JP6655730B2 - 医療胸部画像の修正のための装置、撮像システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療胸部画像の修正ための装置及び方法並びに撮像システムに関する。

胸部撮像、胸部手術及び処置計画における困難さは、例えばＭＲＩ画像の取得の間の腹臥位、手術又は放射線療法の間の背臥位、及び光学面撮像の間の直立位のような、患者の位置決めに伴って、胸部の形状が大きく変化するという事実である。胸部の異なるビューの整列は、外科的な計画及びガイド又は放射線療法計画において当該問題を解決するために利用され得る。

標準的な臨床業務フローにおいては、背臥位（又は更には直立位）の三次元（volumetric）画像が取得されないため、異なるビューを整列させるために、通常は標準的な画像ベースの位置合わせができない。これらの付加的な画像の取得は、業務フローに対して著しい複雑化（時間、コスト及び患者に対する不便さ）をもたらし、一般的な方法になる見込みは小さい。

Eiben, B.、Han, L.、Hipwell, J.、Mertzanidou, T.、Kabus, S., Buelow, T.、Lorenz, C.、Newstead, G.、Abe, H.、Keshtgar, M.、Ourselin, S.、Hawkes, D.による「Biomechanically guided prone-to-supine image registration of breast MRI using an estimated reference state」（Biomedical Imaging（ISBI）、2013 IEEE 10th International Symposium、214-217頁（2013年））に記載されたような、生体力学的モデルの包含による腹臥位から背臥位への胸部画像の位置合わせは、多くの場合に有望であり成功していることが見出されている。しかしながら、直立位の模倣と光学的に走査される胸部面（直立位における）との間で、十分に好適な整列は保証されない。このことは幾分かは、ＭＲＩ走査及び患者支援機器による。注意深く位置決めされた患者の胸部でさえも、特に胸骨のまわりの内側領域において、大きな皮膚表面の窪み（例えばＭＲＩコイルによるもの）を呈し得る。

米国特許出願公開US2014/0044333A1は、手術の前及び手術の間の胸部形状間の位置合わせを提供するためのシステム及び方法を開示する。手術中の表面画像を伴う、手術の前に取得された三次元胸部画像を登録する、位置合わせの枠組みが提示される。該方法は、第１の時間において生成された三次元画像から空気／組織境界を特定するステップと、前記空気／組織境界を強調するため画像フィルタを用いて前記三次元画像を処理するステップと、表面光学走査画像を前記フィルタリングされた三次元画像と位置合わせするスイッチと、を有し、該表面光学走査画像は第２の時間において生成される。

本発明の目的は、特に医療胸部画像の取得のために用いられる機器により引き起こされる変形に対する、医療胸部画像の改善された修正のための装置、システム及び方法を提供することにある。

本発明の第１の態様においては、医療胸部画像の修正のための装置であって、前記装置は、
胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像入力部と、
前記対象の所定の位置における胸部を示し、胸部表面の表面情報を有する、同一の対象の胸部の走査画像を取得するための、走査画像入力部と、
前記取得された医療胸部画像からシミュレートされた医療胸部画像を生成するためのシミュレーションユニットであって、前記シミュレートされた医療胸部画像は、前記走査画像と同一の前記対象の所定の位置における胸部を示し、表面メッシュにより前記胸部表面を表し、前記シミュレーションユニットは、三次元生体力学的モデルに基づいて、前記シミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成され、前記生体力学的モデルの物質パラメータは、前記生体力学的モデルを前記走査画像から抽出された前記胸部表面に整合させるために変更される、シミュレーションユニットと、
前記表面メッシュと前記走査画像との間の表面マッチングを適用することにより、前記走査画像を用いて、前記人為的な変形について、前記シミュレートされた医療胸部画像を修正するための修正を決定し、前記決定された修正を前記取得された医療胸部画像に適用して、修正された医療胸部画像を取得するための、修正ユニットと、
を有する装置が提示される。

本発明の更なる態様においては、
胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像取得ユニットと、
前記対象の所定の位置における胸部を示し、胸部表面の表面情報を有する、同一の対象の胸部の走査画像を取得するための、走査画像取得ユニットと、
前記取得された走査画像を用いた、前記医療画像取得ユニットにより取得された医療胸部画像の修正のための、請求項１に記載の装置と、
前記修正された医療胸部画像を出力するための、出力ユニットと、
を有する、撮像システムが提示される。

本発明の更なる態様においては、対応する方法、コンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに、ここで開示された方法のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム、及び、プロセッサにより実行されるときに、ここで開示された方法が実行されるようにする、コンピュータプログラム製品を保存する、持続型コンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。

本発明の好適な実施例は、従属請求項において定義される。本発明の方法、システム、コンピュータプログラム及び媒体は、本発明の装置、特に従属請求項において定義されここで開示されたものと類似する及び／又は同一の好適な実施例を持つことは、理解されるべきである。

本発明は、例えば皮膚表面の窪み（例えば胸部ＭＲＩ撮像において用いられる胸部コイルのコイル設計により引き起こされる）のような変形に対して、医療胸部画像（例えば胸部ＭＲＩ画像又はマンモグラフィ画像）を修正するという着想に基づくものである。例えば窪みのようなこれらの変形は、例えば腹臥位のＭＲＩ画像のような、医療胸部画像において可視であり、立位又は背臥位のような他の患者位置におけるシミュレートされる胸部形状に伝播する。修正は、元の医療胸部画像（例えば腹臥位ＭＲＩ走査）及び胸部の（３Ｄの）表面情報を有する走査画像（例えば３Ｄ光学表面走査）から生成された、シミュレートされた胸部形状（即ち例えば直立位のような特定の位置におけるシミュレートされた医療胸部画像）に基づいて為される。換言すれば、走査画像は、表面情報を抽出することが可能であるようなものである必要がある。当該修正のため、シミュレートされた医療胸部画像と走査画像との間で表面マッチングが適用される。

医療胸部画像が、胸部の人為的な変形を実際に示しているか否かは、前もって分からない場合があることは、留意されるべきである。それ故、潜在的に人為的な変形を示している医療胸部画像に対して参照が為される。代替としては、単に対象の胸部の医療胸部画像に参照が為されても良い。斯かる不確定性にかかわらず、医療胸部画像は、斯かる変形を含むものとして扱われる。人為的な変形は、例えば医療胸部画像の取得のために用いられる機器により引き起こされる変形のような、重力以外の効果により引き起こされる、非自然変形を示し得る。

例えば、直立位のシミュレーション（例えば腹臥位ＭＲＩから導出される）と光学面走査との間の残余誤差は、皮膚節点が３Ｄ光学スキャナを用いて取得された皮膚表面と一致するよう、皮膚節点に対して変位制約を課すことによって、修正され得る。それ故、前記修正ユニットは、前記表面メッシュの皮膚節点に対して、前記表面走査画像により表される皮膚表面と前記皮膚節点が一致するような変位制約を課すことにより、前記修正を決定するよう構成されても良い。当該修正ステップのとり得る実装は、表面マッチングステップを利用する。患者の特定の生体力学的モデルの臨床適用可能性に関する他の問題は、物質パラメータがしばしば未知であり、広範な剛性の変動が文献において報告されていることである。従って、生体力学的モデルが、走査画像から抽出された胸部（目標）表面と整合するよう、生体力学的モデルの物質パラメータを変化させることが提案される。

一実施例においては、前記シミュレーションユニットは、前記走査画像から抽出された胸部表面に対して、前記生成された表面メッシュを厳密に整合させて、生体力学的モデルの物質パラメータを最適化するよう構成される。斯くして、三次元生体力学的モデルは、これに基づいて、即ち当該最適化の結果に基づいて、更新されることができる。

一実施例においては、前記シミュレーションユニットは、せん断弾性係数及び／又は体積弾性係数を有する生体力学的モデルの物質パラメータを変化させるよう構成される。

一実施例においては、前記修正ユニットは、前記表面メッシュの局所的な修正を示す変位ベクトル場を決定し、前記変位ベクトル場を前記取得された医療胸部画像に適用して、前記修正された医療胸部画像を得るよう構成される。

斯かる変位ベクトル場は、複数の位置について複数の変位ベクトル場を有し、非常に正確な修正を可能とする。

前記シミュレーションユニットは、胸部が前記表面メッシュ及び立体メッシュを含む三次元メッシュにより表される、シミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成されても良い。斯かる立体メッシュ（ＦＥ（有限要素）メッシュとも呼ばれる）は、数値シミュレーションのために用いられる生体力学的モデルの数学的な表現であり、胸部組織を表す四面体体素（立体メッシュを形成する）及び皮膚を表す三角形膜要素（表面メッシュを形成する）を含んでも良い。生体力学的モデルは、密度及び弾性のような局所的に分解された力学的に関連する情報を備えた組織の幾何学的な表現（例えば四面体メッシュの形をとる）である。

立体メッシュを用いることにより、表面湾曲（warping）が有利にも前記修正ユニットにより適用される。斯かる表面湾曲は、増大した精度及び効率で、前記修正を実行するための１つ以上のステップを有しても良い。

一実施例においては、前記修正ユニットは、前記表面走査画像に向けて前記表面メッシュを駆動するため、即ち走査画像の表面メッシュであるメッシュ湾曲ステップにおける目標として用いられる目標メッシュに向けて生体力学的モデルの皮膚表面を駆動するため、変位計算を適用することにより前記修正を決定するよう構成される。このことは、２つのメッシュの望ましい整合をもたらす。

別の実施例においては、前記修正ユニットは、前記立体メッシュを調整するため、特にラプラシアンメッシュ平滑化のような平滑化を適用することにより前記修正を決定するよう構成される。当該ステップは、修正ステップの平滑化として機能する。例えば、振動よりも線形の修正が好適であり（ここで線形及び振動とは修正面から取り出されるプロファイルを示す）、換言すれば、不均一な修正面よりも均一な修正面が好適である。

他の実施例においては、前記修正ユニットは、前記胸部表面の表面積における局所的な変化を低減させるための領域制約を適用するよう構成される。このことは、メッシュ表面の各メッシュサブ領域（例えば三角形）の面積を維持する。計算的な観点から、及びモデル化の観点から、幾分等しい三角形領域サイズを持つメッシュは、非常に少なく非常に小さなサブ領域（例えば三角形）を持つものよりも好適である。

一実施例においては、前記修正ユニットは、メッシュの交差を回避するため自己交差防止を適用するよう構成される。このことは、メッシュの交差のない、明確なメッシュ表面を得ることをもたらす。

一般的に、いずれの医療胸部画像も、本発明を利用して修正されることができる。前記医療胸部画像は、ＣＴ画像、特に背臥位のＣＴ画像、ＭＲＩ画像、特に腹臥位のＭＲＩ画像、又はマンモグラフィ画像である。該走査画像は一般的に、いずれかの位置における胸部を示すいずれの走査画像であっても良い。好適には、前記走査画像は、直立位走査画像であり、前記シミュレーションユニットは、直立位のシミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成される。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。

本発明による撮像システム及び装置の実施例の模式的な図を示す。 本発明を用いた使用のための業務フローの例の模式的な図を示す。 本発明の種々の要素を示す種々の画像を示す。

図１は、本発明による医療胸部画像の修正のための撮像システム１及び装置３０の模式的な図を示す。

撮像システム１は、胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像取得ユニット１０を有する。本実施例においては、医療画像取得ユニット１０は、胸部コイル１２及び従来のＭＲＩ（磁気共鳴映像）画像取得ユニットの更なる要素によって腹臥位胸部ＭＲＩ画像１１を取得するためのＭＲＩ取得ユニットである。胸部コイル１２は、胸部のまわりに配置され、ＭＲ画像において可視であり装置３０により修正されるべき窪みをしばしば引き起こす。

撮像システム１は更に、対象の所定の位置における胸部を示す、同一の対象の胸部の走査画像２１を取得するための、走査画像取得ユニット２０を有する。本実施例においては、走査画像取得ユニット２０は、３Ｄ光学スキャナであり、光学カメラ２２が、少なくとも対象の胸部の、対象の走査画像を形成する画像データを取得するため、対象のまわりを回転する。

撮像システム１は更に、該取得された走査画像２１を用いた医療画像取得ユニット１０により取得された医療胸部画像１１の修正のための装置３０を有する。装置３０は、例えばプロセッサ、コンピュータ、ワークステーションであっても良く、ソフトウェア及び／又はハードウェアで実装されても良い。

撮像システム１は更に、修正された医療胸部画像を出力するための出力ユニット４０を有する。出力ユニット４０は、例えば医師による診断の目的のため修正された医療胸部画像を表示するためのディスプレイであっても良い。

乳癌は、世界的に女性にとって最も一般的な癌であり、英国では、生涯で８人に１人がこの疾患を生じるリスクを持っている。検出、診断及び介入は、種々の画像の情報の組み合わせ又は画像及び外科的な設定又は介入の設定を持つ含まれた情報の整合から利益を得る。この目的を達成するために、画像間の、又は画像と現実世界の設定との間の、正確な対応を確立することが必要とされる。胸部は柔らかい器官であり、患者の位置が変更されると大きな変形を受ける。種々の手順は、画像の取得を最適化するため（例えば腹臥位ＭＲＩ）、患者の安定性及び快適さを改善するため（例えば背臥位の放射線処置）ために、又は実際的な状況を考慮するため（例えば背臥位の手術位置）種々の患者設定を必要とする。

腹臥位から背臥位への胸部画像位置合わせは、大きな変形が存在する画像間の対応を確立することを目的とする。標準的な強度ベースの画像位置合わせだけでは、画像間の初期の重なりの欠如のため、十分な整合を提供しない見込みが高い。しかしながら、重力が患者位置間の胸部変形の主な原因であるため、連続体力学ベースの知識が、重力により引き起こされる変形を予測するために利用されることができる。斯かる変形は次いで、位置決めの手順をガイドするために効果的に用いられることができる。幾つかの既知の手法が、或る患者構成の他の構成からの予測のために力学的なシミュレーションのみを用いているが、代替の戦略は、シミュレーションと位置決めとの間の高レベルの統合のため、標準的な画像位置決め方法又は目的に生体力学的なシミュレーションを組み合わせる。

手術前の腹臥位の動的コントラスト強調（ＤＣＥ）ＭＲ画像は、一部の患者についての標準的な臨床手順の一部であり、癌組織の程度及び位置についての重要な情報を提供する。このことは、手術の手順をガイドするためにＤＣＥＭＲ画像の使用を動機付ける。しかしながら、現在の臨床業務フローにおいては、３Ｄの腹臥位−背臥位画像対は通常、手術の時点において利用可能ではなく、画像により駆動される位置決め手法の使用を潜在的に制限する。背臥位のＣＴ画像は例えば、放射線治療のための線量の計画を容易化するため、手術の後にのみ取得される。患者特有の生体力学的モデルの臨床的な利用可能性に関する他の問題は、物質パラメータがしばしば未知であり、広範な剛性のばらつきが文献において報告されている点である。このことは、物質パラメータ最適化を動機付けした。

画像によりガイドされる胸部の手術の状況においては、背臥位の胸部ＭＲＩが、手術位置における病変の程度及び位置についての情報を提供し得る。それ故、当該構成は、画像によりガイドされる胸部の介入の実現可能性を評価するため、研究において利用された。しかしながら、現在まで、背臥位の撮像位置は、標準的な臨床診療ではない。光学的表面撮像手法は、近年普及している。高速であり非侵襲的な、ＭＲＩに比べて低コストなこの撮像モダリティは、直立位又は背臥位の姿勢における患者を撮像するために用いられ得る。このことは、腹臥位の画像が目標の表面に向けて湾曲させられるときに、手術計画、手術ガイダンス又は美容的な評価のための、腹臥位の術前ＭＲＩに対する、有益な補助を提供し得る。

本発明の一態様によれば、画像から表面への位置合わせ方法が提案され、一実施例においては本方法は、有限要素（ＦＥ）生体力学的モデル化、物質パラメータ最適化、及び腹臥位のＭＲ画像の背臥位又は直立位の目標表面への変換のための表面湾曲を組み込む。検証の目的のため、目標表面は、背臥位の放射線治療計画ＣＴスキャンから抽出され、胸部空間内の目標位置合わせ誤差（ＴＲＥ）の評価を実現しても良い。限定するものではない状況の例の詳細が、以下に説明される。

腹臥位ＭＲＩ及び背臥位ＣＴ画像（単に検証のためであり実際の状況では必要とされないか又は利用可能でない）は、患者の皮膚表面を最初に描画するためにセグメント化される。ＭＲ画像は更に処理され、胸筋の表面が生体力学的モデルの後部境界を定義するものとして特定される。内部胸部構造は次いで、例えば期待値最大化ベースの画像セグメント化を用いて、脂質と繊維腺組織とにセグメント化される。セグメント化が適所に行われると、胸部の幾何は、胸部組織を表すための四面体の体素と、皮膚を表すための三角形膜要素と、から成るＦＥメッシュに離散化される。各要素は、組織分類セグメント化結果に従ってラベル付けされる。脂肪と繊維腺組織とについての構成関係は、

となるよう選択され、ここでμ及びκはそれぞれ剪断弾性係数及び体積弾性率に関する物質パラメータであり、Ｊは変形勾配の決定因子であり、

は偏差コーシー・グリーンテンソルの第１の不変量である。皮膚の膜要素については、Veronda及びWestmannによる指数関数的な構成関係

（Veronda, D. R.及びWestmann, R. A.による「Mechanical characterization of skin - finite deformations」（Journal of Biomechanics 3(1), 111-124 (1970)）に開示されたような）が用いられ、ここで

及び

は２次元コーシーグリーン歪みテンソルの第１及び第２の不変量を示し、α_ｓ、β_ｓ及びｃ_ｓは物質パラメータである。

胸部モデルの境界条件は、前胸部−胸部境界が固定されたものとみなされ、皮膚に引っ張り力がないものと仮定されるよう、選択される。上部及び下部面における節点は、軸方向の面内運動に制約される。

図２は、一実施例においては提案される修正方法の第１のステップを形成しても良い、物質最適化戦略の概要を示す。腹臥位ＭＲＩベースの生体力学的モデルが、以下に説明されるようにステップＳ１０において生成され、目標画像とともに最適化の入力を形成する。
最適化手順の目的は、ことによると単に生体力学的モデルの物質パラメータを修正することによって、生体力学的モデルと目標表面を整合させることである。この目的のため、剪断弾性係数μは、脂肪及び繊維腺組織について最適化され、このときこれらの組織の分類剛性値間の固定された比率を用いる。他方、体積弾性率は、シミュレーションされる組織の非圧縮性に近い挙動を考慮して、一定のポワソン比と類似するよう設定される。皮膚についてはｃ_ｓは、表面積の変化の測定値として解釈され得る

と関連するため、最適化手順において自由なパラメータとして選択される。

ステップＳ１１における生体力学的シミュレーションは、２つのステップを有する。第１のステップにおいては、負荷のない構成を推定することにより、重量の影響が除去される。第２のステップにおいては、目標表面の構成（即ち背臥位又は直立位）に対応する重力がシミュレートされる。シミュレートされた目標構成において、ステップＳ１３における反復最近接点（ＩＣＰ）アルゴリズムを用いた目標表面との厳密な整合を容易化するため、ステップＳ１２においてモデルから皮膚表面が抽出される。物質パラメータの変化は、シミュレーションと目標表面との間の厳密な整合にも影響を与えるため、ＩＣＰは、各シミュレーションの後に反復的に実行される。

負荷シミュレーションと目標表面との間の位置合わせ品質は、ステップＳ１４において目的関数を用いて評価される。この目的のため、平均ユークリッド点−面距離が利用される。Ｐ_ｓｉｍ（μ_ｆ，μ_ｇ，ｃ_ｓ）＝｛Ｐ_１，Ｐ_２，…Ｐ_Ｎ｝を動く表面メッシュのＮ個の点、即ち生体力学的負荷シミュレーションの抽出された皮膚点とする。更に、Ｓ_ｓｃａｎを目標表面とすると、目的関数は、該表面に対する各点の平均最小距離ｄにより与えられる：

図２は、とり得る業務フローを反映する本発明による方法の実施例の概要を示す。該方法は、物質パラメータ最適化業務フロー１００及び後続する湾曲業務フロー２００を有する。

物質パラメータ最適化業務フロー１００の出力は、物質パラメータと、変換された表面メッシュＳ'_{ｒｉｇｉｄ}を生成するために用いられる均一剛性マトリクスと、である。図２から分かるように、ステップＳ１４における目的関数の評価は、２つの生体力学的シミュレーションを含む一連の計算、及び反復最近接点アルゴリズムの適用を含む。これらのステップは特に、処理を計算的に高価なものとする。更に、目的関数の勾配は利用できない。それ故、ステップＳ１６において更新された物質パラメータを決定する、ステップＳ１５における最適化器として、ネルダー−ミード・シンプレックスアルゴリズム（Nelder, J. A.及びMead, R.による「A simplex method for function minimization」（The Computer Journal 7(4), 308-313 (1965)）に開示されたような）が利用される。

最適化された物質パラメータのみでは、負荷シミュレーションと対応する走査された表面との間の十分に好適な整合を必ずしも保証しない。このことは或る程度まで、ＭＲＩ走査及び患者支持機器による。注意深く配置された患者の胸部であっても、特に胸骨のまわりの内側領域において、例えば利用される胸部コイル１２（図１参照）のために、大きな皮膚表面の窪みを呈し得る。生体力学的シミュレーションにおいて当該変形に対処する一方法は、当該変形を打ち消す付加的な表面力であり得る。しかしながら、斯かる力の局所的に変化する大きさは未知であり、従ってシミュレーションに導入されることができない。より単純な代替方法が必要とされ、ここで提案される。

本発明の実施例によれば、負荷シミュレーションの残余整合誤差が、皮膚節点が皮膚目標表面と一致するように皮膚節点に変位制約を課すことによって訂正される。３Ｄ目標皮膚表面に対する単純な最短距離投射は、（ｉ）該投射が大きな表面積変化及び極端な場合には崩壊した要素に帰着し得るため、（ii）結果の表面要素が低い品質のものとなり得るため、及び（iii）変位が必ずしも平滑ではないため、不十分なものとなり得る。

表面湾曲業務フロー２００の実施例は、図２のブロック２００において示される。物質パラメータ最適化１００は、有限要素生体力学的モデルを背臥位（又は直立位）表面走査に整合させる。生体力学的モデルの物質パラメータは、表面走査の厳密な整合及びシミュレーションされた対応する位置が類似度を向上させるよう最適化される。最終的な表面駆動型の整合を得るため、生体力学的モデルからの抽出される皮膚表面は、ステップＳ１７において、厳密に変換された背臥位又は直立位の目標メッシュに合致するよう、粗く湾曲させられる。当該湾曲ステップは、続いて三次元生体力学的モデルを更新するためステップＳ１８において用いられる皮膚表面変位に帰着し、重力が物質パラメータ最適化ステップＳ１１におけるように最初にシミュレーションされ、次いで表面の変位が皮膚節点に適用される。この生体力学的重力／変位シミュレーションは、対象の領域全体に亘る三次元の変位を生成し、元のＭＲ画像がこれに応じて最後のステップＳ１８において変換されることを可能とする。

提案される表面湾曲手法の種々の任意の構成要素の更なる詳細は、以下に説明され、目標メッシュに向けて生体力学的モデルの皮膚表面を駆動する変位一実施例においては、算出Ｄと、メッシュを調整するラプラシアンメッシュ平滑化ステップＬと、表面積における局所的な変化を低減させる面積制約Ａと、最後のメッシュ交差を回避する自己交差防止Ｉと、を有する。

変位算出について、Ｋを皮膚表面メッシュの節点接続行列とする。平滑な特性を持つ行列は、そのｍ_Ｄ乗を算出することにより計算されることができる。更に、表面Ｓ'_ｓｃａｎに対するｎ回目の反復における現在の節点位置Ｐ_ｉ ^Ａ，ｎからの最短距離を持つベクトルを

とすると、変位の平滑なバージョンは、ｄ'＝Ｋ^ｍＤｄにより算出されることができる。これらの平滑に変化する変位は、

の反復方式に従って節点位置を更新するために用いられる。ここでｓは、変形の変位駆動成分と他の制約とのバランスをとるために用いられスケーリングパラメータである。

メッシュの規則性は、しばしば生体力学的なシミュレーションにおける望ましい品質である。反復の間にこれを制御するため、ラプラシアンメッシュ平滑化が用いられる（例えばField, D. A.による「Laplacian smoothing and delaunay triangulations」（Communications in Applied Numerical Methods 4(6), 709-712 (1988)）に記載されたような）。該平滑化は、シミュレーションされた表面の法線が目標の表面に対して大きな角度をなす場合に特に有用である。斯かる極端な場合においては、変位ステップＤは、移動する要素を崩壊させ得る。それ故、ｗ（Ｐ_ｉ ^Ｄ，ｎ）を点Ｐ_ｉ ^Ｄ，ｎに接続されたメッシュ点のインデクスのセットとし、｜ｗ｜を隣接点の数とすると、変位させられた節点Ｐ_ｉ ^Ｌは、

として計算されることができる。このことは、各点が、周囲の点の中心に向かって移動することを意味する。全ての処理される場合においてｌ＝０．１と選択されたスカラー重みｌは、平滑化の量を制御する。

以前のメッシュ湾曲ステップの両方が、表面積に局所的な変化をもたらす。面積変化を低減させるため、各節点に対して修正ベクトルが以下のように算出される。Ｔ＝｛Ｔ_１，…，Ｔ_ｊ｝を、現在の節点Ｐ_ｉ ^Ｌ，ｎに接続された三角形表面要素とする。各要素について、元の表面積Ａ_０，Ｔｍ（即ち表面湾曲が開始される前の各三角形の面積）からの逸脱は、以下のように算出される：

ここで、ベクトルｖ_Ｔｍ及びｗ_Ｔｍは、現在の中心節点から、三角形Ｔ_ｍの対向する節点に向く。最終的な修正ベクトルは、

として算出される。

節点位置の更新は、自己交差メッシュに帰着し得る。このことは、直立位が目標の構成として用いられる場合、乳腺下の折れ目領域において成り立つ見込みが高い。それ故、動きの方向において起こり得る表面接触を感知することにより、交差防止工程が組み込まれても良い。自己交差が検出された場合、対応する節点が固定されたままとされる。

図３は、腹臥位構成における胸部とＭＲスキャナ（即ち胸部コイル）との間の接触の影響、及び以上に説明された表面湾曲方法の結果の例を示す。図３Ａは腹臥位ＭＲＩ（即ち取得された医療胸部画像）を示し、矢印はスキャナとの胸部の接触を示す。図３Ｂは、物質最適化ステップの後のシミュレーションされた直立位表面（即ちシミュレーションされた医療胸部画像）を示す。ＭＲＩ胸部コイルの接触は、矢印に示されるように、シミュレーション結果に伝播する。この効果を修正するため、表面湾曲を用いることにより、図３Ｃに示されるように、変位ベクトル場が算出される。シミュレーションされた表面に対する変位の適用は、図３Ｄに示されるような修正された表面（即ち修正された医療胸部画像）に帰着する。

図３に示されるように、患者の胸部のＭＲＩコイルとの接触に起因する変形は、効果的に減少させられる。変位ベクトル場は、内側胸部領域において最大振幅を示す。それ故、修正されたメッシュは、実際の直立位表面を、より正確に表す。

最後のステップにおいて、以上に説明されたように算出された表面変位が用いられて、以前に得られた最適化された物質パラメータを用いた生体力学的モデルの立体メッシュを更新する。ここで、重力負荷と節点変位条件とが同時に考慮される。三次元変位を算出するため、物質パラメータ最適化からの最後の負荷シミュレーションが、再開始されても良い。重力負荷が完了すると、皮膚表面節点における変位境界条件が起動される。このことは、以前に算出された表面変位を、生体力学的シミュレーションに課す。

三次元変位は、（ｉ）負荷解消、（ii）再負荷及び（iii）規定された変位シミュレーションの変形ベクトル場を構成することにより、ここで完全に定義され、生成され得る。このことは、画像湾曲及び腹臥位から負荷のある構成への目印の変形が実行されることを可能とする。

要約すると、画像によりガイドされる手術における将来の用途を持つ表面駆動型の腹臥位−背臥位位置合わせは、目標の情報が３次元的に分解された画像ではない見込みが高く、潜在的に光学的な表面スキャンであるという問題に直面する。それ故、目標の表面情報を用いて腹臥位ＭＲ画像の背臥位への変形を可能とするアルゴリズムが必要とされる。本発明によれば、特に腹臥位から背臥位又は直立位への大きな変形をシミュレーションするために生体力学的モデルが用いられる場合の、２つの主な課題、即ち（ｉ）未知の物質パラメータ及び（ii）腹臥位におけるＭＲＩ走査機器によりもたらされる付加的な変形を克服する、位置合わせ方式（即ち画像修正方法）が提案される。このことは、生体力学的シミュレーションと目標の表面との間の残余の幾何学的な差を修正する、表面湾曲ステップにより後続される、物質最適化手順により実現される。

内部情報が位置合わせを駆動するために用いられていないことを考慮すると、該方法は手術の設定におけるナビゲーションを支援する大きな可能性を持つ。表面駆動型の手法の利益は、二倍となる。臨床用途に関しては、腹臥位−背臥位の位置合わせは、病変の程度及びマージンの可視化が、複数の姿勢、即ち腹臥位、背臥位及び直立位において可能となるため、手術の計画及び初期ガイダンスのために利用されることができる。生体力学的モデル化の視点からは、物質最適化及び表面湾曲から得られる情報は、ＭＲＩコイル変形アーティファクトを除去することにより、生体力学的モデルの幾何を改善し、次いで負荷のある構成の更新された推定に導く、フィードバックステップにおいて利用され得る。

図面に関連する以上の説明は実施例であることは、留意されるべきである。本発明は、マンモグラフィ画像、ＣＴ画像又は超音波画像（超音波装置により引き起こされる変形のアーティファクトを示し得る）のような、他の画像取得機器によって取得された、及び／又は、背臥位画像又は直立位画像のような、対象の他の位置において取得された、他の医療胸部画像に対しても適用され得る。走査画像は、光学カメラ、身体スキャナ、ハンドヘルド型走査装置等のような、いずれの走査画像取得機器により取得されても良い。両方の画像が連続して取得され、取得の直後に直接に処理されても良いが、一方又は両方の画像が予め取得及び保存され、後に処理されることも可能である。医療胸部画像及び走査画像が、同じ位置（例えば直立位又は腹臥位）の対象から取得された場合、走査画像と同じ位置にするためのシミュレーションされた胸部画像を決定するステップは省略されても良い。

更なる実施例においては、医療胸部画像の修正のための装置が提示され、該装置は、胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像入力部と、前記対象の所定の位置における胸部を示す、同一の対象の胸部の走査画像を取得するための、走査画像入力部と、前記取得された医療胸部画像からシミュレートされた医療胸部画像を生成するためのシミュレーションユニットであって、前記シミュレートされた医療胸部画像は、前記走査画像と同一の前記対象の所定の位置における胸部を示し、表面メッシュにより前記胸部表面を表す、シミュレーションユニットと、前記表面メッシュと前記走査画像との間の表面マッチングを適用することにより、前記走査画像を用いて、前記人為的な変形について、前記シミュレートされた医療胸部画像を修正するための修正を決定し、前記決定された修正を前記取得された医療胸部画像に適用して、修正された医療胸部画像を取得するための、修正ユニットと、を有する。更に、対応する方法、コンピュータプログラム、持続型コンピュータ読み取り可能媒体、及び前記装置を有する撮像システムが提供される。

本発明は図面及び以上の記述において説明され記載されたが、斯かる説明及び記載は説明するもの又は例示的なものであって限定するものではないとみなされるべきであり、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。

請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。単一の要素又はその他のユニットが、請求項に列記された幾つかのアイテムの機能を実行しても良い。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上で保存／配布されても良いが、インターネット又はその他の有線若しくは無線通信システムを介してのような、他の形態で配布されても良い。

請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 医療胸部画像の修正のための装置であって、前記装置は、
   胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像入力部と、
   前記対象の所定の位置における胸部を示し、胸部表面の表面情報を有する、同一の対象の胸部の走査画像を取得するための、走査画像入力部と、
   前記取得された医療胸部画像からシミュレートされた医療胸部画像を生成するためのシミュレーションユニットであって、前記シミュレートされた医療胸部画像は、前記走査画像と同一の前記対象の所定の位置における胸部を示し、表面メッシュにより前記胸部表面を表し、前記シミュレーションユニットは、三次元生体力学的モデルに基づいて、前記シミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成され、前記生体力学的モデルの物質パラメータは、前記生体力学的モデルを前記走査画像から抽出された前記胸部表面に整合させるために変更される、シミュレーションユニットと、
   前記表面メッシュと前記走査画像との間の表面マッチングを適用することにより、前記走査画像を用いて、前記人為的な変形について、前記シミュレートされた医療胸部画像を修正するための修正を決定し、前記決定された修正を前記取得された医療胸部画像に適用して、修正された医療胸部画像を取得するための、修正ユニットと、
   を有する装置。
2. 前記シミュレーションユニットは、前記走査画像から抽出された胸部表面に対して、前記生成された表面メッシュを厳密に整合させて、生体力学的モデルの物質パラメータを最適化するよう構成された、請求項１に記載の装置。
3. 前記修正ユニットは、前記表面メッシュの局所的な修正を示す変位ベクトル場を決定し、前記変位ベクトル場を前記取得された医療胸部画像に適用して、前記修正された医療胸部画像を得るよう構成された、請求項１に記載の装置。
4. 前記修正ユニットは、前記表面メッシュの皮膚節点に対して、前記走査画像により表される皮膚表面と前記皮膚節点が一致するような変位制約を課すことにより、前記修正を決定するよう構成された、請求項１に記載の装置。
5. 前記シミュレーションユニットは、胸部が前記表面メッシュ及び立体メッシュを含む三次元メッシュにより表される、シミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成された、請求項１に記載の装置。
6. 前記修正ユニットは、表面湾曲を適用することにより前記修正を決定するよう構成された、請求項５に記載の装置。
7. 前記修正ユニットは、前記走査画像に向けて前記表面メッシュを駆動するため変位計算を適用することにより前記修正を決定するよう構成された、請求項５に記載の装置。
8. 前記修正ユニットは、前記立体メッシュを調整するため、平滑化を適用することにより前記修正を決定するよう構成された、請求項５に記載の装置。
9. 前記修正ユニットは、前記胸部表面の表面積における局所的な変化を低減させるための領域制約を適用するよう構成された、請求項５に記載の装置。
10. 前記修正ユニットは、メッシュの交差を回避するため自己交差防止を適用するよう構成された、請求項５に記載の装置。
11. 前記医療胸部画像は、ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、又はマンモグラフィ画像である、請求項１に記載の装置。
12. 前記走査画像は、直立位走査画像であり、前記シミュレーションユニットは、直立位のシミュレートされた医療胸部画像を生成するよう構成された、請求項１に記載の装置。
13. 胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するための、医療画像取得ユニットと、
    前記対象の所定の位置における胸部を示し、胸部表面の表面情報を有する、同一の対象の胸部の走査画像を取得するための、走査画像取得ユニットと、
    前記取得された走査画像を用いた、前記医療画像取得ユニットにより取得された医療胸部画像の修正のための、請求項１に記載の装置と、
    前記修正された医療胸部画像を出力するための、出力ユニットと、
    を有する、撮像システム。
14. 医療胸部画像の修正のための方法であって、
    胸部の人為的な変形を潜在的に示す対象の胸部の医療胸部画像を取得するステップと、
    前記対象の所定の位置における胸部を示し、胸部表面の表面情報を有する、同一の対象の胸部の走査画像を取得するステップと、
    前記取得された医療胸部画像からシミュレートされた医療胸部画像を生成するステップであって、前記シミュレートされた医療胸部画像は、前記走査画像と同一の前記対象の所定の位置における胸部を示し、表面メッシュにより前記胸部表面を表し、前記シミュレートされた医療胸部画像は、三次元生体力学的モデルに基づいて生成され、前記生体力学的モデルの物質パラメータは、前記生体力学的モデルを前記走査画像から抽出された前記胸部表面に整合させるために変更される、ステップと、
    前記表面メッシュと前記走査画像との間の表面マッチングを適用することにより、前記走査画像を用いて、前記人為的な変形について、前記シミュレートされた医療胸部画像を修正するための修正を決定するステップと、
    前記決定された修正を前記取得された医療胸部画像に適用して、修正された医療胸部画像を取得するステップと、
    を有する方法。
15. コンピュータプログラムであって、コンピュータ上で実行されたときに、請求項１４に記載の方法のステップを前記コンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム。

Images