(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像を所定の投影面上に陰影付けして投影し、三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記陰影付けのアルゴリズムとして前記ボリューム画像の外に設定した仮想光源から光線を照射し、該光線の前記ボリューム画像の各画素での反射率及び濃度勾配に基づいて前記投影面上の画素値を算出するボリュームレンダリング法を用いた三次元画像表示装置において、前記ボリューム画像中の表示対象物のうちから強調表示する特定の対象物を示す画素に対して該画素に入射する光線を増幅させる発光率を割り当てる発光率割当手段と、前記発光率割当手段によって割り当てられた発光率をボリュームレンダリング法における陰影付け計算のパラメータとして追加し、投影面上の画素値を算出する演算手段と、を備え、前記発光率が割り当てられた特定の対象物を強調表示するようにしたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項２】
前記発光率割当手段は、被検体の各部位の病巣ごとに、その病巣を示す画素の濃度値に対応して発光率が割り当てられた発光率パターンを有し、強調表示させたい部位の病巣を選択指定することにより、該部位の病巣に対応する発光率パターンを選択することを特徴とする請求項１の三次元画像表示装置。
【請求項３】
複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像を所定の投影面上に陰影付けして投影し、三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記陰影付けのアルゴリズムとして前記ボリューム画像の外に設定した仮想光源から光線を照射し、該光線の前記ボリューム画像の各画素での反射率及び濃度勾配に基づいて前記投影面上の画素値を算出するボリュームレンダリング法を用いた三次元画像表示装置において、前記ボリューム画像中の表示対象物のうちから強調表示する特定の対象物を示す画素に対して色発光率を割り当てる色発光率割当手段と、前記色発光率割当手段によって割り当てられた色発光率をボリュームレンダリング法における陰影付け計算のパラメータとして追加し投影面上の画素値を算出する演算手段とを備え、前記色発光率が割り当てられた特定の対象物を強調表示するようにしたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は三次元画像表示装置に係り、特に医用画像装置、例えば、Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲＩ装置等から得られる複数の断層像を使用し、ボリュームレンダリング法により陰影付けして三次元画像を構成し表示する三次元画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術において、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置を使用すれば、被検体の断層像が得られることはよく知られている。また、この断層像を複数枚積み上げてなるボリューム画像を、投影面上に陰影付けして３次元的な画像、即ち、三次元画像（３Ｄ画像）を構成する方法も、ボリュームレンダリング法、サーフエイス法、デプス法などが知られている。
【０００３】
尚、ボリュームレンダリング法を扱った文献として『Marc Levoy; “Display of Surfaces from Volume Data”, IEEE Computer Graphics & Applications, pp29-37, 1988』がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のボリュームレンダリング法によって構成された３Ｄ画像は、特定部位を他の部位から識別しやすいように強調表示することが事実上できないという問題がある。例えば、健康診断時に病巣部分を発見しやすくするために特定の病巣部分を強調表示したり、手術で血管にステントグラフトを挿入したあとの様子を患者さんに説明するためにステントグラフトを強調表示することができなかった。
【０００５】
また、上記特定の病巣部分やステントグラフトに色付けして、他の部位との差を明確にする表示も行われていなかった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ボリュームレンダリング法により特定部位を強調表示した三次元画像を構成し表示することができる三次元画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明は、複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像を所定の投影面上に陰影付けして投影し、三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記陰影付けのアルゴリズムとして前記ボリューム画像の外に設定した仮想光源から光線を照射し、該光線の前記ボリューム画像の各画素での反射率及び濃度勾配に基づいて前記投影面上の画素値を算出するボリュームレンダリング法を用いた三次元画像表示装置において、前記ボリューム画像中の表示対象物のうちから強調表示する特定の対象物を示す画素に対して該画素に入射する光線を増幅させる発光率を割り当てる発光率割当手段と、前記発光率割当手段によって割り当てられた発光率をボリュームレンダリング法における陰影付け計算のパラメータとして追加し、投影面上の画素値を算出する演算手段と、を備え、前記発光率が割り当てられた特定の対象物を強調表示するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
また、前記発光率割当手段は、本願請求項２に示すように被検体の各部位の病巣ごとに、その病巣を示す画素の濃度値に対応して発光率が割り当てられた発光率パターンを有し、強調表示させたい部位の病巣を選択指定することにより、該部位の病巣に対応する発光率パターンを選択することを特徴としている。
【０００９】
即ち、特定の病巣部分を強調表示させたい場合には、その病巣に対応する発光率パターンを選択するだけでよく、病巣がある場合には病巣部分が発光する（明るくなる）ように表示される。
【００１０】
また、本願請求項３に係る発明は、複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像を所定の投影面上に陰影複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像を所定の投影面上に陰影付けして投影し、三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記陰影付けのアルゴリズムとして前記ボリューム画像の外に設定した仮想光源から光線を照射し、該光線の前記ボリューム画像の各画素での反射率及び濃度勾配に基づいて前記投影面上の画素値を算出するボリュームレンダリング法を用いた三次元画像表示装置において、前記ボリューム画像中の表示対象物のうちから強調表示する特定の対象物を示す画素に対して色発光率を割り当てる色発光率割当手段と、前記色発光率割当手段によって割り当てられた色発光率をボリュームレンダリング法における陰影付け計算のパラメータとして追加し、投影面上の画素値を算出する演算手段と、を備え、前記色発光率が割り当てられた特定の対象物を強調表示するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
即ち、特定の病巣部分を強調表示させたい場合には、その病巣に対応する色発光率パターンを選択するだけでよく、病巣がある場合には病巣部分が色付けされて発光するように表示される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る三次元画像表示装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００１３】
まず、本発明に適用されるボリュームレンダリング法による三次元画像（３Ｄ画像）の構成方法について説明する。
【００１４】
一般に、ボリュームレンダリング法では、図１に示すように複数枚の断層像が積み上げられてなるボリューム画像の各画素を、立方体の形状をもったボクセルと呼ぶ。従って、ボリューム画像は、このボクセルを三次元的に積み上げた画像となる。ボクセルのデータは、Ｘ線ＣＴ装置であれば、そのボクセルに対応する人体の箇所のＸ線吸収値に基づいて算出されるＣＴ値、ＭＲＩ装置であればプロトン密度等の測定値である。
【００１５】
また、ボリュームレンダリング法による陰影付けのパラメータとしては、ＣＴ値に対して設定した光の不透明度や、ＣＴ値のつくる等高面の勾配（以下、濃度勾配という）等が使用される。
【００１６】
ボリュームレンダリング法は、上記ボリューム画像のボクセルのデータ（以下、ＣＴ値という）に対して適宜設定した閾値条件に合ったＣＴ値を抽出することにより、骨や皮膚等の所望の被検体を区別して抽出するとともに、そのＣＴ値を投影面上の陰影付けのパラメータとして使用することもできる。
【００１７】
即ち、図１に示すように仮想光源から出射される仮想光線は、ボリューム画像の各ボクセルを通過するが、その時各ボクセルのＣＴ値で定まる不透明度にしたがって減衰する。従って、各ボクセルにおける反射光の大きさを求めることができ、ボリュームレンダリング法による陰影付けアルゴリズムでは、反射光が大きい程、そのボクセルを明るくする。また、ボクセルのＣＴ値が大きく変化するところに仮想的な表面が存在すると考え、その仮想的な表面が正面を向いている程、即ち、濃度勾配が大きい程、そのボクセルを明るくする。
【００１８】
そして、仮想光線が０に減衰するまで、上記ボクセルの明るさの情報を視点から奥行き方向の各ボクセルにわたって累算した情報を、投影面上の各画素の明るさを示す値（以下、画素値という）とし、投影面上の全画素の画素値を求めるようにしている。
【００１９】
本発明では、特定部位を強調表示できるように投影面上の画素値を、次式により求める。
【００２０】
【数１】
0004397131.tif 000002
但し、Ｖ：ＣＴ値、濃度値
ξ：反射率
η：発光率（負の吸収率）
Δ：濃度勾配
δ(V):約0.1〜6.0の実数で、Ｖに依存する。
入射光線の強度＝１と仮定する。
【００２１】
上記式１に示すように、投影面上の画素値は、仮想光線の方向に並ぶ各ボクセル（ｊ＝０〜ｋ）の明るさの情報を累算した情報である。ここで、ｋは、仮想光線がボクセルを通過するごとに反射、減衰して０（即ち、式１の｛  ｝内が０）になるまでの累算されるボクセルの数である。
【００２２】
さて、本発明では、式１の［ ］内の２項目に、負の値をもつ発光率η(Vi)が追加されている。即ち、一般に仮想光線は各ボクセルを通過するごとに減衰し、増幅されることはないが、本発明では、強調表示させたい部位のボクセルに対し、入射光線の強度に対する比で表してなる発光率を割り当て、結果的に強調表示させたい部位のボクセルでは入射光線の強度を増強するように作用させる。
【００２３】
図２はボクセルのＣＴ値に応じて反射率ξが割り当てられた反射率パターンＡ、及び発光率ηが割り当てられた発光率パターンＢの一例を示している。尚、発光率ηは負の値をもち、前述した式１の｛  ｝の値（即ち、入射光線の強度）を増加させるように作用する。また、図２上で、Ｃは吸収率のパターンを示しており、上記のようにして定義した発光率は、仮想光線の負の吸収率で近似することができる。
【００２４】
図３は上記式１に基づいて作成した３Ｄ画像等を表示するＣＲＴディスプレイの表示画面の一例を示している。
【００２５】
同図に示すように、反射率割当部１では、○印をマウスで移動させることにより、ＣＴ値に対して所望の反射率を割り当てることができ、同様に発光率割当部２では、□印をマウスで移動させることにより、ＣＴ値に対して所望の発光率を割り当てることができる。このようにして割り当てた反射率及び発光率に基づいて式１より投影面上の画素値を計算し、３Ｄ画像３を構成し表示する。
【００２６】
また、発光率割当部２では、肝臓の病巣部位、軟骨の病巣部位、骨の病巣部位等をマウスで選択できるようになっており、これらの病巣部位から所望の病巣部位を選択すると、その病巣部位を強調表示するための発光率パターンが自動的に設定できるようにもなっている。
【００２７】
尚、立方体内の３Ｄ画像３の視点位置を変えるには、前記立方体の角の白丸４をマウスでドラッグし、前記立方体を立方体の中心点を基準に適宜回転させる。これにより、３Ｄ画像３の視線方向が決定し、新たに３Ｄ画像が構成表示される。上記のようにして構成された３Ｄ画像は必要に応じて磁気ディクスに格納される。また、図３上で、５は断層像（ＣＴ画像）を示している。
【００２８】
図４（ａ）は脳に対応するＣＴ値に対して発光率を設定して作成された頭部の３Ｄ画像１０を示し、図４（ｂ）は発光率を設定せずに（全てのＣＴ値の発光率が０）作成された頭部の３Ｄ画像１２を示している。図４（ａ）に示す脳（特に眼球部位１１）は明るく表示され、図４（ｂ）に示す脳（特に眼球部位１３）は暗く表示されている。
【００２９】
また、図５（ａ）はステントグラフト１５に対応するＣＴ値に対して発光率を設定して作成された血管の３Ｄ画像１４を示し、図４（ｂ）は発光率を設定せずに作成された血管の３Ｄ画像１６とを示している。図５（ａ）に示すステントグラフト１５は明るく表示され、図５（ｂ）に示すステントグラフト１７は暗く表示されている。
【００３０】
図６は本発明に係る３Ｄ画像表示の処理手順を示すフローチャートである。
〔ステップ５０〕
反射率、発光率、及び初期値の設定を行う。
〔ステップ５２〕
視線方向（仮想光線の方向）の初期値を設定する。
〔ステップ５４〕
式１に基づいて投影面上の画素値を計算し、３Ｄ画像を構成し表示する。ＣＲＴディスプレイに３Ｄ画像を表示するには、表示諧調に合わせるためのテーブルを参照して投影面メモリ上の値を変換したあとで、表示メモリに書き込むことにより表示される。
〔ステップ５６、５８、６０〕
視線方向、反射率、及び発光率のいずれかが変更されたか否かを判別する。いずれかが変更されると、ステップ５４に飛び、再度３Ｄ画像を構成し表示する。
〔ステップ６２〕
現在表示されている３Ｄ画像を格納するか否かを調べる。格納指示があれば、ステップ６４に飛び、なければステップ６６に移行する。
〔ステップ６４〕
現在表示されている３Ｄ画像を磁気ディクスに格納する。
〔ステップ６６〕
３Ｄ画像の表示等の終了指示があったか否かを判定し、終了指示がなければステップ５６に跳び、終了指示があると、処理動作を終了させる。
【００３１】
また、図７に示すように、発光させる領域を特定の関心領域としてもよい。その関心領域は、図７（ａ）に示すように、投影面と発光対象部位との距離で決まるものである。また、表示画像からの関心領域の設定の仕方は、図７（ｂ）に示すように、操作者がマウスを使い発光させたい領域を囲み、奥行き方向の設定は、操作者が所望の発光対象部位と投影面との距離を適宜設定すればよい。
【００３２】
また、これまでの説明は白黒表示について主に説明したが、カラー画像として適用できることもいうまでもない。この場合は、白黒画像での発光率をカラー画像の色発光率に代えることで実現できる。
【００３３】
具体的には、図８に示すように、赤（R）、緑（G）、青（B）の色成分につき、別々に色発光できるようにしてある。横軸はCT値であるが、例えば脳を赤く発光させたい場合、成分G、Bについては脳を示すCT値範囲の光の反射率（不透明度：オパシティともいう）をマウスの操作により低く抑制し、成分Rの発光率を大きくする。これにより、脳を赤く発光できることとなる。なお、このカラー発光は一例であり、RGBによって決められる発色系によらないものも含まれることはいうまでもないことである。
【００３４】
図９は本発明に係る三次元画像表示装置のハードウェア構成を示すブロック図である。この三次元画像表示装置は、例えばＸ線ＣＴ装置等で被検体の対象部位について収集した複数の断層像により、式１に基づいて３Ｄ画像等を構成して表示するもので、各構成要素の動作を制御する中央処理装置（ＣＰＵ）２０と、装置の制御プログラムが格納された主メモリ２２と、複数の断層像データ及びプログラム等が格納された磁気ディスク２４と、表示用の画像データを一時記憶する表示メモリ２６と、この表示メモリ２６からの画像データに基づいて画像を表示する表示装置としてのＣＲＴモニタ２８と、位置入力装置としてのマウス３０と、マウス３０の状態を検出してＣＲＴモニタ１８上のマウスポインタの位置やマウス３０の状態等の信号をＣＰＵ２０に出力するマウスコントローラ３２と、各種の操作指令等を入力するキーボード３４と、上記各構成要素を接続する共通バス２６とから構成される。
【００３５】
尚、この実施の形態では、式１に基づいて投影面上の画素値を計算し、３Ｄ画像を構成するようにしたが、これに限らず、下記の式２、式３等によって投影面上の画素値を計算してもよい。
【００３６】
【数２】
0004397131.tif 000003
但し、Ｃは定数
【００３７】
【数３】
0004397131.tif 000004
を加えて反射率を増大させており、強調度合いを更に強めるようにしている。また、上記式３は、入射強度を乗算して減衰させており、式１と比べて入射強度の減衰が遅いため、比較的内部まで透視可能な３Ｄ画像を構成することができる。
【００３８】
また、本発明には、発光率および発光色をそれぞれ割当てることで説明したが、それらを組み合わせ、その組み合わせの結果として特定部位やステントを強調表示することも含まれる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ボリュームレンダリング法により特定部位を強調表示した三次元画像を構成し表示することができ、健康診断時に病巣部分を発見しやすい等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボリュームレンダリング法による陰影付けを説明するために用いた図。
【図２】本発明に係る発光率等を説明するために用いた図。
【図３】本発明に基づいて作成した３Ｄ画像等を表示するＣＲＴディスプレイの表示画面の一例を示す図。
【図４】本発明によって表示される３Ｄ画像と従来の３Ｄ画像との一例を示す図。
【図５】本発明によって表示される３Ｄ画像と従来の３Ｄ画像との他の例を示す図。
【図６】本発明に係る３Ｄ画像表示の処理手順を示すフローチャート。
【図７】本発明の発光率、発光させる色等を設定する例を説明する図。
【図８】本発明の発光させる色を設定する例、およびその表示例を示す図。
【図９】本発明に係る三次元画像表示装置のハードウェア構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…反射率割当部、２…発光率割当部、３、１０、１２、１４、、１６…３Ｄ画像、１５、１７…ステントグラフト、２０…ＣＰＵ、２２…主メモリ、２４…磁気ディスク、２６…表示メモリ、２８…ＣＲＴモニタ、３０…マウス、３２…コントローラ、３４…キーボード、３６…共通バス
【図１】
0004397131.tif 000005
【図２】
0004397131.tif 000006
【図３】
0004397131.tif 000007
【図４】
0004397131.tif 000008
【図５】
0004397131.tif 000009
【図６】
0004397131.tif 000010
【図７】
0004397131.tif 000011
【図８】
0004397131.tif 000012
【図９】
0004397131.tif 000013