JP5323194B2 - 医用画像処理装置及びその方法 - Google Patents

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Description

本発明は、３次元の医用画像データから、所望の断面を表示する医用画像処理技術に関する。
特許文献１は、Ｘ線ＣＴやＭＲＩ等が撮影した３次元の医用画像データから複数の所望の断面位置を設定する。そして、特許文献１は、この医用画像データから、部位毎に診断する際には、診断する部位について所望の断面を設定する。
特許第４０１８３０３号公報
しかし、特許文献１では、前記所望の断面とその断面像の３次元空間中における大まかな位置のみを参照しているため、前記断面の空間的な位置の確認が十分に行えないという問題点があった。
そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、所望の断面の空間的な位置を簡単に確認できる医用画像処理装置及びその方法の提供を目的とする。
本発明は、対象部位を含む３次元の医用画像データから、前記対象部位の複数の特徴部 位を含む第１断面位置、前記第１断面位置と交差する第２断面位置、及び前記第１断面位 置と前記第２断面位置との相対的な位置関係を示す位置関係情報を算出する算出部と、前記医用画像データと前記第１断面位置とを用いて第１断面像を、前記医用画像データと前記第２断面位置とを用いて第２断面像を生成する生成部と、前記第１断面像、及び前記第 ２断面像の少なくとも一方に、前記位置関係情報を合成する合成部と、前記合成した画像を表示する表示部と、を有することを特徴とする医用画像処理装置である。
本発明によれば、基本断面の空間的な位置を簡単に確認できる。
実施例に係る医用画像処理装置のブロック図。 （ａ）（ｂ）は四腔断面像の解剖学的な位置づけの説明図。 （ａ）は３次元画像空間２０のＡｘｉａｌ断面、Ｓａｇｉｔｔａｌ断面、Ｃｏｒｏｎａｌ断面の説明図、（ｂ）〜（ｄ）はＡｘｉａｌ断面像、Ｓａｇｉｔｔａｌ断面像、Ｃｏｒｏｎａｌ断面像の図。 医用画像処理装置のフローチャート。 （ａ）は３次元画像空間２０の基本断面位置の説明図、（ｂ）は基本断面像の図。 （ａ）〜（ｃ）は３次元画像空間２０の補助断面位置の説明図、（ｄ）〜（ｆ）は補助断面像の図。 （ａ）〜（ｃ）は補助断面像の図、（ｄ）は基本断面像の図。 （ａ）は３次元画像空間２０の基本断面の説明図、（ｂ）〜（ｇ）は補助断面像の図、（ｉ）は基本断面像の図。
１・・医用画像処理装置、２・・基本位置算出部、３・・補助位置算出部、４・・生成部、５・・関係算出部、６・・表示部、７・・入力部、８・・修正部、９・・表示部
以下、本発明の一実施例である医用画像処理装置１について図１〜図８を用いて説明する。
本実施例は、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ、超音波等の医用画像診断装置に有用であり、特に、診断する部位について所望の空間位置での断面像が求められる場合に適している。
本実施例では、診断対象の臓器を心臓とし、基本断面として「四腔断面像」を具体例として挙げる。「基本断面」とは、医師が診断に用いる所望の部位を含むように設定された断面である。なお、基本断面は四腔断面像に限定されず、例えば、「二腔断面像」や「左室短軸像」でも良い。
医用画像処理装置１の構成について図１に基づいて説明する。図１は、医用画像処理装置１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、医用画像処理装置１は、基本位置算出部２、補助位置算出部３、生成部４、関係算出部５、合成部６、入力部７、修正部８、表示部９を有している。
Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ、又は、超音波等の医用画像撮影装置から得られた３次元ボリュームデータである医用画像データが、基本位置算出部２、生成部４に入力される。
基本位置算出部２は、医用画像データから基本断面の空間的な位置を示す基本断面位置を算出する。
補助位置算出部３は、基本断面位置から、基本断面と交差する補助断面の空間的な位置を示す補助断面位置を算出する。
生成部４は、基本断面位置と医用画像データを用いて基本断面像を生成し、また、補助断面位置と医用画像データを用いて補助断面像を生成する。
関係算出部５は、基本断面位置と補助断面位置の相対的な位置関係情報を算出する。
合成部６は、基本断面像と補助断面像とに、関係算出部５で算出された各断面の相対的な位置関係情報を合成し、表示部９に表示する。この表示部９は、液晶表示装置やＣＲＴなどのディスプレイである。
入力部７は、基本断面像、補助断面像の位置関係情報に関する修正情報を入力する手段である。例えば、この入力部７は、マウスやキーボード、トラックボール、タッチパッドなどのユーザインタフェースにより実現される。
修正部８は、入力部７で受けた修正情報に基づいて、基本断面位置、補助断面位置を修正する。
四腔断面像と心臓の特徴的な部位との関係について図２を用いて説明する。
図２（ａ）は、四腔断面像の解剖学的な位置づけ１０を示し、図２（ｂ）は、四腔断面像１１の例を示す。図２（ｂ）に示すように、四腔断面像では、心臓の４つの腔（左心室１１ａ、左心房１１ｂ、右心室１１ｃ、右心房１１ｄ）が全て含まれている。四腔断面像は、心臓の特徴部位である僧帽弁Ａと心尖部Ｃ含む断面という知見がある。Ｂは「左室中心」と呼ばれる部位であり、僧帽弁Ａと心尖部Ｃの中点に位置する。左室中心Ｂから心尖部Ｃへと向かうベクトルを長軸Ｙと呼ぶ。四腔断面像上で長軸Ｙと直交するベクトルを短軸Ｘと呼ぶ。
次に、３次元の医用画像データの３次元画像座標系（３次元画像空間座標系）を図４を用いて説明する。
図３（ａ）に示すように、３次元画像座標系における医用画像データが持つ３次元画像空間２０は、３つの座標軸ｘ、ｙ、ｚで表現される。ｘ軸が体の左から右、ｙ軸が体の前から後ろ、ｚ軸が体軸方向で足の方へ向かうベクトルとする。
図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、３次元画像空間２０における各断面像２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、医用画像データを座標軸に平行な面２０ａ、２０ｂ、２０ｃで切断した画像である。各断面２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、それぞれ「Ａｘｉａｌ断面」、「Ｓａｇｉｔｔａｌ断面」、「Ｃｏｒｏｎａｌ断面」と呼び、各断面像２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ「Ａｘｉａｌ断面像」、「Ｓａｇｉｔｔａｌ断面像」、「Ｃｏｒｏｎａｌ断面像」と呼ぶ。
医用画像処理装置１の動作について図４を用いて説明する。図４は、医用画像処理装置の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、医用画像撮影装置が、３次元ボリュームデータである医用画像データを基本位置算出部２に出力する。なお、医用画像データは、各種の医用画像撮影装置から直接入力しても良いし、画像サーバ等に保存された画像データを入力しても良い。
ステップＳ２では、基本位置算出部２は、医用画像データから基本断面位置を算出する。そして、生成部４は、この基本断面位置と医用画像データから基本断面像を生成する。
「基本断面位置の算出」とは、３次元ボリュームデータの３次元画像空間２０中に基本断面を設定することであり、その基本断面における画像（以下、「基本断面像」と呼ぶ）上に、診断に用いる所望の部位を含むように設定する。また、「基本断面位置」とは、３次元画像空間２０において基本断面の空間的な位置を意味し、また、３次元ボリュームデータから基本断面像が一意に求まる位置パラメータで表される。例えば、この位置パラメータとしては、式（１）で決まる３次元画像空間２０上での基本断面の中心座標点ｏと、式（２）で決まる基本断面上にある直交する２本のベクトルｕ，ｖである。
Figure 0005323194
Figure 0005323194
なお、この２本のベクトルｕ，ｖは、平行でなければ基本断面像を一意に決めることができる。しかし、本実施例では説明の便宜上、直交する２本のベクトルｕ，ｖで表現する。すなわち、基本断面位置の算出とは、この位置パラメータｏ，ｕ，ｖを求めることである。
また、基本断面位置の算出は、例えば、特許文献１で示すように手動で算出しても良いし、また、特開２００２−１４０６８９号公報で開示されている手法を用いて自動で算出しても良い。
生成部４は、基本断面位置が算出されると、この基本断面位置と医用画像データから基本断面像を生成する。
図５（ａ）は、３次元画像空間２０中で基本断面２０ｄがどのように配置されるかを斜視図で示し、図５（ｂ）は、生成された基本断面像２１ｄの例を示す。図５（ａ）に示すように、基本断面位置は、例えば、３次元画像空間２０における基本断面２０ｄの中心座標点ｏ２０ｄと、基本断面２０ｄに平行で直交する２本のベクトルｕ２０ｄ、ｖ２０ｄで表される。また、図５（ａ）の中心座標点ｏ２０ｄが図５（ｂ）の画像中心点ｏ２１ｄに対応し、図５（ａ）のベクトルｕ２０ｄが図５（ｂ）における基本断面像２１ｄの水平方向のベクトルｉ２１ｄに対応し、図５（ａ）のベクトルｖ２０ｄが図５（ｂ）における基本断面像２１ｄの垂直方向のベクトルｊ２１ｄに対応している。なお、図中では、「ｕ２０ｄ」と記載すると添え字が小さくなるため、「２０ｄ−ｕ」と表示する。他のベクトルも同様に図中に記載する。
ステップＳ３では、補助位置算出部３は、基本断面位置に基づいて補助断面位置を算出する。生成部４は、算出された補助断面位置と医用画像データから補助断面像を生成する。
「補助断面」とは、基本断面位置を、使用者が確認し易くするために補助的に求める断面であって、基本断面と交差する断面である。例えば、補助断面としては、基本断面と交差する断面であって、診断に用いる所望の部位を含むようなＡｘｉａｌ断面やＳａｇｉｔｔａｌ断面を使う。また、基本断面位置から相対的に算出される断面を補助断面とすることで、より効果的に基本断面位置を確認できる。
基本断面２０ｄから相対的に補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇを算出する方法について図６を用いて説明する。
基本断面２０ｄの中心座標点ｏ２０ｄが式（３）のように設定される。
Figure 0005323194
直交する２本のベクトルｕ２０ｄ、ｖ２０ｄが式（４）のように設定される。
Figure 0005323194
このとき図６（ａ）に示すように、第１の補助断面２０ｅは、３次元画像空間２０のｚ軸と長軸Ｙに平行な面である。直交する２本のベクトルｕ２０ｅ、ｖ２０ｅは、式（５）のように表せる。
Figure 0005323194
図６（ｂ）に示すように、第２の補助断面２０ｆは、第１の補助断面２０ｅの法線ベクトルと長軸Ｙに平行な面である。直交する２本のベクトルｕ２０ｆ、ｖ２０ｆは、式（６）のように表せる。
Figure 0005323194
なお、「×」は外積計算である。
図６（ｃ）に示すように、第３の補助断面２０ｇは、第１の補助断面２０ｅの法線ベクトルと、第２の補助断面２０ｆの法線ベクトルを含む面である。直交する２本のベクトルｕ２０ｇ、ｖ２０ｇは、式（７）のように表せる。
Figure 0005323194
各補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの中心座標点ｏ２０ｅ、ｏ２０ｆ、ｏ２０ｇは、例えば、式（８）に示すように、基本断面２０ｄの中心座標点を用いる。
Figure 0005323194
このように、各補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇは、基本断面２０ｄから相対的に算出できる。
生成部４は、各補助断面位置から、図６（ｄ）〜（ｆ）に示すように、補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇを生成する。基本断面２０ｄの基本断面像２１ｄが四腔断面像の場合、補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇより生成される補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇは、それぞれ「二腔断面像」、「水平断面像」、「左室短軸像」と呼ばれる。但し、補助断面はこれらに限るものではなく、診断対象の人間の体軸を基準に求めても良い。
このように、基本断面位置から相対的に算出することにより、心臓の特徴部位を含むような補助断面を設定しやすく、基本断面の確認が簡単な補助断面像を生成できる。
ステップＳ４では、関係算出部５は、基本断面２０ｄと補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの相対的な位置関係情報を算出する。
ここで、「位置関係情報」とは、例えば、基本断面と補助断面とが交差する線分、基本断面像と補助断面像に共通に含まれる特徴部位の空間的な座標点である。
位置関係情報の算出例を図７（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
関係算出部５は、図７（ａ）（ｂ）（ｄ）に示すように、基本断面２０ｄ、第２、３の補助断面像２１ｅ、２１ｆは、長軸Ｙを含む互いに交差した面であるので、長軸Ｙ（すなわち、基本断面像２１ｄ上の垂直方向）を示す線分ｖ２１ｄ、ｖ２１ｅ、ｖ２１ｆを算出する。また、基本位置算出部２が、僧帽弁Ａ、左室中心Ｂ、心尖部Ｃの心臓に関する特徴部位の位置を算出しているときは、関係算出部５は、図７（ａ）（ｂ）（ｄ）の星印、四角印、三角印で表す座標点ｐ２１ｄ、ｐ２１ｅ、ｐ２１ｆで示すように、各断面上での各部位の位置を算出する。さらに、関係算出部５は、図７（ｃ）に示すように、第３の補助断面２０ｇは長軸Ｙと直交する面であるため、座標点ｐ２１ｇ、線分ｖ２１ｇで示すように、第３の補助断面像２１ｇ上での短軸Ｘの方向を算出する。
このように、複数の断面が持つ共通の線分や、部位の座標点を算出することで、基本断面との相対的な位置関係情報を得ることができる。
ステップＳ５では、合成部６は、生成された基本断面像２１ｄ、補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇと、位置関係情報である線分や座標点を合成し、表示部９に表示する。
例えば、合成部９は、図３、図５〜図７で示すＡｘｉａｌ断面像２０ａ、Ｓａｇｉｔｔａｌ断面像２１ｂ、Ｃｏｒｏｎａｌ断面像２１ｃ、基本断面像２１ｄ、補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇに、位置関係情報を重ねたり、３次元画像空間２０での各断面の位置関係情報を、表示部９に表示する。
ステップＳ６では、使用者が入力部７を操作して位置関係情報を修正し、修正部８が位置関係情報の修正を受け付けた場合はステップＳ７に進み（図４中の「ｙｅｓ」の場合）、使用者が修正をしなかった場合は終了する（図４中の「ｎｏ」の場合）。
ステップＳ７では、修正部８は受け付けた位置関係情報の修正情報に基づいて、基本断面位置、補助断面位置を修正する。そして、ステップＳ４に戻り、関係算出部５が基本断面２０ｄと補助断面２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの相対的な位置関係情報を再び算出する。
修正について図８を用いて説明する。
まず、合成部６は、図８（ａ）に示す３次元画像空間２０での基本断面２０ｄ、図８（ｂ）〜（ｄ）に示す医用画像データのＡｘｉａｌ断面像２１ａ、Ｃｏｒｏｎａｌ断面像２１ｂ、Ｓａｇｉｔｔａｌ断面像２１ｃ、図８（ｅ）〜（ｇ）に示す補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、図８（ｉ）に示す基本断面像２１ｄに、関係算出部５に算出された位置関係情報を合成し、表示部９に表示する。使用者は、表示部９を見ると、長軸Ｙは左室の中心を通るという医学的な知見があるため、第１の補助断面像２１ｅからは長軸Ｙの左側を上方向に修正が必要なこと、第２の補助断面像２１ｆからは長軸Ｙの左側を下方向に修正が必要なことが簡単に確認できる。また、第３の補助断面像２１ｇは左室短軸像の例であり、短軸Ｘは左室ｌ２１ｇの中心を通り、右室ｒ２１ｇの左角を通るという医学的な知見があるため、第３の補助断面像２１ｇからも簡単に修正すべき方向が確認できる。
次に、使用者がユーザインタフェースである入力部７のマウスを介して位置関係情報の修正を行う。例えば、使用者は、入力部７を操作することにより、基本断面と補助断面の位置関係情報である線分や座標点をポインタ３０で指し、線分や座標点を画面上の上下左右に断面像毎に移動させる。修正部８は、この移動した情報を修正情報として受け付ける。すなわち、「修正情報」とは、断面像毎の位置関係情報である線分や座標点の移動方向と移動長さからなる２次元ベクトルである。
次に、修正部８は、各断面像の２次元ベクトルの修正情報をそれぞれ用いて、２次元の断面像上の移動方向と移動長さを、３次元画像空間２０の修正ベクトルに変換する。そして、変換した３次元の修正ベクトルに基づいて、基本断面位置を修正する。修正部８は、基本断面位置の位置パラメータｏ、ｕ、ｖを次の式（９）に示す位置パラメータｏ’、ｕ’、ｖ’に修正する。
Figure 0005323194
また、修正部８は、修正された基本断面位置の位置パラメータｏ’、ｕ’、ｖ’を用いて、式（５）〜式（９）を計算することにより、補助断面位置の位置パラメータを修正する。
生成部４は、修正された基本断面位置から修正された基本断面像と、修正された補助断面位置から修正された補助断面像を生成する。
関係算出部５は、修正された基本断面位置の位置パラメータと補助断面位置の位置パラメータによって基本断面と補助断面の位置関係情報を再計算して修正する。
合成部６は、修正された基本断面像２１ｄ、補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇと、前記修正情報によって修正された位置関係情報である線分や座標点を合成し、表示部９に表示する。
これにより、使用者は入力部７で修正した基本断面像２０ｄや補助断面像２１ｅ、２１ｆ、２１ｇで診断できる。
本実施例によれば、基本断面像、補助断面像上に、各断面の相対的な位置関係情報を重ねて表示することで、診断に必要な基本断面の空間的な位置を簡単に確認できる。
また、位置関係情報を、基本断面像、補助断面像上から修正することで、基本断面位置を簡単に修正できる。
本発明は、上記実施例に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
例えば、上記実施例では、断面位置を表す位置パラメータとして、３次元画像空間２０上での断面の中心点と、断面上にある直交する２本のベクトルｕ，ｖで表現したが、これに限るものではなく、断面の空間的な位置を一意に決められるものであれは良い。例えば、３次元画像空間２０上での断面の始点と、この始点からの断面上にある直交する２本のベクトルｕ，ｖで表現してもよい。また、断面上の３本のベクトルで表現してもよい。また、３次元画像空間２０における断面を示す長方形の４頂点の座標点で表現してもよい。
また、上記実施例では、心臓を診断対象部位としたが、心臓以外の部位を対象にしても良い。また、複数の部位を同時に診断対象としても良い。
また、上記実施例では、図８（ａ）に示すような３次元画像空間２０中で基本断面２０ｄがどのように配置されるかを斜視図で示した画像も表示部９に表示したが、この画像は必ずしも表示する必要はなく、図８（ｂ）〜（ｉ）に示す基本断面像２１ｄと他の補助断面像２１を表示すれば、診断に必要な基本断面の空間的な位置を簡単に確認できる。

Claims (11)

  1. 対象部位を含む３次元の医用画像データから、前記対象部位の複数の特徴部位を含む第１断面位置、前記第１断面位置と交差する第２断面位置、及び前記第１断面位置と前記第２断面位置との相対的な位置関係を示す位置関係情報を算出する算出部と、
    前記医用画像データと前記第１断面位置とを用いて第１断面像を、前記医用画像データと前記第２断面位置とを用いて第２断面像を生成する生成部と、
    前記第１断面像、及び前記第２断面像の少なくとも一方に、前記位置関係情報を合成する合成部と、
    前記合成した画像を表示する表示部と、
    を有することを特徴とする医用画像処理装置。
  2. 前記対象部位は心臓であることを特徴とする請求項１記載の医用画像処理装置。
  3. 前記複数の特徴部位は、僧帽弁と心尖部を含むことを特徴とする請求項２記載の医用画像処理装置。
  4. 前記第１断面像及び前記第２断面像は、四腔断面像、二腔断面像、水平断面像、左室短軸像のいずれかであることを特徴とする請求項２記載の医用画像処理装置。
  5. 前記位置関係情報は、前記第１断面像と前記第２断面像とが交差する線分であることを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
  6. 前記位置関係情報は、前記第１断面像と前記第２断面像に共通に含まれる前記特徴部位の座標点であることを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
  7. 使用者が情報を入力するための入力部と、
    前記入力部から、前記位置関係情報の修正情報が入力された場合、前記第１断面位置と前記第２断面位置を修正する修正部を有し、
    前記関係算出部は、修正された前記第１断面位置と修正された前記第２断面位置の相対的な位置関係を示す位置関係情報を算出し、
    前記合成部は、修正された前記第１断面像と前記第２断面像に、入力された前記修正情報に基づく前記位置関係情報をそれぞれ合成する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の医用画像処理装置。
  8. 前記第２断面位置は、前記第１断面位置に基づいて算出される、
    ことを特徴とする請求項７に記載の医用画像処理装置。
  9. 前記第２断面位置は、体軸、前記医用画像データに基づいて算出される、
    ことを特徴とする請求項７に記載の医用画像処理装置。
  10. 前記第１断面位置と前記第２断面位置は、前記３次元画像空間における一つの座標点と前記座標点からの２本のベクトル、前記３次元画像空間における３本のベクトル、又は、前記第１断面と前記第２断面の４頂点の座標点で表される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の医用画像処理装置。
  11. 算出部が対象部位を含む３次元の医用画像データから、前記対象部位の複数の特徴部位を含む第１断面位置、前記第１断面位置と交差する第２断面位置、及び前記第１断面位置と前記第２断面位置との相対的な位置関係を示す位置関係情報を算出するステップと、
    生成部が前記医用画像データと前記第１断面位置とを用いて第１断面像を、前記医用画像データと前記第２断面位置とを用いて第２断面像を生成するステップと、
    合成部が前記第１断面像、及び前記第２断面像の少なくとも一方に、前記位置関係情報を合成するステップと、
    表示部が前記合成した画像を表示するステップと、
    を有することを特徴とする医用画像処理方法。
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