JP5984114B2 - モデル作成プログラム、モデル作成方法、およびモデル作成装置 - Google Patents
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Description
例えば心臓形状のテンプレートとして用意した3次元モデルを変形し、患者の心臓の3次元モデルを生成する場合を想定する。この場合、一次変形として、テンプレートの弁輪(弁の枠の部分)の位置を、患者の心臓形状に合わせる。一次変形は、後の変形に大きな影響を与えるため、正確に行う必要がある。テンプレートの弁輪の位置を、患者の心臓形状に合わせる場合、従来の手法では、例えば、断層画像における弁輪上の点に対応する点を、手動でテンプレートに設定する。そしてテンプレート上に設定された点が、断層画像における弁輪上の対応する点に合致するように、テンプレートを変形する。しかし、断層画像における弁輪上の点に対応するテンプレート上の点の設定が手動で行われているため、3次元的に確認すると、例えば弁輪同士の相対的な位置関係の整合性が取れず、変形後のモデルが歪む場合がある。
〔第1の実施の形態〕
まず第1の実施の形態について説明する。第1の実施の形態は、生物の器官の正確な3次元モデルを作成するモデル作成装置である。
第1の設定部4は、複数の断層画像1a,1b,1c,1dに表されている第1の部位上に第1の点を設定する。第1の部位は、例えば心臓内の弁の弁輪である。例えば第1の設定部4は、ユーザからの入力によって断層画像上に指定された点を、第1の点として設定する。なお第1の点は、複数設定することができる。
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、心臓の断層画像に基づいて、3次元モデルを作成するものである。
ランドマーク設定部150は、ターゲットランドマークそれぞれに対応するソースランドマークを決定する。ソースランドマークは、テンプレート記憶部120に記憶されたテンプレートデータで示されるテンプレートモデルにおいて、弁輪を形作っている点の中から選ばれる。例えばランドマーク設定部150は、弁輪データ記憶部140に格納された弁輪データで示されるターゲットランドマークの、相対的な位置関係を求める。そしてランドマーク設定部150は、求めた位置関係と同様の位置関係となる、テンプレートモデルの弁輪上の点を、そのターゲットランドマークに対応するソースランドマークに決定する。ランドマーク設定部150は、ターゲットランドマークと、そのターゲットランドマークに対応するソースランドマークとの組を、ランドマークデータとしてランドマークデータ記憶部160に格納する。
テンプレート変形部170は、断層画像とテンプレートモデルとを同一座標系に配置する。そしてテンプレート変形部170は、テンプレートモデルにおけるソースランドマークの位置が、そのソースランドマークに対応するターゲットランドマークの位置に移動するように、テンプレートモデルを変形させる。このときテンプレート変形部170は、3次元モデルの形状が滑らかになるように、形状を補正することができる。テンプレート変形部170は、変形後のテンプレートモデルを、断層画像に映し出された心臓の3次元モデルとして、3次元モデル記憶部180に格納する。
なお弁輪指定部130は、図1に示した第1の実施の形態における第1の設定部4の一例である。またランドマーク設定部150は、図1に示した第1の実施の形態における判断部5と第2の設定部6とを合わせた機能を有する要素の一例である。またテンプレート変形部170は、図1に示した第1の実施の形態における変形部7の一例である。また断層画像記憶部110とテンプレート記憶部120とを合わせた機能は、図1に示した第1の実施の形態の記憶部3の一例である。なお、図3に示した各要素間を接続する線は通信経路の一部を示すものであり、図示した通信経路以外の通信経路も設定可能である。
図4は、心臓の断層画像の一例を示す図である。断層画像記憶部110には、複数の断層画像111,112,113,114,・・・が格納されている。
図5は、テンプレート記憶部のデータ構造の一例を示す図である。テンプレート記憶部120には、テンプレートデータ121が格納されている。テンプレートデータ121は、心臓のテンプレートモデルを3次元で表したデータである。例えばテンプレートデータ121には、データタイプ、頂点数、セル数、頂点座標、セル構成などの情報が含まれる。データタイプは、基本となる要素の形状を示している。例えば、データタイプが「Triangle」であれば、三角形のセルの集合により、テンプレートモデルが形作られている。頂点数は、テンプレートモデルに含まれる頂点の数である。セル数は、テンプレートモデルに含まれるセルの数である。頂点座標は、各頂点の3次元空間での座標である。頂点座標は、頂点数分設定されている。セル構成は、セルの形状を示す頂点のリストである。セル構成は、セル数分設定される。
図6は、弁輪データ記憶部のデータ構造の一例を示す図である。弁輪データ記憶部140には、心臓の弁輪形状を示す弁輪データ141が格納されている。弁輪データ141には、データタイプ、ライン(Line)数、ノード(node)数、ノード座標、ライン(Line)接続情報、重心などの情報が含まれている。弁種は、どの弁の弁輪なのかを示す情報である。データタイプは、弁輪データで表される図形の種別である。例えば弁輪データ141のデータタイプは、線データ(Line Data)である。ライン数は、弁輪を形成するラインの本数である。第2の実施の形態では、僧帽弁・三尖弁・大動脈弁・肺動脈弁それぞれに対応する4つのラインが設定される。ノード数は、弁輪の形状を定義する節点(ノード)の数である。ノード座標は、各節点の3次元空間での座標である。ライン(Line)接続情報は、節点間を接続するラインを定義する情報である。ラインは、隣接する節点間を接続するため、ライン接続情報には、節点の隣接関係が定義される。重心は、弁輪の重心の3次元空間内での位置である。
図7は、ランドマークデータのデータ構造の一例を示す図である。ランドマークデータ記憶部160には、ターゲットランドマークとソースランドマークとの位置を示すランドマークデータ161が格納されている。ランドマークデータ161には、データタイプ、ランドマーク(Landmark)数、ランドマークセット(Landmark set)、ノード座標、節点上データ、どの弁輪部かなどの情報が含まれる。データタイプは、ランドマークの位置を示すデータ種別である。図7の例では、ランドマークデータ161のデータタイプは、点データ(PointData)である。ランドマーク数は、設定されているランドマークの総数である。ランドマークセットは、ランドマークの組がいくつあるかを示している。第2の実施の形態では、ターゲットランドマークの組とソースランドマークの組とが設定されており、ランドマークセットは「2」である。ノード座標は、ランドマークの座標である。節点上データは、例えば、どの弁輪上の節点なのかを示している。
図8は、3次元モデル作成処理の手順の一例を示すフローチャートである。以下、図8に示す処理をステップ番号に沿って説明する。
図9は、断層画像における弁輪部分の拡大図である。図9に示す心臓の断層画像111には、2箇所に弁輪111a,111bが写っている。ユーザは、モニタ11に表示された断層画像111を参照し、弁輪111a,111bの位置を判断する。そしてユーザは、ポインティングデバイスなどを用いて、断層画像111内での弁輪111a,111bの位置をコンピュータ100に入力する。この際、ユーザは、例えば弁輪の種別も合わせて入力する。すると弁輪指定部130が、入力された位置の座標を計算する。
[ステップS111]弁輪指定部130は、断層画像上の点の入力を受け付ける。例えば弁輪指定部130は、モニタ11に表示された断層画像上の位置の入力を受け付ける。すると弁輪指定部130は、表示されている断層画像の位置に応じた3次元空間での座標を判断し、その座標の点をターゲットランドマークとする。また弁輪指定部130は、例えば、弁輪に位置の座標値による入力を受け付けることもできる。また弁輪指定部130は、ターゲットランドマークの削除の場合、既に登録されているターゲットランドマークのリストから1つのターゲットランドマークを選択する入力を受け付けることができる。
[ステップS113]弁輪指定部130は、ターゲットランドマークの追加(add)なのか、ターゲットランドマークの削除(remove)なのかを指定する入力を受け付ける。弁輪指定部130は、入力内容がターゲットランドマークの追加であれば、処理をステップS114に進める。また弁輪指定部130は、入力内容がターゲットランドマークの削除であれば、処理をステップS115に進める。
第2の実施の形態では、入力されたターゲットランドマークが対応するテンプレートの弁輪上にソースランドマークを配置するため、ランドマーク設定部150は、ある一点を開始点に定め順に対応するソースランドマークを配置する。開始点を定める方法として、ランドマーク設定部150は、例えば大動脈弁の弁輪と他の弁の弁輪との配置を利用する。
ここで、テンプレートモデルの僧帽弁の弁輪54の曲線を、vtmp(s)=(xtmp(s),ytmp(s)),s∈[0,1]とする。またターゲットランドマークに基づく弁輪34の曲線を、v(s)=(x(s),y(s)),s∈[0,1]とする。このときランドマーク設定部150は、Pm=min(dis(Om,v(s))となる点Pmと、その点を挟むターゲットランドマーク34a,34bを開始点とする。dis(x,y)はx、yの距離を表す。min(dis(x,y))は、距離の最短値を表す。開始点に決定されたターゲットランドマーク34a,34bの位置をLt 0,Lt 1とする。
[ステップS121]ランドマーク設定部150は、テンプレートデータに基づいて、心臓のテンプレートモデルにおける4つの弁輪の重心を求める。
[ステップS123]ランドマーク設定部150は、弁輪データにおいて、処理対象の弁のターゲットランドマークのうち、大動脈弁の弁輪データ上の重心に近い点を求め、開始点とする。例えばランドマーク設定部150は、処理対象の弁の弁輪の重心と、大動脈弁の弁輪の重心とを結ぶ線分を求める。次にランドマーク設定部150は、求めた線分と、処理対象の弁の弁輪との交点を求める。さらにランドマーク設定部150は、求めた交点を挟む2つのターゲットランドマークを開始点とする。
図15は、ターゲットランドマークに対応付けて設定されたソースランドマークの一例を示す図である。図15の左側には、ターゲットランドマークと、そのターゲットランドマークに基づいて形成されている弁輪31〜34とを示している。また図15の右側には、ソースランドマークと、そのソースランドマークが設定された、テンプレートモデル上の弁輪51〜54とを示している。
まず、弁輪の曲線をv(s)=(x(s),y(s)),s∈[0,1」とする。このときテンプレート変形部170は、以下の式(3)を計算する。
外部エネルギーは、設定したターゲットランドマーク上に置かれた節点が移動しにくいよう、以下の式(7)、式(8)のように定義する。
図19は、テンプレート変形処理の手順の一例を示す図である。以下、図19に示す処理をステップ番号に沿って説明する。
[ステップS132]テンプレート変形部170は、4つの弁それぞれの弁輪について、ステップS133〜S139の処理を実行する。
[ステップS134]テンプレート変形部170は、処理対象の弁輪上の節点数分、ステップS135〜S136の処理を繰り返す。
[ステップS136]テンプレート変形部170は、選択した節点を、エネルギーEが小さくなる方向へ移動させる。なおテンプレート変形部170は、移動させない場合が最もエネルギーEが小さい場合には、節点を移動させない。
[ステップS140]テンプレート変形部170は、4つの弁それぞれの弁輪についてステップS133〜S139の処理が完了した場合、テンプレート変形処理を終了する。またテンプレート変形部170は、処理を行っていない弁輪がある場合、処理をステップS132に進め、その弁輪に対する処理を実行する。
2 3次元モデル
3 記憶部
4 第1の設定部
5 判断部
6 第6の設定部
7 変形部
8 座標系
X モデル作成装置
Claims (10)
- 器官の複数の断層画像に表されている第1の部位上に第1の点を設定し、
前記複数の断層画像に表されている第1の部位の基準位置と、前記複数の断層画像に表されている第2の部位の基準位置とに対する、前記第1の点の相対位置を判断し、
前記器官の構造を表した3次元モデル内の第1の部位の基準位置と、前記3次元モデル内の第2の部位の基準位置とに対する相対位置が、前記第1の点の相対位置と同じとなる第2の点を、前記第1の点に対応付けて、前記3次元モデル内の第1の部位に設定し、
前記複数の断層画像と前記3次元モデルとを同一座標系に配置したときに、前記第2の点が、対応する前記第1の点の位置に合致するように、前記3次元モデルを変形する、
処理をコンピュータに実行させるモデル作成プログラム。 - 前記第1の点の相対位置の判断では、前記複数の断層画像に表されている第1の部位の基準位置と前記複数の断層画像に表されている第2の部位の基準位置とを結んだ線と、該第1の部位の基準点と前記第1の点とを結んだ線との成す角度で、前記第1の点の相対位置を表し、
前記第2の点の設定では、前記3次元モデル内の第1の部位の基準位置と前記3次元モデル内の第2の部位の基準位置とを結んだ線と、前記3次元モデル内の第1の部位の基準位置と前記第2の点とを結んだ線との成す角度が、前記第1の点の相対位置を表す角度と等しくなる、前記3次元モデル内の第1の部位の位置に、前記第1の点に対応する前記第2の点を設定する、
ことを特徴とする請求項1記載のモデル作成プログラム。 - 前記第1の点の設定では、複数の前記第1の点を設定し、
前記第1の点の相対位置の判断では、複数の前記第1の点のうち、前記複数の断層画像に表されている第2の部位に最も近い点を選択し、選択された前記第1の点の相対位置を判断し、
前記第2の点の設定では、前記3次元モデル内の第1の部位の基準位置と、前記3次元モデル内の第2の部位の基準位置とに対する相対位置が、選択された前記第1の点の相対位置と同じとなる前記第2の点を、選択された前記第1の点に対応付けて設定し、複数の前記第1の点間の間隔の比と同じ比の間隔となるように、選択されていない第1の点それぞれに対応する前記第2の点を、前記3次元モデル内の第1の部位に設定する、
ことを特徴とする請求項1または2記載のモデル作成プログラム。 - 前記第1の点の選択では、複数の前記第1の点に基づいて前記複数の断層画像に表されている第1の部位を表す線を求め、該線上で、前記複数の断層画像に表されている第2の部位の重心に最も近い点を求め、該点に最も近い前記第1の点を選択する、
ことを特徴とする請求項3記載のモデル作成プログラム。 - 前記第1の点の相対位置の判断では、前記複数の断層画像に表されている第1の部位の重心を、該第1の部位の基準位置とし、前記複数の断層画像に表されている第2の部位の重心を、該第2の部位の基準位置とし、
前記第2の点の設定では、前記3次元モデル内の第1の部位の重心を、該第1の部位の基準位置とし、前記3次元モデル内の第2の部位の重心を、該第2の部位の基準位置とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のモデル作成プログラム。 - 前記3次元モデルの変形では、前記3次元モデル内の第1の部位を、前記複数の断層画像に表されている第1の部位の画像と照合し、前記3次元モデル内の第1の部位の輪郭が、該画像において輝度値の変化が周囲より大きな位置と重なるように、前記3次元モデル内の第1の部位の形状を修正する、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のモデル作成プログラム。
- 前記3次元モデル内の第1の部位の形状の修正では、前記第1の点の位置に移動された前記第2の点は動かさないように修正を行うことを特徴とする請求項6記載のモデル作成プログラム。
- 前記器官は心臓であり、第1の部位と第2の部位とは、それぞれ心臓の弁であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のモデル作成プログラム。
- コンピュータが、
器官の複数の断層画像に表されている第1の部位上に第1の点を設定し、
前記複数の断層画像に表されている第1の部位の基準位置と、前記複数の断層画像に表されている第2の部位の基準位置とに対する、前記第1の点の相対位置を判断し、
前記器官の構造を表した3次元モデル内の第1の部位の基準位置と、前記3次元モデル内の第2の部位の基準位置とに対する相対位置が、前記第1の点の相対位置と同じとなる第2の点を、前記第1の点に対応付けて、前記3次元モデル内の第1の部位に設定し、
前記複数の断層画像と前記3次元モデルとを同一座標系に配置したときに、前記第2の点が、対応する前記第1の点の位置に合致するように、前記3次元モデルを変形する、
ことを特徴とするモデル作成方法。 - 器官の複数の断層画像に表されている第1の部位上に第1の点を設定する第1の設定部と、
前記複数の断層画像に表されている第1の部位の基準位置と、前記複数の断層画像に表されている第2の部位の基準位置とに対する、前記第1の点の相対位置を判断する第1の判断部と、
前記器官の構造を表した3次元モデル内の第1の部位の基準位置と、前記3次元モデル内の第2の部位の基準位置とに対する相対位置が、前記第1の点の相対位置と同じとなる第2の点を、前記第1の点に対応付けて、前記3次元モデル内の第1の部位に設定する第2の設定部と、
前記複数の断層画像と前記3次元モデルとを同一座標系に配置したときに、前記第2の点が、対応する前記第1の点の位置に合致するように、前記3次元モデルを変形する変形部と、
を有することを特徴とするモデル作成装置。
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