(57)【要約】  本発明は、経頭蓋磁気刺激療法の実施において患者の負担及び施術者の煩わしさを軽減する上で有用な画像データ処理装置、及びかかる画像データ処理装置を利用した経頭蓋磁気刺激装置を提供するもので、画像データ処理装置は、予め撮影された被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を保存する保存手段と、被験者頭部の３次元外観画像を生成する３次元外観画像生成手段と、３次元ＭＲＩ画像と３次元外観画像とを位置合わせし、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成する画像生成手段と、被験者頭部が移動した際に、位置合わせされた移動後の被験者頭部３次元画像を生成する移動後画像生成手段と、被験者頭部３次元ＭＲＩ画像上での特定部位との位置関係を維持すべく移動操作される操作対象物の現在位置を示す操作対象物画像を生成する操作対象物画像生成手段と、移動後の被験者頭部３次元画像と操作対象物画像とを同一画像内に表示する表示手段と、を備える。
2012121341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め撮影された被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を保存する保存手段と、
前記被験者頭部の３次元外観画像を生成する３次元外観画像生成手段と、
前記３次元ＭＲＩ画像と前記３次元外観画像とを位置合わせし、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成する画像生成手段と、
被験者頭部が移動した際に、前記位置合わせされた移動後の被験者頭部３次元画像を生成する移動後画像生成手段と、
前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像上での特定部位との位置関係を維持すべく移動操作される操作対象物の現在位置を示す操作対象物画像を生成する操作対象物画像生成手段と、
移動後の前記被験者頭部３次元画像と前記操作対象物画像とを同一画像内に表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする画像データ処理装置。
【請求項２】
被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうための画像データ処理装置であって、
前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が予め決められた閾値以下となるまで、前記各点ａｉを前記回転行列Ｒおよび前記平均移動ベクトルｔで剛体変換し、変換後の各点ａｉについて、前記選択手段による前記各点ｍｉの選択と前記パラメータ決定手段による前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔの決定とを行わせるデータ処理手段と、
を備えることを特徴とする画像データ処理装置。
【請求項３】
前記選択手段は、前記Ｎ個の点ａｉそれぞれについて、前記複数の点ｂｊの中からユークリッド距離が最小である各点ｍｉを選択する、ことを特徴とする請求項２に記載の画像データ処理装置。
【請求項４】
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数１）
【数１】
2012121341.tif 000019
を満足する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の画像データ処理装置。
【請求項５】
被験者の頭部の位置と向きを追跡するための画像データ処理装置であって、
前記被験者頭部の３元外観画像を生成する画像生成手段と、
前記３次元外観画像から、少なくとも一つの特徴領域を抽出して、３次元のテンプレート画像として保存する抽出保存手段と、
被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成する移動後画像生成手段と、
前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、
移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、
を備えることを特徴とする画像データ処理装置。
【請求項６】
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数２）
【数２】
2012121341.tif 000020
を満足し、Ｎは前記特徴領域に含まれる点である特徴点の数であって２以上の数、ｘｉは被験者頭部の移動前における前記被験者頭部３次元画像の特徴領域に含まれる前記各特徴点の３次元位置、ｙｉは被験者頭部の移動後における前記被験者頭部３次元画像の特徴領域に含まれる前記各特徴点の３次元位置、ｗｉは前記各特徴点の重み付け係数である、ことを特徴とする請求項５に記載の画像データ処理装置。
【請求項７】
前記被験者頭部の３次元外観画像は、複数の視点から撮影した画像の視差を利用して生成される、ことを特徴とする請求項１から６の何れか一に記載の画像データ処理装置。
【請求項８】
前記被験者頭部の３次元外観画像は、１つの視点から光または超音波の到達時間を利用して生成される、ことを特徴とする請求項１から６の何れか一に記載の画像データ処理装置。
【請求項９】
前記操作対象物に対する、前記３次元外観画像生成手段の被験者頭部を撮影する撮像手段の相対的な位置及び姿勢が固定されている、ことを特徴とする請求項１から８の何れか一に記載の画像データ処理装置。
【請求項１０】
被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、
操作に応じて位置および姿勢を変更可能に構成された前記磁場発生手段と、
予め撮影された被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を保存する保存手段と、
前記被験者頭部の３次元外観画像を生成する３次元外観画像生成手段と、
前記３次元ＭＲＩ画像と前記３次元外観画像とを位置合わせし、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成する画像生成手段と、
被験者頭部が移動した際に、前記位置合わせされた移動後の被験者頭部３次元画像を生成する移動後画像生成手段と、
前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像上での特定部位との位置関係を維持すべく操作される前記磁場発生手段の現在位置を示す磁場発生手段画像を生成する磁場発生手段画像生成手段と、
移動後の前記被験者頭部３次元画像と前記磁場発生手段画像とを同一画像内に表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１１】
被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、
被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうための画像データ処理装置を有し、該画像データ処理装置は、
前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が予め決められた閾値以下となるまで、前記各点ａｉを前記回転行列Ｒおよび前記平均移動ベクトルｔで剛体変換し、変換後の各点ａｉについて、前記選択手段による前記各点ｍｉの選択と前記パラメータ決定手段による前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔの決定とを行わせるデータ処理手段と、
を備えることを特徴とする経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１２】
前記選択手段は、前記Ｎ個の点ａｉそれぞれについて、前記複数の点ｂｊの中からユークリッド距離が最小である各点ｍｉを選択する、ことを特徴とする請求項１１に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１３】
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数３）
【数３】
2012121341.tif 000021
を満足する、ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１４】
被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、
被験者の頭部の位置と向きを追跡するための画像データ処理装置を有し、該画像データ処理装置は、
前記被験者頭部の３元外観画像を生成する画像生成手段と、
前記３次元外観画像から、少なくとも一つの特徴領域を抽出して、３次元のテンプレート画像として保存する抽出保存手段と、
被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成する移動後画像生成手段と、
前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、
移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、
を備えている、ことを特徴とする経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１５】
前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数４）
【数４】
2012121341.tif 000022
を満足し、Ｎは前記特徴領域に含まれる点である特徴点の数であって２以上の数、ｘｉは被験者頭部の移動前における前記被験者頭部３次元画像の特徴領域に含まれる前記各特徴点の３次元位置、ｙｉは被験者頭部の移動後における前記被験者頭部３次元画像の特徴領域に含まれる前記各特徴点の３次元位置、ｗｉは前記各特徴点の重み付け係数である、ことを特徴とする請求項１４に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１６】
前記被験者頭部の３次元外観画像は、複数の視点から撮影した画像の視差を利用して３次元画像を生成するよう構成されている、ことを特徴とする請求項１０から１５の何れか一に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１７】
前記被験者頭部の３次元外観画像は、１つの視点から光または超音波の到達時間を利用して生成される、ことを特徴とする請求項１０から１５の何れか一に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【請求項１８】
前記磁場発生手段に対する、前記３次元外観画像生成手段の被験者頭部を撮影する撮像手段の相対的な位置及び姿勢が固定されている、ことを特徴とする請求項１０〜１７の何れか一に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像データ処理装置、及びかかる画像データ処理装置を利用した経頭蓋磁気刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薬物治療が必ずしも有効でない数多くの神経疾患患者に対する治療法として、経頭蓋磁気刺激療法への関心が高まっている。この経頭蓋磁気刺激療法は、患者の頭皮表面に配置した磁場発生源により脳の特定部位（例えば、脳内神経）に磁気刺激を加えることによって、治療及び／又は症状の緩和を図ることができる比較的新しい治療法であり、開頭手術が必要で患者の抵抗感が非常に強い留置電極を用いる従来の電気刺激法とは違って、非侵襲的で患者への負担が少なくて済む治療法として普及が期待されている。【０００３】
かかる経頭蓋磁気刺激療法の具体的な手法としては、患者の頭皮表面近傍に位置したコイルに電流を流して、局所的に微小なパルス磁場を生じさせ、電磁誘導の原理を利用して頭蓋内に渦電流を起こすことにより、コイル直下の脳内神経に刺激を与える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１においては、かかる方法で施した経頭蓋磁気刺激治療により難治性の神経障害性疼痛が有効に軽減され、更に、より正確な局所刺激がより高い疼痛軽減効果を実現することが確認されている。但し、最適刺激部位は個々の患者によって微妙に異なることも明らかにされている。【０００４】
従って、経頭蓋磁気刺激療法によるより高い効果を得るためには、個々の患者毎に、患者頭部の最適刺激部位を如何にして特定するか、すなわち患者頭部に対する治療用コイルの正確な３次元の位置決めを如何にして行うかが重要である。尚、治療用コイルの位置が同じでも、その方位（姿勢）によって得られる効果に差が生じることも知られている。
かかる治療用コイルの位置決めについては、例えば赤外線を用いた光学式トラッキングシステムを利用して患者頭部に対する治療用コイルの位置決めを行う構成のものが公知であり（例えば、特許文献２，３参照）、既に一部には市販され臨床応用されている。【０００５】
上述のように、経頭蓋磁気刺激療法で疼痛軽減効果を得るためには、患者頭部の最適刺激部位を特定し正確に脳内神経に刺激を与えなければならない。頭蓋内に存在する脳は、外側から正確な位置を把握することは難しいが、頭部ＭＲＩ画像（Magnetic Resonance Imaging）の３次元情報を用いることで、その位置を正確に把握することができる。経頭蓋磁気刺激療法の施術者（医師等）は、ＭＲＩ画像により得られた頭蓋内の３次元情報を参照しながら、光学式トラッキングシステムによる位置決め機能を利用して、患者頭部の最適刺激部位に治療用コイルを導き正確に磁気刺激を与えることが可能である。【０００６】
このように経頭蓋磁気刺激療法において光学式トラッキングシステムを用いる場合、従来では、患者頭部と関連付けられた固定位置（例えば、患者が横たわるベッド）と治療用コイルとに赤外線反射マーカを設置しておき、これらマーカを検出して得られる両者の位置関係から治療用コイルの現在位置を推定し、ＭＲＩ画像により得られた頭蓋内の３次元情報を参照しながら、患者頭部の最適刺激部位に治療用コイルを導くようにしている。従って、患者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが求められることになる。このため、患者頭部をベッドに対して固定した状態で、キャリブレーション用マーカを用いて目，耳，鼻などを指定することで、ＭＲＩ画像との正確な位置合わせが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１２３１４７号
【特許文献２】特開２００３−１８０６４９号公報
【特許文献３】特開２００４−０００６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の方法では、キャリブレーションを行った後に、患者がその頭部の位置及び／又は姿勢を変化させると、患者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが損なわれることになる。従って、患者は、キャリブレーションを行った後は磁気刺激治療を終えるまでは身動きすることが許されず、このことが、患者にとって非常に大きな負担になっていた。また、従来では、磁気刺激治療に先立って前述のキャリブレーションを行う必要があり、施術者にとって煩わしいという難点もあった。【０００９】
この発明は、かかる実情に鑑み、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、患者の負担および施術者の煩わしさを軽減する上で有用な画像データ処理方法、及びかかる画像データ処理方法を利用した経頭蓋磁気刺激装置を提供することを、基本的な目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本願の第１の発明に係る画像データ処理装置は、ａ）予め撮影された被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を保存する保存手段と、ｂ）前記被験者頭部の３次元外観画像を生成する３次元外観画像生成手段と、ｃ）前記３次元ＭＲＩ画像と前記３次元外観画像とを位置合わせし、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成する画像生成手段と、ｄ）被験者頭部が移動した際に、前記位置合わせされた移動後の被験者頭部３次元画像を生成する移動後画像生成手段と、ｅ）前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像上での特定部位との位置関係を維持すべく移動操作される操作対象物の現在位置を示す操作対象物画像を生成する操作対象物画像生成手段と、ｆ）移動後の前記被験者頭部３次元画像と前記操作対象物画像とを同一画像内に表示する表示手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００１１】
また、本願の第２の発明に係る画像データ処理装置は、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうための画像データ処理装置であって、ａ）前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、ｂ）前記選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、ｃ）前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が予め決められた閾値以下となるまで、前記各点ａｉを前記回転行列Ｒおよび前記平均移動ベクトルｔで剛体変換し、変換後の各点ａｉについて、前記選択手段による前記各点ｍｉの選択と前記パラメータ決定手段による前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔの決定とを行わせるデータ処理手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００１２】
この場合において、前記選択手段は、前記Ｎ個の点ａｉそれぞれについて、前記複数の点ｂｊの中からユークリッド距離が最小である各点ｍｉを選択するようにしてもよい。【００１３】
以上の場合において、前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数１）を満足するものであってもよい。
【数１】
2012121341.tif 000003
【００１４】
更に、本願の第３の発明に係る画像データ処理装置は、被験者の頭部の位置と向きを追跡するための画像データ処理装置であって、ａ）前記被験者頭部の３元外観画像を生成する画像生成手段と、ｂ）前記３次元外観画像から、少なくとも一つの特徴領域を抽出して、３次元のテンプレート画像として保存する抽出保存手段と、ｃ）被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成する移動後画像生成手段と、ｄ）前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、ｅ）移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００１５】
この場合において、前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数２）を満足するものであってもよい。ここに、Ｎは前記特徴領域に含まれる点である特徴点の数であって２以上の数であり、ｘｉは前記初期頭部画像に含まれる前記各特徴点の３次元位置であり、ｙｉは前記移動後頭部画像に含まれる前記各特徴点の３次元位置であり、ｗｉは前記各特徴点の重み付け係数である。
【数２】
2012121341.tif 000004
【００１６】
以上の場合において、前記被験者頭部の３次元外観画像は、複数の視点から撮影した画像の視差を利用して生成されるものであってもよく、或いは、１つの視点から光または超音波の到達時間を利用して生成されるものであってもよい。【００１７】
また更に、本願の第４の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、ａ）操作に応じて位置および姿勢を変更可能に構成された前記磁場発生手段と、ｂ）予め撮影された被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を保存する保存手段と、ｃ）前記被験者頭部の３次元外観画像を生成する３次元外観画像生成手段と、ｄ）前記３次元ＭＲＩ画像と前記３次元外観画像とを位置合わせし、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成する画像生成手段と、ｅ）被験者頭部が移動した際に、前記位置合わせされた移動後の被験者頭部３次元画像を生成する移動後画像生成手段と、ｆ）前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像上での特定部位との位置関係に維持すべく操作される前記磁場発生手段の現在位置を示す磁場発生手段画像を生成する磁場発生手段画像生成手段と、ｇ）移動後の前記被験者頭部３次元画像と前記磁場発生手段画像とを同一画像内に表示する表示手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００１８】
また更に、本願の第５の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうための画像データ処理装置を有し、該画像データ処理装置は、ａ）前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、ｂ）前記選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段と、ｃ）前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が予め決められた閾値以下となるまで、前記各点ａｉを前記回転行列Ｒおよび前記平均移動ベクトルｔで剛体変換し、変換後の各点ａｉについて、前記選択手段による前記各点ｍｉの選択と前記パラメータ決定手段による前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔの決定とを行わせるデータ処理手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００１９】
この場合において、前記選択手段は、前記Ｎ個の点ａｉそれぞれについて、前記複数の点ｂｊの中からユークリッド距離が最小である各点ｍｉを選択するようにしてもよい。【００２０】
また、前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数３）を満足するものであってもよい。
【数３】
2012121341.tif 000005
【００２１】
また更に、本願の第６の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、被験者頭部内の特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、被験者の頭部の位置と向きを追跡するための画像データ処理装置を有し、該画像データ処理装置は、ａ）前記被験者頭部の３元外観画像を生成する画像生成手段と、ｂ）前記３次元外観画像から、少なくとも一つの特徴領域を抽出して、３次元のテンプレート画像として保存する抽出保存手段と、ｃ）被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成する移動後画像生成手段と、ｄ）前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、ｅ）移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備える、ことを特徴としたものである。【００２２】
この場合において、前記誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）は、下記の式（数４）を満足するものであってもよい。ここに、Ｎは前記特徴領域に含まれる点である特徴点の数であって２以上の数であり、ｘｉは前記初期頭部画像に含まれる前記各特徴点の３次元位置であり、ｙｉは前記移動後頭部画像に含まれる前記各特徴点の３次元位置であり、ｗｉは前記各特徴点の重み付け係数である。
【数４】
2012121341.tif 000006
【００２３】
以上の経頭蓋磁気刺激装置において、前記被験者頭部の３次元外観画像は、複数の視点から撮影した画像の視差を利用して生成されるものであってもよく、或いは、１つの視点から光または超音波の到達時間を利用して生成されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本願の第１の発明に係る画像データ処理装置によれば、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を被験者頭部の外観画像と位置合わせして、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を生成することにより、被験者頭部をベッドに対して固定した状態でＭＲＩ画像と正確に位置合わせする初期状態でのキャリブレーションを行う際の煩わしさが軽減される。また、前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を前記移動後の被験者頭部の外観画像と位置合わせして、前記初期状態から移動した後の被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像が自動で得られるので、初期状態でのキャリブレーションを行った後に、被験者がその頭部の位置及び／又は姿勢を変化させても、被験者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが損なわれることはなく、被験者の負担を大いに軽減することができる。更に、前記移動後の被験者頭部３次元画像と前記操作対象物画像とが、同一画像内に表示されるので、操作対象物を被験者頭部３次元画像上での特定部位に対し所定の位置関係に導く際の移動操作を、より容易に行えるようになる。【００２５】
また、本願の第２の発明に係る画像データ処理装置によれば、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうに際して、前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、この選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備えたことにより、高速で且つ正確に位置合わせを行なうことができる。【００２６】
更に、本願の第３の発明に係る画像データ処理装置によれば、被験者の頭部の位置と向きを追跡するに際して、被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成し、前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備えたことにより、高速で且つ正確な追跡を行うことができる。【００２７】
また更に、本願の第４の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置によれば、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を被験者頭部の外観画像と位置合わせして、その位置合わせされた被験者頭部３次元画像を記録することにより、被験者頭部をベッドに対して固定した状態でＭＲＩ画像と正確に位置合わせする初期状態でのキャリブレーションを行う際の煩わしさが軽減される。また、前記被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像を前記移動後の被験者頭部の外観画像と位置合わせして、前記初期状態から移動した後の被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像が自動で得られるので、初期状態でのキャリブレーションを行った後に、被験者がその頭部の位置及び／又は姿勢を変化させても、被験者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが損なわれることはなく、被験者の負担を大いに軽減することができる。更に、前記移動後の被験者頭部３次元画像と前記操作対象物画像とが、同一画像内に表示されるので、操作対象物を被験者頭部３次元画像上での特定部位に対し所定の位置関係に導く際の移動操作を、より容易に行えるようになる。【００２８】
また更に、本願の第５の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置によれば、被験者頭部の３次元ＭＲＩ画像である第一の画像と、当該被験者頭部の３次元外観画像である第二の画像との位置合わせを行なうための画像データ処理装置を有しており、該画像データ処理装置は、前記第一の画像に含まれるＮ個の点ａｉそれぞれについて、前記第二の画像に含まれる複数の点ｂｊの中から、予め決められた条件を満足する各点ｍｉを選択する選択手段と、この選択手段により選択された各点ｍｉにおいて、前記第一の画像に含まれる各点から、対応する前記第二の画像に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備えていることにより、前記第一の画像と第二の画像との位置合わせを行なうに際して、高速で且つ正確に位置合わせを行なうことができる。【００２９】
また更に、本願の第６の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置によれば、被験者の頭部の位置と向きを追跡するための画像データ処理装置を有しており、該画像データ処理装置は、被験者頭部が移動した際に、移動後の被験者頭部の３次元外観画像を生成する移動後画像生成手段と、前記移動後の被験者頭部の３次元画像上にて、前記テンプレート画像を移動させ、両画像データの相互の相関が最大となる位置を、移動後の前記特徴領域の位置として決定する特徴領域決定手段と、移動前の前記特徴領域に含まれる各点を、前記移動後の特徴領域に含まれる各点へ剛体変換するためのパラメータとして、回転行列Ｒおよび平行移動ベクトルｔを用いた所定の算出手順から成る誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）の値が最小となるように、前記回転行列Ｒおよび前記平行移動ベクトルｔを決定するパラメータ決定手段とを備えていることにより、被験者の頭部の位置と向きを追跡するに際して、高速で且つ正確な追跡を行うことができる。【００３０】
また、本発明によれば、キャリブレーションなど施術者を必要とする煩雑かつ専門的な作業を割愛し、患者の拘束を緩和することによって、患者自身による在宅での治療が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置の模式的な構成図である。
【図２Ａ】図１の装置を用いて行う磁気刺激治療の流れを説明するためのフローチャートの一部である。
【図２Ｂ】前記磁気刺激治療の流れを説明するためのフローチャートの一部である。
【図３】図１の装置を用いて頭部３次元ＭＲＩ画像と頭部３次元外観画像との位置決めを行なう処理を説明するための図である。
【図４】図１の装置を用いて視差に基づく３次元位置検知を行なう作業を示す図である。
【図５】前記視差に基づく３次元位置検知を行なう際の平行ステレオと計測対象との３次元位置の関係を例示する説明図である。
【図６】図１の装置で用いる３次元空間内の図形の位置あわせ方法を説明するための模式図である。
【図７】前記３次元空間内の図形の位置あわせ方法を説明するための模式図である。
【図８】図１の装置で用いるテンプレートマッチング法を説明するための模式図である。
【図９】前記テンプレートマッチング法を説明するための模式図である。
【図１０】図１の装置で用いる治療用コイルに設けられたマーカを用いてコイルの位置および姿勢を検出する手順を説明する図である。
【図１１】図１の装置が実行する頭部３次元ＭＲＩ画像から顔面の３次元画像を生成する手順を説明する図である。
【図１２】図１の装置が実行するランダムドットパターンを顔面に投射して顔面の位置をより正確に検出する手法を説明するための図である。
【図１３】図１の装置が実行するブロックマッチング並列化処理を説明するための図である。
【図１４】図１の装置の画像表示手段が表示する脳表および治療用コイルが生成する磁束の画像の一例を示す図である。
【図１５】図１の装置を用いた実施例における脳表の３次元表示を説明するための図である。
【図１６】前記実施例におけるテクスチャ画像の作成を説明するための図である。
【図１７】前記テクスチャ画像の一例を示す図である。
【図１８】前記実施例におけるメッシュモデル及び３次元表示モデルの作成を説明するための図である。
【図１９】前記実施例における初期位置合わせ工程の精度評価を説明する図である。
【図２０】前記実施例における初期位置合わせ工程の精度評価を説明する他の図である。
【図２１】前記実施例における顔姿勢追跡の精度評価を説明するグラフである。
【図２２】本発明の他の実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置の模式的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、経頭蓋磁気刺激療法に適用した場合を例にとって、添付図面を参照しながら説明する。尚、本発明に係る画像データ処理装置は、被験者（例えば、患者や検査受検者など）の頭部以外の部位に対し、種々の疾患治療用磁気刺激療法を施す場合にも有効に適用し得るものである。
【００３３】
［経頭蓋磁気刺激装置の構成の概要］
図１は、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置の構成の概要を模式的に示す説明図である。この経頭蓋磁気刺激装置１は、被験者２（例えば、患者や検査受検者など）の頭部２ｈ内の特定部位（最適刺激部位）に磁気刺激を加えて治療を行なうためのものである。
図１に示すように、経頭蓋磁気刺激装置１（以下、適宜、単に「装置」と略称する）は、その主な構成として、画像モニタ部１０，装置本体ユニット２０，磁気刺激コイルユニット３０，ステレオカメラ４０及びプロジェクタ５０を備えている。尚、前記装置１に含まれるステレオカメラ４０は、３次元空間内における対象物の空間座標情報を得るための一例を示したものであり、後で説明するような他の態様により、被験者２の顔や磁気刺激コイルユニット３０の空間座標情報を得るように構成することも可能である。
【００３４】
前記画像モニタ部１０は、ＣＲＴ画面もしくは液晶画面等のモニタ画面を備え、画像情報を表示する機能を有している。パーソナルコンピュータの画像表示部を用いても勿論よい。磁気刺激治療の施術者（不図示）は、画像モニタ部１０に表示された被験者２の３次元ＭＲＩ画像および磁気刺激コイルユニット３０の空間内における位置および姿勢を見て、磁気刺激のための磁束が正しく最適刺激部位に到達するよう磁気刺激コイルユニット３０の位置と姿勢を変えて、適切な磁気刺激治療を行なう。画像モニタ部１０は、磁気刺激コイルユニット３０から照射される磁束に相当する図形（例えば、後述する図１４中の細長い矩形形状参照）を、画面上に表示するようにしてもよい。
【００３５】
装置本体ユニット２０は、以下のような各構成を、一体に、または一部を別体に保持するものであって、保持される各構成は下記のものを含む。尚、これら各構成は説明の便宜上、複数の構成に分けたものであって、実施にあたっては、パーソナルコンピュータに実装された実行ソフトとして実現しても勿論構わない。
装置本体ユニット２０に含まれる画像表示制御部２１は、予め撮影された被験者２の頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像を読み出し可能に保持すると共に、画像モニタ部１０に表示させるべき各種の画像の表示制御を行うものである。尚、前記３次元ＭＲＩ画像は、画像表示制御部２１に付設された若しくは装置本体ユニット２０の外部に付設されたメモリ装置に、読み出し可能に保持されていてもよい。磁気刺激コイル制御部２２は、磁気刺激コイルユニット３０に印加する磁束生成電流のオン／オフおよび電流を制御するものである。また、３次元情報生成部２３は、ステレオカメラ４０から入力される複数（本実施形態では、例えば２つ）の画像の視差を利用して、被験者頭部２ｈおよび磁気刺激コイルユニット３０の空間内における位置および姿勢の情報を生成するとともに、プロジェクタ５０が行なうランダムドットパターン投影動作の制御を行うものである。以上の画像表示制御部２１，磁気刺激コイル制御部２２及び３次元情報生成部２３は、それぞれ所要の制御回路および演算回路等を備えて構成されている。これら画像表示制御部２１，磁気刺激コイル制御部２２及び３次元情報生成部２３の具体的な動作については後述する。
【００３６】
前述のように、本装置による制御は、パーソナルコンピュータに実装された実行ソフトとして実現してもよく、この場合には、本装置は、プログラムされたコンピュータによって、或いは、記録媒体に記録されたプログラムを読み込んで実行するコンピュータによって、後述する所要の制御や制御のための演算を行うものである。また、コンピュータを利用して後述する所要の制御や演算を実行するためのプログラム、更には、かかる制御や演算に必要なデータ類についても、少なくともその一部を、例えば本装置と通信可能に連繋した外部サーバに保持させておき、装置側からの要求に応じて、その都度必要なプログラムやデータ類をダウンロードすることにより、コンピュータを利用して所要の制御や演算を実行する、ように構成することもできる。
【００３７】
磁気刺激コイルユニット３０は、施術者が把持部３１を持って所定範囲の空間内を自由に位置および向き（姿勢）を変化させ、最適刺激部位に適切に近接させた上で、図示しない操作部を操作して前記磁気刺激コイル制御部２２を作動させることにより、所定強度の磁束を印加して被験者頭部２ｈの脳内に誘起電流を生じさせ、最適刺激部位に磁気刺激を与える磁気刺激治療を行なうためのものである。そのために、磁気刺激コイルユニット３０は、磁気刺激用コイル３３（以下、適宜、「治療用コイル」、或いは、単に「コイル」と略称する）と、ステレオカメラ４０が視差画像を生成し当該磁気刺激コイルユニット３０の位置および姿勢（つまり、治療用コイル３３の位置および姿勢）の情報を生成するためのマーカ部３２とを備えている。このマーカ部３２は、後述するように、特定の図形パターンを有している。
尚、本明細書において、「治療用コイルの姿勢」とは、治療用コイル３３の方向および角度を意味し、「治療用コイルの方向」とは、被験者頭部２ｈの頭皮表面におけるコイル３３の向きのことであり、「治療用コイルの角度」とは、被験者頭部２ｈの頭皮表面の法線とコイル３３の磁場方向とがなす角度を意味するものとする。
【００３８】
ステレオカメラ４０は、左右一対に配置された撮像カメラ４１，４２が出力する２つの画像の視差を利用して、被験者頭部２ｈおよび磁気刺激コイルユニット３０の空間内における位置および向きを検出するために、これら被写体を左右の撮像カメラ４１，４２から撮影し、それぞれの画像を出力する。
また、プロジェクタ５０は、被験者頭部２ｈの表面にランダムドットパターンを投影し、画像処理のための抽出点とするためのものである。
【００３９】
［本経頭蓋磁気刺激装置の特徴］
従来の経頭蓋磁気刺激装置が有する技術的な課題を克服するため、本願発明者は、経頭蓋磁気刺激装置１が備えるべき要件を分析した結果、以下の知見を得た。
まず、磁気刺激治療を行うためには、被験者頭部２ｈの３次元撮影画像と３次元ＭＲＩデータとの正確な位置合わせを行わなければならない。被験者２を拘束せずにこのような正確な位置合わせを行うためには、時々刻々と変化する被験者頭部２ｈの位置と向き（姿勢）を解析し、常に、ＭＲＩデータと頭部画像とを一致させる処理が必要である。本実施形態では、被験者２の頭部２ｈの３次元外観画像として、指定し易い特徴点を数多く含む被験者２の顔を対象とした３次元顔画像を用いることとした。
【００４０】
また、磁気刺激を行うための磁気刺激コイルユニット３０の位置および姿勢も解析し、被験者頭部２ｈの脳のどの領域を刺激しようとしているのかを、常に把握しておく必要がある。
さらに、施術者（医師等）は３次元ＭＲＩ画像による頭蓋内の情報（脳の表皮の画像）を参照しながら刺激をおこなう必要があるため、脳表の情報，頭部（顔）の姿勢および磁気刺激コイルユニット３０の姿勢をわかりやすく表示するインタフェースも必要である。
【００４１】
以上を纏めると、経頭蓋磁気刺激装置１を構築する上で満たすべき要件は、
（１）３次元ＭＲＩ計測データと被験者２の現在の頭部（顔）の姿勢との姿勢照合機能を備えること。
（２）リアルタイムに被験者２の頭部（顔)の姿勢を追跡する機能を備えること。
（３）リアルタイムに磁気刺激コイルユニット３０の位置および姿勢を追跡する機能を備えること。
（４）脳表における磁気刺激ポイントなど、刺激状況の把握が容易なインタフェース機能を備えること。
であり、これら４つの要件を、十分な精度と操作性および経済性の下で実現することが重要である。
【００４２】
そこで、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１は、ステレオカメラ４０で例示される３次元空間内での対象物の空間座標情報取得手段や、被験者頭部２ｈへランダムドットを投影し、位置測定のマーカとするための画像投影機（プロジェクタ５０）などの光学機器を用い、診察時において被験者２が安静な姿勢を取るだけで、自動的に頭部姿勢と顔形状変化を計測し、治療用コイル３３による磁気刺激の状況を可視化する装置とした。
【００４３】
ステレオカメラ４０を用いた視差に基づく３次元空間内位置の把握、或いは他の手段を用いた３次元空間内位置の把握を行なえるので、被験者頭部２ｈや治療用コイル３３の位置を把握できる限界は、ステレオカメラ４０の撮像限界エリア等、３次元空間内位置の把握が可能な範囲まで拡大され、被験者２が横臥する位置や治療用コイル３３を移動できる限界が拡大されるので、治療（施術）の利便性が向上し、被験者２の負担も低下する。また、同じくステレオカメラ４０等を利用した位置把握方法であるので、被験者２は、拘束されたり固定具を装着されることがなくなり、負担が軽減される。
【００４４】
［経頭蓋磁気刺激装置の基本動作］
図１に示す構成を備えた前記経頭蓋磁気刺激装置１の基本的な動作について、具体的に説明する。尚、以下の説明では、画像処理の具体的な算法など、データを処理する手順や方法を主眼として説明を行うので、図１を用いて先に説明をした本装置１の各構成の機能や動作として直接言及されない場合がある。しかし、その場合でも、これら説明がなされる機能や動作は、図１に図示した経頭蓋磁気刺激装置１の機能や動作として実現されているため、装置１のどの構成に対応するかは容易に特定が行なえるものである。
【００４５】
本装置１を用いて治療用コイル３３を最適位置（つまり、被験者頭部２ｈの最適刺激部位に相当する位置）および姿勢まで誘導する作業は、大きく分類すると、次の４工程で構成されている。
（Ｉ）初期位置合わせ
（ＩＩ）被験者頭部の姿勢の追跡
（ＩＩＩ）治療用コイルの追跡
（ＩＶ）追跡結果の表示
【００４６】
図２Ａ及び図２Ｂは、治療用コイル３３の最適位置への誘導作業を含む、本装置１を用いた磁気刺激治療の流れを説明するためのフローチャートである。
装置１の作動がスタートすると、まず、ステップ＃１で、例えばステレオカメラ４０を用いて、被験者頭部２ｈ及び磁気刺激コイルユニット３０を含む画像フレーム（初期画像フレーム）が取得され、次に、ステップ＃２で、この初期画像フレームに基づいて得られた初期状態での被験者２の３次元顔画像と、前記装置本体ユニット２０の画像表示制御部２１に読み出し可能に保持されていた被験者頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像との初期位置合わせが行われる。この工程が、前述の「（Ｉ）初期位置合わせ」工程に相当している。
【００４７】
より具体的には、ＩＣＰアルゴリズム（反復計算により対応点関の距離を最小化するような剛体変換パラメータを求める手法）を用いて、治療を受ける患者頭部のＭＲＩデータと、例えばステレオ計測による当該患者の顔形状データとの、同一座標系上でのマッチングを行なう。この初期位置合わせ工程の詳細については後述する。尚、本実施形態では、前述のように、被験者２の頭部２ｈの３次元外観画像として、指定し易い特徴点を数多く含む被験者２の顔を対象とした３次元顔画像を用いた。
【００４８】
以上の初期位置合わせを終えた後も、例えばステレオカメラ４０を用いた時々刻々の画像フレームの取得が継続して行われ（スッテプ＃３）、取得された今現在の画像フレームに基づいて、今現在の被験者２の３次元顔画像が取得される（ステップ＃４）。つまり、被験者頭部２ｈの姿勢をリアルタイムに追跡する。そして、今現在の被験者２の３次元顔画像に対して、被験者頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像の３次元位置および姿勢を照合する（ステップ＃５）。これにより、今現在の被験者頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像が得られる。
このとき、被験者頭部２ｈの姿勢のリアルタイム追跡結果に、ステップ＃２での初期位置合わせの結果を反映することで、今現在の被験者２の３次元顔画像と３次元ＭＲＩ画像とを正しい位置および姿勢で重ね合わせることができる。このスッテプ＃４及びステップ＃５の工程が、前述の「（ＩＩ）被験者頭部の姿勢の追跡」工程に相当している。
【００４９】
一方、治療用コイル３３については、スッテプ＃３で取得された今現在の画像フレームに基づいて、今現在の治療用コイル３３のマーカ情報（つまり、磁気刺激コイルユニット３０に付したトラッキング用のマーカ部３２の画像情報）が取得される（ステップ＃６）。このマーカ部３２を追跡することで、コイル３３の位置と姿勢の追跡を行なう。そして、このマーカ情報に基づいて、今現在のマーカ部３２の３次元位置および姿勢が計算され（ステップ＃７）、今現在のコイル３３の３次元位置および姿勢（好ましくは、磁場の３次元位置および方向）が計算される（ステップ＃８）。これらステップ＃６〜ステップ＃８の工程が、前述の「（ＩＩＩ）治療用コイルの追跡」工程に相当している。
【００５０】
そして、前記ステップ＃５の結果とステップ＃８の結果とに基づいて、少なくとも今現在の被験者頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像と今現在のコイル３３の３次元位置および姿勢とが、より好ましくは、これらに加えて、今現在の顔画像と今現在の磁場の３次元位置および方向が、同一空間を表す３次元画像内に表示される（ステップ＃９）。このステップ＃９の工程が、前述の「（ＩＶ）追跡結果の表示」工程に相当している。尚、磁場の３次元位置および方向は、前述のように、治療用コイル３３が照射する磁束に相当する図形（例えば、後述する図１４中の細長い矩形形状参照）を用いて、画面上に表示することができる。
【００５１】
このように、治療用コイル３３の追跡結果と被験者頭部２ｈの姿勢の追跡結果とを反映させて表示することで、今現在の治療用コイル３３の位置および姿勢、つまり、治療用磁束が被験者２の脳表のどの部位を指向しているかを表示することができる。
前記ステップ＃３からステップ＃９の一連のステップは、磁気刺激治療を終えて装置１が停止されるまで、常時、継続して繰り返し実行される。
【００５２】
次いで、ステップ＃９で得られた３次元画像を参照しながら、コイル３３を移動させて最適刺激位置および姿勢への誘導が行われ（ステップ＃１０）、今現在のコイル３３の３次元位置および姿勢（好ましくは、磁場の３次元位置および方向）が、最適位置（被験者頭部２ｈの最適刺激部位に相当する位置）及び姿勢に到達したか否かが判定される（ステップ＃１１）。そして、最適位置および姿勢に到達すると（ステップ＃１１：ＹＥＳ）、コイル３３を用いた磁気刺激治療が行われる（ステップ＃１２）。すなわち、施術者は、前記磁気刺激コイル制御部２２を作動させて、治療用コイル３３から所定強度の磁束を印加して被験者頭部２ｈの脳内に誘起電流を生じさせ、最適刺激部位に磁気刺激を加える。
【００５３】
そして、所定の治療効果が得られて（或いは所定時間が経過して）磁気刺激治療が終了するまで（ステップ＃１３：ＮＯ）、磁気刺激治療が継続して行われ、磁気刺激治療が終了すると（ステップ＃１３：ＹＥＳ）、装置１の作動が停止される。このように治療を終えて装置１が作動停止するまでは、ステップ＃３からステップ＃１３の一連のステップが継続して繰り返し実行される。
【００５４】
次に、前述の「初期位置合わせ」，「被験者頭部の姿勢の追跡」，「治療用コイルの追跡」及び「追跡結果の表示」の各工程について、より具体的に説明する。
【００５５】
［（Ｉ）初期位置あわせ工程］
磁気刺激治療に先立って医療機関に設置されたＭＲＩ装置により得られた頭部ＭＲＩ画像データと，本装置１の一つの例示態様であるステレオカメラ４０によるステレオ計測（視差を利用した３次元位置計測）により得られた計測データとは、異なる計測機で、しかも異なる患者の姿勢で計測されており、同―座標系上で三次元表示すると２つのデータ間にズレが発生する（図３（ａ）参照）。このため、この２つのデータを一致させる必要がある。位置あわせ後の２つのデータを図３（ｂ）に示す。
この処理を位置合わせといい、各データの姿勢を決める剛体変換パラメータである３行３列の回転行列Ｒと、３次元の平行移動ベクトルｔを求めることに相当する。本装置１では、この位置合わせの手法として、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズムを用いる。このアルゴリズムは、反復計算により対応点間の距離を最小化するような剛体変換パラメータを求める手法である。この手法を用いることで、計測データ間の対応関係や、計測装置と対象物体との事前のキャリブレーションを必要とせずに、高精度に位置合わせを行うことができる。
【００５６】
以下に示す順に処理を実行することで、初期の位置合わせを行う。
（１）ＭＲＩデータの読み込み
（２）２台のカメラ（左カメラ４１，右カメラ４２）を用いた顔のキャプチャ
（３）左右のカメラ４１，４２から得られた画像からＡｄａｂｏｏｓｔ（後述する）を用いた顔検出を行い、画像中の顔領域を抜き出す。
（４）顔領域に対してステレオ計測を行い、顔形状を計測する
（５）ＭＲＩデータとステレオ計測により得られた顔形状データとを、ＩＣＰアルゴリズムを用いて位置合わせを行なう。
【００５７】
＜ステレオ計測＞
ここで、本装置１が用いる３次元位置検出方法の一つの態様であるステレオ計測について説明する。
ステレオ計測とは、光学的な３次元形状計測手法の１種であり、左右に配置された２台のカメラで計測対象を撮影し、視差情報から三角測量法により３次元位置を推測する手法である。ステレオ計測は、（ａ）対応点の探索と（ｂ）３次元位置の算出の２つの処理を行う必要がある。
【００５８】
（ａ）対応点探索
三角測量法を用いて３次元位置を求める場合、左カメラ４１で撮影された画像が右カメラ４２で撮影された画像のどの部分に対応するかを調べ、対応点のズレ（視差）を求める必要がある。
図４に、ステレオ計測で用いる左右２つの画像の例を示す。本実施形態で用いるステレオカメラ４０は平行ステレオ（右のカメラ４２の光軸と左のカメラ４１の光軸とが平行）であるために、横方向にのみ対応点のずれが発生する。したがって、対応点探索は横方向のみを考慮すればよく、左目画像からみた右目画像の対応点は、すべて左目画像より左側にあることになる。
【００５９】
対応点探索にはブロックマッチングを用いる。ブロックマッチングとは、入力画像をそれぞれの画素値を持つ２次元配列と考え、左画像の注目画素を中心とする微小領域を、右画像中を移動させながら重ね合わせ、画素値の差を取り、その差の二乗和（ＳＳＤ）が最も小さな領域を、対応点とする手法である。
【００６０】
このブロックマッチングの具体的な計算方法を説明する。左のカメラで撮影した画像で、横方向にｘ番目で縦方向にｙ番目の画素値をＩleft（ｘ，ｙ）とし、右のカメラで撮影した画像で、横方向にｘ番目で縦方向にｙ番目の画素値をＩright（ｘ，ｙ）とし、また、比較するブロックの大きさをｍ×ｍとする。更に、探索方向へのズレをｄとすると、ブロックマッチングの計算は、Ｉleft（ｘ，ｙ）とＩright（ｘ，ｙ）とを比較することになる。つまり、下記の式（数５）におけるＳＳＤを計算し、このＳＳＤが最も小さくなるズレｄを求める。このｄの値が、求めたい視差値である。
【００６１】
【数５】
2012121341.tif 000007
【００６２】
（ｂ）３次元位置の算出
以上の対応点探索によって求められた視差ｄを用いて、既知の三角測量法により３次元位置を算出する。
図５に、平行ステレオと計測対象との３次元位置の関係を例示する。平行ステレオでは、対応点が水平線上に存在するため、奥行きは視差の反比例として算出することができる。注視点の３次元位置は、次式（数６）によって計算できる。
ここで、Ｂはカメラ間の距離，ｆは各カメラの焦点距離である。Ｂ及びｆの値は計測時に既知であるので、対応点探索によって求まる視差ｄを用いることで、注視点の３次元位置を算出することができる。
【００６３】
【数６】
2012121341.tif 000008
【００６４】
＜Ａｄａｂｏｏｓｔ法による顔検出＞
ＭＲＩデータとステレオ計測により得られたデータとの位置合わせには、顔表面の３次元データのみを用いる。ＭＲＩデータについては、必要な領域のみを事前に抽出しておく。一方、ステレオ計測データについては、カメラ４０により得られた画像から顔領域を検出し、その領域の３次元データを用いる。本装置１では、顔抽出処理として、画像特微量であるＨａａｒ−ｌｉｋｅ特微量と学習アルゴリズムであるＡｄａｂｏｏｓｔアルゴリズムを用いたオブジェクト検出を用いる。このオブジェクト検出処理は、Paul Viola等のオブジェクト検出の研究（Paul Viola and Michael Jones: "Object Detection using a Boosted Cascade of Simple", IEEE CVPR, 2001）を元に、Rainer Lienhart等が改良したもので（Rainer Lienhart and Jochen Maydt: "An Extended Set of Haar-lide Feature for Rapid Object Detection", IEEE ICIP 2002, vol. 1, pp.900-903 (2002)）、高速にオブジェクトを検出することができる。
【００６５】
＜ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズム＞
ＭＲＩデータとステレオ計測で得られたデータとの位置合わせの手法として、ＩＣＰアルゴリズムを用いる。ＩＣＰアルゴリズムとは、１９９２年にBesl等により提案された手法で(P. J. Best and N. D. McKay: “A Method for Registration of 3-D Shapes", IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell, vol. 14, No. 2, pp. 239-256 (1992-2)）、反復計算により対応点間の距離を最小化するような剛体変換パラメータを求める手法である。
【００６６】
３次元空間内の２点ｒ１，ｒ２間のユークリッド距離ｄは、下記の式（数７）のように表すことができる。
【数７】
2012121341.tif 000009
【００６７】
ここで、Ｎ個の点ａiからなる点群Ａと、Ｍ個の点ｂｊからなる点群Ｂの２つの点群が存在するものとする（次式（数８）及び図６参照）。
【数８】
2012121341.tif 000010
【００６８】
点群Ａに含まれる点ａｉと点群Ｂとの距離を、点群Ｂに含まれる点の中で最も距離の近い点との距離と定義し（次式（数９）及び図７参照）、点群Ａの各点ａｉと点群Ｂとの距離ｄ（ａｉ，Ｂ）を求める。
【数９】
2012121341.tif 000011
【００６９】
点ａｉに対応する点を
2012121341.tif 000012
剛体変換パラメータである回転行列Ｒ，平行移動ベクトルｔは、次式（数１０）に示す誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）を最小化することで求めることができる。尚、（数１０）の式は、前述の（数１）及び（数３）の式と同一のものである。
【数１０】
2012121341.tif 000013
【００７０】
以上の処理を纏めると、以下の手順で位置合わせ剛体パラメータを求めることができることになる。
（ｉ）点群Ａの各点ａｉにおける点群Ｂとの最近点ｍｉを求める。
（ｉｉ）誤差Ｅを最小にする剛体変換パラメータを求める。
（ｉｉｉ）点群Ａを求められたパラメータ（Ｒ，ｔ）を用いて変換する。
（ｉｖ）誤差Ｅが閾値以下であれば反復計算を終了する。それ以外の場合には、（ｉ）に戻って、同様のステップを繰り返して実行する。
【００７１】
本発明の実施にあたっては、上述の剛体変換パラメータの決定方法は例示にすぎず、距離最小の点を近似計算の出発とする点や、数５に示す誤差計算方法は、他の方法に転換することが可能である。３次元空間における剛体の位置姿勢（６自由度）の一致度合い、すなわち誤差の大きさ、が数値評価できる方法であれば、他の如何なる方法によっても構わない。このことは、以後の記載においても同様である。
【００７２】
＜３次元空間内の位置情報を得るための、その他の態様＞
以上の説明では、対象被験者２の顔や磁気刺激コイルユニット３０の３次元空間内の位置情報を得るための方法として、ステレオカメラ４０の視差、つまり、複数の視点から撮影した画像の視差、を利用していたが（第１の態様）、かかる方法に限定されることなく、他の態様にて前記位置情報の取得を実現することができる。
例えば第２の態様として、プロジェクタやレーザ照射手段のような投光手段と、ビデオカメラのような一つの視点のみを有する（複数の視点から撮影した画像の視差を利用する方式ではない）撮像手段とを用い、投光手段から発した光が対象物で反射し、その反射光を撮像手段が捉えた状態で、各光軸の角度の情報から上記と同様の三角測量原理によって、対象物までの距離および角度を知り、この結果、対象物の光反射点の空間座標を得ることができる。
【００７３】
また、第３の態様として、レーザ・レーダー（レーザ投射光が対象物で反射して受光センサまで返ってくる時間を計測して対象物の距離を知る）或いは超音波距離計（同じく投射した超音波の戻る時間を利用する）のような、対象物のポイントの距離を知る距離計と、その測定ポイントを走査する走査手段とを組み合わせて、距離の情報と、投射光や超音波の投射角度の情報とから、対象物の各ポイントの空間座標情報を得ることができる。
【００７４】
更に、第４の態様として、測定対象物である被写体をＣＣＤなど固体撮像素子を用いる撮像手段で撮影し、同じく投光手段から被写体へ投射された光が反射して固体撮像素子の一つ一つの画素（ピクセル）に到達した際に、投射してから画素へ到達するまでの時間を、投射光と画素到達光との光の位相差により検知し、この結果、撮像画面内の一つ一つの画素内に結像した被写体ポイントの距離を算出する装置が市販されている。例えば、スイス国チューリヒ市のＭＥＳＡイメージング社は、「ＳＲ４０００」なる商品名の装置を市場に導入しており、また、これに関連する技術が、例えば、特表２００９−５１５１４７号公報に開示されている。
【００７５】
前述のステレオカメラの視差を利用した方法に限らず、以上のような「他の態様（第２〜第４の態様）」に係る方式が、３次元空間内の位置情報の取得に用いられ得ることについては、以後の記載においても同様である。
【００７６】
［（ＩＩ）被験者頭部の姿勢の追跡工程］
前述のように、ＭＲＩデータとステレオ計測により得られたデータは、ＩＣＰアルゴリズムを用いることで、同一座標系において初期状態が一致した状態にある。ここで、被験者２を拘束しない状態で磁気刺激を行うためには、リアルタイムに被験者頭部２ｈの初期姿勢からの変化を追跡し、今現在の姿勢への剛体変換パラメータを求める必要がある。
尚、前述のように、本実施形態では、被験者２の頭部２ｈの３次元外観画像として、指定し易い特徴点を数多く含む被験者２の顔を対象とした３次元顔画像を用いている。従って、この場合、「被験者頭部２ｈの姿勢」は被験者２の「顔姿勢」と表現することもできる。
【００７７】
初期状態については、前述のように、位置合わせのための剛体変換パラメータを求めるのにＩＣＰアルゴリズムを用いた。この手法によれば、対応が未知の点群どうしを高精度に一致させることができるのであるが、多大な反復計算を必要とし処理に時間を要する関係上、初期位置合わせを終えた後に、リアルタイムで行なう顔姿勢の追跡処理には不向きである。
【００７８】
一方、点群どうしの対応関係が既知であれば、それに応じた手法、例えば、以下に述べるテンプレートマッチング法を用いることで、ＩＣＰアルゴリズムを用いる場合に比べて大幅に計算量を低減し、計算に要する時間およびコストを削減することができる。
そこで、本実施形態では、顔特徴として、両眼の目尻および目頭，口元（両端），鼻頭の７点を指定し、この顔特徴についてテンプレートマッチングを用いて追跡することで、剛体変換パラメータを算出するようにした。顔特徴領域は、顔画像中で特徴的でありトラッキングに適したパターンを持っていることを選択の基準とした。
【００７９】
以下に、顔姿勢のリアルタイム追跡工程の具体的な処理手順を示す。
（１）ステレオカメラを用いて初期姿勢での顔画像を取得する。
（２）各特徴領域（両眼の目尻および目頭，口元（両端），鼻頭）を指定し、各領域の画像（テンプレート）と３次元座標とを保存する。
（３）現在の姿勢での顔画像を、ステレオカメラを用いて取得する。
（４）テンプレートマッチングを用いて、左右の画像中の特徴点位置を調べ、その３次元座標を求める。
（５）最急降下法により、初期姿勢からの変化を求める（つまり、初期姿勢での測定値を現在の姿勢にフィッテイングさせる剛体変換を求める）。
ここに、前記（１）及び（２）の処理は、初期化処理であり、追跡開始時に一度だけ行えばよい。リアルタイムで行なう顔の追跡は、前記（３）〜（５）の処理を繰り返すことで行う。
【００８０】
＜テンプレートマッチング＞
ここで、前記テンプレートマッチング法について説明する。
ある画像（テンプレート）が、他の画像中のどの部分に存在するかを対応づける処理をテンプレートマッチングという。これは、図８に示すように、テンプレートと呼ばれる画像を予め用意し、これを移動させながら対象画像と重ね合わせ、テンプレートと対象画像との相関を調べる方法である。
二つの画像の違いを測る尺度としては、相関係数Ｃを用いる。この相関関数Ｃは、対象画像をＩ（ｍ，ｎ），テンプレート画像をＴ（ｍ，ｎ）（画像サイズ：Ｍ×Ｎ）とすると、次式（数１１）で表される。このとき、相関係数Ｃの値が大きいほど画像間の相関は大きく、画像中で最も相関係数の値が大きくなった領域を対応する領域とする。
【００８１】
【数１１】
2012121341.tif 000014
【００８２】
＜最適化計算による顔姿勢算出＞
顔姿勢の追跡を行うためには、初期姿勢からの姿勢変化を求める必要がある。本装置１では、前述のように、両眼の目尻および目頭，口元（両端），鼻頭の７点の特徴領域の３次元的な姿勢変化（回転Ｒ（α，β，γ）と平行移動ｔ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める姿勢追跡を行う（図９参照）。
【００８３】
まず、前述の初期位置合わせ時の姿勢を初期姿勢とし、特徴領域の３次元座標をステレオ視により取得する。その後、現フレームに対してテンプレートマッチングによる顔特徴領域の探索を行い、ステレオ視の結果、各領域の３次元座標を求める。
次に、各特徴領域の３次元位置の計測結果から、頭部の位置および姿勢を求める問題は、次式（数１０）に示す誤差関数Ｅを最小とする剛体変換パラメータである回転行列Ｒと平行移動ベクトルｔを求める問題に帰着する。尚、（数１２）の式は、前述の（数２）及び（数４）の式と同一のものである。
【００８４】
【数１２】
2012121341.tif 000015
【００８５】
ここで、Ｎは特徴点の数、ｘｉは初期姿勢での各特徴点の３次元位置、ｙｉは現在の顔姿勢における各特徴領域の３次元位置である。また、ｗｉは各特徴点の重み付け係数であり、左右の画像からテンプレートマッチングを用いて特徴領域を検出した際に得られる、それぞれの相関係数の積をこの係数として使用する。本実施形態では、いわゆる最急降下法を用いて、この剛体変換を求めるようにした。
【００８６】
［（ＩＩＩ）治療用コイルの追跡工程］
磁気刺激治療を行うためには、治療用コイル３３の３次元位置および姿勢を把握し、対象に対して正確に刺激できているかを常に観測する必要がある。磁気刺激治療にとって有効とされる精度は、一般に、頭蓋内部で直径１ｃｍ程度であり、そのスポットをターゲットとして治療用コイル３３から磁束ビームを指向させる必要がある。治療用コイル３３の追跡では、既知のマーカ（画像データ上から特徴点を抽出するために、被写体表面に配置した図形パターン）を用い、このマーカを追跡することでコイル３３の３次元位置や姿勢を求める。
【００８７】
具体的な処理を、以下に示す。
（１）ステレオカメラ４４を用いて画像を取得する。
（２）左右の画像に対してマーカ認識を行い、マーカ３２の四隅の画素を探索する。
（３）ステレオ視によりマーカ３２の四隅の３次元位置を求める。
（４）マーカ平面の法線ベクトルを求め、磁束の方向（刺激方向）を求める。
【００８８】
＜マーカの認識＞
治療用コイル３３の追跡における最も重要な技術は、画像中のマーカ領域を正確に把握することである。マーカ認識では、使用するマーカ３２を事前に登録しておく必要があり、探索画像中のマーカ候補領域を探索し、登録マーカとの相関を調べることでマーカ領域を確定する。
図１０（ａ）〜（ｆ）は、マーカ認識の具体的な処理を示す一連の説明図である。図１０（ａ）に示すマーカを用いた場合における、マーカ認識の具体的な処理は、以下に示す通りである。
【００８９】
（ｉ）カメラからの画像を２値化し、画像の暗部を探索する。
：カメラから入力した画像（図１０（ｂ））を、閾値を用い、閾値より明るい領域を黒で、暗い領域を白で表示する（図１０（ｃ））。
（ｉｉ）暗い領域において、閉領域を探索しラベリングする。
：２値化した画像中の白の領域に対して、閉領域を探索する。さらに、各閉領域に番号（ラベル）を割り振ることで区別できるようにする（ラベリング処理）。図１０（ｄ）では、閉領域の区別の様子を色の違いで示している。
（ｉｉｉ）各閉領域で頂点数を調べ、４つの頂点を持つ領域を４角形と判断する。
：各閉領域の頂点数を調べ、頂点数が４の領域を４角形と判断して、マーカの候補領域とする（図１０（ｅ）参照）。このとき、閉領域の面積が非常に小さいか、又は非常に大きい領域は、除外する。
（ｉｖ）４角形内の画像を単純化する。
：４角形の領域に対してアフィン変換を用いることで、領域が正方形になるように修正する（図１０（ｆ）参照）。
（ｖ）単純化された画像と登録パターンとの比較
：単純化された画像と登録マーカとの画素比較を行い、誤差を計算する。全ての４角形領域の中で最も誤差の小さな領域を、マーカ領域と判断する。
【００９０】
［（ＩＶ）追跡結果の表示工程］
実際の医療現場で経頭蓋磁気刺激装置を運用するためには、頭部追跡およびコイル追跡の結果として、治療のための磁束が、現在、脳のどの部分を刺激しようとしているのかをユーザに伝えるためのユーザ・インターフェースが必要となる。
本実施形態では、施術者が治療用コイル３３を用いて磁気刺激を行う際には、脳表の模様を参考に刺激部位を決定していることから、脳の３次元モデルを表示し、表示角度や大きさを自由に変更できるインタフェースを採用した。
【００９１】
初期位置合わせ時に求めた剛体変換パラメータと頭部姿勢追跡時に求めた剛体変換パラメータを用いることで、今現在の頭部姿勢と脳の３次元モデルとを一致させ、変換された脳の３次元モデルと追跡された治療用コイル３３の位置および姿勢とを同一座標上に表示することで、コイル３３による脳の刺激予想点を表示することができる。
また、治療用コイル３３による刺激点の表示には、コイルの中心を貫く角柱を表示し、角柱と脳表との関係から現在の刺激部位を判断できるようにした（後述する図１０参照）。この図１０では、被験者２の脳表或いは頭部２ｈの３次元ＭＲＩ画像に対して、治療用の磁束の位置と向きを、相対的な関係が把握できるように表示がなされていることがわかる。
【実施例】
【００９２】
次に、以上に説明した本発明実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１の具体的な実施例について説明する。
本実施例は、次表１の機材および開発言語などを用いて実現した。【００９３】
【表１】
2012121341.tif 000016
【００９４】
［Ｉ．実施例における初期位置あわせ］
前述のように、初期位置合わせでは、ＩＣＰアルゴリズムを用いて、ＭＲＩデータとステレオ計測データとの初期位置を一致させる。そのためには、ＭＲＩで得られた断面画像からＩＣＰに用いる顔表面の３次元データを事前に取得しておく必要がある。また、ステレオ計測時にノイズが発生するとＩＣＰの結果に大きな影響を与えるため、このノイズを低減させる必要もある。更に、対応点探索は計算コストが非常に高く、また、処理に時間も掛かる。
そこで、本実施例では、ＣＵＤＡというＧＰＵ（Graphics Processing Unit）向けの開発環境を用いて処理を並列化することで、対応点探索の高速化を実現した。【００９５】
具体的には、以下の処理手順で初期位置合わせを行った。
（１）ＭＲＩデータから取得した顔の３次元モデルを読み込む。
（２）プロジェクタから患者に対してランダムドットを投影し、６４０×４８０画素の画像サイズで左右のカメラから取り込む。
（３）左右の画像に対して顔認識を行い、画像中の顔領域を検出する。この処理は、Ｏｐｅｎ ＣＶの機能を用いて実現している。
（４）左右の画像に対して、３×３画素のＳｏｂｅｌフィルタを用いてエッジ検出を行い、エッジの周囲７画素に対して、ブロックマッチングを行う。ブロ尽くマッチングは１１×１１画素のブロックを用いた。また、ＧＰＵを用いて処理を並列化しており、高速な対応点探索を可能にしている。エッジを検出し、その周囲のみ対応点探索することで、誤対応によるノイズの発生を低減させることができる。
（５）ブロックマッチングにより得られた視差情報から、三角測量法により３次元位置を求める。
（６）計測された顔形状とＭＲＩデータから得た顔形状どうしを、ＩＣＰアルゴリズムを用いて位置合わせする。ＩＣＰアルゴリズムは、ＶＴＫ（Visualization Tool Kit）の機能を用いて実装しており、実行することで回転行列Ｒと平行移動ベクトルｔとが得られる。【００９６】
＜ＭＲＩ画像からの３次元再構成＞
被験者頭部２ｈのＭＲＩの計測では、図１１（ａ）のような断面画像の集合として頭部スキャンの結果が得られる。ＩＣＰアルゴリズムを用いて位置合わせを行うためには、この断面画像からマッチングに必要な領域（顔の表面）の３次元点群を取得することが必要である。
本実施例に使用したＭＲＩ画像は、例えば、２５６×２５６ピクセルの大きさで、１３０枚の断面画像で構成されている。断面のスライス間隔は例えば１．４０ｍｍであり、１ピクセルの大きさは例えば０．９８×０．９８ｍｍである。画像中の顔の輪郭領域は、白く表示されていることに注目し、図１１（ｂ）の矢印線（１１−１）のように、画像のｘ方向の最大値から走査し、例えば、最初に輝度値が３０以上になる画素を顔の表面として取得した。取得した画素は、断面画像の番号Ｎ（０≦Ｎ＜１３０）、取得した画素値目Ｉ（ｉ，ｊ）とすると、スライス間隔（例えば１．４０ｍｍ），画素サイズ（例えば０．９８×０．９８ｍｍ）を用いて、次式（数１３）のように３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）Ｔに変換できる。【００９７】
【数１３】
2012121341.tif 000017
【００９８】
図１１（ｃ）に、ＭＲＩ画像から再構成した顔表面の３次元モデルを示す。ＩＣＰに用いる点群は、顔表面全体ではなく、鼻，目，口の特徴領域を含む顔の中央領域のみを用いた。切り取る領域の大きさは経験的に決定している。【００９９】
＜ランダムドットパターン投影によるノイズ低減＞
パッシブステレオ計測において最も困難な問題は対応点探索である。前述のように、ブロックマッチングによる対応点探索では、ブロック内の画素値の差が最も小さい領域どうしを対応させる。従って、表面の特徴が少ない領域の対応点探索では、画素値に差が生じ難く、誤対応が発生しやすくなる。
そこで、本実施例ではプロジェクタからランダムドットパターンを投影し、計測対象に擬似的に表面特徴を付加した。また、３×３画素のＳｏｂｅｌフィルタを用いてエッジ（画像上での色変化の大きな領域）を検出し、エッジとその周囲の画素のみを対応点探索することで、誤対応によるノイズの発生を低減させた。【０１００】
図１２は、エッジ抽出，パターン投影による計測結果の変化比較を示している。距離画像は色の変化でカメラからの距離を表している。パターンを投影せず、エッジ抽出もしない場合には、距離画像の色変化が対象形状と一致しておらず、誤対応が発生していることがわかる。また、エッジ抽出のみを行った場合には、画像中の特徴的な領域に対しては距離計測されているが、頬のような色変化が少ない領域に対してはエッジとして抽出されず、結果として距離計測されていない。最後に、パターン投影とエッジ抽出を併用した場合には、顔形状と酷似した距離画像が得られており、前者と比較して、ノイズの発生を抑えつつ、顔全体を計測できていることがわかる。【０１０１】
＜ＣＵＤＡを用いた対応点探索の高速化＞
ＣＵＤＡとは、ＮＶＩＤＩＡ社が開発したＧＰＵ向けの並列コンピューティングアーキテクチャである。ＧＰＵは、シンプルな演算ユニットを多数搭載しているため、並列性の高い演算処理では、ＣＰＵと比較して高い演算能力を発揮できる。ＣＵＤＡを用いることで、Ｃ言語を用いてＧＰＵ向けのプログラミングを行うことができる。本実施例では、最も計算コストが高く時間も掛かる対応点探索処理を、並列計算させることで、処理の高速化およびコスト低減を図るようにした（図１３参照）。【０１０２】
図１３は、１０個のスレッド（ＴＨＲＥＡＤ）を用いて５×５画素のブロックマッチングを行っている様子を例示している。各スレッドで１列分のＳＳＤを計算し保存する。そして、注目画素の左右２列分のスレッドが保存している列のＳＳＤを足し合わせることで、ブロック全体のＳＳＤを求めることができる。
左画像を固定し、右画像を１画素ずつ移動させてＳＳＤを求め、最もＳＳＤが小さくなるときの移動量を各スレッドについて求めることで、画像全体の視差を求めることができる。本実施例では、６４個のスレッドを用い、１１×１１画素のブロックサイズで対応点探索を行った。【０１０３】
［ＩＩ．実施例における顔姿勢の追跡］
初期位置合わせ処理が終了した後、顔姿勢の追跡が開始される。前述のように、顔姿勢追跡では顔の特徴領域（両眼の目尻および目頭，口元（両端），鼻頭の７点）を追跡し、初期状態からの３次元的な変化量を求める。本実施例に係るシステムでは、この特徴領域を手動で与える必要がある。また、前提条件として、追跡開始時の初期姿勢と初期位置合わせ時の姿勢が一致している必要がある。具体的には、以下の処理手順で顔姿勢の追跡を行った。【０１０４】
（１）左右のカメラから、例えば２４０×３２０画素の大きさで初期姿勢の画像を取得する。
（２）右画像中の両眼の目尻および目頭，口元（両端），鼻頭の７点をマウスでクリックすることで、その領域を、例えば１７×１７画素のテンプレート画像として取得する。また、取得したテンプレート画像を用いて、左画像中の特徴領域をテンプレートマッチングによって検出し、ステレオ視により各特徴領域の３次元位置を保存する。
（３）毎フレーム得られる左右カメラの画像に対して、処理（２）で取得したテンプレート画像を用いて特徴領域を探索する。探索結果からステレオ視により特徴領域の３次元位置を求める。
（４）前記処理（２）で取得した初期姿勢の３次元位置と前記処理（３）で取得した現在の姿勢の３次元位置との剛体変換パラメータを、前述の［数２］で示される式の誤差関数Ｅを最小にすることで求める。この最適化計算には、最急降下法を用いている。【０１０５】
［ＩＩＩ．実施例における治療用コイルの追跡］
治療用コイルの位置および姿勢は、既知のマーカを用いて追跡を行った。本実施例では、このマーカを認識するのに、ＡＲＴｏｏｌｋｉｔを用いた。このＡＲＴｏｏｌｋｉｔとは、拡張現実感（ＡＲ：Augmented Reality）を実現するためのＣ言語ライブラリである（加藤博一，Mark Billinghurst，浅野浩一，橘啓八郎：「マーカ追跡に基づく拡張現実感システムとそのキャリブレーション」；日本バーチャルリアリティ学会論文誌，vol. 4, No. 4 (1999)）。本実施例では、このライブラリのマーカ認識機能を利用している。【０１０６】
図１０（ａ）に示したマーカを用い、左右の画像中からマーカの４隅を検出する。そして、ステレオ視により、３次元空間中のマーカ位置を求める。本実施例では、マーカは治療用コイル３３の中央部分に垂直に設置した。このマーカの４隅の３次元座標から、マーカの中心とコイル３３の中心を通る直線を求め、図１４に示すように、この直線に沿って、治療用コイル３３が照射する磁束に相当する図形として、例えば細長い矩形形状を表示し、この矩形形状を脳表と共に３次元空間に表示することで、磁気刺激ポイントを把握できるようにしている。【０１０７】
［ＩＶ．実施例における追跡結果の表示］
＜脳の三次元表示＞
前述のように、施術者は被験者２の脳表の模様を参考に磁気刺激部位を決定する。従って、ＭＲＩにより得られた断面データから脳の３次元モデルを作成する必要がある。そこで、次の手順にて実施を行なった。
（１）ソフトウェアＭＲＩｃｒｏを用いて、被験者頭部２ｈの横断面画像を取得する（図１５（ａ）参照）。
（２）取得した被験者頭部２ｈの横断面画像から、手動で脳領域の画像を切り取る（図１５（ｂ）参照）。
（３）切り取った脳領域の画像から、前述の３次元再構成手法を用いて、脳画像を３次元再構成する。これにより、図１５（ｃ）に示すような脳の３次元点群を取得することができる。【０１０８】
前記処理（３）で得られた脳の３次元点群表示は、表示角度により脳表の模様が見づらい場合がある。また、膨大な数の点を表示しなければならず、計算コストが非常に高くなるので、リアルタイムの表示には不向きである。
そこで、脳表に沿ったメッシュモデルを作成し、ポリゴンによって表面のみを表示し、そこに、脳表模様をテクスチャとしてマッピングするようにした。次に、脳のメッシュモデルとテクスチャ画像の作成方法について説明する。【０１０９】
＜テクスチャ画像の作成＞
テクスチャ画像の作成には、脳の３次元点群の色情報を用いる。脳の中心を原点とする極座標を設定し、図１６（ａ）に示すように、点群データの各点の極座標を求める。３次元座標で（ｘ，ｙ，ｚ）で表される点について、極座標要素の角度（θ，φ）と距離ｒは、次式（数１４）で求まる。【０１１０】
【数１４】
2012121341.tif 000018
【０１１１】
次に、１８０×１８０の配列を用意し、配列の番号を角度θに、行番号を角度φに、それぞれ対応させる（図１６（ｂ）参照）。角度θと角度φについて、それぞれ０度から１８０度まで１度の幅でグループ化し、各グループに含まれる点の中で最も距離ｒの大きい点を脳表点とした。脳表点のもつ色情報を配列に格納し、テクスチャ情報とする。図１５（ｃ）の点群から作成したテクスチャ画像を図１７に示す。【０１１２】
＜メッシュモデル作成＞
メッシュモデルは、断面画像を基にして作成する。断面画像の脳の境界線座標を取得し、その極座標と３次元座標を取得する。テクスチャ画像の作成時と同様の配列を用意し、取得した点を極座標を基に配列に格納する。これにより、図１８（ａ）に示すように、取得した点を２次元状にマッピングすることができる。この点から、ドロネー三角形分割法（山本裕之，内山晋二，田村秀行：「三次元形状モデリングのためのドロネー網生成法」，電気情報通信学会論文誌Ｄ−１１，Vol. J83-D-11, No. 5, pp. 745-753 (1995-5)）を用いて、面情報を取得する（図１８（ｂ）参照）。
こうして取得した面情報と３次元座標を用いて、脳表の３次元モデルとすることができる。脳表を３次元表示し、図１７に示すようなテクスチャ画像を用いてテクスチャマッピングしたものを図１８（ｃ）に示す。【０１１３】
［実施例における精度評価］
以上、説明した実施例について、前述の「初期位置合わせ」，「被験者頭部の姿勢（顔姿勢）の追跡」，「治療用コイルの追跡」の各工程での精度評価を行った。
精度評価に用いた機材等は前述の表１に示したものと同様である。また、ステレオカメラから計測対象までの距離は、７０ｃｍから１００ｃｍとした。【０１１４】
＜「初期位置合わせ」の精度評価＞
図１９（ａ）に示すようなＭＲＩデータとステレオ計測データとを用意し、前述のＩＰＣアルゴリズムの精度評価を行った。ＩＰＣアルゴリズムにより取得した剛体変換パラメータを用いて２つのデータをマッチングさせたものを図１９（ｂ）に示す。鼻筋や目の位置を参照すれば、２つのデータが略一致していることが分かる。【０１１５】
図２０は、初期位置合わせした状態でステレオ計測データと重ね合わせて表示したＭＲＩ画像を示す図である。図２０（ａ）に示す縦（垂直）平面および横（水平）平面でそれぞれ切断して得られる縦断面，横断面を、それぞれ図２０（ｂ），図２０（ｃ）に示す。これら図２０（ｂ），図２０（ｃ）における顔表面に、ステレオ計測データが実線曲線で表示されている。これら図中の右下に表示された線分が１ｃｍを表しており、２つのデータが、殆ど誤差なく一致している様子が分かる。【０１１６】
＜「顔姿勢追跡」の精度評価＞
顔姿勢追跡の精度評価には、人形の顔模型を用い、この顔模型を回転板（回転軸：ｚ軸）に載せて、ｚ軸廻りに±１２．５度ずつ、２．５度刻みで回転させたときに得られる、回転行列，平行移動ベクトル，各特徴点の誤差平均をそれぞれ取得した。その結果を図２１に示す。図２１（ａ）は各軸廻りの回転量を、図２１（ｂ）は各軸方向の平行移動量を、図２１（ｃ）は各特徴点の誤差平均を、それぞれ示している。【０１１７】
ｚ軸廻りの回転のみを与えているので、理想的な結果としては、図２１（ａ）のグラフにおけるｚ軸回転（２点鎖線表示）が理想線（実線）のように変化し、その他の変化量が全て０（ゼロ）になることが望ましい。回転変化および平行移動のグラフを見る限り、多少の誤差が伴うものの、理想の変化に近い追跡結果を得ることができた。
各軸廻りの平均回転誤差は、ｘ軸廻りが０．７度，ｙ軸廻りが０．５度，ｚ軸廻りが１．１度であった。また、各軸方向への平均移動誤差は、ｘ軸方向に４ｍｍ，ｙ軸方向に３ｍｍ，ｚ軸方向に０ｍｍであり、各特徴点と実測値との平均誤差は６ｍｍであった。【０１１８】
＜「コイル追跡」の精度評価＞
コイル位置の追跡の精度評価として、マーカ中心の観測値と３次元空間中の実際の位置との誤差平均を算出した。平均誤差として、ｘ軸方向に４ｍｍ，ｙ軸方向に４ｍｍ，ｚ軸方向に０ｍｍであり、精度良くマーカの３次元位置を検出できていることが確認できた。【０１１９】
ここで、本願発明に包含される他の実施の態様であって、特に磁気刺激部位に対して磁気刺激コイルを近づける移動操作、そのために磁気刺激コイル及び被験者頭部の位置を、より高い精度で位置合わせする目的に対応した実施例について説明する。
様々な位置検出方法は、それぞれ検出誤差を有している。例えば、図１のステレオカメラ４０を用いた方式で説明すれば、よく知られた三角測量の原理でカメラから被写体までの距離を測定するので、カメラから被写体の距離が遠ざかるにつれて理論上の誤差は拡大する。【０１２０】
経頭蓋磁気刺激装置を、病院等の医療機関で用いるのではなく、患者宅（在宅）で用いる場合には、治療の場に医療者は立ち会えないので、患者又は患者家族等が自らの操作によって、治療効果が発揮されるのに充分となる距離範囲に入るまで、スイートスポットへ磁気刺激コイルの照射点を近づけなければならない。移動操作にあたって治療に必要な精度が得られないのであれば、多少の誤差があったとしても必要な照射部位において必要な刺激磁界の大きさが得られるように、より効率のよい磁気刺激コイルとするためにコイルの大きさや巻数を増大させたり、あるいはコイル印加電流の値を大きくすることが必要となる。【０１２１】
しかしながら、このように磁気刺激コイルを大型化させたり、電流値を増大させたりすることは、患者等が行うコイル移動操作の操作性を低下させ、磁気刺激装置のコストを増大させ、消費電力あるいは周囲の環境に対する不要な輻射電磁波を増大させることとなり、このような磁気刺激治療を在宅で行おうとする場合の大きな阻害要因となりうる。【０１２２】
一方、上記のように様々な位置の検出方法は必ず理論上避けることができない誤差を有しており、先に説明したように、例えばステレオカメラ４０が、被験者の頭部２ｈと磁気刺激コイル３０という、２つの測定対象物の位置をそれぞれ計測して、患者が操作を行うための教示画面を生成しようとした場合、これら理論上の避けられない誤差は蓄積され、単独の位置測定と比較して加算的に誤差が増加する可能性がある。【０１２３】
そこで、図２２に示すように、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１ｂでは、位置検出手段であるステレオカメラ７０は、連結部６２を介して磁気刺激コイル６０と一体的に構成されており、この結果、磁気刺激コイル６０とステレオカメラ７０との間の相対的な距離及び姿勢差は不変となっている。勿論、磁気刺激コイル６０とステレオカメラ７０とを相対的に固定する機構であれば、上記の構成とは異なる他の構成を採用してもよい。
ステレオカメラ７０の測定座標原点から見た磁気刺激コイル６０の位置及び姿勢は設計上で決定されるか、あるいは使用開始時に一度測定をすれば、その後の測定は不要である。従って、治療に際して測定すべき対象は、被験者２の頭部２ｈただ一つとなり、理論誤差の積み重ねが確実に回避できる。【０１２４】
尚、大きな磁界を生成する磁気刺激コイル６０の近傍に電子装置であるステレオカメラ７０を配置した場合において、コイル６０が生成する大きな誘導電流による電気的な破壊、あるいは磁気誘導に伴う物理的，機構的な破壊が起こる恐れがあるときには、ステレオカメラ７０を金属板などで磁気的に遮蔽するようにしてもよい。若しくは、磁気刺激コイル６０の構造から理論的に誘起磁界がゼロとなる、２つの渦巻コイル６３の対称回転軸６４上の位置に、ステレオカメラ７０を配置する、などの対処も考えられる。【０１２５】
本実施形態の適切な変形や改良としては、以下のような種々の例が考えられる。例えば、ステレオカメラ７０に代えて、他の位置検出手段を用いてもよい。また、ステレオカメラ７０を用いる場合には、その撮像視点が磁気刺激コイル６０の近傍にあり操作を行う被験者２の視点からは離れているので、検出された位置の情報に基づいて視点を、先に説明した図１のステレオカメラ４０の位置となるように座標変換を行って、より見やすい画面表示とすることもできる。更に、ステレオカメラではなく単眼のカメラ等、前述する３次元空間内の位置情報を得るための第２〜第４の態様を用いて被験者頭部２ｈを撮影し、その頭部の輪郭あるいは瞳孔や鼻梁など形態，画像上の特徴点から、頭部ＭＲＩ画像との重ね合わせ、或いは移動後の頭部の画像との重ね合わせを行うように構成することもできる。【０１２６】
これら様々な構成を包含する本実施態様においては、先に説明した本願の種々の実施例の具体的な構成を利用し、被験者頭部２ｈ内の特定部位に対し、頭部外にある磁気刺激コイル６０を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置１ｂが提供される。
この経頭蓋磁気刺激装置１ｂは、操作に応じて位置および姿勢を変更可能に構成された磁気刺激コイル６０と、磁気刺激コイル６０に対して相対的な位置及び姿勢が固定されたステレオカメラ等の撮像手段７０とを備えると共に、磁気刺激コイル６０をスイートスポットまで移動操作する教示のための画面表示を行う制御部８０を備えている。
この制御部８０は、磁気刺激を行うべき特定部位の位置がマークされた被験者の頭部ＭＲＩ３次元画像を記録保持しており、頭部ＭＲＩ３次元画像と、撮像手段７０が撮影した頭部外観画像とを、対応する部位が重なるよう重ね合わせを行い、グリップ６１を持って患者が移動操作するよう構成された磁気刺激コイル６０に対する相対的な距離及び姿勢が変わり得る、現在の当該被験者の頭部を撮像手段７０が撮影した現在の頭部外観画像と、重ね合わせに用いられた頭部外観画像との間の距離及び姿勢の差を算出し、この算出の結果を用いて、磁気刺激コイル６０と、現在のスイートスポットとの相対的な距離及び姿勢の差を測定する。そして、その測定の結果を用いて、磁気刺激コイル６０をスイートスポットまで移動操作する教示のための画面表示を行うように構成されている。【０１２７】
尚、以上の説明は、全て、被験者（例えば、患者や検査受検者など）の頭皮表面に配置した磁気刺激用コイルにより、脳内神経に磁気刺激を加えて神経障害性の疼痛を緩和する経頭蓋磁気刺激療法に用いる場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、他の磁気刺激用途においても、有効に適用できるものである。【０１２８】
このように、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や設計上の改良等を行い得るものであることは、言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、特に頭部に対する磁気刺激治療を行なう際に、狭い範囲の照射対象部位に対して正確に磁束を照射することができ、また、治療施術者が磁気刺激手段の３次元位置や磁束の向きなどを広いレンジで把握することができ、しかも、患者の負担を軽減することができる、画像処理方法および経頭蓋磁気刺激装置を提供する。
【符号の説明】
【０１３０】
１，１ｂ  経頭蓋磁気刺激装置
２  被験者
２ｈ  被験者の頭部
１０  画像モニタ部
２０  装置本体ユニット
２１  画像表示制御部
２２  磁気刺激コイル制御部
２３  ３次元情報生成部
３０，６０  磁気刺激コイルユニット
３２  マーカ部
３３，６３  治療用コイル
４０，７０  ステレオカメラ
４１  左カメラ
４２  右カメラ
８０  制御部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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