[論文レビュー] Extracting Three Dimensional Surface Model of Human Kidney from the Visible Human Data Set using Free Software

Kirana Kumara P|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2013

Anatomy and Medical Technology参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ImageJ、ITK-SNAP、MeshLab などのオープンソースツールを用いて、Visible Human データセットから人間の腎臓の高精細な3次元表面モデルを抽出する低コストでフリーのソフトウェアベースの手法を提示する。このアプローチにより、商業用ソフトウェアや有料のデジタルモデルに依存せずに、正確で再現可能な腎臓モデリングが可能となり、手術シミュレーション開発の実用的代替手段を提供する。

ABSTRACT

Three dimensional digital model of a representative human kidney is needed for a surgical simulator that is capable of simulating a laparoscopic surgery involving kidney. Buying a three dimensional computer model of a representative human kidney, or reconstructing a human kidney from an image sequence using commercial software, both involve (sometimes significant amount of) money. In this paper, author has shown that one can obtain a three dimensional surface model of human kidney by making use of images from the Visible Human Data Set and a few free software packages (ImageJ, ITK-SNAP, and MeshLab in particular). Images from the Visible Human Data Set, and the software packages used here, both do not cost anything. Hence, the practice of extracting the geometry of a representative human kidney for free, as illustrated in the present work, could be a free alternative to the use of expensive commercial software or to the purchase of a digital model.

研究の動機と目的

• ラパロスコピック手術シミュレータに使用する目的で、人間の腎臓の3次元表面モデルをコスト効率よく生成する手法の開発。
• 解剖学的モデリングに商業用ソフトウェアや購入済みのデジタルモデルに依存することを排除すること。
• 医療画像のセグメンテーションおよび3次元再構築に、完全にフリーのオープンソースソフトウェアツールを用いることの妥当性を示すこと。
• 医療シミュレーションおよび計算解剖学分野の研究者や開発者にとって、再現可能でアクセス可能なワークフローを提供すること。

提案手法

• 腎臓セグメンテーションのためのソースデータとして、Visible Human データセットの軸方向CTに類似した断層画像を用いた。
• 組織のコントラストを向上させるために、ImageJ を用いて画像前処理およびウィンドウレベル調整を実施した。
• ITK-SNAP を用いて、連続するスライス across にわたり、手動および半自動セグメンテーションを実施した。
• ITK-SNAP 内蔵のレベルセットベースのセグメンテーションおよび表面再構築ツールを用いて、セグメンテッドスライスから3次元表面メッシュを生成した。
• MeshLab にセグメンテーション済みボリュームをインポートし、ノイズ低減、平滑化、メッシュ最適化などのポストプロセッシングを実施した。
• シミュレーション環境での利用に適した標準フォーマット（例：PLY、STL）で、最終的な3次元表面モデルをエクスポートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公開済みの医療画像データから、完全にフリーのソフトウェアのみを用いて、人間の腎臓の高品質な3次元表面モデルを抽出できるか？
• RQ2 得られた3次元モデルの品質は、ラパロスコピック手術シミュレーション用途に十分に適しているか？
• RQ3 このフリーのソフトウェアパイプラインのコストとアクセス可能性は、商業的代替手法と比較してどう異なるか？
• RQ4 同じオープンソースツールを用いて、他の研究者が一貫してこの手法を再現可能か？

主な発見

• Visible Human データセットから、完全にフリーのソフトウェアツールを用いて、詳細で解剖学的に正確な3次元表面モデルが正常に再構築された。
• 画像セグメンテーションからメッシュ生成に至る全ワークフローが、ライセンス料やソフトウェア購入費を一切発生させずに完了した。
• 最終的な3次元モデルは、特にラパロスコピック手術に適した幾何学的忠実度を示した。
• この手法は再現可能でアクセス可能であり、すべてのツールとデータが公開され、自由にダウンロード可能であった。
• オープンソースソフトウェアの使用により、医療シミュレーション分野の研究者や開発者にとっての参入障壁が顕著に低減された。