JP5783627B2 - Human body modeling system - Google Patents
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Description
本発明は、主として、医療教育・診療用の人体模型を作成する人体模型作成システムに関する。 The present invention mainly relates to a human body model creating system for creating a human body model for medical education and medical treatment.
医療現場ではMRIやCT、超音波などによって詳細な人体の内部構造を三次元的に撮影することが可能になってきた。超音波検査では人体の三次元的な構造を理解していないと画像情報を正確に読み取ることが難しい。また超音波ガイド下に腫瘍を穿刺して治療したり、超音波ガイド下に麻酔のために神経穿刺をするといった、超音波で組織を見ながら治療を行う医療行為が行われるようになってきた。そのため人体の三次元構造を把握する需要が出現している。例えば特許文献1には、人体模型に超音波を当て、その超音波画像の色調によって内蔵模型の診断実習を行うことが記載されている。CTなどから3D画像を再構成した画像をのせた教材もある(特許文献2参照)。 In the medical field, it has become possible to photograph a detailed internal structure of a human body three-dimensionally by MRI, CT, ultrasonic waves, and the like. In ultrasonic examination, it is difficult to accurately read image information unless the three-dimensional structure of the human body is understood. In addition, medical treatments have been performed to treat a patient while observing the tissue with ultrasound, such as puncturing a tumor under an ultrasound guide and performing a nerve puncture for anesthesia under an ultrasound guide. . Therefore, a demand for grasping the three-dimensional structure of the human body has appeared. For example, Patent Document 1 describes that ultrasonic waves are applied to a human body model, and a built-in model diagnosis practice is performed based on the color tone of the ultrasonic image. There is also a teaching material on which an image obtained by reconstructing a 3D image from CT or the like (see Patent Document 2).
しかしながら、従来の医学用教育模型は内部が見えないため、超音波を照射している部分を容易に把握することができない。このような問題は、構造が複雑な部位(関節など)ほど顕著である。骨などは人骨の鋳型から作成されてきたが、軟部組織は鋳型作成が困難であるため人の手によって制作されてきた。そのため実際の解剖とは異なることがあり問題となってきている。特に作成時には医学的に問題となっていなかった解剖構造が、医療技術・知識の進歩により新たな臨床的な意義を持つようになった場合、正確に作りこんでいないため問題となる。 However, since the inside of the conventional medical educational model cannot be seen, it is not possible to easily grasp the portion irradiated with ultrasonic waves. Such a problem is more conspicuous as the structure (such as a joint) has a more complicated structure. Bone and the like have been made from a human bone mold, but soft tissue has been made by human hands because it is difficult to make a mold. Therefore, it may be different from the actual dissection and has become a problem. In particular, when an anatomical structure, which was not a medical problem at the time of creation, has a new clinical significance due to advances in medical technology and knowledge, it is a problem because it has not been accurately created.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、医療教育・診療に有用な人体の模型を作成することができる人体模型作成システムを提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a human body model creation system capable of creating a human body model useful for medical education and medical care.
本発明は、組織抽出システムにより作成された人体の三次元データに基づいて透明な素材で人体の模型を作成する人体模型作成システムであって、前記組織抽出システムは、座標軸をそろえて複数のシークエンスを撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された複数のシークエンスを、そのシークエンスを座標軸にとったヒストグラム空間に変換する変換部と、前記変換部により変換されたヒストグラム空間上の島の中心位置を計算し、その中心位置をもとに標準化を行い、前記ヒストグラム空間座標と組織とを対応付けるためのラベリングを行い、被検体の組織を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された組織のうち異常信号パターンを示す病的組織をハイライト化するハイライト化部と、前記抽出部により抽出された組織の座標情報を抽出することで三次元データを作成する三次元データ作成部とを備え、前記ヒストグラム空間上の島情報を用いて各シークエンスを標準化する場合は自由曲線を用いた領域選択を行うことで標準化係数を各シークエンスごとに指定し、事前に作成しておいたライブラリを用いて前記ヒストグラム空間内の各点において透明度と色を設定することを特徴とする。 The present invention relates to a human body model creation system for creating a human body model from a transparent material based on the three-dimensional data of a human body created by the tissue extraction system , the tissue extraction system comprising a plurality of sequences with coordinate axes. An imaging unit that captures the image, a conversion unit that converts a plurality of sequences captured by the imaging unit into a histogram space that takes the sequence as a coordinate axis, and a center position of an island on the histogram space that is converted by the conversion unit Is calculated based on the center position, labeled to associate the histogram space coordinates with the tissue, an extraction unit for extracting the tissue of the subject, and the tissue extracted by the extraction unit Among them, a highlighting unit for highlighting a pathological tissue showing an abnormal signal pattern, and coordinates of the tissue extracted by the extraction unit A 3D data creation unit that creates 3D data by extracting information, and standardizes each sequence using island information in the histogram space, by standardizing by selecting a region using a free curve A coefficient is designated for each sequence, and transparency and color are set at each point in the histogram space using a library prepared in advance .
また、前記透明な素材は超音波透過性に優れた素材であってもよい。 Further, the transparent material may be a material excellent in ultrasonic transmission.
また、超音波画像における無信号組織を超音波で信号をもたずに透明な素材、中間信号組織を半透明で超音波で中間的な信号となる素材、高信号組織を硬くて信号を通さない素材で作成してもよい。 Also, non-signal tissue in ultrasound images is transparent material without ultrasound signal, intermediate signal tissue is translucent material that becomes intermediate signal with ultrasound, high signal tissue is hard and signal is passed You may create it with no material.
また、前記中間信号組織と前記高信号組織をRPシステムで作成して外側を覆う模型に設置した状態でゲルで満たしてもよい。 In addition, the intermediate signal tissue and the high signal tissue may be filled with a gel in a state where the intermediate signal tissue and the high signal tissue are prepared by an RP system and placed on a model covering the outside.
また、前記三次元データを作成する組織抽出システムを備え、前記組織抽出システムは、座標軸をそろえて複数のシークエンスを撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された複数のシークエンスを、そのシークエンスを座標軸にとったヒストグラム空間に変換する変換部と、前記変換部により変換されたヒストグラムの分布から被検体の組織を抽出する抽出部とを備えてもよい。 A tissue extraction system for creating the three-dimensional data, the tissue extraction system including an imaging unit configured to image a plurality of sequences by aligning coordinate axes, and a plurality of sequences captured by the imaging unit; You may provide the conversion part which converts into the histogram space which took the coordinate axis, and the extraction part which extracts the structure | tissue of a subject from the distribution of the histogram converted by the said conversion part.
本発明によれば、医療教育・診療に有用な人体の模型を作成することができる人体模型作成システムを提供することが可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the human body model creation system which can create the human body model useful for medical education and medical treatment.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の実施形態における人体模型作成システムでは、診断装置であるCTやMRIや三次元超音波から生体の三次元データを複数取得し、三次元データを重ね合わせて組織を抽出し、RP(Rapid Prototyping)システムでそれぞれ組織を目的に合わせて、色、透明度、超音波特性、硬さなどの特性を変えて教育用・診療用の模型を作成する。透明度をもち、超音波透過性に優れた素材を用いることで、内部構造物を透視して見ながら超音波検査・診療の練習を行う模型の作成が可能である。超音波の学習・練習に有用であり、患者を撮影したデータから作成した場合は、超音波ガイド下の腫瘍穿刺術の術前練習に用いることも可能である。 In the human body model creation system according to the embodiment of the present invention, a plurality of three-dimensional data of a living body is obtained from CT, MRI, and three-dimensional ultrasound that are diagnostic apparatuses, the tissue is extracted by superimposing the three-dimensional data, and RP (Rapid Prototyping) Creates educational and clinical models by changing characteristics such as color, transparency, ultrasonic characteristics, and hardness according to the purpose of each tissue. By using a material with transparency and excellent ultrasonic transmission, it is possible to create a model for practicing ultrasonic examination and medical treatment while looking through the internal structure. It is useful for ultrasonic learning and practice, and can be used for preoperative practice of tumor puncture under ultrasound guidance when it is created from data obtained by imaging a patient.
産業界ではコンピュータ設計データから直接実物を作成するシステム、RPシステムが急速に発展している。当初は一種類の素材しか利用できなかったが、多色刷りや、透明な素材、柔らかい素材などをまぜて作成することが可能となってきている。生体の三次元データから組織を分離して目的に合わせて各組織の、色・透明度・材質(超音波透過性など)を変えることで、教育・診療に有用な模型を作成することが可能である。特に透明で多色刷りが可能なRPシステムを使うことで有用な素材を作成することが可能である。 In the industry, a system for directly creating an actual product from computer design data, an RP system, is rapidly developing. Initially, only one type of material could be used, but it has become possible to create a mix of multicolored prints, transparent materials, and soft materials. It is possible to create a model useful for education and medical treatment by separating the tissue from the three-dimensional data of the living body and changing the color, transparency, and material (ultrasound permeability, etc.) of each tissue according to the purpose. is there. In particular, it is possible to create a useful material by using an RP system that is transparent and capable of multicolor printing.
以下に、三次元データを重ね合わせて組織を抽出する方法、抽出した組織位置情報を元に模型を作成する方法、教育・臨床における使い方について説明する。 Hereinafter, a method for extracting a tissue by superimposing three-dimensional data, a method for creating a model based on the extracted tissue position information, and a method for use in education / clinical will be described.
1.三次元データを重ね合わせて組織を抽出する方法
医療現場ではMRIやCTなどの三次元データを取得する検査装置が利用されている。CTは放射線を利用しているため、骨などの固い組織の検出に有用であるが、軟部組織の検出は苦手である。MRIは水素と磁場の反応を利用しているため、筋肉や脂肪などの軟部組織の検出に優れているが、水素を持たない骨などの組織の検出は苦手である。三次元超音波は視野は狭いが三次元高周波超音波プローブを用いることで高い精度で軟部情報を得ることができる。このように装置ごとに異なる組織特異性をもった三次元データを得ることができる。
1. Method of extracting tissue by superimposing three-dimensional data In medical practice, inspection apparatuses that acquire three-dimensional data such as MRI and CT are used. Since CT uses radiation, it is useful for detecting hard tissues such as bones, but is not good at detecting soft tissues. MRI uses a reaction between hydrogen and a magnetic field, and thus is excellent in detecting soft tissues such as muscles and fats. However, MRI is not good at detecting tissues such as bones without hydrogen. Although the field of view of three-dimensional ultrasound is narrow, soft part information can be obtained with high accuracy by using a three-dimensional high-frequency ultrasonic probe. In this way, three-dimensional data having different tissue specificities can be obtained for each apparatus.
同一装置であれば位置合わせを行うことは容易である。MRIは撮影時にシークエンスごとに撮影範囲を固定することが可能であるため、被検者が動かない限り位置情報から自動的に重ね合わせを行うことは可能である。撮影装置が違う場合は撮影データの特性を元に重ね合わせを行う必要がある。異なる装置からの情報の位置合わせする方法は各種考案されている。マーカーを配置する方法とマーカーを配置しない、選択領域マッチング法(表面マッチング、ボリュームマッチング)、最適化手法などがある。これらの方法を用いて得られた異なる三次元データを合成する。合成の結果、任意の空間座標に複数の信号情報がセットされたベクトルデータとなる。 If it is the same apparatus, it is easy to align. Since MRI can fix an imaging range for each sequence at the time of imaging, it is possible to automatically perform superposition from position information unless the subject moves. When the photographing apparatuses are different, it is necessary to perform superposition based on the characteristics of the photographing data. Various methods have been devised for aligning information from different devices. There are a marker placement method, a marker placement method, a selection region matching method (surface matching, volume matching), an optimization method, and the like. Different three-dimensional data obtained using these methods are synthesized. As a result of the synthesis, vector data in which a plurality of pieces of signal information are set in arbitrary spatial coordinates is obtained.
重ね合わせを行った結果、三次元での座標に複数の情報を得ることが可能である。座標を(x,y,z)としたときに、重ねた情報の種類だけ信号情報をもったベクトル(S1,S2,S3,・・・,Sn)が得られる。f(x,y,z)=(S1,S2,S3,・・・,Sn)という情報を信号情報を軸とした多次元のヒストグラム空間にプロットすると組織を信号特性ごとに分離することが可能である。本発明者は、このような組織抽出システムを特願2010−172482において提案している(後述する)。 As a result of the superposition, it is possible to obtain a plurality of information in the three-dimensional coordinates. When the coordinates are (x, y, z), a vector (S1, S2, S3,..., Sn) having signal information corresponding to the type of information superimposed is obtained. When the information f (x, y, z) = (S1, S2, S3,..., Sn) is plotted in a multidimensional histogram space with the signal information as an axis, the tissue can be separated for each signal characteristic. It is. The present inventor has proposed such a tissue extraction system in Japanese Patent Application No. 2010-172482 (described later).
2.抽出した組織位置情報を元に模型を作成する方法
上記方法によって組織ごとの位置情報のセットを得ることが可能である。これらの情報をCADシステムに入力して組織ごとにRPシステムで素材を変えることで模型を作成することが可能である。もちろん、人体の三次元データを作成する方法は特に限定されるものではなく様々な方法を採用することができる。三次元データに基づいて模型を作成する方法もRPシステムを用いる方法に限定されるものではない。以下に代表的な2つの作成法を説明する。
2. Method of creating model based on extracted tissue position information It is possible to obtain a set of position information for each tissue by the above method. It is possible to create a model by inputting such information into the CAD system and changing the material in the RP system for each organization. Of course, the method for creating the three-dimensional data of the human body is not particularly limited, and various methods can be employed. The method for creating a model based on the three-dimensional data is not limited to the method using the RP system. Two typical production methods will be described below.
(1)作成法A
超音波透過性を持たないが半透明で中を透視することが可能な教材の作成法Aを示す。人体と同一の形状で半透明であり、中の組織を透視することが可能な教材で、特定の断面で分離してその断面を観察することが可能である。
(1) Preparation method A
A method A for creating a teaching material that does not have ultrasonic transparency but is translucent and can be seen through is shown. It is a teaching material that has the same shape as a human body and is translucent, and is capable of seeing through the tissue inside. It is possible to separate and observe the cross section of a specific cross section.
図1は、作成法Aにより作成された膝関節の樹脂モデルの斜視図である。関節付近で数か所分割でき、分割されたピース同士の嵌合(位置決め)が可能であり、モデルを台座で固定できるようになっている。 FIG. 1 is a perspective view of a resin model of a knee joint created by the creation method A. Several parts can be divided in the vicinity of the joint, the divided pieces can be fitted (positioned), and the model can be fixed on the pedestal.
このような人体模型を作成する場合、まずは、図2に示すように、CT画像より三次元モデルを作成する。骨組織と軟組織は分割してモデルを作成している。 When creating such a human body model, first, as shown in FIG. 2, a three-dimensional model is created from the CT image. The bone tissue and soft tissue are divided into models.
次いで、図3に示すように、三次元モデルを分割する断面21を決定する。この分割断面21の位置や数は、模型の部位や使用目的等に応じて決定すればよい。 Next, as shown in FIG. 3, the cross section 21 that divides the three-dimensional model is determined. What is necessary is just to determine the position and number of this division | segmentation cross section 21 according to the site | part of a model, the intended purpose, etc. FIG.
次いで、図4に示すように、位置決め球を埋める位置を決定する。ここでは、分割ピース同士の嵌合は2つの球22で行っている。その際、モデルの必要な場所から極力離れた場所に嵌合球22を配置し、骨と軟組織を跨ぐような嵌合球22の配置は避ける。両方を跨ぐとどちらの材料で造形するか見極めが難しくなるためである。 Next, as shown in FIG. 4, the position for filling the positioning sphere is determined. Here, the fitting between the divided pieces is performed by two spheres 22. At that time, the fitting sphere 22 is arranged at a place as far as possible from the place where the model is required, and the arrangement of the fitting sphere 22 across the bone and the soft tissue is avoided. This is because it is difficult to determine which material will be used when straddling both.
次いで、図5に示すように、分割断面でモデルを切り分け、図6に示すように、串刺しロッド23の貫通位置を決定する。ロッド23の貫通位置は一番上のパーツが十分固定できる位置に配置しておく。更に、図7に示すように、串刺しロッド23の形状を決定する。 Next, as shown in FIG. 5, the model is cut by the divided cross section, and the penetration position of the skewer rod 23 is determined as shown in FIG. 6. The penetrating position of the rod 23 is arranged at a position where the uppermost part can be sufficiently fixed. Further, as shown in FIG. 7, the shape of the skewer rod 23 is determined.
次いで、図8に示すように、メス型の作成を行うため嵌合球22だけのデータを作成し、嵌合球22に対して軟組織・骨をそれぞれブーリアン演算し、軟組織・骨に嵌合球22のくぼみ24を付ける。ブーリアン演算とは、3次元コンピュータグラフィックスやCADにおいて、体積を持った形状同士の和、差、積の 集合演算により造形する方法である。また、図9に示すように、嵌合球22のデータと軟組織・骨のデータをブーリアン演算し、嵌合球22のオス側だけの突起25のデータを作成する。更に、図10に示すように、くぼみ24の付いたデータと突起25の付いたデータをブーリアン演算し結合する。嵌合球22と各組織を最初から結合する方が手間は省けるが、骨と結合するのか軟組織と結合するのか注意が必要となる。 Next, as shown in FIG. 8, data for only the fitting sphere 22 is created in order to create a female type, and a Boolean operation is performed on the soft tissue and bone for the fitting sphere 22, and the fitting sphere is fitted to the soft tissue and bone. Attach 22 indentations 24. The Boolean operation is a method of modeling by a set operation of the sum, difference, and product of shapes having a volume in 3D computer graphics and CAD. Further, as shown in FIG. 9, the data of the fitting sphere 22 and the soft tissue / bone data are subjected to a Boolean operation to create data of the protrusion 25 only on the male side of the fitting sphere 22. Further, as shown in FIG. 10, the data with the depression 24 and the data with the projection 25 are Boolean-calculated and combined. Connecting the fitting ball 22 and each tissue from the beginning saves time, but it is necessary to pay attention to whether it is combined with bone or soft tissue.
次いで、図11に示すように、串刺しロッドと膝モデルの台座、串刺しロッドブーリアン演算用モデルをモデリングする。串刺しロッドはブーリアン演算用ロッドに対して0.5mm程度のすきまを設けるように設計する。また、コーナー部等のすきまに注意する。 Next, as shown in FIG. 11, a skewer rod, a knee model base, and a skewer rod boolean calculation model are modeled. The skewer rod is designed to have a clearance of about 0.5 mm with respect to the Boolean calculation rod. Also, pay attention to the clearance at corners.
次いで、図12に示すように、串刺しロッドブーリアン用モデル23と図10に示すモデルをブーリアン演算する。また、図13に示すように、軟組織と骨をブーリアン演算する。全体的に軟組織・骨と各要素をブーリアン演算すると処理後のゴミ29がひどく、修正に大変手間がかかる。従って、各要素をブーリアン演算の事前に十分修正しておくのが望ましい。最後に、図10、図11、図13に示すデータの造形を行うと、図1に示すモデルが完成する。 Next, as shown in FIG. 12, the Boolean calculation is performed on the skewer rod Boolean model 23 and the model shown in FIG. Further, as shown in FIG. 13, a Boolean operation is performed on soft tissue and bone. As a whole, when the Boolean operation is performed on the soft tissue / bone and each element, the processed garbage 29 is severe, and correction is very troublesome. Therefore, it is desirable that each element is sufficiently corrected before the Boolean operation. Finally, when the modeling shown in FIGS. 10, 11, and 13 is performed, the model shown in FIG. 1 is completed.
(2)作成法B
超音波透過性をもち半透明で中を透視することが可能な教材の作成法Bを示す。超音波検査練習用の教材に必要な特性は、(1)血管・筋肉・骨などの重要組織が透けて見えること、(2)超音波を当てた時に人体と同じような超音波画像が描出されること、である。超音波画像では、水などの無信号組織、筋肉などの中間的な信号の組織、骨などの高信号で超音波を通さない組織がある。そこで、(1)無信号組織を超音波で信号をもたずに透明な素材、(2)中間的な信号の組織を半透明で超音波で中間的な信号となる素材、(3)骨などの高信号組織を硬くて信号を通さない素材の三色刷りで作成すればよい。現時点では超音波で信号をもたずに透明なRP素材は存在しないため、以下の手法を採用している。
(2) Preparation method B
A method B for creating a teaching material that is ultrasonically transparent and translucent and can be seen through is shown. The necessary characteristics of the teaching materials for ultrasonic examination practice are: (1) the important tissues such as blood vessels, muscles, and bones can be seen through; (2) the ultrasound image similar to that of the human body is drawn when the ultrasound is applied. To be done. In the ultrasonic image, there are a non-signal tissue such as water, an intermediate signal tissue such as muscle, and a tissue such as a bone that does not pass ultrasonic waves due to a high signal. Therefore, (1) a transparent material that does not have an ultrasonic signal in non-signal tissue, (2) a material that is an intermediate signal that is translucent in an intermediate signal tissue, and (3) a bone For example, a high signal structure such as a hard material that does not pass signals may be created by three-color printing. At present, there is no transparent RP material that does not have an ultrasonic signal, so the following method is adopted.
すなわち、図14(a)は膝関節のCT画像であり、図14(b)はこのCT画像より作成された三次元モデルである。符号31は(1)の無信号組織、符号32は(2)の中間信号組織、符号33は(3)の高信号組織を表している。 14A is a CT image of a knee joint, and FIG. 14B is a three-dimensional model created from this CT image. Reference numeral 31 represents the no-signal structure of (1), reference numeral 32 represents the intermediate signal structure of (2), and reference numeral 33 represents the high-signal structure of (3).
ここで、図14(c)に示すように、中間信号組織32と高信号組織33を二色刷りRPシステムで作成し、内部模型41とする。次に、図14(d)に示すように、無信号組織31+中間信号組織32+高信号組織33の反転情報から外側を覆う模型を作成し、外側模型42とする。外側模型42は三次元CADソフトを用いて金型のように開くことができるようにする。また、内部模型41と外側模型42は安定して組み合わせることができるようにお互いの接続部位を作っておく。図15に示すように、外側模型42の中に内部模型41を設置した状態でゲル43で満たす。ゲル43の素材としては超音波用のゼリーを使用することができる。このゼリーに添加物を混ぜることで透明度をコントロールする。また、信号強度を合わせるために添加物を入れる量を変化させることで超音波検査装置での信号特性を変化させる。図16(a)に示すように、ゲル43が固まった時点で外側模型42を開いて取り出す。安定性のために外周をコーティングする。構造物が大きくて安定性が保てない場合には、図16(b)に示すように、外側模型42に窓45をつけてフィルムを内張りし、その部位からプローブ44を当てることでエコー検査可能となるようにする。超音波エコーはすべての位置から施行するわけではなく、特定の部位から特定の方向にのみ検査を行うため、このような限定的な教材でも十分役に立つ。図16(b)では窓45を1箇所しか設けていないが、2箇所以上設けてもよいことはもちろんである。 Here, as shown in FIG. 14C, the intermediate signal structure 32 and the high signal structure 33 are created by a two-color printing RP system to be an internal model 41. Next, as shown in FIG. 14 (d), a model that covers the outside is created from the inversion information of the non-signal tissue 31 + the intermediate signal tissue 32 + the high signal tissue 33, and is defined as the outer model 42. The outer model 42 can be opened like a mold using three-dimensional CAD software. The inner model 41 and the outer model 42 are connected to each other so that they can be stably combined. As shown in FIG. 15, the outer model 42 is filled with the gel 43 in a state where the inner model 41 is installed. As the material of the gel 43, an ultrasonic jelly can be used. The transparency is controlled by adding additives to this jelly. Further, the signal characteristics in the ultrasonic inspection apparatus are changed by changing the amount of the additive added to match the signal intensity. As shown in FIG. 16A, when the gel 43 is hardened, the outer model 42 is opened and taken out. The outer periphery is coated for stability. When the structure is large and stability cannot be maintained, as shown in FIG. 16 (b), a window 45 is attached to the outer model 42, the film is lined, and the probe 44 is applied from that portion to perform an echo inspection. Make it possible. Ultrasound echoes are not performed from all positions, but are only useful in such limited teaching materials because they are examined only in a specific direction from a specific site. In FIG. 16B, only one window 45 is provided, but it is needless to say that two or more windows 45 may be provided.
3.教育・臨床における使い方
(1)使い方A
作成法Aにより作成された人体模型の使い方を説明する。すなわち、超音波透過性を持たないが半透明で中を透視することが可能な教材は、CTやMRI、超音波検査における三次元的な構造把握に有用である。健康な人のデータと疾患データから作成することで三次元的に違いを理解することも可能である。また診断で重要な断面が見えるようにCADで断面を設定することで、特定の疾患検出に役立つ教材を作成することが可能である。
3. How to use in education and clinical practice (1) How to use A
How to use the human body model created by the creation method A will be described. That is, teaching materials that do not have ultrasonic transparency but are translucent and can be seen through are useful for grasping the three-dimensional structure in CT, MRI, and ultrasonic examination. It is also possible to understand the difference in three dimensions by creating from healthy human data and disease data. Moreover, it is possible to create teaching materials useful for detecting a specific disease by setting the cross section with CAD so that an important cross section can be seen in the diagnosis.
(2)使い方B
作成法Bにより作成された人体模型の使い方を説明する。すなわち、超音波透過性をもち半透明で中を透視することが可能な教材は、超音波検査の練習に有用である。特に超音波ガイド下における腫瘍穿刺や麻酔のための神経穿刺は患者ごとの違いが大きいため個別の対応が必要である。施術前に患者模型を作成することで術式のシュミレーションを行うことが可能である。
(2) How to use B
How to use the human body model created by the creation method B will be described. That is, teaching materials that are ultrasonically transparent and translucent and can be seen through are useful for practicing ultrasonic examination. In particular, tumor puncture under an ultrasound guide and nerve puncture for anesthesia have great differences between patients, and individual measures are required. It is possible to simulate the surgical procedure by creating a patient model before the operation.
RPシステムは鋳型を作って大量生産する製品と違い、作成ごとに鋳型は作らずにCADデータからのみ作成される。そのため少量多品種作成に向いている。この特性を利用してオーダーメード治療のためのシュミレーションを行うことが可能である。 The RP system is created only from CAD data, without creating a mold every time it is created, unlike a product that mass-produces by creating a mold. Therefore, it is suitable for making small quantities and many varieties. It is possible to perform simulation for customized treatment using this characteristic.
以上のように、本発明の実施形態における人体模型作成システムによれば、人体の三次元データに基づいて透明な素材で人体の模型を作成するようにしているので、中が透けて見える医療教育・診療に有用な人体の模型を作成することができる。透明度をもち、超音波透過性に優れた素材を用いることで、中を透かして見ながら超音波検査の練習をすることが可能である。更に、RPシステムを用いて実寸どおりに模型を作成することができ、目的によって素材の色、透明度、超音波特性、硬さなどの特性を容易に変えることができる。 As described above, according to the human body model creation system in the embodiment of the present invention, since the human body model is created with a transparent material based on the three-dimensional data of the human body, medical education can be seen through the inside.・ Model of human body useful for medical care can be created. By using a material with transparency and excellent ultrasonic transmission, it is possible to practice ultrasonic inspection while seeing through the inside. Furthermore, a model can be created in actual size using the RP system, and characteristics such as color, transparency, ultrasonic characteristics, and hardness of the material can be easily changed depending on the purpose.
4.特願2010−172482に記載の組織抽出システム
本発明者は、画像を用いて組織を効率よく抽出することができる組織抽出システムを提案している。以下、この組織抽出システムを図面に従って詳細に説明する。
4). The tissue extraction system described in Japanese Patent Application No. 2010-172482 The present inventor has proposed a tissue extraction system that can efficiently extract a tissue using an image. Hereinafter, this tissue extraction system will be described in detail with reference to the drawings.
(1)組織抽出システムの構成
図17は、本発明の実施形態における組織抽出システム10の構成図である。この組織抽出システム10は、MRI画像を用いて被検体の組織を抽出するシステムであって、機能的には、撮像部11と、変換部12と、抽出部13と、加工部14と、メモリ15と、表示部16とを備えている。もちろん、情報を入力するための入力部や他のシステムと通信するための通信部などその他の処理部も備えているが、ここでは図示していない。
(1) Configuration of Tissue Extraction System FIG. 17 is a configuration diagram of the tissue extraction system 10 in the embodiment of the present invention. The tissue extraction system 10 is a system that extracts a tissue of a subject using an MRI image. Functionally, the tissue extraction system 10 includes an imaging unit 11, a conversion unit 12, an extraction unit 13, a processing unit 14, and a memory. 15 and a display unit 16. Of course, other processing units such as an input unit for inputting information and a communication unit for communicating with other systems are also provided, but they are not shown here.
撮像部11は、座標軸をそろえて複数のMRIシークエンスを撮像するMRI等である。変換部12は、撮像部11により撮像された複数のMRIシークエンスを、そのMRIシークエンスを座標軸にとったヒストグラム空間に変換する。抽出部13は、変換部12により変換されたヒストグラムの分布から被検体の組織を抽出する。加工部14は、抽出部13により抽出された結果を用いて各種の加工処理を行う。メモリ15は、各処理部の処理結果など各種データを記憶する。表示部16は、メモリ15に記憶されたデータを表示する液晶ディスプレイ等である。変換部12、抽出部13、加工部14、メモリ15、表示部16は画像処理ワークステーションに搭載することができる。画像処理ワークステーションは高度な画像処理を専門に行うための装置であるが、詳細については後述する。 The imaging unit 11 is an MRI or the like that images a plurality of MRI sequences with the coordinate axes aligned. The conversion unit 12 converts the plurality of MRI sequences imaged by the imaging unit 11 into a histogram space using the MRI sequences as coordinate axes. The extraction unit 13 extracts the tissue of the subject from the histogram distribution converted by the conversion unit 12. The processing unit 14 performs various types of processing using the results extracted by the extraction unit 13. The memory 15 stores various data such as processing results of the processing units. The display unit 16 is a liquid crystal display or the like that displays data stored in the memory 15. The conversion unit 12, the extraction unit 13, the processing unit 14, the memory 15, and the display unit 16 can be mounted on an image processing workstation. The image processing workstation is an apparatus for specialized in advanced image processing, and details thereof will be described later.
(2)CT画像の特徴と画像処理
組織抽出システム10の構成を詳しく説明する前に、CT(Computed Tomography)の機能を概観して画像処理が重要となってきた経緯について説明する。レントゲン写真は、被検体に放射線を照射し、被検体の後ろ側に放射線を感知するフィルムをおいて撮影するという二次元のシステムである。CTは、放射線源と受信機を回転させながら撮影してデータを計算することで断面像を作成するシステムである。1990年代まではスライス厚が3−5mm厚のデータであったため、一度の検査で画像枚数が100枚を超えることは少なく、画像をフィルムに焼いて診断していた。
(2) Features and image processing of CT image Before describing the configuration of the tissue extraction system 10 in detail, the function of CT (Computed Tomography) will be reviewed to explain the background of the importance of image processing. X-ray photography is a two-dimensional system in which a subject is irradiated with radiation and a film that senses radiation is placed behind the subject. CT is a system that creates a cross-sectional image by taking images while rotating a radiation source and a receiver and calculating data. Until the 1990s, since the slice thickness was 3-5 mm, it was rare that the number of images exceeded 100 in a single inspection, and images were burned on a film for diagnosis.
その後、ヘリカルCTが開発されて、スライス厚が0.5−1mmとなり、検出器の多列化によって被爆量が減少したことから撮影時間が短くなった。たとえば、頭から足までの撮影は10数秒で可能となり、画像枚数も1000枚を超えるようになった。そのおかげで交通外傷などにより意識がなく損傷部位が分からない場合でも、頭部・胸部・腹部・骨盤などを一度に診断することが可能となり、救命率が上昇した。しかし、1000枚以上の画像がある場合、それら画像をフィルムに焼くのはコスト的に問題があるため、医用画像表示用に開発された医療用ディスプレーの普及が進んでいる。 Later, helical CT was developed, the slice thickness became 0.5-1 mm, and the exposure time decreased due to the increased number of detectors, and the imaging time was shortened. For example, it is possible to shoot from the head to the foot in 10 or more seconds, and the number of images has exceeded 1000. Thanks to this, even if there is no awareness due to traffic injury or the like, it is possible to diagnose the head, chest, abdomen, pelvis, etc. all at once, and the lifesaving rate has increased. However, when there are 1000 or more images, there is a problem in cost to burn these images on a film. Therefore, medical displays developed for displaying medical images are becoming popular.
一方、複雑な骨折を診断する場合、平面画像の集合であるCT画像を並べて頭の中で骨の立体構造を構築するのは難しいので、CT画像をもとに三次元画像を作成する需要が発生した。スライス厚が厚い時代には解像度の低い三次元画像しか作成できなかったが、スライス厚が薄くなった結果、非常に美しい三次元画像を作成できるようになった。 On the other hand, when diagnosing complex fractures, it is difficult to construct a three-dimensional structure of bones in the head by arranging CT images, which are a set of planar images, and there is a demand for creating a three-dimensional image based on CT images. Occurred. When the slice thickness was thick, only 3D images with low resolution could be created. However, as the slice thickness was reduced, very beautiful 3D images could be created.
CT画像の信号はハンスフィールド値(HU値)といい、MRIと違って水が0、空気が−1000となるように標準化されているため、筋肉や骨の信号分布はあらかじめ分かっている。骨の信号分布(だいたい200以上)の部位だけを抽出すれば骨の領域だけが得られ、その情報をもとに骨の三次元画像を自動で作成することができる。同様に内臓や筋肉などの信号分布も分かっているため、特定組織の三次元画像を自動で作成することも可能である。そのため、信号分布が他の組織と重なっていない組織ほど三次元化が容易である。血管などは筋肉などの軟部組織の信号分布と似ているので、血管だけを抽出するのは困難である。そこで、人体に安全でCT値が高い造影剤をCT撮影直前に静脈投与することで血管のコントラストをつけることができる。造影剤の信号値は骨の信号分布と似ている。そのため、造影CT画像だけから血管だけを抽出することは困難であるが、造影前のCT画像と造影後のCT画像を逆算することで血管だけを抽出することができる。このような高度な画像処理を専門に行っているのが画像処理ワークステーションである。なお、MRIでも造影検査は可能である。 The CT image signal is called a Hansfield value (HU value), and unlike MRI, it is standardized so that water is 0 and air is -1000, so the signal distribution of muscles and bones is known in advance. By extracting only the part of the bone signal distribution (approximately 200 or more), only the bone region can be obtained, and a three-dimensional image of the bone can be automatically created based on the information. Similarly, since the signal distribution of internal organs and muscles is known, it is also possible to automatically create a three-dimensional image of a specific tissue. Therefore, the three-dimensionalization is easier for a tissue whose signal distribution does not overlap with other tissues. Since blood vessels are similar to the signal distribution of soft tissues such as muscles, it is difficult to extract only blood vessels. Therefore, a blood vessel contrast can be provided by intravenously administering a contrast agent that is safe to the human body and has a high CT value immediately before CT imaging. The signal value of the contrast agent is similar to the bone signal distribution. Therefore, it is difficult to extract only blood vessels from only contrast CT images, but only blood vessels can be extracted by back-calculating CT images before contrast and CT images after contrast. An image processing workstation specializes in such advanced image processing. Contrast inspection is also possible with MRI.
(3)医療画像規格の標準化と画像処理ワークステーション産業の出現
次に、臨床画像市場の歴史を概観して現状を把握する。従来、医療画像メーカーは独自規格の機器ばかり製造し、各社が囲い込みを行った結果、個々の医療機関では同じメーカーの機器しか使用できずコストも高くついた。そこで、アメリカの放射線専門医会と北米電子機器工業会が協議してDICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)規格を定めた。その結果、違うメーカー同士でも画像のやり取りを行うことができるようになった。
(3) Standardization of medical image standards and the emergence of the image processing workstation industry Next, we will review the history of the clinical image market and grasp the current situation. Traditionally, medical image manufacturers have manufactured only proprietary equipment, and each company has enclosed. As a result, each medical institution can only use equipment from the same manufacturer, resulting in high costs. Therefore, the American Radiologist Association and the North American Electronics Manufacturers Association discussed and established the DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) standard. As a result, different manufacturers can exchange images.
これによる市場への影響は二つある。一つ目は市場規模が拡大したことである。DICOM規格に則れば、欧米でもアジアでも売ることができるため市場が急激に拡大した。二つ目はメーカーの分業化が進んだことである。MRI、CT、画像サーバー、画像処理ワークステーション、医療用ディスプレー会社と専門会社に細分化していった。これら二つの要素があいまって世界中に医療画像関係のメーカーが出現し、技術革新の速度が速まった。現在、日本の大病院では画像処理ワークステーションが導入され、CT、MRIを撮影する部門と三次元などの画像処理の部門とに分業されている。 This has two effects on the market. The first is that the market size has expanded. According to the DICOM standard, the market has expanded rapidly because it can be sold in Europe, America and Asia. Second, the division of labor among manufacturers has progressed. MRI, CT, image server, image processing workstation, medical display company and specialized company. Combining these two factors, medical image manufacturers have appeared around the world, and the speed of technological innovation has increased. At present, image processing workstations are introduced in large hospitals in Japan, and are divided into departments that take CT and MRI images and departments that process images such as 3D.
画像処理ワークステーション会社の収益源はサポート費用である。通常は高機能PCに専用ソフトを搭載した状態で出荷するが、PCの性能は数年おきに上昇するため、購入時に最速であったとしてもすぐに陳腐化する。そのため、数年おきに更新可能とし、保守点検料で稼ぐビジネスモデルが多い。他社と差別化するためいろいろな画像処理機能を追加して市場価値を高めている。初期にはCTの三次元化などの機能だけであったが、近年はMRIの画像処理機能も搭載するようになってきた。本発明は、このような画像処理ワークステーションに搭載される画像処理ソフトにアドインとして追加することができる。 The revenue source of image processing workstation companies is support costs. Usually, high-function PCs are shipped with dedicated software installed, but the performance of PCs increases every few years, so even if it is the fastest at the time of purchase, it will soon become obsolete. For this reason, there are many business models that can be renewed every few years and earn with maintenance inspection fees. In order to differentiate it from other companies, various image processing functions have been added to increase the market value. Initially, it had only functions such as three-dimensional CT, but in recent years it has also been equipped with MRI image processing functions. The present invention can be added as an add-in to image processing software installed in such an image processing workstation.
(4)MRI画像をCT画像のように画像処理する手法
ヒストグラム空間を用いたMRI画像信号の標準化について説明する。MRI画像の問題点は信号が検査ごとに変化する相対値であることである。すなわち、CT画像の信号値は水を0、空気を−1000として標準化されているため、特定の組織を信号値だけを頼りに抽出することができる。一方、MRIでは、信号値だけから特定の組織を自動抽出することは困難であり、自動抽出をするには組織ごとの信号分布を知る必要がある。
(4) Method for processing an MRI image like a CT image Standardization of an MRI image signal using a histogram space will be described. The problem with MRI images is that the signal is a relative value that changes from inspection to inspection. That is, since the signal value of the CT image is standardized with 0 for water and -1000 for air, a specific tissue can be extracted by relying only on the signal value. On the other hand, in MRI, it is difficult to automatically extract a specific tissue from only a signal value, and it is necessary to know a signal distribution for each tissue in order to perform automatic extraction.
そこで、本発明の実施形態における組織抽出システム10では、MRI画像信号のヒストグラム(度数分布)から組織を抽出する手法を採用している。すなわち、HU値のように特定の物質を撮影した信号値から標準化するのではなく、信号分布から組織を分離するのが目標である。 Therefore, the tissue extraction system 10 according to the embodiment of the present invention employs a technique for extracting a tissue from a histogram (frequency distribution) of an MRI image signal. That is, the goal is to separate the tissue from the signal distribution, rather than standardizing from the signal value obtained by photographing a specific substance like the HU value.
MRIで単一のシークエンスのヒストグラムを作成すると、複数のピークが連なった分布を得ることができる。しかし分布の重なりが広いため、単一のシークエンスのヒストグラム分布から、それぞれの組織分布を分離することが困難である。それぞれの組織信号分布が広く、お互いの信号分布が重なっていることが原因である。そのため、ヒストグラムから組織を分離するのは困難とされてきた。 When a histogram of a single sequence is created by MRI, a distribution in which a plurality of peaks are connected can be obtained. However, since the distribution overlap is wide, it is difficult to separate each tissue distribution from a single sequence histogram distribution. This is because each tissue signal distribution is wide and the signal distributions overlap each other. Therefore, it has been difficult to separate the tissue from the histogram.
しかし、座標軸をそろえて複数のシークエンスを撮影すれば、そのヒストグラムから組織を分離することが可能となる。「座標軸をそろえて撮影する」とは、被検体の撮像条件(撮像範囲や撮像倍率など)を固定した状態で撮影することを意味する。各シークエンスの信号値を(x,y,z)=Sn(Sは指定された座標での信号値、nはシークエンス番号)とすると、それぞれのシークエンスを統合すれば(x,y,z)=(S1,S2,・・・,Sn)となる。そこで、シークエンスをそれぞれ座標軸にとったヒストグラム空間H(S1,S2,・・・,Sn)に変換する。これにより、各シークエンスでは信号分布が重なっていた組織もヒストグラム空間では分離される。すなわち、1変量では区別できない2群も多変量にすると区別できることがある。本発明では、このような多変量解析の手法を用いることで、複数のMRIシークエンスをヒストグラム空間に変換して組織分離効率を高めることを可能としている。 However, if a plurality of sequences are photographed with the coordinate axes aligned, the tissue can be separated from the histogram. “Capturing with coordinate axes aligned” means capturing with a fixed imaging condition (imaging range, imaging magnification, etc.) of the subject. Assuming that the signal value of each sequence is (x, y, z) = Sn (S is a signal value at a designated coordinate, n is a sequence number), if the respective sequences are integrated, (x, y, z) = (S1, S2,..., Sn). Therefore, the sequence is converted into a histogram space H (S1, S2,..., Sn) having coordinate axes. As a result, the tissues in which the signal distributions overlap in each sequence are also separated in the histogram space. That is, two groups that cannot be distinguished by univariate may be distinguished by making them multivariate. In the present invention, by using such a multivariate analysis technique, it is possible to convert a plurality of MRI sequences into a histogram space to increase the tissue separation efficiency.
撮影した部位が分かっていれば、その部位内にある組織の種類が分かるため、ヒストグラム空間内での信号パターンからどの分布が特定の組織であるかを同定することができる。ヒストグラム空間内での信号の集まりを「島」とすると、それぞれの島がどの組織であるか分かることになる。撮影シークエンスの微妙な設定によって島の厳密な位置は変化するが分布パターンは変わらない。たとえば、膝関節でT1強調画像、T2強調画像、T2*(スター)強調画像を撮影してヒストグラム空間に変換すると、水分・骨髄・脂肪・筋肉などの島が形成される。年齢による筋肉の変性などがあった場合、島と島の距離は変わるが、島の位置の順番関係が変わるほどではない。この特性を用いて信号値の標準化と組織抽出を行うことができる。 If the imaged part is known, the type of tissue in the part can be known, so it is possible to identify which distribution is a specific tissue from the signal pattern in the histogram space. If the collection of signals in the histogram space is “islands”, it is possible to know which organization each island is. The exact position of the island changes depending on the subtle setting of the shooting sequence, but the distribution pattern does not change. For example, when a T1-weighted image, a T2-weighted image, or a T2 * (star) weighted image is photographed at the knee joint and converted into a histogram space, islands such as water, bone marrow, fat, and muscle are formed. When there is muscle degeneration due to age, the distance between islands changes, but not so much as the order of island positions changes. This characteristic can be used to standardize signal values and extract tissues.
(5)ヒストグラム空間の処理
図18は、本発明の実施形態におけるヒストグラム空間の処理を示すフローチャートである。本質的には座標に対して組織マスクラベルすることが重要である。以下、それぞれの処理を詳細に説明する。
(5) Processing of Histogram Space FIG. 18 is a flowchart showing processing of the histogram space in the embodiment of the present invention. Essentially it is important to label the tissue mask against the coordinates. Hereinafter, each processing will be described in detail.
(5−1)ヒストグラム空間への展開
各シークエンスの信号値を(x,y,z)=Snとする。Snの最小値・最大値はシークエンス、MRIの機種、設定で変化するため、最終的にはSnを標準化したrSnに変換すること(下記5−2の段階)を考える。
(5-1) Expansion to Histogram Space The signal value of each sequence is (x, y, z) = Sn. Since the minimum and maximum values of Sn vary depending on the sequence, MRI model, and settings, it is considered to finally convert Sn into standardized rSn (step 5-2 below).
そこで、変換部12は、図19(A)に示すように、複数のシークエンスを統合してマルチシークエンス行列S(x,y,z)=(S1,S2,・・・, Sn)にデータ配列する(図18、ステップ1)。次に、図19(B)に示すように、ヒストグラム空間H(S1,S2,・・・,Sn)=mに度数分布を計算して展開する(図18、ステップ2)。 Therefore, as shown in FIG. 19A, the conversion unit 12 integrates a plurality of sequences and arranges data into a multi-sequence matrix S (x, y, z) = (S1, S2,..., Sn). (FIG. 18, step 1). Next, as shown in FIG. 19B, the frequency distribution is calculated and expanded in the histogram space H (S1, S2,..., Sn) = m (FIG. 18, step 2).
(5−2)島の解析と標準化
ヒストグラム空間は隙間の多い分布となるため、単一のシークエンスよりも分離が容易となる。人によって筋肉が多い、骨が多いなどの違いはあるが、ヒストグラム空間での信号分布・島の分布は変わらない。しかし、この段階では信号値が標準化されていないので、まずは島の分布状況から島の組織名を同定する。関節を例に挙げると、シークエンスがT1強調画像、T2強調画像、T2*強調脂肪抑制画像である場合は、図20に示すように、(A)水分、(B)脂肪、(C)骨髄、(D)筋肉・軟骨、(E)空気・骨・靱帯がそれぞれ別の島に分離される。このヒストグラムを三次元で表すと図21のようになる。
(5-2) Analysis and standardization of islands Since the histogram space has a distribution with many gaps, it is easier to separate than a single sequence. There are differences such as many muscles and many bones depending on the person, but the signal distribution and island distribution in the histogram space do not change. However, since the signal value is not standardized at this stage, the island organization name is first identified from the island distribution. Taking a joint as an example, when the sequence is a T1-weighted image, a T2-weighted image, or a T2 * -weighted fat suppression image, as shown in FIG. 20, (A) moisture, (B) fat, (C) bone marrow, (D) Muscle / cartilage and (E) Air / bone / ligament are separated into separate islands. This histogram is represented in three dimensions as shown in FIG.
そこで、抽出部13は、図22に示すように、ヒストグラム空間上の島の中心位置Pを計算し、その中心位置Pをもとに標準化を行う(図18、ステップ3→4)。検査ごとに誤差がある程度生じるが、島の中心位置Pはそれほど動かないため標準化に有用である。 Therefore, as shown in FIG. 22, the extraction unit 13 calculates the center position P of the island in the histogram space, and performs standardization based on the center position P (FIG. 18, step 3 → 4). Although an error occurs to some extent for each inspection, the center position P of the island does not move so much, which is useful for standardization.
具体的には、健常人をもとに作成した組織ごとの島中心データを用いて標準化を行う。たとえば、1.5T MRIで膝コイルを用いてT1強調画像、T2強調画像、T2*強調脂肪抑制画像を撮影したとき、膝の脂肪信号の中心がヒストグラム空間でH(200,200,100)であったとする。そのMRIでの膝の脂肪信号の島中心データがrH(150,200,60)であった場合、変換変数Aは“A*H=rH”よりA=(0.75,1.0,0.6)となる。島中心には信号値が大きな組織を選ぶと再現性が高くなる。この方法は線形変換であるが、より標準化精度を高めるためには、分布パターンの類似性を利用した非線形的な変換が有効となる。 Specifically, standardization is performed using island center data for each organization created based on healthy individuals. For example, when a T1-weighted image, a T2-weighted image, and a T2 * -weighted fat suppression image are taken using a knee coil at 1.5 T MRI, the center of the knee fat signal is H (200, 200, 100) in the histogram space. Suppose there was. When the island center data of the knee fat signal in the MRI is rH (150, 200, 60), the conversion variable A is A = (0.75, 1.0, 0) from “A * H = rH”. .6). In the center of the island, reproducibility increases if a tissue with a large signal value is selected. This method is a linear transformation, but in order to further improve the standardization accuracy, a nonlinear transformation using the similarity of distribution patterns is effective.
(5−3)組織ラベリング
次に、抽出部13は、ヒストグラム空間座標と組織とを対応付けるためのラベリングを行う(図18、ステップ5)。ある空間に筋肉があるか骨があるかなどを排他的に指定することは困難である。どのように画像検査の精度が向上しても、ボクセル(volume pixel)のサイズは細胞レベルまで小さくならないので、あるボクセルにいろいろな組織が入ってしまうことになる。そこで、組織ごとの存在確率をボクセルごとに指定する方法を考える。
(5-3) Tissue Labeling Next, the extraction unit 13 performs labeling for associating the histogram space coordinates with the tissue (FIG. 18, step 5). It is difficult to exclusively specify whether a certain space has muscles or bones. No matter how the accuracy of the image inspection is improved, the size of the voxel (volume pixel) is not reduced to the cell level, so that various tissues are contained in a certain voxel. Therefore, a method of specifying the existence probability for each organization for each voxel is considered.
すなわち、ヒストグラム空間の島中心からの距離で存在確率を組織ごとに決定する。島の中心付近は、その組織である確率が100%であるとする。島の中心から離れた場合の確率指定には周囲の信号分布情報が必要なため、単純に島の中心からの距離で存在確率を決定することはできない。なぜなら、二つの組織が近接している場合、中心から離れるに従い組織の存在確立は急激に低下する。撮像部位にどのような組織があるかで存在確立のパターンは変化する。 That is, the existence probability is determined for each organization based on the distance from the island center in the histogram space. It is assumed that the probability of being an organization near the center of the island is 100%. Since the surrounding signal distribution information is required for specifying the probability in the case of being away from the center of the island, the existence probability cannot be determined simply by the distance from the center of the island. This is because, when two tissues are close to each other, the establishment of the existence of the tissue rapidly decreases as the distance from the center increases. The existence establishment pattern changes depending on what kind of tissue exists in the imaging region.
このようにヒストグラム空間での組織分類は撮影部位ごとに微妙に変化するため、各部位ごとに、組織の島中心が決定され標準化された場合の確率分布ライブラリーを作成しておく。このようにすれば、確率分布ライブラリーを用いて自動で組織ラベリングを行うことができる。 As described above, since the tissue classification in the histogram space slightly changes for each imaging region, a probability distribution library is created for each region when the island center of the tissue is determined and standardized. In this way, tissue labeling can be automatically performed using the probability distribution library.
自動化せずに手作業で組織ラベリングを行う場合、確率分布ライブラリーは必要ない。たとえば、ヒストグラム空間での信号分布を表示部16に表示するようにし、ユーザがその信号分布を見ながらヒストグラム空間でどの範囲までがどの組織にあたるかを指定することもできる。確立分布ライブラリーがない部位についてはこの方法が必要である。 Probability distribution libraries are not required if tissue labeling is performed manually without automation. For example, the signal distribution in the histogram space can be displayed on the display unit 16, and the user can specify which range corresponds to which tissue in the histogram space while viewing the signal distribution. This is necessary for sites that do not have an established distribution library.
図23は、表示部16における画面表示例を示す図である。表示部16には、ヒストグラム空間を三面図などを用いて表示することができる。この図に示すように、表示エリア16aには操作ボタン群が配置され、この操作ボタン群を用いて各種の操作を指示できるようになっている。たとえば、表示エリア16bでは、各シークエンスの配色を選択することができ、また、表示エリア16cでは、各シークエンスのシグナル変換レベルやガンマ補正の設定をすることができる(後述する)。更に、表示エリア16dでは、特定の信号範囲(図中の矩形領域)を選択して囲んでいくことでヒストグラム空間での特定組織分布を指定することができる。この矩形領域に含まれる点の情報を集めると、結果的にその組織が存在している座標情報のリストが得られ、任意の組織を抽出することができる(図18、ステップ6)。 FIG. 23 is a diagram illustrating a screen display example in the display unit 16. The display unit 16 can display the histogram space using a three-view diagram. As shown in this figure, an operation button group is arranged in the display area 16a, and various operations can be instructed using this operation button group. For example, the color arrangement of each sequence can be selected in the display area 16b, and the signal conversion level and gamma correction of each sequence can be set in the display area 16c (described later). Furthermore, in the display area 16d, a specific tissue distribution in the histogram space can be specified by selecting and surrounding a specific signal range (rectangular region in the figure). Collecting information on the points included in this rectangular area results in a list of coordinate information in which the tissue exists, and an arbitrary tissue can be extracted (FIG. 18, step 6).
ヒストグラム空間での組織分布は重なっていることが多い。単純な矩形領域ではなく複雑な形状の領域選択をすることで効率よく特定組織を抽出することができる。撮影部位ごとにそのような組織抽出パターンのライブラリを作成することが臨床上重要となってくる。 The tissue distribution in the histogram space often overlaps. A specific tissue can be efficiently extracted by selecting a region having a complicated shape instead of a simple rectangular region. It is clinically important to create a library of such tissue extraction patterns for each imaging region.
(6)組織抽出の臨床応用法
座標情報のリストを用いて各シークエンスで共通な特定組織のマスクを得ることができる。この組織マスクを用いて行うことができる臨床上重要な応用法は以下の項目である。
(6) Clinical Application Method for Tissue Extraction A common tissue mask common to each sequence can be obtained using a list of coordinate information. The clinically important application methods that can be performed using this tissue mask are the following items.
(6−1)病的組織のハイライト化と自動診断
腫瘍組織などは通常の信号パターンを示さないため、ヒストグラム空間内で通常認めない島として出現する。そこで、加工部14は、抽出部13により抽出された組織のうち異常信号パターンを示す病的組織をハイライト化する機能を備えている。具体的な方法としては、ヒストグラム空間の島パターンから信号を標準化したのち、異常信号パターンの島(通常認めない島)にあたる信号を赤などで表示する。このようにすると、通常の白黒画像に赤いマスク領域として病的組織がハイライトされる。ソフト上でハイライトのオン・オフ機能をつけておくと理解しやすい。
(6-1) Highlighting and automatic diagnosis of pathological tissue Since tumor tissue does not show a normal signal pattern, it appears as an island that is not normally recognized in the histogram space. Therefore, the processing unit 14 has a function of highlighting a pathological tissue that shows an abnormal signal pattern among the tissues extracted by the extraction unit 13. As a specific method, after standardizing the signal from the island pattern of the histogram space, the signal corresponding to the island of the abnormal signal pattern (island that is not normally recognized) is displayed in red or the like. In this way, the pathological tissue is highlighted as a red mask area in a normal black and white image. It will be easier to understand if you turn on / off highlights on the software.
実際には信号値だけでなく場所や広がりなどから診断するため、ハイライト機能は診断補助として有用である。もちろん、明らかに異常な信号分布であれば信号分布だけから診断を行うことができるので、その診断結果を自動的にユーザに提示する自動診断機能を備えてもよい。しかし、明らかに異常な部位を教えてくれるハイライト機能の方が安心して臨床利用できると思われる。 In practice, the highlight function is useful as a diagnostic aid because diagnosis is based not only on signal values but also on location and spread. Of course, if the signal distribution is clearly abnormal, diagnosis can be performed only from the signal distribution, and therefore an automatic diagnosis function for automatically presenting the diagnosis result to the user may be provided. However, it seems that the highlight function that clearly shows abnormal sites can be used clinically with confidence.
(6−2)注目組織の体積測定による定量化
関節リウマチの滑膜の体積変化や腫瘍の体積変化は薬の効果判定などで利用されている。通常は、最も大きく見える断面図で縦横を測定して疑似的に体積を計算する。特定の組織を抽出するのに人間の眼を用いるため、このような測定方法がとられていた。近年、画像検査の量が膨大になってきたため、このような測定の仕事が増大し、読影する医師の負担が増加している状態である。
(6-2) Quantification by measuring the volume of the tissue of interest The volume change of the synovium of rheumatoid arthritis and the volume change of the tumor are used for determining the effect of the drug. Usually, the volume is simulated by measuring the length and width in the cross-sectional view that looks the largest. Since the human eye is used to extract a specific tissue, such a measurement method has been taken. In recent years, since the amount of image inspection has become enormous, the work of such measurement has increased, and the burden on the interpreting doctor has increased.
自動的に特定組織の領域を抽出することができれば、抽出されたボクセルの数を数えるだけで複雑な形状でも自動的に体積を測定することができる。そこで、加工部14は、抽出部13により抽出された組織の領域に属するボクセルの数から当該組織の体積を測定する機能を備えている。同一人物の治療前後のMRI検査のデータセットに対して、ヒストグラム空間の同じ部位を抽出して組織体積を比較することで、再現性の高い病的組織の比較が可能となり、治療効果判定に有用である。 If an area of a specific tissue can be automatically extracted, the volume can be automatically measured even with a complicated shape by simply counting the number of extracted voxels. Therefore, the processing unit 14 has a function of measuring the volume of the tissue from the number of voxels belonging to the tissue region extracted by the extraction unit 13. By extracting the same part of the histogram space and comparing the tissue volume for the MRI examination data set before and after treatment for the same person, it becomes possible to compare pathological tissues with high reproducibility and useful for judging treatment effects It is.
(6−3)実体模型作製やナビゲーション
CT、MRIの三次元データから実寸大の模型を作成して骨モデルを作成し、その骨モデルに対してプレートの術前ベンディングを行っている。また、骨の三次元形状が分かればナビゲーション手術用のデータに利用することもできる。MRIの三次元データはCTの三次元データに劣るとされていたが、マルチシークエンスで抽出すれば組織コントラストが上昇するため抽出精度が上昇する。そこで、加工部14は、抽出部13により抽出された組織の座標情報を抽出することで組織の三次元データを作成する機能を備えている。この場合、組織の存在を「あり=1」「なし=0」としたマスクデータが必要であるが、本発明によれば、ヒストグラム空間から領域選択して座標情報を抽出するだけで実現することができる。
(6-3) Realistic Model Production and Navigation A full-scale model is created from three-dimensional CT and MRI data to create a bone model, and plate preoperative bending is performed on the bone model. Further, if the three-dimensional shape of the bone is known, it can be used for navigation surgery data. MRI three-dimensional data is considered to be inferior to CT three-dimensional data. However, extraction by multi-sequence increases the tissue contrast and thus the extraction accuracy increases. Therefore, the processing unit 14 has a function of creating the three-dimensional data of the tissue by extracting the coordinate information of the tissue extracted by the extraction unit 13. In this case, the mask data in which the existence of the tissue is “present = 1” and “none = 0” is necessary. However, according to the present invention, this can be realized only by selecting an area from the histogram space and extracting coordinate information. Can do.
(6−4)マルチシークエンスカラーマップ
複数のシークエンスそれぞれをRGBに変換して表示部16に表示すれば、複数のシークエンスを同時に診断することができる。そこで、加工部14は、各錐体細胞と各MRIシークエンスとを対応付け、その対応関係に基づいて複数のMRIシークエンスそれぞれをRGBに変換することでカラーマップを作成する機能を備えている。
(6-4) Multi-sequence color map If each of a plurality of sequences is converted into RGB and displayed on the display unit 16, a plurality of sequences can be diagnosed simultaneously. Therefore, the processing unit 14 has a function of creating a color map by associating each pyramidal cell with each MRI sequence and converting each of the plurality of MRI sequences to RGB based on the correspondence.
すなわち、人間の視細胞には、明暗を認識する桿体細胞と色を認識する錐体細胞があり、錐体細胞には「赤」「緑」「青」の三種類がある。いわゆる三原色である。具体的には、図24に示すように、赤、緑、青を重ね合わせることで「色」を認識している。そこで、図25に示すように、錐体細胞RとT1強調画像、錐体細胞GとT2強調画像、錐体細胞BとT2*強調画像とをそれぞれ対応付ける。この対応付けは、図23の表示エリア16bにおいてT1強調画像をR、T2強調画像をG、T2*強調画像をBに配色することで実現することができる。この状態で各シークエンスを合成すれば、脂肪は黄色で表示され、水は水色で表示されるので、自然な配色で各組織を分類することができる。 That is, human visual cells include rod cells that recognize light and darkness and cone cells that recognize color. There are three types of cone cells: red, green, and blue. So-called three primary colors. Specifically, as shown in FIG. 24, “color” is recognized by superimposing red, green, and blue. Therefore, as shown in FIG. 25, the cone cell R and the T1 weighted image, the cone cell G and the T2 weighted image, and the cone cell B and the T2 * weighted image are associated with each other. This association can be realized by arranging the T1 weighted image in R, the T2 weighted image in G, and the T2 * weighted image in B in the display area 16b of FIG. If each sequence is synthesized in this state, fat is displayed in yellow and water is displayed in light blue, so that each tissue can be classified with a natural color scheme.
(6−4−1)MRI信号は相対値であるため、各シークエンスを標準化しないと毎回色合いが変化してしまい混乱をきたす。このとき、ヒストグラム空間で島分布を用いた組織分類から信号を補正して標準化すれば、検査ごとに同じ色合いで表示することができる。通常、MRI画像は白黒画像であり、読影する医師がコントラストを変化させて読影している。R,G,B信号のそれぞれのコントラスト補正機能を付けることで、ヒストグラム空間での補正がうまくいかなかった時に微調整を加えることができる。この微調整の方法は様々考えられるが、MRI信号値の最小値(信号値0)には空気の信号が集まっているため、最大値をいかに設定するかが重要となる。そこで、図26に示すように、WL(Window Level)とWW(Window Width)の二つの変数を設定すればよい。これら二つの変数の値は、図23の表示エリア16cにおいて微調整することができる。もっと詳細な微調整が必要な場合は、ガンマ補正や、場合によっては自由曲線でのトーンカーブを設定する。 (6-4-1) Since the MRI signal is a relative value, the hue changes every time unless each sequence is standardized, causing confusion. At this time, if the signal is corrected and standardized from the tissue classification using the island distribution in the histogram space, the same color can be displayed for each examination. Usually, the MRI image is a black and white image, and is interpreted by a doctor who interprets images while changing the contrast. By adding a contrast correction function for each of the R, G, and B signals, fine adjustment can be made when correction in the histogram space is not successful. Various methods of fine adjustment are conceivable. However, since air signals are collected at the minimum value (signal value 0) of the MRI signal value, how to set the maximum value is important. Therefore, as shown in FIG. 26, two variables of WL (Window Level) and WW (Window Width) may be set. The values of these two variables can be finely adjusted in the display area 16c of FIG. If more detailed fine adjustment is required, set a gamma correction or, in some cases, a tone curve with a free curve.
(6−4−2)人間の色覚は三種類の錐体細胞でR,G,Bをそれぞれ同時に解析するというシステムであるため、四色以上を同時に解析することはできない(数は少ないが遺伝的に四原色の人もいる。二原色はいわゆる色弱)。しかし、MRIシークエンスが四種類以上になることはよくあるため、これらMRIシークエンスを同時に表示させるには四次元以上の情報を三次元の情報に変換する方法が必要である。 (6-4-2) Since human color vision is a system in which R, G, and B are simultaneously analyzed by three types of pyramidal cells, it is not possible to analyze four or more colors simultaneously (the number is small but genetic) Some people have four primary colors. However, since there are often four or more types of MRI sequences, in order to display these MRI sequences at the same time, a method for converting information of four or more dimensions into three-dimensional information is required.
最も単純な方法は、特定の二つのシークエンスを合成して一次元にする方法である。二次元の信号空間での変換関数を指定することで、特定の二つのシークエンスを合成することができる(式1)。通常は単純な線形変換を用いている(式2)。特定の組織をターゲットに表示能力を上げるために空間上での変換が有効な場合もある(式3)。ヒストグラム空間で島同士の色距離が最も広がるような変換が有用となってくる。 The simplest method is to combine two specific sequences into one dimension. By specifying a conversion function in a two-dimensional signal space, two specific sequences can be synthesized (Formula 1). Usually, a simple linear transformation is used (Equation 2). In some cases, conversion in space is effective in order to increase the display capability for a specific organization (Formula 3). A conversion that maximizes the color distance between islands in the histogram space is useful.
F(S1,S2)=mS (式1)
F(S1,S2)=aS1+bS2 (式2)
F(S1,S2,S3,・・・Sn)=(R,G,B) (式3)
以上のように、本発明の実施形態における組織抽出システム10によれば、複数のMRIシークエンスがヒストグラム空間に変換されて組織分離効率が高まるため、組織を効率よく抽出することができる。しかも、病的組織のハイライト化や自動診断、注目組織の体積測定による定量化、実体模型作製やナビゲーション、マルチシークエンスカラーマップといった臨床上重要な様々な分野に応用することができ、実用的価値が極めて高い発明と言える。MRIはいろいろなシークエンスで撮影することができるので、組織コントラストが違う検査をたくさん行うことができるという利点もある。
F (S1, S2) = mS (Formula 1)
F (S1, S2) = aS1 + bS2 (Formula 2)
F (S1, S2, S3,... Sn) = (R, G, B) (Formula 3)
As described above, according to the tissue extraction system 10 in the embodiment of the present invention, a plurality of MRI sequences are converted into the histogram space and the tissue separation efficiency is increased, so that the tissue can be extracted efficiently. Moreover, it can be applied to various clinically important fields such as highlighting and automatic diagnosis of pathological tissues, quantification by volume measurement of target tissues, creation of solid models and navigation, and multi-sequence color maps. This is an extremely high invention. Since MRI can be taken with various sequences, there is an advantage that many examinations with different tissue contrasts can be performed.
なお、ここではMRI画像を用いる場合を例示したが、CT画像や超音波画像、電子顕微鏡画像などMRI画像以外の画像を用いる場合でも、同一座標から複数の信号を得ることができる構成である以上、本発明を適用することができる。 In addition, although the case where an MRI image is used is illustrated here, even when an image other than an MRI image such as a CT image, an ultrasonic image, or an electron microscope image is used, a plurality of signals can be obtained from the same coordinates. The present invention can be applied.
すなわち、CT装置は単一のエネルギーのみで撮影されていたが、二組のX線管球と検出器がそれぞれ90°だけずれた配置で撮影するDual energy イメージングが近年出現した。結果的に同一座標に二種類の信号を得ることができる。今後は検出器の種類を増やすことによって二種類以上の信号を得る時代がやってくることが予想される。このように同一座標から複数の信号を得ることができる場合は本発明を適用することができ、前記と同様の効果を得ることが可能である。 That is, although the CT apparatus was imaged with only a single energy, dual energy imaging has recently emerged in which two sets of X-ray tubes and detectors are imaged at 90 ° positions. As a result, two types of signals can be obtained at the same coordinates. In the future, it is expected that the era of obtaining two or more types of signals by increasing the number of types of detectors will come. Thus, when a plurality of signals can be obtained from the same coordinates, the present invention can be applied, and the same effects as described above can be obtained.
現在、CTの三次元表示方法には、特定の信号値に対して透明度と色を設定することで三次元表示する方法が利用されている。たとえば骨の三次元表示では、骨の信号値を透明度0(つまり不透明)にして白く表現し、他の部位を透明度100にし、中間部位では色と透明度がグラデーション表示されるようなライブラリを事前に作成しておく。これにより、ワンステップでCTデータから三次元画像を作成することができる。 Currently, CT three-dimensional display methods use three-dimensional display methods by setting transparency and color for specific signal values. For example, in the three-dimensional display of bones, a library in which the bone signal value is expressed as white with transparency 0 (that is, opaque), the other part is set as transparency 100, and the color and transparency are displayed in gradation at the intermediate part in advance. Create it. Thereby, a three-dimensional image can be created from CT data in one step.
この方法を拡張して、ヒストグラム空間内の各点において透明度と色を設定する機能を持てば、自動的に三次元表示することができる。MRIの場合は島情報を用いて各シークエンスを標準化することで、毎回同じような見栄えの三次元画像に変換することができる。島情報を用いても微妙にずれることがあるので標準化係数を各シークエンスごとに指定する機能が必要である。ヒストグラム空間での指定には、矩形だけではなく自由曲線を用いた領域選択を行うことで、ヒストグラム空間で近い組織も効率よく分離することができる。このシステムは三次元画像処理ソフトの領域選択機能を拡張することで作成することができる。 If this method is expanded and a function for setting transparency and color at each point in the histogram space is provided, a three-dimensional display can be automatically performed. In the case of MRI, each sequence can be standardized using island information, so that it can be converted into a three-dimensional image having the same appearance each time. Even if island information is used, there is a slight deviation, so a function for specifying a standardization coefficient for each sequence is necessary. For designation in the histogram space, not only a rectangle but also an area selection using a free curve is performed, so that tissues close to the histogram space can be separated efficiently. This system can be created by extending the area selection function of 3D image processing software.
10 組織抽出システム
11 撮像部
12 変換部
13 抽出部
31 無信号組織
32 中間信号組織
33 高信号組織
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Tissue extraction system 11 Imaging part 12 Conversion part 13 Extraction part 31 No signal structure | tissue 32 Intermediate signal structure | tissue 33 High signal structure | tissue
Claims (4)
前記組織抽出システムは、
座標軸をそろえて複数のシークエンスを撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された複数のシークエンスを、そのシークエンスを座標軸にとったヒストグラム空間に変換する変換部と、
前記変換部により変換されたヒストグラム空間上の島の中心位置を計算し、その中心位置をもとに標準化を行い、前記ヒストグラム空間座標と組織とを対応付けるためのラベリングを行い、被検体の組織を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された組織のうち異常信号パターンを示す病的組織をハイライト化するハイライト化部と、
前記抽出部により抽出された組織の座標情報を抽出することで三次元データを作成する三次元データ作成部とを備え、
前記ヒストグラム空間上の島情報を用いて各シークエンスを標準化する場合は自由曲線を用いた領域選択を行うことで標準化係数を各シークエンスごとに指定し、事前に作成しておいたライブラリを用いて前記ヒストグラム空間内の各点において透明度と色を設定する
ことを特徴とする人体模型作成システム。 A human body model creation system that creates a human body model with a transparent material based on the three-dimensional data of the human body created by the tissue extraction system ,
The tissue extraction system includes:
An imaging unit for imaging a plurality of sequences by aligning coordinate axes;
A conversion unit that converts a plurality of sequences imaged by the imaging unit into a histogram space using the sequences as coordinate axes;
The center position of the island on the histogram space converted by the conversion unit is calculated, standardization is performed based on the center position, labeling for associating the histogram space coordinates with the tissue is performed, and the tissue of the subject is determined. An extractor for extracting;
A highlighting unit for highlighting a pathological tissue showing an abnormal signal pattern among the tissues extracted by the extraction unit;
A three-dimensional data creation unit that creates three-dimensional data by extracting the coordinate information of the tissue extracted by the extraction unit;
When standardizing each sequence using island information on the histogram space, specify a standardization coefficient for each sequence by performing region selection using a free curve, and using the library created in advance, A human body modeling system characterized by setting transparency and color at each point in the histogram space .
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