。たとえば、本発明の一実施例は集中システムまたは中央解析場所に通信される大きなボリュームのＣＴスキャンデータの解析を考えている。このようなシステムによりスキャニングセンターはデータの解析および報告の発生も行わなければならないオーバヘッドを負わせられることなく患者をスキャンすることができる。たとえば、本発明のシステムおよび方法を使用する単一解析センターは１００以上のスキャニングセンターからＣＴスキャンデータを受信して解析する。

解析センターにより受信されたデータはセンターにより処理されるか、あるいは、２次センターへ送って処理することができる。データが２次センターへ送られる場合、２次センターにより発生される報告および／またはボリュームデータセットは解析センターへ返送されて発信スキャニングセンターまたはスキャニングセンターにより識別された外科医および／または医師に通信される。また、このようなシステムは熟練した専門家を使用してデータの解析を行い、結果は放射線技師に報告され、そこでスキャンデータを読んだ後の意見や治療に対する示唆を含む報告を作成して適切な外科医や医師に通信することができる。

当業者ならば、患者の結腸の撮像に関して本発明のシステムおよび方法を説明してきたが、本発明のさまざまな実施例を身体の他の構造のスキャニングおよび解析に同等に応用できることを理解できる。たとえば、説明された平坦化および表面下方法は、気管、食道、等の身体の任意の管状構造を撮像および解析するのにも同等に有用である。

本発明の特定の実施例を例示して説明してきたが、発明の精神および範囲を逸脱することなくさまざまな修正を行えることは明らかである。したがって、本発明は添付特許請求の範囲による以外は制限されないものとする。

本発明の実施例に従って、ＣＴスキャンデータを遠隔コンピュータに送信して処理およびディスプレイする通信手段を含む、患者のＣＴスキャンを行うシステムのグラフィック表現である。 本発明の実施例を診断に使用する一般化されたプロセスを示すブロック図である。 フライバイワイヤ経路の管腔中心点の識別を示す患者の結腸の二次元画像の図である。 本発明の方法を使用してＣＴスキャンデータから引き出される患者の結腸のさまざまなビューを示す代表的なディスプレイの図である。 本発明の方法を取り入れたソフトウェアプログラムの一般的なプロセスを示す略図である。 本発明の方法に従ってレンダリングされた患者の結腸の二次元画像の図である。 結腸壁の管腔中心点からの光線の描画を示す結腸の一区間の略図である。 図７の結腸区間の平坦化された区間の側面図である。 結腸の一区間の平坦化された区間と頭上ビューとの関係を示すグラフィックディスプレイである。 結腸区間の三次元画像の平坦化に含まれるステップを表すフロー図である。 本発明の方法を使用してレンダリングされた画像のディスプレイを表す２つのビューと調整された、管腔中心点から結腸壁を抜ける光線の進行を表す点を含む結腸断面ビューの複合ビューである。 結腸壁の一区間の表面下ビューの計算およびディスプレイに含まれるステップを表すフロー図である。 本発明の側面を使用して発生され格納されたデータのパターン認識ソフトウェア解析を使用して実施されるコンピュータ支援診断を含む本発明の実施例を表すフロー図である。 本発明のシステムおよび方法を使用して発生することができる報告の一実施例のグラフィック表現である。 図１４の実施例と調整される本発明のシステムおよび方法を使用して発生される報告のもう一つの実施例のグラフィック表現である。

Claims (13)

1. 壁により画定される管腔を有する管状体構造の撮像方法であって、
   管状体の縦軸に沿った身体の管状構造の複数の断面画像を表すデータを含むデータセットを提供するステップと、
   データセットを処理して管状体の三次元画像を再構成するステップと、
   三次元画像の管腔を通る中心経路を識別するステップと、
   中心経路に沿った始点を選定するステップと、
   始点で始り結腸の三次元画像の縦方向長さに沿って続くデータを処理し三次元画像の平坦化されたビューをレンダリングするステップと、
   平坦化されたビューを表すデータを画像バッファ内に格納するステップと、
   画像の平坦化されたビューをディスプレイするステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
   中心経路に沿った点を選定するステップと、
   選定された点のデータを処理し選定された点における管状構造の壁の断面画像をレンダリングするステップと、
   管状構造の壁の断面画像をディスプレイするステップと、
   を含む方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   データ処理および平坦化画像レンダリングステップは、
   光線の方向は視角に対応する、始点から壁に光線を投射するステップと、
   画像バッファにボクセル値を加えるステップと、
   を含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、さらに、
   視角を１度分シフトするステップと、
   始点から壁にもう１本の光線を投射するステップが、光線の方向は視角が初期始点から合計３６０度シフトされていない場合にシフトされた視角に対応するステップと、
   を含む方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、さらに、
   視角が初期始点から合計３６０度シフトされている場合は、管腔の縦軸に沿って始点を選定値だけ進めるステップと、
   管腔の全長が処理されるまで光線を投射しボクセル値を画像バッファ内に格納するステップを繰り返すステップと、
   を含む方法。
6. 管状構造は結腸である、請求項４に記載の方法。
7. 壁の外部に隣接する組織を含む身体の管状構造の壁の内部ビューを生成する方法であって、
   （ａ）管状体の縦軸に沿った身体の管状構造を表す三次元ボリュームを表すデータを含むデータセットを提供するステップであって、管状体は壁により画定される管腔を有するステップと、
   （ｂ）管状体の縦軸に沿って配置された中心経路に沿った始点を選定するステップと、
   （ｃ）始点から光線に沿って壁に向かって進むことにより壁に向かって選定距離だけ光線を投射するステップと、
   （ｄ）光線の各ステップの位置におけるボクセル値を計算するステップと、
   （ｅ）ボクセル値を画像バッファに加えるステップと、
   （ｆ）光線の角投射が１度増分するステップと、
   （ｇ）始点が選定されてから光線の角投射が３６０度増分されているかどうかを確認するステップと、
   （ｈ）増分された角状を有する光線を壁に向けて投射するステップと、
   （ｉ）光線の角投射が３６０度増分されるまでステップ（ｄ）から（ｈ）を繰り返すステップと、
   （ｊ）表面下ボリューム画像をディスプレイするステップと、
   を含む方法。
8. 管状構造は結腸である、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
   三次元ボリュームデータセットを予め定められた異状を表す幾何学パターンのライブラリと比較するステップと、
   予め定められた公差内で幾何学パターンのライブラリの少なくとも一つと一致すると確認される場合に、三次元ボリュームデータセット内に含まれる構造を異状として識別するステップと、
   を含む方法。
10. 請求項７に記載の方法であって、さらに、
    三次元ボリュームデータセットを予め定められた異状を表す幾何学パターンのライブラリと比較するステップと、
    予め定められた公差内で幾何学パターンのライブラリの少なくとも一つと一致すると確認される場合に、三次元ボリュームデータセット内に含まれる構造を異状として識別するステップと、
    を含む方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、さらに、
    識別された異状構造をさらに処理して識別された構造が異状ではないかどうかを確認する、ステップを含む方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    識別された異状構造をさらに処理して識別された構造が異状ではないかどうかを確認する、ステップを含む方法。
13. 患者の身体部のスキャン中に発生されたデータのビューをディスプレイするシステムであって、
    スキャンデータを格納するメモリと、
    スキャンデータを解析するようにプログラミングすることができるプロセッサであって、メモリと通信しメモリ内のデータを操作して三次元ボリュームの平坦化されたビューをレンダリングするプロセッサと、
    平坦化されたビューをディスプレイするディスプレイと、
    を含むシステム。

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