JPWO2014207932A1 - 歯周病検査装置及び歯周病検査装置に使用する画像処理プログラム - Google Patents
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Abstract
本発明の歯周病検査装置は、
口腔内の歯、歯肉及び歯槽骨を含む部位を撮影して該部位のボリュームデータを生成するＸ線ＣＴ装置と、
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定する領域設定手段と、
検査対象歯の主軸を規定する規定手段と、
検査対象歯の主軸がＸ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正する補正手段と、
補正した関連領域の多断面再構成像を生成する多断面再構成像生成手段と、
関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成する展開像等生成手段と、
多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すナビゲート手段と、
を含むことを特徴としている。
口腔内の歯、歯肉及び歯槽骨を含む部位を撮影して該部位のボリュームデータを生成するＸ線ＣＴ装置と、
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定する領域設定手段と、
検査対象歯の主軸を規定する規定手段と、
検査対象歯の主軸がＸ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正する補正手段と、
補正した関連領域の多断面再構成像を生成する多断面再構成像生成手段と、
関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成する展開像等生成手段と、
多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すナビゲート手段と、
を含むことを特徴としている。
Description
本発明は、歯周病の診断及び治療の分野に属する。さらに詳しくは、X 線CT像から得られる歯の3次元の情報に基づいて歯周病の進行状態を検査し、治療する方法及び治療装置に関する。
歯周病とは、歯の周囲、即ち、歯茎（歯肉）、歯槽骨、歯根膜、歯茎の下のセメント質部分に起こる病気をいう。しかし、一般的には歯の回りに起こる炎症性の病気を指し、これが患者の９割以上を占めている。従って、一般的な歯周病はプロフィロモナス・ギンジバリス等の細菌によって引き起こされる。本発明も一般的な歯周病を対象としている。以下では、一般的な歯周病を「歯周病」と呼び、それ以外の歯周病については「特別な歯周病」と呼ぶことにする。
以下、歯周病の進行状態に関し、根尖が下にある下顎の歯の場合について説明するが、上顎の歯についても同様である。図１は健康な歯を模式的に示す断面図であり、図２は歯周病の歯を模式的に示す断面図である。図１に示すように、健康な歯３０は、歯根３１が歯根膜３２a、歯槽骨３５及び歯茎（歯肉）３２に支えられおり、また、歯根３１と歯茎３２との間は歯周ポケット４５と呼ばれる。（以下、単に「ポケット」又は「歯肉溝」という。）
歯周病に罹患すると、歯茎（又は歯肉）３２が赤く腫れ、歯根膜３２aが破れ、図２に示すように、歯周ポケット４５から血及び膿４８が出て、歯槽骨３５が溶け始める。歯茎頂部４６からポケット下端４７までのポケット４５の深さは、健康な歯では０〜１ mm 程度であるが、歯周病に罹患した歯３０の場合、その深さは、歯周病の進行に伴い深くなる。
歯周病の治療を開始するにあたっては、まず現在の症状がどの程度進んでいるか検査し、その後にどのような症状に至るかを診断しなければならない。現在までに種々の検査方法の開発が行われてきた。現在の主な検査方法としては、プロービングによる検査方法、X線を利用した検査方法、細菌を利用した検査方法等がある。
プロービング検査方法は、上述のポケット４５にプローブ（検査用針）を挿入し、ポケット４５の深さを測定しながら症状の状況を探る方法である。最も簡便な方法であり、症状の全ての段階に適用できる。最も深い部分を計測する１点法、近遠心及び頬舌側の４点法、さらにもう２点加えた６点法などがある。
X線を利用する検査方法は、歯３０と歯周組織のX線写真 (デンタルX線写真、あるいはパノラマX線写真) から（その歯を支持する歯槽骨の骨頂が根尖からセメントエナメル境の間のどの位置にあるかを表す）骨レベルと歯槽骨３５の外形を把握する方法である。
細菌検査を利用する検査方法は、歯周炎の原因菌を検査して歯周疾患の活動性・進行性を検査する方法である。すなはち、菌種の違いによって病原性の強さが異なると考えられており、菌種を特定して活動性を判断する。
健全な歯の生理的動揺は通常0.2 mm 以下とされ、歯周軟組織（歯肉、歯根膜等）と歯槽骨の変形の総和として生じる。この動揺度は歯周病の進行に伴い増加するが、歯周組織の炎症性の変化が原因の場合（図３参照）と、骨レベルの低下が原因（図４参照）の場合とがある。前者は炎症の原因を除去すれば動揺の改善が可能であるが、後者は歯周組織の再生が生じない限り動揺の軽減は難しい。通常、１本の歯の動揺には複数の原因があり、その総合的結果が現れている。したがって、歯周組織の治療によって軽減できる動揺 (炎症が原因) と軽減できない動揺 (支持組織の量的減少が原因)
の鑑別が重要である (非特許文献１参照)。
の鑑別が重要である (非特許文献１参照)。
ところで、骨レベルの低下は、同じ歯の近心と遠心、頬側と舌側では著しく異なり、この骨レベルの凹凸は、治療法の選択や歯根膜の再生の予知につながる重要な所見である。骨レベルの低下が口腔内で均一に進行する場合を水平性骨欠損と呼び、特定の部位が早く進行する場合を垂直性骨欠損と呼ぶ。垂直性骨欠損は骨欠損部露出根面を囲む側面の骨壁の数によって、さらに３壁性、２壁性、及び１壁性の垂直性骨欠損と区別して表現する。
骨の垂直的な欠損部分に露出している根面の治療では、周囲の骨壁が障害となり、器具を十分に操作できない場合がある。垂直性骨欠損の場合は、歯根膜が骨欠損の根尖側だけでなく、側方にも近接して残存しているため、この欠損内部に露出した根面には歯根膜の再生が生じやすいと考えられる。特に、骨欠損の３壁性の部分はかなりの確率で再生を期待できる。２壁性でも幅の狭い場合は再生を期待できる。しかし、１壁性は再生が難しいと考えられ、ポケットも残りやすい形態のため、しばしば骨整形によって削除される。
このように、歯槽骨の凹凸形状は歯周病の治療に関わりがあるため、正しく把握することが重要である。骨レベルは、前述のようにX線写真上で把握できるが、X線写真は歯と歯周組織を２次元平面に投影して描出するため、骨レベルの立体的な凹凸形状を完全に読み取るのは難しい。そのため、臨床ではプロービングの診査値などから骨レベルの３次元的な状況を推測するアプローチが取られている。しかし、プロービングの測定値自体に再現性の問題が指摘されている。すなはち、これまで歯科医師が骨レベルの凹凸形状を正確に把握するのは容易ではなかったといえる。
近年、歯科医院では歯科に特化したコンピュータ断層撮影装置 (歯科用X線CT装置) の普及が急速に進んでいる。歯科用X線CT装置を用いると、歯や顎骨に関する精密な３次元の立体像が得られる。インプラントなどの高度な歯科医療を安全に実践するために必須となっている。
生体内３次元空間から取得した３次元の立体像は３次元物体の表面の画像データだけでなく、３次元物体の内部の点の画像データをも含んでいるために、特に「ボリュームデータ」と呼んでいる。ボリュームデータを生成する医用画像診断装置は、歯科用X線CT装置に限らず、医科用X線CT装置、３次元超音波装置、核磁気共鳴装置、陽電子放射断層撮影装置など様々な装置がある。
ボリュームデータは３次元空間内の点の画像データであるが、それを観察するための画像表示装置（モニタ）の表示面は２次元であることから、観察対象である３次元物体の構造をモニタ上に適切に描出するためには、ボリュームデータを画像処理技術で加工して２次元の画像にする必要がある。ボリュームデータを２次元画像化する処理の代表的なものには、多断面再構成法、最大値投影法、表面表示法、ボリュームレンダリング法が挙げられ、これらの技術は公知である (非特許文献２参照)。
画像診断に用いられる基本的な多断面再構成法による画像断面は３つあり、垂直方向に設定された体軸（又は、主軸）を水平に切断する体軸断面 （axial 断面）、体軸の左右方向に横切りする冠状断面 (coronal 断面)、体軸の前後方向に縦切りする矢状断面 (sagittal 断面) がある。以下、簡単のために、体軸断面を「Ａ断面」、冠状断面を「Ｃ断面」、矢状断面を「Ｓ断面」と呼ぶことにする。
医師が診断し易いようにボリュームデータを加工することが重要であることは言うまでもなく、観察対象の形状に合わせて表示法を改良した技術が開示されている。例えば、食道のような管状部位を撮像した医療画像を幾何学的に変換し、内表面の状態を診断し易いように展開図の画像として表示手段に出力する技術が開示されている (特許文献１参照)。また、ボリュームデータから前述のＡ 断面、Ｃ 断面、Ｓ 断面の任意の位置を表示するのは公知の技術であるが、その断面間の対応関係を理解するためのナビゲーションに関する技術が開示されている (特許文献２参照)。特許文献２によれば、診断対象画像と標準テンプレートを併用する条件の下で、ユーザがある任意の空間座標を指定したとき、その座標の位置に対応するＡ 断面、Ｃ 断面、Ｓ 断面を表示し、さらにそれぞれの断面間の対応関係を十字線の交差として図示する。
歯科用X線CT装置で口腔内を撮影して取得されたボリュームデータには、歯とその周辺組織 (歯槽骨など) の形態情報が詳細に含まれている。このボリュームデータから歯槽骨の凹凸形状を読み取れば、歯周病の治療計画に役立てることが可能である。歯科および口腔外科の分野では、インプラントの植立位置の決定や歯列の矯正治療を行う目的で、歯列の弓状の形状に合わせて解剖学的な特徴点 (ランドマーク) を配置すると、そのランドマークに基づいて切断面の位置を特定して表示する技術が開示されている (特許文献３参照)。しかしながら、歯槽骨の凹凸形状の診断をし易くするためのボリュームデータを加工する技術はこれまで開示されていない。
歯周病診断のストラテジー、ISBN978-4-263-45427-5
診療画像検査法 最新・X線CTの実践、ISBN4-86003-358-2
松浦智二、上顎前歯の歯冠軸・歯根軸による歯冠計測とその補綴学的意義について、九州齒科學會雜誌、35 (3), 396-415, 1981
本発明は、前述の問題を解決するためになされたものである。即ち、歯周病を容易に診断できるように、歯槽骨の凹凸形状を表示装置の表示面に自由に表示可能とするボリュームデータの加工技術を提供することを課題とする。
第１の発明は、口腔内の歯、歯肉及び歯槽骨を含む部位を撮影して該部位のボリュームデータを生成するＸ線ＣＴ装置と、前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定する領域設定手段と、検査対象歯の主軸を規定する規定手段と、検査対象歯の主軸がＸ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正する補正手段と、補正した関連領域の多断面再構成像を生成する多断面再構成像生成手段と、関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成する展開像等生成手段と、多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すナビゲート手段と、を含むことを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記領域設定手段は、ユーザが検査対象歯に対して２つの特徴点を入力すると、その入力点を中心とする立方体の領域を設定することを特徴としている。
前記領域設定手段は、ユーザが検査対象歯に対して２つの特徴点を入力すると、その入力点を中心とする立方体の領域を設定することを特徴としている。
第３の発明は、第１の発明において、
前記規定手段は、ユーザが入力した２つの特徴点を結ぶ線分を主軸の単位ベクトルとして主軸を規定することを特徴としている。
前記規定手段は、ユーザが入力した２つの特徴点を結ぶ線分を主軸の単位ベクトルとして主軸を規定することを特徴としている。
第４の発明は、第１の発明において、
前記補正手段は、前述の主軸がＸ線ＣＴ像のＡ 断層像を構成する各断面の法線ベクトルと一致するように前述の関連領域に回転補正処理を実行することを特徴としている。
前記補正手段は、前述の主軸がＸ線ＣＴ像のＡ 断層像を構成する各断面の法線ベクトルと一致するように前述の関連領域に回転補正処理を実行することを特徴としている。
第５の発明は、第１の発明において、
前記多断面再構成像生成手段は、前記回転補正処理を適用後の関連領域について、任意の位置に対応するＡ
断面、Ｃ 断面並びにＳ 断面を表示可能な断層像を生成することを特徴としている。
前記多断面再構成像生成手段は、前記回転補正処理を適用後の関連領域について、任意の位置に対応するＡ
断面、Ｃ 断面並びにＳ 断面を表示可能な断層像を生成することを特徴としている。
第６の発明は、第１の発明において、
前記展開像等生成手段は、前記回転補正処理を適用した後の関連領域を前記主軸周りに回転させながら断面を作成していき、前記主軸からの距離が揃うように重ねて断層像を生成することを特徴としている。
前記展開像等生成手段は、前記回転補正処理を適用した後の関連領域を前記主軸周りに回転させながら断面を作成していき、前記主軸からの距離が揃うように重ねて断層像を生成することを特徴としている。
第７の発明は、第１の発明において、
前記ナビゲート手段は、Ａ 断面、Ｃ 断面、Ｓ 断面、展開像の断面、回転像の断面の５つの画面の一部又はすべてを表示した状態で、いずれかの画面上でユーザが位置を指定すると、残りの画面はユーザが指定した位置が表示される断面に切り替わり、かつその位置を十字線の交点、あるいは円と半直線の接触部で示すことを特徴としている。
前記ナビゲート手段は、Ａ 断面、Ｃ 断面、Ｓ 断面、展開像の断面、回転像の断面の５つの画面の一部又はすべてを表示した状態で、いずれかの画面上でユーザが位置を指定すると、残りの画面はユーザが指定した位置が表示される断面に切り替わり、かつその位置を十字線の交点、あるいは円と半直線の接触部で示すことを特徴としている。
第８の発明は、第１の発明において実行される画像処理プログラムであって、
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸を規定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸が前記Ｘ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正するモジュールと、
前記補正した関連領域の多断面再構成像を生成するモジュールと、
前記関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成するモジュールと、
前記多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すモジュールを含むことを特徴としている。
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸を規定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸が前記Ｘ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正するモジュールと、
前記補正した関連領域の多断面再構成像を生成するモジュールと、
前記関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成するモジュールと、
前記多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すモジュールを含むことを特徴としている。
本発明によれば、検査対象歯の全周にわたる歯槽骨の凹凸形状を、診断し易い状態で観察できるようになる。この処理には、これまでのX線写真やプロービング検査のような歯科医師による推測を含まないため、より客観的かつ定量的な骨レベルの把握が可能となり、歯周病の診断・治療技術の向上に寄与する。
以下、本発明の実施の形態を付図に基づいて説明する。
図５に示す医用画像処理装置１は、ＤＩＣＯＭ規格のファイル２と、このＤＩＣＯＭ規格のファイル２に対して画像処理を行うパーソナルコンピュータ等により構成される本発明の実施形態となる歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３と、この歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３により画像処理された画像を表示する表示モニタ４から構成される。
図５に示す医用画像処理装置１は、ＤＩＣＯＭ規格のファイル２と、このＤＩＣＯＭ規格のファイル２に対して画像処理を行うパーソナルコンピュータ等により構成される本発明の実施形態となる歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３と、この歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３により画像処理された画像を表示する表示モニタ４から構成される。
ＤＩＣＯＭ規格のファイル２は、生体の口腔内３次元空間を歯科用X線CT装置で撮影して取得されたものである。ＤＩＣＯＭとは医用画像のフォーマットと、それらの画像を扱う医用画像機器間の通信プロトコルを定義した標準規格のことであり、撮影環境 (例えば、撮影装置名、患者名、患者ID、撮影条件) とボリュームデータが含まれている。このＤＩＣＯＭ規格のファイル２は、歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３に入力される。
この歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３は、ＤＩＣＯＭ規格のファイルを読み込んでボリュームデータと撮影環境などのメタ情報を抽出する画像入力部５と、この画像入力部５で抽出されたボリュームデータに対する画像処理を行う中央演算処理装置としてのＣＰＵ６と、このＣＰＵ６により画像処理を実行させる処理プログラム (制御プログラム) を記憶する処理プログラム記憶部７とを有する。
また、この歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３は画像入力部５で抽出されるボリュームデータとメタ情報、及びＣＰＵ６により処理されたボリュームデータやメタ情報等を記憶装置インタフェース９を介して記憶する記憶装置としてのハードディスク１０と、ＣＰＵ６により処理されたボリュームデータ等を表示するための表示処理を行う表示処理部８と、ユーザが画像処理のパラメータ等のデータ入力や指示操作を行うマウスなどからなる入力操作部１１とを有する。
そして、この表示処理部８により生成された映像信号は、表示モニタ４に表示され、この表示モニタ４の表示面には画像処理された画像が表示される。なお、画像入力部５、ＣＰＵ６、処理プログラム記憶部７、表示処理部８、記憶装置インタフェース９、及び入力操作部１１は、データパス１２を介して互いに接続されている。
歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３を構成するＣＰＵ６は、図６に示すように、検査対象歯の展開像を表示モニタ４に出力する展開像出力手段 (機能) ６a と、展開像と多断面再構成像、及び展開像を検査対象歯の主軸周りの方向で画像化した像 (以下、回転像と呼ぶ) との空間座標の位置関係を画面上に示すナビゲーション手段 (機能) ６b を有する。表示モニタ４の表示面には、展開像の断面、回転像の断面、及び多断面再構成像の各断面の画面が表示され、各表示画面上にはそれぞれの画面の空間座標の位置関係に関する情報がナビゲートされる。
図７は、生体の口腔内３次元空間から取得され、歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３に入力されるボリュームデータを代表的な処理を用いて画像化した例を示している。図７aはボリュームデータの濃淡情報に基づいて等値面を生成し、表面を表示したものである。図７bは同じボリュームデータに対して３方向からなる１組の断面（図７c：Ａ 断面、図７d：Ｃ 断面、図７e：Ｓ 断面）を図７aと同じ座標系で表示したものである。
前述のように、ボリュームデータには３次元の詳細な形態情報が含まれているが、モニタは２次元であるため、その情報を同時に表示することはできない。一般的に、ボリュームデータの全体的な概形を把握するときには、表面表示法 (図７a) やボリュームレンダリング法が用いられ、手術時の位置決めなど精密な情報を要する場合は多断面再構成法 (図７b-d) が用いられる。
本実施例では、まず、画像入力部５で生体の口腔内３次元空間からボリュームデータを抽出し、ユーザから検査対象歯とその主軸に対する入力操作を受けつける。次に、このボリュームデータを幾何学的な座標変換によって加工し、主軸に沿って回転した断層像 (回転像) や主軸から等距離の全周を展開した断層像 (展開像) を生成する処理を行い、これらの断層像を表示モニタ４に表示する。ただし、これらの断層像から歯槽骨の凹凸形状がわかるが、医師にとって普段は見慣れない画像であるため、元のボリュームデータとの対応関係を理解しづらい。そこで、多断面再構成像による表示 (axial 断面、coronal 断面、及びsagittal 断面) を行い、回転像や展開像上の任意の座標と空間的に同じ位置を多断面再構成像上にも表示する。回転像、展開像、及び多断面再構成像を総覧することにより、歯槽骨の凹凸形状を把握でき、かつボリュームデータのどの位置を観察しているのかを把握できる。これらの手段はソフトウェア的に実現しており、このために処理プログラム記憶部７に記憶された処理プログラムをＣＰＵ６は読み出し、ＣＰＵ６は、この処理プログラムにしたがって図８に示す処理手順を実行する。
図８を参照して、本実施形態の動作を説明する。歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３の動作が開始すると、ＣＰＵ６は処理プログラム記憶部７の処理プログラムを読み出し、その処理プログラムに従った処理を開始する。ＣＰＵ６はＳ１工程において、ＤＩＣＯＭ規格のファイル２から画像入力部５を経て生体の口腔内３次元空間のボリュームデータを取得する。
次のＳ２工程では、取得されたボリュームデータに対して前処理を行う。ＤＩＣＯＭ規格のファイルから取得したボリュームデータが、最初から立体的にどの方向からも空間分解能が等しい状態であるとは限らないため、どの方向からも空間分解能が等しい状態になるように補間処理を行う。補間処理には、例えば特許文献４に記載されている方法を用いる。このとき、ボリュームデータの画質を改善するために、雑音除去処理、鮮鋭化処理、及び濃淡値の補正処理を行っても良い。Ｓ３工程は公知の技術を用いた工程であり、補間処理や前処理の説明は省略する。
Ｓ３工程では、ボリュームデータから多断面再構成像を生成する工程であり、任意の空間座標の位置に対応するＡ 断面、Ｃ 断面、及びＳ 断面を表示する。Ａ 断面、Ｃ 断面、及びＳ 断面の表示例を図９に示す。図９は、ボリュームデータの中央の位置におけるＡ 断面、Ｃ 断面、及びＳ 断面を表示している。ボリュームデータから多断面再構成像を生成し、それに基づいて任意の位置におけるＡ 断面、Ｃ 断面、及びＳ 断面を表示するのは公知の技術であり、説明を省略する。この各断面上で、例えばキーボードの「←」キーや「→」キーを押下すると、表示する断面の位置を動かすことができ、ユーザの入力に応じて任意の位置の断面を表示できる。
Ｓ４工程は検査対象歯の主軸を規定する工程である。まず検査対象歯を指定する。たとえば、図１０のような歯番のイラスト画面を表示モニタ４に表示し、ユーザがこれから処理を行う歯のイラストをマウスの左ボタンでクリックすると、ＣＰＵ６はその歯を検査対象歯とみなす。検査対象歯として指定された歯のイラストは着色して画面に表示される。
次に、検査対象歯の主軸を規定する。歯軸の定義は学術的には諸説あり、歯冠部を基準とした軸、歯根部を基準とした軸、歯冠部と歯根部を一体とした軸など、複数の考え方が存在する (非特許文献３参照)。また、画像処理を活用して歯軸を規定する方法も開示されている (特許文献６、７参照)。さらに、歯軸を含む断面を表示する技術も開示されている (特許文献８参照)。ただし、歯軸を定義する機能は特許文献８の装置にはなく、ユーザの判断によって歯軸が規定される。このように、歯軸の定義には様々な考え方やアプローチがあり、統一した見解は示されていない。
本実施例では、歯周病のプロービング検査が歯冠部のみ見える状態で実施されていることを鑑み、歯冠部を基準とした軸とし、本実施例では検査対象歯の主軸と呼ぶ。検査対象歯の主軸の規定に関する説明図を図１１に示す。まず、ユーザが「歯冠部の中心 (Crown Centroid: CC = (ccx, ccy, ccz))」と「歯全体の中心 (Tooth Centroid: TC = (tcx, tcy, tcz))」の２点の座標を入力する。２点の入力は、Ｓ３工程で生成した多断面再構成像の断面
（Ａ 断面、Ｃ断面、及びＳ断面） の表示位置を動かしながら行う。２点の入力を受け付けると、ＣＰＵ６は、検査対象歯の主軸のベクトル「ｍ」を以下の数式 (１) によって規定する。
(１)
（Ａ 断面、Ｃ断面、及びＳ断面） の表示位置を動かしながら行う。２点の入力を受け付けると、ＣＰＵ６は、検査対象歯の主軸のベクトル「ｍ」を以下の数式 (１) によって規定する。
続いて検査対象歯の関連領域を指定する。関連領域は、前述のＴＣの座標を中心に半径n mm (nは正の整数) の立方体の領域と定義し、表示モニタ４上にトラックバーを表示する。ユーザはトラックバーを操作しながらnの値を調節して、検査対象歯及び検査対象歯と隣接歯の接触部が含まれるように関連領域を指定する。以降の工程では検査対象歯の関連領域内のみに処理を行うことで、ＣＰＵ６にかかる計算コストを削減する。
Ｓ５工程では、ボリュームデータの補正を行う工程である。具体的には、検査対象歯の主軸がX線CT像の体軸の向き（図１１のｚ軸の向き、または、ｚ軸の逆向き) になるように、検査対象歯の関連領域を回転補正する（図１２参照）。なお、検査対象歯の主軸を補正する向きが２つあるのは、上顎歯と下顎歯では歯冠部と歯根部の位置関係が逆であり、主軸の向きが異なるためである。Ｘ線ＣＴ像の体軸のベクトルをｎとすると、ベクトルｎは以下の数式 (２) によって規定される。
(２)
検査対象歯の主軸を補正するためのパラメータとなる回転方向のベクトルｖと回転角度θは、以下の数式（３）と数式（４）でそれぞれ算出する。
(３)
(４)
回転補正前の検査対象歯の関連領域の座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とし、回転補正後の検査対象歯の関連領域の座標を（ｘ’、ｙ’、ｚ’）とすると、以下の式（５）で座標変換が行われる。
（５）
なお、理論上は式（５）を計算すれば回転補正後の関連領域が求まるが、現実にはこの処理をそのまま当てはめると不都合が生じる。すなはち、回転補正後の関連領域の座標は整数値であるが、式（５）の右辺を計算すると実数が計算される。そのため、実数から整数に変換する必要があるが、その過程でまるめ誤差が発生し、回転補正後の関連領域の座標の一部の情報が抜けてしまう。この問題を回避するため、本実施例では、回転補正後の関連領域の各座標を逆回転して回転補正前の座標に投影し、投影した座標の画素値を線形補間で近似して計算する。このような逆変換法はよく使われる方法であり、例えば特許文献９などで実施されている。また、線形補間は公知の技術であり、説明を省略する。
なお、理論上は式（５）を計算すれば回転補正後の関連領域が求まるが、現実にはこの処理をそのまま当てはめると不都合が生じる。すなはち、回転補正後の関連領域の座標は整数値であるが、式（５）の右辺を計算すると実数が計算される。そのため、実数から整数に変換する必要があるが、その過程でまるめ誤差が発生し、回転補正後の関連領域の座標の一部の情報が抜けてしまう。この問題を回避するため、本実施例では、回転補正後の関連領域の各座標を逆回転して回転補正前の座標に投影し、投影した座標の画素値を線形補間で近似して計算する。このような逆変換法はよく使われる方法であり、例えば特許文献９などで実施されている。また、線形補間は公知の技術であり、説明を省略する。
実際のX線CT像の上顎左１番に対する回転補正の適用例を示す。図１３は回転補正前の画像で、図１３aがＡ 断面、図１３bがＣ 断面、及び図１３cがＳ 断面である。図１３は、ユーザが事前に表示断面の位置を変えながら、歯冠部の中心 (CC)、歯全体の中心 (TC)、及び関連領域のサイズを指定したものであり、図１３に示す３つの断面は歯冠部の中心の座標 (CC) が画面の中央に位置するように表示している。各断面に表示している正方形の枠は、関連領域内であることを表している。また、図１３の例では、同一Ｓ 断面上に歯全体の中心 (TC) もあり、歯冠部の中心 (CC) と歯全体の中心 (TC) とを通過する破線が示されているが、これが検査対象歯の主軸である。この後、ＣＰＵ６でＳ５工程のボリュームデータの補正処理を行った結果が図１４である。図１４aはＡ 断面、図１４bはＣ 断面、及び図１４cはＳ 断面であり、それぞれ歯冠部の中心 (CC) を含む断面を表示している。図１４のＣ 断面とＳ 断面の同一断面には歯全体の中心 (TC) も含まれており、検査対象歯の主軸が画面の垂直方向を向くように関連領域全体が補正されていることがわかる。
Ｓ６工程では、Ｓ５工程で補正した画像に対し、検査対象歯の主軸周りに回転させながら連続的に断面を抽出して断層像を生成する。これは、回転方向のベクトルｖ ＝ 体軸のベクトルｎとし、回転角度θを０ 〜 ３５９°まで１度ずつ変えながら（５）式を適用する。適用後の画像の中央の１断面を抜き出し、断層像として重ねていく。その説明図を図１５に示す。図１５aは歯冠部の中心 (CC) を含むＡ 断面であり、中心を原点Oとしている。原点Oから左側に伸ばした半直線が始線であり、このときの回転角度は０°である。ここから、半直線を時計周りに回転する。イメージとしては、図１５aのＡ 断面に示している原点Oから回転角度０°〜３５９°までを結ぶ半直線上の画素を抽出すると考えることができる。図１５aの回転角度０°、９０°、１８０°、２７０°の半直線は、それぞれ図１５ｂ〜図１５ｅの半直線と対応する。なお、１枚のＡ 断面にこの処理を適用しても、図１５の半直線で示す位置の画素しか得られないが、検査対象歯の関連領域は、実際には、数十〜数百枚のＡ 断面 を重ね合わせた断層像であるため、これらの断層像全体に処理をかければ、図１５ｂ〜図１５ｅに示すように、断面が得られる。図１５ｂ〜図１５ｅに表示している矢印は検査対象歯を指しており、各断面の右端は検査対象歯の主軸である。本実施例では、この断層像のことを回転像と呼ぶ。なお、前述の変換の説明と同様に、本実施例では回転像の各座標を逆変換し、検査対象歯の主軸を回転補正後の座標に投影する方法で計算する。
前述の回転像は、別の方向から輪切りした断面を重ね合わせたと考えることも可能である。検査対象歯の主軸から等距離の画素が断面となるように輪切りにした場合を断面の一例を図１６に示す。図１６の回転角度０°、９０°、１８０°、２７０°の半直線は図１５の半直線と対応する。図１６は、検査対象歯を主軸周りに３６０°展開した画像と見なすことができる。図１６に示しているのは１枚の断面であるが、検査対象歯の主軸からの距離を変えれば同様の断面を複数生成することが可能であり、それらの断面を検査対象歯の主軸からの距離が揃うように重ね合わせたものを、本実施例では展開像と呼ぶ。
検査対象歯の主軸を回転補正後の断層像と回転像の関係を図１７に示す。図１７aは検査対象歯の主軸を回転補正後の断層像の一断面を表示したものであり、図１７ｂは回転像の一断面を表示したものである。検査対象歯の主軸を回転補正後の座標と回転像 (展開像も同様) の座標の対応関係は不変であり、Ｓ６工程で回転像 (展開像も同様) を生成したときに、対応関係をルックアップテーブルに登録しておくものとする。ここで、ルックアップテーブルとは、出力値に入力値をマッピングして、数学関係を近似するデータ配列を意味する。また、入力値がルックアップテーブルに与えられると、テーブルから対応する出力値を取得する手順のことをルックアップ演算と呼ぶ。歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３で対応関係を求める必要が生じた場合は、ＣＰＵ６がルックアップ演算を行って求めるものとする。
本実施例では、以降の処理で検査対象歯の主軸を回転補正後の座標と回転像 (展開像も同様) の座標を相互に変換する必要が生じるため、図１７に示すように双方向に変換可能なルックアップテーブルを作成する。ここで、ルックアップテーブルは、入力に対して出力が１つの値となる必要がある。前述のように、本実施例は実際には回転像 (展開像も同様) を逆回転して、対応する検査対象歯の主軸を回転補正後の座標を求めているため、図１７a ← 図１７ｂのルックアップテーブルの作成は容易である。ところが、検査対象歯の主軸を回転補正後の座標は、その座標と対応する回転像 (展開像も同様) の座標が１点であるとは限らないため、出力を厳密に１つの値だけとするのは難しい。複数の出力が求まる場合には、本実施例はそれらの座標の位置はお互いに隣接していると想定し、該当する座標のいずれか１点が図１７a → 図１７ｂのルックアップテーブルに登録されれば良いものとする。
Ｓ７工程では、前述の方法で獲得した各断面、即ち、Ａ断面、Ｃ断面、Ｓ断面、回転像の断面、及び展開像の断面を並列して画面に表示する。画面に並列表示した例を図１８に示す。図１８では、検査対象歯の主軸を回転補正後の断層像のＡ
断面が図１８a、Ｃ 断面が図１８ｂ、Ｓ 断面が図１８ｃ、回転像の断面が図１８ｄ、及び展開像の断面が図１８ｅにそれぞれ対応し、複数の断面で構成されている断層像の中から任意の１枚の断面を選んで表示したものである。
断面が図１８a、Ｃ 断面が図１８ｂ、Ｓ 断面が図１８ｃ、回転像の断面が図１８ｄ、及び展開像の断面が図１８ｅにそれぞれ対応し、複数の断面で構成されている断層像の中から任意の１枚の断面を選んで表示したものである。
図１８の画面には、以下に示すナビゲート機能を含むものとする。例えば図１９に示すように、マウスを操作してＡ 断面を表示している画面上の任意の位置にマウスポインタを合わせ、マウスの左ボタンを押下する。すると、ＣＰＵ６はその座標がユーザによって指定されたものと見なし、Ｃ
断面、Ｓ 断面、展開像、及び回転像の４つの画面を、ユーザに指定された座標に対応する断面に切り替える。さらに、マウスの左ボタンが押下されている間は、これら４つの画面上に十字線を表示する。Ａ
断面については、十字線の代わりに半直線と円を表示する。この半直線と円は指定された位置で接触するものとし、回転像と展開像で表示している断面の位置にそれぞれ対応する。ユーザがＡ断面上にマウスポインタを合わせ、マウスの左ボタンを押下中の状態における５つの画面の表示例を図２０に示す。図２０の５つの画面における十字線の交差部及び半直線と円の接触部はいずれもユーザが指定した同じ座標を表している。Ａ断面を除く４つの画面上のいずれかで座標が指定された場合の例として、展開像の画面上で座標が指定された例を図２１に示す。この場合は、Ａ断面上で指定された場合とほぼ同様の動作をするが、ユーザが指定した断面上には十字線を表示しない。これは、マウスポインタがあるため、十字線を示さなくても指定した位置がわかるためである。ユーザがマウスの左ボタンを離すと、これらの十字線、円、及び半直線は非表示にする。
断面、Ｓ 断面、展開像、及び回転像の４つの画面を、ユーザに指定された座標に対応する断面に切り替える。さらに、マウスの左ボタンが押下されている間は、これら４つの画面上に十字線を表示する。Ａ
断面については、十字線の代わりに半直線と円を表示する。この半直線と円は指定された位置で接触するものとし、回転像と展開像で表示している断面の位置にそれぞれ対応する。ユーザがＡ断面上にマウスポインタを合わせ、マウスの左ボタンを押下中の状態における５つの画面の表示例を図２０に示す。図２０の５つの画面における十字線の交差部及び半直線と円の接触部はいずれもユーザが指定した同じ座標を表している。Ａ断面を除く４つの画面上のいずれかで座標が指定された場合の例として、展開像の画面上で座標が指定された例を図２１に示す。この場合は、Ａ断面上で指定された場合とほぼ同様の動作をするが、ユーザが指定した断面上には十字線を表示しない。これは、マウスポインタがあるため、十字線を示さなくても指定した位置がわかるためである。ユーザがマウスの左ボタンを離すと、これらの十字線、円、及び半直線は非表示にする。
図１８の画面でユーザがマウスの左ボタンをドラッグ (マウスの左ボタンを押下した状態のままでマウスポインタを移動) すると、ＣＰＵ６はマウスポインタの位置が更新されるたびに、移動後の位置をユーザが指定したものとみなし、各画面をその位置に対応する断面に切り替える。ユーザがＡ断面でマウスポインタをドラッグしたときに、展開像の断面が切り替わる様子を図２２に示す。図２２ａ〜２２ｃは、左図がＡ
断面であり右図が展開像の断面である。この例は、マウスを検査対象歯の歯軸の中心付近から隣接歯に向かってドラッグしたものであり、図２２aは検査対象歯の歯軸付近、図２２ｂは隣接歯との接触部、図２２ｃは隣接歯にそれぞれマウスポインタを移動した瞬間に表示されるＡ断面と展開像の断面である。展開像上に表示されている十字線の交差部は指定された座標を示している。展開断面に注目すると、図２２aは検査対象歯を展開した断面が表示されている。図２２ｂは隣接歯との接触部付近を展開した画面が表示され、破線の矢印で示しているように、検査対象歯の全周にわたる歯槽骨頂の凹凸の様子を観察できる。図２２ｃは隣接歯が含まれる断面を展開しており、近心と遠心の２つの隣接歯を確認することができる。図２２はある３つの瞬間におけるＡ断面と展開像の断面だけを示しているが、実際にはＡ断面、Ｃ断面、Ｓ断面、回転像の断面、展開像の断面の５つの画面すべてが、マウスポインタが移動するたびにリアルタイムに更新される。そのため、本実施例によれば、ユーザはマウスポインタを任意の方向に移動させながらこれら５つの画面を観察することにより、歯槽骨頂の凹凸の形状を３次元的に把握することが可能である。
断面であり右図が展開像の断面である。この例は、マウスを検査対象歯の歯軸の中心付近から隣接歯に向かってドラッグしたものであり、図２２aは検査対象歯の歯軸付近、図２２ｂは隣接歯との接触部、図２２ｃは隣接歯にそれぞれマウスポインタを移動した瞬間に表示されるＡ断面と展開像の断面である。展開像上に表示されている十字線の交差部は指定された座標を示している。展開断面に注目すると、図２２aは検査対象歯を展開した断面が表示されている。図２２ｂは隣接歯との接触部付近を展開した画面が表示され、破線の矢印で示しているように、検査対象歯の全周にわたる歯槽骨頂の凹凸の様子を観察できる。図２２ｃは隣接歯が含まれる断面を展開しており、近心と遠心の２つの隣接歯を確認することができる。図２２はある３つの瞬間におけるＡ断面と展開像の断面だけを示しているが、実際にはＡ断面、Ｃ断面、Ｓ断面、回転像の断面、展開像の断面の５つの画面すべてが、マウスポインタが移動するたびにリアルタイムに更新される。そのため、本実施例によれば、ユーザはマウスポインタを任意の方向に移動させながらこれら５つの画面を観察することにより、歯槽骨頂の凹凸の形状を３次元的に把握することが可能である。
主軸に直交した断面で観察される歯の実際の輪郭の形状は真円ではないため、ユーザは展開像から歯槽骨頂の凹凸の形状を読み取るときに複数の断面を観察する必要がある。そこで、歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３は、図１８の画面上で次の機能を含んでいてもよい。まず、回転像から数枚の断面を選択する。これは、検査対象歯の全周に対して偏りがないように選択する。ユーザは選択した各断面に対して、歯槽骨頂の位置を指定する。その例を図２３に示す。図２３ａ〜２３ｆはユーザが選択した断面であり、歯槽骨頂の位置として指定した座標が円の図形で示されている。この例では、回転像を構成する３６０枚の断面の中で、６枚である。残りの３００枚における歯槽骨頂の位置は、隣接する断面でユーザが指定した歯槽骨頂の位置に基づいて線形補間で決定する。これにより、回転像を構成するすべての断面で歯槽骨頂の位置が定まる。次に、各断面の歯槽骨頂の位置が展開像の同じ断面に表示されるように、回転像の各断面を平行移動し、それを展開像の一断面として表示する。その処理を行った結果が図２３ｇである。図２３gは展開像の一断面であり、この断面に示している円の図形は、直上の図２３ａ〜２３ｆの円の図形と対応する。図２３ｇを見れば、ユーザが図２３ａ〜２３ｆで指定した歯槽骨頂を展開して見ることができ、容易に凹凸形状を読み取ることが可能である。
１ … 医用画像処理装置
２ …ＤＩＣＯＭ 規格のファイル
３ … 歯槽骨の凹凸形状の可視化装置
４ … 表示モニタ
５ … 画像入力部
６ … ＣＰＵ
６a … ボリュームデータの加工手段
６b … ナビゲーション手段
７ … 処理プログラム記憶部
８ … 表示処理部
９ … 記憶装置インタフェース
１０ … ハードディスク
１１ … 入力操作部
１２ … データパス
３０ … 歯
３１ … 歯根
３２ … 歯肉（歯茎）
３２a … 歯根膜
３３ … 歯頸部
３４ … 根尖
３５ … 歯槽骨
３５a … 歯槽骨頂部
３６ … 歯槽骨に囲まれた領域
３７ … 歯冠部
４０ … 歯
４５ … ポケット
４６ … 歯肉（歯茎）頂部
４７ … ポケット底
４８ … 出血及び排膿
４９ … マウスポインタ
５０ … 歯垢がたまる
５１ … 歯肉に炎症
５２ … 歯槽骨の破壊
２ …ＤＩＣＯＭ 規格のファイル
３ … 歯槽骨の凹凸形状の可視化装置
４ … 表示モニタ
５ … 画像入力部
６ … ＣＰＵ
６a … ボリュームデータの加工手段
６b … ナビゲーション手段
７ … 処理プログラム記憶部
８ … 表示処理部
９ … 記憶装置インタフェース
１０ … ハードディスク
１１ … 入力操作部
１２ … データパス
３０ … 歯
３１ … 歯根
３２ … 歯肉（歯茎）
３２a … 歯根膜
３３ … 歯頸部
３４ … 根尖
３５ … 歯槽骨
３５a … 歯槽骨頂部
３６ … 歯槽骨に囲まれた領域
３７ … 歯冠部
４０ … 歯
４５ … ポケット
４６ … 歯肉（歯茎）頂部
４７ … ポケット底
４８ … 出血及び排膿
４９ … マウスポインタ
５０ … 歯垢がたまる
５１ … 歯肉に炎症
５２ … 歯槽骨の破壊
次のＳ２工程では、取得されたボリュームデータに対して前処理を行う。ＤＩＣＯＭ規格のファイルから取得したボリュームデータが、最初から立体的にどの方向からも空間分解能が等しい状態であるとは限らないため、どの方向からも空間分解能が等しい状態になるように補間処理を行う。補間処理には、例えば特許文献４に記載されている方法を用いる。このとき、ボリュームデータの画質を改善するために、雑音除去処理、鮮鋭化処理、及び濃淡値の補正処理を行っても良い。Ｓ２工程は公知の技術を用いた工程であり、補間処理や前処理の説明は省略する。
続いて検査対象歯の関連領域を指定する。関連領域は、前述のＴＣの座標を中心に一辺の長さｎ ｍｍ（ｎは正の整数）の立方体の領域と定義し、表示モニタ４上にトラックバーを表示する。ユーザはトラックバーを操作しながらｎの値を調節して、検査対象歯及び検査対象歯と隣接歯の接触部が含まれるように関連領域を指定する。以降の工程では検査対象歯の関連領域内のみに処理を行うことで、ＣＰＵ６にかかる計算コストを削減する。
主軸に直交した断面で観察される歯の実際の輪郭の形状は真円ではないため、ユーザは展開像から歯槽骨頂の凹凸の形状を読み取るときに複数の断面を観察する必要がある。そこで、歯槽骨の凹凸形状の可視化装置３は、図１８の画面上で次の機能を含んでいてもよい。まず、回転像から数枚の断面を選択する。これは、検査対象歯の全周に対して偏りがないように選択する。ユーザは選択した各断面に対して、歯槽骨頂の位置を指定する。その例を図２３に示す。図２３ａ〜２３ｆはユーザが選択した断面であり、歯槽骨頂の位置として指定した座標が円の図形で示されている。この例では、回転像を構成する３６０枚の断面の中で、６枚である。残りの３５４枚における歯槽骨頂の位置は、隣接する断面でユーザが指定した歯槽骨頂の位置に基づいて線形補間で決定する。これにより、回転像を構成するすべての断面で歯槽骨頂の位置が定まる。次に、各断面の歯槽骨頂の位置が展開像の同じ断面に表示されるように、回転像の各断面を平行移動し、それを展開像の一断面として表示する。その処理を行った結果が図２３ｇである。図２３ｇは展開像の一断面であり、この断面に示している円の図形は、直上の図２３ａ〜２３ｆの円の図形と対応する。図２３ｇを見れば、ユーザが図２３ａ〜２３ｆで指定した歯槽骨頂を展開して見ることができ、容易に凹凸形状を読み取ることが可能である。
Claims (8)
- 口腔内の歯、歯肉及び歯槽骨を含む部位を撮影して該部位のボリュームデータを生成するＸ線ＣＴ装置と、
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定する領域設定手段と、
検査対象歯の主軸を規定する規定手段と、
検査対象歯の主軸がＸ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正する補正手段と、
補正した関連領域の多断面再構成像を生成する多断面再構成像生成手段と、
関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成する展開像等生成手段と、
多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すナビゲート手段と、
を含むことを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記領域設定手段は、ユーザが検査対象歯に対して２つの特徴点を入力すると、その入力点を中心とする立方体の領域を設定することを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記規定手段は、ユーザが入力した２つの特徴点を結ぶ線分を主軸の単位ベクトルとして主軸を規定することを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記補正手段は、前述の主軸がＸ線ＣＴ像のＡ 断層像を構成する各断面の法線ベクトルと一致するように前述の関連領域に回転補正処理を実行することを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記多断面再構成像生成手段は、前記回転補正処理を適用後の関連領域について、任意の位置に対応するＡ断面、Ｃ断面並びにＳ断面を表示可能な断層像を生成することを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記展開像等生成手段は、前記回転補正処理を適用した後の関連領域を前記主軸周りに回転させながら断面を作成していき、前記主軸からの距離が揃うように重ねて断層像を生成することを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１記載の装置において、
ナビゲート手段は、Ａ 断面、Ｃ 断面、Ｓ 断面、展開像の断面、回転像の断面の５つの画面の一部又はすべてを表示した状態で、いずれかの画面上でユーザが位置を指定すると、残りの画面はユーザが指定した位置が表示される断面に切り替わり、かつその位置を十字線の交点、あるいは円と半直線の接触部で示すことを特徴とする歯周病検査装置。 - 請求項１の歯周病検査装置において実行される画像処理プログラムであって、
前記ボリュームデータに基づいて、検査対象歯の関連領域を設定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸を規定するモジュールと、
前記検査対象歯の主軸が前記Ｘ線ＣＴ像の断面の法線方向と一致するように関連領域を補正するモジュールと、
前記補正した関連領域の多断面再構成像を生成するモジュールと、
前記関連領域に座標変換を行って展開像と回転像を生成するモジュールと、
前記多断面再構成像、展開像、及び回転像間で空間座標の対応関係を指し示すモジュールを含むことを特徴とする画像処理プログラム。
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