８．３次元画像の構築
【概要】
医用画像における３次元画像は，連続的に得た多数の２次元スライス画像を３次元的に再構成し，それを画像として２次元表示したものである．３次元再構成の方法で，現在一般に用いられているものにボクセル法という手法である．ボクセル法では，スライス画像の各ピクセル（pixel，画素）を３次元的なボクセル（voxel，体積素）として扱い，これをスライス画像ごとに積み木のように積み上げることで３次元構造が表現される．ボクセル法によってコンピュータ内部に構築された３次元物体を２次元の画像として投影表示する方法には，CG（コンピュータグラフィックス）の手法が利用されている．その手法の中で最も代表的でアルゴリズムにレイトレーシング法（光線追跡法）がある．図１をみてみよう．
図１ 網目を覗くレイトレーシング
図１はレイトレーシングアルゴリズムの原理を表している．ある部屋の中で網戸のついている窓からその景色を眺める様子を想像してみよう．この網戸を通して外の景色を眺める様子をCGに応用した手法がレイトレーシング法である．網戸の格子をモニター上の１画素と考え，そしてその先にコンピュータ内部で構築された３次元物体があると考えれば良い．つまり，レイトレーシング法では，その物体に向かって視点（カメラ）から視線（投影線，光線）を送り，視線上にある物体の色情報（あるいは濃淡情報）を，視線上の網戸の格子点の画素値とする方法である．こうすることで網戸上に３次元物体の２次元画像が投影されることになる．ただし，CGにおけるレイトレーシング法は，光線と物体が最初に交わる交点を求め，その点での反射，屈折などを考慮し，物体の表面のみを表示する方法とされている．このように物体の表面のみを表示する方法を特にサーフェイスレンダリングと言う．
レイトレーシングアルゴリズムを応用することで，臨床でよく利用されている３次元医用画像の投影像を作成することができる．特に医用画像では物体の表面情報だけでなく内部情報も重要な意味をもつ．そのため医用３次元画像から投影像を作成するときは，物体の内部情報も考慮して投影像を作成するのが通常である．図２をみてみよう．
図２ 医用画像における光線追跡
図２は断層像群をつきぬけるように光線を伸ばしている様子を示している．この光線上にあるボクセルの密度を積算（レイキャスティング）してゆき，半透明度な投影像を生成する方法をボリュームレンダリングと言う．ボリュームレンダリングでは各ボクセルに透明度というパラメータを設定することで，物体の内部も表示可能にしている．ボリュームレンダリングに対してサーフェイスレンダリングでは，光線が断層像群で最初に当たる画素値を投影面上の画素値とした画像になる．このほかに医用画像の３次元表示法としてよく利用されるものに，最大値投影法（Maximum Intensity Projection: MIP），平均値投影法がある．MIPは，一本の光線が通る断層像群中の画素の中で最も高い画素値を投影面上の画素値とする方法である．平均値投影法は，光線が通る画素の平均画素値を投影面上の画素値とする方法である．また，３次元表示ではないが，立体構造の任意断面を再構成する方法として多断面再構成法（MPR：Multi Planar reconstruction）があり，３次元の医用画像を表示する方法として良く利用されている．これらの表示法は，特にCT画像やMR画像を表示するためによく用いられている．
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演習8-1： ３次元画像を作ってみよう！ |
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方法： 考察：
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演習8-2： 補間を行ってから３次元画像を作ってみよう！ |
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使用する画像： 演習8-1で使用した画像 方法：
考察：
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演習8-3： ２値画像で３次元画像を作ってみよう！ |
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使用する画像： 演習8-1で使用した画像 方法：
考察：
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演習8-4： MPR像を作ってみよう！ |
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使用する画像： 演習8-1で使用した画像 ⇒適度に補間を行ってから使用する． 方法：
考察：
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演習8-5： Vomule-Oneで３次元画像を作ってみよう！ |
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使用する画像： 胸部CT画像，頭部MRA画像 方法：
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設定画面
直線ROIの設定例
