JPH06149991A - イメージデータをベクトルデータに変換する方法 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S623/901—Method of manufacturing prosthetic device
Abstract
(57)【要約】
【目的】 イメージデータをベクトルデータに変換する
方法を提供する。 【構成】 本方法は、一群の点のそれぞれに対するベク
トルを求める段階と、各ベクトルを非均一性有理Bスプ
ラインの対照ポリゴンの極点と関連させる段階とを含
む。点の群は、三次元物体の境界を表す面と関連する。
境界の一部は隠れて見えない。
方法を提供する。 【構成】 本方法は、一群の点のそれぞれに対するベク
トルを求める段階と、各ベクトルを非均一性有理Bスプ
ラインの対照ポリゴンの極点と関連させる段階とを含
む。点の群は、三次元物体の境界を表す面と関連する。
境界の一部は隠れて見えない。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、信号処理の分
野に関し、より具体的には、イメージ(image)デ
ータをベクトルデータに変換する方法に関する。
野に関し、より具体的には、イメージ(image)デ
ータをベクトルデータに変換する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】コンピュータベースの二つの図形処理技
術がそれぞれ技術の個々の分野において実践者たちに広
く受け入れられるようになった。しかし、これら二つの
技術を統合したものは、ひいき目に見ても使いにくく、
悪く言えば不満足である。
術がそれぞれ技術の個々の分野において実践者たちに広
く受け入れられるようになった。しかし、これら二つの
技術を統合したものは、ひいき目に見ても使いにくく、
悪く言えば不満足である。
【0003】第一のコンピュータベースの図形処理技術
は、コンピュータ利用断層撮影法(computer
aided tomography)、コンピュータ化
体軸断層撮影法(computerized axia
l tomography)、CATもしくは単にCT
として公知である。CT走査(CT scan)は、あ
る特定の物体の密度を連続的に二次元解析したものであ
る。通常、解析を受ける物体は人体の一部である。各二
次元密度解析が物体の密度の数学的モデルを創出する。
このモデルを使用して、平面内の内部構造体、そうでな
ければ隠れた構造体の位置および大きさを決定すること
ができる。このような構造体は、骨および軟組織を含
む。したがって、密度解析を連続的に使用して、表面描
写法、例えばシェイディングおよび陰線・面消去を使用
しながら、内部構造体の三次元表示をビデオ表示装置上
に構成することができる。データの各「スライス」は通
常、N行×M列の配列のデータ点として表す。
は、コンピュータ利用断層撮影法(computer
aided tomography)、コンピュータ化
体軸断層撮影法(computerized axia
l tomography)、CATもしくは単にCT
として公知である。CT走査(CT scan)は、あ
る特定の物体の密度を連続的に二次元解析したものであ
る。通常、解析を受ける物体は人体の一部である。各二
次元密度解析が物体の密度の数学的モデルを創出する。
このモデルを使用して、平面内の内部構造体、そうでな
ければ隠れた構造体の位置および大きさを決定すること
ができる。このような構造体は、骨および軟組織を含
む。したがって、密度解析を連続的に使用して、表面描
写法、例えばシェイディングおよび陰線・面消去を使用
しながら、内部構造体の三次元表示をビデオ表示装置上
に構成することができる。データの各「スライス」は通
常、N行×M列の配列のデータ点として表す。
【0004】第二のコンピュータベースの図形処理技術
は、コンピュータ利用設計(computer aid
ed design)もしくはCADとして公知であ
る。CADシステムは、数学的にモデル化された構造体
を操作する。通常、モデル化される物体は機械部品や建
造物である。プログラマは、コンピュータ内の構造体を
容易に操作して、例えばそのモデルに構造を加えたり、
そこから構造を消したりすることができる。プログラマ
はまた、コンピュータ援用製造(CAM)システムを利
用することにより、数学的モデルを使用して、そのモデ
ルを表すソリッドモデルを構成することもできる。CA
Mシステムは、プログラマによってCADシステムから
制御用機械加工具や他の製造機器、例えば立体リソグラ
フィー装置(SLA)に創出される数学的モデルを使用
する。CADデータは一組の数学方程式として効率的に
記憶される。CADモデルを使用するたびに、これらの
方程式が表示を出す。
は、コンピュータ利用設計(computer aid
ed design)もしくはCADとして公知であ
る。CADシステムは、数学的にモデル化された構造体
を操作する。通常、モデル化される物体は機械部品や建
造物である。プログラマは、コンピュータ内の構造体を
容易に操作して、例えばそのモデルに構造を加えたり、
そこから構造を消したりすることができる。プログラマ
はまた、コンピュータ援用製造(CAM)システムを利
用することにより、数学的モデルを使用して、そのモデ
ルを表すソリッドモデルを構成することもできる。CA
Mシステムは、プログラマによってCADシステムから
制御用機械加工具や他の製造機器、例えば立体リソグラ
フィー装置(SLA)に創出される数学的モデルを使用
する。CADデータは一組の数学方程式として効率的に
記憶される。CADモデルを使用するたびに、これらの
方程式が表示を出す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これまでのところ、C
T技術とCAD技術とを、個々の技術の精密度を別々に
保持するような方法で結合する方法は存在していない。
T技術とCAD技術とを、個々の技術の精密度を別々に
保持するような方法で結合する方法は存在していない。
【0006】したがって、イメージデータをベクトルデ
ータに変換する方法が求められるようになった。
ータに変換する方法が求められるようになった。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によると、イメー
ジデータをベクトルデータに変換する方法であって、従
来技術に伴う欠点および問題を実質的に解消するか軽減
する方法が得られる。
ジデータをベクトルデータに変換する方法であって、従
来技術に伴う欠点および問題を実質的に解消するか軽減
する方法が得られる。
【0008】イメージデータをベクトルデータに変換す
る方法を説明する。本方法は、一群の点のそれぞれに対
するベクトルを生成する段階と、各点を非均一性有理B
スプライン(non−uniform rationa
l B−spline)の対照ポリゴンの極点(pol
e of control polygon)と関連さ
せる段階とを含む。点の群は、三次元物体の境界を表す
面と関連する。境界の一部は隠れて見えない。
る方法を説明する。本方法は、一群の点のそれぞれに対
するベクトルを生成する段階と、各点を非均一性有理B
スプライン(non−uniform rationa
l B−spline)の対照ポリゴンの極点(pol
e of control polygon)と関連さ
せる段階とを含む。点の群は、三次元物体の境界を表す
面と関連する。境界の一部は隠れて見えない。
【0009】
【発明の効果】開示の発明の第一の技術的利点は、CT
結像システムとCADシステムとの統合である。今や、
プログラマは、走査を受けた構造体の数学的モデルを直
接CADシステムに自動的に転送して操作に備えること
ができる。この転送が各技術の精密度を損なうことはな
い。
結像システムとCADシステムとの統合である。今や、
プログラマは、走査を受けた構造体の数学的モデルを直
接CADシステムに自動的に転送して操作に備えること
ができる。この転送が各技術の精密度を損なうことはな
い。
【0010】開示の発明の第二の技術的利点は、その自
動性である。データ変換をマイクロプロセッサによって
自動的に実施することができ、プログラマの介入を必要
としない。
動性である。データ変換をマイクロプロセッサによって
自動的に実施することができ、プログラマの介入を必要
としない。
【0011】開示の発明の第三の技術的利点は、既存の
機器および手法を使用することである。わずかな変更を
加えるだけで、データ変換をCTまたはCADシステム
において実施することができる。現存のCTおよびCA
Dの手法に対する他の変更は不必要である。
機器および手法を使用することである。わずかな変更を
加えるだけで、データ変換をCTまたはCADシステム
において実施することができる。現存のCTおよびCA
Dの手法に対する他の変更は不必要である。
【0012】
【実施例】図1は、従来の固定具12を装着した治療部
位10を示す。この従来の固定具12は、対角材アセン
ブリ14、プレート16およびねじ18からなる。外科
医は手術の前に器具をあつらえることができないため、
この従来の固定具を構成する各部品は汎用的なものでな
ければならない。その結果、従来の固定具12は、感染
源だけでなく刺激の点にもなりうる多数の鋭利な縁およ
び盛り上り部を数多く有している。各プレート16を治
療部位10の骨22に固着するために、各ねじ18は止
めナット20を有している。対角材アセンブリ14は、
ボルト26およびナット28によって一体に保持される
クランプ24を備えている。
位10を示す。この従来の固定具12は、対角材アセン
ブリ14、プレート16およびねじ18からなる。外科
医は手術の前に器具をあつらえることができないため、
この従来の固定具を構成する各部品は汎用的なものでな
ければならない。その結果、従来の固定具12は、感染
源だけでなく刺激の点にもなりうる多数の鋭利な縁およ
び盛り上り部を数多く有している。各プレート16を治
療部位10の骨22に固着するために、各ねじ18は止
めナット20を有している。対角材アセンブリ14は、
ボルト26およびナット28によって一体に保持される
クランプ24を備えている。
【0013】対照的に、図2は、本発明の教示にしたが
って手術前に作製されたあつらえ固定具30を装用する
治療部位10を示す。あつらえ固定具30は手術前に作
製することができるため、この器具は、特定の患者に特
定的に設計され、治療部位にできるだけぴったり適合す
るように構成されている。その結果、器具30はより扁
平であり、鋭利な縁は大幅に減り、プレートやクランプ
などの汎用的なアセンブリを使用する必要がなくなる。
図2を参照すると、固定具30は、扁平ねじ34によっ
て骨22に固着された単一輪郭のブレース32からな
る。器具30の縁は丸まっている。したがって、潜在的
な刺激および感染の根源が減る。
って手術前に作製されたあつらえ固定具30を装用する
治療部位10を示す。あつらえ固定具30は手術前に作
製することができるため、この器具は、特定の患者に特
定的に設計され、治療部位にできるだけぴったり適合す
るように構成されている。その結果、器具30はより扁
平であり、鋭利な縁は大幅に減り、プレートやクランプ
などの汎用的なアセンブリを使用する必要がなくなる。
図2を参照すると、固定具30は、扁平ねじ34によっ
て骨22に固着された単一輪郭のブレース32からな
る。器具30の縁は丸まっている。したがって、潜在的
な刺激および感染の根源が減る。
【0014】図3を参照すると、あつらえ固定具を製造
するための装置が示されている。この装置は、走査装置
40、結像器42、外科医インタフェースコンピュータ
44、CADシステム46、立体リソグラフィーシステ
ム(SLS)48、簡易鋳造所50および仕上げ工具5
2を含む。
するための装置が示されている。この装置は、走査装置
40、結像器42、外科医インタフェースコンピュータ
44、CADシステム46、立体リソグラフィーシステ
ム(SLS)48、簡易鋳造所50および仕上げ工具5
2を含む。
【0015】本発明においては、手術を受ける患者が治
療部位の断層撮影走査を受けるものと見なす。走査装置
40は、矯正処置にほぼ間に合うか、その直前に、治療
部位を表す断層撮影イメージデータを生成する。走査装
置は、以下さらに詳細に説明するように、治療部位を種
々の透視方向から撮影した一連の二次元イメージを提供
するイメージデータを生成する。そして、このイメージ
データをディスクもしくは磁気テープまたは結像器42
に設けることができる他の大容量コンピュータ記憶装置
に記憶する。
療部位の断層撮影走査を受けるものと見なす。走査装置
40は、矯正処置にほぼ間に合うか、その直前に、治療
部位を表す断層撮影イメージデータを生成する。走査装
置は、以下さらに詳細に説明するように、治療部位を種
々の透視方向から撮影した一連の二次元イメージを提供
するイメージデータを生成する。そして、このイメージ
データをディスクもしくは磁気テープまたは結像器42
に設けることができる他の大容量コンピュータ記憶装置
に記憶する。
【0016】結像器もしくは結像システム42は、未処
理の断層撮影データを取り込み、CADシステム46で
の使用に適するようにそれを修正する。結像器42は外
科医インタフェースコンピュータ44に接続されてい
る。
理の断層撮影データを取り込み、CADシステム46で
の使用に適するようにそれを修正する。結像器42は外
科医インタフェースコンピュータ44に接続されてい
る。
【0017】外科医インタフェースコンピュータ44
は、外科医もしくは他の医療専門家が断層撮影イメージ
データを見て、それを何らかの方法で操作することを可
能にする。外科医インタフェースコンピュータ44は、
当業者に公知であるような従来の結像ソフトウェアと相
互作用する従来のデジタルコンピュータ、例えばラップ
トップ型パーソナルコンピュータである。そして、イメ
ージデータもしくは修正を望んだ場合には修正したイメ
ージデータをCADシステムデータに変換し、従来のC
ADシステム46にロードする。
は、外科医もしくは他の医療専門家が断層撮影イメージ
データを見て、それを何らかの方法で操作することを可
能にする。外科医インタフェースコンピュータ44は、
当業者に公知であるような従来の結像ソフトウェアと相
互作用する従来のデジタルコンピュータ、例えばラップ
トップ型パーソナルコンピュータである。そして、イメ
ージデータもしくは修正を望んだ場合には修正したイメ
ージデータをCADシステムデータに変換し、従来のC
ADシステム46にロードする。
【0018】CADシステム46には、あつらえ固定具
の設計に適当である、三次元治療部位を二次元にしたも
のが供給される。技術者もしくは適当な訓練を受けた他
の医療技術専門家が、構成部品のライブラリを使用し
て、指定された治療部位に装用するための特別の固定具
をあつらえる。あつらえ固定具の設計がCADシステム
46上で完了すると、当業者には周知であるように、適
当にプログラムした従来のデジタルコンピュータを使用
してCADデータをスライスデータに変換して、立体リ
ソグラフィーシステム48への入力を得る。
の設計に適当である、三次元治療部位を二次元にしたも
のが供給される。技術者もしくは適当な訓練を受けた他
の医療技術専門家が、構成部品のライブラリを使用し
て、指定された治療部位に装用するための特別の固定具
をあつらえる。あつらえ固定具の設計がCADシステム
46上で完了すると、当業者には周知であるように、適
当にプログラムした従来のデジタルコンピュータを使用
してCADデータをスライスデータに変換して、立体リ
ソグラフィーシステム48への入力を得る。
【0019】立体リソグラフィーシステム48は、二次
元のスライスデータを取り込み、三次元物体を生成す
る。CADシステム46に含まれるデータは、治療部位
を表すデータとあつらえ固定具を示すデータの両方を含
む。立体リソグラフィーシステム48を使用して、固定
具と治療部位の両方のモデルを作製することができる。
元のスライスデータを取り込み、三次元物体を生成す
る。CADシステム46に含まれるデータは、治療部位
を表すデータとあつらえ固定具を示すデータの両方を含
む。立体リソグラフィーシステム48を使用して、固定
具と治療部位の両方のモデルを作製することができる。
【0020】立体リソグラフィーシステム48を利用し
て治療部位および固定具を三次元物体に表すと、治療部
位の三次元モデルを外科医に提供して、適当な外科手術
技術の決定に使用してもらうことができる。あつらえ固
定具はまた、当業者には周知であるロストワックス法を
使用して金属部品を製造するために、簡易鋳造所50に
送ることができる。あつらえ固定具は、従来から公知で
ある、埋植に適した外科治療用の鋼材から製造する。部
品を鋳造すると、それを仕上げ工具52に付して最終的
な調製、例えば洗浄、研磨およびパッケージングを加え
たのち、外科医が滅菌し、埋植する。
て治療部位および固定具を三次元物体に表すと、治療部
位の三次元モデルを外科医に提供して、適当な外科手術
技術の決定に使用してもらうことができる。あつらえ固
定具はまた、当業者には周知であるロストワックス法を
使用して金属部品を製造するために、簡易鋳造所50に
送ることができる。あつらえ固定具は、従来から公知で
ある、埋植に適した外科治療用の鋼材から製造する。部
品を鋳造すると、それを仕上げ工具52に付して最終的
な調製、例えば洗浄、研磨およびパッケージングを加え
たのち、外科医が滅菌し、埋植する。
【0021】SLS48は、三次元物体、例えば、あつ
らえ補てつ具およびドリルガイドを作製することができ
る。前者は図2に示している。ねじ34の穴を除く前者
を、その穴を通って治療部位10に入るソケットを所定
の軸沿いにドリルビットによって穿つように配設したと
き、後者の物体が見えるかもしれない。いずれの場合に
も、この器具は、治療部位10と適合する輪郭の面を有
するように作製される。
らえ補てつ具およびドリルガイドを作製することができ
る。前者は図2に示している。ねじ34の穴を除く前者
を、その穴を通って治療部位10に入るソケットを所定
の軸沿いにドリルビットによって穿つように配設したと
き、後者の物体が見えるかもしれない。いずれの場合に
も、この器具は、治療部位10と適合する輪郭の面を有
するように作製される。
【0022】図4を参照すると、例えば、あつらえ固定
具を作製する方法を示すフローチャートが示されてい
る。この工程は、断層撮影イメージデータを通常はコン
ピュータテープ上に得るステップ60から始まる。まず
ブロック70において、イメージデータをCADデータ
に変換する。ブロック70は、図12と関連して以下さ
らに説明する。ブロック72において、CADデータを
CADワークステーションにダウンロードして、患者の
治療部位の三次元表示の回りにあつらえ固定具を設計す
ることに備える。判定ポイント62において、この工程
は、CADデータが外科医による修正を必要とするか否
かによって分岐する。答がYESならば、工程は経路6
4をたどり、ブロック66において、CADデータを外
科医の外科的要望に合わせる。外科医は、例えば、対象
の区域を後の処理段階に備えて分離してもよい。そし
て、経路67をたどって、修正されたCADデータをC
ADステーションに戻す。ブロック66を経由するこの
ループは、外科医が、データが自らの要望に適合したと
いうことに満足するようなときまで継続する。ブロック
74において、CADデータを立体リソグラフィーシス
テムに適したスライスデータに変換したのち、あつらえ
固定具もしくは治療部位のいずれかまたはその両方のC
AD画像を立体リソグラフィーシステムにアップロード
する。
具を作製する方法を示すフローチャートが示されてい
る。この工程は、断層撮影イメージデータを通常はコン
ピュータテープ上に得るステップ60から始まる。まず
ブロック70において、イメージデータをCADデータ
に変換する。ブロック70は、図12と関連して以下さ
らに説明する。ブロック72において、CADデータを
CADワークステーションにダウンロードして、患者の
治療部位の三次元表示の回りにあつらえ固定具を設計す
ることに備える。判定ポイント62において、この工程
は、CADデータが外科医による修正を必要とするか否
かによって分岐する。答がYESならば、工程は経路6
4をたどり、ブロック66において、CADデータを外
科医の外科的要望に合わせる。外科医は、例えば、対象
の区域を後の処理段階に備えて分離してもよい。そし
て、経路67をたどって、修正されたCADデータをC
ADステーションに戻す。ブロック66を経由するこの
ループは、外科医が、データが自らの要望に適合したと
いうことに満足するようなときまで継続する。ブロック
74において、CADデータを立体リソグラフィーシス
テムに適したスライスデータに変換したのち、あつらえ
固定具もしくは治療部位のいずれかまたはその両方のC
AD画像を立体リソグラフィーシステムにアップロード
する。
【0023】ブロック74において、立体リソグラフィ
ーシステムが固定具もしくは治療部位のいずれかまたは
その両方のモデルを作製する。ブロック74において三
次元モデルを作製したのち、ブロック76において、簡
易鋳造所などの鋳造施設を使用して、埋植に適した固形
の金属器具を作製する。ブロック78において、粗い
縁、ばり、機械加工の痕跡などをすべて除くことによ
り、金属固定具を埋植に備え、仕上げる。これにより、
滑らかで丸まった縁を有する器具を外科医に提供して、
患者が刺激を受けたり感染するおそれを最小限にする。
ブロック80において、あつらえ固定具を治療部位のモ
デルとともに組み立てて、外科医による承認を求めるこ
とができる。外科医は、それで満足できるものであれ
ば、ブロック82においてあつらえ器具を患者に埋植す
る。
ーシステムが固定具もしくは治療部位のいずれかまたは
その両方のモデルを作製する。ブロック74において三
次元モデルを作製したのち、ブロック76において、簡
易鋳造所などの鋳造施設を使用して、埋植に適した固形
の金属器具を作製する。ブロック78において、粗い
縁、ばり、機械加工の痕跡などをすべて除くことによ
り、金属固定具を埋植に備え、仕上げる。これにより、
滑らかで丸まった縁を有する器具を外科医に提供して、
患者が刺激を受けたり感染するおそれを最小限にする。
ブロック80において、あつらえ固定具を治療部位のモ
デルとともに組み立てて、外科医による承認を求めるこ
とができる。外科医は、それで満足できるものであれ
ば、ブロック82においてあつらえ器具を患者に埋植す
る。
【0024】医療用断層撮影結像装置、例えばCTスキ
ャナ、磁気共鳴結像(MRI)スキャナおよびX線機
は、人体の一区域内の組織のある特性(property)を抽
出する。CTスキャナおよびMRIスキャナは、二次元
平面内の特性を抽出する。X線機は、重り合ういくつか
の平面の特性を単一の二次元平面に凝縮する。そして、
CTスキャナおよびMRIスキャナは、抽出した値を一
つまたは一組の断面画像として表す。
ャナ、磁気共鳴結像(MRI)スキャナおよびX線機
は、人体の一区域内の組織のある特性(property)を抽
出する。CTスキャナおよびMRIスキャナは、二次元
平面内の特性を抽出する。X線機は、重り合ういくつか
の平面の特性を単一の二次元平面に凝縮する。そして、
CTスキャナおよびMRIスキャナは、抽出した値を一
つまたは一組の断面画像として表す。
【0025】MRIスキャナが抽出する特性は、陽子の
磁気モーメントである。磁気モーメントは、ある場所で
の陽子の数、ひいてはその地点の全体の密度を示す。C
TスキャナおよびX線機は、それらの作動周波数におい
て抽出試料のマクロ断面積Σを測定する。マクロ断面積
は、抽出試料の原子密度に比例し、したがって、試料の
局部密度の測定値として使用することができる。
磁気モーメントである。磁気モーメントは、ある場所で
の陽子の数、ひいてはその地点の全体の密度を示す。C
TスキャナおよびX線機は、それらの作動周波数におい
て抽出試料のマクロ断面積Σを測定する。マクロ断面積
は、抽出試料の原子密度に比例し、したがって、試料の
局部密度の測定値として使用することができる。
【0026】いずれの方法を用いても、測定システムの
精度および解像度が十分に高いならば、測定した密度を
利用して体内構造どうしの境界を定めることができる。
現在のCTスキャナおよびMRIスキャナは、0.1mm
×0.1mm×1.5mmの体積(ボクセル[voxe
l]:6面それぞれが長方形である通常は長方形の箱状
物)を分解することができる。これは、頭蓋の精緻な骨
構造と脳の複雑な軟組織とを区別するのにも十分な高さ
である。
精度および解像度が十分に高いならば、測定した密度を
利用して体内構造どうしの境界を定めることができる。
現在のCTスキャナおよびMRIスキャナは、0.1mm
×0.1mm×1.5mmの体積(ボクセル[voxe
l]:6面それぞれが長方形である通常は長方形の箱状
物)を分解することができる。これは、頭蓋の精緻な骨
構造と脳の複雑な軟組織とを区別するのにも十分な高さ
である。
【0027】他の公知の断層撮影法、例えば陽電子放出
法(PET)および超音波放射法を利用して、開示の方
法に適したデータを生成してもよい。
法(PET)および超音波放射法を利用して、開示の方
法に適したデータを生成してもよい。
【0028】CADシステムは、すべてではないにして
も、いくつかの形状および構造を、非均一性有理Bスプ
ライン(NURBS)としてモデル化することができ
る。NURBSは、通常の幾何学形状だけでなく自由形
状をもコンピュータによって容易にモデル化し、操作す
ることを可能にする利点を有している。NURBSは、
多数の低次方程式を利用することによってこれを行う。
これは、より高次の方程式を数少なく使用する場合より
も計算力が少なくて済む。
も、いくつかの形状および構造を、非均一性有理Bスプ
ライン(NURBS)としてモデル化することができ
る。NURBSは、通常の幾何学形状だけでなく自由形
状をもコンピュータによって容易にモデル化し、操作す
ることを可能にする利点を有している。NURBSは、
多数の低次方程式を利用することによってこれを行う。
これは、より高次の方程式を数少なく使用する場合より
も計算力が少なくて済む。
【0029】Bスプライン曲線または曲面とは、多数の
多項式線分をつなぎ合わせたものからなる形状である。
多項式の次数(位数)を演算子によって設定して、曲線
を全体的にかたどることができる。例えば、線分は、一
連の直線線分を生じさせる次数「1」を有することがで
きる。1よりも大きな次数は、一連の曲線線分を生じさ
せる。NURBSは、隣接する線分どうしの結合部が滑
らかになるという特性を有している。
多項式線分をつなぎ合わせたものからなる形状である。
多項式の次数(位数)を演算子によって設定して、曲線
を全体的にかたどることができる。例えば、線分は、一
連の直線線分を生じさせる次数「1」を有することがで
きる。1よりも大きな次数は、一連の曲線線分を生じさ
せる。NURBSは、隣接する線分どうしの結合部が滑
らかになるという特性を有している。
【0030】Bスプライン曲線は、一群の極点、一群の
結節および対照ポリゴンによって定められる。Bスプラ
イン曲線は、終点ごとに極点を有し、曲線空間全体に離
間した変数を有している。各極点は、曲線を自らに向か
って操舵することにより、その曲線の形状に影響を及ぼ
す。曲線の形状に対する各極点の影響は、各極点に関連
する一組の混合関数によって決定される。これらの混合
関数は、曲線を滑らかにもするし、まっすぐにもする。
Bスプライン曲線が非均一ならば、極点間の間隔は極点
ごとに変化してもよい。対照ポリゴンとは、各頂点が極
点一つづつに一致するポリゴンである。これは、ジグザ
グの線のように開いたものでもよいし、正方形のように
閉じたものでもよい。結節とは、一つの多項式線分が終
わり、別の多項式線分が始まるところを定める、通常は
演算子が選択する点である。これは、生成された面に不
連続が存在することを可能にする。
結節および対照ポリゴンによって定められる。Bスプラ
イン曲線は、終点ごとに極点を有し、曲線空間全体に離
間した変数を有している。各極点は、曲線を自らに向か
って操舵することにより、その曲線の形状に影響を及ぼ
す。曲線の形状に対する各極点の影響は、各極点に関連
する一組の混合関数によって決定される。これらの混合
関数は、曲線を滑らかにもするし、まっすぐにもする。
Bスプライン曲線が非均一ならば、極点間の間隔は極点
ごとに変化してもよい。対照ポリゴンとは、各頂点が極
点一つづつに一致するポリゴンである。これは、ジグザ
グの線のように開いたものでもよいし、正方形のように
閉じたものでもよい。結節とは、一つの多項式線分が終
わり、別の多項式線分が始まるところを定める、通常は
演算子が選択する点である。これは、生成された面に不
連続が存在することを可能にする。
【0031】図5は、人間の大腿骨84の等角図を示
す。大腿骨84は周囲の組織を除いて示すが、開示の本
発明を通常に実施する場合、大腿骨84は周囲の組織に
隠れて見えないということを理解すべきである。本明細
書に記す説明においては、大腿骨84の形状が重要であ
ると見なす。例えば、病理学状況により、大腿骨84の
股関節を交換する必要があるかもしれない。
す。大腿骨84は周囲の組織を除いて示すが、開示の本
発明を通常に実施する場合、大腿骨84は周囲の組織に
隠れて見えないということを理解すべきである。本明細
書に記す説明においては、大腿骨84の形状が重要であ
ると見なす。例えば、病理学状況により、大腿骨84の
股関節を交換する必要があるかもしれない。
【0032】図6は、図5に示す大腿骨84と部分的に
一致する走査体積を表す図である。大腿骨84を、適当
な結像システム、例えばCTまたはMRIの走査システ
ム(図示せず)によって走査する。走査システムが、符
号88で示す対象区域における各ボクセルの密度を測定
する。ボクセル(voxel)86は立方体として示す
が、選択した走査システムに応じて、円筒形を含む他の
幾何学形状を適宜に使用してもよい。また、ボクセル8
6は、図示のように立方形状ではあるが、一方向または
二方向の寸法が他の二方向または一方向の寸法よりも相
当に大きなものであってもよい。例えば、ボクセル86
は、その厚みが長さまたは幅の約10倍を超えるもので
あってもよい。このような変動は、CTおよびMRI技
術の走査特性によって引き起こされる。これらのスキャ
ナは、対象物を一連の平行平面にスライスする。連続す
る平面に対して垂直である軸に沿う方向のスキャナの解
像度は、平面内の解像度より低くてもよい。
一致する走査体積を表す図である。大腿骨84を、適当
な結像システム、例えばCTまたはMRIの走査システ
ム(図示せず)によって走査する。走査システムが、符
号88で示す対象区域における各ボクセルの密度を測定
する。ボクセル(voxel)86は立方体として示す
が、選択した走査システムに応じて、円筒形を含む他の
幾何学形状を適宜に使用してもよい。また、ボクセル8
6は、図示のように立方形状ではあるが、一方向または
二方向の寸法が他の二方向または一方向の寸法よりも相
当に大きなものであってもよい。例えば、ボクセル86
は、その厚みが長さまたは幅の約10倍を超えるもので
あってもよい。このような変動は、CTおよびMRI技
術の走査特性によって引き起こされる。これらのスキャ
ナは、対象物を一連の平行平面にスライスする。連続す
る平面に対して垂直である軸に沿う方向のスキャナの解
像度は、平面内の解像度より低くてもよい。
【0033】図7および図8は、図6の対象物の走査区
域88を表す図である。走査ののち、各ボクセルは、自
らに関する密度を示す。これらの密度を公知の方法にし
たがってろ過して2進密度を求めることができる。2進
密度とは、各ボクセル密度が0または1のいずれかであ
る密度である。ボクセルのうち所定のしきい値を超える
密度を有する空間の容積に相当するものには密度「1」
を割り当て、これを点によって示す。ボクセルのうち、
しきい値未満の密度を有するものには密度「0」を割り
当て、これを空白のボクセルとして示す。図7には、正
面側3面にあるボクセルのみを示している。図8は、走
査体積を垂直面に沿って半分に割ったものを示す。説明
しやすくするため、体積の右半分を左回りに90°回転
させて、右後方に移動させている。したがって、走査し
た各スライス片の内部を見ることができる。また、図6
の大腿骨の外郭が各ボクセルと一致するところを実線で
たどる。
域88を表す図である。走査ののち、各ボクセルは、自
らに関する密度を示す。これらの密度を公知の方法にし
たがってろ過して2進密度を求めることができる。2進
密度とは、各ボクセル密度が0または1のいずれかであ
る密度である。ボクセルのうち所定のしきい値を超える
密度を有する空間の容積に相当するものには密度「1」
を割り当て、これを点によって示す。ボクセルのうち、
しきい値未満の密度を有するものには密度「0」を割り
当て、これを空白のボクセルとして示す。図7には、正
面側3面にあるボクセルのみを示している。図8は、走
査体積を垂直面に沿って半分に割ったものを示す。説明
しやすくするため、体積の右半分を左回りに90°回転
させて、右後方に移動させている。したがって、走査し
た各スライス片の内部を見ることができる。また、図6
の大腿骨の外郭が各ボクセルと一致するところを実線で
たどる。
【0034】大腿骨84に相当するボクセル86は、他
の手段によって決定してもよい。例えば、境界基準の方
法により、大腿骨84に相当するボクセル86を決定す
ることができる。境界基準の方法とは、密度の変動を位
置の関数として検査して、ボクセルごとに密度の傾きを
求める方法である。所定の限界を超える傾きを有するボ
クセルは、そのボクセルが大腿骨84の境界に相当する
ことを示す。また、構造体中のボクセルを、それらの共
通の特徴または特性により、構造体の外にあるボクセル
から区別してもよい。例えば、走査を受ける構造体が第
一および第二の区域からなり、それらが相当する第一お
よび第二の密度を有していることが既知であるならば、
各ボクセルをその特定の密度に応じていずれかの集団に
割り当てることができる。これら後者の方法二つと2進
ろ過法とはいずれも大腿骨84に相当するボクセル群を
生成する。
の手段によって決定してもよい。例えば、境界基準の方
法により、大腿骨84に相当するボクセル86を決定す
ることができる。境界基準の方法とは、密度の変動を位
置の関数として検査して、ボクセルごとに密度の傾きを
求める方法である。所定の限界を超える傾きを有するボ
クセルは、そのボクセルが大腿骨84の境界に相当する
ことを示す。また、構造体中のボクセルを、それらの共
通の特徴または特性により、構造体の外にあるボクセル
から区別してもよい。例えば、走査を受ける構造体が第
一および第二の区域からなり、それらが相当する第一お
よび第二の密度を有していることが既知であるならば、
各ボクセルをその特定の密度に応じていずれかの集団に
割り当てることができる。これら後者の方法二つと2進
ろ過法とはいずれも大腿骨84に相当するボクセル群を
生成する。
【0035】図9は、図6の走査体積をさらに表す図で
ある。この図では、大腿骨84に相当しないボクセルを
すべて除いた。それに加え、明確に表すため、上から2
枚のボクセル層のみを示す。その下にある骨塊は実線に
よって等角的に示す。
ある。この図では、大腿骨84に相当しないボクセルを
すべて除いた。それに加え、明確に表すため、上から2
枚のボクセル層のみを示す。その下にある骨塊は実線に
よって等角的に示す。
【0036】図10は、図9に示す走査体積によって生
成される面90を表す図である。走査を受けた構造体に
相当するボクセルを識別したのち、下にある走査を受け
た構造体の表面に相当する、あるいはそれを画定する
(define)面を抽出する。この表面は、公知の表
面トラッキング法にしたがって抽出することができる。
ここでは、最初の2枚のボクセル層に相当する表面を示
す。大腿骨84をその長手方向に対して垂直に二分する
平面に相当する面は、図を明確に表すため、また、その
ような面は任意の出発面であるため、この図では省略す
る。
成される面90を表す図である。走査を受けた構造体に
相当するボクセルを識別したのち、下にある走査を受け
た構造体の表面に相当する、あるいはそれを画定する
(define)面を抽出する。この表面は、公知の表
面トラッキング法にしたがって抽出することができる。
ここでは、最初の2枚のボクセル層に相当する表面を示
す。大腿骨84をその長手方向に対して垂直に二分する
平面に相当する面は、図を明確に表すため、また、その
ような面は任意の出発面であるため、この図では省略す
る。
【0037】そして、この面を境界のボクセルの各面に
対する一群のベクトルとして数学的に記載する。CTス
ライス位置からベクトルへの特定の変換は、元になるC
Tデータの座標系に依存する。例えば、絶対寸法または
相対寸法に相当する3種の度盛り量によってこの3個一
組の数を度盛りすることにより、直交座標(x,y,
z)におけるMRI走査を直交座標系におけるベクトル
に変形してもよい。柱座標におけるCT走査は、これと
は異なる変形を必要とするかもしれない。そして、元の
CT走査から得た非表面データをすべて破棄することが
できる。残るデータは、元の配列フォーマット(スライ
スごとのN行×M列の配列)で記憶する必要はない。ベ
クトルは、3個一組の数の表として記憶するだけでもよ
い。この削減によってメモリを大幅に節約することがで
きる。
対する一群のベクトルとして数学的に記載する。CTス
ライス位置からベクトルへの特定の変換は、元になるC
Tデータの座標系に依存する。例えば、絶対寸法または
相対寸法に相当する3種の度盛り量によってこの3個一
組の数を度盛りすることにより、直交座標(x,y,
z)におけるMRI走査を直交座標系におけるベクトル
に変形してもよい。柱座標におけるCT走査は、これと
は異なる変形を必要とするかもしれない。そして、元の
CT走査から得た非表面データをすべて破棄することが
できる。残るデータは、元の配列フォーマット(スライ
スごとのN行×M列の配列)で記憶する必要はない。ベ
クトルは、3個一組の数の表として記憶するだけでもよ
い。この削減によってメモリを大幅に節約することがで
きる。
【0038】図11は、図6から生成したCAD面92
の等角図である。開示の発明によると、図6に関連して
決定した各ベクトルデータ点を、CADシステムに対す
るNURB面の対照点もしくは極点として識別する。そ
して、CADシステムが、入力データを近似する一連の
低次多項式を立てる。CAD処理装置は、入力されたベ
クトルデータ点に対してではなく、これらの方程式に対
して演算を実行する。公知の幾何学的技法により、ベク
トルもしくは点の数をさらに減らしてもよい。これが処
理速度を増し、メモリ必要量を再度減らす。
の等角図である。開示の発明によると、図6に関連して
決定した各ベクトルデータ点を、CADシステムに対す
るNURB面の対照点もしくは極点として識別する。そ
して、CADシステムが、入力データを近似する一連の
低次多項式を立てる。CAD処理装置は、入力されたベ
クトルデータ点に対してではなく、これらの方程式に対
して演算を実行する。公知の幾何学的技法により、ベク
トルもしくは点の数をさらに減らしてもよい。これが処
理速度を増し、メモリ必要量を再度減らす。
【0039】図12は、図4のブロック70をさらに説
明するブロック図である。ブロック94において、CT
データを上述したような連続する二次元データ配列とし
て生成する。未処理のデータは、通常、断層撮影技法に
よって得ることができる。しかし、他の方法によって開
示の発明に適したデータを生成してもよい。そして、ブ
ロック96において、未処理のデータをろ過して、対象
の特定の構造体に相当するデータ点と、他の構造体に相
当するデータ点とを区別する。そしてブロック98にお
いて、ろ過したデータを解析して対象の構造体の表面を
生成する。上述したように、好ましい実施態様において
は、表面トラッキング法を使用する。しかし、他の方法
をこの方法に代えて使用してもよい。ブロック100に
おいて、この表面を利用して、対象の構造物の境界に位
置する各ボクセルに相当する一群のベクトルデータ点を
生成する。そしてブロック102において、これらのデ
ータ点をCADシステムに供給し、同時に、各データ点
を非均一性有理的Bスプラインの極点として処理するよ
うに指示を出す。こうして、ブロック104において、
CADシステムは表面点を近似する数学式を立てること
ができる。
明するブロック図である。ブロック94において、CT
データを上述したような連続する二次元データ配列とし
て生成する。未処理のデータは、通常、断層撮影技法に
よって得ることができる。しかし、他の方法によって開
示の発明に適したデータを生成してもよい。そして、ブ
ロック96において、未処理のデータをろ過して、対象
の特定の構造体に相当するデータ点と、他の構造体に相
当するデータ点とを区別する。そしてブロック98にお
いて、ろ過したデータを解析して対象の構造体の表面を
生成する。上述したように、好ましい実施態様において
は、表面トラッキング法を使用する。しかし、他の方法
をこの方法に代えて使用してもよい。ブロック100に
おいて、この表面を利用して、対象の構造物の境界に位
置する各ボクセルに相当する一群のベクトルデータ点を
生成する。そしてブロック102において、これらのデ
ータ点をCADシステムに供給し、同時に、各データ点
を非均一性有理的Bスプラインの極点として処理するよ
うに指示を出す。こうして、ブロック104において、
CADシステムは表面点を近似する数学式を立てること
ができる。
【0040】CTデータは、適当なシステム、例えばGe
neral Electric社のGE 9800 スキャナを、結像システ
ム、例えばSurgicad社(ニューハンプシャー州 Lebano
n)のシステムに結合したものによって生成することが
できる。CADデータは、マイクロコンピュータまたは
専用のワークステーション、例えばIntergraph社(アラ
バマ州Huntsville)のIntergraph Engineering Modelin
g Systemにおいて生成することができる。残りの段階で
あるブロック96〜102は、Surgicad社のシステムま
たはIntergraph社のシステムによって実施してもよい
し、結像システムおよびCADシステムのいずれとも互
換性であるデータ記憶・検索システムを備えた適当な独
立型マイクロコンピュータによって実施してもよい。プ
ラスチックの埋植モデルは、3D Systems社(カリフォル
ニア州Valencia)製のSLA250において作製することがで
きる。
neral Electric社のGE 9800 スキャナを、結像システ
ム、例えばSurgicad社(ニューハンプシャー州 Lebano
n)のシステムに結合したものによって生成することが
できる。CADデータは、マイクロコンピュータまたは
専用のワークステーション、例えばIntergraph社(アラ
バマ州Huntsville)のIntergraph Engineering Modelin
g Systemにおいて生成することができる。残りの段階で
あるブロック96〜102は、Surgicad社のシステムま
たはIntergraph社のシステムによって実施してもよい
し、結像システムおよびCADシステムのいずれとも互
換性であるデータ記憶・検索システムを備えた適当な独
立型マイクロコンピュータによって実施してもよい。プ
ラスチックの埋植モデルは、3D Systems社(カリフォル
ニア州Valencia)製のSLA250において作製することがで
きる。
【0041】本発明およびその利点を詳細に説明してき
たが、請求の範囲によって定める本発明の真髄および範
囲から逸脱することなく、多様な変更や代替を本発明に
加えうるということが理解されよう。
たが、請求の範囲によって定める本発明の真髄および範
囲から逸脱することなく、多様な変更や代替を本発明に
加えうるということが理解されよう。
【図1】従来の固定具を示す図である。
【図2】本発明にしたがって作製されたあつらえ固定具
を示す図である。
を示す図である。
【図3】本発明の方法を実施するための装置を示す図で
ある。
ある。
【図4】開示の発明の工程の流れを説明するブロック図
である。
である。
【図5】人間の大腿骨を示す等角図である。
【図6】図5に示す大腿骨と部分的に一致する走査体積
を表す図である。
を表す図である。
【図7】図6の走査体積を表す図である。
【図8】図6の走査体積を表す図である。
【図9】図6の走査体積をさらに表す図である。
【図10】図6の走査体積をさらに表す図である。
【図11】図6から生成したCAD面を示す等角図であ
る。
る。
【図12】開示の発明の工程の流れを説明するブロック
図である。
図である。
【符号の説明】 30 あつらえ固定具 40 走査装置 42 結像器 44 外科医インタフェースコンピュータ 46 CADシステム 48 立体リソグラフィーシステム 50 簡易鋳造所 52 仕上げ工具
Claims (19)
- 【請求項1】 イメージデータをベクトルデータに変換
する方法において、一部が三次元物体の境界の一つを表
し、一部が隠れて見えない表面と関連する一群の点を定
める一群のベクトルを生成する段階と、 各点を非均一性有理Bスプラインの対照ポリゴンの極点
と関連させる段階と、を含む方法。 - 【請求項2】 非均一性有理Bスプラインから多項式を
立てる段階をさらに含む請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 該ベクトル群をCT走査から生成する請
求項1記載の方法。 - 【請求項4】 該ベクトル群をMRI走査から生成する
請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 複数のデータ値の群を受ける段階と、 データ群から表面を生成する段階と、を含み、 前記データ値が物体のうち第一次元および第二次元に沿
う方向の特性に相当し、前記各群が第三次元に沿う方向
の所定の位置の値に相当し、 前記表面の一部が物体の境界を表す、請求項1記載の方
法。 - 【請求項6】 該ベクトル群をCT走査から生成する請
求項5記載の方法。 - 【請求項7】 該ベクトル群をMRI走査から生成する
請求項5記載の方法。 - 【請求項8】 表面を生成する段階が、 データ値ごとに2進データ値を生成する段階と、 2進データ値を表面トラッキングして表面を生成する段
階とをさらに含む請求項5記載の方法。 - 【請求項9】 該ベクトル群をCT走査から生成する請
求項8記載の方法。 - 【請求項10】 該ベクトル群をMRI走査から生成する
請求項8記載の方法。 - 【請求項11】 イメージデータをベクトルデータに変換
する方法において、 複数のデータ値の群を受ける段階と、 データ群から表面を生成する段階と、 一群の点のそれぞれに対するベクトルを生成する段階
と、 各ベクトルを非均一性有理Bスプラインの対照ポリゴン
の極点と関連させる段階とを含み、 前記データ値が三次元物体のうち第一次元および第二次
元に沿う方向の特性に相当し、前記各群が第三次元に沿
う方向の所定の位置の値に相当し、 前記表面の一部は物体の境界を表し、前記表面の一部は
隠れて見えなくなつている方法。 - 【請求項12】 表面を生成する段階が、 データ値ごとに2進データ値を生成する段階と、 2進データ値を表面トラッキングして表面を生成する段
階とをさらに含む請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 非均一性有理Bスプラインから多項式を
立てる段階をさらに含む請求項12記載の方法。 - 【請求項14】 複数のデータ値の群を断層撮影的に生成
する請求項12記載の方法。 - 【請求項15】 該ベクトルをCT走査から生成する請求
項14記載の方法。 - 【請求項16】 該ベクトルをMRI走査から生成する請
求項14記載の方法。 - 【請求項17】 非均一性有理Bスプラインから多項式を
立てる段階をさらに含む請求項11記載の方法。 - 【請求項18】 複数のデータ値の群を断層撮影的に生成
する請求項11記載の方法。 - 【請求項19】 物体のイメージの少なくとも一部を視覚
的に表す方法において、 一群のイメージデータを生成する非侵入的なイメージ生
成装置を使用して、対象の構造体を含む物体のイメージ
を生成する段階と、 前記イメージデータをフィルターして、対象の構造体に
相当するイメージデータ点と、他の構造体に相当するイ
メージデータ点とを区別する段階と、 フィルターしたイメージデータを使用して対象の構造体
の表面表示を生成する段階と、 表面表示から一群のベクトルを求めて、対象の構造体の
境界を定める段階と、 各ベクトルを非均一性有理Bスプラインの極点と関連さ
せて一連のそのようなB曲線を創出する段階と、 一つまたはそれ以上の非均一性有理Bスプラインから一
つまたはそれ以上の多項式を立てる段階と、 非均一性有理Bスプラインから立てた多項式を使用する
ことにより、イメージを表示する表示装置を使用して対
象の構造体を視覚的に表示する段階と、を含む方法。
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