(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、
前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の最大値、最小値、平均値または加算値のいずれかを各レイに沿ってそれぞれ前記投影面上に投影し、
当該投影された画像および当該画像と同じ画角により投影されたバーチャルエンドスコピー画像を比較表示することを特徴とする三次元画像形成方法。
【請求項２】
前記比較表示する際に、前記レイキャスティングにより投影された画像と前記バーチャルエンドスコピー画像とを重ね合わせて表示することを特徴とする請求項１記載の三次元画像形成方法。
【請求項３】
前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の最大値を求めるモード、最小値を求めるモード、平均値を求めるモードおよび加算値を求めるモードを有し、前記モードのうちいずれかを選択することにより、前記ボクセル値の最大値、最小値、平均値または加算値のいずれかを各レイに沿ってそれぞれ前記投影面上に投影することを特徴とする請求項１または２記載の三次元画像形成方法。
【請求項４】
請求項１から３までに記載の三次元画像形成方法のうち少なくとも１つを実行する三次元画像形成手段を備えたことを特徴とする三次元画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボリュームデータとして表現された対象物体をレイキャスティングにより放射投影することにより、投影面上に仮想内視鏡的な三次元画像を形成し得る方法及び装置に関し、特に、種々のパラメータ設定等に手間が掛からず、良質の画像を高速に形成し得ることを特徴とする三次元画像形成方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータを利用した画像処理技術の進展に伴い、三次元物体の内部を可視化する技術が注目され、活用されている。特に、医療分野では、生体内部を可視化することにより、病巣を早期に発見することができる等の利点が得られるため、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置やＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）装置により得られる生体の断層画像を用いた医療診断が広く行われている。
【０００３】
しかし、上記断層画像を頭の中で立体的に組み立てることは、画像読影を専門としている読影医にとってはさほど困難では無いとしても、実際に治療を行う外科医、一般内科医等の他、患者本人にとっては、必ずしも容易で無い場合も多い。このため、客観的な画像表示によって、誰でもが病変の全体像や局所像を簡単に理解できるようにすることは重要である。
【０００４】
このような観点から、近年では、断層画像のみでは判り難い物体内部の三次元構造のイメージを得る手法として、所謂ボリュームレンダリングやサーフェースレンダリングが注目されている。
【０００５】
以下、上記ボリュームレンダリング及びサーフェースレンダリングについて、図３を適宜参照しつつ、順次概要を説明する。
【０００６】
図３に示すように、物体１００の三次元領域（ボリューム）の構成単位となる微小単位領域をボクセル（１０ａ〜１０ｃ等）と称し、ボクセルの特性を表す固有のデータをボクセル値と称する。物体１００全体は、ボクセル値の３次元データ配列で表現され、これをボリュームデータと称する。斯かるボリュームデータは、対象とする物体の断層面に垂直な方向に沿って順次得られるニ次元の断層画像データを積層することにより得られる。例えば、前記断層画像データがＣＴ画像である場合、ボリュームデータは、体軸方向に所定間隔で並んだ断層画像を積層することにより得られ、各ボクセルのボクセル値は、当該ボクセルが占める位置における放射線の吸収量を意味することになる。なお、図３では、便宜上、３つの断面１０１、１０２及び１０３から物体１００が構成されているように図示したが、断層画像のスライス厚等に応じて、断面の数は無論変動することになる。
【０００７】
ボリュームレンダリングは、以上に説明したボリュームデータを利用し、所謂レイキャスティングにより投影面上に三次元画像を形成する方法である。ここで、図３に示すように、レイキャスティングは、三次元空間内に仮想的な投影面２００を配置し、投影面２００から該投影面２００の画素数と同数のレイ３００と称される仮想的な光線を照射して、物体１００内部からの仮想的な反射光の画像を形成することにより、投影面２００に物体１００内部の三次元構造を透視するイメージ画像を形成する手法である。
【０００８】
より具体的に説明すれば、各レイ３００に沿った計算処理は、投影面２００から一様な光が照射され、その光がボクセル値によって表現される物体１００によって、反射・減衰・吸収されるという仮想的な物理現象のシミュレーションを行っていることになる。レイ３００上の計算は、始点である投影面２００上の点から、所定のステップ間隔で、各断面（１０１等）における透過光及び反射光を更新していくものである。図３に示す例で言えば、レイ３００ａに対して、ボクセル１０ｃ〜１０ａについて順次更新計算がなされるが如くである。斯かる更新計算は、物体１００を完全に通過するか、透過光がゼロになるまで繰り返される。
【０００９】
更新計算の内容は、以下のようなものである。すなわち、
（１）入射光（前の計算における透過光）に対して透過率を乗じ、これを透過光とする。
（２）入射光から前記透過光を減算し、これを減衰光とする。
（３）ボクセルのグラディエントと、レイ３００の方向ベクトル（単位ベクトル）との内積を計算する。
（４）上記（２）と（３）の結果を乗算し、これを反射光とする。
【００１０】
前記透過率は、通常各ボクセルのボクセル値を元にして決定されるが、一般にはボクセル値の補数を使うことが多い。また、前記グラディエントは、一般には物体１００を構成する３つの座標軸方向に所定距離だけ離れた６つのボクセル値を使用することが多い。以上のようにして、各レイ３００上の各ボクセルで得られた反射光の総和を算出し、対応する投影面２００上の画素値とすれば、投影面２００に物体１００内部の三次元構造を透視するイメージ画像を形成することができる。
【００１１】
以上に説明したボリュームレンダリングによれば、ボリュームデータから直接物体構造を描画することができるため、特に、物体１００が、骨や内臓等の組織が複雑に入り組んでいる人体である場合にも、前記透過率を可変調整（不透明度（オパシティ）を調整することに相当）することにより、これらを略明確に分離描画することができるという利点を有する。つまり、透視することを所望する部位については、該部位を構成する各ボクセルのオパシティを高める一方、所望しない部位についてはオパシティを低下させるが如くであり、例えば、表皮、脂肪、筋肉のオパシティを低く設定して、それらの裏側にある血管や骨を透かして観察すること等も可能である。
【００１２】
次に、サーフェースレンダリングについて説明する。
サーフェースレンダリングは、近年におけるコンピュータの処理能力等、コンピュータ技術が飛躍的に向上するまでは、三次元画像を形成する主流とされていた方法であり、前述したボリュームレンダリングと同様に、図３に示すようなボリュームデータを利用し、所謂レイキャスティングにより投影面上に三次元画像を形成するものである。
【００１３】
しかしながら、サーフェースレンダリングは、観察する方向から見て、最初に存在するボクセルのみを三次元画像として形成する点で、ボリュームレンダリングと異なる。つまり、図３に示す例で言えば、投影面２００から見て最初に存在するボクセル（レイ３００ａについては、ボクセル１０ｃが相当する）のみを投影面２００上に投影するものである。なお、投影面２００上の画素値は、立体感をもたせるべく、投影面２００から近いボクセルについては明るく、逆に遠いボクセルについては暗くする等の処理が施される。以上に説明したサーフェースレンダリングによれば、ボリュームレンダリングに比べ、パラメータの設定や複雑な計算を必要としないため、簡便で処理時間を短縮できるという利点を有する。
【００１４】
ここで、図３を使用して説明したボリュームレンダリング又はサーフェースレンダリングにおけるレイキャスティングの場合、投影面２００から伸びる全てのレイ３００は、投影面２００に対して垂直とされている。換言すれば、レイ３００は全てが互いに平行とされており、これは観察者が無限遠の位置から物体１００を見ている状態に等価である。
【００１５】
なお、上記平行投影（レイ３００の全てが投影面２００に対して垂直な投影）を利用して物体内部の三次元構造のイメージを得る手法としては、ボリュームレンダリングやサーフェースレンダリング以外にも、マキシマム・インテンシティ・プロジェクション（レイ３００上の最大のボクセル値を投影面２００に投影）、ミニマム・インテンシティ・プロジェクション（レイ３００上の最小のボクセル値を投影面２００に投影）の他、レイサムレンダリング（レイ３００上の全てのボクセル値を加算して投影面２００に投影）等が知られている。
【００１６】
これに対し、仮想内視鏡的、つまり人体の気管や血管等の内面から観察しているかのような三次元画像を形成し得るレイキャスティングを適用した、所謂バーチャルエンドスコピー（ｖｉｒｔｕａｌ  ｅｎｄｓｃｏｐｙ）と称される手法も知られている。図４に示すように、バーチャルエンドスコピーでは、投影面２００に対して物体１００と反対側に仮想的な視点となる始点３０を想定し、レイ３００は、全てこの始点３０を通って放射状に広がるものとされる。これにより、物体１００の内側に視点を置くことができ、物体の内側から見た状況の画像を投影面２００上に形成することが可能となる。なお、バーチャルエンドスコピーは、図３で説明した場合とは、投影法、つまり互いに平行とされたレイを投影するか、放射状に広がったレイを投影するかの点で相違するのみであり、前述したボリュームレンダリングやサーフェースレンダリングの手法（計算処理等）が、そのまま適用される。
【００１７】
以上に説明したバーチャルエンドスコピーによれば、内視鏡検査に類似した形態観察が可能となるため、検査に伴う患者の苦痛を緩和したり、内視鏡検査のできない気管狭窄している患者や、内視鏡の挿入不可能な部位や臓器に対しても適用可能であるという利点を有する。また、実際の内視鏡検査や内視鏡手術の事前シミュレーションに供することもできる。さらには、レイ３００の始点３０の位置を適宜変更することにより、実際の内視鏡では観察不可能な方向から見た画像を得ることもできるという利点を有する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバーチャルエンドスコピーにおいては、三次元画像を形成する手法として、ボリュームレンダリング又はサーフェースレンダリングを適用しているため、以下のような問題点を有する。
【００１９】
つまり、ボリュームレンダリングを適用した場合には、全てのボクセル値を取り扱うため情報量が多く、不透明度やグラディエント等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算を必要とするため、三次元画像形成に比較的時間を要するという問題がある。
【００２０】
また、サーフェースレンダリングを適用した場合には、視点から見て、最初に存在するボクセルのみを三次元画像として形成するため、物体の内側に視点を置いた場合、物体の内壁表面しか観察できず、視点から見て更に奥行きの情報は消失してしまうという欠点がある。
【００２１】
一方、マキシマム・インテンシティ・プロジェクションやミニマム・インテンシティ・プロジェクション等は平行投影であり、前記バーチャルエンドスコピーとは投影法が異なるため、両者それぞれの画像を比較検討する場合には、対応する箇所の特定や形状の比較が困難であり、作業が非効率で且つ熟練を要するという問題があった。
【００２２】
本発明は、斯かる従来技術の欠点を解消するべくなされたもので、種々のパラメータ設定等に手間が掛からず、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成し得る三次元画像形成方法及び装置を提供することを課題とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
斯かる課題を解決するべく、本発明は、ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、前記レイキャスティングにおける各レイに沿った最大のボクセル値をそれぞれ前記投影面上に投影することを特徴とする三次元画像形成方法を提供するものである。
【００２４】
斯かる発明によれば、レイキャスティングにおける各レイに沿った最大のボクセル値がそれぞれ投影面上に投影されることになるため、ボリュームレンダリングのように不透明度等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算が不要となる一方、サーフェースレンダリングのように物体の内壁表面しか観察できないという欠点も無く、視点から見て更に奥行きの情報も反映されるため、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成することが可能となる。
【００２５】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、前記レイキャスティングにおける各レイに沿った最小のボクセル値をそれぞれ前記投影面上に投影することを特徴とする三次元画像形成方法を提供する。
【００２６】
斯かる発明によれば、レイキャスティングにおける各レイに沿った最小のボクセル値がそれぞれ投影面上に投影されることになるため、ボリュームレンダリングのように不透明度等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算が不要となる一方、サーフェースレンダリングのように物体の内壁表面しか観察できないという欠点も無く、視点から見て更に奥行きの情報も反映されるため、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成することができる。
【００２７】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の加算値をそれぞれ前記投影面上に投影することを特徴とする三次元画像形成方法を提供する。
【００２８】
斯かる発明によれば、レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の加算値がそれぞれ投影面上に投影されることになるため、ボリュームレンダリングのように不透明度等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算が不要となる一方、サーフェースレンダリングのように物体の内壁表面しか観察できないという欠点も無く、視点から見て更に奥行きの情報も反映されるため、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成することができる。
【００２９】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の平均値をそれぞれ前記投影面上に投影することを特徴とする三次元画像形成方法を提供する。
【００３０】
斯かる発明によれば、レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の加算値がそれぞれ投影面上に投影されることになるため、ボリュームレンダリングのように不透明度等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算が不要となる一方、サーフェースレンダリングのように物体の内壁表面しか観察できないという欠点も無く、視点から見て更に奥行きの情報も反映されるため、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成することができる。
【００３１】
そして、レイキャスティングにより投影された画像および当該画像と同じ画角により投影されたバーチャルエンドスコピー画像を比較表示する。
好ましくは、前記レイキャスティングにより投影された画像と前記バーチャルエンドスコピー画像とを重ね合わせて表示する。
このように、本発明に係る方法によって投影面上に投影される三次元画像は、ボリュームレンダリング等を適用した従来のバーチャルエンドスコピーによる三次元画像と同一の画角にすることができるため、両画像の対比観察や重ね合わせ解析等を極めて効率的に行なうことができるという利点を有する。
また、前記ボクセル値の最大値、最小値、平均値または加算値のいずれかを各レイに沿ってそれぞれ前記投影面上に投影すべく、前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の最大値を求めるモード、最小値を求めるモード、平均値を求めるモードまたは加算値を求めるモードのいずれかを選択することとしてもよい。
このように、本発明は、以上の４つのモードを選択可能に構成されているため、対象となる物体の種々の特性に応じて、所望する観察状態が得られるモードを適宜選択することができる。
さらに、本発明は、前記三次元画像形成方法のうち少なくとも１つを実行する三次元画像形成手段を備えたことを特徴とする三次元画像形成装置としても提供され得る。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図２は、本実施形態に係る三次元画像形成装置の概略構成図である。図２に示すように、三次元画像形成装置１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、ＲＯＭ１３、表示装置１４及び入力装置１５を備え、汎用のパーソナルコンピュータを利用して構成されている。
【００３３】
ＣＰＵ１１は、数値計算や画像処理の制御といった種々の処理を行うものである。また、ＲＡＭ１２には、ＣＴ画像等から形成されたボリュームデータ等が格納される。ＲＯＭ１３には、後述する三次元画像形成処理プログラム等が格納される。なお、本実施形態ではメモリとしてＲＡＭ１２及びＲＯＭ１３を使用しているが、これに限るものではなく、半導体記憶装置以外の記憶装置を用いてもよい。また、表示装置１４は、形成された三次元画像を表示させるものであり、ＣＲＴの他、液晶表示装置等が使用され得る。入力装置１５は、視点の変更など各種指示を与えるためのものであり、マウスやキーボードから構成される。
【００３４】
なお、図２では、ＣＰＵ１１は１つしか表示していないが、より一層の処理の高速化を図るべく、三次元画像形成処理専用のＣＰＵを別途用いることも可能である。また、ＲＡＭ１２に格納されるボリュームデータは、図示しないパラレルＩ／ＯやシリアルＩ／Ｏを介して外部から入力される。
【００３５】
以下、ＲＯＭ１３に格納され、実行される三次元画像形成処理プログラムの処理内容について説明する。
【００３６】
図１は、本実施形態に係る三次元画像形成処理の内容を示す概念図である。図１において、物体１００が処理対象であり、物体１００の各ボクセル１０が有するボクセル値の配列からなるボリュームデータが、公知の手法により形成された後、ＲＡＭ１２に格納される。本実施形態に係る三次元画像形成処理は、前記ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって、投影面２００上に物体１００の三次元画像を形成するものである。ここで、レイキャスティングは、投影面２００に対して物体１００と反対側に仮想的な視点となる始点３０を想定し、レイ３００は、全てこの始点３０を通り、各レイ３００が投影面２００の各画素に達するように放射状に広がるものとされている。これにより、物体１００の内側に視点を置くことができ、物体の内側から見た仮想内視鏡的な画像を投影面２００上に形成することが可能となる。
【００３７】
より具体的に説明すれば、本実施形態に係る三次元画像形成処理では、投影面２００上に形成される三次元画像の画素値を如何に算出するかによって、以下の４つのモードが選択可能とされている。すなわち、（１）マキシマム・インテンシティ・プロジェクション（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）モード、（２）ミニマム・インテンシティ・プロジェクション（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）モード、（３）レイサムレンダリング（Ｒａｙ  Ｓｕｍ  ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）モード、及び（４）アベレージモードである。
【００３８】
上記（１）のマキシマム・インテンシティ・プロジェクションモードを選択すれば、各レイ３００上の最大のボクセル値が投影面２００上の画素値とされる。つまり、図１に示す例で言えば、レイ３００ａ上にあるボクセル１０ａ〜１０ｃの内、最大のボクセル値が投影面２００における画素２０ａの画素値とされ、同様の処理が全てのレイ３００に対して繰り返される。これと同じように、上記（２）のミニマム・インテンシティ・プロジェクションモードでは、各レイ３００上の最小のボクセル値が、上記（３）のレイサムレンダリングモードでは、各レイ３００上の全てのボクセル値の加算値が、また、上記（４）のアベレージモードでは、各レイ３００上の全てのボクセル値の平均値が、それぞれ投影面２００における画素値とされる
【００３９】
本実施形態に係る三次元画像形成装置１は、以上に説明した４つのモードを選択可能に構成されているため、対象となる物体１００の種々の特性に応じて、所望する観察状態が得られるモードを適宜選択すれば良い。
【００４０】
例えば、上記（１）のマキシマム・インテンシティ・プロジェクションモードを選択すれば、対象となる物体１００が骨などの比較的大きな構造物である場合に、内部の視点から位置関係や形状を把握する上で有効である。また、上記（２）のミニマム・インテンシティ・プロジェクションモードを選択すれば、対象となる物体１００が腹部内臓である場合に、その内容物の病変部を内部の視点から抽出する上で有効である。また、上記（３）のレイサムレンダリングモードや（４）のアベレージモードを選択すれば、多くの医師が見慣れた単純なレントゲン画像と同様の性質の画像を、内部の視点から見た位置関係で抽出する上で有効で
ある。
【００４１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る三次元画像形成方法は、ボリュームデータ中のボクセル値をレイキャスティングにより放射状に投影することによって投影面上に三次元画像を形成する方法であって、（１）前記レイキャスティングにおける各レイに沿った最大のボクセル値をそれぞれ前記投影面上に投影するか、（２）前記レイキャスティングにおける各レイに沿った最小のボクセル値をそれぞれ前記投影面上に投影するか、（３）前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の加算値をそれぞれ前記投影面上に投影するか、或いは、（４）前記レイキャスティングにおける各レイに沿ったボクセル値の平均値をそれぞれ前記投影面上に投影するように構成されているため、ボリュームレンダリングのように不透明度等の種々の煩雑なパラメータ設定や、複雑な計算が不要となる一方、サーフェースレンダリングのように物体の内壁表面しか観察できないという欠点も無く、視点から見て更に奥行きの情報も反映されるため、仮想内視鏡的な良質の画像を高速に形成することが可能となるという優れた効果を奏するものである。
【００４２】
また、本発明に係る方法によって投影面上に投影される三次元画像は、ボリュームレンダリング等を適用した従来のバーチャルエンドスコピーによる三次元画像と同一の画角（ジオメトリー）にすることができるため、両画像の対比観察や重ね合わせ解析等を極めて効率的に行なうことができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る三次元画像形成方法の内容を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る三次元画像形成装置の概略構成図である。
【図３】図３は、ボリュームレンダリング及びサーフェースレンダリングの内容を示す概念図である。
【図４】図４は、バーチャルエンドスコピーの内容を示す概念図である。
【符号の説明】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：ボクセル
３０  ：始点          １００：物体
２００：投影面        ３００：レイ
【図１】
0003588055.tif 000002
【図２】
0003588055.tif 000003
【図３】
0003588055.tif 000004
【図４】
0003588055.tif 000005