JP3558596B2 - 人体数値管理システム及び人体モデリングシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体における各部分の位置及び形状、病巣等の範囲について、立体座標値により管理し、表示することができ、医学教育や医療現場における人体シミュレータとして適用できる人体数値管理システム及び人体モデリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体の内部構造を把握、病巣等の診断するにあたって、かつてはＸ線の透視画像又はＸ線撮影画像が多く用いられていた。しかし、近年においては、Ｘ線による放射線を浴びることなく、しかも、正確な断面画像を取得できることから、内部構造の把握、病巣等の診断には、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）撮影装置が用いられている。
【０００３】
ＭＲＩ撮影装置では、人体を強磁場中におき、体内にあるプロトンに対してＲＦ電波を与えると、プロトンが、エネルギー吸収による歳差運動を起こし、ＲＦ電波がなくなると、この吸収したエネルギーを放出するので、この放出エネルギーを検出することにより、人体内における部分の状態によって異なる放出エネルギーを検出し、ＭＲＩ画像を取得している。
【０００４】
ＭＲＩ撮影装置で得られる画像は、断面を撮影したものとなるため、人体の内部構造を立体的に把握するために、例えば、人体を横方向に寝かせた状態で、必要とする部分を複数回に渡って分けて撮影し、その撮影データに基づいて、ソフトウエアにより３次元画像に変換し、画面に表示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ＭＲＩ撮影装置によると、人体を輪切り状にした断面画像が複数枚得られる。これら画像を並べて表示する、あるいは、３次元画像に変換して表示することによって、内部構造を目視により把握している。また、その内部構造が、時間経過とともにどのように変化したかの把握においても、過去に取得した画像を取り出し、目視で現在の画像と対比することにより行われている。これは、感覚的に把握されるものであり、当該部分が相対的に変化していることは分かったとしても、その変化を定量的に把握できるものではない。
【０００６】
このように、ＭＲＩ撮影装置によって、正確な３次元画像が取得できても、その３次元画像が示す人体各部分について、特定点を基準とした座標管理がされていなく、しかも、撮影時の測定条件によって、異なった画像が取得されるため、これらの画像を用いて、人体の内部構造や病巣等の範囲を特定しようとすると、医者等の経験則に頼ることになり、正確かつ定量的な特定が困難であった。
【０００７】
また、ＭＲＩ以外の原理によって撮影された人体の内部構造等の画像においても、ＭＲＩによる画像より精度が低いことに加えて、上述と同様の問題点があった。
従来、人体各部分の位置や病巣の範囲は、カルテにおける模式図表示といったように、感覚的な位置及び形状にとどまり、正確な数値情報による表示が不可能であった。
【０００８】
そこで、本発明は、以上のような問題点を解消するとともに、人体について、時系列で正確な位置及び形状を、仙骨最下点を原点とする立体座標系による数値データとして管理することを可能とし、病理範囲の数値的解析や変化予測を行うシステムアプローチを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明による人体数値管理システムでは、人体に関する３次元画像情報から、仙骨最下点の座標データを求めて基準点を設定する基準点設定手段と、前記３次元画像情報に基づいて、前記基準点を原点とする立体座標系を作成する立体座標作成手段とを備え、前記人体の部分に関する位置及び形状を数値管理するようにした。
【００１０】
そして、人体数値管理システムで処理される前記３次元画像情報は、人体透視画像撮影装置で取得されるものであり、前記３次元画像情報から、前記人体の所定部分を抽出し、該部分の輪郭上における主要点について、前記立体座標系に基づく位置座標を設定する主要部座標設定手段を有している。
さらに、前記主要部座標設定手段では、前記所定部分の中心点について、前記立体座標系による位置座標を設定するようにし、人体数値管理システムで処理される前記所定部分に、病巣を含めた。
【００１１】
また、本発明による人体モデリングシステムでは、人体に関する３次元画像情報から、仙骨最下点の座標データを求めて基準点を設定する基準点設定手段と、前記３次元画像情報に基づいて、前記基準点を原点とする立体座標系を作成する立体座標作成手段と、前記３次元画像情報から所定部分を抽出し、該部分について、前記立体座標系に基づくポリゴンデータを作成するシミュレータ作成手段とを備えた。
【００１２】
そして、人体モデリングシステムで処理される前記３次元画像情報は、人体透視画像撮影装置で取得されるものである。前記所定部分として、病巣を含めた。さらに、前記ポリゴンデータに基づいて、前記部分を画像表示する表示手段を有しており、必要な部分情報について、オブジェクト（系別ファイル）で管理できるようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による人体数値管理システム及び人体モデリングシステムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
例えば、ＭＲＩ撮影装置を用いて、人体の内部構造を把握しようとしたとき、通常、該ＭＲＩ撮影装置に備えられたベッド上に、対象人体を上向きに寝かせた状態で複数回撮影して、複数の断面画像を取得する。そして、これらの断面画像から、ポリゴン化処理を行って３次元画像に変換される。この３次元画像の範囲内では、この複数回の撮影時には、同じ条件で撮影しているので、得られた画像の位置又は形状は、人体の位置及び形状の相対的な位置関係においては正確である。
【００１４】
しかし、人体は、筋肉、臓器等の柔らかい組織と、骨等の硬い組織で形成され、複数の骨は、関節によって連結されている。そのため、前回と同じような人体の姿勢、測定条件で撮影しても、そのときの人体各部分の位置及び形状は微妙に違ったものとなるので、共通の基準点を設定できていないため、前回と今回に撮影した画像同士の位置又は形状を正確に合せることはできない。
【００１５】
そこで、人体の各部分の位置がずれても、あるいは、病巣等のように部分が変形しても、いつも基準点として特定することができる部分があれば、そこを基準点として各部分の位置又は形状を正確に特定し、それらを定量的に管理することができる。
本実施形態では、この基準点を、人体の腰にある仙骨の最下点とした。その仙骨の所在位置を、図１に示した。
【００１６】
基準点とするには、人体が動いても、位置特定に影響がない、つまり、人体中で一つしかなく、変形もしないことを要件とする。複数存在する部分の場合には、例え、２つだけであっても、相対的に動く可能性があり、また、臓器のように一つしかない場合でも、病巣があって変形することも有り得る。さらに、基準点は、人体の中心に近いほど、都合がよい。
【００１７】
このような要件を満たすものとして、図１に示されるように、仙骨が最も適している。そして、その仙骨の最下点を、人体の各部分の位置又は形状を特定するための基準点とした。
そこで、図２に示されるように、仙骨の最下点を基準点、つまり、原点Ｏとする３次元の立体座標系を設定し、人体各部分の位置を座標値で表すことにする。Ｘ軸とＹ軸とで、ＭＲＩ撮影装置のベッドと平行な面を形成するようにし、人体の高さ方向、つまり、厚み方向をＺ軸とした。ベッドが水平であるため、重力の影響をできるだけ少なくする方向を選択して座標軸とした。
【００１８】
そこで、本実施形態では、取得した人体位置情報について、人体における仙骨の最下点を基準点とした立体座標系に変換し、人体各部分の位置、病巣等の範囲を立体座標値で管理できる人体数値管理・モデリングシステムを構築した。
この人体数値管理・モデリングシステムに関わるのブロック構成の具体例を、図３に示した。
【００１９】
人体数値管理・モデリングシステムは、画像データ取込手段１、記憶手段２、表示手段３、出力手段４、操作手段５、基準点設定手段６、立体座標作成手段７、主要部座標設定手段８、シミュレータ作成手段９、そして制御部１０から構成される。
画像データ取込手段１は、人体透視画像撮影装置１１で撮影された対象人体の透視断面画像に基づく３次元画像データを、人体数値管理・モデリングシステムに取り込むためのものである。
【００２０】
記憶手段２は、取り込んだ画像データを記憶することができるとともに、他の各手段によって処理された結果についても、記憶することができる。
表示手段３は、取り込まれた３次元画像データを画面に表示することができ、さらに、他の各手段によって処理された結果についても、表示できる。
出力手段４は、表示手段３に表示された画像を印刷出力することができ、さらに、表示手段３とは異なる場所に設置されているモニタ装置等に表示することもできる。あるいは、人体数値管理・モデリングシステムで処理された結果の画像データを、ＬＡＮ等のネットワークを介して他の端末装置等に伝送するようにしてもよい。
【００２１】
操作手段５は、オペレータによって操作されるものであり、人体数値管理・モデリングシステムの動作処理に関連する指示を入力できる。また、人体透視画像撮影装置１１の測定条件を入力設定できるようにしてもよい。
制御部１０は、操作手段５で入力された操作指示に従って、各手段の動作処理を制御するものである。
【００２２】
ここで、基準点設定手段６、立体座標作成手段７、主要部座標設定手段８、そしてシミュレータ作成手段９の動作処理については、図４に示した人体数値管理・モデリングシステムに関する動作処理フローを参照して説明する。
先ず、ＭＲＩ等による人体透視画像撮影装置１１から、対象人体の各部分に関する数値位置情報を取得しなければならない。このとき、人体透視画像撮影装置１１の撮影時における対象人体の位置に関する測定条件を確定する（ステップＳ１）。人体透視画像撮影装置１１に備えられたベッド上に、対象人体を上向きにして、その所定の位置に寝かせることを測定条件とする。これは、測定装置の固有の条件でもある。
【００２３】
人体透視画像撮影装置１１において対象人体の透視断面画像が撮影され、３次元画像に変換された画像データを画像データ取込手段１によって取り込み、この画像データを人体各部分に関する数値位置情報として記憶手段２に記憶する（ステップＳ２）。
ここで、記憶手段２に記憶された画像データが、対象人体の全身について撮影されたものである場合には、仙骨を撮影した画像が含まれているが、対象人体を部分的に撮影したものである場合には、仙骨に関する画像データを含んでいないこともありえるので、対象人体の仙骨を含まない部分を撮影するときには、当該部分の他に、仙骨部分についても撮影し、３次元画像として取得しておく。
【００２４】
次いで、基準点設定手段６により、人体立体座標基準点の位置特定を行う（ステップＳ３）。記憶手段２に記憶された仙骨部分の画像データを読み出し、表示手段３に該当部分の３次元画像を表示する。そこで、オペレータは、操作手段５を操作して、表示された３次元画像から仙骨の最下点を探し出し、その位置を表示画面上でポインタする。基準点設定手段６は、このポインタされた位置を人体立体座標基準点として特定し、記憶手段２にその位置座標データを記憶する。
【００２５】
ここで、立体座標作成手段７は、特定された人体立体座標基準点に基づいて、対象人体に係る立体座標系を展開する（ステップＳ４）。立体座標系の展開方法は、平面座標系（Ｘ、Ｙ）と高さ座標（Ｚ）を、対象人体における人体透視画像撮影装置１１で取得された人体に係る３次元外郭線の内部に立体数値モデルを展開する。
【００２６】
この展開方法は、図５に示されるように、基準点から撮影装置底面に対して平行に平面座標系Ｙ軸を設定し、Ｙ軸に直交する軸線をＸ軸及びＺ軸として座標系を設定し、取得されている画像データにおける位置座標を、人体３次元立体座標系の座標値に変換する。その座標系の原点Ｏは、人体立体座標基準点を示している。
【００２７】
次に、仙骨最下点を人体立体座標基準点とする人体３次元立体座標系が展開されると、主要部座標設定手段８により、人体各部分の中心点を特定する共に、当該部分に係る主要点座標を設定する（ステップＳ５）。
これは、人体透視画像撮影装置１１によって取得された人体各部分に係る３次元画像データについて、人体立体座標系の座標値に変換し、人体各部分の中心点と、当該部分の輪郭上にある主要点に係る座標を設定する。これにより、取得された画像データで示される人体各部分の中心位置と、各部分の輪郭とが、人体立体座標系において特定される。
【００２８】
主要点について、人体各部分の輪郭における特徴点を選択し、例えば、突出している点、変化している点等であり、比較して変形していることを判定するためのものである。主要点に係る座標の設定にあたっては、表示手段３に表示された３次元画像に基づいて、オペレータが操作手段５によって表示画面上で主要点に該当する位置をポインタすることによって入力され、人体立体座標系に変換された位置座標データが記憶手段２に記憶される。
【００２９】
また、人体各部分の中心点位置については、各部分の輪郭データに基づいて、例えば、輪郭の平均位置を中心点として計算することにより求められる。人体各部分の輪郭は、３次元立体画像の作成時に、人体各部分に関してポリゴン化処理することによって求められており、記憶手段２に記憶されている。
図５に、人体立体座標系における座標の例を、人体の部分として、心臓の場合について示している。部分中心点ｎ_ｏの座標について、Ｘ＝ｘ_ｎｏ、Ｙ＝ｙ_ｎｏ、Ｚ＝ｚ_ｎｏと表し、当該部分に係る主要点ｎ_ｍの座標を、Ｘ＝ｘ_ｎｍ、Ｙ＝ｙ_ｎｍ、Ｚ＝ｚ_ｎｍと表している。
【００３０】
このように、人体各部分の位置及び形状に関する中心点及び主要点ついて、人体立体座標系による座標データで管理することができるため、時系列的な変化を簡単にかつ定量的に把握することができる。
人体各部分については、ポリゴン化処理によりその輪郭を求めることができるが、病巣等は、例えば、画像の中で色の差によって表されているため、人体各部分のように数値的に輪郭を示すことができない。病巣等については、医師が、この画像を見て、経験的かつ感覚的に、その病巣等の大きさや位置を把握している。そのため、時系列的に表示された画像を見ても、その病巣等の変化度を定量的に把握できない。
【００３１】
そこで、主要部座標設定手段８により、病巣等の中心点及びその病巣等に係る主要点の位置座標を設定する（ステップＳ６）。
表示手段３に表示された画像から、病巣と判断できる範囲を特定し、その範囲の大きさや形状を示す特徴点を選択して主要点とする。操作手段５の操作によって、その主要点に係る人体立体座標系における位置座標データを入力し、記憶手段２に記憶する。そして、選択された主要点に係る座標データに基づいて、人体立体座標系におけるその病巣の中心点を求め、記憶手段２に記憶する。
【００３２】
このように、病巣等の範囲についても、人体各部分と同様に、仙骨最下点を基準点とする人体立体座標系で、その範囲に係る位置座標を管理することができるため、時系列で画像を比較したとき、その範囲の変化を的確に、かつ定量的に把握することができ、医師の診断に大いに役立てることができる。
また、シミュレータ作成手段９では、操作手段５で選択指示により、記憶手段２に記憶された人体各部分又は病巣等の位置座標データを読み出し、これらの位置座標データに基づいて、人体各部分又は病巣等をポリゴンデータに変換し、そして人体各部分又は病巣等について３次元画像を作成する（ステップＳ７）。人体各部分及び病巣等の中心点に係る座標データは、人体立体座標系に変換されているので、それぞれのポリゴンの位置関係が明瞭なものとなっており、簡単に３次元画像化することができ、人体について、必要な情報をオブジェクト（系別ファイル）で管理することができる。
【００３３】
図６に、選択指示された人体各部分のポリゴンデータに基づいて作成された人体シミュレータの例を示した。同図において、ａは、人体各部分として骨を選択した骨格系オブジェクトを、ｂは、筋肉を選択した筋肉系オブジェクトを、ｃは、各臓器を選択した臓器系オブジェクトを、ｄは、血管を選択した血管系オブジェクトを、そしてｅは、神経を選択した神経系オブジェクトをそれぞれ示している。
【００３４】
このようにして、オブジェクトで管理された各部分等のデータを活用することにより、実際に人体解剖を行わなくても、解剖実験シミュレーションや各種医学分析等が可能となる。また、病巣等の手術を実施する際、予め対象の人体各部分について人体シミュレータを作成すれば、手術の手順等を検討できる。
以上のように、本実施形態によれば、立体座標の基準点を、人体骨格の中心点である骨盤の仙骨最下点に設定することにより、人体各部分に関して、時系列で正確な位置及び形状を数値データとして管理することができるので、人体各部分の位置特定、病理範囲の数値的解析、変化予測等を行うシステムアプローチを提供でき、人体座標を基に各種実験等の素材となる人体シミュレータを提供することができる。
【００３５】
従来の感覚的な模式図から、数値データによる表示が可能となるため、人体の変化を精緻に管理でき、医学教育への適用や、総合的な診断データとしての活用が可能となり、予測される各種の感染症等に対して、感染経路や発症状況を解明するツールとして使用できる。
また、正確な位置を示した３次元表示が可能となるため、人体の手術における参考データとして活用することができ、ディジタルデータの特性により精緻な位置特定ができ、さらには、誰でも分かり易いインフォームドコンセントの資料としても活用できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、人体各部分に関する位置及び形状を、仙骨最下点を原点とする立体座標系による数値データとして管理することができ、人体の内部構造や病巣等の範囲について、医者等の経験則に頼ることなく、正確かつ定量的な特定が可能となる。さらに、病理範囲の数値的解析や変化予測を行うシステムアプローチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】人体の仙骨の位置を示す図である。
【図２】仙骨最下端を原点とする立体座標系を示した図である。
【図３】本発明による人体数値管理・モデリングシステムのブロック構成図である。
【図４】人体数値管理・モデリングシステムの動作処理を説明するフローチャート図である。
【図５】人体立体座標系と人体各部分の立体座標系との関係を説明する図である。
【図６】人体シミュレータの作成例（ａ）乃至（ｅ）を示す図である。
【符号の説明】
１…画像データ取込手段
２…記憶手段
３…表示手段
４…出力手段
５…操作手段
６…基準点設定手段
７…立体座標作成
８…主要部座標設定手段
９…シミュレータ作成手段
１０…制御部
１１…人体透視画像撮影装置

Claims (9)

1. 人体の部分に関する位置及び形状を数値管理する人体数値管理システムであって、
   前記人体に関する３次元画像情報から、仙骨最下点の座標データを求めて基準点を設定する基準点設定手段と、
   前記３次元画像情報に基づいて、前記基準点を原点とする立体座標系を作成する立体座標作成手段と、
   を有する人体数値管理システム。
2. 前記３次元画像情報は、人体透視画像撮影装置で取得される請求項１に記載の人体数値管理システム。
3. 前記３次元画像情報から、前記人体の所定部分を抽出し、該部分の輪郭上における主要点について、前記立体座標系に基づく位置座標を設定する主要部座標設定手段を有する請求項１に記載の人体数値管理システム。
4. 前記主要部座標設定手段は、前記所定部分の中心点について、前記立体座標系による位置座標を設定する請求項３に記載の人体数値管理システム。
5. 前記所定部分が、病巣である請求項２乃至４のいずれか一項に記載の人体数値管理システム。
6. 人体に関する３次元画像情報から、仙骨最下点の座標データを求めて基準点を設定する基準点設定手段と、
   前記３次元画像情報に基づいて、前記基準点を原点とする立体座標系を作成する立体座標作成手段と、
   前記３次元画像情報から所定部分を抽出し、該部分について、前記立体座標系に基づくポリゴンデータを作成するシミュレータ作成手段と、
   を有する人体モデリングシステム。
7. 前記３次元画像情報は、人体透視画像撮影装置で取得される請求項６に記載の人体数値管理システム。
8. 前記ポリゴンデータに基づいて、前記所定部分を画像表示する表示手段を有する請求項６に記載の人体モデリングシステム。
9. 前記所定部分が、病巣である請求項６乃至８のいずれか一項に記載の人体モデリングシステム。

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