JP5527689B2 - 対象体の解剖構造解析方法及び対象体解剖構造の表示方法並びに対象体解剖構造表示装置 - Google Patents
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Description
前記第1の記憶部から読み出した表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出し、前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として第2の記憶部に格納し、
前記対象体の内部をボクセルに分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを内部ボクセル座標とし、この内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間することで得られる補間後内部ボクセル座標を得る
ことを特徴とする。
前記第1の記憶部から読み出した表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出し、前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として第2の記憶部に格納し、
前記対象体の内部をボクセルに分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを内部ボクセル座標とし、この内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間することで得られる補間後内部ボクセル座標を第3の記憶部に格納し、
前記第2及び第3の記憶部に格納されたそれぞれの座標データを読み出し、三次元的に表示する
ことを特徴とする。
前記表面分割部によって分割された各ボクセルについての多角形格子データを表面ボクセル座標として記憶するための第1の記憶部と、
前記第1の記憶部から表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータを読み出し、このデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出するための姿勢変形表面ボクセル座標算出部と、
前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として記憶するための第2の記憶部と、
前記対象体の内部をボクセルに分割するための内部分割部と、
前記内部分割部によって分割された各ボクセルについての内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間するための内部ボクセル座標補間部と、
前記内部ボクセル座標補間部で得られた補間後内部ボクセル座標を記憶するための第3の記憶部と、
前記第2及び第3の記憶部に格納されたそれぞれの座標データを読み出し、三次元的に表示する表示部と
を具備する。
以前、本発明者らにより提案した人体ボクセルモデルの姿勢変形技法を見直す(非特許文献28)。組織の境界線が人体ボクセルモデルを形成しながら、滑らかになっていないようなことを含む大雑把なモデルの作り方は、より高い周波数において、数値シミュレーションによる電磁界曝露量推定の際の数値誤差が大きくなってしまう。自由形状変形方法(FFD)は、セデルベルグとパリーにより紹介されたが、コンピュータを使ったデザインやコンピュータ・グラフィックス(CG)などにみられる3次元の幾何学的なモデルにおいて、多目的に効果を発揮する。この方法により、3次元の対象物の周囲で制御格子点を配置したり、動かすことにより、容易に変形させることができる。したがって、筆者らは、自由形状変形(FFD)アルゴリズムを応用し、節点回転などの複雑な動きを含む人体ボクセルモデルを変形させた。まず、モデルの腕や足などの体の部分が実際の人間と同じように動かせるようなボクセルモデルの節点(関節)の概念を紹介した。これを行うにあたり、ひとつの節点(関節)がボクセルモデル上の点として定義される。その点は、人体の動きの中心であると仮定する。
必要とされるのは、利用者が使いやすい姿勢変形制御方法であり、円滑な姿勢変形技術である。幸い、多角形メッシュモデルの姿勢変形のためのツールは広く研究されてきており、多角形(ポリゴン)メッシュモデル、スケルトンそしてスキニングの姿勢変形の一般的な方法は存在する。結果、筆者らはユーザーが効率的に相互利用できるよう多角形(ポリゴン)メッシュを使用することにした。本稿では以後、人体の表面を意味する多角形(ポリゴン)メッシュである「体表ポリゴンメッシュ」という用語を用いる。
1) 人体モデルからの体表ポリゴンメッシュの抽出
2) スケルトンの組み立てと交連骨格付きの姿勢の変形
3) 補間
ボリュームデータからポリゴンメッシュを抽出するのに、いくつかの方法がある。マーチング・キューブ(以下、「MC」と表記する。)は、最も有名なアルゴリズムである(非特許文献31)。しかし、MCは時々閉曲面を作るさいに失敗することがあり、体表ポリゴンに穴が生じる可能性がある。体表ポリゴンメッシュは、補間の段階でボリュームに転換する際、閉ざされる必要がある。体表ポリゴンメッシュに穴があると、その結果、ボリュームも崩壊する可能性がある。それゆえ、本発明者は、人体のボクセルと背景のボクセルの間にポリゴンをつくるメッシュ抽出技法を用いる。(疑似コードでの)この技法のアルゴリズムは次のとおりである。
For each voxel in a volume dataset
For each 6-adjacent voxels
If the current voxel belongs to the human body
region and the adjacent voxel belongs to the
background
Then generate a polygon between these voxels
End If
End for
End
for
図5は、本発明の一実施形態に係るスケルトン組立作業の概要を示す図である。同図において、(a)はスケルトン構造を、(b)はスケルトンにつけられた境界メッシュを、(c)は境界メッシュを、それぞれ示している。同図に示されるように、スケルトン構造をメッシュにつける。スケルトン構造は骨と関節から成り立つ。骨は関節とつながり、階層構造をつくる。スケルトン構造につける作業を”スケルトンセットアップ”という(非特許文献33)。CG上、スケルトン構造は人体モデルを動かすための人体メッシュモデルにつけ、一旦、スケルトン構造がメッシュにつけられると、それぞれのメッシュの頂点がこのスケルトン構造と共に変形する(非特許文献34)。
現在、姿勢変形した体表ポリゴンメッシュがある。まず、グラフィックハードウェアを利用したボクセル化技法を用いて、体表ポリゴンメッシュをバイナリーボリュームデータベースに変換する(非特許文献35)。体表ポリゴンメッシュは、スライス型ボクセルに転換される。プログラムインターフェースのオープングラフィックス・ライブラリ(Open Graphics Library(Open GL))を通してスライス内の体表ポリゴンメッシュを三角形に表示する方法を使う。ボクセルが姿勢変形体表ポリゴンメッシュの内側にある場合、その値を1とする。他の場合は、値を0とする。本発明においては、ボリュームデータの境界領域を0以外そして0のとなりのボクセルと定義する。どの境界域のボクセルも体表ポリゴンメッシュの点がついたボクセル座標と関連する。変形したボリュームの境界域からソースボリュームの領域まで画像を写すことが構築される。最後の作業は、内部のボクセル座標を作ることである。境界域では、変形したボリュームのコーディネートボリュームデータを完成させるためにボクセル座標を補間する。
を仮定する。
となるような1対1写像F:Vd→Vsを見つける。
(Fとfは、Fi(i=1,2,3)及びfi(i=1,2,3)がスカラー関数であるとき、F=(F1,F2,F3)とf=(f1、f2、f3)と定義付けられる3Dベクトル関数である。)
のように離散化される。i,j,kは格子点を表す。
ここでは、本発明者が提案する姿勢変形技法の実験結果を評価する。この技法を本発明者が開発した成人男女のボクセルモデルに応用した。図7は、本発明の一実施形態に係る立ち姿の日本人男女のボクセルモデルを表した図である。これらのモデルは、2ミリ分解能を持つ立法モデルで構成され、51の異なる組織に分けられる。ボリュームが加えられた図では、モデルの骨が強調される。矢状面の図では、組織や器官は異なる色(の濃淡)で表示される。骨は白色と濃い色(オリジナルでは茶色)で表示される。これらのモデルは、日本人の平均、男性は171.4cm,63.3kg女性は159.1cm,52.6kgに近い健康的な人々のMRIデータからつくりあげた。これらのモデルは図7でみられるような両手を横に置いたスタイルでの立ち姿である。2ミリ分解能を持つ立法モデルで51の組織や臓器に分けられている。
本発明者は、新しい人体ボクセルモデルの姿勢変形技法を提案した。提案した技法においては、モデルのポリゴンメッシュは、ボクセルモデルの体表をもとに作られ、市販の3D CGソフトウェア機能のスケルトンアニメーションを使い変形させる。任意のボクセルモデルを、変形したメッシュデータに補間アルゴリズムを適用することにより構築する。提案した姿勢変形技法の動作を検証するために、この技法を立位の日本人男女から座位の姿勢モデルを構築するために使った。この結果、これらの座位姿勢モデルは、内部組織や臓器の構造状態を保ちつつ、姿勢変形を円滑に行うことができた。さらに、人体への電磁界の曝露評価においては、元の立位モデル組織、臓器重量に対する任意のモデルの組織と臓器の重量は妥当な差であった。ここで提案する姿勢変形技法により簡単で素早くさまざまな人体ボクセルモデルを構築することができる。筆者らの技法により構築された姿勢モデルは、無線通信機器や無線端末を実際に使用される際、電磁界の曝露評価をシミュレーションするために使用可能になる。
図10は、本発明の一実施形態に係る人体解剖構造解析・表示装置の構成を示した機能ブロック図である。同図に示すとおり、人体解剖構造解析・表示装置20は、立位姿勢の人体モデル1の表面を3次元多角形格子(ボクセル)に分割する機能をアルゴリズムとして実行する表面分割部210と、こうして得られた表面ボクセルデータ310にメッシュ変形を加え、人体モデル1を姿勢変形させた変形姿勢(たとえば座位姿勢)後人体モデル11の姿勢変形表面ボクセル座標320を算出する機能をアルゴリズムとして実行する姿勢変形表面ボクセル座標算出部220と、人体モデル11の内部をボクセルに分割する機能をアルゴリズムとして実行する内部分割部230と、この分割された各内部ボクセル座標データ330に対して補間アルゴリズムを適用することで補間し、補間後内部ボクセル座標データ340を得る機能をアルゴリズムとして実行する内部ボクセル座標補間部240と、それぞれの記憶装置に格納された姿勢変形表面ボクセル座標320、補間後内部ボクセル座標データ340を読み出し、モニタ40に三次元的に表示する表示部250とを具備して構成される。また、表面ボクセルデータ310を表面ボクセル座標データベースとして記憶・格納するための第1の記憶装置260と、姿勢変形表面ボクセル座標320を姿勢変形表面ボクセル座標データベースとして記憶・格納するための第2の記憶装置270と、補間後内部ボクセル座標データ340を補間後内部ボクセル座標データベースとして記憶・格納するための第3の記憶装置280とが具備される。図1では第1の記憶装置260、第2の記憶装置270、第3の記憶装置280が人体解剖構造解析・表示装置20とは別に具備される例を示しているが、これらは人体解剖構造解析・表示装置20の内部に蔵されるものでもよい。また、人体解剖構造解析・表示装置20とこれらの各記憶装置260乃至280、人体解剖構造解析・表示装置20とモニタ40とは、ネットワークによって繋がっている態様でも、直接接続される態様でもよい。
Claims (3)
- 表面分割部が、対象体の表面を3次元多角形格子(ボクセル)に分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを表面ボクセル座標として第1の記憶部に格納する第1のステップと、
姿勢変形表面ボクセル座標算出部が、前記第1の記憶部から読み出した表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出し、前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として第2の記憶部に格納する第2のステップと、
内部分割部が、前記対象体の内部をボクセルに分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを内部ボクセル座標とする第3のステップと、
内部ボクセル座標補間部が、前記内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間することで得られる補間後内部ボクセル座標を得る第4のステップとを有する
ことを特徴とする対象体解剖構造解析方法。 - 表面分割部が、対象体の表面を3次元多角形格子(ボクセル)に分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを表面ボクセル座標として第1の記憶部に格納する第1のステップと、
姿勢変形表面ボクセル座標算出部が、前記第1の記憶部から読み出した表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出し、前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として第2の記憶部に格納する第2のステップと、
内部分割部が、前記対象体の内部をボクセルに分割し、該分割された各ボクセルについての多角形格子データを内部ボクセル座標とする第3のステップと、
内部ボクセル座標補間部が、前記内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間することで得られる補間後内部ボクセル座標を第3の記憶部に格納する第4のステップと、
表示部が、前記第2及び第3の記憶部に格納されたそれぞれの座標データを読み出し、三次元的に表示する第5のステップとを有する
ことを特徴とする対象体解剖構造の表示方法。 - 対象体の表面を3次元多角形格子(ボクセル)に分割するための表面分割部と、
前記表面分割部によって分割された各ボクセルについての多角形格子データを表面ボクセル座標として記憶するための第1の記憶部と、
前記第1の記憶部から表面ボクセル座標に係る各ボクセルデータを読み出し、このデータにメッシュ変形を加え、前記対象体を姿勢変形させた状態における表面ボクセル座標を算出するための姿勢変形表面ボクセル座標算出部と、
前記算出された姿勢変形後の表面ボクセル座標を姿勢変形表面ボクセル座標として記憶するための第2の記憶部と、
前記対象体の内部をボクセルに分割するための内部分割部と、
前記内部分割部によって分割された各ボクセルについての内部ボクセル座標に係る各データを補間アルゴリズムを用いて補間するための内部ボクセル座標補間部と、
前記内部ボクセル座標補間部で得られた補間後内部ボクセル座標を記憶するための第3の記憶部と、
前記第2及び第3の記憶部に格納されたそれぞれの座標データを読み出し、三次元的に表示する表示部と
を具備することを特徴とする対象体解剖構造表示装置。
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