JP2019520954A - 脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイス - Google Patents

脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイス Download PDF

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Abstract

脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスであって、当該方法は、三次元超音波イメージングユニット（１００）により脊柱画像を取得するステップＳ１と、脊柱画像について、画像の強調、分割及び細分化を実施するステップＳ２と、強調、分割及び細分化を実施した脊柱画像から脊椎位置を表す曲線ポイントを取得するステップＳ３と、曲線ポイントから最終的な脊柱曲線を生成するステップＳ４と、脊柱曲線上の変曲点から脊柱の弯曲角度を算出するステップＳ５と、を含む。当該デバイスは、三次元超音波イメージングユニット（１００）、処理ユニット（２００）及び操作感知ユニット（３００）を含む。当該方法及びデバイスによれば、三次元超音波イメージングによる脊柱の弯曲角度の測定が容易となる。且つ、手動による曲線ポイントの取得、或いはコンピュータ支援による曲線ポイントの取得、又はこれら双方の組み合わせによって操作が容易となり、更には、脊柱の弯曲角度の測定精度が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は医療測定技術の分野に関し、より具体的には、医用イメージングデータ処理分野における脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスに関する。
脊柱は２４個の椎骨と椎間板から構成され、正常な弯曲の場合には脊柱に対し柔軟性、弾性及び緩衝性との特性を付与する。一方、脊柱側湾は脊柱に異常な側弯が存在した筋肉と骨格の状態をいい、脊柱を左又は右に弯曲させる。脊柱側湾を有する脊柱は、異常な弯曲によって略Ｓ字状又は略Ｃ字状をなす。この場合、脊柱が正常な前後のアーチを形成できなければ、椎間板に正常とは異なる重量が加わる恐れがある。脊柱側湾は思春期に最もよく見られ、なかでも猫背は脊柱側湾に関連して多発する脊柱奇形である。猫背の場合、上背部領域の脊柱弯曲角度が４５度又はそれ以上となるのに対し、正常な脊柱は上背部領域において約２０〜４５度の弯曲を有するにとどまる。脊柱側湾や猫背を予防するためには、人体の脊柱弯曲角度を測定し、脊柱の弯曲角度が大きいと測定された場合には直ちに矯正治療を施す必要がある。
現在、脊柱の弯曲角度は、脊柱の側面Ｘ線画像上で手動計算により測定されている。まず、傾斜角が最大の２つ椎骨を探し出し、これらの椎骨を選択した後、上部の椎骨に位置する上終板と、下部の椎骨に位置する下終板に沿って１本ずつ直線を描く。これら２本の直線の間の夾角が即ち脊柱の弯曲角度となる。しかし、脊柱のＸ線画像では椎骨の境界を特定することが難しいため、脊柱の弯曲角度は測定が困難である。
本発明は、従来技術ではＸ線画像において手動計算を実施しているため、脊柱の弯曲角度を正確且つ容易に測定することが難しいとの点に対し、脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスを提供することを解決すべき技術的課題とする。
本発明は、上記の課題を解決するための技術方案として、脊柱の弯曲角度を測定する方法であって、三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得するステップＳ１と、前記脊柱画像について、画像の強調、分割及び細分化を実施するステップＳ２と、上記の強調、分割及び細分化を実施した脊柱画像から、脊椎位置を表す曲線ポイントを取得するステップＳ３と、前記曲線ポイントから最終的な脊柱曲線を生成するステップＳ４と、脊柱曲線上の変曲点から脊柱の弯曲角度を算出するステップＳ５と、を含むことを特徴とする方法を提供する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ２において、前記画像の強調は、前記脊柱画像の対称位相一致性を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得することで実現する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ２において、前記画像の分割は、前記の強調した脊柱骨特徴画像と前記脊柱画像の非対称位相一致性を二重閾値分割することで、脊柱の棘突起及び横突起部分を含む脊柱骨分割画像を取得することで実現する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ２において、前記画像の分割に用いる前記閾値は、前記の強調した脊柱骨特徴画像に対し最大エントロピーアルゴリズムを適用することで取得する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ２において、前記画像の細分化は、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、選択した行から全てのセグメントラインを抽出するステップと、抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とするステップと、全ての行について処理が完了するまで上記のステップを繰り返すステップと、を行ごとに実行することで実現する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、ステップＳ３において、前記の脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ３は、操作感知により提供される前記脊柱画像上にマークされたポイントを受け付けて、当該ポイントを、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定するステップを含む。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ３は、操作感知により提供される前記脊柱画像上の脊椎位置を表す曲線ポイントの座標位置について行われた調整を受け付けるステップを含む。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記脊椎位置を表す曲線ポイントは、１又は複数の前記脊柱画像から取得する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、上記の複数の前記脊柱画像から取得した前記脊椎位置を表す曲線ポイントを更に平均し、上記の複数の前記脊柱画像における脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ４において、前記曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、上記の前記脊柱画像の対称位相一致性は、一次元、二次元又は三次元方向において取得される。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、上記の前記脊柱画像の非対称位相一致性は、一次元、二次元又は三次元方向において取得される。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、多項式曲線フィッティングを前記曲線ポイントに適用する前に、曲線に対応する脊柱範囲を定義する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定する方法では、前記ステップＳ５において、脊柱の弯曲角度は曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度である。
本発明で提供する脊柱の弯曲角度を測定するデバイスは、三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する三次元超音波イメージングユニット、前記三次元超音波イメージングユニットから提供される脊柱画像を処理する処理ユニット、及び前記処理ユニットに接続される操作感知ユニット、を含み、前記処理ユニットは、前記脊柱画像に対し画像強調を施す強調ユニット、強調された画像を分割する分割ユニット、分割された画像を細分化する細分化ユニット、前記細分化ユニットから提供される脊柱画像に基づいて脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する取得ユニット、を含み、前記処理ユニットは、更に、前記曲線ポイントに基づいて最終的な脊柱曲線を生成する生成ユニットと、脊柱曲線上の変曲点に基づいて脊柱の弯曲角度を算出する演算ユニットを含む。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定するデバイスでは、前記強調ユニットは、前記脊柱画像の対称位相一致性を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得する装置を含み、前記分割ユニットは、前記の強調された脊柱骨特徴画像と前記脊柱画像の非対称位相一致性を二重閾値分割することで脊柱骨分割画像を取得する装置を含み、前記細分化ユニットは、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、選択した行から全てのセグメントラインを抽出する操作と、抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とする操作と、全ての行について処理が完了するまで上記の操作を繰り返す操作と、を行ごとに実行する装置を含む。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定するデバイスでは、前記取得ユニットにおいて、前記の脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現する。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定するデバイスでは、前記取得ユニットは、前記操作感知ユニットから提供される前記脊柱画像上にマークされたポイントを受け付け、当該ポイントを、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定する装置を含み、前記取得ユニットは、更に、前記操作感知ユニットから提供される前記脊柱画像上の脊椎位置を表す曲線ポイントの座標について行われた調整を受け付ける装置を含む。
本発明で記載する脊柱の弯曲角度を測定するデバイスでは、前記生成ユニットは、前記曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する装置を含む。
本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスを実施すれば、三次元超音波イメージングによる脊柱の弯曲角度の測定が容易且つ実行可能となる。また、手動による曲線ポイントの取得、或いはコンピュータ支援による曲線ポイントの取得、又はこれら双方の組み合わせによって脊柱の弯曲角度の測定精度が向上するため、測定過程全体が十分に容易で素早く、且つ安全となる。
図１は、本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。 図２は、本発明の第１実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。 図３ａは、本発明の第１実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図３ｂは、本発明の第１実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図４は、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。 図５ａは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図５ｂは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図５ｃは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図６は、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。 図７ａは、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図７ｂは、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図７ｃは、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図８ａは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、元の脊柱画像を示している。 図８ｂは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、非対称位相一致性を示している。 図８ｃは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、対称位相一致性を示している。 図８ｄは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、対称位相一致性を用いて強調した脊柱を示している。 図８ｅは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、画像を分割した場合を示している。 図８ｆは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図であり、細分化後の脊柱の棘突起を示している。 図８ｇは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。 図９は、本発明における脊柱の弯曲角度を測定するデバイスの実施例の構造を示す図である。
本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスでは、三次元超音波イメージングにより取得した脊柱画像に関連の処理を施すことで脊椎上の曲線ポイントを取得する。これにより、脊柱曲線を形成するとともに、脊柱曲線上の変曲点から脊柱の弯曲角度を算出可能となるため、三次元超音波画像を用いた脊柱の弯曲角度の測定が容易且つ実行可能となる。また、手動による曲線ポイントの取得、或いはコンピュータ支援による曲線ポイントの取得、又はこれら双方の組み合わせによって、三次元イメージングシステムを用いるユーザごとのニーズを満たし、更には脊柱の弯曲角度の測定精度を向上させる。
本発明の目的、技術方案及び利点をより明確にすべく、以下に図面と実施例を組み合わせて本発明につき更に詳細に説明する。なお、ここで述べる具体的実施例は本発明を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。
本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである図１に示すように、当該方法は以下のステップを順に含む。
Ｓ１：三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する。
当該ステップでは三次元超音波イメージングシステムにより脊柱画像を取得するが、三次元超音波イメージングシステムについてはすでに開示されているため、ここでは敢えて詳述しない。
Ｓ２：前記脊柱画像について、画像の強調、分割及び細分化を実施する。
このうち、画像の強調は、前記脊柱画像の対称位相一致性（ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｇｒｕｅｎｃｙ）を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得することで実現する。
また、画像の分割は、前記の強調した脊柱骨特徴画像と前記脊柱画像の非対称位相一致性（ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｇｒｕｅｎｃｙ）を二重閾値分割することで、脊柱の棘突起及び横突起部分を含む脊柱骨分割画像を取得することで実現する。画像の分割に用いる前記閾値は、前記の強調した脊柱骨特徴画像に対し最大エントロピーアルゴリズムを適用することで取得する。
また、画像の細分化は、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、以下のステップを行ごとに実行することで実現する。
−選択した行から全てのセグメントラインを抽出する。
−抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とする。
−全ての行について処理が完了するまで上記のステップを繰り返す。
Ｓ３：上記の強調、分割及び細分化を実施した脊柱画像から、脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する。
当該ステップでは、手動及び／又はコンピュータ支援法で脊椎・脊柱に位置する曲線ポイントを取得する。なお、具体的なステップについては後に詳細に説明するため、ここでは詳述しない。
本発明において、脊椎位置を表す曲線ポイントは同一の脊柱画像から取得してもよいが、複数の脊柱画像から取得してもよい。この場合、まずは複数の脊柱画像から取得した脊椎位置を表す曲線ポイントを平均処理し、平均により得られたポイントを前記脊柱画像における脊椎位置を表す曲線ポイントとする。
Ｓ４：複数の前記曲線ポイントから最終的な脊柱曲線を生成する。
当該ステップでは、複数の曲線ポイントから脊柱曲線を生成するにあたり、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いればよい。なお、多項式フィッティングの方法は従来技術であるため、ここでは敢えて詳述しない。
Ｓ５：脊柱曲線上の変曲点から、脊柱の弯曲角度を算出する。
当該ステップでは、変曲点の座標にアークタンジェントを組み合わせて、当該変曲点上の接線の角度を算出する。脊柱の弯曲角度は、曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度となる。
以下に、本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法について、いくつかの具体的な好ましい実施例を提示する。
本発明の第１実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである図２に示すように、本実施例において、当該方法は以下のステップを含む。
Ｓ２１０：三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する。
当該ステップでは三次元超音波イメージングシステムにより脊柱画像を取得するが、三次元超音波イメージングシステムについてはすでに開示されているため、ここでは改めて詳述しない。
Ｓ２２０：脊柱画像から、脊椎位置を表す曲線ポイントを手動で取得する。
当該ステップにおいて、医療従事者又は三次元超音波イメージングシステムの操作者が自身の経験に基づいて選択する曲線ポイントの数は少なくとも１０個とし、且つ、曲線ポイントは脊椎位置に位置するものとする。具体的に、医療従事者はコンピュータインタラクションデバイスによって、例えば画像表示デバイスに脊柱画像を表示すればよい。そして、例えばマウスやタッチスクリーン等の入力デバイスを用いて、医療従事者は１又は１以上の曲線ポイントを選択する。ここで、選択された曲線ポイントの座標位置は編集可能とされる。システム処理については、医療従事者が脊柱画像上に施したマークを操作感知によって受け付け、当該マークの位置を、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定する。そして、これを元に、脊柱画像における脊椎位置を表す曲線ポイントの座標位置について調整を許容する。ここで、切り取り、挿入、コピー、ペースト等の編集操作を実施してもよく、確認後にこれら曲線ポイントの位置座標を保存すればよい。
Ｓ２３０：マンマシンインタラクションにより取得した複数の曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式を用いてこれら曲線ポイントに対しフィッティングを実施することで、最終的な脊柱曲線を生成する。なお、オプションとして、前記複数の曲線ポイントに対し多項式曲線フィッティングを実施する前に、曲線に対応する脊柱範囲を予め定義しておくことで、無用な演算を減らしてもよい。
Ｓ２４０：脊柱曲線上の変曲点から、脊柱の弯曲角度を算出する。
当該ステップにおいて、変曲点もまた医療従事者又は三次元超音波イメージングシステムの操作者が自身の経験に基づいて選択する。そして、変曲点の座標にアークタンジェントを組み合わせて、当該変曲点上の接線の角度を算出する。脊柱の弯曲角度は、曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度となる。
他の実施例では、ステップＳ２２０の前に、図１における前記方法ステップＳ２で記載した脊柱画像の強調、分割及び細分化処理が更に含まれる場合がある。
図３ａ〜図３ｂは、本発明の第１実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。このうち、図３ａは本発明の第１実施例における三次元超音波イメージングで取得された脊柱画像であり、操作感知により手動で取得された曲線ポイントの数は１５個である。また、図３ｂに示すように、脊柱曲線上の変曲点Ａ１及びＡ２と、変曲点Ａ１及びＡ２上の接線の角度がそれぞれ１０．４°及び１６．６°であることに基づき、脊柱の弯曲角度Ａ１−２を算出する。ここで、手動での取得には、例えばマウスのようなポインティングデバイスを用いてもよいし、例えばタッチスクリーンのようなインタラクションデバイスを用いてポインティング操作を実施してもよい。
図４は、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。第１実施例との違いとしては、脊椎位置を表す曲線ポイントをコンピュータ支援法で取得するため、脊柱の弯曲角度の測定が自動化する。本実施例において、当該方法は以下のステップを含む。
Ｓ４１０：三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する。
当該ステップでは三次元超音波イメージングシステムにより脊柱画像を取得するが、三次元超音波イメージングシステムについてはすでに開示されているため、ここでは改めて詳述しない。
Ｓ４２０：脊柱画像から、脊椎位置を表す曲線ポイントをコンピュータ支援法で取得する。具体的には以下のステップを含む。
Ｓ４２１：前記脊柱画像について部分位相分布特性を算出し、脊柱画像の位相一致性情報Ｓｙｍ（ｘ，ｙ）及びＡｓｙｍ（ｘ，ｙ）を取得する。
Ｓ４２２：対称位相一致性（Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｇｒｕｅｎｃｙ）を用いて脊柱画像を強調し、強調した脊柱骨特徴画像ｆｅ（ｘ，ｙ）を取得する。なお、ここでいう対称位相一致性は、一次元、二次元又は三次元方向において表され、算出することが可能である。
Ｓ４２３：非対称位相一致性及び前記の強調画像を二重閾値分割することで、脊柱骨（脊柱の棘突起及び横突起）の分割画像を取得する。
当該ステップは、具体的に以下を含む。
ａ．大津アルゴリズムを用いて非対称位相一致性Ａｓｙｍ（ｘ，ｙ）を分割し（ここでいう非対称位相一致性もまた、一次元、二次元又は三次元方向において表される）、閾値Ｔｏｔｓｕを取得する。
ｂ．閾値Ｔｏｔｓｕを用いて脊柱領域を分割する。
ｃ．脊柱領域で最大エントロピーアルゴリズムを用い、前記強調画像について分割用の閾値ＴＭＥを取得する。
ｄ．脊柱領域で閾値ＴＭＥを用い、脊柱骨（脊柱の棘突起及び横突起）の分割画像を分割する。
Ｓ４２４：前記分割画像Ｂ（ｘ，ｙ）の底部から上部まで、縦座標方向にしたがってラインごとに脊柱の棘突起の柱状断面図を検出する。
当該ステップは、具体的に以下を含む。
ａ．脊柱範囲に基づいて、画像中の行ｙにおいて分割されたセグメント数Ｎｙを検出する。
ｂ．セグメント数が１未満の場合、ステップｄを実行する。
ｃ．セグメントＮｙから、一つ前のラインとの重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱における棘突起の柱状断面領域とする。また、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満でない場合には、ステップｄを実行する。
ｄ．行ｙが強調画像ｆ（ｘ，ｙ）の最終行であるか否かを判断し、最終行の場合にはステップＳ４２５を実行する。また、最終行でない場合には前記ステップにしたがって、行ｙ＋１につきステップａ〜ｂを繰り返して検出を実施する。
Ｓ４２５：底部から上部まで、縦座標方向にしたがってラインごとに、脊柱の棘突起の柱状断面領域における画像のグレースケール値が最小となる点

を脊椎上の曲線ポイントとして検出する。本発明において、脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現する。
Ｓ４３０：取得した曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する。
Ｓ４４０：脊柱曲線上の複数の変曲点から、脊柱の弯曲角度を算出する。
当該ステップでは、まず脊柱曲線上の複数の変曲点を特定してから、それぞれ各変曲点の座標にアークタンジェントを組み合わせて、当該変曲点上の接線の角度を算出する。脊柱の弯曲角度は、曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度となる。
図５ａ〜図５ｃは、本発明の第２実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。図５ａは、本発明の第２実施例における三次元超音波イメージングで取得された脊柱画像であり、本発明の第１実施例における三次元超音波イメージングで取得された脊柱画像と同様に、上記のステップにより曲線ポイントが取得される。そして、図５ｂに示すように、脊柱曲線における変曲点上の接線の角度から、脊柱の弯曲角度Ａ１−２を算出する。図５ｃに示すように、図中にマークされた変曲点Ａ１及びＡ２上の接線の角度はそれぞれ１７．０°及び１６．５°である。
図６は、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度を測定する方法のフローチャートである。本実施例では、第２実施例との違いとして、コンピュータ支援法だけでなく手動によっても脊椎位置を表す曲線ポイントを取得するため、脊柱の弯曲角度の測定が半自動化する。当該方法は以下のステップを含む。
Ｓ６１０：三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する。
Ｓ６２０：脊柱画像から、操作感知によって脊椎位置を表す曲線ポイントを取得するとともに、操作感知法であるコンピュータ支援法で脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する。ここで、手動で取得する曲線ポイントの数は任意とする。また、脊椎位置を表す曲線ポイントをコンピュータ支援法で取得する具体的ステップにおいて、条件を満たさない曲線ポイントを削除する際には、手動で取得した曲線ポイントも対象とする。即ち、手動で取得した曲線ポイントが相応の条件を満たさない場合には、対応する曲線ポイントを削除する。なお、具体的なステップについては第２実施例で詳細に説明したため、ここでは改めて詳述しない。
Ｓ６３０：取得した曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する。
Ｓ６４０：脊柱曲線上の複数の変曲点から、脊柱の弯曲角度を算出する。
当該ステップでは、まず脊柱曲線上の複数の変曲点を特定してから、それぞれ各変曲点の座標にアークタンジェントを組み合わせて、当該変曲点上の接線の角度を算出する。脊柱の弯曲角度は、曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度となる。
図７ａ〜図７ｃは、本発明の第３実施例における脊柱の弯曲角度の測定結果を示す図である。図７ａは、本発明の第３実施例における三次元超音波イメージングで取得された脊柱画像であり、本発明の第１実施例及び第２実施例における三次元超音波イメージングで取得された脊柱画像と同様に、上記のステップにより曲線ポイントが取得される。そして、図７ｂに示すように、脊柱曲線における変曲点上の接線の角度から、脊柱の弯曲角度Ａ１−２を算出する。図７ｃに示すように、図中にマークされた変曲点Ａ１及びＡ２上の接線の角度はそれぞれ１６．０°及び１６．５°である。
図９に示す本発明にかかる脊柱の弯曲角度を測定するデバイスの実施例の論理構造は、三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する三次元超音波イメージングユニット１００、前記三次元超音波イメージングユニット１００から提供される脊柱画像を処理する処理ユニット２００、及び前記処理ユニット２００に接続される操作感知ユニット３００、を含む。処理ユニット２００は、脊柱画像に対し画像強調を施す強調ユニット２１０、強調ユニット２１０からの強調された画像を分割する分割ユニット２２０、分割ユニット２２０からの分割された画像を細分化処理する細分化ユニット２３０、及び、細分化ユニット２３０から提供される脊柱画像に基づいて脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する取得ユニット２４０を含む。処理ユニット２００は、更に、取得ユニット２４０からの曲線ポイントに基づいて最終的な脊柱曲線を生成する生成ユニット２５０と、生成ユニット２５０から提供される脊柱曲線上の変曲点に基づいて脊柱の弯曲角度を算出する演算ユニット２６０、及び、例えば出力結果を表示、通信出力するというように結果を出力する出力ユニット２７０、を含む。
このうち、強調ユニット２１０は、前記脊柱画像の対称位相一致性を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得する。また、分割ユニット２２０は、強調された脊柱骨特徴画像と脊柱画像の非対称位相一致性を二重閾値分割することで、脊柱骨分割画像を取得する。細分化ユニット２３０は、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、以下の操作を行ごとに実行する。
−選択した行から全てのセグメントラインを抽出する。
−抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とする。
−全ての行について処理が完了するまで上記のステップを繰り返す。
ここで、取得ユニット２４０において、前記の脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現する。或いは、取得ユニット２４０は、例えばタッチスクリーンのような操作感知ユニット３００から提供される前記脊柱画像上にマークされたポイントを受け付け、当該ポイントを、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定する。取得ユニット２４０は、更に、例えばタッチスクリーンのような操作感知ユニット３００から提供される前記脊柱画像上の脊椎位置を表す曲線ポイントの座標について行われた調整を受け付ける。
また、生成ユニット２５０は、前記曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する。
上述したように、本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法及びデバイスによれば、三次元超音波イメージングによる脊柱の弯曲角度の測定が容易且つ実行可能となる。また、手動による曲線ポイントの取得、或いはコンピュータ支援による曲線ポイントの取得、又はこれら双方の組み合わせによって、脊柱の弯曲角度の測定精度が向上する。このほか、本発明における脊柱の弯曲角度を測定する方法は、異なる組織深度に位置して取得された複数の脊柱画像を用いて曲線ポイントの抽出を実施するとともに、当該曲線ポイントを用いて脊柱の弯曲角度を測定することで測定精度を向上してもよい。
以上は本発明における好ましい具体的実施形態にすぎず、本発明の保護の範囲はこれらに限定されない。当業者が本発明で開示する技術範囲において容易に想到し得る変形又は置き換えは、いずれも本発明の保護の範囲に含まれる。したがって、本発明の保護の範囲は請求項による保護の範囲に準じるものとする。

Claims (20)

  1. 脊柱の弯曲角度を測定する方法において、
    三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得するステップＳ１と、
    前記脊柱画像について、画像の強調、分割及び細分化を実施するステップＳ２と、
    上記の強調、分割及び細分化を実施した脊柱画像から、脊椎位置を表す曲線ポイントを取得するステップＳ３と、
    前記曲線ポイントから最終的な脊柱曲線を生成するステップＳ４と、
    脊柱曲線上の変曲点から脊柱の弯曲角度を算出するステップＳ５と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記ステップＳ２において、前記画像の強調は、前記脊柱画像の対称位相一致性を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得することで実現することを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  3. 前記ステップＳ２において、前記画像の分割は、前記の強調した脊柱骨特徴画像と前記脊柱画像の非対称位相一致性を二重閾値分割することで、脊柱の棘突起及び横突起部分を含む脊柱骨分割画像を取得することで実現することを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  4. 前記ステップＳ２において、前記画像の分割に用いる前記閾値は、前記の強調した脊柱骨特徴画像に対し最大エントロピーアルゴリズムを適用することで取得することを特徴とする請求項３に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  5. 前記ステップＳ２において、前記画像の細分化は、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、
    −選択した行から全てのセグメントラインを抽出するステップと、
    −抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とするステップと、
    −全ての行について処理が完了するまで上記のステップを繰り返すステップと、を行ごとに実行することで実現することを特徴とする請求項３に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  6. ステップＳ３において、前記の脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現することを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  7. 前記ステップＳ３は、操作感知により提供される前記脊柱画像上にマークされたポイントを受け付けて、当該ポイントを、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  8. 前記ステップＳ３は、操作感知により提供される前記脊柱画像上の脊椎位置を表す曲線ポイントの座標位置について行われた調整を受け付けるステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  9. 前記脊椎位置を表す曲線ポイントは、１又は複数の前記脊柱画像から取得することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  10. 上記の複数の前記脊柱画像から取得した前記脊椎位置を表す曲線ポイントを更に平均し、上記の複数の前記脊柱画像における脊椎位置を表す曲線ポイントを取得することを特徴とする請求項９に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  11. 前記ステップＳ４において、前記曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成することを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  12. 上記の前記脊柱画像の対称位相一致性は、一次元、二次元又は三次元方向において取得されることを特徴とする請求項２に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  13. 上記の前記脊柱画像の非対称位相一致性は、一次元、二次元又は三次元方向において取得されることを特徴とする請求項３に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  14. 多項式曲線フィッティングを前記曲線ポイントに適用する前に、曲線に対応する脊柱範囲を定義することを特徴とする請求項１１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  15. 前記ステップＳ５において、脊柱の弯曲角度は曲線の変曲点上に位置する接線間の最大角度であることを特徴とする請求項１に記載の脊柱の弯曲角度を測定する方法。
  16. 脊柱の弯曲角度を測定するデバイスにおいて、
    三次元超音波イメージングにより脊柱画像を取得する三次元超音波イメージングユニット、前記三次元超音波イメージングユニットから提供される脊柱画像を処理する処理ユニット、及び前記処理ユニットに接続される操作感知ユニット、を含み、前記処理ユニットは、前記脊柱画像に対し画像強調を施す強調ユニット、強調された画像を分割する分割ユニット、分割された画像を細分化する細分化ユニット、前記細分化ユニットから提供される脊柱画像に基づいて脊椎位置を表す曲線ポイントを取得する取得ユニット、を含み、前記処理ユニットは、更に、前記曲線ポイントに基づいて最終的な脊柱曲線を生成する生成ユニットと、脊柱曲線上の変曲点に基づいて脊柱の弯曲角度を算出する演算ユニットを含むことを特徴とするデバイス。
  17. 前記強調ユニットは、前記脊柱画像の対称位相一致性を用いて強調した脊柱骨特徴画像を取得する装置を含み、前記分割ユニットは、前記の強調された脊柱骨特徴画像と前記脊柱画像の非対称位相一致性を二重閾値分割することで脊柱骨分割画像を取得する装置を含み、前記細分化ユニットは、前記脊柱骨分割画像に対して上から下或いは下から上に、
    −選択した行から全てのセグメントラインを抽出する操作と、
    −抽出した全てのセグメントラインから、一つ前の行との重複が最大のセグメントを抽出し、当該セグメントと一つ前のセグメントとの距離の値を閾値Ｔｈと比較して、当該距離の値が閾値Ｔｈ未満の場合、当該セグメントを現在の行の脊柱骨柱断面領域とする操作と、
    −全ての行について処理が完了するまで上記の操作を繰り返す操作と、を行ごとに実行する装置を含むことを特徴とする請求項１６に記載の脊柱の弯曲角度を測定するデバイス。
  18. 前記取得ユニットにおいて、前記の脊椎位置を表す曲線ポイントの取得は、前記脊柱骨柱断面領域から前記各行の画像のグレースケール値が最小となる領域位置を抽出することで実現することを特徴とする請求項１６に記載の脊柱の弯曲角度を測定するデバイス。
  19. 前記取得ユニットは、前記操作感知ユニットから提供される前記脊柱画像上にマークされたポイントを受け付け、当該ポイントを、取得する脊椎位置を表す曲線ポイントとして特定する装置を含み、
    前記取得ユニットは、更に、前記操作感知ユニットから提供される前記脊柱画像上の脊椎位置を表す曲線ポイントの座標について行われた調整を受け付ける装置を含むことを特徴とする請求項１６に記載の脊柱の弯曲角度を測定するデバイス。
  20. 前記生成ユニットは、前記曲線ポイントに基づき、５次又はそれ以上の多項式フィッティングを用いて最終的な脊柱曲線を生成する装置を含むことを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載の脊柱の弯曲角度を測定するデバイス。
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