JP2016214615A - 位相画像処理方法、位相画像処理装置、画像処理装置及び画像処理プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の位相画像処理方法は、被写体の画像情報に基づいて第1方向の微分画像を生成するステップと、前記第1方向の微分画像、及び、前記第1方向の微分画像における前記第1方向と異なる方向である第2方向に並ぶ画素間の信号値の差の情報に基づいて位相画像を生成するステップと、を有する。
【選択図】図2
Description
図1は、位相画像処理装置の構成を示す説明図である。位相画像処理装置1は、図1に示すように、入力部11、出力部12、位相画像取得部13、記憶部14、制御処理部15で構成されている。
上記位相画像処理装置1を用いた位相画像処理は、制御処理部15と記憶部14に記録されている各種の画像処理プログラムとの協働によって実行される。図2は、実施形態1〜4の位相画像処理方法の工程を示すフローチャートである。実施形態1における位相画像処理方法は、X線撮影装置等で得られた被写体の画像情報を受信するステップと(S1)、被写体の画像情報に基づいて被写体の第1方向の微分画像を生成するステップと(S2)、生成した第1方向の微分画像を、第1方向とは異なる方向(第2方向)で微分した二次微分画像を生成するステップと(S3)、前記二次微分画像を第1方向に積分することにより、第2方向の微分画像を生成するステップと(S4)、第1方向の微分画像及び第2方向の微分画像を用いて位相画像を生成する工程と(S5)、生成した位相画像を表示する工程と(S6)を含む。実施形態1の位相画像処理方法は、図1に示す制御処理部15のうち、第1微分画像生成部151、位相画像生成部152、二次微分画像生成部153及び第2微分画像生成部154を用いて位相画像を生成する。
(ステップS1:被写体の画像情報の受信)
まず、位相画像取得部13は、X線撮影装置等から被写体の画像情報を受信する(S1)。この被写体の画像情報は、少なくとも被写体のエッジ(端部)の情報を含む二次元データである。ここで、被写体のエッジとは、二次元データにおいて、被写体が存在しないことを示す信号値の画素に隣接する画素であって、被写体が存在することを示す信号値の画素を意味する。位相画像取得部13は、タルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計によって得られた被写体の画像情報であることが好ましい。この理由は、後述する実施形態6において説明する。
次に、第1微分画像生成部151は、上記被写体の画像情報を第1方向に微分することにより第1方向の微分画像を生成する(S2)。図3は、ステップS2で生成されたX方向の微分画像の一例である。以下において、二次元画像中の画像情報を微分した方向をX方向とし、当該X方向に直交する方向をY方向とする。第1方向(X方向)の微分画像は、図3に示すように、被写体によるX線破面の傾き度合に応じて濃淡のコントラストが反映される画像であり、X線吸収画像よりも軟部組織(例えば軟骨部分)を高精細に描写し得る二次元データである。X方向の微分画像は、以下の式(1)で表される。
次に、二次微分画像生成部153は、上記で得られたX方向の微分画像をY方向に微分することにより二次微分画像を生成する(S3)。このY方向の微分は、X方向の微分画像における座標(u,v)に位置する画素の信号値と、当該画素のY方向のマイナス側に隣接する座標(u,v−1)に位置する画素、又はY方向のプラス側に隣接する座標(u,v+1)に位置する画素の信号値との差を算出することによって行われる。図4は、ステップS3で生成された二次微分画像である。二次微分画像は、以下の式(2)で表される。
第2微分画像生成部154は、上記で得られた二次微分画像をX方向に積分することによりY方向の微分画像を生成する(S4)。図5は、X方向に積分することによって生成されたY方向の微分画像である。
位相画像生成部152は、上記で得られたX方向の微分画像及びY方向の微分画像を用いて位相画像を生成する(S5)。ステップS5の位相画像の生成手順を、図7を参照して具体的に説明する。図7は、ステップS5の位相画像の生成手順を説明する図である。まず、X方向の微分画像に対して上記ステップS4における基準列の設定と、列と行の向きが異なる他は同一の手法でX方向の基準行を設定する。
制御部150は、ステップS5で生成した位相画像を出力部12に表示する。
本実施形態は、実施形態1のステップS5において、ポアソン方程式を用いて位相画像を生成することが異なる他は実施形態1と同様である。以下においては、実施形態1に対する変更部分であるステップS5を説明し、それ以外は実施形態1と同様であるため説明を割愛する。
図8は、ポアソン方程式を用いた位相画像の生成手順を示すフローチャートである。上記ポアソン方程式を適用するために、第1方向二次微分画像生成部156は、実施形態1のステップS2で得られたX方向の微分画像を、さらにX方向に微分することによりX方向二次微分画像を生成する(S51)。X方向二次微分画像は以下の式(12)で表される。
本実施形態は、図1に示すように、実施形態1のステップS3〜S4に代えて、X方向の微分画像における被写体の端部(エッジ)を特定する工程と(ステップS3a)、当該エッジを結ぶベクトルのY成分を抽出することによってY方向の微分画像を生成する工程と(ステップS4a)を含むことが異なる他は実施形態1と同様である。以下においては、実施形態1に対する変更部分であるステップS3a及びS4aを説明し、それ以外は実施形態1と同様であるため説明を割愛する。
X方向の微分画像における被写体の端部(エッジ)の特定方法を、図9(a)及び(b)を参照して説明する。まず、制御部150は、X方向の微分画像内の任意の1つの画素を注目画素に設定し、当該注目画素を中心に例えば5×5の測定画素領域を設定する。図9(a)は、測定画素領域の一例であり、図9(a)の測定画素領域における中心画素が注目画素である。なお、図9(a)の測定画素領域は一例にすぎず、測定画像領域は5×5に限られない。
次に、制御部150は、図9(a)に示すように、上記で特定した注目画素及びエッジ画素の互いに隣接する画素同士をベクトル(図9(a)中の点線のベクトル)で結び、このベクトルを上下反転させたベクトルを微分画像の発生方向のベクトル(図9(a)中の実線のベクトル)とする。この微分画像の発生方向のベクトルを、図9(b)に示すようにX方向とY方向に分解し、Y方向の成分のみを抽出することによりY方向の微分画像を生成する。
本実施形態は、図1に示すように、実施形態1のステップS3〜S4に代えて、中間位相画像を生成する工程(ステップS3b)と、当該中間位相画像をY方向に微分することによりY方向の微分画像を生成する工程(ステップS4b)とを含むことが異なる他は実施形態1と同様である。以下においては、実施形態1に対する変更部分であるステップS3b及びS4bを説明し、実施形態1のそれと同一部分の説明は繰り返さない。
図10は、X方向の微分画像のサンプルであり、図11はX方向の微分画像をX方向に積分して得られた中間位相画像のサンプルである。ステップS3bにおいて、中間位相画像生成部155は、ステップS2で得られたX方向の微分画像(図10)を、X方向に積分することにより中間位相画像を生成する(図11)。ここでのX方向への積分は、実施形態1のステップS4における積分手法と同様の方法を用いることができる。
本実施形態では、X方向の微分画像をX方向に積分することによって中間位相画像を生成する場合を説明したが、X方向の微分画像をさらにX方向に微分することによってX方向二次微分画像を生成し、当該X方向二次微分画像に対してポアソン方程式を適用することによって中間位相画像を生成してもよい。
次に、第2微分画像生成部154は、上記中間位相画像をY方向に微分することによりY方向の微分画像を生成する(S4b)。図12は、中間位相画像をY方向に微分して得られたY方向の微分画像のサンプルである。Y方向の微分画像は、以下の式(19)によって算出される。このY方向の微分は、中間位相画像における座標(u,v)に位置する画素の信号値と、当該画素のY方向のマイナス側に隣接する座標(u,v−1)に位置する画素の信号値との差を算出することによって行われる。
図13は、実施形態5の位相画像処理方法のフローチャートである。本実施形態は、図13に示すように、実施形態1のステップS3及びS4に代えて、X方向の微分画像に含まれるY方向の誤差をオフセット補正する工程と(ステップS3c)、補正後のX方向の微分画像に基づいてY方向の微分画像を生成する工程と(ステップS4c)を含むことが異なる他は実施形態1と同様である。以下においては、実施形態1に対する変更部分であるステップS3c及びS4cを説明し、それ以外は実施形態1と同様であるため説明を割愛する。
図14(a)〜(d)は、ステップS3c及びS4cの画像処理を説明するための模式図である。ステップS3cでは、まず、制御部150は、実施形態1のステップS2で得られたX方向の微分画像において、被写体の端部(エッジ)を示す画素がY方向に連続している部分を含む画素領域(例えば5×5の画素領域)を設定する。
第2微分画像生成部154は、上記オフセット補正を行った画素領域に対し、Y方向に微分することによりY方向の微分画像を生成する(図14(d))。上記でオフセット補正されることにより、Y方向に連続する2画素は同一又は近似の信号値をとることになる。このため、Y方向に連続する2画素のY方向の微分値は0又はほぼ0となる。このようにしてY方向に連続する画素の信号値の誤差を補正することにより、Y方向の微分画像の精度を高めることができる。
上記各実施形態で生成した位相画像に対し、最適化演算部162は最適化演算を行ってもよい。最適化演算を行うことにより位相画像の精度を高めることができる。最適化演算部162は、X方向の目的関数は位相画像におけるX方向に隣接する画素の信号値の差(微分値)がX方向の微分画像の値と一致するという仮定を設定することができ、Y方向の目的関数は位相画像におけるY方向に隣接する画素の信号値の差(微分値)がY方向の微分画像の値と一致するという仮定を設定することができる。上記X方向及びY方向の目的関数は、以下の式(21)に示す演算によって行われる。
最適化演算部162は、上記式(21)のY方向の微分画像の項の係数に、Y方向の連続性を表現した重み(yweight(u,v))を積算して位相画像を最適化してもよい。Y方向の連続性を表現した重みを積算する場合、最適化演算部162は、以下の式(22)に示す最適化演算を行う。
上記最適化演算のY方向の目的関数を、Y方向に隣接する画素の信号値は互いに連続しているという仮定に代えて最適化演算を行ってもよい。この場合、上記X方向及びY方向の目的関数は、以下の式(24)に示す演算によって行われる。
上記の各実施形態の説明においては、第1方向(X方向)に直交する方向を第2方向(Y方向)としているが、X方向とY方向は直交する場合に限られず、X方向とY方向とが異なる方向でありさえすればよい。
上記実施形態の位相画像処理方法は、一方向(X方向)の微分画像を用いて当該一方向とは異なる方向(Y方向)に並ぶ画素間の信号値の差の情報を取得することができるので、一方向の画像情報を生成するX線タルボ干渉計又はX線タルボ・ロー干渉計を用いたX線撮像装置に好適に用いられる。
l=λ/(a/(L+Z1+Z2)) ・・・(式1)
Z1=(m+1/2)×(d2/λ) ・・・(式2)
ここで、lは、可干渉距離であり、λは、X線の波長(通常は中心波長)であり、aは、回折格子の回折部材にほぼ直交する方向におけるX線源101の開口径であり、Lは、X線源101から第1回折格子102までの距離であり、Z1は、第1回折格子102から第2回折格子103までの距離であり、Z2は、第2回折格子103からX線画像検出器105までの距離であり、mは、整数であり、dは、回折部材の周期(回折格子の周期、格子定数、隣接する回折部材の中心間距離、前記ピッチP)である。
S 被写体
T タルボ像
1 位相画像処理装置
11 入力部
12 出力部
13 位相画像取得部
14 記憶部
15 制御処理部
101 X線源
102、202 第1回折格子
103、203 第2回折格子
105 X線画像検出器
150 制御部
151 微分画像生成部
152 位相画像生成部
153 二次微分画像生成部
154 微分画像生成部
155 中間位相画像生成部
156 第1方向二次微分画像生成部
157 第2方向二次微分画像生成部
158 合成画像生成部
159 フーリエ変換部
160 積分演算子適用部
161 逆フーリエ変換部
162 最適化演算部
163 重み演算部
200 X線撮像装置
201 X線撮像部
204 X線源
205 X線電源部
206 カメラ制御部
207 処理部
208 X線制御部
271 位相画像処理部
272 システム制御部
Claims (10)
- 被写体の画像情報に基づいて第1方向の微分画像を生成するステップと、
前記第1方向の微分画像、及び、前記第1方向の微分画像における前記第1方向と異なる方向である第2方向に並ぶ画素間の信号値の差の情報に基づいて位相画像を生成するステップと、を有する位相画像処理方法。 - 前記第1方向の微分画像を前記第2方向に微分することによって二次微分画像を生成するステップと、
前記二次微分画像を第1方向に積分することによって前記第2方向の微分画像を生成するステップと、をさらに備え、
前記位相画像を生成するステップは、前記第1方向の微分画像及び前記第2方向の微分画像に基づいて位相画像を生成するステップである請求項1に記載の位相画像処理方法。 - 前記第1方向の微分画像を前記第1方向に積分することによって中間位相画像を生成するステップと、
前記中間位相画像を第2方向に微分することによって前記第2方向の微分画像を生成するステップと、をさらに備え、
前記位相画像を生成するステップは、前記第1方向の微分画像及び前記第2方向の微分画像に基づいて位相画像を生成するステップである請求項1に記載の位相画像処理方法。 - 前記第1方向の微分画像において前記被写体の端部を示す信号値の各画素を特定するステップと、
前記特定した各画素を結ぶベクトルを、前記第1方向及び前記第2方向に分解することにより第2方向の微分画像を生成するステップを備え、
前記位相画像を生成するステップは、前記第1方向の微分画像及び前記第2方向の微分画像に基づいて位相画像を生成するステップである請求項1に記載の位相画像処理方法。 - 前記第1方向の微分画像を第1方向にさらに微分することにより第1方向二次微分画像を生成するステップと、
前記第2方向の微分画像を第2方向にさらに微分することにより第2方向二次微分画像を生成するステップと、
前記第1方向二次微分画像及び前記第2方向二次微分画像を足し合わせた合成画像をフーリエ変換して周波数画像を生成するステップと、
前記周波数画像に対して積分演算子を適用した周波数画像を、逆フーリエ変換することにより位相画像を生成するステップと、を有する、請求項2〜4のいずれか一項に記載の位相画像処理方法。 - 前記第2方向の微分画像の項を含む目的関数を用いて、前記位相画像における各画素の信号値を最適化演算するステップをさらに有する、請求項2〜5のいずれか一項に記載の位相画像処理方法。
- 前記第1方向の微分画像に基づいて前記第2方向に隣接して配置される画素間の信号値の連続性を表現する重みを算出するステップをさらに含み、
前記最適化演算するステップは、算出された前記重みを、前記目的関数における前記第2方向の微分画像の項の係数に用いて最適化演算する、請求項6に記載の位相画像処理方法。 - 被写体の画像情報に基づいて第1方向の微分画像を生成する第1微分画像生成部と、
前記第1方向の微分画像、及び、前記第1方向の微分画像における前記第1方向と異なる方向である第2方向に並ぶ画素間の信号値の差の情報に基づいて位相画像を生成する位相画像生成部と、を有する位相画像処理装置。 - タルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計に含まれる一次元格子を第1方向に所定量移動させることにより得られたタルボ画像に基づいて、被写体の第1方向の微分画像を生成する第1微分画像生成部と、
前記第1方向の微分画像、及び、前記第1方向の微分画像における前記第1方向と異なる方向である第2方向に並ぶ画素間の信号値の差の情報に基づいて位相画像を生成する位相画像生成部と、を有する、画像処理装置。 - 出力部と入力部と制御処理部とを備える画像表示装置として機能するコンピューターに、
被写体の画像情報に基づいて第1方向の微分画像を生成するステップと、
前記第1方向の微分画像、及び、前記第1方向の微分画像における前記第1方向と異なる方向である第2方向に並ぶ画素間の信号値の差の情報に基づいて位相画像を生成するステップと、を実行させる画像処理プログラム。
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