(57)【要約】  本発明は、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法に関しており、後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップと、管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップと、前記評点に基づいてセンターラインパスを選択するステップとが含まれている。
2007509649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法において、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップと、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップと、  前記評点に基づいてセンターラインパスを選択するステップとが含まれていることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）によって当該データセットを導出するステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、核磁気共鳴（ＭＲ）によって当該データセットを導出するステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
目下の内視鏡周辺でセンタリングされる所定の数のボクセルを導く立方体を確定するステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記管腔内の“空間”内部に成長する領域を形成し、前記管腔内の“空間”内で全てのボクセルをラベリングするステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記管腔内の空間が立方体の対応する面と交差するそれぞれの箇所にクラスタを形成し、前記各クラスタ内に当該クラスタに対応する共有面のボクセルを含ませるステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
各クラスタの中心を当該各クラスタのボクセルの座標の平均化によって算出するステップが含まれる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
それぞれのセンターラインパスを、目下の内視鏡位置に対する各クラスタの中心から算出するステップを含んでいる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップに、
目下の内視鏡位置から開始するステップと、
内視鏡によって示される目下のパスの対応するポイントに対する各センターラインパスの複数のポイントの差分の絶対値の和が形成されるステップと、
商評点（スコア）を形成するために前記和が各センターラインパスの長さによって除算されるステップと、
最高位の商評点を有しているパスを選択するステップとが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
１つだけのセンターラインパスが存在し、そのような結果を行き止まりとして表示するステップが含まれる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記概算的センターラインパスを計算するステップに、
初期パスを計算するステップと、
前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップとが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記初期パスを計算するステップに、
終点から、増加するラベルナンバーを伴う複数のボクセルを起点に達するまで連続的に記憶するステップが含まれる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップに、ガウス平滑化を使用するステップが含まれる、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップに、
球体を頂点位置にてセットするステップと、
前記球体のサイズを、管腔壁との衝突が生じるまで拡大するステップと、
前記衝突からの移行フォースを計算するステップと、
前記移行フォースを、前記球体がもはや衝突に陥らなくなるまで供給するステップと、
前記球体のサイズを、当該管腔壁とのさらなる衝突が再び生じるまで拡大するステップと、
さらなる移行フォースを計算するステップと、
前記さらなる移行フォースを、前記球体がもはや衝突を起こさなくなるまで供給するステップと、
先行の３つのステップを、前記球体が衝突なしでそれ以上の成長ができなくなる最終的な位置に達するまで、繰返すステップと。
前記最終的な位置を最終頂点位置として表示するステップとが含まれる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法において、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップと、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、；この場合当該ステップにさらに、初期パスを計算するステップと、前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップとが含まれており、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップと、  前記評点に基づいてセンターラインパスを選択するステップとが含まれていることを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）によって当該データセットを導出するステップが含まれる、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、核磁気共鳴（ＭＲ）によって当該データセットを導出するステップが含まれる、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法において、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、
前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択するステップとが含まれていることを特徴とする方法。
【請求項１９】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムにおいて、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、
前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムにおいて、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出する手段と、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てる手段と、
前記評点に基づいてセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出する手段に、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）によって当該データセットを導出する手段が含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出する手段に、核磁気共鳴（ＭＲ）によって当該データセットを導出する手段が含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２３】
目下の内視鏡周辺でセンタリングされる所定の数のボクセルを導く立方体を確定する手段が含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２４】
前記管腔内の“空間”内部に成長する領域を形成し、前記管腔内の“空間”内で全てのボクセルをラベリングする手段が含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２５】
前記管腔内の空間が立方体の対応する面と交差するそれぞれの箇所にクラスタを形成し、前記各クラスタ内に当該クラスタに対応する共有面のボクセルを含ませる手段が含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２６】
各クラスタの中心を当該各クラスタのボクセルの座標の平均化によって算出する手段が含まれている、請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
それぞれのセンターラインパスを、目下の内視鏡位置に対する各クラスタの中心から算出する手段が含まれている、請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てる手段に、
目下の内視鏡位置から開始する手段と、
内視鏡によって示される目下のパスの対応するポイントに対する各センターラインパスの複数のポイントの差分の絶対値の和が形成される手段と、
商評点（スコア）を形成するために前記和が各センターラインパスの長さによって除算される手段と、
最高位の商評点を有しているパスを選択する手段とが含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項２９】
１つだけのセンターラインパスが存在し、そのような結果を行き止まりとして表示する手段が含まれている、請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記概算的センターラインパスを計算する手段に、
初期パスを計算する手段と、
前記初期パスをセンタリングし平滑化する手段とが含まれている、請求項２０記載のシステム。
【請求項３１】
前記初期パスを計算する手段に、
終点から、増加するラベルナンバーを伴う複数のボクセルを起点に達するまで連続的に記憶する手段が含まれている、請求項３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記初期パスをセンタリングし平滑化する手段に、ガウス平滑化を使用する手段が含まれている、請求項３０記載のシステム。
【請求項３３】
前記初期パスをセンタリングし平滑化する手段に、
球体を頂点位置にてセットする手段と、
前記球体のサイズを、管腔壁との衝突が生じるまで拡大する手段と、
前記衝突からの移行フォースを計算する手段と、
前記移行フォースを、前記球体がもはや衝突に陥らなくなるまで供給する手段と、
前記球体のサイズを、当該管腔壁とのさらなる衝突が再び生じるまで拡大する手段と、
さらなる移行フォースを計算する手段と、
前記さらなる移行フォースを、前記球体がもはや衝突を起こさなくなるまで供給する手段と、
先行の３つのステップを、前記球体が衝突なしでそれ以上の成長ができなくなる最終的な位置に達するまで、繰返す手段と
前記最終的な位置を最終頂点位置として表示する手段とが含まれている、請求項３０記載のシステム。
【請求項３４】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムにおいて、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出する手段と、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、；この場合当該手段にさらに、初期パスを計算する手段と、前記初期パスをセンタリングし平滑化する手段とが含まれており、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、
前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てる手段と、
前記評点に基づいてセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項３５】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムにおいて、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、
前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムにおいて、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、
前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、
前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、
前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、
前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、
前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００３年１月３０日付けで米国特許商標庁にタイトル“Automatic Local Path Planning for Virtual Colonoscopy”、発明者“Bernhard Geiger”のもとで提出された米国仮特許出願番号第６０／４４３７３４号明細書に基づく優先権を主張するものである。また本願は、２００３年５月１４日付けで米国特許商標庁にタイトル“Fast Centerline Extraction”、発明者“Bernhard Geiger／Jean Daniel Boissonnat”のもとで提出された米国仮特許出願番号第６０／４７０５７９号明細書に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は基本的には、コンピュータ・ビジョン・イメージング・システムに関するものであり、詳細には、仮想内視法や仮想結腸鏡検査法に使用されるようなローカルパス（局所的経路）の自動プランニングのための方法及び装置（システム）に関している。
【０００３】
背景技術
仮想結腸鏡検査法（ＶＣ）とは、患者固有の解剖学的三次元（３Ｄ）データセットを用いて、標準的な最小限の侵襲的内視鏡による手順のコンピュータシミュレーションに基づいた診断方法に関するものである。現下の内視鏡的手順の例としては、気管支鏡検査法、副鼻洞内視鏡検査法、上部消化管内視鏡検査法、結腸鏡検査法、膀胱鏡検査法、心臓内視鏡検査法、尿道鏡検査法などが挙げられる。非侵襲的に得られる患者固有の解剖学的構造のＶＣ視覚化では、次のようなリスク、すなわち穿孔、感染、出血などのリスクが避けられ、さらに実際の内視鏡検査に先立って重要な情報が内視鏡操作者に提供される。そのような知識は、手順の困難性を最小化させ、患者の罹患率を低減させ、練度を高め、治療結果のより良好な理解を深める。
【０００４】
仮想結腸鏡検査法において、３Ｄイメージは、二次元（２Ｄ）のコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）データや核磁気共鳴（ＭＲ）データから例えばボリュームレンダリングによって作成される。
【０００５】
これらの３Ｄイメージは、実際の内視鏡、例えば光ファイバ内視鏡から到来する画像をシミュレートすべく作成される。このことは、仮想内視鏡の視点が器官や他の人体組織の管腔を内部から広い視野角（典型的には約１００度の弧）で捉えなければならないことを意味する。この視点は、管腔の内部に沿って移動されなければならず、このことは、立体的（３Ｄ）な並進運動と立体的（３Ｄ）な回転が提供されなければならないことを意味する。これらのパラメータを相互的（対話的）にコントロールすることは課題である。
【０００６】
仮想内視鏡の視点を誘導するための通常用いられる技法は、事前に“フライトパス”を計算し、このパスに沿って仮想結腸鏡の視点を自動的に動かすことである。しかしながらこの技法には、失敗の可能性を伴いかつ時間のかかるセグメント化とトラジェクトリ計算ステップが要求される。
【０００７】
２００２年１２月１８日付けでタイトル名“Automatic Navigation for Virtual ENdoscopy”のもとに提出された先の出願第１０／３２２、３２６号明細書の内容は、ここでは本願との互換性がないわけではない参照程度の文献として取り上げる。ここでは、前進のための最長視線を用いた内部結腸データセットの誘導システム及び方法が開示されている。この先の出願は、仮想結腸鏡検査法における内視鏡の視点の自動誘導のためのシステム及び方法を示したものである。このシステムは自動的に仮想内視鏡の方向と向きを確定している。それ故にユーザーは、ただ１つのパラメータのみ、すなわち前進速度若しくは後退速度のみの制御を必要とし、この方法は、事前処理（すなわちセグメント化やパス作成）なしで、器官内部での直接の相互作用的誘導を可能にしている。前記出願の方法には以下のステップが含まれている。すなわち、
ａ）仮想内視鏡の初期視点を確定するステップ、この初期視点は第１のセンターポイントと第１の方向を有している
ｂ）管腔に対する初期視点からの最長視線を確定するステップ、この最長視線は第１の最長視線方向を有する
ｃ）初期視点の第１の方向と第１の最長視線方向との間の第２の方向を確定するステップ
ｄ）視点を第２の方向に転じ、初期視点をその第１の方向において所定の第１の間隔だけ動かすステップ
ｅ）視点の第２のセンターポイントを計算するステップ
ｆ）視点を第２のセンターポイントに動かし、そして前記ステップｂ）からｆ）までを視点が所期のターゲットに到達するまで繰返すステップ。
【０００８】
発明の概要
前述の先の出願（Attorney Docket No. 2001P24461US）に開示されているシステムの作動においては、仮想結腸鏡検査法において、ある状況のもとでは、直角に折れ曲がって停滞したり深部での膨起による褶曲が生じる可能性が認められる。
【０００９】
本発明の観点の１つによれば、組織の管腔内の仮想結腸鏡の視点を誘導するための方法が提供される。また本発明の観点によれば、自動パスプランニングのための方法が以下のステップを含む。すなわち、目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記内視鏡位置から出発して管腔内部で成長する領域を実行するステップと、関心領域に外接する立方体の６つの面と成長領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、内視鏡位置から各クラスタの中心までの概算的センターラインを計算するステップと、各々のパスを内視鏡の目下のパスと比較するステップと、最良の評点を検出するステップを含んでいる。
【００１０】
本発明の別の側面によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法が次のステップを含んでいる。すなわち、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップと、管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップと、前記評点に基づいてセンターラインパスを選択するステップとを含んでいる。
【００１１】
本発明の他の側面によれば、前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、コンピュータトモグラフィによって当該データセットを導出するステップが含まれる。
【００１２】
また本発明の他の側面によれば、前記結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップに、核磁気共鳴によって当該データセットを導出するステップが含まれる。
【００１３】
さらに本発明の他の側面によれば、目下の内視鏡周辺でセンタリングされる所定の数のボクセルを導く立方体を確定するステップが含まれる。
【００１４】
本発明の他の側面によれば、概算的センターラインパスを計算するステップに、初期パスを計算するステップと、前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップとが含まれる。
【００１５】
本発明の別の有利な実施例によれば、前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップに、ガウス平滑化を使用するステップが含まれる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施例によれば、前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップに、球体を頂点位置にてセットするステップと、前記球体のサイズを、管腔壁との衝突が生じるまで拡大するステップと、前記衝突からの移行フォースを計算するステップと、前記移行フォースを、前記球体がもはや衝突に陥らなくなるまで供給するステップと、前記球体のサイズを、当該管腔壁とのさらなる衝突が再び生じるまで拡大するステップと、  さらなる移行フォースを計算するステップと、前記さらなる移行フォースを、前記球体がもはや衝突を起こさなくなるまで供給するステップと、先行の３つのステップを、前記球体が衝突なしでそれ以上の成長ができなくなる最終的な位置に達するまで、繰返すステップと、前記最終的な位置を最終頂点位置として表示するステップとが含まれる。
【００１７】
本発明のさらに別の実施例によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法に以下のステップが含まれる。すなわち、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出するステップと、管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、；この場合当該ステップにさらに、初期パスを計算するステップと、前記初期パスをセンタリングし平滑化するステップとが含まれており、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てるステップと、前記評点に基づいてセンターラインパスを選択するステップとが含まれる。
【００１８】
本発明の別の側面によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法に以下の方法ステップが含まれる。すなわち、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択するステップとが含まれる。
【００１９】
本発明の別の側面によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムが以下の手段を有するように構成されている。すなわち、
管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されている。
【００２０】
また本発明の別の側面によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニングシステムが以下の手段を有するように構成されている。すなわち、
後続するステップにおける利用のために結腸検査プロトコルによって得られる結腸データセットを導出する手段と、管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定する手段と、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行する手段と、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングする手段と、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算する手段と、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較する手段と、前記センターラインパスの各々に対して前記比較に基づく評点を割当てる手段と、前記評点に基づいてセンターラインパスを選択する手段とを有するように構成されている。
【００２１】
さらに別の側面によれば、前記初期パスをセンタリングし平滑化する手段に、球体を頂点位置にてセットする手段と、前記球体のサイズを、管腔壁との衝突が生じるまで拡大する手段と、前記衝突からの移行フォースを計算する手段と、前記移行フォースを、前記球体がもはや衝突に陥らなくなるまで供給する手段と、前記球体のサイズを、当該管腔壁とのさらなる衝突が再び生じるまで拡大する手段と、さらなる移行フォースを計算する手段と、前記さらなる移行フォースを、前記球体がもはや衝突を起こさなくなるまで供給する手段と、先行の３つのステップを、前記球体が衝突なしでそれ以上の成長ができなくなる最終的な位置に達するまで、繰返す手段と、前記最終的な位置を最終頂点位置として表示する手段とが含まれている。
【００２２】
さらに別の側面によれば、仮想内視鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法が次のステップを含んでいる。すなわち、管腔内の目下の内視鏡位置周辺のサブボリュームを確定するステップと、前記目下の内視鏡位置から開始して当該管腔内部で成長する領域を実行するステップと、前記サブボリュームに外接する立方体の複数の面と前記領域との交差を計算しクラスタリングするステップと、前記目下の内視鏡位置から先行ステップにて形成された各クラスタの中心までの概算的センターラインパスを計算するステップと、前記センターラインパスの各々を内視鏡によって示される目下のパスと比較するステップと、前記比較に基づいて最適なセンターラインパスを選択するステップとを含んでいる。
【００２３】
図面の簡単な説明
本発明の種々の態様のより完全な理解のために以下では図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。この場合
図１は、本発明の完全な理解を支援するために、曲折箇所において内視鏡の進行が停滞している典型的な状況を概略的に表した図であり、
図２及び図３は、本発明の実施例に使用され得るセンターライン抽出に関するボクセルパスを表した図であり、
図４は、本発明の実施例に使用され得るセンタリングステップを表した図である。
【００２４】
実施例
本発明の方法及びシステムは、プログラミング可能なデジタルコンピュータを用いて実現され、その中で述べられている操作もコンピュータでの実現に関連していることを理解されたい。イメージングのコンテキストにおいては“エアー”“内腔/管腔”などの項は、典型的にはこれらの特徴の相応のイメージングを指すことを意味する。
【００２５】
前述のように、所定の状況のもとでは、仮想結腸検査法のための従来方式のシステムの操作において、曲折箇所での停滞が生じ、あるいは仮想結腸検査において、深い膨起褶曲が生じ得る。図１には、内視鏡が曲折箇所において停滞している典型的な状況を表している。
【００２６】
本発明の実施例によれば、内視鏡位置からの成長領域が３つのクラスターＣ０，Ｃ１，Ｃ２において立方体に交差している。このシステムは、各クラスタの中心に向けて内視鏡の新たなセンターラインを計算し、各々のパスを内視鏡のパスと比較する。ここでは、入力されるパスとの経路差を反映する評点が計算される。最も高い評点のパスは、結腸の方向に向けて最も続く（延在する）パスである。１つのクラスタのみが存在する場合には、システムは、進行阻止の存在と行き止まりに達していることを確定する。
【００２７】
本発明によるパスの自動プランニング方法に基づく実施例によれば、まず目下の内視鏡位置周辺のサブボリューム空間を定めるステップが含まれている。次に、内腔内側の領域成長を実施するステップが実行され、これは目下の内視鏡位置から開始される。これに続いて、関心領域に外接する、成長領域と立方体の６面との交差部分の計算とクラスタリングを行うステップが実施される。各クラスタの中心に対する内視鏡位置からの概算的なセンターラインが計算される。各パスは、内視鏡の目下のパスと比較され、最高の評点が見つけだされる。
【００２８】
概算的センターラインの計算ステップは、種々異なる方法での実行が可能である。大抵のセンターラインアルゴリズムでは、間引き、形態学的演算、距離変換、最小コストパス、“Dijkstra's”アルゴリズムなどが用いられている。これらのバックグランドとして例えば以下に述べるような文献が挙げられる。
Zhou et al.,“Three-Dimensional Skeleton and Centerline Generation Based on an Approximate Minimum Distance Field,”“The Visual Computer, 14:303-314(1998);R.Truyen,”,T.Deschamps,L.D.Cohen,“Clinical evaluation of an automatic path tracker for virtual colonoscopy, Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention(MICCAI), Utrecht, Netherlands,October 2001”,Chen et al.,“A Fast Algorithm to Generate Centerline for Virtual Colonoscopy, SPIE Conference, Feb. 12-18, 2000”,Richard Robb,“Virtual (Compted) Endoscopy: Development and Evaluation Using the Visible Human Datasets,”Oct.7-8,1996, www.mayo,edu; U.S.Patent 6,514,082, entitiled “System and method for performing a three-dimensional examination with collapse correction”
【００２９】
結腸のセグメント化を実行するその他の方法には、起点及び終点の計算の実行と、前述した仮出願第６０／４７０５７９号に記載のような初期パスの計算が含まれる。これにはパスのセンタリングと平滑化が継続されており、これは、腸プレパラートと空気注入を含む典型的な結腸鏡検査法のプロトコルの使用によって得られる結腸データセットを用いて開始される。このデータセットは、空気に対する閾値の利用と接続される要素の分析によってセグメント化される。この場合結腸に属していない要素は、自動選択か若しくは手動選択で切り捨てられる。結腸に属する第１のボクセルから開始して、ボクセルの間隔ラベリングが実行され、典型的には連続的なナンバリングで実行される。例えば第１のボクセルにラベル０を与え、次の隣接ラベルにはラベル１、その次の隣接ラベルにはラベル２が与えられるように続けられる。検索は、起点ｐ０に転化される最高位ラベルに対して行われる。この起点ｐ０からは、新たな間隔ラベルマップが、間隔ラベリングの先行ステップの繰返しと最高位ナンバーを伴う他のボクセルの獲得によって作成される。これは終点ｐ１である。
【００３０】
終点ｐ１からは、間隔ラベルは、起点ｐ０で終了した接続ボクセルのパスを得るために用いられる。このことはｐ２の隣接ラベルの中で、より小さなラベルを備えたボクセルに対する検索によって行われ、これはｐ０に達するまで続けられる。図２ａ及び図３ａには、初期ボクセルパスが表されている。結果として得られるパスは、基本的にはギザギザであり、そのため周知の技法、例えばガウス平滑化などを用いて平滑化が施される。いくつかの頂点（ないし節点）は、ｎ個の隣接ラベルの重み付け平均によって置換えられ、その処理過程は、反復の数に亘って繰返される。いくつかの新たな頂点の位置では、腸壁との衝突毎に、新たな座標がセグメント化された結腸内にまだ存在しているものなのかどうかを検証することによってテストされる。衝突事象においては、衝突のない最後の位置で頂点が離れる。ある意味では、この過程は、結腸を通過して延伸する柔軟で重さのないストリングパスになぞらえることができる。図２ｂ及び図３ｂには初期の平滑化ステップが示されている。図２ｃ及び図３ｃは、最終的なセンタリングを表している。
【００３１】
前述した実施例によれば、この平滑化パスは、拡大されるサイズを伴う球体を用いてセンタリングされる。図４には、小さな球体がパスに沿って頂点にてセンタリングされる様子が表されている。この球体上の複数の頂点は、腸壁との衝突毎にチェックされる。複数の頂点が衝突状態にある場合には、当該球体を腸壁から離すように動かすフォースが球体法線に基づいて定められる。球体はパスに対して垂直な面上での動きを余儀なくされる。球体がもはや衝突状態でなくなると、球体のサイズが増加され、再び衝突の計算とシフトが繰返される。この過程は、衝突を引き起すことなしで球体のさらなるシフト及び／又はサイズの拡大ができなくなる時に停止される。ここにおいて球体の中心が頂点に対する新たな位置として受け入れられる。この過程は、トラジェクトリ若しくはパスの次の頂点のために繰返される（図１のＣ参照）。この衝突検出技術と移行フォースの計算の概要については、２０００年６月１９〜２３日にスイス国ジュネーブにおいて開催されたコンピュータグラフィックインターナショナル２０００での“Geiger, B”による出版物“Real-Time-Collision Detection and Response for Complex Environments”に記載がある。しかしながら衝突検出及びフォース計算は、多面体の再構成よりはボクセルに基づいて直接実施される。つまり基本的には、前述のGeigerによる文献内で概説されている構想が基本的に続けられる。それに続いて、及びセンタリングの後で、パスは、衝突制御を伴う別のガウス平滑化を施される。この時はより少ない反復とより小さい隣接区域が使用される。
【００３２】
図４には、センタリングステップのための要約された手順が示されている。すなわち：
ａ）球体は頂点位置にてセットされる
ｂ）球体サイズは、腸壁との衝突まで拡大される。衝突からは、移行フォースが計算される
ｃ）この移行は、球体がもはや衝突に陥らなくなるまで供給される。球体のサイズは、再び拡大され、そこで腸壁との衝突が起こる
ｄ）移行が計算される。この移行の後で球体は、それ以上の成長ができない位置に達する。
ｅ）この位置は最終的な頂点位置を表す。
【００３３】
単なる形態学的操作を使用するものではない本発明の基本原理によれば有利には、所定の状況により早く達することができる。
【００３４】
本発明の実施例によれば、仮想結腸鏡検査法のためのローカルパス自動プランニング方法が以下に述べるようなステップを含んでいる。すなわち、
まず自動セグメント化が実行され、ここではこの自動セグメント化が、選択された立方体サイズのブロックにカットアウトされ（例えば１２８×１２８×１２８）、ボクセルは内視鏡の位置でセンタリングされる。核として内視鏡を含んだボクセルによって開始がなされると、内部の空間に成長する領域が実行される。空間を含み同じ管腔に属する全てのボクセルがラベリングされる。この柱状空間は、種々の箇所において立方体と交差する。それらの箇所は、クラスタリングされる。この場合共有的に面しているボクセルは同じクラスタに加算され、各クラスタの中心は、各クラスタのボクセルの座標の平均化によって算出される。各クラスタの中心から内視鏡の位置までのセンターラインが算出される。各センターラインは、内視鏡のパスと比較される。内視鏡の位置から開始されて、センターライン上の複数のポイントの差分の絶対値が、内視鏡パスの対応するポイントに加算される。和が長さによって除算され、評点（スコア）が定められる。より高い評点は、到来するパスからのセンターラインがより隔てられる。最も高い評点を有するパスは、追従するための最良の候補である。ただ１つのパスしか存在しない場合には、それは内視鏡を投入する最も有望な１つであり、システムは行き止まりの存在を検知する。
【００３５】
本発明は、最も実用的な仮想結腸鏡検査法の内容で主に説明してきたが、しかしながらこれは本願がその他のタイプの仮想内視鏡検査法に適していないことを意味するものではないことを理解されたい。また本発明は、例示的な実施例を用いて具体的に説明してきたが、当業者であるならばこれらの実施例の他にも、以下に述べる特許請求の範囲によって特定される本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々異なる変更や変化実施例が可能であることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】曲折箇所において内視鏡の進行が停滞している典型的な状況を概略的に表した図
【図２】本発明の実施例に使用され得るセンターライン抽出に関するボクセルパスを表した図
【図３】本発明の実施例に使用され得るセンターライン抽出に関するボクセルパスを表した図
【図４】本発明の実施例に使用され得るセンタリングステップを表した図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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