JP3243281B2 - 断層画像処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＭＲＩや超音波診断装
置などから得られる３次元像の断層画像データを処理す
るのに適した断層画像処理装置に関し、特に診断に有用
な特徴情報を高速にかつ効率的に抽出することが可能な
画像処理装置に関する。

【０００２】心臓やけい動脈を対象とする循環系疾患診
断では、血管内外壁の時間変化に伴う３次元的運動と同
部位の３次元的分布を高速に取得し、両者の空間的な因
果関係を定量的に把握できることが、診断精度を向上さ
せるうえで強く望まれている。

【０００３】ここで時間軸上で変化する３次元像の構築
をするために必要とする原画像データは、一心拍中に複
数のフェイズ（時相）を持つ心全体にわたるマルチスラ
イス（多断層）像であり、形態情報として、心および血
管内腔領域、あるいは血管外壁と他の組織との境界像、
また機能像として、心および血管内腔の血流の３次元的
分布像の取得が必要とされる。

【０００４】従来の画像処理装置では、心全体をカバー
するマルチスライス像の一スライスごとに所定の画像処
理を行って必要とする対象項目の境界領域の抽出を行
い、完了すると次の画像に移行して同様の処理を実行す
るのが普通であり、多断層、多時相の画像に対しては多
大な処理時間を要していた。

【０００５】

【従来の技術】最近、超音波診断装置や医用ＭＲＩを用
いて生体の３次元画像データを作成し、診断処理を行う
技術がさかんに利用されるようになってきている。従来
のこれらのデータを処理する画像処理装置では、各断層
面ごとに境界抽出などの特徴抽出処理をシリアルに行
い、各断層面終了後に次の断層面について同様の処理を
行う方式がとられていた。そのためデータ処理に長時間
を必要とし、多断層面多時相の画像に関しては、実用的
な時間内での処理が不可能であった。

【０００６】さらに、このような各断層面ごとの処理を
行った場合、断層間では異なる時間軸上でのデータを用
いることとなるため、３次元像として構築した際には部
位ごとに異なる時間で得た情報を合成した、時間的歪の
ある疑似３次元像のみしか構築できなかった。このため
心臓運動のような短い時間内で生じる形態的、機能的変
化を計測することが不可能であった。また明快な境界を
持たない心、血管壁と周囲組織との境界面の判別は従来
の手法では非常に困難であり、この部分を自動化するこ
とができず、結果的に高速処理が不可能であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、短時間で変
化する２次元あるいは３次元の画像を実用可能な時間で
高速に処理することができ、かつ生体器官などの特徴を
比較的少ないハード量で高精度に抽出できる画像処理装
置を実現することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、処理対象の２
次元画像空間の画素にそれぞれ１つずつのファジィ素子
を対応づけたファジィ素子のアレイを用い、個々の画素
の値をファジィ推論によって決定するようにしたもの
で、３次元画像データを処理する場合には、ピクセル単
位のファジィ素子を、断層面数と、あらかじめ規定され
た断層面内のピクセル数とを乗じた数だけ少なくとも設
け、各ファジィ素子を並列に動作させることによって課
題の解決を図るものである。

【０００９】図１は、３次元画像データを処理する場合
について例示的方法で示した本発明の原理図である。図
１において、１はＲＭＩなどの、診断対象から断層面デ
ータを取得できる診断装置である。２はＡ／Ｄ変換器で
あり、診断装置１の出力信号がアナログ形式のものであ
る場合にディジタル形式に変換するために用いられる。
３はメモリであり、順次入力される断層面データを一時
的に格納するために用いられる。４は前処理部であり、
推論を行うのに必要な数の断層面データがメモリ３内に
格納されると、それらのデータから推論処理用の信号を
作成する。５は前処理部４が作成した信号を、抽出すべ
き特徴の数だけ分配する分配器である。６は同時に処理
する断層面の数あるいは抽出すべき特徴の数だけ設けら
れたファジィ素子ブロックである。各ファジィ素子ブロ
ックは、１つの断層面の２次元画像について１つの特徴
を処理し、１つのブロックは１つの断層面内に存在する
ピクセルの数だけファジィ素子を含む。各ファジィ素子
に設定するルールおよびメンバシップ関数は変更するこ
とができ、それにより、１つのファジィ素子ブロックを
異なる複数の断層面データの処理あるいは異なる特徴抽
出のために共用することができる。しかしこの場合処理
はシリアルに行われることになる。

【００１０】次に７はＣＰＵであり、ファジィ素子ブロ
ック６から出力される推論結果のデータを、断層面ごと
に各特徴について集め、表示データを作成する。８はＣ
ＲＴであり、ＣＰＵ７が作成した表示データを表示出力
する。

【００１１】

【作用】図１に示す本発明の構成において、１つのファ
ジィ素子ブロック６内の複数のファジィ素子は、そのブ
ロックに割り付けられた断層面（あるいは断層面の部分
領域であってもよい）をカバーするピクセル配列の個々
のピクセルに対応づけられ、それぞれのファジィ素子に
はあらかじめ規定された独立のルールとメンバシップ関
数とが設定されている。各ファジィ素子は、自己に設定
されたルールとメンバシップ関数とに基づいて、対応す
るピクセルの出力値を推論する。

【００１２】１つのファジィ素子ブロック内の各ファジ
ィ素子は同時並行的に動作するので高速処理が実現され
る。また複雑な３次元画像の断層面では、３次元画像の
連続体が切断位置に応じた特異な２次元画像のパターン
となって現れるなど、多様な対応が必要となる場合が多
いので、従来の非ファジィ型の推論を行うと非常な手間
がかかることになる。これにくらべて、本発明のような
ファジィ型の推論を適用した場合には特徴抽出処理は簡
単迅速化され、その有効性はきわめて高いものとなる。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。

【００１４】図２に、本発明実施例装置の全体の画像情
報処理過程をブロック図で示す。

【００１５】ここで図中に９で示されるＢＬＫＡ，ＢＬ
ＫＢ，ＢＬＫＣからなる処理区画はファジィ素子アレイ
であり、図１のファジィ素子ブロック６によって実現さ
れる。

【００１６】そして計測領域全体を包含する断層面１よ
り断層面ｎまでのファジィ素子アレイの集合を３Ｄアレ
イブロックと呼ぶ。この３Ｄアレイブロックは、最終的
に得たい情報の関心項目（特徴）ごとに、つまり心、血
管形状の３次元像、内腔の血流３次元像といった目的ご
とに一機ずつ用意される。３Ｄアレイブロック中のファ
ジィ素子アレイは全て同じ機能と入出力形式を持ち、関
心項目の数、断層数の数によってファジィ素子アレイの
グループ分けを変更することが可能である。

【００１７】通常は関心項目として壁形状と血流分布の
２項目を考え、スライス断層像数としては３０で実用的
な性能を達成できる。このため通常６０個のファジィ素
子アレイを用意する。もし関心項目が３項目の場合は断
層スライス数を削減し、２０のファジィ素子アレイによ
り３機の３Ｄアレイブロックを構成するものとする。

【００１８】また撮像領域でより断層スライス数が小さ
くて済む場合には余ったファジィ素子アレイは休止とす
る。

【００１９】ファジィ素子アレイを構成するＢＬＫＡ
は、１スライスの濃淡値データマトリックスを入力、境
界抽出のために２値化されたデータマトリックスを出力
とする単純な閾値による比較素子群であり、多値の入力
データにより、またはデータの部位や測定装置により規
定されている閾値を用いて境界線規定のための２値化処
理を行う。

【００２０】次にＢＬＫＢは、ＢＬＫＡから出力された
２値化後のデータマトリックスを入力、入力の際に不連
続であった境界線を連続的に接続したデータマトリック
スを出力とする、マトリックスの１次元のデータ数と決
定因子との積の数のファジィ素子アレイであり、濃度
（原データ）、濃度勾配（原データの１次微分）、境界
線の当該断面上での連続性を３つの決定因子として、マ
トリックス上の直線上で上記の３つの決定因子に関する
ファジィ評価を全点全因子同時に行い。その結果により
その直線上での境界点を決定する処理を行う。そしてこ
の処理を順次行い、１断面での境界線をすべて決定す
る。

【００２１】最後のＢＬＫＣは、ＢＬＫＢで得られた１
断面内で領域分けされたデータマトリックスを入力、上
下の面とのデータの連続性により、整合を取って入力に
修正をかけたデータマトリックスを出力とする、ＢＬＫ
Ｂで用いた２次元のファジィ素子アレイ（の一部）であ
り、断面と直行する方向での境界線の連続性により各点
をファジィ評価し、入力に修正をかける処理を行う。

【００２２】また図２において、１０は３Ｄアレイブロ
ックにおいて各断層面ごとに決定された境界領域のデー
タを用いて行う３次元像構築部であり、１１は構築され
た３次元像を時系列的に格納する時系列メモリである。
１２は時系列上の異なる位置の３次元像同士から運動の
方向、距離、体積を計測する処理部であり、１３はこれ
らの計測データと時系列上の各３次元像データとを用い
て４次元像を表示する最終表示用モニタである。

【００２３】次に１つのファジィ素子アレイの行う処理
内容とその機能について、図３により説明する。まず与
えられた画像を２５６×２５６のマトリックスにて取り
込む。そして画像中の濃度値、濃度分布値を情報とし
て、閾値を決定し、２値画像を作成し境界候補点を決定
する。この際には単純な２値化処理により生じた不連続
領域が存在している。

【００２４】さらにこれらの不連続領域を抽出し、次に
説明するファジィ補間、隣接情報との整合性を検討する
処理へと移行する。 ・ファジィ補間 単純な２値化処理では選別の困難な心、血管壁と周囲組
織との分離のために、不連続領域から一定区間離れたマ
トリックス上の境界線群、さらにはこれに対応する原画
像上でのグレイレベルの変化を材料とし、あらかじめ過
去の経験値により決定されているメンバシップ関数によ
り未検出境界領域の抽出を行う。あらかじめ決定された
メンバシップ関数は状況に適応するように変化されその
領域で予想される構造を持つ閉曲線群を得られるまで続
けられる。

【００２５】満足した構造を持つ閉曲線群が得られた場
合には指定されたサンプリング間隔にてこれらの情報は
位置座標列として標準化され、３Ｄアレイブロックの外
の３次元像構築部へと送られ、次の画像入力を待つ。 ・隣接断層像との整合性 本装置では多断層上での並列処理を行う過程において空
間的、時間的に隣接した画像情報との整合性を検討しつ
つ境界面を決定できるという、シリアル処理では困難な
機能を持つことができる。

【００２６】前者の空間的隣接画像情報との整合性に関
しては自分の前後に同じ時相で処理されている隣の断層
面の画像の境界領域と比較し、欠落部分をおぎなうこと
が可能となる。また後者の時間的整合性としては、時間
的に隣接している前の時相の対応する断層面の画像情報
を参照して、その境界領域との比較を行うことにより同
様に実行される。正常、疾患を問わず生体においては十
分なサンプリング間隔さえ得られれば、形態的にも機能
的にも、著しく掛け離れた変化はないため、このような
参照データが欠落部分の補間に大きな影響を与える。

【００２７】具体的には心房、血管壁に見られる薄い膜
構造の抽出、血流分布の時間変化にともなう断層像間で
のやり取り等をこれらの一連の操作で判別可能となる。

【００２８】このような各関心項目ごとに抽出された形
態情報、機能情報の位置データ群は、３次元像構築部１
０でそれぞれの空間的位置関係を認識され、１つの３次
元仮想空間上に投入される。さらにこれらの新たに構築
された位置データ群は時間要素とともに時系列メモリ１
１に収納される。これらの時系列に並べられた位置デー
タ群は視点位置を決定され、最終表示用モニタ１３に、
一定の表示時間と表示順序により表示される。この際、
観察者の医師により時間的（例えばスロー表示、時間停
止）、空間的（回転、拡大）に操作できる機能を有して
いる。

【００２９】また時系列メモリ中の位置データ群を最終
表示画面のメニューを操作することによりアクセスし、
必要な部位の方向、運動量、距離、面積、表面積、体積
を計測することが可能となる。

【００３０】このような境界領域決定処理による３次元
画像の再構築例を図４に示す。図４において、１４は診
断対象の器官、１５はマルチスライス像データを取得す
るための時相タイミングパルス、１６はマルチスライス
像データ（ｎ層の断層面データ）、１７，１７′は２値
画像データ、１８，１８′はファジィ推論により決定さ
れた境界領域で構成される各スライスの画像データ、１
９は再構築された３次元画像である。

【００３１】時相タイミングパルス１５の１つの周期内
で器官１４から１時相分のマルチスライス像データが順
次取り出され、時相タイミングパルスの１周期の終わり
の部分で１時相分の処理を実行し、終了させる。濃度値
をもつマルチスライス像データは、閾値を用いて２値化
され、２値化データ１７，１７′がつくられる。この２
値画像データでスライス内の連続性の欠陥検出を行う。
次に元のマルチスライス像データの濃度値および濃度勾
配、隣接スライスのデータ間の連続性、を考慮して欠陥
部をファジィ補間し、境界線の各ピクセルの値を決定す
る。これに基づき各スライスでの領域のラベル化を行
い、さらに各スライスのデータを統合して３次元画像１
９を再構築する。

【００３２】図５は、境界に不連続部分をもつ２値化デ
ータと、ファジィ補間により欠陥を修復され、ラベル化
された領域の例を示す。境界線によって区切られたそれ
ぞれの同質の領域ごとに異なる記号で識別可能にされ
る。

【００３３】図６は、ファジィ補間のルールの例を示
す。このようにスライス面内や隣接層間での境界パター
ンの連続性の評価、輝度（濃度値）の絶対値や差分値の
大きさの評価などによって、境界線か否かを決定してい
く。

【００３４】

【発明の効果】本発明の画像処理装置により、生体など
の短時間で変化する対象から取得される２次元あるいは
３次元の画像データの処理をほぼ実時間で行うことが可
能となる。特に本発明装置を医用ＭＲＩなどの画像デー
タの処理に適用した場合、以下のような顕著な効果を得
ることができる。

【００３５】（１）心および血管内外壁の時間変化にと
もなう３次元運動の形態的情報が、高速に得られる。

【００３６】（２）同部位の血流の流れの機能的情報が
高速に得られる。

【００３７】（３）上記２点より形態的情報と、同部位
の機能的情報の同時表示が可能となる。

【００３８】（４）血管壁と周辺組織の境界抽出能力が
向上する。

【００３９】（５）上記により壁厚の変化の測定精度が
向上し、心筋及び血管の物性（主として弾性）がわか
る。

【００４０】（６）血流分布の推定能力が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明実施例装置の全体の情報処理過程を示す
ブロック図である。

【図３】本発明実施例による境界領域決定の処理過程説
明図である。

【図４】本発明実施例における３次元画像の再構築例を
示す説明図である。

【図５】本発明実施例における２値化データとラベル化
の例の説明図である。

【図６】本発明実施例におけるファジィによる補間のル
ールの例の説明図である。

【符号の説明】

１ 診断装置 ２ Ａ／Ｄ変換器 ３ メモリ ４ 前処理部 ５ 分配器 ６ ファジィ素子ブロック ７ ＣＰＵ ８ ＣＲＴ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の断層面データを入力として３次元
   画像処理を行う断層画像処理装置において、 少なくとも同時に処理したい断層面数に同時に決定した
   い特徴数を乗じた数のファジィ素子アレイを備え、各フ
   ァジィ素子アレイは各断層面内のピクセル数のファジィ
   素子を有する画像処理部を設け、 上記画像処理部の各ファジィ素子アレイは、各断層面内
   および空間的、時間的に隣接する断層面間での特徴情報
   の欠陥を評価し、ファジィ補間するものであることを特
   徴とする断層画像処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、画像処理部が同時に
   処理および決定する断層面数および特徴数をブロック単
   位として、１つあるいは複数のブロックにより順次入力
   される断層面データをブロックに分割し、各ブロックの
   処理に画像処理部を共用して、逐次的に処理することを
   特徴とする断層画像処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、画像
   処理部が決定する特徴には、画像の境界線を含むことを
   特徴とする断層画像処理装置。