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 2