JP3097923B2

JP3097923B2 - 三次元画像処理方法

Info

Publication number: JP3097923B2
Application number: JP03039944A
Authority: JP
Inventors: 良洋後藤
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1991-03-06
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: JPH04278685A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元画像処理のう
ち、特に軟部組織の抽出と表示に有用な三次元画像処理
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータによる医用画像の表示は、
二次元表示から三次元表示へと発展している。

【０００３】ＣＴスライス三次元表示の例を第１３図で
説明する。被検体に対してＣＴ装置で複数のＣＴスライ
ス像＃１，＃２，＃３，…を得る。例えば、人間の頭部
では最大２５６枚程度となる。得られた複数のＣＴスラ
イス像を積み上げると、三次元画像を得る。

【０００４】この三次元画像表示の従来例には、「アイ
ソトープニュース（Ｉsotop Ｎews）」（１９８５年、
１２月号。日本アイソトープ協会発行）の「コンピュー
タによる医用画像の三次元表示」（第８頁〜第９頁）が
ある。

【０００５】この文献では、擬似三次元表示法が開示さ
れる。擬似三次元表示法は、主としてコンピュータ・グ
ラフィック技術により、見掛け上の三次元画像を作り出
し、これを通常の二次元ディスプレイ上に投影表示する
方法である。

【０００６】擬似三次元表示法には、断面変換表示法と
表面表示法などがある。表面表示法は、複雑に入り組ん
だ臓器，骨などの表面形状を立体的に画像構成する方法
である。表面表示法の代表的なものに、サーフェース法
とボクセル法とがある。

【０００７】ここでサーフェース法とは、画像各点の傾
斜角に対応して濃度を与え、この濃度を画面に表示し、
陰影付けする方法をいう。

【０００８】ボクセル法とは、視点又は光源からの画像
上の各点への奥行き距離に応じて濃度を与え、この濃度
を画面に表示し、陰影付けする方法をいう。

【０００９】ところで最近は、表面表示における画質を
更によくするために画素濃度に中間値を与え、この濃度
（多値濃度）を画面に表示し、陰影を表現させるボリュ
−ムレンダリングの手法が使われている（Ｃomputer Ｇ
raphics，Ｖolume ２２，Ｎumber ４，Ａugust １９８
８）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記ボリュ−ム
レンダリング法では、複数の、例えば２５６枚のＣＴス
ライス像の各々について全ての座標の濃度デ−タをメモ
リ上に保持する必要がある。このため、大容量のメモリ
を必要とするという問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、メモリをあまり増やさず
に画素濃度に中間値を与えことができ、画質の向上を図
ることができる三次元画像処理方法を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、画素の濃度
値及び画素間の濃度勾配値に対して、それぞれメンバシ
ップ関数を作り、各メンバシップ関数を用いて前記濃度
値及び画素間の濃度勾配値のメンバシップ値を各々求
め、そのメンバシップ値から反射係数を求め、この反射
係数に対してしきい値処理をし、抽出された反射係数を
その反射係数の画素座標（抽出点）と共に保存し、前記
反射係数と画素座標に基づいて三次元画像の陰影づけを
行なうことにより達成される。

【００１３】

【作用】本発明では、多数枚のスライス像の全ての座標
の濃度デ−タを保存することはなく、抽出点の濃度デー
タのみを保存する。この場合、画質をよくするために二
値データとして保存せず、抽出点の濃度デ−タに多値の
反射係数を付加して保存することで、画素濃度に中間値
を与え、この濃度（多値濃度）を画面に表示して陰影を
表現可能にする。

【００１４】これによれば必要なメモリ容量は若干増え
るが、ボリュ−ムレンダリング法に比べて少ない容量
で、多値濃度データとして保存される。すなわち、メモ
リをあまり増やさずに画素濃度に中間値が与えられ、画
質の向上も達成される。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。まず図２〜図６により、ＣＴスライス像中におい
てデータ保存（表示）しようとする特定領域上の画像デ
ータ（画素座標及びその濃度値）の抽出方法を説明す
る。図２中のＣＴスライス像１１上に引かれた直線１２
に沿って画素濃度値の断面をとるとヒストグラム１３の
ようになる。

【００１６】上記直線１２上の点Ｐ，Ｑは皮膚（頭
皮），脳に属するが、ヒストグラム１３の該当箇所を見
れば分かるように、それらの画素濃度値はほぼ同じであ
る。したがって、濃度値だけではそれらの区別がつかな
い。ところが濃度勾配（ヒストグラム１３上の濃度値の
傾き）１３Ｐ，１３Ｑは異なっているので、画素の濃度
値と共に濃度勾配を比較すればそれら（皮膚，脳）の区
別がつく。

【００１７】更に本発明では、ファジィ理論におけるメ
ンバシップ関数を利用して反射係数を求め、輝度（濃
度）を与えて陰影を付ける（メンバシップ関数，メンバ
シップ値につき、オーム社発行「省力と自動化」１９９
０年１０月号、第４８頁「ファジィロボットシステムと
その応用」参照）。

【００１８】いま脳を抽出したいとき、その脳部分の画
素の濃度及び濃度勾配の各メンバシップ関数を例えば図
３，図４中の１０Ａ，１０Ｂに示すように設定する。こ
れらのメンバシップ関数１０Ａ，１０Ｂは、保存（表
示）対象の種類に依存して決まる。例えば、脳の画素濃
度のメンバシップ関数１０Ａにつき、その中心濃度１０
Ａｏが脳の画素濃度の平均値であり、幅１０Ａｗは脳の
画素濃度の分布状態により適宜決める。これら中心濃度
１０Ａｏ，幅１０Ａｗは当該ＣＴスライス像の画素濃度
につき予め調べた値、あるいは経験上得られた値が用意
される。

【００１９】これらのメンバシップ関数１０Ａ，１０Ｂ
によれば、そのＰ点（皮膚部分）の濃度，濃度勾配に対
応するメンバシップ値はＭpi，Ｍpgとなり、Ｑ点（脳部
分）の濃度，濃度勾配に対応するメンバシップ値はＭq
i，Ｍqgとなる。

【００２０】更に本発明では、Ｐ点の反射係数はメンバ
シップ値Ｍpi，Ｍpgの積に比例し、Ｑ点の反射係数はメ
ンバシップ値Ｍqi，Ｍqgの積に比例するものとする（Ｐ
点の反射係数∝Ｍpi・Ｍpg，Ｑ点の反射係数∝Ｍqi・Ｍ
qg）。これによると、Ｍqg>>Ｍpgのため、Ｑ点の反射係
数>>Ｐ点の反射係数となる。すなわち、脳部分の反射係
数のほうが大きくなり、皮膚部分と区別できたことにな
る。

【００２１】本発明では、この後で、得られた上記反射
係数の全てに対してしきい値処理をし、脳に属するデー
タ（画素座標及びその反射係数）だけを保存する。図５
にそのデータの保存例を示す。図５において、Ｆi(i=1,
2,3...)４３は反射係数であり、Ｘi(i=1,2,3...)４１，
Ｙi(i=1,2,3...)４２はこの反射係数Ｆiを与える点の座
標である。

【００２２】上記保存データを１６ｂｉｔで表す場合で
あって、Ｘ座標（又はＹ座標）の値が予め分かってお
り、これが例えば最大５１２で、９ｂｉｔで表わせる場
合は、上位７ｂｉｔが空きになるので、ここに７ｂｉｔ
に規格化した反射係数を格納するようにしてもよく（図
６参照）、これによればメモリが節約される。

【００２３】前述とは逆に皮膚を抽出したいとき、その
皮膚部分の画素の濃度及び濃度勾配の各メンバシップ関
数を例えば図７，図８中の１０Ｃ，１０Ｄに示すように
設定する。これらのメンバシップ関数１０Ｃ，１０Ｄも
前述の脳の場合と同様に、データ保存（表示）対象の種
類に依存して決まる。すなわち、皮膚の画素濃度のメン
バシップ関数１０Ｃにつき、その中心濃度１０Ｃｏが皮
膚の画素濃度の平均値であり、幅１０Ｃｗは皮膚の画素
濃度の分布状態により適宜決める。これら中心濃度１０
Ｃｏ，幅１０Ｃｗは当該ＣＴスライス像の画素濃度につ
き予め調べた値、あるいは経験上得られた値が用意され
る。

【００２４】これらのメンバシップ関数１０Ｃ，１０Ｄ
によれば、そのＰ点（皮膚部分）の濃度，濃度勾配に対
応するメンバシップ値はＭpi，Ｍpgとなり、Ｑ点（脳部
分）の濃度，濃度勾配に対応するメンバシップ値はＭq
i，Ｍqgとなる。

【００２５】更に、Ｐ点の反射係数はメンバシップ値Ｍ
pi，Ｍpgの積に比例し、Ｑ点の反射係数はメンバシップ
値Ｍqi，Ｍqgの積に比例するものとする（Ｐ点の反射係
数∝Ｍpi・Ｍpg，Ｑ点の反射係数∝Ｍqi・Ｍqg）。ここ
では、Ｍqg<<Ｍpgのため、Ｐ点の反射係数>>Ｑ点の反射
係数となる。すなわち、皮膚部分の反射係数のほうが大
きくなり、脳部分と区別できたことになる。

【００２６】その後、ここでも、得られた上記反射係数
の全てに対してしきい値処理をし、皮膚に属するデータ
（画素座標及びその反射係数）だけを図５に示すように
保存する。

【００２７】次に、前述したようなデータ保存（表示）
対象のデータ（画素座標及びその反射係数）の抽出手順
につき、図１に基づき説明する。まずステップ１で、画
素の濃度値及びそれに基づく演算値（上述実施例では画
素濃度勾配）に対してメンバシップ関数を作る。これら
のメンバシップ関数は、データ保存（表示）対象の種類
に依存して決まるもので、その詳細は前述した通りであ
る。ステップ２では画素座標（ｘ，ｙ）を初期化する。

【００２８】ステップ３において、ステップ１で作った
メンバシップ関数を使い、画素座標（ｘ，ｙ）における
画素濃度値とそれに基づく演算値のメンバシップ値を求
める。ステップ４で、求められたメンバシップ値をこれ
と比例する反射係数（値）と関係付ける。すなわち、求
められたメンバシップ値を、それとの対応関係が予め定
められた反射係数に置き換える。ここで対応関係は、前
記画素座標（ｘ，ｙ）における画素濃度値とそれに基づ
く演算値（画素濃度勾配）の両メンバシップ値の積が反
射係数に比例すること（前述の例では、Ｐ点の反射係数
Ｍpi・Ｍpg，Ｑ点の反射係数Ｍqi・Ｍqgとすること）を
最少要件とする。

【００２９】ステップ５では、その反射係数を予め定め
られたしきい値Ｔ１，Ｔ２と比較（前記しきい値処理）
し、条件（Ｔ１＜反射係数＜Ｔ２）を満たせばステップ
６に飛び、条件を満たした反射係数とその座標をメモリ
に保存し、ステップ７に行く。ここでしきい値Ｔ１，Ｔ
２は、メモリ容量と画質との兼ね合いで選定される。す
なわちしきい値Ｔ１，Ｔ２の範囲を広くとると、条件
（Ｔ１＜反射係数＜Ｔ２）を満たすデータが多くなって
画質はよくなるがメモリ容量を多く必要とし、しきい値
Ｔ１，Ｔ２の範囲を狭くとると、その逆になるので、そ
れらが共に満足できるように選定される。ステップ５に
おいて、反射係数が条件（Ｔ１＜反射係数＜Ｔ２）を満
たさなければ、ステップ７に行く。ステップ７では座標
（ｘ，ｙ）を更新する。これらの処理を座標（ｘ，ｙ）
が最後の画素を指示するまで繰り返す。

【００３０】上述のようにして抽出されたデータ（抽出
データ）を使って三次元画像を構成する例を図９〜図１
１により説明する。図９において、各スライス像、ここ
ではＣＴスライス像から抽出した輪郭画素座標をもとに
輪郭画像５０Ａ，５０Ｂを図示のように順に積み重ね、
公知の透視変換を施すと二次元平面（仮想平面）５１上
に三次元画像（疑似三次元画像）５２が表示される。５
３は観測者、５４は光源である。

【００３１】このとき本発明では、上記三次元画像５２
に次のようにして陰影を付ける。すなわち視点Ｐ’の輝
度を、Ｆ（距離）＊Ｇ（角度）＊反射係数 …（１）で近似する。

【００３２】Ｆ（距離）とＧ（角度）で輝度を近似する
のは最近多用されている（木村博一監修「最近の医用画
像診断装置」１９８８年６月２５日、株式会社朝倉書店
発行、第１３７頁参照）。本発明では、これにその画素
座標（抽出点）の反射係数を加味してより画質を向上し
たものである。

【００３３】なお、上式（１）においてＦ（距離）は、
例えば下式（２）で近似する。Ｆ（距離）＝Ｆ₀(l₀−l₁) …（２）ただしＦ₀は、最大明るさをとる距離である。Ｇ（角
度）は、ここでは、隣接する３つ以上の前記抽出点（輪
郭画素座標）を結んで形成される面素５５と前記仮想平
面５１上に設定された視点Ｐ’とを結ぶ直線Ｌ₁に対す
る、前記面素５５の法線Ｎ及び前記面素５５と光源５４
を結ぶ直線Ｌ₂のそれぞれがなす角度θ，φで決まる。
ここで、上記角度θ，φは直線Ｌ₁ に対する三次元空間
上の角度であり、角度θはθ₁，θ₂を、角度φはφ₁，
φ₂を、各々含むもので（図１０，図１１参照）、Ｇ
（角度）は下式（３）で近似する。

【００３４】

【数１】

【００３５】なお、これらの角度θ₁，θ₂、φ₁，φ₂に
ついては、本発明者らによる「三次元画像の陰影表示方
法」特願昭６１−６０８０７号（昭和６１年３月２０日
出願）明細書第１２頁〜第１４頁、第８図〜第１０図参
照。

【００３６】第１２図は、本発明方法が適用された三次
元画像処理装置の一例を示すブロック図である。この図
１２に示すように処理装置は、ＣＰＵ６１、表示メモリ
６２、ＣＲＴ表示装置６３、高速演算回路６４、マウス
コントローラ６５、マウス６６、メモリ（ＲＡＭ，ＲＯ
Ｍ）６７，磁気ディスク装置６８及び共通バス６９から
なる。

【００３７】ここで、ＣＰＵ６１はメモリ（ＲＯＭ）６
７内のマイクロプログラムによって作動し、画像処理を
含む各種処理や処理装置各部の制御を行う。メモリ（Ｒ
ＡＭ）６７は中間処理でのデータ（図４（ａ）に示すデ
ータなど）やその他の各種データを格納する。表示メモ
リ６２はＣＲＴ表示装置６３で表示するＣＴスライス像
や三次元画像を格納する。

【００３８】高速演算回路６４は画像処理の中のサブル
ーチン的な処理や専用処理を行うもので、その起動はＣ
ＰＵ６１が行う。ＣＰＵ６１による画像処理と高速演算
回路６４による画像処理とは、事前にどのような分担内
容とするかを決めておく。例えば、ＣＰＵ６１はＣＴス
ライス像を得る処理を行い、高速演算回路６４は図１に
示す処理や前述陰影を付ける処理を行う。

【００３９】磁気ディスク６８は、画像データや各種テ
ーブル，パラメータの保存を行う。上記画像データに
は、高速演算回路６４の処理前後の画像データを含む。
処理前の画像データは、処理に際しＣＰＵ６１によって
メモリ６７に送られ、このメモリ６７と高速演算回路６
４との間でデータの送受をしながら処理が行われる。

【００４０】マウス６６はＣＰＵ６７や高速演算回路６
４に、そこでの処理に必要とするパラメータや各種指示
を与える。マウスコントローラ６５はこのマウス６６の
動作をコントロールする。共通バス６９は、各構成要素
を接続し、各種データや指示を授受させる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、多
数枚のスライス像の全ての座標の濃度デ−タを保存する
ことなく、抽出点の濃度データのみを保存し、また、抽
出点の濃度デ−タに多値の反射係数を付加して保存する
ことで、画素濃度に中間値を与え、この濃度（多値濃
度）を画面に表示して陰影を表現可能にしたもので、メ
モリをあまり増やさずに画素濃度に中間値を与えことが
でき、画質の向上を図ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施例を示すフローチャートで
ある。

【図２】同上方法においてＣＴスライス像中のデータ保
存しようととする特定領域上の画像データの抽出方法の
説明図である。

【図３】図２中の脳部分の画素濃度のメンバシップ関数
を示す図である。

【図４】図２中の脳部分の画素の濃度勾配のメンバシッ
プ関数を示す図である。

【図５】抽出デ−タのメモリへの保持方法の説明図であ
る。

【図６】抽出デ−タのメモリへの保持方法の説明図であ
る。

【図７】図２中の皮膚部分の画素濃度のメンバシップ関
数を示す図である。

【図８】図２中の皮膚部分の画素の濃度勾配のメンバシ
ップ関数を示す図である。

【図９】仮想平面上の輝度の求め方の説明図である。

【図１０】仮想平面上の輝度の求め方の説明図である。

【図１１】仮想平面上の輝度の求め方の説明図である。

【図１２】本発明方法が適用された三次元画像処理装置
の一例を示すブロック図である。

【図１３】ＣＴスライス三次元表示の説明図である。

【符号の説明】

１０Ａ〜１０Ｄメンバシップ関数１３Ｐ，１３Ｑ濃度勾配（濃度値に基づく演算
値）４１〜４３抽出データ５０Ａ，５０Ｂ輪郭画像５１二次元平面（仮想平面）５２三次元画像（疑似三次元画像）５３観測者５４光源５５面素Ｎ面素の法線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画素の濃度値及び画素間の濃度勾配値に
対して、それぞれのメンバシップ関数を作成する工程
と、前記メンバシップ関数から画素の濃度値及び画素間
の濃度勾配値のそれぞれに対応するメンバシップ値を求
める工程と、前記メンバシップ値から画素の反射係数を
求める工程と、所望のしきい値によって前記反射係数を
抽出処理する工程と、該抽出した反射係数とこの反射係
数を求めた画素座標（抽出点）を対応付けて記憶（保
存）する工程と、前記反射係数と前記画素座標に基づい
て三次元画像の陰影づけ処理を行う工程を有したことを
特徴とする三次元画像処理方法。