(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
X線イメージングプロセスを用いて記録され、患者の顎の領域を表す一組のボリュームデータと、可視表面を計測するプロセスを用いて記録され、少なくともある程度患者の顎の同じ領域を表す一組の表面データとにおける共通基準座標系を定義するプロセスであって、
前記ボリュームデータと前記表面データがスクリーン上に表され、
事前位置決めにおいて、前記ボリュームデータと前記表面データの両方において検出可能なオブジェクトが可能な限り正確に重ね合わせられ、
エッジイメージの形式において、前記オブジェクトを特徴付けるボリューム構造が前記ボリュームデータから抽出され、かつ前記エッジイメージは変換関数を用いて可能な限り前記表面データの対応する表面構造と重ね合わされ、
反復ステップにおいて所定の品質基準の下、前記ボリューム構造と前記表面構造が一致するように重ねられる、
ことを特徴とするプロセス。
【請求項２】
前記事前位置決めでは、少なくとも一つの第１の基準点がボリュームデータの3Dビューにおいて表される前記オブジェクトの表面上で規定され、少なくとも一つの第２の基準点が表面データの3Dビューにおいて視認可能な前記オブジェクトの表面上の略同一の位置に定義され、前記事前位置決めにおいて、前記ボリュームデータと前記表面データの対応する前記基準点が、自動計算変換を用いて可能な限り互いに重ねて配置される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記表面データにおける前記基準点が、ソフトウェアにより自動的に提案され、前記対応する基準点がユーザにより前記ボリュームデータ内にマークされる、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記基準点がスクリーン上で移動可能なカーソルを用いてスクリーン上で観察者により規定される、請求項２に記載のプロセス。
【請求項５】
前記事前位置決めの後、前記表面データの少なくとも一つの基準点に対して個々の基準点に対する距離が所定の閾値よりも小さいテスト点が抽出され、該テスト点が表面構造を形成する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記事前位置決めの後、前記ボリュームデータの少なくとも一つの基準点についてテストボリュームが抽出される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
抽出されたテストボリュームが、数学的な操作、特に畳込みにより、適切なフィルタ、特に畳込みフィルタを用いて、3Dエッジイメージに変換され、該3Dエッジイメージがボリューム構造を形成する、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
エッジ情報をぼかして、より高いトーレランスを確保する、請求項６に記載のプロセス。
【請求項９】
前記テスト点が前記エッジイメージと一致するように前記テスト点を変換する変換を特徴とし、該一致の度合いがコスト関数により決定される請求項５に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記変換は、前記コスト関数の最適化とともに前記反復ステップで複数回実行される、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記対応する抽出されたテストボリュームにおいて全てのテスト点が変換され、かつ前記表面データからの各点について、前記エッジイメージにおける対応する値（輝度）が補間により決定される、請求項６に記載のプロセス。
【請求項１２】
変換Tについてのコスト関数が全てのテスト点または一部のテスト点から計算される、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記変換Tについてのコスト関数の合計値が、最高輝度を持つ一部のテスト点の値の和が該点の数で平均化されることにより決定される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記変換Tについてのコスト関数の合計値が、全てのテスト点の値の和が該点の数で平均化されることにより決定される、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記表面データは、患者上で直接的に記録される、請求項１〜１４の何れか一項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、X線イメージプロセスを用いて記録され、患者の顎の領域を表すボリュームデータセットと、可視表面を記録するプロセスを用いて記録され、少なくともある程度患者の顎の同じ領域を表す表面データセットとにおける共通基準座標系を定義するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような二つのデータセットのレジストレーションは、これらが異なるシステムを用いて作成され、かつ／または異なる時間に作成され、関連情報を処理するためにデータセットの変換により生成される場合、常に必要となる。例えば、インプランテーションなどの手術を計画する際、患者の顎のコンピュータトモグラフィ（CT）またはコーンビームX線イメージが取得される。これらは、詳細な解剖学的情報を含んでいる。一方、歯の人工装具品（prosthetic supplies）を計画し、かつ製造するために、3D表面イメージが、例えば、Sirona Dental Systems Company GmbHから出されているCEREC測定カメラを用いて、顎から直接取得されるか、または顎の金型から取得される。トモグラフィックイメージと異なり、これらの表面データは顎の可視表面、特に歯及び粘膜の表面上の特定の情報を含む。この結果、可視表面はこのプロセスにより正確に取得される。
【０００３】
これら二つのデータセットの組み合わせ（統合）は価値ある追加情報を生み出す。その追加情報は、手術の計画と実施の両方において利用可能であり、かつ人工装具品の計画及び製造にも利用可能である。これまで、これらのデータセットのレジストレーションについて、モデル、マーカーまたは同様の機械的補助具を用いて行うプロセスのみが知られていた。
【０００４】
一つの刊行物（Nkenke, E.及びZachow, S.等、「顎矯正手術のシミュレーションにおける、筋状アーティファクト補正のための歯列コンピュータトモグラフィデータと光学的3Dイメージの統合（Fusion of Computer Tomography Data and Optical 3D Images of the Dentition for Streak Artifact Correction in the Simulation of Orthognathic Surgery）」、Dentomaxillofacial Radiology、2004年、33、p.226-232）から、顎のX線データセットと対応する石膏モデルの表面データセットとのレジストレーションのプロトタイプが既知となっている。この場合、先ず、可視表面、すなわち、歯と粘膜の表面が石膏モデルのX線イメージから抽出され、そしてその可視表面がICP（反復最近点）アルゴリズムを用いて光学イメージからの表面とレジスレーションされる。しかしながら、実際の患者のX線データセットからの表面抽出が不正確であり、その結果表面の特定のレジストレーションについての要件が満たされないため、このプロセスは実際にはあまり有用でない。
【０００５】
また、基準エレメント（マーカ）を使用することが知られている。しかし、患者に対するアタッチメントに関連する問題及び困難さのため、より容易なオプションがない場合に限り、マーカは使用される。そこで、例えば、米国特許第5842858号は、X線撮影中に、患者がマーカが付されたテンプレートを身に付け、そのテンプレートが3D位置検出用にセンサが取り付けられたモデルに配置されるプロセスを開示している。センサとマーカ間の位置関係が決定された後、テンプレートを取り除くことが可能となり、そして光学イメージングを行うことが可能となる。この場合、3Dセンサは患者のイメージングと関連してレジストレーションを行うことを可能にする。
【発明の概要】
【０００６】
ここで、本発明の目的は、追加的な補助具を必要とせず、簡単かつ便利に、アテンドする医師により直接変換可能な、実際の患者のボリュームデータセットと対応する表面データセットのレジストレーションプロセスを提供することにある。
【０００７】
この目的は請求項１によるプロセスにより達成される。有利な実施形態は従属請求項において記述される。
【０００８】
本発明の本質的なアイデアは、次のように言い換えることができる。トモグラフィック的に記録されたボリュームデータと表面データから開始し、有利にはこの二つのデータセットがスクリーン上で一つのイメージまたは選択的に別個の二つのイメージにおいて一緒に表される。その中で可視のオブジェクトの相互の方向は、当初は比較的重要ではない。オブジェクトは、理想的には歯であり、それは双方の可視化物において容易く検出可能である。スクリーン上では、事前位置決めにおいて、例えばカーソルを用いたガイドにより、マークするオブジェクトの一方の可視化物は、可能な限り、そのオブジェクトの他方の可視化物に対して「手動で」重ねられる。そして、変換関数を用いてボリュームデータから抽出され、例えば、そのオブジェクトのエッジにより形成されたマークするボリューム構造が表面データの対応する構造（以下では、表面構造と呼ぶ）とともに、可能な限り重ねられる。それにより、共通部分の均一性の質の測度が規定され、品質の基準の最適化の下、反復ステップにおいて抽出された構造が表面データにおいて見られる表面構造と一致させられる。
【０００９】
本発明に対して本質的なアイデアは、このようにX線ボリュームデータセットからの完全な関連情報を含み、それを他のボリューム形式、すなわちマーキングボリューム構造の形式に変換することである。そしてこのことは、光学イメージの表面上の対応位置との直接比較を可能にする。本発明によると、光学イメージの座標は、反復により、X線イメージの座標と重なるように自動的に配置される。したがって、本発明は、患者のX線イメージと光学イメージとのレジストレーションを正確かつ自動的に行うことを可能にするプロセスを表す。このプロセスを用いて、光学イメージがトモグラフィックイメージと空間でオーバーラップするレジストレーションを、石膏モデルあるいは機械デバイスのような物理モデル、外部基準エレメントも必要とすることなく実行可能である。このレジストレーションは広範囲に自動化され、例えば、15〜30秒の大きさのオーダーの時間で実行可能である。
【００１０】
このような方法で実行された二つのデータセットの統合は、手術の計画及び実行の両方において有用であり、また人工装具品においても利用可能である。したがって、例えば、インプランテーションの計画では、X線データセットからの解剖学的情報の追加において、また上述したように、X線により記録されたボリュームデータにおいて所望の範囲まで検出できない粘膜表面の正確な傾向を考慮可能である。また他の用途は、CERECシステムを用い、解剖学と補綴学の両方に基づくインプランテーション計画などを実行する場合に補綴情報を一体化することである。また、X線データセットにおけるアーティファクトを低減することができる。このアーティファクトは、たとえば、金属製の詰め物によって生じる。如何なる金属アーティファクトも全くない、顎の光学イメージを用いたデータセットとの統合により、患者のデータセットの外面形状は、関連するボリューム情報の可視化物と同時に正確に再現可能である。
【００１１】
ユーザが二つのデータセットのうちの一方の可視化物において１以上のオブジェクトに基準点を規定するならば、広範囲な自動的事前位置決めにとって特に好ましい。そして他方はグラフィックプログラムにより重ねられ、そのためそれらデータセットの重ね合わせに対する最初の近似が与えられる。この段階では正確さは特に必要とされないものの、所定の許容範囲内には収まらなければならない。この自動的事前位置決めにおいて、少なくとも一つの第１の基準点がボリュームデータ内に表されるオブジェクトの表面上、特に歯の表面上に規定され、少なくとも一つの第２の基準点が、表面データにおいても視認可能なオブジェクト、特に同じ歯の表面の少なくともほぼ同じ位置に規定される。上述したように、自動的事前位置決めでは、そのオブジェクトに対応する基準点は、自動的に計算される変換を用いて可能な限り互いの上に配置される。基準点の数に応じて、この変換は、解析的に決定されるシフト（一つの基準点）、シフト及び回転（二つの基準点）、または最小二乗プロセス（"点基準レジストレーション"としても知られる）を用いて決定されるシフト及び回転（３以上の基準点）と対応することが好ましい。ユーザが検討中である基準点はスクリーン上で移動可能なカーソルを用いて、特にマウスクリックを用いてスクリーン上で規定される。
【００１２】
ユーザは、基準点を設定する際、ソフトウェアによるサポートを受けられる。したがって、例えば、表面データにおいて適切な基準点がソフトウェアにより自動的に提案され、それによりユーザの目的はボリュームデータセットにおいて対応する基準点をマークすることになる。
【００１３】
以下、本発明による手順は、図１〜９に基づいてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】空間における光学表面イメージとX線イメージの初期配置を示す図である。
【図２】光学イメージの表面上及びX線イメージのボリューム内における隣接する歯の位置のマークを示す図である。
【図３】光学表面イメージからの3Dテスト点の抽出を示す図である。
【図４】トモグラフィックイメージからの3Dテストボリュームの抽出を示す図である。
【図５】3Dテストボリュームからの選択的に平滑化された3Dエッジイメージの生成を示す図である。
【図６】テストボリュームにおける抽出されたテスト点の重ね合わせを示す図である。
【図７】テストボリュームにおけるエッジとともに抽出された点を重ねて配置する、適切な変換（3Dにおけるシフト+3Dにおける回転）用の自動探索を示す図である。
【図８】自動最適化の結果を示す図である。
【図９】計算された変換で光学イメージ全体を重ね合わせた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は初期配置を示す。トモグラフィック的に記録された患者の顎の範囲のボリュームデータがスクリーン上に示されている。光学的プロセスで記録された部分領域の表面データがこの可視化物において一体化されている。そしてそれらは下顎から二つの歯が分離していることを示しているので、表面データが「誤った」位置に置かれていることは明らかである。データは、様々な視点からインタラクティブにその原点における3Dビューで二つのデータセットをテストすることを可能にするプログラムを用いて読み込まれる。
【００１６】
図２では、次のステップが示される。ユーザは、両方のデータセットにおいて、それぞれの場合について同じ歯のそれぞれの可視化物をマークする。この場合、マーキングは3Dビューにおける１回のマウスクリックにより実行され、一つの点により可視化される。ラベル付けされた点（矢印の場所）が基準点を形成し、基準点はデータセットの広範囲な事前位置決めに使用され、そしてこの場合、データセットに存在する情報量を重要な部分に減らすことを助ける。基準点を用いて、事前位置決めとして初期変換が実行され、その事前位置決めにおいて二つのデータセットがラフに重ねた位置に置かれる。この事前位置決めは、特に完全というわけではない。しかしながら、後続する自動最適化の「補足範囲」には含まれる。
【００１７】
図３では、表面データからの3Dテスト点の抽出が示される。この目的を達成するために、各基準点について、個々の基準点に対する距離が所定の閾値よりも小さい全ての点が表面データから抽出される。所定の閾値は、ここでは約1cmである。これらの点は「テスト点」を形成し、この場合、テスト点はマークされた二つの下臼歯のうちの一つを完全に表す。テスト点の全体は表面構造を形成し、これは後でボリューム構造との比較に役立つ。
【００１８】
図４に示されるように、次のステップでは、各基準点について同様の手順が採用され、先ず3Dテストボリュームがトモグラフィックイメージから抽出される。この目的を達成するために、ボリュームデータ内に設定された各基準点のそれぞれの周りに、小さな平行６面体の領域、すなわちテストボリュームが抽出される。テストボリュームは、ここではａ）軸方向、及びｂ）サジタル方向に示される。このテストボリュームは、幾つかの適切な畳込みフィルタを用いた畳込みにより、3Dエッジイメージへ変換される。これにより、これらのエッジの可視化物において、着目する歯のエッジを明瞭に検出できる（図５）。これらのエッジの可視化物は、オブジェクトを特徴付ける、幾何学的なボリューム構造を形成し、その幾何学的なボリューム構造は表面構造と比較される。
【００１９】
オリジナルイメージにおけるノイズがそのようなエッジ検出に影響するので、ガウスフィルタまたはメディアンフィルタのような適切な平滑化フィルタを用いて3D平滑化を実行してもよい。結果として、最適化アルゴリズムの補足範囲が拡大される。後続の図において最も明るい領域はテストボリュームにおける最も目立つエッジに対応する。
【００２０】
図６による次のステップでは、テストボリュームにおいて抽出されたテスト点が、それらテスト点がエッジイメージ（図７）におけるエッジと一致するようにテスト点を変換する変換が試行される前に重ね合わされる。適切な変換用自動探索が３次元シフト及び３次元回転により行われ、それは抽出された点をテストボリュームにおけるエッジと重ねて配置する。
【００２１】
その後、表面データからのテストポイントが対応するエッジイメージとどれだけ良好に一致しているかを示すコスト関数が定義される。コスト関数は、剛体変換の６個のパラメータの関数であり、シフト用の３個のパラメータと回転用の３個のパラメータが必要とされる。この場合、コスト関数は特定の変換Tについて以下のように定義され、かつ計算される。先ず、変換Tを用いて全ての抽出された点が対応する抽出されたボリュームに変換される。光学イメージからの各点について、対応する値（輝度）はエッジイメージにおいて補間により決定される。全てのテスト点の値の和が、点の数で平均化され、変換Tについてのコスト関数の合計値を与える。
【００２２】
またコスト関数は、ロバストネス、または最適化の速度若しくは正確さを向上させる、あるいはデータにおける異常値に対する感度が低い最適化を行う他の形式を有してもよい。
【００２３】
次のステップでは、コスト関数が最大値となる変換が探索される。この探索は反復最適化アルゴリズムを用いて実行される。図８は自動最適化の結果を示す。
【００２４】
図９は、光学イメージ全体への算出された変換での移動及び実際の患者データセットのイメージレジストレーションの結果を示す。ａ）、ｃ）及びｄ）において、輪郭を白線で示す。歯の表面データセットは重なるように配置されている。粘膜により形成される、可視表面の経路が追加の情報を表すことが分かる。特に、図９ｃ）において、白線が歯の領域に非常に良好に「フィット」しており、そのため粘膜が歯頸において分離していることが明瞭となっている。
【００２５】
この場合、自動ステップは市販のPCを使用して、数秒程度しかない。
【図１】
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【図２】
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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９ａ）】
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【図９ｂ）】
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【図９ｃ）】
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【図９ｄ）】
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