JP5943267B2 - Personal model data generation method, generation program, and generation system - Google Patents
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Description
本発明は、人体の解剖学的構造に基づく高分解能な数値人体モデル(標準的数値人体モデル)から、年齢・体形などが相違する個々人の内部組織構造を生成するための、個人モデルデータの生成方法、生成プログラム、および生成システムに関するものである。 The present invention generates personal model data for generating an internal tissue structure of an individual having different ages, body shapes, and the like from a high-resolution numerical human body model (standard numerical human body model) based on the anatomical structure of the human body. The present invention relates to a method, a generation program, and a generation system.
電波や放射線の人体に対する曝露評価用などを目的として、人体の解剖学的な構造を有した高分解能な数値人体モデルが開発されてきた。これら数値人体モデルは、平均的な体形を有した人体のX線CTやMRIの画像のデータ(以下、CT/MRIデータ、または個人データと表記することがある)に基づいて作成されたものであって、標準的数値人体モデル(以下、数値人体モデルと表記することがある)とされている。こうした数値人体モデルは、生体EMC、自動車の衝突などにおける人体への影響の評価などで用いられることはもとより、がん治療における放射線治療などにおいて、曝露位置を定めるために活用されている。 A high-resolution numerical human body model having an anatomical structure of the human body has been developed for the purpose of evaluating exposure of radio waves and radiation to the human body. These numerical human models are created based on X-ray CT and MRI image data (hereinafter sometimes referred to as CT / MRI data or personal data) of a human body having an average body shape. Therefore, it is a standard numerical human body model (hereinafter sometimes referred to as a numerical human body model). Such a numerical human body model is used not only for evaluating the influence on a human body in a living body EMC, a car collision, etc., but also for determining an exposure position in radiation therapy in cancer treatment.
数値人体モデルの例としては、分解能が2mm、組織臓器数が51で、総ボクセル数が成人男性では約800万個、成人女性では約630万個のものがある(非特許文献1)。これら成人男女の数値人体モデルは、人体のMRI画像データなどから、約630〜800万個のボクセルを、手動編集によってそれぞれ組織臓器ごとに色づけするなどして作成されたものである。そのため、こうした数値人体モデルを一体開発するには、年単位の期間が必要となる。 As an example of a numerical human body model, there is a resolution of 2 mm, a number of tissue organs of 51, and a total number of voxels of about 8 million for an adult male and about 60.3 million for an adult female (Non-patent Document 1). These numerical human body models of adult men and women are created by, for example, coloring about 630 to 8 million voxels for each tissue organ by manual editing from MRI image data of the human body. Therefore, an annual period is required to develop such a numerical human body model as a whole.
しかし体形や内部組織構造は、幼児、子供、成人などの年齢層ごとに相違し、また個々人で相違する。つまり年齢差と個人差による体形や内部組織構造の相違がある。 However, the body shape and internal organization structure are different for each age group such as infants, children, and adults, and are different for each individual. In other words, there are differences in body shape and internal organization structure due to age differences and individual differences.
したがって多様な年齢層の個人における放射線治療での曝露位置などを、数値人体モデルに基づいて決定しようとすると、患者と数値人体モデルとの相違に起因する精度低下が生じ得る。そこで、患者個人のCT/MRIデータに基づいて個人モデルデータ(個人の数値人体モデル)を作成し、この個人モデルデータで曝露位置などを決定することが考えられる。 Therefore, when trying to determine the exposure position in radiation therapy among individuals of various ages based on the numerical human body model, the accuracy may be reduced due to the difference between the patient and the numerical human body model. Therefore, it is conceivable to create personal model data (individual numerical human body model) based on the CT / MRI data of the individual patient and determine the exposure position and the like using this personal model data.
しかし、個人モデルデータを数値人体モデルと同様に作成することは、多大な時間と莫大な費用がかるため非現実的である。また、生体EMC、自動車の衝突などにおける人体への影響の評価を年齢層ごとに行う場合に、年齢層ごとの数値人体モデルを開発することも非現実的である。 However, it is unrealistic to create individual model data in the same way as a numerical human body model because it takes a great deal of time and enormous costs. It is also impractical to develop a numerical human body model for each age group when evaluating the influence on the human body in biomedical EMC, automobile collision, etc. for each age group.
ところで、数値人体モデルの体形を変形して、変形後の内部組織構造などをシミュレーションする技術が提案されている。例えばFree Form Deformation
(FFD)などであり(非特許文献2)、姿勢を変えたときの生体EMCなどに活用されている。こうしたシミュレーション技術を用いれば、短時間で数値人体モデルの体形を変形することができる。こうした数値モデルの変形に関連する技術として、数値モデルの変形後の格子生成技術(バウンダリーフィット法(BFM)とも呼ばれる)(非特許文献3)、また体形変形後の体表メッシュをバイナリーボリュームデータベースに変換するグラフィックハードウェアを利用したボクセル化技術がある(非特許文献4)。さらに解剖構造解析方法、解剖構造の表示方法、および解剖構造表示装置に関する技術もある(特許文献1)。
By the way, there has been proposed a technique for deforming the body shape of a numerical human body model and simulating the internal structure after deformation. For example, Free Form Deformation
(FFD) and the like (Non-Patent Document 2), and is used for living body EMC when the posture is changed. By using such a simulation technique, the body shape of the numerical human body model can be deformed in a short time. As a technique related to the deformation of the numerical model, a lattice generation technique after the deformation of the numerical model (also called a boundary fit method (BFM)) (Non-patent Document 3), and a body surface mesh after the deformation of the body shape are stored in a binary volume database. There is a voxelization technique using graphic hardware for conversion into (Non-Patent Document 4). Further, there is a technique related to an anatomical structure analysis method, an anatomical structure display method, and an anatomical structure display device (Patent Document 1).
こうした数値人体モデルの体形変形技術を活用して、年齢・体形などが相違する個人モデルデータを生成することが考えられる。 It is conceivable to generate personal model data with different ages, body shapes, etc. by utilizing the body shape transformation technology of the numerical human body model.
しかし、数値人体モデルの体形を個人の体形に変形することで、個人モデルデータとしても、年齢差および個人差などによる相違を反映することができない。そこで、個人の内部組織構造を、CT/MRIデータとして取得し、個人の体形を目標として体形変形を施した数値人体モデルの内部組織構造を構築して、個人の内部組織構造との相違を調整することで、個人モデルデータとすることが考えられる。 However, by transforming the body shape of the numerical human body model into a personal body shape, differences due to age differences and individual differences cannot be reflected as the personal model data. Therefore, the internal structure of the individual is acquired as CT / MRI data, and the internal structure of a numerical human body model that has undergone body deformation is targeted to adjust the difference from the internal structure of the individual. By doing so, it can be considered as personal model data.
そうすれば、数値人体モデルと個人モデルデータとの間の内部組織構造の相違に起因する誤差を低減することができる。しかし、こうしたシミュレーションでは次の課題がある。 If it does so, the error resulting from the difference in internal organization structure between a numerical human body model and personal model data can be reduced. However, these simulations have the following problems.
第1は、シミュレーションの自動化に関する課題である。例えば体形変形のために、基準点をマニュアルで設定する必要があると、それらの設定に時間を要して迅速な治療を実現できない。ここで基準点とは、体表面上において基準となる部位であり、例えば眼、口、耳、関節などである(図9は、体表面上に基準点SPnをマニュアルで設定する例を示した図である。)。 The first problem is related to simulation automation. For example, if it is necessary to set the reference points manually for deforming the body shape, it takes time to set the reference points, and rapid treatment cannot be realized. Here, the reference point is a part to be a reference on the body surface, such as an eye, mouth, ear, joint, etc. (FIG. 9 shows an example in which the reference point SPn is manually set on the body surface. It is a figure.)
しかし基準点SPnをマニュアルで設定すると、例えば口を基準点とする場合、口のどこを基準点SPnとしたかによって、シミュレーションに誤差が生じる。基準点設定に起因するこうした誤差の影響を少なくするために、何らかのパラメータの設定が必要となることもある。このように基準点SPnの設定精度の良否は、シミュレーション精度およびその再現性を左右する。加えて、パラメータの設定によっては、シミュレーションの数学的解が得られないこともある。 However, if the reference point SPn is manually set, for example, when the mouth is used as the reference point, an error occurs in the simulation depending on where the mouth is used as the reference point SPn. In order to reduce the influence of such an error caused by the reference point setting, some parameter setting may be required. Thus, the quality of the setting accuracy of the reference point SPn affects the simulation accuracy and its reproducibility. In addition, depending on parameter settings, a mathematical solution for simulation may not be obtained.
そこで、基準点SPnおよびパラメータをマニュアルで設定する必要がなく、自動化が可能で再現性の高いシミュレーションが求められる。 Therefore, there is no need to manually set the reference points SPn and parameters, and a simulation that can be automated and has high reproducibility is required.
第2は、数値人体モデルの体表面を、個人の体表面に変形する際の精度である。なぜならば、変形を施した数値人体モデルの体表面に、数値人体モデルの内部組織構造を埋め込んで、変形後における内部組織構造としなければならないため、体表面に変形誤差が生じると、実際に埋め込まれた内部組織構造と、本来埋め込まれるべき内部組織構造との間に相違が生じるからである。 The second is the accuracy when the body surface of the numerical human body model is transformed into the body surface of an individual. This is because the internal tissue structure of the numerical human body model must be embedded in the body surface of the deformed numerical human body model to obtain the internal tissue structure after deformation. This is because there is a difference between the internal structure that has been formed and the internal structure that should be embedded.
ここで体形変形は、数値人体モデルの体表面を3次元的に変形して個人の体表面に近似させる変形だから(体表レジストレーションだから(以下、単にレジストレーションと表記することがある))、レジストレーション精度向上が、内部組織構造埋め込みにおける高精度化をもたらすことになる。 Here, body deformation is a deformation that three-dimensionally deforms the body surface of a numerical human body model and approximates the body surface of an individual (because it is body surface registration (hereinafter sometimes simply referred to as registration)). Improvement in registration accuracy leads to higher accuracy in embedding internal tissue structures.
第3は、埋め込まれた内部組織構造とCT/MRIデータとの差異を調整しなければならないことである。 Third, the difference between the embedded internal tissue structure and the CT / MRI data must be adjusted.
例えば、成人女性の数値人体モデルの体表面を3歳女児の体表面を目標として高精度で変形し、その結果内部組織構造の埋め込みにおける精度を高めることができても、埋め込まれた内部組織構造が3歳女児のそれと相違することは明白である。同様に、治療対象が肥満体形の成人である場合に、数値人体モデルの体表面を、治療対象である肥満体形の成人の体表面に変形し、内部組織構造を埋め込んでも、埋め込まれた内部組織構造が肥満体形の成人のそれと相違することは明白である。したがって、高精度な体表レジストレーションに加えて、埋め込まれた内部組織構造と、個人の内部組織構造との差異を少なくする必要がある。 For example, even if the body surface of a numerical human body model of an adult woman can be deformed with high accuracy targeting the body surface of a 3-year-old girl, and as a result, the accuracy in embedding the internal tissue structure can be improved, the embedded internal tissue structure Is clearly different from that of a 3-year-old girl. Similarly, when the treatment target is an adult with obesity, the body surface of the numerical human model is transformed into the body surface of the adult with obesity to be treated, and the internal tissue structure is embedded, It is clear that the structure is different from that of obese adults. Therefore, in addition to highly accurate body surface registration, it is necessary to reduce the difference between the embedded internal tissue structure and the individual internal tissue structure.
そこで本発明は、数値人体モデルに基づいて、個人モデルデータを、高精度、短時間、かつ自動的にシミュレーションすることができる個人モデルデータの生成方法、生成プログラム、および生成システムの実現を課題としたのである。 Therefore, the present invention has an object to realize a personal model data generation method, a generation program, and a generation system capable of automatically simulating personal model data with high accuracy, in a short time, based on a numerical human body model. It was.
上記課題を解決するための手段について説明する。本発明は、個人データ(個人のCT/MRIデータ)を基準に、数値人体モデルを変形して、数値人体モデルを構築する。一般的には、非剛体レジストレーションを直接的に適用することによって、個人モデルデータを構築する。しかし、非剛体レジストレーション処理は、その負荷が非常に高いことと、ロバストなアルゴリズムを構築することが難しい。そこで本発明は、以下に述べるように、いくつかの手法を段階的に組み合わせて、効率よく精度の高いモデルを構築する。 Means for solving the above problems will be described. The present invention constructs a numerical human body model by transforming a numerical human body model based on personal data (individual CT / MRI data). In general, personal model data is constructed by directly applying non-rigid registration. However, the non-rigid registration process is very expensive and it is difficult to construct a robust algorithm. Thus, as described below, the present invention efficiently constructs a highly accurate model by combining several methods step by step.
本発明は、数値人体モデルを段階的に変形して、個人データに近づけるものである。第一段階は、全身の人体領域の変形処理である(以下、体形変形処理と表記することがある。)。ここで、全身の人体領域とは、体表面で囲まれた内部の領域とする。この段階で、体形を高精度で一致させることができる。第二段階は、内部組織構造の近似である。 In the present invention, a numerical human body model is modified step by step to approximate personal data. The first stage is a deformation process for the human body region of the whole body (hereinafter sometimes referred to as a body shape deformation process). Here, the whole human body region is an internal region surrounded by the body surface. At this stage, the body shape can be matched with high accuracy. The second stage is an approximation of the internal tissue structure.
体型変形処理では、全身の人体領域の形状近似、とくに体表面の近似を主に行う。そのために、一度体表面を高精細なポリゴンメッシュとして抽出する。そして、数値人体モデルと個人データの体表面をメッシュ処理として近似処理を行う。ポリゴンメッシュの処理は、様々な分野(特にコンピュータグラフィックス分野)で広範に研究されており、様々な手法を適用対象とすることができる。また、ボリュームデータは3次元データであるが、体表面のポリゴンメッシュは本質的に2次元であるため、処理の負荷も軽いという利点がある。ポリゴンメッシュレベルで数値人体モデルの体表面を、目標の個人データの体表面に変形後、その体表面で囲まれる内部領域に数値人体モデルのボリュームデータをマッピングする。このマッピングは、数値計算分野における格子生成技術を適用して得られる。この手法を、本発明ではボリュームリフィリングと呼ぶ。 In body deformation processing, shape approximation of the human body region of the whole body, especially approximation of the body surface is mainly performed. Therefore, the body surface is once extracted as a high-definition polygon mesh. Then, approximation processing is performed by using the numerical human body model and the body surface of the personal data as mesh processing. Polygon mesh processing has been extensively studied in various fields (especially in the field of computer graphics), and various methods can be applied. The volume data is three-dimensional data, but the polygon mesh on the body surface is essentially two-dimensional, so there is an advantage that the processing load is light. After transforming the body surface of the numerical human body model to the body surface of the target personal data at the polygon mesh level, the volume data of the numerical human body model is mapped to an internal region surrounded by the body surface. This mapping is obtained by applying a grid generation technique in the numerical calculation field. This technique is called volume refilling in the present invention.
体形変形処理の結果、体表の形状は高い精度で一致し、人体の内部組織構造は連続で滑らかにマッピングされ、個人の体形をもつ人体モデルが得られる。しかしながら、個人の内部組織の形状とマッピングされた内部組織の形状とは、一般的に異なるため、マッピングされたデータを個人モデルのデータとするために、内部組織の形状を合致させる(または近似させる)処理が必要となる。この第二段階の処理を、組織形状変形処理と呼ぶ。 As a result of the body shape transformation process, the shape of the body surface coincides with high accuracy, the internal tissue structure of the human body is continuously and smoothly mapped, and a human body model having an individual body shape is obtained. However, since the shape of the individual internal tissue is generally different from the shape of the mapped internal tissue, the shape of the internal tissue is matched (or approximated) in order to use the mapped data as the personal model data. ) Processing is required. This second stage process is called a tissue shape deformation process.
組織形状変形処理は、個人データを近似するように体形変形された数値人体モデルと、個人データに対して、流体ベースの非剛体レジストレーションを適用して、内部組織構造を近似変形する。非剛体レジストレーションは、大域的な最適化処理であり、初期値に対する依存性が高い。体形変形で得られた個人の体形を持つ数値人体モデルは、オリジナルの数値人体モデルと比較して、目標の個人のデータに類似度が高い。したがって、非剛体レジストレーションの初期値として、オリジナルのデータと比較してよりよい初期値であることが期待できる。 The tissue shape deformation process approximates the internal tissue structure by applying a fluid-based non-rigid registration to the numerical human body model deformed so as to approximate personal data and the personal data. Non-rigid registration is a global optimization process and is highly dependent on the initial value. The numerical human body model having the individual body shape obtained by the body shape deformation has a higher degree of similarity to the target individual data than the original numerical human body model. Therefore, it can be expected that the initial value of the non-rigid registration is better than the original data.
上述した本発明にかかる個人モデルデータの生成方法、生成プログラム、および生成システムによれば、体形変形を行うための基準点をマニュアルで設定することなく、数値人体モデルに基づく個人モデルデータのシミュレーションを、段階的に行うことによって、自動的、高精度、短時間かつ高い再現性をもって行うことが可能となる。 According to the above-described personal model data generation method, generation program, and generation system according to the present invention, simulation of personal model data based on a numerical human body model can be performed without manually setting a reference point for performing body shape deformation. By performing in stages, it is possible to perform automatically, with high accuracy, in a short time and with high reproducibility.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。ここでは、発明を実施するための処理などについて説明したのち、実施例の説明を行う。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. Here, after describing the processing for carrying out the invention, the embodiment will be described.
<体形変形処理>
体形変形処理は、数値人体モデルと個人データの体表面をポリゴンメッシュとして抽出し、数値人体モデルの体表面メッシュを個人データの体表面メッシュを近似するように変形して、最終的に変形した数値人体モデルの体表面の内部にボリュームリフィリングを使って、数値人体モデルをマッピングする。
<Body shape processing>
The body deformation process extracts the numerical human body model and the body surface of the personal data as a polygon mesh, deforms the body surface mesh of the numerical human body model to approximate the body surface mesh of the personal data, and finally deforms the numerical value The numerical human body model is mapped using volume refilling inside the body surface of the human body model.
ここでは、最初にボリュームリフィリングについて説明し、その後にそれを体形変形処理に適用するための応用処理としてポリゴンメッシュ変形について説明する。 Here, volume refilling will be described first, and then polygon mesh deformation will be described as application processing for applying it to body shape deformation processing.
<ボリュームリフィリング>
ボリュームリフィリングは、数値人体モデルデータの変形を、その体表面の変形で実現するために開発された。この手法によって、姿勢変形や体形変形を、体表面の変形で制御することが可能となる。この手法の内容は、次のとおりである。
<Volume refilling>
Volume refilling was developed to realize the transformation of numerical human body model data by deformation of the body surface. By this method, posture deformation and body shape deformation can be controlled by deformation of the body surface. The contents of this method are as follows.
体表面の点は、位置座標とその点を含むボクセルのインデックス(テクスチャ座標と呼ぶ)を自然に与えることができる。体表面を変形すると、点の位置座標は変化するが、テクスチャ座標は変化しない。それは、体表面の点については、このテクスチャ座標を使って、数値人体モデルのボクセルをサンプリングすることができることを意味する。すなわち、変形した体表面には、数値人体モデルをマッピングすることが可能である。そこで、もし体表面の内部についても、テクスチャ座標を生成することができれば、数値人体モデルをマッピングできることになる。 A point on the body surface can naturally give a position coordinate and an index (called a texture coordinate) of a voxel including the point. When the body surface is deformed, the position coordinates of the points change, but the texture coordinates do not change. That means, for points on the body surface, this texture coordinate can be used to sample the voxels of a numerical human model. That is, a numerical human body model can be mapped to the deformed body surface. Therefore, if the texture coordinates can be generated for the inside of the body surface, the numerical human model can be mapped.
以上の手法は、数学的に次のように定式化される。 The above method is mathematically formulated as follows.
数値人体モデルであるソースボリュームデータセットとターゲットのボリュームデータを、それぞれV0,V1とする。これらは、3次元ユークリッド空間E3の部分集合である。それぞれのボリュームデータに含まれる人体領域をD0、D1とする。この、D0、D1は、同じトポロジーを持つ、すなわち、D0をD1に連続変形可能であるとする。∂D0,∂D1をD0,D1の境界とする。(∂D0は数値人体モデルの変形前の体表面、∂D1は変形後の体表面を想定している。)
いま、∂D1から∂D0への連続写像g(式1)が与えられたとき、D1からD0への連続写像G(式2)で∂D1上でgと一致する(式3)ものを求める。
The source volume data set and the target volume data, which are numerical human models, are assumed to be V0 and V1, respectively. These are a subset of the three-dimensional Euclidean space E3. The human body regions included in the respective volume data are D0 and D1. It is assumed that D0 and D1 have the same topology, that is, D0 can be continuously transformed into D1. Let ∂D0, ∂D1 be the boundary between D0 and D1. (∂D0 assumes the body surface before deformation of the numerical human body model, and ∂D1 assumes the body surface after deformation.)
Now, given a continuous mapping g (Equation 1) from ∂D1 to ∂D0, find a continuous mapping G (Equation 2) from D1 to D0 that matches g on ∂D1 (Equation 3). .
D0,D1などは、3次元ユークリッド空間E3の部分集合なので、写像gやGは、3つの成分関数の組として表すことができる(式4、式5)。
Since D0, D1, etc. are a subset of the three-dimensional Euclidean space E3, the mappings g and G can be expressed as a set of three component functions (
これから、(式1)から(式3)は、i=0,1,2について、
と表せる。これは、Dirichletの境界条件になる。そこで、次の条件
を(式6)、(式7)、(式8)に追加して、Giを求めることができる。このような解Giは、必ずユニークに存在する。これにより、Gを決定することができる。
From (Equation 1) to (Equation 3), i = 0,1,2
It can be expressed. This becomes the boundary condition of Dirichlet. Therefore, the following conditions
Can be added to (Equation 6), (Equation 7), and (Equation 8) to obtain Gi. Such a solution Gi always exists uniquely. Thereby, G can be determined.
実用上は、(式8)と(式9)を離散化してGを求めることになる。(式9)が楕円型の偏微分方程式で線形であるので、この離散化された問題は、大規模な連立一次方程式を解くことになる。ここで例えば、実装が単純な反復解法であるSOR法を使うことができる。In practice, (Equation 8) and (Equation 9) are discretized to obtain G. Since (Equation 9) is an elliptic partial differential equation and linear, this discretized problem is to solve a large-scale simultaneous linear equation. Here, for example, the SOR method which is an iterative solution method that is simple to implement can be used.
<<ポリゴンメッシュの近似変形処理>>
<体表面のポリゴンメッシュ抽出>
数値人体モデルのボリュームデータから体表を表すポリゴンメッシュを抽出する。本発明においては、人体領域のボクセル境界をポリゴンとして抽出している。その頂点の座標は、ボクセルの頂点座標であり、またそれをボリュームの解像度で正規化した座標をテクスチャ座標として付加している。
<< Approximate deformation processing of polygon mesh >>
<Extracting polygon mesh on body surface>
A polygon mesh representing the body surface is extracted from the volume data of the numerical human body model. In the present invention, the voxel boundary of the human body region is extracted as a polygon. The vertex coordinates are the voxel vertex coordinates, and coordinates normalized by the volume resolution are added as texture coordinates.
このように抽出したメッシュは階段状の形状を持つが、これはメッシュの変形の際に自己交差をしたり、メッシュ間の最短距離を計算するときに好ましくない状況を引き起こすので、それらの問題を防ぐためにメッシュのラプラシアンに基づくフェアリング処理を行い滑らかにしておく。 The mesh extracted in this way has a stepped shape, but this causes self-intersection when the mesh is deformed and causes undesirable situations when calculating the shortest distance between meshes. In order to prevent this, a fairing process based on the Laplacian of the mesh is performed and smoothed.
つぎに、目標となる個人データのメッシュを抽出する。こちらも、数値人体モデルの場合と同じ手法でメッシュを抽出する。このようにして得られたメッシュを使って、近似変形処理を行う。 Next, the target personal data mesh is extracted. Again, the mesh is extracted by the same method as for the numerical human body model. An approximate deformation process is performed using the mesh thus obtained.
<局所的な近似処理>
このとき、2つのメッシュが十分に類似していて、メッシュ同士の距離が近いときは、局所的な近似処理で精度の高い近似処理が可能である。ここで、局所的な近似処理とは、数値人体モデルのメッシュ頂点すべてに対して、個人データのメッシュの頂点の中で一番近い点をサーチして、その点に移動するという処理を示す。
<Local approximation processing>
At this time, if the two meshes are sufficiently similar and the distance between the meshes is close, a highly accurate approximation process can be performed by a local approximation process. Here, the local approximating process refers to a process of searching for the closest point among the mesh vertices of the personal data for all the mesh vertices of the numerical human body model and moving to that point.
しかしながら、この局所的な近似処理では、適切に近似できない場合は、その前処理として大域的な近似処理が必要である。大域的な近似処理は、メッシュの点ごとではなく、ある程度メッシュの頂点が連動しながら変形して、局所的な近似処理がうまく動作する程度になるまでの変形を行う。大域的な近似処理を自動的に行う手法として、一度メッシュをボクセル化して低解像度でレジストレーションを実行してその変形情報である変位ベクトルを求め、それを利用してメッシュを変形する。 However, if this local approximation process cannot be approximated appropriately, a global approximation process is required as a pre-process. The global approximation processing is not performed for each point of the mesh, but is performed until the vertexes of the mesh are deformed while interlocking to some extent, and the local approximation processing is performed well. As a method of automatically performing global approximation processing, a mesh is once voxeled, registration is performed at a low resolution to obtain a displacement vector as deformation information, and the mesh is deformed by using it.
<レジストレーションベースの大域的な近似処理>
大域的な近似処理を、3次元レジストレーションを適用して完全にアルゴリズム処理されることを応用して変形する自動的な手法も考察している。これは、人体領域とそれ以外の2つの領域を持つボリュームデータを生成し、レジストレーションを行う。その結果の副産物として得られる、ボリュームデータ変形の変位ベクトル場を使って、ポリゴンメッシュを変形して大域的近似とする。レジストレーション手法については、後述する組織形状変形処理において詳述する。
<Registration-based global approximation>
We are also considering an automatic method that transforms global approximation processing by applying full algorithm processing by applying 3D registration. This generates volume data having a human body region and two other regions, and performs registration. Using the displacement vector field of volume data deformation obtained as a by-product of the result, the polygon mesh is deformed to obtain a global approximation. The registration method will be described in detail in the tissue shape deformation process described later.
この段階での3次元レジストレーションは、人体領域の形状近似が目的であるので、内部領域情報は必要ない。また、大域的な近似が目的であるため、精度の高い近似はポリゴンメッシュの局所的な近似で行えばよい。したがって、人体形状を表す2値ボリュームを低解像度にしてレジストレーションを行う。 Since the three-dimensional registration at this stage is intended to approximate the shape of the human body region, the internal region information is not necessary. Moreover, since global approximation is intended, high-precision approximation may be performed by local approximation of a polygon mesh. Therefore, registration is performed with a binary volume representing a human body shape having a low resolution.
<変形した数値人体モデルメッシュの境界条件付き2値ボクセル化>
ボリュームリフィリングを適用するためには、ポリゴンメッシュをボクセル化する必要がある。そのボリュームデータは2つのタイプの情報を持っている。(ア)変形した人体領域を定義する2値ボリュームと、
(イ)境界条件を定める、境界メッシュをボクセル化したボリュームである。このボクセル値は、3次元のテクスチャ座標である。
<Binary voxel with boundary condition of deformed numerical human model mesh>
In order to apply volume refilling, it is necessary to voxel the polygon mesh. The volume data has two types of information. (A) a binary volume defining a deformed human body region;
(A) A volume obtained by voxelizing a boundary mesh that defines boundary conditions. This voxel value is a three-dimensional texture coordinate.
これらデータを使って、(ア)で定まる人体領域の内部のボクセルについて、(イ)から生成したサンプリングのための3次元テクスチャ座標を使って数値人体モデルをサンプリングして、求める変形した数値人体モデルを生成する。 Using these data, the deformed numerical human body model is obtained by sampling the numerical human body model using the three-dimensional texture coordinates for sampling generated from (a) for the voxels inside the human body region determined in (a). Is generated.
<体形変形処理フローのまとめ>
体形変形の処理フローをまとめる。
(A)数値人体モデルおよび、個人データのボリュームデータから体表面をポリゴンメッシュとして抽出する。
(B)ポリゴンメッシュを大域的な近似処理で、2つのメッシュを近づける。この際には、ランドマークベースもしくはレジストレーションベースを選択する。
(C)局所的な近似処理を行い、数値人体モデルのメッシュを個人データのメッシュに高精度で近似させる。
(D)変形した数値人体メッシュを2値ボリューム化した後、ボリュームリフィリングを適用して内部を埋める。
<Summary of body deformation processing flow>
The processing flow of body deformation is summarized.
(A) A body surface is extracted as a polygon mesh from a numerical human body model and volume data of personal data.
(B) The two meshes are brought closer to each other by global approximation processing of the polygon mesh. At this time, a landmark base or a registration base is selected.
(C) A local approximation process is performed to approximate the mesh of the numerical human body model to the mesh of personal data with high accuracy.
(D) After transforming the deformed numerical human mesh into a binary volume, volume refilling is applied to fill the interior.
<<組織形状変形処理>>
体形変形で得られた、変形した数値人体モデル(以下、変形人体モデルと表記することがある)の内部組織について、個人データの内部組織をより高精度に近似する処理を行う。そのために、フローベースの3次元レジストレーション処理を適用する。レジストレーション処理は、同じ組織が同じボクセル値を持つことが前提となっている。しかしながら、数値人体モデルと個人データは、同じ組織でも異なるボクセル値を持っていることが一般的である。したがって、個人データの組織を簡易的に組織同定する必要がある。
<< Tissue shape deformation process >>
For the internal structure of the deformed numerical human body model (hereinafter sometimes referred to as a deformed human body model) obtained by body deformation, a process for approximating the internal structure of personal data with higher accuracy is performed. Therefore, a flow-based three-dimensional registration process is applied. The registration process is premised on the same organization having the same voxel value. However, it is common that the numerical human body model and personal data have different voxel values even in the same organization. Therefore, it is necessary to easily identify the organization of personal data.
<個人データの簡易的な組織同定>
レジストレーションを適用するために、変形人体モデルと個人データについて、同じ組織は同じボクセル値を持つようにする必要がある。それは、すべての組織を同定することに他ならないが、これは目的に反してしまう。したがって、人体の中でもシミュレーションに重要な組織に限定して簡易的に同定する。これらの組織に関しては、CT/MRIデータでの値が比較的分離しやすいので、簡単な閾値処理で同定する。シミュレーションで重要な組織は、脂肪、筋肉、骨格である。それ以外の組織については、1つにまとめて仮想的な組織と考える。
<Simple organization identification of personal data>
In order to apply registration, the same organization needs to have the same voxel values for the deformed human body model and the personal data. It is none other than identifying all tissues, but this goes against the goal. Therefore, the identification is limited to only the tissues important for simulation in the human body. Regarding these tissues, the values in the CT / MRI data are relatively easily separated, and thus are identified by simple threshold processing. The important tissues in the simulation are fat, muscle, and skeleton. Other organizations are considered as a virtual organization.
<フローベースのレジストレーション・アルゴリズム>
本発明においては、非剛体レジストレーションの手法として、フローベースのアルゴリズムを採用した。
<Flow-based registration algorithm>
In the present invention, a flow-based algorithm is adopted as a non-rigid registration method.
フローベースのレジストレーションは、レジストレーション処理を流体力学モデルに基づき大変形を実現するという目的のために開発された。フローベースのレジストレーションは、画像の差分量エネルギーを流体の圧力ポテンシャルと解釈する。そして、それを時間ステップで発展させる。そこで最初に、1時間ステップ分の画像の差分に基づくレジストレーションを説明する。次に、フローベースのレジストレーションを説明する。 Flow-based registration was developed for the purpose of achieving large deformations based on a hydrodynamic model of the registration process. Flow-based registration interprets the differential energy of the image as the pressure potential of the fluid. Then develop it in time steps. First, registration based on the image difference for one hour step will be described. Next, flow-based registration will be described.
<画像の差分エネルギーに基づくレジストレーション>
I0,I1をソースおよびターゲット画像とし、変形の写像をf、その写像によって生成された変位ベクトル場をvとする。fとvの関係は次で与えられるとする。
<Registration based on differential energy of image>
Let I0 and I1 be source and target images, the mapping of deformation is f, and the displacement vector field generated by the mapping is v. The relationship between f and v is given by
レジストレーションの目的は、fでI0を変形した画像I0・fについて、変形した画像I0・fとI1の差分を小さいこと、fを定めるvが滑らかでなるべく小さいこととなるようなfを求めることである。 The purpose of the registration is to find a difference f between the deformed images I0 · f and I1 with respect to the image I0 · f obtained by transforming I0 with f, and to determine f that makes f as smooth as possible. It is.
ここで画像I0をボリュームデータとするとき、
によってfで変形した画像I0を定義する。
Here, when the image I0 is volume data,
Defines an image I0 transformed by f.
このとき、I0をfで変形した画像I0・fとI1の差分エネルギーを
とする。E1が小さいときに、画像の差分も小さくなる。したがって、画像が一致するためには、E1を最小にすることが必要である。一方、変化が小さいvの中で滑らかで最小のものを選ぶために、ベクトル場のエネルギー
を加える。ここでLは、ベクトル場を滑らかにする作用のある微分作用素とする。
At this time, the difference energy between the images I0 · f and I1 obtained by transforming I0 with f is
And When E1 is small, the image difference is also small. Therefore, it is necessary to minimize E1 in order for the images to match. On the other hand, the energy of the vector field is used to select the smoothest and smallest of the v with small changes.
Add Here, L is a differential operator having an effect of smoothing the vector field.
E1とE2をあわせて、エネルギー関数Eとする。このとき、レジストレーションとは、Eを最小化するfを求めることである。今fはvで定まっていることを考えると、fを求めることはvを求めることでもある。vがEを最小化することを
と記述する。
(13)を実現するvは、
が成り立つことが必要である。(14)の左辺は、
であり、(14)の右辺は
である。ここで
である。
(14)(15)(16)から
ここで、(17)を離散化すると、連立一次方程式となり、数値的に解であるvを求めることができる。
E1 and E2 are combined into an energy function E. At this time, the registration is to obtain f that minimizes E. Considering that f is now determined by v, obtaining f is also obtaining v. v minimizes E
Is described.
V realizing (13) is
It is necessary to hold. The left side of (14) is
And the right side of (14) is
It is. here
It is.
(14) From (15) (16)
Here, when (17) is discretized, it becomes a simultaneous linear equation, and v, which is a numerical solution, can be obtained.
<フローベースのレジストレーション>
フローベースのアルゴリズムでは、画像の差分をエネルギーに基づくレジストレーションにおける画像の差分を圧力のポテンシャルとみなし、そのGradientを圧力とする。圧力ベクトルpとするとき、
また、(12)における微分作用素LをNavier-Stokes方程式における作用素とする。すなわち、
とする。これを(17)に代入し、
となる。
<Flow-based registration>
In the flow-based algorithm, the image difference in the registration based on energy is regarded as the potential of pressure, and the gradient is used as the pressure. When the pressure vector is p,
Further, the differential operator L in (12) is an operator in the Navier-Stokes equation. That is,
And Substituting this into (17)
It becomes.
以上の処理を1回のタイムステップの処理として、反復を繰り返す。 The above process is repeated as one time step process, and the process is repeated.
アルゴリズムは、次のようになる。
The algorithm is as follows.
<マルチチャンネルレジストレーションと統合処理>
このときに、ボリュームデータをそのままレジストレーションするのではなく、組織ごとに2値ボリュームを生成して、それをレジストレーションする。これにより、組織ごとにレジストレーションした結果が得られる。
<Multi-channel registration and integration>
At this time, the volume data is not registered as it is, but a binary volume is generated for each organization and is registered. As a result, a result of registration for each tissue is obtained.
原理的には、個人データの組織は、交わりのない集合なので、各組織の和集合はボリュームデータ全体と一致する。したがって、組織ごとのレジストレーションの結果も、レジストレーション誤差がなければ、単純に組織の領域の集合和をとることによってボリュームデータを得ることができる。すなわち、以下の集合の等式が、個人データに関しても、数値人体モデルをレジストレーションした結果でも、ともに成り立つ。
しかしながら、実用上はレジストレーション誤差が発生してしまう。レジストレーションの誤差発生の原因は、おもに組織のトポロジーが異なっていることに起因する。レジストレーションは連続変形であるが、連続変形によって組織を一致させるためには、組織のトポロジーが一致していることが条件になる。しかし、実データ上の組織形状およびトポロジーは複雑であり、一致していることは期待できない。したがって、レジストレーションで得られる結果は、ベストエフォートである。レジストレーション誤差のため、各組織のレジストレーション結果は、(式21、式22)を満たさない。これは、組織間の間に隙間が生じたい、組織が重なることを意味する。
In principle, the organization of personal data is a set that does not intersect, so the union of each organization matches the entire volume data. Therefore, if there is no registration error in the registration results for each tissue, volume data can be obtained by simply taking the set sum of the tissue regions. That is, the following set of equations holds for both personal data and the result of registering a numerical human body model.
However, in practice, a registration error occurs. The cause of registration error is mainly due to the difference in the topology of the tissue. Registration is a continuous deformation, but in order for the tissues to be matched by the continuous deformation, the topology of the tissues must be matched. However, the structure and topology of the actual data are complex and cannot be expected to match. Therefore, the result obtained with registration is best effort. Due to the registration error, the registration result of each tissue does not satisfy (Equation 21 and Equation 22). This means that there is a gap between the tissues, and the tissues overlap.
そのため、統合はある程度系統的なルールに基づいて、隙間や重なりを修正する。例えば、隙間を脂肪組織で埋め、重なりについては、骨格を筋肉より優先し、筋肉をその他の組織より優先し、そしてその他の組織を脂肪より優先するように内部組織データを上書きする。 Therefore, the integration corrects gaps and overlaps based on some systematic rules. For example, the gaps are filled with adipose tissue, and for overlap, internal tissue data is overwritten so that the skeleton takes precedence over muscle, the muscle takes precedence over other tissues, and the other tissue takes precedence over fat.
上記の各修正は、例示であり、隙間を脂肪組織以外の組織で埋めることを排除するものではない。また重なりの修正については、上記以外の優先順位を排除するものではない。 Each of the above corrections is an exemplification, and does not exclude filling the gap with a tissue other than the fat tissue. Further, the priority other than the above is not excluded for the correction of the overlap.
本発明にかかる個人モデルデータの生成方法の一実施例を説明する。同時に個人モデルデータの生成プログラムおよび生成システムの実施例についても説明する。 An embodiment of a method for generating personal model data according to the present invention will be described. At the same time, an embodiment of the personal model data generation program and generation system will be described.
実施例の説明では、数値人体モデルとして日本人成人男性のモデル(以下、ソースモデルと表記することがある)を用い、変形対象である個人として日本人成人女性のモデル(以下、ターゲットモデルと表記することがある)を用いる。ソースモデルとして日本人成人男性のモデルを、そしてターゲットモデルとして日本人成人女性のモデルを用いた理由は、両者は、筋肉組織および脂肪組織の量が大きく相違するため、組織形状変形処理の必要性を顕著に示すことができるからである。 In the description of the embodiment, a Japanese adult male model (hereinafter sometimes referred to as a source model) is used as a numerical human body model, and a Japanese adult female model (hereinafter referred to as a target model) as an individual to be deformed. May be used). The reason for using a Japanese adult male model as the source model and a Japanese adult female model as the target model is that the amount of muscle tissue and adipose tissue differ greatly, and the necessity of tissue shape deformation processing is necessary. It is because it can show notably.
実施例の説明に先立ち、図1〜図4について説明する。 Prior to the description of the embodiment, FIGS. 1 to 4 will be described.
図1は、ソースモデル(a)およびターゲットモデル(d)から、ソースモデルに体形変形処理を施しボリュームリフィリングを行い(b)、さらに組織形状変形処理を施して、個人モデルデータ(c)を生成した例を示したものである。 FIG. 1 shows that the source model (a) and the target model (d) are subjected to body shape deformation processing and volume refilling (b), and further subjected to tissue shape deformation processing to obtain personal model data (c). A generated example is shown.
図1(a)〜(d)に示す各モデルにおける、筋肉組織組織(Muscle)、脂肪組織(Fat)、およびその他の組織(Other)のボクセルパーセントは、図2における4本の棒グラフVP1〜VP4に示されている。棒グラフVP1〜VP4は、それらの下部領域が筋肉組織のボクセルパーセントを示し、中間領域が脂肪組織のボクセルパーセントを示し、上部領域がその他の組織のボクセルパーセントを示している。例えばソースモデルのボクセルパーセントを示す棒グラフVP1では、筋肉組織が39.76%、脂肪組織が29.63%、そしてその他の組織が30.61%である。 The voxel percentages of muscle tissue (Muscle), adipose tissue (Fat), and other tissues (Other) in each model shown in FIGS. 1 (a) to (d) are the four bar graphs VP1 to VP4 in FIG. Is shown in In the bar graphs VP1 to VP4, the lower area indicates the voxel percentage of the muscle tissue, the middle area indicates the voxel percentage of the adipose tissue, and the upper area indicates the voxel percentage of the other tissues. For example, in the bar graph VP1 showing the voxel percentage of the source model, the muscle tissue is 39.76%, the fat tissue is 29.63%, and the other tissues are 30.61%.
図3は本発明にかかる個人モデルデータの生成のフローチャートであり、図4は内部組織レジストレーションのフローチャートである。以下、本発明をこれらフローチャートを中心に説明する。 FIG. 3 is a flowchart of generating personal model data according to the present invention, and FIG. 4 is a flowchart of internal organization registration. Hereinafter, the present invention will be described focusing on these flowcharts.
<ポリゴンメッシュ抽出>
第一段階の処理は、ポリゴンメッシュ抽出(STEP10)から行われる。ここでは、ソースモデルのボリュームデータから体表面をポリゴンメッシュ(数値人体モデルポリゴンメッシュ)として抽出する(STEP11)。ターゲットモデルのボリュームデータから体表面をポリゴンメッシュ(個人ポリゴンメッシュ)として抽出する(STEP12)。
<Polygon mesh extraction>
The first stage of processing is performed from polygon mesh extraction (STEP 10). Here, the body surface is extracted as a polygon mesh (numerical human model polygon mesh) from the volume data of the source model (STEP 11). The body surface is extracted from the volume data of the target model as a polygon mesh (individual polygon mesh) (STEP 12).
こうしたポリゴンメッシュの抽出は、公知のアルゴリズムや、前述した「体表面のポリゴンメッシュ抽出」で示した頂点座標付加のアルゴリズムに基づく演算を実施する工程で行われる。これら演算はコンピュータプログラムによって実行することができる。 Such polygon mesh extraction is performed in a process of performing a calculation based on a known algorithm or the vertex coordinate addition algorithm shown in the above-mentioned “polygon mesh extraction of body surface”. These operations can be executed by a computer program.
図5は、本発明を実施するためのシステム(以下、本システムと表記することがある)の一例を示したものである。本システムにおけるポリゴンメッシュ抽出手段は、上記コンピュータプログラムを収納するコンピュータ10で実現することができる。ここでコンピュータプログラムの収納は、恒常的な収納はもとより、一時的な収納であってもよく、さらにコンピュータプログラムが一時的な収納のために通信回線を経由して伝達されるものであってもよい(コンピュータプログラムの収納について以下同様)。
FIG. 5 shows an example of a system for implementing the present invention (hereinafter sometimes referred to as the present system). The polygon mesh extracting means in this system can be realized by the
コンピュータ10は、必要に応じLANなどの通信回線を介して、ソースモデルのボリュームデータSDを蓄積したソースデータベース11、ターゲットモデルのボリュームデータデータTDを蓄積したターゲットデータベース12、および生成された個人モデルデータPDを蓄積する個人モデルデータベース13などと接続される。また本システムは、必要に応じ、画像モニタ14や、図示しないプリンタ、X線CT装置などの医療機器に接続されてもよい。
The
抽出された両ポリゴンメッシュは、ラプラシアンを適用するフェアリング処理(STEP13およびSTEP14)が施されて滑らかにされる。図6はポリゴンメッシュ(a)にフェアリング処理を施して体表面を滑らかにする例を示した図であり、同図(b)はラプラシアンを2回適用した例であり、同図(c)はラプラシアンを4回適用した例である。 Both extracted polygon meshes are smoothed by applying a fairing process (STEP 13 and STEP 14) applying Laplacian. FIG. 6 is a diagram showing an example in which the body surface is smoothed by applying a fairing process to the polygon mesh (a), and FIG. 6B is an example in which the Laplacian is applied twice, and FIG. Is an example of applying Laplacian four times.
<体表レジストレーション>
体表レジストレーション(STEP20)では、大域的な近似(STEP21)および局所的レジストレーション(STEP22)の何れか一方または双方が選択され行われる。
<Body surface registration>
In the body surface registration (STEP 20), one or both of global approximation (STEP 21) and local registration (STEP 22) is selected and performed.
大域的な近似は、ソースモデルのメッシュの形状の画像とターゲットモデルのメッシュの形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化することによって行われる非剛体レジストレーションである。大域的な近似は、前述した「レジストレーションベースの大域的な近似処理」および「組織形状変形処理」で示したアルゴリズム(式10〜式20等)に基づく演算を実施する工程で行われる。これら演算はコンピュータプログラムによって実行することができる。
The global approximation is a non-rigid registration performed by minimizing the differential energy between the source model mesh shape image and the target model mesh shape image. The global approximation is performed in a step of performing an operation based on the algorithms (
局所的レジストレーションは、ソースモデルのメッシュ頂点すべてに対して、ターゲットモデルのメッシュの頂点の中で一番近い点をサーチして、その一番近い点に前記数値人体モデルのメッシュ頂点を移動させるレジストレーションである。局所的レジストレーションは、前述した「局所的な近似処理」で示したアルゴリズムに基づく演算を実施する工程で行われる。これら演算はコンピュータプログラムによって実行することができる。 Local registration searches all the mesh vertices of the source model for the closest point in the mesh vertices of the target model, and moves the mesh vertices of the numerical human model to the closest point Registration. The local registration is performed in a step of performing an operation based on the algorithm shown in the above-mentioned “local approximation process”. These operations can be executed by a computer program.
ここで局所的レジストレーションは、メッシュ頂点を移動させるレジストレーションだから自動化しても必ず収束し、またパラメータをマニュアルで設定する必要がなく演算の再現性が高い。また大局的な近似は、両メッシュの形状の画像の間の差分量エネルギーを最小化するものだから自動化しても必ず収束し、パラメータをマニュアルで設定する必要がなく演算の再現性が高い。 Here, the local registration is a registration that moves the mesh vertices, so even if it is automated, it always converges, and it is not necessary to set parameters manually, so that the reproducibility of computation is high. The global approximation minimizes the energy of the difference between the images in the shape of both meshes, so it always converges even if it is automated, and there is no need to set parameters manually, and the reproducibility of calculations is high.
したがって大域的な近似および局所的レジストレーションを自動的に実行する手段は、図5に示す本システムのコンピュータ10によって実現することができる(以下、レジストレーションによって変形したソースモデルのメッシュを、変形人体モデルのメッシュと表記することがある。)。
Therefore, means for automatically executing global approximation and local registration can be realized by the
ソースモデルのメッシュは、図1(a)においてその体形の輪郭(男性の特徴を有している)となって示されている。同様に変形人体モデル(図1(b))は、同図上においてその体形の輪郭(女性の特徴を有している)を示している。生成された変形人体モデルの体表面形状は、このように、ターゲットモデルの体表面形状に高精度で近似している。 The mesh of the source model is shown as an outline of its body shape (having male characteristics) in FIG. Similarly, the deformed human body model (FIG. 1B) shows the contour of the body shape (having female characteristics) on the same figure. The body surface shape of the generated deformed human body model thus approximates the body surface shape of the target model with high accuracy.
<ボリュームリフィリング>
ボリュームリフィリング(STEP30)では、変形人体モデルのメッシュを2値ボリューム化(STEP31)した後、ボリュームリフィリングを適用して、変形人体モデルのメッシュに内部組織構造が埋め込まれる(STEP32)。こうして埋め込まれた内部組織を変形人体モデルの内部組織と表記し、その構造を変形人体モデルの内部組織構造と表記することがある。
<Volume refilling>
In volume refilling (STEP 30), the mesh of the deformed human body model is binarized (STEP 31), and then volume refilling is applied to embed the internal tissue structure in the mesh of the deformed human body model (STEP 32). The internal tissue thus embedded may be referred to as the internal structure of the deformed human model, and the structure may be referred to as the internal structure of the deformed human model.
ボリュームリフィリングは、前述した「ボリュームリフィリング」で示したアルゴリズム(式10〜式20等)に基づく演算を実施する工程で行われる。これら演算はコンピュータプログラムによって実行することができる。
The volume refilling is performed in a step of performing an operation based on the algorithm (
ここでボリュームリフィリングは、前述したとおり、その解が必ずユニークに存在するから自動化しても必ず収束し、またパラメータをマニュアルで設定する必要がなく、演算の再現性が高い。したがってボリュームリフィリングを自動的に実行する手段は、図5に示す本システムのコンピュータ10によって実現することができる。
Here, as described above, since volume refilling always has a unique solution as described above, it automatically converges even if it is automated, and there is no need to manually set parameters, and the reproducibility of computation is high. Therefore, the means for automatically executing volume refilling can be realized by the
こうして、図1(b)に示すように、変形人体モデルのメッシュ(ターゲットモデルである女性の体表メッシュ)に、ソースモデルである男性の内部組織構造が埋め込まれる。 In this way, as shown in FIG. 1B, the male internal tissue structure as the source model is embedded in the mesh of the deformed human body model (the female body surface mesh as the target model).
しかし、変形人体モデルの内部組織のボクセルパーセントを示す図2の棒グラフVP2に示されたように、変形人体モデルでは、筋肉組織が40.91%、脂肪組織が30.50%、その他の組織が28.59%である。 However, as shown in the bar graph VP2 in FIG. 2 showing the internal tissue voxel percentage of the deformed human model, the deformed human model has 40.91% muscle tissue, 30.50% fat tissue, and other tissues. 28.59%.
これらをターゲットモデルにおけるボクセルパーセントを示す図2の棒グラフVP4(筋肉組織30.45%、脂肪組織41.44%、およびその他の組織28.11%)と比較すると、変形人体モデルとターゲットモデルは、それらのボクセルパーセントに差異がある一方、変形人体モデルのボクセルパーセントは、ソースモデルのボクセルパーセント(棒グラフVP1に示された筋肉組織が39.76%、脂肪組織が29.63%、その他の組織が30.61%)に近い。すなわち変形人体モデルの内部組織構造は、ターゲットモデルよりも、ソースモデルに近い。 Comparing these with the bar graph VP4 of FIG. 2 showing the voxel percentage in the target model (30.45% muscle tissue, 41.44% adipose tissue, and 28.11% other tissue), the deformed human body model and the target model are: While there is a difference in their voxel percent, the voxel percent of the deformed human body model is that of the source model (39.76% for muscle tissue, 29.63% for adipose tissue and 29.63% for other tissues shown in bar graph VP1). Close to 30.61%). That is, the internal organization structure of the deformed human body model is closer to the source model than the target model.
たとえば図7は、後述する筋肉組織における組織形状変形処理の例を示す図であるが、図7(a)のモデルは、変形人体モデル(女性モデルの体形に変形されたモデル)のメッシュに男性モデルの筋肉組織だけを埋め込んだものであり、ここでは変形人体モデルの筋肉組織構造(例えば腿は、筋肉がたくましく男性的である)は、ターゲットモデル図7(c)の筋肉組織構造よりも、ソースモデル(男性)の筋肉組織構造に近い。 For example, FIG. 7 is a diagram illustrating an example of tissue shape deformation processing in a muscle tissue, which will be described later. The model in FIG. 7A is a male mesh on a deformed human body model (a model deformed into a female model body shape). Only the muscle tissue of the model is embedded. Here, the muscle tissue structure of the deformed human body model (for example, the thigh is strong and masculine) is more than the muscle tissue structure of the target model FIG. Close to the muscle tissue structure of the source model (male).
ここまでが「第一段階の処理」である。 This is the “first stage processing”.
このようにまだソースモデルに近似している、変形人体モデルの内部組織構造を、ターゲットモデルの内部組織構造と近似させる内部組織レジストレーションが、以下に述べる「第二段階の処理」である。 The internal tissue registration that approximates the internal tissue structure of the deformed human body model that is still approximated to the source model as described above is the “second stage process” described below.
<内部組織レジストレーション>
第二段階の処理(前述した「組織形状変形処理」である)では、人体の中でもシミュレーションに重要な組織(例えば脂肪、筋肉、骨格)に限定した簡易的な組織同定を行う(STEP41)。これらの組織に関しては、CT/MRIデータでの値が比較的分離しやすいので、簡単な閾値処理で同定することができる(自動化を阻害する要因はない。)。ここではまた、それ以外の組織について、その他の組織として1つにまとめて仮想的な組織として同定する(同じくSTEP41)。
<Internal organization registration>
In the second stage process (which is the above-mentioned “tissue shape deformation process”), simple tissue identification limited to tissues (for example, fat, muscle, and skeleton) that are important for simulation in the human body is performed (STEP 41). Regarding these tissues, the values in the CT / MRI data are relatively easily separated, and can be identified by simple threshold processing (there is no factor that hinders automation). Here, the other organizations are collectively identified as other organizations and identified as virtual organizations (also STEP 41).
なお組織臓器数が51である数値人体モデル(非特許文献1)では、51の組織臓器にそれぞれIDが付されており、上記組織同定がなされると、同定された組織のIDが付される(その他の組織については、新たなIDを付す。)。 In the numerical human body model (Non-Patent Document 1) having 51 tissue organs, 51 tissue organs are assigned IDs, and when the tissue identification is performed, the IDs of the identified tissues are attached. (For other organizations, a new ID is assigned.)
内部組織レジストレーションは、体表レジストレーションにおける大域的な近似と同じアルゴリズムによって行うことができる(STEP42)。すなわち、前述した「レジストレーションベースの大域的な近似処理」および「組織形状変形処理」で示したアルゴリズムに基づく演算を実施する工程で行われる。またこれら演算はコンピュータプログラムによって実行することができる。 Internal tissue registration can be performed by the same algorithm as the global approximation in body surface registration (STEP 42). That is, it is performed in a step of performing an operation based on the algorithms shown in the above-mentioned “registration-based global approximation process” and “tissue shape deformation process”. These operations can be executed by a computer program.
こうした大局的な近似は、前述したとおり自動化しても必ず収束するから、パラメータをマニュアルで設定する必要がなく、演算の再現性が高い。したがって内部組織レジストレーションを自動的に実行する手段は、図5に示す本システムのコンピュータ10によって実現することができる。
Since such global approximation always converges even if it is automated as described above, it is not necessary to set parameters manually, and the reproducibility of computation is high. Therefore, means for automatically executing internal tissue registration can be realized by the
例えば筋肉組織に組織形状変形処理を施す場合には、変形人体モデルのメッシュに、ソースモデルの筋肉組織だけを埋め込んで生成された図7(a)のモデルの筋肉組織構造に、さらに内部組織レジストレーションを施して、ターゲットモデル図7(c)の筋肉組織構造と近似させる(図7(b)のモデル参照)。 For example, when the tissue shape deformation process is performed on the muscle tissue, the internal tissue resist is further added to the muscle tissue structure of the model of FIG. 7A generated by embedding only the muscle tissue of the source model in the mesh of the deformed human body model. The target model is approximated to the muscle tissue structure of FIG. 7C (see the model of FIG. 7B).
この筋肉組織のレジストレーションによって、変形人体モデルにおける筋肉組織のボクセルパーセント40.91%(図2の棒グラフVP2参照))が30.85%と変化して(図2の棒グラフVP3参照)、ターゲットモデル(女性モデル)の筋肉組織構造のボクセルパーセント30.45%(図2の棒グラフVP4参照))と近似する。 This muscle tissue registration changes the muscle tissue voxel percentage 40.91% in the deformed human body model (see the bar graph VP2 in FIG. 2) to 30.85% (see the bar graph VP3 in FIG. 2), and the target model Approximate the voxel percentage 30.45% (see bar graph VP4 in FIG. 2)) of the muscle tissue structure of (female model).
同様にして、脂肪組織を対象とする組織形状変形処理を行う。この処理によって、変形人体モデルにおける脂肪組織のボクセルパーセント30.50%(図2の棒グラフVP2参照))が、42.12%と変化して(図2の棒グラフVP3参照)、ターゲットモデル(女性モデル)の脂肪組織構造のボクセルパーセント41.44%(図2の棒グラフVP4参照))と近似する。 Similarly, a tissue shape deformation process for a fat tissue is performed. This process changes the adipose tissue voxel percentage 30.50% (see the bar graph VP2 in FIG. 2)) to 42.12% (see the bar graph VP3 in FIG. 2) in the deformed human model, and the target model (female model). ) Fat tissue structure percent voxel percent 41.44% (see bar graph VP4 in FIG. 2)).
図8は、その他の組織における組織形状変形処理の例を示す図である。図8(a)のモデルは、変形人体モデルのメッシュにソースモデルの他の組織だけを埋め込んだものであり、図8(c)のモデルは、ターゲットモデルのその他の組織構造を示すものであり、図8(b)のモデルは、図8(a)のモデルのその他の組織に内部組織レジストレーションを施して、ターゲットモデルのその他の組織に近似させたモデルである。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a tissue shape deformation process in another tissue. The model shown in FIG. 8A is obtained by embedding only the other organization of the source model in the mesh of the deformed human body model, and the model shown in FIG. 8C shows the other organization structure of the target model. The model in FIG. 8B is a model obtained by applying internal tissue registration to the other tissues in the model in FIG. 8A to approximate the other tissues in the target model.
この処理によって、変形人体モデルにおけるその他の組織のボクセルパーセント28.59%(図2の棒グラフVP2参照))が、27.03%と変化して(図2の棒グラフVP3参照)、ターゲットモデルのその他の組織構造のボクセルパーセント28.11%(図2の棒グラフVP4参照))と近似する。 By this process, the voxel percentage 28.59% of other tissues in the deformed human body model (see the bar graph VP2 in FIG. 2) is changed to 27.03% (see the bar graph VP3 in FIG. 2), and the other in the target model The voxel percentage of the tissue structure is 28.11% (see the bar graph VP4 in FIG. 2)).
<マルチチャンネルレジストレーションと統合処理>
内部組織レジストレーション(STEP40)では、さらにマルチチャンネルレジストレーションと統合処理が行われる。前述した「マルチチャンネルレジストレーションと統合処理」で述べたように、内部組織間に隙間や内部組織間の重なりが生じるからである。
<Multi-channel registration and integration>
In the internal organization registration (STEP 40), multi-channel registration and integration processing are further performed. This is because, as described above in “Multi-channel registration and integration processing”, a gap or an overlap between internal tissues occurs between internal tissues.
そこで「マルチチャンネルレジストレーションと統合処理」で示したように内部組織間の隙間を埋め(STEP43)、同じく例示した優先順位で内部組織を上書きして、内部組織間の重なりを修正する(STEP44)。 Therefore, as shown in “Multi-channel registration and integration processing”, the gap between the internal tissues is filled (STEP 43), and the internal tissues are overwritten in the same priority order as illustrated to correct the overlap between the internal tissues (STEP 44). .
内部組織間の隙間は、処理対象となる複数の内部組織のデータが存在しない領域として必ず自動的に検出できるから、高い再現性をもって脂肪組織を埋め込むことができる。また内部組織間の重なりは、処理対象となる複数の内部組織のデータが重複する領域として必ず自動的に検出できるから、高い再現性をもって優先される内部組織で上書きする処理を実施できる。こうしたマルチチャンネルレジストレーションと統合処理をへて個人モデルデータが生成される。 Since the gap between the internal tissues can always be automatically detected as an area where there is no data of a plurality of internal tissues to be processed, adipose tissue can be embedded with high reproducibility. In addition, since an overlap between internal tissues can always be automatically detected as a region where data of a plurality of internal tissues to be processed overlap, it is possible to perform a process of overwriting with a preferred internal structure with high reproducibility. Personal model data is generated through such multi-channel registration and integration processing.
こうした埋め込み処理および上書き処理は、コンピュータプログラムによって実行することができ、埋め込み処理および上書き処理を自動的に実行する手段は、図5に示す本システムのコンピュータ10によって実現することができる。
Such embedding processing and overwriting processing can be executed by a computer program, and means for automatically executing the embedding processing and overwriting processing can be realized by the
なお本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、その趣旨を変更することなく適宜変形して実施することができる。 In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, It can deform | transform and implement suitably, without changing the meaning.
本発明にかかる個人モデルデータの生成システムおよび生成プログラムは、医療機器産業において製造および販売などの対象となり、医療研究および医療現場などにおいて使用できるから、そして本発明にかかる個人モデルデータの生成方法は、医療研究および医療現場などにおいて使用できるから、本発明は経済的価値を有し、また産業上の利用可能性を有している。 The personal model data generation system and generation program according to the present invention is a target for manufacturing and sales in the medical device industry, and can be used in medical research, medical practice, and the like. The present invention has economic value and industrial applicability because it can be used in medical research and medical practice.
STEP10 ポリゴンメッシュ抽出工程
STEP11 数値人体モデルポリゴンメッシュ抽出工程
STEP12 個人ポリゴンメッシュ抽出工程
STEP13 数値人体モデルポリゴンメッシュのフェアリング処理工程
STEP14 個人ポリゴンメッシュのフェアリング処理工程
STEP20 体表レジストレーション工程
STEP21 大域的近似(非剛性レジストレーション)工程
STEP22 局所的レジストレーション工程
STEP30 ボリュームリフィリング工程
STEP31 変形人体モデルのメッシュの2値ボリューム化工程
STEP32 変形人体モデルのメッシュへの内部組織構造埋め込み工程
STEP40 内部組織レジストレーション工程
STEP41 簡易的組織同定工程
STEP42 内部組織レジストレーション工程
STEP43 内部組織間隙間埋め込み工程
STEP44 内部組織間の重なり修正工程
Claims (6)
前記コンピュータが、ソースデータベースに蓄積された前記数値人体モデルのボリュームデータに基づいて、前記数値人体モデルの体表面を数値人体モデルポリゴンメッシュとして抽出するとともに、ターゲットデータベースに蓄積された前記個人のボリュームデータに基づいて、前記個人の体表面を個人ポリゴンメッシュとして抽出するポリゴンメッシュ抽出工程と、
前記コンピュータが、前記数値人体モデルのメッシュを変形して、個人データのメッシュに近似した変形人体モデルのメッシュとする体表レジストレーション工程と、
前記コンピュータが、前記変形人体モデルのメッシュをボクセル化したうえで、前記数値人体モデルのボリュームデータに基づく内部組織構造を埋め込んで、変形人体モデルの内部組織構造を生成するボリュームリフィリング工程と、
前記コンピュータが、変形人体モデルの内部組織構造を構成する1または複数の内部組織の形状を、これら変形人体モデルの内部組織に対応する前記個人の1または複数の個人内部組織の形状に近似させることによって、前記変形人体モデルの内部組織構造を変形して、前記個人の内部組織構造とする内部組織レジストレーション工程とを有することを特徴とする個人モデルデータの生成方法。A personal model data generating method for generating a personal internal organization structure by computer simulation based on a numerical human body model having an internal organizational structure,
The computer extracts the body surface of the numerical human body model as a numerical human body model polygon mesh based on the volume data of the numerical human body model stored in the source database, and the personal volume data stored in the target database. A polygon mesh extracting step of extracting the individual's body surface as a personal polygon mesh based on
A body surface registration step in which the computer transforms the mesh of the numerical human body model into a deformed human body model mesh that approximates the mesh of personal data;
A volume refilling step in which the computer voxels the mesh of the deformed human body model and then embeds an internal tissue structure based on the volume data of the numerical human body model to generate an internal tissue structure of the deformed human body model;
The computer approximates the shape of one or more internal tissues constituting the internal tissue structure of the deformed human body model to the shape of the one or more individual internal tissues of the individual corresponding to the internal tissue of the deformed human body model. by, by modifying the internal organizational structure of the deformable body model, the method of generating the personal model data and having an internal tissue registration process of the internal tissue structure of the individual.
前記数値人体モデルのメッシュの形状の画像と前記個人データのメッシュの形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化することによって行われる非剛体レジストレーション、および前記数値人体モデルのメッシュ頂点すべてに対して、前記個人データのメッシュの頂点の中で一番近い点をサーチして、その一番近い点に前記数値人体モデルのメッシュ頂点を移動させる局所的レジストレーションの何れか一方または双方を行うものであり、
前記内部組織レジストレーション工程における前記変形人体モデルの内部組織の形状の、前記個人の内部組織の形状への近似変形は、前記変形人体モデルの内部組織の形状の画像と前記個人の内部組織の形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化する非剛体レジストレーションによって行われることを特徴とする請求項1に記載の個人モデルデータの生成方法。The deformation of the numerical human body mesh in the body surface registration process is as follows :
Non-rigid registration performed by minimizing energy difference between the image of the mesh shape of the numerical human body model and the image of the mesh shape of the personal data, and all the mesh vertices of the numerical human body model On the other hand, one or both of local registration is performed by searching for the nearest point among the vertexes of the mesh of the personal data and moving the mesh vertex of the numerical human body model to the nearest point. Is,
The approximate deformation of the shape of the internal tissue of the deformed human body model to the shape of the internal tissue of the individual in the internal tissue registration step includes an image of the shape of the internal tissue of the deformed human body model and the shape of the internal tissue of the individual. The method of generating personal model data according to claim 1, wherein non-rigid registration is performed to minimize the energy of the difference between the image and the image.
ソースデータベースに蓄積された前記数値人体モデルのボリュームデータに基づいて、前記数値人体モデルの体表面を数値人体モデルポリゴンメッシュとして抽出するとともに、ターゲットデータベースに蓄積された前記個人のボリュームデータに基づいて、前記個人の体表面を個人ポリゴンメッシュとして抽出するポリゴンメッシュ抽出手順と、
前記数値人体モデルのメッシュを変形して、個人データのメッシュに近似した変形人体モデルのメッシュとする体表レジストレーション手順と、
前記変形人体モデルのメッシュをボクセル化したうえで、前記数値人体モデルのボリュームデータに基づく内部組織構造を埋め込んで、変形人体モデルの内部組織構造を生成するボリュームリフィリング手順と、
変形人体モデルの内部組織構造を構成する1または複数の内部組織の形状を、これら変形人体モデルの内部組織に対応する前記個人の1または複数の個人内部組織の形状に近似させることによって、前記変形人体モデルの内部組織構造を変形して、前記個人の内部組織構造とする内部組織レジストレーション手順とを有することを特徴とする個人モデルデータの生成プログラム。A personal model data generation program for causing a computer to execute a procedure for generating an internal organization structure of an individual by simulation based on a numerical human body model having an internal organization structure,
Based on the volume data of the numerical human body model stored in the source database, the body surface of the numerical human body model is extracted as a numerical human body model polygon mesh, and based on the volume data of the individual stored in the target database, A polygon mesh extraction procedure for extracting the individual's body surface as a personal polygon mesh;
A body surface registration procedure that transforms the mesh of the numerical human body model into a deformed human body model mesh that approximates the mesh of personal data;
Volume refilling procedure for generating an internal tissue structure of the deformed human body model by embedding an internal tissue structure based on the volume data of the numerical human body model after voxelizing the mesh of the deformed human body model,
By approximating the shape of one or more internal tissues constituting the internal tissue structure of the deformed human body model to the shape of one or more individual internal tissues of the individual corresponding to the internal tissues of the deformed human body model, the deformation by modifying the internal tissue structures of the human body model, individual model data generation program characterized that you have an internal tissue registration procedure to internal tissue structure of the individual.
前記数値人体モデルのメッシュの形状の画像と前記個人データのメッシュの形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化することによって行われる非剛体レジストレーション、および前記数値人体モデルのメッシュ頂点すべてに対して、前記個人データのメッシュの頂点の中で一番近い点をサーチして、その一番近い点に前記数値人体モデルのメッシュ頂点を移動させる局所的レジストレーションの何れか一方または双方を行うものであり、
前記内部組織レジストレーション手順における前記変形人体モデルの内部組織の形状の、前記個人の内部組織の形状への近似変形は、
前記変形人体モデルの内部組織の形状の画像と前記個人の内部組織の形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化する非剛体レジストレーションによって行われることを特徴とする請求項3に記載の個人モデルデータの生成プログラム。The deformation of the numerical human body model mesh in the body surface registration procedure is as follows :
Non-rigid registration performed by minimizing energy difference between the image of the mesh shape of the numerical human body model and the image of the mesh shape of the personal data, and all the mesh vertices of the numerical human body model On the other hand, one or both of local registration is performed by searching for the nearest point among the vertexes of the mesh of the personal data and moving the mesh vertex of the numerical human body model to the nearest point. Is,
The shape of the internal tissue of the deformable body model in the internal tissue registration procedure, approximates the deformation in the shape of the inner tissue of the individual,
The non-rigid registration that minimizes a difference energy between an image of an internal tissue shape of the deformed human body model and an image of an internal tissue shape of the individual. Personal model data generation program.
ソースデータベースに蓄積された前記数値人体モデルのボリュームデータに基づいて、前記数値人体モデルの体表面を数値人体モデルポリゴンメッシュとして抽出するとともに、ターゲットデータベースに蓄積された前記個人のボリュームデータに基づいて、前記個人の体表面を個人ポリゴンメッシュとして抽出する、前記コンピュータが有するポリゴンメッシュ抽出手段と、
前記数値人体モデルのメッシュを変形して、個人データのメッシュに近似した変形人体モデルのメッシュとする、前記コンピュータが有する体表レジストレーション手段と、
前記変形人体モデルのメッシュをボクセル化したうえで、前記数値人体モデルのボリュームデータに基づく内部組織構造を埋め込んで、変形人体モデルの内部組織構造を生成する、前記コンピュータが有するボリュームリフィリング手段と、
変形人体モデルの内部組織構造を構成する1または複数の内部組織の形状を、これら変形人体モデルの内部組織に対応する前記個人の1または複数の個人内部組織の形状に近似させることによって、前記変形人体モデルの内部組織構造を変形して、前記個人の内部組織構造とする、前記コンピュータが有する内部組織レジストレーション手段とを有することを特徴とする個人モデルデータの生成システム。A personal model data generating system for generating a personal internal organizational structure by computer simulation based on a numerical human body model having an internal organizational structure,
Based on the volume data of the numerical human body model stored in the source database, the body surface of the numerical human body model is extracted as a numerical human body model polygon mesh, and based on the volume data of the individual stored in the target database, Extracting the person's body surface as a personal polygon mesh, the polygon mesh extracting means of the computer ,
A body surface registration means included in the computer, wherein the mesh of the numerical human body model is transformed into a deformed human body model mesh approximated to a personal data mesh;
Volume refilling means possessed by the computer for generating the internal tissue structure of the deformed human body model by embedding the internal tissue structure based on the volume data of the numerical human body model after voxelizing the mesh of the deformed human body model,
By approximating the shape of one or more internal tissues constituting the internal tissue structure of the deformed human body model to the shape of one or more individual internal tissues of the individual corresponding to the internal tissues of the deformed human body model, the deformation by modifying the internal tissue structures of the human body model, the internal tissue structure of the individual product system individual model data and having an internal tissue registration means the computer has.
前記数値人体モデルのメッシュの形状の画像と前記個人データのメッシュの形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化することによって行われる非剛体レジストレーション、および前記数値人体モデルのメッシュ頂点すべてに対して、前記個人データのメッシュの頂点の中で一番近い点をサーチして、その一番近い点に前記数値人体モデルのメッシュ頂点を移動させる局所的レジストレーションの何れか一方または双方を行うものであり、
前記内部組織レジストレーション手段における前記変形人体モデルの内部組織の形状の、前記個人の内部組織の形状への近似変形は、
前記変形人体モデルの内部組織の形状の画像と前記個人の内部組織の形状の画像との間の差分量エネルギーを最小化する非剛体レジストレーションによって行われることを特徴とする請求項5に記載の個人モデルデータの生成システム。The deformation of the mesh of the numerical human body model in the body surface registration means is as follows :
Non-rigid registration performed by minimizing energy difference between the image of the mesh shape of the numerical human body model and the image of the mesh shape of the personal data, and all the mesh vertices of the numerical human body model On the other hand, one or both of local registration is performed by searching for the nearest point among the vertexes of the mesh of the personal data and moving the mesh vertex of the numerical human body model to the nearest point. Is,
The approximate deformation of the shape of the internal tissue of the deformed human body model in the internal tissue registration means to the shape of the internal tissue of the individual is :
The non-rigid registration that minimizes energy difference between an image of an internal tissue shape of the deformed human body model and an image of an internal tissue shape of the individual according to claim 5. A system for generating personal model data.
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