JP4541434B2 - 画像処理装置及び画像処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、管状組織を可視化した画像の表示角度又は表示箇所を変更する操作に応じて画像処理を行う画像処理装置及び画像処理プログラムに関する。

コンピュータを用いた画像処理技術の進展により人体の内部構造を直接観測することを可能にしたＣＴ（Computed Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）の出現は医療分野に革新をもたらし、生体の断層画像を用いた医療診断が広く行われている。さらに、近年では、断層画像だけでは分かりにくい複雑な人体内部の３次元構造を可視化する技術として、例えば、ＣＴにより得られた物体の３次元デジタルデータから３次元構造のイメージを直接描画するボリュームレンダリングが医療診断に使用されている。

ボリュームレンダリングでは、３次元のボクセル（微小体積要素）空間に対して仮想光線（レイ）を照射することにより投影面に画像が投影される。ボリュームレンダリングの一種にレイキャスト法がある。レイキャスト法では、レイの経路に沿って一定間隔でサンプリングし、各サンプリング点のボクセルからボクセル値を取得し、ボクセル値から色情報や不透明度を算出し演算する。なお、ボクセルは、物体の３次元領域の構成単位であり、ボクセル値は、ボクセルの濃度値等の特性を表わす固有のデータである。ボクセル空間はボクセル値の３次元配列であるボリュームデータで表される。

このようなボリュームレンダリングにおける３次元画像処理としては、レイキャスト(Raycast)法やＭＩＰ（Maximum Intensity Projection）法、ＭｉｎＩＰ（Minimum Intensity Projection）法、ＭＰＲ（Multi Planar Reconstruction）、ＣＰＲ（Curved Planer Reconstruction）等が使用され、２次元画像処理としては２Ｄスライス画像等が一般に使用されている。

図９は、ＭＰＲ（Multi Planar Reconstruction）を行った際にボクセル空間から切り出される断面の一例を示す図である。図９に示すように、ＭＰＲを利用すれば、３次元のボクセル空間５１から任意断面１１を切り出し、その断面を表示することができる。図１０は、ＭＰＲにより得られた人体の内部組織を示す画像である。

図１１は、ＣＰＲ（Curved MPR）を行った際にボクセル空間から切り出される任意軌跡に沿った断曲面の一例を示す図である。図１１に示すように、ＣＰＲを利用すれば、３次元のボクセル空間５１内の任意軌跡５７に沿った任意断曲面５２，５３，５４，５５，５６を切り出し、これら断面の連続画像５０を平面画像として表示することができるため、ＣＰＲは血管や腸等の曲がりくねった臓器の画像表現に適している。例えば、図１２に示すボクセル空間内の血管６１の画像は、この血管６１の中心線に沿った断曲面６３上のボクセルのボクセル値に基づいて生成される。図１３は、ＣＰＲにより得られた人体の内部組織を示す画像である。

上記説明したＣＰＲによって特定される曲面は、図１４に示すように、以下のように定義できる。すなわち、図１４に示す曲面Ｓは、ボクセル空間内の曲線ｃ上の任意の点を通過する、同一方向ベクトル（以下「ＣＰＲ方向ベクトル」という。）ｖの複数の直線ｌｉの集合によって定義される。コンピュータ等の処理装置は、このように定義された曲面Ｓ上のボクセルのボクセル値に基づいて、曲面Ｓ上の画像（以下「ＣＰＲ画像」という。）を２次元画像としてディスプレイに表示する。

なお、曲面Ｓを定義するパラメータの１つであるＣＰＲ方向ベクトルｖは、所望の向きに設定可能である。ＣＰＲ方向ベクトルｖを変更すれば、曲線ｃによって表される血管や腸等の臓器を多面的に観察することができる。したがって、処理装置は、ユーザがＣＰＲ方向ベクトルを変更する操作を行った際には、ユーザによって指定されたＣＰＲ方向ベクトルに応じた曲面を特定し、当該特定された曲面上のＣＰＲ画像をディスプレイに表示する。

ＣＰＲ方向ベクトルを変更する操作は、例えば、ＣＰＲ画像上でのマウスを用いた任意の方向へのドラッグである。図１５（ａ）に示すように、ユーザがＣＰＲ画像上で上下方向にドラッグすると、処理装置は、図１５（ｂ）に示すように、ボクセル空間におけるＣＰＲ方向ベクトルと直交する軸を中心に回転したＣＰＲ方向ベクトルに応じた曲面を特定する。また、図１６（ａ）に示すように、ユーザがＣＰＲ画像上で上下左右方向にドラッグすると、処理装置は、図１６（ｂ）に示すように、ボクセル空間における任意の方向に変更されたＣＰＲ方向ベクトルに応じた曲面を特定する。

アルミン・カニサー（Armin Kanitsar）他著，「CPR - Curved Planar Reformation」

しかし、曲線ｃの接線ベクトルがＣＰＲ方向ベクトルに略等しい曲面のＣＰＲ画像上で上下方向にドラッグすると、ＣＰＲ画像が歪む可能性がある。また、ＣＰＲ方向ベクトルには回転の自由度が2あるところ、図１５に示したように上下方向だけのドラッグでは、1自由度のみ操作できるので、所望のＣＰＲ画像が得られない場合がある。

また、図１６に示したように、上下方向のドラッグだけなく左右方向のドラッグにも応じて、ＣＰＲ方向ベクトルを３次元での任意の方向に変更可能な操作をユーザが可能な場合、上下左右のドラッグ操作は２次元画像（ＣＰＲ画像）上で行われる一方、当該操作に応じたＣＰＲ方向ベクトルの変更は３次元空間（ボクセル空間）で行われる。このため、変更前と同じ曲線上の任意の点を通過する、回転後のＣＰＲ方向ベクトルの複数の直線の集合によって定義される曲面を、ユーザが頭の中でイメージすることは非常に困難である。その結果、ユーザが所望のＣＰＲ画像を得るためには、ＣＰＲ方向ベクトルの回転に試行錯誤を重ねる必要がある。特に、ＣＰＲ方向ベクトルの回転を行うと、曲面Ｓをその形状を維持したまま回転すると錯覚しやすいのでなおさらである。

また、ユーザが上下左右方向のドラッグを何度も行って多くの試行錯誤を重ねた後、ＣＰＲ方向ベクトルを元の状態、すなわち、試行錯誤を重ねる前のＣＰＲ方向ベクトルに戻すには、ユーザに高レベルな操作能力を必要する。これは、一般的に回転操作にかかわる行列の乗算に交換則が成立しないためである。

本発明の目的は、管状組織の所望の画像を得るための操作性が向上した画像処理装置及び画像処理プログラムを提供することである。

本発明は、管状組織を含むボクセル空間のボリュームデータに基づいて、前記管状組織の中心線を特定する中心線特定部と、方向ベクトルを特定する方向ベクトル特定部と、前記中心線上の任意の点を通過し前記方向ベクトルと平行な直線の集合によって定義される曲面を特定する曲面特定部と、前記曲面上のボリュームデータに基づいて前記管状組織を可視化する可視化部と、前記中心線上の注目点における前記中心線の接線ベクトルを決定する接線ベクトル決定部と、を備え、前記方向ベクトル特定部は、前記注目点を中心に前記管状組織の表示角度を変更する操作に応じて、前記接線ベクトルに対する前記任意の方向ベクトルの角度を維持したまま、前記接線ベクトルを軸に前記方向ベクトルを回転させ前記方向ベクトルを新たに特定し、前記曲面特定部は、前記中心線上の任意の点を通過し、前記新たに特定された方向ベクトルと平行な直線の集合によって定義される曲面を新たに特定し、前記可視化部は、前記新たに特定された曲面上のボリュームデータに基づいて前記管状組織を可視化する画像処理装置を提供する。

上記画像処理装置では、前記方向ベクトル特定部は、前記接線ベクトルに対する前記任意の方向ベクトルの角度を指定する操作に応じて、前記接線ベクトルと当該方向ベクトルによって張られる平面上で、前記注目点を中心に前記方向ベクトルを回転させ前記方向ベクトルを新たに特定する。

上記画像処理装置では、前記注目点の位置を前記中心線上で変更する操作に応じて、前記接線ベクトル決定部は前記接線ベクトルを新たに決定する。

本発明は、コンピュータを、上記画像処理装置の各部として機能させるための画像処理プログラムを提供する。

本発明によれば、管状組織の所望の画像を得るための操作性が向上した画像処理装置及び画像処理プログラムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る一実施形態の画像処理装置及びその周辺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１００は、ＣＰＲ（Curved Planer Reconstruction）による画像処理を行い、中心線特定部１０１と、曲面特定部１０３と、可視化部１０５と、方向ベクトル特定部１０７と、接線ベクトル決定部１０９とを備える。なお、画像処理装置１００が備える各構成要素は、コンピュータ等の処理装置がプログラムを実行することによって動作する。

中心線特定部１０１にはボリュームデータ記憶部１５１が接続されている。ボリュームデータ記憶部１５１は、管状組織を含むボクセル空間のボリュームデータを記憶する。ボリュームデータは、ボクセル空間に含まれる各ボクセルの固有のデータを示すボクセル値の集合である。また、可視化部にはディスプレイ１５３が接続されている。ディスプレイ１５３は、可視化部１０５によって可視化された管状組織のＣＰＲ画像を表示する。また、方向ベクトル特定部１０７及び接線ベクトル決定部１０９には入力インターフェイス（入力Ｉ／Ｆ）１５５が接続されている。入力Ｉ／Ｆ１５５は、本実施形態の画像処理装置１００のユーザが、ディスプレイ１５３に表示されたＣＰＲ画像上での管状組織の表示角度や表示箇所等を変更するための操作を受け付ける。

中心線特定部１０１は、ボリュームデータ記憶部１５１から得られたボリュームデータに基づいて、ボクセル空間内に存在する管状組織の中心線を特定する。方向ベクトル特定部１０７はユーザの入力に基づき、ＣＰＲ方向ベクトルを特定する。曲面特定部１０３は、中心線特定部１０１によって特定された任意の中心線上の任意の点を通過する、ＣＰＲ方向ベクトルと平行な直線の集合に基づいて、曲面を特定する。なお、ボクセル空間内の管状組織は３次元で湾曲している。このため、曲面特定部１０３によって特定される曲面の形状は、曲面を構成する直線のＣＰＲ方向ベクトルによって異なる。

可視化部１０５は、曲面特定部１０３によって特定された曲面上のボクセルのボクセル値をボリュームデータ記憶部１５１から取得して、当該曲面上の管状組織を含む断曲面を２次元画像として可視化できるよう画像処理を行う。可視化部１０５によって画像処理されたデータはディスプレイ１５３に送られ、ディスプレイ１５３はＣＰＲ画像を表示する。図２は、ディスプレイ１５３に表示されるＣＰＲ画像の一例を示す図である。

接線ベクトル決定部１０９は、ディスプレイ１５３に表示されたＣＰＲ画像中の管状組織の中心線上の注目点における中心線の接線ベクトルを決定する。なお、注目点は、本実施形態の画像処理装置１００のユーザによって設定される。注目点の設定は入力Ｉ／Ｆ１５５によって受け付けられ、当該設定内容を示すデータが接線ベクトル決定部１０９に送られる。

本実施形態では、注目点が設定された後、ユーザがマウス等を用いてＣＰＲ画像上で略縦方向又は略横方向にドラッグすると、曲面特定部１０３は後述の動作を行う。以下、略縦方向にドラッグされた場合及び略横方向にドラッグされた場合の曲面特定部１０３の動作についてそれぞれ説明する。

（略縦方向にドラッグされた場合）
ユーザによって注目点が設定された後、ユーザがＣＰＲ画像上でマウス等を用いて略縦方向にドラッグすると、この操作が入力Ｉ／Ｆ１５５によって受け付けられ、当該操作内容を示すデータが方向ベクトル特定部１０７に送られる。このとき、方向ベクトル特定部１０７は、注目点における中心線の接線ベクトルに対するそのときのＣＰＲ方向ベクトルの角度を維持したまま、接線ベクトルを軸に回転した新たなＣＰＲ方向ベクトルを特定する。そして、曲面特定部１０３は中心線上の注目点を含む任意の点を通過し前記方向ベクトルと平行な直線の集合に基づいて、曲面を特定する。そして、可視化部１０５はその曲線上の管状組織のＣＰＲ画像を表示する。

図３は、図２に示したＣＰＲ画像に、接線ベクトルを軸にＣＰＲ方向ベクトルを回転するために行うドラッグ操作の方向を重ねて示した図の例である。図３に示すように、ＣＰＲ画像中の管状組織ｔｔの中心線ｃ上の注目点ｐにおける中心線ｃの接線ベクトルｖ１を軸にＣＰＲ方向ベクトルｖ２を回転するとき、ユーザは、ＣＰＲ画像上でマウス等を用いて図３中の矢印ｄａ方向にドラッグする。なお、当該ドラッグ操作を行っても、接線ベクトルｖ１に対するＣＰＲ方向ベクトルｖ２の角度Φは変わらない。ＣＰＲ方向ベクトルｖ２は接線ベクトルを軸に回転するからである。この動作を三次元空間上で図示すると図５のようになる。

なお、図４に示すように、接線ベクトルｖ１に対するＣＰＲ方向ベクトルｖ２の角度Φは任意である。このため、ユーザが注目点ｐを設定した際の初期のＣＰＲ方向ベクトルｖ２に従って接線ベクトルｖ１との角度Φは定められ、図３に示すように角度Φが略９０度となる場合もある。また、初期のＣＰＲ方向ベクトルｖ２はユーザが任意に決定しても良いし、アプリケーションが適当な初期値を与えても良い。

（略横方向にドラッグされた場合）
ユーザによって注目点が設定された後、ユーザがＣＰＲ画像上でマウス等を用いて略横方向にドラッグすると、この操作が入力Ｉ／Ｆ１５５によって受け付けられ、当該操作内容を示すデータが方向ベクトル特定部１０７に送られる。このとき、方向ベクトル特定部１０７は、注目点における中心線の接線ベクトルに対するＣＰＲ方向ベクトルの角度を変更し新たなＣＰＲ方向ベクトルを特定する。そして、曲面特定部１０３は中心線上の注目点を含む任意の点を通過し前記方向ベクトルと平行な直線の集合に基づいて、曲面を特定する。そして、可視化部１０５はその曲線上の管状組織のＣＰＲ画像を表示する。

図６は、図２に示したＣＰＲ画像に、注目点における中心線の接線ベクトルに対するＣＰＲ方向ベクトルの角度を変更するために行うドラッグ操作の方向を重ねて示した図の例である。図６に示すように、ＣＰＲ画像中の管状組織ｔｔの中心線ｃ上の注目点ｐにおける中心線ｃの接線ベクトルｖ１に対するＣＰＲ方向ベクトルｖ２の角度Φを変更するとき、ユーザは、ＣＰＲ画像上でマウス等を用いて図６中の矢印ｄｂ方向にドラッグする。このとき、新たなＣＰＲ方向ベクトルｖ２は、接線ベクトルｖ１とＣＰＲ方向ベクトルｖ２によって張られる平面上で、注目点ｐを中心に回転することになる。この動作を三次元空間上で図示すると図７のようになる。

本実施形態では、注目点が設定されている状態のとき、注目点の位置を変更するために、ユーザがマウス等を用いてＣＰＲ画像上で同一中心線上の別の点を選択すると、方向ベクトル特定部１０７及び曲面特定部１０３は後述の動作を行う。図８は、図２に示したＣＰＲ画像に、注目点を変更したときの接線ベクトル及びＣＰＲ方向ベクトル等を重ねて示した図の例である。図８に示すように、接線ベクトル決定部１０９は、ユーザによって選択された点を変更後の注目点ｐ’として認識し、変更後の注目点ｐ’における中心線ｃの接線ベクトルｖ１’を決定する。

また、本実施形態では、図８に示すように、変更後の注目点ｐ’における中心線ｃの接線ベクトルｖ１’に対するＣＰＲ方向ベクトルが、変更前の注目点ｐにおける中心線ｃの接線ベクトルｖ１に対するＣＰＲ方向ベクトルｖ２と同一となるよう設定される。したがって、注目点の位置を変更後に曲面特定部１０３が特定する曲面は、変更前の曲面と同一である。しかし、接線ベクトルｖ１と角度Φは変化するので、注目点ｐの変更の前後において、接線ベクトルｖ１を軸にＣＰＲ方向ベクトルｖ２を回転させたときの結果が異なることになる。これによって、変更後の注目点の位置に応じて適切な接線ベクトルを軸にＣＰＲ方向ベクトルを回転させる操作ができるようになるにもかかわらず、注目点の位置を変更後に曲面特定部１０３が特定する曲面は、変更前の曲面と同一であるのでユーザはシームレスに操作を継続することが出来る。

以上説明したように、本実施形態の画像処理装置１００によれば、ディスプレイ１５３に表示されたＣＰＲ画像中の管状組織の中心線上に注目点が設定された後に、ユーザがマウス等を用いてＣＰＲ画像上で略縦方向にドラッグすると、注目点に応じた接線ベクトルを軸に、当該接線ベクトルとの角度を維持したまま、ＣＰＲ方向ベクトルが回転する。上述のように、曲面特定部１０３は、中心線上の任意の点を通過するＣＰＲ方向ベクトルと平行な直線の集合に基づいて曲面を特定する。接線ベクトルに対するＣＰＲ方向ベクトルの角度を変更すれば、接線ベクトルを中心とした回転から得られる方向とは異なる方向からのＣＰＲ画像を生成することができる。

したがって、ユーザが、１つの注目点を中心に、接線ベクトルに対するＣＰＲ方向ベクトルの角度を調節しながら、接線ベクトルを軸に当該ＣＰＲ方向ベクトルを回転すれば、ユーザは、ＣＰＲ画像中の注目点に常に注目しながら、全方位から注目点の管状組織を観察することができる。このときにユーザが行う操作は、ＣＰＲ画像上での略縦方向のドラッグ及び略横方向のドラッグの２種類である。このため、所望のＣＰＲ画像を得るために、ユーザに高レベルな操作能力を必要としない。また、注目点を中心に回転するため、複数の操作前のＣＰＲ画像に簡単に戻すことができる。

さらに、同一の中心線上で注目点の位置を変更した場合であっても、変更後の注目点におけるＣＰＲ方向ベクトルが、変更前の注目点におけるＣＰＲ方向ベクトルと同一となるよう設定される。このため、注目点の位置を変更後に曲面特定部が特定する曲面は、変更前の曲面と同一である。その結果、ユーザは注目点の位置を変更してもシームレスに操作を続行できる。

なお、管状組織の中心線は、ユーザが手動で設定することや、既知の探索アルゴリズム(例:特開2004-358001)によって設定することが出来る。また、中心線はユーザの直感に即した適宜なめらかな曲線であることが望ましい。管状組織に狭窄や瘤がある場合に狭窄や瘤に応じて細かく中心線を蛇行させると却って組織を把握しにくくなるからである。

なお、本実施形態では、管状組織の例として血管を用いたが、血管の他、消化器官、気管、腸、胆管、その他の組織にも適用が考えられる。

なお、本実施形態では、曲面を厚みを持たない面として説明したが、曲面に厚みを設けても良い。そして、厚みのある曲面に含まれるボリュームデータを可視化する手段として、ＭＩＰ法や平均値法等がある。

なお、本実施形態では、接線ベクトルを軸にＣＰＲ方向ベクトルを回転させる操作を略縦方向のドラッグ操作、接線ベクトルとＣＰＲ方向ベクトルとの角度を変更する操作を略横方向のドラッグ操作により受け付けたが、ＧＵＩ上のハンドル、スライダー等の任意の操作によって受け付けてもよいし、キーボードやジョイスティックなどの任意の入力デバイスを用いても良い。

本発明は、管状組織を可視化した画像の表示角度又は表示箇所を変更する操作に応じて画像処理を行う画像処理装置及び画像処理プログラムとして利用可能である。

本発明に係る一実施形態の画像処理装置及びその周辺の構成を示すブロック図 ディスプレイに表示されるＣＰＲ画像の一例を示す図 図２に示したＣＰＲ画像に、接線ベクトルを軸にＣＰＲ方向ベクトルを回転するために行うドラッグ操作の方向を重ねて示した図 図２に示したＣＰＲ画像に、接線ベクトルを軸にＣＰＲ方向ベクトルを回転するために行うドラッグ操作の方向を重ねて示した図 図３又は図４に示した操作を三次元空間上で図示した図 図２に示したＣＰＲ画像に、注目点における中心線の接線ベクトルに対するＣＰＲ方向ベクトルの角度を変更するために行うドラッグ操作の方向を重ねて示した図 図６に示した操作を三次元空間上で図示した図 図２に示したＣＰＲ画像に、注目点を変更したときの接線ベクトル及びＣＰＲ方向ベクトル等を重ねて示した図 ＭＰＲを行った際にボクセル空間から切り出される断面の一例を示す図 ＭＰＲにより得られた人体の内部組織を示す画像 ＣＰＲを行った際にボクセル空間から切り出される任意軌跡に沿った断曲面の一例を示す図 ボクセル空間内の臓器及び血管と、血管の中心線に沿った断曲面とを示す図 ＣＰＲにより得られた人体の内部組織を示す画像 ＣＰＲによって特定される曲面を示す図 ＣＰＲ画像上での上下方向のドラッグとＣＰＲ方向ベクトルの変化に応じた曲面の変化を示す図 ＣＰＲ画像上での上下左右方向のドラッグとＣＰＲ方向ベクトルの変化に応じた曲面の変化を示す図

符号の説明

１００ 画像処理装置
１０１ 中心線特定部
１０３ 曲面特定部
１０５ 可視化部
１０７ 方向ベクトル特定部
１０９ 接線ベクトル決定部
１５１ ボリュームデータ記憶部
１５３ ディスプレイ
１５５ 入力インターフェイス（入力Ｉ／Ｆ）

Claims (4)

1. 管状組織を含むボクセル空間のボリュームデータに基づいて、前記管状組織の中心線を特定する中心線特定部と、
   方向ベクトルを特定する方向ベクトル特定部と、
   前記中心線上の任意の点を通過し前記方向ベクトルと平行な直線の集合によって定義される曲面を特定する曲面特定部と、
   前記曲面上のボリュームデータに基づいて前記管状組織を可視化する可視化部と、
   前記中心線上の注目点における前記中心線の接線ベクトルを決定する接線ベクトル決定部と、を備え、
   前記方向ベクトル特定部は、前記注目点を中心に前記管状組織の表示角度を変更する操作に応じて、前記接線ベクトルに対する前記方向ベクトルの角度を維持したまま、前記接線ベクトルを軸に前記方向ベクトルを回転させ前記方向ベクトルを新たに特定し、
   前記曲面特定部は、前記中心線上の任意の点を通過し、前記新たに特定された方向ベクトルと平行な直線の集合によって定義される曲面を新たに特定し、
   前記可視化部は、前記新たに特定された曲面上のボリュームデータに基づいて前記管状組織を可視化する画像処理装置。
2. 請求項１に記載の画像処理装置であって、
   前記方向ベクトル特定部は、前記接線ベクトルに対する前記方向ベクトルの角度を指定する操作に応じて、前記接線ベクトルと当該方向ベクトルによって張られる平面上で、前記注目点を中心に前記方向ベクトルを回転させ前記方向ベクトルを新たに特定する画像処理装置。
3. 請求項１に記載の画像処理装置であって、
   前記注目点の位置を前記中心線上で変更する操作に応じて、
   前記接線ベクトル決定部は前記接線ベクトルを新たに決定する画像処理装置。
4. コンピュータを、請求項１〜３のいずれか一項に記載の各部として機能させるための画像処理プログラム。