JP2008017906A - 画像処理方法および画像処理プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる画像処理方法および画像処理プログラムを提供する。
【解決手段】ポリープ12の表面のグラディエント値Gと仮想光線11の方向Sに対してシェーディング係数β1(矢印C:β1=G・S[・は内積])を取得する。そして、例えば、ルックアップテーブル(LUT)を用いた変換関数fにより、シェーディング係数β1をβ2に変換し(矢印D:β2=f(β1),β2<β1)、擬似的に小さくしたシェーディング係数β2を利用して、あたかも膨らみの大きいポリープ14のような陰影で描画し、そのエッジの陰影部分を強調する。
【選択図】図5
【解決手段】ポリープ12の表面のグラディエント値Gと仮想光線11の方向Sに対してシェーディング係数β1(矢印C:β1=G・S[・は内積])を取得する。そして、例えば、ルックアップテーブル(LUT)を用いた変換関数fにより、シェーディング係数β1をβ2に変換し(矢印D:β2=f(β1),β2<β1)、擬似的に小さくしたシェーディング係数β2を利用して、あたかも膨らみの大きいポリープ14のような陰影で描画し、そのエッジの陰影部分を強調する。
【選択図】図5
Description
本発明は、観察対象に仮想光線を投射し、前記観察対象からの仮想反射光を計算して画像を生成する画像処理方法および画像処理プログラムに関する。
近年、コンピュータを用いた画像処理技術の進展に伴い、3次元物体の内部を可視化する技術が注目されている。特に、医療分野では、生体内部を可視化することにより病巣を早期に発見することができるCT(Computed Tomography)装置もしくはMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置による医療診断が広く行われている。
また、物体内部の3次元画像を得る方法として、ボリュームレンダリングという方法が知られている。このボリュームレンダリングでは、3次元のボクセル(微小体積要素)空間に対して光(レイ)を照射することにより投影面に画像が投影される。この操作をレイキャスティングと称する。このレイキャスティングでは、レイの経路に沿って一定間隔でサンプリングし、各サンプリング点のボクセルからボクセル値を取得する。
ボクセルは、物体の3次元領域の構成単位であり、ボクセル値は、ボクセルの濃度値等の特性を表わす固有のデータである。物体全体はボクセル値の3次元配列であるボクセルデータで表現される。通常、CTにより得られる2次元の断層画像データを断層面に垂直な方向に沿って積層し、必要な補間を行うことにより3次元配列のボクセルデータが得られる。
レイキャスティングでは、仮想視点から物体に対して照射された仮想光線に対する仮想反射光は、ボクセル値に対して人為的に設定される不透明度に応じて生ずるものとされる。そして、仮想的な表面を捕捉するためにボクセルデータのグラディエントすなわち法線ベクトルを求め、仮想光線と法線ベクトルのなす角の余弦から陰影付けのシェーディング係数を計算する。仮想反射光は、ボクセルに照射される仮想光線の強度にボクセルの不透明度とシェーディング係数を乗じて算出される。
図8(a)は、人体内部の管状組織を可視化する場合として、大腸をボリュームレンダリングの平行投影法により表示した例を示す。このようなボリュームレンダリングによれば、腹部の断層面に垂直な方向に沿って順次得られる2次元の断層画像データから、大腸の3次元構造を透視するイメージ画像を形成することができる。しかしながら、平行投影法による画像は、外部からの観察には適しているが内側からの観察には適していない。
図8(b)は、ボリュームレンダリングで大腸内部の透視投影画像を作成することによって仮想内視鏡(Virtual Endoscope)を構成した例を示す。このように、ボクセルデータを管状組織の内部の視点から再構成することによって、内視鏡検査を模擬することができ、管状組織内部のポリープ等を発見することができる。しかし、仮想内視鏡画像には一度に表示される領域が狭いので、診断を行うには多数の仮想内視鏡画像を参照する必要があるという欠点がある。
図9は、円筒座標系を利用した管状組織の展開表示の例を示す。上述のように、透視投影法によれば大腸等の内視鏡検査を模擬することができるが、仮想光線を放射状に照射するため、大腸の内部を移動しながら検査する場合に、ポリープ等の管壁における位置あるいはポリープ等の大きさを正確に把握することが難しい。
そこで、図9(a)に示すように、管状組織(大腸等)22の中心線23上に仮想視点21をとり、仮想視点21から仮想光線11を中心線23に垂直な方向に放射することにより、管状組織22の内壁面の画像を生成する。そして、その画像を中心線23に平行に切り開いて、図9(b)に示すような、管状組織22の内壁面の展開表示を行う。
このように円筒座標系を利用した円筒投影法では、管状組織22の内部に円筒座標系を仮定し、その中心線23より放射状に投影を行うことにより、管状組織22の内壁面の360度パノラマ画像を作成することができる。これにより、管状組織22の内壁面にあるポリープの位置および大きさを正確に把握することができる。
図10は、観察対象の管状組織22が屈曲している場合の屈曲円筒投影法を説明するための図である。屈曲円筒投影法は、図10(a),(b)に示すように、観察対象の管状組織22が屈曲している場合に、屈曲した中心線23から仮想光線11を放射して投影する方法である。このように屈曲円筒投影法によれば、屈曲している実際の人間の臓器に沿った中心線(Central Path)23を仮定し、それを中心に投影することにより、CTデータにより仮想内視鏡検査を行うことができる。なお、屈曲円筒投影法は円筒投影法に含まれる。
図11は、従来のレイキャストにおけるフローチャートを示す。このフローチャートは、画面上の各ピクセルの計算方法を示しており、以下の計算が画像上の全ピクセル分行われる。
従来のレイキャストでは、まず、仮想光線の投影開始点O(x,y,z)、および計算ステップΔS(x,y,z)を設定し(ステップS51)、反射光E=0、残存光I=1、現在計算位
置X(x,y,z)=Oに初期化する(ステップS52)。
置X(x,y,z)=Oに初期化する(ステップS52)。
次に、X(x,y,z)位置周辺のボクセルデータよりX位置、補間ボクセル値 Vを求め(ステップS53)、補間ボクセル値 V に対応する不透明度αを得る(ステップS54)。また、補間ボクセル値 V に対応するカラー値Cを得る(ステップS55)。
次に、X(x,y,z)位置周辺のボクセルデータよりX位置、グラディエントベクトル値Gを求め、光線方向X-OとGよりシェーディング係数βを求める(ステップS56)。グラディエントベクトル値は計算箇所周辺のボクセル値の勾配であり、ボリュームデータ上に表現されるオブジェクトの表面の方向を表現する。本例ではグラディエントベクトル値は単位ベクトルに変換したものを用いている。これは、グラディエントベクトル値が方向成分であることを明確にするためであり、単位ベクトルであることは必要な条件ではない。また、シェーディング係数は仮想的な陰影を数値化したものである。また、X(x,y,z)位置の減衰光D及び部分反射光Fを、D=I *α、F=β*D*Cにより計算する(ステップS57)。そして、反射光E、残存光IをI = I -D、E = E + Fにより更新し、現在計算位置をX = X + ΔSにより進行させる(ステップS58)。
次に、Xは終了位置まで来たか、または残存光Iが0になったかを判断し(ステップS59)、Xが終了位置でなく、残存光Iが0でない場合(no)は、ステップS53にもどる。一方、Xが終了位置に来たか、または残存光Iが0になった場合は(yes)は、反射光Eを計算ピクセルのピクセル値として計算を終了する(ステップS60)。
しかしながら、従来の円筒投影法では、観察対象に対して管状組織の中心線から垂直に仮想光線を投射するので、膨らみの少ないポリープ等の陰影が描画されず、医療診断において小さなポリープを早期に発見することが困難な場合があった。
図12は、従来の円筒投影法の問題点を説明するための図であり、図12(a)は、管状組織22に対して中心線23から仮想光線11を垂直に投射する様子を示す。また、図12(b)は、管状組織22の内部表面における膨らみの少ないポリープE、および膨らみの大きいポリープFを示す。膨らみの少ないポリープEには傾斜の少ないエッジ31,32があり、膨らみの大きいポリープFには傾斜の大きいエッジ33,34がある。また、図12(c)は、円筒投影法による管状組織22の内部表面の画像である。図12(c)に示すように、膨らみの大きいポリープFは、エッジの陰影が明瞭で発見しやすいが、膨らみの少ないポリープEは、エッジの陰影が不明瞭で発見しにくい。
管状組織22の内部表面を円筒投影法により画像化する目的の一つは、管状組織22の内部表面のポリープを早期発見することにあるが、従来の円筒投影法では、中心線23から組織に対して垂直に仮想光線11を投射するので、エッジの陰影が目立たないポリープEが見逃されがちであった。
一方、従来から並行投影法や透視投影法では、観察対象の凹凸を目立たせるために、観察対象の斜め方向から副光源を照射することが行われている。図13は、従来技術において副光源を利用した場合の問題点を説明するための図である。同図に示すように、仮想光線11を管状組織22に垂直に投射して画像を作成する場合に、仮想副光源35を仮想光線11とは異なる方向から照射し、観察対象の影を生成して凹凸を目立たせる場合がある。
しかしながら、この方法では、仮想副光源35の反対側にあるポリープE,Fのエッジ32,34は強調されるが、仮想副光源35が直接照射されるポリープE,Fのエッジ31,33の影はかえって薄くなって輪郭が不明瞭になる。このため、ポリープの早期発見を目的とする医療診断には不適格である。
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる画像処理方法および画像処理プログラムを提供することを目的としている。
本発明の画像処理方法は、ボリュームデータを用いた画像処理方法であって、前記ボリュームデータに仮想光線を投射するステップと前記ボリュームデータ内の陰影情報を有するもしくは構成する1以上のパラメータを取得するステップと、前記パラメータを変換するステップと、変換したパラメータに基づいて、仮想反射光を計算するステップと、を有する。上記構成によれば、擬似的に、陰影情報が大きいものとして仮想反射光を計算することができるため、観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる。
また、本発明の画像処理方法は、前記パラメータを変換するステップが、仮想反射光、グラディエント、シェーディング係数、残存光量、および、グラディエントと仮想光線との間の角度から選択した少なくとも一つのパラメータを変換するものである。
また、本発明の画像処理方法は、前記パラメータを変換するステップが、陰影情報を強調するのが目的であるものである。また、本発明の画像処理方法は、前記ボリュームデータには、臓器を表現するボリュームデータが含まれるものである。上記構成によれば、人体内部の大腸等の管状組織表面のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる。
また、本発明の画像処理方法は、前記パラメータを変換するステップが、区分連続関数によりパラメータを変換するものである。上記構成によれば、簡易な計算処理で、エッジの陰影を強調した画像を生成することができる。
また、本発明の画像処理方法は、前記ボリュームデータを円筒投影法により描画するものである。また、本発明の画像処理方法は、ネットワーク分散処理により画像を生成するものである。また、本発明の画像処理方法は、GPUを使用して画像を生成するものである。また、本発明の画像処理プログラムは、コンピュータに、本発明の各ステップを実行させるための画像処理プログラムである。
本発明によれば、擬似的に、陰影情報が大きいものとして仮想反射光を計算することができるため、観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる。
図1は、本発明の一実施形態にかかる画像処理方法で使用されるコンピュータ断層撮影(CT)装置を概略的に示す。コンピュータ断層撮影装置は、被検体の組織等を可視化するものである。X線源101からは同図に鎖線で示す縁部ビームを有するピラミッド状のX線ビーム束102が放射される。X線ビーム束102は、例えば患者103である被検体を透過しX線検出器104に照射される。X線源101及びX線検出器104は、本実施形態の場合にはリング状のガントリー105に互いに対向配置されている。リング状のガントリー105は、このガントリーの中心点を通るシステム軸線106に対して、同図に示されていない保持装置に回転可能(矢印a参照)に支持されている。
患者103は、本実施形態の場合には、X線が透過するテーブル107上に寝ている。このテーブルは、図示されていない支持装置によりシステム軸線106に沿って移動可能(矢印b参照)に支持されている。
従って、X線源101及びX線検出器104は、システム軸線106に対して回転可能でありかつシステム軸線106に沿って患者103に対して相対的に移動可能である測定システムを構成するので、患者103はシステム軸線106に関して種々の投影角及び種々の位置のもとで投射されることができる。その際に発生するX線検出器104の出力信号は、ボリュームデータ生成部111に供給され、ボリュームデータに変換される。
シーケンス走査の場合には患者103の層毎の走査が行なわれる。その際に、X線源101及びX線検出器104はシステム軸線106を中心に患者103の周りを回転し、X線源101及びX線検出器104を含む測定システムは患者103の2次元断層を走査するために多数の投影を撮影する。その際に取得された測定値から、走査された断層を表示する断層像が再構成される。相連続する断層の走査の間に、患者103はその都度システム軸線106に沿って移動される。この過程は全ての関心断層が捕捉されるまで繰り返される。
一方、スパイラル走査中は、X線源101及びX線検出器104を含む測定システムはシステム軸線106を中心に回転し、テーブル107は連続的に矢印bの方向に移動する。すなわち、X線源101及びX線検出器104を含む測定システムは、患者103に対して相対的に連続的にスパイラル軌道上を、患者103の関心領域が全部捕捉されるまで移動する。本実施形態の場合、同図に示されたコンピュータ断層撮影装置により、患者103の診断範囲における多数の相連続する断層信号がボリュームデータ生成部111に供給される。
ボリュームデータ生成部111で生成されたボリュームデータは、画像処理部117内の中心パス設定部112に導かれる。中心パス設定部112は、ボリュームデータに含まれる管状組織の中心パスを設定するものである。平面生成部114は、設定された中心パス及びボリュームデータから円筒投影に用いる仮想光線が通過する平面を決定する。平面生成部114で生成された平面は、円筒投影部115に供給される。
円筒投影部115は、ボリュームデータを平面生成部114で作成された平面に従って円筒投影を行い、円筒投影画像を生成する。円筒投影部115で処理された円筒投影画像はディスプレイ116に供給され表示される。また、ディスプレイ116には円筒投影画像の他、ヒストグラムの合成表示、複数の画像の並列表示、複数の画像を順次表示するアニメーション表示、あるいは仮想内視鏡(VE)画像との同時表示などを行う。
また、操作部113はGUI(Graphical User Interface)を含み、キーボードやマウスなどからの操作信号に応じて、中心パスの設定や、平面生成の設定や、球面円筒投影における表示角度の設定を行い、設定値の制御信号を生成し中心パス設定部112、平面生成部114、円筒投影部115に供給する。これにより、ディスプレイ116に表示された画像を見ながら画像をインタラクティブに変更し、病巣を詳細に観察することができる。
図2は、本発明の概念である陰影強調を説明するための図である。図2(a)に示すように、円筒投影法では、仮想光線11は観察対象であるポリープ12に垂直に投射される。このとき本発明では、ポリープ12の膨らみが小さい場合に、図2(b)に示すように、擬似的に膨らみが大きいポリープ13として描画する。
すなわち、観察対象であるポリープ12に仮想光線11を投射し、ポリープ12から反射される仮想反射光を計算して画像を生成する場合に、ポリープ12の表面におけるグラディエントベクトル値から陰影を計算する際に、陰影が強調されるように、すなわち、ポリープ12が擬似的に膨らみが大きいポリープ13であったかのように、ポリープ12のパラメータを変換し、変換したパラメータに基づいてポリープ12からの仮想反射光を計算する。パラメータの変換量は、グラディエントベクトル値および仮想光線の方向ベクトルを用いて決定する。
本発明の実施形態によれば、擬似的に、グラディエントと仮想光線の方向ベクトルの角度が大きいものとして仮想反射光を計算することができるため、観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成し、観察対象の輪郭を明瞭に表示することができる。
図3は、本発明の画像処理方法の実施例1を説明するための図である。本実施例では、ポリープ12の表面を構成するボクセルにおけるグラディエントベクトル値の方向を利用して、図3(a)に示すように、ポリープ12の組織表面と仮想光線11との間の角度θ1(矢印A)を取得する。
そして、図3(b)に示すように、例えば、ルックアップテーブル(LUT)または区間連続関数などの変換関数fにより、角度θ1を角度θ2に変換し(矢印B:θ2=f(θ1),θ2>θ1)、角度θ2を擬似的に角度θ1より大きくし、あたかも膨らみの大きいポリープ14のように描画しその陰影を強調する。
図4は、本実施例のLUT関数の例を示す。同図に示すように、エッジ部分の角度θ1が小さい場合に、LUT関数によりその角度をθ1からθ2に擬似的に大きくなるように変換して描画する。また、LUT関数は、GUIにより変更可能とし、ユーザがエッジの陰影の強調の程度やエッジの見え方を容易に変更することができる。
上記構成によれば、区分連続関数またはLUT関数により、観察対象の表面形状に依存するパラメータ(組織表面と仮想光線との間の角度)を変換することにより、観察対象のエッジの陰影を簡易な計算処理で強調することができ、観察対象の輪郭を明瞭に表示することができる。また、LUT関数をGUIにより変更するので、医療診断において観察対象の見え方を医師が簡単に設定することができる。
図5は、本発明の画像処理方法の実施例2を説明するための図である。本実施例では、ポリープ12の表面を構成するボクセルにおけるグラディエントベクトル値の方向を利用して、図5(a)に示すように、ポリープ12の表面のグラディエント値Gと仮想光線11の方向Sに対して陰影を表現するシェーディング係数β1(矢印C:β1=|G・S|[・は内積])を取得する。
そして、図5(b)に示すように、例えば、ルックアップテーブル(LUT)を用いた変換関数fにより、シェーディング係数β1をβ2に変換し(矢印D:β2=f(β1),β2<β1)、擬似的に小さくしたシェーディング係数β2を利用して、あたかも膨らみの大きいポリープ14のような陰影で描画し、そのエッジ部分を強調する。
図6は、本実施例のLUT関数の例を示す。同図に示すように、エッジ部分のシェーディング係数pが小さい場合に、LUT関数によりそのシェーディング係数をpからqに擬似的に小さくして描画する。また、LUT関数は、GUIにより変更可能とし、エッジの陰影の強調の程度やエッジの見え方をユーザが容易に変更することができる。
上記構成によれば、LUT関数により、観察対象の表面形状に依存するパラメータを変換することにより、観察対象のエッジの陰影を簡易な計算処理で強調することができ、観察対象の輪郭を明瞭に表示することができる。また、LUT関数をGUIにより変更するので、医療診断において観察対象の見え方を医師が簡単に設定することができる。
図7は、本実施形態の画像処理方法におけるレイキャストのフローチャートを示す。このフローチャートは、画面上の各ピクセルの計算方法を示し、以下の計算が画像上の全ピクセル分行われる。
本実施形態の画像処理方法では、まず、仮想光線の投影開始点O(x,y,z)、および計算ステップΔS(x,y,z)を設定し(ステップS11)、反射光E=0、残存光I=1、現在
計算位置X(x,y,z)=Oに初期化する(ステップS12)。
計算位置X(x,y,z)=Oに初期化する(ステップS12)。
次に、X(x,y,z)位置周辺のボクセルデータよりX位置、補間ボクセル値 Vを求め(ステップS13)、補間ボクセル値 V に対応する不透明度αを得る(ステップS14)。また、補間ボクセル値 V に対応するカラー値Cを得る(ステップS15)。
次に、X(x,y,z)位置周辺のボクセルデータよりX位置、グラディエントベクトル値 G を求め、光線方向X-OとGよりシェーディング係数β1を求める(ステップS16)。そして、陰影情報を有するパラメータであるシェーディング係数をβ2=f(β1)により変換する(ステップS17)。
次に、X(x,y,z)位置の減衰光D及び部分反射光Fを、D = I * α、F = β2*D* Cにより計算し(ステップS18)、反射光E、残存光Iを、I = I -D、E = E + Fにより更新し、現在計算位置を、X = X + ΔSにより進行させる(ステップS19)。
次に、Xが終了位置まで来たかどうか、または残存光Iが0になったかどうかを判断し(ステップS20)、Xが終了位置でなく、残存光Iが0になっていない場合(no)は、ステップS13に戻り、Xが終了位置まで来たか、または残存光Iが0になった場合(yes)は、反射光Eを計算ピクセルのピクセル値として計算を終了する(ステップS21)。
このように本実施形態にかかる画像処理方法によれば、ボリュームデータ内の陰影情報を有するもしくは構成する1以上のパラメータを取得し、取得したパラメータを変換して、変換したパラメータに基づいて、仮想反射光を計算することにより、擬似的に、陰影(シェーディング係数)が大きいものとして仮想反射光を計算することができるため、観察対象のエッジの陰影を強調した画像を生成することができる。これにより、観察対象が人体内部の臓器であり、特に、大腸等の屈曲部を有する管状組織を可視化する場合、組織の内壁表面に存在するポリープ等のエッジ部分を擬似的に強調表示してポリープ等の輪郭を明瞭に表示することができるため、ポリープ等の存在を明確に把握することができる。
なお、以上の説明では、エッジの陰影を強調するために変換するパラメータとして、観察対象表面におけるグラディエントと仮想光線との間の角度、および、シェーディング係数をそれぞれ用いる場合を示したが、他のパラメータを変換してもよい。変換するパラメータとしては、仮想反射光、グラディエントベクトル値、グラディエントと仮想光線との間の角度、および、残存光量のいずれか一つ、及びこれらの組み合わせでもよい。
また、投影画像を生成する計算処理は、GPU(Graphic Processing Unit)により行うことができる。GPUは、汎用のCPUと比較して特に画像処理に特化した設計がなされている演算処理装置で、通常CPUとは別個にコンピュータに搭載される。
また、本実施形態の画像処理方法は、ボリュームレンダリングの計算を所定の角度単位、画像の領域、ボリュームの領域等で分割し、後で重ね合わせることができるので、パラレル処理やネットワーク分散処理、専用プロッセッサ、或いはそれらの複合により行うことができる。
11 仮想光線
12,13,14 ポリープ
21 仮想視点
22 管状組織(大腸)
23 中心線
31,32,33,34 エッジ
35 副光源
101 X線源
102 X線ビーム束
103 患者
104 X線検出器
105 ガントリー
106 システム軸線
107 テーブル
111 ボリュームデータ生成部
112 中心パス生成部
113 操作部
114 平面生成部
115 円筒投影部
116 ディスプレイ
117 画像処理部
12,13,14 ポリープ
21 仮想視点
22 管状組織(大腸)
23 中心線
31,32,33,34 エッジ
35 副光源
101 X線源
102 X線ビーム束
103 患者
104 X線検出器
105 ガントリー
106 システム軸線
107 テーブル
111 ボリュームデータ生成部
112 中心パス生成部
113 操作部
114 平面生成部
115 円筒投影部
116 ディスプレイ
117 画像処理部
Claims (9)
- ボリュームデータを用いた画像処理方法であって、
前記ボリュームデータに仮想光線を投射するステップと
前記ボリュームデータ内の陰影情報を有するもしくは構成する1以上のパラメータを取得するステップと、
前記パラメータを変換するステップと、
変換したパラメータに基づいて、仮想反射光を計算するステップと、
を有する画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
前記パラメータを変換するステップは、仮想反射光、グラディエント、シェーディング係数、残存光量、および、グラディエントと仮想光線との間の角度から選択した少なくとも一つのパラメータを変換する画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
前記パラメータを変換するステップは、陰影情報を強調するのが目的である画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
前記ボリュームデータには、臓器を表現するボリュームデータが含まれる画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
前記パラメータを変換するステップは、区分連続関数によりパラメータを変換する画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
前記ボリュームデータを円筒投影法により描画する画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
ネットワーク分散処理により画像を生成する画像処理方法。 - 請求項1記載の画像処理方法であって、
GPUを使用して画像を生成する画像処理方法。 - コンピュータに、請求項1ないし8のいずれか一項記載の各ステップを実行させるための画像処理プログラム。
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