JP3836097B2 - 医用画像生成装置および方法、ならびに、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、画像診断等に用いる３次元医用画像を生成する医用画像生成装置および方法、ならびに、プログラムに関し、特に、浸潤的異状部位の診断に好適な医用画像生成装置および方法、ならびに、プログラムに関する。

従来より、例えば、ＣＴスキャナやＭＲＩ装置などのモダリティ（撮像装置）で人体内部の断層（スライス）画像を撮像して疾病等の診断を行う画像診断が行われている。また、撮像された断層画像から、所定の臓器や器官などの３次元画像を生成して診断を行う手法なども確立しており、精緻かつ正確な診断に寄与している。

人体内部の臓器等を３次元的に表示するために、「レイキャスティング」と呼ばれる手法を用いてボリュームレンダリングを行うことが一般的である。「レイキャスティング」では、ボクセルに仮想的な光線を投射し、光線が到達したボクセル群の反射計算を行うことで、各画素毎の値（例えば、色情報であるＲＧＢ値など）を求めることで３次元画像が生成される。さらに、光線周辺のボクセル値より傾斜（グラディエント）係数を求めることで、表面の陰影が描画され、表面形状を明確に表示する手法も確立している（例えば、特許文献１）。

このような手法により腸管の腸壁表面を３次元画像化した例を図９に示す。図示するように、グラディエント計算により表面形状（陰影）が明確に表示されるため、腸壁表面上に発現したポリープ（潰瘍）など（図中矢印にて示した箇所）が明確に表示される。したがって、上記手法によって生成される３次元画像を用いた診断は、人体内部に発現した異状部位の発見に有用である。

しかしながら、上記手法による３次元画像では、表面上の異状部位については明確に表示することができるが、例えば、組織の内部に浸潤的に発現する異状部位を画像上に表すことができなかった。図１０は、そのような浸潤的な異状部位が発現している腸管を上記手法により３次元画像化した例であるが、図示するように、浸潤的な異状部位を画面上で確認することはできない。

このような問題を解決するため、ボリュームレンダリングの際に表面部分の不透明度（オパシティ値）を下げることで表面を擬似的に透過させ、表面より下の部分を表示させる手法が用いられることがある。このような方法により生成された３次元画像の例を図１１に示す。図示するように、このような手法によれば、上記のような浸潤的な異状部位を、例えば、着色表示などにより識別可能に表示することができる（図中矢印にて示した箇所）。しかしながら、図１０と比較して明らかなように、この方法では表面部分の描画が不明確になり、表面形状が明確に表示されなくなってしまう。すなわち、浸潤的な異状部位などを表示することができる反面、表面上のポリープ等が表示されなくなるといった不都合が生じていた。このため、診断の際に、例えば、不透明度が異なる複数の画像を用意したり、あるいは、不透明度を切り替えながら表示させなければならず、煩雑な作業と時間を要し、迅速な診断の妨げとなっていた。
特開２００２−３１２８０９号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたもので、異状部位を適切に表示できる医用画像処理装置、医用画像処理方法、および、プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる医用画像生成装置は、
生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成装置であって、
所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づける表示色設定手段と、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうシェーディング手段と、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するシフト位置特定手段と、
前記シフト位置特定手段が特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得する表示色情報取得手段と、
所定部位の表示色を設定する表示色設定手段と、
前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記表示色設定手段が設定した表示色に基づいて変更する色情報変更手段と、
前記シェーディング手段が算出した前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記色情報変更手段が変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成する画像生成手段と、
を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる医用画像生成装置は、
生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成装置であって、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうシェーディング手段と、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するシフト位置特定手段と、
前記シフト位置特定手段が特定したシフト位置の階調情報を取得する階調情報取得手段と、
前記シェーディング手段による前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記階調情報取得手段が取得した前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成する画像生成手段と、
を備えることを特徴とする。

上記医用画像生成装置は、
所定のボクセル値と、指定された表示階調を示す表示階調情報とを対応づける表示階調設定手段をさらに備えていることが望ましく、この場合、
前記シフト位置特定手段は、前記シフト位置を含んだボクセル値を取得し、
前記階調情報取得手段は、前記シフト位置特定手段が取得したボクセル値に対応づけられている表示階調情報を、前記階調情報として取得することが望ましい。

上記医用画像生成装置において、
前記シェーディング手段は、
前記仮想光線の到達位置におけるグラディエントを算出するグラディエント算出手段と、
前記グラディエント算出手段が算出したグラディエントを用いてシェーディング係数を算出するシェーディング係数算出手段と、をさらに備えていることが望ましく、この場合、
前記画像生成手段は、前記シェーディング係数算出手段が算出したシェーディング係数と、前記階調情報取得手段が取得した階調情報と、を用いて３次元医用画像を生成することが望ましい。

上記医用画像生成装置は、
前記表示階調設定手段により対応づけられた情報を記憶する記憶手段をさらに備えていることが望ましい。

上記医用画像生成装置において、
前記階調情報は、色情報とすることができ、
この場合、
前記表示階調設定手段は、
所定の浸潤的異状部位の表示色を設定する表示色設定手段と、
該浸潤的異状部位を示すボクセル値に対応づけられた色情報を、前記表示色設定手段が設定した表示色に基づいて更新する色情報更新手段と、をさらに備え、
前記画像生成手段は、前記色情報更新手段が更新した色情報を用いて、前記浸潤的異状部位が前記表示色で表示された３次元医用画像を生成する、ことが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明の第３の観点にかかる医用画像生成方法は、
コンピュータを用いて、生体内部を示すボクセルデータを用いて３次元医用画像を生成する画像生成方法において、
所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づけるステップと、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
前記特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得するステップと、
所定部位の表示色を設定するステップと、
前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記設定した表示色に基づいて変更するステップと、
前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成するステップと、
を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第４の観点にかかる医用画像生成方法は、
コンピュータを用いて、生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成方法であって、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
前記特定したシフト位置の階調情報を取得するステップと、
前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成するステップと、
を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第５の観点にかかるプログラムは、
コンピュータに、
所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づけるステップと、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
前記特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得するステップと、
所定部位の表示色を設定するステップと、
前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記設定した表示色に基づいて変更するステップと、
前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成するステップと、
を実行させることを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の第６の観点にかかるプログラムは、
コンピュータに、
前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
前記特定したシフト位置の階調情報を取得するステップと、
前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成するステップと、
を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、レイキャスティング手法を用いた３次元医用画像を生成する際、対象表面の陰影形状を明確に表示しつつ、表面下に発現している浸潤的異状部位を識別可能に表示させることができる。

本発明にかかる実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下に説明する実施の形態においては、所定の医療施設（以下、「医療施設Ｈ」とする）における３次元画像診断に本発明が適用される場合を例に説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる画像診断システムの構成を示す図である。図示するように、本実施の形態にかかる画像診断システム１は、通信ネットワーク１０と、モダリティ１００と、制御端末２００と、画像処理装置３００、から構成される。

通信ネットワーク１０は、医療施設Ｈ内で、制御端末２００や画像処理装置３００を相互接続し、これらの間の情報伝達を媒介する通信ネットワークであり、例えば、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and COmmunications in Medicine）などの所定の通信プロトコルに基づいた情報伝達を媒介する。

次にモダリティ１００について説明する。モダリティ１００は、人体内部を撮像する撮像装置であり、例えば、ＣＴスキャナ（コンピュータ断層撮影装置）、ヘリカルＣＴ、ＭＲＩ（磁気共鳴画像装置）、ＰＥＴ（ポジトロン断層撮影装置）などである。本実施の形態では、Ｘ線を用いて人体内部の断層画像を撮像するＣＴスキャナをモダリティ１００として採用するものとする。

本実施の形態では、モダリティ１００（ＣＴスキャナ）は、後述する制御端末２００により制御され、患者や受診者など（以下、「受診者等」とする）の内部（生体内部）についての断層画像（スライス）を撮像するものである。ここで、本実施の形態では、モダリティ１００としてＣＴスキャナを採用しているので、断層画像を示す情報には、Ｘ線吸収係数であるＣＴ値などが含まれる。モダリティ１００と制御端末２００とは、例えば、ＤＩＣＯＭなどの所定の医用画像通信規格に基づいて接続されている。

次に制御端末２００について説明する。制御端末２００は、ワークステーションなどの所定の情報処理装置から構成され、接続されているモダリティ１００の動作を制御するとともに、モダリティ１００による撮像により取得される撮像画像データ（元データ）を取得する。図２を参照して制御端末２００の構成を説明する。

図２は、制御端末２００の構成を示すブロック図である。図示するように、制御端末２００は、制御部２１０と、通信制御部２２０と、入力制御部２３０と、出力制御部２４０と、プログラム格納部２５０と、記憶部２６０と、から構成される。

制御部２１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）やワークエリアとなる所定の記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）など）から構成され、制御端末２００の各部を制御するとともに、プログラム格納部２５０に格納されている所定の動作プログラムに基づいて後述する各処理を実行する。

通信制御部２２０は、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）などの所定の通信装置から構成され、制御端末２００とモダリティ１００および通信ネットワーク１０とを接続し、モダリティ１００や画像処理装置３００との通信を行う。

入力制御部２３０は、例えば、キーボードやポインティング・デバイスなどの所定の入力装置２３を接続し、入力装置２３から入力された、制御部２１０への指示などを受け付けて制御部２１０に伝達する。

出力制御部２４０は、例えば、ディスプレイ装置やプリンタなどの所定の出力装置２４を接続し、制御部２１０の処理結果などを必要に応じて出力装置２４に出力する。

プログラム格納部２５０は、例えば、ハードディスク装置やＲＯＭ（Read Only Memory）などの所定の記憶装置から構成され、制御部２１０が実行する種々の動作プログラムが格納されている。プログラム格納部２５０に格納される動作プログラムは、制御端末２００の基本動作を司る任意のＯＳ（Operating System：基本ソフトウェア）の他に、ＯＳと協働して後述する各処理を実現するための、以下に示すような動作プログラムが格納されているものとする。後述する制御端末２００による処理は、制御部２１０がこれらの動作プログラムを実行することで実現される。
（１）「モダリティ制御プログラム」：モダリティ１００の制御を行うプログラム
（２）「通信プログラム」：通信制御部２２０を制御し、モダリティ１００との通信や、通信ネットワーク１０を介した通信を行うプログラム

記憶部２６０は、例えば、ＲＡＭやハードディスク装置などの記憶装置などから構成され、モダリティ１００から取得した撮像画像データを格納する。

ここで、モダリティ１００から得られる「撮像画像データ」（元データ）は、撮像領域の「３次元ボリュームデータ」を示すものである。この３次元ボリュームデータは、当該領域における座標系情報、および、各座標におけるボクセル値などから構成される。本実施の形態では、モダリティ１００として「ＣＴスキャナ」を採用しているので、ボクセル値として「ＣＴ値」が用いられるものとする。ここで「ＣＴ値」は、Ｘ線吸収係数を示す値であり、このＣＴ値に基づいて画素値を算出して画像を生成すると、ＣＴ値の違いが画像上の明るさの違いとなって現れ、生体内部の３次元画像を得ることができる。

次に、画像処理装置３００について説明する。画像処理装置３００は、例えば、ワークステーションなどの所定の情報処理装置から構成され、制御端末２００から取得する撮像画像データ（３次元ボリュームデータ）を用いて、３次元診断画像（医用画像）を生成するものである。画像処理装置３００の構成を図３を参照して以下説明する。

図３は、画像処理装置３００の構成を示すブロック図である。図示するように、画像処理装置３００は、制御部３１０と、通信制御部３２０と、入力制御部３３０と、出力制御部３４０と、プログラム格納部３５０と、記憶部３６０と、から構成される。

制御部３１０は、例えば、ＣＰＵやワークエリアとなる所定の記憶装置（ＲＡＭなど）から構成され、画像処理装置３００の各部を制御するとともに、プログラム格納部３５０に格納されている所定の動作プログラムに基づいて後述する各処理を実行する。

通信制御部３２０は、例えば、ＮＩＣなどの所定の通信装置から構成され、画像処理装置３００と通信ネットワーク１０とを接続し、制御端末２００などとの通信を行う。

入力制御部３３０は、例えば、キーボードやポインティング・デバイスなどの所定の入力装置３３を接続し、入力装置３３から入力された、制御部３１０への指示や各データベースに記録される情報などを受け付けて制御部３１０に伝達する。

出力制御部３４０は、例えば、ディスプレイ装置やプリンタなどの所定の出力装置３４を接続し、制御部３１０の処理結果などを必要に応じて出力装置３４に出力する。

プログラム格納部３５０は、例えば、ハードディスク装置やＲＯＭなどの所定の記憶装置から構成され、制御部３１０が実行する種々の動作プログラムが格納されている。プログラム格納部３５０に格納される動作プログラムには、画像処理装置３００の基本動作を司る任意のＯＳの他に、ＯＳと協働して後述する各処理を実現するための、以下のような動作プログラムが含まれているものとする。後述する画像処理装置３００による処理は、制御部３１０がこれらの動作プログラムを実行することで実現される。
（１）「通信プログラム」：通信制御部３２０を制御し、通信ネットワーク１０を介して制御端末２００などと通信を行うプログラム
（２）「入出力制御プログラム」：記憶部３６０の入出力を制御するプログラム
（３）「画像処理プログラム」：制御端末２００から取得した撮像画像データに画像処理を行って医用画像を生成するプログラム

記憶部３６０は、例えば、半導体記憶装置やハードディスク装置などの書き換え可能な記憶装置などから構成され、撮像画像データを構成する「ボクセル値」に、「カラー値」（色彩の階調を指定するＲＧＢ値など）や「不透明度」（オパシティ値）などを対応付けた「参照テーブル」（Look-Up Table：以下、「ＬＵＴ」とする）、および、後述する各処理により取得されるデータや生成される３次元診断画像などを格納する。

記憶部３６０に格納される「ＬＵＴ」の例を図４に示す。図示するように、ＬＵＴには、例えば、人体内部を撮像した際に得られるＣＴ値の範囲に対応するＣＴ値（ボクセル値）毎に、ＲＧＢ毎の「カラー値」および不透明度を示す「オパシティ値」が記録される。

ここで、ＣＴ値とカラー値の対応関係は任意に設定できるものである。すなわち、人体内部を構成する物質毎に得られるおよそのＣＴ値が予め決まっているので、診断対象部位を示すＣＴ値と対応する色情報とを予め任意に設定することで、当該部位を着色表示させることができる。例えば、「骨」を赤い色調で表示させたい場合は、骨を示すＣＴ値に対応する画素を赤い色調で表示するよう、当該ＣＴ値に対応するＲＧＢ値を設定する。同様にして、所定の観察対象領域に生じる異状部位を示すＣＴ値に対応するＲＧＢ値を適宜設定することで、異状部位を任意の色調で着色表示させて、他の部分より識別的に表示することができる。ここで、画像処理装置３００は、例えば、着色表示に用いる色の色見本を表示し、オペレータに所望の色を選択させる。画像処理装置３００は、対象とする異常部位を示すＣＴ値に応じて、当該異常部位が指定された色の色調で表示されるよう、各ＣＴ値に対応するカラー値を設定する。

また、オパシティ値は、例えば、診断内容などに基づく表示対象の違いなどにより任意に設定できるものである。例えば、「空気」を表示させたくない場合には、「空気」を示すＣＴ値に対応するオパシティ値を「０」に設定する。

次に、本実施の形態にかかる画像診断システム１の動作を以下説明する。

まず、本実施の形態にかかる「撮像処理」を図５に示すフローチャートを参照して説明する。本処理は、モダリティ１００と制御端末２００との協働により、受診者等の人体内部断層画像（スライス）を取得するためのものであり、主に制御端末２００の動作を中心に以下説明する。

撮像動作を実行するにあたり、まず、制御端末２００において所定の撮像条件情報が設定される（ステップＳ１０１）。ここでは、撮像対象領域の指定や造影剤使用の有無などといった撮像諸条件が設定される。

制御端末２００は、ステップＳ１０１で設定された撮像条件に従い、モダリティ１００を制御する（ステップＳ１０２）。すなわち、モダリティ１００は、制御端末２００の制御により、上記撮像条件に基づいた撮像動作を行う。この結果、モダリティ１００は、設定された撮像領域における、撮像画像データ（３次元ボリュームデータ）を取得する。

モダリティ１００の撮像動作が終了すると、制御端末２００は、モダリティ１００から撮像した撮像画像データを取得し（ステップＳ１０３）、記憶部２６０に格納して（ステップＳ１０４）、処理を終了する。

本発明では、上記「撮像処理」で取得した撮像画像データを用いたレイキャスティング手法により、人体内部の３次元画像（以下、「３次元医用画像」とする）を生成するものとする。レイキャスティング手法による３次元医用画像生成の概念を図６を参照して説明する。

図６において、５１０は空間におかれた任意の始点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）、５２０はボクセルデータで表現される３次元物体、５３０は仮想投影面である。

始点５１０から照射される仮想光線（レイ）に沿って仮想反射光を算出するためのレイ到達点が一定の間隔で刻まれる。５２１は始点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）からレイ到達点Ｒ（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）に至るレイベクトル、５２２はレイ到達点を刻む間隔を表わすステップベクトルΔＳ＝（ΔＳｘ，ΔＳｙ，ΔＳｚ）、５３１は仮想投影面５３０上の座標（ｕ，ｖ）に投影された仮想反射光Ｅ（ｕ，ｖ）である。ここで、「Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ、ΔＳｘ、ΔＳｙ、ΔＳｚ」は（ｕ，ｖ）の関数になる。

図６では仮想投影面５３０が仮想光線の到達方向にあるが、始点５１０を、例えば、仮想的な眼球の水晶体と考えると、この眼球の網膜５１２上の座標（ｕ，ｖ）に仮想反射光５１１がＥ’（ｕ，ｖ）として投影され、これを始点５１０に対して対称方向に拡大表示したものが仮想投影面５３０上の仮想反射光Ｅ（ｕ，ｖ）であると考えることができる。

ここで、仮想光線上のｎ番目のレイ到達点Ｒｎに位置するボクセルＶｎ（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）について、そのボクセル値に対して与えられた不透明度を「α（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）」、ボクセルデータのグラディエントから得られたシェーディング係数を「β（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）」、ボクセルＶ（ｎ−１）からの残存光を「Ｉ（ｎ−１）」、ボクセルＶｎの残存光を「Ｉｎ」、ボクセルＶｎの減衰光を「Ｄｎ」、ボクセルＶｎによる部分反射光を「Ｆｎ」、ボクセルＶｎに対応する階調情報を「Ｃｎ」とすると、以下の数式１〜数式３を得る。
（数１）
Ｄｎ＝α（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）×Ｉ（ｎ−１）
（数２）
Ｆｎ＝Ｃｎβ（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）×Ｄｎ＝Ｃｎβ（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）×α（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ）×Ｉ（ｎ−１）
（数３）
Ｉｎ＝Ｉ（ｎ−１）−Ｄｎ＝（１−α（Ｒｘｎ，Ｒｙｎ，Ｒｚｎ））×Ｉ（ｎ−１）

また、仮想投影面５３０上の座標（ｕ，ｖ）に投影される仮想反射光Ｅ（ｕ，ｖ）を求めると、前述の表記法を用いて次の数式４を得る。
（数４）
Ｅ（ｕ，ｖ）＝Σ（ｉ＝１；終端条件）Ｆｉ＝Ｉ（０）×（Σ（ｉ＝１；終端条件）Ｃｉ×β（Ｒｘｉ，Ｒｙｉ，Ｒｚｉ）×α（Ｒｘｉ，Ｒｙｉ，Ｒｚｉ）×（Π（ｊ＝１；ｉ−１）（１−α（Ｒｘｊ，Ｒｙｊ，Ｒｚｊ））））

ここで、終端条件は仮想光線が物体を通り抜けるか、残存光が０になったときである。このようにして、仮想投影面５３０上のすべての座標（ｕ，ｖ）についてＥ（ｕ，ｖ）を算出することにより仮想的な３次元イメージの透視画像が形成される。

上記のようなレイキャスティング手法を用いた、本実施の形態にかかる「医用画像生成処理」を図７に示すフローチャートを参照して説明する。この「医用画像生成処理」は、画像処理装置３００が「画像処理プログラム」を実行することによって実現されるものであり、例えば、オペレータによる所定の操作により開始される。なお、本実施の形態では、「腸管」を診断対象とし、腸管表面および表面下に浸潤的に発現する異状部位の発見を目的とした３次元医用画像を生成するものとする。また、上記各記号と同一の記号で示される値については、上記数式１〜４のうちの対応する数式によって算出されるものとする。

まず、制御部３１０は、始点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）、ステップベクトルΔＳ＝（ΔＳｘ，ΔＳｙ，ΔＳｚ）を設定するとともに、反射光Ｅ＝０、残存光Ｉ＝１に初期化する（ステップＳ２０１）。

次に、発見対象とする浸潤的異状部位について、表面からの深度（以下、「浸潤部位深度」とする）を設定するとともに、当該異状部位の着色設定をおこなう（ステップＳ２０２）。ここでは、オペレータにより、腸管表面を示すボクセルからどの程度表面下にある浸潤的異状部位を対象とするかを示す距離情報を入力し、制御部３１０がこれをシフトベクトル値ＳＶ（ＳＶｘ，ＳＶｙ，ＳＶｚ）として設定する。また、オペレータにより、当該異状部位をどのような色調で着色表示するかが設定入力されると、制御部３１０は、記憶部３６０にアクセスし、当該浸潤的異状部位を示すＣＴ値に対応するＲＧＢ値が設定した色調となるようＬＵＴを更新する。なお、シフトベクトルＳＶの設定は、上記のような距離情報の入力に限られず、例えば、ベクトル値で入力してもよい。また、これらの情報の入力は、オペレータからの入力の他、例えば、画像処理装置３００などのコンピュータ装置によって自動的に入力することもできる。この場合の入力値は、予め設定された既定値を用いることができる他、画像処理装置３００などが随時算出してもよい。また、所定のデータベースなどに複数の既定値を格納しておき、そこから選択的に取得して入力してもよい。

制御部３１０は、レイ到達点Ｒ（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）の補間ボクセル値Ｖを算出する（ステップＳ２０３）。ここでは、例えば、レイ到達点Ｒを囲む８個の立方格子点のボクセルデータから、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれの補間計算をおこなう。

制御部３１０は、当該補間ボクセル値Ｖに対応するオパシティ値αをＬＵＴから取得する（ステップＳ２０４）。

次に制御部３１０は、レイ到達点の座標（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）にシフトベクトルＳＶを加算したシフト位置ＳＲを算出する。すなわち、現在計算位置から設定した深度分進んだ位置の座標（ＳＲｘ，ＳＲｙ，ＳＲｚ）を求める。制御部３１０はさらに、ステップＳ２０３と同様の処理により、当該シフト位置ＳＲ周辺のボクセルデータから、補間ボクセル値ＳＶを求める（ステップＳ２０５）。

制御部３１０は、記憶部３６０のＬＵＴを参照し、ステップＳ２０５で求めた補間ボクセル値ＳＶに対応するカラー値ＳＣを取得し、ワークエリアなどに保持する（ステップＳ２０６）。

制御部３１０は、レイ到達点Ｒ周辺のボクセルデータに基づき、当該位置のグラディエントＧを求める（ステップＳ２０７）。ここでは、各格子点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のグラディエントＧ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ）を、格子点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の近傍のボクセルデータから計算してメモリ等に格納する。例えば「６近傍」であれば、グラディエントＧ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各ベクトル成分（成分比）は以下の数式５〜数７で求められる。
（数５）
Ｇｘ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝Ｖ（（Ｘ＋１），Ｙ，Ｚ）−Ｖ（（Ｘ−１），Ｙ，Ｚ）
（数６）
Ｇｙ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝Ｖ（Ｘ，（Ｙ＋１），Ｚ）−Ｖ（Ｘ，（Ｙ−１），Ｚ）
（数７）
Ｇｚ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝Ｖ（Ｘ，Ｙ，（Ｚ＋１））−Ｖ（Ｘ，Ｙ，（Ｚ−１））

制御部３１０は、ステップＳ２０７で求めたグラディエントＧと光線方向Ｒ−Ｏとに基づいて、シェーディング係数βを求める（ステップＳ２０８）。

制御部３１０は、レイ到達点Ｒにおける減衰光Ｄを求め、更新する（ステップＳ２０９）。ここでは、以下の数式８によりＤが求められる。
（数８）
Ｄ＝Ｉ×α

また、制御部３１０は、ステップＳ２０６で取得したカラー値ＳＣと、ステップＳ２０８で求めたシェーディング係数β、および、ステップＳ２０９で求めた減衰光Ｄを用いて、部分反射光Ｆを求める（ステップＳ２１０）。ここでは、以下の数式９により部分反射光Ｆを求める。
（数９）
Ｆ＝β×Ｄ×ＳＣ

すなわち、カラー値のみシフト位置ＳＲに対応する値を用いて算出することで、レイ到達点Ｒにおける部分反射光ＦにはシフトベクトルＳＶ分の変化が現れることになる。

制御部３１０はさらに、初期設定の残存光ＩからＤを減じることで残存光Ｉを更新するとともに、ステップＳ２１０で求めた部分反射光Ｆを用いて反射光Ｅを更新する（ステップＳ２１１）。ここでは、初期設定の反射光ＥにステップＳ２１０で求めた部分反射光Ｆを加算する。制御部３１０は、求めた反射光Ｅの値を、ワークエリアなどに保持する。

反射光Ｅが求められると、制御部３１０は、対象位置をレイ到達点ＲからΔＳ分進行させる（ステップＳ２１２）。制御部３１０は、進行させた位置が終端条件（すなわち、仮想光線が物体を通り抜けるか、残存光が０になったとき）となるか否かを判別し（ステップＳ２１３）、終端条件となるまで上記処理を繰り返して、各位置での反射光Ｅをワークエリアに保持する（ステップＳ２１３：Ｎｏ）。

終端位置での反射光Ｅが求められると（ステップＳ２１３：Ｙｅｓ）、制御部３１０は、ワークエリアに保持されている反射光Ｅをピクセル値Ｐとして、３次元画像を生成して（ステップＳ２１４）、処理を終了する。

すなわち、ピクセル値を決定するのに必要なカラー値、オパシティ値、グラディエントの各変数のうち、カラー値のみを一定値ずらした位置から取得する。つまり、例えば腸管の内壁表面を対象とした場合、表面の陰影形状に関わる変数は当該表面の位置に対応する値を用いるが、カラー値は、当該表面より所定深度内部の位置に対応する値を用いて３次元画像を生成する。これにより、腸管の内壁表面下に発現した浸潤的異状部位を設定した任意の色調で表示させることができる。このようにして得られる３次元医用画像の例を図８に示す。図示するように、腸管表面の陰影形状が表示されるとともに、浸潤的異状部位（図中、矢印で示した箇所）が、他の部分とは異なる色調で識別可能に表示される。

なお、上記実施の形態では、カラー値を設定することにより、浸潤的異状部位を任意の色調で表示するものとしたが、グレースケールなどであってもよい。この場合、カラー値に代えてグレースケールの階調値をＬＵＴに設定し、浸潤的異状部位の濃度を変えて表示させることで、識別可能に表示させることができる。その他、シフト位置ＳＲの階調情報に基づいて、例えば、明度やコントラストを変えることで浸潤的異状部位を識別可能に表示させてもよい。

上記実施の形態では、ボクセル値、カラー値、オパシティ値の各変数を、予め対応付けたＬＵＴから取得する構成としたが、各変数の取得方法はこれに限られず任意である。例えば、これらの変数のすべてあるいはいずれかを、演算により求めてもよい。この場合、画像処理装置３００などのコンピュータ装置が所定の関数を演算することで求めることができる。例えば、「カラー値」は、所定の「窓関数」を用いて求めることができる他、ＲＧＢ値をベクトルとみなした区分連続（piecewise）関数を用いて求めることができる。また、「オパシティ値」は、例えば、所定の窓関数やウィンドウ・レベル（ＷＬ）関数などを演算することで求めることができる。

上記実施の形態では、ボクセル値とカラー値とを対応付け、シフト位置ＳＲのボクセル値に対応づけられたカラー値を取得する構成としたが、シフト位置ＳＲのカラー値が取得できるのであれば、任意の方法とすることができる。例えば、仮想光源から対象ボクセルまでの距離に応じてカラー値を取得してもよい。

上記実施の形態では、シフトベクトルＳＶを固定値としたが、例えば、計算位置の変化に応じて可変としてもよい。

上記実施の形態にかかる画像処理装置３００は、専用装置で構成可能であることはもとより、例えば、パーソナルコンピュータなどの汎用コンピュータ装置などで構成することもできる。この場合、上記各処理を実現するためのプログラムの一部または全部を汎用コンピュータ装置にインストールし、ＯＳなどの制御下で実行することにより、画像処理装置３００を構成することができる。この場合のプログラム配布形態は任意である。例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に格納して配布可能であることはもとより、搬送波に重畳させることで通信媒体（インターネットなど）を介して配布することができる。

以上説明したように、本発明によれば、レイキャスティング手法を用いた３次元医用画像を生成する際、対象表面の陰影形状を明確に表示しつつ、表面下に発現している浸潤的異状部位を識別可能に表示させることができる。

本発明の実施の形態にかかる画像診断システムの構成を示す図である。 図１に示す制御端末の構成を示すブロック図である。 図１に示す画像処理装置の構成を示すブロック図である。 図３に示す画像処理装置の記憶部に記録される「ＬＵＴ」の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる「撮像処理」を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態で用いられる「レイキャスティング手法」の概念を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる「医用画像生成処理」を説明するためのフローチャートである。 図７に示す処理により生成される３次元医用画像の例を示す図である。 従来の方法により生成される３次元医用画像の例を示す図である。 従来の方法により生成される３次元医用画像の例を示す図である。 従来の方法により生成される３次元医用画像の例を示す図である。

符号の説明

１ 画像診断システム
１０ 通信ネットワーク
１００ モダリティ
２００ 制御端末
３００ 画像処理装置

Claims (10)

1. 生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成装置であって、
   所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づける表示色設定手段と、
   前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうシェーディング手段と、
   前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するシフト位置特定手段と、
   前記シフト位置特定手段が特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得する表示色情報取得手段と、
   所定部位の表示色を設定する表示色設定手段と、
   前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記表示色設定手段が設定した表示色に基づいて変更する色情報変更手段と、
   前記シェーディング手段が算出した前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記色情報変更手段が変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成する画像生成手段と、
   を備えることを特徴とする医用画像生成装置。
2. 生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成装置であって、
   前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうシェーディング手段と、
   前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するシフト位置特定手段と、
   前記シフト位置特定手段が特定したシフト位置の階調情報を取得する階調情報取得手段と、
   前記シェーディング手段による前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記階調情報取得手段が取得した前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成する画像生成手段と、
   を備えることを特徴とする医用画像生成装置。
3. 所定のボクセル値と、指定された表示階調を示す表示階調情報とを対応づける表示階調設定手段をさらに備え、
   前記シフト位置特定手段は、前記シフト位置を含んだボクセル値を取得し、
   前記階調情報取得手段は、前記シフト位置特定手段が取得したボクセル値に対応づけられている表示階調情報を、前記階調情報として取得する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の医用画像生成装置。
4. 前記シェーディング手段は、
   前記仮想光線の到達位置におけるグラディエントを算出するグラディエント算出手段と、
   前記グラディエント算出手段が算出したグラディエントを用いてシェーディング係数を算出するシェーディング係数算出手段と、をさらに備え、
   前記画像生成手段は、前記シェーディング係数算出手段が算出したシェーディング係数と、前記階調情報取得手段が取得した階調情報と、を用いて３次元医用画像を生成する、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の医用画像生成装置。
5. 前記表示階調設定手段により対応づけられた情報を記憶する記憶手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の医用画像生成装置。
6. 前記階調情報は、色情報であり、
   前記表示階調設定手段は、
   所定の浸潤的異状部位の表示色を設定する表示色設定手段と、
   該浸潤的異状部位を示すボクセル値に対応づけられた色情報を、前記表示色設定手段が設定した表示色に基づいて更新する色情報更新手段と、をさらに備え、
   前記画像生成手段は、前記色情報更新手段が更新した色情報を用いて、前記浸潤的異状部位が前記表示色で表示された３次元医用画像を生成する、
   ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の医用画像生成装置。
7. コンピュータを用いて、生体内部を示すボクセルデータを用いて３次元医用画像を生成する画像生成方法において、
   所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づけるステップと、
   前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
   前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
   前記特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得するステップと、
   所定部位の表示色を設定するステップと、
   前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記設定した表示色に基づいて変更するステップと、
   前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成するステップと、
   を備えることを特徴とする医用画像生成方法。
8. コンピュータを用いて、生体内部を撮像して得られる、少なくともボクセル値を含んだボリュームデータを取得し、該ボリュームデータに仮想的に照射される光線の仮想反射光を演算するレイキャスティング手法により生体内部の３次元医用画像を生成する医用画像生成方法であって、
   前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
   前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
   前記特定したシフト位置の階調情報を取得するステップと、
   前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成するステップと、
   を備えることを特徴とする医用画像生成方法。
9. コンピュータに、
   所定のボクセル値と、指定された表示色を示す表示色情報とを対応づけるステップと、
   前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
   前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
   前記特定したシフト位置のボクセル値に対応づけられている表示色情報を取得するステップと、
   所定部位の表示色を設定するステップと、
   前記シフト位置のボクセル値のうち、前記所定部位を示すボクセル値に対応づけられている前記表示色情報を、前記設定した表示色に基づいて変更するステップと、
   前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記変更した表示色情報とを用いて、前記所定部位を前記表示色で表示した３次元医用画像を生成するステップと、
   を実行させることを特徴とするプログラム。
10. コンピュータに、
    前記仮想光線の到達位置のシェーディングをおこなうステップと、
    前記仮想光線の到達位置から所定値シフトさせた位置を特定するステップと、
    前記特定したシフト位置の階調情報を取得するステップと、
    前記仮想光線の到達位置でのシェーディング結果と、前記シフト位置の階調情報とを用いて３次元医用画像を生成するステップと、
    を実行させることを特徴とするプログラム。