JP4991748B2 - 構造のモデルを作成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造のモデルを作成するための方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、幾つかの対象物の訓練データに基づいた、生体構造の一部の構造に関するモデルの作成に関する。

人体の部分の断面の医用画像を生成するための様々なスキャン技術が存在している。これらの技術は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）及び陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）を含んでいる。これらのスキャン技術からの出力データは、典型的に、一組の強度値（しばしば、グレーレベルと呼ばれる）の形態をしている。データを有用なものとするためには、しばしば、スキャンされた領域のモデルを構築するためにスキャン出力を解釈する必要がある。このモデルは、例えば、手術の計画、又は特定領域の一層詳細なスキャンの計画のために使用され得る。

モデルを作成するためにスキャンの出力データを解釈する一手法は、熟練した操作者が、得られた画像を観察して解剖学的特徴間の境界を手作業で選択するものである。これは輪郭抽出（contouring）として知られており、特に三次元モデルが必要とされるとき、幾らかの時間を要し得るものである。三次元モデルを作成するためには、操作者は多数の相異なる断面の二次元スキャンの輪郭を示し、これらを三次元モデルへと結合させる必要がある。

個々の対象物のモデルがもっと迅速に作成されることを可能にするため、輪郭抽出処理を完全に、あるいは部分的に自動化する方法が提案されている。例えば、特許文献１は、ＣＴ画像内の器官及びその他の生体構造を自動輪郭抽出する自動化手法に関するものである。この特許文献は、器官の内部にあるべき点が決定され、その後、その器官のエッジを検出するための開始点として使用されるエッジベースの方法について議論している。この技術は、単一の対象物についてのスキャンデータを用いたモデルの作成にしか適用されず、また、この方法を使用可能にするには、スキャン領域の一般的な解剖学的特徴（例えば、男性の骨盤部の骨の構成）についての所定の入力を必要とする。
米国特許出願公開第２００４／０１０１１８４号明細書

以上に鑑み、本発明は、スキャンデータからモデルを生成することの効率を改善し得るモデル作成方法を提供することを目的とする。

本発明に従って、複数の対象物からのスキャンデータを用いて構造のモデルを作成する方法であって：
複数の対象物各々の生体構造部分のスキャンデータを含むスキャンデータセットを収集する収集段階；
特徴データセットを生成するよう、スキャンデータセット内の各項目に特徴検出器を適用する適用段階；
変換されたデータセットを生成するよう、特徴データセット内の各項目を共通の基準座標系に変換する変換段階；及び
複数の個体を表す生体構造部分のモデルを生成するよう、変換されたデータセット内の各項目を累積する累積段階；
を有する方法が提供される。

特許文献１と異なり、本発明はモデルを生成するために複数の対象物からのデータを使用する。最終的な結果は、モデルが基づくデータセットにわたっての構造の変化を表すモデルとなる。例えば詳細なスキャンの幾何学配置を計画するため、このモデルを未知の対象物のスカウトデータと組み合わせて使用することが可能である。本発明に係る方法は、スキャンされた領域の構造についての如何なる知識もなしで使用され得るものであり、構造的な特徴が自動的に生成される。

自動化されているという性質により、本発明は、（例えば５０より多くといった）どのような大きい数の対象物のデータに基づくモデルであっても、それを作成することに使用されることが可能である。さらに、モデルが容易に作成され得ることは、モデル一式が作成されることを可能にする。このことは、個体群間変異を抑制し、出力モデルの精度を向上させるためにモデル一式を有することが望ましいときに有用となり得る。

本発明の更なる１つの利点は、未知の対象物のデータ内で特徴を特定するために使用される同一の特徴検出アルゴリズムを用いてモデルが作成され得ることである。これにより、未知のデータをモデルにマッチングする正確性が向上される。

別の１つの利点は、自動化されているという性質により、少ない労力で新たなデータを組み込むように、モデルの精度が高められ得ることである。

医学撮像用途においては、構造は生体構造であってもよく、各対象物は個々の患者であってもよい。

本発明に係る方法は、データプロセッサにより実行されるコードを有するコンピュータプログラムによって実施され得る。コンピュータプログラムコードは、例えば、ディスク等の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ等の光媒体、又はフラッシュメモリ等の半導体媒体といった、コンピュータ読み取り可能媒体に具現化されてもよい。その場合、コンピュータプログラムは既存の医療用撮像装置への組込みアップグレードであってもよい。

この方法は、必要に応じて、請求項２によって規定されるように、モデルの表示段階及びユーザ相互作用段階を含んでいてもよい。これは、最もよく表現している部分を最終的なモデルに含めるようにユーザが選択することを可能にし、モデルの精度を高めることを可能にする。この段階で要求されるユーザ入力は、従来の手作業による輪郭抽出方法より少ないものである。何故なら、ユーザは単に、自動処理により生成された輪郭の何れが含められるべきかを選択すればよいからである。

本発明の別の一態様に従って、複数の対象物からのスキャンデータを用いて構造のモデルを作成する医療用撮像装置であって：
データ処理手段によって実行可能な命令を格納し、且つ複数の個体各々の生体構造部分のスキャンデータセットを格納する記憶装置；並びに
データプロセッサであり：
複数の対象物各々の構造のスキャンデータを含むスキャンデータセットを収集する段階；
特徴データセットを生成するよう、スキャンデータセット内の各項目に特徴検出器を適用する段階；
変換されたデータセットを生成するよう、特徴データセット内の各項目を共通の基準座標系に変換する段階；及び
複数の対象物を表す構造のモデルを生成するよう、変換されたデータセット内の各項目を累積する段階；
を実行するように、記憶装置に格納された命令によって設定されることが可能なデータプロセッサ；
を有する医療用撮像装置が提供される。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を例として説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係るフローチャートを示している。そして、各段階における処理画像を示す本発明の第１実施形態の視覚表示が図２に描かれている。説明を単純にするため、この実施形態を二次元モデルの形成に関して説明する。しかしながら、当業者に認識されるように、この実施形態は三次元モデルの形成にも等しく適用され得るものである。

第一段階２にて、モデルの基となるスキャンデータ２０が収集される。これは、モデルを形成するために使用されることになる幾つかの対象物（図２においては単純化のために２つのみが描かれている）からのデータを収集することを含む。この実施形態におけるスキャンデータは、矢状面に沿った脳のＭＲスキャンにより得られた強度を表すグレーレベルデータである。

第二段階４にて、このスキャン内に含まれる解剖学的特徴に関する情報を抽出するために、生データに特徴検出器が適用される。この実施形態においては、特徴検出器はエッジ検出器である。これにより、特徴データセット２２が生成される。図２から分かるように、この段階で生成された特徴データは、多数の可能性ある輪郭位置を含んでいる。

第三段階６にて、特徴データセット２２は共通の基準座標系に変換される。共通の基準座標系は、特徴データセット内の画像群の間での特徴の空間的対応関係を最適化する。このデータ変換段階は、好ましくは、例えば剛体グレー値（rigid grey value）ベースの手法などの自動アルゴリズムによって行われる。個々の画像はまたこの段階でアライメントされる。グレー値データを整合させることが好ましい。他の例では、特徴データ自体が直接的に用いられてもよい。

第四段階８にて、変換されたデータセットが共通空間に累積される。この実施形態においては、この累積は、変換とアライメントとを施された第三段階６の後の画像群内の各画素の“エッジ画素計数”ヒストグラムを構築することによって行われる。例えば、或る特定の画素が、変換とアライメントとを施された画像群のうちの３つにおいて特徴（この実施形態においてはエッジ）を含んでいる場合、そのヒストグラムは値３を有する。斯くして、画像群にわたる特徴の分布の確率的なマップ２４が構築される。このマップは、モデルを新たなデータに適合させるときに確率的なマージンを用いることによって、モデル自体として直接的に使用されることができる。

しかしながら、図１から分かるように、このデータは、変換された画像群の間での整合（registration）の不確実さと、第二段階でのデータ変換において捕捉されなかった解剖学的な相違とのために、鮮明度に幾分欠けている。洗練されたモデルを作成するため、場合により、このモデルは確率的なマップ内で最高の確率を有する画素に多様体（manifolds）を適合させる段階を含んでいる。例えば、二次元のスプライン曲線又は表面が用いられ得る。

この実施形態はまた、当初のモデルを表示する段階１０、及びユーザ入力１２を受信する段階１２という必要に応じての段階を含んでいる。これは、ユーザが、モデルを最もよく表す特徴、又は意図される用途に最も関連する特徴を（専門知識を用いて）選択することによって、最終的なモデルの精度を高めることを可能にする。この実施形態にも必要に応じて或る程度のユーザ相互作用が含まれるが、手作業での輪郭抽出と比較して、必要とされる労力は遙かに小さい。ユーザは、選択さえすればよい考え得る輪郭のグループを提示されるので、輪郭を手作業でなぞる必要はない。さらに、どれだけ多くの画像がモデルの作成に使用されようと、この選択段階は一度だけ行われればよい。

最終段階１４にて、最終的なモデル２６が出力される。最終的なモデル２６は、モデルの基礎として第一段階２にて使用された個々のスキャンデータにわたっての特徴の変化を表す。

最終的なモデルは多様な用途で使用され得る。例えば、最終的なモデルは詳細なスキャンを計画するために、患者のスカウトスキャンデータと組み合わせて使用されてもよい。

代替的な一実施形態においては、共通の基準座標系への変換はユーザ入力の段階を含んでいる。ユーザは各画像内で所定の“目印”となる特徴の位置を指し示すことができる。なお重要なことであるが、これは完全な手動輪郭抽出処理と同一ではなく、一度だけ行われればよく、また、輪郭の選択に依存しない。故に、データが剛体整合手法又は弾性的整合手法に適していないときには、この実施形態を使用することが可能である。

更なる実施形態は、特徴検出段階にて多次元の特徴を使用してもよい。例えば、向きの情報が用いられてもよい。

弾性的整合手法はまた、代替的な実施形態において解剖学的変異（anatomical variability）を抑制するために用いられてもよい。

認識されるように、使用される厳密な特徴検出方法、及びユーザ相互作用が必要とされるかは、個々の用途に依存し得る。例えば、特徴検出器にて多次元の特徴を使用することは、状況によって、第１実施形態のエッジ検出器より良い結果をもたらし得る。異なる特徴検出器は、個々の特徴検出器に特有な異なる最終モデルをもたらす。このことは利点となる。何故なら、モデルへの未知のデータのより良いマッチングは、そのモデルの作成に使用されたものと同一の特徴検出を用いてその未知のデータを処理することによって達成され得るからである。

上述の実施形態に係る方法は、一実施形態においてはＭＲ装置である医療用撮像装置にて使用されることができる。ＭＲ装置は、例えば揮発性あるいは不揮発性のメモリ、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置、又はＣＤ−ＲＯＭ等の光記憶装置であり得る記憶手段を有している。この記憶手段は、上述の実施形態に係る方法を実施するためにデータプロセッサによって実行される命令群を記憶するために使用される。また、この記憶手段は、必要に応じて、この方法の第一段階２にて収集されるスキャンデータを格納すること、及び最終的なモデルを格納することも可能である。

本発明に係る方法はまた、技術的に広く知られているような記憶手段及びデータプロセッサを有する汎用コンピュータシステムによって実行されることが可能なコードを含んだコンピュータプログラムによって実施されてもよい。

本発明は、幾つかの個体からのデータを用いて生体構造の一部を表すモデルを作成することが望ましい如何なる形態の医学撮像にも適用され得るものである。これには、ＭＲＩ、ＣＴ及びＰＥＴスキャン装置、並びにその他の二次元及び三次元医療用撮像装置が含まれる。

本発明の１つの利点は、解剖学的に複数の対象物を含むスキャンデータからモデルを生成することが可能になることである。解剖学的特徴の予備知識が要求されることなくモデルが生成される。また、ユーザ入力は削減され、あるいは完全に不要とされる。このことは、新たなデータを用いてモデルを自動更新すること、又は一層多くの個体を含むスキャンデータに基づいてモデルを生成することが望まれるとき、特に有用である。

なお、個々の実施形態の特徴は組み合わされてもよい。“有する”は、本出願全体を通して、包含的な定義を指し示すために使用されており、その他の項目の存在を排除するものではない。

本発明の第１実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。 図１の方法の様々な段階における処理画像の例を示す図である。

Claims (11)

1. 複数の対象物からのスキャンデータを用いて構造のモデルを作成する方法であって：
   前記複数の対象物各々の生体構造部分のスキャンデータを含むスキャンデータセットを収集する収集段階；
   前記スキャンデータセット内の各項目に構造的特徴検出器を適用して、構造的特徴データセットを生成する適用段階；
   前記構造的特徴データセット内の各項目を共通の基準座標系に変換して、変換された構造的特徴データセットを生成する変換段階；
   前記変換された構造的特徴データセット内の各項目を累積して、複数の対象物を表す前記構造のモデルを生成する累積段階；及び
   前記構造的特徴データセット内の画像間で前記構造的特徴の空間的対応関係を最適化することによって前記モデルを定める構造的特徴を選択する選択段階；
   を有する方法。
2. 前記累積段階の後に：
   複数の対象物を表す前記構造のモデルを表示する表示段階；及び
   表示されたモデルの何れの部分が最終的なモデルの部分を形成すべきかを指し示すユーザ入力を受け取る受信段階；
   を更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記構造的特徴検出器を適用する適用段階はエッジ検出器を適用することを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記共通の基準座標系に変換する変換段階は整合アルゴリズムを用いることを有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記整合アルゴリズムは剛体グレー値ベースのアルゴリズムである、請求項４に記載の方法。
6. 前記共通の基準座標系に変換する変換段階は、前記構造的特徴データセット内の各項目内の所定の構造的特徴の位置を定めるためのユーザ入力を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記累積段階はモデルの構造的特徴の位置を決定するための画素エッジ計数を有する、請求項１に記載の方法。
8. データプロセッサによって実行されるときに、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法を実行するように該データプロセッサに命令するコードを有するコンピュータプログラム。
9. 請求項８に記載のコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能媒体。
10. 複数の対象物からのスキャンデータを用いて構造のモデルを作成する医療用撮像装置であって：
    データ処理手段によって実行可能な命令を格納し、且つ前記対象物各々の構造のスキャンデータセットを格納する記憶装置；並びに
    データプロセッサであり：
    前記複数の対象物各々の生体構造部分のスキャンデータを含むスキャンデータセットを収集する段階；
    前記スキャンデータセット内の各項目に構造的特徴検出器を適用して、構造的特徴データセットを生成する段階；
    前記構造的特徴データセット内の各項目を共通の基準座標系に変換して、変換された構造的特徴データセットを生成する段階；
    前記変換された構造的特徴データセット内の各項目を累積して、複数の対象物を表す前記構造のモデルを生成する段階；及び
    前記構造的特徴データセット内の画像間で前記構造的特徴の空間的対応関係を最適化することによって前記モデルを定める構造的特徴を選択する段階；
    を実行するように、前記記憶装置に格納された前記命令によって設定されるデータプロセッサ；
    を有する医療用撮像装置。
11. 複数の対象物を表す生体構造部分の前記モデルを表示する表示装置；及び
    ユーザ入力を受け取る入力装置；
    を更に有し、
    前記データプロセッサは更に、表示されたモデルの何れの部分が最終的なモデルの部分を形成すべきかを指し示すユーザ入力を受け取るように、前記記憶装置に格納された前記命令によって設定される、
    請求項１０に記載の医療用撮像装置。

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