WO2019189743A1 - ３次元モデル生成方法、３次元モデル生成装置、及び３次元モデル生成プログラム - Google Patents

３次元モデル生成方法、３次元モデル生成装置、及び３次元モデル生成プログラム Download PDF

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WO2019189743A1
WO2019189743A1 PCT/JP2019/013957 JP2019013957W WO2019189743A1 WO 2019189743 A1 WO2019189743 A1 WO 2019189743A1 JP 2019013957 W JP2019013957 W JP 2019013957W WO 2019189743 A1 WO2019189743 A1 WO 2019189743A1
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dimensional model
articular cartilage
image data
data set
bone
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PCT/JP2019/013957
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English (en)
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Inventor
翔 神山
友紀 原
康正 西浦
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国立大学法人 筑波大学
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
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    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/04—Positioning of patients; Tiltable beds or the like

Definitions

  • the present invention relates to a technique for generating a three-dimensional model of bone and cartilage that constitute a joint.
  • Each of a plurality of joints constituting a human body is configured by connecting a plurality of bones.
  • a plurality of muscles each having an end joined to one of the bones are arranged.
  • Humans can intentionally fix or arbitrarily change the relative position of the other bone with respect to one bone by contracting these muscles.
  • Humans can perform various exercises by controlling each joint in coordination.
  • the joint constructed by connecting a plurality of bones in this way is more or less loaded depending on the type of exercise.
  • Layered articular cartilage is formed on each end face where the two bones are close to each other so that the joint can move smoothly even under such a load.
  • the articular cartilage formed on the end face of one bone is referred to as a first articular cartilage
  • the articular cartilage formed on the end face of the other bone is referred to as a second articular cartilage.
  • the end surface on which the articular cartilage is formed may be the surface of the end portion of the bone or the inner wall surface of the mortar (glenoid) provided in a part of the bone.
  • the articular cartilage Since the articular cartilage is formed, a human can move the joint smoothly even when the joint is loaded. However, the articular cartilage and the subchondral bone may be damaged depending on the intensity of the load accompanying the exercise, the direction in which the load is applied, and the period during which the exercise is continued. These injuries are called intraarticular osteochondral lesions.
  • Intra-articular osteochondral lesions are not directly life-threatening symptoms, but are a major factor in reducing the quality of life.
  • a treatment policy is created with the utmost preservation of the function of the joint, and as a precondition, the condition of intra-articular osteochondral lesions should be evaluated appropriately. Is required.
  • the treatment policy includes the judgment of the necessity of surgery and the selection of the optimal surgical procedure when surgery is to be performed. These treatment policies are largely dependent on the progress of intra-articular osteochondral lesions. Because it is different.
  • Examples of methods for evaluating intra-articular osteochondral lesions include CT (Computed Tomography) and MRI (Magnetic Resonance Imaging) methods.
  • CT Computer Tomography
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • an apparatus that generates an image data set of a plurality of cross-sectional images representing a cross section of a living body using the CT method is referred to as a CT apparatus, and image data of a plurality of cross-sectional images representing a cross section of the living body using the MRI method.
  • An apparatus that generates a set is referred to as an MRI apparatus.
  • the CT method uses X-rays, it can draw bones more clearly than the MRI method, but it is difficult to clearly draw tissues such as cartilage and muscle.
  • the MRI method uses an electromagnetic wave in a frequency band that can resonate water molecules, so that it can draw tissue such as cartilage and muscle more clearly than the CT method, but it can draw bone clearly. difficult.
  • the CT method and the MRI method are complementary to each other because the tissues that can be clearly drawn are different.
  • Patent Document 1 discloses an image data set of a plurality of cross-sectional images (referred to as CT images) acquired using the CT apparatus, and a plurality of cross-sectional images (MRI) generated using the MRI apparatus, acquired for the same organ. And a technique for generating a three-dimensional model of an organ using an image data set (referred to as an image).
  • CT images a plurality of cross-sectional images
  • MRI cross-sectional images
  • Patent Document 1 when the technique described in Patent Document 1 is to be applied to the evaluation of intra-articular osteochondral lesions, that is, from the CT image and each of the MRI images in which distortion is corrected using the CT image, the joint is extracted.
  • the technique described in Patent Document 1 is to be applied to the evaluation of intra-articular osteochondral lesions, that is, from the CT image and each of the MRI images in which distortion is corrected using the CT image, the joint is extracted.
  • the technique described in Patent Document 1 is to be applied to the evaluation of intra-articular osteochondral lesions, that is, from the CT image and each of the MRI images in which distortion is corrected using the CT image.
  • the first articular cartilage and the second articular cartilage which are layered articular cartilage, are formed on each end face where the two bones constituting the joint are close to each other.
  • the first articular cartilage and the second articular cartilage are in contact with each other or close to each other at a very narrow interval. Therefore, for example, when a three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the first articular cartilage is generated based on the image data sets of a plurality of cross-sectional images generated using the MRI apparatus, the actual three first articular cartilage 3 It is difficult to generate a three-dimensional model that faithfully reflects the dimensional shape.
  • the difficulty is that the MRI value of the first articular cartilage and the MRI value of the second articular cartilage are drawn at the same level, and the first articular cartilage and the second articular cartilage are mutually connected. This is due to contact or close proximity at very close intervals.
  • the three-dimensional model generated in this way faithfully reflects the actual three-dimensional shape of articular cartilage. Therefore, a doctor who creates a treatment policy for an intra-articular osteochondral lesion is forced to create a treatment policy for an intra-articular osteochondral lesion with many uncertain factors. For example, the exact state of the first articular cartilage cannot be grasped until the affected part is observed during the actual operation, and the state of the subchondral bone located under the first articular cartilage is the actual operation. Even inside, it cannot be grasped unless the first articular cartilage is removed. As described above, in the conventional method, it is impossible to accurately grasp the state of the bone and the articular cartilage constituting the joint without invading the body.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to faithfully reproduce the three-dimensional shapes of bones and articular cartilage constituting a joint without invading the body. It is to provide technology that can.
  • a three-dimensional model generation method includes a first bone in which a first articular cartilage is formed on a part of the surface, and a part of the surface.
  • the three-dimensional model generation method is a first image data set composed of a plurality of first image data each representing a plurality of cross-sectional images at the joint, and at least a first bone is projected.
  • a first step of generating a first three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the first bone based on the first image data set, and a plurality of sections each representing a plurality of cross-sectional images at the joint A second image data set composed of the second image data, wherein at least the first articular cartilage and the second articular cartilage are projected apart from each other.
  • a third step of generating a third three-dimensional model that combines the three-dimensional shape of the bone the.
  • a three-dimensional model generation device includes a first bone in which a first articular cartilage is formed on a part of a surface thereof, and a part of the surface thereof. It is a three-dimensional model generation device that generates a three-dimensional model representing a three-dimensional shape of a joint including a second bone on which a second articular cartilage is formed.
  • the three-dimensional model generation device is a first image data set composed of a plurality of first image data each representing a plurality of cross-sectional images at the joint, and at least a first bone is projected.
  • a first generation unit that generates a first three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the first bone based on the first image data set, and each of the plurality of cross-sectional images at the joint.
  • a second image data set composed of a plurality of second image data to be represented, wherein at least the first articular cartilage and the second articular cartilage are shown separated from each other.
  • the second generation unit for generating a second three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the first articular cartilage, and based on the first three-dimensional model and the second three-dimensional model, 3D shape of bone and
  • a third generating unit for generating a third three-dimensional model that combines three-dimensional shape of the articular cartilage, and a.
  • a three-dimensional model program is a three-dimensional model generation program for causing a computer to function as the above-described three-dimensional model generation device, and includes a first generation unit, a second generation unit, and a third generation unit. As a computer to function.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram explaining an example of the MRI apparatus for acquiring the characteristic image data set of this invention.
  • A represents an MRI image acquired while pulling the elbow
  • (b) represents an MRI image acquired without pulling the elbow.
  • (A) is a figure which shows the result of having compared the extraction accuracy of the area
  • (B) is a figure which shows the comparison result of the extraction precision about a pulley part (arm-ulnar joint outer side).
  • C is a figure which shows the comparison result of the extraction precision about an ulnar joint (especially inner side).
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the functional structure of the three-dimensional model production
  • (A)-(c) is an example of a part of CT image data set in the specific example of this embodiment.
  • (D) is a figure which shows an example of CT three-dimensional model of the humerus in the specific example of this embodiment.
  • (A)-(c) is a figure which shows an example of a part of MRI image data set in the specific example of this embodiment.
  • (D) is a figure which shows an example of the MRI three-dimensional model of the humerus in the specific example of this embodiment.
  • (b) is a figure which shows an example of the articular cartilage extracted from the MRI image in the specific example of this embodiment.
  • (A)-(d) is a figure which shows an example of the three-dimensional model of the articular cartilage in the specific example of this embodiment.
  • (A)-(c) is a figure which shows an example of the synthetic
  • (A) And (b) is a figure which shows an example of the synthetic
  • (A) is a three-view figure which shows an example of the processed synthetic
  • (B) is a trihedral view of the small piece of costal cartilage shown in (a).
  • (A) And (b) is a figure which shows an example of the synthetic
  • a feature of the present invention resides in the use of an image data set including a cross-sectional image in which the target articular cartilage and other articular cartilage are separated. Another object is to extract an area representing the target articular cartilage from such a cross-sectional image.
  • the inventors of the present application by pulling a part including a target joint in a living body in a direction in which the articular cartilage is separated from each other, by imaging a cross section of the part using a cross-sectional image generation device, It has been found that an image data set including a cross-sectional image in which articular cartilage is projected apart is obtained.
  • the cross-sectional image generation apparatus may be an apparatus capable of clearly drawing at least articular cartilage among tissues constituting a joint.
  • an MRI (Magnetic-Resonance-Imaging) apparatus is used as an example of such a cross-sectional image generating apparatus.
  • the MRI apparatus generates an image data set of a plurality of cross-sectional images representing a cross section of a living body using the MRI method.
  • an elbow is used as an example of a joint.
  • the bones that make up the elbow are the humerus b1, the radius b2, and the ulna.
  • each of the humerus b1 and the rib b2 is an aspect of the first bone and the second bone described in the claims.
  • An articular cartilage n1 which is an embodiment of the first articular cartilage, is formed on the surface of the humeral head, which is one end of the humerus b1.
  • An articular cartilage n2 which is one mode of the second articular cartilage is formed on the surface of the radial head which is one end of the radius b2. Note that the ulna is not shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an MRI apparatus 900 used in the present method.
  • the MRI apparatus 900 includes an imaging unit 901, a mounting table 902, and a pulling mechanism 903.
  • the imaging unit 901 is configured in a ring shape.
  • the imaging unit 901 generates a static magnetic field and a gradient magnetic field in the internal imaging space, applies a high frequency pulse to the subject h placed in the imaging space, detects a magnetic resonance signal generated by the subject h, and detects a computer To generate a cross-sectional image of the subject h.
  • the mounting table 902 is a table on which the subject h can be mounted. Further, the mounting table 902 is configured to be movable so as to enter and advance into the imaging space inside the imaging unit 901.
  • the traction mechanism 903 includes a string 903a, a pulley 903b, and a weight 903c.
  • the MRI apparatus 900 having such a configuration captures a cross-sectional image of the elbow while pulling the elbow of the subject h mounted on the mounting table 902.
  • one end of the string 903a is tied to the wrist joint of the subject h.
  • the string 903a extends on the mounting table 902 in the direction d1 in which the foot of the subject h faces, and hangs down from the foot-side end of the mounting table 902 toward the floor.
  • a weight 903b is tied to the other end of the string 903a.
  • a sandbag was used as the weight 903b, and the weight was about 7 kg. Thereby, the elbow is pulled toward the direction d1.
  • the mounting table 902 operates so as to enter the inside of the imaging unit 901, and the imaging unit 901 operates.
  • an MRI image of the elbow is acquired in a state where the elbow is pulled.
  • the MRI apparatus 900 generates a plurality of MRI images in which the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 are shown separated from each other.
  • Each of the plurality of MRI images generated by the MRI apparatus 900 is one aspect of the plurality of second image data described in the claims, and constitutes the second image data set described in the claims. To do.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating an MRI image 910 that is an example of an MRI image acquired by the MRI apparatus 900 illustrated in FIG.
  • the MRI image 910 represents the sagittal section of the elbow and includes regions representing the humerus b1 and the rib b2. Further, the MRI image 910 includes regions representing the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2.
  • the articular cartilage n1 is cartilage that covers the humeral head, which is the joint-side end of the humerus b1.
  • the articular cartilage n2 is cartilage that covers the glenoid fossa at the joint side end of the radius b2.
  • the MRI image 910 Since the MRI image 910 is imaged in a state where the elbow is pulled in the direction d1, there is a gap region a1 into which the joint fluid flows between the regions representing the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2.
  • the MRI values of the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 are similar, the MRI values of the joint fluid are clearly different from the MRI values of the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2. Therefore, in the MRI image 910, the boundary between the region representing the articular cartilage n1 and the region representing the articular cartilage n2 is clear.
  • FIG. 2B shows, for comparison, an MRI image 920 generated by the MRI apparatus 900 as a result of taking an image of an elbow in a state where the traction mechanism 903 is not used (that is, not being pulled) using the MRI apparatus 900.
  • the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 are in contact with each other in a region a2.
  • the boundary between the region representing the articular cartilage n1 and the region representing the articular cartilage n2 is unclear.
  • the MRI image 910 in which the articular cartilage n1 of interest and the adjacent articular cartilage n2 are separated from each other can be obtained by the MRI apparatus 900 having the traction mechanism 903.
  • FIG. 3 shows an MRI image 910 obtained in a state where the elbow is pulled and a MRI image 920 obtained in a state where the elbow is not pulled for a plurality of subjects. It is a figure explaining the result of having compared the extraction precision of the area
  • FIG. 3A shows the comparison result of the extraction accuracy of the region representing the articular cartilage of interest for the brachial joint among the joints constituting the elbow joint.
  • FIG. 3B shows a comparison result of the extraction accuracy of the region representing the articular cartilage of interest with respect to the pulley portion (outside the ulnar joint) among the joints constituting the elbow joint.
  • FIG. 3A shows the comparison result of the extraction accuracy of the region representing the articular cartilage of interest for the brachial joint among the joints constituting the elbow joint.
  • FIG. 3B shows a comparison result of the extraction accuracy of the region representing the articular cartilage of interest with respect to the pulley portion (outside the ulnar joint)
  • FIGS. 3A to 3C shows the comparison result of the extraction accuracy of the region representing the articular cartilage of interest for the ulnar joint (particularly the inner side) among the joints constituting the elbow joint.
  • “Complete” represents the number of subjects from which the contours and boundaries of articular cartilage have been completely extracted.
  • “Poor” represents the number of subjects in which 50% or more of the entire contour of the articular cartilage could not be extracted clearly.
  • “Intermediate” represents the number of subjects that are not classified as either “Complete” or “Poor”. That is, “Intermediate” is the number of subjects in which a part of the outline of articular cartilage (50% or less of the whole) could not be clearly depicted.
  • the comparison was performed by two paired tests (paired t test), and those having a p value of a significance level or less were judged as "the articular cartilage extraction accuracy was significantly improved by traction".
  • the image data set including the cross-sectional image shown in a state where the target articular cartilage and the other articular cartilage are separated from each other is not limited to that captured by the above-described method. As long as the target articular cartilage and other articular cartilage are imaged in a separated state, they may be captured by other methods. Further, the target joint is not limited to the brachial joint, and may be another joint such as a knee joint or a hip joint.
  • Embodiment A three-dimensional model generation apparatus 10 according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a functional block configuration of the three-dimensional model generation apparatus 10.
  • the three-dimensional model generation device 10 includes a first generation unit 11, a second generation unit 12, a third generation unit 13, and a display processing unit 14.
  • the three-dimensional model generation device 10 is connected to the input device 20 and the display device 30.
  • the input device 20 is a device that receives an input operation on the three-dimensional model generation device 10.
  • an input operation performed via the input device 20 is also simply referred to as an input operation.
  • the display device 30 is a device that displays information output from the three-dimensional model generation device 10.
  • displaying information on the display device 30 is simply referred to as displaying. Details of the input device 20 and the display device 30 will be described later.
  • the first generation unit 11 is a first image data set composed of a plurality of first image data respectively representing a plurality of cross-sectional images at the elbow, and at least the humerus b1 is shown. Based on one image data set, a first three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the humerus b1 is generated.
  • the first image data set at least the humerus b1 is shown.
  • the first image data set includes the humerus b1 and the rib b2.
  • image data representing a CT image obtained by a CT (Computed Tomography) apparatus is used as the first image data.
  • the first image data set is also referred to as a CT image data set.
  • the three-dimensional model of the humerus b1 generated from the CT image data set is also referred to as “CT three-dimensional model of the humerus b1”.
  • a known technique can be applied to a technique for generating a three-dimensional model of a tissue of interest from a CT image data set.
  • the second generation unit 12 is a second image data set composed of a plurality of second image data each representing a plurality of cross-sectional images at the elbow, and at least the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 are included.
  • a second three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the articular cartilage n1 is generated on the basis of the second image data set projected away from each other.
  • the three-dimensional model of the articular cartilage n1 generated from the MRI image data set is also referred to as “the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1”.
  • articular cartilage n1 and articular cartilage n2 are shown in the second image data set.
  • at least one of humerus b1 and rib b2 is shown.
  • an MRI image obtained by an MRI apparatus is used as the second image data.
  • the second image data set is also referred to as an MRI image data set.
  • the MRI image data set of this embodiment is obtained by the MRI apparatus 900 shown in FIG.
  • the second generation unit 12 extracts an area representing the articular cartilage n1 based on the difference between the MRI values of each of the plurality of MRI images, and based on the area representing the articular cartilage n1, the second 3 Generate a dimensional model.
  • the MRI value corresponds to the pixel value of each pixel included in the MRI image. In an MRI image, a pixel with a higher MRI value is displayed brighter, and a pixel with a lower MRI value is displayed darker.
  • the MRI value depends on the material constituting the tissue constituting the joint, and the region constituted by the same material is likely to have the same MRI value. Therefore, as shown in FIG.
  • the MRI value of the humerus b1 and the MRI value of the rib b2 are comparable, and the MRI value of the articular cartilage n1 and the MRI value of the articular cartilage n2 are It is about the same.
  • the second generation unit 12 can extract the articular cartilage n1 based on the MRI image data set. That is, the second generation unit 12 can generate a three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the articular cartilage n1 based on the second data set.
  • the upper limit value and the lower limit value of the MRI value to be extracted as the region representing the articular cartilage n1 may be determined in advance, may be determined based on an input operation from the user, or the second generation unit 12 May be determined as a result of analyzing each MRI image.
  • the information input by the user to determine the upper limit value and the lower limit value of the MRI value does not necessarily have to be a numerical value representing the MRI value itself.
  • the second generation unit 12 may extract a region formed by a collection of pixels having the same degree as the MRI value included in the designated region as a region representing the articular cartilage n1.
  • the MRI image data set includes a region representing the humerus b1 and the rib b2 in addition to a region representing the articular cartilage n1 and n2.
  • the MRI image data set includes regions representing the humerus b1 and the ribs b2.
  • the second generation unit 12 generates a fourth three-dimensional model that is a three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the humerus b1 based on the MRI image data set.
  • the fourth three-dimensional model generated from the MRI image data set is also referred to as “MRI three-dimensional model of humerus b1”.
  • the MRI image often has an unclear region representing bone compared to the CT image. Therefore, the MRI three-dimensional model of the humerus b1 may have a lower three-dimensional shape reproduction accuracy than the CT three-dimensional model of the humerus b1.
  • the third generation unit 13 combines a three-dimensional shape of the humerus b1 and a three-dimensional shape of the articular cartilage n1 based on the CT three-dimensional model of the humerus b1 and the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1.
  • a three-dimensional model is generated.
  • the third three-dimensional model is also referred to as “synthetic three-dimensional model”.
  • the third generation unit 13 compares the three-dimensional shape represented by the CT three-dimensional model of the humerus b1 with the three-dimensional shape represented by the MRI three-dimensional model of the humerus b1, and generates a combined three-dimensional model based on the comparison result. It is preferable that it is comprised. For example, the third generation unit 13 extracts (1) a feature point of the three-dimensional shape represented by the CT three-dimensional model of the humerus b1 and a feature point of the three-dimensional shape represented by the MRI three-dimensional model of the humerus b1.
  • a composite three-dimensional model is generated by overlapping the region.
  • the MRI three-dimensional model of the humerus b1 and the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1 are generated based on the same MRI image data set. Therefore, the three-dimensional coordinates applied to these three-dimensional models can be regarded as the same. Therefore, in this case, the third generation unit 13 converts the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1 into the three-dimensional coordinates applied to the CT three-dimensional model of the humerus b1 based on the calculated correspondence relationship of the three-dimensional coordinates. It is possible to correct together.
  • the third generation unit 13 may generate a composite three-dimensional model by superimposing and reconstructing the CT three-dimensional model of the humerus b1 and the corrected MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1.
  • the display processing unit 14 displays the three-dimensional shape represented by the synthetic three-dimensional model so that the viewpoint can be changed.
  • displaying the three-dimensional shape represented by the combined three-dimensional model is also referred to as simply displaying the combined three-dimensional model.
  • the display processing unit 14 updates the display by changing the viewpoint of the displayed composite three-dimensional model based on the input operation.
  • the display processing unit 14 performs processing based on the input operation of the user on the displayed composite three-dimensional model.
  • the display processing unit 14 may have a function of increasing the transparency of the articular cartilage included in the specified region in the displayed composite three-dimensional model.
  • the display processing unit 14 may have a function of processing at least one of articular cartilage and subchondral bone in a specified region in the displayed composite three-dimensional model.
  • the processing function of the display processing unit 14 includes (1) articular cartilage removal or transparency, (2) articular cartilage addition, (3) subchondral bone removal, and (4) bone fragments for transplantation.
  • the display processing unit 14 only needs to have at least one of the functions (1) to (5) described above, and has all the functions (1) to (5). Is preferred.
  • the three-dimensional shape of the subchondral bone located in the area where the articular cartilage has been deleted is displayed in a visible manner.
  • the three-dimensional shape of the region where the graft is added after the subchondral bone is deleted is displayed so as to be visible.
  • the display processing unit 14 may detect a designated area in the displayed composite three-dimensional model based on the input operation. Further, the display processing unit 14 may perform a processing process on the designated area based on the input operation. Examples of the processing for the designated area include, but are not limited to, increasing transparency and processing as described above.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining the three-dimensional model generation method S1 executed by the three-dimensional model generation apparatus 10 configured as described above.
  • the three-dimensional model generation method S1 includes steps S101 to S104 described below.
  • step S101 the first generation unit 11 generates a CT three-dimensional model of the humerus b1 based on the CT image data set described above. Details of this step will be described later.
  • step S102 the second generation unit 12 generates an MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1 and an MRI three-dimensional model of the humerus b1 based on the above-described MRI image data set. Details of this step will be described later. Note that the execution order of the processes in steps S101 and S102 may be reversed or may be executed in parallel.
  • step S103 the third generation unit 13 generates a synthetic three-dimensional model based on the CT three-dimensional model of the humerus b1 and the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1.
  • the MRI three-dimensional model of the humerus b1 generated in step S102 is used. Details of this step will be described later.
  • step S104 the display processing unit 14 displays the combined three-dimensional model. Further, the display processing unit 14 performs processing for changing the viewpoint or processing for processing based on the input operation.
  • FIG. 6 is a flowchart showing details of step S101.
  • the first generation unit 11 acquires a CT image data set.
  • generation part 11 may be connected with CT apparatus (not shown), and may acquire CT image data set from the said CT apparatus.
  • the first generation unit 11 is connected to an image server (not shown) in which CT image data sets are stored so as to be communicable via a communication interface and a network, and acquires the CT image data sets from the image server. May be.
  • generation part 11 may acquire by reading the CT image data set memorize
  • step S202 the first generation unit 11 generates a CT three-dimensional model of the humerus b1 based on the CT image data set.
  • a known technique can be applied to the process in this step.
  • FIG. 7 is a flowchart showing details of step S102.
  • the second generation unit 12 acquires an MRI image data set.
  • the acquired MRI image data set includes an MRI image in which the target articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 adjacent to the articular cartilage n1 are shown separately.
  • the second generation unit 12 may be connected to the MRI apparatus 900 illustrated in FIG. 1 and acquire an MRI image data set from the MRI apparatus 900.
  • the second generation unit 12 is connected to an image server (not shown) in which the MRI image data set acquired by the MRI apparatus 900 is stored so as to be communicable via a communication interface and a network.
  • An MRI image data set may be acquired.
  • the second generation unit 12 may acquire the MRI image data set by reading the MRI image data set from the portable medium storing the MRI image data set acquired by the MRI apparatus 900 via the input / output interface.
  • step S302 the second generation unit 12 generates an MRI three-dimensional model of the humerus b1 based on the MRI image data set.
  • the second generation unit 12 represents the MRI value of the region representing the articular cartilage n1 and the joint fluid interposed between the articular cartilage n1 and the articular cartilage n2 from the MRI image included in the MRI image data set.
  • a region representing articular cartilage n1 is extracted based on the difference from the MRI value of the region.
  • step S304 the second generation unit 12 generates a three-dimensional model of the articular cartilage n1 based on the extracted region representing the articular cartilage n1.
  • FIG. 8 is a flowchart showing details of step S103.
  • step S401 the third generation unit 13 collates the CT three-dimensional model of the humerus b1 generated in step S202 with the MRI three-dimensional model of the humerus b1 generated in step S302.
  • the third generation unit 13 collates the feature points of the three-dimensional shape represented by these three-dimensional models to correspond to the three-dimensional coordinates respectively applied to these three-dimensional models. The relationship may be calculated.
  • step S402 based on the collation result in step S401, the third generation unit 13 uses the CT three-dimensional model of the humerus b1 generated in step S202 and the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1 generated in step S304. Combine and generate a combined 3D model. As described above, for example, the third generation unit 13 corrects the MRI three-dimensional model of the articular cartilage n1 in accordance with the three-dimensional coordinates applied to the CT three-dimensional model of the humerus b1, and corrects the corrected articular cartilage n1. It may be configured to generate a combined three-dimensional model by combining the MRI three-dimensional model and the CT three-dimensional model of the humerus b1.
  • a combined three-dimensional model of the articular cartilage n1 that covers the humerus b1 and the humeral head is generated using the three-dimensional model generation apparatus 10 according to the present embodiment.
  • Such a synthetic three-dimensional model is useful for evaluating humeral osteolytic chondritis, a so-called outer baseball elbow, which is one of intra-articular osteochondral lesions.
  • the humerus b1 is an example of the first bone in this example
  • the articular cartilage n1 that covers the humeral head is an example of the first articular cartilage in this example. It is.
  • FIGS. 9A to 9C show a part of the CT image data set acquired in step S201.
  • FIG. 9A is an CT image showing an axial cross section of the elbow
  • FIG. 9B is a coronal cross section of the elbow
  • FIG. 9C is a sagittal cross section of the elbow.
  • Step S202 is executed using a CT image data set including these CT images.
  • FIG. 9D shows a CT three-dimensional model of the distal portion of the humerus generated in step S202.
  • FIG. 10A to 10 (c) show a part of the MRI image data set acquired in step S301.
  • FIG. 10A is an MRI image showing an axial cross section of the elbow
  • FIG. 10B is a coronal cross section of the elbow
  • FIG. 10C is a sagittal cross section of the elbow.
  • These MRI images show the humerus b1 and the rib b2, respectively, although it is not clear compared with the CT image.
  • Step S302 is executed using the MRI image data set including these MRI images.
  • FIG. 10D shows an MRI three-dimensional model of the distal portion of the humerus generated in step S302.
  • the CT three-dimensional model of the distal humerus shown in FIG. 9D and the MRI three-dimensional model of the distal humerus shown in FIG. 10D are collated in step S401. Thereby, the correspondence between the three-dimensional coordinates applied to the CT three-dimensional model and the three-dimensional coordinates applied to the MRI three-dimensional model is calculated.
  • FIG. 11A and 11 (b) show a region representing articular cartilage covering the humeral head extracted from the MRI image in step S303.
  • FIG. 11A shows that a region representing the articular cartilage n1 covering the humeral head is extracted from the MRI image representing the coronal section of the elbow. By including the gap region a3 in the MRI image, the region representing the articular cartilage n1 can be extracted based on the MRI value.
  • FIG. 11B shows that an area representing the corresponding articular cartilage n1 is extracted from the MRI image representing the sagittal section of the elbow. By including the gap region a4 in the MRI image, the region representing the articular cartilage n1 can be extracted based on the MRI value.
  • FIG. 12A is an example in which the three-dimensional model of the articular cartilage is displayed from a front viewpoint
  • FIG. 12B is an example in which the articular cartilage is displayed from a side viewpoint
  • FIG. 12C is an example displayed from a viewpoint from the distal humerus
  • FIG. 12D is an example displayed from a viewpoint from the back surface.
  • FIG. 13A shows the combined three-dimensional model generated in step S402. That is, the synthetic three-dimensional model includes the CT three-dimensional model of the distal portion of the humerus shown in FIG. 9D and the three-dimensional model of the corresponding articular cartilage shown in FIGS. 12A to 12D. It is synthesized based on the collation result in step S401.
  • the combined three-dimensional model is displayed on the display device 30 from the front viewpoint.
  • FIGS. 13B and 13C show examples in which the combined three-dimensional model is displayed with the viewpoint changed in step S104. Specifically, FIG. 13B is a display example changed to the viewpoint from the side, and FIG. 13C is a display example changed to the viewpoint from the distal humerus.
  • combination 3D model which changed the viewpoint provides the evaluator with the information from the viewpoint which cannot be confirmed even during the operation. Therefore, such a display supports comprehensive evaluation of articular cartilage and humerus.
  • FIGS. 14A and 14B are display examples when processing is performed on the combined three-dimensional model in step S104.
  • FIG. 14 (a) shows that the articular cartilage covering the humeral head is raised (transparent) in the area a5 and free subchondral bone (ie, intraarticular osteochondral lesion) is removed.
  • This is a display example in which the composite three-dimensional model is processed so that the region where the subchondral bone is released can be easily distinguished from other undamaged regions by marking the including region a7.
  • marking is performed by changing the contrast of the free subchondral bone.
  • FIG. 14B is a display example in which the region a6 is deleted from the articular cartilage covering the humeral head and the free subchondral bone included in the region a7 is deleted.
  • the evaluator can grasp in detail the image after excising part of the articular cartilage and the free subchondral bone.
  • the processing of the synthetic three-dimensional model provides the evaluator with a function as a surgical simulation. As a result, such a display supports comprehensive evaluation of articular cartilage and humerus.
  • FIGS. 14A and 14B a display example in which the transparency of a part of the articular cartilage covering the humeral head is increased, and one of the articular cartilage covering the humeral head, respectively.
  • a display example in which the partial area is deleted and the free subchondral bone is deleted is shown.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 increases the transparency of the entire area of the articular cartilage covering the humeral head (see FIG. 17A) or deletes the entire area. You may be comprised so that it may apply to.
  • FIG. 16 (a) shows a state after the subchondral bone that has been released is removed as in the display example shown in FIG. 14 (b) and the costal cartilage pieces a8 and a9 are transplanted into the humeral head. It is an example of a display which processed a synthetic 3D model like this. The transplantation of the costal cartilage pieces a8 and a9 into the humeral head is intended to reconstruct the joint surface.
  • the costal cartilage pieces a8 and a9 are an example of a graft that is a bone fragment for transplantation.
  • FIG. 16 (a) is a three-sided view of the costal cartilage piece a8.
  • the costal cartilage piece a9 has the same shape as the costal cartilage piece a8.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 may be configured to perform processing for adding a graft on the synthetic three-dimensional model in step S104.
  • FIG. 17 shows a synthetic three-dimensional model in a case different from the cases shown in FIGS.
  • FIG. 17 (a) shows a case in which the transparency of the entire articular cartilage area a11 covering the humeral head is increased (transparency), and the area a12 including the free subchondral bone is marked to mark the subchondral bone.
  • This is a display example in which a synthesized three-dimensional model is processed so that a free area can be easily distinguished from other undamaged areas.
  • FIG. 17B shows a region where the subchondral bone is released by marking a region a12 including the released subchondral bone by deleting a partial region a13 of the articular cartilage covering the humeral head.
  • the display example as shown in FIG. 17A supports the evaluator to grasp in detail the positional relationship between the articular cartilage and the released subchondral bone.
  • the display example as shown in FIG. 17B supports the evaluator to grasp in detail the image after the partial region a13 of the articular cartilage is deleted.
  • the three-dimensional model generation apparatus presents a three-dimensional shape in which the target articular cartilage is combined with the deep subchondral bone and bone.
  • the evaluator information that could conventionally be evaluated only by intraoperative findings and information that could not be confirmed even during surgery can be confirmed without invading the living body.
  • this embodiment can support comprehensive evaluation of articular cartilage and its deep subchondral bone and bone.
  • the target joint is the elbow joint
  • the first bone is the humerus
  • the first articular cartilage is the articular cartilage that covers the humeral head.
  • the three-dimensional model generation device of the present embodiment is useful for comprehensive evaluation of humeral osteolytic chondritis.
  • the application example of the three-dimensional model generation apparatus 10 is not limited to this.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 can be applied to other joints such as a knee joint and a hip joint.
  • the knee joint may be the target, the distal end of the femur may be applied as the first bone, and the articular cartilage covering the femoral inner condyle and the outer condyle may be applied as the first articular cartilage.
  • the three-dimensional model generation apparatus according to the present embodiment is useful for comprehensive evaluation of knee joint detachment chondritis and osteoarthritis of the knee.
  • the femoral head may be applied to the hip joint, the femoral head may be applied as the first bone, and the femoral head articular cartilage may be applied as the first articular cartilage.
  • the three-dimensional model generation apparatus of the present embodiment is useful for comprehensive evaluation of hip osteoarthritis and femoral head necrosis.
  • the ankle joint may be the target, the talus may be applied as the first bone, and the talus joint cartilage may be applied as the first articular cartilage.
  • the three-dimensional model generation apparatus of the present embodiment is useful for comprehensive evaluation of ankle osteotomy osteochondritis and osteoarthritis.
  • a femoral joint condyle may be applied as the first bone, and a joint cartilage covering the femoral condyle may be applied as the first articular cartilage.
  • the three-dimensional model generation apparatus of the present embodiment is useful for comprehensive evaluation of femoral endocondylar osteonecrosis.
  • this embodiment is useful for comprehensive evaluation of various joint diseases that require evaluation of cartilage by appropriately applying appropriate tissue to the first bone and the first joint.
  • the first image data set may be an image data set obtained by another method as long as it is an image data set in which a region representing a bone is shown.
  • the second image data set is not limited to this, and can be obtained by other methods as long as the region representing the articular cartilage of interest and the region representing the adjacent articular cartilage are separated from each other. It may be an image data set.
  • the second image data set is not limited to this, and may be a cross-sectional image data set acquired while being pulled by another traction mechanism as long as it is a mechanism that pulls the target joint.
  • FIG. 15 is a block diagram illustrating a configuration example of the computer apparatus 100 that implements the three-dimensional model generation apparatus 10.
  • the computer apparatus 100 includes a processor 101, a memory 102, an input / output interface 103, and a communication interface 104, as shown in FIG. These elements are connected to each other by a bus.
  • the input device 20 and the display device 30 are connected to the input / output interface 103.
  • the input device 20 and the display device 30 may be built in the computer device 100. Further, the input device 20 and the display device 30 may be realized as a single device (for example, a touch panel).
  • the processor 101 executes the instructions included in the program stored in the memory 102 to control the input / output interface 103 and the communication interface 104, thereby controlling the first generation unit 11 and the second generation of the three-dimensional model generation apparatus 10. Functions as the unit 12, the third generation unit 13, and the display processing unit 14.
  • the processor 101 can be constituted by, for example, a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), a DSP (Digital Signal Processor), or the like.
  • the processor 101 may be an arithmetic device that reads and executes a program stored in the memory 102, and is not limited thereto.
  • the memory 102 stores a program for causing the computer apparatus 100 to operate as the three-dimensional model generation apparatus 10 and various data.
  • the memory 102 can be configured by, for example, a main storage device, an auxiliary storage device, or any combination thereof.
  • the main storage device include, but are not limited to, a volatile memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory).
  • the auxiliary storage device include, but are not limited to, a nonvolatile memory such as an HDD (hard disk drive) and an SSD (solid disk drive).
  • a program for causing the computer apparatus 100 to operate as the three-dimensional model generation apparatus 10 is not necessarily stored in the memory 102 inside the computer apparatus 100.
  • a program for causing the computer apparatus 100 to operate as the three-dimensional model generation apparatus 10 may be recorded on, for example, an external recording medium.
  • the external recording medium include, but are not limited to, a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, and a programmable logic circuit.
  • the program recorded on the external recording medium is read and executed by the processor 101.
  • the present invention can also be realized as a program recorded on an external recording medium or the external recording medium.
  • a program for causing the computer apparatus 100 to operate as the three-dimensional model generation apparatus 10 may be supplied to the computer apparatus 100 via a communication network.
  • the communication network is not particularly limited as long as the network can transmit the program.
  • the present invention can also be realized in the form of a data signal embedded in a carrier wave in which the program is embodied by electronic transmission.
  • the input device 20 and the display device 30 are connected to the input / output interface 103.
  • the input device 20 and the display device 30 may be built in the computer device 100 or may be realized as a single device (for example, a touch panel).
  • the input device 20 includes devices such as a keyboard, a mouse, and a touch pad.
  • information indicating parameters for extracting a region representing the first articular cartilage, information for instructing processing of the combined three-dimensional model, and the like are input using the input device 20.
  • the input device 20 is not limited to the specific example described above as long as it is a device that inputs information to the computer device 100.
  • the display device 30 include devices such as a liquid crystal display, a plasma display, an organic EL display, and a cathode ray tube.
  • the generated combined 3D model, the combined 3D model whose viewpoint is changed, and the processed combined 3D model are displayed on the display device 30 as images.
  • the display device 30 may be a device (speaker) that outputs sound, a device (printer) that prints images, or the like.
  • the display device 30 is not limited to the specific example described above.
  • the communication interface 104 is used for communication with an image server including a CT image data set and an MRI image data set, for example.
  • the communication interface 104 may be, for example, a wireless LAN (Local Area Network) interface, a wired LAN interface, an Internet interface, a mobile data communication interface, or any combination of these communication interfaces.
  • the aspect of the computer device 100 including the hardware elements described above may be a personal computer such as a desktop type, a notebook type, or a tablet type, a general-purpose computer, or a portable information terminal. However, it is not limited to these. Further, the computer apparatus 100 may be realized as an embedded system incorporated in another device.
  • each functional block of the three-dimensional model generation apparatus 10 is not limited to being realized by the processor 101 executing the program stored in the memory 102, and a part or all of the functional blocks are dedicated. It may be realized by a hardware element (for example, an electronic circuit).
  • the three-dimensional model generation device 10 in the present embodiment may be realized as a server accessible from the first device and the second device via the communication interface 104.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 acquires a CT image data set and an MRI image data set from the first apparatus via the communication interface 104.
  • the three-dimensional model generation device 10 outputs a third image data set representing the combined three-dimensional model to the second device.
  • first device and the second device include, for example, a computer device connected to a network.
  • the first device and the second device may be different devices or the same device.
  • the three-dimensional model generation device 10 generates a second image different from the first device from a third image data set created based on the CT image data set and the MRI image data set acquired from the first device. You may output with respect to an apparatus, and you may output with respect to the 1st apparatus which functions as a 2nd apparatus.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 only needs to be configured to acquire at least one of the CT image data set and the MRI image data set from the first apparatus.
  • the CT image data set and the MRI image data Preferably, both sets are configured to be obtained from the first device.
  • the three-dimensional model generation method S1 includes a first bone (humeral bone b1) in which a first articular cartilage n1 is formed on a part of the surface, and a part of the surface.
  • This is a three-dimensional model generation method in which a computer generates a three-dimensional model representing a three-dimensional shape of a joint (elbow in the embodiment) including a second bone (rib b2) in which a second articular cartilage n2 is formed.
  • the three-dimensional model generation method S1 is a first image data set (CT image data set) composed of a plurality of first image data (CT images) each representing a plurality of cross-sectional images at the joint.
  • the first bone representing the three-dimensional shape of the first bone (humeral bone b1) based on at least the first image data set (CT image data set) showing the first bone (humeral bone b1).
  • MRI three-dimensional model representing the three-dimensional shape of the first articular cartilage n1 based on the (MRI image data set)
  • a third three-dimensional model synthetic three-dimensional model that combines the three-dimensional shape of the first bone (humeral bone b1) and the three-dimensional shape of the first articular cartilage n1.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 includes a first bone (humeral bone b1) in which a first articular cartilage n1 is formed on a part of the surface, and a part of the surface.
  • This is a three-dimensional model generation device that generates a three-dimensional model representing a three-dimensional shape of a joint (elbow in the embodiment) including the second bone (rib b2) on which the second articular cartilage n2 is formed.
  • the three-dimensional model generation apparatus 10 is a first image data set (CT image data set) composed of a plurality of first image data (CT images) each representing a plurality of cross-sectional images at the joint.
  • the first bone representing the three-dimensional shape of the first bone (humeral bone b1) based on at least the first image data set (CT image data set) showing the first bone (humeral bone b1).
  • a first generation unit 11 that generates a three-dimensional model (CT three-dimensional model) and a plurality of second image data (MRI images) each representing a plurality of cross-sectional images of the joint.
  • the second image data set (MRI image data set) in which at least the first articular cartilage n1 and the second articular cartilage n2 are shown separated from each other.
  • a second generation unit 12 that generates a second three-dimensional model (MRI three-dimensional model) representing a three-dimensional shape of the first articular cartilage n1 based on the I image data set), and a first three-dimensional model (CT3) A third three-dimensional combination of the three-dimensional shape of the first bone (humeral bone b1) and the three-dimensional shape of the first articular cartilage n1 based on the two-dimensional model) and the second three-dimensional model (MRI three-dimensional model).
  • a third generation unit 13 that generates a three-dimensional model (combined three-dimensional model).
  • a three-dimensional model program is a three-dimensional model generation program for causing a computer to function as the three-dimensional model generation apparatus 10, and includes a first generation unit 11, a second generation unit 12, and a third generation The computer functions as the unit 13.
  • the boundary between the region representing the first articular cartilage n1 and the region representing the second articular cartilage n2 can be accurately detected from the second image data set (MRI image data set). Can do. Accordingly, these configurations can accurately extract a region representing the first articular cartilage n1 from the second image data set (MRI image data set) and reproduce the three-dimensional shape. As a result, these configurations consist of a first three-dimensional model (MRI three-dimensional model) of the first articular cartilage n1 reproduced from the second image data set (MRI image data set) and the first image data set (CT image data).
  • a three-dimensional model (CT three-dimensional model) of the first bone (humeral bone b1) reproduced from the set), the first bone (humeral bone b1) and the first articular cartilage n1 constituting the joint
  • a three-dimensional model synthetic three-dimensional model
  • the reproduction of the three-dimensional shape in these configurations is performed by a computer using the first image data set (CT image data set) and the second image data set (MRI image data set) as inputs, There is no need for invasion.
  • the second image data set (MRI image data set) is the first articular cartilage n1 and the second articular cartilage n2 in the direction away from each other. It is preferably obtained by photographing a joint in a state where each of the bone (humerus b1) and the second bone (radius b2) is pulled using a nuclear magnetic resonance imaging method.
  • the second image data set (MRI image data set) in which the first articular cartilage n1 and the second articular cartilage n2 are more reliably separated and projected. it can.
  • the second step (step S102) is based on the MRI values of each of the plurality of second image data (MRI images). It is preferable to extract a region representing the articular cartilage n1 and generate a second three-dimensional model (MRI three-dimensional model) based on the region representing the first articular cartilage n1.
  • the region representing the first articular cartilage n1 can be extracted with higher accuracy.
  • the first image data set (CT image data set) is obtained by imaging a joint using a computer tomography method. It is preferable.
  • the first bone (humerus b1) is clearly shown in the first image data set (CT image data set).
  • the reproduction performance of the first bone three-dimensional model (CT three-dimensional model) based on the first image data set (CT image data set) is improved.
  • the second image data set (MRI image data set) includes the first articular cartilage n1 and the first bone (humerus b1). And generating a fourth three-dimensional model (MRI three-dimensional model of the humerus b1) representing the three-dimensional shape of the first bone (the humerus b1) based on the second image data set (MRI image data set).
  • a fourth step (step S302) is further included.
  • the third step step S103
  • the three-dimensional shape represented by the first three-dimensional model (CT three-dimensional model) and the three-dimensional shape represented by the fourth three-dimensional model (MRI three-dimensional model of the humerus b1) are collated.
  • the second three-dimensional model (MRI three-dimensional model) and the fourth three-dimensional model (MRI three-dimensional model of the humerus b1) are the same second image data set (MRI image data set). It is generated based on. Therefore, the positional relationship between the first three-dimensional model (CT three-dimensional model) and the fourth three-dimensional model (MRI three-dimensional model of the humerus b1) is the same as the first three-dimensional model (CT three-dimensional model) and the second three-dimensional model. It is applicable to the positional relationship between the three-dimensional models (MRI three-dimensional model). Therefore, this configuration can combine the first three-dimensional model (CT three-dimensional model) and the second three-dimensional model (MRI three-dimensional model) with a more accurate positional relationship.
  • the first articular cartilage n1 and the first bone (humerus b1) are not only evaluated from the viewpoint that can be confirmed during the operation, but also information from the viewpoint that cannot be confirmed during the operation. Can be provided.
  • step S104 for the three-dimensional shape represented by the third three-dimensional model (synthetic three-dimensional model) displayed on the display device in the fifth step (step S104), It is preferable to further include a sixth step (step S104) for performing processing based on a user input operation.
  • a function as a surgical simulation can be provided to the evaluator.
  • the three-dimensional model generation device 10 further includes a communication interface 104 connected to the first device and the second device via a network, and includes a first image data set (CT image data set). ) And the second image data set (MRI image data set) are acquired from the first apparatus via the communication interface 104 and represent a third three-dimensional model (composite three-dimensional model).
  • the third image data set is preferably output to the second device via the communication interface 104.
  • the third three-dimensional model (synthetic three-dimensional model) representing the first articular cartilage n1 and the first bone (humerus b1) with respect to an external device connected via a network. ) Can be provided.

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Abstract

身体に侵襲を加えることなく、関節を構成する骨及び関節軟骨の３次元形状を、従来よりも忠実に再現した３次元モデルを得る。３次元モデル生成方法（Ｍ１）は、第１の骨（上腕骨ｂ１）、第１の関節軟骨（ｎ１）、第２の骨（橈骨ｂ２）、及び第２の関節軟骨（ｎ２）を含む関節の３次元モデル（合成３次元モデル）を生成する方法であって、第１の骨が映されている第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）と、前記第１の関節軟骨と前記第２の関節軟骨とが互いに離間して映されている第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）とを用いて第１の骨及び関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデル（合成３次元モデル）を生成する。

Description

３次元モデル生成方法、３次元モデル生成装置、及び３次元モデル生成プログラム
　本発明は、関節を構成する骨及び軟骨の３次元モデルを生成する技術に関する。
　人間の身体を構成する複数の関節の各々は、複数の骨同士を連結することにより構成されている。これらの複数の骨の周囲には、それぞれの端部がいずれかの骨に接合された複数の筋肉が配置されている。人間は、これらの複数の筋肉を収縮させることによって、一方の骨に対する他方の骨の相対的な位置を、意図的に固定したり、任意に変化させたりすることができる。人間は、各関節を協調させながら制御することによって、様々な運動を行うことができる。
　このように複数の骨同士を連結することにより構成された関節には、運動の種類に応じて多かれ少なかれ負荷が掛かる。このように負荷が掛かった状態でも関節がスムースに動くことができるように、２つの骨が互いに近接する各々の端面には、それぞれ、層状の関節軟骨が形成されている。一方の骨の端面に形成されている関節軟骨を第１の関節軟骨とし、他方の骨の端面に形成されている関節軟骨を第２の関節軟骨とする。関節軟骨が形成されている端面は、骨の端部の表面であったり、骨の一部に設けられた臼部（関節窩）の内壁面であったりする。
　このような関節軟骨が形成されていることによって、関節に負荷が掛かった状態であっても、人間は、関節をスムースに動かすことができる。ところが、運動に伴う負荷の強度や、その負荷の掛かる方向や、その運動を続けた期間などによっては、関節軟骨及び軟骨下骨が損傷を受ける場合がある。これらの損傷は、関節内骨軟骨病変と呼ばれる。
　関節内骨軟骨病変は、直接命に関わる症状ではないものの、生活の質を低下させる大きな要因となる。また、通称野球肘と呼ばれる症状のように、その患者の大半が成長期にある若年層である場合も多い。したがって、関節内骨軟骨病変を治療する場合には、その関節の機能を最大限温存することを念頭に治療方針が作成され、その前提として、関節内骨軟骨病変の状態を適切に評価することが求められる。治療方針には、手術の要否の判断や、手術を実施すべき場合には最適な術式の選択などが含まれ、これらの治療方針は、関節内骨軟骨病変の進行度に応じて大きく異なるためである。
日本国公開特許公報「特開２０１４－６４９５７号公報（２０１４年４月１７日公開）」
　関節内骨軟骨病変を評価する方法として、例えば、ＣＴ（Computed Tomography：コンピュータ断層撮影）法や、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）法が挙げられる。以下では、ＣＴ法を用いて生体の断面を表す複数の断面画像の画像データセットを生成する装置のことをＣＴ装置と称し、ＭＲＩ法を用いて生体の断面を表す複数の断面画像の画像データセットを生成する装置のことをＭＲＩ装置と称する。
　ＣＴ法は、Ｘ線を用いるため、ＭＲＩ法と比較して、骨を明瞭に描画可能だが、軟骨、筋肉等の組織を明瞭に描画することが難しい。一方、ＭＲＩ法は、水分子を共鳴させることができる周波数帯域の電磁波を用いるため、ＣＴ法と比較して、軟骨や筋肉などの組織を明瞭に描画可能だが、骨を明瞭に描画することが難しい。以上のように、ＣＴ法と、ＭＲＩ法とは、明瞭に描画可能な組織が異なるため、互いに相補的な技術である。
　そこで、これらの技術を組み合わせて、３次元モデルを生成する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、同じ臓器に関して取得した、ＣＴ装置を用いて生成した複数の断面画像（ＣＴ画像と称する）の画像データセットと、ＭＲＩ装置を用いて生成した複数の断面画像（ＭＲＩ画像と称する）の画像データセットとを用いて、臓器の３次元モデルを生成する技術が記載されている。
　しかしながら、特許文献１に記載された技術を、関節内骨軟骨病変の評価に適用しようとした場合、すなわち、ＣＴ画像、及び、ＣＴ画像を用いて歪みを補正したＭＲＩ画像の各々から、関節を構成する骨及び関節軟骨の各々を表す領域を抽出し、それぞれの３次元形状を表す３次元モデルを生成しようとする場合、以下の課題が生じる。
　上述したように、関節を構成する２つの骨が互いに近接する各々の端面には、それぞれ、層状の関節軟骨である第１の関節軟骨及び第２の関節軟骨が形成されている。ここで、第１の関節軟骨及び第２の関節軟骨は、互いに接触しているか、又は、非常に狭い間隔で近接している。そのため、ＭＲＩ装置を用いて生成した複数の断面画像の画像データセットに基づいて、例えば第１の関節軟骨の３次元形状を表す３次元モデルを生成した場合、実際の第１の関節軟骨の３次元形状を忠実に反映した３次元モデルを生成することが難しい。これは、ＭＲＩ装置を用いて生成した複数の断面画像の画像データセットから、第１の関節軟骨を表す領域のみを抽出することが難しいためである。この難しさは、第１の関節軟骨のＭＲＩ値と第２の関節軟骨のＭＲＩ値とが同程度のレベルで描画されており、且つ、第１の関節軟骨と第２の関節軟骨とが互いに接触しているか、又は、非常に狭い間隔で近接していることに起因する。
　このようにして生成された３次元モデルは、実際の関節軟骨の３次元形状を忠実に反映しているとは言えない。そのため、関節内骨軟骨病変の治療方針を作成する医師は、多くの不確定要素を抱えたまま、関節内骨軟骨病変の治療方針を作成することを余儀なくされる。例えば、第１の関節軟骨の正確な状態は、実際の手術中に患部を観察するまで把握することができないし、第１の関節軟骨の下層に位置する軟骨下骨の状態は、実際の手術中であっても第１の関節軟骨を除去しない限り把握することができない。このように、従来の方法では、身体に侵襲を加えることなく、関節を構成する骨及び関節軟骨の状態を正確に把握することができなかった。
　本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、身体に侵襲を加えることなく、関節を構成する骨及び関節軟骨の３次元形状を、従来よりも忠実に再現することができる技術を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法は、その一部の表面上に第１の関節軟骨が形成された第１の骨と、その一部の表面上に第２の関節軟骨が形成された第２の骨とを含む関節の３次元形状を表す３次元モデルをコンピュータが生成する３次元モデル生成方法である。当該３次元モデル生成方法は、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データにより構成された第１の画像データセットであって、少なくとも第１の骨が映されている第１の画像データセットに基づいて、第１の骨の３次元形状を表す第１の３次元モデルを生成する第１工程と、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データにより構成された第２の画像データセットであって、少なくとも第１の関節軟骨と第２の関節軟骨とが互いに離間して映されている第２の画像データセットに基づいて、第１の関節軟骨の３次元形状を表す第２の３次元モデルを生成する第２工程と、第１の３次元モデル及び第２の３次元モデルに基づいて、第１の骨の３次元形状及び第１の関節軟骨の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデルを生成する第３工程と、を含む。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る３次元モデル生成装置は、その一部の表面上に第１の関節軟骨が形成された第１の骨と、その一部の表面上に第２の関節軟骨が形成された第２の骨とを含む関節の３次元形状を表す３次元モデルを生成する３次元モデル生成装置である。当該３次元モデル生成装置は、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データにより構成された第１の画像データセットであって、少なくとも第１の骨が映されている第１の画像データセットに基づいて、第１の骨の３次元形状を表す第１の３次元モデルを生成するする第１生成部と、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データにより構成された第２の画像データセットであって、少なくとも第１の関節軟骨と第２の関節軟骨とが互いに離間して映されている第２の画像データセットに基づいて、第１の関節軟骨の３次元形状を表す第２の３次元モデルを生成する第２生成部と、第１の３次元モデル及び第２の３次元モデルに基づいて、第１の骨の３次元形状及び第１の関節軟骨の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデルを生成する第３生成部と、を備えている。
　本発明の一態様に係る３次元モデルプログラムは、上述の３次元モデル生成装置としてコンピュータを機能させるための３次元モデル生成プログラムであって、第１生成部、第２生成部及び第３生成部としてコンピュータを機能させる。
　本発明の一態様によれば、身体に侵襲を加えることなく、関節を構成する骨及び関節軟骨の３次元形状を、従来よりも忠実に再現した３次元モデルを得ることができる。
本発明の特徴的な画像データセットを取得するためのＭＲＩ装置の一例を説明する模式図である。 （ａ）は、肘を牽引しながら取得されたＭＲＩ画像を表し、（ｂ）は、肘を牽引せずに取得されたＭＲＩ画像を表す。 （ａ）は、腕橈関節について、注目すべき関節軟骨を表す領域の抽出精度を、牽引時と非牽引時とで比較した結果を示す図である。（ｂ）は、滑車部（腕尺関節外側）についての抽出精度の比較結果を示す図である。（ｃ）は、腕尺関節（特に内側）についての抽出精度の比較結果を示す図である。 本実施形態に係る３次元モデル生成装置の機能的な構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る３次元モデル生成方法の流れを説明するフローチャートである。 本実施形態に係る３次元モデル生成方法の詳細な流れを説明するフローチャートである。 本実施形態に係る３次元モデル生成方法の詳細な流れを説明するフローチャートである。 本実施形態に係る３次元モデル生成方法の詳細な流れを説明するフローチャートである。 （ａ）～（ｃ）は、本実施形態の具体例におけるＣＴ画像データセットの一部の一例である。（ｄ）は、本実施形態の具体例における上腕骨のＣＴ３次元モデルの一例を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、本実施形態の具体例におけるＭＲＩ画像データセットの一部の一例を示す図である。（ｄ）は、本実施形態の具体例における上腕骨のＭＲＩ３次元モデルの一例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の具体例において、ＭＲＩ画像から抽出された関節軟骨の一例を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、本実施形態の具体例における関節軟骨の３次元モデルの一例を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、本実施形態の具体例における合成３次元モデルの一例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の具体例において、加工された合成３次元モデルの一例を示す図である。 本実施形態に係る３次元モデル生成装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）は、本実施形態の具体例において、加工された合成３次元モデルの一例を示す三面図である。（ｂ）は、（ａ）に示した肋軟骨の小片の三面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の具体例において、加工された合成３次元モデルの一例を示す図である。
　〔本発明の特徴〕
　本発明の特徴は、対象となる関節軟骨及び他の関節軟骨が離間した状態で映されている断面画像を含む画像データセットを用いることにある。また、そのような断面画像から、対象となる関節軟骨を表す領域を抽出することにある。
　本願発明者らは、生体において対象となる関節を含む部位を、関節軟骨同士が離間する方向に牽引しながら、断面画像生成装置を用いて当該部位の断面を撮像することにより、そのような、関節軟骨同士が離間して映された断面画像を含む画像データセットが得られることを見出した。ここで、断面画像生成装置は、関節を構成する組織のうち、少なくとも関節軟骨を明瞭に描画可能な装置であればよい。本実施形態では、このような断面画像生成装置の一例として、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）装置を用いる。ＭＲＩ装置は、ＭＲＩ法を用いて生体の断面を表す複数の断面画像の画像データセットを生成する。
　また、本実施形態では、関節の一例として肘を用いる。肘を構成する骨は、上腕骨ｂ１、橈骨ｂ２、及び尺骨である。図２の（ａ）において、上腕骨ｂ１及び橈骨ｂ２の各々は、特許請求の範囲に記載の第１の骨及び第２の骨の一態様である。上腕骨ｂ１の一方の端部である上腕骨小頭の表面上には、第１の関節軟骨の一態様である関節軟骨ｎ１が形成されている。橈骨ｂ２の一方の端部である橈骨頭の表面上には、第２の関節軟骨の一態様である関節軟骨ｎ２が形成されている。なお、尺骨は、図２には図示されていない。
　肘を牽引しながら、ＭＲＩ装置を用いて当該肘の断面画像を撮像する手法について、図１～３を用いて説明する。図１は、本手法で用いるＭＲＩ装置９００を模式的に表す斜視図である。ＭＲＩ装置９００は、撮像部９０１と、載置台９０２と、牽引機構９０３とを有する。
　撮像部９０１は、環状に構成される。撮像部９０１は、内部の撮像空間に静磁場及び傾斜磁場を発生し、撮像空間に置かれた被検体ｈに対し高周波パルスを印加し、被検体ｈが発生する磁気共鳴信号を検出してコンピュータで処理することにより、被検体ｈの断面画像を生成する。
　載置台９０２は、被検体ｈを載置可能な台である。また、載置台９０２は、撮像部９０１内部の撮像空間に進入・進出可能に可動するよう構成される。
　牽引機構９０３は、紐９０３ａと、滑車９０３ｂと、おもり９０３ｃとを含む。
　このような構成のＭＲＩ装置９００は、載置台９０２に載置された被検体ｈの肘を牽引しながら、肘の断面画像を撮像する。具体的には、例えば、被検体ｈの手関節には、紐９０３ａの一方の端部が結ばれる。紐９０３ａは、載置台９０２の上を、被検体ｈの足が向く方向ｄ１に向かって伸び、載置台９０２の足側の端部から床に向かって垂れている。紐９０３ａの他方の端部には、おもり９０３ｂが結ばれている。おもり９０３ｂとしては、ここでは砂嚢を用い、重量を約７ｋｇとした。これにより、肘は、方向ｄ１に向かって牽引される。この状態で、載置台９０２が撮像部９０１の内部に進入するよう稼動し、撮像部９０１が動作する。これにより、肘が牽引された状態で、肘のＭＲＩ画像が取得される。その結果、ＭＲＩ装置９００は、関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２とが互いに離間した状態で映されているＭＲＩ画像を複数生成する。ＭＲＩ装置９００が生成したこれら複数のＭＲＩ画像の各々は、特許請求の範囲に記載の複数の第２の画像データの一態様であり、特許請求の範囲に記載の第２の画像データセットを構成する。
　図２（ａ）は、図１に例示したＭＲＩ装置９００によって取得されたＭＲＩ画像の一例であるＭＲＩ画像９１０を示す図である。ＭＲＩ画像９１０は、肘の矢状断面を表し、上腕骨ｂ１及び橈骨ｂ２をそれぞれ表す領域を含んでいる。また、ＭＲＩ画像９１０は、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２をそれぞれ表す領域を含んでいる。関節軟骨ｎ１は、上腕骨ｂ１の関節側の端部である上腕骨小頭を覆う軟骨である。関節軟骨ｎ２は、橈骨ｂ２の関節側の端部にある関節窩を覆う軟骨である。ＭＲＩ画像９１０は、肘が方向ｄ１に牽引された状態で撮像されていることにより、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２をそれぞれ表す領域間には、関節液が流れ込んだ隙間領域ａ１がある。ＭＲＩ画像９１０において、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２のＭＲＩ値は同程度であるものの、関節液のＭＲＩ値は、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２のＭＲＩ値とは明らかに異なる。そのため、ＭＲＩ画像９１０において、関節軟骨ｎ１を表す領域と関節軟骨ｎ２を表す領域との境界は、明瞭である。
　図２（ｂ）は、比較のため、牽引機構９０３を用いていない状態（すなわち牽引していない状態）の肘を、ＭＲＩ装置９００を用いて撮影した結果、ＭＲＩ装置９００が生成したＭＲＩ画像９２０を示す図である。ＭＲＩ画像９２０も、ＭＲＩ画像９１０と同様に、上腕骨ｂ１、橈骨ｂ２、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２をそれぞれ表す領域を含んでいる。ただし、図２（ｂ）において、領域ａ２において、関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２とが接触している。別の言い方をすれば、ＭＲＩ画像９２０において、関節軟骨ｎ１を表す領域と関節軟骨ｎ２を表す領域との境界は、不明瞭である。
　このように、牽引機構９０３を有するＭＲＩ装置９００により、注目する関節軟骨ｎ１と、隣接する関節軟骨ｎ２とが離間して映されたＭＲＩ画像９１０が得られることがわかった。
　図３は、複数の被検体について、肘が牽引された状態で得られたＭＲＩ画像９１０と、牽引されていない状態で得られたＭＲＩ画像９２０とを取得し、それぞれを用いて、注目する関節軟骨を表す領域の抽出精度を比較した結果を説明する図である。詳細には、図３（ａ）は、肘関節を構成する関節のうち腕橈関節について、注目する関節軟骨を表す領域の抽出精度の比較結果を示す。図３（ｂ）は、肘関節を構成する関節のうち滑車部（腕尺関節外側）について、注目する関節軟骨を表す領域の抽出精度の比較結果を示す。図３（ｃ）は、肘関節を構成する関節のうち腕尺関節（特に内側）について、注目する関節軟骨を表す領域の抽出精度の比較結果を示す。また、図３（ａ）～（ｃ）において、「Complete」は、関節軟骨の輪郭ならびに境界を完全に抽出できた被検体の数を表す。また、「Poor」は、関節軟骨の輪郭全体の５０％以上が明瞭に抽出できなかった被検体の数を表す。また、「Intermediate」は、「Complete」及び「Poor」の何れにも分類されなかった被検体の数を表す。すなわち、「Intermediate」は、関節軟骨の輪郭の一部（全体の５０％以下）が明瞭に描出できなかった被検体の数である。比較は、対応のある２群の検定（paired t test）により行い、ｐ値が有意水準以下のものを、「牽引により関節軟骨の抽出精度が有意に改善された」、と判断した。
　図３（ａ）～（ｃ）のうち、（ａ）によれば、「牽引により関節軟骨の抽出精度が有意に改善された」ことがわかる。このように、対象となる部位が牽引された状態で断面画像を撮像することにより、断面画像からの関節軟骨を表す領域の抽出精度が向上する部位があることがわかった。
　なお、本発明の特徴として用いられる、対象となる関節軟骨及び他の関節軟骨が離間した状態で映されている断面画像を含む画像データセットは、上述した手法により撮像されたものに限定されない。対象となる関節軟骨及び他の関節軟骨が離間した状態で映されていれば、他の手法により撮像されたものであっても構わない。また、対象となる関節は、腕橈関節に限定されず、膝関節や、股関節などの他の関節であってもよい。
　〔実施形態〕
　本実施形態に係る３次元モデル生成装置１０について、図面を参照して詳細に説明する。
　（３次元モデル生成装置の構成）
　図４は、３次元モデル生成装置１０の機能ブロック構成を示す図である。３次元モデル生成装置１０は、第１生成部１１と、第２生成部１２と、第３生成部１３と、表示加工部１４とを含む。また、３次元モデル生成装置１０は、入力装置２０及び表示装置３０に接続されている。入力装置２０は、３次元モデル生成装置１０に対する入力操作を受け付けるデバイスである。以降、入力装置２０を介して行われる入力操作を、単に、入力操作とも記載する。また、表示装置３０は、３次元モデル生成装置１０から出力される情報を表示するデバイスである。以降、表示装置３０に情報を表示することを、単に、表示する、とも記載する。なお、入力装置２０及び表示装置３０の詳細については後述する。
　第１生成部１１は、肘における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データにより構成された第１の画像データセットであって、少なくとも上腕骨ｂ１が映されている第１の画像データセットに基づいて、上腕骨ｂ１の３次元形状を表す第１の３次元モデルを生成する。
　第１の画像データセットには、少なくとも上腕骨ｂ１が映されている。本実施形態においては、第１の画像データセットには、上腕骨ｂ１とともに橈骨ｂ２が映されている。
　本実施形態では、第１の画像データとして、ＣＴ（Computed Tomography：コンピュータ断層撮影）装置によって得られるＣＴ画像を表す画像データを用いる。以降、第１の画像データセットを、ＣＴ画像データセットとも記載する。また、以降、ＣＴ画像データセットから生成された上腕骨ｂ１の３次元モデルを、「上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデル」とも記載する。なお、ＣＴ画像データセットから、注目する組織の３次元モデルを生成する技術には、公知の技術を適用可能である。
　第２生成部１２は、肘における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データにより構成された第２の画像データセットであって、少なくとも関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２とが互いに離間して映されている第２の画像データセットに基づいて、関節軟骨ｎ１の３次元形状を表す第２の３次元モデルを生成する。また、以降、ＭＲＩ画像データセットから生成された関節軟骨ｎ１の３次元モデルを、「関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデル」とも記載する。
　第２の画像データセットには、関節軟骨ｎ１及び関節軟骨ｎ２の少なくとも何れか一方が映されている。また、本実施形態の第２の画像データセットには、関節軟骨ｎ１，ｎ２ほど鮮明ではないものの、上腕骨ｂ１及び橈骨ｂ２の少なくとも何れか一方が映されている。
　本実施形態では、第２の画像データとして、ＭＲＩ装置によって得られるＭＲＩ画像を用いる。以降、第２の画像データセットを、ＭＲＩ画像データセットとも記載する。本実施形態のＭＲＩ画像データセットは、図１に示したＭＲＩ装置９００によって得られたものでる。
　より詳しくは、第２生成部１２は、複数のＭＲＩ画像の各々のＭＲＩ値の差に基づいて、関節軟骨ｎ１を表す領域を抽出し、関節軟骨ｎ１を表す領域に基づいて、第２の３次元モデルを生成する。ＭＲＩ値とは、ＭＲＩ画像に含まれる各画素の画素値に対応する。ＭＲＩ画像において、ＭＲＩ値が高い画素ほど明るく表示され、ＭＲＩ値が低い画素ほど暗く表示される。ＭＲＩ値は、関節を構成する組織を構成する材料に依存しており、同じ材料により構成されている領域は、同程度のＭＲＩ値になりやすい。したがって、図２の（ａ）に示すように、上腕骨ｂ１のＭＲＩ値と、橈骨ｂ２のＭＲＩ値とは同程度であり、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ値と、関節軟骨ｎ２のＭＲＩ値とは、同程度である。
　したがって、関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２とが接触している場合、関節軟骨ｎ１を表す領域と関節軟骨ｎ２を表す領域との境界をＭＲＩ画像に基づいて定めることは困難である。本手法では、ＭＲＩ画像データセットに映されている関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２とが互いに離間しており、関節軟骨ｎ１を表す領域と関節軟骨ｎ２を表す領域との間に、関節液を表す領域が存在する。したがって、第２生成部１２は、ＭＲＩ画像データセットに基づいて、関節軟骨ｎ１を抽出することができる。すなわち、第２生成部１２は、第２のデータセットに基づいて、関節軟骨ｎ１の３次元形状を表す３次元モデルを生成することができる。
　なお、関節軟骨ｎ１を表す領域として抽出すべきＭＲＩ値の上限値及び下限値は、予め定められていてもよいし、ユーザからの入力操作に基づき定められてもよいし、第２生成部１２が各ＭＲＩ画像を解析した結果として定められたものであってもよい。なお、ＭＲＩ値の上限値及び下限値を定めるためにユーザにより入力される情報は、必ずしも、ＭＲＩ値を表す数値自体でなくてもよい。例えば、表示装置３０に表示されたＭＲＩ画像において、ある領域を指定する入力操作がなされたとする。この場合、第２生成部１２は、指定された領域に含まれるＭＲＩ値と同程度である画素が集合することによって形成された領域を、関節軟骨ｎ１を表す領域として抽出してもよい。
　ここで、ＭＲＩ画像データセットは、関節軟骨ｎ１，ｎ２を表す領域に加えて、上腕骨ｂ１及び橈骨ｂ２を表す領域を含んでいることが好ましい。本実施形態において、ＭＲＩ画像データセットは、上腕骨ｂ１及び橈骨ｂ２を表す領域を含んでいる。
　第２生成部１２は、ＭＲＩ画像データセットに基づいて、上腕骨ｂ１の３次元形状を表す３次元モデルである第４の３次元モデルを生成する。以降、ＭＲＩ画像データセットから生成された第４の３次元モデルを、「上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル」とも記載する。
　なお、上述したように、ＭＲＩ画像は、ＣＴ画像に比べて、骨を表す領域が不明瞭であることが多い。したがって、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルは、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルに比べて、３次元形状の再現精度が低くてもよい。
　第３生成部１３は、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデル、及び、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルに基づいて、上腕骨ｂ１の３次元形状と関節軟骨ｎ１の３次元形状とを組み合わせた第３の３次元モデルを生成する。以降、第３の３次元モデルを、「合成３次元モデル」とも記載する。
　第３生成部１３は、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルが表す３次元形状と、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルが表す３次元形状とを照合し、照合結果に基づいて、合成３次元モデルを生成するように構成されていることが好ましい。例えば、第３生成部１３は、（１）上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルが表す３次元形状の特徴点と、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルが表す３次元形状との特徴点とをそれぞれ抽出し、（２）互いに対応する特徴点同士をマッチングさせ、（３）上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルに含まれる上腕骨ｂ１を表す領域と、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルに含まれる上腕骨ｂ１を表す領域とを重ねることにより、合成３次元モデルを生成する。
　この構成によれば、例えば、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルに適用される３次元座標と、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルに適用される３次元座標との対応関係を定めることができる。
　ここで、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルと、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルとは、同一のＭＲＩ画像データセットに基づいて生成されている。したがって、これらの３次元モデルに適用される３次元座標は同一であるとみなせる。そこで、この場合、第３生成部１３は、算出された３次元座標の対応関係に基づいて、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルを、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルに適用されている３次元座標に合わせて補正することが可能である。そして、第３生成部１３は、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルと、補正した関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルとを重畳して再構成することにより、合成３次元モデルを生成すればよい。
　表示加工部１４は、合成３次元モデルが表す３次元形状を、視点を変更可能に表示する。以降、合成３次元モデルが表す３次元形状を表示することを、単に、合成３次元モデルを表示する、とも記載する。例えば、表示加工部１４は、入力操作に基づいて、表示した合成３次元モデルの視点を変更して表示を更新する。
　また、表示加工部１４は、表示した合成３次元モデルに対して、ユーザの入力操作に基づく加工を行う。例えば、表示加工部１４は、表示した合成３次元モデルにおいて、指定された領域に含まれる関節軟骨の透明度を上げる機能を有していてもよい。これにより、透明度を上げた領域の深部の軟骨下骨について、その３次元形状が視認可能に表示される。また、例えば、表示加工部１４は、表示した合成３次元モデルにおいて、指定された領域の関節軟骨及び軟骨下骨の少なくとも一方を加工する機能を有していてもよい。表示加工部１４が有する加工の機能としては、（１）関節軟骨の削除又は透明化、（２）関節軟骨の追加、（３）軟骨下骨の削除、及び、（４）移植用の骨片である移植片の追加、及び（５）損傷を受けた領域のマーキング、が挙げられる。表示加工部１４は、上述した（１）～（５）の機能のうち少なくとも何れか１つの機能を有していればよく、（１）～（５）の機能の全てを有していることが好ましい。これにより、例えば関節軟骨を削除された領域に位置する軟骨下骨について、その３次元形状が視認可能に表示される。また、例えば軟骨下骨を削除したうえで移植片を追加された領域について、その３次元形状が視認可能に表示される。
　なお、表示加工部１４は、入力操作に基づいて、表示した合成３次元モデルにおける指定領域を検出すればよい。また、表示加工部１４は、入力操作に基づいて、指定領域に対する加工処理を実行すればよい。指定領域に対する加工処理としては、前述のように、透明度を上げる、加工する等が挙げられるが、これらに限られない。
　（３次元モデル生成装置の動作）
　図５は、以上のように構成された３次元モデル生成装置１０が実行する３次元モデル生成方法Ｓ１を説明するフローチャートである。３次元モデル生成方法Ｓ１は、以下に説明する工程Ｓ１０１～Ｓ１０４を含んでいる。
　工程Ｓ１０１において、第１生成部１１は、上述したＣＴ画像データセットに基づいて、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルを生成する。この工程の詳細については後述する。
　工程Ｓ１０２において、第２生成部１２は、上述したＭＲＩ画像データセットに基づいて、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデル、及び、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルを生成する。この工程の詳細については後述する。なお、工程Ｓ１０１及びＳ１０２の処理の実行順序は、逆であってもよいし、並行して実行されてもよい。
　工程Ｓ１０３において、第３生成部１３は、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルと、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルとに基づいて、合成３次元モデルを生成する。このとき、工程Ｓ１０２で生成された上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルが用いられる。この工程の詳細については後述する。
　工程Ｓ１０４において、表示加工部１４は、合成３次元モデルを表示する。また、表示加工部１４は、入力操作に基づいて、その視点を変更する処理、又は、加工する処理を行う。
　次に、各工程の詳細について説明する。図６は、工程Ｓ１０１の詳細を示すフローチャートである。
　工程Ｓ２０１において、第１生成部１１は、ＣＴ画像データセットを取得する。なお、第１生成部１１は、ＣＴ装置（図示せず）と接続され、当該ＣＴ装置からＣＴ画像データセットを取得してもよい。また、第１生成部１１は、ＣＴ画像データセットが蓄積された画像サーバ（図示せず）に、通信インタフェース及びネットワークを介して通信可能に接続され、当該画像サーバからＣＴ画像データセットを取得してもよい。また、第１生成部１１は、可搬型媒体に記憶されたＣＴ画像データセットを、入出力インタフェースを介して読み込むことにより取得してもよい。
　工程Ｓ２０２において、第１生成部１１は、ＣＴ画像データセットに基づいて、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルを生成する。前述したように、本工程の処理には、公知の技術を適用可能である。
　図７は、工程Ｓ１０２の詳細を示すフローチャートである。
　工程Ｓ３０１において、第２生成部１２は、ＭＲＩ画像データセットを取得する。ここで取得するＭＲＩ画像データセットは、対象となる関節軟骨ｎ１と、関節軟骨ｎ１に隣接する関節軟骨ｎ２とが、離間して映されているＭＲＩ画像を含むものである。例えば、第２生成部１２は、図１に示したＭＲＩ装置９００と接続され、当該ＭＲＩ装置９００からＭＲＩ画像データセットを取得してもよい。また、第２生成部１２は、ＭＲＩ装置９００によって取得されたＭＲＩ画像データセットが蓄積された画像サーバ（図示せず）に、通信インタフェース及びネットワークを介して通信可能に接続され、当該画像サーバからＭＲＩ画像データセットを取得してもよい。また、第２生成部１２は、ＭＲＩ装置９００によって取得されたＭＲＩ画像データセットを記憶した可搬型媒体から、入出力インタフェースを介して当該ＭＲＩ画像データセットを読み込むことにより取得してもよい。
　工程Ｓ３０２において、第２生成部１２は、ＭＲＩ画像データセットに基づいて、上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルを生成する。
　工程Ｓ３０３において、第２生成部１２は、ＭＲＩ画像データセットに含まれるＭＲＩ画像から、関節軟骨ｎ１を表す領域のＭＲＩ値と、関節軟骨ｎ１と関節軟骨ｎ２との間に介在する関節液を表す領域のＭＲＩ値との差に基づいて、関節軟骨ｎ１を表す領域を抽出する。
　工程Ｓ３０４において、第２生成部１２は、抽出された関節軟骨ｎ１を表す領域に基づいて、関節軟骨ｎ１の３次元モデルを生成する。
　図８は、工程Ｓ１０３の詳細を示すフローチャートである。
　工程Ｓ４０１において、第３生成部１３は、ステップＳ２０２で生成された上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルと、ステップＳ３０２で生成された上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデルとを照合する。前述のように、例えば、第３生成部１３は、これらの３次元モデルが表す３次元形状の特徴点同士を照合することにより、これらの３次元モデルにそれぞれ適用されている３次元座標の対応関係を算出してもよい。
　工程Ｓ４０２において、第３生成部１３は、ステップＳ４０１の照合結果に基づいて、ステップＳ２０２で生成された上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルと、ステップＳ３０４で生成された関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルとを合成し、合成３次元モデルを生成する。前述のように、例えば、第３生成部１３は、関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルを、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルに適用されている３次元座標に合わせて補正し、補正した関節軟骨ｎ１のＭＲＩ３次元モデルと、上腕骨ｂ１のＣＴ３次元モデルとを合成することによって、合成３次元モデルを生成する構成であってもよい。
　（実施例）
　次に、本実施形態に係る３次元モデル生成装置１０を用いて、上腕骨ｂ１及び上腕骨小頭を覆う関節軟骨ｎ１の合成３次元モデルを生成した実施例について説明する。このような合成３次元モデルは、関節内骨軟骨病変の一つである上腕骨離断性軟骨炎、通称外側型野球肘の評価を行うために有用である。上述した実施形態の場合と同様に、上腕骨ｂ１は、本実施例における第１の骨の一例であり、上腕骨小頭を覆う関節軟骨ｎ１は、本実施例における第１の関節軟骨の一例である。
　図９（ａ）～（ｃ）は、ステップＳ２０１において取得されたＣＴ画像データセットの一部を表している。具体的には、図９（ａ）は、肘の軸位断面、図９（ｂ）は、肘の冠状断面、図９（ｃ）は、肘の矢状断面をそれぞれ表すＣＴ画像である。これらのＣＴ画像には、それぞれ、上腕骨ｂ１と、橈骨ｂ２とが映されている。これらのＣＴ画像を含むＣＴ画像データセットを用いて、ステップＳ２０２が実行される。図９（ｄ）は、ステップＳ２０２において生成された上腕骨遠位部のＣＴ３次元モデルを表している。
　図１０（ａ）～（ｃ）は、ステップＳ３０１において取得されたＭＲＩ画像データセットの一部を表している。具体的には、図１０（ａ）は、肘の軸位断面、図１０（ｂ）は、肘の冠状断面、図１０（ｃ）は、肘の矢状断面をそれぞれ表すＭＲＩ画像である。これらのＭＲＩ画像には、ＣＴ画像に比べると不明瞭であるものの、それぞれ、上腕骨ｂ１と、橈骨ｂ２とが映されている。これらのＭＲＩ画像を含むＭＲＩ画像データセットを用いて、ステップＳ３０２が実行される。図１０（ｄ）は、ステップＳ３０２において生成された上腕骨遠位部のＭＲＩ３次元モデルを表している。
　図９（ｄ）に示した上腕骨遠位部のＣＴ３次元モデルと、図１０（ｄ）に示した上腕骨遠位部のＭＲＩ３次元モデルとが、ステップＳ４０１において照合される。これにより、ＣＴ３次元モデルに適用される３次元座標と、ＭＲＩ３次元モデルに適用される３次元座標との対応関係が算出される。
　図１１（ａ）及び（ｂ）は、ステップＳ３０３においてＭＲＩ画像から抽出された、上腕骨小頭を覆う関節軟骨を表す領域を表している。具体的には、図１１（ａ）は、肘の冠状断面を表すＭＲＩ画像において、上腕骨小頭を覆う関節軟骨ｎ１を表す領域が抽出されたことを表している。当該ＭＲＩ画像に、隙間領域ａ３が含まれることにより、ＭＲＩ値に基づいて、関節軟骨ｎ１を表す領域の抽出が可能となった。図１１（ｂ）は、肘の矢状断面を表すＭＲＩ画像において、該当関節軟骨ｎ１を表す領域が抽出されたことを表している。当該ＭＲＩ画像に、隙間領域ａ４が含まれることにより、ＭＲＩ値に基づいて、関節軟骨ｎ１を表す領域の抽出が可能となった。
　図１２（ａ）～（ｄ）は、ステップＳ３０４において生成された、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の３次元モデルを表している。具体的には、図１２（ａ）は、当該関節軟骨の３次元モデルが、正面からの視点で表示された例であり、図１２（ｂ）は、側面からの視点で表示された例であり、図１２（ｃ）は、上腕骨遠位からの視点で表示された例であり、図１２（ｄ）は、裏面からの視点で表示された例である。
　図１３（ａ）は、ステップＳ４０２において生成された合成３次元モデルを表している。すなわち、この合成３次元モデルは、図９（ｄ）に示した上腕骨遠位部のＣＴ３次元モデルと、図１２（ａ）～（ｄ）に示した該当関節軟骨の３次元モデルとが、ステップＳ４０１の照合結果に基づいて合成されたものである。図１３（ａ）では、当該合成３次元モデルが、正面からの視点で表示装置３０に表示されている。また、図１３（ｂ）及び（ｃ）は、ステップＳ１０４において、当該合成３次元モデルが、視点を変更して表示された例を表している。具体的には、図１３（ｂ）は、側面からの視点に変更された表示例であり、図１３（ｃ）は、上腕骨遠位からの視点に変更された表示例である。このように視点を変更した合成３次元モデルの表示は、術中にも確認できない視点からの情報を評価者に提供する。したがって、このような表示は、関節軟骨及び上腕骨を総合的に評価することを支援する。
　図１４（ａ）及び（ｂ）は、ステップＳ１０４において、合成３次元モデルに対する加工が行われた場合の表示例である。具体的には、図１４（ａ）は、上腕骨小頭を覆う関節軟骨のうち、領域ａ５の透明度を上げ（透明化し）、且つ、遊離した軟骨下骨（すなわち関節内骨軟骨病変）を含む領域ａ７を、マーキングすることによって、軟骨下骨が遊離した領域を他の損傷を受けていない領域から判別しやすくなるように、合成３次元モデルを加工した表示例である。このような表示は、関節軟骨と遊離した軟骨下骨の位置関係を、詳細に把握することを支援する。なお、図１４（ａ）において、遊離した軟骨下骨のコントラストを変化させることによってマーキングしているが、図１７（ａ）に示した領域ａ１２に含まれる遊離した軟骨下骨のように、他の領域と明らかに異なるコントラストにすることにより、他の領域からより判別しやすくなるように、合成３次元モデルを加工してもよい。図１４（ｂ）は、上腕骨小頭を覆う関節軟骨のうち領域ａ６を削除し、且つ、領域ａ７に含まれていた遊離した軟骨下骨を削除した表示例である。このような表示により、評価者は、関節軟骨の一部及び遊離した軟骨下骨を切除した後のイメージを詳細に把握することができる。このように、合成３次元モデルの加工処理は、手術シミュレーションとしての機能を評価者に提供する。その結果、このような表示は、関節軟骨及び上腕骨を総合的に評価することを支援する。
　以上のように、図１４（ａ）及び（ｂ）では、それぞれ、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の一部領域の透明度を上げた表示例、及び、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の一部領域を削除し、且つ、遊離した軟骨下骨を削除した表示例を示している。しかし、３次元モデル生成装置１０は、ステップＳ１０４において、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の全領域の透明度を上げる（図１７（ａ）参照）又は全領域を削除するといった加工を合成３次元モデルに施すように構成されていてもよい。
　図１６（ａ）では、図１４（ｂ）に示した表示例と同様に遊離した軟骨下骨を削除したうえで、肋軟骨小片ａ８，ａ９を上腕骨小頭に移植した後の状態を示すように合成３次元モデルを加工した表示例である。上腕骨小頭への肋軟骨小片ａ８，ａ９の移植は、関節面を再建することを目的としている。肋軟骨小片ａ８，ａ９は、移植用の骨片である移植片の一例である。図１６（ａ）は、肋軟骨小片ａ８の三面図であり、肋軟骨小片ａ９も肋軟骨小片ａ８と同様の形状を有する。以上のように、３次元モデル生成装置１０は、ステップＳ１０４において、移植片を追加する加工を合成３次元モデルに施すように構成されていてもよい。
　図１７は、図１４及び図１６に示した症例とは、別の症例における合成３次元モデルを示す。図１７（ａ）は、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の全領域ａ１１の透明度を上げ（透明化し）、且つ、遊離した軟骨下骨を含む領域ａ１２を、マーキングすることによって、軟骨下骨が遊離した領域を他の損傷を受けていない領域から判別しやすくなるように、合成３次元モデルを加工した表示例である。図１７（ｂ）は、上腕骨小頭を覆う関節軟骨の一部領域ａ１３を削除し、且つ、遊離した軟骨下骨を含む領域ａ１２を、マーキングすることによって、軟骨下骨が遊離した領域を他の損傷を受けていない領域から判別しやすくなるように、合成３次元モデルを加工した表示例である。図１７（ａ）に示したような表示例は、関節軟骨と遊離した軟骨下骨の位置関係を、評価者が詳細に把握することを支援する。図１７（ｂ）に示したような表示例は、関節軟骨の一部領域ａ１３を削除した後のイメージを、評価者が詳細に把握することを支援する。
　このように、（１）関節軟骨の削除又は透明化、（２）関節軟骨の追加、（３）軟骨下骨の削除、及び、（４）移植用の骨片である移植片の追加、及び（５）損傷を受けた領域のマーキングに代表される合成３次元モデルの加工処理は、手術シミュレーションとしての機能を評価者に提供する。その結果、このような表示は、関節軟骨及び上腕骨を総合的に評価することを支援する。
　（本実施形態の効果）
　以上説明したように、本実施形態に係る３次元モデル生成装置は、対象となる関節軟骨と、その深部の軟骨下骨及び骨とを組み合わせた３次元形状を提示する。これにより、評価者にとって、従来は術中所見でしか評価できなかった情報や、術中にも確認できなかった情報が、生体に侵襲を加えることなく確認可能となる。その結果、本実施形態は、関節軟骨及びその深部の軟骨下骨及び骨との総合的な評価を支援することができる。
　（変形例）
　なお、本実施形態において、対象となる関節が肘関節であり、第１の骨が上腕骨であり、第１の関節軟骨が、上腕骨小頭を覆う関節軟骨である例について説明した。また、これにより、本実施形態の３次元モデル生成装置が、上腕骨離断性軟骨炎の総合評価に有用である例について説明した。しかし、３次元モデル生成装置１０の適用例は、これに限らない。３次元モデル生成装置１０は、膝関節や、股関節などの他の関節にも適用可能である。
　例えば、本実施形態において、膝関節を対象とし、第１の骨として大腿骨遠位端を適用し、第１の関節軟骨として大腿骨内顆・外顆を覆う関節軟骨を適用してもよい。この場合、本実施形態の３次元モデル生成装置は、膝関節離断性軟骨炎や変形性膝関節症の総合評価に有用である。また、本実施形態において、股関節を対象とし、第１の骨として大腿骨頭を適用し、第１の関節軟骨として大腿骨頭関節軟骨を適用してもよい。この場合、本実施形態の３次元モデル生成装置は、変形性股関節症や大腿骨頭壊死の総合評価に有用である。また、本実施形態において、足関節を対象とし、第１の骨として距骨を適用し、第１の関節軟骨として距腿関節軟骨を適用してもよい。この場合、本実施形態の３次元モデル生成装置は、足関節離断性骨軟骨炎や変形性足関節症の総合評価に有用である。また、本実施形態において、膝関節を対象とし、第１の骨として大腿骨内顆を適用し、第１の関節軟骨として大腿骨内顆を覆う関節軟骨を適用してもよい。この場合、本実施形態の３次元モデル生成装置は、大腿骨内顆骨壊死の総合評価に有用である。その他、本実施形態は、第１の骨及び第１の関節に適宜適切な組織を適用することにより、軟骨の評価が必要な各種の関節疾患の総合評価に有用である。
　また、本実施形態において、第１の画像データセットとしてＣＴ装置により生成された画像データセットを用いる例について説明した。これに限らず、第１の画像データセットは、骨を表す領域が映された画像データセットであれば、他の手法により得られた画像データセットであってもよい。
　また、本実施形態において、第２の画像データセットとしてＭＲＩ装置により生成された画像データセットを用いる例について説明した。これに限らず、第２の画像データセットは、注目する関節軟骨を表す領域と、隣接する関節軟骨を表す領域とが離間して映された画像データセットであれば、他の手法により得られた画像データセットであってもよい。
　また、本実施形態において、第２の画像データセットを得るための装置に備えられた牽引機構が、紐及びおもりによって構成される例について説明した。これに限らず、第２の画像データセットは、対象となる関節を牽引する機構であれば、その他の牽引機構により牽引されながら取得された断面画像のデータセットであってもよい。
　（３次元モデル生成装置のハードウェア構成とソフトウェアによる実現形態）
　本実施形態における３次元モデル生成装置１０は、例えば、図１５に示すハードウェア要素によって実現可能である。図１５は、３次元モデル生成装置１０を実現するコンピュータ装置１００の構成例を示すブロック図である。
　コンピュータ装置１００は、図１５に示すように、プロセッサ１０１と、メモリ１０２と、入出力インタフェース１０３と、通信インタフェース１０４とを含む。これらの要素は、バスにより互いに接続される。入出力インタフェース１０３には、入力装置２０及び表示装置３０が接続される。入力装置２０及び表示装置３０は、コンピュータ装置１００に内蔵されていてもよい。また、入力装置２０及び表示装置３０は、単一の装置（例えば、タッチパネル）として実現されていてもよい。
　プロセッサ１０１は、メモリ１０２に記憶されたプログラムに含まれる命令を実行することによって、入出力インタフェース１０３及び通信インタフェース１０４を制御しながら、３次元モデル生成装置１０の第１生成部１１、第２生成部１２、第３生成部１３及び表示加工部１４として機能する。
　プロセッサ１０１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等によって構成可能である。ただし、プロセッサ１０１は、メモリ１０２に記憶されたプログラムを読み込んで実行する演算装置であればよく、これらに限られない。
　メモリ１０２には、コンピュータ装置１００を３次元モデル生成装置１０として動作させるためのプログラム、及び、各種データが格納される。メモリ１０２は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、または、これらの任意の組み合わせ等により構成可能である。主記憶装置としては、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性メモリが挙げられるが、これに限られない。また、補助記憶装置としては、ＨＤＤ（hard disk drive）やＳＳＤ（solid state drive）等の不揮発性メモリが挙げられるが、これらに限られない。
　なお、コンピュータ装置１００を３次元モデル生成装置１０として動作させるためのプログラムは、必ずしもコンピュータ装置１００内部のメモリ１０２に記憶されていなくてもよい。コンピュータ装置１００を３次元モデル生成装置１０として動作させるためのプログラムは、例えば、外部記録媒体に記録されてもよい。外部記録媒体の具体例としては、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブル論理回路などが挙げられるが、これらに限られない。この場合、外部記録媒体に記録されたプログラムは、プロセッサ１０１によって読み込まれて実行される。また、本発明は、外部記録媒体に記録されたプログラム、または、当該外部記録媒体としても実現され得る。また、コンピュータ装置１００を３次元モデル生成装置１０として動作させるためのプログラムは、通信ネットワークを介してコンピュータ装置１００に供給されてもよい。この場合、通信ネットワークは、プログラムを伝送可能なネットワークであればよく、特に限定されない。また、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
　入出力インタフェース１０３には、図１５に示したように、入力装置２０及び表示装置３０が接続される。入力装置２０及び表示装置３０は、上述したように、コンピュータ装置１００に内蔵されていてもよく、単一の装置（例えば、タッチパネル）として実現されていてもよい。
　入力装置２０の具体例としては、キーボード、マウス、タッチパッドといった装置が挙げられる。本実施形態においては、例えば、第１の関節軟骨を表す領域を抽出するためのパラメータを表す情報、合成３次元モデルの加工を指示する情報等が、入力装置２０を用いて入力される。ただし、入力装置２０は、コンピュータ装置１００に情報を入力する装置であれば、上述した具体例に限られない。
　表示装置３０の具体例としては、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ブラウン管等といった装置が挙げられる。例えば、生成された合成３次元モデル、視点を変更された合成３次元モデル、加工された合成３次元モデルが、画像として表示装置３０に表示される。また、表示装置３０は、音声を出力する装置（スピーカ）や、画像を印刷する装置（プリンタ）等であってもよい。ただし、表示装置３０は、上述した具体例に限られない。
　通信インタフェース１０４には、図１５に示すように、例えば、ＣＴ画像データセット及びＭＲＩ画像データセットを含む画像サーバとの通信に利用される。通信インタフェース１０４は、例えば、無線ＬＡＮ（Local Area Network）インタフェース、有線ＬＡＮインタフェース、インターネットインタフェース、モバイルデータ通信インタフェース、又は、これら通信インタフェースの任意の組み合わせであってもよい。
　また、上述のハードウェア要素を含むコンピュータ装置１００の態様は、デスクトップ型、ノート型、タブレット型などのパーソナルコンピュータであってもよいし、汎用計算機であってもよいし、携帯型情報端末であってもよいが、これらに限られない。また、コンピュータ装置１００は、他の機器に組み込まれた組み込みシステムとして実現されていてもよい。
　なお、本実施形態における３次元モデル生成装置１０の各機能ブロックは、メモリ１０２に記憶されたプログラムをプロセッサ１０１が実行することにより実現されることに限らず、その一部または全部が、専用のハードウェア要素（例えば、電子回路）により実現されていてもよい。
　また、本実施形態における３次元モデル生成装置１０は、通信インタフェース１０４を介して第１の装置及び第２の装置からアクセス可能なサーバとして実現されてもよい。この場合、３次元モデル生成装置１０は、通信インタフェース１０４を介して第１の装置から、ＣＴ画像データセット及びＭＲＩ画像データセットを取得する。また、３次元モデル生成装置１０は、合成３次元モデルを表す第３の画像データセットを、第２の装置に対して出力する。
　また、第１の装置及び第２の装置の各々の具体例としては、例えば、ネットワーク接続されたコンピュータ装置が挙げられる。本実施形態において、第１の装置及び第２の装置は、互いに異なる装置であってもよいし、同じ装置であってもよい。換言すれば、３次元モデル生成装置１０は、第１の装置から取得したＣＴ画像データセット及びＭＲＩ画像データセットに基づき作成した第３の画像データセットを、第１の装置とは異なる第２の装置に対して出力してもよいし、第２の装置として機能する第１の装置に対して出力してもよい。
　また、３次元モデル生成装置１０は、ＣＴ画像データセット及びＭＲＩ画像データセットのうち少なくとも何れか一方を第１の装置から取得するように構成されていればよく、ＣＴ画像データセット及びＭＲＩ画像データセットの両方を第１の装置から取得するように構成されていることが好ましい。
　〔まとめ〕
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１は、その一部の表面上に第１の関節軟骨ｎ１が形成された第１の骨（上腕骨ｂ１）と、その一部の表面上に第２の関節軟骨ｎ２が形成された第２の骨（橈骨ｂ２）とを含む関節（実施形態においては肘）の３次元形状を表す３次元モデルをコンピュータが生成する３次元モデル生成方法である。３次元モデル生成方法Ｓ１は、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データ（ＣＴ画像）により構成された第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）であって、少なくとも第１の骨（上腕骨ｂ１）が映されている第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）に基づいて、第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元形状を表す第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）を生成する第１工程（工程Ｓ１０１）と、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データ（ＭＲＩ画像）により構成された第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）であって、少なくとも第１の関節軟骨ｎ１と第２の関節軟骨ｎ２とが互いに離間して映されている第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）に基づいて、第１の関節軟骨ｎ１の３次元形状を表す第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）を生成する第２工程（工程Ｓ１０２）と、第１の３次元モデル及び第２の３次元モデルに基づいて、第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元形状及び第１の関節軟骨ｎ１の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデル（合成３次元モデル）を生成する第３工程（工程Ｓ１０３）と、を含む。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成装置１０は、その一部の表面上に第１の関節軟骨ｎ１が形成された第１の骨（上腕骨ｂ１）と、その一部の表面上に第２の関節軟骨ｎ２が形成された第２の骨（橈骨ｂ２）とを含む関節（実施形態においては肘）の３次元形状を表す３次元モデルを生成する３次元モデル生成装置である。３次元モデル生成装置１０は、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データ（ＣＴ画像）により構成された第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）であって、少なくとも第１の骨（上腕骨ｂ１）が映されている第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）に基づいて、第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元形状を表す第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）を生成するする第１生成部１１と、前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データ（ＭＲＩ画像）により構成された第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）であって、少なくとも第１の関節軟骨ｎ１と第２の関節軟骨ｎ２とが互いに離間して映されている第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）に基づいて、第１の関節軟骨ｎ１の３次元形状を表す第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）を生成する第２生成部１２と、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）及び第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）に基づいて、第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元形状及び第１の関節軟骨ｎ１の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデル（合成３次元モデル）を生成する第３生成部１３と、を備えている。
　本発明の一態様に係る３次元モデルプログラムは、３次元モデル生成装置１０としてコンピュータを機能させるための３次元モデル生成プログラムであって、第１生成部１１、第２生成部１２及び第３生成部１３としてコンピュータを機能させる。
　これらの構成によれば、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）から、第１の関節軟骨ｎ１を表す領域と、第２の関節軟骨ｎ２を表す領域との境界を精度よく検出することができる。これにより、これらの構成は、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）から、第１の関節軟骨ｎ１を表す領域を精度よく抽出してその３次元形状を再現することができる。その結果、これらの構成は、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）から再現した第１の関節軟骨ｎ１の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）と、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）から再現した第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）とを組み合わせることによって、関節を構成する第１の骨（上腕骨ｂ１）及び第１の関節軟骨ｎ１の３次元モデル（合成３次元モデル）を、従来よりも精度よく再現することができる。また、これらの構成における３次元形状の再現は、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）及び第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）を入力としてコンピュータによって実行されるため、身体に侵襲を加える必要はない。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）は、第１の関節軟骨ｎ１及び第２の関節軟骨ｎ２が離間する方向に第１の骨（上腕骨ｂ１）及び第２の骨（橈骨ｂ２）の各々を牽引した状態の関節を、核磁気共鳴映像法を用いて撮影することによって得られたものである、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、第１の関節軟骨ｎ１と第２の関節軟骨ｎ２とがより確実に離間して映されている第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）を、取得することができる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第２工程（工程Ｓ１０２）は、複数の第２の画像データ（ＭＲＩ画像）の各々のＭＲＩ値に基づいて、（１）第１の関節軟骨ｎ１を表す領域を抽出し、第１の関節軟骨ｎ１を表す領域に基づいて、第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）を生成する、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、第１の関節軟骨ｎ１を表す領域をより精度よく抽出できる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）は、関節を、コンピュータ断層撮影法を用いて撮影することによって得られたものである、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）には、第１の骨（上腕骨ｂ１）が明瞭に映されていることが期待できる。その結果、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）に基づく第１の骨の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）の再現性能が良好となる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）には、第１の関節軟骨ｎ１とともに第１の骨（上腕骨ｂ１）が映されており、第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）に基づいて第１の骨（上腕骨ｂ１）の３次元形状を表す第４の３次元モデル（上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル）を生成する第４工程（工程Ｓ３０２）をさらに含む。第３工程（工程Ｓ１０３）は、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）が表す３次元形状と第４の３次元モデル（上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル）が表す３次元形状とを照合し、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）に含まれる第１の骨（上腕骨ｂ１）を表す領域と、第４の３次元モデル（上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル）に含まれる第１の骨（上腕骨ｂ１）を表す領域とを重ねることにより、第３の３次元モデル（合成３次元モデル）を生成する、ことが好ましい。
　上記の構成において、第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）と、第４の３次元モデル（上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル）とは、同一の第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）に基づいて生成されている。このため、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）及び第４の３次元モデル（上腕骨ｂ１のＭＲＩ３次元モデル）間の位置関係は、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）及び第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）間の位置関係に適用可能である。したがって、本構成は、第１の３次元モデル（ＣＴ３次元モデル）及び第２の３次元モデル（ＭＲＩ３次元モデル）を、より正確な位置関係で組み合わせることができる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第３の３次元モデル（合成３次元モデル）が表す３次元形状を、視点を変更可能に表示装置に表示する第５工程（工程Ｓ１０４）をさらに含む、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、第１の関節軟骨ｎ１及び第１の骨（上腕骨ｂ１）について、術中に確認できる視点からの情報だけでなく、術中にも確認できない視点からの情報を評価者に提供することができる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成方法Ｓ１において、第５工程（工程Ｓ１０４）において表示装置に表示された第３の３次元モデル（合成３次元モデル）が表す３次元形状に対して、ユーザの入力操作に基づく加工を行う第６工程（工程Ｓ１０４）をさらに含む、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、手術シミュレーションとしての機能を評価者に提供することができる。
　本発明の一態様に係る３次元モデル生成装置１０は、ネットワークを介して第１の装置及び第２の装置と接続される通信インタフェース１０４をさらに備え、第１の画像データセット（ＣＴ画像データセット）及び第２の画像データセット（ＭＲＩ画像データセット）のうち少なくとも何れか一方を、通信インタフェース１０４を介して第１の装置から取得し、第３の３次元モデル（合成３次元モデル）を表す第３の画像データセットを、通信インタフェース１０４を介して第２の装置に対して出力する、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、ネットワークを介して接続される外部の装置に対して、第１の関節軟骨ｎ１及び第１の骨（上腕骨ｂ１）を表す第３の３次元モデル（合成３次元モデル）を生成するサービスを提供することができる。
　〔付記事項〕
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１０　３次元モデル生成装置
１１　第１生成部
１２　第２生成部
１３　第３生成部
１４　表示加工部
２０　入力装置
３０　表示装置
１００　コンピュータ装置
１０１　プロセッサ
１０２　メモリ
１０３　入出力インタフェース
１０４　通信インタフェース
９００　ＭＲＩ装置
９００　装置
９０１　撮像部
９０２　載置台
９０３　牽引機構
９１０、９２０　ＭＲＩ画像
ｈ　被検体
ｂ１　上腕骨
ｂ２　橈骨
ｎ１、ｎ２　関節軟骨
ａ１、ａ３、ａ４　隙間領域

Claims (10)

  1. 　その一部の表面上に第１の関節軟骨が形成された第１の骨と、その一部の表面上に第２の関節軟骨が形成された第２の骨とを含む関節の３次元形状を表す３次元モデルをコンピュータが生成する３次元モデル生成方法であって、
    　前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データにより構成された第１の画像データセットであって、少なくとも前記第１の骨が映されている第１の画像データセットに基づいて、前記第１の骨の３次元形状を表す第１の３次元モデルを生成する第１工程と、
    　前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データにより構成された第２の画像データセットであって、少なくとも前記第１の関節軟骨と前記第２の関節軟骨とが互いに離間して映されている第２の画像データセットに基づいて、前記第１の関節軟骨の３次元形状を表す第２の３次元モデルを生成する第２工程と、
    　前記第１の３次元モデル及び前記第２の３次元モデルに基づいて、前記第１の骨の３次元形状及び前記第１の関節軟骨の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデルを生成する第３工程と、を含む
    ことを特徴とする３次元モデル生成方法。
  2. 　前記第２の画像データセットは、前記第１の関節軟骨及び前記第２の関節軟骨が離間する方向に前記第１の骨及び前記第２の骨の各々を牽引した状態の前記関節を、核磁気共鳴映像法を用いて撮影することによって得られたものである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の３次元モデル生成方法。
  3. 　前記第２工程は、前記複数の第２の画像データの各々のＭＲＩ値に基づいて、前記第１の関節軟骨を表す領域を抽出し、当該第１の関節軟骨を表す領域に基づいて、前記第２の３次元モデルを生成する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の３次元モデル生成方法。
  4. 　前記第１の画像データセットは、前記関節を、コンピュータ断層撮影法を用いて撮影することによって得られたものである、
    ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の３次元モデル生成方法。
  5. 　前記第２の画像データセットには、前記第１の関節軟骨とともに前記第１の骨が映されており、
    　前記第２の画像データセットに基づいて前記第１の骨の３次元形状を表す第４の３次元モデルを生成する第４工程をさらに含み、
    　前記第３工程は、前記第１の３次元モデルが表す３次元形状と前記第４の３次元モデルが表す３次元形状とを照合し、前記第１の３次元モデルに含まれる前記第１の骨を表す領域と、前記第４の３次元モデルに含まれる前記第１の骨を表す領域とを重ねることにより、前記第３の３次元モデルを生成する、
    ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の３次元モデル生成方法。
  6. 　前記第３の３次元モデルが表す３次元形状を、視点を変更可能に表示装置に表示する第５工程をさらに含む、
    　ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の３次元モデル生成方法。
  7. 　前記第５工程において表示装置に表示された前記第３の３次元モデルが表す３次元形状に対して、ユーザの入力操作に基づく加工を行う第６工程をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項６に記載の３次元モデル生成方法。
  8. 　その一部の表面上に第１の関節軟骨が形成された第１の骨と、その一部の表面上に第２の関節軟骨が形成された第２の骨とを含む関節の３次元形状を表す３次元モデルを生成する３次元モデル生成装置であって、
    　前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第１の画像データにより構成された第１の画像データセットであって、少なくとも前記第１の骨が映されている第１の画像データセットに基づいて、前記第１の骨の３次元形状を表す第１の３次元モデルを生成するする第１生成部と、
    　前記関節における複数の断面画像の各々をそれぞれが表す複数の第２の画像データにより構成された第２の画像データセットであって、少なくとも前記第１の関節軟骨と前記第２の関節軟骨とが互いに離間して映されている第２の画像データセットに基づいて、前記第１の関節軟骨の３次元形状を表す第２の３次元モデルを生成する第２生成部と、
    　前記第１の３次元モデル及び前記第２の３次元モデルに基づいて、前記第１の骨の３次元形状及び前記第１の関節軟骨の３次元形状を組み合わせた第３の３次元モデルを生成する第３生成部と、を備えている、
    ことを特徴とする３次元モデル生成装置。
  9. 　ネットワークを介して第１の装置及び第２の装置と接続される通信インタフェースをさらに備え、
    　前記第１の画像データセット及び前記第２の画像データセットのうち少なくとも何れか一方を、前記通信インタフェースを介して前記第１の装置から取得し、
    　前記第３の３次元モデルを表す第３の画像データセットを、前記通信インタフェースを介して前記第２の装置に対して出力する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の３次元モデル生成装置。
  10. 　請求項８又は９に記載の３次元モデル生成装置としてコンピュータを機能させるための３次元モデル生成プログラムであって、前記第１生成部、前記第２生成部及び前記第３生成部としてコンピュータを機能させるための３次元モデルプログラム。
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