JP2012503501A - 医用画像診断のシミュレーション - Google Patents

Abstract

臓器を画像化する処理をシミュレートするための方法が記載される。本方法は、上記臓器の三次元立体モデルをメモリーから取り出すステップであって、上記三次元立体モデルは上記臓器の三次元構造体と上記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、上記三次元構造体は上記臓器の表面と内部構成物の形状を表現する、ステップと、撮像装置の位置と向きに従って上記三次元モデルのスライスを作成するステップであって、上記スライスは上記表面と上記内部構成物の形状の断面を含む、ステップと、上記スライスに従って画像を描画するステップと、上記画像を表示するステップと、を含んでなる。

Description

関連出願の相互参照

本願は、その内容が参照により本文書に援用される、２００８年９月２５日付申請の米国仮特許出願第６１／１００，０８３号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張する。

本発明は、医用画像診断のシミュレーションの分野に関係し、特に、超音波画像診断用のプローブなどの撮像装置を使用する医用画像診断に関係する。

超音波画像診断シミュレータは、超音波検査法の技術を学生に学ばせるトレーニングに使用される。しかし、このような種類の装置を使用して提供されるトレーニングは限られている。ある超音波診断トレーニング装置は、超音波装置またはその他の医療診断装置の精密なスキャニングに基づく三次元配列の超音波データセットを使用するが、このような超音波データセットを得るには時間もかかり費用もかかる。スキャニング中に得られた様々な超音波「スライス」は、逐次、データベースに保存され、スライス間の空白を埋めるために、補間法が使用される。大体の場合、上記のデータベースは、健常な患者、または緊急治療を必要としない病変程度の軽い患者から得たものである。すぐに治療介入が必要である希有な病変または病状を含む超音波データセットを得ることは非常に難しい―というのは、こうした患者に対して、対象領域または臓器の完全なスキャンを長時間にわたり行なうのは不可能であることが多いからである。

さらに、どの場合にしてもデータの量またはデータセットの量は有限である。スキャニング窓及び角度は、実際の臨床検査に比べて限定される。教師と学生は、もっとよい画像を得ようと奮闘する羽目になるが、そんな完璧な画像は記憶データの能力をしばしば超えている。

したがって、超音波診断トレーニング装置を改良する必要性がある。

本文書に提案された方法は、立体モデリングを用いた臓器の三次元モデルの作成を含む。ワイヤーフレーム・モデリングや表面モデリングと異なり、立体モデリング・システムは、すべての面が適切に交わること、及び対象物が幾何学的に正確であることを確実にする。立体モデリングは、対象物を内部的かつ外部的にシミュレートする。立体三次元モデルは、それらの内部構成物の形状をあらわにするように切開され得る。対象物が三次元モデルとして構築されるとき、その内部構造の断面が、あたかもスライスされたように描画可能である。

立体モデリングを用いて作成された仮想三次元モデルは、例えば、鼓動する心臓を再現するたように、動画化することができるため、この技術は静止した臓器ばかりか動的な臓器も画像化するために使用可能である。さらに、本方法は、非侵襲的、半侵襲的、及び侵襲的超音波検査シミュレーション技術を包含する。経胸壁心エコー検査、経食道心エコー検査、及び心腔内エコー検査は、それぞれ、非侵襲的、半侵襲的、及び侵襲的超音波画像診断法の例である。

第１の広い態様によれば、臓器を画像化する処理をシミュレートするための方法であり、上記臓器の三次元立体モデルをメモリーから取り出すことと、上記三次元立体モデルは上記臓器の三次元構造体と上記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、上記三次元構造体は上記臓器の表面と内部構成物の形状を表現し、撮像装置の位置と向きに従って上記三次元モデルのスライスを作成することと、上記スライスは上記表面と上記内部構成物の形状の断面を含み、上記スライスに従って画像を描画することと、上記画像を表示することと、を含んでなる方法が提供される。

第２の広い態様によれば、臓器の三次元立体モデルを表現するデータセットと共に、撮像装置の位置と向きに従って上記三次元立体モデルをスライスするステップと、上記スライスに従って画像を描画するステップと、上記画像を表示するステップを実施するように、プロセッサによって実行されるステートメントと命令が記録されたコンピュータで読取り可能なメモリーであり、上記三次元立体モデルは上記臓器の三次元構造体と上記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、上記三次元構造体は上記臓器の表面と内部構成物の形状を表現し、上記スライスは上記表面と上記内部構成物の形状の断面を含む、コンピュータで読取り可能なメモリーが提供される。

さらに別の広い態様によれば、画像化処理をシミュレートするためのシステムであり、撮像装置、上記撮像装置の位置と向き決定するように適合された位置追跡装置、及び、臓器の三次元立体モデルを表現するデータセットが記憶されたメモリーと、上記撮像装置の位置と向きに従って上記三次元立体モデルをスライスし、上記スライスに従って画像を描画し、上記画像を表示装置に表示するように構成されたプロセッサとを具備するコンピュータ装置であって、上記三次元立体モデルは上記臓器の三次元構造体と上記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、上記三次元構造体は上記臓器の表面と内部構成物の形状を表現し、上記スライスは上記表面と上記内部構成物の形状の断面を含む、コンピュータ装置を具備するシステムが提供される。

「エコー検査法」、「超音波検査法」、及び「医用超音波造影法」という用語は、互換的に使用可能であると理解されたい。

「臓器」という用語は、例えば、心臓、肝臓など、筋肉、腱及び内部器官を含む、超音波によってスキャンされ得る生物のいずれかの構成部分または構造物として理解されたい。なお、胎児は臓器のもう一つの例である。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図面と併せて理解される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

一実施形態による、臓器の超音波画像をシミュレートするための方法のフローチャートである。 一実施形態による、三次元モデルを作成するための方法のフローチャートである。 一実施形態による、心臓の三次元構造体の断面図である。 一実施形態による、ランダムな点で埋められた心臓の三次元構造体の断面図である。 一実施形態による、あるランダム点に関連付けられた球体のボクセル表現を例示する。 一実施形態による、第１の断面平面によって交差される三次元の心臓を例示する。 一実施形態による、図５の断面平面に従って作成された、シミュレートされた超音波画像を例示する。 一実施形態による、第２の断面平面によって交差される図５の三次元の心臓を例示する。 一実施形態による、図７の断面平面に従って作成された、シミュレートされた超音波画像を例示する。 一実施形態による、第３の断面平面によって交差される図５の三次元の心臓を例示する。 一実施形態による、図９の断面平面に従って作成された、シミュレートされた超音波画像を例示する。 一実施形態による、フィルタリング処理前の三次元の心臓モデルから作成された、シミュレートされた超音波画像を例示する。 一実施形態による、フィルタリング処理後の図１１のシミュレートされた超音波画像を例示する。 一実施形態による、超音波シミュレータを例示する。

図１ａは、臓器の超音波画像をシミュレートするための方法の一つの実施形態を例示する。本方法８の第１のステップ１０は、臓器の三次元立体モデルを作成することにある。メモリーに記憶可能である三次元モデルは、臓器の三次元表面と内部構成物の形状の両方を含む臓器の三次元構造体を含んでなる。臓器の三次元表面は、臓器の外側表面を含んでなり、かつ内側表面を含んでなることもあり得る。濃度などのデータは、三次元モデル内に分布される。内部構成物の形状は、例えば、筋肉の筋細胞、静脈、動脈、窩洞といった、臓器の外表面内に包含された構成部分を含んでなる。心臓の例にとると、三次元モデルは、心内膜、心室腔、乳頭筋、弁などの内部構成物の形状を考慮する。さらに、三次元モデルは、何らかの病変、稀有な病変をも含むように修正されることも可能である。

一つの実施形態では、三次元モデル１０の作成は、図１ｂに例示するように、４つのステップを含んでなる。第１のステップ１６は、臓器の三次元構造体の作成である。三次元構造体は、臓器の外観輪郭を表現する臓器の空のモデルである。空のモデルは、臓器の外表面を含んでなる。言い換えれば、第１のステップ１６は、臓器の外観包絡線の作成である。三次元構造体は、さらに、臓器の内部構成物の形状を含んでなることができる。この場合、空のモデルは、いずれかの内部構成物の形状の表面を含んでなることもあり得る。心臓の例をとると、図２は心臓の空のモデルの断面２０を例示する。この心臓の空のモデルは、心臓の外表面２２と内部窩洞２４と２６の表面を含んでなる。内部窩洞２４と２６の表面は、三次元構造体から除外可能であると理解されたい。空のモデルを作成するために、多角形面モデリングまたは不均一有理Ｂスプライン・モデリングなどのいずれかの面モデリング技法が使用可能である。

三次元モデル１０の作成の第２のステップ１７は、臓器の三次元構造体の内部に点を分布させることである。一つの実施形態では、臓器の三次元構造体の内部に点がランダムに分布される。図３は、点３０がランダムに分布された心臓２０の断面を例示する。代替的に、予め決められた分布様式に従って、点３０を空間的に組織化することができる。例えば、所定の線に沿って点３０を整列させることができ、連続する点３０間に所定の距離の間隔をとることができる。図３では窩洞２４と２６中には点３０が存在しないが、同点３０が窩洞２４と２６中に分布されることがあり得ると理解されたい。

次のステップ１８は、データを各点１０に関連付けることである。濃度の値などのデータが各点３０に関連付けられる。図３において、点３０を有さない領域は、ゼロ濃度の領域であると見なされ、シミュレートされた超音波画像上では黒として現われる。点３０が窩洞２４と２６中に存在する場合には、これらの点に関連付けられた濃度値はゼロに設定される。

臓器が内部構成物の形状を含んでなる一つの実施形態では、ステップ１６で作成された臓器の三次元構造体は、内部構成物の形状を含まない。この場合、ステップ１７において点３０が三次元構造体の内部にランダムにまたは組織化された形で分布され、ステップ１８において濃度値などのデータが各点３０に関連付けられる。臓器の内部構成物の形状は、ある点に関連付けられたデータの値をある特定の値に設定することによって三次元モデル内に作成される。例えば、窩洞２４と２６に対応する三次元構造体の領域に含まれた点３０の濃度の値が、ゼロに設定され得る。これらの特定のゼロ濃度の領域は、シミュレートされた超音波画像上では黒として現われる。

一つの実施形態では、影響パラメータＲもまた各点３０に関連付けられる。パラメータＲは、その点３０を中心にした球体を規定する半径であり得る。球体内の任意の点の濃度値は、球体の中心点、すなわち、点３０に関連付けられた濃度値によって決められる。パラメータＲは、球体とは異なる三次元物体を規定するために使用されることがあり得ると理解されたい。例えば、パラメータＲは点３０を中心にした立方体を規定でき、その立方体内部の任意の点の濃度値は、立方体の中心点、すなわち、点３０に関連付けられた濃度によって決められる。一つの実施形態では、パラメータＲは、三次元モデル中の点３０のすべてについて固定値とすることができる。代替的に、パラメータＲは点３０のそれぞれで異なり得る。例えば、濃度が徐々に変化する臓器の領域においては大きな球体が使用可能であり、一方、濃度が小さな領域内で広く変化する領域においては小さな球体が使用される。

三次元モデル１０の作成の第４のステップ１９は、モデルをボクセル表現である。点３０を含んでなる三次元モデルは、複数の単位体積要素（ボクセル）に分割される。三次元空間位置を示すインデックスである体積値と濃度値が各ボクセルに関連付けられる。各ボクセルに関連付けられた濃度値は、そのボクセルが結び付きをもつ点の濃度値の関数として決められる。図４は、ある点３０に関連したボクセル表現を例示する。

一つの実施形態では、濃度値ｄ１と半径Ｒが各点３０に関連付けられる。点３０は、半径Ｒをもつ球体３２の中心点である。ボクセル表現は、球体３２を横切るある数のボクセル３４を作る。球体３２は、上記ボクセルに濃度値を与えるための球体の中心点３０が影響を及ぼす領域を規定する。点３０に関連付けられた濃度値ｄ１の関数として、各ボクセル３４に濃度の値が属性として指定される。

一つの実施形態では、各ボクセル３４は、点３０に関連付けられた濃度値と同じ濃度値ｄ１を共有する。代替的に、ある特定のボクセル３４に関連付けられた濃度値は、点３０の濃度値とその特定のボクセルと点３０の間の距離に依存して決まり得る。ある特定のボクセル３４に関連付けられた濃度値はまた、そのボクセル３４の周囲の２つ以上の点３０に依存して決まり得る。

２つ以上の球体３２に属するボクセル３４の場合には、その濃度は、それが属する各球体の中心点の濃度値の平均であり得る。２つの点３０を含んでなるボクセルの場合には、サブサンプリングが実行され得る。これはつまり、各点３０が異なるボクセルに含まれるように、より小さなサイズのボクセルが作られるということである。各点３０の濃度値の関数として、濃度値を各ボクセルに与えるためのいかなる数学的方法も使用可能であると理解されたい。

一つの実施形態では、ボクセル表現ステップ１９は省かれて、一群の点３０と濃度値などのそれらの関連付けられたデータから超音波画像は直接作成される。例えば、球体を規定するパラメータＲは、点群の各点３０に関連付けられてもよい。この場合、球体に含まれた個々の点３０の濃度値は、球体の中心点、すなわち、点３０の濃度値に従って決定される。パラメータＲの使用は、臓器の三次元モデルを作成するために必要な点の数の削減を可能にする。

動画化三次元モデルも作成可能である。例えば、鼓動する心臓の画像をシミュレートすることができる。もう一つの例は、生きている胎児である。どんな動作も及び／またはいかなる動作頻度も三次元モデルに含めることができる。一つの実施形態では、三次元モデルを動画化するために、点３０に関連付けられた濃度、半径および位置の少なくとも一つが経時変化される。さらに、三次元構造体もまた、その内部構成物の形状を含む臓器の形状が経時変化するように動画化可能である。例えば、物体変形技法など、臓器を動画化するためのいかなる動画技法も使用可能であると理解されたい。

別の実施形態では、臓器の三次元モデルを作成するために立体モデリングが使用される。この場合、臓器の三次元モデルは、ボクセルの三次元集合物から直接実現される。濃度値などのデータは、ボクセルの各々に関連付けられる。ボクセルごとに異なる濃度の値は、臓器の内部構成物の形状を規定可能にする。ボクセルのサイズは、モデル化された心臓全体にわたり一定であり得る。代替的に、ボクセルのサイズは、モデル内で可変であり得る。ボクセルのサイズは、臓器内の濃度の変化の度合いに依存して決まり得る。例えば、濃度が徐々に変化する臓器の領域においては大きなボクセルが使用可能であり、一方、濃度が小さな領域内で広く変化する領域においては小さなボクセルが使用される。

動画化立体三次元モデルもまた作成可能である。一つの実施形態では、臓器は動的なボクセルまたはドクセルのデータセットによって表現される。ドクセルは、ボクセルにもう一つの次元、すなわち、時間を付加したボクセルである。各ドクセルは、濃度の値が各時間ｔに関連付けられているマトリクスである。各ドクセルは、濃度以外の特性についての情報も含み得ることを理解されたい。動画化三次元モデルを作るための、当業者に知られているいかなる技術も使用可能である。

モデルの点に関連付けられた濃度値を少なくとも含んでなる臓器の三次元モデルを作成するための、当業者に知られているいかなる技術も使用可能である。様々な特性の値をモデルの各点またはボクセルに関連付けることができることに留意されたい。三次元モデルを動画化するための、当業者に知られているいかなる方法も使用可能である。

一つの実施形態では、点を分布させるステップ１７は、例えば、骨やその他の臓器など、臓器を取り巻く構成部分を考慮に入れるために、臓器の三次元構造体の外に点３０を分布させることを含んでなる。この場合、点にデータを関連付けるステップ１８は、臓器の三次元構造体の外に位置付けられた外部の点にデータを関連付けることを含んでなる。濃度などのデータがこれらの外部の点に関連付けられ、球体、立方体等を作成するために、パラメータＲもまたこれらの外部の点の各々に関連付けられることが可能である。ボクセル表現ステップ１９が存在する場合には、このステップは、臓器を取り巻く領域であり、外部の点がそこに分布された領域のボクセル表現を含んでなる。臓器の三次元モデルを作成するために立体モデリングが使用される一つの実施形態では、ボクセルまたはドクセルが臓器の三次元構造体の外に分布されることが可能であり、臓器の周囲を表現するために、濃度などのデータが臓器の外部のボクセルまたはドクセルに関連付けられる。

図１ａに戻り、本方法のステップ１２は、三次元モデルの平面スライスの作成を含んでなる。スライスは、プローブの位置と向きに従って作成され、一定の厚さをもつ。スライスの厚さは、シミュレートされた超音波画像が実際の超音波画像をリアルに再現するように選択される。プローブの位置と向きは、図５に例示するように、断面平面５２を規定する。スライスは、断面平面に従って規定される。次のステップ１４は、ステップ１２で作成されたスライスを使用して超音波画像を描画することを含んでなる。ボクセル表現と各ボクセルに関連付けられた濃度値から生じる体積が、超音波画像に仮想的超音波テクスチャを与える。その結果として生じる超音波画像は、カラー画像またはグレースケール画像であり得る。表示画像の各ピクセルの色値またはグレー値は、その対応するボクセルに関連付けられた濃度値によって決められる。スライスの厚さが数個のボクセルを含むほど大きい場合には、表示画像の各ピクセルは数個のボクセルに関連付けられる。この場合、上記ピクセルに関連付けられた濃度値と色は、上記ピクセルが結び付きをもつ数個のボクセルすべての濃度値の関数である。表示画像の上記の特定のピクセルに色を与えるために、例えば、平均濃度値を計算して使用できる。図１ａに例示した方法の最後のステップ１５は、描画された超音波画像を表示することである。

ここでの説明は、臓器の三次元モデル全体がボクセル表現され、その後スライスされる実施形態について言及しているが、モデルをスライス後にボクセル表現ステップを行なってもよいことを理解されたい。この場合、スライスがプローブの位置と向きに従って最初に作成され、その後ボクセル表現される。超音波画像が、次に、ボクセル表現されたスライスを使用して描画される。

ボクセル表現のステップ１９が省かれる一つの実施形態では、スライスは、各々が少なくとも一つの関連付けられた濃度値をもつある数の点３０を含んでなる。表示画像の各ピクセルの色値またはグレー値は、その対応する点３０に関連付けられた濃度値によって決められる。個々のピクセルの色値またはグレー値を決定するために、補間法が使用可能である。スライスの厚さが数個の点３０を含むほど大きい場合には、表示画像の各ピクセルは数個の点３０に関連付けられる。この場合、上記ピクセルに関連付けられた濃度値と色は、上記ピクセルが結び付きをもつ数個の点３０すべての濃度値の関数である。表示画像の上記の特定のピクセルに色を与えるために、例えば、平均濃度値を計算して使用できる。例えば、球体を規定するパラメータＲが各点３０に関連付けられる場合には、特定のピクセルに関連付けられた濃度値と色は、その特定のピクセルが結び付きをもつ球体すべての濃度値の関数である。

ボクセル表現のステップ１９が省かれる一つの実施形態では、表示画像の動きの滑らかさに実質的に影響を及ぼさずに、動画の速度を下げるまたは上げるために、点３０の位置を経時的に補間することができる。さらに、一群の点３０を実質的にリアルタイムに動的に修正または変形することができ、それによって、シミュレート対象臓器の形状の動的な変化あるいは、例えば、手術の傷口など、シミュレート対象臓器に影響を及ぼす何らかの処置の動的な変化をシミュレートする能力を与える。

プローブの位置と向きを変えることによって、断面平面が変わり、異なる超音波画像が作成、表示される。図５は心臓５０の三次元モデルと第１の断面平面５２を例示し、この断面平面に従って、図６に例示するような超音波画像５４が作成される。図７は、プローブの第２の位置と向きに対応する第２の断面平面５６を例示する。断面平面５６と三次元の心臓５０の交差が、図８に例示するような第２の超音波画像５８を作成する。最後に、プローブを第３の位置と向きに移動することによって、図９に例示するような断面平面６０が作成される。平面６０がモデル化した三次元の心臓５０と交差し、図１０に例示するような心臓５０の第３の超音波画像６２が作成、表示される。

一つの実施形態では、図１ａに例示した方法は、リアルな超音波テクスチャを作成するために、画像のリアルな仮想超音波テクスチャの精密化のステップをさらに含んでなることが可能である。その結果として生じる画像は、実際の超音波装置を使用するときに人が見る見え方に相当する。図１１は超音波テクスチャの精密化を行なわなかった場合のシミュレートされた超音波画像７０を例示する。超音波テクスチャの精密化は、スライスにフィルターを適用することによって行なえる。図１２は、リアルな超音波テクスチャを提示する超音波画像７２を例示する。超音波画像７０と７２は同じスライスから生じるが、画像７２を作成するためにフィルタリング・ステップが使用されたことにより、リアルな超音波画像が得られる。

いくつかの例では、超音波画像の作成は、よりリアルに超音波画像を作成するために画像の質を劣化させることを含み得る。例えば、画像の劣化は、アーチファクトや骨またはその他の臓器などの障害物を考慮に入れるために行なわれることがある。画像の劣化は、プローブの位置と向きに従って行なわれることが可能である。代替的に、画像の劣化は、プローブの位置と向きに依存しない。

一つの実施形態では、超音波画像の作成とその表示は実質的にリアルタイムに行なわれ、表示画像は、プローブの実際の位置と向きに従って作成されたスライスに実質的に相当する。

鼓動する心臓のシミュレーションの場合には、三次元モデルは時間をさらに含む。各画像の描画は、特定の時間にわたる各点３０またはボクセルに関連付けられた濃度値に従って実行される。動画は、超音波画像を連続的に表示することによって実現される。例えば、超音波画像診断シミュレーション中に鼓動の頻度が変化する、鼓動する心臓をシミュレートすることが可能であり、またどんな種類の不整脈も同様にシミュレートすることが可能である。

上述した方法は、プローブと表示装置に接続可能であり、処理ユニットとメモリーを含んでなるコンピュータ装置において具現化可能である。臓器の三次元モデルはメモリーに記憶され、処理ユニットは、プローブの位置と向きに従って三次元モデルのスライスを作成し、超音波画像を描画し、表示装置上に超音波画像を表示するように適合される。上述した方法は、臓器の三次元モデルと共に、プローブの位置と向きに従って三次元モデルをスライスし、スライスを使用して超音波画像を描画し、超音波画像を表示する方法を実施するように、プロセッサによって実行されるステートメントと命令が記録されたコンピュータで読取り可能なメモリーにおいても具現化可能であることも理解されたい。

図１３は、超音波シミュレータ１１０の一つの実施形態を例示する。超音波シミュレータ１１０は、モニター１１４に接続されたコンピュータ１１２、プローブ１１６、及びマネキン１１８を具備する。マネキン１１８は、トレーニングを受けるユーザが超音波によってスキャンすることになる患者の役を演じる。プローブ１１６を動かし、向きを定めることによって、ユーザは表示されることになる臓器の見え方を選択する。

コンピュータ１１２は、プロセッサ１２２によってアクセス可能なメモリー１２０を具備する。臓器の三次元構造体と臓器の内部構成物の形状を含んでなる臓器の三次元モデルは、メモリー１２０に保存される。一つの実施形態では、三次元モデルを表現するデータセットは、メモリー１２０に記憶され、一群の位置点―その各点が三次元空間座標に関連付けられている―と濃度などのデータを含んでなる。位置点とそれらに関連付けられたデータは、三次元構造体の内部に分布された一群のデータ点に相当する。一つの実施形態では、プロセッサ１２２は、ボクセルまたはドクセルの三次元グリッドを得るために、上記一群のデータ点のボクセル表現を行なうように適合される。ボクセルまたはドクセルの濃度値は、個々のデータ点の濃度値の関数として決定される。代替的に、三次元モデルを表現し、メモリー１２０に記憶されたデータセットは、ボクセルまたはドクセルとそれらに関連付けられたデータを含んでなる。

プロセッサ１２２は、プローブ１１６の位置と向きによって規定された断面平面１２３に従って三次元モデルのスライスを作成し、そのスライスを使用することによって超音波画像を描画するように適合される。メモリー１２０に記憶された三次元モデルが、臓器の表面モデルと濃度値がそこに関連付けられている一群の点を含んでなる一つの実施形態では、プロセッサ１２２は、上記一群の点を使用して超音波画像を描画するように適合される。点群の個々の点の濃度値に従って、色値またはグレー値をスライスの各点に与えることによって、超音波画像は作成される。その結果として生じる超音波画像１２４は、モニター１１４に表示される。代替的に、プロセッサ１２２は、スライスのボクセル表現を行ない、ボクセル当りに濃度値を計算し、ボクセル表現されたモデルを使用して超音波画像を描画するように適合される。特定の点に関連付けられた個々のボクセルの濃度値に従って、色値またはグレー値をスライスの各点に与えることによって、超音波画像は作成される。メモリー１２０に記憶された三次元モデルが、ボクセルとそれらに関連付けられたデータを含んでなる別の実施形態では、プロセッサ１２２は、三次元モデルをスライスし、特定の点に関連付けられた個々のボクセルの濃度値に従って、色値またはグレー値をスライスの各点に与えることによって超音波画像を描画するように適合される。その結果として生じる超音波画像１２４は、モニター１１４に表示される。

超音波シミュレータ１１０の一つの実施形態では、プロセッサ１２２は、スライスにフィルターを適用することによって超音波テクスチャを精密化するように適合される。

プロセッサ１２２は、実質的にリアルタイムに超音波画像１２４を作成し、表示する。その結果、プローブ１１６がユーザによって動かされているときに、シミュレータ１１０は、いかなる実質的な時間遅延もなしに、対応する超音波画像をモニター１１４に表示する。プローブ１１６を動かすことによって、臓器の異なる見え方を表示することになる。

シミュレータ１１０の一つの実施形態では、プロセッサ１２２は、超音波画像１２４を描画するときにアーチファクトや障害物を考慮に入れるように適合される。例えば、その結果として生じる超音波画像１２４は、スキャン対象の臓器とプローブの間に位置する骨またはその他の臓器を考慮に入れるために、劣化され得る。このようなアーチファクトや障害物は、トレーニングの担当教授によって選択されることが可能である。

別の実施形態では、プロセッサ１２２は、プローブ１１６の位置と向きを決定するための位置追跡システムまたは装置から情報を受信するように適合される。いずれかの適切な位置追跡システムまたは装置が使用可能であると理解されたい。例えば、位置追跡システムは、信号発信装置と信号受信装置を含んでなり得る。信号発信装置は、マネキン１１８の内部の人体内のシミュレート対象臓器が占める位置に配置でき、信号受信装置はプローブ１１６内に配置できる。代替的に、信号発信装置は、マネキン１１８の内部のどの位置にも配置できる。信号発信装置は、複数の方向に信号を発信するように適合され、発信された信号は方向に応じて変化する。信号受信装置は、発信された信号を受信し、受信した信号と信号発信装置の位置を用いてプローブ１１６の位置と向きを決定し、決定した位置と向きをプロセッサ１２２へ送信する。代替的に、信号受信装置は、受信した信号を表現するデータをプロセッサ１２２へ送信するように適合され、プロセッサ１２２がプローブ１１６の位置と向きを決定するように適合される。別の例では、位置追跡システムは、プローブ１１６に配置された追跡可能な装置によって発信されたまたは反射された信号を測定するように適合されたセンサーを備える。プロセッサ１２２は、センサーから受信したデータに応じて、プローブ１１６の位置と向きを決定するように適合される。プローブ１１６にとっての基準位置を示す基準マーカーをマネキン１１８に付けることができる。

臓器の特定の見え方またはスライスを選択可能にする、いかなる撮像装置も使用可能である。一つの実施形態では、撮像装置は、臓器のリアルな医用画像を撮るために使用され、適切な三次元位置追跡装置を備えた実際の撮像装置である。例えば、撮像装置は、適切な三次元位置追跡装置を備えた実際のプローブであり得る。

別の実施形態では、撮像装置は、臓器のリアルな医用画像を撮るために使用される実際の撮像装置を模倣するように形状とサイズを決められる。例えば、撮像装置は、適切な位置追跡装置を備えた模造のプローブであり得る。

さらに別の実施形態では、撮像装置は、そのサイズ及び／または形状が、臓器のリアルな医用画像を作成するために使用される実際の撮像装置とは関係性がない、手で持って操作できる装置である。例えば、撮像装置は、コンピュータ１１２のマウス、ジョイスティック、等であり得る。この場合、人体の表現像の上に仮想プローブが、表示装置１１４に表示されることが可能である。マウスまたはジョイスティックを操作することによって、ユーザは仮想人体上で仮想プローブを動かし、表示装置１１４の仮想プローブの位置と向きに応じて画像１２４が表示される。代替的に、仮想プローブは提供されず、マウスまたはジョイスティックだけが使用される。撮像装置の位置と向きの決定を可能にする、いかなるシステムまたは装置も使用可能である。

一つの実施形態では、シミュレートされた超音波画像は、例えば、心エコー検査または産科の超音波画像診断をシミュレートするために動画化されること可能である。この場合、三次元モデルの各点またはボクセルに関連付けられた濃度の値、パラメータＲ、及び／または点またはボクセルの位置は、時間に依存する。したがって、例えば、心臓の鼓動が再現可能である。よりリアルになるように、シミュレートされた臓器の動作の頻度をトレーニング中に変化させることができる。

一つの実施形態では、シミュレータ１１０のユーザは、シミュレートされた超音波の出力及び／または周波数を変えることができる。出力及び／または周波数の変化をシミュレートするために、プロセッサ１２２は超音波画像１２４にフィルターを適用する。これは、結果的に、異なる超音波周波数及び／または出力に関連付けられた、修正された超音波画像１２４をもたらす。代替的に、メモリー１２０に記憶された三次元モデルは、点及び／またはボクセル当りに一揃いの濃度値の異なるセットを含むことができる。一揃いの濃度値のセットは、特定の超音波出力およびまたは周波数に対応する。

一つの実施形態では、三次元モデルは臓器のリアルな正確な表現である。代替的に、三次元モデルは臓器の簡略化した表現であり得る。いかなる構成物形状も三次元モデルに含めることが可能であると理解されたい。

一つの実施形態では、超音波シミュレータ１１０は、ドップラー画像をシミュレートすることもできる。ドップラー技法は、ドップラー効果を利用することによって血流の速度と方向を決定できるようにする。この場合、メモリー１２０に保存された臓器の三次元モデルは、血液の速度と方向に関わる情報も含む。三次元モデルの各点またはドクセルは、超音波画像をシミュレートするために必要なその他の値に加えて速度の値に関連付けられる。

一つの実施形態では、超音波シミュレータ１１０は、シミュレートされたＭモード超音波画像を作成するように適合される。Ｍモード超音波画像は、時間に従った単一射線上の画像である（タイムモーション超音波検査法）。

超音波画像診断シミュレータ１１０は、それぞれ異なる臓器または同じ臓器のそれぞれ異なるモデルを表現する複数の三次元モデルを備えることができる。例えば、ユーザは、臓器の簡略化したモデルを使用することによって自身のトレーニングを開始できる。ユーザが超音波スキャン技術に慣れてきたら、より複雑な正確なモデルを使用できる。

マネキン１１８は、経食道心エコー検査の技術をユーザに学ばせるトレーニングのために、食道を備えることができる。この場合、ユーザは、マネキンの食道内へプローブ１１６を挿入する。プローブ１１６の位置と向きに従って、心臓のシミュレートされた超音波画像が、次に、表示装置１１４に表示される。

一つの実施形態では、単一の同じシミュレータを使用しながら、ユーザがそれぞれ異なる臓器の超音波画像診断のトレーニングを受けることができるように、シミュレータはそれぞれ異なる臓器の三次元モデルを備える。この場合、マネキン１１８は、コンピュータ１１２に記憶された臓器の数と種類に合わせて適合される。例えば、マネキンは、腹部及び／または胸部及び／または頭部等を有し得る。

上記に説明した方法と装置は、二次元及び／または三次元エコー検査法をシミュレートするために使用され得ることに留意されたい。

上記に説明した方法と装置は、磁気共鳴画像診断、血管造影図、ＣＴスキャン、等といった医用画像診断のその他の技術をシミュレートするために使用され得ると理解されたい。

上述した本発明の実施形態は、本発明の例を示すためだけに意図されていることに留意されたい。本発明、方法として実施可能であり、システムまたはコンピュータで読取り可能な媒体の形で具現化可能である。本発明の範囲は、したがって、添付の請求項の範囲によってだけ限定されるものと意図されている。

Claims (22)

1. 臓器を画像化する処理をシミュレートするための方法であって、
   前記臓器の三次元立体モデルをメモリーから取り出すステップであって、前記三次元立体モデルは前記臓器の三次元構造体と前記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、前記三次元構造体は前記臓器の表面と内部構成物の形状を表現する、ステップと、
   撮像装置の位置と向きに従って前記三次元モデルのスライスを作成するステップであって、前記スライスは前記表面と前記内部構成物の形状の断面を含む、ステップと、
   前記スライスに従って画像を描画するステップと、
   前記画像を表示するステップと、
   を含んでなる方法。
2. 前記臓器の三次元表面モデルを作成するステップと、
   前記三次元表面モデルの内部に位置点を分布させるステップであって、前記点の各々は三次元空間座標をもつ、ステップと、
   前記位置点の各々に濃度値を関連付けて、それによって一群のデータ点を得るステップと、
   前記一群のデータ点を前記三次元立体モデルとして前記メモリーに記憶するステップと、
   をさらに含んでなる請求項１に記載の方法。
3. 前記臓器の三次元表面モデルを作成するステップと、
   前記三次元表面モデルの内部に位置点を分布させるステップであって、前記点の各々は三次元空間座標をもつ、ステップと、
   前記位置点の各々に濃度値を関連付けて、それによって一群のデータ点を得るステップと、
   前記一群のデータ点のボクセル表現を行なうステップと、
   前記データ点の前記濃度値の関数として、前記ボクセルの各々に濃度値を関連付けて、それによってボクセルのグリッドを得るステップと、
   ボクセルの前記グリッドを前記三次元立体モデルとして前記メモリーに記憶するステップと、
   をさらに含んでなる請求項１に記載の方法。
4. 前記三次元立体モデルの内側表面は、位置点を全く含まない体積を規定する、請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記位置点の各々に濃度値を関連付けるステップは、前記位置点の各々に経時変化する濃度値を関連付けるステップを含んでなる、請求項２から請求項４のうちのいずれか一つに記載の方法。
6. 前記画像を描画するステップは、前記画像のリアルなテクスチャを得るために前記画像を精密化するステップをさらに含んでなる、請求項１から請求項５のうちのいずれか一つに記載の方法。
7. スライスを作成するステップは、プローブの位置と向きに従ってスライスを作成するステップを含んでなり、描画するステップと表示するステップは、超音波画像を描画するステップと前記超音波画像を表示するステップをそれぞれ含んでなる、請求項１から請求項６のうちのいずれか一つに記載の方法。
8. 前記臓器の前記三次元立体モデルを取り出すステップは、心臓の三次元立体モデルを取り出すステップを含んでなる、請求項１から請求項７のうちのいずれか一つに記載の方法。
9. 前記心臓を動画化するステップをさらに含んでなる、請求項８に記載の方法。
10. 臓器の三次元立体モデルを表現するデータセットと共に、撮像装置の位置と向きに従って前記三次元立体モデルをスライスするステップと、前記スライスに従って画像を描画するステップと、前記画像を表示するステップを実施するように、プロセッサによって実行されるステートメントと命令が記録されたコンピュータで読取り可能なメモリーであって、
    前記三次元立体モデルは前記臓器の三次元構造体と前記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、前記三次元構造体は前記臓器の表面と内部構成物の形状を表現し、前記スライスは前記表面と前記内部構成物の形状の断面を含む、
    コンピュータで読取り可能なメモリー。
11. 前記データセットは、各データ点が三次元空間座標と濃度値に関連付けられたデータ点を含んでなる、請求項１０に記載のコンピュータで読取り可能なメモリー。
12. 前記データセットは、各ボクセルが体積、三次元空間座標、及び濃度値に関連付けられたボクセルを含んでなる、請求項１０に記載のコンピュータで読取り可能なメモリー。
13. 前記濃度値は経時変化する、請求項１１または請求項１２に記載のコンピュータで読取り可能なメモリー。
14. 前記画像のリアルなテクスチャを得るために前記画像を精密化するステップをさらに含んでなる（または前記ステートメントと前記命令は、プロセッサによって実行されることによって、前記画像のリアルなテクスチャを得るために前記画像を精密化するステップを実施するようにさらに適合される）、請求項１０から請求項１３のうちのいずれか一つに記載のコンピュータで読取り可能なメモリー。
15. 画像化処理をシミュレートするためのシステムであって、
    撮像装置と、
    前記撮像装置の位置と向き決定するように適合された位置追跡装置と、
    臓器の三次元立体モデルを表現するデータセットが記憶されたメモリーと、前記撮像装置の前記位置と向きに従って前記三次元立体モデルをスライスし、前記スライスに従って画像を描画し、前記画像を表示装置に表示するように構成されたプロセッサとを具備するコンピュータ装置であって、前記三次元立体モデルは前記臓器の三次元構造体と前記三次元構造体の内部の濃度の分布を記述し、前記三次元構造体は前記臓器の表面と内部構成物の形状を表現し、前記スライスは前記表面と前記内部構成物の形状の断面を含む、コンピュータ装置と、
    を具備するシステム。
16. 前記データセットは、各データ点が三次元空間座標と濃度値に関連付けられたデータ点を含んでなる、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記データセットは、各ボクセルが体積、三次元空間座標、及び濃度値に関連付けられたボクセルを含んでなる、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記濃度値は経時変化する、請求項１６または請求項１７に記載のシステム。
19. 前記プロセッサは、前記画像のリアルなテクスチャを得るために前記画像を細密化するように構成される、請求項１５から請求項１８のうちのいずれか一つに記載のシステム。
20. 前記撮像装置はプローブであり、前記位置追跡装置は前記プローブの位置と向きを決定するように適合され、前記プロセッサは前記臓器の超音波画像を描画し、前記超音波画像を表示するように構成される、請求項１５から請求項１９のうちのいずれか一つに記載のシステム。
21. 前記データセットは心臓の三次元モデルを表現する、請求項１５から請求項２０のうちのいずれか一つに記載のシステム。
22. 前記データセットは動画化された心臓の三次元モデルを表現する、請求項２１に記載のシステム。