JP5105584B2 - 対象領域表示装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、被写体を撮影して得られた複数の断層画像からなる３次元画像から抽出された病変領域などの対象領域の３次元的な形状を観察に有用な態様で表示する対象領域表示方法、装置およびプログラムに関するものである。

従来、３次元オブジェクトを示すボリュームデータを視覚化して表示する手法として、ボリュームレンダリング(Volume Rendering)や３面図を用いて表示する手法が知られている。

ボリュームレンダリングではレイキャスティングの手法を用いて投影画像を生成する。レイキャスティングでは、投影面の各ピクセルからレイと呼ばれる仮想的な光線を照射して、ボリュームデータ内部からの仮想的な反射光の画像を形成することにより、投影面上にボリュームデータ内部の３次元構造を透視する投影画像を生成する方法である。具体的には、投影面から光が照射され、その光がボクセル値によって表現されるボリュームデータによって反射・減衰・吸収される光のシミュレーションを行うことによって、物体の構造を描画することができる。骨や内蔵などの組織が複雑に入り組んでいる人体の構造を現すボリュームデータである場合には、透過率を調整（不透明度（オパシティ）を調整）することにより、これらの組織を分離して描画することができる。つまり、透視する部位については、その部位を構成する各ボクセルのオパシティを高める一方、透視しない部位についてはオパシティを低下させて観察したい部位のみを観察することができる投影画像を生成することができる。例えば、表皮などのオパシティを低く設定すれば、血管や骨や内臓などの各臓器を透かして観察することが可能になる。

しかし、ボリュームレンダリングによって生成された投影画像では一方向から見た形状しか把握できず、３次元の形状全体を把握するためには回転させながら表示する必要がある。そこで、特許文献１では、実空間上で実際に物体を回転させるのと類似した感覚で、画面上の物体を回転させて表示する手法が提案されている。

一方、特許文献２では、３次元オブジェクトの互いに直交する３方向における断面画像を３角法または１角法に従って表示することにより、オブジェクトの３次元的な形状の把握を容易にしたものが提案されている。
特開平０５−１８９５４１号公報 特開平２−５４３８１号公報

しかしながら、ボリュームレンダリングでは一方向から見た形状しか一度に把握することができないため、３次元的な全体形状を把握するためには回転させながら観察を行なう必要があるが、ボリュームレンダリングの処理には時間がかかり滑らかに回転させることができない。特に腫瘍などの病変を表す病変領域の形状や位置を確認する際には、ボリュームレンダリングでは観察したい病変領域のみを投影しても、周囲の臓器の形状を確認することができないため、原画像との対応がわかりづらい。

また、３面図表示の手法では、表示されている各断面上の病変領域の形状しか把握することができないため、３次元空間上に広がりを有する病変領域の全体の形状を把握するためには、各断面画像を次々と切り替えながら表示しなければならない。

そこで、本発明では、病変領域などの対象領域の全体の形状を容易に把握できるとともに、原画像との対応関係を把握することができる対象領域表示方法、装置およびプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明の対象領域表示方法は、被写体を撮影して得られた複数の断層画像のうち２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出し、それらの複数の断層画像のうち、対象領域の少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する断層画像を再構成した再構成画像を生成し、上記範囲内に存在する各断層画像上の対象領域の輪郭に基づいて、対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を作成し、断層画像生成手段により生成された再構成画像上に、代表輪郭作成手段により作成された代表輪郭を重ねて表示することを特徴とするものである。

本発明の対象領域表示装置は、被写体を撮影して得られた複数の断層画像のうち２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出する対象領域抽出手段と、それらの複数の断層画像のうち、対象領域の少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する断層画像を再構成した再構成画像を生成する再構成画像生成手段と、上記範囲内に存在する各断層画像上の対象領域の輪郭に基づいて、対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を作成する代表輪郭作成手段と、断層画像生成手段により生成された再構成画像上に、前記代表輪郭作成手段により作成された代表輪郭を重ねて表示する表示手段とを備えたことを特徴とするものである。

上記所定の厚さの範囲は、対象領域抽出手段により抽出された対象領域の全体を含むものであってもよい。

断層画像を再構成する方法の具体例としては、複数の断層画像の相対応する画素毎に画素値の平均値を求めることによって、複数の断層画像を重ね合わせた状態を表す画像を生成する方法や、任意の方向の複数の平行光線上に複数の探索点を設定し、複数の断層画像の各画素の画素値に基づいて、各探索点における画素値を求め、平行光線毎に各探索点の画素値の平均値を求める平行投影法等が挙げられる。

上記装置において、再構成画像生成手段が、前記範囲内に存在する断層画像を前記対象領域と交差する複数の方向から再構成した再構成した複数の再構成画像を生成するようにし、代表輪郭作成手段が、上記各範囲内に存在する断層画像上の対象領域の輪郭それぞれに基づいて、再構成画像毎に、前記複数の方向のそれぞれから見た対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を作成するようにし、重ね表示手段が、生成された各再構成画像上に作成された各代表輪郭を重ねたものを、同一画面上に表示するようにしてもよい。

本発明の対象領域表示プログラムは、上記対象領域表示方法をコンピュータに実行させるものである。

なお、対象領域は、その領域を抽出して表示したい領域を広く意味するものであって、
医用画像中の病変領域であってもよい。

本発明によれば、病変領域などの２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出して、対象領域を含む範囲内に存在する断層画像を再構成して再構成画像を生成し、その上に対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を重ねて表示することにより、対象領域の３次元的な形状の特徴とその周囲に存在する物体との位置関係とを観察することができ、対象領域の３次元的な形状の観察効率を向上させることができる。

さらに、対象領域と交差する複数の方向について再構成画像を生成して、各再構成画像上にそれぞれの方向から見た代表輪郭を重ねて表示するようにすれば、複数の方向から対象領域を観察することができるので、３次元的に対象領域を把握することができる。

以下、図面を参照して本発明の対象領域表示装置を、病変領域を抽出・表示する場合に適用した実施の形態について説明する。なお、図１に示す対象領域表示装置１の構成は、補助記憶装置に読み込まれた対象領域表示プログラムをコンピュータ（たとえばパーソナルコンピュータ等）上で実行することにより実現される。このとき、この対象領域表示プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、このコンピュータにインストールされたものである。

対象領域表示装置１は、被写体を撮影して得られた複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎを画像データベースに保存・管理する画像保管サーバ２と、それらの複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち２以上の断層画像に亘って存在する病変領域Ｇを抽出する対象領域抽出手段１０と、複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうち、病変領域Ｇの少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙを再構成した再構成画像Ｑを生成する再構成画像生成手段２０と、上記範囲Ｒ内に存在する各断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙ上の病変領域Ｇの輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙに基づいて、病変領域Ｇの形状の特徴を表す代表輪郭Ｂｐを作成する代表輪郭作成手段３０と、再構成画像生成手段２０により生成された再構成画像Ｑ上に、代表輪郭作成手段３０により作成された代表輪郭Ｂｐを重ねて表示する表示手段４０とを備えている。

次に、対象領域表示装置１による処理の流れについて説明する。

まず、対象領域抽出手段１０が、被写体を撮影して得られた複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎを画像保管サーバ２から取得し、取得したそれらの複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎから病変領域Ｇを抽出する。

以下、病変領域Ｇを抽出する一方法について説明する。まず、上記複数の断層画像Ｓ_１〜Ｓ_Ｎをボクセルに分割し、３次元座標空間内に配列してなる３次元画像Ｖ中の病変領域Ｇ内に任意の点を設定し、その設定された任意の点を基準として、３次元画像Ｖ中に病変領域Ｇを含む判別領域を設定する。次に、その設定された判別領域内の各画素（ボクセル）に対して、その画素が病変領域Ｇの輪郭を示す画素であるかどうかの評価値を、その画素における特徴量に基づいて算出する。この評価値の算出は、輪郭が既知である病変領域を含む複数の３次元のサンプル画像における各画素（ボクセル）の特徴量を予め機械学習することにより生成した、該各画素（ボクセル）が輪郭を示す画素（ボクセル）であるかどうかをその特徴量に基づいて評価できる評価関数を用いて行う。また、上記特徴量としては、その画素（ボクセル）の近傍領域内の輝度情報、たとえば、その画素（ボクセル）を中心とするＸ軸方向５画素×Ｙ軸方向５画素×Ｚ軸方向５画素の立方体の領域内の異なる複数個の画素（ボクセル）における輝度値の組み合わせを用いることができる。続いて、上記算出された判別領域内の各画素（ボクセル）における評価値に基づいて、グラフカット法（Graph Cuts）によって判別領域を病変領域と背景領域とに分割することにより、病変領域Ｇを抽出する。

なお、上記病変領域Ｇの抽出は、上述した方法に限らず、種々の他の手法により行うようにしてもよい。

次に、再構成画像生成手段２０が、複数の断層画像のうち、対象領域の少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する断層画像を再構成した再構成画像Ｑを生成する。たとえば、図２に示すように、対象領域抽出手段１０により抽出された病変領域Ｇの全体を含む厚さの範囲Ｒ内に存在する断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙを取得し、図３に示すように、それらの各断層画像上の位置（ｘ、ｙ）の画素Ｓ_ｉｘ（ｘ、ｙ）〜Ｓ_ｉｙ（ｘ、ｙ）における画素値の平均を、再構成画像Ｑ上の位置（ｘ、ｙ）の画素Ｑ（ｘ、ｙ）の画素値とすることにより、断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙの陰影がその厚み方向に重ね合わせて表現された再構成画像Ｑを生成する。

ここで、範囲Ｒは、対象領域抽出手段１０により抽出された対象領域の位置および大きさなどの情報に基づいて、その対象領域Ｇの全体を含むように自動的に決定されたものであってもよいし、読影者によりキーボードやマウス等の入力装置を通じて入力された情報に基づいて決定されたものであってもよい。

次に、代表輪郭作成手段３０が、上記範囲Ｒ内に存在する各断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙ上の対象領域Ｇの輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙに基づいて、対象領域Ｇの形状の特徴を表す代表輪郭Ｂｐを作成する。代表輪郭Ｂｐの作成方法の具体例を以下に示す。

（１）病変領域を全て包含する領域の輪郭を代表輪郭とする手法
図４に示すように、再構成画像Ｑを生成するために用いられた断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙのそれぞれ輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙで囲まれた病変領域を抽出して、各断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙから抽出された各２次元平面上の病変領域を全て包含する領域の輪郭を代表輪郭Ｂｐとする。具体的には、各断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙ中の病変領域について、相対応する画素毎に画素値の総和を求め、その総和で表される領域の輪郭を代表輪郭Ｂｐとする。

（２）等高線を用いて代表輪郭を作成する手法
再構成画像Ｑ上の位置（ｘ、ｙ）の画素Ｑ（ｘ、ｙ）の画素値についてみると、図５に示す各断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙにおける画素Ｑ（ｘ、ｙ）に対応する位置（ｘ、ｙ）の画素で輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙによって囲まれた病変領域内に入っている回数が多いほど再構成画像Ｑ上では白く表される。

そこで、（１）で説明したような２次元上で病変領域を全て包含する領域を求めて代表輪郭Ｂｐのうち最も外側のものを決定し、その領域内に含まれる画素に表された濃度値の幅Ａを求めて、幅Ａを濃度等高線の数Ｎで割った値を濃度等高線で表される濃度の間隔として求め、この間隔で濃度値が変わったところを表した濃度等高線を代表輪郭Ｂｐとする。

あるいは、各断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙの画素毎に、輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙで囲まれた病変領域外であれば０、領域内であれば＋1としてポイントを決定し、重ね合わせ画像における対応する画素毎にポイントを合計し、合計ポイントＰの最大値Ｐmaxを求めて、最大値Ｐmaxを等高線の数Ｎで割った値を等高線で表される合計ポイントＰの間隔として求め、この間隔で合計ポイントＰが変わったところを表した等高線を代表輪郭Ｂｐとする。

なお、等高線の数Ｎは手動で入力したものでもよいし、固定値として予め与えられたものでもよい。あるいは、他の計算方法でＮを求めてもよい
（３）特徴的な輪郭を代表輪郭とする手法
図６に示すように、各断層画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙの病変領域の輪郭Ｂ_ｉｘ〜Ｂ_ｉｙの形状が極端に異なる場合には、輪郭をクラスタリングして、各クラスに属する代表的な輪郭を代表輪郭としてもよい。

例えば、クラスタリングの手法としてＫ−平均法を用いることができる。

１． まず、予めクラスタ数Ｍを手動入力、または固定値（起動パラメータ等）で与える。各断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙから病変領域を抽出し、抽出した病変領域の面積、円形度、重心を特徴量として求め、各特徴量のベクトルをＸｉとする。

２． 病変の形状は徐々に変化していくことが多いため、隣り合った断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙの病変領域は類似した形状や大きさをしていることが予測される。したがって各クラスタには、連続した断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙから抽出された病変領域が同じクラスタに属する場合が多い。そこで、初期クラスタにおいては、初めの断層画像Ｓ_ｉｘから「全断層画像数／クラス数Ｍ個ずつの断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙを各クラスタｊ（ｊ＝1、・・・、Ｍ）に割り当てる。

３． 各クラスタｊに属する「全断層画像数／クラス数Ｍ」個の断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙから特徴量ベクトルＸｉの中心Ｃｊを求める。

４． 全ての断面画像Ｓ_ｉｘ〜Ｓ_ｉｙから特徴量ベクトルＸｉを求め、各断面画像Ｓ_ｉの特徴量ベクトルＸｉと各クラスタの特徴ベクトルの中心Ｃｊとの距離を求めて、各断面画像Ｓ_ｉを距離が最も近いクラスタに割り当て直す。

５． 各断面画像Ｓ_ｉが属するクラスタが変わらなくなるまで、上記４〜５を繰り返す。

６． 各クラスタｊの中心Ｃｊに最も近い断層画像Ｓ_ｉの輪郭Ｂ_ｉを代表輪郭Ｂｐとする。

最後に、表示手段４０により、対象領域表示装置1に備えるディスプレイ３に、再構成画像生成手段２０により生成された再構成画像Ｑ上に、代表輪郭作成手段３０により作成された代表輪郭Ｂｐを重ねて表示する。

上記実施の形態によれば、病変などの２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出して、対象領域を含む範囲内に存在する断層画像を重ね合せて再構成画像を生成し、その上に対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を重ねて表示するようにしたので、再構成画像により病変の全体の形状と病変の周囲に存在する臓器の位置とを観察することができるとともに、代表輪郭から病変の形状の特徴を観察することができる。

さらに、本発明による対象領域表示装置１を用いて、図７に示すように、対象領域と交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ所定の厚さの領域Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ内の各断層画像を再構成した再構成画像Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを生成し、各再構成画像Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ上にそれぞれの再構成画像毎に作成して得られた代表輪郭を重ねたものを、同一画面上に表示するようにすれば、それらの複数の方向から病変を観察することができるので、病変領域の３次元的な形状の観察性能がより向上する。

なお、上記実施の形態では、本発明の対象領域表示装置を、病変領域を抽出・表示するものに適用した場合について説明したが、病変領域を抽出・表示場合に限らず、被写体を撮影して得られた複数の断層画像から抽出された種々の他の対象領域を抽出・表示する場合に適用することができる。

本発明の対象領域表示装置の一実施の形態を示すブロック図 対象領域を含む所定の厚さの範囲の一例を示す図 図１の再構成画像生成手段による再構成画像の生成処理を説明するための図 図１の代表輪郭作成手段により代表輪郭を作成する一手法を説明するための図 図１の代表輪郭作成手段により代表輪郭を作成する一手法を説明するための図 図１代表輪郭作成手段により代表輪郭を作成する一手法を説明するための図 対象領域と交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向について再構成された再構成画像の一例を示す図

符号の説明

１ 対象領域表示装置
１０ 対象領域抽出手段
２０ 画像生成手段
３０ 代表輪郭作成手段
４０ 表示手段
Ｓ 断層画像
Ｇ 対象領域
Ｒ 範囲
Ｑ 重ね合せ画像
Ｂ 対象領域の輪郭
Ｂｐ 代表輪郭

Claims (4)

1. 被写体を撮影して得られた複数の断層画像のうち２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出する対象領域抽出手段と、
   前記複数の断層画像のうち、前記対象領域の少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する複数の断層画像を再構成した一枚の再構成画像を生成する再構成画像生成手段と、
   前記範囲内に存在する各断層画像上の前記対象領域の複数の輪郭に基づいて、前記対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を作成する代表輪郭作成手段と、
   前記断層画像生成手段により生成された再構成画像上に、前記代表輪郭作成手段により作成された代表輪郭を重ねて表示する表示手段と
   を備えたことを特徴とする対象領域表示装置。
2. 前記範囲が、前記対象領域抽出手段により抽出された前記対象領域の全体を含むものであることを特徴とする請求項１記載の対象領域表示装置。
3. 前記再構成画像生成手段が、前記範囲内に存在する断層画像を前記対象領域と交差する複数の方向から再構成した複数の再構成画像を生成するものであり、
   前記代表輪郭作成手段が、前記複数の方向のそれぞれにおける前記範囲内に存在する断層画像上の前記対象領域の輪郭それぞれに基づいて、前記再構成画像毎に、前記複数の方向のそれぞれから見た前記対象領域の形状の特徴を表す複数の代表輪郭を作成するものであり、
   前記重ね表示手段が、前記生成された各再構成画像上に前記作成された各代表輪郭を重ねたものを、同一画面上に表示するものであることを特徴とする請求項１または２記載の対象領域表示装置。
4. コンピュータに、
   被写体を撮影して得られた複数の断層画像のうち２以上の断層画像に亘って存在する対象領域を抽出し、
   前記複数の断層画像のうち、前記対象領域の少なくとも一部を含む所定の厚さの範囲内に存在する複数の断層画像を再構成した一枚の再構成画像を生成し、
   前記範囲内に存在する各断層画像上の前記対象領域の複数の輪郭に基づいて、前記対象領域の形状の特徴を表す代表輪郭を作成し、
   前記生成された再構成画像上に、前記作成された代表輪郭を重ねて表示することを実行させるための対象領域表示プログラム。