JP2018042709A - 軟骨定量化装置、方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】３次元画像を用いて、関節における軟骨の定量値を算出して軟骨を定量化する軟骨定量化装置、方法およびプログラムにおいて、定量化の評価対象とする領域を適切に定めることができるようにする。
【解決手段】領域抽出部２２が、３次元画像Ｇ０から骨領域５０および軟骨領域５１を抽出する。投影方向決定部２３が、軟骨領域５１の投影方向を決定し、投影画像生成部２４が、骨領域５０および軟骨領域５１を、決定された投影方向に投影して投影画像Ｇ１を生成する。定量化部２５が、投影画像Ｇ１上において、軟骨領域５１の定量値を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元画像を用いて、関節における軟骨を定量化する装置、方法およびプログラムに関するものである。

近年、ＣＴ（Computed Tomography）装置およびＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置等の医療機器の進歩により、質の高い高解像度の３次元画像が画像診断に用いられるようになってきている。ここで、３次元画像は多数の２次元画像から構成され情報量が多いため、医師が所望の観察部位を見つけ診断することに時間を要する場合がある。そこで、注目する臓器を認識し、注目する臓器を含む３次元画像から、例えば最大値投影法（ＭＩＰ（Maximum Intensity Projection）法）および最小値投影法（ＭｉｎＩＰ（Minimum Intensity Projection）法）等の方法を用いて、注目する臓器を抽出してＭＩＰ表示等を行ったり、３次元画像のボリュームレンダリング（ＶＲ（Volume Rendaring））表示を行ったりすることにより、臓器全体や病変の視認性を高め、診断の効率化を図ることが行われている。

一方、変形性関節症は、高齢者に多く発症する疾病であり、とくに変形性膝関節症は、膝関節の痛みおよび動作範囲の減少を引き起こし、症状が進行すると歩けなくなることもある。このような変形性関節症の診断には、関節の軟骨の定量値を算出すること、すなわち、軟骨を定量化することが必要である。このため、３次元画像を用いて関節の軟骨を定量化する手法が種々提案されている。例えば、特許文献１には、３次元画像の画像データから、膝関節における軟骨面積または軟骨体積を、病状を示す定量化パラメータとして算出する手法が提案されている。また、特許文献１においては、膝関節における軟骨の厚さを表す厚さマップを生成する構成も記載されている。また。特許文献２には、膝関節について、骨領域および軟骨領域の３次元画像を生成する手法が提案されている。

特表２００９−５１２５２４号公報 特開２０１３−４８７８８号公報

しかしながら、３次元画像を用いて軟骨を定量化する場合、定量化の精度は軟骨の抽出結果に依存する。ここで、軟骨は立体的な構造を有する関節の表面に広範囲に亘って存在し、関節と擦れ合う部分と擦れ合わない部分とが存在する。このため、上記特許文献１，２に記載されたように、関節における軟骨の全領域を抽出した場合、軟骨を定量化したとしても、関節におけるどの部分の軟骨を定量化の評価対象とするかによって、算出した定量値が異なるものとなってしまう。このため、３次元画像上に軟骨の定量化の評価対象とする領域を設定することが考えられる。しかしながら、関節は立体的な構造を有するため、関節に存在する軟骨のどの程度の領域まで評価対象とするのかを決定することは非常に困難である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、３次元画像を用いて、関節における軟骨の定量値を算出して軟骨を定量化するに際し、定量化の評価対象とする領域を適切に定めることができるようにすることを目的とする。

本発明による軟骨定量化装置は、被検体の関節を表す３次元画像から関節内の軟骨領域を抽出する領域抽出手段と、
軟骨領域の投影方向を決定する投影方向決定手段と、
決定された投影方向に軟骨領域を投影して投影画像を生成する投影画像生成手段と、
投影画像上において、軟骨領域の定量値を算出する定量化手段とを備えたことを特徴とするものである。

なお、本発明による軟骨定量化装置においては、領域抽出手段は、３次元画像から骨領域を抽出し、
投影画像生成手段は、決定された投影方向に骨領域および軟骨領域を投影して投影画像を生成するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨下骨領域において、定量値を算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域の面積に対する軟骨下骨領域内における軟骨領域の面積率を、定量値として算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域における軟骨領域の欠損面積を、定量値として算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域内の各位置における軟骨領域の厚さの代表値を、定量値として算出するものであってもよい。

「代表値」とは、軟骨下骨領域内の各位置における軟骨領域の厚さを代表する値であれば、いかなる値であってもよく、例えば、厚さの平均値、中間値、最小値または最大値等を代表値として用いることができる。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域内の各位置における軟骨領域の厚さを、定量値として算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域における軟骨領域の厚さマップを生成するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、軟骨下骨領域における軟骨領域の厚さが、あらかじめ定められたしきい値以上となる領域においてのみ、定量値を算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨下骨領域に指定された領域において、定量値を算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨下骨領域を分割し、分割により得られる各領域において、定量値を算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の骨領域または軟骨領域から軟骨下骨領域を抽出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨領域の縁部からあらかじめ定められた範囲にある領域を除外した領域を、軟骨下骨領域として抽出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、定量化手段は、過去の定量値を算出した際と同一位置の軟骨下骨領域を抽出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨領域の面積を定量値として算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、定量化手段は、投影画像上の軟骨領域の体積を定量値として算出するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、関節は、膝関節、肘関節、股関節、肩関節または椎間関節であってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、投影方向決定手段は、被検体の体軸方向または被検体の解剖学的特徴により決定される方向を投影方向に決定するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、投影画像生成手段は、平行投影により投影画像を生成するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、投影画像生成手段は、点投影により投影画像を生成するものであってもよい。

また、本発明による軟骨定量化装置においては、被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、投影画像生成手段は、過去の定量値を算出した場合と同一の投影方向に軟骨領域を投影して投影画像を生成するものであってもよい。

本発明による軟骨定量化方法は、被検体の関節を表す３次元画像から関節内の軟骨領域を抽出し、
軟骨領域の投影方向を決定し、
決定された投影方向に軟骨領域を投影して投影画像を生成し、
投影画像上において、軟骨領域の定量値を算出することを特徴とするものである。

なお、本発明による関節の軟骨定量化方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。

本発明によれば、抽出された軟骨領域の投影方向が決定され、決定された投影方向に軟骨領域が投影されて投影画像が生成され、投影画像上において軟骨領域の定量値が算出される。このように投影画像を用いることにより、軟骨領域を定量化するための領域を適切に定めることができる。したがって、算出された定量値を用いることにより、軟骨について安定した診断結果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態による軟骨定量化装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図 第１の実施形態による軟骨定量化装置の構成を示す概略ブロック図 膝関節の３次元画像を示す図 大体骨関節の後方側斜視図 大体骨関節の側面図 大腿骨に設定した２つの断面を示す図 投影画像を示す図 軟骨下骨領域の抽出を説明するための図 軟骨下骨領域の分割を説明するための図 軟骨領域の厚さの算出を説明するための図 軟骨領域の厚さの算出を説明するための図 軟骨領域の厚さの算出を説明するための図 定量値の算出結果を示す図 厚さマップを示す図 第１の実施形態において行われる処理を示すフローチャート 第２の実施形態において行われる処理を示すフローチャート 手動による領域の設定を説明するための図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態による軟骨定量化装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図である。図１に示すように、診断支援システムでは、本実施形態による軟骨定量化装置１、３次元画像撮影装置２、および画像保管サーバ３が、ネットワーク４を経由して通信可能な状態で接続されている。そして、診断支援システムの軟骨定量化装置１において、被検体の関節を表す３次元画像から軟骨領域の定量値を算出するものである。

３次元画像撮影装置２は、被検体の診断対象となる部位を撮影することにより、その部位を表す３次元画像を生成する装置であり、具体的には、ＣＴ装置、ＭＲＩ装置、およびＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置等である。この３次元画像撮影装置２により生成された３次元画像は画像保管サーバ３に送信され、保存される。なお、本実施形態においては、被検体である患者の診断対象部位は膝関節であり、３次元画像撮影装置２はＭＲＩ装置であり、被検体の膝のＭＲＩ画像が３次元画像として生成されるものとする。

画像保管サーバ３は、各種データを保存して管理するコンピュータであり、大容量外部記憶装置およびデータベース管理用ソフトウェアを備えている。画像保管サーバ３は、有線あるいは無線のネットワーク４を介して他の装置と通信を行い、画像データ等を送受信する。具体的には３次元画像撮影装置２で生成された３次元画像等の画像データを含む各種データをネットワーク経由で取得し、大容量外部記憶装置等の記録媒体に保存して管理する。なお、画像データの格納形式およびネットワーク４経由での各装置間の通信は、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine）等のプロトコルに基づいている。

軟骨定量化装置１は、１台のコンピュータに、本発明の軟骨定量化プログラムをインストールしたものである。コンピュータは、診断を行う医師が直接操作するワークステーションまたはパーソナルコンピュータでもよいし、それらとネットワークを介して接続されたサーバコンピュータでもよい。軟骨定量化プログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）あるいはＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）等の記録媒体に記録されて配布され、その記録媒体からコンピュータにインストールされる。または、ネットワークに接続されたサーバコンピュータの記憶装置、もしくはネットワークストレージに、外部からアクセス可能な状態で記憶され、要求に応じて医師が使用するコンピュータにダウンロードされ、インストールされる。

図２は、コンピュータに軟骨定量化プログラムをインストールすることにより実現される軟骨定量化装置の概略構成を示す図である。図２に示すように、軟骨定量化装置１は、標準的なワークステーションの構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、メモリ１２およびストレージ１３を備えている。また、軟骨定量化装置１には、ディスプレイ１４および、マウス等の入力部１５が接続されている。

ストレージ１３には、ネットワーク４を経由して画像保管サーバ３から取得した、被検体の３次元画像、並びに処理に必要な情報を含む各種情報が記憶されている。なお、本実施形態においては、被検体についての膝関節を診断対象部位とする３次元画像Ｇ０が記憶されているものとする。

また、メモリ１２には、軟骨定量化プログラムが記憶されている。軟骨定量化プログラムは、ＣＰＵ１１に実行させる処理として、３次元画像撮影装置２が取得した、３次元画像Ｇ０を取得する画像取得処理、３次元画像Ｇ０から膝関節内の骨領域および軟骨領域を抽出する領域抽出処理、軟骨領域の投影方向を決定する投影方向決定処理、決定された投影方向に骨領域および軟骨領域を投影して投影画像を生成する投影画像生成処理、並びに投影画像上において、軟骨領域の定量値を算出する定量化処理を規定する。

そして、ＣＰＵ１１がプログラムに従いこれらの処理を実行することで、コンピュータは、画像取得部２１、領域抽出部２２、投影方向決定部２３、投影画像生成部２４、および定量化部２５として機能する。なお、軟骨定量化装置１は、画像取得処理、領域抽出処理、投影方向決定処理、投影画像生成処理、および定量化処理をそれぞれ行う複数のプロセッサまたは処理回路を備えるものであってもよい。なお、本実施形態の軟骨定量化装置１は、領域抽出部２２、投影方向決定部２３、投影画像生成部２４、および定量化部２５のみから構成されるものであってもよい。

画像取得部２１は、被検体の膝関節の３次元画像Ｇ０を画像保管サーバ３から取得する。なお、３次元画像Ｇ０が既にストレージ１３に記憶されている場合には、画像取得部２１は、ストレージ１３から３次元画像Ｇ０を取得するようにしてもよい。

領域抽出部２２は、３次元画像Ｇ０から骨領域および膝関節内の軟骨領域を抽出する。図３は膝関節の３次元画像Ｇ０を示す図である。図３に示すように、３次元画像Ｇ０には、大腿骨３０および脛骨３１が含まれている。なお、図３においては、説明のために膝蓋骨は省略している。大腿骨３０の脛骨３１と面する部分には軟骨３２が、脛骨３１の大腿骨３０と面する部分には軟骨３３が存在する。また、軟骨３２と軟骨３３との間には半月板３４が存在する。本実施形態においては、３次元画像Ｇ０はＭＲＩ画像であり、骨、軟骨、半月板、並びにこれら以外の筋肉および脂肪等領域のそれぞれにおいて、３次元画像Ｇ０における画素値（ボクセル値）の範囲が異なるものとなる。領域抽出部２２は、しきい値処理により３次元画像Ｇ０から骨領域および軟骨領域を抽出する。具体的には、３次元画像Ｇ０において、骨の画素値となる範囲の領域を骨領域として抽出する。また、３次元画像Ｇ０において、軟骨の画素値となる範囲の領域を軟骨領域として抽出する。なお、骨領域には大腿骨３０および脛骨３１が含まれ、軟骨領域には軟骨３２，３３が含まれる。

なお、本実施形態においては、大腿骨３０の軟骨３２および脛骨３１の軟骨３３のそれぞれの軟骨３２，３３を軟骨領域として抽出し、後述するように軟骨領域を定量化する。ここで、軟骨領域の定量化は、大腿骨３０の軟骨３２および脛骨３１の軟骨３３のそれぞれで同一の処理により行われる。このため、以降では、大腿骨３０の軟骨３２のみについて、軟骨領域の定量化を行うものとして説明する。

投影方向決定部２３は、軟骨領域の投影方向を決定する。具体的には、３次元画像Ｇ０に含まれる被検体の解剖学的特徴により投影方向を決定する。図４は大体骨関節の後方側斜視図、図５は大体骨関節の側面図である。なお、図４および図５には、後述するように設定されたｘｙｚ軸を示している。

投影方向決定部２３は、大腿骨３０において、撮影時のアキシャル方向の軸、すなわち体軸に垂直な少なくとも２つの断面を設定する。断面は、大腿骨下端からあらかじめ定められた距離、例えば５ｃｍより離れた位置に設定する。これは、断面が大腿骨における関節部分に位置しないようにするためである。なお、断面の間隔もあらかじめ定められた距離、例えば２ｃｍとする。図５には、２つの断面４０，４１を設定した状態を示している。図６に大腿骨に設定した２つの断面４０，４１を示す。投影方向決定部２３は、各断面４０，４１における大腿骨３０の領域の重心Ｐ３，Ｐ４を算出する。そして、重心Ｐ３と重心Ｐ４を結ぶ直線を大腿骨中心線４２として設定し、大腿骨中心線４２が脛骨３１に向かって延びる方向を投影方向に決定する。また、投影方向とは反対方向に延びる軸をｚ軸に設定する。

一方、図４に示すように大腿骨３０の関節には、後方に内側顆３５および外側顆３６が存在する。投影方向決定部２３は、内側顆３５および外側顆３６のそれぞれにおいて、大腿骨中心線４２から最も離れた位置にある点を特徴点Ｐ１，Ｐ２として抽出する。なお、図５においては外側顆３６のみが見えているため、特徴点Ｐ２のみを示す。そして、投影方向決定部２３は、特徴点Ｐ１，Ｐ２を通り、図４に右方向へ向かう軸をｙ軸に設定する。さらに、投影方向決定部２３は、ｙ軸およびｚ軸に直交する軸をｘ軸に設定する。さらに、投影方向決定部２３は、図５に示すように、大腿骨中心線４２に直交し、特徴点Ｐ１，Ｐ２を通る平面４３を設定する。そして、平面４３を大腿骨下端からあらかじめ定められた距離離れた位置に平行移動させて、投影面４４を設定する。

なお、大腿骨中心線４２の方向を投影方向とすることに代えて、単純に体軸方向を投影方向に決定してもよい。

投影画像生成部２４は、骨領域および軟骨領域を、決定された投影方向において投影面４４に投影して投影画像Ｇ１を生成する。具体的には、ボリュームレンダリングの手法を用いて、骨領域および軟骨領域のそれぞれに異なる色を割り当てて、図５に示す投影面４４に骨領域および軟骨領域を投影する。図７は投影画像を示す図である。図７に示すように投影画像Ｇ１は、大体骨関節における骨領域５０および軟骨領域５１を含む。なお、図７においては、軟骨領域５１に斜線を付与している。なお、投影画像Ｇ１は、決定された投影方向に対する平行投影により生成してもよく、大腿骨中心線４２上の１つの点からの点投影により生成してもよい。本実施形態においては、平行投影により投影画像Ｇ１を生成するものとする。

定量化部２５は、投影画像Ｇ１上において、軟骨領域５１の定量値を算出する。具体的には、投影画像Ｇ１上の軟骨下骨領域において定量値を算出する。軟骨下骨領域とは、大体骨関節において、脛骨の関節と擦り合う領域である。投影画像Ｇ１における軟骨領域５１の周辺部は、脛骨の関節とは擦り合わない。このため、定量化部２５は、投影画像Ｇ１の軟骨領域５１の縁部からあらかじめ定められた範囲にある領域を除外した領域を、軟骨下骨領域として抽出する。図８は軟骨下骨領域の抽出を説明するための図である。図８に示すように、定量化部２５は、投影画像Ｇ１における軟骨領域５１の縁部５３からあらかじめ定められた位置に境界線５４を設定する。そして、境界線５４により囲まれる領域を軟骨下骨領域５２として抽出する。

さらに、定量化部２５は、抽出した軟骨下骨領域５２を分割する。例えば、定量化部２５は、図９に示すように、軟骨領域５１を含む矩形領域Ａ０を設定し、矩形領域Ａ０を４等分することにより、軟骨下骨領域５２を４つの領域Ａ１〜Ａ４に分割する。なお、矩形領域Ａ０は、軟骨下骨領域５２のみを含むように設定してもよい。また、領域の分割数は４つに限定されるものではなく、２つ、６つまたはそれ以上であってもよい。また、領域Ａ１〜Ａ４は、それぞれ大体骨関節における右前、左前、右後ろおよび左後ろの位置にある。

次に、定量化部２５は、領域Ａ１〜Ａ４毎に、軟骨下骨領域５２の面積、および軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の面積を算出する。なお、投影画像Ｇ１においては、１画素当たりの面積が分かる。このため、定量化部２５は、各領域Ａ１〜Ａ４における軟骨下骨領域５２および軟骨領域５１の画素数をカウントし、１画素当たりの面積をカウントした画素数に乗算することにより、軟骨領域５１および軟骨下骨領域５２の面積を算出する。軟骨領域５１の面積は定量値の１つである。

また、定量化部２５は、各領域Ａ１〜Ａ４における軟骨領域５１の厚さを算出する。図１０〜１２は軟骨領域５１の厚さの算出を説明するための図である。図１０に示すように、定量化部２５は、投影画像Ｇ１の軟骨領域５１の厚さ測定の対象となる画素位置（以下対象画素位置とする）ＰＴ１を、３次元画像Ｇ０に逆投影する。なお、逆投影の方向は、投影方向決定部２３が決定した投影方向と逆方向、すなわちｚ軸方向となる。図１０に投影方向を表す投影線５５を示す。また、対象画素位置ＰＴ１に対応する３次元画像Ｇ０の軟骨領域の画素位置を対応画素位置ＰＴ２とする。

定量化部２５は、図１１に示すように投影線５５において、対応画素位置ＰＴ２から骨領域５０の表面までの画素数をカウントする。ここで３次元画像Ｇ０においては、１画素当たりの体積が分かるため、投影線５５に沿った方向における１画素当たりの長さも分かる。定量化部２５は、１画素当たりの長さをカウントした画素数に乗算することにより、対応画素位置ＰＴ２における軟骨領域５１の厚さを算出する。軟骨領域５１の厚さは定量値の１つである。定量化部２５は、各領域Ａ１〜Ａ４におけるすべての画素位置について軟骨領域５１の厚さを算出する。なお、各領域Ａ１〜Ａ４におけるすべての画素位置について軟骨領域５１の厚さを算出することにより、軟骨領域５１のボクセル数をカウントすることとなる。このため、各領域Ａ１〜Ａ４におけるすべての画素位置について軟骨領域５１の厚さを算出することにより、各領域Ａ１〜Ａ４における軟骨領域５１の体積を算出することもできる。

また、図１２に示すように、投影線５５上における、骨領域５０の表面の画素位置ＰＴ３、および画素位置ＰＴ３における法線５６を算出し、法線５６上において、画素位置ＰＴ３から軟骨領域５１の表面の画素位置ＰＴ４までの画素数を求め、求めた画素数に１画素当たりの長さを乗算して、対象画素位置ＰＴ１における軟骨領域５１の厚さを算出してもよい。

定量化部２５は、各領域Ａ１〜Ａ４における軟骨領域５１の面積および厚さから、他の定量値を算出する。具体的には、軟骨下骨領域５２の面積に対する軟骨下骨領域５２内における軟骨領域５１の面積率、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の欠損面積、および軟骨下骨領域５２内の各位置における軟骨領域５１の厚さの代表値を定量値として算出する。図１３に定量値の算出結果を示す。なお、図１３においては、軟骨領域５１の厚さの代表値を、「軟骨厚さ」と示している。

軟骨下骨領域５２の面積に対する軟骨下骨領域５２内における軟骨領域５１の面積率は、領域Ａ１〜Ａ４毎に、（軟骨下骨領域５２内における軟骨領域５１の面積）／（軟骨下骨領域５２の面積）を算出する。

軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の欠損面積は、領域Ａ１〜Ａ４毎に軟骨下骨領域５２において軟骨領域５１が存在しない部分の面積を算出する。例えば、図９に示す領域Ａ４における領域６０は、軟骨が欠損している欠損領域であるため、領域６０の面積が軟骨領域５１の欠損面積となる。

軟骨下骨領域５２内の各位置における軟骨領域５１の厚さの代表値は、例えば、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の厚さの平均値、中間値、最小値または最大値を代表値として算出する。なお、図１３においては、厚さの代表値として平均値を示している。

また、定量化部２５は、軟骨下骨領域５２内の各位置における軟骨領域５１の厚さから、厚さマップを生成する。図１４は厚さマップを示す図である。図１４に示すように厚さマップＭ０は、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の厚さの分布が６段階の色により示されている。厚さマップＭ０においては、色が濃いほど軟骨領域５１が薄いことを示している。なお、図１４においては色の相違をハッチングの相違により示している。また、マップＭ０には、色と厚さとの関係を示すレファレンス６１が含まれる。レファレンス６１を参照することにより、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の厚さの分布を視覚的に容易に認識することができる。

なお、定量化部２５は、軟骨領域５１の厚さがしきい値以上となる画素位置のみを用いて定量値を算出してもよい。例えば、軟骨領域５１の厚さが０．５ｍｍ以上となる画素位置のみを用いて定量値を算出してもよい。この場合、軟骨の厚さが０．５ｍｍ未満となる画素位置については、定量値の算出から除外する。これにより、厚さが薄く、軟骨として機能していない領域を定量値の算出から外すことができる。なお、欠損面積を定量値とした場合、軟骨の厚さが０．５ｍｍ未満となる画素位置を軟骨が欠損している画素位置として欠損面積を算出すればよい。

なお、算出された定量値は、患者名、撮影日時、投影方向、軟骨下骨領域５２の位置、投影画像Ｇ１等の情報と併せて、３次元画像Ｇ０と対応づけられて画像保管サーバ３に送信され、保存される。

次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図１５は第１の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、画像取得部２１が、３次元画像Ｇ０を取得し（ステップＳＴ１）、領域抽出部２２が、３次元画像Ｇ０から骨領域５０および軟骨領域５１を抽出する（ステップＳＴ２）。次いで、投影方向決定部２３が、軟骨領域５１の投影方向を決定し（ステップＳＴ３）、投影画像生成部２４が、骨領域５０および軟骨領域５１を、決定された投影方向に投影して投影画像Ｇ１を生成する（ステップＳＴ４）。そして、定量化部２５が、投影画像Ｇ１上において、軟骨領域５１の定量値を算出し（ステップＳＴ５）、算出した定量値を画像保管サーバ３に保存し（ステップＳＴ６）、処理を終了する。

このように、本実施形態においては、抽出された軟骨領域５１の投影方向を決定し、決定された投影方向に軟骨領域５１を投影して投影画像Ｇ１を生成し、投影画像Ｇ１上において軟骨領域５１の定量値を算出するようにしたものである。このように投影画像Ｇ１を用いることにより、軟骨領域５１を定量化するための領域を適切に定めることができる。したがって、算出された定量値を用いることにより、軟骨について安定した診断結果を得ることができる。

次いで、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態による軟骨定量化装置の構成は、図２に示す第１の実施形態による軟骨定量化装置の構成と同一であり、行われる処理のみが異なるため、ここでは装置についての詳細な説明は省略する。第２の実施形態においては、同一被検体について過去に取得した３次元画像Ｇ０から算出した定量値と、最新の３次元画像Ｇ０から算出した定量値とを比較するための処理を行う点が第１の実施形態と異なる。

図１６は第２の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、画像取得部２１が、３次元画像Ｇ０を取得し（ステップＳＴ１１）、領域抽出部２２が、３次元画像Ｇ０から骨領域５０および軟骨領域５１を抽出する（ステップＳＴ１２）。次いで、投影方向決定部２３が、処理対象の３次元画像Ｇ０について、同一被検体の過去の３次元画像Ｇ０が定量値と対応づけられて画像保管サーバ３に保存されているか否かを判定する（ステップＳＴ１３）。ステップＳＴ１３が肯定されると、投影方向決定部２３は、画像保管サーバ３から、同一被検体の過去の３次元画像Ｇ０と対応づけて保存された、投影方向の情報および軟骨下骨領域５２の位置の情報を取得する（情報取得：ステップＳＴ１４）。

次いで、投影画像生成部２４が、取得した情報に基づいて、骨領域５０および軟骨領域５１を、過去の定量値を算出した際と同一の投影方向に投影して投影画像Ｇ１を生成する（ステップＳＴ１５）。そして、定量化部２５が、取得した情報に基づいて、過去の定量値を算出した際と同一位置の軟骨下骨領域５２を投影画像Ｇ１から抽出し（ステップＳＴ１６）、投影画像Ｇ１上において、軟骨領域５１の定量値を算出し（ステップＳＴ１７）、算出した定量値を画像保管サーバ３に保存し（ステップＳＴ１８）、処理を終了する。

一方、ステップＳＴ１３が否定された場合、上記第１の実施形態のステップＳＴ３に進み、上記第１の実施形態と同様に、投影方向の決定、投影画像の生成、定量値の算出および定量値の保存を行い、処理を終了する。

このように、第２の実施形態においては、同一被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、過去の定量値を算出した場合と同一の投影方向に軟骨領域を投影して投影画像Ｇ１を生成するようにしたものである。このため、過去の軟骨と最新の軟骨との定量値の比較を精度よく行うことができる。

また、同一被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、過去の定量値を算出した際と同一の軟骨下骨領域５２を投影画像Ｇ１上の骨領域５０からから抽出しているため、過去の軟骨と最新の軟骨との定量値の比較を精度よく行うことができる。

なお、上記各実施形態においては、軟骨下骨領域５２を４つの領域Ａ１〜Ａ４に分割し、領域Ａ１〜Ａ４毎に定量値を算出しているが、領域分割を行うことなく、軟骨下骨領域５２の全体において定量値を算出してもよい。また、投影画像Ｇ１をディスプレイ１４に表示し、操作者が定量値を算出する領域を指定するようにしてもよい。例えば、図１７に示すように、ディスプレイ１４に表示された投影画像Ｇ１において、入力部１５を用いて軟骨領域５１に領域Ａ１１を設定するようにしてもよい。この場合、定量化部２５は設定された領域Ａ１１において定量値を算出する。なお、設定する領域Ａ１１は複数であってもよい。

また、上記各実施形態においては、骨領域５０から軟骨下骨領域５２を抽出し、軟骨下骨領域５２において定量値を算出しているが、軟骨下骨領域５２を抽出することなく、投影画像Ｇ１に含まれる骨領域５０の全体において定量値を算出するようにしてもよい。また、投影画像Ｇ１に含まれる軟骨領域５１のみから定量値を算出してもよい。この場合、面積率は定量値としては含まれないものとなる。

また、上記各実施形態においては、定量値として、軟骨下骨領域５２の面積、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の面積、軟骨領域５１の厚さ、軟骨領域５１の体積、軟骨下骨領域５２の面積に対する軟骨下骨領域５２内における軟骨領域５１の面積率、軟骨下骨領域５２における軟骨領域５１の欠損面積、および軟骨下骨領域５２内の各位置における軟骨領域５１の厚さの代表値を定量値として算出している。しかしながら、これらの定量値のうちのいずれか１つ、または任意の組合せの定量値を算出するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、膝関節の軟骨の定量値を算出しているが、これに限定されるものではなく、肘関節、股関節、肩関節または椎間関節等の軟骨の定量値を算出する際に本発明を提供できることはもちろんである。

また、上記各実施形態においては、領域抽出部２２において、骨領域５０および軟骨領域５１を抽出しているが、軟骨領域５１のみを抽出してもよい。この場合、投影画像Ｇ１には軟骨領域５１のみが含まれることとなる。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。

３次元画像から骨領域を抽出し、骨領域および軟骨領域を投影して投影画像を生成することにより、骨領域との対比をしつつ軟骨領域の定量値を算出することができる。

投影画像上の軟骨下骨領域において定量値を算出することにより、より適切に骨領域との対比をしつつ、軟骨領域の定量値を算出することができる。

軟骨下骨領域における軟骨領域の厚さが、あらかじめ定められたしきい値以上となる領域においてのみ定量値を算出することにより、厚さが薄く、軟骨として機能していない領域を定量値の算出から外すことができるため、軟骨についてより適切に診断を行うことができる。

投影画像上の軟骨下骨領域に指定された領域において定量値を算出することにより、指定された領域において、軟骨についての安定した診断結果を得ることができる。

投影画像上の軟骨下骨領域の縁部からあらかじめ定められた範囲にある領域を除外した領域を軟骨下骨領域として抽出することにより、関節において、もう一方の関節と擦り合わない領域を定量値の算出から除外することができる。したがって、実際に機能する軟骨領域の定量値を算出することができる。

投影画像上の軟骨下骨領域を分割し、分割により得られる各領域において定量値を算出することにより、分割された領域毎に軟骨の診断を適切に行うことができる。

被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、過去の定量値を算出した際と同一位置の軟骨下骨領域を抽出することにより、過去の軟骨と最新の軟骨との定量値の比較を精度よく行うことができる。

関節は人体の体軸方向において向き合っている。このため、被検体の体軸方向を投影方向に決定することにより、関節の領域を適切に投影して投影画像を生成することができる。また、関節において特徴点を適切に定めることにより、関節が向き合う方向を投影方向に決定することができるため、関節の領域を適切に投影して投影画像を生成することができる。

被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、過去の定量値を算出した場合と同一の投影方向に軟骨領域を投影して投影画像を生成することにより、過去の軟骨と最新の軟骨との定量値の比較を精度よく行うことができる。

１ 軟骨定量化装置
２ ３次元画像撮影装置
３ 画像保管サーバ
４ ネットワーク
１１ ＣＰＵ
１２ メモリ
１３ ストレージ
１４ ディスプレイ
１５ 入力部
２１ 画像取得部
２２ 領域抽出部
２３ 投影方向決定部
２４ 投影画像生成部
２５ 定量化部
３０ 大腿骨
３１ 脛骨
３２，３３ 軟骨
３４ 半月板
３５ 内側顆
３６ 外側顆
４０，４１ 断面
４２ 大腿骨中心線
４３ 平面
４４ 投影面
５０ 骨領域
５１ 軟骨領域
５２ 軟骨下骨領域
５３ 縁部
５４ 境界線
５５ 投影線
５６ 法線
６０ 欠損領域
６１ レファレンス
Ｇ０ ３次元画像
Ｇ１ 投影画像
Ｐ１，Ｐ２ 特徴点
Ｐ３，Ｐ４ 重心
ＰＴ１ 対象画素位置
ＰＴ２ 対応画素位置
ＰＴ３ 骨部領域の表面の画素位置

Claims (23)

1. 被検体の関節を表す３次元画像から関節内の軟骨領域を抽出する領域抽出手段と、
   前記軟骨領域の投影方向を決定する投影方向決定手段と、
   前記決定された投影方向に前記軟骨領域を投影して投影画像を生成する投影画像生成手段と、
   前記投影画像上において、前記軟骨領域の定量値を算出する定量化手段とを備えたことを特徴とする軟骨定量化装置。
2. 前記領域抽出手段は、前記３次元画像から骨領域を抽出し、
   前記投影画像生成手段は、前記決定された投影方向に前記骨領域および前記軟骨領域を投影して前記投影画像を生成する請求項１記載の軟骨定量化装置。
3. 前記定量化手段は、前記投影画像上の軟骨下骨領域において、前記定量値を算出する請求項２記載の軟骨定量化装置。
4. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域の面積に対する前記軟骨下骨領域内における前記軟骨領域の面積率を、前記定量値として算出する請求項３記載の軟骨定量化装置。
5. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域における前記軟骨領域の欠損面積を、前記定量値として算出する請求項３または４記載の軟骨定量化装置。
6. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域内の各位置における前記軟骨領域の厚さの代表値を、前記定量値として算出する請求項３から５のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
7. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域内の各位置における前記軟骨領域の厚さを、前記定量値として算出する請求項３から５のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
8. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域における前記軟骨領域の厚さマップを生成する請求項７記載の軟骨定量化装置。
9. 前記定量化手段は、前記軟骨下骨領域における前記軟骨領域の厚さが、あらかじめ定められたしきい値以上となる領域においてのみ、前記定量値を算出する請求項３から８のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
10. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記軟骨下骨領域に指定された領域において、前記定量値を算出する請求項３から９のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
11. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記軟骨下骨領域を分割し、分割により得られる各領域において、前記定量値を算出する請求項３から９のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
12. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記骨領域または前記軟骨領域から前記軟骨下骨領域を抽出する請求項３から１１のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
13. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記軟骨領域の縁部からあらかじめ定められた範囲にある領域を除外した領域を、前記軟骨下骨領域として抽出する請求項１２記載の軟骨定量化装置。
14. 前記被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、前記定量化手段は、前記過去の定量値を算出した際と同一位置の軟骨下骨領域を抽出する請求項１２または１３記載の軟骨定量化装置。
15. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記軟骨領域の面積を前記定量値として算出する請求項１から１４のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
16. 前記定量化手段は、前記投影画像上の前記軟骨領域の体積を前記定量値として算出する請求項１から１５のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
17. 前記関節は、膝関節、肘関節、股関節、肩関節または椎間関節である請求項１から１６のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
18. 前記投影方向決定手段は、前記被検体の体軸方向または該被検体の解剖学的特徴により決定される方向を前記投影方向に決定する請求項１から１７のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
19. 前記投影画像生成手段は、平行投影により前記投影画像を生成する請求項１から１８のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
20. 前記投影画像生成手段は、点投影により前記投影画像を生成する請求項１から１８のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
21. 前記被検体と同一の被検体についての過去の定量値の算出結果が存在する場合、前記投影画像生成手段は、前記過去の定量値を算出した場合と同一の前記投影方向に前記軟骨領域を投影して前記投影画像を生成する請求項１から２０のいずれか１項記載の軟骨定量化装置。
22. 被検体の関節を表す３次元画像から関節内の軟骨領域を抽出し、
    前記軟骨領域の投影方向を決定し、
    前記決定された投影方向に前記軟骨領域を投影して投影画像を生成し、
    前記投影画像上において、前記軟骨領域の定量値を算出することを特徴とする軟骨定量化方法。
23. 被検体の関節を表す３次元画像から関節内の軟骨領域を抽出する手順と、
    前記軟骨領域の投影方向を決定する手順と、
    前記決定された投影方向に前記軟骨領域を投影して投影画像を生成する手順と、
    前記投影画像上において、前記軟骨領域の定量値を算出する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする軟骨定量化プログラム。