JP6040193B2 - ３次元方向設定装置および方法並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ＣＴ画像およびＭＲＩ画像等に基づく３次元画像から得られる２次元画像を用いて、３次元画像における３次元の方向を設定する３次元方向設定装置および方法並びにプログラムに関するものである。

従来より、ボリュームレンダリング法およびサーフェスレンダリング法等を用いて、ＣＴおよびＭＲＩ等のモダリティにより取得した３次元画像を、２次元の投影画像としてディスプレイに表示することが行われている。このような投影画像は、操作者の表示画面上でのマウス等の操作により、視点の位置を変更することによって、３次元画像の観察対象を移動、拡大縮小および回転等させて表示することができる。例えば、特許文献１には、投影画像において点を指定し、この点を基準として投影面を変更することにより、様々な方向から見た投影画像を生成する手法が提案されている。このように視点の位置を変更して投影画像を移動、拡大縮小および回転等することにより、観察対象を立体的に理解することが可能となる。

また、投影画像における注目領域の立体的な形状の把握を容易に行うために、３次元画像に含まれる構造物上に注目点を指定し、注目点を通る視線方向にアプローチ方向を設定し、投影方向が変更される毎に、アプローチ方向を更新して新たなアプローチ方向を設定する手法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載された手法を用いることにより、注目点が存在する構造物の形状の把握が容易となる。

特開２００９−０２２４７６号公報 特開２００５−３２２２５７号公報

ところで、３次元物体に含まれる血管および気管等の管状構造物については、構造物が延びる方向に追跡してその状態を観察することが必要である。このような管状構造物を含む３次元画像については、投影画像を表示し、その投影画像上に追跡開始点を指定することにより、３次元画像に管状構造物の追跡開始点を指定することができる。しかしながら、３次元画像に含まれる管状構造物は、３次元空間において３次元の方向に延びているにも拘わらず、投影画像には画像上の２次元の情報のみしか存在せず、奥行き方向の情報が存在しないため、投影画像を用いたのでは３次元の方向を指定して管状構造物の追跡を行うことは困難である。また、管状構造物が延びる方向に別の構造物が重なっていたり、追跡すべき管状構造物が抽出されていない場合には、追跡方向を指定することは非常に困難である。とくに、管状構造物が細い血管の場合には、投影画像の奥行き方向に連なる血管を参照することができないため、構造物を追跡するように３次元の方向を指定することは容易ではない。

このため、投影画像に代えて、追跡開始点を含む断面の断面画像上において構造物が延びる方向を追跡方向に指定したり、追跡開始点と奥行きが同一であると仮定して投影画像上で２次元方向に追跡方向を指定したりすることが行われている。しかしながら、いずれの方法も２次元の方向のみしか指定できないため、管状構造物が本来存在しない方向が指定されてしまうおそれがある。

また、特許文献２に記載された手法を用いることにより、注目する物体へのアプローチ方向を設定することができるが、管状構造物については、投影画像において注目する管状構造物よりも視線方向手前側にある構造物が邪魔をすることが多く、適切なアプローチ方向を設定することはできない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、３次元画像から得られる２次元画像を用いて、３次元画像の観察に適した３次元空間内の３次元方向を適切に設定できるようにすることを目的とする。

本発明による３次元方向設定装置は、３次元物体を表す３次元画像から２次元の投影画像を生成する投影画像生成手段と、
投影画像上の目標点となる２次元目標点の指定を受け付ける入力手段と、
３次元画像に２次元目標点に対応する３次元目標点を設定する３次元目標点設定手段と、
３次元目標点に基づいて３次元画像に基準断面を設定する基準断面設定手段と、
３次元画像に含まれる基準断面よりも、３次元目標点を通り基準断面に直交する線上にある基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした、基準断面についての断面２次元画像を生成する断面２次元画像生成手段と、
断面２次元画像を表示する表示手段と、
投影画像を生成し、投影画像を表示し、２次元目標点の指定を受け付け、３次元目標点を設定し、基準断面を設定し、断面２次元画像を生成し、断面２次元画像を表示し、３次元目標点が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とを一致させるための、断面２次元画像に基づく３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力を受け付け、変更された視点位置に基づいて新たな基準断面を設定し、新たな基準断面についての新たな断面２次元画像を生成し、新たな断面２次元画像を表示することにより、３次元画像を観察するための３次元方向を決定する方向決定手段とを備えたことを特徴とするものである。

「目標３次元方向」とは、３次元目標点が設定された構造物について、操作者がこの構造物の観察に適すると考える３次元空間内の方向を意味する。例えば、血管および気管等の管状構造物に３次元目標点が設定された場合、断面２次元画像に含まれる管状構造物が、表示されている断面２次元画像に対して垂直方向に向くことにより観察に適したものとなる場合には、目標３次元方向は断面２次元画像を生成した基準断面に垂直な方向となり、表示されている断面２次元画像に対して平行に向くことにより観察に適したものとなる場合には、目標３次元方向は基準断面に平行となり、かつその平行な面上において最も観察に適するように管状構造物が向く方向となる。なお、目標３次元方向は、断面２次元画像すなわち基準断面に垂直な方向および平行な方向に限定されるものではなく、任意の方向に設定することが可能である。ここで、目標３次元方向が基準断面に対して垂直な方向である場合、３次元画像を観察するための３次元方向は、変更された視点位置から３次元目標点に向かう方向となる。

「新たな基準断面についての新たな断面２次元画像」とは、３次元画像に含まれる新たな基準断面よりも、新たな基準断面を臨む視点、すなわち位置が変更された視点側にある物体を非表示とした断面２次元画像を意味する。

また、投影画像は、その視点から３次元画像を構成する各画素に至る投影線と、投影面との交点をそれぞれ取得することで、３次元画像を所定の投影方向に投影したものであれば何でもよく、例えば、ＭＩＰ（Maximum Intensity Projection）法、ＭｉｎＩＰ（Minimum Intensity Projection）法等の種々の投影法を適用したものであってよく、ボリュームレンダリング法で生成されたボリュームレンダリング画像または、サーフィスレンダリング法で生成されたサーフィスレンダリング画像等の擬似３次元画像であってもよい。また、この投影画像の視点は、投影面から無限遠に存在するものであってもよい。

なお、本発明による３次元方向設定装置においては、３次元目標点設定手段は、２次元目標点が設定された構造物の内部に、３次元目標点を設定する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、断面２次元画像生成手段を、前基準断面よりも基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした３次元画像の２次元の投影画像を、断面２次元画像として生成する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、断面２次元画像生成手段を、３次元画像の基準断面における断面画像を、断面２次元画像として生成する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、断面２次元画像生成手段を、基準断面よりも基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした３次元画像の２次元の投影画像に、基準断面における断面画像を合成して断面２次元画像を生成する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、断面２次元画像生成手段を、３次元目標点が中心に位置するように断面２次元画像を生成する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、断面２次元画像生成手段を、基準断面における３次元目標点を基準とする所定範囲内の領域について、断面２次元画像を生成する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、３次元画像において、３次元目標点から目標３次元方向に向かう線上にある画素値と、３次元目標点の画素値との一致度を算出し、一致度を表示手段に表示する一致度算出手段をさらに備えるものとしてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、基準断面設定手段を、投影画像の視点と３次元目標点とを結ぶ線に対して垂直となるように、最初の断面２次元画像を生成するための基準断面を設定する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、基準断面設定手段を、３次元画像における３次元目標点を含む領域に対して主成分分析を行って、３次元目標点が設定された構造物が存在する方向を推定し、推定された方向に基づいて基準断面を設定する手段としてもよい。

「推定された方向に基づいて基準断面を設定する」とは、３次元目標点を通り、推定された方向に直交するように基準断面を設定するものであってもよく、３次元目標点を通り、推定された方向へ延びる線分を含み、かつその線分を含む面上において最も観察に適するように構造物が向く面を基準断面に設定するものであってもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、方向決定手段を、目標３次元方向が基準断面に平行な方向である場合、基準断面上における所望とされる方向に、目標３次元方向を設定可能な手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、方向決定手段を、目標３次元方向が基準断面に平行な方向である場合、３次元画像の基準断面における３次元目標点を含む領域に対して主成分分析を行って、３次元目標点が設定された構造物が存在する方向を推定し、推定された方向に基づいて目標３次元方向を設定する手段としてもよい。

また、本発明による３次元方向設定装置においては、方向決定手段を、３次元目標点が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とが一致するまで、視点位置の変更指示の入力の受け付け、新たな基準断面の設定、新たな断面２次元画像の生成および新たな断面２次元画像の表示を繰り返すよう、基準断面設定手段および断面２次元画像生成手段を制御する手段としてもよい。

本発明による３次元方向設定方法は、３次元物体を表す３次元画像から２次元の投影画像を生成し、
投影画像上の目標点となる２次元目標点の指定を受け付け、
３次元画像に２次元目標点に対応する３次元目標点を設定し、
３次元目標点に基づいて３次元画像に基準断面を設定し、
３次元画像に含まれる基準断面よりも、３次元目標点を通り基準断面に直交する線上にある基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした、基準断面についての断面２次元画像を生成し、
断面２次元画像を表示手段に表示し、
３次元目標点が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とを一致させるための、断面２次元画像に基づく３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力を受け付け、
変更された視点位置に基づいて新たな基準断面を設定し、
新たな基準断面についての新たな断面２次元画像を生成し、
新たな断面２次元画像を表示することにより、３次元画像を観察するための３次元方向を決定することを特徴とするものである。

なお、本発明による３次元方向設定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。

本発明によれば、３次元画像から２次元の投影画像が生成され、表示された投影画像において２次元目標点の指定が受け付けられ、これに対応する３次元目標点が３次元画像に設定され、３次元目標点に基づいて３次元画像に基準断面が設定される。そして、３次元画像に含まれる基準断面よりも、３次元目標点を通り基準断面に直交する線上にある基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした、基準断面についての断面２次元画像が生成され、表示される。続いて、３次元目標点が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とを一致させるための、断面２次元画像に基づく３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力が受け付けられ、変更された視点位置に基づいて新たな基準断面が設定され、新たな基準断面についての新たな断面２次元画像が生成され、新たな断面２次元画像が表示されて、変更された視点位置から３次元目標点に向かう方向が、３次元画像を観察するための３次元方向に決定される。これにより、表示された断面２次元画像の視点位置を変更するのみで、３次元目標点を設定した構造物の向きを変更することにより、３次元画像から得られる２次元画像のみを用いて、３次元画像を観察する３次元方向を設定することができる。また、断面２次元画像は、３次元画像に含まれる基準断面よりも基準点を臨む視点側にある物体が非表示とされているため、視点側にある構造物に邪魔をされることなく、断面２次元画像に含まれる構造物を確認することができる。したがって、３次元画像を観察する３次元方向を精度よく設定することができる。

本実施形態の３次元方向設定装置の構成を示す概略ブロック図 本実施形態において行われる処理を示すフローチャート ３次元目標点の設定を説明するための図 基準断面の設定を説明するための図 断面投影画像の生成を説明するための図 断面投影画像の生成の他の例を説明するための図 断面投影画像の生成の他の例を説明するための図 本実施形態の処理において最初に表示される投影画像を示す図 本実施形態により生成される断面投影画像と比較するための投影画像を示す図 本実施形態により生成される断面投影画像を示す図 一致度が表示された断面投影画像を示す図 他の実施形態の３次元方向設定装置の構成を示す概略ブロック図 主成分分析により推定された方向に直交する断面の基準断面への設定を説明するための図 基準断面に平行な方向に血管が延びる断面投影画像を示す図 ３次元目標点を基準として断面投影画像を回転させた状態を示す図 基準断面におけるスライス画像において２次元の主成分分析を行った結果得られる血管の方向を示す図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、医師が使用するワークステーションに、３次元方向設定プログラムをインストールすることにより実現される、本実施形態の３次元方向設定装置の構成を示す概略ブロック図である。３次元方向設定装置１は、標準的なワークステーションの構成として、プロセッサおよびメモリ（いずれも不図示）を備え、さらに、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ(Solid State Drive)等のストレージ２を備えている。また、画像表示装置１には、ディスプレイ３と、マウス、キーボード等の入力装置４が接続されている。

３次元方向設定プログラムが参照するデータは、インストール時にストレージ２に記憶され、起動時にメモリにロードされる。３次元方向設定プログラムは、プロセッサに実行させる処理として、３次元画像取得処理、投影画像生成処理、３次元目標点設定処理、基準断面設定処理、断面２次元画像生成処理、および方向決定処理を規定している。

そして、プログラムの規定にしたがってプロセッサが上記各処理を実行することにより、汎用のワークステーションは、観察対象となる３次元画像を取得する３次元画像取得部１０、３次元画像から２次元の投影画像を生成する投影画像生成部１１、投影画像に設定された目標点である２次元目標点に対応する３次元画像上の目標点を３次元目標点として設定する３次元目標点設定部１２、３次元目標点に基づく基準断面を設定する基準断面設定部１３、基準断面についての２次元の画像を生成する断面画像生成部１４、および３次元画像を観察するための３次元方向を決定する方向決定部１５として機能する。なお、複数のプロセッサにより上記各部としての機能を分担する構成としてもよい。

３次元画像取得部１０は、マルチスライスＣＴ装置またはＭＲＩ装置等の不図示のモダリティにおいて、被写体を撮影して得られた３次元画像Ｖ０を取得する、通信インターフェースの機能を有する。本実施形態においては、モダリティはマルチスライスＣＴ装置であり、モダリティにおいて取得された３次元画像Ｖ０は、不図示の画像データベースに保存される。３次元画像取得部１０は、画像データベースから３次元画像Ｖ０を取得し、ストレージ２に保存する。

ここで、３次元画像Ｖ０は、診断対象となる被写体の部位を断層面に垂直な方向に沿って順に得られる２次元の断層画像を積層することによって取得されるものであり、本実施形態においては、モダリティにおいて撮影された複数の断層画像を重ね合わせることにより生成される。なお、ＣＴ装置を用いて取得した３次元画像は、３次元空間上での格子点を構成するボクセル（すなわち画素位置）毎にＸ線の吸収量を蓄えたデータとなり、各画素位置に対して１つの信号値（ＣＴ装置で撮影した場合は、Ｘ線の吸収量を示す値であるＣＴ値）が与えられたデータとなる。

次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図２は本実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、投影画像生成部１１がストレージ２から３次元画像Ｖ０を取得し（ステップＳＴ１）、３次元画像Ｖ０を所定の位置にある視点から投影した２次元の投影画像Ｐ０を生成する（ステップＳＴ２）。本実施形態においては、投影画像Ｐ０として、周知のボリュームレンダリング法を用いてボリュームレンダリング画像を生成する。なお、投影画像Ｐ０はボリュームレンダリング画像に限定されるものではなく、サーフェスレンダリング法を用いたサーフェスレンダリング画像、ＭＩＰ法を用いたＭＩＰ画像、およびＭｉｎＩＰ法を用いたＭｉｎＩＰ画像であってもよい。生成された投影画像Ｐ０はディスプレイ３に表示される（ステップＳＴ３）。

操作者は、表示された投影画像Ｐ０を入力装置４からの操作により移動、拡大縮小および回転等することにより、３次元画像Ｖ０に含まれる所望とする構造物をディスプレイ３に表示し、所望する構造物上に目標点を設定する。この目標点は２次元の投影画像Ｐ０に設定されることから、以降の説明においては２次元目標点と称する。このため、装置１は２次元目標点の設定の指示を受け付ける（ステップＳＴ４）。２次元目標点の設定は、操作者がディスプレイ３に表示された投影画像Ｐ０上においてポインタを移動させ、ポインタが目標点に達した状態で入力装置４から目標点設定の指示を入力することにより行われる。

次いで、３次元目標点設定部１２が、投影画像Ｐ０に設定された２次元目標点に対応する３次元画像Ｖ０上の目標点を３次元目標点として設定する（ステップＳＴ５）。図３は３次元目標点の設定を説明するための図である。図３に示すように、３次元目標点設定部１２は、投影画像Ｐ０を生成した際の視点２０から、投影画像Ｐ０に設定された２次元目標点２１へ向かう投影線２２が、３次元画像Ｖ０に含まれる３次元の構造物と交差した点を３次元目標点２３に設定する。本実施形態においては投影画像Ｐ０はボリュームレンダリング画像であるため、３次元目標点設定部１２は、３次元画像Ｖ０における投影線２２上の画素の不透明度を視点２０側から積算し、積算値があらかじめ定められたしきい値Ｔｈ１を超えた投影線２２上の画素を、３次元目標点２３に設定する。

ここで、投影画像Ｐ０がサーフェスレンダリング画像の場合には、３次元目標点２３は、３次元画像Ｖ０において投影線２２が最初に交差した３次元の構造物上の点である。投影画像Ｐ０がＭＩＰ画像の場合には、３次元目標点２３は投影線２２上の最大信号値を持つ点であり、投影画像Ｐ０がＭｉｎＩＰ画像の場合には、３次元目標点２３は投影線２２上の最小信号値を持つ点である。

なお、３次元目標点設定部１２は、３次元画像Ｖ０における、２次元目標点２１を設定した構造物の内部に３次元目標点２３を設定してもよい。具体的には、投影線２２が３次元の構造物と交差した点から、視点２０とは反対側に所定距離進んだ点を３次元目標点２３に設定してもよい。例えば、３次元構造物が血管あるいは気管等の管状構造物の場合、管状構造物の半径を仮定して、その半径分視点２０とは反対側に進んだ点を３次元目標点２３に設定してもよい。これにより、３次元目標点２３は、２次元目標点２１が設定された管状構造物の内部に位置することとなる。なお、管状構造物の半径は、あらかじめ構造物毎に定められた値を用いてもよく、投影画像Ｐ０を画像解析することにより算出した値を用いてよい。また、操作者が手動で決定した値を用いてもよい。

次いで、基準断面設定部１３が、３次元画像Ｖ０に３次元目標点２３に基づく基準断面を設定する（ステップＳＴ６）。図４は基準断面の設定を説明するための図である。本実施形態においては、基準断面設定部１３は、３次元目標点２３を含み、投影画像Ｐ０を生成した視点２０から３次元目標点２３を通る投影線２２に対して垂直な断面を、最初の基準断面２５に設定する。そして、断面画像生成部１４が、３次元画像Ｖ０において基準断面２５よりも視点２０の側にある物体を非表示とした投影画像を生成する（ステップＳＴ７）。なお、この投影画像は基準断面２５の投影画像であることから、以降の説明においては、断面投影画像Ｐ１と称する。

図５は断面投影画像の生成を説明するための図である。図５に示すように、断面画像生成部１４は、３次元画像Ｖ０において、基準断面２５よりも視点２０側にある物体を非表示とする。図５においては、非表示とした状態を破線で示している。そして、基準断面２５よりも視点２０側にある物体を非表示とした３次元画像Ｖ０を、視点２０から投影した断面投影画像Ｐ１を生成する。この際、基準断面２５の３次元目標点２３が、断面投影画像Ｐ１の中心に位置するように断面投影画像Ｐ１を生成する。ここで、断面投影画像Ｐ１の中心とは、断面投影画像Ｐ１の対角線の交点である。なお、投影面の位置は投影画像Ｐ０と同一であってもよいが、異なるものであってもよい。また、図６に示すように、３次元画像Ｖ０において、基準断面２５における３次元目標点２３を中心とする特定の範囲２７内にある物体のみを投影した断面投影画像Ｐ１を生成してもよい。この場合、特定の範囲２７内にある物体に対応する投影像２８のみが断面投影画像Ｐ１に含まれることとなる。断面投影画像Ｐ１はディスプレイ３に表示される（ステップＳＴ８）。

なお、本実施形態においては、断面投影画像Ｐ１に代えて、基準断面２５の断面画像を用いてもよい。また、基準断面２５よりも視点２０側にある物体を非表示とした３次元画像Ｖ０の投影画像に、基準断面２５の断面画像を合成して断面投影画像Ｐ１を生成してもよい。図７は、基準断面２５の断面画像の合成前後の断面投影画像を示す図である。図７に示すように合成前の投影画像においては、心臓およびその表面の血管を視認することができる。一方、これに基準断面２５の断面画像を合成すると、断面画像はＣＴ値により表されるモノクロの画像であるため、合成前の投影画像Ｐ２において、基準断面２５に存在する領域がモノクロで示される。なお、図７においてはモノクロで示される状態を斜線を付与することにより表している。このような断面投影画像Ｐ１を生成することにより、断面投影画像Ｐ１におけるいずれの部分が基準断面２５上に存在するのか容易に認識することができる。

操作者は、断面投影画像Ｐ１において、３次元目標点２３が設定された構造物の観察方向が目標とする方向、すなわち目標３次元方向を向くように、入力装置４からの操作により視点位置を変更する。このため、方向決定部１５は、操作者による視点位置の変更指示がなされたか否かを判定する（ステップＳＴ９）。

ここで、目標３次元方向とは、３次元画像Ｖ０における３次元目標点２３が設定された構造物について、操作者がこの構造物の観察に適すると考える３次元空間内の方向を意味する。例えば、血管および気管等の管状構造物に３次元目標点２３が設定された場合、断面投影画像Ｐ１に含まれる管状構造物が延びる方向が、現在表示されている断面投影画像Ｐ１に対して垂直方向、すなわちディスプレイ３の表示面に対して垂直方向に向くことにより観察に適したものとなる場合には、目標３次元方向は断面投影画像Ｐ１を生成した基準断面２５に垂直な方向となる。また、断面投影画像Ｐ１に含まれる管状構造物が延びる方向が、現在表示されている断面投影画像Ｐ１に対して平行に向くことにより観察に適したものとなる場合には、目標３次元方向は断面投影画像Ｐ１を生成した基準断面２５に対して平行な方向となる。本実施形態においては、基準断面２５に垂直な方向を目標３次元方向とする。

ステップＳＴ９が肯定されると、視点位置を変更してステップＳＴ６〜ステップＳＴ８の処理を繰り返すよう、方向決定部１５は、基準断面設定部１３および断面画像生成部１４に指示を行う。これにより、基準断面設定部１３は、変更された視点位置から３次元目標点２３に向かう新たな投影線に対して垂直な断面を新たな基準断面２５に設定する。このため、視点位置の変更による基準断面２５の回転は、３次元目標点２３を基準として行われることとなる。なお、操作者は、回転のみならず、断面投影画像Ｐ１を移動および拡大縮小等する操作を行ってもよく、これらの操作も視点位置の変更に含めるものとする。また、断面画像生成部１４は、新たな基準断面２５よりも、新たな基準断面２５を臨む視点、すなわち位置が変更された視点側にある物体を非表示とした、新たな基準断面２５についての新たな断面投影画像Ｐ１を生成し、ディスプレイ３に表示する。

操作者は、断面投影画像Ｐ１を観察し、３次元目標点２３が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とが一致するまで、視点位置の変更指示を繰り返し行う。そして、３次元目標点２３が設定された構造物の観察方向と目標３次元方向とが一致した時点で、視点位置の変更指示を停止し（ステップＳＴ９：否定）、方向決定の指示を入力装置４から行う。このため、方向決定部１５は、方向決定の指示の入力があったか否かを判定する（ステップＳＴ１０）。ステップＳＴ１０が否定されるとステップＳＴ９に戻る。ステップＳＴ１０が肯定されると、３次元画像Ｖ０を観察するための３次元方向を決定し（ステップＳＴ１１）、処理を終了する。なお、本実施形態においては、目標３次元方向が基準断面２５に垂直な方向であるため、３次元画像Ｖ０を観察するための３次元方向は、現在の視点位置から３次元目標点２３に向かう３次元空間における方向となる。

以下、本実施形態においてディスプレイ３に表示される画像について説明する。図８は本実施形態の処理において、最初に表示される投影画像を示す図である。図８に示すように、操作者はディスプレイ３に表示された投影画像Ｐ０に対して、２次元目標点２１を設定する。なお、図８においては、投影画像Ｐ０上において視認される血管３０に２次元目標点２１が設定された状態を示している。ここで、３次元目標点２３が設定された血管３０の観察方向を血管３０が延びる方向とし、目標３次元方向を基準断面２５に対して垂直な方向とした場合、操作者は、ディスプレイ３に表示される断面投影画像Ｐ１において、血管３０が延びる方向がディスプレイ３に対して垂直となるように、断面投影画像Ｐ１の視点位置を変更する。

このように視点位置を変更した場合において、３次元目標点２３よりも視点側の物体が投影画像に含まれると、図９に示すように、血管３０はその視点側にある物体３１により邪魔されてしまい、投影画像（Ｐ３とする）において３次元目標点２３が設定された血管３０を確認することができない。なお、図９においては、投影画像Ｐ３には基準断面２５のスライス画像が合成されているため、３次元目標点２３に対応する位置に、基準断面２５のスライス画像が合成されている。ここで、本実施形態においては、血管３０がディスプレイ３に対して垂直となるように視点位置を変更しているため、基準断面２５のスライス画像には、血管３０を輪切りにした状態を示す像が含まれる。このため、図９に示す投影画像には、３次元目標点２３の位置に、血管３０を輪切りにしたスライス画像３２が視認できる。

本実施形態においては、断面投影画像Ｐ１を生成する際に、３次元画像Ｖ０における基準断面２５よりも、位置が変更された視点側にある物体を非表示としているため、図１０に示すように、図９に示す投影画像Ｐ３において視認された物体３１は、断面投影画像Ｐ１には含まれず、３次元目標点２３が設定された血管３０が視認できるようになっている。なお、図１０においても、断面投影画像Ｐ１に基準断面２５のスライス画像を合成しているため、３次元目標点２３の位置に、血管３０を輪切りにしたスライス画像３２が視認できる。

このように、本実施形態においては、表示された断面投影画像Ｐ１の視点位置を変更して、３次元目標点２３を設定した構造物の向きを変更することにより、３次元画像Ｖ０から得られる２次元画像のみを用いて、３次元画像Ｖ０を観察する３次元方向を設定することができる。また、断面投影画像Ｐ１は、３次元画像Ｖ０に含まれる基準断面２５よりも基準点を臨む視点側にある物体が非表示とされているため、視点側にある構造物に邪魔をされることなく、断面投影画像Ｐ１に含まれる構造物を確認することができる。したがって、３次元画像Ｖ０を観察する３次元方向を精度よく設定することができる。

なお、上記実施形態においては、図１１に示すように、３次元画像Ｖ０における３次元目標点２３の画素値（ＣＴ値）と、３次元目標点２３から目標３次元方向へ向かう線上にある画素値との一致度を算出する一致度算出部１６を設け、一致度算出部１６が算出した一致度を断面投影画像Ｐ１に表示するようにしてもよい。図１２は一致度が表示された断面投影画像Ｐ１を示す図である。図１２に示すように、断面投影画像Ｐ１には、目標３次元方向を表す矢印３５が表示されており、さらに一致度に応じて矢印３５の長さが変更されている。具体的には、一致度が大きいほど矢印３５の長さが短くされている。ここで、図１２に示す状態において、一致度がより小さければ、矢印３５は破線で示す分、その長さが長くなる。なお、長さに代えて、一致度に応じて矢印の濃度あるいは色を変更してもよく、一致度を表す数値を表示してもよい。

ここで、３次元目標点２３から目標３次元方向へ向かう線上にある画素値としては、例えば、３次元目標点２３から目標３次元方向に向かう線上にある複数の画素値の平均値を用いればよい。また、一致度として、３次元目標点２３の画素値Ａ１の、３次元目標点２３から目標３次元方向に向かう線上にある複数の画素値の平均値Ａ２に対する比率、あるいは画素値Ａ１と平均値Ａ２との差分値の絶対値を用いることができる。一致度を比率とした場合には一致度が１に近いほど、一致度を差分値の絶対値とした場合には一致度が０に近いほど、表示中の３次元画像Ｖ０の方向が目標３次元方向に近いことを表すものとなる。このように、一致度を表示することにより、操作者は、３次元目標点が設定された構造物が延びる方向が目標３次元方向にどの程度近づいているかを容易に認識できるため、３次元画像Ｖ０の３次元方向を決定する作業を効率よく行うことができる。

また、上記実施形態においては、基準断面設定部１３は、３次元目標点２３を含み、視点２０から３次元目標点２３に向かう投影線２２に対して垂直な断面を基準断面２５に設定しているが、３次元画像Ｖ０における３次元目標点２３の近傍領域において３次元の主成分分析を行い、３次元目標点２３が設定された構造物が存在する方向、本実施形態においては構造物が延びる方向を推定し、３次元目標点２３を含み、推定された方向に直交する断面を基準断面２５に設定してもよい。

なお、主成分分析としては、例えば３次元目標点２３が設定された構造物の局所領域ごとに、３×３のヘシアン（Hessian）行列の固有値を算出する手法を用いる。ここで、線状構造が含まれる領域では、ヘシアン行列の３つの固有値のうち１つは０に近い値となり、他の２つは相対的に大きな値となる。また、値が０に近い固有値に対応する固有ベクトルは、線状構造の主軸方向を示すものとなる。本実施形態においては、この固有ベクトルの方向を３次元目標点２３が設定された構造物が存在する方向とする。

図１３は、主成分分析により推定された方向に直交する断面の基準断面への設定を説明するための図である。図１３に示すように、３次元主成分分析により、３次元目標点２３が設定された構造物が存在する方向が、矢印３６に示す方向であった場合、基準断面設定部１３は、３次元目標点２３を含み、矢印３６に直交する断面を基準断面２５に設定する。この場合、断面投影画像Ｐ１を生成するための視点位置２０Ａは、図１３に示すように、３次元目標点２３を通り主成分分析を用いて設定された基準断面２５に直交する線上にある。ここで、図１３には比較のために、最初の投影開始点２０からの投影線２２も併せて示している。

このように、主成分分析により推定された方向に直交する断面を基準断面２５に設定することにより、断面投影画像Ｐ１において、３次元目標点２３を設定した構造物が目標３次元方向あるいはこれに近い方向に向いたものとなるため、３次元目標点２３を設定した構造物の観察方向と目標３次元方向とを一致させる作業を、より効率よく行うことができる。

また、上記実施形態においては、基準断面２５に直交する方向を目標３次元方向としているが、基準断面２５に平行な方向を目標３次元方向としてもよい。この場合において、３次元目標点２３が設定された構造物が血管の場合、図１４に示すように、画面に水平に延びる血管３７を含む断面投影画像Ｐ１がディスプレイ３に表示されることとなる。この断面投影画像Ｐ１において、血管３７はディスプレイ３の表示面に平行に延びているが、血管３７の表示面上における方向は決定されていない。このため、入力装置４からの操作により、３次元目標点２３を中心として断面投影画像Ｐ１を２次元状に回転できるようにすることが好ましい。これにより、図１５に示すように、３次元目標点２３が設定された血管３７を目標３次元方向（ここでは表示画面に対して水平となる方向）に向けることができるため、血管３７の観察方向を目標３次元方向と一致させることができる。

また、基準断面２５に平行な方向を目標３次元方向とする場合、基準断面２５における断面画像を用いて、３次元目標点２３の近傍領域において２次元の主成分分析を行い、３次元目標点２３が設定された構造物が基準断面２５上において存在する方向を推定し、推定された方向を目標３次元方向に設定してもよい。例えば、図１６に示すように、基準断面２５における断面画像Ｓ０において、３次元目標点２３の近傍領域において２次元の主成分分析を行った結果、３次元目標点２３を含む血管３８が矢印４０の方向に存在する場合、矢印４０の方向を目標３次元方向とする。これにより、より効率よく血管３８の観察方向を目標３次元方向と一致させることができる。

また、上記実施形態においては、ディスプレイ３には断面投影画像Ｐ１を表示しているが、３次元目標点２３を含み基準断面２５に直交する断面についての投影画像を生成し、これと断面投影画像Ｐ１とを併せて表示するようにしてもよい。これにより、３次元目標点２３が設定された構造物が延びる方向を確認しやすくなるため、３次元画像Ｖ０の３次元方向の決定をより効率よく行うことができる。

また、上記実施形態においては、血管および気管等の管状構造物に２次元目標点（３次元目標点）を設定しているが、操作者が所望とするものであれば、任意の構造物に目標点を設定すればよいものである。

また、上記実施形態においては、視点２０の位置を変更することにより、基準断面２５を回転しているが、視点２０を固定とし、３次元画像Ｖ０を回転することにより、基準断面２５を回転するようにしてもよい。

１ 画像表示装置
２ ストレージ
３ ディスプレイ
４ 入力装置
１０ ３次元画像取得部
１１ 投影画像生成部
１２ ３次元目標点設定部
１３ 基準断面設定部
１４ 断面画像生成部
１５ 方向決定部
２０ 投影開始点
２１ ２次元目標点
２２ 投影線
２３ ３次元目標点
２５ 基準断面

Claims (13)

1. ３次元物体を表す３次元画像を所定の方向から所定平面に対して投影した２次元の投影画像を生成する投影画像生成手段と、
   前記投影画像上の目標点となる２次元目標点の指定を受け付ける入力手段と、
   前記２次元目標点に向かう投影線を設定し、前記３次元画像において該投影線上の前記２次元目標点の画素値に対応する画素値を有する点を３次元目標点として設定する３次元目標点設定手段と、
   前記３次元画像に前記３次元目標点を含む基準断面を設定する基準断面設定手段と、
   前記基準断面よりも、前記３次元目標点を通り該基準断面に直交する線上にある該基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした前記３次元画像を該視点から投影した断面投影画像、前記３次元画像における前記基準断面の断面画像、または前記断面投影画像と前記基準断面の断面画像との合成画像を、前記基準断面についての断面２次元画像として生成する断面２次元画像生成手段と、
   前記断面２次元画像を表示する表示手段と、
   前記投影画像を生成し、該投影画像を表示し、前記２次元目標点の指定を受け付け、前記３次元目標点を設定し、前記基準断面を設定し、前記断面２次元画像を生成し、該断面２次元画像を表示し、前記断面２次元画像を生成した際の視点から前記３次元目標点に向かう投影線の方向である、前記３次元目標点が設定された構造物の観察方向と、該構造物の観察に適した、前記３次元目標点を基準とした３次元空間内の方向である目標３次元方向とを一致させるための、前記断面２次元画像に基づく前記３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力を受け付け、該変更された視点位置に基づいて新たな基準断面を設定し、該新たな基準断面についての新たな断面２次元画像を生成し、該新たな断面２次元画像を表示することにより、前記３次元画像を観察するための３次元方向を前記目標３次元方向に決定する方向決定手段とを備えたことを特徴とする３次元方向設定装置。
2. 前記３次元目標点設定手段は、前記構造物の内部に、前記３次元目標点を設定する手段であることを特徴とする請求項１記載の３次元方向設定装置。
3. 前記投影画像生成手段は、前記３次元画像を所定の位置にある視点から前記所定平面に投影して前記投影画像を生成する手段であり、
   前記３次元目標点設定手段は、前記所定の位置にある視点から前記２次元目標点に向かう前記投影線を設定する手段であることを特徴とする請求項１または２記載の３次元方向設定装置。
4. 前記断面２次元画像生成手段は、前記３次元目標点が中心に位置するように前記断面２次元画像を生成する手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
5. 前記断面２次元画像生成手段は、前記基準断面における前記３次元目標点を基準とする所定範囲内の領域について、前記断面２次元画像を生成する手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
6. 前記３次元画像において、前記３次元目標点から前記目標３次元方向に向かう線上にある画素値と、前記３次元目標点の画素値との一致度を算出し、該一致度を前記表示手段に表示する一致度算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
7. 前記基準断面設定手段は、前記投影画像の視点と前記３次元目標点とを結ぶ線に対して垂直となるように、最初の断面２次元画像を生成するための前記基準断面を設定する手段であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
8. 前記基準断面設定手段は、前記３次元画像における前記３次元目標点を含む領域に対して主成分分析を行って、前記３次元目標点が設定された構造物が存在する方向を推定し、該推定された方向に基づいて前記基準断面を設定する手段であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
9. 前記方向決定手段は、前記目標３次元方向が前記基準断面に平行な方向である場合、前記基準断面上における所望とされる方向に、前記目標３次元方向を設定可能な手段であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
10. 前記方向決定手段は、前記目標３次元方向が前記基準断面に平行な方向である場合、前記３次元画像の前記基準断面おける前記３次元目標点を含む領域に対して主成分分析を行って、前記３次元目標点が設定された構造物が存在する方向を推定し、該推定された方向に基づいて前記目標３次元方向を設定する手段であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
11. 前記方向決定手段は、前記３次元目標点が設定された構造物の観察方向と前記目標３次元方向とが一致するまで、前記視点位置の変更指示の入力の受け付け、前記新たな基準断面の設定、前記新たな断面２次元画像の生成および前記新たな断面２次元画像の表示を繰り返すよう、前記基準断面設定手段および前記断面２次元画像生成手段を制御する手段であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の３次元方向設定装置。
12. ３次元物体を表す３次元画像を所定の方向から所定平面に対して投影した２次元の投影画像を生成し、
    前記投影画像上の目標点となる２次元目標点の指定を受け付け、
    前記２次元目標点に向かう投影線を設定し、前記３次元画像において該投影線上の前記２次元目標点の画素値に対応する画素値を有する点を３次元目標点として設定し、
    前記３次元画像に前記３次元目標点を含む基準断面を設定し、
    前記基準断面よりも、前記３次元目標点を通り該基準断面に直交する線上にある該基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした前記３次元画像を該視点から投影した断面投影画像、前記３次元画像における前記基準断面の断面画像、または前記断面投影画像と前記基準断面の断面画像との合成画像を、前記基準断面についての断面２次元画像として生成し、
    前記断面２次元画像を表示手段に表示し、
    前記断面２次元画像を生成した際の視点から前記３次元目標点に向かう投影線の方向である、前記３次元目標点が設定された構造物の観察方向と、該構造物の観察に適した、前記３次元目標点を基準とした３次元空間内の方向である目標３次元方向とを一致させるための、前記断面２次元画像に基づく前記３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力を受け付け、
    該変更された視点位置に基づいて新たな基準断面を設定し、
    該新たな基準断面についての新たな断面２次元画像を生成し、
    該新たな断面２次元画像を表示することにより、前記３次元画像を観察するための３次元方向を前記目標３次元方向に決定することを特徴とする３次元方向設定方法。
13. ３次元物体を表す３次元画像を所定の方向から所定平面に対して投影した２次元の投影画像を生成する手順と、
    前記投影画像上の目標点となる２次元目標点の指定を受け付ける手順と、
    前記２次元目標点に向かう投影線を設定し、前記３次元画像において該投影線上の前記２次元目標点の画素値に対応する画素値を有する点を３次元目標点として設定する手順と、
    前記３次元画像に前記３次元目標点を含む基準断面を設定する手順と、
    前記基準断面よりも、前記３次元目標点を通り該基準断面に直交する線上にある該基準断面を臨む視点側にある物体を非表示とした前記３次元画像を該視点から投影した断面投影画像、前記３次元画像における前記基準断面の断面画像、または前記断面投影画像と前記基準断面の断面画像との合成画像を、前記基準断面についての断面２次元画像として生成する手順と、
    前記断面２次元画像を表示手段に表示する手順と、
    前記断面２次元画像を生成した際の視点から前記３次元目標点に向かう投影線の方向である、前記３次元目標点が設定された構造物の観察方向と、該構造物の観察に適した、前記３次元目標点を基準とした３次元空間内の方向である目標３次元方向とを一致させるための、前記断面２次元画像に基づく前記３次元目標点を基準とする視点位置の変更指示の入力を受け付ける手順と、
    該変更された視点位置に基づいて新たな基準断面を設定する手順と、
    該新たな基準断面についての新たな断面２次元画像を生成する手順と、
    該新たな断面２次元画像を表示することにより、前記３次元画像を観察するための３次元方向を前記目標３次元方向に決定する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする３次元方向設定プログラム。

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