特許 6351138 画像診断支援プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6351138

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】画像診断支援プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 6/03 20060101AFI20180625BHJP

   A61B 5/055 20060101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   A61B6/03 360G

   A61B5/055 380

【請求項の数】3

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-50925(P2013-50925)

(22)【出願日】2013年3月13日

(65)【公開番号】特開2014-176425(P2014-176425A)

(43)【公開日】2014年9月25日

【審査請求日】2016年3月11日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ▲１▼ 平成２４年９月１４日 肝癌治療シミュレーション研究会事務局発行の「第７回肝癌治療シミュレーション研究会抄録集」に発表 ▲２▼ 平成２４年１０月６日 「第７回肝癌治療シミュレーション研究会」において発表 ▲３▼ 平成２４年１２月２５日 日刊工業新聞社発行の「日刊工業新聞 平成２４年１２月２５日付」に発表

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(73)【特許権者】

【識別番号】501198855

【氏名又は名称】株式会社 レキシー

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(72)【発明者】

【氏名】大河内 信弘

(72)【発明者】

【氏名】大城 幸雄

(72)【発明者】

【氏名】清徳 省雄

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 正博

【審査官】 松岡 智也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１４１５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２００６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１００９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０１５３６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２９２５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９３３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０３／０４８９８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 中尾恵，他，組織切開・開創シミュレーションによる手術計画支援，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，日本，日本バーチャルリアリティ学会，２００３年，８巻，２号，１６３−１７０ページ

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ６／００−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

診断対象となる臓器の複数の２次元断層画像情報を入力する画像入力ステップと、
上記画像入力ステップで入力した複数の２次元断層画像情報に基づき、上記臓器を構成する各部位の少なくとも弾性係数及び体積に応じた質量を反映した、隣接する各頂点が連結された四面体ブロックの集合体による四面体モデルを作成するモデル作成ステップと、
上記モデル作成ステップで作成した四面体モデルに対し、四面体ブロックの一部のみを切離する切離態様と、四面体ブロックを２つのブロックに切断する切離態様とを含む、変形を伴う操作を受付ける変形受付ステップと、
上記変形受付ステップで受付けた切離面を横断する四面体ブロック毎に、予め複数の切離パターンに関する切離演算を記憶した分割パターンテーブルを用いて複数の四面体ブロックに分割するように、上記四面体モデルを再作成する再作成ステップと
を有したことを特徴とする画像診断支援プログラム。

【請求項2】

上記変形受付ステップは、四面体モデルに対する操作の基準となるモデル上の位置の指定、及び変形を抑制するモデル上の範囲の設定の少なくとも一方を受付けることを特徴とする請求項１記載の画像診断支援プログラム。

【請求項3】

上記診断対象となる臓器は肝臓であり、
上記モデル作成ステップは、肝臓を構成する少なくとも肝臓本体、下大静脈、胆嚢、及び腫瘍の各部位の少なくとも弾性係数及び体積に応じた質量を反映した四面体モデルを作成する
ことを特徴とする請求項１記載の画像診断支援プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば肝臓などの臓器を対象とした画像診断支援プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

画像診断支援装置において、所望の位置で柔軟に３次元医用画像を分離または切開して表示することにより、より効果的に３次元画像の可視化を行う技術が考えられている。（例えば、特許文献１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−２００６２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献に記載された技術は、複数の２次元画像から作成した３次元画像によりコンピュータ上で切離面を指定することで、分離または切開対象構造物が境界面及び必要に応じて切離面で分離または切開された３次元医用画像を生成し、表示するようにした技術である。この技術で分離または切開対象の構造物として挙げられている、例えば肝臓や肺などの臓器はいずれも軟物質で構成されており、実際の臓器はそれ自体の自重や術者の持ち方などによって変形する。

【0005】

しかしながら上記特許文献で記載された技術は、分離または切開対象の構造物が軟物質で構成された、容易に変形するものであることを考慮していない。そのため、基本的な方針、すなわち大まかに切開位置等を決定するに止まり、実際の術中に変形する臓器に対してどのような手技を施せば良いのかを知ることはできない。

【0006】

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、軟物質で構成される臓器の変形度合い等を考慮して実際の手術時を想定しながら画像による各種シミュレーションが可能な画像診断支援プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、診断対象となる臓器の複数の２次元断層画像情報を入力する画像入力ステップと、上記画像入力ステップで入力した複数の２次元断層画像情報に基づき、上記臓器を構成する各部位の少なくとも弾性係数及び体積に応じた質量を反映した、隣接する各頂点が連結された四面体ブロックの集合体による四面体モデルを作成するモデル作成ステップと、上記モデル作成ステップで作成した四面体モデルに対し、四面体ブロックの一部のみを切離する切離態様と、四面体ブロックを２つのブロックに切断する切離態様とを含む、変形を伴う操作を受付ける変形受付ステップと、上記変形受付ステップで受付けた切離面を横断する四面体ブロック毎に、予め複数の切離パターンに関する切離演算を記憶した分割パターンテーブルを用いて複数の四面体ブロックに分割するように、上記四面体モデルを再作成する再作成ステップとを有したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、軟物質で構成される臓器の変形度合い等を考慮して実際の手術時を想定しながら画像による各種シミュレーションが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る画像診断支援プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータのハードウェア構成を示すブロック図。

【図2】同実施形態に係るシミュレーション処理全体の内容を示すフローチャート。

【図3】同実施形態に係る図２の操作端処理のより詳細な内容を示すサブルーチンのフローチャート。

【図4】同実施形態に係る図２の切離処理のより詳細な内容を示すサブルーチンのフローチャート。

【図5】同実施形態に係る四面体モデルの概略構成を透視して示す図。

【図6】同実施形態に係る肝臓表面を三角形のポリゴンで構成して示す図。

【図7】同実施形態に係る操作端追加時にディスプレイで表示される肝臓の画像を例示する図。

【図8】同実施形態に係る切離処理後にディスプレイで表示される肝臓の画像を例示する図。

【図9】同実施形態に係る切離処理による５つの分割パターンを示す図。

【図10】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図11】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図12】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図13】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図14】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図15】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図16】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図17】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図18】同実施形態に係る各分割パターンでの処理内容を示す図。

【図19】同実施形態に係る分割パターンテーブルを取り纏めて示す図。

【図20】同実施形態に係る分割パターンテーブルを取り纏めて示す図。

【図21】同実施形態に係る分割パターンテーブルを取り纏めて示す図。

【図22】同実施形態に係る分割パターンテーブルを取り纏めて示す図。

【図23】同実施形態に係る四面体モデルでの支配領域の設定例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る画像診断支援プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」）１０のハードウェア構成を示す。各種処理制御を司るＣＰＵ１１とフロントサイドバスＦＳＢを介してチップセットのノースブリッジ１２が接続される。

【0011】

このノースブリッジ１２は、さらにメモリバスＭＢを介してメインメモリ１３と、またＰＣＩ−Ｅｘｐｒｅｓｓバスを介してグラフィックコントローラ１４及びグラフィックメモリ１５と接続される他、チップセットであるサウスブリッジ１６とも接続され、主としてこれらの間での入出力制御を実行する。

【0012】

サウスブリッジ１６は、キーボード／マウス１８、ビデオエンコーダ１９、ハードディスク装置（ＨＤＤ）２０、ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）２１、マルチディスクドライブ２２、及びサウンドボード２３と接続され、主としてこれら周辺回路とノースブリッジ１２との間の入出力制御を行なう。

【0013】

上記ハードディスク装置２０内に、ＯＳ（オペレーティングシステム）と各種のアプリケーションプログラム、各種のデータファイル等に加えて、手術前に使用する画像診断支援プログラム、患者の診断対象となる臓器、例えば肝臓の２次元断層画像が多数格納された画像データファイル等が予めインストールされているものとする。

【0014】

なお、上記ビデオエンコーダ１９は、与えられたデジタル値の画像信号からアナログ値の画像信号であるＲＧＢビデオ信号を生成して出力し、ここでは図示しないディスプレイ部に送ることで、当該ディスプレイに画像が表示される。

【0015】

上記ネットワークインタフェース２１は、例えば病院施設内に敷設されたＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）と接続される。

【0016】

また、上記マルチディスクドライブ２２は、例えばＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）規格、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）規格、及びＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ：ブルーレイ・ディスク）規格に則った各種光ディスク媒体の再生と記録が可能であり、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等で取得した断層画像等を記録した光ディスク媒体を再生して読出すことで、患者の患部臓器周辺の２次元断層画像データ（以下「臓器画像データ」と称する）を取込んで上記ハードディスク装置２０に記録可能とする。
なお、これらＰＣ１０を構成する個々の要素は、きわめて一般的な周知の技術であるのでその説明は省略するものとする。

【0017】

次に上記実施形態の動作について説明する。
図２は、本実施形態に係る画像診断支援プログラムで実行するシミュレーション処理の内容を示すフローチャートである。以下に説明する処理は、ＣＰＵ１１がハードディスク装置２０から読出したプログラムをメインメモリ１３上に展開することで実行する。なおここでは、患者の臓器として肝臓の画像をシミュレーションする場合について説明する。

【0018】

処理当初にＣＰＵ１１は、このＰＣ１０のユーザである医師のキーボード／マウス１８での操作に従い、マルチディスクドライブ２２あるいはネットワークインタフェース２１を介して患者の２次元臓器画像データを必要範囲分指定して取得する（ステップＳ０１）。

【0019】

こうして得た複数の臓器画像データに基づき、ＣＰＵ１１は当該臓器を構成する各部位毎の物性等を反映した、四面体ブロックの集合体としての四面体モデルを作成してディスプレイで表示する（ステップＳ０２）。
図５は、ここで作成して表示される四面体モデルの概略構成を透視して示す図である。肝臓を構成する部位は、肝臓本体（実質）ＬＢ、血管（静脈、門脈、及び動脈）ＢＶ、下大静脈ＩＶＣ、直接の患部である腫瘍ＴＭ、及び胆嚢ＧＢからなるものとする。

【0020】

ここでは各部位毎に、その部位の「物性」、ディスプレイで表示する場合の「表示」、隣接する部位との重なり合いを回避するための「衝突」、不要な変形及び移動の範囲を抑制するための「拘束」、他の部位との「接続」を定義する。

【0021】

肝臓本体ＬＢの物性は、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）用四面体のブロックが担うものとし、四面体に弾性係数を設定することで、肝臓本体ＬＢの質感を実現するものとする。この弾性係数は、ユーザにより任意に調整可能とし、硬軟を可変できるようにしている。また、四面体ブロックの体積に応じた質量を設定することで、重力下におかれていることをシミュレーション内で反映する。

【0022】

図６に示すように、肝臓本体ＬＢの表示は、肝臓表面上に配置された三角形のポリゴンで構成する。肝臓本体ＬＢの四面体ブロックの頂点と対応関係が与えられるものとし、対応関係が与えられた四面体ブロックの各頂点が接続されるものとする。

【0023】

肝臓本体ＬＢの衝突は、肝臓表面に位置する三角形ポリゴンの各頂点に衝突点が置かれるものとし、衝突対象は下大静脈ＩＶＣとして、肝臓本体ＬＢと下大静脈ＩＶＣの重なり合いを防止する。

【0024】

肝臓本体ＬＢの拘束は、四面体頂点のうち、肝臓表面に位置するものを拘束できるものとして、各頂点毎にユーザが拘束／非拘束を選択できるものとする。肝臓に拘束点の設定をすることで、肝膜による形状維持を再現し、拘束によって重力による後面側への肝臓の落下を抑制する。

【0025】

肝臓本体ＬＢの接続は、四面体の頂点を接点として、下大静脈ＩＶＣ、腫瘍ＴＭ、または胆嚢ＧＢと隣接する場合にそれらを構成する四面体の頂点と接続する。

【0026】

血管ＢＶの物性は、過大な計算量を必要とするため、計算の対象外としてもよい。
血管ＢＶの表示は、血管ＢＶの表面上に位置する三角形ポリゴンで構成する。

【0027】

なお血管ＢＶの衝突、拘束、及び接続に関しては、上記血管ＢＶの物性と同様、計算の対象外としてもよい。

【0028】

本実施形態では、血管ＢＶの各頂点は、肝臓本体ＬＢの四面体と対応する頂点との相対位置関係が与えられるものとし、対応関係が与えられた四面体ブロック内で定められた位置を維持することで、肝臓本体ＬＢの変形に追従し、血管ＢＶも変形する。これによって血管ＢＶの物性、衝突、拘束及び接続についての計算を省略している。

【0029】

下大静脈ＩＶＣの物性は、肝臓本体ＬＢと同様であるが、弾性係数は異なる。この弾性係数は、ユーザによる調整はできない。また、四面体ブロックの体積に応じた質量を設定することで、重力下に置かれる。

【0030】

下大静脈ＩＶＣの表示は、肝臓本体ＬＢと同様に三角形のポリゴンで構成する。

【0031】

下大静脈ＩＶＣの衝突は、下大静脈の芯線と周辺に衝突点を配置するものとし、肝臓表面上の衝突点と相互作用するものとする。上記肝臓本体ＬＢで示した如く、肝臓本体ＬＢと下大静脈ＩＶＣの重なり合いを防止する。

【0032】

下大静脈ＩＶＣの拘束は、過度な変形を防ぐべく、上下端及び前後左右に拘束点の設定をすることで、設定した拘束より外部に出ることを抑制し、ユーザによる拘束／非拘束の選択はできないものとする。

【0033】

下大静脈ＩＶＣの接続は、四面体の頂点を接点として、肝臓本体ＬＢと隣接する場合にそれらを構成する四面体の頂点と接続する。

【0034】

腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢの物性は、肝臓本体ＬＢと同様であるが、それぞれ弾性係数は異なる。本実施形態において弾性係数は、ユーザによる調整はできないものとする。また、四面体ブロックの体積に応じた質量を設定することで、重力下に置かれる。

【0035】

腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢの表示は、肝臓本体ＬＢと同様に三角形のポリゴンで構成する。

【0036】

腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢの衝突は、腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢ表面に位置する三角形のポリゴンの各頂点に衝突点が置かれるものとし、衝突対象は下大静脈ＩＶＣとして、腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢと下大静脈ＩＶＣの重なり合いを防止する。

【0037】

腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢの拘束は、過大な計算量を必要とするため、計算の対象外としてもよい。

【0038】

腫瘍ＴＭ及び胆嚢ＧＢの接続は、四面体の頂点を接点として、肝臓本体ＬＢと隣接する場合にそれらを構成する四面体の頂点と接続する。

【0039】

上記のようにして作成した四面体モデルをディスプレイに表示させた上で、ＣＰＵ１１はユーザの操作に基づく適宜更新を受付ける。

【0040】

ここでユーザによる更新は、
(ｉ)操作端：術中に肝臓表面を切開面を術者が切開処理を進めやすいよう開くために牽引する糸で固定して吊り下げる肝臓表面上の点。糸の張力に応じて肝臓の変形可。
(ii)切 離：肝臓に設定した切離面に応じて肝臓を分離又は切開するように変形。
(iii)拘 束：肝臓の変形を抑制する一つ又は複数の拘束点の位置。
(iv)支配領域：肝臓全体ではなく、各種更新を行なう領域を限定してモデルを再構築。
の４種類について設定及びその解除が可能であるものとする。
上記ステップＳ０２で、作成した四面体モデルをディスプレイに表示させた後、ＣＰＵ１１では、上記操作端が選択されたか否か（ステップＳ０３）、上記切離が選択されたか否か（ステップＳ０５）、上記拘束が選択されたか否か（ステップＳ０７）、上記支配領域が選択されたか否か（ステップＳ１１）、このシミュレーション処理を終了する操作が選択されたか否か（ステップＳ１３）を順次繰返し判断することで、これらのうちのいずれかが選択されるのを待機する。

【0041】

ユーザにより操作端が選択された場合、ＣＰＵ１１は上記ステップＳ０３でその操作を受け付けて判断し、操作端を追加及び移動する具体的な処理に移行する（ステップＳ０４）。

【0042】

図３は、この操作端に関する処理内容を示すサブルーチンのフローチャートである。
その処理当初には、追加された操作端があれば、肝臓本体ＬＢ表面上の任意の位置をユーザの操作に応じて設定する（ステップＳ１０１）。ＣＰＵ１１は、このユーザによりあらたに設定された位置を、その時点で既に設定されている他の操作端と同様、１点で接続されている操作点ＨＰとさらに接続する（ステップＳ１０２）。

【0043】

操作点ＨＰは実際の手術において肝臓に取り付けた牽引糸を引っ張る操作に対応しており、実際の手術を想定したシミュレーションが可能となる。

【0044】

図７は、操作端追加時にディスプレイで表示される肝臓の画像を例示する図である。ここではすでに、肝臓本体ＬＢの表面上に複数の操作端が設定されており、複数の糸で操作端と操作点ＨＰが接続されている状態を示す。

【0045】

このような接続状態から、ユーザの任意の操作により操作点ＨＰを移動させる操作がある場合、操作点ＨＰと操作端それぞれの距離の変化量から牽引糸での張力を勘案して、操作端が移動するか否かをＣＰＵ１１が判断する（ステップＳ１０３）。

【0046】

ここで操作端の移動がないと判断した場合には、以上でこの図３のサブルーチンを終了すると共に、上記図２の処理に戻り、上記ステップＳ０３からの処理に復帰して、次のユーザの操作を待機する。

【0047】

また上記ステップＳ０３でユーザの任意の操作により操作点ＨＰを移動させる操作があり、各索引糸での張力を勘案して、操作端が移動すると判断した場合、ＣＰＵ１１は次に各操作端の移動により肝臓に加わる外力を、各四面体ブロックに設定された弾性係数を考慮して統括的に算出する（ステップＳ１０４）。

【0048】

次いで、算出した外力に応じて、四面体ブロックの集合体である四面体モデルが変形するように当該モデルの情報を更新設定する（ステップＳ１０５）。そして、この更新に伴って、ディスプレイで表示する四面体モデルが変形するように更新した上で（ステップＳ１０６）、この図３のサブルーチンを終了すると共に、上記図２の処理に戻り、上記ステップＳ０３からの処理に復帰して、次のユーザの操作を待機する。

【0049】

この場合、ディスプレイで表示される肝臓の四面体モデルは、その構成部位である肝臓本体ＬＢ、血管ＢＶ、下大静脈ＩＶＣ、腫瘍ＴＭ、及び胆嚢ＧＢ毎に定義した上記内容に基づいて変形する。

【0050】

そのため、このＰＣ１０のユーザである医師は、患者の肝臓に対してどのような操作端を設定し、どのように操作点ＨＰの位置を移動させれば、肝臓全体がどのように変形するのか、をきわめて正確、且つ現実的にシミュレーション上で把握できる。

【0051】

またユーザによる何らかの操作を待機する状態から、切離が選択された場合、ＣＰＵ１１は上記ステップＳ０５でその操作を受け付けて判断し、切離を実行する具体的な処理に移行する（ステップＳ０６）。

【0052】

図４は、この切離に関する処理内容を示すサブルーチンのフローチャートである。

【0053】

その処理当初には、ユーザの操作により切離する面位置を設定する（ステップＳ２０１）。

【0054】

この設定に伴ってＣＰＵ１１は、四面体モデルを構成する個々の四面体ブロックの各辺と、切離面との交点を算出し、あらたに２つの頂点を頂点のリストに登録する（ステップＳ２０２）。次にＣＰＵ１１は、四面体モデルを構成する個々の四面体ブロックの各面と、切離面との交点を算出する（ステップＳ２０３）。このとき、切離面の外周辺が四面体ブロックの面と交差する場合は、面上にできる新しい頂点を一つ頂点リストに登録する。

【0055】

上記ステップＳ２０２，Ｓ２０３の処理により、ＣＰＵ１１は切離面の影響を受けた四面体ブロックを識別した上で、それら切離の影響を受けた個々の四面体ブロックに対し、予め用意された５つの分割パターン中、どの分割パターンに相当するのかを判定する（ステップＳ２０４）。

【0056】

図９は、この５つの分割パターンを示す図である。図９（Ａ）は、切離面が四面体の６本の辺中の３本と交差し、この三角形の切離面上には新しい頂点を作成しないパターン１を示す。

【0057】

図９（Ｂ）は、切離面が四面体の６本の辺中の４本と交差し、切離する２つの５面体に分断するパターン２を示す。

【0058】

図９（Ｃ）は、切離面が四面体の６本の辺中の１本のみと交差し、切離した２面上にそれぞれ新しい頂点を作成するパターン３を示す。

【0059】

図９（Ｄ）は、切離面が四面体の６本の辺中の２本と交差し、切離した２面上にそれぞれ新しい頂点を作成するパターン４を示す。

【0060】

図９（Ｅ）は、切離面が四面体の６本の辺中の３本と交差し、切離した２面上にそれぞれ新しい頂点を作成するパターン５を示す。

【0061】

分割のパターン数を抑えるため、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すような、四面体の面が切開される時に切離面が辺を跨がないものが含まれる場合は、切離及び切開処理を行なわない。
切離面上に四面体の頂点がある場合は、頂点と交差しない位置まで切離面を微小距離平行移動させるものとする。この場合、動かす方向は法線方向またはその反対方向とする。これは、頂点を切離面が横切る分割を行なわないようにするための処置である。

【0062】

切離の影響を受けた四面体ブロックそれぞれに対して、上記ステップＳ２０４で分割パターンの判定を行なった後、判定した分割パターンに基づいて各四面体ブロックをさらなる四面体ブロックとなるように分割処理を実行する（ステップＳ２０５）。

【0063】

分割対象の四面体ブロックのうち、パターン１に該当するものをすべて分割し、その後パターン２〜５までの四面体ブロックを分割する。パターン２〜５の四面体ブロックは、登録されている順番に行なう。

【0064】

パターン１の分割は、隣接する四面体の分割により共有面の分割が図１２（Ａ），（Ｂ）で示すタイプ１−３の構成で確定している場合、８つの子四面体に分割される。それ以外の場合は、４つの子四面体に分かれる。四面体数が増えると計算負荷が大きくなるので、切離による計算負荷の増加量を減少させるために、パターン１を先に分割し、タイプ１−３の状態になるケースを減らしている。

【0065】

分割対象の四面体の向きは複数存在するので、分割の前処理として該当する分割パターンに合わせ、分割対象の四面体の向きの標準化を行なう。向きの標準化とは、切離面と交点を持つ辺や面及び分割の定まっている面を、該当する分割パターン毎で設定された位置に回転や反転をさせ再配置することである。四面体は最大４つの四面体と隣接し、それぞれ１面が共有される。このため、片方の隣接した四面体で先に分割処理が行なわれた場合、面の分割はもう一方の四面体でも同様になる。

【0066】

パターン１の向きの標準化は、図１１（Ａ）のタイプ１−１で示すように、切離面で分断される四面体側が上に向く配置に置き換える。向きの標準化で下側になる台形部の３つの四辺形は、それぞれ２つの三角形に分割されるので、隣接する四面体の分割状態によって、「四面体の各面の分割が定まっていない場合」「一面のみ分割が定まっている場合」「二面の分割が定まっている場合」及び「三面の分割が定まっている場合」の４つの状態がある。

【0067】

四面体の各面の分割が定まっていない場合は、図１１（Ｅ）に示すタイプ１−チャイルド１のテーブルに従い、４つの子四面体に分割される。表の数値は各子四面体を構成する頂点の番号を示す。

【0068】

一面のみ分割が定まっている場合は、図１１（Ｂ）のタイプ１−１のように、頂点番号２と８が分割されるように向きの標準化を行ない、図１１（Ｅ）に示すタイプ１−チャイルド１のテーブルに従って４つの子四面体に分割する。

【0069】

二面の分割が定まっている場合は、分割が定まっていない面が頂点１、２及び４で構成される面となるようにした上で、一つの分割が頂点２と頂点８を通るように配置すると、図１１（Ｃ）に示すタイプ１−１、または図１２（Ａ）に示すタイプ１−２の構成になる。

【0070】

図１１（Ｃ）に示すタイプ１−１の場合は、図１１（Ｅ）に示すタイプ−チャイルド１のテーブルに従う一方で、図１２（Ａ）に示すタイプ１−２の場合は、図１２（Ｃ）に示すタイプ１−チャイルド２のテーブルに従い、４つの子四面体に分割する。

【0071】

三面の分割が定まっている場合で、２つの分割線が交わる構成では、交わる頂点が頂点２になるように配置すると、図１１（Ｄ）に示すタイプ１−１、または図１３（Ｂ）に示すタイプ１−３のようになる。

【0072】

図１１（Ｄ）に示すタイプ１−１の場合は、図１１（Ｅ）に示すタイプ−チャイルド１の表に従う一方で、図１３（Ｂ）に示すタイプ１−３の場合は、図１２（Ｃ）に示すタイプ１−チャイルド２のテーブルに従い、４つの子四面体に分割される。

【0073】

三面の分割が定まっていて、図１３（Ｂ）に示すタイプ１−３の構成の場合は、一つの分割が頂点２と頂点８を通るように配置し、図１３（Ａ）に示すタイプ１−３の構成のみにする。この図１３（Ａ）に示すタイプ１−３の構成では四面体に分割できないので、頂点６，８及び１０で構成される面の頂点座標の相加平均位置にもう一つ頂点を加え、図１３（Ｃ）に示すタイプ１−チャイルド３のテーブルに従い、８つの子四面体に分割する。

【0074】

パターン２の四面体は、図１４（Ａ）に示すタイプ２−１で表す通り５面体２つに分かれる。頂点１，３，５，７，９及び１１で構成される５面体の頂点１，５，７及び３で構成される面と、頂点１，３，９及び１１で構成される面は、隣接する四面体の分割の影響を受ける。

【0075】

分割が定まっていない場合は、頂点１，５，７及び３で構成される面は、頂点１と頂点９で分割し、頂点１，３，９及び１１で構成される面は、頂点１と頂点７で分割する。

【0076】

隣接する四面体の分割による面の分割の組み合わせは、図１４（Ｃ）に示すタイプ２−トップ１、図１４（Ｅ）に示すタイプ２-トップ２、図１４（Ｇ）に示すタイプ２−トップ３、及び図１４（Ｉ）に示すタイプ２−トップ４のいずかに必ず合致するので、それぞれ、図１４（Ｂ）に示すタイプ２−チャイルド−トップ１のテーブル、図１４（Ｄ）に示すタイプ２−チャイルド−トップ２のテーブル、図１４（Ｆ）に示すタイプ２−チャイルド−トップ３のテーブル、及び図１４（Ｈ）に示すタイプ２−チャイルド−トップ４のテーブルのいずれか１つに従い、３つの子四面体に分割する。

【0077】

頂点２，４，６，８、１０及び１２で構成される５面体は、頂点２，４，８及び１０で構成される面と、頂点２，４，６及び１２で構成される面は、隣接する四面体の分割の影響を受ける。

【0078】

分割が定まっていない場合は、頂点２，４，８及び１０で構成される面は頂点２と頂点１０で分割し、頂点２，４，６及び１２で構成される面は、頂点２と頂点１２で分割する。

【0079】

隣接する四面体の分割による面の分割の組み合わせは、図１５（Ｂ）に示すタイプ２−ボトム１、図１５（Ｄ）に示すタイプ２−ボトム２、図１５（Ｆ）に示すタイプ２−ボトム３、及び図１５（Ｈ）に示すタイプ２−ボトム４のいずかに必ず合致するので、それぞれ、図１５（Ａ）に示すタイプ２−チャイルド−ボトム１のテーブル、図１５（Ｃ）に示すタイプ２−チャイルド−ボトム２のテーブル、図１５（Ｅ）に示すタイプ２−チャイルド−ボトム３のテーブル、及び図１５（Ｇ）に示すタイプ２−チャイルド−ボトム４のテーブルのいずれかに従い、３つの子四面体に分割する。２つの５面体をそれぞれ３つの四面体に分割するので、パターン２の子四面体は合計６つになる。

【0080】

上記図１４（Ｃ）に示すタイプ２−トップ１と上記図１４（Ｅ）に示すタイプ２−トップ２は、頂点５，７，９及び１１で構成される面を、頂点５と頂点９を通る線で分割する構成だが、頂点７と頂点１１を通る線で分割する構成にしても分割は機能する。
上記図１５（Ｂ）に示すタイプ２−ボトム１と上記図１５（Ｄ）に示すタイプ２−ボトム２も同様に、頂点６，８，１０及び１２で構成される面を頂点６と頂点１０を通る線で分割する構成だが、頂点８と頂点１２を通る線で分割する構成にしても分割は機能する。

【0081】

パターン３の四面体は、図１６（Ａ）で示すタイプ３の構成のように、隣接四面体との共有面の分割は一通りのみなので、図１６（Ｂ）に示すタイプ３−チャイルドのテーブルに従い、６つの子四面体に分割する。

【0082】

パターン４の四面体は、切離面により２分される面を頂点１、２及び３に配置すると、図１７（Ａ）で示すタイプ４−１の構成となる。この面は、四面体と隣接する場合、頂点２，３，８及び１０で構成される面が分割の影響を受ける。頂点１，２及び４で構成される面と、頂点１，３及び４で構成される面は、分割は一通りで確定しており、隣接する四面体の分割の影響は受けない。

【0083】

頂点２，３，８及び１０で構成される面の分割が未確定の場合、頂点２と頂点１０で分割する。その場合、図１７（Ｂ）に示すタイプ４−チャイルド−コモンの表と、図１７（Ｃ）に示すタイプ４−チャイルド１のテーブルに従い、８つの子四面体に分割する。

【0084】

頂点２，３，８及び１０で構成される面の分割が、頂点２と頂点１０で分割されることが確定している場合も同様に、図１７（Ｂ）に示すタイプ４−チャイルド−コモンの表と、図１７（Ｃ）に示すタイプ４−チャイルド１のテーブルに従い、８つの子四面体に分割する。

【0085】

頂点２，３，８及び１０で構成される面の分割が、頂点３と頂点８で分割されることが図１７（Ｆ）のタイプ４−３で示すように確定している場合は、図１７（Ｂ）に示すタイプ４−チャイルド−コモンの表と、図１７（Ｅ）に示すタイプ４−チャイルド２のテーブルに従い、８つの子四面体に分割する。

【0086】

パターン５の四面体は、切離面によって２分される面を頂点１、２及び４で構成される面と、頂点１，２及び３で構成される面に配置すると、図１８（Ａ）で示すタイプ５−１の構成となる。頂点１，３，７及び９で構成される面と、頂点２，４，８及び１２で構成される面は、隣接する四面体の分割の影響を受ける。頂点１，３，７，９及び５で、頂点１，３，７及び９で構成される面を底面とする四角錐を構成する。

【0087】

この四角錐は、頂点３と頂点７または頂点１と頂点９で分割することで２つの四面体に分けられる。図１９（Ｃ）で示すタイプ５−２の構成のように、頂点１，３，７及び９で構成される面の分割が頂点３と頂点７である場合と未確定の場合は、図１９（Ａ）に示すタイプ５−チヤイルド−トップ１のテーブルに従い、２つの子四面体に分割する。

【0088】

図１９（Ｄ）に示すタイプ５−３の構成のように、頂点１と頂点９で分割が確定している場合は、図１９（Ｂ）に示すタイプ５−チヤイルド−トップ２のテーブルに従い、２つの子四面体に分割する。

【0089】

頂点２，４，８，１２及び６で、頂点２，４，８及び１２で構成する面を底面とする四角錐を構成する。この四角錐は頂点４，８または頂点２，１２で分割することで、２つの四面体に分けられる。

【0090】

図１９（Ｇ）に示すタイプ５−４の構成のように頂点２，４，８及び１２で構成する面が頂点４と頂点８で分割されることが確定している場合と、分割が未確定の場合は、図１９（Ｅ）に示すタイプ５−チヤイルド−ボトム１の表に従い、２つの四面体に分割する。

【0091】

図１９（Ｈ）に示すタイプ５−５の構成のように頂点２と頂点１２で分割されることが確定している場合は、図１９（Ｆ）に示すタイプ５−チヤイルド−ボトム２のテーブルに従い、２つの四面体に分割する。
残りの部分は隣接する四面体の分割に影響されないので、図１８（Ｂ）に示すタイプ５−チヤイルド−コモンのテーブルに従い、５つの四面体に分割する。
結果として、パターン５の四面体は合計９つの子四面体に分割される。

【0092】

この分割処理に際しては、切離面と四面体の辺または面の交差判定を一度行ない、切離で生成される頂点位置を頂点位置の配列に収め、その後四面体の分割には頂点配列の配列番号を用いて頂点と四面体の対応付けを行なう。予めルックアップテーブル（分割パターンテーブル）を用い、分割パターン毎に元の四面体ブロックの頂点、及び切離範囲を表す四面体ブロックの辺上及び面上の点位置の各３次元位置座標を入力することにより、あらたな分割後の四面体ブロックの各頂点の３次元位置座標は頂点位置の配列番号から得られるようになっている。

【0093】

したがって、パターンの判定を行なうと、その判定結果に応じて元の四面体ブロックから複数に分割した四面体ブロックが少ない計算量で自動的に生成できる。

【0094】

図２０〜図２２は、上記分割パターンテーブルを取り纏めて示す図である。
図２０（Ａ）は、タイプ１の分割パターンテーブルを示す。チャイルド１〜３のテーブルのうち、適合した分割を行ない、４つまたは８つの子四面体が生成される。

【0095】

図２０（Ｂ）は、タイプ２の分割パターンテーブルを示す。上部４種のチャイルド−トップ１〜４のテーブルと、チャイルド−ボトム１〜４のテーブルからそれぞれ適合した分割を組み合わせ、６つの子四面体が生成される。

【0096】

図２１（Ａ）は、タイプ３の分割パターンテーブルを示す。１種のチャイルドのテーブルから６つの子四面体が生成される。

【0097】

図２１（Ｂ）は、タイプ４の分割パターンテーブルを示す。隣接する四面体の分割に影響を受ける部分の２種類の分割のうちで適合するものと、影響を受けない部分の分割の組み合わせを行なうべく、１種のチャイルド−コモンのテーブルを共通とし、２種のチャイルド１，２のテーブルとを組み合わせて、８つの子四面体が生成される。

【0098】

図２２は、タイプ５の分割パターンテーブルを示す。隣接する四面体の分割に影響を受ける上下２つの部分にそれぞれ２種類の分割パターンがある。隣接する四面体の分割に影響を受けない共通部分と、影響を受ける上下の部分からそれぞれ適合する分割を組み合わせるべく、１種のチャイルド−コモンのテーブルと、２種のチャイルド−トップ１，２のテーブル、２種のチャイルド−ボトム１，２のテーブルとを組み合わせて、９個の子四面体が生成される。

【0099】

こうして切離の影響を受けたすべての四面体ブロックに対してその分割パターン毎にあらたな四面体ブロックを算出した時点で、ＣＰＵ１１は四面体モデルから上記切離の影響を受けた、すべての四面体ブロックを一旦取り除き、分割後の四面体ブロックを追加することで、四面体モデルに関する情報を更新して表示した上で（ステップＳ２０６）、以上で図４のサブルーチンを終了すると共に、上記図２のステップＳ０３からの処理に戻る。

【0100】

図８は、このときディスプレイで表示される、一部が切離された四面体モデルを例示するものである。同図中、切離された部位ＣＴをハッチングで示すように、当該部分ＣＴにおける切離に伴う変形、及び血管ＢＶ等の存在が容易に視認できる。

【0101】

またユーザによる何らかの操作を待機する状態から、拘束が選択された場合、ＣＰＵ１１は上記ステップＳ０７でその操作を受け付けて判断し、拘束点を追加または削除する具体的な処理に移行する（ステップＳ０８）。

【0102】

この拘束点の追加または削除の処理に際して、ＣＰＵ１１は予め用意している拘束ツールのサブルーチンを呼出して起動し、当該ツールの状態にしたがってユーザの操作に伴う拘束点の選択処理を順次実行することで、選択された拘束点の追加または既に選択されている拘束点の削除が実行できる。こうして更新した拘束点の結果に応じて、肝臓の変形を抑制する肝膜を考慮した四面体モデルの計算が可能となる。
また上記ユーザによる何らかの操作を待機する状態から、支配領域が選択された場合、ＣＰＵ１１は上記ステップＳ１１でその操作を受け付けて判断し、支配領域モデルを追加または削除する具体的な処理に移行する（ステップＳ１２）。

【0103】

この支配領域モデルの処理に際して、まずＣＰＵ１１は一旦その時点で四面体モデル全体に関するシミュレーションを停止し、支配領域モードに移行する。

【0104】

この支配領域モードにおいて、ＣＰＵ１１は血管経路等の準備計算を行なった後、ユーザからの操作を受け付けて経路を選択し、選択された経路に基づいて支配領域モデルを追加する。

【0105】

図２３は、このときディスプレイで表示される、四面体モデルの支配領域モデルＭＡを例示するものである。同図中、支配領域モデルＭＡをハッチングで示すように、当該支配領域モデルＭＡから、同領域内の血管経路が容易に視認できる。

【0106】

また、既に追加されている支配領域モデルを削除する場合には、ユーザからの操作を受け付けて、支配領域モデルを削除する。
支配領域モデルの追加または削除の処理実行後、上記ステップＳ０３からの処理に戻る。

【0107】

また上記ユーザによる何らかの操作を待機する状態から、このシミュレーション処理を終了する操作が選択された場合、ＣＰＵ１１は上記ステップＳ１３でその操作を受け付けて判断し、それまでに作成した四面体モデルに関する各種画像データを取り纏めて１つのデータフォルダを作成してハードディスク装置２０内の所定の位置に登録した後（ステップＳ１４）、以上でこの図２の処理を終了する。

【0108】

以上詳述した如く本実施形態によれば、軟物質で構成される臓器の変形度合い等を考慮して実際の手術時を想定しながら画像による各種シミュレーションが可能となる。

【0109】

また上記実施形態においては、四面体モデルに対する切離の操作を受付けて、受付けた切離面を一部でも横断する四面体ブロック毎に、予め複数の切離パターンに関する切離演算を記憶した分割パターンテーブルを用いて複数の四面体ブロックに分割するように、上記四面体モデルを再作成するようにしたので、切離に対する演算処理量を大幅に軽減し、演算能力の高い専用ワークステーションではなくパーソナルコンピュータでも充分にシミュレーションが実現可能となる。

【0110】

加えて変形の受付に関して、四面体モデルに対する変形を操作／抑制する基点をモデル上に設定可能とすることで、操作端の追加／移動／操作点ＨＰへの接続や、臓器の自重で変形するのを抑制する拘束の設定など、実際の施術時を想定したより現実的な操作が実現できる。

【0111】

なお上記実施形態では、シミュレーション対象の臓器が肝臓である場合について説明したが、内部が空洞ではなく、構成する要素が密に充填されている肝臓のような臓器を対象とした場合、特に本発明による変形を含むシミュレーションを活用し易く、術前の検証等に大きく寄与できる。

【0112】

なお上記実施形態は、診断対象となる臓器が肝臓である場合について説明したが、本発明は臓器を肝臓に限ることなく、他の臓器においても、同様に適用することが可能となる。

【0113】

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

【符号の説明】

【0114】

１０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、１１…ＣＰＵ、１２…ノースブリッジ、１３…メインメモリ、１４…グラフィックコントローラ、１５…グラフィックメモリ、１６…サウスブリッジ、１８…キーボード／マウス、１９…ビデオエンコーダ、２０…ハードディスク装置（ＨＤＤ）、２１…ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）、２２…マルチディスクドライブ、２３…サウンドボード、ＢＶ…血管、ＣＴ…切離部位、ＦＳＢ…フロントサイドバス、ＧＢ…胆嚢、ＨＰ…操作点、ＩＶＣ…下大静脈、ＬＢ…肝臓本体、ＭＡ…支配領域モデル、ＭＢ…メモリバス、ＴＭ…腫瘍。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】