JP4010034B2

JP4010034B2 - 画像作成装置

Info

Publication number: JP4010034B2
Application number: JP32443197A
Authority: JP
Inventors: 浩之羽賀
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2017-11-26
Also published as: JPH11161820A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、立体表面を有する関心部位の画像情報を含むボリュームデータ（３次元配列データ）に基づいて画像を作成する画像作成装置に係り、特に関心部位の立体表面についての画像を作成するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線断層撮影（Ｘ線ＣＴ撮影）や磁気共鳴断層撮影（ＭＲＩ）の画像再構成処理で得られるボリュームデータは、人間の骨格や内蔵あるいは血管など立体表面を有する関心部位の画像情報を含んでいる。これらの断層撮影の場合、画像再構成処理で得られるボリュームデータに基づき、通常は断層画像を作成・表示することになるのであるが、近年、陰影付けされた関心部位の外観を作成・表示する所謂ボリューム・レンダリング法などのレンダリングによる３次元画像（立体画像）の作成も行われている。このレンダリングによる画像作成の場合、関心部位が部分的に切断された状態で表示されるようなこともある。
【０００３】
従来のボリューム・レンダリング法による画像作成では、図９（ａ）に示すような平行投影法、あるいは、図９（ｂ）に示すような透視投影法を用いるものであるが、あたかも関心部位を実際に見たような３次元画像が得られるので、観察者（医師など）が関心部位の状況を的確に把握する上で大い役立つ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレンダリングによる３次元画像の場合、関心部位の立体表面の全貌を一目で把握することが困難であるという問題があった。関心部位の立体表面の全貌を把握するには、視点の異なる（例えば、正面から見たり、背面から見たり、左右の側面それぞれから見るというように）３次元画像を何枚も作成して同時に表示して観察することになるからである。
【０００５】
この発明は、上記の事情に鑑み、画像作成対象である関心部位の立体表面の全貌を一目で把握できるような画像を作成することができる画像作成装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、この発明の画像作成装置は、立体表面を有する関心部位の画像情報を含むボリュームデータ（３次元配列データ）を記憶するボリュームデータ記憶手段と、前記ボリュームデータに基づき画像作成対象の関心部位の立体表面を抽出する立体表面抽出手段と、関心部位の立体表面を観察する時の仮想視線の視線方向を定める基準を設定する視線基準設定手段と、前記関心部位の立体表面を照らす仮想光源を設定する光源設定手段と、仮想視線を視線基準設定手段による基準の定める視線方向となるようにして関心部位の立体表面を走らせる視線走査手段と、仮想光源による照明と関心部位の表面形状とに基づいて関心部位の立体表面に付く仮想陰影を求出する陰影求出手段と、前記関心部位の立体表面を視線走査の走査態様に対応して設定した座標系に従って１枚の平面状画像として展開するとともに陰影求出手段により求められた仮想陰影に対応した変化を画像に付与するようにして展開画像を作成する画像展開手段と、画像作成手段により作成された展開画像を出力する画像出力手段とを備え、前記視線基準設定手段は、関心部位の外表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点を関心部位の外側の全方向から見つめるように設定し、一方、関心部位の内表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点から視線が全方向を見るように設定する。
【０００７】
〔作用〕
次に、この発明の画像作成装置により画像作成を実行する際の作用について説明する。
画像の作成にあたって、先ず、立体表面を有する関心部位の画像情報を含むボリュームデータが、ボリュームデータ記憶手段に格納される。次に、立体表面抽出手段により、画像作成対象の関心部位の立体表面をボリュームデータに基づき抽出する。そして、視線基準設定手段により、関心部位の立体表面を観察する時の仮想視線の視線方向を定める基準を設定するとともに、光源設定手段により、画像作成対象の関心部位の立体表面を照らす仮想光源を設定する。具体的には、視線基準設定手段は、関心部位の外表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点を関心部位の外側の全方向から見つめるように設定し、一方、関心部位の内表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点から視線が全方向を見るように設定する。
【０００８】
そして、次に視線走査手段により、仮想視線を視線基準設定手段による基準の定める視線方向から、展開方式に応じた走査態様にて画像作成対象の関心部位の立体表面を走らせながら、陰影求出手段により、仮想光源による照明と関心部位の表面形状とに基づき関心部位の立体表面に付く仮想陰影を求出した後、画像展開手段により、前記関心部位の立体表面を視線走査の走査態様に対応して設定した座標系に従って１枚の平面状画像として展開するとともに、陰影求出手段により求められた仮想陰影に対応した変化を画像に付与するようにして展開画像を作成する。この作成された展開画像を画像出力手段により出力する。
つまり、この発明の画像作成装置では、画像作成対象の関心部位の立体表面が、適切な陰影が付けられて立体感のある１枚の平面状の展開画像として作成・出力されるのである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る画像作成装置の全体構成を示すブロック図、図２は実施例の画像作成装置による画像作成の具体例を示す模式図である。以下では、理解を容易とするために、図２の具体例を随時参照しながら説明する。
【００１０】
図１の画像作成装置は、例えばＸ線ＣＴ撮影における画像再構成処理で得られて送られてくるボリュームデータを記憶するボリュームデータメモリ部１を備えている。このボリュームデータには患者の断層画像情報として、頭蓋骨・血管あるいは心臓や腎臓等の臓器などの立体表面を有する関心部位の画像情報も含まれている。なお、ここで言う関心部位の立体表面とは、関心部位の外表面（頭蓋骨の外表面や血管の外壁面）だけでなくて、内部が中空の関心部位の内表面（頭蓋骨の内表面や血管の内壁面）を指す場合もある。
なお、図２の場合は、関心部位は例えば頭蓋骨Ｍのような球状体であって、頭蓋骨Ｍの外表面（立体表面）ＭＳについての画像を作成する時のものである。
【００１１】
この実施例の装置は、ボリュームデータに基づき画像作成対象の関心部位の立体表面を抽出する立体表面抽出手段を備えている。つまり、立体表面抽出手段でもって、図２に示す頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳを画像作成対象として抽出することになるのであるが、外表面ＭＳの抽出は頭蓋骨Ｍとそれを包む頭皮などの軟組織の境界面を抽出することであるので、所謂サーフェスレンダリング法における境界面抽出が利用できる。頭蓋骨のＣＴ値と軟組織のＣＴ値は一定程度の差があるので、両者のＣＴ値の間の適当なＣＴ値を閾値としてセットすることで骨と軟組織の境界面、つまり頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳを抽出することができる。
【００１２】
外表面ＭＳの抽出のための閾値となるＣＴ値は、キーボード２やマウス３から入力して設定データメモリ部４へ格納することになる。
なお、この発明の場合、境界面を明確に抽出するサーフェスレンダリング法以外に、例えば、境界面を一定のあいまい度をもって抽出できるボリュームレンダリング法の境界面抽出も利用可能である。
【００１３】
また、この発明のように、ボリュームデータに内在する関心部位の立体表面を観察（視覚化つまり画像化）するのには仮想視線と仮想照明が必要であり、実施例装置は、関心部位の立体表面を観察する時の仮想視線の視線方向を定める基準を設定する視線基準設定手段と、画像作成対象の関心部位の立体表面を照らす仮想光源を設定する光源設定手段を備えている。
視線方向がランダムでは関心部位の立体表面を正しく見ることができなくなるので、視線方向は一定の基準に沿って定められるようにする必要がある。
【００１４】
図２の場合は、仮想視線Ｅの視線方向の基準は頭蓋骨Ｍの内側の中心点ｍａを頭蓋骨Ｍの外側から常に見つめるように設定されており、視線方向は全て頭蓋骨Ｍの内側の中心点ｍａを指すことになる。
また、仮想光源の方は、照明光の照射方向が常に仮想視線と一致するよう設定される。勿論、この発明の場合、仮想光源は照明光の照射方向を、常に仮想視線と一致するように設定することが必須というわけではない。
視線方向設定用の中心点ｍａは、頭蓋骨Ｍの垂直方向中央を水平に横切る断面の断層画像をモニタ５の画面に表示しておき、キーボード２やマウス３によって該当する位置を指定することにより、中心点ｍａの位置を設定データメモリ部４へ格納することになる。
仮想光源の種類や位置もキーボード２やマウス３によって設定し、設定データメモリ部４へ格納する。
【００１５】
また、実施例装置は、仮想視線を関心部位の立体表面に走らせる視線走査手段を備えている。勿論、走査中の仮想視線の視線方向は視線基準設定手段による基準の定めるところに従う。
図２の場合、仮想視線Ｅは常に中心点ｍａを見つめながら、頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳの上をθ方向に沿ってぐるっと一周（３６０°）する周回走査を、緯度に相当する角度φを少しつづ段階的に変化させながら何度も繰り返して、外表面ＭＳの全域を走査することになる。
【００１６】
さらに、関心部位の立体表面の状態を的確に把握するためには、シェーディング（陰影付け）が必要であり、実施例装置は、仮想光源による照明と仮想視線の視線方向とに基づき関心部位の立体表面に付く仮想陰影を求出する陰影求出手段を備えている。
図２に示す画像作成の場合には、仮想視線の視線方向と照明光の照射方向は常に一致しており、グレーレベルグラディエント法等によるシェーディングを用いることができる。
【００１７】
実施例におけるグレーベルグラディエント法のシェーディングの場合、図３に示すように、視線方向Ｅと外表面ＭＳの交点ＰＳにおける外表面ＭＳの傾き、具体的には法線ＮをＣＴデータの３次元的強度勾配に従って求めるとともに、法線Ｎの方向（角度）に応じた陰影度を各交点ＰＳに対し与える。
法線Ｎの方向は交点ＰＳでの外表面ＭＳの傾きを示していて、法線Ｎと光源（照明光の方向）とのなす角度の余弦と、光源の強度との積に応じて陰影を付ければ適切な立体感が画像に付けられる。なお、ＣＴデータの３次元的強度勾配を求めるには、交点ＰＳを中心とする例えば３×３×３のデータマトリックスを抽出し、このデータマトリックスにおけるＸ，Ｙ，Ｚの各方向の強度勾配をデータ処理で求めた後、これらの強度勾配をベクトル合成すればよい。
勿論、シェーディングはグレーレベルグラディエント法以外の方法で行ってもよいことは言うまでもない。
【００１８】
そして、実施例の画像作成装置は、画像作成対象の関心部位の立体表面を視線走査の走査態様に対応して設定した座標系に従って１枚の平面状画像として展開するとともに、陰影求出手段により求められた仮想陰影に対応した変化を画像に付与するようにして展開画像を作成する画像展開手段と、作成された展開画像を出力する画像出力手段とを備えている。つまり、図２の場合で言えば、画像展開手段により頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳを１枚の平面図に適切な陰影付きで展開表示し一目で見れるようにすることになる。
【００１９】
より具体的に言えば、視線走査に伴う各仮想視線と外表面ＭＳの各交点ＰＳが、走査方向θを横軸に走査方向φを縦軸とする座標系に従って対応する位置にプロットされ１枚の平面図のかたちの展開画像Ｍｐ１として作成されると同時に、各交点ＰＳに対応する各画素の強度（ピクセル値）はそれぞれ前述の通り、各交点ＰＳでの法線Ｎの方向と照明光の方向および強度により算出して、展開画像メモリ部７に記憶される。
展開画像メモリ部７に記憶された展開画像は、随時に読みだされてモニタ（画像出力手段）５の画面に映し出される。
【００２０】
上述した実施例装置の各手段は、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８およびプログラムメモリ部９に格納されている制御プログラムでもって構成されており、最終的な展開画像が作成・表示されるよう必要なタイミングで必要なデータ処理や演算制御が実行されることになる。
【００２１】
続いて、実施例の画像作成装置による画像作成の図２以外の具体例を幾つか挙げる。
図４に示す画像作成の具体例の場合、視線方向の基準は頭蓋骨Ｍの内側の中心点ｍａから視線が全方向を見るように設定されており、仮想視線Ｅは常に中心点ｍａから周囲に向かう以外は、図２の具体例と同じである。したがって、得られる展開画像Ｍｐ２は、頭蓋骨Ｍの内表面ＭＴの全貌を１枚の平面図に適切な陰影付きで展開表示し一目で見れるようにしたものとなる。
【００２２】
図５に示す画像作成の参考例の場合、画像作成対象の関心部位がパイプ状の例えば血管Ｂである。視線方向の基準は、血管Ｂの内側の中心線ｎａから外側を水平に見て１周し、１周する毎に中心線ｎａに沿って視線を少し移動するよう設定される。具体的には、血管Ｂの横断面Ｂａ，Ｂｂの位置に対応する２枚の断層画像を表示しておいて、各断層画像の中心点を指定して両中心点を結ぶ指令を入力することにより中心線ｎａを入力し設定データメモリ部４へ格納する。したがって、血管Ｂの内壁面ＢＴは走査方向θを横軸に走査方向Ｚを縦軸とする座標系の展開画像Ｍｐ３として作成される。
この他は、図２の場合と同様であり、得られる展開画像Ｍｐ３は、血管Ｂの内壁面ＢＴの全貌を１枚の平面図に適切な陰影付きで展開表示し一目で見れるようにしたものとなる。
【００２３】
図６に示す画像作成の参考例の場合、視線方向の基準の設定は、仮想視線Ｅが血管Ｂの外側から常に中心線ｎａを見つめるように設定される外は、図５の参考例と同じである。したがって、得られる展開画像Ｍｐ４は、血管Ｂの外壁面ＢＳの全貌を１枚の平面図に適切な陰影付きで展開表示し一目で見れるようにしたものとなる。
【００２４】
なお、図５の場合、図７に示すように、血管Ｂが真っ直ぐ延びておらず屈曲している場合があるが、血管Ｂの横断面Ｂａ，Ｂｂの他に横断面Ｂｃに対応する断層画像も表示して各中心点間を順に結ぶ線を作成したあと、線をスムージングする処理を行えば基準用の中心線ｎａを設定できる。図６の場合で血管Ｂが真っ直ぐ延びておらず屈曲している場合も同様である。
【００２５】
続いて、上述した構成を有する実施例の画像作成装置により展開画像を作成・表示する際の装置動作を図８のフローチャートを参照して説明する。なお、ここでは、図２に示す頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳについての画像を作成する場合を例に採る。
【００２６】
〔ステップＳ１〕ボリュームデータメモリ部１にＸ線ＣＴ撮影などの画像再構成処理により得られたボリュームデータを記憶する。
【００２７】
〔ステップＳ２〕頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳを抽出するための閾値となるＣＴ値をキーボード２およびマウス３から入力し設定データメモリ部４に格納する。
【００２８】
〔ステップＳ３〕仮想視線Ｅの視線方向を定める基準をキーボード２およびマウス３から入力し、中心点ｍａなどを設定データメモリ部４に格納する。
【００２９】
〔ステップＳ４〕頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳを照明する仮想光源を照射方向が常に視線方向と一致するようキーボード２およびマウス３から入力し設定する。
【００３０】
〔ステップＳ５〕頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳの上を仮想視線Ｅを走らせる視線走査を実行しながら、視線方向Ｅと外表面ＭＳの交点ＰＳの法線の方向を求め、この法線Ｎと照明光の方向とのなす角度の余弦と、光源の強度との積を求めて各交点ＰＳの陰影度を決定する。
【００３１】
〔ステップＳ６〕視線走査に伴う各仮想視線Ｅと外表面ＭＳの各交点ＰＳを、走査方向θを横軸に走査方向φを縦軸とする座標系に従って対応する位置にプロットし１枚の平面図のかたちの展開画像Ｍｐ１とすると同時に、各交点ＰＳに対応する各画素の強度（ピクセル値）をステップＳ５で求めた陰影度に応じた値として、展開画像メモリ部７に格納する。
【００３２】
〔ステップＳ７〕作成した展開画像Ｍｐ１をモニタ５の画面に表示する。展開画像Ｍｐ１には、頭蓋骨Ｍの外表面ＭＳが１枚の平面図に適切な陰影付きで示されることになる。
【００３３】
〔ステップＳ８〕視線方向の基準が異なる展開画像を得る場合は、ステップＳ２に戻り、そうでない場合は、画像作成を終了する。
【００３４】
この発明は上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００３５】
（１）実施例の画像作成装置では、ボリュームデータがＸ線ＣＴ装置の画像再構成処理により得られたものであったが、ボリュームデータはＭＲＩ装置（磁気共鳴断層撮影装置）の画像再構成処理により得られたものであってもよく、この発明が画像形成対象とするボリュームデータは特定の種類のものに限られるものではない。
【００３６】
（２）実施例の装置では、関心部位の立体表面に生じる陰影の濃淡が、展開画像の上では輝度の高低として表される構成であったが、陰影の濃淡は、展開画像の上では色の違いとなって現れる構成のものが変形例として挙げられる。
【００３７】
（３）この発明の画像作成装置は、Ｘ線ＣＴ装置など他の装置の中に一体的に組み込まれている構成でもよいし、他の装置の中に全く組み込まれていない独立した別体構成でもよい。
【００３８】
（４）実施例の画像作成装置では、画像出力手段としてモニタ５が設けられていたが、画像出力手段として、フィルムに展開画像を焼き付けて出力するフィルム記録器を用いることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
この発明の画像作成装置によれば、関心部位のボリュームデータに基づき、画像作成対象の関心部位の立体表面を、適切な陰影が付けられて立体感のあるかたちで１枚の平面状の展開画像として作成・出力されるので、関心部位の立体表面の全貌を一目で把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る画像作成装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例装置による画像作成の具体例を示す模式図である。
【図３】実施例装置における画像作成対象の立体表面の影付けを説明するための模式図である。
【図４】実施例装置による画像作成の他の具体例を示す模式図である。
【図５】実施例装置による画像作成の参考例を示す模式図である。
【図６】実施例装置による画像作成の参考例を示す模式図である。
【図７】実施例装置による画像作成の参考例を示す模式図である。
【図８】実施例装置による展開画像作成の一連の流れ示すフローチャートである。
【図９】従来の３次元画像の作成方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ …ボリュームデータメモリ部
２ …キーボード
３ …マウス
５ …モニタ
７ …展開画像メモリ部
８ …ＣＰＵ
９ …プログラムメモリ部
Ｍ …頭蓋骨
ＭＳ …外表面
ＭＴ …内表面
ｍａ …中心点
ｎａ …中心線
Ｂ …血管
ＢＳ …外壁面
ＢＴ …内壁面
Ｍｐ１〜Ｍｐ４ …展開画像

Claims

立体表面を有する関心部位の画像情報を含むボリュームデータ（３次元配列データ）を記憶するボリュームデータ記憶手段と、前記ボリュームデータに基づき画像作成対象の関心部位の立体表面を抽出する立体表面抽出手段と、関心部位の立体表面を観察する時の仮想視線の視線方向を定める基準を設定する視線基準設定手段と、前記関心部位の立体表面を照らす仮想光源を設定する光源設定手段と、仮想視線を視線基準設定手段による基準の定める視線方向となるようにして関心部位の立体表面を走らせる視線走査手段と、仮想光源による照明と関心部位の表面形状とに基づいて関心部位の立体表面に付く仮想陰影を求出する陰影求出手段と、前記関心部位の立体表面を視線走査の走査態様に対応して設定した座標系に従って１枚の平面状画像として展開するとともに陰影求出手段により求められた仮想陰影に対応した変化を画像に付与するようにして展開画像を作成する画像展開手段と、画像作成手段により作成された展開画像を出力する画像出力手段とを備え、前記視線基準設定手段は、関心部位の外表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点を関心部位の外側の全方向から見つめるように設定し、一方、関心部位の内表面の画像を作成するときは、仮想視線の視線方向の基準として、関心部位の内側の１点である中心点から視線が全方向を見るように設定することを特徴とする画像作成装置。