JP2018524071A - 医用画像を表示するための伝達関数の選択 - Google Patents

Abstract

画像データを可視化するためのシステム及び関連方法に関する。システムは、ｉ）撮像の対象に関して撮像装置によって取得された信号から変換された或る範囲の強度値を含む画像データ、及びｉｉ）強度値の範囲内のデータ間隔を画像値の画像間隔へ写像するように構成された第１の伝達関数の定義を受信するための入力ポートＩＮを備える。移行領域識別器ＴＲＩが、データ間隔の外側の強度値の中から、対象の組成及び／又は構成の移行、或いは対象に関連する物理的特性に関する移行を表す１つ又は複数の移行強度値を識別する。伝達関数生成器ＴＦＧが、データ間隔の外側の強度値のために、第２の伝達関数を生成する。第２の伝達関数は非線形であり、移行強度値の前後で局所的に最大となるそれぞれの勾配を含む。次に、レンダラＲＤが、表示ユニットＭＴ上において、これら２つの伝達関数に基づいて画像データの少なくとも一部の可視化像をレンダリングする。

Description

本発明は、画像処理システム、画像処理方法、コンピュータプログラム要素、及びコンピュータ可読媒体に関する。

医用画像の可視化においては、例えば、断層撮影医用画像が観察されることになる時に、特定の「レベル」及び「ウィンドウ」の設定を選択することが臨床上の標準手順である。この手順は時として、レベル−ウィンドウ技法と呼ばれる。その目的は、特定の解剖学的領域のために特徴的な特定の強度範囲内のコントラストを高め、例えば、黒色から白色までの全域を用いて、選択された範囲を示すことである。ＣＴ画像は、（ハウンスフィールド単位（Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ ｕｎｉｔ、ＨＵ）による）明確に定義されたスケールを備えるため、特定の再観察課題のための特定のグレー値ウィンドウを選択することがごく一般的であり、例えば、専用の肺ウィンドウ又は骨ウィンドウが定義されている。ＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ、磁気共鳴画像法）などの、他の撮像モダリティの場合には、ＣＴ撮像法の場合ほどスケールが定量的でないため、適切な可視化を選定することはより複雑である。したがって、ＭＲ画像は、非常に多くの場合、標準化され、勾配バイアス磁場が抑制される。これは、ウィンドウレベル設定が小さな局所的領域を越えて有用となることを可能にするために必要な技法である。たとえ、これを用いなくとも、ＣＴの場合と同様のレベル及びウィンドウ写像が、その場合にＭＲデータセットを（再）観察するために用いられる。

異なる解剖学的コンテキスト及び課題専用の既定のレベル−ウィンドウ設定が豊富に存在するにもかかわらず、いくらかの解剖学的情報は依然として画像（再）観察の間に臨床医の注意からそれてしまう場合があることが出願人によって認められている。

したがって、画像データを可視化するための代替的なシステム又は方法が必要とされている。

本発明の目的は独立請求項の主題によって解決され、従属請求項には更なる実施形態が組み込まれる。本発明の以下に記載されている態様は、画像処理方法、コンピュータプログラム要素及びコンピュータ可読媒体に等しく適用することに留意されたい。

本発明の第１の態様によれば、− ｉ）撮像の対象に関して撮像装置によって取得された信号から変換された或る範囲の強度値を含む画像データ、及びｉｉ）強度値の範囲内のデータ間隔を画像値の画像間隔へ写像するように構成された第１の伝達関数の定義を受信するための入力ポートと、
− 本明細書において外側強度値と呼ばれる、データ間隔の外側の強度値の中から、対象の組成及び／又は構成の移行、或いは対象に関連する物理的特性に関する移行を表す１つ又は複数の移行強度値（本明細書において移行地点とも呼ばれる）を識別するように構成された移行領域識別器と、
− 外側強度値のために、少なくとも１つの第２の伝達関数を生成するように構成された伝達関数生成器であって、少なくとも１つの第２の伝達関数は非線形であり、１つ又は複数の移行強度値又はその前後においてそれぞれの０でない勾配（傾き）を含む、伝達関数生成器と、
− 表示ユニット上において、これら少なくとも２つの伝達関数に基づいた画像データの少なくとも一部の可視化像をレンダリングするように構成されたレンダラと、
を備える、画像処理システムが提供される。

換言すれば、第２の伝達関数の傾きは移行地点又はその前後において少なくとも局所的に最大になる。即ち、１つ又は複数の移行地点の周りには、それぞれの近傍が存在し（それぞれの近傍はそれぞれの移行地点を含む）、各近傍内には、０でない勾配、又は更に、それぞれの近傍についての局所的に最大である勾配を含む少なくとも１つの外側強度値が存在する。

これはこれらの移行地点におけるコントラストの向上を可能にし、かくして、外側範囲強度値によってコード化された構造的手がかりをユーザに提供する。コントラストの向上は、それが重要である場所、即ち、移行が呈される場所に限定されるため、可視化像の情報内容は増大するが、それにもかかわらず、「情報過多」は阻止される。

一実施形態によれば、移行領域識別器は、外側強度値のうちの少なくとも１つについての少なくとも１つの等値面を計算するように構成されており、１つ又は複数の移行強度値の識別は、１つ又は複数の等値面の移行領域識別器（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ、ＴＲＩ）による評価動作に基づく。

一実施形態によれば、評価動作は、メトリックを計算することを含み、前記メトリックは、少なくとも１つの等値面の表面積、等値面を横切る勾配及び／又は勾配の積分、勾配の絶対値若しくは勾配の符号付きの値を計算すること、のうちの何れか１つ又は複数のものである。

一実施形態によれば、移行強度値は、メトリックが閾値を上回るか、若しくは下回る場合、又はメトリックが少なくとも局所的な極値とみなされる場合に、識別される。

一実施形態によれば、レンダラは、可視化像内に、１つ又は複数の等値面の１つ又は複数の等高線を含むように構成されている。

一実施形態によれば、画像データは、２Ｄ Ｘ線画像、３Ｄコンピュータ断層撮影画像ボリューム、磁気共鳴画像データ、２Ｄ又は３Ｄ超音波画像のうちの何れかである。

一実施形態によれば、組成の移行は、材料（例えば、組織）の種類の移行、又は材料の種類と背景との間の移行を含む。

本提案のシステムは医用画像（例えば、断層撮影画像又はその他のもの）の標準的観察を有用に補完する。上記の背景において述べられたように、この標準的観察は、関心のある一次領域のための課題依存伝達関数（第１の伝達関数）を用いて遂行される。第１の伝達関数は、特定のグレー値レベル、及び前記レベルの周りの「ウィンドウ」によって定義される。これまでは、このウィンドウの外側では、表示される可視化像は「裁ち落とされ」、それゆえ、解剖学的情報は隠されてしまう。これを改善するために、本提案のシステムは、色の変更が、最適な、解剖学的に有意の位置において選定されるよう、選択されたウィンドウの外側の追加の（第２の）（色）伝達関数を構築する。コントラストは、第２の伝達関数によって、識別された移行強度値（本明細書において移行地点とも呼ばれる）の周りでのみ選択的に高められる。換言すれば、移行を呈する外側範囲内の地点／領域のみをよりうまく可視化するように、グレー値ウィンドウの外側の色の変更及びコントラストの変化を最適に選定することができる。任意選択的に、グレーレベルウィンドウの外側においては、これらの有意の移行において等値線を用いてデータセットを表示することもできる。

用語「第１の」及び「第２の」伝達関数（単数又は複数）は広義に解釈されるべきである。

初めに、第１の伝達関数が内側範囲及び外側範囲上で定義される。次に、第２の伝達関数が外側範囲のみのために計算され、次に、（第１の伝達関数）の内側範囲内へ延長し、そこでは、第２の伝達関数は第１の伝達関数と同一であると考えることができる。しかしながら、数学的には、２つの伝達関数は単一の伝達関数の区間とも見なされ得る。内側及び外側範囲上においてのみ各区間がそれぞれ定義され、次に、内側と外側範囲との（集合論的）和集合によって形成される変域上において単一の伝達関数が定義される。また、用語「第１（ｆｉｒｓｔ）」及び「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」は、２つの関数（区間）を区別するために用いられる名称であり、一方の他方に対する「優先度」の意味を必然的に付与するように解釈されるべきではない。それにもかかわらず、（必ずしも全てのシナリオでというわけではないが）一部の使用シナリオでは、（初期）レベル−ウィンドウ設定を定義又は選択する際、即ち、第１の伝達関数を定義する際に、第１の伝達関数は、臨床医が主として関心をもっている、関心のある一次領域に関連付けられる。

次に、以下の図面を参照して本発明の例示的な実施形態を説明する。

撮像システムを示す図である。 伝達関数を示す図である。 従来の画像を、図１に基づく撮像システムによって獲得可能な例示的な画像と比較して示す図である。 画像処理方法のフローチャートを示す図である。 更なる伝達関数を示す図である。

図１を参照すると、画像取得装置ＩＡＡと、画像処理（サブ）システムＶＳ又は「ビジュアライザ」とを備える撮像システムが示されている。ビジュアライザは、汎用計算ユニット上、又は専用ワークステーションＷＳ上で実行される（医用画像）観察プラットフォーム内のソフトウェアルーチンとして実施することができる。画像取得装置ＩＡＡによって供給される画像生データは、コンピュータモニタ、又はポータブル通信デバイス（スマートフォン、タブレットなど）の表示スクリーンなどの表示デバイスＭＴ上で観察可能な画像を作成するために、以下においてより詳細に説明される仕方で処理することができる。画像取得装置ＩＡＡによって供給されたとおりの画像データは、有線若しくは無線ネットワーク内で、又は任意の他の手段によって（例えば、ＵＳＢドングルなどによって）ビジュアライザＶＳへ転送することができる。ビジュアライザＶＳは、（専用）ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ、フィールドプログラマブルゲートアレイ）として、又はハードワイヤードチップとしても実施される。ビジュアライザは、計算ユニット又はワークステーションＷＳの専用グラフィックスチップ又はグラフィックスプロセッサ内に統合されてもよい。

画像取得装置ＩＡＡによって供給されるとおりの画像データは２Ｄ又は３Ｄであることができる。本明細書において想定されている画像取得装置ＩＡＡの例は、Ｃ−アームシステムなどの２Ｄ Ｘ線撮影システム、コンピュータ断層撮影スキャナ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＣＴ）、磁気共鳴撮像装置ＭＲＩ、又は超音波撮像システムなどの任意の他の撮像モダリティである。

画像取得装置は、特に、医療用途に想定されている。ただし、他の適用分野も本明細書において除外されない。画像取得装置ＩＡＡは、特に、関心のある対象ＯＢの内部についての画像信号を取得するように構成されている。ただし、関心のある対象ＯＢの外側を表す画像信号の処理も本明細書において除外されない。簡潔にするために、用語「関心のある対象」ＯＢは、本明細書で使用する時、生物又は無生物の対象を含む。具体的には、対象は、人間若しくは動物の患者、又は特定の解剖学的構造（胸部、腹部、四肢等）などの、患者の一部である。

概して、画像取得装置ＩＡＡは、対象の内部構造について問い合わせるための問い合わせ信号を生成する能力を有する。このような問い合わせ信号の例は、Ｘ線放射若しくはその他の電磁放射、又は超音波などの非電磁信号である。問い合わせ信号は対象と相互作用し、検出デバイスＤＤを用いて検出される応答信号を変調する。例えば、Ｘ線撮影の実施形態では、検出デバイスＤＤはＸ線感知検出器である。ＭＲＩでは、検出デバイスＤＤは、電磁パルスを捕捉するためのコイルを備える。超音波では、検出器デバイスは、超音波反射を捕捉するように構成されたトランスデューサなどである。即ち、用いられる撮像モダリティに依存して、検出デバイスは、それぞれの種類の応答信号を捕捉するように好適に構成されている。

次に、検出された信号（強度値）はデータ取得ユニットＤＡＳによってデジタル形式に処理される。次に、デジタル化された強度データは、変換回路機構ＣＳによって、強度データを、ＣＴにおいて用いられる或る範囲のハウンスフィールド単位（ＣＴ数）などの、好適な数値フォーマットへ変換するために処理される。ハウンスフィールド単位（ＨＵ）は、物質の放射線密度を表すために用いられる。従来、空気は、−１０００ＨＵの放射線密度を含み、水は０ＨＵの放射線密度を含み、骨についてのものは、７００〜３０００ＨＵ前後の範囲内にある。このように変換された強度値は、次に、生画像データとしてビジュアライザＶＳへ転送され、その出力ＯＵＴにおいて、撮像システムのビデオ回路機構ＶＤを駆動するために用いることができる色信号を生成し、ビデオ回路機構ＶＤが今度は、モニタＭＴを、（場合により、フォーマット変換された）強度値の表示、即ち、可視化像を作成するように制御する。「色値」は、本明細書において、広いコンピュータグラフィックスの意味で用いられており、そのため、特に、黒色、白色及びグレー値を含み、「色値」は、ＲＧＢ（ｒｅｄ−ｇｒｅｅｎ−ｂｌｕｅ、赤色−緑色−青色）符号化などの狭い意味でのカラー画像化に限定されることを意図されていない。強度は、ビジュアライザによって処理される前に更なる信号処理段階を通されてもよいことが理解されるであろう。例えば、ＣＴの実施形態では、ＨＵフォーマットへの変換前に、強度値は、好適な再構成アルゴリズム（例えば（フィルタ補正）逆投影（（ｆｉｌｔｅｒｅｄ）−ｂａｃｋｗａｒｄ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）（Ｆ）ＢＰ、統計的、代数的又はその他の逐次再構成技法など）を実施する再構成モジュール（図示されていない）によって処理される。再構成は、取得された強度（これらは、マニホールド方向に沿った対象を通した投影である）に対して動作し、強度値の３Ｄセットを再構成し、次にＨＵフォーマットへ変換され、ビジュアライザＶＳによる処理のために転送されるのは、強度のこの３Ｄブロックである。

画像取得装置ＩＡＡによって取得されたとおりの強度値は、内部構造に関する情報、例えば、撮像の対象ＯＢの構成又は組成をコード化している。用いられる問い合わせ信号に依存して、対象の内部構造又は組成は特定のパターンを応答信号上に変調する。このパターン又は変調は、好適な数値範囲への変換後に維持され、デジタル画像データにわたる、証拠となる空間変化として画像データ内にコード化される。より具体的には、画像データは、例えば、画像要素（ピクセル又はボクセル）に編成され、各画像要素はＣＴの実施形態におけるハウンスフィールド単位などの数値に関連付けられる。このとき、それらの画像要素を横切るこれらの数値の変化は、関心のある特定の構造を表すと考えることができる。画像データにおいて特に関心のあるものは、撮像の対象における構成又は組成の移行を表す画像要素のサブセットである。例えば、１つの材料（特に、組織）の種類から別のものへ（例えば、脂肪から水へ）、又は背景と組織骨との間の移行、或いは関心のある任意の他の種類の移行である。実施形態によっては、移行と、画像データがこれらの変化をコード化する仕方との間の対応は、必ずしもＸ線撮像のように直接的で単純明快であるとは限らない。例えば、ＭＲＩでは、記録された測定値は移行に直接関連しない場合がある。

好適な数値フォーマット（例えば、ＣＴ数）への変換前又は後の強度値は、本明細書において、「生画像データ」と呼ばれる場合がある。これは、このデータはそれ自体では、大抵、可視化に適していないためである（また、以下においては、強度値とそれらの数値変換／再構成とをもはや区別せず、両者は、本明細書において、「強度値」又は単に「強度」と呼ばれる）。

生データを可視化のために準備するために、伝達関数が用いられる。伝達関数は、強度値を、次に、スクリーンＭＴ上における画像データの実際の可視化の動作を制御するために用いることができる好適な範囲の色値へ写像するように構成されている。しかしながら、全ての強度値の画像範囲、即ち、ダイナミックスは極めて大きくなり得て、それらの間の差は極めて捉えにくくなり得る。したがって、全範囲の強度値を或る（限られた）範囲の画像／色値へ写像すると、それらの、場合によってはわずかな変化が全く弁別不可能になり得る可視化像が作成されることがある。この問題に対処するために、画像データのどの範囲が、関心のある特定の対象に対応するのかをユーザに知らせるための「観察ガイドライン」が公開されている。この情報に基づいて、ユーザは、いわゆるレベル−ウィンドウ技法を用いて、図２の図に示されるとおりの関心のある特定の画像値（「レベル」）を中心とした画像値の好適な範囲（「ウィンドウ」）を選択することができる。図２は、画像伝達関数の詳細も示している。複数のデータ／強度値１が複数の画像／色値２へ写像される。強度値１は、例えば、ＣＴ画像におけるハウンスフィールド単位を表し、画像値２は、例えば、グレースケール値などの色値を表す。レベル及びウィンドウ写像技法において、画像内のピクセルデータ値の分布はピクセルデータ値ヒストグラム３によって表されている。このうち、ユーザは、データ値レベル５を中心とした特定のウィンドウ４に関心がある。ウィンドウは特定の生理学的関心を含み、黒色７と白色８との間の利用可能な画像値の全スケールよりも小さいグレースケール値の範囲６を生じさせる。ウィンドウ４内のデータ値の間のグレースケールコントラストを改善するために、ウィンドウ内の最も低いデータ値は慣習的に、線形写像関数９を用いて黒色７へ写像され、最も高いデータ値は白色８へ写像される。その結果、ウィンドウ内の最も低いデータ値以下のデータ値は黒色へ写像され、最も高いデータ値以上のものは白色へ写像される。

図２において見ることができるように、従来、特定のウィンドウの選択は、受信画像内にコード化されたとおりの強度値の範囲上の区画を規定する。強度値の内側範囲１０及び外側範囲１２が存在する。内側範囲の強度値は、ユーザによって選択され、関心のある特定の解剖学的構造又は領域を可視化するために特に適した値を表す。内側範囲の外側の強度値である前記画像値内にない受信画像の強度値は、それに対応して、外側範囲強度値、又は略して外側強度値と呼ばれる。以前のアプローチにおいて見ることができるように、外側強度値は全て、一定値、例えば、黒色又は白色へ写像された。それゆえ、関心のある領域の外側の解剖学的構造上における構造的移行に関する情報を提供することができない。

別の言い方をすれば、現在用いられているウィンドウ−レベル技法は前後関係の「目隠し」を人間の観察者に強いている。選択されたウィンドウによって表されない別の解剖学的構造について知るためには、ユーザは、関心のある異なる領域の構造を観察することができるように、異なるウィンドウ／レベルを選択せざるを得ない。本提案のビジュアライザＶＳはこの状況のための改善法を提供する。それは、ユーザが、以前と同様に、関心のある領域の特定のニーズに合わせて調整された画像伝達関数を選定することをなおも可能にするが、以前のアプローチとは異なり、外側構造は完全に白塗りにされないか、又は等化されない。このように、本提案のビジュアライザによって作成される画像は二重関数を含む。それは、関心のある一次領域についての詳細な構造情報を第一に提供するが、それでもなお、外側範囲からの強度値によって表される関心のある二次領域に関する（以下においてより詳細に説明される仕方で）十分な構造画像情報を提供する。外側強度値に関する画像情報は、少なくとも特定の移行がユーザによって依然として識別可能であるという意味で、「十分」である。換言すれば、ユーザには、一次領域の外側の解剖学的コンテキスト情報が同時に提供される。

図３は、従来のウィンドウ技法対本提案のビジュアライザＶＳの図である。外側範囲１２は、外側範囲１２のためにのみ異なる追加の伝達関数を用いることによって、非一定値へ写像され、その一方で、内側範囲１０は依然として第１の伝達関数を用いてレンダリングされる。即ち、外側範囲の値はもはや、（以前に行われていたように）一定の色値（グレースケールレンダリングにおける黒色又は白色など）へ写像されず、外側範囲１２は今や、移行構造を露わにするために、外側範囲１２上でサポートされる第２の（非一定の）伝達関数の演算によってより詳細に「分解される」。それゆえ、全体の可視化は（少なくとも）２つの伝達関数からの複合レンダリングとなる。

図５Ａ、図５Ｂは、外側範囲１２のための非一定の（０でない勾配）部分を用いて定義された、本明細書において提案されているとおりの第２の伝達関数（破線で示されている）のための２つの例示的な図をより詳細に示す。第２の伝達関数は、第１の伝達関数（点線で示されている）及びヒストグラム３の上に重ね合わせて示されている。大まかに、本明細書において想定される第２の伝達関数は、特に、外側範囲１２内で非線形、例えば、振動形（又は他の様態のもの）であり、その一方で、第１の伝達関数は内側範囲１０内で線形である。

図５Ａに係る外側範囲のための第２の伝達関数は区分的にのみ線形であるが、外側範囲の全体にわたっては非線形である。ヒストグラム３のピークは、空気（最も左側）及び脂肪／水（中央）に対するものである。第１の伝達関数は外側範囲内で一定であり、そのため、空気は黒色値へ写像され、水、脂肪及び骨は白色値へ写像される。外側範囲１２上で非一定である第２の伝達関数の場合には、状況は全く異なる。第２の伝達関数は外側範囲の詳細を明らかにする。具体的には、脂肪（破線のピーク）は水（破線の谷）よりもはるかに暗くレンダリングされ、それゆえ、ｘ軸上の「０ＨＵ」において印をつけた対応する移行地点を有する移行をはっきりと示す。Ａに係る第２の伝達関数は肺の撮像のための一例であるが、これは単なる例示にすぎず、決して限定ではない。

Ｂに係る外側範囲のための第２の伝達関数は、外側範囲内で線形でない非一定の伝達関数のための別の例である。具体的には、この関数は振動形である（ただし、図示のように、必ずしも周期的ではない）。脂肪及び水のピークにおいて、割り当てられたグレー値はほぼ同じであるが、両者の間の外側範囲の部分は、今度は、０ＨＵ（＝ＣＴ強度１０００）における脂肪−水の移行をはっきりとレンダリングするために、強い勾配を含む第２の伝達関数の部分によって写像される。

どちらの例Ａ、Ｂでも、第１の伝達関数は内側領域のために維持され、そのため、内側領域は以前と同様にレンダリングされるので、「信号損失」は存在せず、臨床医に再学習は必要ない。新たに提案されている第２の伝達関数の演算のおかげで今や移行に関して詳細に分解されるのは、外側領域のみである。

また、第２の伝達関数はグレー値スペクトル全体を用いてもよいか、又は用いなくてもよく、そのため、それは、手元の撮像用途に依存して、黒色又は白色まで含めて写像してもよいか、又は写像しなくてもよい。図５に示されるように、第２の伝達関数を外側範囲内で非線形とさせ、第１の伝達関数を内側範囲にわたって線形とさせることで、関心のある一次領域が、例えば、図３Ｂ、図３Ｄに示されるように、残りの領域（単数又は複数）よりも高いコントラストで現れる視覚効果を達成することが可能になる。ユーザは一次領域により強く焦点を当てることができるが、それでもなお、残りの領域（単数又は複数）に関するいくらかの（簡略化された）構造情報を提供されるため、これはより良好なユーザ対話を可能にする。ユーザが目をそらすリスクが低下されるが、その一方で、ユーザには残りの領域（単数又は複数）の広い全体像がなおも提供される。

図３を再び参照すると、図３における上の列（ペインＡ、Ｂ）は典型的な３Ｄ胸部ＣＴ画像の１つの冠状断面の図である。具体的には、ペインＡは、肺のための標準的なレベル−ウィンドウ設定による胸部スキャンの可視化像（−８００〜−１００のＨＵ範囲を用いた胸部ＣＴスキャンの冠状断像）である。それゆえ、肺は最適に観察することができるが、より高いＨＵ値を有する全ての内部器官は均一画像領域２０２内に「消える」。例えば、本例では、筋肉、脂肪及び骨は全て白色に見え、身体の外側のあらゆるもの（衣類、毛布、…）は黒色に見える。対照的に、ペインＢには、本提案のビジュアライザＶＳによって獲得可能な画像が示されている。肺のレベル−ウィンドウ設定は変更されておらず、それゆえ、肺は以前と同様に再観察することができるが、追加的に、今や内部身体構造２０４が肺領域の周りで可視になり、以前の（ペインＡ）均一な背景に対してはっきりと浮き出ている。本明細書において関連はあまりないが、それでもなお、本提案のシステムの、コンテキスト情報を含む効果を示す実例として、（患者の）毛布のひだなどの、他の構造までもが身体領域の外側で識別可能であることに注目すべきである。

図３における下の列（ペインＣ、Ｄ）は典型的な３Ｄ骨盤ＣＴ画像の１つの体軸断面の図である。より詳細には、ペインＣは、良好な軟部組織コントラストのための標準的なレベル−ウィンドウ設定による骨盤スキャンの可視化像（−１００〜＋１００のＨＵ範囲を用いた骨盤のＣＴデータセット）を示す。この設定を用いると、骨は白色に見え、それゆえ、内部の骨構造はもはや見えなくなる。ペインＤは本提案のビジュアライザＶＳによる同じ画像の可視化像である。軟部組織コントラストは以前と同じであるが、今や、骨構造がより良好に分解され、以前に（ペインＣ）隠れていた移行構造が出現している。

どちらの例Ｂ、Ｄにおいても、選択されたウィンドウの外側のそれぞれの伝達関数は、内側領域内ですでに用いられているグレー値へ写像している。例えば、以前に黒色であった背景が今度はほとんど白色に見えていることを理解されたい。しかしながら、背景においては、コントラストは構造自体の内部ではあまり大きくなく、むしろ、構造の移行において大きい。このように、外側領域のための画像外観が（内側領域のレンダリングとは）異なり、それゆえ、外側領域のレンダリングは内側領域のレンダリングによる情報に対する追加的なものであることをユーザに指示することを達成する。それゆえ、再観察者は、背景としてレンダリングされたであろう領域内の強いコントラスト又は色によって目をそらされない。

無論、外側範囲内の画像値はグレー値である必要はなく、トゥルーカラーであってもよい。例えば、レベル−ウィンドウの「上」（又は右側）の外側範囲の領域は１つの色の色合いでレンダリングされ、選定されたレベル−ウィンドウの「下」（又は左側）の領域は同じ、又は別の色の（他の）色合いでレンダリングされるか、或いはレンダリングは虹色スペクトルを通した移行を含む。外側範囲の異なる部分のために異なる色又は陰影を用いることは、ハンドヘルドデバイス（スマートフォン、ラップトップ等）などの低コントラスト／低解像度スクリーンのために、とりわけ、屋外などの明るい環境内で用いられる際に、特に有用である。

好ましくは、局所的に最小の等値面面積を有するＨＵ値において色調変化が選択される。なぜなら、「本物の」表面、例えば、皮膚は、例えば、ほとんど全てのボクセルが表面ボクセルである、ノイズに起因する「人工」表面よりも（はるかに）小さな等値面面積を備えることが認められているからである。ＣＴ画像の場合、これらの値は、異なる組織分類：空気、水、脂肪、骨及び金属の間のＨＵ値範囲の移行に関連する。換言すれば、本提案のビジュアライザＶＳは、選択されたウィンドウの外側の有意の等値レベルにおいてコントラストを有する補完的な追加の伝達関数を生成する。ＭＲ画像の表示のためには、これらの値は、Ｖ Ｐｅｋａｒら、「Ｆａｓｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ ｉｓｏｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｖｏｌｕｍｅ ｄａｔａ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ ＶＩＳ ‘０１ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ２００１，ｐｐ ２２３−２３０に記載されている技法を用いて、動的に、即ち、個々の画像ごとに新たに選定されるべきである。

図に示すように（図３におけるペインＢ、Ｄ）、本提案のビジュアライザＶＳによって生成される可視化像は、内側領域に係る画像情報と並んで、外側領域内の識別可能な移行構造を作成する能力を本質的に有する。これらの移行構造を強調表示するために、時間が貴重である今日の常に忙しい臨床環境において多くの作業量をこなす臨床医にとって目をそらすものになり得る、重ね合わせ又は何らかのこうしたものなどの余分なグラフィカル補助の必要はない（ただし、無論、このようなグラフィカルな重ね合わせも依然として用いることができる）。本提案のビジュアライザは、内側範囲に関する集中的な構造情報を提供することと、同時に、外側範囲に係る追加の構造情報をユーザに与えることとの間の有用な妥協案を打ち出す。外側範囲内の可視化は、（以下においてより詳細に説明されるメトリックに対して測定した時に）十分な情報を保持する移行地点のみを強調表示するため、この妥協案は、ユーザを過剰な詳細に溺れさせることなく達成することができる。本提案のビジュアライザは、ユーザが、関心のある一次領域を取り巻く解剖学的コンテキストに注目することができる、革新的なものの見方を促進する。

ごく簡潔に言えば、本提案のビジュアライザＶＳは、ユーザによって、又はプロトコルによって指定された伝達関数に加えて、第２の伝達関数を生成する。第２の伝達関数は、レンダリングのために用いられる際に、外側範囲内の強度値によって表される構造の特定の目立った特徴を強調するように構成される。より具体的には、本提案のビジュアライザＶＳは外側範囲内の情報を分析して移行の領域又は地点を見出し、次に、第２の伝達関数は、それらの移行地点／領域において最大コントラストを生じさせるように構成される。無論、本提案のビジュアライザは、１つだけでなく、２つ以上の追加の伝達関数を第１の伝達関数の強度値の外側範囲のために生成するために用いることもできる。

以下の図４のフローチャートにおいて動作をより詳細に更に説明する前に、図１におけるブロック図を再び参照して、ビジュアライザＶＳの構成要素が先に簡単に紹介される。

ビジュアライザＶＳは、（画像取得装置によって取得された信号から変換されたとおりの）強度値が受信される入力ポートＩＮを備える。ビジュアライザは、例えば、関心のある特定の一次領域にふさわしく構成されていると考えられる、ユーザによって指定されたとおりの伝達関数の指定を更に受信する。伝達関数の定義は、具体的には、図２において上述されたとおりの強度値の外側範囲及び内側範囲の定義を含む。次に、移行領域識別器ＴＲＩが外側領域強度値を調査し、その内部において１つ又は複数の移行地点を識別する。それらの地点は、構造、組成又は構成、或いは他の様態の移行を表す強度レベルなどの潜在的関心のある構造を表していると考えられる。次に、伝達関数生成器ＧＦＴが、外側強度値に限定された第２の伝達関数を生成する。この伝達関数は、正確にそれらの識別された移行地点における最大コントラスト、又は移行地点（単数又は複数）の周りのそれぞれの近傍内における少なくとも局所的に最大のコントラストを生成する能力を有するように構成される。これは、具体的には、このように構成された第２の伝達関数は、正確にそれらの移行地点において、局所的に最大の傾き、又は（近隣の傾きと比べて）少なくとも非常に大きな傾きを含むことを意味する。次に、第２の伝達関数は、レンダラＲＤによって、別途知られた仕方で可視化像を生成し、出力ポート（図示されていない）において制御信号をビデオシステムＶＤへ伝え、表示ユニットＭＴ上における可視化像の生成を生じさせるために用いられる。一実施形態では、移行領域識別器ＴＲＦの動作は、外側領域についての受信画像データ内における等値面を調査することに基づく。次に、等値面は、移行地点又は領域をこのように識別するために評価される。例えば、移行地点が存在するか否かを査定するための好適なメトリックは、等値面の区域のサイズを計算すること、及び／又は勾配、若しくは等値面にわたる勾配の積分を計算することを含む。また、勾配の絶対値も考慮され得る。メトリックは、移行地点が存在するか否かを見定めるために、適切に定義された閾値と比較される。移行地点において最も高いコントラストを示す可視化像を作成することに加えて、レンダラは、移行地点をもたらしたそれらの等値面の等高線の形の等値線のグラフィック表現を含むように構成されていてもよい。

次に図４を参照して、本提案のビジュアライザＶＳの動作がより詳細に説明される。しかしながら、図４におけるフローチャート、及び後の説明は必ずしも、図１において提示されたとおりのアーキテクチャに結び付けられるわけではなく、図４におけるフローチャートによるアルゴリズム又は画像処理方法はまた、それ自体で読むこともできることが理解されよう。

ステップＳ４０５において、（変換を行った、又は行っていない）或る範囲の強度値によって定義されたとおりの画像生データを受信する。必ずしも強度値と同時というわけではないが、提案された第１の伝達関数の指定を受信する。この第１の伝達関数は、関心のある第１の（一次）領域のために構成又は「調整」されている。第１又は一次伝達関数はユーザによって手動で生成されるか、又は好適な撮像プロトコルによる命令を受けて自動的に生成される。第１の伝達関数は強度値の範囲上に内側範囲及び外側範囲への区画を誘起する。外側範囲は、一実施形態では、第１の伝達関数によって一定の色値へ写像される強度値によって形成される。

ステップＳ４１０において、強度値の外側範囲を調査し、撮像の対象内における組成若しくは構造又はその他の様態の移行を表す地点又は領域を識別する。一実施形態によれば、外側範囲内の強度値内の等値面を分析することに基づくＰｅｋａｒら（以上において参照）の方法が用いられる。より具体的には、Ｐｅｋａｒにおける方法は、等値面が興味深い構造を有する等値を見出すために用いることができる。このように見出される等値レベルは、次により詳細に説明されるように、特定の基準を最大化することが知られている。

Ｓ４１０における識別ステップは、具体的に、好適なメトリックを用いて等値面によってコード化されたとおりの情報を評価するための評価ステップを含み得る。評価動作は、移行のための証拠となる等値面の局所的挙動／構造を見定めることを追求する。用語「等値面」は本明細書において一般的な意味で用いられており、具体的には、強度値のセットが、（ＣＴの場合のように）３Ｄでなく、（平面Ｘ線撮影の場合のように）２Ｄである場合には、「１次元表面」（即ち、線）を含む。

Ｐｅｋａｒの方法を用いて、外側範囲内の１つ又は複数の（又は各々の）強度値（例えば、ボクセルグレー値）について、これらの等値レベルが計算されると、等値面（又はこの値の周りの範囲内の小体積）が、メトリックを適用して評価される。好適なメトリックのために想定される諸実施形態は、それぞれの等値面の面積を計算することを含む。別の実施形態では、メトリックは積分関数として実施される。より具体的には、それぞれの等値面を横切る、即ち、それと垂直な画像勾配を積分し、前記メトリックの下での得点を得る。他の実施形態では、メトリックは、勾配の絶対値を計算し、「勾配の強さ」を査定することを含む。代替的に、勾配の挙動はまた、勾配の強さが等値面の内側へ向かっているのか、それとも外側へ向かっているのかを知るために、その絶対値ではなく、符号付きの勾配を見ることによって「方向性をもった仕方」で査定される。

これらのメトリックは、それぞれの等値面に沿った画像値の変化を指示する。換言すれば、メトリックによって返される得点は、強度値のセット内で識別したいと望む移行の大きさを定量化すると考えることができる。Ｐｅｋａｒによる方法論は（非常に）簡単に計算できることが見出されており、そのため、メトリック（例えば、積分関数）は外側範囲内の強度値ごとに妥当な時間内で計算することができる。次に、外側範囲内におけるこのメトリック関数の局所的又は全域的極値（最大値又は最小値）を認識し、移行の場所を得ることができる。即ち、これらの場所における画像内容は追加の情報を比較的多く含む。

Ｐｅｋａｒの論文が以上において多数の機会に参照されているが、これは単に例示的な実施形態にすぎず、他の好適な分析技法も同様に用いられ得ることが理解されるであろう。例えば、他の実施形態では、評価動作は、線形写像などの他の関数を計算し、それらの固有値を調査し、次に固有値を好適な選定閾値と比較することを含む。例えば、等値面は線形作用素（ヘッセ行列など）によって局所的に近似され、この行列の固有値を調査することで、等値面が移行を表すかどうかに関する手がかりを先と同様に提供し得る等値面の性質を査定することが可能になる。

以上のことを要約すると、いくつかの実施形態によれば、評価動作は等値面に関して動作する。それは、例えば、面積、平均強度、等値面を横切る勾配絶対値、局所的特徴応答又はその他のものなどの特性を評価する。評価動作の結果は、この等値面を生成している強度値を移行値と認定するための閾値を上回るか、又は下回ることを要求され得る。移行地点が存在するための別の認定基準は、評価動作のために用いられたメトリックが、（等値面に対応する）強度値の関数として、（全域的ではないにせよ）少なくとも局所的な極値（最大値又は最小値）を返すことである。別の言い方をすれば、識別された強度値は、積分絶対勾配値が少なくとも局所的に最大となるか、又は等値面を横切る絶対勾配が特定の閾値を上回るか、或いは等値面面積が局所的に最小となるか、又は特定の閾値を下回る強度値である。

ステップＳ４２０において、第１の伝達関数と異なる第２の伝達関数を強度値の外側セットのために生成する。伝達関数は、正確に、以前のステップＳ４１０において識別されたとおりの移行地点においてその最も大きな傾き（即ち、勾配）を取るように構成される。換言すれば、第２の伝達関数は、外側範囲内、即ち、第１の伝達関数の既定のレベル−ウィンドウ範囲の外側の移行地点／領域において最も大きなコントラストを返す。最も大きな傾きは全域的最大値であってもよいか、又は全域的最大値でなくてもよく、換言すれば、単なる（移行地点の周りの特定の近傍における）局所的最大値で十分であり得る。代替的に、最も大きな傾きがちょうど移行地点において生じる必要はない。実際の移行地点に近い外側値において、最も大きな傾きにおいて、又は局所的に最大の傾きにおいて生じさせることで十分であり得る。具体的には、第２の伝達関数は外側範囲（の全体）内において非線形であり、その一方で、第１の伝達関数は内側範囲（の全体）内において概ね線形である。

移行地点のために（又は移行地点の近くの地点のために）想定される（局所的に）最大の傾きは自動的に決定されるか、又はユーザによって規定される。移行地点の部位が分かると、第２の伝達関数を、図５Ａに係るジグザグ形として計算するか、又は規定された傾きをもって制御地点としての移行地点を通過するように（どこにおいても線形でない）曲線を計算するためのベジエ曲線モジュールを用いることによって計算することができる。

ステップＳ４３０において、（少なくとも）２つの伝達関数に基づいて可視化像を生成する。以上において説明されたように、ペインＢ、Ｄは、本提案の方法を用いて獲得可能な例示的な画像を示す。任意選択的に、実施形態によっては、加えて、等値線は、第２の伝達関数に係るコントラストを高めるために描かれた線である。第２の伝達関数は、元の伝達関数と一緒に、又はそれと切り離して、データベース等などの好適なメモリデバイスＭＥＭ上に今後の参照のために記憶される。

上述のステップのいくつか又は全てはステップＳ４０５における強度データの受信時に自動的に開始され得る。ユーザは、強度データをロードすると、ユーザ対話を行うことなく可視化像を提示される。その他のより対話的な実施形態も同様に本明細書において想定されている。例えば、一実施形態では、第１の伝達関数の作用によって等化された１つ又は複数の均一領域２０２を含む、第１の伝達関数に基づく最初の可視化像がまず表示される。次に、ユーザは、タッチスクリーンアクションによって、又はポインタツール（コンピュータマウス若しくはスタイラスなど）の操作によって、より多くの構造が求められる領域２０２を指定する。この要求に応じて、次に、レンダリングステップＳ４３０による２つ（又は３つ以上）の伝達関数に基づく可視化像が生成される。一実施形態では、ステップＳ４０５において強度データを受信すると、処理ステップＳ４１０、Ｓ４２０が前処理段階において実施され、次に遅らせて行われるのはレンダリングステップＳ４３０のみである。次に、レンダリングステップは、ユーザ要求が受信された時にのみ実施される。代替的に、全てのステップＳ４１０〜Ｓ４３０はユーザ要求の受信時にのみ実施される。

本発明の別の例示的な実施形態では、適当なシステム上で、上述の実施形態のうちの１つに係る方法の方法ステップを実行するように適合されていることによって特徴付けられるコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム要素が提供される。

したがって、コンピュータプログラム要素は、同様に本発明の実施形態の一部であり得る、モバイル型又は据え置き型コンピュータユニット上に記憶される。この計算ユニットは、上述の方法のステップを遂行するか、又はその遂行を誘起するように適合されている。更に、それは、上述の装置の構成要素を動作させるように適合されていてもよい。計算ユニットは、自動的に動作するように、及び／又はユーザの命令を実行するように適合させることができる。コンピュータプログラムがデータプロセッサの作業メモリ内にロードされてもよい。それゆえ、データプロセッサは、本発明の方法を実施する能力を備える。

本発明のこの例示的な実施形態は、本発明をまさに最初から用いるコンピュータプログラム、及び更新によって既存のプログラムを、本発明を用いるプログラムに変えるコンピュータプログラムの両方を包括する。

更に、コンピュータプログラム要素は、上述されたとおりの方法の例示的な実施形態の手順を果たすために必要な全てのステップを提供することができ得る。

本発明の更なる例示的な実施形態によれば、ＣＤ−ＲＯＭなどの、コンピュータ可読媒体が提示される。このコンピュータ可読媒体は、その上に記憶されたコンピュータプログラム要素を備える。このコンピュータプログラム要素は上述のセクションによって説明されている。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに、又はその一部として供給される、光学記憶媒体又は固体媒体などの、好適な媒体（必ずしも必要ではないが、特に非一時的媒体）上に記憶され、及び／又は配付されてもよいが、また、インターネット又はその他の有線若しくは無線電気通信システムを介するなど、他の形態で配付されてもよい。

しかしながら、コンピュータプログラムはまた、ワールドワイドウェブのようなネットワークを通じて提示されてもよく、このようなネットワークからデータプロセッサの作業メモリ内へダウンロードすることができる。本発明の更なる例示的な実施形態によれば、本発明の上述の実施形態のうちの１つに係る方法を遂行するように構成されたコンピュータプログラム要素をダウンロードのために利用可能にするための媒体が提供される。

本発明の諸実施形態は異なる主題を参照して説明されていることに留意されたい。具体的には、一部の実施形態は、方法の形式の請求項を参照して説明されており、それに対して、他の実施形態はデバイスの形式の請求項を参照して説明されている。しかしながら、当業者は、以上及び以下の説明から、別途断りのない限り、１つの種類の主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる主題に関連する特徴の間の任意の組み合わせも本出願により開示されていると考えられると推測するであろう。しかしながら、全ての特徴は、組み合わされて、特徴の単なる総和よりも大きな相乗効果を提供することができる。

本発明は図面及び上述の説明において詳細に図解され、説明されたが、このような図解及び説明は、限定ではなく、例証又は例示と見なされるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。クレームされている発明の実施においては、図面、開示、及び従属請求項の検討から、本開示の諸実施形態に対する他の変更が当業者によって理解され、実施されることが可能である。

請求項において、単語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。単一のプロセッサ又はその他のユニットが、請求項に記載されているいくつかの項目の機能を果たし得る。特定の方策は、相互に異なる従属請求項に記載されているという事実のみをもって、これらの方策の組み合わせを有利に用いることができないことが指示されるわけではない。請求項内の参照符号はいずれも、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. ｉ）撮像の対象に関して撮像装置によって取得された信号から変換された或る範囲の強度値を含む画像データ、及びｉｉ）前記強度値の前記範囲内のデータ間隔を画像値の画像間隔へ写像するように構成された第１の伝達関数の定義を受信するための入力ポートと、
   外側強度値と呼ばれる、前記データ間隔の外側の強度値の中から、前記対象の組成及び／又は構成の移行、或いは前記対象に関連する物理的特性に関する移行を表す１つ又は複数の移行強度値を識別する移行領域識別器と、
   前記外側強度値のために、少なくとも１つの第２の伝達関数を生成する伝達関数生成器であって、前記少なくとも１つの第２の伝達関数は非線形であり、前記１つ又は複数の移行強度値又はその前後においてそれぞれの０でない勾配を含む、伝達関数生成器と、
   表示ユニット上において、これら少なくとも２つの伝達関数に基づいた前記画像データの少なくとも一部の可視化像をレンダリングするレンダラと、
   を備える、画像処理システム。
2. 前記移行領域識別器は、前記外側強度値のうちの少なくとも１つについての少なくとも１つの等値面を計算し、前記１つ又は複数の移行強度値の識別は、前記１つ又は複数の等値面の前記移行領域識別器による評価動作に基づく、請求項１に記載の画像処理システム。
3. 前記評価動作は、メトリックを計算することを含み、前記メトリックは、前記少なくとも１つの等値面の表面積、前記等値面を横切る勾配、及び／又は前記勾配の積分、前記勾配の絶対値若しくは前記勾配の符号付きの値を計算すること、のうちの何れか１つ又は複数のものである、請求項２に記載の画像処理システム。
4. 前記移行強度値は、前記メトリックが閾値を上回る値か、若しくは下回る値を返す場合、又は前記メトリックが少なくとも局所的な極値とみなされる場合に、識別される、請求項３に記載の画像処理システム。
5. 前記レンダラは、前記可視化像内に、前記１つ又は複数の等値面の１つ又は複数の等高線を含む、請求項２乃至４の何れか一項に記載の画像処理システム。
6. 前記画像データは、２Ｄ Ｘ線画像、３Ｄコンピュータ断層撮影画像ボリューム、磁気共鳴画像データ、２Ｄ又は３Ｄ超音波画像のうちの何れかである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の画像処理システム。
7. 前記組成の移行は、材料の種類の移行、又は材料の種類と背景との間の移行を含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の画像処理システム。
8. 表示ユニット及び／又は撮像装置を含む、請求項１乃至７の何れか一項に記載の画像処理システム。
9. ｉ）撮像の対象に関して撮像装置によって取得された信号から変換された或る範囲の強度値を含む画像データ、及びｉｉ）前記強度値の前記範囲内のデータ間隔を画像値の画像間隔へ写像する第１の伝達関数の定義を受信するステップと、
   外側強度値と呼ばれる、前記データ間隔の外側の強度値の中から、前記対象の組成及び／又は構成の移行、或いは前記対象に関連する物理的特性に関する移行を表す１つ又は複数の移行強度値を識別するステップと、
   前記外側強度値のために、少なくとも１つの第２の伝達関数を生成するステップであって、前記少なくとも１つの第２の伝達関数は非線形であり、前記１つ又は複数の移行強度値又はその前後においてそれぞれの０でない勾配を含む、ステップと、
   表示ユニット上において、これら少なくとも２つの伝達関数に基づいた前記画像データの少なくとも一部の可視化像をレンダリングするステップと、
   を備える、画像処理の方法。
10. 請求項９に記載の方法のステップを実行するように、処理ユニットによって実行された、請求項１乃至８の何れか一項に記載の画像処理システムを制御するためのコンピュータプログラム。
11. 請求項１０に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ可読媒体。

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