ボクセル配列可視化装置
【課題】 ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなど核医学診断等により得られたボクセル配列を少ない処理負荷で、好適に可視化することが可能なボクセル配列可視化装置を提供する。
【解決手段】 ボクセル配列可視化装置は、設定されたパラメータに従って視点角を算出し（Ｓ１）、ボクセル配列を３次元座標系へ配置した後（Ｓ２）、算出した視点角に従って回転を行う（Ｓ３）。さらに、視点角に対応して設けられた輝度フレームとＺバッファを利用して、Ｚバッファ法によりボクセル配列の投影処理を行った後（Ｓ４）、陰影付加処理を行い（Ｓ５）、表示出力手段に合わせて階調変換を行う（Ｓ６）。
【解決手段】 ボクセル配列可視化装置は、設定されたパラメータに従って視点角を算出し（Ｓ１）、ボクセル配列を３次元座標系へ配置した後（Ｓ２）、算出した視点角に従って回転を行う（Ｓ３）。さらに、視点角に対応して設けられた輝度フレームとＺバッファを利用して、Ｚバッファ法によりボクセル配列の投影処理を行った後（Ｓ４）、陰影付加処理を行い（Ｓ５）、表示出力手段に合わせて階調変換を行う（Ｓ６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなど核医学診断等により得られたボクセル配列構成のボリュームデータを可視化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体内部の３次元的な構造を生体外から非侵襲的にセンシングして画像再構成により断面像を作成する映像化手法が主として医療分野で実用化されている。このような映像化手法には、生体外からＸ線を照射し、各組織のＸ線透過率をセンシングして画像を作成するＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、生体外から高周波磁場を照射し、各組織の水分子から放射される電波をセンシングして画像を作成するＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）、生体内に放射性化合物（トレーサ）を注入し、特定の組織に蓄積される化合物から放射されるガンマ線をセンシングして画像を作成するＳＰＥＣＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）またはＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）の３通りがある。
【０００３】
ＣＴとＭＲＩは組織のＸ線透過率や水分子の密度の相違から形状を映像化することができ、いわば生体内地図を作成するのに適している。これに対して、ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴは、特定の組織に蓄積される化合物の定量値を映像化することができ、地図に例えれば、地区別の交通量分布図を作成するのに適している。
【０００４】
上記映像化手法は、いずれも断面像を作成でき、スキャニングヘッドを移動させたり、センサを多列化することにより、連続した複数の断面像で構成されるボクセル画像を作成でき、更に、一定時間ごとに反復スキャンすればボクセル動画も作成できる。しかし、収集された膨大な断面像が並べられても、生体内の立体構造を一瞥するのは難しい。そこで、ＣＴ、ＭＲＩについては、ボクセル画像に対してボリュームレンダリングを行い、可視化する手法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
そのため、ＰＥＴについては、ＣＴまたはＭＲＩで形状を描写した上に、ＰＥＴの定量値を重ねる合成手法が開発され、ＰＥＴ−ＣＴという双方の画像を同時にスキャニングできる装置も開発された（特許文献２参照）。
【特許文献１】特公平７−１２０４３４号公報
【特許文献２】特表２００５−５１８９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のようなボリュームレンダリングをＰＥＴ／ＳＰＥＣＴから得られた情報に対して適用した場合、形状に関する情報が欠落しているため、従来の位置関係を把握し難い映像になってしまうという問題がある。また、このボリュームレンダリングの標準的なアルゴリズムであるレイキャスティング法は計算負荷が大きいという問題もある。
【０００７】
また、上記特許文献２のような合成手法は非常に計算負荷が大きく、リアルタイム再生を行うためには専用のミニスーパーコンピュータを必要とする（ＰＥＴとＣＴの装置自体が大掛かりなため、現状、計算負荷はあまり問題視されていない。）。上記特許文献２のような合成手法は、ＣＴ等の情報がなく、ＰＥＴ単独の情報しか得られない場合には、人体の形状を把握可能に映像化することは困難であるという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなど核医学診断等により得られたボクセル配列を少ない処理負荷で、好適に可視化することが可能なボクセル配列可視化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では、３次元座標系にボクセル値が定義されたボクセル配列に対して、指定されたアングルで前記ボクセル配列を２次元平面に投影した投影画像データを作成するための可視化装置であって、２次元座標系に輝度値と深さＺ値を蓄積するための輝度値バッファおよびＺバッファを同一の画素サイズで設定する画像バッファ設定手段と、前記ボクセル配列のボクセルに対して指定されたアングルで３次元座標系上で回転処理を実行する回転処理手段と、回転処理実行後の（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対応する各ボクセル値Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）について、ｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、前記輝度値バッファ上の対応するピクセル（ｘ，ｙ）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる処理を実行し、前記輝度値バッファのピクセル値Ｖ（ｘ，ｙ）を算出する投影処理手段と、前記投影処理手段により算出された前記輝度値バッファ上の各ピクセル値を表示手段の出力階調に合わせるために所定の演算を行う階調変換手段を有するボクセル配列可視化装置を提供する。
【００１０】
本発明によれば、ボクセル配列を２次元平面に投影する際に、２次元平面と直行するｚ軸方向の値を保持するＺバッファを用意し、投影するボクセルのｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、ボクセルのｚ値が視点に近い値を有する場合と、視点から遠い値を有する場合により反映させる度合いを変えて、ボクセル値をピクセル値に反映させるようにしたので、少ない処理負荷で高速にボリュームデータを投影した投影画像を作成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少ない処理負荷で高速にボリュームデータを投影した投影画像を作成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（１．装置構成）
まず、本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成について説明する。図１は本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成図である。図１において、１０はボクセル配列記憶手段、２０はボクセル変換処理部、３０はピクセル変換処理部、４０は画像表示手段、５０はパラメータ設定手段である。
【００１３】
ボクセル配列記憶手段１０は、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により得られた三次元配列（ボクセル配列）のボリュームデータを記憶したものであり、コンピュータに内蔵または接続されたハードディスク等の記憶装置で実現される。ボクセル変換処理部２０は、ボクセル配列を三次元のまま変換処理するものであり、空間内配置手段２１、視点角算出手段２２、回転処理手段２３を有している。ピクセル変換処理部３０は、ボクセル配列を二次元に変換して、二次元画像として処理するものであり、投影処理手段３１、陰影処理手段３２、階調変換手段３３を有している。画像表示手段４０は、ピクセル変換処理部３０により得られた結果である輝度フレームデータを表示出力するものであり、液晶ディスプレイその他の表示出力装置により実現される。パラメータ設定手段５０は、ボクセル配列に対する処理を特定するためのパラメータを設定するものであり、キーボード、マウス等により実現される。図１に示したボクセル配列可視化装置は、現実には汎用のコンピュータに専用のプログラムを組み込むことにより実現される。
【００１４】
ボクセル配列記憶手段１０に記憶されたボクセル配列のボリュームデータについて説明する。ボリュームデータは、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により人体を撮像することにより得られたボクセル配列データである。本実施形態で用いるボリュームデータは、１２８×１２８×４７画素で、時系列に６１回撮像して得られたものとなっている。図２に、本実施形態で用いるボリュームデータの構成を模式的に示す。図２の例では、１つの矩形がＸＹ断面における断面画像を示している。例えば人体頭部の場合、このＸＹ断面画像が同一時刻（Ｔ）においてＺ軸方向（通常、人体の体軸方向）に４７個存在し、このＸＹＺのボクセル配列（三次元配列）が異なる６１の時点（Ｔ）に対応する数だけ存在する。したがって、時刻Ｔを特定すると、その時刻における１２８×１２８×４７ボクセルのボクセル配列が得られることになる。
【００１５】
（２．処理動作）
次に、本発明に係るボクセル配列可視化装置の処理動作について説明する。まず、利用者は、パラメータ設定手段５０を利用してパラメータの設定を行う。具体的なパラメータとして、ボリュームデータの時刻Ｔと視点角の設定を行う。時刻Ｔは、処理対象とすべきボリュームデータを特定するものである。例えば、図２の例では、時刻Ｔを特定することにより、６１個の三次元配列の中から処理対象とする三次元配列が１つに定まる。視点角パラメータとしては、ＸＹ平面での回転角Ｒｘｙ、ＸＺ平面での回転角Ｒｘｚ、ＹＺ平面での回転角Ｒｙｚの３種を設定する。視点角パラメータは、初期位置の視点角、最終位置の視点角を指定するとともに、初期位置から最終位置までのフレーム数を指定することにより設定される。
【００１６】
図３は、パラメータ設定後の、ボクセル配列可視化装置の処理動作の概要を示すフローチャートである。パラメータが設定されると、ボクセル配列可視化装置では、まず、視点角算出手段２２が、設定されたパラメータに従って視点角を算出する。具体的には、初期フレームを１、視点角パラメータをＲｘｙ１、Ｒｘｚ１、Ｒｙｚ１とし、最終フレームをＦｍ（指定されたフレーム数）、視点角パラメータをＲｘｙ２、Ｒｘｚ２、Ｒｙｚ２とした場合、視点角算出手段２２は、以下の〔数式１〕に従った処理を実行することにより、各フレームＦにおける視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚを算出する。
【００１７】
〔数式１〕
Ｒｘｙ＝（Ｒｘｙ２−Ｒｘｙ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｘｙ１
Ｒｘｚ＝（Ｒｘｚ２−Ｒｘｚ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｘｚ１
Ｒｙｚ＝（Ｒｙｚ２−Ｒｙｚ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｙｚ１
【００１８】
なお、〔数式１〕において、Ｆはフレーム番号を示す変数であり、１〜Ｆｍの範囲の整数値をとる。最初は、１フレーム目の視点角を算出することになるので、視点角算出手段２２は、Ｆ＝１として、上記〔数式１〕に従った処理を実行し、視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚを算出する。
【００１９】
パラメータ設定手段５０により視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚの設定が行われたら、次に、空間内配置手段２１が、ボリュームデータの３次元座標系（３次元空間内）への配置を行う（Ｓ２）。具体的には、ボクセル配列のサイズを（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）、Ｚ軸方向のＸＹ座標に対するスケーリング比率をγとすると、時刻ＴのＳｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセル（ｘ，ｙ，ｚ）を、以下の〔数式２〕のようにして変換し、配置する。
【００２０】
〔数式２〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ−Ｓｘ／２，ｙ−Ｓｙ／２，（ｚ−Ｓｚ／２）γ）
【００２１】
〔数式２〕の例では、ボクセル配列の中央が（０，０，０）の原点に位置するように配置を行っている。また、ｚ座標については係数γを乗じているが、これは、スキャナ装置のベッド移動方向の検出器の分解能が断面方向の分解能と一致せず、一般に前者が後者に比べ粗くなることから、ボクセル配列の各ボクセルを空間的に歪の無い立方体形状に見せるため、ｚ値のとり得る範囲をｘ座標、ｙ座標と合わせるためのものである。例えば、１２８×１２８×４７ボクセルのボクセル配列を用いる場合、γ＝２程度に設定する。γ＝２に設定することにより、ｘ、ｙとの比率は、１２８：９４となり、完全ではないが、各ボクセルは立方体に近い状態となる。ただし、本例のようにスキャンされたボクセル配列が頭部である場合、全体のボクセル配列自体は頭部の幾何形状と相似形になり、γ係数を乗じた後のボクセル配列の形状は一般にＺ方向に長めの直方体になる。また、本例のように、１２８×１２８×４７ボクセルであっても、ｚ方向を、ｘ，ｙ方向と同じ間隔で表示する必要性がなければ、スケーリング比率γを乗じなくても良い。通常、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により得られたボリュームデータは、ｘ，ｙ，ｚの各座標が１以上の整数値として設定されているため、本実施形態では、上記〔数式２〕に従った処理を実行しているが、ボクセル配列記憶手段１０に記憶されたボリュームデータの中心が（０，０，０）に設定されていれば、上記〔数式２〕に従った処理を実行する必要はない。
【００２２】
次に、ボクセル配列回転手段２３が、視点位置の変更に伴うボクセル配列の回転を行う（Ｓ３）。具体的には、時刻ＴのＳｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセルＶ（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、設定されたＸＹ面、ＸＺ面、ＹＺ面での回転角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚ（各角度の単位をラジアンとする）を用いて、以下の〔数式３〕に従った処理を実行することにより変換する。なお、〔数式３〕第１式における（ｘ，ｙ，ｚ）は〔数式２〕による座標変換後のものであり、第２式における（ｘ，ｙ，ｚ）は第１式による座標変換後のものであり、第３式における（ｘ，ｙ，ｚ）は第２式による座標変換後のものである。したがって、〔数式３〕に示す３つの式の処理順序により処理結果が異なる。本実施形態では、以下に示した第１式（ＸＹ平面での回転）、第２式（ＸＺ平面での回転）、第３式（ＹＺ平面での回転）の順序で実行を行うが、必ずしもこの順序で実行する必要はなく、他の順序で実行しても良い。
【００２３】
〔数式３〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ・cosＲｘｙ＋ｙ・sinＲｘｙ，−ｘ・sinＲｘｙ＋ｙ・cosＲｘｙ，ｚ）
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ・cosＲｘｚ＋ｚ・sinＲｘｚ，ｙ，−ｘ・sinＲｘｚ＋ｚ・cosＲｘｚ）
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ，ｙ・cosＲｙｚ＋ｚ・sinＲｙｚ，−ｙ・sinＲｙｚ＋ｚ・cosＲｙｚ）
【００２４】
ボクセル配列回転手段２３による回転処理を実行することにより、ボクセル変換処理部２０による処理が終わったら、次に、ピクセル変換処理部３０による処理を開始する。まず、投影処理手段３１が、３次元のボクセル配列を２次元のフレームに投影する処理を行う（Ｓ４）。具体的には、ボクセル配列アドレスのフレームアドレスへの変換と、Ｚバッファ法の実行を行う。フレームアドレスへの変換は、レンダリングするフレームサイズＳｆｘ×Ｓｆｙに対応させるため、Ｓｆｘ×Ｓｆｙの輝度フレームＢ（ｘ´，ｙ´）（整数値）とＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）（実数値）をコンピュータのメモリ内に準備する。輝度フレームＢの各ピクセルの輝度値は初期状態では、全ピクセルにおいてＢ（ｘ´，ｙ´）＝０、ＺバッファＺの各ピクセルの値は初期状態では、全ピクセルにおいてＺ（ｘ´，ｙ´）＝−∞とする。なお、“−∞”は、理論的な値であり、現実に初期設定する際には、Ｚ（ｘ´，ｙ´）として絶対値が十分に大きい負値を設定する。
【００２５】
輝度フレームＢ、ＺバッファＺの初期設定が終わったら、投影処理手段３１は、以下の〔数式４〕に従った処理を実行し、三次元座標値上のボクセル配列の各ボクセル（ｘ，ｙ，ｚ）に対応するフレームアドレス（ｘ´，ｙ´）を求める。フレームアドレスは、輝度フレームＢ、ＺバッファＺにおいて共通である。
【００２６】
〔数式４〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ＋Ｓｆｘ／２，ｙ＋Ｓｆｙ／２，ｚ）
【００２７】
輝度フレームＢ、ＺバッファＺのフレームアドレスは、ともにｘ座標、ｙ座標が０以上の整数値であるため、上記〔数式４〕においては、それぞれＳｆｘ／２、Ｓｆｙ／２を加算している。したがって、ｘ´＝ｘ＋Ｓｆｘ／２、ｙ´＝ｙ＋Ｓｆｙ／２となる。
【００２８】
さらに、投影処理手段３１は、０〜１の実数値をとる透過率αを定義して、Ｓｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセル（ｘ´，ｙ´，ｚ）に対して、いわゆるＺバッファ法を実行する。具体的には、投影処理手段３１は、以下の〔数式５〕に従った処理を実行する。
【００２９】
〔数式５〕
１）ｚ＞Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←αＢ（ｘ´，ｙ´）／（ｚ−Ｚ（ｘ´，ｙ´））2＋Ｖ（ｘ´，ｙ´，ｚ）
Ｚ（ｘ´，ｙ´）←ｚ
２）ｚ＜Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋αＶ（ｘ´，ｙ´，ｚ）／（ｚ−Ｚ（ｘ´，ｙ´））2
３）ｚ＝Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋Ｖ（ｘ´，ｙ´，ｚ）
【００３０】
上記〔数式５〕から明らかなように、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）については、ｚ＞Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合、すなわち三次元空間におけるボクセルが、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）に記録されているｚ座標値よりもｚ軸方向において手前側（視点側）にあるときだけ、そのボクセルのｚ座標値により更新される。したがって、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）の値は、常に大きい値に更新されていく。ｚ≦Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合には、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）の値は、更新されない。
【００３１】
続いて、陰影処理手段３２が、陰影付加処理を行う（Ｓ５）。具体的には、輝度フレームのＳｆｘ×Ｓｆｙの全ピクセルに対して、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）を参照してシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を計算し、既に計算されている輝度フレームＢの各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の値に乗算して、輝度フレームＢの各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の値を更新することにより陰影を付加する。
【００３２】
ここで、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）の算出手法について説明する。ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）のある点Ｐ（ｘ´，ｙ´）のシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を算出する場合を考えてみる。このとき、点Ｐのｘ軸方向の両隣、ｙ軸方向の両隣の点を、そのｚ値を含めて三次元表現した点Ｐ-1,0（ｘ´−ｌ，ｙ，ｚｌ）、Ｐ+1,0（ｘ´＋ｌ，ｙ´，ｚｒ）、Ｐ0,+1（ｘ´，ｙ´＋ｌ，ｚｕ）、Ｐ0,-1（ｘ´，ｙ´−ｌ，ｚｄ）の４点を定義する。そして、ｘ軸方向の２点のベクトルＵ＝Ｐ+1,0−Ｐ-1,0＝（２，０，ｚｒ−ｚｌ）、ｙ軸方向の２点のベクトルＶ＝Ｐ0,+1−Ｐ0,-1＝（０，２，ｚｕ−ｚｄ）を算出する。
【００３３】
点Ｐにおける法線ベクトルＮは、上記ベクトルＵとベクトルＶの外積として求められる。したがって、Ｎ＝Ｕ×Ｖ＝（−２（ｚｒ−ｚｌ），−２（ｚｕ−ｚｄ），４）＝（ｚｌ−ｚｒ，ｚｄ−ｚｕ，２）となる。一方、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）と平行光源ベクトル、法線ベクトルの間では、以下の〔数式６〕に示す関係が成り立つ。なお、平行光源ベクトルは、事前に設定されるものであり、本実施形態では、（１，１，１）として設定されている。
【００３４】
〔数式６〕
Ｌ（ｘ´，ｙ´）・ｃｏｓθ＝（平行光源ベクトルと法線ベクトルＮの内積）
【００３５】
上記の例では、Ｌ（ｘ´，ｙ´）・ｃｏｓθ＝（ｚｌ−ｚｒ＋ｚｄ−ｚｕ＋２）／[（ｚｌ−ｚｒ）2＋（ｚｄ−ｚｕ）2＋４）]1/2／３1/2となる。したがって、シェーディング輝度計算手段３３は、この数式に従った処理を実行することにより、各ピクセル（ｘ´，ｙ´）におけるシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を算出する。上述のように、シェーディング輝度計算手段３３は、算出された各ピクセル（ｘ´，ｙ´）のシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を、輝度フレームＢ上の各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の輝度値に乗じ、輝度フレームＢ上の各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の輝度値を、陰影を含む値として更新する。
【００３６】
次に、階調変換手段３２が、輝度フレームの階調変換を行う（Ｓ６）。具体的には、輝度フレームＢのＳｆｘ×Ｓｆｙの各ピクセル値Ｂ（ｘ´，ｙ´）に対して、適当な係数βを設定し、以下の〔数式７〕に従った処理を実行し、０〜２５５の値をもつ２５６階調の整数値に変換する。βの具体的な決定は、実際にボリュームデータの表示出力を数回行い、輝度フレームＢ上の画素（ｘ´，ｙ´）の大部分の画素が２５６未満となるように経験的に探し出すことにより行う。また、幾つかの画素は２５６を超えてもよいが、それらの画素値は一律２５５に制限する。
【００３７】
〔数式７〕
Ｂ（ｘ´，ｙ´）＞０の場合、Ｂ（ｘ´，ｙ´）＝２５６・β・Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋１
Ｂ（ｘ´，ｙ´）≦０の場合、Ｂ（ｘ´，ｙ´）＝０
【００３８】
このようにして輝度フレームＢ上のピクセルに得られた輝度値の集合が、投影画像データとなる。得られた投影画像データは、画像表示手段４０に表示され、ボリュームデータが投影された状態が確認できる。１つの視点角における投影処理が終わったら、ボクセル配列可視化装置は、全ての視点角について処理を終了したかどうかを判断する。具体的には、フレームの番号を示すＦが指定されたフレーム数Ｆｍに達したかどうかを判断する。判断の結果、ＦがＦｍ未満である場合、Ｆの値を１つ加算した後Ｓ１に戻り、次のフレームの処理を行う。
【００３９】
以上、本発明の好適な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ず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、シェーディング輝度計算手段３３により、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を計算し、これを輝度フレームの各画素値Ｂ（ｘ´，ｙ´）に乗じるようにしたが、必ずしもシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を乗じなくても良い。シェーディング輝度を乗じた場合、陰影が付加され、より立体的な投影画像の作成が可能となるが、陰影が付加されなくても、本発明のボクセル配列可視化装置は、ボクセル配列から投影データを高速に作成するという効果を有する。
【００４０】
また、上記実施形態では、視点角を変化させて投影する処理を順次行うことにより、ある固定した位置の配置されたボクセル配列を、周りを動きながら見ているような映像が得られることになる。この場合、各フレームの投影処理が遅くなると、動きが鈍い動画になるため、本発明による高速な処理が効果を発揮する。視点角を変化させず、指定された１つの視点角だけで表示した場合であっても、従来の投影処理に比べて、ボクセル配列から投影データを高速に作成するという効果は得られる。
【００４１】
（３．時系列のデータ全体を処理対象とする場合）
上記実施形態では、時刻Ｔを特定した場合のボクセル配列を処理対象とした場合について説明したが、図２に示したような時系列のボクセル配列セット全てを処理対象とすることも可能である。この場合、フレーム１として時刻Ｔ＝１のボクセル配列を投影して可視化し、フレーム２として時刻Ｔ＝２のボクセル配列を投影して可視化するというように、順にフレームＦｍとして時刻Ｔ＝Ｆｍ（図２の例では６１）のボクセル配列を投影して可視化する処理までを行う。視点角は上記実施形態のように、変化させても良いし、固定させておいても良い。
【００４２】
ボクセル配列セット全てを処理対象とする場合、基本的な処理の流れは、図３のフローチャートに示したものと同様であるが、Ｓ６の階調変換処理の後、処理全体を終了するかどうかの判断は、全時刻Ｔのボクセル配列の処理を終えたかどうかにより行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成図である。
【図２】本実施形態で用いるボリュームデータの構成を模式的に示す図である。
【図３】ボクセル配列可視化装置の処理動作の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１０・・・ボクセル配列記憶手段
２０・・・ボクセル変換処理部
２１・・・空間内配置手段
２２・・・視点角算出手段
２３・・・ボクセル配列回転手段
３０・・・ピクセル変換処理部
３１・・・投影処理手段
３２・・・陰影処理手段
３３・・・階調変換手段
４０・・・画像表示手段
５０・・・パラメータ設定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなど核医学診断等により得られたボクセル配列構成のボリュームデータを可視化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体内部の３次元的な構造を生体外から非侵襲的にセンシングして画像再構成により断面像を作成する映像化手法が主として医療分野で実用化されている。このような映像化手法には、生体外からＸ線を照射し、各組織のＸ線透過率をセンシングして画像を作成するＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、生体外から高周波磁場を照射し、各組織の水分子から放射される電波をセンシングして画像を作成するＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）、生体内に放射性化合物（トレーサ）を注入し、特定の組織に蓄積される化合物から放射されるガンマ線をセンシングして画像を作成するＳＰＥＣＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）またはＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）の３通りがある。
【０００３】
ＣＴとＭＲＩは組織のＸ線透過率や水分子の密度の相違から形状を映像化することができ、いわば生体内地図を作成するのに適している。これに対して、ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴは、特定の組織に蓄積される化合物の定量値を映像化することができ、地図に例えれば、地区別の交通量分布図を作成するのに適している。
【０００４】
上記映像化手法は、いずれも断面像を作成でき、スキャニングヘッドを移動させたり、センサを多列化することにより、連続した複数の断面像で構成されるボクセル画像を作成でき、更に、一定時間ごとに反復スキャンすればボクセル動画も作成できる。しかし、収集された膨大な断面像が並べられても、生体内の立体構造を一瞥するのは難しい。そこで、ＣＴ、ＭＲＩについては、ボクセル画像に対してボリュームレンダリングを行い、可視化する手法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
そのため、ＰＥＴについては、ＣＴまたはＭＲＩで形状を描写した上に、ＰＥＴの定量値を重ねる合成手法が開発され、ＰＥＴ−ＣＴという双方の画像を同時にスキャニングできる装置も開発された（特許文献２参照）。
【特許文献１】特公平７−１２０４３４号公報
【特許文献２】特表２００５−５１８９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のようなボリュームレンダリングをＰＥＴ／ＳＰＥＣＴから得られた情報に対して適用した場合、形状に関する情報が欠落しているため、従来の位置関係を把握し難い映像になってしまうという問題がある。また、このボリュームレンダリングの標準的なアルゴリズムであるレイキャスティング法は計算負荷が大きいという問題もある。
【０００７】
また、上記特許文献２のような合成手法は非常に計算負荷が大きく、リアルタイム再生を行うためには専用のミニスーパーコンピュータを必要とする（ＰＥＴとＣＴの装置自体が大掛かりなため、現状、計算負荷はあまり問題視されていない。）。上記特許文献２のような合成手法は、ＣＴ等の情報がなく、ＰＥＴ単独の情報しか得られない場合には、人体の形状を把握可能に映像化することは困難であるという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなど核医学診断等により得られたボクセル配列を少ない処理負荷で、好適に可視化することが可能なボクセル配列可視化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では、３次元座標系にボクセル値が定義されたボクセル配列に対して、指定されたアングルで前記ボクセル配列を２次元平面に投影した投影画像データを作成するための可視化装置であって、２次元座標系に輝度値と深さＺ値を蓄積するための輝度値バッファおよびＺバッファを同一の画素サイズで設定する画像バッファ設定手段と、前記ボクセル配列のボクセルに対して指定されたアングルで３次元座標系上で回転処理を実行する回転処理手段と、回転処理実行後の（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対応する各ボクセル値Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）について、ｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、前記輝度値バッファ上の対応するピクセル（ｘ，ｙ）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる処理を実行し、前記輝度値バッファのピクセル値Ｖ（ｘ，ｙ）を算出する投影処理手段と、前記投影処理手段により算出された前記輝度値バッファ上の各ピクセル値を表示手段の出力階調に合わせるために所定の演算を行う階調変換手段を有するボクセル配列可視化装置を提供する。
【００１０】
本発明によれば、ボクセル配列を２次元平面に投影する際に、２次元平面と直行するｚ軸方向の値を保持するＺバッファを用意し、投影するボクセルのｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、ボクセルのｚ値が視点に近い値を有する場合と、視点から遠い値を有する場合により反映させる度合いを変えて、ボクセル値をピクセル値に反映させるようにしたので、少ない処理負荷で高速にボリュームデータを投影した投影画像を作成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少ない処理負荷で高速にボリュームデータを投影した投影画像を作成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（１．装置構成）
まず、本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成について説明する。図１は本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成図である。図１において、１０はボクセル配列記憶手段、２０はボクセル変換処理部、３０はピクセル変換処理部、４０は画像表示手段、５０はパラメータ設定手段である。
【００１３】
ボクセル配列記憶手段１０は、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により得られた三次元配列（ボクセル配列）のボリュームデータを記憶したものであり、コンピュータに内蔵または接続されたハードディスク等の記憶装置で実現される。ボクセル変換処理部２０は、ボクセル配列を三次元のまま変換処理するものであり、空間内配置手段２１、視点角算出手段２２、回転処理手段２３を有している。ピクセル変換処理部３０は、ボクセル配列を二次元に変換して、二次元画像として処理するものであり、投影処理手段３１、陰影処理手段３２、階調変換手段３３を有している。画像表示手段４０は、ピクセル変換処理部３０により得られた結果である輝度フレームデータを表示出力するものであり、液晶ディスプレイその他の表示出力装置により実現される。パラメータ設定手段５０は、ボクセル配列に対する処理を特定するためのパラメータを設定するものであり、キーボード、マウス等により実現される。図１に示したボクセル配列可視化装置は、現実には汎用のコンピュータに専用のプログラムを組み込むことにより実現される。
【００１４】
ボクセル配列記憶手段１０に記憶されたボクセル配列のボリュームデータについて説明する。ボリュームデータは、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により人体を撮像することにより得られたボクセル配列データである。本実施形態で用いるボリュームデータは、１２８×１２８×４７画素で、時系列に６１回撮像して得られたものとなっている。図２に、本実施形態で用いるボリュームデータの構成を模式的に示す。図２の例では、１つの矩形がＸＹ断面における断面画像を示している。例えば人体頭部の場合、このＸＹ断面画像が同一時刻（Ｔ）においてＺ軸方向（通常、人体の体軸方向）に４７個存在し、このＸＹＺのボクセル配列（三次元配列）が異なる６１の時点（Ｔ）に対応する数だけ存在する。したがって、時刻Ｔを特定すると、その時刻における１２８×１２８×４７ボクセルのボクセル配列が得られることになる。
【００１５】
（２．処理動作）
次に、本発明に係るボクセル配列可視化装置の処理動作について説明する。まず、利用者は、パラメータ設定手段５０を利用してパラメータの設定を行う。具体的なパラメータとして、ボリュームデータの時刻Ｔと視点角の設定を行う。時刻Ｔは、処理対象とすべきボリュームデータを特定するものである。例えば、図２の例では、時刻Ｔを特定することにより、６１個の三次元配列の中から処理対象とする三次元配列が１つに定まる。視点角パラメータとしては、ＸＹ平面での回転角Ｒｘｙ、ＸＺ平面での回転角Ｒｘｚ、ＹＺ平面での回転角Ｒｙｚの３種を設定する。視点角パラメータは、初期位置の視点角、最終位置の視点角を指定するとともに、初期位置から最終位置までのフレーム数を指定することにより設定される。
【００１６】
図３は、パラメータ設定後の、ボクセル配列可視化装置の処理動作の概要を示すフローチャートである。パラメータが設定されると、ボクセル配列可視化装置では、まず、視点角算出手段２２が、設定されたパラメータに従って視点角を算出する。具体的には、初期フレームを１、視点角パラメータをＲｘｙ１、Ｒｘｚ１、Ｒｙｚ１とし、最終フレームをＦｍ（指定されたフレーム数）、視点角パラメータをＲｘｙ２、Ｒｘｚ２、Ｒｙｚ２とした場合、視点角算出手段２２は、以下の〔数式１〕に従った処理を実行することにより、各フレームＦにおける視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚを算出する。
【００１７】
〔数式１〕
Ｒｘｙ＝（Ｒｘｙ２−Ｒｘｙ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｘｙ１
Ｒｘｚ＝（Ｒｘｚ２−Ｒｘｚ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｘｚ１
Ｒｙｚ＝（Ｒｙｚ２−Ｒｙｚ１）・（Ｆ−１）／（Ｆｍ−１）＋Ｒｙｚ１
【００１８】
なお、〔数式１〕において、Ｆはフレーム番号を示す変数であり、１〜Ｆｍの範囲の整数値をとる。最初は、１フレーム目の視点角を算出することになるので、視点角算出手段２２は、Ｆ＝１として、上記〔数式１〕に従った処理を実行し、視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚを算出する。
【００１９】
パラメータ設定手段５０により視点角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚの設定が行われたら、次に、空間内配置手段２１が、ボリュームデータの３次元座標系（３次元空間内）への配置を行う（Ｓ２）。具体的には、ボクセル配列のサイズを（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）、Ｚ軸方向のＸＹ座標に対するスケーリング比率をγとすると、時刻ＴのＳｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセル（ｘ，ｙ，ｚ）を、以下の〔数式２〕のようにして変換し、配置する。
【００２０】
〔数式２〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ−Ｓｘ／２，ｙ−Ｓｙ／２，（ｚ−Ｓｚ／２）γ）
【００２１】
〔数式２〕の例では、ボクセル配列の中央が（０，０，０）の原点に位置するように配置を行っている。また、ｚ座標については係数γを乗じているが、これは、スキャナ装置のベッド移動方向の検出器の分解能が断面方向の分解能と一致せず、一般に前者が後者に比べ粗くなることから、ボクセル配列の各ボクセルを空間的に歪の無い立方体形状に見せるため、ｚ値のとり得る範囲をｘ座標、ｙ座標と合わせるためのものである。例えば、１２８×１２８×４７ボクセルのボクセル配列を用いる場合、γ＝２程度に設定する。γ＝２に設定することにより、ｘ、ｙとの比率は、１２８：９４となり、完全ではないが、各ボクセルは立方体に近い状態となる。ただし、本例のようにスキャンされたボクセル配列が頭部である場合、全体のボクセル配列自体は頭部の幾何形状と相似形になり、γ係数を乗じた後のボクセル配列の形状は一般にＺ方向に長めの直方体になる。また、本例のように、１２８×１２８×４７ボクセルであっても、ｚ方向を、ｘ，ｙ方向と同じ間隔で表示する必要性がなければ、スケーリング比率γを乗じなくても良い。通常、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどの核医学診断装置により得られたボリュームデータは、ｘ，ｙ，ｚの各座標が１以上の整数値として設定されているため、本実施形態では、上記〔数式２〕に従った処理を実行しているが、ボクセル配列記憶手段１０に記憶されたボリュームデータの中心が（０，０，０）に設定されていれば、上記〔数式２〕に従った処理を実行する必要はない。
【００２２】
次に、ボクセル配列回転手段２３が、視点位置の変更に伴うボクセル配列の回転を行う（Ｓ３）。具体的には、時刻ＴのＳｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセルＶ（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、設定されたＸＹ面、ＸＺ面、ＹＺ面での回転角Ｒｘｙ、Ｒｘｚ、Ｒｙｚ（各角度の単位をラジアンとする）を用いて、以下の〔数式３〕に従った処理を実行することにより変換する。なお、〔数式３〕第１式における（ｘ，ｙ，ｚ）は〔数式２〕による座標変換後のものであり、第２式における（ｘ，ｙ，ｚ）は第１式による座標変換後のものであり、第３式における（ｘ，ｙ，ｚ）は第２式による座標変換後のものである。したがって、〔数式３〕に示す３つの式の処理順序により処理結果が異なる。本実施形態では、以下に示した第１式（ＸＹ平面での回転）、第２式（ＸＺ平面での回転）、第３式（ＹＺ平面での回転）の順序で実行を行うが、必ずしもこの順序で実行する必要はなく、他の順序で実行しても良い。
【００２３】
〔数式３〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ・cosＲｘｙ＋ｙ・sinＲｘｙ，−ｘ・sinＲｘｙ＋ｙ・cosＲｘｙ，ｚ）
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ・cosＲｘｚ＋ｚ・sinＲｘｚ，ｙ，−ｘ・sinＲｘｚ＋ｚ・cosＲｘｚ）
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ，ｙ・cosＲｙｚ＋ｚ・sinＲｙｚ，−ｙ・sinＲｙｚ＋ｚ・cosＲｙｚ）
【００２４】
ボクセル配列回転手段２３による回転処理を実行することにより、ボクセル変換処理部２０による処理が終わったら、次に、ピクセル変換処理部３０による処理を開始する。まず、投影処理手段３１が、３次元のボクセル配列を２次元のフレームに投影する処理を行う（Ｓ４）。具体的には、ボクセル配列アドレスのフレームアドレスへの変換と、Ｚバッファ法の実行を行う。フレームアドレスへの変換は、レンダリングするフレームサイズＳｆｘ×Ｓｆｙに対応させるため、Ｓｆｘ×Ｓｆｙの輝度フレームＢ（ｘ´，ｙ´）（整数値）とＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）（実数値）をコンピュータのメモリ内に準備する。輝度フレームＢの各ピクセルの輝度値は初期状態では、全ピクセルにおいてＢ（ｘ´，ｙ´）＝０、ＺバッファＺの各ピクセルの値は初期状態では、全ピクセルにおいてＺ（ｘ´，ｙ´）＝−∞とする。なお、“−∞”は、理論的な値であり、現実に初期設定する際には、Ｚ（ｘ´，ｙ´）として絶対値が十分に大きい負値を設定する。
【００２５】
輝度フレームＢ、ＺバッファＺの初期設定が終わったら、投影処理手段３１は、以下の〔数式４〕に従った処理を実行し、三次元座標値上のボクセル配列の各ボクセル（ｘ，ｙ，ｚ）に対応するフレームアドレス（ｘ´，ｙ´）を求める。フレームアドレスは、輝度フレームＢ、ＺバッファＺにおいて共通である。
【００２６】
〔数式４〕
（ｘ，ｙ，ｚ）→（ｘ＋Ｓｆｘ／２，ｙ＋Ｓｆｙ／２，ｚ）
【００２７】
輝度フレームＢ、ＺバッファＺのフレームアドレスは、ともにｘ座標、ｙ座標が０以上の整数値であるため、上記〔数式４〕においては、それぞれＳｆｘ／２、Ｓｆｙ／２を加算している。したがって、ｘ´＝ｘ＋Ｓｆｘ／２、ｙ´＝ｙ＋Ｓｆｙ／２となる。
【００２８】
さらに、投影処理手段３１は、０〜１の実数値をとる透過率αを定義して、Ｓｘ×Ｓｙ×Ｓｚ個全てのボクセル（ｘ´，ｙ´，ｚ）に対して、いわゆるＺバッファ法を実行する。具体的には、投影処理手段３１は、以下の〔数式５〕に従った処理を実行する。
【００２９】
〔数式５〕
１）ｚ＞Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←αＢ（ｘ´，ｙ´）／（ｚ−Ｚ（ｘ´，ｙ´））2＋Ｖ（ｘ´，ｙ´，ｚ）
Ｚ（ｘ´，ｙ´）←ｚ
２）ｚ＜Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋αＶ（ｘ´，ｙ´，ｚ）／（ｚ−Ｚ（ｘ´，ｙ´））2
３）ｚ＝Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合
Ｂ（ｘ´，ｙ´）←Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋Ｖ（ｘ´，ｙ´，ｚ）
【００３０】
上記〔数式５〕から明らかなように、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）については、ｚ＞Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合、すなわち三次元空間におけるボクセルが、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）に記録されているｚ座標値よりもｚ軸方向において手前側（視点側）にあるときだけ、そのボクセルのｚ座標値により更新される。したがって、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）の値は、常に大きい値に更新されていく。ｚ≦Ｚ（ｘ´，ｙ´）の場合には、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）の値は、更新されない。
【００３１】
続いて、陰影処理手段３２が、陰影付加処理を行う（Ｓ５）。具体的には、輝度フレームのＳｆｘ×Ｓｆｙの全ピクセルに対して、ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）を参照してシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を計算し、既に計算されている輝度フレームＢの各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の値に乗算して、輝度フレームＢの各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の値を更新することにより陰影を付加する。
【００３２】
ここで、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）の算出手法について説明する。ＺバッファＺ（ｘ´，ｙ´）のある点Ｐ（ｘ´，ｙ´）のシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を算出する場合を考えてみる。このとき、点Ｐのｘ軸方向の両隣、ｙ軸方向の両隣の点を、そのｚ値を含めて三次元表現した点Ｐ-1,0（ｘ´−ｌ，ｙ，ｚｌ）、Ｐ+1,0（ｘ´＋ｌ，ｙ´，ｚｒ）、Ｐ0,+1（ｘ´，ｙ´＋ｌ，ｚｕ）、Ｐ0,-1（ｘ´，ｙ´−ｌ，ｚｄ）の４点を定義する。そして、ｘ軸方向の２点のベクトルＵ＝Ｐ+1,0−Ｐ-1,0＝（２，０，ｚｒ−ｚｌ）、ｙ軸方向の２点のベクトルＶ＝Ｐ0,+1−Ｐ0,-1＝（０，２，ｚｕ−ｚｄ）を算出する。
【００３３】
点Ｐにおける法線ベクトルＮは、上記ベクトルＵとベクトルＶの外積として求められる。したがって、Ｎ＝Ｕ×Ｖ＝（−２（ｚｒ−ｚｌ），−２（ｚｕ−ｚｄ），４）＝（ｚｌ−ｚｒ，ｚｄ−ｚｕ，２）となる。一方、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）と平行光源ベクトル、法線ベクトルの間では、以下の〔数式６〕に示す関係が成り立つ。なお、平行光源ベクトルは、事前に設定されるものであり、本実施形態では、（１，１，１）として設定されている。
【００３４】
〔数式６〕
Ｌ（ｘ´，ｙ´）・ｃｏｓθ＝（平行光源ベクトルと法線ベクトルＮの内積）
【００３５】
上記の例では、Ｌ（ｘ´，ｙ´）・ｃｏｓθ＝（ｚｌ−ｚｒ＋ｚｄ−ｚｕ＋２）／[（ｚｌ−ｚｒ）2＋（ｚｄ−ｚｕ）2＋４）]1/2／３1/2となる。したがって、シェーディング輝度計算手段３３は、この数式に従った処理を実行することにより、各ピクセル（ｘ´，ｙ´）におけるシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を算出する。上述のように、シェーディング輝度計算手段３３は、算出された各ピクセル（ｘ´，ｙ´）のシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を、輝度フレームＢ上の各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の輝度値に乗じ、輝度フレームＢ上の各ピクセル（ｘ´，ｙ´）の輝度値を、陰影を含む値として更新する。
【００３６】
次に、階調変換手段３２が、輝度フレームの階調変換を行う（Ｓ６）。具体的には、輝度フレームＢのＳｆｘ×Ｓｆｙの各ピクセル値Ｂ（ｘ´，ｙ´）に対して、適当な係数βを設定し、以下の〔数式７〕に従った処理を実行し、０〜２５５の値をもつ２５６階調の整数値に変換する。βの具体的な決定は、実際にボリュームデータの表示出力を数回行い、輝度フレームＢ上の画素（ｘ´，ｙ´）の大部分の画素が２５６未満となるように経験的に探し出すことにより行う。また、幾つかの画素は２５６を超えてもよいが、それらの画素値は一律２５５に制限する。
【００３７】
〔数式７〕
Ｂ（ｘ´，ｙ´）＞０の場合、Ｂ（ｘ´，ｙ´）＝２５６・β・Ｂ（ｘ´，ｙ´）＋１
Ｂ（ｘ´，ｙ´）≦０の場合、Ｂ（ｘ´，ｙ´）＝０
【００３８】
このようにして輝度フレームＢ上のピクセルに得られた輝度値の集合が、投影画像データとなる。得られた投影画像データは、画像表示手段４０に表示され、ボリュームデータが投影された状態が確認できる。１つの視点角における投影処理が終わったら、ボクセル配列可視化装置は、全ての視点角について処理を終了したかどうかを判断する。具体的には、フレームの番号を示すＦが指定されたフレーム数Ｆｍに達したかどうかを判断する。判断の結果、ＦがＦｍ未満である場合、Ｆの値を１つ加算した後Ｓ１に戻り、次のフレームの処理を行う。
【００３９】
以上、本発明の好適な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ず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、シェーディング輝度計算手段３３により、シェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を計算し、これを輝度フレームの各画素値Ｂ（ｘ´，ｙ´）に乗じるようにしたが、必ずしもシェーディング輝度Ｌ（ｘ´，ｙ´）を乗じなくても良い。シェーディング輝度を乗じた場合、陰影が付加され、より立体的な投影画像の作成が可能となるが、陰影が付加されなくても、本発明のボクセル配列可視化装置は、ボクセル配列から投影データを高速に作成するという効果を有する。
【００４０】
また、上記実施形態では、視点角を変化させて投影する処理を順次行うことにより、ある固定した位置の配置されたボクセル配列を、周りを動きながら見ているような映像が得られることになる。この場合、各フレームの投影処理が遅くなると、動きが鈍い動画になるため、本発明による高速な処理が効果を発揮する。視点角を変化させず、指定された１つの視点角だけで表示した場合であっても、従来の投影処理に比べて、ボクセル配列から投影データを高速に作成するという効果は得られる。
【００４１】
（３．時系列のデータ全体を処理対象とする場合）
上記実施形態では、時刻Ｔを特定した場合のボクセル配列を処理対象とした場合について説明したが、図２に示したような時系列のボクセル配列セット全てを処理対象とすることも可能である。この場合、フレーム１として時刻Ｔ＝１のボクセル配列を投影して可視化し、フレーム２として時刻Ｔ＝２のボクセル配列を投影して可視化するというように、順にフレームＦｍとして時刻Ｔ＝Ｆｍ（図２の例では６１）のボクセル配列を投影して可視化する処理までを行う。視点角は上記実施形態のように、変化させても良いし、固定させておいても良い。
【００４２】
ボクセル配列セット全てを処理対象とする場合、基本的な処理の流れは、図３のフローチャートに示したものと同様であるが、Ｓ６の階調変換処理の後、処理全体を終了するかどうかの判断は、全時刻Ｔのボクセル配列の処理を終えたかどうかにより行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るボクセル配列可視化装置の構成図である。
【図２】本実施形態で用いるボリュームデータの構成を模式的に示す図である。
【図３】ボクセル配列可視化装置の処理動作の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１０・・・ボクセル配列記憶手段
２０・・・ボクセル変換処理部
２１・・・空間内配置手段
２２・・・視点角算出手段
２３・・・ボクセル配列回転手段
３０・・・ピクセル変換処理部
３１・・・投影処理手段
３２・・・陰影処理手段
３３・・・階調変換手段
４０・・・画像表示手段
５０・・・パラメータ設定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元座標系にボクセル値が定義されたボクセル配列に対して、指定された視点角に従って前記ボクセル配列を２次元平面に投影した投影画像データを作成するための可視化装置であって、
２次元座標系に輝度値を蓄積するための輝度フレームと、
前記輝度フレームと同一のピクセルサイズであって、深さＺ値を蓄積するためのＺバッファと、
前記ボクセル配列に対して、指定された視点角で３次元座標系上で回転処理を実行するボクセル配列回転手段と、
回転処理実行後の（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対応する各ボクセル値Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）について、ｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、前記輝度フレームの対応するピクセル（ｘ´，ｙ´）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる処理を実行し、前記輝度フレームの各ピクセルの輝度値Ｖ（ｘ´，ｙ´）を算出する投影処理手段と、
前記投影処理手段により算出された前記輝度フレームの各ピクセルの輝度値を表示手段の出力階調に合わせるために所定の演算を行う階調変換手段と、
を有することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記投影処理手段により得られた輝度フレームの各ピクセルの輝度値について、当該ピクセルおよび周辺ピクセルの前記Ｚバッファの値に基づいて法線ベクトルを算出し、事前に設定された平行光源ベクトルとの内積として算出される当該画素の陰影輝度値を乗じる陰影処理手段をさらに有し、陰影処理手段による処理後の輝度フレームの各ピクセルの輝度値に対して、前記階調変換手段が処理を行うものであることを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記投影処理手段は、前記輝度フレーム上の対応するピクセル（ｘ，ｙ）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる際に、その時点におけるＺバッファの値と前記ｚ値の距離に基づいて反映させる値を定めることを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記視点角は、三次元座標系においてＸＹ平面上の回転角、ＸＺ平面上の回転角、ＹＺ平面上の回転角の３種類の角度を設定することにより指定され、前記ボクセル配列回転手段は、設定された順序に従って前記３平面上の回転を順次行うことを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記視点角を時系列に連続的に変化させて複数指定する視点角算出手段をさらに有し、
指定された視点角について前記ボクセル配列回転手段が処理を実行することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
あらかじめ時系列に複数セットのボクセル配列が定義されたボクセル配列セットの中から指定された時刻の範囲内で複数セットのボクセル配列を順次抽出し、前記抽出した複数の各ボクセル配列に対して処理を実行し、各ボクセル配列に対する輝度値を順次算出することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項７】
コンピュータを、請求項１から請求項６のいずれかに記載のボクセル配列可視化装置として機能させるためのプログラム。
【請求項１】
３次元座標系にボクセル値が定義されたボクセル配列に対して、指定された視点角に従って前記ボクセル配列を２次元平面に投影した投影画像データを作成するための可視化装置であって、
２次元座標系に輝度値を蓄積するための輝度フレームと、
前記輝度フレームと同一のピクセルサイズであって、深さＺ値を蓄積するためのＺバッファと、
前記ボクセル配列に対して、指定された視点角で３次元座標系上で回転処理を実行するボクセル配列回転手段と、
回転処理実行後の（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対応する各ボクセル値Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）について、ｚ値がＺバッファに記録された値よりも視点に近い値を有する場合に限り当該ｚ値でＺバッファを更新しながら、前記輝度フレームの対応するピクセル（ｘ´，ｙ´）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる処理を実行し、前記輝度フレームの各ピクセルの輝度値Ｖ（ｘ´，ｙ´）を算出する投影処理手段と、
前記投影処理手段により算出された前記輝度フレームの各ピクセルの輝度値を表示手段の出力階調に合わせるために所定の演算を行う階調変換手段と、
を有することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記投影処理手段により得られた輝度フレームの各ピクセルの輝度値について、当該ピクセルおよび周辺ピクセルの前記Ｚバッファの値に基づいて法線ベクトルを算出し、事前に設定された平行光源ベクトルとの内積として算出される当該画素の陰影輝度値を乗じる陰影処理手段をさらに有し、陰影処理手段による処理後の輝度フレームの各ピクセルの輝度値に対して、前記階調変換手段が処理を行うものであることを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記投影処理手段は、前記輝度フレーム上の対応するピクセル（ｘ，ｙ）に各ｚ値に応じたボクセル値を反映させる際に、その時点におけるＺバッファの値と前記ｚ値の距離に基づいて反映させる値を定めることを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記視点角は、三次元座標系においてＸＹ平面上の回転角、ＸＺ平面上の回転角、ＹＺ平面上の回転角の３種類の角度を設定することにより指定され、前記ボクセル配列回転手段は、設定された順序に従って前記３平面上の回転を順次行うことを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記視点角を時系列に連続的に変化させて複数指定する視点角算出手段をさらに有し、
指定された視点角について前記ボクセル配列回転手段が処理を実行することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
あらかじめ時系列に複数セットのボクセル配列が定義されたボクセル配列セットの中から指定された時刻の範囲内で複数セットのボクセル配列を順次抽出し、前記抽出した複数の各ボクセル配列に対して処理を実行し、各ボクセル配列に対する輝度値を順次算出することを特徴とするボクセル配列可視化装置。
【請求項７】
コンピュータを、請求項１から請求項６のいずれかに記載のボクセル配列可視化装置として機能させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１５２６０９（Ｐ２０１０−１５２６０９Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２９４８８（Ｐ２００８−３２９４８８）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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