JP4264067B2 - ボリュームデータセット内に撮像された対象の表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボリュームデータセット内に撮像された対象の表示方法に関する。

特に、現代の医用画像化装置により撮影された画像は比較的高い分解能を有するので、それらの医用画像化装置により増強された３Ｄ画像（ボリュームデータセット）が形成される。医用画像化装置は例えば超音波装置、コンピュータ断層撮影装置、磁気共鳴装置、Ｘ線装置またはＰＥＴスキャナである。更に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置またはＸ線装置がかなり頻繁に使用される。というのはこの装置により生物が検査中に曝されている放射線負担が減少したからである。しかしながら、ボリュームデータセットは従来の２次元画像の画像データセットよりも大きなデータ量を有し、このためにボリュームデータセットの評価は比較的時間がかかる。ボリュームデータセットの本来の取得は現在のところ約３０秒続き、ボリュームデータセットの選別および処理のためにはしばしば半時間かそれよりも多く必要である。従って、自動的な識別および処理方法がどうしても必要であり歓迎される。

２０００年頃まではコンピュータ断層撮影（ＣＴ）においては、ほとんど、アキシャル断層スタック（断層画像）に基づいて診断するか、少なくとも所見のために主として断層画像に基づいて方針決定するのが普通のことにすぎなかった。１９９５年頃からコンピュータの計算パワーのおかげで所見調査コンソールでの３Ｄ表示が広まった。しかし、それらの３Ｄ表示は当初はどちらかといえば学問的または補足的な意義を持っていた。更に、医師に診断を容易にさせるために、主として３Ｄ可視化の４つの基本的な方法が開発された。

１．多断面変換表示（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｌａｎａｒ Ｒｅｆｏｒｍａｔｔｉｎｇ；ＭＰＲ）：
これは、例えば元の水平な断層とは異なる方位におけるボリュームデータセットの再編成にほかならない。特に、直交ＭＰＲ（元の座標軸の１つに対してそれぞれ垂直な３つのＭＰＲ）と、自由ＭＰＲ（導き出された＝補間された傾斜断面）と、曲面ＭＰＲ（生物体の画像を通過する任意の経路に対して平行な断面表示、そして例えば経路が描かれたＭＰＲに対して垂直な断面表示）とが区別される。

２．陰影付き表面表示法（Ｓｈａｄｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＳＳＤ）：
撮像のグレー値（例えば、ＣＴ値）への指向および手動の補助編集によって強く影響されたボリュームデータセットのセグメント化および切り取った対象の表面の表示。

３．最大値投影表示法（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ；ＭＩＰ）：
各視線に沿った最高強度の表示。いわゆる薄いＭＩＰにおいて部分ボリュームのみが表示される。

４．ボリュームレンダリング（Ｖｏｌｕｍｅ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ；ＶＲ）：
これは、Ｘ線と同じように対象中に侵入するかまたは対象から抜け出す視線に基づくモデル化と理解すべきである。それによって、撮像された対象の深さ全体が〈部分的に透けて見えて〉検出される。しかしながら、小さいとりわけ薄いスライスで表示された対象の細部が失われる。表示は手動によりいわゆる伝達関数（カラールックアップテーブル）の調整によって特徴を与えられる。照射に対する勾配貢献および方向を記憶し表示の際に用いる他の記憶領域が使用されることによって、照射効果を追加することができる。

しかしながら、公知の方法の欠点は、特に比較的大きなボリュームデータセットが存在する場合に、比較的細かい構造の不十分な表示にある。公知の方法の別の欠点は、その都度３Ｄブロック全体が固定の関係でしか表示されないことにある。

本発明の課題は、特に比較的大きなボリュームデータ内に撮像された比較的細かい構造の対象を表示する方法を提供することにある。

本発明の課題は、第１のボリュームデータセット内に撮像された対象の表示方法において、
第１のボリュームデータセットのボリューム要素が、第１のボリュームデータセットの中を通る主観察方向に対して平行に、深さに依存して変調および／またはコード化されることによって、第２のボリュームデータセットが形成され、
第２のボリュームデータセットにボリュームレンダリングが適用され、
ボリュームレンダリングのための伝達関数が斜めに切られた棒の形を有し、
斜めに切られた棒の変化範囲が第２のボリュームデータセットの深さに対応する
ことによって解決される。

本発明による方法の狙いおよび対象は、第１のボリュームデータセット内に撮像された対象の特別なセグメント化なしにボリュームレンダリングの更なる発展によって、撮像された対象の全深さを通る連続的な３Ｄ表示を得ることにある。第１のボリュームデータセットは、例えばコンピュータ断層撮影装置または磁気共鳴装置により、一般的にはボリュームデータセットの作成に適した画像化装置により作成することができる。

付加的に、本発明によれば、深さ陰影付けによって同時に、撮像された対象の空間的および立体的な印象が得られる。このために、本発明によれば、とりわけ第１のボリュームデータセットにおける全てのボリュームデータセット（ＣＴの場合にはハンスフィールド値でのボリュームデータセット）が主観察方向において深さに依存して変調もしくはコード化され記憶されることによって、第１のボリュームデータセットから第２のボリュームデータセットが作成され、第２のボリュームデータセットに公知のボリュームレンダリングが適用される。ボリュームレンダリングは、例えば「フォーリー（Ｆｏｌｅｙ ｅｔ ａｌ．）ほか著、コンピュータグラフィック：原理と実際（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ）、第２版、アディソン・ウェズリー（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ）、１９９０年、１０３４−１０３９頁」に記載されている。例えば、いわゆるアルファブレンドとの協働作用で一方では深さ陰影付けの意図に沿って立体３Ｄ印象が改善される。

アルファ値は表示された対象の透明度もしくは暗度を決定し、ボリュームデータのそれぞれのあり得る値について定められる。他方では、その都度表示された深さ範囲についての連続的な選択可能性がもたらされる。これはありきたりのことではない。なぜならば、例えばコンピュータ断層撮影においては幅広いスペクトルの測定値が存在するからである。撮像された対象は例えば生物体である。強く不透明に調整されたアルファを有する撮像された生物体の更に背後における定められた濃度の造影剤または骨（脊柱）は、その前にある対象が限定的にのみ広がり且つ視線に沿って不透明でなく（＝透明に）調整されたアルファを有する場合には、観察者の注視方向（視線）に関して依然として前方に輝いて見える。この矛盾は従来のボリュームレンダリングでは解決されない。（視線に沿った）遮蔽線において本来は常に１つの対象だけが完全に明白に表示可能であり、他の対象の表示への切換えは浪費と画像印象の激しい変化を意味する。

本発明による方法は、今や、深さ選択によって特にリアルタイムで全ての部分対象（器官）を印象全体の変化なしに完全なコントラストおよび深さ陰影付けで表示することの可能性を提供する。ボリュームデータセットにいわば主観察方向における他のアルファがアルファブレンドの指数関数的減衰とは異なる他の慣性により影響を与え、第１のボリュームデータセット（ＣＴの場合には例えばハンスフィールド値でのボリュームデータセット）における濃度変調の維持に合わせられる。これは、撮像された部分対象に局所的に深さ陰影付け、すなわち前方から後方へ向けて縁辺における陰影形成がもたらされ、それによって全ての部分対象が立体的に現われるように調整される。

例えばスクロールバーによりどの深さ範囲が表示されるべきかを連続的に調整することができ、スクロールバーは変調もしくはコード化されたボリュームデータセットの値スケール上を移動される伝達関数の部分範囲に作用する。この場合に、表示の更新を特にリアルタイムで行ない得ることは新規である。なぜならば、ボリュームデータが既に前もって適切に変調もしくはコード化されてディスプレイメモリ、例えば市販のグラフィックスカードに格納されているからである。この調整は写真技術における焦点深度の調整と同じである。しかしながら、写真技術の焦点深度に比べて、ここでは前方および後方の縁辺を例えば矩形の伝達関数により著しく精密に規定することができ、これはとりわけ観察者にとって視界障害を完全に除くために重要である。

メモリ内に第２のボリュームデータセットの形でボリュームをコード化もしくは変調して格納することにより、伝達関数は、最も簡単なケースでは、深さ陰影付けが前方から後方へ向けて望まれる場合には例えば観察者に関して後方に向けて低下するランプ関数として、あるいは本発明の実施例のように後方に向けて低下する斜めに切られた上端を有する変調された矩形または棒の形で現れる。伝達関数は本発明による方法の変形に従ってルックアップテーブル内に格納される。

スクロールバー、マウスまたはその他の制御手段の代わりに、深さ調整を、本発明による方法の他の変形に従って設けられているようなナビゲーションシステムにより行なうこともできる。この場合には、通常のボリュームレンダリングにおけるようなビューポイントおよびパースペクティブも、現在表示すべきボリュームデータの選択もナビゲーションのリアルタイムで調整される。これは閉じている撮像された対象の全ボリュームデータを通るフライスルー（Ｆｌｙ−Ｔｈｒｏｕｇｈ）を可能にする。これまでに知られている方法はこれを、データにおける選択（ＭＩＰ値、最大値のみ、しかしボリューム全体）によって、事前セグメント化につながる空洞を通る特別な経路の選択（本来のフライスルー）によって、または高価な事前計算（セグメント化、カラー化、本来の再度のデータ選択）よって可能にする。

撮像された対象の表示をとりわけ表示速度に関してより一層改善することは、本発明による方法の実施態様によれば、付加的にいわゆる「テクスチャマッピング（ｔｅｘｔｕｒｅ ｍａｐｐｉｎｇ）」が、特にシアーワープ（Ｓｈｅａｒ−Ｗａｒｐ）法に基いて行なわれ、第１のボリュームデータセットおよび／または第２のボリュームデータセットのボリューム要素が補間され、第１のボリュームデータセットおよび／または第２のボリュームデータセットがフィルタ処理され、および／または、第１のボリュームデータセットのフィルタ処理結果および／または第２のボリュームデータセットのフィルタ処理結果が一時記憶される場合に達成される。

実施例が添付図面において例示されている。
図１はコンピュータ断層撮影装置を示し、
図２はコンピュータ断層撮影装置により取得され仮想視線を有する第一のボリュームデータセットを示し、
図３は図２に示されたボリュームデータセットから作成された第２のボリュームデータセットを示し、
図４は伝達関数のグラフを示し、
図５は本発明による方法により作成された表示を示す。

図１はＸ線源１を備えたコンピュータ断層撮影装置を示し、Ｘ線源１からピラミッド状のＸ線ビーム２が出射し、これの境界ビームが図１に鎖線で示されている。Ｘ線ビーム２は、検査対象、例えば患者３を透過し、Ｘ線検出器４に入射する。Ｘ線源１およびＸ線検出器４は、本実施例では、リング状のガントリ５に互いに対向配置されている。ガントリ５は、リング状のガントリ５の中心点を通るシステム軸線６に対して、図１に図示されていない保持装置に回転可能に支持されている（矢印ａ参照）。

患者３は本実施例ではＸ線透過テーブル７上に横たわっている。このテーブル７は図１に同様に示されていない支持装置によりシステム軸線６に沿って移動可能に支持されている（矢印ｂ参照）。

従って、Ｘ線源１およびＸ線検出器４は、システム軸線６に対して回転可能であり且つシステム軸線６に沿って患者３に対して相対的に移動可能である測定システムを形成しているので、患者３は種々の投影角のもとに且つシステム軸線６に関する種々の位置で照射される。この際に発生するＸ線検出器４の出力信号からデータ収集システム９が測定値を形成し、この測定値がコンピュータ１１に導かれる。コンピュータ１１は当業者に知られている方法により患者３の画像を算出し、更に画像がコンピュータ１１に接続されたモニタ１２において再生される。本実施例の場合、データ収集システム９は、図示されていない手段で例えばスリップリングシステムまたは無線伝送区間を含む電気導線８によりＸ線検出器４に接続され、且つ電気導線１０によりコンピュータ１１に接続されている。

図１に示されたコンピュータ断層撮影装置は順次走査としてもスパイラル走査としても使用可能である。

順次走査の場合には患者３のスライスごとの走査が行なわれる。この場合にはＸ線源１およびＸ線検出器４がシステム軸線６を中心に患者３の周りを回転し、患者３の２次元スライスを走査するために、Ｘ線源１とＸ線検出器４とを含む測定システムが多数の投影を撮影する。その際に得られた測定値から、走査されたスライスを表示する断層画像が再構成される。相前後するスライスの走査の間に患者３がその都度システム軸線６に沿って移動される。この経過は全ての関心スライスの捕捉が完了するまで繰り返される。

スパイラル走査中には、Ｘ線源１とＸ線検出器４とを含む測定システムはシステム軸線６を中心にして回転し且つテーブル７が連続的に矢印ｂの方向に移動する。すなわちＸ線源１とＸ線検出器４とを含む測定システムは、患者３の関心領域が完全に捕捉されるまでの間スパイラル軌道ｃ上を連続的に移動する。その際にボリュームデータセットが発生され、ボリュームデータセットは、本実施例の場合、医用技術においては通常に用いられるＤＩＣＯＭ標準に従ってコード化されている。

本実施例では、図１に示されたコンピュータ断層撮影装置により、多数の相前後する断層画像からなる患者３の腹部ボリュームデータセットが、５１２×５１２マトリックスの約５００のＣＴスライス（断層画像）により形成される。

ボリュームデータセットは、例えば最小侵襲外科／腹腔内視法への適用のために、テーブル７に平行なスライスとして解釈される。このスライス方位（コロナル）は、一般に患者３の腹壁に対してほぼ垂直方向に眺める医師（図１に示されていない）の注視方向に対してほぼ直角である。このスライスは、本実施例の場合、テクスチャまたは補間マルチテクスチャとして解釈され、シアーワープ（Ｓｈｅａｒ−Ｗａｒｐ）法に従って計算されて３Ｄ表示を形成する（ボリュームレンダリングの公知事例）。これから生じるボリュームデータセット２０が図２に概略的に示されている。医師の注視方向から出発してボリュームデータセット２０内に走り込む仮想視線２１が図２に破線で示されている。本来のボリュームデータセットの座標軸であり操作者の好ましい観察方向において視線２１に対して最小の角度を有する、つまり優先方向において視線２１に対して最も平行に近い方向に延びる座標軸が、主観察方向２２として示されている。上述の方法は、この例におけるように大きなデータセットのためのこの１つの優先方向により、横方向または上下方向に約＋−８０°までの注視方向の偏りに対しても比較的良好に機能する。改善された表示のために、＋−４５°で、例えば第一の方位に対して垂直な方位（アキシャルまたはサジタル）にあるスライスに切換えが行なわれる。基本的には３Ｄデータが本実施例では白黒表示を含めたカラールックアップモードについて記憶される。これは比較的大きなデータセットにとって、一方では最小メモリ要求（例えば３Ｄにおいて８ビット、ディスプレイについてのみ例えば３２ビット）を意味し、他方では表示をルックアップテーブルの変更によってリアルタイムで変更もしくは調整することできることを意味する。

本発明によれば、表示制御がルックアップテーブルを介して陰影付けおよび深さ情報に関係付けられている。このために、本実施例では、ボリュームデータセット２０のボリューム要素２３がボクセルごとに縁辺に平行な主観察方向に沿った深さ値および可能な他のフィルタ応答により変調され、この一度だけの前処理によりコード化されてコンピュータ１１のグラフィックスカード１３の作業メモリ内に記憶されることによって、図３に示された第２のボリュームデータセット３０が形成される。

ボリュームデータセット２０の個々のボリューム要素２３の変調は、本実施例の場合に主観察方向２２に沿って行なわれ、しかも、ボリュームデータセット２０において観察者の視点から主観察方向２２に沿って遠くに離れているボリューム要素２３の（ＣＴ値、例えばハンスフィールド値における）グレー値が、観察者の近くにあるボリューム要素２３のグレー値よりも小さい係数で計算されるように行なわれる。

引続いて、第２のボリュームデータセット３０が、リアルタイムでの表示の場合にはその他のボリュームレンダリングに対してできれば変調されたアルファ値により計算されルックアップテーブル（伝達関数）の協働作用のもとに表示される。

伝達関数は本実施例の場合図４に概略的に示されているように斜めに切られた棒４０の形を有する。ボリュームデータセット３０でのコード化および伝達関数の数式化は、斜めに切られた棒４０の変化範囲がボリュームデータセット３０の深さに対応し、データセット３０におけるボリューム要素の大きなカラーもしくはグレー範囲全体（８ビットの場合、例えば２５６の要素）が描出できるように行なわれる。第２のボリュームデータセット３０の深さは軸３１により表示される。

３Ｄ画像のリアルタイム発生において、第２のボリュームデータセット３０のコード化された各スライス（テクスチャ）は、中心視線２１による現在の透視画像に対応するようにゆがめられ、最終的に上述のブレンディングアルファとの掛算後にアキュムレータテクスチャにおいて加算される。本実施例の場合、グラフィックスカード１３におけるリアルタイム補間も使用される。

グラフィックスカード１３におけるアキュムレータメモリ、例えばディスプレイバッファは、全てのコード化および計算により、図２に示された元のボリュームデータセット２０の１つ又は複数の深さ範囲が表示されている、陰影を付けられ必要に応じて縁辺強調された３Ｄ画像を含んでいる。所望の深さの測定はルックアップテーブルの相応の調整によって行なわれる。細かくされた非線形のコード化は、例えば少なからぬ場合において骨（肋骨）のような関心のない構造をなおも明白に分離また減殺するために行なわれてもよい。このような特別なコーディングは、測定値のスケールの与えられた状況において、本実施例では、ボリュームデータセット２０における個々のボリューム要素のハンスフィールド値を指向される。

ルックアップテーブル（伝達関数）の値は例えば次のように設けられる。斜めに切られた矩形が、約１３６ｍｍ〜１２０ｍｍの深さ範囲において、ルックアップ関数のために相応の位置１３６〜１２０に延びている。純粋なグレー値コード化の場合、位置１３６にディスプレイカラー値「２５５，２５５，２５５」があり、例えば位置１２０の値「５０，５０，５０」まで低下する。これは、例えば対象表面の側面図においてさらに背後にある表面ボリューム要素がアルファ積分でさらに前方にあるボリュームデータセットよりも平均的により暗く表示され、それにより立体的なもしくは強められた空間的効果が生じることによって、ボリュームデータセットにおける深さコード化を強める。

計算全体は、例えばスクロールバーまたはマウス移動によって開始させられるか、あるいは図１に詳しくは示されていないがしかし当業者には一般的に知られているナビゲーションシステムの位置座標および方位座標の更新によって連続的に行なわれるので、例えば、現在のところ入手可能な標準グラフィックスカードにより、１秒当たり１５レンダリングが達成される。

本発明による方法により作成される表示は図５に画像５０の形で例示されている。

ボリュームデータセット２０は本実施例の場合コンピュータ断層撮影装置により作成され、コンピュータ断層撮影装置により撮影された多数の相前後する断層画像の形で存在する。しかし、ボリュームデータセット２０は、特に磁気共鳴装置、Ｘ線装置、超音波装置あるいはＰＥＴスキャナの如き他の画像化装置によって作成することもできる。ボリュームデータセット２０はコンピュータ断層撮影装置により撮影された多数の相前後する断層画像の形で存在しなければならないというわけではない。

本発明による方法は撮像された技術的な対象にも使用することができる。

実施例は同様に典型的な例にすぎない。

コンピュータ断層撮影装置を示す概略図 コンピュータ断層撮影装置により取得され仮想視線を有する第１のボリュームデータセットを示す図 図２に示されたボリュームデータセットから作成された第２のボリュームデータセットを示す図 伝達関数を示すグラフ 本発明による方法により作成された表示を示す図

符号の説明

１ Ｘ線源
２ Ｘ線ビーム
３ 患者
４ Ｘ線検出器
５ ガントリ
６ システム軸線
７ Ｘ線透過テーブル
８ 電気導線
９ データ収集システム
１０ 電気導線
１１ コンピュータ
１２ モニタ
２０ ボリュームデータセット
２１ 仮想視線
２２ 主観察方向
２３ ボリューム要素
３０ ボリュームデータセット
３１ 軸
４０ 斜めに切られた棒
５０ 画像

Claims (11)

1. 第１のボリュームデータセット（２０）内に撮像された対象（３）の表示方法において、
   第１のボリュームデータセット（２０）のボリューム要素（２３）が、第１のボリュームデータセット（２０）の中を通る主観察方向（２２）に対して平行に、深さに依存して変調および／またはコード化されることによって、第２のボリュームデータセット（３０）が形成され、
   第２のボリュームデータセット（３０）にボリュームレンダリングが適用され、
   ボリュームレンダリングのための伝達関数が斜めに切られた棒（４０）の形を有し、
   斜めに切られた棒（４０）の変化範囲が第２のボリュームデータセット（３０）の深さに対応する
   ことを特徴とするボリュームデータセット内に撮像された対象の表示方法。
2. 深さに依存した３Ｄ表示の制御のために伝達関数が使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 伝達関数がルックアップテーブルに格納されていることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ボリュームレンダリングがナビゲーションシステムにより制御されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. ボリュームレンダリングがコンピュータ入力装置により手動制御されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 付加的にいわゆる「テクスチャマッピング」が、特にシアーワープ法に従って且つできればいわゆるマルチテクスチャにより行なわれることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 「テクスチャマッピング」がグラフィックスカード（１３）のハードウェアにより行なわれることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 第１のボリュームデータセット（２０）および／または第２のボリュームデータセット（３０）のボリューム要素（２３）が補間されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 第１のボリュームデータセット（２０）および／または第２のボリュームデータセット（３０）がフィルタ処理されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 第１のボリュームデータセット（２０）のフィルタ処理結果および／または第２のボリュームデータセット（３０）のフィルタ処理結果が一時記憶されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 事前にセグメント化された部分対象が、周囲の適切な彩色により前記ボリュームレンダリングの他の対象から照らし出されナビゲーションシステムにより的確に制御可能であるように、ルックアップテーブルの特別に確保された範囲に相当するカラー値とともに記憶されることを特徴とする請求項４乃至１０の１つに記載の方法。

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