JPH0628450A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元画像上に物体と共にその表面の曲率及
び／又は物体各部の厚みの表示をなし得る画像処理装置
の提供。 【構成】 ２次元スライスデータにより得られる三次元
データ２１は三次元画像作成手段２２により三次元画像
２３とされる。一方、三次元データ２１から曲率計算手
段２４により後述する方法によって曲率が算出され、そ
の曲率を曲率表示手段２５により三次元画像２３と対応
づけて表現し、表示装置２６で曲率を表示した三次元画
像２７として表示される。曲率は表示領域について計算
される。また、どの表示領域の曲率を計算するかは指定
手段としてのポインティングデバイスによって行う。曲
率表示手段２５は、曲率と色彩、等曲率線、或いは計算
された曲率の値を対応させて、表示すよう構成すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像処理装置に関し、
特に、三次元画像上の物体の曲率及び物体各部の厚み表
示に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の手術計画では、Ｘ線撮影写真に基
づく紙上計画が行われてきた。また、近年では三次元画
像処理技術による手術計画、シミュレーションシステム
が開発されている。

【０００３】従来の三次元画像処理技術による手術計画
システムでは、３次元画像上で骨の切断・移動をシミュ
レーションできる。また、骨の厚みはＸ線撮影写真によ
るか、ＣＴによる断層像を用いていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た手術計画のシミュレーションに用いる医用画像処理装
置では、物体表面の曲率を表示するものがなく、表示さ
れた三次元画像の表面の明るさの変化を目で見て推測し
ている。そして、手術計画では骨をどのように切断すれ
ばよいかについては、表示された医師が視認により判断
している。従って、例えば、曲率を有する頭蓋骨のよう
に変形が複雑な場合などは骨をどのように切断し、どの
ように移動させるかについて、試行錯誤を繰返す必要が
あるという問題点があった。

【０００５】また、骨の厚みについては、Ｘ線撮影写真
は骨の厚い部分ほど白くみえるので画像の部分部分の明
るさから骨の厚みを推計しているが、透過像であるため
骨の厚みが明確に把握できず、ＣＴによる断層像は断層
像上での骨の厚みは把握できるが、体軸方向の厚みの変
化の把握を行うためには医師が多数枚の断層像を順次観
察して調べ骨の厚みの分布をイメージしなければならな
いという問題点があり、三次元画像処理では骨の表面の
表示は得られるが厚みが判らないので、切削機能を用い
て少しずつ切削して厚みを把握しなければならないとい
う欠点があった。

【０００６】本発明は上記問題点及び欠点に鑑みてなさ
れたものであり、三次元画像上に物体と共にその表面の
曲率及び／又は物体各部の厚みの表示をなし得る画像処
理装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の第１の画像処理装置は、三次元データから
三次元画像を作成する三次元画像作成手段と、三次元画
像を表示する表示装置と、を有する画像処理装置におい
て、三次元画像の希望する部分を指定部分として指定す
る指定手段と、三次元データから三次元画像の指定部分
の表面領域の曲率を計算する曲率計算手段と、曲率計算
手段による計算結果を表面領域と対応させて三次元画像
と共に表示装置に表示する表示手段、とを有することを
特徴とする。また、上記、第１の画像処理装置におい
て、表示手段が計算結果と色彩を対応づけ、曲率に対応
した色彩を指定部分と対応させて三次元画像と共に表示
装置に表示してもよく、表示手段が計算結果と等曲率線
を対応づけて表面領域の曲率に対応した等曲率線を表面
領域と対応させて三次元画像と共に表示装置に表示して
もよい。

【０００８】また、本発明の第２の画像処理装置は、三
次元データから三次元画像を作成する三次元画像作成手
段と、三次元画像を表示する表示装置と、を有する画像
処理装置において、三次元画像の希望する部分を指定部
分として指定する指定手段と、三次元データから三次元
画像の指定部分の厚みを計算する厚み計算手段と、厚み
計算手段による計算結果を指定部分と対応させて三次元
画像と共に表示装置に表示する表示手段、とを有するこ
とを特徴とする。また、上記第２の画像処理装置におい
て、表示手段が計算結果と色彩を対応づけ、厚みに対応
した色彩を指定部分と対応させて三次元画像と共に表示
装置に表示してもよく、表示手段が計算結果と等厚み線
を対応づけ、厚みに対応した等厚み線を指定部分と対応
させて三次元画像と共に表示装置に表示してもよい。

【０００９】なお、上記第１または第２の画像処理装置
において、表示手段が計算結果を数値として指定部分と
対応させて三次元画像と共に表示装置に表示することも
できる。

【００１０】

【作用】上記構成により本発明の第１の画像処理装置
は、指定手段により三次元画像の希望する部分を指定部
分として指定し、曲率計算手段により三次元データから
三次元画像の指定部分の表面領域の曲率を計算する。そ
して、表示手段により曲率計算手段による計算結果を表
面領域と対応させて三次元画像と共に表示装置に表示す
る。

【００１１】また、本発明の第２の画像処理装置は、指
定手段により三次元画像の希望する部分を指定部分とし
て指定し、厚み計算手段により三次元データから三次元
画像の指定部分の厚みを計算する。そして、表示手段に
より厚み計算手段による計算結果を指定部分と対応させ
て三次元画像と共に表示装置に表示する。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の画像処理装置の一実施例の
ハードウエア構成を示すブロック図である。図１におい
て、１は画像処理装置全体であり、２は画像処理装置全
体の制御を行う制御部としてのＣＰＵ、３は画像処理装
置１の操作に必要なコマンド等を入力するキーボード、
４は指定手段としての、表示された三次元画像の特定の
位置を指定することによりその位置、方向及び移動量
（距離）を入力することの出来る、例えばマウスのよう
な、ポインティングデバイス、５は内部メモリ、６は画
像記憶装置、７は表示装置としてのディスプレイであ
る。以下、三次元画像処理による手術計画シミュレーシ
ョンにおける、頭蓋骨の曲率表示を実施例１として物体
表面の曲率表示について述べ、骨の厚み表示を実施例２
として物体各部の厚みの表示について述べる。

【００１３】＜実施例１＞ ・図２は、本発明の第１の画像処理装置の処理の流れを
示すブロック図であり、図３は手術計画シミュレーショ
ンにおける術前（図３Ａ）、術後（図３Ｂ）の三次元シ
ミュレーション画像の例であり、図３Ｂは頭蓋骨を図３
Ａのような部分ａ〜ｊに切抜き、入替えて頭の形を整え
た例である。

【００１４】・図２において、画像記憶装置６に格納さ
れている２次元スライスデータから得られる三次元デー
タ２１（後述）は三次元画像作成手段２２により三次元
画像２３とされる。一方、三次元データ２１から曲率計
算手段２４により後述する方法によって曲率が算出さ
れ、その曲率を曲率表示手段２５により三次元画像２３
と対応づけて表現し、表示装置２６により曲率を表示し
た三次元画像２７として表示される。

【００１５】曲率は図に示す表示領域ａ〜ｊの全て或い
は一部について計算される。また、どの表示領域（或い
は全部）の曲率を計算するかは指定手段としてのマウス
４によって行う。また、曲率表示手段２５は、曲率と色
彩を（例えば、曲率→小なら色彩→薄い、曲率→大なら
色彩→濃い、或いは曲率→小なら色彩→寒色、曲率→大
なら色彩→暖色、といったように）対応させて、指定し
た表示領域をカラー表示するための処理を行う。なお、
実施例では曲率表示手段２５は曲率と色彩とを対応させ
ているが、曲率表示手段２５が曲率と等曲率線を対応づ
けて、指定された表面領域の曲率に対応した等曲率線を
表面領域と対応させて表示するようにしてもよいし、計
算された曲率の値を数値として指定部分と対応させても
よい。

【００１６】以下、図２に示した３次元データ２１、三
次元画像作成手段２２、曲率計算手段２４について詳述
する。

【００１７】１．三次元データ ・例えば、医用画像データ収集装置としてのＣＴ装置、
ＭＲ装置、ＮＭ装置（SPECT)などで得られた断面画像
（二次元画像）を多数枚積み重ねれば三次元データにな
る。三次元データをそのまま処理することは多量のメモ
リを必要とするので、事前に関心領域（ＲＯＩ）であれ
ば’１’、それ以外であれば’０’というように２値デ
ータに変換しておくことがある。Ｘ線ＣＴデータで関心
領域として骨を対象にする場合はボクセル値が、例え
ば、２００以上のボクセルが骨を表していると考えれば
よい。なお、本発明では三次元データが多値データであ
るか２値データであるかは問題としない。

【００１８】２．三次元画像作成手段 ・三次元画像を作成する方法としては幾つかの方法があ
るが、そのうちの一つである本実施例で用いる「深さ画
像」による方法について述べる。

【００１９】・本方法は大きく分けて次の２つの段階か
らなる。

【００２０】（１） ２値化３次元データ（上記１参
照）を基に「深さ画像」を作成する。なお、深さ画像と
は、図４に示すように二次元画像で各画素Ｚp,q ，Ｚr,
s ，Ｚt,u が投影面４１から人体（関心領域）４２まで
の距離になっているような画像をいう。

【００２１】（２） 「深さ画像」に「陰影づけ」を行
って、三次元画像を得る。

【００２２】２−１．深さ画像の作成方法 ・深さ画像は空間的には投影面４１に存在することにな
る。図５は深さ画像の作成方法の流れを示すフローチャ
ートである。以下、図５により深さ画像の作成方法を述
べる。

【００２３】［ステップ６０］ Ｘ軸方向の初期設定 ・深さ画像の画素値を求めるために、先ず、画素の三次
元空間での座標を求め「サンプリング点」の初期座標と
し、カウンタをクリアしカウンタ値をゼロとする。

【００２４】［ステップ６１］ ・サンプリング回数が最大サンプリング回数（Ｎ）かど
うかを判定し、最大サンプリング回数が（Ｎ）の場合
（即ち、最後のサンプリングの場合）は、ステップ６４
〜６６を実行する。そうでない場合はステップ６２、６
３を実行する。

【００２５】［ステップ６２、６３］ ・ボクセル値が’１’か否かを判定し’１’の時はルー
プを脱出しステップ６５を実行する（ステップ６
２）。’１’でない場合はカウンタに１を加えてカウン
タを進め、サンプリング点を投影面４１（図４）に垂直
な方向に微小量進め、ステップ６１に戻る（ステップ６
３）。

【００２６】［ステップ６４〜６６］ ・ボクセル値が’１’か否かを判定し（ステップ６
４）、’１’の場合はカウンタ値を画素値とし（ステッ
プ６５）、’１’でない場合は予め定めた「背景値」を
画素値とする（ステップ６６）。なお、背景値とは無限
遠を表す値を意味する。

【００２７】［ステップ６７］ Ｘ軸方向の画素の終了
判定 ・Ｘ軸方向の画素が終了したか否かを判定し、終了した
場合はステップ６８を実行し、終了していない場合はス
テップ６０に戻りｘ方向の次の画素値を求めるために、
処理を繰返す。

【００２８】［ステップ６８］ Ｙ軸方向の画素の終了
判定 ・Ｙ軸方向の画素が終了したか否かを判定し、終了して
いない場合はＹ方向の次のラインに進み、Ｙ方向の次の
ラインの（Ｘ軸方向の）先頭の画素値を求めるために、
ステップ６０に戻り処理を繰返す。

【００２９】２−２．陰影づけの方法 ・図６は深さ画像の陰影づけの方法の説明図である。以
下、深さ画像６１の作成方法を述べる。

【００３０】・先ず、次の式１〜４による画素値の計算
を深さ画像のＸ方向の画素数だけ繰返し、次に、深さ画
像のＹ方向画素数だけ繰返す。

【００３１】

【数１】（式１） ｇi=−２ｄ（i-2,j ）−ｄ（i-1,j
）＋ｄ（i+1,j ）＋２ｄ（i+2,j）

【数２】（式２） ｇj=−２ｄ（i,j-2 ）−ｄ（i,j-1
）＋ｄ（i,j+1 ）＋２ｄ（i,j+2） （式３） ｇk ＝−１ ・ここで、ベクトルｇ＝（ｇi ，ｇj ，ｇk ）を正規化
し、ベクトルｎとする（但し、ｇ，ｎはベクトル量、ｇ
i ，ｇj ，ｇk はスカラー量である）。

【００３２】

【数３】（式４） 画素値＝（１−ｃ）ｄ（i,j ）＋ｃ
（ｌ・ｎ）^P ・・但し、ｌは物体を照す視線４５（図４参照）の方向
を示すベクトルであり、ｃ，ｐは三次元画像の画質を調
整するパラメータであり、実施例ではパラメータ値とし
てｃ＝0.5 ，ｐ＝0.5 を用いる。

【００３３】３．曲率計算手段 ・先ず、上述した方法により「深さ画像」６１を求め、
次に、深さ画像６１を基に「曲率画像」を求める。

【００３４】・曲率画像は、下記の式５，６による、座
標（ｉ，ｊ）に関する曲率の計算を深さ画像のＸ方向の
画素数だけ繰返し、次に、深さ画像のＹ方向画素数だけ
繰返す。

【００３５】［曲率の計算方法］ ・球面の方程式は、中心（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、半径Ｒの４つ
の未知数があるから、深さ画像のある座標（ｉ，ｊ）に
関する曲率は、ｄ（ｉ，ｊ）の他にもう３点あれば
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ）が求められることになる。深さ画像
のある物体表面の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、（ｘ，
ｙ，ｚ）＝（ｉ，ｊ，ｄ（ｉ，ｊ））となる。

【００３６】・座標（ｉ，ｊ）とその近傍の３点の三次
元座標を、（ｘi ，ｙi ，ｚi ） １≦ｉ≦４ とする
と、この４点を通る球面は、

【数４】（式５） （ｘ−Ｘ）² ＋（ｙ−Ｙ）² ＋（ｚ
−Ｚ）² ＝ｒ² における中心座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は次の式６による方程
式を解いて得られる。

【００３７】（式６）

【数５】 式６の解と（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）を式５に代入すれば曲
率半径が求まり、曲率半径の逆数である曲率を得ること
が出来る。式６の解が一意に決らない時は、４点が平面
上にある場合なので、曲率は０となる。なお、点の数を
５点以上に増やして最小二乗近似で求めることも出来
る。

【００３８】＜実施例２＞ ・図７は、本発明の第２の画像処理装置の処理の流れを
示すブロック図であり、図８は手術計画シミュレーショ
ンおける骨の正面図（図８Ａ）、断面図（図８Ｂ）術後
の断面図（図８Ｃ）の三次元シミュレーション画像の例
である。

【００３９】・図７において、画像記憶装置６の２次元
スライスデータから得られる三次元データ２１は三次元
画像作成手段２２により三次元画像２３とされる。一
方、三次元データ２１から厚み計算手段７１により後述
する方法によって厚みが算出され、その厚みを厚み表示
手段７２により三次元画像２３と対応づけて表現し、表
示装置２６で厚みを表示した三次元画像２７として表示
される。

【００４０】どの部分の厚みを計算するかは指定手段と
してのマウス４によって行う。また、厚み表示手段２５
は、厚みと色彩を対応（例えば、厚み→小なら色彩→薄
い、厚み→大なら色彩→濃い、或いは厚み→小なら色彩
→寒色、厚み→大なら色彩→暖色、といったように）さ
せて、指定した表示領域をカラー表示するための処理を
行う。なお、実施例では厚み表示手段２５は厚みと色彩
とを対応させているが、厚み表示手段７２が厚みと等厚
み線を対応づけて、指定された部分の厚みに対応した等
厚み線を指定部分と対応させて表示するようにしてもよ
いし、計算された厚みの値を数値として指定部分と対応
させてもよい。以下、図７に示した厚み計算手段７１に
ついて詳述する。

【００４１】４．厚み計算手段 ・基本的には、前述の「深さ画像」の作成方法（２−１
参照）と同じである。「深さ画像」作成ではステップ６
２においてボクセル値が１の場合にループを脱していた
が、厚み計算ではループを抜けずにその後’１’が何回
つづくかをカウントすればよい。図９は厚み計算の説明
図であり、投影面９１と物体の厚み４１が示されてい
る。また、図１０は厚み計算処理の流れを示すフローチ
ャートである。以下、図１０により厚み計算の方法を述
べる。

【００４２】［ステップ１００］ Ｘ軸方向の初期設定 ・厚み画像の画素値を求めるために、先ず、画素の三次
元空間での座標を求め「サンプリング点」の初期座標と
し、厚みフラグをクリアする。

【００４３】［ステップ１０１］ ・サンプリング回数が最大サンプリング回数（Ｎ）かど
うかを判定し、最大サンプリング回数が（Ｎ）の場合
（即ち、最後のサンプリングの場合）は、ステップ１０
７〜１０９を実行する。そうでない場合はステップ１０
２〜１０６を実行する。

【００４４】［ステップ１０２］ ・厚みフラグが’１’か否かを判定し、厚みフラグが’
１’の時は前回厚みをカウントしたものと判断しステッ
プ１０５、１０６を実行する。厚みフラグが’１’でな
い時ははじめて厚みをカウントするものと判断しステッ
プ１０３、１０４を実行する。

【００４５】［ステップ１０３、１０４］ ・ボクセル値が’１’か否かを判定し（ステップ１０
３）、’１’のとき厚みカウンタをゼロクリアし、厚み
フラグに’１’をセットし、投影面９１（図９）に垂直
な方向に微小量進め、ステップ１０１に戻る。ボクセル
値が’１’でないときはステップ１００に戻る。

【００４６】［ステップ１０５、１０６］ ・ボクセル値が’１’か否かを判定し（ステップ１０
５）、’１’の場合はカウンタに１を加えてカウンタを
進め、サンプリング点を投影面９１（図９）に垂直な方
向に微小量進め、ステップ１０１に戻る（ステップ１０
６）。ボクセル値が’１’でない時はループを脱出しス
テップ１０８を実行する。

【００４７】［ステップ１０７〜１０９］ ・ボクセル値が’１’か否かを判定し（ステップ１０
７）、’１’の場合は厚みカウンタ値を画素値とし（ス
テップ１０８）、’１’でない場合は予め定めた「無効
値」を画素値とする（ステップ１０９）。

【００４８】［ステップ１１０］ Ｘ軸方向の画素の終
了判定 ・Ｘ軸方向の画素が終了したか否かを判定し、終了した
場合はステップ１１１、１１２を実行し、終了していな
い場合はステップ１００に戻りｘ方向の次の画素値を求
めるために、処理を繰返す。

【００４９】［ステップ１１１］ Ｙ軸方向の画素の終
了判定 ・Ｙ軸方向の画素が終了したか否かを判定し（ステップ
１１１）、終了していない場合は・Ｙ方向の次のライン
に進み、Ｙ方向の次のラインの（Ｘ軸方向の）先頭の画
素値を求めるために、ステップ１００に戻り処理を繰返
す。

【００５０】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種
々の変形実施が可能であることはいうまでもない。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の画像
処理装置によれば、曲率の定量的な分布が把握しやす
い。そこで、例えば医用分野において、手術計画に用い
れば骨分割の方針がたてやすい。また、本発明の第２の
画像処理装置によれば、厚みの定量的な分布が把握しや
すい。そこで、例えば、医用応用分野において、手術計
画に用いれば骨切削の方針がたてやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像処理装置の一実施例のハードウエ
ア構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の画像処理装置の処理の流れを示
すブロック図である。

【図３】手術計画シミュレーションにける三次元シミュ
レーション画像の例であり、部分図Ａは術前の像を、部
分図Ｂは術後の像を示す。

【図４】深さ画像の説明図である。

【図５】深さ画像の作成方法の流れを示すフローチャー
トである。

【図６】深さ画像の陰影づけの方法の説明図である。

【図７】本発明の第２の画像処理装置の処理の流れを示
すブロック図である。

【図８】手術計画シミュレーションおける骨の三次元シ
ミュレーション画像の例である。

【図９】厚み計算の説明図である。

【図１０】厚み計算処理の流れを示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

２１ 三次元データ ２２ 三次元画像作成手段 ２３ 三次元画像 ２４ 曲率計算手段 ２５ 曲率表示手段 ２６ 表示装置 ７１ 厚み計算手段 ７２ 厚み表示手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元データから三次元画像を作成する
   三次元画像作成手段と、前記三次元画像を表示する表示
   装置と、を有する画像処理装置において、前記三次元画
   像の希望する部分を指定部分として指定する指定手段
   と、前記三次元データから前記三次元画像の指定部分の
   表面領域の曲率を計算する曲率計算手段と、前記曲率計
   算手段による計算結果を前記表面領域と対応させて前記
   三次元画像と共に前記表示装置に表示する表示手段、と
   を有することを特徴とする画像処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の画像処理装置において、
   表示手段が計算結果と色彩を対応づけ、曲率に対応した
   色彩を指定部分と対応させて三次元画像と共に表示装置
   に表示することを特徴とする画像処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の画像処理装置において、
   表示手段が計算結果と等曲率線を対応づけて表面領域の
   曲率に対応した等曲率線を表面領域と対応させて三次元
   画像と共に前記表示装置に表示することを特徴とする画
   像処理装置。
4. 【請求項４】 三次元データから三次元画像を作成する
   三次元画像作成手段と、前記三次元画像を表示する表示
   装置と、を有する画像処理装置において、前記三次元画
   像の希望する部分を指定部分として指定する指定手段
   と、前記三次元データから前記三次元画像の指定部分の
   厚みを計算する厚み計算手段と、前記厚み計算手段によ
   る計算結果を指定部分と対応させて前記三次元画像と共
   に前記表示装置に表示する表示手段、とを有することを
   特徴とする画像処理装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の画像処理装置において、
   表示手段が計算結果と色彩を対応づけ、厚みに対応した
   色彩を指定部分と対応させて三次元画像と共に表示装置
   に表示することを特徴とする画像処理装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の画像処理装置において、
   表示手段が計算結果と等厚み線を対応づけ、厚みに対応
   した等厚み線を指定部分と対応させて三次元画像と共に
   表示装置に表示することを特徴とする画像処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１または４に記載の画像処理装置
   において、表示手段が計算結果を数値として指定部分と
   対応させて三次元画像と共に表示装置に表示することを
   特徴とする画像処理装置。