(57)【要約】【課題】従来の問題点を克服した、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法を提供すること。【解決手段】デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、投影面を提供するステップを含み、投影面上にレンダリング放射線が、画像ボリュームを通した視点から投影され、画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進むステップを含み、画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めるステップを含み、サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数用い、伝達関数のアウトプットを累算するステップを含む、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法。【選択図】図６
2007222629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法であって、
デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、
投影面を提供するステップを含み、当該投影面は点の二次元のラティスを含み、当該投影面上にレンダリング放射線が、前記画像ボリュームを通した視点から投影され、
前記画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進むステップを含み、
前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、
前記サンプリング点が当該切開領域内にあるか否かを定めるステップを含み、前記サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、前記サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数用い、
前記伝達関数のアウトプットを累算するステップを含む、
ことを特徴とする、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法。
【請求項２】
前記切開領域は、前記放射線方向に対して平行な制限された厚さの面であり、
前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、当該切開面をあらわす方程式によって、前記サンプリング点の位置の積を評価することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記切開領域は前記画像ボリューム内の制限された半径を有する球であり、
前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、当該球の中心点までの、前記サンプリング点の位置の距離を評価することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１のボリュームおよび第２のボリュームは同じである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記サンプリング点が前記切開領域の境界上にあるか否かを定めることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記サンプリング点が前記境界に充分に近い場合には、当該サンプリング点に関してボリュームから補間されたサンプル値に第３の伝達関数を用いることを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記切開領域の境界上のアウトプットを、前記第１の伝達関数のアウトプットおよび前記第２の伝達関数のアウトプットから補間することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記第１の伝達関数のアウトプットは、前記第２のボリュームの強度に関連して、前記第１のボリュームの強度を破棄するか、または前記第１のボリュームの強度を透明にする、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記第１の伝達関数は、前記サンプリング点
2007222629.tif 000013
に関して、変換式
【数１】
2007222629.tif 000014
に従って、ボリュームを変形し、
当該変換式は、移動ベクトル
2007222629.tif 000015
の三重線形補間によって定められており、
当該移動ベクトルは、前記サンプリング点に関してグリッドサブボリュームの頂点で与えられており、補間重み付けａijkは変形されていない画像ボリュームグリッドから得られる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記切開境界で、curved MPR視覚化を行うことを含む、請求項５記載の方法。
【請求項１１】
レンダリングフレーム間で、前記curved MPR視覚化に対して観察距離を変えることを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
レンダリングの間に前記切開領域を特徴付けるパラメータを変えることを含み、
当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法であって、
デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、
視点から前記画像ボリュームを通して、二次元投影面上に放射線を投影するステップを含み、サンプリング点は当該放射線に沿って進み、
前記切開領域を特徴付けるパラメータを提供することによって前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含み、
前記サンプリング点から前記切開領域の境界までの距離を計算するステップを含む、
ことを特徴とする、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法。
【請求項１４】
複数のサブボリュームのうちのどのサブボリュームが前記サンプリングポイントを含むかを定めるために前記距離を使用することを含み、
前記複数のサブボリュームの各々は伝達関数と関連しており、
前記サンプリング点を含んでいるサブボリュームと関連している伝達関数を、当該サブボリュームから補間されたサンプル値に用いること、および
前記放射線に沿って前記伝達関数のアウトプットを累算することを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記サブボリューム間で前記複数の伝達関数のアウトプットを補間することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
コンピュータ読出し可能なプログラム記憶装置であって、
デジタル医療画像をボリュームレンダリングするステップを実行する、コンピュータによって実行可能な命令から成るプログラムを有体的に実現し、
当該方法は、
デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、
投影面を提供するステップを含み、当該投影面は点の二次元のラティスを含み、当該投影面上にレンダリング放射線が、前記画像ボリュームを通した視点から投影され、
前記画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進むステップを含み、
前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、
前記サンプリング点が当該切開領域内にあるか否かを定めるステップを含み、前記サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、前記サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数用い、
前記伝達関数のアウトプットを累算するステップを含む、
ことを特徴とする、コンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項１７】
前記切開領域は、放射線方向に対して平行な制限された厚さの面であり、
前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、当該切開面をあらわす方程式によって、前記サンプリング点の位置の積を評価することを含む、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項１８】
前記切開領域は前記画像ボリューム内の制限された半径を有する球であり、
前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、当該球の中心点までの、前記サンプリング点の位置の距離を評価することを含む、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項１９】
前記第１のボリュームと前記第２のボリュームは同じである、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２０】
前記方法は、前記サンプリング点が前記切開領域の境界上にあるか否かを定めることを含む、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２１】
前記サンプリング点が前記境界に充分に近い場合には、当該サンプリング点に関してボリュームから補間されたサンプル値に第３の伝達関数を用いることを含む、請求項２０記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２２】
前記切開領域の境界上のアウトプットを、前記第１の伝達関数のアウトプットおよび前記第２の伝達関数のアウトプットから補間することを含む、請求項２０記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２３】
前記第１の伝達関数のアウトプットは、前記第２のボリュームの強度に関連して、前記第１のボリュームの強度を破棄するか、または前記第１のボリュームの強度を透明にする、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２４】
前記第１の伝達関数は、前記サンプリング点
2007222629.tif 000016
に関して、変換式
【数２】
2007222629.tif 000017
に従って、ボリュームを変形し、
当該変換式は、移動ベクトル
2007222629.tif 000018
の三重線形補間によって定められており、
当該移動ベクトルは、前記サンプリング点に関してグリッドサブボリュームの頂点で与えられており、補間重み付けａijkは変形されていない画像ボリュームグリッドから得られる、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２５】
前記方法はさらに、curved MPR視覚化を前記切開境界で行うことを含む、請求項２０記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２６】
レンダリングフレーム間で、前記curved MPR視覚化に対して観察距離を変えることを含む、請求項２５記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【請求項２７】
前記方法はさらに、レンダリングの間に前記切開領域を特徴付けるパラメータを変えることを含み、
当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含む、請求項１６記載のコンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
関連の米国出願との相互参照
本出願は、Engel等著の２００６年２月２１日出願のアメリカ合衆国仮出願第６０／７７５、１９３号「AN EFFICIENT DISPLAY TECHNIQUE FOR VIRTUAL INCISION USING PROCEDURAL OPENING AND DEFORMATION FOR IN-CONTEXT VOLUME VISUALIZATION」の優先権を主張するものであり、この文献の内容はそのまま参照するかたちで本出願に組み込まれている。
【０００２】
技術分野
本開示は、ボリュームレンダリング、殊にボリュームイメージ内部のインコンテキストボリューム視覚化に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
ダイレクトボリュームレンダリングの基礎を成す原理は、任意の方向においてボリュームデータセットを放射線に沿ってサンプリングし、これらのサンプルを１つのフレームバッファ内で混合することである。混合前に、ボリューム内の読み出された密度は、伝達関数を用いて色（RGBA）へ変換される。この伝達関数はしばしばルックアップテーブルとして符号化される。このために、サンプルの混合はしばしばアルファブレンドと称される。充分な量のサンプルが用いられる場合には、結果として継ぎ目のない画像が得られる。
【０００４】
ボリューム内部を示すための技術は幾つか存在している。１つのオプションは伝達関数を使用することである。この伝達関数は、ボリュームからの密度値を色および透明度にマッピングする。閉鎖している構造体の密度値に対して、非常に低い、またはゼロの透明度を使用することによって、これらの閉鎖構造体は透明にされる、または結果として生じる画像において完全に除去される。しかし、伝達関数を用いて閉鎖フィーチャを除去することによって、重要なフィーチャを取り囲んでいるコンテキストが失われてしまう。さらに、閉鎖構造体と類似した密度値を有する他の重要なフィーチャも除去されてしまうだろう。
【０００５】
閉鎖材料を除去する他の通常の方法は、重要なフィーチャをセグメント化して、ボリュームのこのセグメント化された部分内にないフラグメントを除去することである。伝達関数と同じように、このような技術を使用することによってセグメント化されたフィーチャを取り囲んでいるコンテキストは失われてしまう。重要性主導型（importance-driven）視覚化では、セグメント化されている、重要なフィーチャを閉鎖している材料はレンダリングの間に切り離される。しかししばしば、まだセグメント化されていない重要なフィーチャを捜すために、ボリュームをブラウズする必要がある。従って、重要性主導型視覚化はこのケースでは使用不可能である。
【０００６】
面を切り抜くことは、ボリュームデータセット内に組み込まれているフィーチャを示すための他の従来のアプローチである。面の切り抜きによって規定された２つの半領域のうちの１つの半領域内の全てのフラグメントが除去される。幾何学的形状を切り抜くことによって、所与の任意の幾何学的形状の内部または外部を除去することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の問題点を克服した、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法およびコンピュータ読出し可能なプログラム記憶装置を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題は、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法であって、デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、投影面を提供するステップを含み、当該投影面は点の二次元のラティスを含み、当該投影面上にレンダリング放射線が、前記画像ボリュームを通した視点から投影され、前記画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進むステップを含み、前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、前記サンプリング点が当該切開領域内にあるか否かを定めるステップを含み、前記サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、前記サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数用い、前記伝達関数のアウトプットを累算するステップを含む、ことを特徴とする、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法によって解決される。さらに上述の課題は、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法であって、デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、視点から前記画像ボリュームを通して、二次元投影面上に放射線を投影するステップを含み、サンプリング点は当該放射線に沿って進み、前記切開領域を特徴付けるパラメータを提供することによって前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含み、前記サンプリング点から前記切開領域の境界までの距離を計算するステップを含む、ことを特徴とする、デジタル医療画像をボリュームレンダリングする方法によって解決される。さらに上述の課題は、コンピュータ読出し可能なプログラム記憶装置であって、デジタル医療画像をボリュームレンダリングするステップを実行する、コンピュータによって実行可能な命令から成るプログラムを有体的に実現し、当該方法は、デジタル医療画像ボリュームを提供するステップを含み、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、投影面を提供するステップを含み、当該投影面は点の二次元のラティスを含み、当該投影面上にレンダリング放射線が、前記画像ボリュームを通した視点から投影され、前記画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進むステップを含み、前記画像ボリューム内に切開領域を作成するステップを含み、前記サンプリング点が当該切開領域内にあるか否かを定めるステップを含み、前記サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、前記サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数用い、前記伝達関数のアウトプットを累算するステップを含む、ことを特徴とする、コンピュータ読み出し可能なプログラム記憶装置によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の概要
この明細書に記載される本発明の実施形態は一般的に、仮想切開レンダリングのためのシステムおよび方法を含む。この仮想切開レンダリングによって、他の情報のコンテキストにおいて、データセット内の特定の解剖学的なフィーチャが視覚化される。例えば、骨折した骨が周辺組織における出血のコンテキストにおいて示される。従来のボリュームレンダリングでは、骨のみを示す伝達関数が使用されていたせいで、出血を伴うこのような周辺組織は失われてしまっていた。本発明の１つの実施形態では、切開領域が仮想切開面と領域における視点との距離を用いて定められる。この切開面および視点に近いフラグメントが除去される、または異なる伝達関数を用いてレンダリングされる。レンダリングの間に、この領域までのフラグメントの距離を評価するのは容易であるので、この領域をコントロールする複数のパラメータは対話形式（interactively）で変化する。さらに、この領域を取り囲んでいるボリュームは実行時に変形し得る。このボリュームの内部は方法的（procedural）アプローチを用いて示されるので、レンダリングの間に、フラグメントが切開領域内にあるのか切開領域外にあるのか、並びにこのフラグメントがどの程度、切開領域に近いのかを評価することができる。従って、形状、位置、向き、サイズおよび切開領域を示すその他の全てのパラメータは対話形式で変化することが可能である。切開領域の境界は、異なる伝達関数を用いて示される。これに加えて、curved MPR（MPR＝multi-planar reconstruction）が切開領域の境界面上で示される。本発明の実施形態に相応する方法を、周辺構造体のコンテキストにおいて、データセット内に含まれる細部を視覚するために使用することができる。これは通常は重要なフィーチャを取り囲んで閉鎖しているか、またはレンダリングの間は、伝達関数またはセグメント化マスクまたは面の切り抜きまたは幾何学的形状の切り抜きを用いて完全に除去されている。
【００１０】
本発明の実施形態に相応して、デジタル化された医療画像をボリュームレンダリングするための方法が提供される。この方法は以下のことを含む。すなわち、デジタル化された医療画像ボリュームを提供し、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、投影面を提供し、当該投影面は点の二次元のラティスを含み、当該投影面上にレンダリング放射線が、前記画像ボリュームを通した視点から投影され、前記画像ボリュームを通る放射線に沿ったサンプリング点を進み、前記画像ボリューム内に切開領域を作成し、前記サンプリング点が当該切開領域内にあるか否かを定め、前記サンプリング点が切開領域内にある場合には、第１のボリュームから補間されたサンプル値に第１の伝達関数を用い、前記サンプリング点が切開領域外にある場合には、第２のボリュームから補間されたサンプル値に第２の伝達関数を用い、前記伝達関数のアウトプットを累算する、ことを含む。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態では、切開領域は、放射線方向に対して平行な制限された厚さの面であり、前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、この切開面をあらわす方程式によって、サンプリング点の位置の積を評価することを含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、切開領域は前記画像ボリューム内の制限された半径を有する球であり、前記サンプリング点が切開領域内にあるか否かを定めることは、当該球の中心点までの、サンプリング点の位置の距離を評価することを含む。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、第１のボリュームおよび第２のボリュームは同じである。
【００１４】
本発明の別の実施形態では、この方法は、前記サンプリング点が前記切開領域の境界上にあるか否かを定めることを含む。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、この方法は、前記サンプリング点が前記境界に充分に近い場合には、当該サンプリング点に関してボリュームから補間されたサンプル値に第３の伝達関数を用いることを含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、この方法は、前記切開領域の境界上のアウトプットを、前記第１の伝達関数のアウトプットおよび前記第２の伝達関数のアウトプットから補間することを含む。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、第１の伝達関数のアウトプットは、第２のボリュームの強度に関連して、第１のボリュームの強度を破棄するか、または第１のボリュームの強度を透明にする。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、第１の伝達関数は、サンプリング点
2007222629.tif 000003
に関して、変換式
【数１】
2007222629.tif 000004
に従って、ボリュームを変形し、
この変換式は、移動ベクトル
2007222629.tif 000005
の三重線形補間によって定められており、当該移動ベクトルは、前記サンプリング点に関して、グリッドサブボリュームの頂点で与えられており、補間重み付けａijkは変形されていない画像ボリュームグリッドから得られる。
【００１９】
本発明の別の実施形態では、この方法は、curved MPR視覚化を前記切開境界で行うことを含む。
【００２０】
本発明の別の実施形態では、この方法は、レンダリングフレームの間で、前記curved MPR視覚化に対する観察距離を変えることを含む。
【００２１】
本発明の別の実施形態では、この方法は、レンダリングの間に前記切開領域をあらわすパラメータを変えることを含む。ここで当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含む。
【００２２】
本発明の別の実施形態では、デジタル化された医療画像をボリュームレンダリングする方法が提供される。この方法は以下のことを含む。すなわち、デジタル化された医療画像ボリュームを提供し、当該画像は点の三次元グリッド上の複数の強度を含み、視点から前記画像ボリュームを通して、二次元投影面上に放射線を投影し、サンプリング点は当該放射線に沿って進み、切開領域をあらわすパラメータを提供することによって前記画像ボリューム内に切開領域を作成し、当該パラメータは視点に関する前記切開領域の位置および向き、および前記切開領域の形状およびサイズを含み、前記サンプリング点から前記切開領域の境界までの距離を計算する、ことを含む。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、この方法は、複数のサブボリュームのどのサブボリュームが前記サンプリング点を含むかを定めるために前記距離を使用することを含む。ここで前記複数のサブボリュームの各々は伝達関数と関連している。さらにこの方法は、前記サンプリング点を含んでいるサブボリュームと関連している伝達関数を、前記サブボリュームから補間されたサンプル値に用いること、および前記放射線に沿って伝達関数のアウトプットを累算することを含む。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、この発明は、前記サブボリューム間で複数の伝達関数のアウトプットを補間することを含む。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、デジタル医療画像をボリュームレンダリングするためのステップを実行するコンピュータにより実行可能な命令から成るプログラムを有体的に実現した、コンピュータ可読プログラム記憶装置が提供される。
【実施例】
【００２６】
有利な実施形態の詳細な説明
本明細書内に記載される本発明の例示的な実施形態は一般的に、インコンテキストボリューム視覚化のためのシステムおよび方法を含む。それに応じて、本発明は様々な変更および択一的形態を許容するが、ここでは、本発明の特定の実施形態を例として図示し、詳細に説明する。しかしながら、本発明は開示された特定の形態に限定されるものではなく、逆に、本発明の趣旨および範囲の中に入るすべての変更形態、等価形態、および択一的形態を包摂するものであることが理解されねばならない。
【００２７】
本明細書で使用されているように、「画像」という用語は離散的な画像要素（例えば、２Ｄ画像ならばピクセル、３Ｄ画像ならばボクセル）から成る多次元データを指す。この画像はたとえば、コンピュータ断層撮影、磁気共鳴イメージング、超音波、または当業者に公知の別の任意の医用イメージングシステムによって収集された対象の医用画像である。画像はまた、例えば、リモートセンシングシステム、電子顕微鏡などのような非医療的コンテキストから提供されるものであってもよい。画像はＲ３からＲまでの関数として見なすことができるが、本発明の方法はこのような画像に制限されることはなく、たとえば２Ｄピクチャまたは３Ｄボリューム等の任意の次元の画像にも適用することができる。２次元または３次元画像では、画像の領域は一般には２次元または３次元の方形アレイであり、各ピクセルまたはボクセルは２つまたは３つの相互に直交する軸を基準として指定することができる。本明細書で使用される「デジタル」および「デジタル化」という用語は、適切には、デジタル収集システムを介してまたはアナログ画像からの変換を介して得られたデジタルフォーマットのまたはデジタル化されたフォーマットの画像またはボリュームを指す。
【００２８】
本発明の実施形態では、インコンテキスト視覚化のための方法が提供され、方法的にボリュームを切開することによってボリューム内部が示される。このコンテキスト内の第１の比喩は、ボリュームを切開し、実際の手術の間の切開と同じように内部を示すことである。これは、レンダリングの間に、方法的な開放および／または変形を用いることによって行われる。仮想切開領域は実行時に計算される。この領域内部は、ボリューム残部に対して使用される伝達関数とは異なる伝達関数を用いて破棄されるか、またはレンダリングされる。切開領域内部は外側にシフトされ、実際の手術における組織の変形と類似した変形が結果として生じる。このコンテキスト内で使用される第２の比喩は、ボリュームデータセットを、仮想で開かれ、ブラウズされる書物として解釈することである。
【００２９】
これらの比喩は図１（ａ）−（ｂ）によって示されている。図１（ａ）は、書物のようにボリュームを開くことによる仮想切開を示している。図１（ｂ）は、どのようにしてボリュームスライスが、ブラウズされ、めくられる書物の頁になるのかを示している。
【００３０】
ボリュームデータから２次元画像を作成する方法は大まかに、間接的なボリュームレンダリング技術および直接的なボリュームレンダリング技術に分けられる。間接的な方法がボリュームデータの中間表示を作成し、レンダリングするのに対して、直接的な方法は、光学モデルを評価することによってボクセルデータを表示する。この光学モデルは、ボリュームがどのように光を放射し、反射し、スキャッタリングし、吸収し、閉鎖しているのかを示す。このボクセル値は物理的な量にマッピングされる。この物理的な量は、３Ｄ空間の各ポイントでの光相互作用を示す。画像合成の間、光学モデルに基づいて観察放射線に沿って光相互作用を統合することによって、光伝播が計算される。相応する統合が、ボリュームレンダリング統合として知られている。組織マッピングハードウェアを使用した、ハードウェア加速方法は、高いフレームレートおよび相互作用を提供する。
【００３１】
補間されたボリュームデータは通常は直接的にレンダリングされない。その代わりに、伝達関数は通常、データ値を色および透明度にマッピングする。組織ベースのボリューム視覚化のコンテキストでは、ボリュームレンダリングの間に作成された中間色および透明度値が「フラグメント」と称される。ボリュームを通る直線放射線に沿って多数のフラグメントを混合することによって、スクリーン上のピクセルに対する最終的なアウトプットカラーが計算される。ユーザによって特定された伝達関数における透明度値に依存して、ボリュームの一部が可視または透明または不可視になる。ボリュームの内部は通常は、レンダリングの間、伝達関数を使用することによって示される。この伝達関数は、ボリューム内部の重要なフィーチャを閉鎖している材料を零透明度にマッピングする。しかしこれによって、周辺材料のコンテキストにおいて重要なフィーチャを見ることができなくなってしまう。しかし取り囲んでいるこの周辺材料は、このフィーチャがボリューム内にどのように組み込まれているのかを示す重要な手がかりを与えるであろう。
【００３２】
閉鎖しているフィーチャを取り除くためのオプションは、面を切り抜くこと、幾何学的形状を任意に切り抜くことおよびマスクをセグメント化することを含む。面を切り抜くことによって、この面によって規定されている２つの半領域のうちの１つの半領域内の全てのボクセルが除去される。幾何学的形状を切り抜くことによって、この幾何学的形状の内部または外部のボクセルが切り離される。従って面の切り抜きよりも高い柔軟性が得られる。マスクをセグメント化することによって、ボクセル毎のタグが提供される。これによって、異なった伝達関数を伴う特定のタグ値を有するボクセルがレンダリングされるか、またはこのようなボクセルが完全に破棄される。
【００３３】
これらの全ての技術は、閉鎖しているフィーチャを取り除くか、または少なくとも閉鎖しているフィーチャをより透明にする。従って、閉塞されている重要なフィーチャが組み込まれているコンテキストが失われてしまうか、または少なくともより不明瞭になる。
【００３４】
重要性主導型視覚化方法は、ボクセル毎の重要性タグを提供することによって、重要なフィーチャが、重要度が低いフィーチャによって閉鎖されるのを阻止する。より高い重要性を有するボクセルを閉鎖している場合にのみ、低い重要度を有するボクセルはレンダリングの間に実行時に除去される材料は動的に観察方向に依存して除去され、これによって、周辺材料のコンテキストにおいて重要なフィーチャが視覚化される。特に、対話式ボリュームレンダリングの場合には、これによって、フィーチャがどのようにボリュームデータ内に組み込まれているのかが、よりよく理解される。
【００３５】
重要性主導型視覚化では、セグメンテーションアルゴリズムを使用して重要なフィーチャがクラス分けされていることが必要である。例えばフィーチャの重要性は、通常は「コストのかかる」セグメンテーションアルゴリズムによって事前に計算されていなければならない。通常の重要性主導型インコンテキスト視覚化アルゴリズムとは対称的に、本発明の実施形態に相応する方法は、いかなるセグメンテーション情報も必要としない。
【００３６】
本発明の実施形態に相応するインコンテキスト視覚化は仮想切開を使用する。用語「仮想切開」は、以下のことによるボリュームの仮想切開によってボリューム内部を示すことをあらわす。すなわち、切開領域内のフラグメントを破棄すること（材料の切り離し）または切開領域内側のフラグメントを外側に移すこと（材料の変形）または切開領域において異なる伝達関数を使用すること（材料の透明化）によるボリュームの仮想切開によってボリューム内部を示すことである。ボリューム内の仮想切開領域は方法的に定められる。すなわちメモリ内で切開領域の形状は明確にあらわされていない。その代わりに、幾何学形状的なアプローチを用いて、切開領域はレンダリングの間に「実行時に(on-the-fly)」定められる。切開領域を、あらゆる幾何学的形状、例えば球、立方体、円筒等を用いて定めることが可能である。開示を分かりやすくするために、仮想切開面を用いた本発明の実施形態を説明する。しかし、使用されている仮想切開面は例であり、本発明を制限するものではないことを理解されたい。当業者は本明細書に以降で記載される教示を他の仮想切開幾何学的形状にどのように使用するか理解するであろう。
【００３７】
仮想切開面を使用する場合には、この面までの距離および視点（または空間内のあらゆる他の点）までの距離が、フラグメントが切開領域内にあるのか、または切開領域外にあるのかを定める。切開プロシージャは切開領域までの距離を計算し、サンプリングポジションが切開領域内にある場合には負の距離値が得られ、サンプリングポジションが切開領域外にある場合には正の距離値が得られる。面は仮想切開の切断方向を定め、視点または空間内の他の点は、そこから仮想切開が行われる原点を定める。レンダリングの間、このボリューム内のあらゆる３Ｄポイントが切開領域内にあるのか、または切開領域外にあるのか容易に定めることができる。なぜなら切開領域は方法的に定められているからである。
【００３８】
切開領域内のフラグメントは、第２の伝達関数を用いて破棄されるか、またはレンダリングされる。図２は、ＣＴ画像における、仮想開放された頭部の例を示している。ここでこの切開領域内のフラグメントは、骨を示す伝達関数を用いてレンダリングされている。また、この切開領域外のフラグメントは、皮膚を示す伝達関数を用いてレンダリングされている。
【００３９】
図３（ａ）−（ｄ）は、腹部ＣＴデータセットのダイレクトボリュームレンダリングの例を示している。ここでは仮想切開面を用いてこのデータセットが方法的に開かれている。ここでは切開領域内のフラグメントは本発明の実施形態に従って破棄されている。図３（ａ）ではボリュームにいかなる変形も加えられていない。すなわち切開領域内のボリュームデータが切り取られている。図３（ｂ）では、ボリュームに変形が加えられている。すなわち、切開領域内のボリュームデータが切開領域の外側に移されている。図３（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、制限された切開長さを伴う仮想切開面が使用されているという点を除いて、図３（ａ）および（ｂ）に相応する。
【００４０】
図４（ａ）−（ｄ）は、腹部ＣＴデータセットのダイレクトボリュームレンダリングのさらなる別の形態を示している。ここでは仮想切開面を用いてこのデータセットが方法的に開かれている。ここでは切開領域内で動脈瘤が視覚化されている。図４（ａ）ではボリュームにいかなる変形も加えられていない。すなわち切開領域内のボリュームデータが、第２の伝達関数を用いてレンダリングされている。図４（ｂ）は、制限された切開長さを伴う仮想切開面を使用している。ここでもボリュームにいかなる変形も加えられていない。すなわち切開領域内のボリュームデータは、第２の伝達関数を用いてレンダリングされている。図４（ｃ）ではボリュームに変形が加えられている。すなわち切開領域内のボリュームデータが、切開領域外に移されている。切開領域内のボリュームデータは第２の伝達関数を用いてレンダリングされている。図４（ｄ）も、制限された切開長さを伴う仮想切開面を使用している。ここでもボリュームに変形が加えられており、切開領域内のボリュームデータが切開領域外に移されており、切開部内では第２の伝達関数を用いて同じボリュームデータがレンダリングされている。
【００４１】
切開領域内から生じているフラグメントを択一的に、方法的変形を用いて切開領域外に移すことが可能である。これは実際の手術、例えば心臓バイパス手術での状況と似ている。ここでは胸部を示すために胸板が切開される。切開領域に端を発する組織が切断領域から移動される。この変形も実行時に計算される。すなわち、メモリ内のこの変形を明確にあらわすものはない。フラグメントを切開領域から移す代わりに、切開領域外のフラグメントに対する組織座標が次のように変えられる。すなわち、変形マッピングの逆算を用いて切開領域内部からのデータ値がアクセスされるように変えられる。
【００４２】
１つの例示的な変形モデルでは、ボリューム対象物がはじめに、サブ立方体セットに細分される。この変形は、このモデルの各頂点に対する座標を移動させることによって特定される。結果として生じる、サブ立方体における点
2007222629.tif 000006
の移動は、頂点で与えられている移動ベクトル
2007222629.tif 000007
の三重線形補間によって定められる。
結果として三重線形マッピング
【数２】
2007222629.tif 000008
が生じる。ここでは、オリジナルの変形されたグリッドから得られる補間重み付けａijkが用いられる。さらに、ユーザは頂点を取り出し、これを任意の位置にドラッグすることができる。逆関数Φ−１が必要とされる。一般的に三重線形マッピングの逆算は、再び三重線形マッピングではないが、より複雑な関数であるので、元来の移動ベクトルを無効にすることによって、逆マッピングに対する良好な近似が得られ、
【数３】
2007222629.tif 000009
ここではオーダ０（γ２）の最大変形の大きさγに対する近似エラーを伴う。本発明の実施形態では、この逆マッピングは方法的に行われ、事前に定められた変形ボリュームは必要とされない。
【００４３】
図３（ｂ）は、変えられた組織座標を用いたボリュームの変形を示している。これは、切開面に直交するシフトベクトルを計算することによって得られる。切開長さはオプショナルで制限され、図３（ｃ）、３（ｄ）、４（ｂ）および４（ｄ）に示されているように、手術中の切開の結果により近い結果が得られる。
【００４４】
切開面を方法的に定めるので、切開領域は動的に更新される。すなわち、切開領域の位置および向きは各フレームに対して対話式に変えられる。ここで１つのフレームは１つのレンダリング出力画像である。ここでは全てのピクセルに対する放射線が計算されている。１つのオプションは、常に、観察者ラインに平行に切開面を位置付けることである。この結果、切開面は、観察位置および観察方向に関して固定された位置および向きを有する。ボリュームを回転させることによって、ユーザはボリューム内部をブラウズすることができる。
【００４５】
他の選択肢では、ユーザは切開面を自由に位置づけし、回転させることができる。付加的に、切開領域を定める他のパラメータを変えることによって切開領域を変えることができる。このパラメータは例えば頂点、湾曲度、長さ、切開角度等である。
【００４６】
切開領域を方法的に定めるのは有利である。なぜなら、ボリューム内の各点に対して、切開領域までの距離が容易に計算されるからである。これによって付加的な効果が得られる。この効果は例えば切開領域の境界を異なる伝達関数によってレンダリングすること、切開領域境界上で切開領域の内側および外側から伝達関数を円滑に補間すること、および切開領域の境界上でcurved MPR可視化を可能にすることである。上述したように、負の距離値は、サンプリングポジションが切開領域内にあることを示し、正の距離値は、サンプリング値が切開領域外にあることを示す。零の値はサンプリングポジションが切開領域の境界上にあることを示す。従って、MPRのような伝達関数が、境界に充分に近い点に用いられた場合に、すなわちａｂｓ（ｄ−Ｄ）＜イプシロンである場合に、容易に、curved MPRを得ることができる。ここでイプシロンは、curved MPR領域の厚さの半分であり、ｄは目下のサンプリングポジションから切開領域までの距離であり、Ｄは、curved MPRがレンダリングされるべき切開領域までの距離である。curved MPRを、切開領域（例えば切開面）からあらゆる距離Ｄでレンダリングすることができる。フレーム間のこの距離Ｄを変えることによって、書物の頁のようにMPRをめくることができる。
【００４７】
本発明の実施形態では、ボリューム内の各点に対する切開領域までの距離の計算が容易なので、多数の伝達関数を使用することができる。異なるボリュームを異なる伝達関数で、以下のような切開領域までの距離の特定の範囲をベースにレンダリングすることができる。
０＜距離＜＝０．１：ボリューム１のレンダリング／伝達関数１；
０．１＜距離＜＝０．２：ボリューム２のレンダリング／伝達関数２；
０．２＜距離＜＝０．５：ボリューム３のレンダリング／伝達関数３；
０．５＜距離＜＝０．７：ボリューム４のレンダリング／伝達関数４；
伝達関数を、これらの範囲の間で補間することもできる。
【００４８】
本発明を制限するものではない、本発明の実施形態の仮想切開ボリュームレンダリングを実行する例示的なフローチャートが図６に示されている。この、制限するものではない例では、切開領域は目下の観察方向に対して平行な面か、またはサンプリング点を中心とした球である。図を参照すると、レンダリングするための３次元画像ボリュームが与えられ、２次元画像投影面が与えられ、この面上に、視点から放射線が投影される。画像面内の各ピクセルにわたってルーピングが行われると、ステップ６１で、ピクセルに対して、投影される放射線に対して開始ポジションと方向が定められる。サンプリングポジションはこの開始ポジションに初期化され、放射線アウトプットカラーが初期化される。
【００４９】
ステップ６２では、切開領域が設けられる。切開領域の特徴はレンダリングの間に動的に定められるので、サンプリング点がこの切開領域内であるか否かは方法的に定められる。ステップ６３では、目下のサンプリングポジションが切開領域内であるか否かが定められる。本発明の実施形態では、この特定は正または誤を示すブール関数で行われ、特定のために独立変数として目下のサンプリングポジション、切開のタイプおよびこの切開タイプと関連するパラメータをとる。このブール関数に対する擬似コードの例を以下に示す。
【数４】
2007222629.tif 000010
【００５０】
この関数は、２つのタイプの切開領域、すなわち面および球に対する例示的なテストを示す。一般的にこれらのテストは、サンプリングポントから境界面上のポイントまでの距離を計算することを含む。典型的に、負の距離値は、サンプリングポジションが切開領域内にあることを示し、正の距離値は、サンプリング値が切開領域外にあることを示し、零に近い値は、サンプリングポジションが切開領域の境界上にあるか、境界に近いことを示す。当業者は、他のタイプの切開領域に対してテストを容易に実行することができる。択一的な実行において、ブール条件内でテストされる関数、すなわち球に対する
【数５】
2007222629.tif 000011
および面に対する
【数６】
2007222629.tif 000012
がplaneEquation, spherePositionおよびsphereRadiusの代わりに許容される。
【００５１】
目下のサンプリングポジションが切開領域内にある場合には、切開領域内の第１のボリュームがサンプリングされ、三重線形補間された値が目下の放射線サンプリングポジションで得られ、この補間された値がステップ６４で第１の伝達関数に渡され、サンプルカラーが得られる。そうでない場合には、第２のボリュームがサンプリングされ、得られた値がステップ６５で第２の伝達関数に渡され、サンプルカラーが得られる。本発明の択一的な実施形態では、切開領域特定が行われる前にボリュームがサンプリングされる。このケースではサンプルカラーを得るために、異なる伝達関数を伴い、同じサンプルが使用される。適切な伝達関数は、上述したあらゆる仮想切開を実行することができる。これは例えばフラグメントを破棄すること、材料を変形すること、材料を透明にすることおよび付加的な作用、例えば切開領域の境界上のMPR視覚化である。第３の伝達関数はオプショナルで、切開領域境界上にあるか、または切開領域境界に充分に近いサンプリング点に使用される。
【００５２】
ステップ６６では、同じサンプルカラーが放射線アウトプットカラーに混合され、ステップ６７では放射線方向に沿ってサンプリングポジションが更新される。
【００５３】
ステップ６８では、放射線の終端部に到達したか否かが定められる。到達していない場合には、レンダリングはステップ６３に戻り、更新されたサンプリングポジションがテストされる。そうでない場合には、ステップ６９で、このフレームが完全にレンダリングされたか否かが定められる。完全にレンダリングされていない場合には、レンダリングはステップ６１に戻り、他のピクセルに対する放射線開始ポジションおよび方向が再び初期化される。そうでない場合にはレンダリングが終了する。
【００５４】
切開領域の内側／外側を検査するコードは方法的である（例えば機能「insideIncision」ということに留意されるべきである。すなわち、切開領域を定めるデータ構造は存在しない。その代わりに、「insideIncision」内に評価された数学的な式がある。多数の切開タイプがあってよい。これは、上述の擬似コード内に含まれているシンプルな面およびシンプルな球切開を伴う。
【００５５】
本発明の実施形態に従って切開領域を方法的に定めることによって、ユーザは切開領域を自由に位置づけし、回転させることができ、切開領域を定めているそのパラメータを変えることによって切開領域を変えることができる。このパラメータは例えば、頂点、湾曲率、長さ、切開角度等である。これは対話形式で、ユーザによって、フレームがレンダリングされている間またはフレームの間に行われる。付加的に、本発明の実施形態に相応して仮想切開を方法的に定めることは、セグメンテーション情報を必要としない。
【００５６】
本発明の別の実施形態では、切開を方法的に定めるのとは択一的に、切開領域の境界を示す多角形モデルを計算することによって、切開領域の境界に対して幾何学形状的表示を作成することが可能である。凸状切り抜き幾何学的形状を伴うモデルに対しては、二重深度バッファアプローチがしばしば使用される。第１の深度バッファは、各ピクセルに対して、モデル内のピクセルを通して、すなわち放射線がこのモデル幾何学的形状に入射したときに、投影面からの放射線の第１の切開の深度を記憶する。第２の深度バッファは、モデル内のピクセルを通る放射線の第２の切開の深度を記憶し、すなわち放射線がモデル内に入射したときに記憶する。凸状切り抜き幾何学的形状を破棄する（切り抜く）ために、第１の深度バッファ内に格納されている値を上回る深度を有するサンプリング点および第２の深度バッファ内に格納されている値を下回る深度を有するサンプリング点を破棄することができる。閉鎖されている非凸状切り抜き幾何学的形状に対しては、目下のサンプリングポジションが切り抜き幾何学的形状の内側（または外側）にあるか否かを定める技術が存在する。これは次のことによって実現される。すなわち、幾何学的形状を伴う目下のサンプリングポジションからの任意の放射線ショットの公差の数を計数することによって実現される。公差の数が等しい場合、目下のサンプリングポジションは（非凸状）切り抜き幾何学的形状内にあり、等しくない場合には目下のサンプリングポジションは（非凸状）切り抜き幾何学的形状外にある。このテストは、ステンシルバッファを用いて、目下の観察方向に沿った放射線の公差の数を計数することによって、グラフィックスハードウェアを用いて実行される。しかしこのようなアプローチは、切開領域パラメータ（湾曲率および切開等）が変化した場合には、切開領域境界幾何学的形状の再計算を必要とする。
【００５７】
切開領域外の材料の変形は、変形ボリュームを用いて実現される。ボリュームを実行時に方法的に変形させる代わりに、変形ボリュームが事前の処理ステップにおいて作成される。これはルックアップのためにオフセット組織座標を、非変形ボリューム組織内に記憶する。しかしここでもこのアプローチは、切開領域パラメータ（湾曲率、切開等）が変化すると、変形ボリュームの再計算を必要とする。
【００５８】
本発明の実施形態は、種々の形態のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、特殊用途の処理で実現でき、またこれらの組み合わせで実現できることを理解すべきである。１つの実施形態では、本発明をコンピュータ可読プログラム記憶装置上に有体的に実現されたアプリケーションプログラムとしてソフトウェアで実施することもできる。このアプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャを有する機器にアップロードすることができるか、またはこのような機器によって実行することができる。
【００５９】
本発明の実施形態を実行するアプリケーションプログラムはあらゆる適切なコンピュータ言語で記述される。しかし、この少なくとも１つの実施形態は、原始言語としてOpenGL Shading Language（GLSL）を用いて、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）上で実行されるのに適している。
【００６０】
図７は、インコンテキストボリューム視覚化のために仮想切開方法を実施するための、本発明の１つの実施形態による一例のコンピュータシステムを示すブロック図である。ここで図７を参照すると、本発明を実施するためのコンピュータシステム７１は、とりわけ中央処理ユニット（ＣＰＵ）７２と、メモリ７３と、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース７４とを有する。コンピュータシステム７１は全般的に、Ｉ／Ｏインタフェース７４を介してディスプレイ７５および種々の入力装置７６、例えばマウスやキーボードと接続されている。補助回路としては、キャッシュ、電源、クロック回路、及び通信バスのような回路を含んでいてよい。メモリ７３はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ディスク駆動装置、テープ駆動装置またはそれらの組み合わせを含みうる。本発明をメモリ７３に記憶されているルーチン７７として実現し、信号ソース７８からの信号を処理するＣＰＵ７２によって実行することができる。このように、コンピュータシステム７１自体は汎用コンピュータシステムであるが、本発明のルーチン７７を実行する場合には、特定用途向けコンピュータシステムとなる。
【００６１】
コンピュータシステム７１はオペレーティングシステムおよびマイクロ命令コードも有する。本明細書に記載された様々なプロセスや機能はマイクロ命令コードの一部であってもよいし、オペレーティングシステムを介して実行されるアプリケーションプログラム（またはこれらの組合せ）の一部であってもよい。加えて、他の様々な周辺機器を、付加的なデータ記憶装置や印刷機のようなコンピュータプラットフォームに接続してもよい。
【００６２】
さらに、図に示されているシステム構成要素および方法ステップのなかにはソフトウェアで実現できるものもあるので、システム構成要素または処理ステップ間の実際の繋がりは、本発明がどのようにプログラミングされるかに依存して異なってもよいことを理解すべきである。本明細書において開示されている本発明の思想が提供されれば、当業者であれば本発明の実施形態またはコンフィギュレーションと類似するものを推考できる。
【００６３】
有利な実施形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、当業者には、添付された請求項において示されている本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更及び置き換えを為しうることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態に従った仮想切開方法に対する比喩をあらわす図である。
【図２】本発明の実施形態に従った、ＣＴ画像における仮想切開された頭部をあらわす図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、腹部ＣＴデータセットのダイレクトボリュームレンダリングをあらわす図であり、ここでは仮想切開面を用いてこのデータセットが方法的に開かれている。
【図４】本発明の実施形態に従った、腹部ＣＴデータセットの別のダイレクトボリュームレンダリングをあらわす図であり、ここでは仮想切開面を用いてこのデータセットが方法的に開かれている。
【図５】本発明の実施形態に従った、仮想切開の境界上のcurved MPRのレンダリングを示す図である。
【図６】本発明に相応する、インコンテキストボリューム視覚化のための仮想切開方法のフローチャートである。
【図７】インコンテキストボリューム視覚化のために仮想切開方法を実施するための、本発明の１つの実施形態による一例のコンピュータシステムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６５】
７１  コンピュータシステム、  ７２  中央処理ユニット（ＣＰＵ）、  ７３  メモリ、  ７４  入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース、  ７５  ディスプレイ、  ７６  入力装置、  ７８  信号ソース
【図６】
2007222629.tif 000019
【図７】
2007222629.tif 000020
【図１】
2007222629.tif 000021
【図２】
2007222629.tif 000022
【図３】
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【図４】
2007222629.tif 000024
【図５】
2007222629.tif 000025
【外国語明細書】
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