JP5243844B2

JP5243844B2 - 超音波ボリュームデータ処理装置

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Publication number: JP5243844B2
Application number: JP2008133817A
Authority: JP
Inventors: 賢村下
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: JP2009279157A

Description

本発明は超音波ボリュームデータ処理装置に関し、特に、生体内組織の立体模型を作成するための三次元造形用データの生成技術に関する。

近時、様々な造形装置が実用化されている。造形装置は、造形用の三次元データに基づいて立体模型を製造する装置である。造形方式としては、インクジェット堆積法、紙積層法、光造形法、等の各種方法が提案されている。それらは、基本的には、平面的な印刷を繰り返し、複数の印刷物を空間的に積み上げることにより、立体模型を製造するものである。超音波診断の分野においては、以下の特許文献１，２に超音波データに基づいて造形を行うシステムが開示されている。

特開２００１−１９５５６７号公報特開２００５−１２８３５４号公報

ところで、超音波は音響インピーダンスが相違する境界面で反射する性質を有する。例えば、超音波が骨に照射されると、その骨表面で多くの成分が反射し、骨の中に浸透していく成分は非常に少ない。また、境界面と超音波ビームとが並行になる部位においてはエコーが得られにくい。具体的に説明すると、例えば胎児の三次元画像の形成の際、胎児の表情を明瞭に観察するために、通常、胎児の顔面側から超音波が照射され、これによって三次元データとしてボリュームデータが取得される。そのボリュームデータを処理することにより三次元超音波画像が形成される。そのような三次元超音波画像においては、胎児の顔面についてはある程度明瞭な画像化を行えるものの、胎児の後頭部については画像化を行えないか、あるいは、かなり不鮮明となる。つまり、顔面側の皮膚や骨によって多くの超音波成分が反射してしまい、胎児の頭部内へほとんど超音波成分が進入しないためである。もし進入した成分があっても、そこからの反射波は再び骨を通過することになるので、当該反射波が超音波探触子に到達したとしても、そこで観測される信号は極めて微弱であり、ノイズに埋もれるのが通常である。このような性質から、胎児を三次元超音波画像として表示すると、その後頭部が欠損したものとなる。後頭部側から超音波を照射すれば今度は顔面側の画像を形成できない。また、胎児の目、耳等の部分についても明瞭な画像化が困難な場合が多い。

このような背景において、超音波ボリュームデータをそのまま用いて造形を行うならば、対象組織の一部が欠損した立体模型しかできなくなる。例えば、可愛い胎児の立体模型を妊婦に提供するようなサービスを想定した場合、妊婦は通常、超音波伝搬の性質を知らないので、後頭部の欠損を誤解し、妊婦に対してショックを与えるおそれが危惧される。また、立体模型を解剖学の教育等で利用する場合にも、欠損部があまりにも顕著であると、その目的を達成できないおそれがある。

本発明の目的は、超音波伝搬の性質から生じる欠損部分に起因する造形上の問題を解消又は軽減することにある。

本発明は、生体内三次元領域に対して超音波の送受波を行って得られたボリュームデータを処理するボリュームデータ処理装置において、前記ボリュームデータに含まれる三次元の対象組織データを抽出する抽出部と、前記対象組織データにおける超音波伝搬の性質に起因して生じた欠損部分を補うための三次元形状をもった人工物データを生成する生成部と、前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理により、三次元造形用データを生成する合成部と、を含むことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置に関する。

上記構成によれば、超音波の送受波により取得されたボリュームデータから対象組織データが抽出され、その対象組織データに対して人工物データを合成することにより、欠損部分が解消又は軽減される。よって、そのような処理によって得られた三次元造形用データに基づいて対象組織の立体模型を製造するならば、その立体模型の形状を対象組織の形状に近付けることができる。つまり、立体模型上に、超音波伝搬上の固有の性質に起因する欠損部分がそのまま現れて、その観察者において不自然な印象や違和感が生じることを防止又は軽減できる。超音波ボリュームデータ処理装置は、超音波診断装置であってもよいし、超音波診断装置からボリュームデータを受け取る情報処理装置であってもよい。その場合、超音波診断装置から情報処理装置へ三次元造形用データがオンラインで提供されてもよいし、オフラインで提供されてもよい。上記合成処理の方法としては、大別して、２通りがあり、その１つは、必要な人工物データを演算により生成するものである。もう１つは予め作成された人工物データを記憶部に格納しておき、それを読み出して利用するものである。それらの中間的な態様として、記憶部から読み出された人工物データに対して、サイズや形状を変更する処理を適用し、その処理後の人工物データを利用する方法があげられる。人工物データを演算により生成する場合には、実際の対象組織の一部又は全部の大きさや形状に応じて、それを生成するのが望ましい。

望ましくは、前記対象組織データは胎児データであり、前記欠損部分は胎児の後頭部に相当する。胎児に対する三次元超音波診断では、一般に、胎児の表情を観察したい要望があることから、胎児の顔面に対してその正面側から超音波診断（超音波の送受波）を行う場合が多い。その場合には、胎児の後頭部側に欠損部分が生じやすい。超音波は骨を透過し難い性質をもっているからである。また、かかる条件の下では、胎児の側面側に存在する耳が欠損し易い傾向にある。瞼については、それ自体薄く、その後側に眼球があるために、その部位では超音波の透過性が逆に良好で、瞼が画像化されずに、その奥側の空洞が画像化されてしまう場合が多い。そのようなものも欠損部分であり、必要に応じて人工物データを合成するのが望ましい。そのようにすれば、胎児の立体模型を観察した妊婦において、知識不足に起因する不必要なショックが生じることを回避できる。

望ましくは、前記生成部は、前記胎児データにおける顔面部と後頭部との間に仮想的な基準面を設定する基準面設定部と、前記基準面上において設定される輪郭ラインに基づいて、前記人工物データとして、前記胎児の後頭部を模擬した三次元形状を有する後頭部データを生成する後頭部データ生成部と、を含む。上記のように胎児の超音波診断では一般に顔面側において超音波が送受波され、その結果、後頭部側に欠損部分が生じやすい。その欠損部分を特定し、そこに適当な人工物データを加えるには、何らかの合目的的な基準が必要である。そのために顔面部と後頭部との間に基準面が設定される。それを基準として欠損部分が的確に特定あるいは画定され、また、その基準面上に現れた胎児断面形状を基準として人工物データを生成すればそのサイズや形状を適切に定めることが可能となる。基準面は、ユーザーにより設定されるが、それを自動化してもよい。

望ましくは、前記後頭部データ生成部は、前記輪郭ラインに基づく初期形状データと、前記輪郭ラインの形状に基づく形状を有し且つ前記基準面から離れるに従いサイズが段階的に縮小された複数の縮小形状データと、からなる形状データ列を生成し、前記後頭部データは前記形状データ列によって構成される。この構成によれば、段階的に縮小形状データを生成すればよいので、後頭部データを迅速且つ容易に生成できる。望ましくは、前記形状データ列においては前記基準面から離れるに従い各縮小形状データの中心がシフトされる。この構成によれば、後頭部データによって表される後頭部を自然な形状にすることができる。

望ましくは、前記対象組織データにおける欠損部分が前記合成処理後において前記三次元造形用データに残存しないようにするために、前記合成処理に先立って前記対象組織データに対して不要データ除去処理を施す除去部を含む。この不要データ除去処理は、有効なデータとそれ以外のデータとを識別する処理であってもよいし、後者の有効でないデータについてはその値をゼロ又は所定値にする処理であってもよい。

望ましくは、前記生成部は、前記人工物データとして三次元形状をもった組織パーツを生成する組織パーツ生成部を含む。対象組織が決まっているならば、それを考慮して予め組織パーツを用意しておくことが可能である。サイズの異なる複数の組織パーツを用意しておいてもよいし、組織ごとに代表組織パーツを用意しておき、それをカスタマイズして利用するようにしてもよい。

望ましくは、前記抽出部は三次元ラベリング処理によって前記対象組織データを抽出する。三次元ラベリング処理によれば、例えば、胎児と胎盤との分離が容易となる。望ましくは、前記対象組織データと前記人工物データとの合成処理前に、前記対象組織データに対して平滑化処理を施す平滑化部が設けられる。望ましくは、前記合成部は、前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理の前又は後において、前記対象組織データに対して台座形状を有する台座データを合成する。

本発明に係るプログラムは、コンピュータにおいて実行され、生体内三次元領域に対して超音波の送受波を行って得られた超音波ボリュームデータを処理するためのプログラムであって、前記超音波ボリュームデータに含まれる対象組織データを抽出する機能と、前記対象組織データにおける超音波伝搬の性質に起因して生じた欠損部分を補うための人工物データを生成する機能と、前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理により、三次元造形用データを生成する機能と、を含むものである。

以上説明したように、本発明によれば、超音波伝搬の性質から生じる欠損部分を補った上で造形処理を行える。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係るボリュームデータ処理装置の好適な実施形態が示されている。本実施形態のボリュームデータ処理装置は超音波診断装置によって構成されている。

図１において、超音波診断装置１０は、一般的な超音波診断機能の他、造形装置１２に提供する３次元造形データを生成する機能を有している。その機能を実現するのがモジュール２４である。モジュール２４は超音波診断装置とは別体の情報処理装置（コンピュータ）によって構成することも可能である。モジュール２４が有する各種の機能は実質的にソフトウェアの機能として実現することが可能である。

３Ｄプローブ１４は、生体内における３次元空間に対して超音波の送波及び受波を行う送受波器である。３Ｄプローブ１４は、本実施形態において２Ｄアレイ振動子を有している。２Ｄアレイ振動子により超音波ビームが形成され、その超音波ビームは２次元走査される。これによって３次元のエコーデータ取込空間が形成される。１Ｄアレイ振動子を機械的に走査することにより３次元エコーデータ取込空間を形成するようにしてもよい。本実施形態において、診断対象となる組織は妊婦体内の胎児である。勿論、他の組織を診断対象あるいは計測対象とすることも可能である。

送受信部１６は送信ビームフォーマ及び受信ビームフォーマとして機能するモジュールである。送信時において、送受信部１６は２Ｄアレイ振動子に対して複数の送信信号を供給する。これによって送信ビームが形成される。受信時において、生体内の反射波は２Ｄアレイ振動子にて受波され、これにより２Ｄアレイ振動子から複数の受信信号が送受信部１６へ出力される。送受信部１６においては、複数の受信信号に対する整相加算処理が実行され、これによって整相加算後の受信信号すなわちビームデータが送受信部１６から出力される。３Ｄメモリ１８には、超音波ビームごとのビームデータが格納される。３Ｄメモリへの書き込み時あるいは読み出し時に座標変換処理が実行される。すなわち、ビームデータを構成する個々のボクセルデータに対して、送受波座標系からデータ空間座標系への座標変換が実行される。３Ｄメモリ１８には生体内の３次元空間に対応した３次元のデータ空間が構築される。そのデータ空間内に各ボクセルデータがマッピングされる。本実施形態において、データ空間はＸＹＺ直交空間である。

画像形成部２０は、３Ｄメモリ１８に格納されたボクセルデータ群（ボリュームデータ）に基づいて、ボリュームレンダリング等の画像処理を実行し、これによって３次元超音波画像を形成する機能を有する。また、画像形成部２０は、ボリュームデータに基づいて直交３断面に相当する３つの断層画像すなわちトリプレーン画像を形成する機能を有する。更に、ユーザーによって指定された切断面に対応する任意断層画像を形成する機能も有する。各断層画像はいわゆるＢモード画像である。３次元超音波画像の形成にあたっては、ボリュームレンダリング法の他、サーフェイスレンダリング法等の各種の画像処理法を適用することが可能である。表示部２２には画像形成部２０から出力された画像データに基づいて超音波画像が表示される。その超音波画像は、３次元超音波画像、トリプレーン画像、任意断層画像等である。表示する画像がユーザーにより選択され、あるいは自動的に選択される。画像形成部２０と表示部２２との間に、カラー演算すなわちカラーコーディングを行う表示処理部等を設けるようにしてもよい。

図１においては、モジュール２４の出力信号が造形装置１２に出力されているが、その出力信号を画像形成部２０の入力に供給し、これによって加工後の造形用のデータに基づいてレンダリング処理を適用して、加工後の３次元超音波画像を構築し、それを画像表示するようにしてもよい。このような構成によれば、造形データの加工を容易に行える。もちろん、そのような加工段階における３次元画像をコンピュータのディスプレイ上に表示するようにしてもよい。そのようなディスプレイについては図１において図示省略されている。図１においては、いわゆる組織データに基づく処理を行うための構成が示されているが、血流等のドプラデータに基づく処理が行われてもよく、すなわちドプラ情報に基づいて造形データを生成することも可能である。

モジュール２４について説明する。造形データ生成部２６には３Ｄメモリ１８に格納されたボリュームデータが出力されている。造形データ生成部２６は実質的にＣＰＵ及び造形データ生成プログラムによって構成されるものである。造形データ生成部２６は、ボリュームデータに対して欠損部分の補填及び凹凸強調処理を適用し、これによって３次元造形データを生成するものである。処理内容については後に図２以降の各図に基づいて詳述する。

パーツメモリ２８にはボリュームデータを加工する段階において必要となる複数の３次元パーツデータが格納されている。各パーツデータは人工的に生成されたデータであり、生体内の各部位を模擬する形状データに相当する。例えば、胎児が対象組織となる場合には、胎児の耳や目等の部位を模擬した形状データが人工物データとしてパーツメモリ２８上に格納される。造形データ生成部２６は、そのような人工物データを利用してボリュームデータの加工を行う。このような予め生成された人工物データの合成の他、造形データ生成部２６は、ボリュームデータに基づいて人工物データを生成し、それをボリュームデータに合成する機能も有している。例えば、胎児の３次元超音波診断においては、胎児の顔面から見て正面側から超音波の送受波が行われるのが一般的であるが、その場合において、胎児データの後頭部側に欠損が生じ易い。すなわち、後頭部側からのエコーが微弱となり、その部分において組織を表す有効なボクセルデータが欠落してしまう。そのような問題に対処するため、造形データ生成部２６は、胎児の後頭部に相当する人工物データをボリュームデータに基づいて生成し、それをボリュームデータに合成する処理を実行する。

出力部３０は、以上のように生成された造形データを造形装置１２に提供するモジュールである。この場合においては、ネットワーク等を介してデータ転送を行ってもよいし、いわゆるオフラインによってデータを造形装置１２に渡すようにしてもよい。その場合においては、記録された記録媒体を介して造形データの提供が行われることになる。造形データを造形装置１２に取り込むのに先立って、様々なソフトウェアによる加工を施すことも可能である。造形装置１２が受け入れる仕様に応じてデータ形式の変換等を行うのが望ましい。

造形装置１２は、３次元造形データに基づいて対象組織の形態を模擬したモデルつまり造形物を製作する装置である。その場合における造形方法としては、各種の方法が知られている。例えば、光造形法、紙積層法、インクジェット堆積法等が知られている。一般のプリンタが２次元的な描画を行うものであるのに対し、この造形装置１２は２次元的な描画をくり返し行うことにより立体物を製作する点において特徴をなす。

胎児を対象組織として胎児のボリュームデータを取得し、そのボリュームデータに基づいて造形物を製作する場合、上述したように、胎児の顔面から見て正面側から超音波の送受波を行うのが望ましい。すなわち、一般に、胎児の造形物である立体模型を製作するニーズは妊婦に対するサービスや教育目的等にあり、その場合においては胎児の表情の観察が重視されるため、上記のような方向から超音波の送受波を行うのが望ましい。ただし、診断目的あるいは造形目的に応じて適切な方向から超音波の送受波を行えば足りる。一般に、３Ｄプローブ１４が妊婦の腹部表面上に当接され、その当接位置及びプローブ姿勢を適宜調整することにより、適切な方向から胎児に対する超音波診断を遂行できる。その場合においては、表示部２２に表示された３次元超音波画像やトリプレーン画像等が参照される。

次に、図２に基づいて、造形データ生成方法について説明する。Ｓ１０１では、取得されたボリュームデータに対して３次元関心領域（３Ｄ−ＲＯＩ）がユーザー入力に基づいて設定される。この場合においては、３次元関心領域として楕円球あるいは立方体の形状をもった領域を発生させるのが望ましい。３次元関心領域は後述する２値価処理の適用範囲を定めるものであり、胎児以外の胎盤や子宮等ができるだけ領域内に入り込まないように３次元関心領域を設定するのが望ましい。ただし、部分的に他の組織が領域内に入り込んでも、後の３次元ラベリング処理等により対象外組織を除外することが可能である。３次元関心領域をボリュームデータに基づいて自動的に生成するようにしてもよい。

Ｓ１０２では、３次元関心領域内のデータ（ボクセルデータ群）に対して２値化処理が適用される。すなわち胎児と羊水等を弁別するために、適切なレベルをもった閾値が定められ、その閾値と各ボクセルデータとを比較することにより胎児に相当するボクセルデータが抽出される。胎児に属するボクセルデータについては値が１（＝Ｈ）とされ、それ以外のボクセルデータについては値が０（＝Ｌ）とされる。これは、いわゆる反転２値化処理である。ただし、通常の２値化処理が適用されてもよい。いずれにしても、胎児以外のボクセルデータを大まかに除外するために２値化処理が適用される。

上記の２値化処理により、胎児のボクセルデータ群を中心としたデータ抽出が行われるが、羊水中に存在する浮遊物や、他の組織等を完全に除外できない場合がある。このためそのようなノイズを除去するためにＳ１０３の工程が実行される。本実施形態においては、Ｓ１０３では３次元ラベリング処理が実行されている。３次元ラベリング処理に伴なって公知の膨張収縮処理等が適用されてもよい。３次元ラベリング処理においては、空間的に繋がっているデータの固まりがそれぞれ抽出され、各固まりに対してラベルが付与される。そして、もっともサイズの大きい固まりだけが特定され、それ以外が除去される。もっとも大きな固まりは胎児であるとみなせるため、これにより胎児とノイズに相当する部分とを区別することが可能である。胎児と胎盤とが接触している場合、上述した３次元関心領域の設定でそれらを分割するようにしてもよいし、あるいは３次元ラベリング処理の後にマニュアル修正を行って、不要部分の除去を行うようにしてもよい。また、３次元ラベリング処理に先だって、ボリュームデータに対する収縮処理を実行し、これによって見掛け上連なっている２つの組織を分離し、その状態で３次元ラベリング処理を実行した上で、膨張処理を適用して元の形状を復元するようにしてもよい。この段階においては各種の公知技術を利用することが可能である。

Ｓ１０４では、以上のような各種の処理が適用された後のボリュームデータに対して平滑化処理が適用される。すなわち３次元のフィルタが用いられて、ボリュームデータに対して当該フィルタのスキャンを行うことにより、胎児表面に相当するデータに対して平滑化処理が実行される。

Ｓ１０５においては、平滑化後のボリュームデータに対して基準面が設定される。この基準面は本実施形態においてユーザーの入力に基づいて設定されているが、勿論それを自動化することも可能である。ユーザーにより設定を行う場合、画面上表示された３次元超音波画像に基づいてあるいはトリプレーン画像に基づいて、胎児の顔面部と後頭部との間に基準面が設定される。この基準面は、本実施形態において２つの機能を有する。第１の機能は後述するＳ１０６における欠損部の補填処理における基準となる機能であり、第２の機能は後述するＳ１０７における目鼻立ち強調処理における基準となる機能である。もっとも、それらの処理において別々の基準面を利用するようにしてもよい。

ここで、基準面の設定について詳述する。図３には３次元データ空間４０が示されている。その中には、上述した各種の処理を経たボリュームデータが含まれる。そのボリュームデータ内には、抽出された胎児データ４２が含まれている。３次元データ空間４０はＸＹＺ座標系を有している。上述したように、胎児の顔面部から見て正面側において超音波の送受波が行われている。したがって、胎児の後頭部側においてエコー強度は非常に弱く、上述した２値化処理等においてその部分の情報が欠落してしまう場合が多い。そこで、有効なデータ領域と信頼性の低いデータ領域とを分割するために、上述した基準面４４が設定される。基準面４４は、胎児が対象組織である場合、顔面部と後頭部とを分ける面であり、この基準面４４によって３次元データ空間４０が前方４０Ａと後方４０Ｂとに分割される。本実施形態においては、基準面４４がＸ軸及びＹ軸に平行な面として定義されているが、もちろん任意切断面として基準面４４を設定することも可能である。基準面４４を任意切断面として構成する場合、基準面４４の法線方向に沿って後述する各処理を実行するのが望ましい。本実施形態においては、基準面４４がＸ軸及びＹ軸に平行な面であるため、Ｚ軸の方向に沿って後述する各種の処理が実行される。

図２に戻って、以上のように基準面が設定されると、次にＳ１０６及びＳ１０７の工程が実行される。それらの工程はいずれか一方が先に実行されてもよいし、両者が並列的に実行されてもよい。本実施形態においては、Ｓ１０６の工程が先に実行され、次にＳ１０７の工程が実行される。

Ｓ１０６の工程では、欠損部分の補填処理が実行される。上述したように、胎児の後頭部側においては形状データが存在しないかあるいは不十分であるため、そのままの状態で造形処理を行うと胎児の頭部全体を適切に造形物として表現することができず、その結果それを観察した者（特に妊婦）において違和感や不快感を生じさせてしまう可能性がある。そこで、本実施形態においては、ボリュームデータに基づいて後頭部に相当する人工物データとして後頭部データを生成し、それをボリュームデータに合成することにより超音波の伝搬上の特質に基づく欠損部分の補填を行うようにしている。

Ｓ１０６の工程の具体的な構成について図４を用いて説明する。図４には欠損部分の補填処理がフローチャートとして示されている。Ｓ２０１では、胎児の後頭部に存在する不要構造物の除去処理が実行される。これを図５に基づいて説明する。

図５において、３次元データ空間４０には基準面４４が設定されており、その基準面４４によって胎児４２の頭部における顔面部と後頭部とが区画されている。この基準面４４に加えて、補助的な切断面４６がユーザーによりあるいは自動的に設定される。切断面４６は基準面４４とともに、除去領域４８を定義する面であり、その除去領域４８は図５に示す例において胎児４２の後頭部を包含する立方体形状を有している。切断面４６の設定は、３次元超音波画像上において行うことができ、あるいはトリプレン画像、特に側面に相当する画像上において行うことが可能である。除去領域４８が定義されると、それに属するボクセルの値が強制的に０にされる。この除去処理は後に人工物データとして後頭部データをボリュームデータに合成する場合に、先に存在していた不要構造物が合成後においても残留しないようにするための処理である。したがって、人工物データの合成後において、元のボクセルデータの残留が問題とならないような場合には、Ｓ２０１の除去処理を行わなくてもよい。除去領域４８は本実施形態において立方体形状を有しているが、他の形態をもって定めることも勿論可能である。

図４に示されるＳ２０２においては、基準面上において胎児頭部の断面に対してトレース処理が行われる。図６には、基準面に相当する胎児の断層画像が示されている。胎児の頭部断面４２Ａの輪郭に沿ってマニュアルであるいは自動的にトレース処理が実行され、この結果トレースライン５０が生成される。このトレースライン５０は閉ループの形状を有しており、そのトレースライン５０の形状が後頭部データを生成する際の基礎形状となる。

本実施形態においては、図７に示されるように、後頭部に示される複数のスライス面５２Ａ〜５２Ｅ上においてそれぞれ形状データが生成され、それらの集積体として後頭部データが生成されている（図４のＳ２０３〜Ｓ２０５を参照）。ここで、各スライス面５２Ａ〜５２Ｅはその厚みが１ボクセルに相当する面である。本実施形態においてスライス面５２Ａは基準面に相当しあるいは基準面から見て１ボクセル分だけ奥側の面である。各スライス面においては上述したように形状データ５２ａ〜５２ｅが生成されるが、これについて説明する。

形状データ５２ａ〜５２ｅは、図６に示したトレースライン５０の形状に対する実質的な相似形であり、トレースライン５０の形状を段階的に縮小することにより生成することが可能である。その場合においては、実際の後頭部ができる限り模擬されるように、楕円関数に従って、縮小率が段階的に変化するように構成されている。

図８には、縮小処理が概念的に示されている。基準面４４上にはトレースライン５０が描かれており、その形状が縮小処理における出発点となる。その形状に対してフィルタ５６をラスタースキャンさせることにより、１段階の縮小処理が行われる。このフィルタは、この例において３×３の大きさをもっており、９個の画素の内１つでもＬがあれば中心画素をＬに置き換える作用をもっている。ここで、胎児の実組織部分に属するボクセルについては上述の２値化処理によりその値としてＨが与えられており、それ以外にはその値としてＬが与えられている。つまり、トレースライン５０の内側には値Ｈが与えられており、その外側には値Ｌが与えれている。したがって、フィルタ５６をスキャンさせると、トレースライン５０によって描かれた形状が外側から削られることになる。これを繰り返せば任意の縮小率をもった相似図図形を段階的に発生させることが可能である。

本実施形態においては、基準縮小率Ｒが次のように定義される。すなわち、図９においてトレースライン５０の外接円５８の半径ｒと、トレースライン５０によって定められる形状の面積Ｓとから図１０に示される（１）の計算式により、基準収縮率Ｒが定められる。ここで、収縮率Ｒを段階的に変化させるための楕円の式が図１０の（２）式に示されている。この前提の下、各スライス面における実際の収縮率すなわち収縮回数Ｃは図１０に示される（３）式によって定義される。つまり、楕円関数に従って収縮率が段階的に変化するように、しかもトレースラインのサイズに応じて奥行き方向の距離が適応的に定められるように、相似図形の発生がくり返し行われる。この場合において各相似図形の中心あるいは重心を互いに一致させるようにしてもよいが、実際の後頭部の形状に近づけるためには、各相似図形の中心あるいは重心を段階的にシフトさせるのが望ましい。上述した図７に示す複数の相似図形はそのようなシフトが行われたものである。

図４において、Ｓ２０５において最終のスライス面まで相似図形の生成が行われたと判断されると、Ｓ２０６において複数の相似図形からなる集合体つまり人工物データとしての後頭部データがボリュームデータに合成される。これが図１１に概念的に示されている。後頭部データ６０は、上述した複数の相似図形の集合体として構成されており、それがボリュームデータに合成される。すなわち、３次元データ空間４０に組み込まれる。その場合、後頭部データ６０における端面６０Ａが基準面４４に、具体的には図６に示したトレースライン５０に、合致するように後頭部データ６０が組み込まれる。必要に応じて、首の形状を模擬した人工物データ６２を後頭部データ６０に付加し、それらを併せてボリュームデータに合成するようにしてもよい。そのようなデータ６２を予め人工物データとして生成しておくようにしてもよい。

図４において、Ｓ２０７では、ボリュームデータに対して他の人工物データすなわち（パーツ）が合成される。本実施形態においては、図１１に示されるように、図１に示したパーツメモリ２８から読み出された左右の耳データ６４がボリュームデータに合成されている。このような合成は、ユーザーによるポインティングデバイスの操作により容易に行うことができ、その場合においては、３次元超音波画像あるいはトリプレーン画像上における位置決め操作が行われる。本実施形態においては、耳データ６４の合成が行われていたが、更に眼球データの合成、他の部分的な形態データの合成等が行われてもよい。同一の部位につきサイズや形態が異なる複数種類の人工物データを用意しておき、それらを選択的に利用するのが望ましい。上述した例においては、後頭部データが基準面上の後頭部断面形状に応じて自動的に生成されていたが、後頭部データを予め生成しておき、メモリからの読み出しにより当該データをボリュームデータに組み込むようにしてもよい。図４におけるＳ２０８においては、必要な全てのパーツの合成が完了したか否かが判断され、完了の場合には、図４に示される処理が終了する。

上記手法によれば、超音波の伝搬上の特質から生じる欠損部分を人工的に生成されたデータにより補って、造形用の３次元形状データを生成できるという利点がある。実際の対象組織の形状そのものを再現するのは困難であるとしても、大まかに近似した形態を再現できれば、造形物を観察する場合における違和感やショックといった問題を効果的に軽減できるという利点がある。生成された人工物データはライブラリに格納しておき、後の作業において再利用できるようにしてもよい。例えば、複数の後頭部データをメモリ上に格納しておき、基準面上でトレースラインが生成された時点で、そのトレースラインに基づいていずれかの後頭部データを選択して利用するようにしてもよく、あるいはそのように選択された後頭部データのサイズや形状を修正して、それを利用するようにしてもよい。図１２には、以上のようにいくつかの人工物データが付加されたボリュームデータが示されている。胎児データ４２は図示されるように人工物データとしての後頭部データ及び耳データ６４を有している。

次に、図２に示した目鼻立ち強調処理Ｓ１０７について詳述する。

この目鼻立ち強調処理Ｓ１０７は、図１３に示されるように、胎児４２における顔面部について凹凸強調処理を行うものである。具体的には、基準面からの顔面部を構成する各ボクセルまでのＺ方向の距離が求められ、その距離に応じて当該ボクセルの位置が修正される。基準面４４との間における距離が小さいボクセルについては相対的に基準面４４に近い位置に置かれ、その一方、その距離が大きいすなわち遠いボクセルについては相対的に基準面４４から遠い位置に置かれるように目鼻立ち強調処理が実行される。符号７０は、例えば鼻の表面に相当するボクセルについての変換前の位置（距離）を表している。このボクセルは基準面４４から比較的遠い位置に存在しており、その位置が基準面４４からより遠い場所に変更される。その結果が符号７２で表されている。このような処理によれば、鼻の高さを大きくでき、すなわち目鼻立ちを強調することができる。この場合において目についてはあまりその位置が変化しないように変換関数を定めるのが望ましい。顔面部を構成する全ボクセルについて位置修正処理が実行される。本実施形態においては、基準面４４を基準として各ボクセルについての距離が求められていたが、目鼻立ち強調処理の基準面として符号７４で示されるような湾曲したあるいは球面状の基準面７４を用いるようにしてもよい。この基準面７４は上記の基準面４４に基づいて設定されたものであり、その上下の端部において両者は一致している。しかし、断面における表面が全体的に湾曲していることに対応して基準面７４は湾曲したつまり丸みを帯びた面として構成されている。このような基準面７４を利用して距離を求め（符号７６参照）、その位置を修正すれば（符号７８参照）、より自然な目鼻立ち強調処理を行うことができる。いずれにしても、それぞれのボクセルの位置を距離に応じて変更することにより、凹凸をより強調することが可能である。それに利用する関数の選択にあたっては、あるいはその基礎となる基準面の設定にあたっては、より自然は凹凸強調が達成されるように適宜定めればよい。

図１４には上記の目鼻立ち強調処理のプロセスがフローチャートとして示されている。Ｓ３０１では、基準面上の各位置を通過する複数の垂直経路の内で特定の経路が選択される。各経路は本実施形態においてＺ軸に平行であるが、例えば基準面の法線方向として経路方向を定めてもよい。Ｓ３０２では、選択された経路上に存在する複数のボクセル（ボクセル列）について伸縮処理が実行される。具体的には、基準面から各ボクセルまでの距離が演算され、各ボクセルについて求められた距離に基づいて当該ボクセルについての新しい距離が求められる。その場合においては例えば図１５に示されるような関数が利用される。横軸は変換前の距離Ｌを表しており、縦軸は変換後の距離Ｌ’を表している。ここで、例えばＬ１は目の位置に相当し、Ｌ２は鼻の位置に相当する。関数８０は指数関数に相当している。関数８２はＳ字カーブを描いている。関数８４は距離が大きな区間について距離を増大させる形態を有している。いずれにしても、基準面からの距離が小さい場合には、ボクセルの位置を維持し、あるいはより基準面に近づけ、基準面からの距離が大きい場合にはその距離をより増大するように位置の変換を行うことにより目鼻立ちすなわち凹凸を強調することができる。一般に、超音波ボリュームデータにおいて胎児の顔面部分は超音波の性質上、ぼやけたものとなりがちであるが、このような目鼻立ち強調処理を行えば、シャープな顔面を構成することができ、造形物を妊婦に見せた場合においてもその妊婦の印象を良好にすることができる。距離変換の関数は、ユーザーによりあるいは自動的に選択できるように構成するのが望ましい。

図１４においてＳ３０３では、最終経路まで処理が到達したか否かが判断され、到達していない場合には、Ｓ３０１からの各工程が繰り返し実行される。以上のように、胎児の後頭部における欠損部分の補填の他、顔面部における強調処理を行うことにより、超音波の性質による問題を解消して、造形物の形態をより良好なものにできるという利点がある。

図２に戻って、以上のようにＳ１０６及びＳ１０７の工程が完了すると、次にＳ１０８において、ボリュームデータに対する他の加工処理が実行される。具体的には、造形後において胎児の立体模型を製作した場合において、その立体模型が自立するように、人口物データとして台座データを付加する処理等が実行される。この段階において、その台座データ内に文字や記号により属性情報を付加するようにしてもよい。例えば、妊婦名、超音波診断日、週数等の情報を形状データの一部として付加すれば、造形段階においてそれらの情報が刻印あるいはマークのような形で現れることになる。必要に応じて、色属性を付加し、そのような情報が色付け処理されるようにしてもよい。Ｓ１０９では、以上のように加工されたボリュームデータに対して必要なフォーマット変換を適用することにより造形用データが生成される。必要に応じてボリュームデータに対してサーフェイスレンダリング処理や、表面内にデータを埋める処理等が適用されてもよい。それらの処理は造形装置へ造形用データを渡した後になされてもよい。

Ｓ１１０においては、以上のように構成された３次元造形用データが造形装置へ出力される。上述したように、ネットワークを介してデータ転送を行うようにしてもよいし、記録媒体を介してデータの提供を行うようにしてもよい。また、図１に示した超音波診断装置１０と造形装置１２とを連結させて造形システムを構成し、超音波診断と並行して造形処理が行われるようにしてもよい。

図１６には、造形装置によって生成された胎児の立体模型９０が示されている。この立体模型９０には台座９２が含まれている。台座９２は図示の例では円盤型であるが、それが四角形の形態を有していてもよい。上述した欠損部分の補填処理及び目鼻立ち強調処理の結果として、より自然なあるいは見栄えのよい胎児の立体模型が構成されており、このような立体模型を妊婦に提供すれば、胎児に対する親しみをより一層喚起できるという利点がある。また、近時の３次元超音波診断技術の進展に伴い、母体内における胎児の表情についての研究が進められているが、そのような研究においても胎児の立体模型が役立つ可能性がある。例えば、ディスプレイ上において３次元超音波画像を表示した場合において、その奥行き感を感じられるとしても、実際の凹凸状態や微妙な表情までを十分に掴み取ることが困難な場合もある。そのような場合には、造形処理を行うことにより３次元空間内の立体模型として胎児の表情を観察できるので、そこに新しい発見あるいは新しい価値を見出せる可能性がある。

上述した目鼻立ち強調処理は、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置で取得されたボリュームデータに対して適用することも勿論可能である。すなわち、そのようなボリュームデータに対して基準面を設定し、その基準面からの距離に応じて各ボクセルの位置を修正すれば、各種の臓器についての凹凸強調を行い得る。なお、伸長処理ではなく、圧縮処理を適用して凹凸感を少なくすることも可能である。その場合、変換関数の形態をニーズに応じて変更できる。

本発明に係るボリュームデータ処理装置の好適な実施形態を示すブロック図である。造形データ生成処理を説明するためのフローチャートである。胎児データを含むボリュームデータを説明するための図である。欠損部分の補填処理を説明するためのフローチャートである。除去領域を説明するための図である。基準面上におけるトレース処理を説明するための図である。複数の相似図形からなる列を説明するための図である。収縮用のフィルタの作用を説明するための図である。パラメータの定義を説明するための図である。楕円関数に従う収縮率の可変を説明するための図である。ボリュームデータに対する人工物データの合成を説明するための概念図である。人工物データの合成されたボリュームデータを示す図である。目鼻立ち強調処理を説明するための概念図である。目鼻立ち強調処理を説明するためのフローチャートである。目鼻立ち強調関数を示す図である。胎児の立体模型（造形物）を示す図である

符号の説明

１０超音波診断装置、１２造形装置、１４３Ｄプローブ、１６送受信部、１８３Ｄメモリ、２０画像形成部、２２表示部、２４造形データ生成モジュール、２６造形データ生成部、２８パーツメモリ、３０出力部。

Claims

生体内三次元領域に対して超音波の送受波を行って得られたボリュームデータを処理するボリュームデータ処理装置において、
前記ボリュームデータに含まれる三次元の対象組織データを抽出する抽出部と、
前記対象組織データにおける超音波伝搬の性質に起因して生じた欠損部分を補うための三次元形状をもった人工物データを生成する生成部と、
前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理により、三次元造形用データを生成する合成部と、
を含み、
前記生成部は、
前記対象組織データに対して、前記欠損部分よりも送受波側である前方に仮想的な基準面を設定する基準面設定部と、
前記基準面の後方に前記欠損部分を補うための三次元形状をもった人工物データを生成する人工物データ生成部と、
を含むことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
生体内三次元領域に対して超音波の送受波を行って得られたボリュームデータを処理するボリュームデータ処理装置において、
前記ボリュームデータに含まれる三次元の対象組織データを抽出する抽出部と、
前記対象組織データにおける超音波伝搬の性質に起因して生じた欠損部分を補うための三次元形状をもった人工物データを生成する生成部と、
前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理により、三次元造形用データを生成する合成部と、
を含み、
前記対象組織データは胎児データであり、
前記欠損部分は胎児の後頭部に相当する、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項２記載の装置において、
前記生成部は、
前記胎児データにおける顔面部と後頭部との間に仮想的な基準面を設定する基準面設定部と、
前記基準面上において設定される輪郭ラインに基づいて、前記人工物データとして、前記胎児の後頭部を模擬した三次元形状を有する後頭部データを生成する後頭部データ生成部と、
を含むことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項３記載の装置において、
前記後頭部データ生成部は、前記輪郭ラインに基づく初期形状データと、前記輪郭ラインの形状に基づく形状を有し且つ前記基準面から離れるに従いサイズが段階的に縮小された複数の縮小形状データと、からなる形状データ列を生成し、
前記後頭部データは前記形状データ列によって構成される、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項４記載の装置において、
前記形状データ列においては前記基準面から離れるに従い各縮小形状データの中心がシフトされる、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項１又は２記載の装置において、
前記対象組織データにおける欠損部分が前記合成処理後において前記三次元造形用データに残存しないようにするために、前記合成処理に先立って前記対象組織データに対して不要データ除去処理を施す除去部を含む、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項１又は２記載の装置において、
前記生成部は、前記人工物データとして三次元形状をもった組織パーツを生成する組織パーツ生成部を含む、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項１又は２記載の装置において、
前記抽出部は三次元ラベリング処理によって前記対象組織データを抽出する、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項１又は２記載の装置において、
前記対象組織データと前記人工物データとの合成処理前に、前記対象組織データに対して平滑化処理を施す平滑化部が設けられた、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
請求項１又は２記載の装置において、
前記合成部は、前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理の前又は後において、前記対象組織データに対して台座形状を有する台座データを合成する、ことを特徴とする超音波ボリュームデータ処理装置。
コンピュータにおいて実行され、生体内三次元領域に対して超音波の送受波を行って得られた超音波ボリュームデータを処理するためのプログラムであって、
前記超音波ボリュームデータに含まれる対象組織データを抽出する機能と、
前記対象組織データにおける超音波伝搬の性質に起因して生じた欠損部分を補うための人工物データを生成する機能と、
前記対象組織データに対する前記人工物データの合成処理により、三次元造形用データを生成する機能と、
を含み、
前記対象組織データは胎児データであり、
前記欠損部分は胎児の後頭部に相当する、ことを特徴とするプログラム。