JPWO2011118208A1 - 切削シミュレーション装置 - Google Patents

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Abstract

本切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部(6)と、この断層画像情報取得部(6)に接続されたメモリ(9)と、このメモリ(9)に接続されたボリュームレンダリング演算部(13)と、このボリュームレンダリング演算部(13)の演算結果を表示するディスプレイ(2)と、このディスプレイ(2)に表示された表示対象物に対して切削指示を行う入力部(4)とを備えている。ボリュームレンダリング演算部(13)は、少なくともメモリ(9)に格納されているボクセル情報から、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向においてサンプリングし、切削指示点の移動中に求められた全ての点について、それぞれのレイキャスティング走査距離を深さ検出部(15)により測定する。

Description

本発明は、例えば、医療従事者が手術のシミュレーションを行う際に活用する切削シミュレーション装置に関するものである。
医療現場において、より適切な手術を行うために、手術のシミュレーションを行うことが可能な切削シミュレーション装置が活用されている。
従来のこの種の切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、断層画像情報取得部に接続されたメモリと、メモリに接続されたボリュームレンダリング演算部と、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示するディスプレイと、ディスプレイに表示された表示対象物に対して切削指示を行う入力部と、を備えていた。
以上の構成において、ディスプレイにボクセルラベルを表示(二次元表示)させ、ボクセルラベルの表示対象物に入力部により切削指示を行うものの他に、表示対象物をディスプレイに3D表示すると共に、3D表示の表示対象物に切削指示を行うものがある(例えば、下記特許文献1)。
特開平5−123327号公報
上記従来の構成における課題は、適切な手術シミュレーションを行うことが困難であるという点にあった。
すなわち、上述したように、ディスプレイにボクセルラベルを表示(2次元表示)させ、このボクセルラベルの表示対象物に入力部を用いて切削指示を行う際に、その二次元表示において、実際には、深さ方向(Z方向)に差異が存在する場合がある。このとき、複数の表示対象物が隣接している場合には、入力部の切削指示がその隣接する複数の表示対象物に及ぶと、意図しない表示対象物まで切削された状態がディスプレイ上に表示されてしまう。このため、このような2次元表示では、適切な手術シミュレーションを実施することは困難であった。
また、上記2次元表示の問題を踏まえて、上記公報に開示されているように、ディスプレイに表示対象物を3D(3次元)表示し、この3D表示の表示対象物に切削指示を行う場合には、その隣接する表示対象物に深さ方向(Z方向)に差異が存在する。よって、上述したように、深さ方向に差異が存在する複数の隣接する表示対象物が誤って切削表示されることはない。
しかしながら、このような3D表示を見ながら切削指示を行うためには、入力部を実際の手術と同様に3次元において動かす必要がある。これは、熟練者でなければ実施することが極めて困難である。この結果、この場合でも適切な施術シミュレーションを実施することは難しい。
そこで、本発明は、適切な手術シミュレーションを行うことが可能な切削シミュレーション装置を提供することを目的とする。
そしてこの目的を達成するために、本発明の切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、メモリと、ボリュームレンダリング演算部と、ディスプレイと、入力部と、深さ検出部と、を備えている。断層画像情報取得部は、断層画像情報を取得する。メモリは、断層画像情報取得部に接続されており、断層画像情報のボクセル情報を格納する。ボリュームレンダリング演算部は、メモリに接続されており、ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングする。ディスプレイは、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示する。入力部は、ディスプレイに表示された表示対象物に対する切削指示を入力する。深さ検出部は、入力部によって切削指示された点の入力部の移動中に求められた全ての点について、それぞれのレイキャスティング走査距離を測定する。
ここで、ボクセルラベルは、ユーザが切削指示などの処理を行った結果を示すための情報であってボクセル情報と同じ構成を有し、初期状態では、ボクセルラベルとして決められた値(例えば、“1”)に設定される。さらに、本切削シミュレーション装置では、ボリュームレンダリング演算部は、メモリに格納されているボクセル情報等に基づいて、視線に対して垂直で、かつZ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を3次元画像としてディスプレイに表示させる。
これにより、ディスプレイ上において、実際には深さ方向(Z方向)における位置に差が存在するものであれば、入力部から入力された切削指示がその両者に及んだ場合でも、これらの隣接する表示対象物が不用意に切削された状態で表示されることは無い。この結果、適切な手術シミュレーションを行うことができる。
(発明の効果)
本発明は、以上の構成により、ディスプレイ上において、実際には深さ方向(Z方向)における位置に差が存在する互いに隣接する表示対象物が不用意に切削された状態で表示されることを防止して、適切な手術シミュレーションを行うことができる。
本発明の実施の形態1に係る切削シミュレーション装置の構成を示す斜視図。 図1の切削シミュレーション装置の制御ブロック図。 (a)および(b)は、図1の切削シミュレーション装置の動作フローチャート。 図1の切削シミュレーション装置の動作を説明する概念図。 図1の切削シミュレーション装置のディスプレイに表示される画像の一例を示す図。
以下に、本発明の一実施形態に係る切削シミュレーション装置について、図面とともに詳細に説明する。
図1に示すパーソナルコンピュータ(切削シミュレーション装置)1は、ディスプレイ2と、入力部(キーボード入力3、マウス入力4、およびタブレット入力5)(図2参照)と、を備えている。キーボード入力3は、キーボードタイプのものである。また、マウス入力4は、マウスタイプのものである。タブレット入力5は、タブレットタイプのものである。
図2は、パーソナルコンピュータ1内に形成される制御ブロック図である。
図2に示す断層画像情報取得部6には、ボクセル情報抽出部7を介して、断層画像情報部8が接続されている。つまり、断層画像情報部8では、CTあるいはMRIから断層画像情報が供給され、この断層画像情報がボクセル情報抽出部7により、ボクセル情報として抽出される。そして、このボクセル情報が、断層画像情報取得部6を介して、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納される。
メモリ9は、パーソナルコンピュータ1内に設けられており、ボクセル情報格納部10以外にボクセルラベル格納部11、色情報格納部12を備えている。
また、メモリ9には、ボリュームレンダリング演算部13が接続されている。
ボリュームレンダリング演算部13は、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納されているボクセル情報、およびボクセルラベル格納部11に格納されているボクセルラベル、色情報格納部12に格納されている色情報に基づいて、図4に示すように、視線に対して垂直で、かつZ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を得る。そして、ボリュームレンダリング演算部13は、その演算結果を3次元画像としてディスプレイ2に表示する。また、ボリュームレンダリング演算部13には、バス16を介して、後述するレイキャスティング走査距離を測定する深さ検出部15が接続されている。
深さ検出部15には、深さ制御部17とボクセルラベル設定部18とが接続されている。ボクセルラベル設定部18は、ボクセルラベル格納部11と、被切削ボクセルラベル算出表示部19に接続されている。
バス16には、上記以外に、色情報格納部12、ウィンドウ座標取得部20が接続されている。また、ウィンドウ座標取得部20には、深さ検出部15と色情報設定部21とが接続されている。色情報設定部21は、色情報格納部12に接続されている。
図3(a)および図3(b)は、本実施形態の切削シミュレーション装置における動作説明を行うための制御フローチャートを示している。
まず、S1において、上述したように、断層画像情報部8からの断層画像情報が入手され、これがボクセル情報抽出部7に供給される。
次に、S2において、ボクセル情報抽出部7でボクセル情報が抽出される。ボクセル情報は、断層画像情報取得部6を介して、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納される。ボクセル情報格納部10に格納されるボクセル情報は、例えば、I(x,y,z,α)で構成される点の情報である。このとき、Iは当該点の輝度情報であり、x,y,zは座標点を示し、αは透明度情報である。
次に、S3において、ボリュームレンダリング演算部13により、ボクセル情報格納部10に格納されているボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直で、かつ間隔が一定の複数のスライス情報を算出し、スライス情報群を取得する。そして、スライス情報群は、ボリュームレンダリング演算部13内に少なくとも一時的に格納される。
なお、上述した視線に対して垂直なスライス情報とは、視線に対して直交する面を意味している。例えば、ディスプレイ2を垂直に立てた状態で、これと顔を平行にした状態で見た場合に、スライス情報が、視線に対して垂直な面として構成されている。
このようにして得られた複数のスライス情報は、前述のように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有している。よって、スライス情報は、例えば、図4に示すように、ボクセルラベル14がZ方向に複数枚配置されている。なお、例えば、図4に示すボクセルラベル14の集合体は、ボクセルラベル格納部11に収納されている。
次に、S4において、ディスプレイ2には、図5に示すように、レンダリング像が表示される。このとき、ディスプレイ2では、切削対象物がマウス入力4によって選択され、それを図5に示すように表示させている。つまり、図5において22は腎臓、23は背骨を示している。本実施形態では、腎臓22を手術するためのシミュレーションを行おうとしている。
図5から分かるように、本実施形態のディスプレイ2では、実際には腎臓22は背骨23よりも前方にあるにもかかわらず、両者は平面的に隣接している状態にも見える。本実施形態では、これらの腎臓22及び背骨23を含むスライス画像は、上述したように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有している。このため、後述するが、シミュレーション上において、ディスプレイ2の画面において手前側にある腎臓22を切削したいときに、画面上において背骨23が一緒に切削されることが無いように、以下のように制御が行われる。
S5において、切削指示がなされる。本実施形態においては、切削指示は、マウス入力4を用いて行われる。なお、入力部としては、キーボード入力3、マウス入力4、あるいはタブレット入力5等の何れでもよい。
具体的には、マウス入力4を机の上で水平方向に移動させたときに、ディスプレイ2上において表示されるカーソルを、腎臓22の上において左右あるいは上下に往復させる。
このとき、マウス入力4の左右あるいは上下の動きは、ウィンドウ座標取得部20において検出される。そして、その情報が、深さ検出部15を介してボクセルラベル設定部18、ボクセルラベル格納部11へと伝達される。これにより、腎臓22と背骨23のZ方向の位置を考慮した切削が行われる。
具体的には、ボリュームレンダリング演算部13において、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向に一定間隔にてサンプリング(レイキャスティングと呼ぶ。)する。そして、ボリュームレンダリング演算部13は、マウス移動中に求められた全ての点について、深さ検出部15によって測定されたそれぞれのレイキャスティング走査距離の変化率を算出する。
具体的には、深さ検出部15において測定されたレイキャスティング走査距離dを集計し、その勾配∇dを算出する。そして、勾配∇dと、閾値Tとの比較を行い、切削実行の要否を判断する。例えば、切削点piにおける勾配∇diが閾値Ti以上であった場合には、無効な切削点と判断して、切削を実施しない。
閾値Tは、切削処理の度に直近の切削点n個の勾配平均と倍数係数mとに基づいて閾値Tiが決定される。
Figure 2011118208
また、倍数係数mと切削点nとは、例えば、mを5程度、nを10等と、これら数値は対象画像により適宜設定することができる。
これにより、ユーザの誤操作による急激な深さへの切削点を検出しても、誤切削を回避することができる。その結果、滑らかな深さの変化のみ切削を行うことができる。
このように、本実施形態では、直近の切削点n個の勾配平均と倍数係数mに基づいて算出された閾値Tiと、勾配∇dとを比較した結果を変化率として、切削を実施するか否かを決定することができる。
なお、変化率の算出方法は、本実施形態に限定されるものではなく、勾配の変化状態が確認できるのであれば、どのような計算式を用いてもよい。
また、閾値Tについても、切削対象となるそれぞれの臓器の特徴に応じて適宜変化させることで、誤切削回避の精度をさらに上げることができる。
上述した切削処理では、所定の閾値以上の変化率をもつ点を無効な切削点とし、深さ制御部17がボクセルラベル設定部18に指示を出す。これにより、ボクセルラベルの更新は中止され、切削は実施されない。よって、ユーザの誤操作によって急激に深さ位置が変化する切削点を深さ検出部15が検出した場合には、誤切削を回避することができる。
このとき、切削を実施するとは、ボクセルラベル設定部18がボクセルラベルを更新し、ボクセルラベル格納部11に格納することを意味する。つまり、切削を実施しない場合は、ボクセルラベルは変化しない。
従って、マウス入力4を腎臓22上において摺動させた場合でも、その奥側に存在する背骨23が誤って切削されてしまうことを回避することができる。そして、この場合には、マウス入力4の左右又は上下の摺動回数に応じて、腎臓22だけが切削された画像が表示される。
なお、腎臓22が切削される状態は、ウィンドウ座標取得部20の情報が、色情報設定部21を介して色情報格納部12に伝達されることで、腎臓22の色が変化することによって認識することができる。ここで、色情報設定部とは、いわゆるルックアップテーブルによる変換部を意味する。つまり、本実施形態のパーソナルコンピュータ1では、上述したように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有しており、腎臓22の表面と内部とを予め色情報設定部21によって異なる輝度情報と色情報とが設定されている。これにより、表面から切削されるように操作した場合には、その切削度合いに応じて、切削部分の色はその周りの色とは明らかに違う状態で表示される。
以上の状態は、S6,S7,S8の状態であり、S9においては切削箇所のボクセル情報が更新される。
図4は、その状態を示しており、最も表面のボクセルラベル14の大部分は“1”の状態、つまり、測定した腎臓22の表面状態を示している。図4において、“0”の部分は切削されたボクセルを示している。また、“L”はこの切削されたボクセルと、その周りの状態を色情報で分かり易くするためのものである。例えば、“1”は、光を浴びた小豆色であった場合、“0”は赤色であった場合、“L”は、その界面が光を浴びた小豆色から赤色への中間色を選択する。これにより、この切削が実際に行われている様子がより臨場感を持って表現されるようにすることができる(図4の左2枚(Drilling Label, Drilling Object)の合成によって、切削が行われている様子を示す画像が形成される)。また、図4の中央2枚の画像に基づいて、右側の切削された状態(Drilling Result)が形成される。
以上のように、本実施形態によれば、ボリュームレンダリング演算部13において、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向に一定間隔にてサンプリングする。そして、マウス移動中に求められた全ての点について、深さ検出部15において算出されたそれぞれのレイキャスティング走査距離の変化率を算出する。
ここで、深さ制御部17は、算出された変化率について、所定の閾値以上の変化率を持つ点を無効な切削点とし、ボクセルラベル設定部18に指示を出し、ボクセルラベルの更新を中止して切削を実施しないように制御を行う。
これにより、ディスプレイ2上において、実際には、深さ方向(Z方向)において位置の差が存在する切削対象部であれば、マウス入力4の切削指示が、ディスプレイ2上においてその両者に及んだ場合でも、隣接する表示対象物が不用意に切削されてしまうことを回避することができる。この結果、適切な手術シミュレーションを実施することができる。
本実施形態では、例えば、マウスボタンのON/OFFによって切削開始/終了の切り替えを行い、ユーザはマウスボタンON時にマウスをドラッグ操作することで、意図した領域の切削を連続的に行うことができる。
また、本実施形態では、メモリ9の更新のタイミングをOFF時に行うことができる。ユーザがマウスボタンを押下しながら、マウスのドラッグを開始すると、ボリュームレンダリング演算部13のメモリのみを更新することで、視覚的にユーザへインタラクティブの切削機能を提供する。その際、メモリ9を更新せず、作業中のボリュームラベルを一時的に保存しておく。ユーザがボタンを離す際に、一時保存しておいたメモリ内容をメモリ9へ反映させる。このような制御を加えることにより、ユーザは一度のドラッグ操作において、オブジェクト表面から一定の深さまでのみ切削されたように表示することができるので、過度に切削された状態で表示されることを防ぐことができる。
また、本実施形態では、ボクセルラベルを初期のボクセル情報と同サイズとしているが、より細かい切削を表現するには、ボクセルラベルをより小さいサイズのボクセルラベルとして生成してもよい。本手法では、ボクセル情報を直接編集せず、ボクセルラベルに時刻情報を持たせることで、Undo(元に戻す)やRedo(再入力)などの操作に対応することも可能である。
また、本実施形態では、3D表示を見ながら切削指示を行うものではなく、マウス入力4を平面的に動かすだけで、この手術シミュレーションを行うことができる。よって、この点からも適切な手術シミュレーションを行うことができる。
(他の実施形態)
上記実施形態においては、マウス入力4によって切削指示されたボクセルラベル14における表示対象物の輝度情報および色情報の両方を変化させた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、表示対象物の輝度情報および色情報のうち、少なくとも一方を変化させる構成としてもよい。
さらに、上記実施形態において、切削されたボクセルの体積を算出する被切削ボクセルラベル算出表示部19の出力として、マウス入力4による切削量(体積)をディスプレイ2に表示してもよい。
また、これに代えて、マウス入力4による切削深さを、ディスプレイ2に表示してもよい。
さらに、ボリュームレンダリングの結果を示す3次元画像に、2次元の断層画像をディスプレイに追加して投影し、2次元の断層画像に対して切削動作を実施した場合でも、切削動作が3次元画像に反映されるように、切削シミュレーションを行ってもよい。
さらに、ボクセル情報格納部10に格納されたボクセル情報を、ディスプレイ2に2次元あるいは3次元画像に変換して表示させると共に、ディスプレイ2に表示された切削対象部におけるマウス入力4で指示された部分の色情報を変更する色情報設定部21を設けてもよい。つまり、ディスプレイ2上に表示された切削対象部について、例えば、医者として気になる部分に意図的に色を付けておき、その状態でボクセルラベル14の集合体をボクセルラベル格納部11に格納させておけばよい。これにより、この情報から切り出される多方面からの表示に、全て先ほどの色をつけた情報が反映されることになる。よって、その気になる部分を立体的に全周から観察することができ、かつこの切削シミュレーションも行うことができる。
さらに、本発明は、内視鏡手術をシミュレーションすることも可能であり、この場合はボリュームレンダリング演算部13において、内視鏡に設けられた魚眼レンズ等の収束特性を座標変換テーブルとして用いれば実現できる。
さらに、視点を複数持ち、視点ごとに作成したボリュームレンダリング演算部13の出力画像を複数個のメモリに蓄積し、メモリからの出力を順次ディスプレイに表示させ、立体視画像を生成することも可能である。この場合には、それぞれの画像出力に同期した液晶めがね等を使用してもよい。
以上のように本発明は、3D表示を見ながら切削指示を行うものではなく、入力部を平面的に動かすだけで、この手術シミュレーションを行うことができるので、適切な手術シミュレーションを行うことができるという効果を奏することから、手術をするための切削シミュレーション装置として広く活用が期待される。
1 パーソナルコンピュータ(切削シミュレーション装置)
2 ディスプレイ
3 キーボード入力(入力部)
4 マウス入力(入力部)
5 タブレット入力(入力部)
6 断層画像情報取得部
7 ボクセル情報抽出部
8 断層画像情報部
9 メモリ
10 ボクセル情報格納部
11 ボクセルラベル格納部
12 色情報格納部
13 ボリュームレンダリング演算部
14 ボクセルラベル
15 深さ検出部
16 バス
17 深さ制御部
18 ボクセルラベル設定部
19 被切削ボクセルラベル算出表示部
20 ウィンドウ座標取得部
21 色情報設定部
22 腎臓
23 背骨
【書類名】明細書
【発明の名称】切削シミュレーション装置
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、医療従事者が手術のシミュレーションを行う際に活用する切削シミュレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
医療現場において、より適切な手術を行うために、手術のシミュレーションを行うことが可能な切削シミュレーション装置が活用されている。
従来のこの種の切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、断層画像情報取得部に接続されたメモリと、メモリに接続されたボリュームレンダリング演算部と、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示するディスプレイと、ディスプレイに表示された表示対象物に対して切削指示を行う入力部と、を備えていた。
【0003】
以上の構成において、ディスプレイにボクセルラベルを表示(二次元表示)させ、ボクセルラベルの表示対象物に入力部により切削指示を行うものの他に、表示対象物をディスプレイに3D表示すると共に、3D表示の表示対象物に切削指示を行うものがある(例えば、下記特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平5−123327号公報
【発明の概要】
【0005】
上記従来の構成における課題は、適切な手術シミュレーションを行うことが困難であるという点にあった。
すなわち、上述したように、ディスプレイにボクセルラベルを表示(2次元表示)させ、このボクセルラベルの表示対象物に入力部を用いて切削指示を行う際に、その二次元表示において、実際には、深さ方向(Z方向)に差異が存在する場合がある。このとき、複数の表示対象物が隣接している場合には、入力部の切削指示がその隣接する複数の表示対象物に及ぶと、意図しない表示対象物まで切削された状態がディスプレイ上に表示されてしまう。このため、このような2次元表示では、適切な手術シミュレーションを実施することは困難であった。
【0006】
また、上記2次元表示の問題を踏まえて、上記公報に開示されているように、ディスプレイに表示対象物を3D(3次元)表示し、この3D表示の表示対象物に切削指示を行う場合には、その隣接する表示対象物に深さ方向(Z方向)に差異が存在する。よって、上述したように、深さ方向に差異が存在する複数の隣接する表示対象物が誤って切削表示されることはない。
【0007】
しかしながら、このような3D表示を見ながら切削指示を行うためには、入力部を実際の手術と同様に3次元において動かす必要がある。これは、熟練者でなければ実施することが極めて困難である。この結果、この場合でも適切な施術シミュレーションを実施することは難しい。
そこで、本発明は、適切な手術シミュレーションを行うことが可能な切削シミュレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
そしてこの目的を達成するために、本発明の切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、メモリと、ボリュームレンダリング演算部と、ディスプレイと、入力部と、深さ検出部と、を備えている。断層画像情報取得部は、断層画像情報を取得する。メモリは、断層画像情報取得部に接続されており、断層画像情報のボクセル情報を格納する。ボリュームレンダリング演算部は、メモリに接続されており、ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングする。ディスプレイは、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示する。入力部は、ディスプレイに表示された表示対象物に対する切削指示を入力する。深さ検出部は、入力部によって切削指示された点の入力部の移動中に求められた全ての点について、それぞれのレイキャスティング走査距離を測定する。
【0009】
ここで、ボクセルラベルは、ユーザが切削指示などの処理を行った結果を示すための情報であってボクセル情報と同じ構成を有し、初期状態では、ボクセルラベルとして決められた値(例えば、“1”)に設定される。さらに、本切削シミュレーション装置では、ボリュームレンダリング演算部は、メモリに格納されているボクセル情報等に基づいて、視線に対して垂直で、かつZ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を3次元画像としてディスプレイに表示させる。
これにより、ディスプレイ上において、実際には深さ方向(Z方向)における位置に差が存在するものであれば、入力部から入力された切削指示がその両者に及んだ場合でも、これらの隣接する表示対象物が不用意に切削された状態で表示されることは無い。この結果、適切な手術シミュレーションを行うことができる。
【0010】
(発明の効果)
本発明は、以上の構成により、ディスプレイ上において、実際には深さ方向(Z方向)における位置に差が存在する互いに隣接する表示対象物が不用意に切削された状態で表示されることを防止して、適切な手術シミュレーションを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施の形態1に係る切削シミュレーション装置の構成を示す斜視図。
【図2】図1の切削シミュレーション装置の制御ブロック図。
【図3】(a)および(b)は、図1の切削シミュレーション装置の動作フローチャート。
【図4】図1の切削シミュレーション装置の動作を説明する概念図。
【図5】図1の切削シミュレーション装置のディスプレイに表示される画像の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に、本発明の一実施形態に係る切削シミュレーション装置について、図面とともに詳細に説明する。
図1に示すパーソナルコンピュータ(切削シミュレーション装置)1は、ディスプレイ2と、入力部(キーボード入力3、マウス入力4、およびタブレット入力5)(図2参照)と、を備えている。キーボード入力3は、キーボードタイプのものである。また、マウス入力4は、マウスタイプのものである。タブレット入力5は、タブレットタイプのものである。
【0013】
図2は、パーソナルコンピュータ1内に形成される制御ブロック図である。
図2に示す断層画像情報取得部6には、ボクセル情報抽出部7を介して、断層画像情報部8が接続されている。つまり、断層画像情報部8では、CTあるいはMRIから断層画像情報が供給され、この断層画像情報がボクセル情報抽出部7により、ボクセル情報として抽出される。そして、このボクセル情報が、断層画像情報取得部6を介して、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納される。
【0014】
メモリ9は、パーソナルコンピュータ1内に設けられており、ボクセル情報格納部10以外にボクセルラベル格納部11、色情報格納部12を備えている。
また、メモリ9には、ボリュームレンダリング演算部13が接続されている。
ボリュームレンダリング演算部13は、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納されているボクセル情報、およびボクセルラベル格納部11に格納されているボクセルラベル、色情報格納部12に格納されている色情報に基づいて、図4に示すように、視線に対して垂直で、かつZ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を得る。そして、ボリュームレンダリング演算部13は、その演算結果を3次元画像としてディスプレイ2に表示する。また、ボリュームレンダリング演算部13には、バス16を介して、後述するレイキャスティング走査距離を測定する深さ検出部15が接続されている。
【0015】
深さ検出部15には、深さ制御部17とボクセルラベル設定部18とが接続されている。ボクセルラベル設定部18は、ボクセルラベル格納部11と、被切削ボクセルラベル算出表示部19に接続されている。
バス16には、上記以外に、色情報格納部12、ウィンドウ座標取得部20が接続されている。また、ウィンドウ座標取得部20には、深さ検出部15と色情報設定部21とが接続されている。色情報設定部21は、色情報格納部12に接続されている。
【0016】
図3(a)および図3(b)は、本実施形態の切削シミュレーション装置における動作説明を行うための制御フローチャートを示している。
まず、S1において、上述したように、断層画像情報部8からの断層画像情報が入手され、これがボクセル情報抽出部7に供給される。
【0017】
次に、S2において、ボクセル情報抽出部7でボクセル情報が抽出される。ボクセル情報は、断層画像情報取得部6を介して、メモリ9のボクセル情報格納部10に格納される。ボクセル情報格納部10に格納されるボクセル情報は、例えば、I(x,y,z,α)で構成される点の情報である。このとき、Iは当該点の輝度情報であり、x,y,zは座標点を示し、αは透明度情報である。
【0017】
次に、S3において、ボリュームレンダリング演算部13により、ボクセル情報格納部10に格納されているボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直で、かつ間隔が一定の複数のスライス情報を算出し、スライス情報群を取得する。そして、スライス情報群は、ボリュームレンダリング演算部13内に少なくとも一時的に格納される。
なお、上述した視線に対して垂直なスライス情報とは、視線に対して直交する面を意味している。例えば、ディスプレイ2を垂直に立てた状態で、これと顔を平行にした状態で見た場合に、スライス情報が、視線に対して垂直な面として構成されている。
このようにして得られた複数のスライス情報は、前述のように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有している。よって、スライス情報は、例えば、図4に示すように、ボクセルラベル14がZ方向に複数枚配置されている。なお、例えば、図4に示すボクセルラベル14の集合体は、ボクセルラベル格納部11に収納されている。
【0018】
次に、S4において、ディスプレイ2には、図5に示すように、レンダリング像が表示される。このとき、ディスプレイ2では、切削対象物がマウス入力4によって選択され、それを図5に示すように表示させている。つまり、図5において22は腎臓、23は背骨を示している。本実施形態では、腎臓22を手術するためのシミュレーションを行おうとしている。
図5から分かるように、本実施形態のディスプレイ2では、実際には腎臓22は背骨23よりも前方にあるにもかかわらず、両者は平面的に隣接している状態にも見える。本実施形態では、これらの腎臓22及び背骨23を含むスライス画像は、上述したように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有している。このため、後述するが、シミュレーション上において、ディスプレイ2の画面において手前側にある腎臓22を切削したいときに、画面上において背骨23が一緒に切削されることが無いように、以下のように制御が行われる。
【0020】
S5において、切削指示がなされる。本実施形態においては、切削指示は、マウス入力4を用いて行われる。なお、入力部としては、キーボード入力3、マウス入力4、あるいはタブレット入力5等の何れでもよい。
具体的には、マウス入力4を机の上で水平方向に移動させたときに、ディスプレイ2上において表示されるカーソルを、腎臓22の上において左右あるいは上下に往復させる。
このとき、マウス入力4の左右あるいは上下の動きは、ウィンドウ座標取得部20において検出される。そして、その情報が、深さ検出部15を介してボクセルラベル設定部18、ボクセルラベル格納部11へと伝達される。これにより、腎臓22と背骨23のZ方向の位置を考慮した切削が行われる。
【0019】
具体的には、ボリュームレンダリング演算部13において、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向に一定間隔にてサンプリング(レイキャスティングと呼ぶ。)する。そして、ボリュームレンダリング演算部13は、マウス移動中に求められた全ての点について、深さ検出部15によって測定されたそれぞれのレイキャスティング走査距離の変化率を算出する。
具体的には、深さ検出部15において測定されたレイキャスティング走査距離dを集計し、その勾配∇dを算出する。そして、勾配∇dと、閾値Tとの比較を行い、切削実行の要否を判断する。例えば、切削点piにおける勾配∇diが閾値Ti以上であった場合には、無効な切削点と判断して、切削を実施しない。
【0019】
閾値Tは、切削処理の度に直近の切削点n個の勾配平均と倍数係数mとに基づいて閾値Tiが決定される。
Figure 2011118208
また、倍数係数mと切削点nとは、例えば、mを5程度、nを10等と、これら数値は対象画像により適宜設定することができる。
【0023】
これにより、ユーザの誤操作による急激な深さへの切削点を検出しても、誤切削を回避することができる。その結果、滑らかな深さの変化のみ切削を行うことができる。
このように、本実施形態では、直近の切削点n個の勾配平均と倍数係数mに基づいて算出された閾値Tiと、勾配∇dとを比較した結果を変化率として、切削を実施するか否かを決定することができる。
【0024】
なお、変化率の算出方法は、本実施形態に限定されるものではなく、勾配の変化状態が確認できるのであれば、どのような計算式を用いてもよい。
また、閾値Tについても、切削対象となるそれぞれの臓器の特徴に応じて適宜変化させることで、誤切削回避の精度をさらに上げることができる。
上述した切削処理では、所定の閾値以上の変化率をもつ点を無効な切削点とし、深さ制御部17がボクセルラベル設定部18に指示を出す。これにより、ボクセルラベルの更新は中止され、切削は実施されない。よって、ユーザの誤操作によって急激に深さ位置が変化する切削点を深さ検出部15が検出した場合には、誤切削を回避することができる。
【0025】
このとき、切削を実施するとは、ボクセルラベル設定部18がボクセルラベルを更新し、ボクセルラベル格納部11に格納することを意味する。つまり、切削を実施しない場合は、ボクセルラベルは変化しない。
従って、マウス入力4を腎臓22上において摺動させた場合でも、その奥側に存在する背骨23が誤って切削されてしまうことを回避することができる。そして、この場合には、マウス入力4の左右又は上下の摺動回数に応じて、腎臓22だけが切削された画像が表示される。
【0026】
なお、腎臓22が切削される状態は、ウィンドウ座標取得部20の情報が、色情報設定部21を介して色情報格納部12に伝達されることで、腎臓22の色が変化することによって認識することができる。ここで、色情報設定部とは、いわゆるルックアップテーブルによる変換部を意味する。つまり、本実施形態のパーソナルコンピュータ1では、上述したように、I(x,y,z,α)で構成される点の情報を保有しており、腎臓22の表面と内部とを予め色情報設定部21によって異なる輝度情報と色情報とが設定されている。これにより、表面から切削されるように操作した場合には、その切削度合いに応じて、切削部分の色はその周りの色とは明らかに違う状態で表示される。
【0027】
以上の状態は、S6,S7,S8の状態であり、S9においては切削箇所のボクセル情報が更新される。
図4は、その状態を示しており、最も表面のボクセルラベル14の大部分は“1”の状態、つまり、測定した腎臓22の表面状態を示している。図4において、“0”の部分は切削されたボクセルを示している。また、“L”はこの切削されたボクセルと、その周りの状態を色情報で分かり易くするためのものである。例えば、“1”は、光を浴びた小豆色であった場合、“0”は赤色であった場合、“L”は、その界面が光を浴びた小豆色から赤色への中間色を選択する。これにより、この切削が実際に行われている様子がより臨場感を持って表現されるようにすることができる(図4の左2枚(Drilling Label, Drilling Object)の合成によって、切削が行われている様子を示す画像が形成される)。また、図4の中央2枚の画像に基づいて、右側の切削された状態(Drilling Result)が形成される。
【0028】
以上のように、本実施形態によれば、ボリュームレンダリング演算部13において、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向に一定間隔にてサンプリングする。そして、マウス移動中に求められた全ての点について、深さ検出部15において算出されたそれぞれのレイキャスティング走査距離の変化率を算出する。
ここで、深さ制御部17は、算出された変化率について、所定の閾値以上の変化率を持つ点を無効な切削点とし、ボクセルラベル設定部18に指示を出し、ボクセルラベルの更新を中止して切削を実施しないように制御を行う。
【0029】
これにより、ディスプレイ2上において、実際には、深さ方向(Z方向)において位置の差が存在する切削対象部であれば、マウス入力4の切削指示が、ディスプレイ2上においてその両者に及んだ場合でも、隣接する表示対象物が不用意に切削されてしまうことを回避することができる。この結果、適切な手術シミュレーションを実施することができる。
【0030】
本実施形態では、例えば、マウスボタンのON/OFFによって切削開始/終了の切り替えを行い、ユーザはマウスボタンON時にマウスをドラッグ操作することで、意図した領域の切削を連続的に行うことができる。
また、本実施形態では、メモリ9の更新のタイミングをOFF時に行うことができる。ユーザがマウスボタンを押下しながら、マウスのドラッグを開始すると、ボリュームレンダリング演算部13のメモリのみを更新することで、視覚的にユーザへインタラクティブの切削機能を提供する。その際、メモリ9を更新せず、作業中のボリュームラベルを一時的に保存しておく。ユーザがボタンを離す際に、一時保存しておいたメモリ内容をメモリ9へ反映させる。このような制御を加えることにより、ユーザは一度のドラッグ操作において、オブジェクト表面から一定の深さまでのみ切削されたように表示することができるので、過度に切削された状態で表示されることを防ぐことができる。
【0031】
また、本実施形態では、ボクセルラベルを初期のボクセル情報と同サイズとしているが、より細かい切削を表現するには、ボクセルラベルをより小さいサイズのボクセルラベルとして生成してもよい。本手法では、ボクセル情報を直接編集せず、ボクセルラベルに時刻情報を持たせることで、Undo(元に戻す)やRedo(再入力)などの操作に対応することも可能である。
また、本実施形態では、3D表示を見ながら切削指示を行うものではなく、マウス入力4を平面的に動かすだけで、この手術シミュレーションを行うことができる。よって、この点からも適切な手術シミュレーションを行うことができる。
【0033】
(他の実施形態)
上記実施形態においては、マウス入力4によって切削指示されたボクセルラベル14における表示対象物の輝度情報および色情報の両方を変化させた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、表示対象物の輝度情報および色情報のうち、少なくとも一方を変化させる構成としてもよい。
さらに、上記実施形態において、切削されたボクセルの体積を算出する被切削ボクセルラベル算出表示部19の出力として、マウス入力4による切削量(体積)をディスプレイ2に表示してもよい。
また、これに代えて、マウス入力4による切削深さを、ディスプレイ2に表示してもよい。
【0034】
さらに、ボリュームレンダリングの結果を示す3次元画像に、2次元の断層画像をディスプレイに追加して投影し、2次元の断層画像に対して切削動作を実施した場合でも、切削動作が3次元画像に反映されるように、切削シミュレーションを行ってもよい。
さらに、ボクセル情報格納部10に格納されたボクセル情報を、ディスプレイ2に2次元あるいは3次元画像に変換して表示させると共に、ディスプレイ2に表示された切削対象部におけるマウス入力4で指示された部分の色情報を変更する色情報設定部21を設けてもよい。つまり、ディスプレイ2上に表示された切削対象部について、例えば、医者として気になる部分に意図的に色を付けておき、その状態でボクセルラベル14の集合体をボクセルラベル格納部11に格納させておけばよい。これにより、この情報から切り出される多方面からの表示に、全て先ほどの色をつけた情報が反映されることになる。よって、その気になる部分を立体的に全周から観察することができ、かつこの切削シミュレーションも行うことができる。
【0035】
さらに、本発明は、内視鏡手術をシミュレーションすることも可能であり、この場合はボリュームレンダリング演算部13において、内視鏡に設けられた魚眼レンズ等の収束特性を座標変換テーブルとして用いれば実現できる。
さらに、視点を複数持ち、視点ごとに作成したボリュームレンダリング演算部13の出力画像を複数個のメモリに蓄積し、メモリからの出力を順次ディスプレイに表示させ、立体視画像を生成することも可能である。この場合には、それぞれの画像出力に同期した液晶めがね等を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0036】
以上のように本発明は、3D表示を見ながら切削指示を行うものではなく、入力部を平面的に動かすだけで、この手術シミュレーションを行うことができるので、適切な手術シミュレーションを行うことができるという効果を奏することから、手術をするための切削シミュレーション装置として広く活用が期待される。
【符号の説明】
【0037】
1 パーソナルコンピュータ(切削シミュレーション装置)
2 ディスプレイ
3 キーボード入力(入力部)
4 マウス入力(入力部)
5 タブレット入力(入力部)
6 断層画像情報取得部
7 ボクセル情報抽出部
8 断層画像情報部
9 メモリ
10 ボクセル情報格納部
11 ボクセルラベル格納部
12 色情報格納部
13 ボリュームレンダリング演算部
14 ボクセルラベル
15 深さ検出部
16 バス
17 深さ制御部
18 ボクセルラベル設定部
19 被切削ボクセルラベル算出表示部
20 ウィンドウ座標取得部
21 色情報設定部
22 腎臓
23 背骨

Claims (9)

  1. 断層画像情報を取得する断層画像情報取得部と、
    前記断層画像情報取得部に接続されており、前記断層画像情報のボクセル情報を格納するメモリと、
    前記メモリに接続されており、前記ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングするボリュームレンダリング演算部と、
    前記ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示するディスプレイと、
    前記ディスプレイに表示された表示対象物に対する切削指示を入力する入力部と、
    前記入力部によって切削指示された点の前記入力部の移動中に求められた全ての点について、それぞれのレイキャスティング走査距離を測定する深さ検出部と、
    を備えた切削シミュレーション装置。
  2. 前記ボリュームレンダリング演算部は、前記深さ検出部において検出された深さ情報が所定の閾値以上の変化率となった場合に切削を中止する、
    請求項1に記載の切削シミュレーション装置。
  3. 前記ボリュームレンダリング演算部には、複数の前記ボクセル情報に対応する複数枚のボクセルラベルと、X,Y,Z情報と、色情報と、輝度情報とが供給される、
    請求項1または2に記載の切削シミュレーション装置。
  4. 前記ボリュームレンダリング演算部は、前記入力部により切削指示された前記ボクセルラベルにおける前記表示対象物の部分の、輝度情報と色情報の少なくとも一方を変化させて前記ディスプレイに表示させる、
    請求項3に記載の切削シミュレーション装置。
  5. 前記ディスプレイには、前記入力部によって切削指示された切削量が表示される、
    請求項1から4のいずれか1つに記載の切削シミュレーション装置。
  6. 前記ディスプレイには、前記入力部によって切削指示された切削深さが表示される、
    請求項1から4のいずれか1つに記載の切削シミュレーション装置。
  7. 前記メモリは、前記断層画像情報取得部を介して入力されるボクセル情報を格納するボクセル情報格納部と、前記ボリュームレンダリング演算部によって切り出された前記ボクセルラベルを格納するボクセルラベル格納部と、を有する、
    請求項1から6のいずれか1つに記載の切削シミュレーション装置。
  8. 前記メモリは、前記ボクセルラベル毎の色情報を格納する色情報格納部をさらに有する、
    請求項7に記載の切削シミュレーション装置。
  9. 前記ボリュームレンダリング演算部は、前記ボクセル情報格納部に格納されたボクセル情報を前記ディスプレイに表示させ、
    前記ディスプレイに表示された前記表示対象物における前記入力部によって切削指示された部分の色情報を変更する色情報設定部を、さらに備えている、
    請求項7または8に記載の切削シミュレーション装置。
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