(57)【要約】【課題】しきい値とベースラインとの関係による影響を受けることなく、対象物の境界面を常に正確に表すことのできる３次元画像化方法と、その方法を利用したＸ線断層雑像装置を提供する。【解決手段】対象物Ｗのボリュームデータを構成するボクセルから、あらかじめ設定されているしきい値を用いて一定濃度の境界を表現するポリゴンデータを生成した後、その各ポリゴンの各頂点について、当該頂点を通り、かつ、その近傍の物体境界面の法線方向への軸に沿って、その軸の両側所定領域の濃度値を積算して得られるプロファイルを微分することによって得られるピーク値の座標を求め、その座標を当該頂点の座標として、各ポリゴンの各頂点座標を補正することで、しきい値に依存することなく正確に対象物の３次元画像を得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物のボリュームデータを構成するボクセルから、あらかじめ設定されているしきい値を用いて一定濃度の境界を表現するポリゴンデータを生成した後、その各ポリゴンの各頂点について、当該頂点を通り、かつ、その近傍の物体境界面の法線方向への軸に沿って、その軸の両側所定領域の濃度値を積算して得られるプロファイルを微分することによって得られるピーク値の座標を求め、その座標を当該頂点の座標として、各ポリゴンの各頂点座標を補正することを特徴とする３次元画像化方法。
【請求項２】
上記プロファイルを求める際に用いる濃度値が、上記ボリュームデータを構成する当初のボクセルの濃度値を、上記法線方向に平行な方向を含む互いに直交する３軸方向に並ぶボクセルの濃度値に置換したものであって、置換後の各ボクセルの濃度値は、置換後のボクセル内での当初の各ボクセルの占拠率に基づいて当初ボクセルの濃度値を重み付け演算を行って求めることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像化方法。
【請求項３】
上記各頂点についての上記軸に沿ったプロファイルを求めるに当たっての上記軸の両側所定領域を、当該領域の物体境界面の形状に基づき、コーナーもしくはエッジである場合には狭くして上記プロファイルを求めることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元画像化方法。
【請求項４】
互いに対向するＸ線発生装置とＸ線検出装置の間に、対象物を搭載するテーブルが配置され、そのテーブルを上記Ｘ線発生装置とＸ線検出装置とを結ぶ線に直交する回転軸を中心として回転させるか、もしくは上記Ｘ線発生装置とＸ線検出装置の対を上記回転軸の回りに回転させ、所定角度の回転ごとに採取した対象物のＸ線透過データを用いて、対象物の内部構造を画像化する３次元画像化手段を備えたＸ線断層像撮影装置において、
上記３次元画像化手段は、上記Ｘ線透過データを対象物のボリュームデータとして、請求項１、２または３に記載の３次元画像化方法に基づく演算により対象物の内部構造を画像化することを特徴とするＸ線断層撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物のボリュームデータから、その対象物の３次元画像を生成する方法と、その３次元画像化方法を利用したＸ線断層撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線断層撮像装置や３次元形状計測装置等において、撮像もしくは計測した対象物のボリュームデータを用いたレンダリングの手法として、従来、マーチンキューブス法と称される手法が多用されている。
【０００３】
マーチンキューブス法は、図６に示すように、ボリュームデータを構成する各ボクセルの立方体の重心位置に、当該ボクセルの濃度値を持つ点要素が存在するものとし、互いに隣接する８点の点要素ｖ１〜ｖ８でキューブを形成し、その各キューブの各辺について、あらかじめ設定されているしきい値を用いて、各点要素を内側と外側に分けるように、両側の点要素の濃度値に比例する位置に補間点ｐを定め、各辺の補間点ｐを接続してポリゴンＰを形成し、このポリゴンＰの集合によって対象物の表面等の境界面を構築する（例えば非特許文献１）。
【非特許文献１】Ugai laboratory Homepage, セミナー  第９回  「マーチンキューブス法」、［online] 、［平成１９年３月２８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；http://wsim.cs.ehime-u.ac.jp/study/seminar/seminar9.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、マーチンキューブス法においては、しきい値を一律に決めると、特にＸ線断層撮像装置による撮像結果をボリュームデータとしてレンダリングを行ったとき、正確に対象物の境界面を決められないという問題がある。これは、対象物の材質や形状に依存してベースラインが変化するのがその理由である。その結果として、得られるポリゴンも誤差を含んだものとなる。
【０００５】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、しきい値とベースラインとの関係による影響を受けることなく、対象物の境界面を常に正確に表すことのできる３次元画像化方法と、その方法を利用したＸ線断層撮像装置の提供をその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の３次元画像化方法は、対象物のボリュームデータを構成するボクセルから、あらかじめ設定されているしきい値を用いて一定濃度の境界を表現するポリゴンデータを生成した後、その各ポリゴンの各頂点について、当該頂点を通り、かつ、その近傍の物体境界面の法線方向への軸に沿って、その軸の両側所定領域の濃度値を積算して得られるプロファイルを微分することによって得られるピーク値の座標を求め、その座標を当該頂点の座標として、各ポリゴンの各頂点座標を補正することによって特徴付けられる（請求項１）。
【０００７】
ここで、本発明の３次元画像化方法においては、上記プロファイルを求める際に用いる濃度値が、上記ボリュームデータを構成する当初のボクセルの濃度値を、上記法線方向に平行な方向を含む互いに直交する３軸方向に並ぶボクセルの濃度値に置換したものであって、置換後の各ボクセルの濃度値は、置換後のボクセル内での当初の各ボクセルの占拠率に基づいて当初ボクセルの濃度値を重み付け演算を行って求める構成（請求項２）を好適に採用することができる。
【０００８】
また、本発明の３次元画像化方法においては、上記各頂点についての上記軸に沿ったプロファイルを求めるに当たっての上記軸の両側所定領域を、当該領域の物体境界面の形状に基づき、コーナーもしくはエッジである場合には狭くして上記プロファイルを求める構成（請求項３）を採用することが望ましい。
【０００９】
一方、本発明のＸ線断層撮像装置は、互いに対向するＸ線発生装置とＸ線検出装置の間に、対象物を搭載するテーブルが配置され、そのテーブルを上記Ｘ線発生装置とＸ線検出装置とを結ぶ線に直交する回転軸を中心として回転させるか、もしくは上記Ｘ線発生装置とＸ線検出装置の対を上記回転軸の回りに回転させ、所定角度の回転ごとに採取した対象物のＸ線透過データを用いて、対象物の内部構造を画像化する３次元画像化手段を備えたＸ線断層像撮影装置において、上記３次元画像化手段は、上記Ｘ線透過データを対象物のボリュームデータとして、請求項１、２または３に記載の３次元画像化方法に基づく演算により対象物の内部構造を画像化することによって特徴付けられる（請求項４）。
【００１０】
本発明は、一旦マーチンキューブ法に基づくレンダリングによってポリゴンデータを生成した後、そのポリゴンの各頂点を、当該各頂点における対象物の境界面の法線方向へのプロファイルのピーク値の位置情報に基づいて修正することよって、課題を解決しようとするものである。
【００１１】
すなわち、本発明においては、既存の技術によりポリゴンデータを生成した後、その全てのポリゴンの全頂点について、頂点を通り、かつ、その近傍の物体境界面の法線方向への軸に沿って、その軸の両側にあらかじめ設定されている領域の濃度値を積算してプロファイルを求め、そのプロファイルを微分してそのピーク値の座標を求める。この軸に沿ったプロファイルは、対象物の境界面において最大の濃度値変化を示し、このプロファイルを微分して得られるピーク値の位置は、従って、対象物の境界面の位置と一致する。このようにして求められた対象物の境界面は、しきい値を用いることなく求められるものであって、該当のポリゴン頂点を上記のプロファイルのピーク値の位置へと移動させることを、全ポリゴンの全頂点について行うことにより、しきい値に依存しない正確な境界面の３次元画像化を実現することができる。
【００１２】
ここで、プロファイルの計算に寄与する領域を常に一定にしていると、ポリゴンの頂点が対象物のコーナーやエッジなど、曲率の小さい領域に存在している場合には、形状をなまらせる可能性がある。請求項３に係る発明は、この点を解消するものであり、コーナーやエッジの近傍に位置するポリゴン頂点の法線方向への軸のプロファイルの計算に当たっては、計算に寄与する領域を狭くすることにより、コーナーやエッジ形状の鈍化を少なくすることができる。
【００１３】
請求項４に係る発明のＸ線断層撮像装置は、ＣＴ撮影により採取された対象物のＸ線透過データに基づくボリュームデータを基に、既存技術でポリゴンデータを作成した後、上記の方法によって全てのポリゴンの全頂点の位置を修正することにより、一定のしきい値を用いて、対象物の材質や形状によるベースラインの変化があっても、これらの要因に影響されることなく、常により正確に対象物の境界面を画像化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、しきい値を一律に決めても、ポリゴンデータの生成後に、しきい値と無関係な計算によって各ポリゴンの各頂点が修正されることになり、従来のマーチンキューブス法による３次元画像に比して、対象物の実際の境界面に近い３次元画像を得ることができる。
【００１５】
また、このＸ線断層撮像装置の３次元画像化機能にこの方法を適用すれば、対象物の材質や形状に起因するベースラインの変化があって、Ｘ線透過データにおける各ボクセルのＣＴ値に一貫性が欠落しても、あらかじめ設定しているしきい値に関わりなく、対象物の境界面を正確に表した３次元画像を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１７】
Ｘ線発生装置１に対向してＸ線検出器２が配置されており、これらの間に、対象物Ｗを搭載するための回転テーブル３が配置されている。Ｘ線発生装置１はコーン状のＸ線を発生し、Ｘ線検出器２は２次元検出器である。また、回転テーブル３は、Ｘ線発生装置１とＸ線検出器２を繋ぐＸ線光軸Ｌに直交する鉛直の回転軸Ｒの回りに回転する。
【００１８】
Ｘ線検出器２の出力は、画像データ取り込み回路１０を介してコンピュータ１１に取り込まれる。コンピュータ１１には、対象物Ｗの３次元画像等を表示するための表示器１２と、後述するしきい値を設定したり、あるいは各種指令を与えるためのキーボードやマウス、ジョイスティック等からなる操作部１３が接続されている。
【００１９】
ＣＴ撮影から３次元画像の構築までの手順を図２にフローチャートで示す。まず、ＣＴ撮影に際しては、回転テーブル３上に対象物Ｗを搭載した状態で、Ｘ線を照射しつつ、回転テーブル３を所定の微小角度ずつ回転させ、その回転ごとにＸ線検出器２の出力、換言すれば対象物ＷのＸ線透過データを取り込んで記憶する。３６０°分のデータを取り込んだ後、コンピュータ１１は、そのＸ線透過データを用いて対象物Ｗの３次元像を以下の手法によって構築する。
【００２０】
まず、取り込んだＸ線透過データをボリュームデータとして、マーチンキューブス法等の公知の手法によりしきい値を用いた演算によってポリゴンデータを生成する。次に、その全てのポリゴンデータの全頂点について、頂点を通る法線方向への軸のプロファイルを計算し、そのプロファイルを微分することによってピーク値の位置を求め、頂点の位置をピーク値の位置に移動させ、ポリゴンデータを修正する。修正後のポリゴンデータにより、対象物Ｗの３次元像を構築し、表示器１２に表示する。
【００２１】
以下、ポリゴンの頂点の修正方法について、図３〜図５を参照しつつ詳述する。
図３（Ａ）は、ＣＴ撮影により得られた対象物ＷのＸ線透過データをボリュームデータとして用い、公知のマーチンキューブス法によって得られたポリゴンの頂点の例を示す部分図であり、頂点はプロットｐ１〜ｐ４で示している。なお、説明の簡素化のために、図３では２次元で表現しているが、実際には３次元データを取り扱う。
【００２２】
図３（Ａ）においてｐ２で示される頂点を修正する手法について説明する。
頂点ｐ２の近傍の平面を定義し、頂点ｐ２を通る法線を求める。平面を定義するためのある一定の広がりは、パラメータとしてあらかじめ設定しておく。次に、図３（Ｂ）に示すように、この法線ベクトルＮを基に、マトリックスａ（ｉ，ｊ）を設ける。このマトリックスは、法線ベクトルＮの方向を含む互いに直交する３軸方向に沿ったものとし、図３（Ｂ）ではｊの方向が法線ベクトルＮの方向と平行である。また、頂点ｐ２を含むマトリックスをａ（０，０）とし、ｉ方向で右向きは＋、左向きを−とし、ｊ方向で上向きを＋、下向きを−とする。また、ｐ２の修正のための計算範囲を定めておく。ここでは、−３≦ｉ≦３，−３≦ｊ≦３とする。
【００２３】
マトリックスａ（ｉ，ｊ）に、ＣＴ撮影により得られたボクセルの濃度値（ＣＴ値）を割り当てる。その割り当ては、マトリックスａ（ｉ，ｊ）内の当初ボクセルの占有率によって重み付け加算を行う。例えばａ（−３，０）について述べると、図４に拡大図を示すように、ａ（−３，０）は、ＣＴ撮影により得られている当初のボクセル（図４において破線で示す）の４個、つまりｂ１〜ｂ４に跨がっている。その占有率をそれぞれｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４とし、各当初ボクセルｂ１〜ｂ４の濃度値（ＣＴ値）をそれぞれＳ（ｂ１）、Ｓ（ｂ２）、Ｓ（ｂ３）、Ｓ（ｂ４）とすると、ａ（−３，０）の濃度値Ｓ［ａ（−３，０）］は、
Ｓ［ａ（−３，０）］＝ｒ１×Ｓ（ｂ１）＋ｒ２×Ｓ（ｂ２）
＋ｒ３×Ｓ（ｂ３）＋ｒ４×Ｓ（ｂ４）  ・・（１）
となる。
【００２４】
次に、上記した範囲内のマトリックスを用いて、ｉ方向に積分する。すなわち、
【００２５】
【数１】
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【００２６】
を算出する。これは、法線ベクトルＮの方向に沿ったプロファイルであり、その結果を図５（Ａ）にグラフで例示する。次に、このプロファイルをｉ方向に微分する。すなわち、  Ｂ（ｊ）＝Ａ（ｊ）−Ａ（ｊ−１）  ・・（３）
を求める。その結果を図５（Ｂ）にグラフで示す。このピーク値のｊ方向への位置は、法線ベクトルＮ上での対象物Ｗの像の境界を示すものであり、当初に求めたポリゴンの頂点ｐ２を、法線ベクトルＮ上でピーク値の位置に移動させる。移動後の頂点は、しきい値に依存しないものであるから、対象物Ｗの形状や材質によるベースラインの変化の影響を受けず、常に正確なものとなる。
【００２７】
以上の頂点の修正動作を、当初に作成した全てのポリゴンデータの全頂点について行うことにより、得られる３次元画像は、当初に作成したポリゴンデータによる画像に比して、対象物Ｗの境界面をより正確に表すものとなる。
【００２８】
ここで、以上の演算によるポリゴン頂点の修正処理において、対象物のコーナーもしくはエッジ上の位置する頂点については、プロファイルを計算するための領域が広ければそのコーナーもしくはエッジが鈍化されて修正をされてしまう可能性がある。そこで、このようなコーナーもしくはエッジ上の頂点については、軸に沿ったプロファイルを計算するための軸の両側の領域を狭くして上記と同等の処理を行うことが好ましい。あるいは、このようなコーナーもしくはエッジ上の頂点については、修正処理を行わないようにすることもできる。
【００２９】
なお、以上の実施の形態においては、Ｘ線発生装置１とＸ線検出器２の間に回転テーブル３を配置して、回転テーブル３上の対象物Ｗに回転を与えてＣＴ撮影を行う例を示したが、Ｘ線発生装置１とＸ線検出器２の対を対象物Ｗの回りに回転させてＣＴ撮影を行うタイプのＸ線断層撮像装置にも本発明を適用し得ることは言うまでもない。
【００３０】
また、以上の実施の形態においては、Ｘ線断層撮像装置による撮像結果を３次元画像化する場合について述べたが、Ｘ線断層撮像装置以外の、例えば光切断法等により得られたボリュームデータの３次元画像化にも適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＣＴ撮影〜３次元画像の表示までの動作を表すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態におけるポリゴンの頂点の修正演算の説明図で、（Ａ）は公知の手法により求められたポリゴンデータを２次元で表す部分図であり、（Ｂ）はそのポリゴンデータの修正手法の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態において用いるマトリックス（ボクセル）の濃度値の算出の仕方の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるポリゴンの頂点の法線方向へのプロファイルの例を示すグラフ（Ａ）と、そのプロファイルの微分結果の例を示すグラフである。
【図６】従来のマーチンキューブス法によるポリゴンデータの作成方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  Ｘ線発生装置
２  Ｘ線検出器
３  回転テーブル
１０  画像データ取り込み回路
１１  コンピュータ
１２  表示器
１３  操作部
Ｗ  対象物
【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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