JPWO2013014868A1 - 切削シミュレーション装置および切削シミュレーションプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
従来の切削シミュレーション装置は、例えば、X線CT画像や核磁気共鳴画像(MRI画像)、PET(陽電子放射断層法)によって取得された画像等の断層画像情報を取得する断層画像情報取得部と、断層画像情報取得部に接続されたメモリと、メモリに接続されたボリュームレンダリング演算部と、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示するディスプレイと、ディスプレイに表示された表示対象物に対して切削指示を行う入力部と、を備えていた。
また、特許文献2には、3次元表示において見たい部位(腫瘍等)が他の構造物(血管等)によって隠れてしまう場合でも、他の構造物を半透明表示することで見たい部位を良好に表示することが可能な画像処理装置について開示されている。
すなわち、上記特許文献2に開示された画像処理装置では、腫瘍等の特定領域の形状をあらゆる方向から認識することができるものの、これを切削した場合の表示制御については何ら開示されていない。
よって、特許文献2の画像処理装置によって表示された3次元表示に、特許文献1の手術シミュレーションシステムによって臓器等の切削対象物に対して切削を行った場合には、その臓器の内部に存在する血管や神経等も一緒に切削された状態でしか表示することができない。このため、切削シミュレーションを行った医師等は、実際の手術に有益な情報を情報共有することができず、効果的な手術シミュレーションを行うことができないおそれがある。
第1の発明に係る切削シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、メモリと、ボリュームレンダリング演算部と、表示部と、入力部と、表示制御部と、を備えている。断層画像情報取得部は、断層画像情報を取得する。メモリは、断層画像情報取得部に接続されており、断層画像情報のボクセル情報を格納する。ボリュームレンダリング演算部は、メモリに接続されており、ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングする。表示部は、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示する。入力部は、表示部に表示された切削対象物に対する切削指示が入力される。表示制御部は、入力部に入力された切削指示に基づいて、切削対象物の切削後の状態を表示部に表示させるとともに、切削対象物の内部に含まれる非切削対象物については切削指示による切削部分に含まれている場合でも切削後も切削前の状態で表示部に表示させる。
これにより、例えば、3次元表示された臓器の一部を切削するシミュレーションを実施する際に、従来は臓器の切削と同時にその臓器の内部にある血管や神経等の組織まで切削された状態で切削後の表示がなされていたところ、本発明によれば、切削対象物である臓器だけが切削され、その内部に存在する非切削対象物である血管等は切削前の状態のままで表示することができる。
ここでは、シミュレーション上における切削処理後の表示制御について、切削部分に含まれる非切削対象物については切削部分のボクセルデータを非切削対象物のボクセルデータと入れ替えて表示させる。
これにより、切削部分に含まれる切削対象物についてはそのまま切削処理された状態が表示される一方、切削部分に含まれる非切削対象物については切削前の状態が表示される。よって、医師等は、切削部分に含まれる血管や神経等の非切削対象物の位置を正確に認識した状態で、実際の手術を実施することができる。
ここでは、切削部分を切削処理した後でも表示される非切削対象物を、切削処理された状態で表示される切削対象物と区別して認識しやすくするために、例えば、血管等の非切削対象物を赤色、臓器等の切削対象物を小豆色と、異なる色を用いて表示する。
これにより、シミュレーションを行った医師等は、切削対象物となる臓器の切削部分に、非切削対象物となる血管等がどのように存在しているのかを、より明確に認識することができる。
ここで、上記CT値とは、人体におけるX線吸収の程度を数値化したものであり、水を0とする相対値(単位:HU)として表される。例えば、肝臓のCT値は60〜70HU、腎臓のCT値は30〜40HU、血液のCT値は30〜50HU、骨のCT値は500〜1000HUである。
ここでは、上述した切削シミュレーションを実施する対象となる切削対象物として、肝臓、腎臓、すい臓、十二指腸、胃、大腸、小腸等の臓器、あるいは骨を用いている。
これにより、外科的な手術が必要な所望の臓器や骨に対して、上述した切削シミュレーションを実施することができる。
ここでは、上述した切削シミュレーションを実施する対象となる非切削対象物として、例えば、切削対象物としての臓器の内部に存在する血管や神経等を用いている。
これにより、手術が必要な臓器等の切削部分に含まれる血管等がどのように位置しているのかを明確に認識することができる。
ここでは、例えば、複数のX線CT画像を用いて特定の臓器周辺を3次元表示した状態で切削シミュレーションを実施する際に、特定の臓器(切削対象物)とその内部に含まれる血管等(非切削対象物)の両方を含む部分を切削する場合には、切削対象物である特定の臓器のみが切削され、血管等の非切削対象物については切削前の状態のままで表示されるように制御を行う。
これにより、例えば、3次元表示された臓器の一部を切削するシミュレーションを実施する際に、従来は臓器の切削と同時にその臓器の内部に含まれる血管や神経等の組織まで切削された状態で切削後の表示がなされていたところ、本発明によれば、切削対象物である臓器だけが切削され、その内部に存在する非切削対象物である血管等は切削前の状態のままで表示することができる。
よって、例えば、医師等が外科的な手術を実施する前に、患者の実際の手術部位を含む3次元画像の中で切削部分における血管等の位置を、複数の医師等の間で情報共有することができる。この結果、実際の手術のプロセスを詳細なシミュレーションとして表示することができる。
本発明に係る切削シミュレーション装置によれば、切削対象物の内部に存在する血管や神経等を可視化することで、実際の手術プロセスを詳細に表現することができる。
本実施形態に係るパーソナルコンピュータ1は、図1に示すように、ディスプレイ(表示部)2と、各種入力部(キーボード3、マウス4、およびタブレット5(図2参照))と、を備えている。
また、パーソナルコンピュータ1は、図2に示すように、内部に、断層画像情報取得部6等の制御ブロックを形成する。
メモリ9は、パーソナルコンピュータ1内に設けられており、ボクセル情報格納部10、ボクセルラベル格納部11、および色情報格納部12を有している。また、メモリ9には、ボリュームレンダリング演算部13が接続されている。
ボクセルラベル格納部11は、図3に示すように、第1ボクセルラベル格納部11a、第2ボクセルラベル格納部11b、第3ボクセルラベル格納部11cを有している。これらの第1〜第3ボクセルラベル格納部11a〜11cは、後述する予め設定されたCT値の範囲、つまり表示対象となる臓器にそれぞれ対応して設けられている。例えば、第1ボクセルラベル格納部11aは、肝臓を表示するCT値の範囲に対応しており、第2ボクセルラベル格納部11bは、血管を表示するCT値の範囲に対応しており、第3ボクセルラベル格納部11cは、骨を表示するCT値の範囲に対応している。
ボクセルラベル設定部18は、ボクセルラベル格納部11と被切削ボクセルラベル算出表示部19とが接続されている。
バス16には、上述したボリュームレンダリング演算部13および深さ検出部15に加えて、メモリ9内の色情報格納部12、ウィンドウ座標取得部20が接続されており、キーボード3、マウス4、タブレット5等から入力された内容に基づいて、ディスプレイ2に3次元画像等を表示する。
図5(a)および図5(b)は、本実施形態の切削シミュレーション装置における動作説明を行うための制御フローを示している。
本実施形態のパーソナルコンピュータ1では、図5(a)に示すように、まずS1において、上述したように、断層画像情報部8からの断層画像情報が入力され、これがボクセル情報抽出部7に供給される。
なお、上述した視線に対して垂直なスライス情報とは、視線に対して直交する面を意味している。例えば、ディスプレイ2を鉛直方向に沿って立てた状態で、これと顔の面とを平行にした状態で見た場合に、スライス情報が視線に対して垂直な面となる。
次に、S4において、ディスプレイ2には、レンダリング像が表示される。このとき、ディスプレイ2では、マウス4等を用いてCT値の範囲が指定されることで、切削対象物となる臓器(本実施形態では肝臓22)が選択され、図7(a)等に示すように表示される。
ここで、一般的な切削シミュレーションを実施すると、図7(a)に示すように、ディスプレイ2には、切削部分Cに含まれる肝臓22の一部や血管23の一部を所定の深さまで切削した後の状態が表示される。
すなわち、S5において、マウス4等を用いて、切削シミュレーションを実施する際の切削対象物となる臓器等に対応するCT値、非切削対象物となる血管23等に対応するCT値がそれぞれ設定される。なお、切削対象物および非切削対象物の設定は、キーボード3、マウス4、あるいはタブレット5等の何れを用いて行ってもよい。
具体的な切削指示の入力方法としては、マウス4を机の上で水平方向に移動させることで、ディスプレイ2上において表示されるカーソルを、肝臓22の上において左右あるいは上下に往復させる。
具体的には、ボリュームレンダリング演算部13において、ボクセル情報を視線に対して垂直の方向に一定間隔にてサンプリング(レイキャスティングと呼ぶ。)する。そして、ボリュームレンダリング演算部13は、マウス4の移動中に求められた全ての点について、S7において、深さ検出部15によってそれぞれのレイキャスティング走査距離(深さ)を検出する。
具体的には、深さ検出部15において測定されたレイキャスティング走査距離dを集計し、その勾配∇dを算出する。そして、勾配∇dと、閾値Tとの比較を行い、切削実行の要否を判断する。例えば、切削点piにおける勾配∇diが閾値Ti以上であった場合には、無効な切削点と判断して、切削を実施しない。一方、切削点piにおける勾配∇diが閾値Ti以内であった場合には、有効な切削点と判断して、S9において、そのまま切削を実施する。
なお、倍数係数mと切削点nとは、例えば、mを5程度、nを10等と、これら数値は対象画像に応じて適宜設定すればよい。
なお、変化率の算出方法は、これに限定されるものではなく、勾配の変化状態が確認できるのであれば、どのような計算式を用いてもよい。
ここで、上述した切削処理では、所定の閾値以上の変化率をもつ点を無効な切削点とし、深さ制御部17がボクセルラベル設定部18に指示を出す。これにより、ボクセルラベルの更新は中止され、切削は実施されない。よって、医師等の使用者の誤操作によって急激に深さ位置が変化する切削点を深さ検出部15が検出した場合には、誤切削を回避することができる。
従って、マウス4を肝臓22上において摺動させた場合でも、その奥側に存在する背骨等が誤って切削されてしまうことを回避することができる。そして、この場合には、マウス4の左右方向、上下方向における摺動回数に応じて、肝臓22の一部が切削された画像が表示される。
図6は、切削処理を行う場合のボクセルラベルと色情報ラベルの更新状態を示しており、最も表面のボクセルラベル14の大部分は“1”の状態、つまり、肝臓22の表面状態を示している。また、図6において、“0”の部分は、切削されたボクセルを示している。
よって、マウス4等を用いて肝臓22の一部を切削するように指示入力した場合には、肝臓22は切削対象物であるため、S10において、ボクセルラベル設定部18が、肝臓22の切削部分Cのボクセルラベル値を更新すると同時に、S11において、肝臓22の切削部分Cの色情報ラベルを更新する。これにより、ディスプレイ2の表示画面上には、図7(a)に示すように、肝臓22の切削部分Cを切り取った肝臓22の内部が肝臓22の表面とは若干異なる色で表示される。
具体的には、S12において、非切削対象物として指定された血管23については、切削処理後に、切削部分Cにおけるボクセル情報および色情報と血管23のボクセル情報および色情報とを置換する。
さらに、本実施形態では、例えば、マウスボタンのON/OFFによって切削開始/終了の切り替えを行うことができるため、医師等の使用者は3次元表示画面を見ながらマウスボタンON時にマウス4をドラッグ操作することで、意図した肝臓22の一部領域の切削を容易かつ連続的に行うことができる。
このとき、メモリ9を更新せず、作業中のボリュームラベルを一時的に保存しておく。そして、使用者がマウスボタンを離す際に、一時保存しておいたメモリ内容をメモリ9へ反映させる。これにより、使用者は一度のドラッグ操作において、切削対象物である肝臓22の表面から一定の深さまで切削されたように表示することができ、過度に切削された状態で表示されることを防ぐことができる。
また、本実施形態では、マウス4を平面的に動かすだけで手術シミュレーションを行うことができる。よって、この点からも適切な手術シミュレーションを行うことができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記実施形態では、切削シミュレーション装置として本発明を実現した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図5(a)および図5(b)に示す制御方法をコンピュータに実行させる切削シミュレーションプログラムとして、本発明を実現してもよい。
さらに、この切削シミュレーションプログラムを格納した記録媒体として、本発明を実現してもよい。
上記実施形態では、非切削対象物として指定された血管23については、切削処理後に、切削部分Cにおけるボクセル情報および色情報と血管23のボクセル情報および色情報とを置換するように制御される例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
ただし、図7(c)に示すように、非切削対象物である血管を分かり易く表示するという点では、切削対象物とは異なる色情報が設定された非切削対象物の色情報も併せて置換するように制御することがより好ましい。
上記実施形態では、3次元画像を形成するための断層画像情報として、X線CT画像を用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、放射線を使用しない核磁気共鳴画像(MRI)によって取得された断層画像情報等を用いて3次元画像を形成してもよい。
上記実施形態では、本発明に係る切削シミュレーションの一例として、切削対象物として肝臓22、非切削対象物として血管23、をそれぞれ指定した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、胃や肺、腎臓、すい臓、大腸、小腸、十二指腸等の他の臓器や骨を切削対象物として設定してもよい。あるいは、神経や骨周辺に存在する腫瘍等を切削するシミュレーションを実施する場合には、非切削物として神経、あるいは骨を設定してもよい。
さらに、非切削対象物として血管の種類まで指定した場合には、CT値を適切に指定することで、動脈や静脈を見分けられるように色分けして表示することも可能である。
上記実施形態では、マウス4によって切削指示されたボクセルラベル14における切削対象物の輝度情報および色情報の両方を変化させた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、表示対象物の輝度情報および色情報のうち、少なくとも一方を変化させるように表示制御してもよい。
上記実施形態では、切削されたボクセルの体積を算出する被切削ボクセルラベル算出表示部19の出力として、マウス4によって入力された切削量(体積)をディスプレイ2に表示してもよい。
あるいは、マウス4によって入力された切削深さを、ディスプレイ2に表示してもよい。
上記実施形態では、ディスプレイ2の表示画面上に表示される3次元画像を見ながら、切削シミュレーションを実施する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、ボリュームレンダリングの結果を示す3次元画像に、2次元の断層画像をディスプレイに追加して投影し、2次元の断層画像に対して切削動作を実施してもよい。
この場合でも、切削動作が3次元画像に反映されるように、切削シミュレーションを実施することができる。
本発明においては、ボクセル情報格納部10に格納されたボクセル情報を、ディスプレイ2に2次元あるいは3次元画像に変換して表示させると共に、ディスプレイ2に表示された切削対象部におけるマウス4で指示された部分の色情報を変更する色情報設定部21を設けてもよい。
これにより、この情報から切り出される多方面からの表示に色情報を付加した情報が反映される。よって、切削対象物における気になる部分を立体的に全周から観察することができ、かつこの切削シミュレーションも行うことができる。
本発明においては、内視鏡手術をシミュレーションすることも可能である。この場合には、ボリュームレンダリング演算部13において、内視鏡に設けられた魚眼レンズ等の収束特性を座標変換テーブルとして用いればよい。
本発明においては、視点を複数持ち、各視点ごとに作成したボリュームレンダリング演算部13の出力画像を複数個のメモリに蓄積し、メモリからの出力を順次ディスプレイに表示させ、立体視画像を生成してもよい。
この場合には、それぞれの画像出力に同期した液晶めがね等を使用してもよい。
2 ディスプレイ(表示部)
3 キーボード(入力部)
4 マウス(入力部)
5 タブレット(入力部)
6 断層画像情報取得部
7 ボクセル情報抽出部
8 断層画像情報部
9 メモリ
10 ボクセル情報格納部
11 ボクセルラベル格納部
11a〜11c 第1〜第3ボクセルラベル格納部
12 色情報格納部
13 ボリュームレンダリング演算部
14 ボクセルラベル
15 深さ検出部
16 バス
17 深さ制御部
18 ボクセルラベル設定部(表示制御部)
19 被切削ボクセルラベル算出表示部
20 ウィンドウ座標取得部
21 色情報設定部
21a〜21c 第1〜第3色情報設定部
22 肝臓
23 血管
C 切削部分
Claims (7)
- 断層画像情報を取得する断層画像情報取得部と、
前記断層画像情報取得部に接続されており、前記断層画像情報のボクセル情報を格納するメモリと、
前記メモリに接続されており、前記ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングするボリュームレンダリング演算部と、
前記ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示する表示部と、
前記表示部に表示された切削対象物に対する切削指示が入力される入力部と、
前記入力部に入力された切削指示に基づいて、前記切削対象物の切削後の状態を前記表示部に表示させるとともに、前記切削対象物の内部に含まれる非切削対象物については前記切削指示による切削部分に含まれている場合でも切削後も切削前の状態で前記表示部に表示させる表示制御部と、
を備えている切削シミュレーション装置。 - 前記表示制御部は、前記切削部分に前記非切削対象物が含まれている場合には、前記切削部分のボクセルデータを、前記非切削対象物のボクセルデータと入れ替えて前記表示部に表示させる、
請求項1に記載の切削シミュレーション装置。 - 前記切削対象物および前記非切削対象物に対応するボクセル情報には前記表示部に表示させる際の色情報が付加されて設定されており、
前記表示制御部は、前記非切削対象物を、前記切削対象物の色とは異なる色で前記表示部に表示させる、
請求項1または2に記載の切削シミュレーション装置。 - 前記切削対象物および前記非切削対象物には、被写体へのX線照射時における空間的なX線吸収の程度を示すCT値の範囲が設定されており、
前記表示制御部は、前記入力部を介して入力された前記CT値に基づいて、所望の前記切削対象物および前記非切削対象物を前記表示部に表示させる、
請求項1から3のいずれか1項に記載の切削シミュレーション装置。 - 前記切削対象物には、臓器または骨が含まれる、
請求項1から4のいずれか1項に記載の切削シミュレーション装置。 - 前記非切削対象物には、血管や神経が含まれる、
請求項1から5のいずれか1項に記載の切削シミュレーション装置。 - 断層画像情報を取得する取得ステップと、
前記断層画像情報のボクセル情報に基づいて視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングするボリュームレンダリングステップと、
前記ボリュームレンダリングの演算結果を表示する第1表示ステップと、
前記表示された切削対象物に対して入力された切削指示に基づいて、前記切削対象物の切削後の状態を前記表示部に表示させるとともに、前記切削対象物の内部に含まれる非切削対象物については前記切削指示による切削部分に含まれている場合でも切削後も切削前の状態で前記表示部に表示させる第2表示ステップと、
を備えた切削シミュレーション方法をコンピュータに実行させる切削シミュレーションプログラム。
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