JP3809339B2

JP3809339B2 - 医療用３次元画像データに基づく患者用マスクの作成方法およびシステムならびに医療用３次元画像データ処理プログラム

Info

Publication number: JP3809339B2
Application number: JP2001050755A
Authority: JP
Inventors: 漢俊金
Original assignee: Imagnosis Inc
Current assignee: Imagnosis Inc
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002248083A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療分野において、患者の映像（３次元画像データ）と患者本人との位置関係や対応関係を明確にするための方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータや検査機器の発達により、患者の体表面の形態や内部の状態を含めた３次元的なデータに基づいた映像を医療現場で多用するようになってきている。３次元的な患者の映像は、患部の状態の確認や、処置のシミュレーション等に有用で、より適切で安全な医療が可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、患者を計測したり、撮影することにより得られた患者のデータや映像（写真）において、患部の位置等を特定しても、その特定した位置を実際の患者自身の体の上で特定するのは容易ではない。
たとえば、ＣＴスキャナ等で得られた患者の多断層データに基づき、表示器上に患者の３次元画像を表示することができ、必要に応じてその患者の体内を表示することも可能である。ところが、表示器に表示されたバーチャルな映像（患者の姿）において、患部を特定したり、メスを入れるべき箇所をシミュレーションしても、それらの位置を実際の患者自身の体の上で再現するのは容易ではない。つまり、バーチャルな患者において特定した位置を、実際の患者に対応付けるのが困難であるという課題があった。
【０００４】
そこで従来は、撮影時に特殊な固定台に患者を固定したり、患者の体表にマーカを貼り付けることにより、映像と患者実体との対応づけを行っていた。しかし、固定台は、検査機器が変わる度に位置決めをやり直す必要があり、また患者に無理な姿勢を強いる可能性もある。患者の体表にマーカを貼り付ける方法は、患者の姿勢や動きによりその位置の特定が影響を受け、また、一度マーカを外すと、そのマーカを同じ位置に正しく再貼り付けすることが困難である。しかも貼り付け可能な部位は限定されることが多い。
【０００５】
このように、従来のやり方は、映像と患者実体との関連づけを行う上で不十分なものであった。
また、患者をＣＴスキャナ、ＭＲＩ、レントゲン等で撮影した場合において、得られた映像（写真）は、それぞれの撮影機器特有の表現力で患者を映し出している。ところが、患者の患部の位置を特定しようとした場合に、ＣＴスキャナで撮られた映像と、ＭＲＩで撮られた映像との位置関係を対応づけるのが難しい等の課題があった。
【０００６】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その主たる目的は、バーチャルな患者の映像において特定された位置を、実際の患者自身の体の上に正確に対応づけて特定することのできる医療用のナビゲーション方法およびシステムを提供することである。
またこの発明の他の目的は、複数種類の医療検査機器により撮影された患者の複数の映像（写真）において、基準となる位置を表示することができ、その基準位置に基づいて種類の異なる映像（写真）間の位置関係や対応関係を容易に特定できる方法およびシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の３次元画像を表示し、表示された３次元画像の体表面上の任意の箇所がマーキングされることによって、マーキングされた箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正し、修正した３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング箇所に凹または凸が形成されたマスクを作成することを特徴とする医療用３次元画像データに基づく患者用マスクの作成方法である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の３次元画像を表示し、表示された３次元画像の体表面上の任意の箇所がマーキングされることによって、マーキングされた箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正し、修正した３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング箇所にピットを有し、そのピットに所定のマーカを収容したマスクを作成することを特徴とする医療用３次元画像データに基づく患者用マスクの作成方法である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の方法において、マスクの作成は、まず、修正した３次元画像データに基づき患者の３次元立体モデルを作成し、そのモデルの表面に沿うようにマスク材料を延ばし、形状を固化することによりマスクが作られることを特徴とする患者用マスクの作成方法である。
請求項４記載の発明は、患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の少なくとも表面形状を３次元的に表示するための３次元画像データを構築する手段と、構築された３次元画像データに基づき患者の形態を表示する表示器と、表示器に表示された患者の体表面の任意の位置を指定するためのマーキング手段と、マーキング手段により指定された箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正するデータ修正手段と、修正された３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング手段により指定された箇所に凹または凸が形成されたマスクを作成するマスク作成手段と、を含むことを特徴とする医療用３次元画像データと患者実体との関連づけを行うための患者用マスクの作成システムである。
【００１０】
請求項５記載の発明は、患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて患者の３次元画像を表示するための３次元画像データを構築し、構築された３次元画像データに基づいて表示された患者の３次元画像における体表面の任意の位置が特定されることに応答して、特定された位置に３次元的な凹または凸が形成されるように、３次元画像データを修正する処理を実行することを特徴とする医療用３次元画像データ処理プログラムである。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のプログラムであって、前記３次元的な凹または凸は、その形状や大きさが設定可能であり、設定された形状や大きさの凹または凸を、特定された位置を中心とし、かつ周囲の形状に関連した３次元的な形状に補正する補正処理機能を有する医療用３次元画像データ処理プログラムである。
この発明によれば、たとえばコンピュータディスプレイ上に表示された患者の３次元画像に対し、体表面の任意の位置をマーキングすることにより、そのマーキングされた位置がマスクに３次元的な凹または凸として形成される。マスクは、コンピュータの３次元画像データに基づいて作られ、その３次元画像データは、患者を計測することにより得られたデータが基礎となっている。従って、マスクは、患者の体表面に沿った形状をしている。このマスクを患者に装着することにより、マスクに形成された凹または凸により患者の体表面に印すべきマーキング位置が特定される。つまりマスクの凹または凸の箇所を患者の体表面に印すことにより、ディスプレイに表示されたバーチャルな３次元画像で特定した位置を、正しく実際の患者自身の体表面に印記することができる。
【００１２】
それゆえ、バーチャルな３次元画像において、マーキング位置を基準にして、手術のシミュレーションを行ったり、マーキング位置から体内の患部までの距離や方向を計測した場合に、そのシミュレーションや計測値を、実際の患者自身に適用するにあたり、実際の患者自身の体表面に印記されたマークを基準にして、正確に適用することが可能である。
またこの発明によれば、形成されたマスクのピットにマーカを収容することができる。マーカとしては、たとえばＣＴ・ＭＲＩ用のマーカ、ＳＰＥＣＴ・ＣＴ用のマーカ、ＭＲＩ・ＣＴ用のマーカ等、種々の種類がある。このマーカは、ＣＴ，ＭＲＩ等の各種のモダリティ（医療検査機器）で患者を撮影する際に、撮影された映像に映る材質で作られている。
【００１３】
それゆえ、マスクのピットに所定のマーカを収容し、マーカが収容されたマスクを患者に装着して、所定の医療検査機器で患者を撮影することにより、患者（の患部）と共に、マーカが映し出される。
同様の方法により、異なる医療検査機器で患者を撮影すると、撮影された写真は、医療用検査機器独自の表現で表わされた映像となり、たとえば、骨が明瞭に撮影された写真や、水分を含んだ筋肉組織等が明瞭に撮影されて骨がほとんど映っていない写真等となる。しかし、それら各写真には全て、マーカが写っているから、マーカを基準にして複数の写真を重ね合わせることができる。すなわち、複数種類の撮影画像において、マーカを基準にして、患部の位置決めを行うことができる。
【００１４】
よって、この発明によれば、各種の医療検査機器により得られる患者のデータを実際の患者自身の体に正確に誘導することができ、医療用３次元画像データと患者実体との関連づけ、いわば医療用のナビゲーションのための方法およびシステムを提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明をする。
図１は、この発明の一実施形態にかかるシステムの概要を示す図である。このシステムは、コンピュータ装置１、３次元立体モデル生成装置２を有している。コンピュータ装置１には、公知のハードディスク３、表示器４、キーボード５およびマウス６等が含まれ、ハードディスク３にはＣＤ−ＲＯＭ７等のデータ記録媒体を装着できる。コンピュータ装置１と３次元立体モデル生成装置２との間のデータの転送は、ＣＤ−ＲＯＭ７を用いて行ってもよいし、ケーブル等で行ってもよい。
【００１６】
図２は、図１のシステムの構成をブロック図で示したものである。このシステムには、マイクロコンピュータ等で構成された制御部１０、上述したハードディスク３等のメモリ１１およびプログラムが記憶されたプログラムメモリ１２、データリーダライタ１３、３次元画像形成部１４、表示器４が含まれていて、これらは制御部１０に接続されている。さらに制御部１０からは３次元立体モデル生成装置２へデータが伝送可能になっている。
【００１７】
図３は、図２のブロック図の制御動作例を示すフローチャートである。
図１〜３を参照して説明すると、このコンピュータシステムには、ＣＴスキャナ、ＭＲＩ等によって患者を撮影して得られた画像データ、あるいは非接触３次元形状計測機、３Ｄ表面画像撮影装置等により得られた患者の３次元形状データが与えられる（ステップＳ１）。コンピュータシステム１では、ＣＴスキャナやＭＲＩ等により撮影された画像データの場合は、３次元画像形成部１４において、その画像データを３次元画像データに構築する（ステップＳ２）。
【００１８】
そして構築された３次元画像データまたは与えられた３次元形状データに基づき、表示器４に患者の３次元画像を表示する（ステップＳ３）。
オペレータまたは医師は、表示器４に表示された患者の３次元画像を観察し、マウス６等を用いて患者の体表面の任意の箇所をマーキングすることができる。
制御部１０は、マーキング、すなわち患者の３次元画像の体表面における任意の位置が特定されたと判断すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、そのマーキング位置を表示器４に表示された画像上に表示し、かつ、マーキング位置の座標をメモリ１１にストアし、マーキング位置の座標（具体的にはその座標を中心とする微小な領域）にバンプ（またはピット）を形成するように３次元画像データを修正する（ステップＳ５）。３次元画像データを修正することにより作られるバンプまたはピット、すなわち３次元的な凹または凸という立体的なマークは、その形状や大きさが設定可能であることが好ましい。オペレータまたは医師は、作成しようとするマスクの用途に応じ、立体的なマークの形状や大きさを設定できる。また、設定された立体的なマークは、周囲の形状、すなわち立体的なマークが形成された患者の体表面の位置に応じ、必要に応じて、周囲の形状とのつながり等を考慮して、形状が自動または手動で補正されるようにしておくのが望ましい。そして修正された３次元画像データは、３次元立体モデル生成装置２へ与えられる。
【００１９】
より具体的に説明する。図４Ａ，Ｂは、表示器４に表示された患者の頭部の３次元画像の例を示し、Ａは正面側、Ｂは背面側を示す。
オペレータまたは医師は、この３次元画像を観察し、２１，２２，２３の各×印で示すように、体表面の特定の位置をマーキングする。マーキングは、マウス６やキーボード５等によって行うことができる。
３次元立体モデル生成装置２は、たとえば３次元彫刻装置やＣＡＤ、光造形等による立体モデル生成装置等が知られており、医療分野においても、これら３次元立体モデル生成装置が使用されつつある。
【００２０】
かかる３次元立体モデル生成装置２へ、上述の修正された３次元画像データが与えられると、当該生成装置２は、３次元画像データに基づいて患者の頭部の３次元立体モデルを生成する。
生成された３次元立体モデルには、データ修正により作られたたとえば３つのマーキング位置を表わすバンプ（所定の大きさおよび形状の突起または凸）が形成されている。そこで、この３次元立体モデルにたとえば透明なシート状の樹脂材料を塗布して加圧成形機等で成形することにより、３次元立体モデルの表面に沿ったマスクが形成される。このマスクを３次元立体モデルから剥がすことにより、図５Ａに示すような患者の頭部の体表面に沿ったマスク３０ができあがる。このマスク３０には、３次元立体モデルに３つのマーキング位置のバンプが形成されていたので、対応する箇所にバンプ３１，３２，３３（マスク３０の内側から見るとピット（凹）である）が形成されている。
【００２１】
できあがったマスク３０を患者自身の頭部に装着する。マスク３０の形状は、患者自身の頭部の体表面に沿った形状であるから、マスク３０は患者自身の頭部にぴったりと被さる。
医師は、マスク３０に形成されたバンプ３１，３２，３３を基準に、患者自身の頭部にマーキングを施す。
このようにして、実際の患者自身と、コンピュータ装置で表示された３次元画像との位置の対応づけを正確に行うことができる。
【００２２】
図５に示すマスク３０において、そのピット３１，３２，３３内にマーカを収容することができる。マーカは、たとえば直径５mm程度の球体である。このマーカをピット３１，３２，３３内に収容し、たとえば接着剤等で固定する。マーカが収容固定されたマスク３０を患者の頭部に装着し、所定の医療検査機器で患者頭部を撮影する。撮影された映像（写真）には、患者頭部の画像とともにマーカが映っている。
【００２３】
よって、異なる医療検査機器で患者頭部を撮影した場合であっても、マーカの位置を基準にして、異なる種類の映像間における位置関係を容易に把握することができる。
従来、コンピュータディスプレイ上でマーキングされた箇所は、バーチャルな画像上で表示されるだけであったが、この実施形態では、実際の患者自身の体表面において、そのマーキングした位置が特定できるようにするものである。
【００２４】
そのために上述したようなマスクを形成することが特徴の１つである。マスクに形成されるバンプまたはピットは、マスクを用いて実際の患者自身にマーキングを施す用途に用いる場合、たとえば幅および厚みが１mmで長さが５mmの＋マークの凹または凸を例示することができる。
一方、マスクに形成されるバンプまたはピットにマーカを収容する場合には、バンプまたはピットは、たとえば内径５mm程度の先端が半球状に突出するか窪む凸または凹とするのが好ましい。この形成された凸または凹に、たとえば直径５mmの球状のマーカが収容される。
【００２５】
マーカは、ＣＴ・ＭＲＩ用、ＳＰＥＣＴ・ＣＴ用、ＭＲＩ・ＣＴ用等の種類がある。というのは、各種モダリティ（医療検査機器）での撮影時に、そのモダリティに合ったマーカを収容したマスクを患者が装着した状態で撮影することで、異なったモダリティ間のデータをこのマーカを基準にして重ね合わせることが可能となるからである。
たとえば、レーザ光線を用いた非接触３次元形状計測機を使って、胸部の３次元形態を抽出し、その画像データ上で、任意の３点のマーキングを行い、そのデータを基に、マスクを作成する。そのマスク上に形成されたマーキング位置（凹または凸）に、ＣＴとＳＰＥＣＴの両方で感知可能なマーカを収容し固定する。そのマスクを患者が装着した状態で、ＣＴ撮影およびＳＰＥＣＴ撮影を行う。その結果得られた異なる種類の画像をこのマーカ部分で重ね合わせ、ＳＰＥＣＴで得られた反応部分の解剖学的位置を、ＣＴ画像上で確認することができる。（ＳＰＥＣＴデータは、放射物質を投与し、その蓄積部位を見る検査であるため、通常、反応のない周囲の構造物は映らず、解剖学的位置がわかりにくい。）
従来、異なるモダリティ間のデータの重ね合わせをするには、２次元、あるいは３次元画像データ表示上で、その輪郭や形状、位置を参考に大体のところで重ね合わせるか、または、撮影時に特殊な固定機器に患者を取り付け、規格固定する必要があった。前者は、重ね合わせが大まかで、根拠性に欠ける。後者は、専用の設備が必要で、特殊であるため高額であったり、撮影操作性に手間と時間がかかる。
【００２６】
これに対し、この発明によれば、患者の患部体表の３次元画像データ上にマーキングを行い、その３次元画像データによって作成したマスクのマーキング位置にマーカを取り付け、撮影を行う。よってマスクによりマーカの位置決め、規格を行え、さらに、そのマーカ位置を基準に異なったモダリティデータの重ね合わせを行える。よって、精度的にも、撮影操作性、経済性においても、大変有益な方法である。
【００２７】
上述の実施例では、まず３次元立体モデルを生成し、その３次元立体モデルの表面に樹脂材料等を延ばしてマスクを形成する例を示したが、ＣＡＤ，光造形等により、３次元立体モデルを生成することなく、３次元画像データに基づき直接マスクを作成するようなやり方をしてもよい。
この発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るシステムの概要を示す図である。
【図２】図１のシステムの構成をブロック図で示したものである。
【図３】図２のブロック図の制御動作例を示すフローチャートである。
【図４】表示器４に表示された患者の頭部の３次元画像の例を示し、Ａは正面側、Ｂは背面側を示す。
【図５】作成されたマスク３０の例と、そのマスク３０を患者自身の頭部に装着した状態を示す図解図である。
【符号の説明】
１コンピュータ装置
２３次元立体モデル生成装置
３ハードディスク
４表示器
５キーボード
６マウス
１０制御部
１１メモリ
１２プログラムメモリ
１３データリーダライタ
１４３次元画像形成部
２１，２２，２３マーキング
３０マスク
３１，３２，３３バンプ（またはピット）

Claims

患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の３次元画像を表示し、
表示された３次元画像の体表面上の任意の箇所がマーキングされることによって、マーキングされた箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正し、
修正した３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング箇所に凹または凸が形成されたマスクを作成することを特徴とする医療用３次元画像データに基づく患者用マスクの作成方法。
患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の３次元画像を表示し、
表示された３次元画像の体表面上の任意の箇所がマーキングされることによって、マーキングされた箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正し、
修正した３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング箇所にピットを有し、そのピットに所定のマーカを収容したマスクを作成することを特徴とする医療用３次元画像データに基づく患者用マスクの作成方法。
請求項１または２記載の方法において、
マスクの作成は、まず、修正した３次元画像データに基づき患者の３次元立体モデルを作成し、
そのモデルの表面に沿うようにマスク材料を延ばし、形状を固化することによりマスクが作られることを特徴とする患者用マスクの作成方法。
患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて、患者の少なくとも表面形状を３次元的に表示するための３次元画像データを構築する手段と、
構築された３次元画像データに基づき患者の形態を表示する表示器と、
表示器に表示された患者の体表面の任意の位置を指定するためのマーキング手段と、
マーキング手段により指定された箇所に、凹または凸の立体的なマークを形成するように３次元画像データを修正するデータ修正手段と、
修正された３次元画像データに基づき、患者の体表面に沿う形状をし、マーキング手段により指定された箇所に凹または凸が形成されたマスクを作成するマスク作成手段と、
を含むことを特徴とする医療用３次元画像データと患者実体との関連づけを行うための患者用マスクの作成システム。
患者を撮影または計測することにより得られたデータに基づいて患者の３次元画像を表示するための３次元画像データを構築し、
構築された３次元画像データに基づいて表示された患者の３次元画像における体表面の任意の位置が特定されることに応答して、特定された位置に３次元的な凹または凸が形成されるように、３次元画像データを修正する処理を実行することを特徴とする医療用３次元画像データ処理プログラム。
請求項５記載のプログラムであって、
前記３次元的な凹または凸は、その形状や大きさが設定可能であり、
設定された形状や大きさの凹または凸を、特定された位置を中心とし、かつ周囲の形状に関連した３次元的な形状に補正する補正処理機能を有する医療用３次元画像データ処理プログラム。