(57)【要約】曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取ること（２００、２１０）、曲線構造内の軸曲線を定義すること（２２０）、前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引すること（２３０）、前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着すること（２４０）によって曲線構造を分析するための方法が開示される。このリボンはついで適切な検査のために平坦化される（２５０）。
2005527015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲線構造を分析する方法において、
曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取ること、
前記曲線構造内の軸曲線を定義すること、
前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引すること、
前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着することを有する、曲線構造を分析する方法。
【請求項２】
前記軸曲線はパラメータｔの関数Ｃ（ｔ）として定義されており、前記パラメータは前記軸に沿った距離を表している、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記リボンはフレームＦ＝（ｆ１（ｔ），ｆ２（ｔ），ｆ３（ｔ））に基づいた関数Ｓ（ｓ，ｔ）として定義され、ｆ１、ｆ２、ｆ３は３次元空間における単位ベクトル値関数であり、ｓは前記線分に沿った位置を定義するパラメータであり、前記線分は前記軸の接線に直交し、Ｓ（ｓ，ｔ）＝ｆ２（ｔ）*ｓ＋Ｃ（ｔ）である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する請求項３記載の方法。
【請求項６】
１つの軸が前記ｓパラメータでありかつ残りの軸が前記ｔパラメータである２次元画像を定義することによって前記平坦化は実行される、請求項５記載の方法。
【請求項７】
曲線構造を分析するための方法ステップを行う機械によって実行可能な命令のプログラムを具体化する、機械により読みとり可能なプログラム格納装置において、前記方法ステップは、
曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取ること、
前記曲線構造内の軸曲線を定義すること、
前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引すること、
前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着することを有する、プログラム格納装置。
【請求項８】
前記軸曲線はパラメータｔの関数Ｃ（ｔ）として定義されており、前記パラメータは前記軸に沿った距離を表している、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記リボンはフレームＦ＝（ｆ１（ｔ），ｆ２（ｔ），ｆ３（ｔ））に基づいた関数Ｓ（ｓ，ｔ）として定義され、ｆ１、ｆ２、ｆ３は３次元空間における単位ベクトル値関数であり、ｓは前記線分に沿った位置を定義するパラメータであり、前記線分は前記軸の接線に直交し、Ｓ（ｓ，ｔ）＝ｆ２（ｔ）*ｓ＋Ｃ（ｔ）である、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する、請求項７記載の装置。
【請求項１１】
２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する、請求項９記載の装置。
【請求項１２】
１つの軸が前記ｓパラメータでありかつ残りの軸が前記ｔパラメータである２次元画像を定義することによって前記平坦化は実行される、請求項１２記載の装置。
【請求項１３】
曲線構造を分析するためのイメージングシステムにおいて、
曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取る手段、
前記曲線構造内の軸曲線を定義する手段、
前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引する手段、
前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着する手段を有する、曲線構造を分析するためのイメージングシステム。
【請求項１４】
２次元ストリップに前記リボンを平坦化するための手段を有する、請求項１３記載のイメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は米国暫定特許出願第６０/３５０６２３号、２００２年１月２２日提出、登録代理人番号２００２Ｐ００８９５の利益に基づき、この利益を主張し、この開示はその全体においてリファレンスによって統合されている。
【０００２】
本発明の分野
本発明は３Ｄイメージングシステム、とりわけ医療イメージングシステムに関する。
【０００３】
本発明の背景
現在、医師は様々な３Ｄデータの視覚化方法を使用している。もっともポピュラーな方法のいくつかを挙げると、ボリュームレンダリング、マルチプレーナリフォーマット、最大強度投影、サーフィスシェーデッドディスプレイである。
【０００４】
視覚化とセグメンテーションとは後処理ワークフローにおいて緊密に結合されている。ＭＲ＼＆ＣＴ血管研究のための最初期のもっとも普及した視覚化技術は最大強度投影（maximum intensity projection：ＭＩＰ）であった。ＭＩＰ視覚化は全ボリュームを単一方向ベクトルに沿って平面に投影する。投影された画像のピクセルの強度値はその特定の２Ｄ地点へ投影する全ボクセルの最大強度値である。ＭＩＰは血管視覚化のためのすばらしいツールであるが、深度情報が欠けている。３Ｄの印象はビュー（view）のインタラクティブな回転によって伝達されるが、血管が互いに前又は後ろに通過する場合にはユーザが識別するのは難しい。血管の表面フィーチャ（例えば発生動脈瘤の小さな突出部）を見ることも難しい。なぜなら、表面情報は投影において失われるからである。
【０００５】
サーフィスシェーデッドディスプレイ（Surface Shaded Display：ＳＳＤ）は、ボリュームが最初にスレッショルドされ、この結果、ある強度値を上回るすべてのピクセルが視覚化されるべきオブジェクトに所属するようにラベリングされる技術である。オブジェクトボクセルは完全に不透明化されたと見なされ、照明及び局所表面ノーマルコンピューテーションを使用してレンダリングされ、シェーディング及び反射ハイライトによりディティールを表示する。ハイライトは突出部及び凹部のような表面不規則性への強い視覚的手がかりを提供する。オブジェクトの表面のこれらのボクセルだけがユーザには見えるので、ＳＳＤは容易に特別なハードウェアアクセラレーションの必要なしにリアルタイムスピードで作動するように最適化されうる。ＳＳＤは確実にスレッショルドされうるＣＴ血管データを視覚化するためには非常に効果的である。しかし、ＭＲにおいては、コイル近接アーチファクト及びゲイン不規則性による信号における不均等性がＳＳＤを中程度のクオリティから低クオリティのＭＲ研究において信頼できないものにする。
【０００６】
マルチプレーナリフォーマット（Multi-Planar Reformat：ＭＰＲ）は２Ｄ画像が任意平面におけるボリュームをリサンプリングすることによって作成される周知の技術である。それは本物のスライスのように見える画像を生成するが、任意の位置及び配向によって生成する。伝統的なＭＰＲは平面に限定されるので、単一のＭＰＲビューにおける曲がった構造を視覚化するのはしばしば不可能である。
【０００７】
当業者にはカーブドＭＰＲ（curved MPR）も周知であり、曲線を含む平面に直交する線形パスに沿って平面曲線を掃引する（sweep）ことによって作成される表面上の２Ｄ画像に３Ｄデータをリサンプルする技術である。カーブドＭＰＲは単一リフォーマットにおいて曲がった構造を捕捉する点で伝統的なＭＰＲよりは良好であるが、大きく蛇行する軌跡を有する曲線構造をトラッキングできない。
【０００８】
本発明の要約
曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取ること、前記曲線構造内の軸曲線を定義すること、前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引すること、前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着することを有する、曲線構造を分析する方法が開示される。
【０００９】
この方法の別の局面では、前記軸曲線はパラメータｔの関数Ｃ（ｔ）として定義されており、前記パラメータは前記軸に沿った距離を表している。
【００１０】
この方法の別の局面では、前記リボンはフレームＦ＝（ｆ１（ｔ），ｆ２（ｔ），ｆ３（ｔ））に基づいた関数Ｓ（ｓ，ｔ）として定義され、ｆ１、ｆ２、ｆ３は３次元空間における単位ベクトル値関数であり、ｓは前記線分に沿った位置を定義するパラメータであり、前記線分は前記軸の接線に直交し、Ｓ（ｓ，ｔ）＝ｆ２（ｔ）*ｓ＋Ｃ（ｔ）である。
【００１１】
この方法の別の局面は２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する。
【００１２】
この方法の別の局面は２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する。
【００１３】
この方法の別の局面では、１つの軸が前記ｓパラメータでありかつ残りの軸が前記ｔパラメータである２次元画像を定義することによって前記平坦化は実行される。
【００１４】
曲線構造を分析するための方法ステップを行う機械によって実行可能な命令のプログラムを具体化する、機械により読みとり可能なプログラム格納装置が開示され、前記方法ステップは、曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取ること、前記曲線構造内の軸曲線を定義すること、前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引すること、前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着することを有する。
【００１５】
この装置の別の局面では、前記軸曲線はパラメータｔの関数Ｃ（ｔ）として定義されており、前記パラメータは前記軸に沿った距離を表している。
【００１６】
この装置の別の局面では、前記リボンはフレームＦ＝（ｆ１（ｔ），ｆ２（ｔ），ｆ３（ｔ））に基づいた関数Ｓ（ｓ，ｔ）として定義され、ｆ１、ｆ２、ｆ３は３次元空間における単位ベクトル値関数であり、ｓは前記線分に沿った位置を定義するパラメータであり、前記線分は前記軸の接線に直交し、Ｓ（ｓ，ｔ）＝ｆ２（ｔ）*ｓ＋Ｃ（ｔ）である。
【００１７】
この装置の別の局面は、２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する。
【００１８】
この装置の別の局面は、２次元ストリップに前記リボンを平坦化することを有する。
【００１９】
この装置の別の局面では、１つの軸が前記ｓパラメータでありかつ残りの軸が前記ｔパラメータである２次元画像を定義することによって前記平坦化は実行される。
【００２０】
曲線構造を分析するためのイメージングシステムが開示され、曲線構造の３次元空間イメージングデータを受け取る手段、前記曲線構造内の軸曲線を定義する手段、前記３次元空間においてリボンを定義するために前記軸曲線に沿って線分を掃引する手段、前記３次元空間から前記リボン上へとデータを吸着する手段を有する。
【００２１】
このイメージングシステムの別の局面は、２次元ストリップに前記リボンを平坦化するための手段を有する。
【００２２】
図面の短い記述
図１は典型的なチューブ状構造を示す。
【００２３】
図２は円掃引を示す。
【００２４】
図３は本発明の線分掃引を示す。
【００２５】
図４は本発明の３Ｄリボンを示す。
【００２６】
図５はリボンへのスカラーデータの吸着を示す。
【００２７】
図６はリボンへのスカラーデータの吸着を示す。
【００２８】
図７はリボンの平坦化を示す。
【００２９】
図８は典型的な３Ｄ医療イメージングを示す。
【００３０】
図９は３Ｄ画像から分離された血管を示す。
【００３１】
図１０は軸曲線を示す。
【００３２】
図１１は血管に対する本発明のリボンを示す。
【００３３】
図１２は血管に対する本発明のリボンを示す。
【００３４】
図１３は平坦化されたリボンを示す。
【００３５】
図１４は平坦化されたリボンを示す。
【００３６】
図１５は本発明の掃引のスタートを示す。
【００３７】
図１６は本発明の方法のフローチャートを示す。
【００３８】
有利な実施例の詳細な記述
本発明は３次元イメージングデータのチューブ状オブジェクトを配置し、このようなオブジェクトを分析するための手段を提供する。本発明はとりわけ医療イメージングに有用である。というのも、本発明は磁気共鳴（ＭＲ）又はコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）スキャナなどから導出される３Ｄイメージングデータから人体の血管及び他の曲線構造を検査する方法を医師に提供するからである。本発明は有利にはコンピュータのような機械によって読み取り可能な実行可能なコードにされる。
【００３９】
本発明の作用を理解するために、図１〜７によって記述される本発明の操作の基本理論を議論するのは有益である。
【００４０】
図１を参照すると、典型的な曲線構造、すなわちチューブ状オブジェクト１が記載されている。
【００４１】
図２を参照すると、３Ｄイメージング用語でこのチューブを記述する１つの方法は、このチューブを軸曲線２に沿って移動する円３によって掃引された空間の領域として考えることであり、この円３は３Ｄ空間を掃引する際にこの軸曲線２に対して直交したままである。
【００４２】
図３及び４で、円３ではなく線分４がチューブを貫いて掃引される場合の結果を考えると、この結果は空間にリボン１０を定義することになる。図４からわかるように、軸曲線２が曲がりくねっている場合には、リボン１０もカーブとひねりとを有する。
【００４３】
数学的には、３次元データＶ（ｘ，ｙ，ｚ）及びＶの境界内で定義される軸曲線Ｃ（ｔ）が与えられると、フレームＦ＝（ｆ１（ｔ），ｆ２（ｔ），ｆ３（ｔ））に基づく掃引された表面Ｓ（ｓ，ｔ）を定義することができ、ここでｆ１、ｆ２、ｆ３は３次元空間における単位ベクトル値関数であり、ｔは掃引された表面の軸に沿った距離であり、この場合この表面はｔ＝１の全長を有するようにパラメータ表示されており、ｓはこの軸の接線に直交する線分に沿った位置を定めるパラメータであり、言い換えればリボンの幅であり、ｓ＝１の全幅を有するようにパラメータ表示されている（よって、この軸はｓ＝０．５に位置している）。ｔの所与の値に対して、フレームＦの原点はＣ（ｔ）、軸曲線２であり、ｆ１は正規化された接ベクトルである。Ｃ’（ｔ）／||Ｃ’（ｔ）||（ここでＣ’はｔに関するＣの導関数を表す）とｆ１と結合されたｆ２及びｆ３とは、正規直交フレームを生成する。これから、方程式
Ｓ（ｓ，ｔ）＝ｆ２（ｔ）*ｓ＋Ｃ（ｔ）
が得られる。
【００４４】
図５では、こんどはリボンに関連した１つ以上のスカラー値を有する３Ｄデータのフィールドにおいてリボンが定義されることを考えよう。例えば、スカラー値は色又は強度又は他のなんらかの量でもよい。これを図示すると、様々にシェードされたゾーン５が図５に示されており、強度の異なるフィールドを図示している。
【００４５】
図６では、３Ｄ空間から変化するシェードをリボン１０に吸着させる。これは単に関数的合成すなわちＶ（Ｓ（ｓ，ｔ））によってリボン表面にボリュームからデータをマッピングすることである。
【００４６】
図７では、リボン１０を平面上に平らにする。この平坦化は、１つの軸がｓパラメータであり他方の軸がｔパラメータである２次元画像を定義することによって実行される。３Ｄ空間において直線で囲まれていたシェードされた領域５がどのように今や変形されているか注目してほしい。それでもやはり、平坦化された２Ｄリボンの各ポイントは３Ｄ空間におけるポイントにマップバック（map back）する。チューブの特性を決定するために分析される適切な容易に検査されるデータのストリップを今や我々は有する。
【００４７】
図８では、現実世界の問題にアプローチしよう。図８は医療ワークステーションで見られるような典型的なＣＴスキャン画像及びディスプレイを示している。この画像は３次元であり、それが情報のボクセルから形成されていることを意味する。
【００４８】
図９では、ＣＴデータを分析する最初のステップはセグメンテーションアルゴリズムによってチューブ状の関心構造を分離することである。この例では、我々は図示されているような特定の血管に関心を持っている。
【００４９】
もっとも一般的に使用されるセグメンテーション技術のリストは、スレッショルディング（thresholding）法、region growing法、split-and-merge法、クラスタリング、snakes、level set法によるセグメンテーション及びその他を含む。多次元ダイナミックデータはセグメンテーション技術に対する有意義なチャレンジを促す。ダイナミックシーケンスの各ボリュームは短時間にわたって迅速に収集される必要がある。結果的に、データセットは強いpartial voluming効果を有する非常に低い分解能を有するだろう。ある種の灌流適用事例（certain perfusion applications）は各ボリュームにおけるコントラストをさらに低減するような低投与量のコントラストエンハンシングエージェント（contrast-enhancing agent）を使用する。これはV.S.Lee, H.Rusinek, G.Johnson, N.Rofsky, G.A.Krinsky, and J.C.Weinreb, Ultra-Low Dose Gadolinium-DTPA MR Renography for The Diagnosis of Renovascular Disease, Radiology (2001) 及び H.Rusinek, V.S.Lee, and G.Johnson, Optimal Dose of Gd-DTPA for Dynamic MR Studies, Magnetic Resonance in Medicine (2001) に記述されている。これらの開示はそれらの全体においてリファレンスによって統合されている。
【００５０】
有利なセグメンテーションアルゴリズムは共通に割り当てられた特許出願ＵＳＳＮ１０/１２９１２５、２００２年４月１０日出願、SEGMENTATION OF DYNAMIC MULTIDIMENSIONAL DATA SETSに記述されている。この開示はその全体においてリファレンスによって統合されている。
【００５１】
図１０では、本発明のシステムは３次元空間における曲線として血管の軸を定めている。
【００５２】
図１１及び１２では、線分は軸曲線に沿って掃引され、リボンを形成し、画像データがこのリボンの上に吸着されている。軸に沿って線分を掃引する際に、有利にはトルク又は「ひねり」の量を最小化する。
【００５３】
実際にはこのような掃引にはユニークなソリューションのファミリーが存在する。曲線の（微分幾何学的な意味で）捻れを最小化するタンジェント関数の表現のための単一のソリューションが存在する。しかし、２つの相互直交ベクトルは接ベクトルの周りを自由に回転する。これが複数のソリューションが１パラメータファミリーを形成する理由である。図１５では、パラメータは軸曲線に関する掃引の開始地点における線分の角度位置であり、これはもちろん０度〜１８０度の値をとりうる。パラメータの各々のユニークな値はユニークなリボンを定義する。有利な実施形態では、多重リボンがサンプルされ、ユーザに提示される。これらのリボンは線分の開始位置を回転させることがどんな効果をもつかをユーザに示すために動画化されてもよい。医療イメージング目的のために、一般的にこれらのサンプルは開始パラメータを５〜１０度のインクリメントで変化させることによって生成される。
【００５４】
図１３では、リボンが平坦化されると、画像データは適切な分析のための準備が整った形になる。最小トルクを有する掃引を使用することによって、歪みが最小化される。図示された画像では、例えば、この血管の動脈硬化が容易に目印をつけられる。
【００５５】
図１６には、本発明の方法全体のフローチャートが示されており、すなわち画像データ受け取り２００、チューブ状関心構造を分離２１０、軸曲線を定義２２０、軸曲線に沿って線分を掃引２３０、画像データをリボンへ吸着２４０及びリボンを２次元に平坦化２５０である。
【００５６】
本発明の方法はコンピュータのような機械により読み取り可能かつ実行可能な命令のプログラムとしてインプリメントされ、有形に具体化され、コンピュータメモリデバイスのような機械読み取り可能媒体に格納されうる。
【００５７】
ここに開示されたすべての物理量は、明示的に別に指示されていなければ、開示された量と正確に等しいとは解釈されるべきではなく、むしろ開示された量にほぼ等しいと解釈されるべきであることを理解してもらいたい。さらに「ほぼ」等々のような修飾語の単なる欠如は、このような修飾語がここに開示された他のなんらかの物理量に関して使用されるかには無関係にこのように開示されたいかなる物理量も正確な量であるとの明示的な指示として解釈されるべきではない。
【００５８】
有利な実施形態は図示され記述されたが、様々な修正及び置換が本発明の精神及び範囲から離れることなくこれに行われうる。従って、本発明は図面によって記述されただけであり、ここに開示されたようなこのような図面及び実施形態は請求項への限定と解釈されるべきではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】典型的なチューブ状構造を示す。
【図２】円掃引を示す。
【図３】本発明の線分掃引を示す。
【図４】本発明の３Ｄリボンを示す。
【図５】リボンへのスカラーデータの吸着を示す。
【図６】リボンへのスカラーデータの吸着を示す。
【図７】リボンの平坦化を示す。
【図８】典型的な３Ｄ医療イメージングを示す。
【図９】３Ｄ画像から分離された血管を示す。
【図１０】軸曲線を示す。
【図１１】血管に対する本発明のリボンを示す。
【図１２】血管に対する本発明のリボンを示す。
【図１３】平坦化されたリボンを示す。
【図１４】平坦化されたリボンを示す。
【図１５】本発明の掃引のスタートを示す。
【図１６】本発明の方法のフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００６０】
１  チューブ
２  軸曲線
３  円
４  線分
５  シェードされたゾーン
１０  リボン
【図１】
2005527015.tif 000003
【図２】
2005527015.tif 000004
【図３】
2005527015.tif 000005
【図４】
2005527015.tif 000006
【図５】
2005527015.tif 000007
【図６】
2005527015.tif 000008
【図７】
2005527015.tif 000009
【図８】
2005527015.tif 000010
【図９】
2005527015.tif 000011
【図１０】
2005527015.tif 000012
【図１１】
2005527015.tif 000013
【図１２】
2005527015.tif 000014
【図１３】
2005527015.tif 000015
【図１４】
2005527015.tif 000016
【図１５】
2005527015.tif 000017
【図１６】
2005527015.tif 000018
【国際調査報告】
2005527015.tif 000019
2005527015.tif 000020