VCAD 理研シンポジュウム VCAT: 実在するものからの VCAD データの創出 理化学研究所 VCAD システム研究プログラム生物研究基盤構築チーム横田秀夫
VCAT 各種 CT データから VCAD への形状情報 & 材料情報の受け渡し 形状情報 ( ボクセルデータ 表面データ ) 材料情報 ( ボクセル毎の推定物性値 ) ボクセルデータからの特定領域抽出機能 抽出領域の編集ソフトウエア 抽出領域の確認機能 自動抽出法 サブボクセルデータ生成 マニュアル操作 Windows 版をRVエディタ (Riken Voxcel Editor) としてアカデミック向けに無償公開
S-CAD 表面データボクセルデータ V-CAD 領域別データ ( 多値化 ) ボクセルデータ 粗ボクセルデータ ボクセル演算 ボクセル編集 属性付加 物性値付加 対象物 ボクセルデータ セク メンテーション V-CAT X 線 CT MRI 領域別データ ( 多値化 サフ ホ クセル ) 精細ボクセルデータ ボクセルデータ 粗ボクセルデータ ホ クセルテ ータ V- シミュレーション V-CAM 加工物
VCAT Ver.1 VCAT の画像編集システムとして開発 VCAT Ver.1 を無償にてバイナリ公開 アカデミック向けに RV エディタとしてバイナリ無償配布 理研内外に60 本配布 学術雑誌に使用したデータが掲載 VCAD データ (.vobj:3 角形パッチ + 法線 ) 作製のためのシステムとしてほぼ完成
VCAT Ver. 1.0 入出力 入力 :bmp, tif, vcat 領域抽出 出力 :vboj, vcat, bmp, stl 閾値 ( カラー :RGB HSV) ( グレースケール : 閾値 濃度勾配 ) 編集機能 XYZ 断面での 1 ボクセル単位でのエディタ 表示機能 断面画像 ( 直交 3 軸 ) 連続断面画像出力 任意断面 表面データ創成 ボクセルデータ 表面データ ( 等値面処理 :Marching Cube) 領域間演算 リーシ ョンク ローインク ( 連続領域の設定 ) 加算 減算 値変換 任意断面 表面データ表示 膨張収縮 ノイス 除去 穴埋め
VCAT Ver.2 VCATの並列分散処理版として開発 大規模データへの対応を目的 640x480X3000ボクセルまで動作確認済 (5 台 ) 理論上の制限は無し (3000^3を目標) 操作性はVer.1と変わらず Linux TAO+ACE 状で動作
VCAT Ver.2 による大規模データ解析例 対象 : 人体全身 X 線 CTデータ 対象データ 8bitグレースケール (PNG) 512x256X1707 Voxcel(800MB) 空間分解能 :1mm 等方性ボクセル VCAT Ver.2.0 PC 構成 : 制御 1 台 演算 12 台 (Pen4 3GHz RAM2GB) 領域分割 :X 方向 ( 横 )2 分割 Z 方向 ( 体軸 )6 分割 通信 :Gbit Ethernet 作業 : 領域抽出 ノイズ除去 等値面処理 出力 (stl)
クライアントノード
不均一な物性値を持つ VCAD データの自動生成 X 線 CT 情報を元に 骨の物性値 ( ヤング率 ) を推定 不均一な物性値からなるVCADデータ DICOM 情報からVCARデータの作出法 上記手法の自動化システムを構築
物性値の推定 骨のヤング率は CT 値の 3 乗に比例するという計算式に基づき CT 画像から物性値を推定する RVEditor で作成したマスクデータと組み合わせ 骨領域のみの物性値データを作成 CT 画像物性値 ( 疑似カラー )
不均一な物性値を持つ VCAR 作成 人体 CT 撮影 デジタルデータ (DICOM/16bit) 切り出し ( 間引き ) 骨頭周辺領域 (TIFF/16bit) 抽出用画像 (BMP/8bit) Window Level 変換 ヤング率の算出 マスクデータ (BMP) RVEditor 領域抽出 表面形状データ (vobj) 骨頭領域の物性値データ VCAD Framework VCARデータ
ヤング率推定データ作製のフローチャート CT 8bit データ X 線 CT 画像 骨領域設定 骨抽出画像 VCAT Femoral Data 175x150x950 Voxcel 0.5mm/voxcel Whole Body Data 512x256x853 Voxcel 1x1x2mm/voxcel 濃淡情報再設定 ヤング率推定 vcar ファイル vobj ファイル E = c V-STRUCT VX3D 3 V CT 可視化 [i=1650]=18gpa 濃淡再付加画像 ヤング率画像 大腿部断面情報
X-Ray CT Image Axial Plane 175x150x950 Voxcel 0.5mm/voxcel 17500 15750 14000 12250 10500 8750 7000 5250 3500 1750 0 (MN/m 2 ) Young s Modulus Image Sagittal Plane Coronal Plane
人体モデル構築 Whole Body CT Image Whole Body Image Whole Body Young s Modulus Image 17500 15750 14000 12250 10500 8750 7000 5250 3500 1750 0 (MN/m 2 ) Whole Bone Image
VCAR データの作成 ここまでで作成できた vobj と物性値データを組み合わせて VCAR データを作成する VCAD Framework を利用 vobj を kernel に読み込み Kittacube を生成 cellvertex に物性値を設定する 物性値 CT データ Vobj データ VCAR データ
VCAR データ
全体の流れ Dicom Tiff RAW Bitmap 等 画像フォーマットの変換 Window Level 変換 可視化 VCAT 拡張 VCAT 可視化 物 撮影 CT MRI 3D-ISM 連続断面画像 領域抽出 高精細化 画素値から物性値を推定 表面形状 vobj vcar 物性値 dvcad VCAD データ
VCAT の為の周辺ソフトウエア VolumeData.exe 画像フォーマット変換 dicom(16bit 読込 ),tiff,bmp,png,pgm Reduction.exe 3 軸方向に指定した割合でボクセルを間引く MaskClip.exe 元画像とマスク画像を読み込み 任意のマスク部分を元画像から切り出す Combine.exe 中心軸の異なる2つのボリュームデータを結合支援 ( 連続画像の位置合わせと断面サイズの統一 ) WrapVoxel.exe ボリュームの外側を黒ボクセルで覆う delete_txt.exe 画像の4 角を指定したピクセル数分黒く塗りつぶす
Window Level 変換 VolumeData.exe 元画像にある輝度値から特定の輝度値範囲を抜き出す 16 ビットから 8 ビットへのダウンサンプリング時に Window Level 変換を行う 複数の帯域の線形変更が可能 16bit 8bit
ボクセルサイズ変換 VCAD Framework で扱える大きさまでデータを縮小 切り出し : MaskClip.exe 間引き : Reduction.exe 512x512x1101 192x192x192 64x64x64
今後の予定 自動抽出法の組み込み 16bitデータへの対応 生体を対象とした機器開発に関する研究 大腿骨インプラント設計システムの開発 生物試料を対象としたシステムの開発 Live Cell Modeling の為の 4 次元情報対応システム 物性値推定アルゴリズムの開発
謝辞 本研究で使用している人体データは理化学研究所生体力学シミュレーション特別研究ユニットより提供いただいた 上記研究は理化学研究所倫理委員会の承認の下に行われている