JP4865124B2 - 対象物の３次元画像の多解像再構成の方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、対象物の３次元画像の、特にその対象物の周りの異なったカメラ位置で得られた対象物の１組の２次元投影画像からの多解像再構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、検査を受ける患者の内部構造の再構成が行われる医学分野、特に血管造影画像の再構成、すなわち造影剤の注入によって不透明化された脈管構造の画像を得る医学分野への応用においては極めて重要である。
それにもかかわらず、本発明は他の分野にも応用の可能性があり、特に医学的検査と同じタイプの検査が行われる非破壊産業用制御の分野で利用することができる。
医学分野では対象物、たとえば患者の頭部の２次元投影画像は、一般には対象物の周りを回るＸ線カメラの回転によって得られる。
【０００３】
Ｘ線撮像には、本質的に２つのタイプの再構成アルゴリズムがある。
第１のタイプは、いわゆる再構成の代数的反復法に関する。
本発明が関係する第２のタイプは、解析法と呼ばれる、フィルタリング及び逆投影の計算法である。この解析法は、取得した２次元画像の収集システムの数学的モデルを使用する。取得した２次元画像の各画素は、組織群を横切ったＸ線の強さの結果を表わすグレー・レベルを含んでいる。そしてその概念は、解析的な方程式の形で表され、そこから、２次元画像の画素のグレー・レベルからボリューム表現を決定させるような逆方程式が決められる。
【０００４】
３次元画像の解析的再構成は、本質的に２つの段階を使う。１番目はフィルタリングで、２番目は逆投影の段階である。両方の段階とも逆方程式から生じる。逆投影法は、ボクセルと呼ばれる基本ボリューム要素に分割されている、例えば立方体のような仮想ボリュームから各々のボクセルを取り、そのボクセルを取得した２次元画像に投影し、投影によって得られる画素のグレー・レベルの和を見つける。ボクセルに割り当てられるグレー・レベルは、投影によって得られる画素のグレー・レベルの和である。
一般に解析タイプの再構成法は、取得した２次元画像に直接適用される解析アルゴリズムを利用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
取得した２次元画像は、一般に５１２に等しい解像力を持ち、言い換えれば、５１２行と５１２列との画素を包含している。５１２の解像で得られた全体画像を最大限に利用するために、画像再構成アルゴリズムは、５１２の解像で適用できるが、そうすると処理は約１億３４００万（５１２³）個のボクセルに対して行われるであろう。これは非常に大きすぎる数字であり、長い計算時間を必要とする。いずれにせよ、一般的に仮想ボリュームの約２％から５％を占有する部分しか可視化する必要のない脈管構造に対しては、あまり役に立たない。
【０００６】
代数タイプの再構成法は、特にフランス特許Ｎｏ．８９ １６９０６で述べられている方法が知られており、それは取得した２次元画像に反復アルゴリズムを直接適用するのではなく、修正後に適用することを提案している。修正は、低解像（ＬＲ）と呼ばれるより低い解像を持つ２次元画像を得るように、高解像（ＨＲ）と呼ばれる所定の解像の各々の取得した２次元画像の平均を取ることから構成される。代数アルゴリズムは、低解像３次元画像を非常に短い計算時間で形成する目的でその低解像２次元画像に適用される。次に低解像画像は、複雑なトライリニア補間の方法を使うことにより高解像３次元画像（最初の取得した２次元画像と同じ解像）に変換される。そして代数アルゴリズムが、より高い解像の３次元画像と最初の取得した２次元画像（未修正）とを使って適用される。その再構成の方法は、代数アルゴリズムだけに適用される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、解析タイプのアルゴリズムへの多解像技術の適用に関する。
本発明はまた、解析タイプのアルゴリズムを使うことにより３次元画像再構成の計算時間を減らすことを意図する。
本発明は、カメラを使って得られた１組の２次元画像から３次元画像を再構成する方法を提案する。そのための、取得した２次元画像の解像を減らすように１組の取得した２次元画像に対してサブサンプリングが行われる。この段階は、得られる最終画像が最初の取得した２次元画像より少ない画素数を包含するようなスムージング段階に相当する。
【０００８】
次に低解像（ＬＲ）とされた２次元画像から３次元画像を再構成する最初の解析アルゴリズムが低解像３次元画像を得るために適用される。
再構成サポートが、低解像３次元画像から特定の１組のボクセルを選ぶことにより決定される。
次に、再構成サポートのボクセルのみを考慮して、取得した２次元画像から３次元画像を再構成する第２の解析アルゴリズムが適用される。第１及び第２の解析アルゴリズムは、同一であっても違っていてもよい。最初のアルゴリズムの適用の主な特徴はむしろ速度にあり、得られる画像の質はあまり重要ではない。
本方法は、高解像（ＨＲ）で取得した２次元画像に解析アルゴリズムを直接、標準的に適用する場合に比べて８倍程度小さい各適用ごとの計算時間を用いて、解析アルゴリズムを２回適用するという利点を持つ。解析アルゴリズムの最初の適用は、標準的適用よりも速いが、それはアルゴリズムが２次元画像が減少した解像を持つ画像に適用されるからである。解析アルゴリズムの第２の適用は、標準的適用よりも更に速いが、それは高解像３次元画像を再構成するために使われるボクセル数が相当に制限されるからである。
【０００９】
本発明の１つの実施態様によれば、取得した２次元画像のサブサンプリングは低解像の取得した２次元画像を得る段階を含む。その画像におけるそれぞれの画素は、グレー・レベルとして最初に取得した２次元画像のいくつかの画素の平均グレー・レベルを持つ画素から構成される。
本発明の１つの有利な特徴によれば、第１及び第２の解析アルゴリズムは、いわゆるＦｅｌｄｋａｍｐのアルゴリズムである。当業者によく知られるそのタイプのアルゴリズムは、文献「実際的なコーンビーム・アルゴリズム」 Ｌ．Ａ．ＦＥＬＤＫＡＭＰ，Ｌ.Ｃ. ＤＡＶＩＳ、及び、Ｊ．Ｗ． ＫＲＥＳＳ，米国光学学会誌，Ａ／Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．６，１９８４年６月、に説明されている。一般にＦｅｌｄｋａｍｐの解析アルゴリズムは、主にフィルタリング段階と逆投影段階とを含む。
【００１０】
再構成サポートは、最大のグレー・レベルを持つボクセルの割合を維持するために、低解像３次元画像に対ししきい値を適用して決定されるのが望ましい。
また、本発明は：
−フィルタ補正された２次元画像を得るために、１組の取得した２次元画像のフィルタリングが実行され、
−フィルタ補正された２次元画像の解像を減らすために、１組のフィルタ補正された２次元画像のサブサンプリングが実行され、
−低解像のサブサンプリングされた２次元画像の逆投影が、低解像３次元画像を得るために実行され、
−再構成サポートが、低解像３次元画像から１組の特定なボクセルを選ぶことにより決定され、かつ
−フィルタ補正された２次元画像の逆投影段階が、再構成サポートのボクセルだけを考慮して実行される
１組の取得した２次元画像から３次元画像を再構成する方法を提案する。
【００１１】
フィルタリング及び逆投影の段階は、Ｆｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムを適用して実行されることが好ましい。言い換えれば、Ｆｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムは、１回目はフィルタリングと逆投影との間にサブサンプリング段階を挿入することにより適用され、次に２回目は、逆投影段階のみを実行することにより適用される。フィルタリング段階は、Ｆｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムの２回目の適用においてのみ実行される。なぜなら後者は、フィルタ補正済みの画像に適用されるからである。このように、フィルタリング段階を倹約することにより時間の節約が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の他の利点及び特徴は、非限定的実施形態と添付図面との詳細説明を検証することにより明らかになる。
図１と図２とを特に参照すると、本発明の適用に用いられる撮像システムは、Ｘ線源２を使用して、例えばこの場合、患者の頭部１の周りを１８０度回転することで得られる１組の２次元取得画像Ａ１−Ａｎを取得する。実際には、血管造影法では標準になっているように、各々の取得画像Ａｉは、例えば、３次元画像の再構成をしようとしている脈管構造内への造影剤注入前及び注入後に、同じ入射角で撮られた２つのＸ線の対数減算の標準手法により得られる引き算された画像である。
【００１３】
患者の頭部１を含む仮想ボリュームＶＶは、ボクセルＶｉに分割される。
各々の取得画像Ａｉは、いわゆる投影平面ＰＰｉにＸ線管と対向して置かれた、放射線学で使用される例えば輝度増幅型の２次元放射線検知器から得られる。異なる投影平面は、患者の頭部の周りを回転する検知器の、角度の異なる位置により得られる。検知器は、マイクロプロセッサに接続されたサンプリング手段を特に含む処理手段３に接続され、マイクロプロセッサは、それに付随するプログラムメモリに、本発明で使用される画像再構成の解析アルゴリズムと、一般に本発明による方法を使えるようにする全ての機能的手段とをソフトウエアとして取り込んでいる。
【００１４】
図３はセルの２つのネットワークを示す。各々のネットワークは、非常に概略的に、各々のセルが画素であるような２次元画像を表わしている。画像４は、高解像で取得された２次元画像である。高解像とは、例えばユーザが望む解像であり、すなわち５１２行の画素と５１２列の画素とである。画像９は、解像を減らすために、取得した２次元画像を平均した後に得られる２次元画像である。画像９は、低解像を与えられており、そこでは画像９の１つの画素は、一般に画像４の４つの画素から形成され、従って２５６行の画素と２５６列の画素となる。例えば画素１０は、画素５，６，７、及び８の平均グレー・レベルに等しいグレー・レベルを持つ。解析アルゴリズムは、最初に低解像の画像９に対して適用される。これは高解像再構成に比べて相当な時間節約という利点を持つ。例えば、２５６²画素の解像を持つ２次元画像の再構成は、５１２²の解像を持つ２次元画像の再構成に比べて約８倍ほど速いことが推測される。
【００１５】
従って本発明の実施形態の方法は、例えば脈管系再構成に対して１組の取得した２次元画像を採用する。本発明によって３次元画像を得るためには、サブサンプリングすることが、言い換えれば、図３に示すように取得した２次元画像の平均をとることが必要になる。本発明による方法の異なる段階は図４に示されており、そこでは高解像取得した２次元画像１１は、最初の要素として区別されている。これらはユーザが望む解像、すなわち５１２²、つまり５１２行の画素と５１２列の画素とを持つ取得システムから派生した画像である。これらの取得した２次元画像１１は、再構成されるべき脈管構造を包含している。段階１２では、低解像すなわち２５６²の２次元画像１３を得るために、平均操作つまりサブサンプリング操作が、各々の２次元画像１１に対して図３の説明に従って実行される。
【００１６】
Ｆｅｌｄｋａｍｐの解析アルゴリズムは、最初に、低解像２次元画像１３と２５６³ボクセルを含む立方体のような仮想ボリューム１５とから段階１４で適用される。仮想ボリューム１５は球体であってもよい。
Ｆｅｌｄｋａｍｐの解析アルゴリズムは標準的方法で適用される。すなわち、低解像２次元画像１３の第１段階のフィルタリングに続いて逆投影段階が行われる。逆投影段階は、立方体１５の各ボクセルを取り出す段階、低解像２次元画像１３上にボクセルを投影する段階、及び、ボクセルが投影された画素のグレー・レベルの和と同一のグレー・レベルをそのボクセルに割り当てる段階からなる。得られる画像１６は、２５６³のボクセルを含む低解像３次元画像である。段階１４のアルゴリズム処理は、同じアルゴリズム処理を取得した２次元画像１１に直接導入するよりも高速であるが、それは考慮すべきボクセル数が５１２³の代わりに２５６³と断然少ないからである。
【００１７】
次に選択１７で、有用なボクセル、すなわち所定の規準に従うボクセルを選択する。所定の規準は、脈管構造を表わすボクセルのみを残すように決められる。その所定の規準とは、例えば、最大のグレー・レベルを持つ５％のボクセルを保護するためのものである。しかし、それら５％のボクセルの座標のみが絶対的に必要であり、そのグレー・レベル自体は維持されない。この５％に含まれるボクセルが再構成サポート１８を構成する。従ってその１回目の３次元再構成の対象物は、再構成サポートを構成する特定のボクセルのグループによって特徴づけられた直接関係する領域（脈管構造）の位置である。再構成サポート１８は、２５６³ボクセルの立方体から派生するので、低解像と考えられる。再構成サポート１８は、いくつかのボクセルが考慮に入れられているような立方体１５と同一であると見ることができ、すなわち、空洞の立方体となる。
【００１８】
再構成サポート１８の選択は、セグメンテーションなど他の方法でも行うことができる。
段階１９において、５１２³のボクセルの立方体の高解像サポート２０を得るために、再構成サポート１８の各々のボクセルを分割することによりマッチングが行われる。そのマッチング操作は、再構成サポート１８が５１２³の解像で実行される次の段階２１の作用に適合できるようにする簡単な座標変換操作である。
【００１９】
次にＦｅｌｄｋａｍｐの解析アルゴリズムは、高解像で取得した２次元画像１１と高解像サポート２０とから続く段階２１において、２回目の適用がなされる。その２回目のＦｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムの適用に対して、 得られるべき３次元画像の解像は５１２³である。次に取得した２次元画像１１のフィルタリングは、標準的な方法で実行され、そして逆投影は、高解像サポート２０のボクセルについてのみ開始される。実際には５１２³ボクセルの立方体の各々のボクセルが考慮される。もしボクセルの座標がサポート２０の外部のボクセルに相当すれば、逆投影は実施されない。反対に、もしボクセルがサポート２０内のボクセルに相当すれば、逆投影が実施され、ボクセルが投影される取得した２次元画像１１の画素のグレー・レベルの和と同一のグレー・レベルが、そのボクセルに割り当てられる。
このように、限られた数のボクセルのみに逆投影を実行することにより、高解像３次元画像２２の計算時間は相当に減少される。脈管構造の特徴を表わすボクセルのみが考慮されている。脈管構造に関係しない不必要な領域については、３次元再構成は行われない。
【００２０】
本発明は、２５６²の低解像の画像に対する解析アルゴリズムの最初の適用について説明されたが、第１のサポートを決めるために解析アルゴリズムを最初６４²の低解像の２次元画像に適用し、そして第２のサポートを決めるために、第１のサポートを使って解析アルゴリズムを２回目に２５６²の低解像２次元画像に適用し、さらに最終の３次元画像を再構成するために、第２のサポートを使って代数アルゴリズムを最後に５１２²の高解像２次元画像に適用することもまた可能である。非常に低い解像の２次元画像から開始することは、実行すべき段階を増加させ、従って計算時間を増加させることは容易に理解される。
【００２１】
構成、及び／又は、段階、及び／又は、機能の様々な変更は、当業者により本発明の範囲から逸脱することなく行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】対象物の周りの１組の２次元投影画像を概略的に示す。
【図２】図１の２次元投影画像の１つの取得をより詳細に示す。
【図３】本発明に従って取得した２次元画像の解像を減らすために、サブサンプリングとも呼ばれる平均操作を示す。
【図４】本発明による方法の実施形態を示す流れ図である。
【符号の説明】
１ 患者の頭部
Ａ１ ２次元取得画像
Ａ２ ２次元取得画像
Ａｎ ２次元取得画像
ＶＶ 仮想ボリューム
Ｖｉ ボクセル

Claims (4)

1. １組の取得した２次元画像（１１）から３次元画像を再構成する方法であって、
   低解像２次元画像（１３）を得るために前記１組の取得した２次元画像（１１）のサブサンプリング（１２）が実行される段階、
   低解像３次元画像（１６）を得るために、取得した前記低解像２次元画像（１３）に対して３次元画像を再構成する第１の解析アルゴリズムが適用される（１４）段階、
   特定のボクセルのグループの座標によって特徴づけられる適切な領域を前記低解像３次元画像（１６）に基づいて選択することによって再構成サポート（１８）を決定する（１７）段階、及び
   高解像３次元画像（２２）を取得するために、前記取得した２次元画像（１１）に対し、前記再構成サポートの前記特定のボクセルのグループの座標に対応する座標のみにおいて３次元画像を再構成する第２の解析アルゴリズムが適用される（２１）段階、
   を含み、
   前記第１及び第２の解析アルゴリズムはＦｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムであることを特徴とする方法。
2. 取得した２次元画像（１１）の前記サブサンプリング（１２）は、各々の画素が前記最初に取得した２次元画像（１１）のいくつかの画素から構成され、グレー・レベルとして、前記最初のいくつかの画素の平均グレー・レベルを持つような低解像２次元画像（１３）を得る段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記再構成サポート（１８）を決定する（１７）段階は、前記適切な領域として最大のグレー・レベルを持つボクセルの割合を選択するために、前記低解像３次元画像（１３）に対ししきい値を適用する段階を含むことを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載の方法。
4. １組の取得した２次元画像（１１）から３次元画像を再構成する方法であって、
   前記１組の取得した２次元画像（１１）のフィルタ補正された２次元画像を得るためにフィルタリング段階を実行する段階、
   前記フィルタ補正された２次元画像の解像を減らすために前記１組のフィルタ補正された２次元画像のサブサンプリング段階を実行する段階、
   解像３次元画像（１６）を得るために低解像の前記サブサンプリングされた２次元画像の逆投影段階を実行する段階、
   特定のボクセルのグループの座標によって特徴づけられる適切な領域を前記低解像３次元画像（１６）に基づいて選択することによって再構成サポート（１８）を決定する（１７）段階、及び
   前記フィルタ補正された２次元画像の逆投影段階が、前記再構成サポート（１８）の前記特定のボクセルのグループの座標に対応する座標のみにおいて考慮されることによって実行される段階、
   を含み、
   前記フィルタリング及び逆投影の段階は、Ｆｅｌｄｋａｍｐアルゴリズムを適用して実行されることを特徴とする方法。

Images