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鳥脇 純一郎 「CT画像に基づく人体組織の3次元計測技術の基礎的研究」

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CT画像に基づく人体組織の 3次元計測技術の基礎的研究
研究責任者;名古屋大学工学部情報工学科教授
鳥
名古屋大学工学部情報工学科助教授
横
名古屋大学工学部情報工学科講師
鈴
脇純一郎
井 茂 樹
木 秀 智
r学部情報工学科助手 安
田 孝 美
名古尾大学
1.まえが‘き
本研究の日的は,各種計算機断層像 (CT像)の画像処
理に基づく,人体組織の諸特性値の 3次元計測子法を開
発することである。
CT装置に代表されるイメージング装置の発達によっ
て,人体の 3次元構造に関する情報が容易に入手できる
ようになった。今後は,これらの 3次元画像の持つ情報
3次元画像に基づいて人体の
3次元構造や機能に関する定量的計測を行うシステムの
(
1
)3D画像のセグメンテーションのアルゴリズム
(
2
)3次元対象物の表面を生成するアルゴリズム
(
3
)スライス内の画素の大きさに対して,
スライス間間隔
が大きい場合にスライスを適当に内挿するか,または,
対象物の形状を補間するアルゴリズム
(
4
)切り出した 3次元物体を自然な形に分割し,かつ,必
要に応じて整形するアルコリズム
を診療に役立てるために,
開発が要求されるものと思われる。計測対象としては,
2
.3
~十 ìßIJ
計測値として,さしあたり,次のようなものを考える。
まず,人体の物理的特性値,例えば.各器官の体積,容
(
1
)3次 元 対 象 物 の 体 積 [4J
積,長さ,表面積,及ぴ,それらの時間変化,あるいは,
(
2
)3次元空間 (
3D固像)に含まれる複数の物体聞の距
復数の器官の位置関係や配置に係わる特性値,等が考え
離
,
られる。具体的に,本研究では,これらの特性偵の計測
の最短距離の分布(距雛マソブ) [
3J
または,ある物体の表面上の各点から他の物体へ
手順を逐次開発し,蓄積して,将来は,いわば¥一種の
計測のためのエキスバートシステムを実現しようとする。
以下に,本研究実行期間内にがて実現された機能や計
測手順について簡単に報告する。
2.4 インターフェイス
上記の切り出し計測は原則として極力自動的に行い
たいが,現段階では対話形処理が必ず必要になる。また,
計調J
I
の対象や内容を利用者が指定する操作は必須の要請
2.内容
である。そこで,次の機能の実現を試みる。
2
. 1 対象データの定式化
(
1
)処理結果の 3D画像を表示するための 3Dグラフイツ
本研究で対象とする入力データとして, 3次元立方体
の画素から構成される 3次元テ"イジタル画像 (3D画像)
(
2
)
燥さやまの指示を計算機に与える操作を,画像上で行う
を想定する。各画素の値は,イメージングの方法によっ
クス。
ためのイメージインターフェイス機能[5J
て異なるが,原理的には連続値をとるとする。実際には司
各 種 CT
,典型的には, X線 CT
,及び, MRI(
核磁気共
鳴画像)の断面像(スライス)の組として与えられる [
lJ
[2J
。
2
. 2 前処理
計測を行うためには,その対象器官を上記 3D画像か
3.成果
3.1 医用 3次元画像の可視化と外科手術シミュレー
ションシステム
本研究の計調J
I
機能は,我々の研究室で開発中の医用 3
次元像の可視化と外科手術シミュレーションのためのシ
ステムで使用される。システムの概略は以下の通りであ
ら切り出きなくてはならない。そのためには以下のよう
る
。
2L
なアルゴリズムの開発を行う必要がある[1J[
(1)頭部形成外科手術シミュレーションシステム
4
9
(NUCSS-V2) [6J
操作を指定することはかなり厄介な処理であり,システ
本来の手術は,乳幼児の先天性頭部疾患(~員骨の変形)
ム側にはグラフイソクスとパターン認識を結合した高度
に対して,その修正を行って,脳の成長を妨げないよう
のX
にする。そこで,シミュレーションシステムは昼頃古B
線 CT像から頭骨を抽出して
3次元{象を構成しその
上で骨の切断,移動,再配置などをシミュレート
L,か
つ,やF>Y
後の顔貌の予想、図(3次元図)の生成も行って,
最善の手術計画をつくることを日的とする。
(
2
)股関節整形手術シミュレーションシステム[7 9J
司
この手争t
&では,股関節部,主に腰骨の整形によって,
大腿骨と骨盤の警合をよくし,歩行等の機能が安定に[動
くようにする。対象が股関節部に変わること以外は,ン
は(1)とほとんど同じである。
ステムの機古E
(
3
)心臓の 3次 元 動 画 像 の 生 成 [8J
胸部の核般気共鳴 CTf
象 (MRI像)から心臓の像を切
り出
L, 3次元像を構成して動画jとして観察する。任意
の方向から,あるいは,任意の部分を切り出して動画と
して観察できることが大きな特色である。
3.2
3次元計調J
I
機能
(
1
)頭蓋内容積の計調J
l [4J
頭部形成外科手術では,術後の頭蓋内容積の増加が重
要な目的であるから,増加量の算出が必要になる。今回
開発した計測フ ログラムでは,既に抽出されている頭骨
O
の内部にある画素の数を数え
n
同素の体積を乗じて鼠蓋
内容積を求める。但し,術後においては頭骨にはかなり
の複雑な隙聞があるため,これを自然な形に内挿するた
めのやや高度な処理を新たに開発した[図 1J
。
(
2
)距 離 マ ッ プ 作 成 [3J
図 l 頭部形成外科手術シミュレーシヲンの一例
左上:術前の頭骨、右上.術後(シミュレーション)の頭骨
左下.脳断面の例、右下.脳(術後)の 3次元表示
投関節部の整形手術においては,骨盤と大腿骨の整合
(関節における骨のはまり具合)の度合いの指標として,
大腿骨の骨頭部表面の各点における骨盤との s
fJ離が重要
である。そこで,
3次元距離変換を用いて,大腿骨骨頭
部表面の骨間距離の分布(距離?ッブ)を作成し,疑似
。
カラー表示する機能を開発した[図 2J
J
(
3
)心'各積の計測[8
心臓の内容積の時間変化は,血液流量の計算に結び、っ
き,ひいては心機能の診断の有用な指標となる。今回は,
さしあたって心内膜内部の容積を求め,その時間変化を
記録した。現時点では,原画像の解像度に限界があって
高精度の計 i
J
l
i
J
は難しいが,将来は強力な診断のツールに
なると思われる。
3
.3
イメージインターフェイス [
l
J[
2
J[
5
J[
6
J
計測したい場所,範囲,あるいは対象そのものをディ
スプレイ画面上て対話的に指示することは画像計測とシ
ミュレーションにおいては必須の機能である。しかし.
2次元のディスプレイ画像
5
0
kで 3次元対象物とその上の
図 2 股関節部整形手術シミュレーションの一例
図上段は大腿骨頭における骨盤までの最短距離の分布の
擬似カラー表示
な機能が要求きれる。本研究では,上記の外科子術シミ
E
示只
ュレーションシステム用に,いくつかのインターフェイ
ス機能を開発している[図 3J
。詳細は関連論文にゆずる
[lJ [2J [5J [6J。
HV
「頭部を見たい J
(単一スライス
上で喪示)
一
又
1-
l
r
xxで切って
d
内部が見たい
(3 D表示上
計算機叶イメールトフェイスト人間
で指示)
U
持機叶イメージインヲーフェイスト人間
図 3 頭部形成外科手術ンミュレーンヲンシステムのイメージインターフェイスと計測の例
4.まとめ
I用される計測機能のいくつかを開発した。
ステムの中で手J
本研究では,人イ本組織の 3次元計測を CT両像に基つ
これらは,単独で機能するものではなし原 CT像の表
いて行ういくつかの機能を開発したじ医用画像の診断,
示,解析,認識,操作,などを組み合わせた総合的な画
治療への応用は, 1
2次元から 3次尤へ J
,1
(読影)から
像診断ンステムの中でのユニントの 1っとして利用され
(読影十治療シミュレーション)へ J
,I
記述式定性的診
るものである。システムはすべてソフトウェア(具体的
断から定量診断へ」という流れに沿って進歩してきてい
には,
FORTRANプログラム)で実現され,現時点では
Lで用いられているが,今後はワークス
る。とりわけ,最近の 3次元イメージング技術の進歩は
大型汎用計算機
め ざ ま し し そ こ で 得 ら れ る 人 体 の 3次元画像情報を活
テーション上での利用を進める予定である。実際,股関
用するソフトウェアツールの開発が十分に追随していな
節子術ンミュレーションシステムの 1部は,既に,専用
ンステムとしてワークステ
本研究では,筆者の研究室で間交中の各種 CT像によ
る 3次元像の可視化と予術シミュレ
ションのためのシ
ある
ションへの移植を実行中で
n
おわりに,本研究をご援助いただいた中谷電子計測技
5
1
術振興財団に厚く謝意を表します。
5
)鳥脇純一郎: れ知的イメージインターフェイスと画像
処理ヘ文部省科研費重点領域「知的情報通信」第 3回
公開シンポジウム「知的ヒューマンマシンインターフ
関連研究発表
1
)鳥脇純一郎
、
、
医
用 3次元画像処理ヘ第 2
1図画像工学
p
.1
7
5
1
8
0(
1
9
9
0
.
1
2
)
コンファレンス論文集, p
p
.7
7
8
6(
1
9
9
0
.
2
)
ェイス」論文集, p
6
)安田,横井,鳥脇: ホ3次元任意、形状の骨切断・移動
2
)鳥脇純一郎"医療におけるコンビュータグラフイツ
操作が可能な頭蓋形成手術計画支援システム
クスの応用ヘ第 4回札幌国際コンビュータグラフイいノ
NUCSS-V2ヘ情報処理学会論文誌, 3
1
. 6,p
p
.8
7
0
8
7
8(
1
9
9
0
.
6
)
p
.1
8(
19
9
0
.
1
1
)
クスシンポジウム論文集, p
3
)周,江場,安田,横井,鳥脇
ホ股関節整形手術-
7
)曽 山 , 安 田 , 横 井 , 鳥 脇 , 泉 田 , 藤 岡 "3次元画像
ュレーションシステムにおける大腿骨移動に伴う新機
を利用した股関節手術計画支援システムヘ医用電子と
能の開発ヘ電子情報通信学会パターン認識・理解研究
生体工学, 2
7,2 (BME,3
.
5
),p
p
.7
0
7
8(
1
9
8
9
.
6
)
会資料, PRU9
0
5
7 (
1
9
9
0
.
9
)
4
)原田,安田,横井,鳥脇: ワ次元画像処理を用いた
頭蓋内容積の計測の白動化ヘ電子情報通信学会パター
ン認識・理解研究会資料, PRU89-111 (
l9
9
0
.
1
i
8
)両国,横井,鳥脇,松尾 、胸部 MRI画像からの心内
膜自動抽出ぺ電子情報通信学会 MEとバイオサイハ
ネティックス研究会資料, MEB8
9
8
3(
1
9
8
9
.
1
1
)
9
)周,安田,横井,鳥脇,泉田: ホ股関節整形手術シミ
ユレーションのための大腿骨自動挿入および骨間距離
計測の一手法ヘ医用電子と生体工学(掲載決定)
5
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