(57)【要約】  サンプリング周波数が、ナイキストレートを下回る場合、高周波信号は、サンプリングされたデータから適切に再構築されることができない。エッジのような高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って２、３の追加的なサンプル点を選択することにより、本発明は、この問題を解決する。中間レンダリングデータが、その追加的なサンプリング点を決定するのに使用される。従って、本発明の例示的な実施形態によれば、ピクセルあたり４つの適合的に選択されるサンプル点が、16倍のスーパーサンプリングに匹敵する視覚品質を、非常に低い計算コストで提供することができる。
2007528769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データセットにおける構造の適合的なサンプリングの方法において、高周波信号を有する前記構造の領域を特定するステップと、第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせるステップとを有し、前記第１のサンプリングが前記高周波信号を有する前記領域に交差する軌跡に沿って行われる、方法。
【請求項２】
高周波信号を有する前記構造の前記領域が、第２のサンプリングレートで第２のサンプリングを行うことにより特定され、前記第１のサンプリングレートは、前記第２のサンプリングレートより高い、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サンプリングされた構造が、前記第１のサンプリングに基づきレンダリングされ、前記高周波信号を有する前記領域におけるピクセルの平均ピクセル値は、前記第１のサンプル点の前記値の平均を評価することにより決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記構造は、等値面レンダリング手法により決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のサンプリングが行われる前記軌跡は、前記高周波信号を有する前記領域に交差する線である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記高周波信号を有する前記構造の前記領域は、エッジである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記適合的なサンプリングが、レイキャスティングを含み、前記レイキャスティングは、前記エッジを検出するのに使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記構造は、表面を有し、前記表面は、表面変化を有し、前記軌跡は、最大の表面変化の方向に沿って伸びる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は、仮想内視鏡検査に使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
データセットにおける構造の適合的なサンプリングのための画像処理デバイスであって、前記データセットを格納するメモリと、前記データセットをロードする処理、高周波信号を有する前記構造の領域を特定する処理、及び第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として、第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせる処理を行う画像プロセッサとを有し、前記第１のサンプリングが、前記高周波信号を有する前記領域に交差する軌跡に沿って行われる、画像処理デバイス。
【請求項１１】
スキャナシステムであって、データセットを格納するメモリと、前記データセットにおける構造の適合的なサンプリングを行う画像プロセッサとを有し、前記画像プロセッサは、前記データセットをロードする処理と、高周波信号を有する前記構造の領域を特定する処理と、第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として、第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせる処理とを行い、前記第１のサンプリングが、前記高周波信号を有する前記領域に交差する軌跡に沿って行われる、スキャナシステム。
【請求項１２】
前記スキャナシステムは、CTスキャナシステム及びMRスキャナシステムのいずれかである、請求項１１に記載のスキャナシステム。
【請求項１３】
データセットにおける構造の適合的なサンプリングを行うためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは画像プロセッサで実行されるとき、該画像プロセッサに、前記データセットをロードする処理と、高周波信号を有する前記構造の領域を特定する処理と、第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として、第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせる処理と行わせ、前記第１のサンプリングが、前記高周波信号を有する前記領域に交差する軌跡に沿って行われる、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル画像化の分野に関する。特に、本発明は、データセットにおける構造の適合的なサンプリングの方法、データセットにおける構造の適合的なサンプリングを行う画像処理デバイス、スキャナシステム及びコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡検査は、医療診断における重要な技術である。それはしばしば、生きている人間の体内を視覚的に検査することにより、ある症状の発生源又は病気の初期段階の兆候を決定することのみが可能である。毎年、何千もの内視鏡検査行為が実施されている。光学内視鏡検査は、人体内部の中空器官又は空洞を検査するのに使用される医療行為である。これは、自然の穴又は小さな切開口(incision)を通して内視鏡が患者に挿入されるため、しばしば痛みを伴う処置である。内視鏡検査技術は、どの器官が検査されるかによって変化する。最も重要な内視鏡検査技術の１つは、結腸鏡検査である。
【０００３】
内視鏡検査の更なる例は、患者の肺の検査を可能にする気管支鏡検査(bronchioscopy)である。結腸鏡検査と気管支鏡検査とは共にリスクを伴い、患者にとって快適なものではない。
【０００４】
仮想内視鏡検査は、３次元の画像データセットのコンピュータ処理を利用する比較的新しい診断方法である。そのデータセットは、標準的な内視鏡検査処置により生成される画像に類似又は同等である、患者の器官についてのシミュレーションされた視覚化を与える。そのデータセットは、コンピュータ断層撮影(CT)又は磁気共鳴画像化(MRI)といった断層撮影を用いて作成される。従って、データ取得は、無侵襲であり、これは、患者にとって最小限の不快さのみをもたらすことを意味する。
【０００５】
従来のCT及びMRIスキャンは、体の断面又はスライス画像を提供する。各データスライスは、離散的かつ均等に距離をおいて(equidistantly)配列された密度値のマップであり、いわゆるボクセルである。離散化は、サンプリング及び再構築誤差をもたらす場合がある。従って、断層撮影から生じる断面は、人体のスライスの完全な表現では決してない。
【０００６】
洗練されたアルゴリズムと高性能な計算とが、斯かる断面のスタックを人体構造の離散的な３次元表現として提供するのに使用されることができる。仮想内視鏡視覚化は、実際の内視鏡検査に関連付けられるリスクを回避し、実際の内視鏡検査を行う前に用いられるとき、処置の困難さを最小限にすることができる。更に、仮想内視鏡検査は、プラット血管(plat vessel)といった実際の内視鏡検査では到達できない体の範囲の検査を可能にする。
【０００７】
等値面(iso-surface)レンダリングが、３次元医療データの視覚化のために多数の医療用途において使用される。等値面は、同一の密度値が割り当てられる、データボリューム内のすべての点の集合である。このデータ値は、閾値又は等値(iso-value)と呼ばれ、検査プロセスの前に操作者によって特定されなければならない。それは、等値面の内部と呼ばれることができる、高密度の領域と、外部と呼ばれることができる、より低い密度の領域との間の境界を印す。そのデータセットのボクセルに正確にマッピングされることのできる、ボリューム内の点が、そのボクセルの値に割り当てられる。他の点の密度値は、周囲のボクセルの密度値間の補間を用いて計算される。閾値より大きな密度値を持つ点は、等値面アルゴリズムにより内部にマッピングされ、他のすべての点は外部にマッピングされる。
【０００８】
上述の仮想内視鏡検査の間の等値面レンダリングの１つの例は、仮想結腸鏡検査の間に行われる。仮想結腸鏡検査において、結腸の擬似現実表示がCTデータからレンダリングされる。事前に計算された経路に沿った結腸を通る動画(movie)の生成は、仮想結腸鏡検査における共通の用途である。経路生成は、半自動又は完全自動で行われ、その結果、臨床医学者は、操作(fly-through)中にポリープの発見に集中することができる。斯かる構造的異常が発見されれば、事前生成された経路を残し、任意の視点からポリープを検査することが有益となるであろう。従って、対話的なレンダリングが仮想結腸鏡検査における非対話的な動画の生成を容易にし、最終的にはそれを置き換えることができる。
【０００９】
目に見えるアーチファクトが臨床医学者の気を散らす、又は誤った解釈をもたらす場合があるため、一般に、表面レンダリング用途に対する必要条件及び主要な基準は、高レベルな画像品質である。
【００１０】
別の重要な要求は、速度である。伝統的な内視鏡検査に挑戦するために、仮想内視鏡検査システムは、調査される人体器官内を対話的にナビゲートすることを可能にする能力を持つべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
残念なことに、仮想内視鏡検査プログラム又は方法のデザインは通常、こうした２つの重要な要求の間でのトレードオフを含む。なぜなら、一方で高い更新及びレンダリング速度を提供し、他方で高い画像品質を提供することは困難だからである。
【００１２】
高いレンダリング速度から生じる１つの欠点は、エイリアス(aliasing)である。エイリアスは、エッジとレンダリングされる画像とに沿った階段状のアーチファクトをもたらす。これは、画像品質の劣化をもたらし、それは、多くの仮想内視鏡検査用途に当てはまることだが、表示が高いフレームレートでレンダリングされるとき又は動画が生成されるとき、一層ひどくなる。画像ピクセルを通過するエッジは、フリッカ(flickering)を生み出す。なぜなら、エッジがピクセル中心を踏み越える(overstep)とき、ピクセル値が異なるグレー値間で瞬時に切り替わるからである。この典型的なエイリアス効果は、視覚的に悩ましいものであり、卓越した画像品質の目的を達成するには削減されるべきである。
【００１３】
スーパーサンプリングが、エイリアスのアーチファクトを除去する１つのやり方である。ここでは、ピクセルあたりに１つのサンプル点だけを用いる代わりに、16又はそれ以上のサンプルが評価され、その平均値がピクセルに割り当てられる。これは結果として、滑らかなエッジを生じさせ、動画におけるフリッカも解消する。なぜなら、ピクセル値は、グレーレベル間で徐々に変化し、エッジが貫通されるからである。しかしながら、この手法は計算的なコストが高く、高いレンダリング性能という目的に相反する。仮に画像における数ピクセルだけがスーパーサンプリングされる必要がある場合であっても、レンダリング速度における速度低下は受け入れられない。
【００１４】
本発明の目的は、適合的なサンプリングを提供し、そして、増加されたレンダリング性能を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載される本発明の例示的な実施形態によれば、上述した目的は、データセットにおける構造の適合的なサンプリング方法によって解決されることができ、そこでは、その方法は、高周波信号を有する前記構造の領域を特定するステップと、第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行うステップとを有し、結果として、第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせる。そして、第１のサンプリングは、高周波信号を有する領域に交差する軌跡(trajectory)に沿って行われる。
【００１６】
有利には、本発明のこの例示的な実施形態によれば、高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って、２、３の追加的なサンプル点が選択される。その軌跡は、高周波信号を有する領域に垂直な向きに置かれる(oriented)ことができる。第１のサンプリングレートを十分高く選択することにより、高周波信号は、サンプリングされたデータから適切に再構築されることができる。なぜなら、サンプリング周波数は、ナイキストレートより上にあるからである。有利には、１次元であり、かつ領域を規定する２つの方向には沿っていない軌跡に沿った第１のサンプリングを行うことにより、スーパーサンプリングと比較してピクセルあたりのサンプル数が削減されることができ、結果として、増加されたサンプリング速度を生じさせる。
【００１７】
請求項２に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、高周波信号を有する構造の領域は、第２のサンプリングレートで第２のサンプリングを行うことにより特定され、そこでは、第１のサンプリングレートが第２のサンプリングレートよりも高い。
【００１８】
従って、構造全体ではなく高周波信号を有する構造の領域だけが、相対的に高い第１のサンプリングレートでサンプリングされる必要がある。より低い第２のサンプリングレートでその構造をサンプリングした後、及び高周波信号の領域を特定した後、高周波信号のこの領域は、第１の(相対的に高い)サンプリングレートでサンプリングされることができ、結果として、一般的なスーパーサンプリングと比べても高速なサンプリング速度を提供しつつ、その特定の領域におけるエイリアスのアーチファクトの削減を生じさせる。
【００１９】
請求項３に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、サンプリングされた構造は、第１のサンプリングに基づきレンダリングされる。そこでは、第１のサンプル点の値の平均を評価することにより、高周波信号を有する領域におけるピクセルの平均ピクセル値が決定される。
【００２０】
有利には、本発明のこの例示的な実施形態によれば、その高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って位置する第１のサンプル点の値が、平均化され、この平均値がそれからその領域における特定のピクセルに割り当てられる。これは、高周波信号の領域におけるエイリアスのアーチファクトの削減を提供することができる。
【００２１】
請求項４に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、その構造は、等値面レンダリング手法により決定される。
【００２２】
有利には、等値面レンダリング手法は、例えば、内臓といった構造の高速な特定を提供することができる。有利には、等値面レンダリング手法は、対話的な閾値調整でさえ提供することができる。
【００２３】
請求項５に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、第１のサンプリングが行われる軌跡は、高周波信号を有する領域に交差する線である。
【００２４】
有利には、線に沿って第１のサンプリングを行うことにより、サンプリング速度が更に増加されることができる。
【００２５】
請求項６に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、高周波信号を有する構造の領域はエッジである。有利には、本発明のこの例示的な実施形態によれば、エッジに沿って生じるエイリアスのアーチファクトが適合的に削減又は補償されることができる。
【００２６】
請求項７に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、適合的なサンプリングは、レイキャスティングを含み、レイキャスティングは、エッジを検出するのに使用される。本発明のこの例示的な実施形態によれば、レイキャスティングは、例えば、低下された解像度を備える構造の画像を生成するのに使用される。そして、本発明の側面によれば、高周波信号を有する構造に対する画像の領域が特定され、サンプリング周波数がその領域に交差する軌跡に沿って増加される。
【００２７】
請求項８に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、その構造は、表面変化(surface variation)を有する表面を有する。更に、その軌跡は、最大表面変化の方向に沿って伸びる。
【００２８】
有利には、本発明のこの例示的な実施形態によれば、(相対的に高い周波数での)第１のサンプリングは、表面方向の変化が最大である方向に沿って行われ、それは例えば、エッジである。従って、本発明のこの例示的な実施形態によれば、表面方向の変化が最大となり、従って、サンプル点の値の変化が最大になる方向に、追加的なサンプル点が与えられる。
【００２９】
請求項９に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、その方法は仮想内視鏡検査に使用される。これは、仮想内視鏡検査のような医療用途における適合的なサンプリングを提供し、そこで、改良されたレンダリング性能を提供することができる。
【００３０】
有利には、請求項１０に記載される本発明の別の例示的な実施形態によれば、データセットにおける構造の適合的なサンプリングのための画像処理デバイスが与えられ、それは、そのデータセットを格納するメモリと、以下の処理：データセットをロードし、高周波信号を有する構造の領域を特定し、及び第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として、第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせる処理を行うよう適合される画像プロセッサとを有する。第１のサンプリングは、高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って行われる。
【００３１】
有利には、これは、適合的なサンプリングを可能にすることができる。
【００３２】
本発明は、データセットを格納するメモリと、そのデータセットにおける構造の適合的なサンプリングを行うよう適合される画像プロセッサとを有するスキャナシステムにも関する。本発明の側面によれば、スキャナシステムは、CTスキャナシステム及びMRスキャナシステムのいずれかである。本発明によるスキャナシステムは、請求項１１及び１２に記載される。
【００３３】
有利には、これは、適合的なサンプリングと、CTスキャナシステム又はMRスキャナシステムにより得られるデータセットにおける構造の改良されたレンダリング性能とを可能にすることができる。
【００３４】
本発明は、例えば画像プロセッサのようなプロセッサで実行されることができるコンピュータプログラムにも関する。斯かるコンピュータプログラムは、例えばCTスキャナシステム又はMRスキャナシステムの一部とすることができる。本発明の別の例示的な実施形態によるコンピュータプログラムが、請求項１３に記載される。これらのコンピュータプログラムは、好ましくは、画像プロセッサのワーキングメモリにロードされることができる。従って、その画像プロセッサは、本発明の方法の例示的な実施形態を実行するよう備えられる。そのコンピュータプログラムは、CD-ROMのようなコンピュータ可読媒体に格納されることができる。また、コンピュータプログラムは、ネットワーク、例えば、ワールドワイドウェブを介して提供されることもでき、斯かるネットワークから、画像プロセッサのワーキングメモリにダウンロードされることができる。本発明のこの例示的な実施形態によるコンピュータプログラムは、例えば、C++のような任意の適切なプログラム言語で書かれることができる。
【００３５】
本発明の例示的な実施形態の要点として、データセットにおける構造が適合的にサンプリングされ、そこでは、高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って、相対的に高いサンプリングレートでサンプリングが行われることが理解されるであろう。従って、本発明の例示的な実施形態によれば、ほとんどの構造が、より低いサンプリングレートでサンプリングされることができ、エイリアスのアーチファクトをもたらすことができる高周波信号の領域のみが、相対的に高いサンプリングレートで部分的にサンプリングされる。有利には、本発明の例示的な実施形態によれば、相対的に高いサンプリングレートでのサンプリングは、高周波信号の領域に垂直な線に沿って行われ、それは、結果として、ピクセルあたりにより多くのサンプルを伴うスーパーサンプリングに匹敵する、レンダリングされる画像の視覚品質を生じさせることができる。これは、十分な画像品質を提供しつつ、計算的なコストの削減をもたらすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明のこれら及び他の側面は、本書において述べられる実施形態から明らかとなり、又は実施形態を参照して説明されるであろう。
【００３７】
本発明の例示的な実施形態が、以下の図面を参照して以下に説明されることになる。
【００３８】
図１は、本発明によるCT(コンピュータ断層撮影)スキャナシステムの、本発明における例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態を参照して、本発明は、医療画像化における用途に関して説明が行われることになる。しかしながら、本発明は、医療画像化の分野における用途に限定されるものではなく、荷物の中身に含まれる爆発物といった危険物質を発見するための荷物検査といった用途、又は材料検査といった他の産業上の用途においても使用されることができることに留意されたい。
【００３９】
図１に表わされるスキャナはコーンビームCTスキャナである。図１に表わされるCTスキャナは、回転軸２の周りで回動可能なガントリ(gantry)１を有する。ガントリは、モータ３を用いて駆動される。参照番号４は、例えばX線源といった放射線源を表わす。それは、本発明の側面によれば、多色放射ビームを放出する。
【００４０】
参照番号５は、その放射線源から放出される放射ビームを、コーン形状の放射ビーム６へ形成する開口(aperture)システムを表す。
【００４１】
コーンビーム６は、それがガントリ１の中心、つまりCTスキャナの検査領域に配置される注目対象７を貫通し、かつ、検出器８にぶつかるよう、方向付けられる。図１から分かるように、検出器８の表面がコーンビーム６により覆われるよう、検出器８は放射線源４の反対にあるガントリ１上に配置される。図１に表わされる検出器８は、複数の検出器素子を有する。
【００４２】
注目対象７のスキャンの間、放射線源４、開口システム５及び検出器８は、ガントリ１に沿って矢印１６によって示される方向に回転される。放射線源４、開口システム５及び検出器８と共にガントリ１が回転するために、モータ３がモータ制御ユニット１７に接続され、そのモータ制御ユニットは、計算ユニット１８に接続される。
【００４３】
図１において、注目対象は、コンベアベルト１９に配置される。注目対象７のスキャンの間、ガントリ１は、患者７の周りを回転するけれども、コンベアベルト１９は、ガントリ１の回転軸２に平行な向きに沿って、注目対象７を移動させる。これにより、注目対象７は、ヘリカルスキャンパスに沿ってスキャンされる。コンベアベルト１９は、スキャンの間に停止されることもできる。コンベアベルト１９を与える代わりに、例えば、注目対象７が患者であるような医療用途では、移動可能なテーブルが用いられる。しかしながら、記載されたすべての場合において、サーキュラスキャン(circular scan:円動スキャン、全周スキャン)を行うことも可能であることに留意されたい。そこでは、回転軸２に平行な方向での移動は起こらず、回転軸２の周りのガントリ１の回転だけが起こる。
【００４４】
検出器８は、計算ユニット１８に接続される。計算ユニット１８は、検出結果、即ち、検出器８の検出器素子からの読み出しを受信して、この読み出しに基づきスキャン結果を決定する。検出器８の検出器素子は、注目対象によりコーンビーム６に対してもたらされる減衰を測定するよう適合されることができる。更に、計算ユニット１８は、ガントリ１の動きをモータ３と調和させるため及びコンベヤベルト１９をモータ２０と調和させるために、モータ制御ユニット１７と通信する。
【００４５】
計算ユニット１８は、検出器８の読み出しから画像を再構築するよう適合されることができる。計算ユニット１８により生成される画像は、インタフェース２２を介して(図１において図示省略された)ディスプレイに出力されることができる。
【００４６】
データセットを格納するメモリを有する画像処理デバイスに一体化される画像プロセッサにより実現されることができる計算ユニットはまた、そのデータセットにおける構造の適合的なサンプリングを行うよう適合されることができる。本発明の側面によるデータプロセッサ又は画像プロセッサは、そのデータセットをロードし、高周波信号を有する構造の領域を特定するよう適合されることができる。更に、そのデータプロセッサは、第１のサンプリングレートで第１のサンプリングを行い、結果として第１のサンプル点を有するサンプリングされた構造を生じさせるよう適合されることができ、その第１のサンプリングは、その高周波信号を有する領域に交差する軌跡に沿って行われる。
【００４７】
更に、図１からわかるように、計算ユニット１８は、例えば自動的にアラームを出力するためにラウドスピーカ２１に接続されることができる。
【００４８】
図２は、本発明によるMRスキャナシステムの実施形態の簡略化された概略図を示す。軸２１８に沿って配置され、かつ、検査される患者２１５が置かれる検査空間２１７を囲うコイル２１０を、MRスキャナシステムは有する。有利には、患者は、検査空間２１７の低い部分に配置される可動テーブル又はコンベヤベルト２１６上に横たわる。検査空間２１７を囲うコイル２１０の系は、HFコイル２１９と、内部コイル２１３とアクティブシールドコイル又はシールド２１２とを含むグラジエントコイルのアクティブシールド(actively shielded)装置と、磁場の生成の間、冷却するために中にコイルが配置される低温保持装置２１１とを有する。グラジエントコイルの装置２１３、２１２は、グラジエント増幅器２２０に接続されることができる。
【００４９】
更に、図１に表されるCTスキャナシステムによれば、MRスキャナシステムは、個別のモータ、例えば、コンベヤベルト２１６を動かすためのモータに関するモータ制御ユニットと、計算ユニット(図２において図示省略)とを有することができる。斯かるMRスキャナシステムは、独国出願公開DE 102 02 986 A1号に記載されており、本書では参照により含まれる。
【００５０】
図３は、高周波信号を有する構造の領域４４を有する元の画像３１、３８の概略図を示す。高周波信号を有する領域４４は、より高位レベルに位置する構造の領域４２と、より低位なレベルに位置する構造の領域４３との間のエッジであってよい。参照番号３２、４５は、エッジ又はステップ４４に位置する２つのピクセルを表す。
【００５１】
レンダリングされた画像３９から分かるように、エイリアスが、レンダリングされた画像３９におけるエッジ４４に沿って、階段状のアーチファクトをもたらす。なぜなら、サンプリングされた画像３３におけるサンプリング周波数が十分高い訳ではないからである。これは、画像品質の低下をもたらし、例えば、多くの仮想内視鏡検査用途において当てはまることだが、表示が高いフレームレートでレンダリングされるとき又は動画が生成されるとき、一層ひどくなる。画像ピクセルを貫通するエッジは、フリッカ(flickering)を生み出す。なぜなら、エッジがピクセル中心を踏み越える(overstep)とき、異なるグレー値間でピクセル値が瞬時に切り替わるからである。この典型的なエイリアス効果は、視覚的に悩ましいものであり、卓越した画像品質の目的を達成するには削減されるべきである。
【００５２】
サンプリングされた画像３４と対応するレンダリングされた画像４０とから分かるように、スーパーサンプリングが、エイリアスのアーチファクトを除去する１つのやり方である。ここでは、ピクセルあたりに１つのサンプル点だけを用いる代わりに、16又はそれ以上のサンプルが評価され、その平均値がピクセルに割り当てられる。これは結果として、滑らかなエッジを生じさせ、動画におけるフリッカも解消する。なぜなら、ピクセル値は、グレーレベル間で徐々に変化し、エッジが貫通されるからである(passed through)。しかしながら、この手法は計算的なコストが高く、高いレンダリング性能という目的に相反する。レンダリング速度における速度低下は、仮に画像における数ピクセルだけがスーパーサンプリングされる必要がある場合であっても、受け入れられない。
【００５３】
そこで、本発明の例示的な実施形態によれば、高周波信号を有する構造の領域(つまり、図３におけるエッジ４４)が、プレサンプリングレート又は第２のサンプリングレートで、プレサンプリング又は第２のサンプリングを行うことにより特定される。このプレサンプリングレートは、比較的低いサンプリングレートであり、結果として、高速なサンプリングを生じさせる。それでもなお、高周波信号を有さない構造の領域に対しては十分に高いサンプリングレートを備える。高周波信号を有する領域の特定の後、その高周波信号を有する領域に交差する軌跡３６に沿って、ポストサンプリング又は第１のサンプリングが、ポストサンプリングレート又は第１のサンプリングレートで行われる。更に、その高周波信号を有する領域に交差する別の軌跡３７に沿って更なるポストサンプリングが行われる。このポストサンプリングは、結果として、第１のサンプル点４６、４７を有するサンプリングされた構造を生じさせる。
【００５４】
本発明の例示的な実施形態によれば、その軌跡は、(図３に示されるように)高周波信号を有する領域に交差する線とすることができる。しかし、軌跡は、例えば、凸形又は凹形といった他の任意の形状を持つことができることに留意されたい。例えば、軌跡は、最大の表面変化(surface variation)の方向にある点に沿って整列される(aligned)ことができる。
【００５５】
言い換えると、本発明の側面によれば、最大の表面法線変化の方向に沿ってサンプル点が選択される。そこで、他のスーパーサンプリング又はアンチエイリアシング技術と比べても、同程度の品質の画像をレンダリングするのに必要とされる追加的なサンプルが少なくて済む。これによって、レンダリング性能に関する高い要求を伴う用途に対してさえ、アンチエイリアシングが計算的に実行可能となる。
【００５６】
図３におけるサンプリングされた画像３５からわかるように、追加的なサンプル点４６、４７が、エッジ方向に基づき適合的に選択される。表面法線は、平行な方向ではあまり大きく変化せず、表面法線の変化は、主にエッジに垂直な方向に現れるので、その垂直な方向に沿って２、３の追加的なサンプルが評価され、その平均、例えば、重み付き平均がピクセル値として使用される。その垂直な方向は、より低いデプス値を持つピクセル(ピクセル４９)の表面法線を画像平面上へ投影することにより決定されることができる。レンダリングされた画像４１から分かるように、この方向に沿った２、３の追加的なサンプル点が、卓越した画像品質の画像をレンダリングするには十分である。
【００５７】
その構造は、等値面レンダリング手法により決定されることができることに留意されたい。その等値面レンダリングは、対話的な閾値調整さえ可能にし、従って、閾値の範囲内の興味ある特徴をチェックするだけでなく、操作中に(on the fly)適切な閾値を発見する機会を伴う、対話的な閾値決定を提供する。
【００５８】
図４は、本発明の例示的な実施形態によるスーパーサンプリングを備える適合的なアンチエイリアシングを用いてレンダリングされた仮想結腸鏡検査の画像４０２と、それを用いないでレンダリングされた仮想結腸鏡検査の画像４０１とを示す。適合的アンチエイリアリシングなしでレンダリングされた画像４０１における高周波信号は、ナイキスト・シャノンのサンプリング定理が満たされない場合、つまり、サンプリング周波数が、ナイキストレートを下回る場合、サンプリングされたデータから適切に再構築されることができない。等値面レンダリングされた画像におけるこのエイリアシングの１つの明白な明示は、これらの画像特徴の無限周波数スペクトラムが原因で生じる、エッジに沿った階段状のアーチファクト、つまり「ジャギー(jaggies)」である。視覚的な印象の欠如が、高いフレームレートでレンダリングされる動きのある図又は画像において最も顕著になる。そこでは、エイリアスのアーチファクトが、繊細さ(nervousness)についての気をそらす要素を引き起こすフリッカするエッジをもたらす。動画を生成する医療用途の一例は、仮想結腸鏡検査である。悩ましいフリッカは、視る者がポリープを発見するという実際の仕事に集中することを難しくし、この状況を改善する何らかの手段は、医療分野においては歓迎すべき特徴となるであろう。
【００５９】
画像４０１において、エイリアスのアーチファクトがエッジに沿って観測されることができる。ピクセルあたりの追加的な視線をキャスト(cast)することが、エイリアスのアーチファクトを劇的に削減させることができる。しかしながら、従来のスーパーサンプリングに必要とされる追加的な計算コストが、高いレンダリング性能の目的に相反する。本発明は、例えば、エッジに直交する方向で２、３の追加的なサンプル点を選択することにより、この問題を解決する。プレサンプリングレート又は第２のサンプリングレートを用いるプレサンプリング又は第２のサンプリングから生じる中間レンダリングデータが、追加的なサンプル点を決定するのに使用される。図４における画像４０２から分かるように、実験は、ピクセルにつき４つの適合的に選択されたサンプル点が、スーパーサンプリングの16倍に匹敵する画像品質を、非常に低い計算コストで提供することを示す。
【００６０】
図５は、階段状のアーチファクトを示す通常の低サンプリングレートでレンダリングされた画像５０１を示し、そこでは、画像５０２、５０３がアンチエイリアシングの利点を示す。エッジは滑らかに見え、高いフレームレートで画像が生成されるときもフリッカを生じない。適合的アンチエイリアシングは、等値面レンダリングに対して16倍のスーパーサンプリングされた画像の品質を、非常に低い計算コストでもたらす。これは、本発明の例示的な実施形態によれば、ピクセルあたり16のサンプルを用いて、スーパーサンプリングされた画像を示す画像５０２と、それと比較して、ピクセルあたり４の追加的なサンプルのみを含む適合的アンチエイリアシングを使用する画像５０３とから、理解されることができる。
【００６１】
図６は、本発明によるデータセットにおける構造の適合的サンプリングの方法の例示的な実施形態のフローチャートを示す。その方法はステップＳ０で開始し、その後、例えばCT仮想結腸鏡検査、又は例えば磁気共鳴仮想内視鏡検査の場合には、例えば、多色ビームを生成する電磁放射線の多色源を用いて、及び、多色ビームを検出する放射線検出器を用いて、データセットの取得がステップＳ１で行われる。
【００６２】
その後、ステップＳ２において、プレサンプリング又は第２のサンプリングが行われる。このプレサンプリングは、より低周波の領域における高い画像品質を提供するほど十分高いが、高周波信号を有する領域、例えばエッジにおける卓越した画像品質を提供するほどは十分高くないような、相対的に低いサンプリングレートで行われることができる。プレサンプリングの後、レイキャスティングによるデータセットにおける構造を決定するため、等値面レンダリングがステップＳ３で行われる。レイキャスティングは、視点から対応する表面点までの距離と、視線ベクトルとその点での表面法線との間の角度とを計算するために、画像平面における各ピクセルに対して行われることができる。ここでは、中間データは、例えば、表面方向の変化が大きい(high)領域、又は例えば表面のしわ(wrinkle)でのエッジといった、アンダーサンプリングが画像品質の明らかな損失をもたらす箇所である、画像におけるそうした領域を決定するのに使用されることができる。
【００６３】
ステップＳ３における構造の決定の後、高周波信号を有する構造における領域、つまり高い表面方向の領域又はエッジが、ステップＳ４において特定される。それから、ステップＳ５において、そのエッジに垂直な方向が、例えば、より低いデプス値を持つピクセル(図３の参照番号４９参照)の表面法線を画像平面に投影することにより決定される。この方向に沿った２、３の追加的なサンプル点が卓越した画像品質の画像をレンダリングするには十分である。
【００６４】
そして、ステップＳ６において、ポストサンプリング又は第１のサンプリングが、高いサンプリングレートである第１のサンプリングレートで、エッジに垂直な方向に沿うエッジに交差する線に沿って行われる。ステップＳ７において、平均ピクセル値は、その線に沿ったサンプル点の値の重み付き平均を評価することにより決定される。これは、よく決定されたピクセル値を生じさせることができ、結果として、低い計算コストで、画像全体の(エッジにおいてさえ)卓越した画像品質を生じさせることができる。その方法はステップＳ８で終了する。
【００６５】
例えば、「マーチングキューブ」アルゴリズムのすべての変形例又は現在の３次元コンピュータゲームにおける、多くのハードウェアアクセラレートされた表面レンダリング手法と同様に、メッシュモデルがレンダリングされるとき、適合的なアンチエイリアシングが、近隣ポリゴンの境界に沿ったエイリアスのアーチファクトを削減するのにも使用されることができることに留意されたい。更に、光る透明な表面を視覚化するのに、伝達関数の急勾配な部分において、シェーディングモデルが使われるときはいつでも、適合的アンチエイリアシングの手法は、直接的なボリュームレンダリングにまで拡張されることができる。
【００６６】
２次元画像処理は、高速なアンチエイリアシングが有益であると証明することのできる別の適用分野である。
【００６７】
図７は、本発明による方法の例示的な実施形態を実行するための、本発明による画像処理デバイスの例示的な実施形態を表す。図７に表される画像処理デバイスは、患者のような注目対象を表す画像を格納するメモリ１５２に接続される中央処理ユニット(CPU)、つまり画像プロセッサ１５１を有する。画像プロセッサ１５１は、複数の入力／出力ネットワーク、又はMRデバイス若しくはCTデバイスといった診断デバイスに接続されることができる。画像プロセッサは更に、例えば、コンピュータモニタのような、画像プロセッサ１５１で計算又は適合される情報又は画像を表示する表示デバイス１５４に接続される。操作者は、キーボード１５５及び／又は図７において図示省略されている他の出力デバイスを介して、画像プロセッサ１５１と対話することができる。
【００６８】
更に、バスシステム１５３を介して、画像処理及び制御プロセッサ１５１を、例えば、注目対象の動きを監視するモーションモニタに接続することも可能である。例えば、患者の肺が画像化される場合、モーションセンサは、呼気センサとすることができる。心臓が画像化される場合、モーションセンサは、心電図(ECG)とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明によるコンピュータ断層撮影(CT)スキャナの実施形態の簡略化された概略表現を示す図である。
【図２】本発明による磁気共鳴(MR)スキャナの実施形態の簡略化された概略表現を示す図である。
【図３】元の画像と、通常のサンプリングを用いてレンダリングされた画像と、スーパーサンプリングを含むアンチエイリアシングを用いてレンダリングされた画像と、本発明の例示的な実施形態によるスーパーサンプリングを含む適合的アンチエイリアシングを用いてレンダリングされた画像との概略的な表現を示す図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態によるスーパーサンプリングを有する適合的アンチエイリアシングを用いて(右)、及び用いないで(左)レンダリングされた仮想結腸鏡検査の画像を示す図である。
【図５】階段状のアーチファクトを示す通常のサンプリングを用いてレンダリングされた画像(左)と、スーパーサンプリングを備えるアンチエイリアシングを用いてレンダリングされた画像(真中)と、本発明の例示的な実施形態によるスーパーサンプリングを備える適合的アンチエイリアシングを用いてレンダリングされた画像(右)とを示す図である。
【図６】本発明によるデータセットにおける構造の適合的なサンプリングの方法の例示的な実施形態のフローチャートを示す図である。
【図７】本発明による方法の例示的な実施形態を実行するための、本発明による画像処理デバイスの本発明における例示的な実施形態を示す図である。
【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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【国際調査報告】
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