３次元画像を取得するための方法
３次元画像を取得するための方法である。静止して第１の姿勢にある対象の始点ボリューム画像を取得する。対象が第１の姿勢と第２の姿勢との間で動いた時に、対象の１つ以上の２次元画像を取得する。静止して第２の姿勢にある対象の終点ボリューム画像を取得する。第１の姿勢と第２の姿勢との間の対象の位置を表す、少なくとも１つの中間ボリューム画像を形成するために、１つ以上の取得した２次元画像に従って、少なくとも始点ボリューム画像を修正する。少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ボリューム撮像の分野に関し、より具体的には、診断または他の目的で３次元ボリューム画像の運動画像シーケンスを提供するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元ボリューム撮像は、内部構造および器官の状態を評価するための初期の２次元放射線写真撮像技術を越える顕著な利点を提供する、有益な診断ツールであることが証明されている。患者または他の対象の３次元撮像が、複数の画像を高速に連続して撮像する、デジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器等の、高速撮像検出器の開発を含む、いくつかの進歩によって可能になってきた。
【０００３】
コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）またはコーンビームＣＴ技術は、３次元ボリューム画像を提供するための診断ツールの一種として、かなりの将来性を提供する。コーンビームＣＴシステムは、高フレームレートフラットパネルのデジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器、および撮像される物体の周りを回転するガントリーに取り付けられるＸ線源を使用することによって、ボリュームデータセットを取り込む。ＣＢＣＴシステムは、回転を通して、例えば回転度ごとに１つの２次元投影画像といった、投影を取り込む。投影は、次いで、種々の技術を使用して、３次元ボリューム画像に再構築される。３次元ボリューム画像を再構築するための最も一般的な方法のうちの１つは、フィルタ逆投影法である。
【０００４】
ＣＢＣＴおよび他のボリューム撮像技術の１つの制限は、大部分の用途について、これらの技術が、静止画像、すなわち、患者または他の対象が静止位置に保持される画像だけしか提供しないことである。例えば、膝、肩、および足首等の関節の状態を診断する場合等の、いくつかの医療用途の場合には、運動中の３次元ボリューム画像を再構築する能力にかなりの臨床的な価値があることになる。そのような画像は、例えば、術前計画等の診断機能のために、または術後の治癒および回復を評価するために、整形外科医によって使用される。運動中の３次元ボリューム画像を取得する能力の利益を享受することになる他の用途としては、例えば、歯科学的および獣医学的撮像、ならびに非破壊試験（ＮＤＴ）が挙げられる。現在、３次元で放射線写真用の運動シーケンスを生成するために利用可能な実用的な方法はない。動いている対象のボリューム画像を連続的に取得する等の従来の方法は、設置時間、ならびに計算および画像処理リソースのかなりの消費を必要とするだけでなく、これらの方法は、非常に遅い速度まで減速させる等の、動きの人為的な抑制を引き起こす可能性もある。さらに、医療診断用撮像の場合、３次元運動画像シーケンスのための十分な画像を提供するために必要な累積放射線照射レベルが、そのような連続ボリューム撮像手法では許容できないものとなる可能性がある。
【０００５】
したがって、ＤＲ能力を使用した従来のボリューム撮像には相当な価値があるが、診断医が、運動中の患者のボリューム画像を見ることができるようにする、時系列的な第４次元を提供するための強化された能力が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９９９，５８７号
【特許文献２】米国特許第５，２７０，９２６号
【特許文献３】米国特許第７，００６，６８３号
【特許文献４】米国特許第７，２６３，２４３号
【特許文献５】米国特許第７，１８４，０７１号
【特許文献６】米国特許第６，８７３，７２４号
【特許文献７】米国特許第７，６２０，２５４号
【特許文献８】米国特許第７，５４８，６６４号
【特許文献９】米国特許第７，２８０，７１０号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００９／０１０３７９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、多数の３次元ボリューム画像を含むが、完全な３次元露出および画像処理手順を使用したシーケンスにおいて全ての３次元画像を取得するという要件を伴わない、運動シーケンスを提供することによって、診断用ボリューム撮像の技術を進歩させることである。
【０００８】
これらの目的は、単なる例示的な実施例として与えられており、そのような目的は、本発明の１つ以上の実施形態の例示的なものであってもよい。開示された本発明によって本質的に達成される他の望ましい目的および利点が生じるか、または当業者に明らかにな
る場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、少なくとも部分的にコンピュータシステム上で実行される、３次元画像を取得するための方法であって、静止して第１の姿勢にある対象の始点ボリューム画像を取得することと、対象が第１の姿勢と第２の姿勢との間で動いた時に、対象の１つ以上の２次元画像を取得することと、静止して第２の姿勢にある対象の終点ボリューム画像を取得することと、第１の姿勢と第２の姿勢との間の対象の位置を表す、少なくとも１つの中間ボリューム画像を形成するために、１つ以上の取得した２次元画像に従って、少なくとも始点ボリューム画像を修正することと、少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することと、を含む、方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の利点は、既存のボリューム撮像装置に既に提供されているものに加えて新しいハードウェアを必要とせずに、対象の動きを３次元で示す、運動シーケンスを提供することである。したがって、３次元運動シーケンスは、より高コストの撮像機器を使用するのではなく、画像処理ソフトウェアを使用して取得される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の上述の、および他の目的、特徴、および利点は、添付図面で例証されるように、以下の本発明の実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに一定の縮尺ではない。
【図１】３次元ボリューム画像を形成するために使用される個々の２次元画像を取得するためのＣＢＣＴ撮像装置の動作を示す、概略図である。
【図２】本発明の実施形態による運動３次元ボリューム画像の再構成に必要とされる画像を取得するための撮像シーケンスを示す、概略図である。
【図３】同期がとられたシーケンスの４次元表現のための中間ボリューム画像を形成するために、図２の撮像シーケンスをどのように使用するのかを示す、概略図である。
【図４】同期がとられたシーケンスの４次元表示に使用される画像データを取得するために使用されるステップのシーケンスを示す、論理流れ図である。
【図５】一実施形態における運動シーケンスの一部として使用される中間３次元画像を生成するために使用されるステップのシーケンスを示す、論理流れ図である。
【図６Ａ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器の１つの配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｂ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｃ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用されるシーケンスで２次元画像を取得するためのデジタル検出器の別の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｄ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器のさらに別の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｅ】始点のボリューム画像と終点のボリューム画像との間の画像取り込みシーケンスにおけるいくつかの時点で付加的なボリューム画像が取得される、代替の撮像シーケンスを概略的に示す、上面図である。
【図７】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得する際の基準点の使用を示す、概略側面図である。
【図８】一実施形態において対象の動きをガイドするためのガイドの使用を示す、概略側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下は、好ましい実施形態の詳細な説明であり、複数の図のそれぞれにおいて同じ参照番号が構造体の同じ要素を特定する、図面を参照する。
【００１３】
本開示の本文では、「同期がとられたシーケンスの４次元表現」という句は、「３次元運動画像」という句と機能的に同等である。３つの次元は、ボリューム３次元画像を画定するために使用される従来の直交ベクターに関連し、一般的に、３つの直交するｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って示され、表現される。第４の次元は、時間である。
【００１４】
本発明の装置および方法は、ＣＢＣＴ撮像システムおよびシーケンスに関して説明される。好都合に、本発明の方法は、ＣＢＣＴ撮像に使用される従来の撮像シーケンスにいくらかの修正を必要とするが、既存のＣＢＣＴ撮像機器を使用して実行することができる。しかしながら、本明細書で説明される方法および手順は、３次元ボリューム画像を生成する他の種類の撮像システムと類似した方法で使用することが可能であることを強調しておかなければならない。本発明の方法は、撮像システムから取得される３次元ボリューム画像データを、同じシステムから取得される、または代替の撮像システムおよび装置から取得される２次元画像データと組み合わせる。２次元画像データは、３次元運動画像を提供するために、３次元ボリューム画像データを修正するために使用される時間および運動関連の情報を提供する。結果として生じた３次元運動画像は、代替として「４次元」画像と称され、第４の次元は、時間に関連する。
【００１５】
そのようなシステムを使用して３次元ボリューム画像を取得するために使用されるＣＢＣＴ撮像装置および撮像アルゴリズムは、診断用撮像技術でよく知られており、したがって、本出願では詳細に説明しない。ＣＢＣＴ撮像装置の操作で取得される２次元画像源から３次元ボリューム画像を形成するための、いくつかの例示的なアルゴリズムは、例えば、Ｎｉｎｇらへの「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｏｎｅ−Ｂｅａｍ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」という名称の米国特許第５，９９９，５８７号、およびＴａｍへの「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ） Ｉｍａｇｅ ｏｆ ａｎ Ｏｂｊｅｃｔ ｆｒｏｍ Ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｃｏｎｅ Ｂｅａｍ Ｄａｔａ」という名称の米国特許第５，２７０，９２６号に見出すことができる。一般的な適用では、画像データを取得、処理、および記憶するためのコンピュータまたは他の種類の専用論理プロセッサは、画像結果を見るための１つ以上のディスプレイとともに、ＣＢＣＴシステムの一部分である。
【００１６】
好都合に、本発明の方法は、特定の、もしくはＣＢＣＴシステム、または４次元撮像機能専用である他の撮像装置を必要とせず、既存の種々の種類の撮像システムとともに使用することができる。本発明の方法は、後でさらに詳細に説明するように、３次元運動画像を取得するために、強化された撮像シーケンスを用いている。
【００１７】
図１の概略図を参照すると、３次元ボリューム画像を形成するために使用される個々の２次元画像を取得するための従来のＣＢＣＴ撮像装置の動作が、簡素化された形態で示されている。コーンビーム放射線源２２は、円錐状の放射線を、運動の撮像が必要とされる患者または他の対象等の、対象２０に向かって方向付ける。３６０度の回転において１度の角度のきざみにつき１つの画像などのように、一連の画像が、対象の周りで様々な角度で高速に連続して取得される。ＤＲ検出器２４は、放射線源２２の対応する動きと協調して、対象２０の周りで異なる撮像位置まで動く。図１は、これらの画像が対象２０の位置に対してどのように取得されるのかを例証するために、ＤＲ検出器２４の代表的なサンプリング位置を示す。必要とされる２次元投影画像がこのシーケンスで取り込まれると、３次元ボリューム画像を生成するために、フィルタ逆投影または他の従来の技術等の好適な撮像アルゴリズムが使用される。
【００１８】
背景技術の項で前述したように、ＣＢＣＴ撮像装置によって従来取得される３次元ボリューム画像は、静止画像である。対象２０は、固定姿勢であり、多数の個々の２次元投影画像からボリューム画像を再構築するタスクを妨げる、あらゆる動きが抑制される。
【００１９】
本発明の方法は、付加的な２次元画像を取り込み、次いで、これを３次元運動画像を再構築するために用い、それによって、４次元画像を形成するように、ＣＢＣＴシステム能力を強化する。図２の概略図を参照すると、３次元運動画像を生成するためのシーケンスが示されている。以下の実施例では、本発明の手順を例証するために、人間の膝の３次元運動画像を取得するためのシーケンスを一例として使用する。他の四肢または人間解剖学的な部分の撮像、ならびに動きの分析が有用である他の有生または無生の対象の撮像を含む、他の対象を撮像するために、類似したシーケンスを使用できることを理解することができる。背景技術の項で前述したように、本発明の方法は、例えば、非破壊試験（ＮＤＴ）、歯科用撮像、または獣医学的撮像、ならびに医療診断用撮像用途で使用することができる。
【００２０】
図２のシーケンスでは、左から右に時間が表され、始点ボリューム画像３０は、図１を参照して説明したように、最初に、ＣＢＣＴ撮像シーケンスを使用して取得される。この画像を取得するために、対象２０は、始点姿勢で静止して、左側に示される。次いで、対象２０が、始点姿勢位置から最終または終点位置での別の静止姿勢まで動く間に、高速に連続して、一連の個々のＸ線２次元投影画像等の一連のＮ個の連続した２次元画像３２が取り込まれる。図２の実施例では、２次元画像３２が取得されるのとともに、患者の膝は、始点から終点位置まで屈曲する。２次元画像３２の画像の取り込みの割合は、例えば、１秒あたり１０、２０、または３０個の画像などのように、ある範囲にわたる適切な値に変化させることができる。この画像取り込みシーケンスを終了させるには、同じように対象２０が静止して終点姿勢にある状態で、ＣＢＣＴシステムを使用して終点ボリューム画像４０を取得する。
【００２１】
図３の概略図は、図２のシーケンスを使用して取得される撮像結果の処理シーケンスを示す。処理は、コンピュータ５０上で実行されるが、これは、数多くの種類のコンピュータ、コンピュータワークステーション、マイクロプロセッサ、専用ホストプロセッサ、ネットワーク化されたプロセッサ(複数可)、または他の論理処理装置のうちのいずれかであってもよい。コンピュータ５０には、コンピュータハードウェアの一部として、または別個の構成要素として、画像の記憶およびデータ操作動作のためのワークスペースを提供する電子メモリが関連付けられる。この方法を実行するコンピュータプログラム製品は、例えば、磁気ディスクもしくは磁気テープ等の磁気記憶媒体、光ディスク、光学テープ、もしくは機械で読み取り可能なバーコード等の光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もしくはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等の固体電子記憶装置、または１つ以上のコンピュータを制御して本発明による方法を実践するための命令を有するコンピュータプログラムを記憶するために用いられる、任意の他の物理的デバイスもしくは媒体といった、１つ以上の記憶媒体を含んでもよい。ディスプレイ５２は、コンピュータ５０と関連付けられ、図３の処理シーケンスを開始および制御するオペレータコマンドを入力するために、および本発明に従って生成された運動３次元画像を表示する等の、処理結果を表示するために使用することができる。
【００２２】
図３のシーケンスに従って、始点ボリューム画像３０から始まり、一連の中間ボリューム画像３６が、２次元画像３２の連続から取得された動き情報を使用して生成される。ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮという表記は、本明細書では、対応する時間ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮで取り込まれた２次元画像３２の順序付けされたシーケンスを表すために使用される。この処理を使用して組み立てられる、３次元画像の順序付けされたシーケンス５４として示される、結果として生じる３次元運動画像は、始点ボリューム画像３０から始まり、各中間ボリューム画像３６を順々に含み、終点ボリューム画像４０で終了する、順序付けされたシーケンスに対応する。この３次元運動画像は、コンピュータ５０の一部である、または別の方法でコンピュータ５０と関連付けられる、コンピュータがアクセス可能な電子メモリに記憶することができ、高解像度のディスプレイモニタ等の上に表示することができる。
【００２３】
中間ボリューム画像３６が形成されると、再構築されたボリューム画像から２次元画像を抽出することを可能にするデジタル再構築放射線写真撮影（ＤＲＲ）等の画像操作技術を、結果として生じる３次元ボリュームデータに使用することができる。２次元画像抽出のためのＤＲＲ法および技術は、ボリューム撮像技術の当業者によく知られている。
【００２４】
好都合なことに、始点ボリューム画像３０、順に並んだＮ＋１個の中間ボリューム画像３６、および終点ボリューム画像４０、またはこれらのボリューム画像のサブセットから成る、３次元画像の順序付けされたシーケンス５４を、記憶し、適切な速度で再生および再度再生し、一時停止し、また逆に再生することができる。始点ボリューム画像３０および終点ボリューム画像４０、ならびに個々の中間ボリューム画像３６は、好適な角度で個々に見ることができ、診断目的で使用することができる。例えば、膝の例を物体２０として使用すると、図３に示されるように取得された３次元画像の順序付けされたシーケンスの動画の再生は、施術者が、例えば、側方、前方、および後方から運動中の膝の機能を観察するなどのように、任意の適切な角度から関節の動きを観察することを可能にする。
【００２５】
図４は、図２を参照して説明されるパターンに従う、同期がとられたシーケンスの４次元表現のために使用される画像データを収集するための例示的な一連のステップを示す、論理流れ図である。最初のステップＳ１００は、始点ボリューム画像Ｍ０を取得する。この後に、図４でループ操作として示される繰り返しシーケンスは、次いで、Ｎ個の２次元投影画像を獲得する。カウンタ初期化ステップＳ１１０は、ループの反復および終了を制御するために、カウンタ値ｎを初期化する。取り込みステップＳ１２０で、各２次元投影画像ｔｎが取り込まれる。次いで、試験ステップＳ１３０およびループカウンタ増加ステップＳ１４０が、ループ制御のために実行される。最後に、終点ボリューム画像取り込みステップＳ１５０は、終点ボリューム画像４０を取得する。
【００２６】
再度図３を参照すると、必要である２次元画像３２の数Ｎは、対象２０の複雑さ、取り込まれる運動の相対速度、ＤＲ検出器２４の応答時間、および他の要因等の、種々の要因に基づくことができることを理解することができる。同様に、時間ｔｎの間隔も変動させることができる。例えば、動いている間の対象２０の特徴の特定の関係等の要因に基づいて、一連の中の任意の２つの２次元画像３２を取り込む間隔のタイミングを変動させることが有利である場合がある。
【００２７】
図４の一連のステップを使用してデータが収集されたと仮定すると、図５の論理流れ図は、一実施形態では、図３を参照して前述したように、運動シーケンスの一部として使用されるＮ＋１個の中間３次元ボリューム画像３６を生成するために使用される、例示的な一連のステップを示す。ループ初期化ステップＳ２００は、以降の繰り返しシーケンスを制御するためのカウント値ｑをリセットする。次いで、摂動ステップＳ２１０は、連続した中間３次元ボリューム画像３６のそれぞれを生成するために、ｔｑ＋１において撮像された２次元投影画像から取得される相対運動データを使用して、ボリューム画像Ｍｑを修正する。次いで、増加ステップＳ２２０および試験ステップＳ２３０は、ループの繰り返しおよび終了を行うが、Ｎ＋１個の中間３次元ボリューム画像３６を生成する必要に応じて何度も摂動ステップＳ２１０を繰り返す。最後に、最終ステップＳ２４０は、一連の中の最後の中間３次元ボリューム画像ＭＮ＋１を生成するために、終点ボリューム画像ＭＮ＋２を使用して、中間３次元ボリューム画像Ｍｑの修正を行う。
【００２８】
図４および図５に示される論理流れ図は、本発明の一実施形態の一連のステップを示すために提供される、例示的なものであり、類似した結果を提供するために、他のシーケンスを使用することが可能であることに留意されたい。例えば、必要とされる３次元摂動を行うために必要とされるデータを取得するために、複数の２次元画像３２からのデータを組み合わせるための種々の技術を使用することが可能である。運動予測技術は、例えば、適切な運動ベクトルを提供する等のために、多数の２次元投影画像を組み合わせることから利益を享受する場合がある。
【００２９】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、および図６Ｄは、可能な撮像シーケンスの配列のいくつかを概略的に示す、上面図である。これらの図に示される配置のそれぞれは、図３および図４を参照して前述したように、運動シーケンスの中間３次元ボリューム画像を形成するために使用される２次元画像３２を取得するために、患者の周りの異なる空間配向でデジタル放射線写真撮影検出器２４を用いている。始点ボリューム画像３０の始点の姿勢と終点ボリューム画像４０の終点の姿勢との間で動いている間の切り取り断面上面図において、患者の膝は、ここでも対象２０として表される。図６Ａの配置では、ＤＲ検出器２４は、各中間位置で対象２０の側方視野を提供するために、固定位置に維持される。図６Ｂの配置は、膝を撮像するために前後位置に交互に維持されるＤＲ検出器２４を示す。図６Ｃの配置では、２つのＤＲ検出器２４が使用され、２次元投影画像は、側方および前方から、例えば同時に、撮像される。図６Ｄの配置では、対象２０が動くのにしたがい、異なる角度からの一連の視野で２次元画像３２を取得するために、ＤＲ検出器２４が弧状に動いて、円弧の走査パターンが提供される。
【００３０】
図６Ｅは、付加的なボリューム画像３５が、運動シーケンスを開始および終了する第１の姿勢と第２の姿勢との間に入る第３の姿勢位置で取得される、代替の撮像シーケンスを概略的に示す、上面図である。この代替のシーケンスは、例えば、シーケンスのいくつかの部分の間の運動に特に関心がある場合に役立つ可能性がある。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｅの例示的な配置は、限定的なものではなく、始点ボリューム画像３０と終点ボリューム画像４０との間の２次元画像投影を取得するために使用することができる、種々の配向およびシーケンスの変形例のいくつかを例証するために与えられていることを理解することができる。ある用途のための適切な配置の選択は、示されるような膝の屈曲中等の、動きサイクルの一部の間の運動情報を取得するための最適な角度等の要素に基づくことができる。膝の動きの場合、例えば、特定の角度から取得された２次元投影画像は、関心の領域に対する、中間ボリューム画像を形成する摂動を行うのに最も有用なデータを提供する場合がある。アクセシビリティおよび他の要因もまた、どの種類のＤＲ検出器２４の配置が所与の適用において最も有用なのかを決定付ける場合がある。
【００３２】
これまで述べてきたように、ＣＢＣＴ撮像は、３次元運動シーケンスを使用することができる画像モダリティの１種に過ぎない。始点ボリューム画像３０および終点ボリューム画像４０、ならびに任意の付加的なボリューム画像３５について取得される３次元ボリュームデータは、代替的に、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、超音波ボリューム撮像、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、磁性粒子撮像（ＭＰＩ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、または何等かの他のボリューム撮像技術を使用する装置を含む、何等かの他の種類のボリューム撮像システム上で取得することができる。図６Ｅに関して、例えば、ボリューム画像３０、３５、および４０は、単一の撮像システム上でまたは２つ以上の異なるボリューム撮像装置上で取得することができる。
【００３３】
同様に、デジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器の使用に加えて、数多くの２次元撮像モダリティを、図１のＣＢＣＴシステムと同様に利用することができる。例えば、本発明の方法のための適切な画像データを提供することができる２次元撮像モダリティのうちのいくつかとしては、２次元Ｘ線撮像および超音波撮像が挙げられる。加えて、可視光および赤外線画像を、代替的に２次元画像として使用することができる。例えば、好適に位置付けられたカメラを使用して取得される可視光画像は、１つ以上のボリューム画像を修正する際に使用するのに十分な情報を提供する場合がある。加えて、２つ以上の２次元撮像モダリティを２次元画像３２に使用することができる。したがって、図３に関して、時間ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮにおいて患者が動いている間の２次元画像３２を提供するために、多数の適切な２次元撮像様式を種々の組み合わせで使用することができる。
【００３４】
種々の空間的参照点もまた、２次元画像３２からのボリューム画像再構築のタスクに役立つ場合がある。図７は、運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像３２を取得する際の基準点要素４２の使用を示す、概略側面図である。種々の種類および配置の基準点要素４２を、ここでも撮像されている対象２０および撮像シーケンスの各部分についてのＤＲ検出器２４の相対的配向に基づいて、対象２０と関連付けることができる。基準点要素４２は、撮像した時に、非常に高密度にする、または独特の外観を有することが可能である。基準点要素４２は、患者もしくは他の対象２０にテープ止めするか、または何らかの方法で適切な面に固定することが可能である。ブレースまたは他の種類のデバイスもまた、この目的に使用することができる。代替的に、埋め込まれた物体、または塗布もしくは注入された物質を基準点要素として使用することが可能である。
【００３５】
３次元運動シーケンスを取得するのに役立つ別の付属物は、動きが好ましい経路に沿って行われるように、ガイダンスを提供するためのデバイスである。図８は、一実施形態において対象の動きをガイドするためのガイド４４の使用を示す、概略側面図である。この実施例では、ガイド４４は、一種のヒンジ付ブレースとして表される。代替のガイド機構を使用することができる。ガイド４４はまた、撮像される対象２０の動き速度を制御するために使用されてもよい。
【００３６】
２次元投影画像から取得されるデータに基づく３次元ボリューム画像の摂動は、３次元画像再構築技術の当業者に知られている種々の技術を使用して対処することができる、補間問題である。図５のシーケンスが示すように、２次元投影画像データは、中間ボリューム画像内の特徴の位置を調整するための制約を提供する。全体として、画像補間の問題は、３次元ボリューム画像をその元の２次元データから最初に形成する際の再構築のために解決される一連の問題に、少なくともある程度は密接に関連している。
【００３７】
必要とされる補間を行うための３次元画像ボリュームに２次元画像データを相関させるために、種々の技術を使用することができる。例えば、最大化された相互情報は、画像の座標系を参照画像に関連付けるために使用される１つの手法であり、それと参照画像との間の相互情報が最大化されるまで、画像を反復的に変形させる。画像登録のための相互情報の使用は、例えば、本願と同一譲受人に譲渡された、Ｃｈｅｎへの「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＡＧＥ ＲＥＧＩＳＴＲＡＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＭＵＴＵＡＬ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許第７，２６３，２４３号で説明されている。
【００３８】
画像変形の当業者にはよく知られている３次元画像モーフィングユーティリティおよび技術を、一種の３次元画像モーフィングプロセスとして中間ボリューム画像３６を生成する問題に適合させることができる。ボリューム画像のモーフィングおよびワーピングのためのツールおよび手法の実施例の中には、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２２ｎｄ ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（１９９５）の４４９〜４５６ページに提示された、研究者Ａｐｏｓｔｏｌｏｓ Ｌｅｒｉｏｓ、Ｃｈａｓｅ Ｄ．Ｇａｒｆｉｎｋｌｅ、およびＭａｒｃ Ｌｅｖｏｙらの「Ｆｅａｔｕｒｅ−Ｂａｓｅｄ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｏｓｉｓ」により説明されているものがある。一連の画像において物体を追跡する時に３次元物体をボリュームモーフィングおよび変形のための技術および手法の例は、Ｂｒａｎｄへの「ＭＯＤＥＬＩＮＧ ＳＨＡＰＥ，ＭＯＴＩＯＮ，ＡＮＤ ＦＬＥＸＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮ−ＲＩＧＩＤ ３Ｄ ＯＢＪＥＣＴＳ ＩＮ Ａ ＳＥＱＵＥＮＣＥ ＯＦ ＩＭＡＧＥＳ」という名称の米国特許第７，００６，６８３号で与えられる。
【００３９】
本明細書で説明するように取得された３次元画像の順序付けされたシーケンスを記憶するためには、相当な量のデータ記憶空間が必要とされる可能性がある。生成されたＮ＋３個のボリューム画像のそれぞれを提供するために記憶しておく必要があるデータの全体量を低減するために、種々の画像モデリング技術を使用することができる。
【００４０】
以下の説明では、本発明の好ましい実施形態をソフトウェアプログラムとして説明する。当業者は、そのようなソフトウェアの均等物がまた、ハードウェアで構成されてもよいことを認識するであろう。画像操作アルゴリズムおよびシステムは周知であるので、この説明は、特に、本発明に従う方法の一部、またはそれとともにより直接的に協働するアルゴリズムおよびシステムに向けられことになる。そのようなアルゴリズムおよびシステムの他の態様、ならびにそれらと関連する画像信号を生成するか、別の方法で処理するハードウェアおよび／またはソフトウェアは、本明細書では具体的に示されることも説明されることもないが、当技術分野で知られているそのようなシステム、アルゴリズム、構成要素、および素子から選択されてもよい。
【００４１】
コンピュータプログラム製品は、例えば、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク等）もしくは磁気テープ等の磁気記憶媒体、光ディスク、光学テープ、もしくは機械で読み取り可能なバーコード等の光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もしくはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等の固体電子記憶装置、または１つ以上のコンピュータを制御して本発明による方法を実践するための命令を有するコンピュータプログラムを記憶するために用いられる、任意の他の物理的デバイスまたは媒体といった、１つ以上の記憶媒体を含んでもよい。
【００４２】
前述した方法は、フローチャートを参照して説明することができる。フローチャートを参照することによって本方法を説明することで、当業者は、本方法を好適なコンピュータ上で実行するためのそのような命令を含む、そのようなプログラム、ファームウェア、またはハードウェアを開発して、コンピュータが読み取り可能な媒体からの命令を実行することが可能となる。同様に、サービスコンピュータプログラム、ファームウェア、またはハードウェアによって行われる本方法はまた、コンピュータで実行可能な命令から成る。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ボリューム撮像の分野に関し、より具体的には、診断または他の目的で３次元ボリューム画像の運動画像シーケンスを提供するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元ボリューム撮像は、内部構造および器官の状態を評価するための初期の２次元放射線写真撮像技術を越える顕著な利点を提供する、有益な診断ツールであることが証明されている。患者または他の対象の３次元撮像が、複数の画像を高速に連続して撮像する、デジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器等の、高速撮像検出器の開発を含む、いくつかの進歩によって可能になってきた。
【０００３】
コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）またはコーンビームＣＴ技術は、３次元ボリューム画像を提供するための診断ツールの一種として、かなりの将来性を提供する。コーンビームＣＴシステムは、高フレームレートフラットパネルのデジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器、および撮像される物体の周りを回転するガントリーに取り付けられるＸ線源を使用することによって、ボリュームデータセットを取り込む。ＣＢＣＴシステムは、回転を通して、例えば回転度ごとに１つの２次元投影画像といった、投影を取り込む。投影は、次いで、種々の技術を使用して、３次元ボリューム画像に再構築される。３次元ボリューム画像を再構築するための最も一般的な方法のうちの１つは、フィルタ逆投影法である。
【０００４】
ＣＢＣＴおよび他のボリューム撮像技術の１つの制限は、大部分の用途について、これらの技術が、静止画像、すなわち、患者または他の対象が静止位置に保持される画像だけしか提供しないことである。例えば、膝、肩、および足首等の関節の状態を診断する場合等の、いくつかの医療用途の場合には、運動中の３次元ボリューム画像を再構築する能力にかなりの臨床的な価値があることになる。そのような画像は、例えば、術前計画等の診断機能のために、または術後の治癒および回復を評価するために、整形外科医によって使用される。運動中の３次元ボリューム画像を取得する能力の利益を享受することになる他の用途としては、例えば、歯科学的および獣医学的撮像、ならびに非破壊試験（ＮＤＴ）が挙げられる。現在、３次元で放射線写真用の運動シーケンスを生成するために利用可能な実用的な方法はない。動いている対象のボリューム画像を連続的に取得する等の従来の方法は、設置時間、ならびに計算および画像処理リソースのかなりの消費を必要とするだけでなく、これらの方法は、非常に遅い速度まで減速させる等の、動きの人為的な抑制を引き起こす可能性もある。さらに、医療診断用撮像の場合、３次元運動画像シーケンスのための十分な画像を提供するために必要な累積放射線照射レベルが、そのような連続ボリューム撮像手法では許容できないものとなる可能性がある。
【０００５】
したがって、ＤＲ能力を使用した従来のボリューム撮像には相当な価値があるが、診断医が、運動中の患者のボリューム画像を見ることができるようにする、時系列的な第４次元を提供するための強化された能力が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９９９，５８７号
【特許文献２】米国特許第５，２７０，９２６号
【特許文献３】米国特許第７，００６，６８３号
【特許文献４】米国特許第７，２６３，２４３号
【特許文献５】米国特許第７，１８４，０７１号
【特許文献６】米国特許第６，８７３，７２４号
【特許文献７】米国特許第７，６２０，２５４号
【特許文献８】米国特許第７，５４８，６６４号
【特許文献９】米国特許第７，２８０，７１０号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００９／０１０３７９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、多数の３次元ボリューム画像を含むが、完全な３次元露出および画像処理手順を使用したシーケンスにおいて全ての３次元画像を取得するという要件を伴わない、運動シーケンスを提供することによって、診断用ボリューム撮像の技術を進歩させることである。
【０００８】
これらの目的は、単なる例示的な実施例として与えられており、そのような目的は、本発明の１つ以上の実施形態の例示的なものであってもよい。開示された本発明によって本質的に達成される他の望ましい目的および利点が生じるか、または当業者に明らかにな
る場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、少なくとも部分的にコンピュータシステム上で実行される、３次元画像を取得するための方法であって、静止して第１の姿勢にある対象の始点ボリューム画像を取得することと、対象が第１の姿勢と第２の姿勢との間で動いた時に、対象の１つ以上の２次元画像を取得することと、静止して第２の姿勢にある対象の終点ボリューム画像を取得することと、第１の姿勢と第２の姿勢との間の対象の位置を表す、少なくとも１つの中間ボリューム画像を形成するために、１つ以上の取得した２次元画像に従って、少なくとも始点ボリューム画像を修正することと、少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することと、を含む、方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の利点は、既存のボリューム撮像装置に既に提供されているものに加えて新しいハードウェアを必要とせずに、対象の動きを３次元で示す、運動シーケンスを提供することである。したがって、３次元運動シーケンスは、より高コストの撮像機器を使用するのではなく、画像処理ソフトウェアを使用して取得される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の上述の、および他の目的、特徴、および利点は、添付図面で例証されるように、以下の本発明の実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに一定の縮尺ではない。
【図１】３次元ボリューム画像を形成するために使用される個々の２次元画像を取得するためのＣＢＣＴ撮像装置の動作を示す、概略図である。
【図２】本発明の実施形態による運動３次元ボリューム画像の再構成に必要とされる画像を取得するための撮像シーケンスを示す、概略図である。
【図３】同期がとられたシーケンスの４次元表現のための中間ボリューム画像を形成するために、図２の撮像シーケンスをどのように使用するのかを示す、概略図である。
【図４】同期がとられたシーケンスの４次元表示に使用される画像データを取得するために使用されるステップのシーケンスを示す、論理流れ図である。
【図５】一実施形態における運動シーケンスの一部として使用される中間３次元画像を生成するために使用されるステップのシーケンスを示す、論理流れ図である。
【図６Ａ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器の１つの配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｂ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｃ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用されるシーケンスで２次元画像を取得するためのデジタル検出器の別の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｄ】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得するためのシーケンスにおける、デジタル検出器のさらに別の代替の配置を概略的に示す、上面図である。
【図６Ｅ】始点のボリューム画像と終点のボリューム画像との間の画像取り込みシーケンスにおけるいくつかの時点で付加的なボリューム画像が取得される、代替の撮像シーケンスを概略的に示す、上面図である。
【図７】運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像を取得する際の基準点の使用を示す、概略側面図である。
【図８】一実施形態において対象の動きをガイドするためのガイドの使用を示す、概略側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下は、好ましい実施形態の詳細な説明であり、複数の図のそれぞれにおいて同じ参照番号が構造体の同じ要素を特定する、図面を参照する。
【００１３】
本開示の本文では、「同期がとられたシーケンスの４次元表現」という句は、「３次元運動画像」という句と機能的に同等である。３つの次元は、ボリューム３次元画像を画定するために使用される従来の直交ベクターに関連し、一般的に、３つの直交するｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って示され、表現される。第４の次元は、時間である。
【００１４】
本発明の装置および方法は、ＣＢＣＴ撮像システムおよびシーケンスに関して説明される。好都合に、本発明の方法は、ＣＢＣＴ撮像に使用される従来の撮像シーケンスにいくらかの修正を必要とするが、既存のＣＢＣＴ撮像機器を使用して実行することができる。しかしながら、本明細書で説明される方法および手順は、３次元ボリューム画像を生成する他の種類の撮像システムと類似した方法で使用することが可能であることを強調しておかなければならない。本発明の方法は、撮像システムから取得される３次元ボリューム画像データを、同じシステムから取得される、または代替の撮像システムおよび装置から取得される２次元画像データと組み合わせる。２次元画像データは、３次元運動画像を提供するために、３次元ボリューム画像データを修正するために使用される時間および運動関連の情報を提供する。結果として生じた３次元運動画像は、代替として「４次元」画像と称され、第４の次元は、時間に関連する。
【００１５】
そのようなシステムを使用して３次元ボリューム画像を取得するために使用されるＣＢＣＴ撮像装置および撮像アルゴリズムは、診断用撮像技術でよく知られており、したがって、本出願では詳細に説明しない。ＣＢＣＴ撮像装置の操作で取得される２次元画像源から３次元ボリューム画像を形成するための、いくつかの例示的なアルゴリズムは、例えば、Ｎｉｎｇらへの「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｏｎｅ−Ｂｅａｍ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」という名称の米国特許第５，９９９，５８７号、およびＴａｍへの「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ） Ｉｍａｇｅ ｏｆ ａｎ Ｏｂｊｅｃｔ ｆｒｏｍ Ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｃｏｎｅ Ｂｅａｍ Ｄａｔａ」という名称の米国特許第５，２７０，９２６号に見出すことができる。一般的な適用では、画像データを取得、処理、および記憶するためのコンピュータまたは他の種類の専用論理プロセッサは、画像結果を見るための１つ以上のディスプレイとともに、ＣＢＣＴシステムの一部分である。
【００１６】
好都合に、本発明の方法は、特定の、もしくはＣＢＣＴシステム、または４次元撮像機能専用である他の撮像装置を必要とせず、既存の種々の種類の撮像システムとともに使用することができる。本発明の方法は、後でさらに詳細に説明するように、３次元運動画像を取得するために、強化された撮像シーケンスを用いている。
【００１７】
図１の概略図を参照すると、３次元ボリューム画像を形成するために使用される個々の２次元画像を取得するための従来のＣＢＣＴ撮像装置の動作が、簡素化された形態で示されている。コーンビーム放射線源２２は、円錐状の放射線を、運動の撮像が必要とされる患者または他の対象等の、対象２０に向かって方向付ける。３６０度の回転において１度の角度のきざみにつき１つの画像などのように、一連の画像が、対象の周りで様々な角度で高速に連続して取得される。ＤＲ検出器２４は、放射線源２２の対応する動きと協調して、対象２０の周りで異なる撮像位置まで動く。図１は、これらの画像が対象２０の位置に対してどのように取得されるのかを例証するために、ＤＲ検出器２４の代表的なサンプリング位置を示す。必要とされる２次元投影画像がこのシーケンスで取り込まれると、３次元ボリューム画像を生成するために、フィルタ逆投影または他の従来の技術等の好適な撮像アルゴリズムが使用される。
【００１８】
背景技術の項で前述したように、ＣＢＣＴ撮像装置によって従来取得される３次元ボリューム画像は、静止画像である。対象２０は、固定姿勢であり、多数の個々の２次元投影画像からボリューム画像を再構築するタスクを妨げる、あらゆる動きが抑制される。
【００１９】
本発明の方法は、付加的な２次元画像を取り込み、次いで、これを３次元運動画像を再構築するために用い、それによって、４次元画像を形成するように、ＣＢＣＴシステム能力を強化する。図２の概略図を参照すると、３次元運動画像を生成するためのシーケンスが示されている。以下の実施例では、本発明の手順を例証するために、人間の膝の３次元運動画像を取得するためのシーケンスを一例として使用する。他の四肢または人間解剖学的な部分の撮像、ならびに動きの分析が有用である他の有生または無生の対象の撮像を含む、他の対象を撮像するために、類似したシーケンスを使用できることを理解することができる。背景技術の項で前述したように、本発明の方法は、例えば、非破壊試験（ＮＤＴ）、歯科用撮像、または獣医学的撮像、ならびに医療診断用撮像用途で使用することができる。
【００２０】
図２のシーケンスでは、左から右に時間が表され、始点ボリューム画像３０は、図１を参照して説明したように、最初に、ＣＢＣＴ撮像シーケンスを使用して取得される。この画像を取得するために、対象２０は、始点姿勢で静止して、左側に示される。次いで、対象２０が、始点姿勢位置から最終または終点位置での別の静止姿勢まで動く間に、高速に連続して、一連の個々のＸ線２次元投影画像等の一連のＮ個の連続した２次元画像３２が取り込まれる。図２の実施例では、２次元画像３２が取得されるのとともに、患者の膝は、始点から終点位置まで屈曲する。２次元画像３２の画像の取り込みの割合は、例えば、１秒あたり１０、２０、または３０個の画像などのように、ある範囲にわたる適切な値に変化させることができる。この画像取り込みシーケンスを終了させるには、同じように対象２０が静止して終点姿勢にある状態で、ＣＢＣＴシステムを使用して終点ボリューム画像４０を取得する。
【００２１】
図３の概略図は、図２のシーケンスを使用して取得される撮像結果の処理シーケンスを示す。処理は、コンピュータ５０上で実行されるが、これは、数多くの種類のコンピュータ、コンピュータワークステーション、マイクロプロセッサ、専用ホストプロセッサ、ネットワーク化されたプロセッサ(複数可)、または他の論理処理装置のうちのいずれかであってもよい。コンピュータ５０には、コンピュータハードウェアの一部として、または別個の構成要素として、画像の記憶およびデータ操作動作のためのワークスペースを提供する電子メモリが関連付けられる。この方法を実行するコンピュータプログラム製品は、例えば、磁気ディスクもしくは磁気テープ等の磁気記憶媒体、光ディスク、光学テープ、もしくは機械で読み取り可能なバーコード等の光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もしくはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等の固体電子記憶装置、または１つ以上のコンピュータを制御して本発明による方法を実践するための命令を有するコンピュータプログラムを記憶するために用いられる、任意の他の物理的デバイスもしくは媒体といった、１つ以上の記憶媒体を含んでもよい。ディスプレイ５２は、コンピュータ５０と関連付けられ、図３の処理シーケンスを開始および制御するオペレータコマンドを入力するために、および本発明に従って生成された運動３次元画像を表示する等の、処理結果を表示するために使用することができる。
【００２２】
図３のシーケンスに従って、始点ボリューム画像３０から始まり、一連の中間ボリューム画像３６が、２次元画像３２の連続から取得された動き情報を使用して生成される。ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮという表記は、本明細書では、対応する時間ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮで取り込まれた２次元画像３２の順序付けされたシーケンスを表すために使用される。この処理を使用して組み立てられる、３次元画像の順序付けされたシーケンス５４として示される、結果として生じる３次元運動画像は、始点ボリューム画像３０から始まり、各中間ボリューム画像３６を順々に含み、終点ボリューム画像４０で終了する、順序付けされたシーケンスに対応する。この３次元運動画像は、コンピュータ５０の一部である、または別の方法でコンピュータ５０と関連付けられる、コンピュータがアクセス可能な電子メモリに記憶することができ、高解像度のディスプレイモニタ等の上に表示することができる。
【００２３】
中間ボリューム画像３６が形成されると、再構築されたボリューム画像から２次元画像を抽出することを可能にするデジタル再構築放射線写真撮影（ＤＲＲ）等の画像操作技術を、結果として生じる３次元ボリュームデータに使用することができる。２次元画像抽出のためのＤＲＲ法および技術は、ボリューム撮像技術の当業者によく知られている。
【００２４】
好都合なことに、始点ボリューム画像３０、順に並んだＮ＋１個の中間ボリューム画像３６、および終点ボリューム画像４０、またはこれらのボリューム画像のサブセットから成る、３次元画像の順序付けされたシーケンス５４を、記憶し、適切な速度で再生および再度再生し、一時停止し、また逆に再生することができる。始点ボリューム画像３０および終点ボリューム画像４０、ならびに個々の中間ボリューム画像３６は、好適な角度で個々に見ることができ、診断目的で使用することができる。例えば、膝の例を物体２０として使用すると、図３に示されるように取得された３次元画像の順序付けされたシーケンスの動画の再生は、施術者が、例えば、側方、前方、および後方から運動中の膝の機能を観察するなどのように、任意の適切な角度から関節の動きを観察することを可能にする。
【００２５】
図４は、図２を参照して説明されるパターンに従う、同期がとられたシーケンスの４次元表現のために使用される画像データを収集するための例示的な一連のステップを示す、論理流れ図である。最初のステップＳ１００は、始点ボリューム画像Ｍ０を取得する。この後に、図４でループ操作として示される繰り返しシーケンスは、次いで、Ｎ個の２次元投影画像を獲得する。カウンタ初期化ステップＳ１１０は、ループの反復および終了を制御するために、カウンタ値ｎを初期化する。取り込みステップＳ１２０で、各２次元投影画像ｔｎが取り込まれる。次いで、試験ステップＳ１３０およびループカウンタ増加ステップＳ１４０が、ループ制御のために実行される。最後に、終点ボリューム画像取り込みステップＳ１５０は、終点ボリューム画像４０を取得する。
【００２６】
再度図３を参照すると、必要である２次元画像３２の数Ｎは、対象２０の複雑さ、取り込まれる運動の相対速度、ＤＲ検出器２４の応答時間、および他の要因等の、種々の要因に基づくことができることを理解することができる。同様に、時間ｔｎの間隔も変動させることができる。例えば、動いている間の対象２０の特徴の特定の関係等の要因に基づいて、一連の中の任意の２つの２次元画像３２を取り込む間隔のタイミングを変動させることが有利である場合がある。
【００２７】
図４の一連のステップを使用してデータが収集されたと仮定すると、図５の論理流れ図は、一実施形態では、図３を参照して前述したように、運動シーケンスの一部として使用されるＮ＋１個の中間３次元ボリューム画像３６を生成するために使用される、例示的な一連のステップを示す。ループ初期化ステップＳ２００は、以降の繰り返しシーケンスを制御するためのカウント値ｑをリセットする。次いで、摂動ステップＳ２１０は、連続した中間３次元ボリューム画像３６のそれぞれを生成するために、ｔｑ＋１において撮像された２次元投影画像から取得される相対運動データを使用して、ボリューム画像Ｍｑを修正する。次いで、増加ステップＳ２２０および試験ステップＳ２３０は、ループの繰り返しおよび終了を行うが、Ｎ＋１個の中間３次元ボリューム画像３６を生成する必要に応じて何度も摂動ステップＳ２１０を繰り返す。最後に、最終ステップＳ２４０は、一連の中の最後の中間３次元ボリューム画像ＭＮ＋１を生成するために、終点ボリューム画像ＭＮ＋２を使用して、中間３次元ボリューム画像Ｍｑの修正を行う。
【００２８】
図４および図５に示される論理流れ図は、本発明の一実施形態の一連のステップを示すために提供される、例示的なものであり、類似した結果を提供するために、他のシーケンスを使用することが可能であることに留意されたい。例えば、必要とされる３次元摂動を行うために必要とされるデータを取得するために、複数の２次元画像３２からのデータを組み合わせるための種々の技術を使用することが可能である。運動予測技術は、例えば、適切な運動ベクトルを提供する等のために、多数の２次元投影画像を組み合わせることから利益を享受する場合がある。
【００２９】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、および図６Ｄは、可能な撮像シーケンスの配列のいくつかを概略的に示す、上面図である。これらの図に示される配置のそれぞれは、図３および図４を参照して前述したように、運動シーケンスの中間３次元ボリューム画像を形成するために使用される２次元画像３２を取得するために、患者の周りの異なる空間配向でデジタル放射線写真撮影検出器２４を用いている。始点ボリューム画像３０の始点の姿勢と終点ボリューム画像４０の終点の姿勢との間で動いている間の切り取り断面上面図において、患者の膝は、ここでも対象２０として表される。図６Ａの配置では、ＤＲ検出器２４は、各中間位置で対象２０の側方視野を提供するために、固定位置に維持される。図６Ｂの配置は、膝を撮像するために前後位置に交互に維持されるＤＲ検出器２４を示す。図６Ｃの配置では、２つのＤＲ検出器２４が使用され、２次元投影画像は、側方および前方から、例えば同時に、撮像される。図６Ｄの配置では、対象２０が動くのにしたがい、異なる角度からの一連の視野で２次元画像３２を取得するために、ＤＲ検出器２４が弧状に動いて、円弧の走査パターンが提供される。
【００３０】
図６Ｅは、付加的なボリューム画像３５が、運動シーケンスを開始および終了する第１の姿勢と第２の姿勢との間に入る第３の姿勢位置で取得される、代替の撮像シーケンスを概略的に示す、上面図である。この代替のシーケンスは、例えば、シーケンスのいくつかの部分の間の運動に特に関心がある場合に役立つ可能性がある。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｅの例示的な配置は、限定的なものではなく、始点ボリューム画像３０と終点ボリューム画像４０との間の２次元画像投影を取得するために使用することができる、種々の配向およびシーケンスの変形例のいくつかを例証するために与えられていることを理解することができる。ある用途のための適切な配置の選択は、示されるような膝の屈曲中等の、動きサイクルの一部の間の運動情報を取得するための最適な角度等の要素に基づくことができる。膝の動きの場合、例えば、特定の角度から取得された２次元投影画像は、関心の領域に対する、中間ボリューム画像を形成する摂動を行うのに最も有用なデータを提供する場合がある。アクセシビリティおよび他の要因もまた、どの種類のＤＲ検出器２４の配置が所与の適用において最も有用なのかを決定付ける場合がある。
【００３２】
これまで述べてきたように、ＣＢＣＴ撮像は、３次元運動シーケンスを使用することができる画像モダリティの１種に過ぎない。始点ボリューム画像３０および終点ボリューム画像４０、ならびに任意の付加的なボリューム画像３５について取得される３次元ボリュームデータは、代替的に、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、超音波ボリューム撮像、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、磁性粒子撮像（ＭＰＩ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、または何等かの他のボリューム撮像技術を使用する装置を含む、何等かの他の種類のボリューム撮像システム上で取得することができる。図６Ｅに関して、例えば、ボリューム画像３０、３５、および４０は、単一の撮像システム上でまたは２つ以上の異なるボリューム撮像装置上で取得することができる。
【００３３】
同様に、デジタル放射線写真撮影（ＤＲ）検出器の使用に加えて、数多くの２次元撮像モダリティを、図１のＣＢＣＴシステムと同様に利用することができる。例えば、本発明の方法のための適切な画像データを提供することができる２次元撮像モダリティのうちのいくつかとしては、２次元Ｘ線撮像および超音波撮像が挙げられる。加えて、可視光および赤外線画像を、代替的に２次元画像として使用することができる。例えば、好適に位置付けられたカメラを使用して取得される可視光画像は、１つ以上のボリューム画像を修正する際に使用するのに十分な情報を提供する場合がある。加えて、２つ以上の２次元撮像モダリティを２次元画像３２に使用することができる。したがって、図３に関して、時間ｔ１、ｔ２、．．．、ｔＮにおいて患者が動いている間の２次元画像３２を提供するために、多数の適切な２次元撮像様式を種々の組み合わせで使用することができる。
【００３４】
種々の空間的参照点もまた、２次元画像３２からのボリューム画像再構築のタスクに役立つ場合がある。図７は、運動シーケンスの中間３次元画像を形成するために使用される２次元画像３２を取得する際の基準点要素４２の使用を示す、概略側面図である。種々の種類および配置の基準点要素４２を、ここでも撮像されている対象２０および撮像シーケンスの各部分についてのＤＲ検出器２４の相対的配向に基づいて、対象２０と関連付けることができる。基準点要素４２は、撮像した時に、非常に高密度にする、または独特の外観を有することが可能である。基準点要素４２は、患者もしくは他の対象２０にテープ止めするか、または何らかの方法で適切な面に固定することが可能である。ブレースまたは他の種類のデバイスもまた、この目的に使用することができる。代替的に、埋め込まれた物体、または塗布もしくは注入された物質を基準点要素として使用することが可能である。
【００３５】
３次元運動シーケンスを取得するのに役立つ別の付属物は、動きが好ましい経路に沿って行われるように、ガイダンスを提供するためのデバイスである。図８は、一実施形態において対象の動きをガイドするためのガイド４４の使用を示す、概略側面図である。この実施例では、ガイド４４は、一種のヒンジ付ブレースとして表される。代替のガイド機構を使用することができる。ガイド４４はまた、撮像される対象２０の動き速度を制御するために使用されてもよい。
【００３６】
２次元投影画像から取得されるデータに基づく３次元ボリューム画像の摂動は、３次元画像再構築技術の当業者に知られている種々の技術を使用して対処することができる、補間問題である。図５のシーケンスが示すように、２次元投影画像データは、中間ボリューム画像内の特徴の位置を調整するための制約を提供する。全体として、画像補間の問題は、３次元ボリューム画像をその元の２次元データから最初に形成する際の再構築のために解決される一連の問題に、少なくともある程度は密接に関連している。
【００３７】
必要とされる補間を行うための３次元画像ボリュームに２次元画像データを相関させるために、種々の技術を使用することができる。例えば、最大化された相互情報は、画像の座標系を参照画像に関連付けるために使用される１つの手法であり、それと参照画像との間の相互情報が最大化されるまで、画像を反復的に変形させる。画像登録のための相互情報の使用は、例えば、本願と同一譲受人に譲渡された、Ｃｈｅｎへの「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＡＧＥ ＲＥＧＩＳＴＲＡＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＭＵＴＵＡＬ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許第７，２６３，２４３号で説明されている。
【００３８】
画像変形の当業者にはよく知られている３次元画像モーフィングユーティリティおよび技術を、一種の３次元画像モーフィングプロセスとして中間ボリューム画像３６を生成する問題に適合させることができる。ボリューム画像のモーフィングおよびワーピングのためのツールおよび手法の実施例の中には、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２２ｎｄ ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（１９９５）の４４９〜４５６ページに提示された、研究者Ａｐｏｓｔｏｌｏｓ Ｌｅｒｉｏｓ、Ｃｈａｓｅ Ｄ．Ｇａｒｆｉｎｋｌｅ、およびＭａｒｃ Ｌｅｖｏｙらの「Ｆｅａｔｕｒｅ−Ｂａｓｅｄ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｏｓｉｓ」により説明されているものがある。一連の画像において物体を追跡する時に３次元物体をボリュームモーフィングおよび変形のための技術および手法の例は、Ｂｒａｎｄへの「ＭＯＤＥＬＩＮＧ ＳＨＡＰＥ，ＭＯＴＩＯＮ，ＡＮＤ ＦＬＥＸＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮ−ＲＩＧＩＤ ３Ｄ ＯＢＪＥＣＴＳ ＩＮ Ａ ＳＥＱＵＥＮＣＥ ＯＦ ＩＭＡＧＥＳ」という名称の米国特許第７，００６，６８３号で与えられる。
【００３９】
本明細書で説明するように取得された３次元画像の順序付けされたシーケンスを記憶するためには、相当な量のデータ記憶空間が必要とされる可能性がある。生成されたＮ＋３個のボリューム画像のそれぞれを提供するために記憶しておく必要があるデータの全体量を低減するために、種々の画像モデリング技術を使用することができる。
【００４０】
以下の説明では、本発明の好ましい実施形態をソフトウェアプログラムとして説明する。当業者は、そのようなソフトウェアの均等物がまた、ハードウェアで構成されてもよいことを認識するであろう。画像操作アルゴリズムおよびシステムは周知であるので、この説明は、特に、本発明に従う方法の一部、またはそれとともにより直接的に協働するアルゴリズムおよびシステムに向けられことになる。そのようなアルゴリズムおよびシステムの他の態様、ならびにそれらと関連する画像信号を生成するか、別の方法で処理するハードウェアおよび／またはソフトウェアは、本明細書では具体的に示されることも説明されることもないが、当技術分野で知られているそのようなシステム、アルゴリズム、構成要素、および素子から選択されてもよい。
【００４１】
コンピュータプログラム製品は、例えば、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク等）もしくは磁気テープ等の磁気記憶媒体、光ディスク、光学テープ、もしくは機械で読み取り可能なバーコード等の光学記憶媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もしくはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等の固体電子記憶装置、または１つ以上のコンピュータを制御して本発明による方法を実践するための命令を有するコンピュータプログラムを記憶するために用いられる、任意の他の物理的デバイスまたは媒体といった、１つ以上の記憶媒体を含んでもよい。
【００４２】
前述した方法は、フローチャートを参照して説明することができる。フローチャートを参照することによって本方法を説明することで、当業者は、本方法を好適なコンピュータ上で実行するためのそのような命令を含む、そのようなプログラム、ファームウェア、またはハードウェアを開発して、コンピュータが読み取り可能な媒体からの命令を実行することが可能となる。同様に、サービスコンピュータプログラム、ファームウェア、またはハードウェアによって行われる本方法はまた、コンピュータで実行可能な命令から成る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的にコンピュータシステム上で実行される、３次元画像を取得するための方法であって、
静止して第１の姿勢にある対象の始点ボリューム画像を取得することと、
前記対象が前記第１の姿勢と第２の姿勢との間で動くのにともない、前記対象の１つ以上の２次元画像を取得することと、
静止して前記第２の姿勢にある前記対象の終点ボリューム画像を取得することと、
前記第１の姿勢と前記第２の姿勢との間の前記対象を表す、少なくとも１つの中間ボリューム画像を形成するために、前記１つ以上の取得した２次元画像に従って、少なくとも前記始点ボリューム画像を修正することと、
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記１つ以上の取得した２次元画像に従って、前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を修正することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記始点ボリューム画像を取得することは、コーンビームＣＴ撮像システムから前記始点ボリューム画像を再構築することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記始点ボリューム画像は、磁気共鳴撮像システム、超音波ボリューム撮像システム、陽電子放出断層撮影システム、磁性粒子撮像システム、および単光子放出コンピュータ断層撮影システムから成る群から選択される撮像システムから取得される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記対象の前記１つ以上の２次元画像を取得することは、２次元Ｘ線画像、超音波画像、可視光画像、および赤外線画像のうちの１つ以上を取得することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記対象が前記第１の姿勢と前記第２の姿勢との中間の中間姿勢で静止している、第３のボリューム画像を取得することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記始点ボリューム画像を修正することは、補間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
１つ以上の基準点要素を前記対象と関連付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１つ以上の基準点要素は、注入された物質を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記対象の動きのためのガイドを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することは、前記始点ボリューム画像から始まり、前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を含み、前記終点ボリューム画像で終わる、一連の画像を連続して表示することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像は、第１の中間ボリューム画像であり、少なくとも第２の中間ボリューム画像があり、前記第２の中間画像は、前記１つ以上の取得された２次元画像に従って、前記第１の中間ボリューム画像を修正することによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第３の中間ボリューム画像があり、前記第３の中間画像は、前記終点ボリューム画像に従って、前記第２の中間ボリューム画像を修正することによって形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像をコンピュータがアクセス可能なメモリに記憶することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記終点ボリューム画像を取得することは、コーンビームＣＴ撮像システムから前記終点ボリューム画像を再構築することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１】
少なくとも部分的にコンピュータシステム上で実行される、３次元画像を取得するための方法であって、
静止して第１の姿勢にある対象の始点ボリューム画像を取得することと、
前記対象が前記第１の姿勢と第２の姿勢との間で動くのにともない、前記対象の１つ以上の２次元画像を取得することと、
静止して前記第２の姿勢にある前記対象の終点ボリューム画像を取得することと、
前記第１の姿勢と前記第２の姿勢との間の前記対象を表す、少なくとも１つの中間ボリューム画像を形成するために、前記１つ以上の取得した２次元画像に従って、少なくとも前記始点ボリューム画像を修正することと、
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記１つ以上の取得した２次元画像に従って、前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を修正することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記始点ボリューム画像を取得することは、コーンビームＣＴ撮像システムから前記始点ボリューム画像を再構築することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記始点ボリューム画像は、磁気共鳴撮像システム、超音波ボリューム撮像システム、陽電子放出断層撮影システム、磁性粒子撮像システム、および単光子放出コンピュータ断層撮影システムから成る群から選択される撮像システムから取得される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記対象の前記１つ以上の２次元画像を取得することは、２次元Ｘ線画像、超音波画像、可視光画像、および赤外線画像のうちの１つ以上を取得することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記対象が前記第１の姿勢と前記第２の姿勢との中間の中間姿勢で静止している、第３のボリューム画像を取得することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記始点ボリューム画像を修正することは、補間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
１つ以上の基準点要素を前記対象と関連付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１つ以上の基準点要素は、注入された物質を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記対象の動きのためのガイドを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を表示することは、前記始点ボリューム画像から始まり、前記少なくとも１つの中間ボリューム画像を含み、前記終点ボリューム画像で終わる、一連の画像を連続して表示することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像は、第１の中間ボリューム画像であり、少なくとも第２の中間ボリューム画像があり、前記第２の中間画像は、前記１つ以上の取得された２次元画像に従って、前記第１の中間ボリューム画像を修正することによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第３の中間ボリューム画像があり、前記第３の中間画像は、前記終点ボリューム画像に従って、前記第２の中間ボリューム画像を修正することによって形成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの中間ボリューム画像をコンピュータがアクセス可能なメモリに記憶することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記終点ボリューム画像を取得することは、コーンビームＣＴ撮像システムから前記終点ボリューム画像を再構築することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１７８３７（Ｐ２０１３−５１７８３７Ａ）
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５０００８（Ｐ２０１２−５５０００８）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／００００４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９０７７５
【国際公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（５０７２２４５８７）ケアストリーム ヘルス インク (76)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／００００４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９０７７５
【国際公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（５０７２２４５８７）ケアストリーム ヘルス インク (76)
【Ｆターム（参考）】
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