JP4196591B2

JP4196591B2 - レンダリングされたボリュームの画像に対する変換関数を非管理下で生成するための方法及びシステム

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Publication number: JP4196591B2
Application number: JP2002149914A
Authority: JP
Inventors: アブドゥルマジェイド・ムサ・アリュアッシン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: US20050074155A1; JP2003116825A; US7085406B2; DE10223185A1

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、全般的には、医用イメージングにおけるボリューム・レンダリングに関し、さらに詳細には、レンダリングしたボリュームの描出のための変換関数を容易に生成させる方法及びシステムに関する。
【０００２】
マンモグラフィは、がんを初期段階で発見するのに望ましいような患者の乳房の一つまたは複数の画像を作成する低線量Ｘ線手技である。図１は従来技術によるマンモグラフィ装置１０の一例を表している。マンモグラフィ装置１０は一般に、支柱１６に回動自在に装着されたアーム１４に装着されているＸ線管１２と、同じく支柱１６に回動自在に装着されたアーム２０に装着されているフィルムプレートまたはディジタル検出器１８と、を含んでいる。Ｘ線管１２及びアーム１４と、ディジタル検出器１８及びアーム２０とは、拮抗平衡状態（ｃｏｕｎｔｅｒｂａｌａｎｃｅｄ）とし、Ｘ線管１２とディジタル検出器１８が手動により容易に回動でき、上下移動でき、さらに様々な角度方向で適所にロックできるようにしている。
【０００３】
典型的なマンモグラフィ手技には概ね３０分を要する。この手技には一般に、患者の各側の乳房からそれぞれ２枚の画像（上方向から１枚と横方向から１枚）を取得することを含む。例えば、図１に示すようにＸ線管１２とディジタル検出器１８を軸Ａ（すなわち、頭尾方向（ｃｒａｎｉｏ−ｃａｕｄａｌ））に沿った垂直向き配置に位置させた状態で患者の乳房のそれぞれの側に対して別々に画像を取得する。さらに、例えば、患者の一方の乳房では軸Ｂ１（すなわち、中外側斜位方向（ｍｅｄｉｏ−ｌａｔｅｒａｌｏｂｌｉｑｕｅ））に沿い、患者のもう一方の乳房では軸Ｂ２に沿うなど、Ｘ線管１２とディジタル検出器１８をある角度をつけた状態として、患者の乳房のそれぞれの側に対して別々に画像を取得している。
【０００４】
この手技の中で、患者の乳房は、圧迫用パドル２２（例えば、放射線に対して透明な一片のプラスチック）と、ディジタル検出器カバー１８との間で圧迫させて乳房を平坦にし、これにより厚さを減少させると共に乳房組織を押し広げて、乳房が容易に画像化できるようにしている。上方向からと側面方向からのいずれかの方向で画像を取得する際に、Ｘ線管１２はフィルムプレートまたはディジタル検出器１８に対して概して直交、すなわち垂直に整列させている。次いで、担当医または放射線医はこの乳房画像（すなわち、マンモグラム）を精査して乳がんを発見している。
【０００５】
上述の手技は乳がんの初期形態を発見する最善の方法の一つであるが、それでも、マンモグラムを精査する担当医や放射線医が乳がんを見落とすおそれがある。例えば、マンモグラム内の関心対象構造に重なっている放射線に対してデンス（高密度）で線維腺性の（ｆｉｂｒｏｇｌａｎｄｕｌａｒ）乳房組織によって不鮮明となることにより乳がんが見落とされることがある。
【０００６】
乳がんの早期発見を改善させようとの試みから、静止した乳房及び静止したディジタル検出器に対してＸ線源を弧を描くように移動させながら複数の画像（すなわち、投影放射線像）を収集しているトモシンセシス乳房イメージング（Ｔｏｍｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｂｒｅａｓｔｉｍａｇｉｎｇ）が研究されてきた。複数の投影放射線像に対するシフト、スケール調整及び加算により、撮影対象乳房の検出器と平行な任意の面を再構成し、これにより重複している組織を関心対象構造から「除去（ｒｅｍｏｖｅ）」することができる。
【０００７】
微小石灰化やマス（ｍａｓｓ）、嚢胞、及びその他乳房の診断上重要な構造をトモシンセシス乳房イメージングから収集した一連の２次元（２Ｄ）面で描画することにより、重要な診断情報が提供される。しかし、データのボリュームは概して大きく、かつかなりの範囲にわたるデータ容量（ｄａｔａｃｏｎｔｅｎｔ）を含んでいる。したがって、放射線医は本質的に、例えば、概ね６０〜８０枚の画像（通常、圧迫した乳房厚の各１ｃｍあたり１０枚の画像であり、かつそれぞれが典型的には２３０４×１８００のマトリックス・サイズを有する）を観察することにより、これらの面を概念的に３Ｄ構造に再構成させようと試みるが、こうした作業は困難でありかつ時間がかかる。
【０００８】
ボリューム・レンダリングによれば、対象ボリュームの３次元（３Ｄ）描画を提供できる。ボリューム・レンダリングは、３Ｄ断層撮影データ（例えばコンピュータ断層（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、またごく最近では、３ＤディジタルＸ線マンモグラフィ（３ＤＤＭ））を用いた患者のスクリーニングや診断のため医用イメージングにおいて特に有用であることが分かっている。ボリューム・レンダリング技法の使用を妨げる問題点の一つは、診断において有用となるボリューム・データの容量を示す初期変換関数の定義である。
【０００９】
変換関数とは、個々のボクセルのデータ値を色相や不透明度にマッピングさせるためのメカニズムである。典型的には、この変換関数は３Ｄ断層撮影データに関する事前の知見に基づいて生成される。例えば、ＣＴでは、ハウンスフィールドＣＴ値を単位として計測される強度値の範囲は、様々な組織の種類ごとに概ね既知でありかつ再現性（ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ）がある。こうした事前の知見を使用することにより、ユーザはレンダリングされたボリュームを描画させるのに必要な変換関数を決定しかつ操作することが可能となる。
【００１０】
ＣＴデータと異なり、ＭＲにおける組織の強度値では、ハウンスフィールド値に対応する考え方がないため一般に再現性がない。一般に、ＭＲ画像における軟部組織は、特にデータを高超伝導マグネットにより収集する際にコントラストが高く、また信号対雑音比（ＳＮＲ）も高くなる。したがって、変換関数は一般に、最小強度値と最大強度値の間の単純な直線傾斜を用いて３Ｄデータ組から設定することによりレンダリングされたボリュームを十分に描画することができる。しかし、コントラストが低いデータやＳＮＲが低いデータ（例えば３ＤＤＭ）では、適当な方式でデータをボリューム・レンダリングするのにこうした直線傾斜では容認できない場合がある。変換関数を手作業により操作しようとすることは、時間がかかり臨床上実現不可能であるため、典型的には実用的でない。
【００１１】
したがって、低ＳＮＲでありかつ低コントラストである３Ｄデータをボリューム・レンダリングするのに適した変換関数を容易に決定するための方法及びシステムが必要である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
対象ボリュームの３次元データのボリューム・レンダリングで使用するための変換関数を生成させるための方法及びシステムを提供する。
【００１３】
第１の態様では、本方法は、対象ボリュームの３次元データを取得すること、この３次元データの複数のサンプルに関して選択した特性を評価すること、並びに、選択した特性に基づいて３次元データをボリューム・レンダリングするための変換関数範囲を計算すること、を含む。
【００１４】
第２の態様では、本システムはイメージング装置及び画像処理装置を備える。この画像処理装置は、取得した画像データに基づいて対象ボリュームの少なくとも一つの３次元画像データ組を作成するように適合されると共に、さらにボリューム・レンダリングで使用するための変換関数範囲を計算するように適合されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴及び利点は、添付の図面と共に以下の本発明の詳細な説明を読めば明らかとなろう。
【００１６】
がんの早期発見のため患者の乳房などの被検体１０２に対するトモシンセシス・データを作成するために使用されるＸ線投影放射線像を得るための装置１００を図２及び３に図示している。この例示的な実施形態では、本装置は、放射線検出器及び患者の乳房に対する複数の位置を通過するように放射線源を滑らかに移動させ患者の乳房に関する複数の投影放射線像を取得するように重力と協同して動作しており、この放射線像は担当医または放射線医による検討を受けるように処理することができる。
【００１７】
アクチュエータは、放射線源が複数の位置において実質的に停止するように放射線源の動きを制御するように動作可能であり、かつこれら複数の位置の間では放射線源が滑らかに移行するように動作可能である。この放射線源の加速度は、時間の経過と共に概して滑らかに（例えば、正弦波的に）変化することが望ましい。
【００１８】
別法として、放射線源には第１の端部部分を有するアームを装着し、またその第２の端部部分は支柱に回動自在に装着して、放射線源が一つの弧に沿って移動可能にしている。このアームと動作可能に接続した油圧システムにより放射線源は重力の影響下で放射線検出器に対して少なくとも一つの高い位置から少なくとも一つのより低い位置まで制御可能に移動することができ、この際、少なくとも一つの高い位置と少なくとも一つのより低い位置の間にある複数の位置において放射線源から放出されて被検体を通過する放射線は放射線検出器により検出可能である。本明細書で使用する場合、「重力の影響下で（ｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｒａｖｉｔｙ）」などの表現は、所望のトモシンセシス・データを得るためにＸ線源を移動させる際に、重力がＸ線源をある位置から順序が次の位置まで移行させるための起動力となることを意味している。さらに、本明細書で使用する場合、「動作可能に接続される（ｏｐｅｒａｂｌｙｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」などの表現は、構成要素が互いに結合されてこれらの構成要素により所望の動作または動きが提供されることを意味しており、例えば、構成要素の部分間に着脱可能な結合を提供するような締結具（例えば、コッターピン結合、バネ解錠式ラッチ、その他）による機械的結合を含むが、これに限るものではない。
【００１９】
被検体のトモシンセシス・データを取得するための方法は、放射線源と放射線検出器の間に配置した被検体に対して放射線源を高い位置に位置決めするステップと、放射線源が重力の影響下で高い位置からより低い位置まで移動することを可能にしながら被検体に複数の照射位置で放射線を照射するステップと、この複数の位置で被検体を通過した放射線を放射線検出器によって検出するステップと、を含む。本方法はさらに、被検体を通過した放射線を複数の位置の各々において検出することにより得た投影放射線像から、間隔をあけた複数の被検体透過平面画像を作成するステップを含んでいる。
【００２０】
こうした装置は、例えば、ディジタル検出器を基準としてＸ線源を物理的に移動させ位置決めするために一つまたは複数のサーボモータを使用しているようなマンモグラフィ装置と比べてより簡単かつより堅牢である。こうしたモータ式システムでは、装置に対して推力性の（ｔｈｒｕｓｔｉｎｇ）動きや振動性の（ｊｏｌｔｉｎｇ）動きが加えられ、手技の全体にわたって検出器及び患者の乳房を静止の（すなわち、固定した）位置に保つ機能に悪影響が及んでいる。本装置では装置全体にわたる急峻な推力性や振動性の動きを制限でき、手技の全体にわたって検出器及び患者の乳房をより適正に静止位置に保つことができるので有利である。
【００２１】
例示的な装置１００は、Ｘ線源１１０と、検出器１２０と、重力の影響下で検出器１２０を基準としてＸ線源１１０を制御可能に移動できるようにするためのアクチュエータ１３０と、を含んでいる。アクチュエータ１３０は、支柱１３１と、支柱１３１とＸ線源１１０とに装着した第１のアーム１３２（Ｘ線源アームともいう）と、支柱１３１と検出器１２０とに装着した第２のアーム１３４（Ｘ線検出器アームともいう）と、作動システム１４０と、を含んでいる。
【００２２】
Ｘ線源１１０は典型的にはＸ線管であり、また検出器１２０は典型的にはディジタルＸ線検出器である。例えば、検出器１２０は、例えば、アモルファス・シリコン製トランジスタ−フォトダイオード・アレイ上にヨウ化セシウム蛍光体（シンチレータ）を有するような半導体放射線イメージャとすることがある。適当なその他の検出器としては、一つまたは複数の電荷結合素子（ＣＣＤ）やＸ線を直接ディジタル信号に変換している直接型ディジタル検出器を含むことができる。検出器１２０は平坦でありかつ平坦な画像面を規定しているように図示しているが、例えば、湾曲した画像面を有する湾曲形状のディジタルＸ線検出器などディジタルＸ線検出器のその他の構成も適正に利用することができる。
【００２３】
Ｘ線源１１０と検出器１２０とは互いに別々に移動可能である。例えば、アーム１３２はＸ線源１１０に装着された第１の端部２１１または部分と、支柱１３１に回動自在に装着された第２の端部２１２または部分とを有し、Ｘ線源１１０が一つの点または軸Ｒの周りで湾曲した両側矢印Ｃで示す方向に回転可能となるようにしている。同様に、アーム１３４は、検出器１２０に装着された第１の端部２２１または部分と、支柱１３１に回動自在に装着された第２の端部２２２または部分とを有し、検出器１２０が軸Ｒの周りで両側矢印Ｄで示す方向に回転可能となるようにしている。
【００２４】
Ｘ線源１１０とアーム１３２は、アーム１３２の上側部分２１１（すなわち、軸Ｒの上方の部分）に対するモーメントが、アーム１３２の下側部分２１２（すなわち、軸Ｒの下方の部分）のモーメントと比べてより大きくなるような適当な重さとする。Ｘ線源１１０が第１の位置（すなわち、高い上側の位置２０１（図２及び３に示す））に位置決めされているとき、アーム１３２及びＸ線源１１０は、Ｘ線源１１０が第２の位置（すなわち、より低い位置２０２（図２及び３において想像線で示す））まで弧Ｃに沿って移動できるように軸Ｒの周りで回転しようとする傾向をもつことが望ましい。
【００２５】
この例示的な実施形態では、作動システム１４０は、第１及び第２の油圧シリンダ（それぞれ、１４２及び１４４）を有する油圧システムと、リザーバ１６０と、ポンプ１７０と、バルブ１７２及び１７４と、を備えている。油圧シリンダ１４２は、支柱１３１に回動自在に装着されたシリンダ本体１４１と、Ｘ線源１１０を検出器１２０に対して位置決めするために上側端部の位置でアーム１３２の一方の側面に回動自在に装着可能としたピストン１４３と、を備えている。油圧シリンダ１４４は、支柱１３１に回動自在に装着されたシリンダ本体１４５と、Ｘ線源１１０を検出器１２０に対して位置決めするために上側端部の位置でアーム支柱１３２のもう一方の側面に回動自在に装着可能としたピストン１４７と、を備えている。
【００２６】
リザーバ１６０、ポンプ１７０、並びにバルブ１７２及び１７４は、油圧シリンダ１４２及び１４４と動作可能に接続させて、流体をシリンダ本体１４１及び１４５内に導入させたり該本体内から排除したりしてアーム１３２の位置決め、したがって、検出器１２０に対するＸ線源１１０の高い位置（例えば、位置２０１）での位置決めをすることができる。油圧シリンダ１４２及び１４４がアーム１３２のそれぞれの側面に装着されていないとき、あるいはアーム１３２及びアーム１３４を支柱１３１に対して固定の位置に適当にロックさせることができるような場合である装置１００が標準の頭尾方向または中外側斜位方向のマンモグラムを得るように動作しているときは、油圧シリンダ１４２及び１４４は概して垂直の配置位置に適当に安定化、すなわち保持されている。
【００２７】
限定ではなく一例として、Ｘ線源、支柱及びアームは、典型的には、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＭｅｄｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓのＭｏｄｅｌＳｅｎｏｇｒａｐｈｅ２０００ＤＤｉｇｉｔａｌＭａｍｍｏｇｒａｐｈｙＳｙｓｔｅｍなどのタイプのものであり、これらは上述のように適当に修正されている。当業者であれば、油圧シリンダの代わりに空気圧式シリンダも適正に利用できることを理解するであろう。空気圧式シリンダでは、リザーバは不要となる。画像を取得するための上述した動きをもたらすために、装置１００において別の様々な機械的構成要素（例えば、ボールねじドライブ、非油圧式システム、その他）を使用することもできることも理解されよう。
【００２８】
図２を参照しながら、トモシンセシス・データを取得するための装置１００に対する初期設定を以下に示す。Ｘ線検出器アーム１３４（したがって、検出器１２０）を、垂直方向（図面では基準線Ｙで示す）から固定の角度Ｂの位置に配置させる。中外側方向斜位像では、角度Ｂは典型的には、垂直方向から約５０度から約７０度までの範囲にあることが望ましい。角度Ｂを選択し終えた後、アーム１３４を動かないように適所に固定する。油圧シリンダ１４２はＸ線源アーム１３２に装着させる。ポンプ１７０に通電しシリンダ本体１４３を満たし、Ｘ線源１１０を図２に示すような高い位置２０１（例えば、検出器１２０に対して垂線方向に延びる軸Ｌ１から周知の技法に従った最大角度の位置）に上昇させて位置決めする。
【００２９】
撮影対象ボリューム１０２（例えば、患者の一方の乳房）は、圧迫用パドル１２２と検出器１２０の間に位置決めし、複数の画像を取得している期間である高い位置からより低い位置２０２（想像線で示す）までＸ線源１１０を移動させる間は静止した固定位置に保持させる。この手技は、患者のもう一方の乳房の画像取得に関しても同様であるが、この場合には、油圧シリンダ１４４をアーム１３２に接続させ、アームの動きが図３に示すような対応するより上方の位置２０１とより低い位置２０２との間となるようにする。
【００３０】
複数の画像の取得に関する一態様では、流体をシリンダ本体１４１からリザーバ１６０まで排出させるようにバルブ１７２を開き、Ｘ線源１１０が重力の影響下で高い位置２０１からより低い位置２０２まで滑らかに下降するようにすることができる。本明細書で使用する場合、「滑らかに下降する（ｓｍｏｏｔｈｄｅｓｃｅｎｔ）」その他の表現は、Ｘ線源が、途中で停止せず、かつ加速度の急峻な変化を伴わない方式によりそれぞれの照射位置間を移動することを意味している。Ｘ線源１１０のこの下降の間で、Ｘ線源が撮影しようとする被検体と検出器に向けて放射線を放出することにより複数の画像（望ましくは８枚から１５枚までの画像）が取得される。例えば、±２４度の最大角度では、６度の間隔（図２に示す位置「ａ」から位置「ｉ」まで）を使用することにより９枚の画像が得られる。線源が撮影しようとする被検体に向けて放射線を放出する各位置がそれぞれの照射位置となる。各位置において検出器により得る画像は、低い放射線量により収集することが望ましい。画像のすべてに対する全放射線量は、標準の単一像のマンモグラムの放射線量と比べて、同等であるか、あるいは医学的に問題とならない程度で高いだけとすることが望ましい。
【００３１】
装置１００は、アクチュエータ・システムを制御し、かつ検出器１２０に対するＸ線源１１０の複数の位置で取得した複数の画像を処理するためのプロセッサ１５０を含むことが望ましい（これについては以下でさらに説明する）。
【００３２】
例えば、概ね±０．１度の感度を有する適当な傾斜計１８０をアーム１３２に装着しプロセッサ１５０と結合させることができる。さらに、プロセッサ１５０は典型的には、Ｘ線源１１０とインタフェースさせ、Ｘ線源を高い位置２０１からより低い位置２０２まで下降させながら適正な位置（例えば、位置「ａ〜ｉ」）においてＸ線源１１０を付勢させるための信号を供給している。装置１００は、アーム１３２を位置２０２で穏やかに停止させるためにバネや加圧したリザーバなどの適当な緩衝器を含むと有利である。また別法として、プロセッサ１５０は、Ｘ線源１１０がスキャンの終了時に位置２０２に接近するのに伴ってＸ線源１１０を減速させるようにバルブ１７２をゆっくりと閉じるようにプログラムされている。
【００３３】
複数の画像の取得に関する別の態様では、Ｘ線源１１０は適正な位置の各々（例えば、位置「ａ〜ｉ」）で静止させる、すなわち停止させるように移動させ、この時点で（もはや移動していない状態において）Ｘ線源を付勢させて照射を発生させることができる。例えば、プロセッサ１５０は典型的には、Ｘ線源１１０の下降を制御してＸ線源を所望の位置の各々において静止させるように、並びにこれら所望位置の各々にＸ線源を停止させている間（すなわち静止を維持している間）にＸ線源１１０を付勢させるための信号を提供するように傾斜計１８０及びバルブ１７２とインタフェースさせている。
【００３４】
本発明から、当業者であれば、傾斜計ではなく直線エンコーダその他同様の装置を油圧シリンダに装着して角度計測値が得られるように較正することもできることを理解するであろう。同様に、このエンコーダは、コンピュータとインタフェースさせると共に、Ｘ線源の位置を制御するために使用することができる。
【００３５】
図４〜６は、上側位置すなわち高い位置２０１から下側位置すなわち最終位置２０２までの滑らかな移行が得られることが望ましいようなＸ線源１１０の例示的な動きをグラフで表したものである。図４は、アームの停止位置（例えば、位置２０１と２０２）の間での距離または角度の変化を時間の経過に対して表したグラフである。図５及び６は、停止位置間での速度及び加速度のそれぞれの変化を時間の経過に対して表したグラフである。高い位置とより低い位置の間での時間経過に対するＸ線源の加速度及び減速度は、アームの動きに所望の滑らかさを提供するように本質的に概して滑らか、例えば正弦波的、とすることが望ましい。
【００３６】
図７に示すように、複数の位置に関して時間の経過に対してそれぞれの位置「ａ〜ｉ」の間の距離または角度を変化させることにより、Ｘ線源１１０が固定の位置、すなわち静止した位置に保持され、この時点でＸ線源を付勢できることが望ましい。照射間の各時間期間によりプロセッサはディジタル検出器からデータを読み出すことができる。Ｘ線源は、検出器の読み取りに要する最小時間の間で迅速かつ滑らかに移動させると有利である。
【００３７】
アクチュエータの別の実施形態では、油圧シリンダのそれぞれからの排出ラインの中間に可変サイズのリザーバ対を使用し、このリザーバ対の充満と排出を交互に繰り返させることができる。各リザーバの体積は、Ｘ線源１１０が一つの位置から次の位置まで移動できるように油圧シリンダから排出させる、すなわち排除する流体の量を収容できるように構成させることが望ましい。例えば、一方のリザーバが満たされた時点で、Ｘ線源を付勢させて照射を発生させることができる。次いで、スキャンを続けるように油圧シリンダをもう一方のリザーバに接続し、この間に最初の方からこの下側リザーバ内に排出させることになる。
【００３８】
この油圧システムとＸ線源の動きにより、その装置を臨床的に適用可能とするような十分な迅速さである概ね３〜５秒でトモシンセシス画像を収集することができる。典型的には、イメージング手技の間に得られた別々の投影放射線像は、オペレータが使用できるように検出器と結合させたプロセッサ１５０やその他の読み出し様式により処理している。
【００３９】
装置１００が（Ｘ線源１１０を位置「ａ〜ｉ」に配置させて）作成した別々の複数の投影放射線像に対しては、前処理の後、検出器１２０の面と平行な被検体の一つまたは複数の面（すなわち、スライス）Ｓを再構成させるように、シフト、スケール調整、並びに加算（例えば、変換）を実施する。当業者であれば、所与のイメージング用途に適した様々な再構成技法から選択することになることを理解するであろう。本明細書で使用する場合、この複数の面またはスライスのことをトモシンセシス・データと呼ぶ。トモシンセシス・データは再構成させたデータを記述しており、一方、投影放射線像はＸ線曝射（ｘ−ｒａｙｓｈｏｔ）を示している。トモシンセシスにより、撮影された被検体内の任意のレベル（例えば、約１．０ｍｍ間隔）で、「焦点の合った（ｉｎ−ｆｏｃｕｓ）」断層撮影面（すなわち、スライス）Ｓの再構成が可能となる。典型的には、スライス間隔が約１ｍｍの等間隔のスライスが利用される。しかし、別の間隔及び／または不均等な間隔も代替的な実施形態となる。トモシンセシス・データ組の値は、撮影した被検体内の対応する構造の線形減衰値と明白な関数関係を有しているのが理想的である。本発明によれば、担当医または放射線医は正常な乳房組織からの「構造雑音」を通した観察により、乳がんの検出及び特徴付けを改善させることができるので有利である。
【００４０】
限定ではなく一例として、断層撮影面（すなわち、スライス）Ｓの作成は、別法として、Ｎｉｋｌａｓｏｎらに対する米国特許第５，８７２，８２８号に開示された処理法、あるいは当技術分野で周知のその他適当な再構成アルゴリズムによっても取得することができる。
【００４１】
上述した断層イメージング法を利用した後において、得られた断層撮影データのボリュームは一般に大きく、またそのデータの容量も一般にボクセル強度値のかなりのダイナミックレンジを包含している。本発明の実施形態では、かなりのデータ・ボリューム及びデータ容量を有するトモシンセシス・データの（例えば、診断を目的とした）描画を可能にする方法を提供する。データ・ボリュームに関しては、複数の間隔をあけた画像が、１００マイクロメートルの平面画像分解能あるいはこれより良好な分解能（乳房撮影の場合）、並びに１０００マイクロメートルの画像間隔分解能（ｉｍａｇｅｓｐａｃｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）あるいはこれより良好な分解能を有することが望ましい。典型的には、各画像は概ね２３０４×１８００ボクセルのマトリックス・サイズを表している。本明細書で使用する場合、ボクセル（ｖｏｘｅｌ）とは、Ｘ、Ｙ及びＺ軸のそれぞれに沿ったＮ_x×Ｎ_y×Ｎ_zのデータサンプルからなる一つのデータ・ボリューム範囲内の単一のデータ・ポイントのことをいう。典型的には、圧迫した乳房の厚さを典型的には約４ｃｍ〜約７ｃｍの範囲にした状態で圧迫厚さ１ｃｍあたりに１０画像が存在する。したがって、本明細書に記載した断層イメージングにより大きなデータ・ボリュームを提供できる。データ容量に関しては、上述した技法により取得されるデータのダイナミックレンジは、撮影した構造の減衰係数のレンジ差を２バイトの情報（ボクセル強度）を利用して記憶していることが望ましい。ボクセル強度値と撮影した構造の減衰係数の間にはある関係が存在する。本再構成技法の出力はこの関係を比例関係または反比例関係のいずれにもすることができる。反比例関係の場合、乳房内の構造の減衰係数が大きいほど、その強度値は小さくなる。例えば、微小石灰化は、繊維組織に関するボクセル値と比べてより小さいボクセル値を有する。ボクセル強度値と撮影した構造の減衰との間の関係は別の関数関係とすることも可能である。
【００４２】
対象ボリューム（例えば、患者の乳房）の３次元画像を作成する一方法は、対象ボリュームのトモシンセシス・データを上述のようにして取得すること、並びにこのトモシンセシス・データに３Ｄ描画技法を適用することにより３次元画像を作成すること、を含む。本明細書で使用する場合、３Ｄ描画技法（３Ｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）とは、周知の技法に従って任意の観察角度で得られる、最大、最小、合成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、表面、あるいは平均化（ａｖｅｒａｇｅｄ）の投影など様々な周知のボリューム・レンダリング技法のことをいう。
【００４３】
ボリューム・レンダリングとは、撮影対象ボリュームの３次元レンダリングを生成させるために様々な画像作成面上で投影画像を作成するための様々な技法のことをいう。上述の方法により取得したトモシンセシス・データ（すなわち、複数の間隔をあけた平面画像）は協同して、対象ボリュームを表す一つの３次元データ・ボリュームを形成する。図８を参照すると、０から（ｎ−１）までの番号を付けたｎ枚のスライスを含む例示的なデータ・ボリューム４０を表している。投影画像は番号３６で示している。このデータ・ボリュームから３次元画像を作成するために、図２のプロセッサ１５０は、データ・ボリュームに対してボリューム・レンダリング技法を用いた変換を行うように適合させている。例示的な実施の一形態では、ボリューム・レンダリングは最大不透明度レイ・キャスティング（ｒａｙｃａｓｔｉｎｇ）により実施する。本明細書で使用する場合、不透明度（ｏｐａｃｉｔｙ）とは、透明度の一尺度と定義する。この実施形態では、レイ（ｒａｙ）３８がデータ・ボリューム４０を通ってキャストされる。レイ３８がデータ・ボリューム４０の各面を通過するのに伴って、データ・ボリュームの当該スライスの各々からの画素とレイ３８との交差部分から強度を計算し累積することによりレンダリングされた画像が形成される。プロセッサ１５０は周知の方法に従ったレイ・キャスティング式ボリューム・レンダリングを繰り返し実行する。一般に、２次元スライスの各方向での画素数（例えば、ｘ方向の画素数及びｙ方向のスライス数）は分解能要件に基づいて事前に決定されている。典型的には、最終画像の分解能は事前に決定されている。しかし、処理時間を短縮するため対話式作業の間ではより低い分解能を利用することが多い。３Ｄ画像を作成するための方法に関する実施の一形態では、ユーザによる画像操作（例えば、様々な分解能での方向操作や観察角度操作）を可能とするようにユーザ入力に応答して選択した３Ｄ描画技法を適用している。別の実施形態では、プロセッサ１５０は、より高分解能の画像に対する対話式作業を可能にするように適合させている。代替的な実施形態では、トモシンセシス・データを用いて乳房の３次元画像を作成するために、２次元または３次元のテクスチャ・マッピング、最大強度値投影、最小強度値投影、合成レイ・キャスティングなど別のボリューム・レンダリング技法を選択している。また別の実施形態では、サーフェス・レンダリング技法を、単独で、あるいは様々なボリューム・レンダリング技法と組み合わせて使用することができる。サーフェス・レンダリング技法により、トモシンセシス・データを検討する際に望ましい機能である形状が規則的及び不規則な関心対象ボリュームを容易に抽出する機能が可能となることを理解されたい。換言すると、サーフェス・レンダリングは、何らかの幾何学物体（例えば、球形、楕円形、円筒形など）に対して使用されることになる。３Ｄデータがこれら幾何学物体と交差することにより、撮影した３Ｄボリュームによる関心対象ボリュームの再構成が可能となる。
【００４４】
３次元レンダリングされた画像を診断目的で表示させかつ操作するために、レイ・キャスティング技法における各ボクセルに対して、色相と不透明度という二つの主要なパラメータを設定することが望ましい。典型的には、これらのパラメータの設定に使用できる二つの区分線形変換関数が存在する。変換関数の一つは色相（例えば、赤、緑及び青、すなわちＲＧＢ）に関する設定に使用され、もう一つの変換関数は不透明度に関する設定に使用される。一般に、レンダリングされた３Ｄ画像はほとんどの放射線医ではグレー表示としているため、赤、緑及び青の各値はすべて同じであるのが普通である。
【００４５】
描画の分野では、ＲＧＢＡカラー（赤、緑、青及びアルファ）をもつカラーモニタに言及するのが典型的である。これらの色相はモニタ内の電子銃に当てはまる。赤の電子銃だけをオンにすると画面上の画素は赤色で表示され、赤と緑の電子銃をオンにするとその画素は黄色で表示され、また、すべての電子銃をオンにするとその画素は白で表示される。これらの電子銃の強度の大きさにより様々なレベルの濃淡（ｓｈａｄｉｎｇ）が生成される。すべての電子銃の強度を同じ量だけ変化させた場合（したがって、同じ値とした場合）、その画素は様々なグレイスケール値となる。典型的には、放射線医はグレイスケール値を有するフィルムを観察するように訓練されており、放射線医はディジタル画像であってもグレイスケール値で観察することをより好むが、放射線医がカラー画像で訓練を受けていれば状況は違ったものとなり得る。アルファ値（不透明度）は、二つの面を融合させること（ｂｌｅｎｄｉｎｇ）に関係する。一方の面は画面から生成される色相のことを指し、もう一方は不透明度面（すなわち、アルファ面）である。したがって、各画素は、その画素に関連する一つのアルファ値を有する。一般に、変換関数が単調増加の場合では、値１は画面上の画素の不透明度が極めて高いことを意味し、また値０はその画素が極めて透明であること意味する。
【００４６】
各変換関数は、利用可能なディスプレイの深度（ｄｅｐｔｈ）に応じて、原データの全ダイナミックレンジを８ビットまたはこれを超えるビット数のいずれかにマッピングしている。このデータの全ダイナミックレンジは典型的には１５ビットであるが、情報の深度を失わずに関心対象ボリューム（ＶＯＩ）をレンダリングするのに要するダイナミックレンジでは、必要となるビット数は一般にこれより少なくて済む。例えば、微小石灰化と、マス（ｍａｓｓ）、嚢胞その他の病変部や軟部組織構造との両方を全深度分解能で観察する場合と比べて、微小石灰化のみを全深度分解能で観察するのに必要なビット数はより少なくて済む。したがって、本発明の実施形態を利用して乳房構造を高分解能で描画することができる。
【００４７】
微小石灰化の強度値分布は軟部組織構造の強度値分布と比べてより分散されていることに留意されたい。したがって、１５ビット深度の分解能（すべての強度値が微小石灰化と軟部組織構造の両方に対する分布を含んでいる場合）を８ビット深度の分解能にマッピングまたはスケール変換しようとすると、情報の深度が失なわれることになる。しかし、一つの強度値分布（例えば、軟部組織構造）のカバー範囲は１５ビット未満であり、したがって、一つの強度値分布を８ビット表示にスケール変換することは、その特定の分布に対しては情報の深度の損失を少なくすることにつながる。
【００４８】
図９は二つの区分線形変換関数を表している。その一方は、乳房内の微小石灰化を伴う関心対象ボリュームからのボクセル値のマッピングに使用し、もう一方はスピキュラ状病変を伴うＶＯＩのマッピングに使用する。この二つの変換関数に対応してボリューム・レンダリングした画像により、各構造（微小石灰化やスピキュラ状病変）の描画が可能となる。
【００４９】
本発明の実施の一形態では、変換関数を生成するための方法は、対象ボリュームに対応する３次元（３Ｄ）データ組を取得すること、この３Ｄデータ組をサンプリングすること、そのサンプルの強度値に対する平均値と標準偏差を計測すること、並びに直線傾斜の変換関数の上限及び下限を計算すること、を含む。
【００５０】
例示的な実施の一形態では、その３次元データ組は、トモシンセシス及びボリューム・レンダリングに関して上述した方法により収集している。したがって、この３Ｄデータ組は、サンプル数ｎでランダムにサンプリングし、次いでこれらのサンプルの強度値に対する平均値と標準偏差を計測している。その後、この平均値と標準偏差に基づいて直線傾斜の変換関数の下限及び上限を次式により決定している。
【００５１】
下限＝ＬＬ＝μ−Ｎ×σ
上限＝ＵＬ＝μ＋Ｎ×σ （式１）
上式において、μ、σ、Ｎはそれぞれ、平均値、標準偏差、及び標準偏差の数である。対応する不透明度の変換関数は次式となる。
【００５２】
ＴＦ（ｘ）＝Ａ（ｘ≦ＬＬの場合）
ＴＦ（ｘ）＝（Ｂ−Ａ）ｘ／（ＵＬ−ＬＬ）＋Ｃ（ＬＬ＜ｘ＜ＵＬの場合）
ＴＦ（ｘ）＝Ｂ（ｘ≧ＵＬの場合）（式２）
ＴＦ（ｘ）は変換関数、ｘはボクセル強度値、Ａ及びＢは不透明度値、またこれらの値は０と１の間の値をもつ。Ｃは不透明度ｙ軸に対するｙ切片である。この線形変換関数は組織の強度値に応じて単調増加または単調減少とすることができる。例えば、３ＤＤＭデータでは、ボリューム・レンダリングに最大強度値投影（ＭＩＰ）を使用する場合、下限に対しては１という値を割り当て、また上限に対しては０という値を割り当てている。別のボリューム・レンダリング技法（例えば合成ボリューム・レンダリング）を用いる場合には、１未満の値（例えば、０．５）を使用する。その理由は、密度がより大きい組織は密度がより小さい組織と比べてより小さい強度値を有することに基づく（例えば、微小石灰化の強度値は小さいが、放射線医にとって診断上極めて重要である）。
【００５３】
ＭＩＰの３Ｄ描画では、色相変換関数は不透明度変換関数と同じ形状を有する場合や、単に１という一定の値を有する場合もあり得る。別のボリューム・レンダリング技法（例えば、合成ボリューム・レンダリング）では、色相変換関数が同じ直線傾斜特性を有することもあるが、最大可能な色相範囲を利用するためには、その最小値をゼロとしかつその最大値を１とする必要がある。
【００５４】
そのボリュームから採取するサンプル数が多いほど変換関数の再現性はより高くなる。しかし、犠牲となるのは処理時間の増加である。したがって、再現性対速度のトレードオフが生ずる。
【００５５】
３ＤＤＭデータでは、そのＳＮＲが低い。したがって、（式１）において六つ分の標準偏差を用いて変換関数を適正に評価できるようにすることが望ましい。
【００５６】
プロセッサ１５０は、典型的には、Ｘ線手技の間に検出器１２０から受け取ったイメージング信号を処理するようにプログラムされたディジタル計算機である。本発明の実施の一形態では、プロセッサ１５０はさらに、トモシンセシス・データに基づいて、上でより詳細に説明したようにして３Ｄ画像を作成するように適合されている。本明細書で使用する場合、「ように適合され（ａｄａｐｔｅｄｔｏ）」、「構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」などの表現は、与えられた入力信号に応答して出力を提供させる一連操作を実行するようにプログラムされているような、アナログ式やディジタル式の計算機、特定用途向け装置（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））などの電気的構成要素の動作機能のことを示している。例示的なプロセッサ１５０は、ハードドライブ、キーボードなどの入力デバイス、マウス、磁気記憶媒体（例えば、テープ・カートリッジやディスク）、光学記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、及びディスプレイやプリンタなどの出力装置を備えた適当なコンピュータ（例えば、ＳｕｎＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓのＰＥＮＴＩＵＭ（商標）ベースのコンピュータからなるＳＰＡＲＣ２０ワークステーションなど）を含むことがある。上でより詳細に説明したように、プロセッサ１５０には、変換を実行するための適当なプログラムがインストール（すなわち、移植）されている。
【００５７】
別の実施形態では、対象ボリュームの３次元画像を作成するためのシステムを提供する。本システムは、イメージング装置及び画像処理装置を備える。このイメージング装置は、上述したように、当該ボリュームに対して複数の照射位置において放射線を照射し、さらに、この複数の照射位置において放射線を検出することにより導き出される対象ボリュームを透過させた複数の間隔をあけた平面画像を作成している。この画像処理装置（例えば、図２のプロセッサ１５０）は、この間隔をあけた平面画像に基づいて対象ボリュームの３次元画像を作成している。画像処理装置のさらに別の実施形態では、その画像処理装置は上述のようにして変換関数を計算するように適合されている。この画像処理装置は、ユーザの介入に頼らずに取得データに基づいて変換関数を計算し、最適な変換関数を「オンザフライで」計算できるように適合させることが望ましい。本明細書で使用する場合、「オンザフライ（ｏｎｔｈｅｆｌｙ）」での計算とは、データ収集と実質的に同時事象であることを示す意図である。したがって、本発明の実施形態を利用したシステムにより、放射線医その他のユーザは、変換関数に関する追加の操作を実質的に行うことなくレンダリングされたボリュームを描画することができる。
【００５８】
３Ｄ画像は、システムのユーザに対して表示させるために利用可能である（表示装置は図示していない）。別の実施形態では、その画像処理装置は、所望の表示形式に関するシステムのユーザからの入力に対して対話式に応答するように適合させている。例えば、放射線医などのユーザは、レンダリングされた３Ｄボリュームの特定の領域または観察角度を選択することができ、また別法として、強度などのパラメータに基づいた３Ｄ画像の再検討を希望することもできる。プロセッサ１５０は、適当なプログラムを用いて、レンダリングされた３Ｄ画像の所望の表示に関するユーザ入力に応答するように適合させていることを理解されたい。さらに別の実施形態では、プロセッサ１５０はレンダリングされた３Ｄ画像の動画映像表示を提供するように適合させている。
【００５９】
この説明から、本装置は、乳房撮影に限定することなく様々な被検体を画像化するように構成できることを理解されたい。さらに、当業者であれば、この変換関数の計算は、ボリューム・レンダリングが利用されるような任意の３Ｄ用途にも適用可能であること、並びに様々な医用イメージング様式のうちの任意の様式（例えば、超音波）にも適用可能であることを理解するであろう。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態について図示すると共に本明細書に記載してきたが、こうした実施形態が例としてのみ提供されていることは明らかであろう。当業者であれば、ここに記載した本発明を逸脱することなく、多くの変形形態、変更形態及び置換形態を生じさせるであろう。したがって、本発明は本特許請求の範囲の精神及び趣旨によってのみ限定させようとする意図である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるＸ線マンモグラフィ装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態が適用可能な、患者の乳房のトモシンセシス・データを取得するための装置の正面図である。
【図３】図２に示す装置を、患者のもう一方の乳房のトモシンセシス・データを取得するように構成させている正面図である。
【図４】断層撮影データを生成するために使用する投影放射線像を取得するための手技の間で、図２及び３に示すＸ線源の動きに対する距離または角度、速度、並びに加速度のそれぞれを時間の経過に対して図示した部分的グラフである。
【図５】断層撮影データを生成するために使用する投影放射線像を取得するための手技の間で、図２及び３に示すＸ線源の動きに対する距離または角度、速度、並びに加速度のそれぞれを時間の経過に対して図示した部分的グラフである。
【図６】断層撮影データを生成するために使用する投影放射線像を取得するための手技の間で、図２及び３に示すＸ線源の動きに対する距離または角度、速度、並びに加速度のそれぞれを時間の経過に対して図示した部分的グラフである。
【図７】図４と同様のグラフを複数の画像を取得するための時間期間に及ぶように図示したグラフである。
【図８】本発明の実施形態に従ってデータ・ボリュームを通過させてキャストしたレイを表した模式図である。
【図９】本発明の実施形態において有用な二つの区分線形変換関数を図示したグラフである。
【符号の説明】
１０従来技術によるマンモグラフィ装置
１２Ｘ線管
１４アーム
１６支柱
１８フィルムプレート、ディジタル検出器
２０アーム
２２圧迫用パドル
１００トモシンセシス・データを取得する装置
１０２撮影対象ボリューム、患者の乳房
１１０Ｘ線源
１２０検出器
１２２圧迫用パドル
１３０アクチュエータ
１３１支柱
１３２Ｘ線源アーム、第１のアーム
１３４Ｘ線検出器アーム、第２のアーム
１４０作動システム
１４１シリンダ本体
１４２第１の油圧シリンダ
１４３シリンダ本体
１４４第２の油圧シリンダ
１４５シリンダ本体
１４７ピストン
１５０プロセッサ
１６０リザーバ
１７０ポンプ
１７２バルブ
１７４バルブ
１８０傾斜計
２０１上側の位置
２０２より低い位置
２１１アーム１３２の上側部分
２１２アーム１３２の下側部分
２２１アーム１３４の第１の端部
２２２アーム１３４の第２の端部

Claims

対象ボリュームの３次元データのボリューム・レンダリングで使用するための変換関数を画像処理装置が生成させる方法であって、
対象ボリュームから取得した３次元データの複数のサンプルに関して選択した特性を前記画像処理装置が評価するステップと、
選択した特性に基づいて３次元データをボリューム・レンダリングするための変換関数範囲を前記画像処理装置が計算するステップと、を含み、
変換関数範囲を計算する前記ステップが、ＴＦ（ｘ）を変換関数、ｘをボクセル強度値、Ａ及びＢを不透明度値、Ｃを不透明度ｙ軸でのｙ切片とし、さらにＬＬを変換関数範囲の下限、ＵＬを変換関数範囲の上限として、
ＴＦ（ｘ）＝Ａ（ｘ≦ＬＬの場合）
ＴＦ（ｘ）＝（Ｂ−Ａ）ｘ／（ＵＬ−ＬＬ）＋Ｃ（ＬＬ＜ｘ＜ＵＬの場合）
ＴＦ（ｘ）＝Ｂ（ｘ≧ＵＬの場合）
に従って実行されており、
前記下限及び上限が、μ、σ、Ｎをそれぞれ平均値、標準偏差、標準偏差の数として、
下限＝ＬＬ＝μ−Ｎ×σ
上限＝ＵＬ＝μ＋Ｎ×σ
に従って計算されている、方法。
前記３次元データがノイズ及び低コントラストの影響を受けている、請求項１に記載の方法。
前記３次元データが、コンピュータ断層（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、超音波、及び３次元ディジタルＸ線マンモグラフィ（３ＤＤＭ）のうちの少なくとも一つによって収集されている、請求項１に記載の方法。
前記選択した特性が平均値と標準偏差である、請求項１に記載の方法。
対象ボリュームの３次元データ組のボリューム・レンダリングで使用するための変換関数を画像処理装置が生成させる方法であって、
前記画像処理装置が対象ボリュームから取得した３次元データ組をサンプリングして対象ボリュームに対する複数のサンプルを生成させるステップと、
前記複数のサンプルに対する平均値と標準偏差を前記画像処理装置が計測するステップと、
サンプルに対する平均値及び標準偏差の前記計測に基づいて、３次元データをボリューム・レンダリングするために使用する変換関数の範囲を前記画像処理装置が生成させるステップと、を含み、
前記変換関数範囲が上限と下限を備えており、
前記上限をＵＬとしかつ前記下限をＬＬとして、ＵＬ及びＬＬが、μ、σ、Ｎをそれぞれ平均値、標準偏差、標準偏差の数として、
下限＝ＬＬ＝μ−Ｎ×σ
上限＝ＵＬ＝μ＋Ｎ×σ
に従って計算されている、方法。
前記３次元データ組がノイズ及び低コントラストの影響を受けている、請求項５に記載の方法。
前記３次元データ組がコンピュータ断層（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、及び３次元ディジタルＸ線マンモグラフィ（３ＤＤＭ）のうちの少なくとも一つによって収集されている、請求項５に記載の方法。
対象ボリュームの３次元データのボリューム・レンダリングのためのシステムであって、対象ボリュームの画像データを取得するためのイメージング装置と、取得した画像データに基づいて対象ボリュームの少なくとも一つの３次元画像データ組を作成するように前記イメージング装置と結合されており、ボリューム・レンダリングで使用するための変換関数範囲を計算するように適合されている画像処理装置と、を備え、
前記変換関数範囲が上限と下限を備えており、
前記上限をＵＬとしかつ前記下限をＬＬとして、ＵＬ及びＬＬが、μ、σ、Ｎをそれぞれ平均値、標準偏差、標準偏差の数として、
下限＝ＬＬ＝μ−Ｎ×σ
上限＝ＵＬ＝μ＋Ｎ×σ
に従って計算されている、システム。
前記イメージング装置が、コンピュータ断層（ＣＴ）装置、磁気共鳴（ＭＲ）イメージング装置、超音波、及び３次元ディジタルＸ線マンモグラフィ（３ＤＤＭ）装置のうちの少なくとも一つを含む、請求項８に記載のシステム。
前記画像処理装置がさらに、対象ボリュームの画像データの取得と実質的に同時に前記変換関数範囲を計算するように適合されている、請求項８に記載のシステム。
前記３次元データがノイズ及び低コントラストの影響を受けている、請求項８に記載のシステム。