JP2018110714A - 画像処理装置及び画像処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】対象物の位置に依存するモーションブラーを適切に補正し、複数の透過像から高品質な再構成画像を生成する技術を提供する。【解決手段】再構成処理部は、透過像上の画素を再構成画像上のセルに逆投影する操作を行う際に、撮像系と対象物との相対移動に起因するモーションブラーを補正するためのフィルタを透過像に適用するフィルタリング部を有している。フィルタリング部は、第1の透過像上の画素を再構成画像上の第1のセルに逆投影する場合と、第1の透過像上の画素を第1のセルとは異なる座標に存在する第2のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタを用いる。【選択図】図12
Description
本発明は、複数の透過像から対象物の3次元像を再構成する技術に関する。
対象物内部の3次元像や断層像を得る手法として、CT(Computed Tomography)スキ
ャン又は単にCTと呼ばれる技術が知られている。X線を用いたX線CTは医療検査装置や産業用検査装置などに実用化されている。
ャン又は単にCTと呼ばれる技術が知られている。X線を用いたX線CTは医療検査装置や産業用検査装置などに実用化されている。
X線CTでは、対向配置した光源(X線源)と検出器の間に対象物を配置し、X線の投影方向を変えながら検出器により複数の透過像(投影データとも呼ぶ)を撮影する。そして、投影方向の異なる複数の透過像を基に、コンピュータ処理によって逆問題を解くことにより、対象物内部の3次元像を再構成する。従来のX線CTでは、透過像の撮影と投影方向の変更(対象物と検出器の相対的な移動)とを交互に繰り返す、いわゆるStop&Go方式が主流であったが、最近では、撮影時間の短縮を図るため、対象物と検出器を相対的に移動させながら各投影方向の透過像を連続的に撮影する方式(連続撮像方式と呼ぶ)を採用する装置が増えつつある。
連続撮像方式の場合、露光中に検出器と対象物の位置関係が変化する。つまり、動きのある対象物を撮影することとなる。そのため、透過像に動きボケ(モーションブラーと呼ばれる)が生じてしまい、再構成結果の品質を低下させる、という課題がある。
このような課題に鑑みた従来技術として、例えば特許文献1には、対象物の周りを検出器が回転しながら撮像する方式のCT装置において、撮影を行う全ての角度θ及び回転速度Vについて事前にMTF特性を計測しておき、これらのMTF特性に基づき作成したボケマスクフィルタf(V,θ)を用いて透過像をフィルタ処理することで、モーションブラーの影響を低減する方法が提案されている。
図15A及び図15Bを参照して、従来技術(特許文献1の方法)の問題を説明する。図15Aは、光源150と検出器151からなる撮像系が対象物152の周囲を時計回りに回転しながら撮影を行う様子を示しており、t0が露光開始時刻、t1が露光終了時刻である。時刻t0の状態(露光開始)では、対象物152内の点P0〜P4は全て検出器151上の投影点Q2に投影される。ところが、撮像系が回転するにつれ投影位置が変化し、時刻t1の状態(露光終了)では、点P0は点Q0に、点P1は点Q1に、点P2は点Q2に、点P3は点Q3に、点P4は点Q4に、それぞれ投影されることとなる。このような露光中の投影位置の変化が、透過像撮影におけるモーションブラーの発生原因である。
図15Bのハッチングは、点P0〜点P4それぞれの投影範囲(投影位置の変化範囲)を示している。撮像系の回転中心に存在する点P2は投影位置が変わらないため、モーションブラーは発生しない。これに対し、回転中心以外に存在する点P0,P1,P3,P4では、検出器151上の投影位置が変化することに起因してモーションブラーが発生す
る。このモーションブラーの大きさは点P2(回転中心)から離れるほど大きくなり、また、点P2より光源側にある点P0,P1と検出器側にある点P3,P4とではモーションブラーの方向が逆になる。このことから、対象物152内の位置に応じてモーションブラーの大きさ及び方向は変化すること(これを「モーションブラーの空間依存性」と呼ぶ)、そして、1つの透過像には様々な大きさ及び方向のモーションブラーの成分が含まれ得ることがわかる。
る。このモーションブラーの大きさは点P2(回転中心)から離れるほど大きくなり、また、点P2より光源側にある点P0,P1と検出器側にある点P3,P4とではモーションブラーの方向が逆になる。このことから、対象物152内の位置に応じてモーションブラーの大きさ及び方向は変化すること(これを「モーションブラーの空間依存性」と呼ぶ)、そして、1つの透過像には様々な大きさ及び方向のモーションブラーの成分が含まれ得ることがわかる。
しかしながら、前述した特許文献1の方法は、モーションブラーの空間依存性を一切考慮しておらず、単に、撮像系の回転速度Vと角度θだけで決まる補正フィルタf(V,θ)を透過像に対し一律に適用しているにすぎない。この方法では、ある位置(例えば点P1)に関するモーションブラーを補正できたとしても、それ以外の位置(例えば点P0,P3,P4など)に関するモーションブラーに対しては、十分に補正できないか又は逆に画質を低下させてしまうおそれがある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、対象物の位置に依存するモーションブラーを適切に補正し、複数の透過像から高品質な再構成画像を生成する技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る画像処理装置は、光源及び検出器からなる撮像系と対象物とを相対移動させながら、前記対象物を透過した電磁波を前記検出器により複数回撮像することにより得られた、複数の透過像のデータを取得する透過像取得部と、前記複数の透過像から前記対象物内部の再構成画像を生成する再構成処理を行う再構成処理部と、を有し、前記再構成処理部は、前記透過像上の画素を前記再構成画像上のセルに逆投影する操作を行う際に、前記撮像系と前記対象物との相対移動に起因するモーションブラーを補正するためのフィルタを前記透過像に適用するフィルタリング部を有しており、前記フィルタリング部は、第1の透過像上の画素を前記再構成画像上の第1のセルに逆投影する場合と、前記第1の透過像上の画素を前記第1のセルとは異なる座標に存在する第2のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタを用いることを特徴とする画像処理装置である。
この構成によれば、逆投影の操作において、透過像上の画素を再構成画像上のどの座標のセルに逆投影するかによって、モーションブラー補正に用いるフィルタを適宜変更することができる。したがって、モーションブラーの空間依存性(再構成画像のセルごと、つまり対象物内の位置ごとの、モーションブラーの大きさ及び方向の違い)を考慮したボケ補正が可能となり、その結果、再構成画像の品質を向上することができる。
前記フィルタリング部は、前記第1の透過像上の画素を前記第1のセルに逆投影する場合と、前記第1の透過像とは異なる第2の透過像上の画素を前記第1のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタを用いるとよい。この構成によれば、第1の透過像を撮像したときと第2の透過像を撮像したときとで撮像条件(撮像系と対象物の間の相対位置関係や相対移動に関する条件)が異なる場合でも、各々の透過像に応じた適切なフィルタを適用することができる。
より具体的には、前記複数の透過像は、前記撮像系と前記対象物の間の相対位置関係及び相対移動に関する条件である撮像条件を異ならせて撮像されたものであり、前記フィルタリング部は、透過像の前記撮像条件と逆投影先のセルの座標との組み合わせに応じて、用いるフィルタを切り替えるとよい。
撮像条件とセルの座標の組み合わせに対応付けられた、複数のフィルタを記憶する記憶
部を有しており、前記フィルタリング部は、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標に基づいて前記記憶部から当該透過像に適用すべきフィルタを取得するとよい。この構成によれば、再構成処理のなかでフィルタを都度計算する必要がなくなるので、再構成処理の高速化を図ることができる。
部を有しており、前記フィルタリング部は、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標に基づいて前記記憶部から当該透過像に適用すべきフィルタを取得するとよい。この構成によれば、再構成処理のなかでフィルタを都度計算する必要がなくなるので、再構成処理の高速化を図ることができる。
前記再構成処理は、フィルタ補正逆投影法を用いた処理であるとよい。フィルタ補正逆投影法を用いた再構成処理は、比較的高品質な再構成結果を高速に演算できるという利点がある。なお、本発明は、逆投影が必要なアルゴリズムであれば、フィルタ補正逆投影法以外の再構成アルゴリズムに対しても好ましく適用できる。
なお、本発明は、上記構成ないし機能の少なくとも一部を有する画像処理装置として捉えることができる。また、本発明は、画像処理装置を備えるCT装置、再構成された3次元像を利用した検査装置や診断装置として捉えることもできる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む、画像処理方法、CT装置の制御方法、検査方法、診断方法や、これらの方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、又は、そのようなプログラムを非一時的に記録したコンピュータ読取可能な記録媒体として捉えることもできる。上記構成及び処理の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
本発明によれば、複数の透過像から高品質な再構成画像を高速に生成することができる。
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。ただし、以下に記載
されている各構成の説明は、発明が適用されるシステムの構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
されている各構成の説明は、発明が適用されるシステムの構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
(システム構成)
図1は、本発明の実施形態に係るCTシステム1のハードウェア構成を模式的に示している。CTシステム1は、CT(Computed Tomography)技術を利用して対象物102の
内部の3次元像や断層像のデータを取得するシステムである。CTシステム1は、例えば、人や動物の体内を可視化し診断や検査に利用する医療検査装置、工業製品の内部構造を非破壊検査する産業用検査装置などに応用することができる。
図1は、本発明の実施形態に係るCTシステム1のハードウェア構成を模式的に示している。CTシステム1は、CT(Computed Tomography)技術を利用して対象物102の
内部の3次元像や断層像のデータを取得するシステムである。CTシステム1は、例えば、人や動物の体内を可視化し診断や検査に利用する医療検査装置、工業製品の内部構造を非破壊検査する産業用検査装置などに応用することができる。
CTシステム1は、概略、撮像装置10、制御装置11、及び、画像処理装置12を有して構成される。撮像装置10は、対象物102の透過像を撮像する装置である。制御装置11は、撮像装置10の各部の動作を制御する装置である。画像処理装置12は、撮像装置10によって取得された透過像のデータ(投影データとも呼ぶ)に対し、画像処理や演算処理を施す装置である。撮像装置10と制御装置11と画像処理装置12は一体の装置で構成されていてもよいし、それぞれ別体の装置で構成されていてもよい。
撮像装置10は、対向配置された光源100と検出器101からなる撮像系を有している。光源100から対象物102に対し電磁波103を投射し、対象物102を透過した電磁波103を検出器101で撮像することで、対象物102の透過像が得られる。例えば、光源100としてコーンビームX線源を、検出器101としてシンチレータと2次元CMOSセンサで構成される2次元X線検出器を用い、1回の撮像で対象物102の2次元X線透過像を得る構成を採用するとよい。ただし、光源100としては、ファンビームタイプやパラレルビームタイプの光源を用いてもよい。また、X線に限らず、対象物102に対し一定の透過性を有する電磁波(例えば、ガンマ線、可視光など)を撮像に用いてもよい。
また、撮像装置10は、撮像系(光源100及び検出器101)と対象物102の間の相対位置関係(対象物102に対する電磁波の投影方向)及び相対移動(移動速度及び移動方向)を変えるための移動機構(不図示)を有している。移動機構の構成としては、例えば、図2Aのように、固定した対象物102の周囲を光源100と検出器101が回転するタイプ、図2Bのように、光源100と検出器101が固定され対象物102がその場で回転するタイプ、図2Cのように、対象物102を通る軸に垂直な面内で光源100と検出器101がそれぞれ旋回するタイプ、図2Dのように、対象物102が固定され、光源100と検出部101が平行に且つ互いに反対方向に移動するタイプなど、様々な方式がある。
制御装置11は、光源100の投射・停止、検出器101による撮像、投影方向の変更(移動機構の駆動)など、CTシステム1の統括的な制御を行う装置である。
画像処理装置12は、撮像装置10によって取得された透過像のデータに対し画像処理や演算処理を行う装置である。例えば、投影方向の異なる複数の透過像のデータから対象物102の再構成画像(3次元像、ボリュームデータとも呼ぶ)を生成する再構成処理、再構成画像から任意の断層像を生成する処理、再構成画像や断層像のデータを用いて特徴量の抽出や検査・診断を行う処理など、画像処理装置12にはその目的や用途に応じて様々な処理を実装することができる。
画像処理装置12は、プロセッサ(CPU)、メモリ、記憶装置(ハードディスクドライブなど)、入力装置(マウス、キーボード、タッチパネルなど)、出力装置(表示装置など)などを備えたコンピュータにより構成することができる。後述する画像処理装置1
2の機能は、記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現される。ただし、画像処理装置12の機能の一部又は全部を、ASICやFPGAなどで構成しても構わない。あるいは、画像処理装置12の機能の一部又は全部を、他のコンピュータや、ネットワーク上のサーバなどで実行しても構わない。
2の機能は、記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現される。ただし、画像処理装置12の機能の一部又は全部を、ASICやFPGAなどで構成しても構わない。あるいは、画像処理装置12の機能の一部又は全部を、他のコンピュータや、ネットワーク上のサーバなどで実行しても構わない。
図3は、画像処理装置12の機能を示すブロック図である。画像処理装置12は、透過像取得部30、再構成処理部31、パラメータ記憶部32、フィルタ生成部33を有している。また、再構成処理部31はフィルタリング部34を有している。
透過像取得部30は、投影方向の異なる複数の透過像のデータ(つまり、再構成に使う元データ)を取得する機能である。透過像取得部30は、撮像装置10から透過像のデータを直接取得してもよいし、過去に撮像された透過像のデータを記憶装置や外部のデータストレージから読み込んでもよい。再構成処理部31は、複数の透過像から対象物102内部の再構成画像を生成する再構成処理を行う機能である。再構成処理のアルゴリズムとしては、単純逆投影法、フィルタ補正逆投影(Filtered Back Projection)法、逐次近似法(SIRT(Simultaneous Reconstruction Technique)法、ART(Algebraic Reconstruction Technique)法)、探索法(勾配法(Gradient Method)、共役勾配法、最急降下法))などがあり、いずれのアルゴリズムを用いてもよい。本実施形態では、比較的高品質な再構成結果を高速に演算できるという利点をもつフィルタ補正逆投影法を用いる。パラメータ記憶部32は、再構成処理で用いる各種のパラメータ(設定値、定義データ、テーブル、フィルタなど)を記憶する機能である。フィルタ生成部33は、モーションブラー補正用のフィルタを生成する機能である。フィルタリング部34は、モーションブラー補正用のフィルタを透過像に適用する機能である。
(撮像及び再構成の原理)
本実施形態の特徴を説明する前に、図4A及び図4Bを参照して、一般的なCT装置における撮像及び再構成の基本的な原理を説明する。説明の簡単のため、図4Aでは、パラレルビームと3画素L0〜L1の検出器101を用いて1次元透過像の撮影を2回行う例を示す。実際の装置では、コーンビームを用いて2次元の透過像を撮影し、その枚数(投影回数)は数十から数百、透過像の画素数は数万から数百万画素となるが、基本的な原理は図4Aのものと同様である。
本実施形態の特徴を説明する前に、図4A及び図4Bを参照して、一般的なCT装置における撮像及び再構成の基本的な原理を説明する。説明の簡単のため、図4Aでは、パラレルビームと3画素L0〜L1の検出器101を用いて1次元透過像の撮影を2回行う例を示す。実際の装置では、コーンビームを用いて2次元の透過像を撮影し、その枚数(投影回数)は数十から数百、透過像の画素数は数万から数百万画素となるが、基本的な原理は図4Aのものと同様である。
図4Aにおいて、対象物102の内部に示した数値はX線減衰係数分布を表しており、破線矢印はX線103の透過経路(投影線)を示している。まず時刻t0に、光源100及び検出器101を対象物102の上下に配置し、光源100からX線103を投射し、検出器101により第一の透過像40を撮影する。X線103は、対象物102を透過するときにエネルギの一部が吸収され、減衰する。通常、対象物102の内部のX線減衰係数分布は一様ではないため、透過経路によってX線103の減衰率に差が生じる(X線103の減衰率の自然対数の負符号を取ったものが、透過経路上のX線減衰係数の積分値に相当する。)。ただし、透過像40の値は、観測値に対して、物体が存在しないときの観測値で割り、その値の自然対数を取り負符号を取ったものである。
時刻t1では、光源100及び検出器101を移動し、投影方向を時計回りに90度変更した後、光源100からX線103を投射し、第二の透過像41を撮影する。第一の透過像40と第二の透過像41ではX線103の透過経路が異なるため、異なる値が観測されることがわかる。
このようにして、投影方向の異なる複数の透過像40,41を得た後、それらの透過像40,41を用いて再構成処理を行う。図4Bに示すように、再構成処理は、複数の透過像40,41を基に対象物102内部のX線減衰係数分布42を推定する処理に相当する
。
。
図5に、単純逆投影法による再構成処理を模式的に示す。まず、対象物102の一断面に相当する再構成画像50のデータ領域をメモリ上に確保し、各セルをゼロで初期化する。そして、透過像40を再構成画像50に逆投影する。逆投影とは、透過像40上の点を再構成画像50上の点に投影する操作であり、ここでは、透過像40上の画素の値を再構成画像50上の対応セルに書き込む(加算する)処理となる。対応セルは、X線の透過経路上に存在する画素であり、図5の例では、透過像40の各画素に3つずつ対応セルが存在している。3つの対応セルには同じ値が書き込み(加算)される。その後、透過像41も同じように再構成画像50に逆投影する。この処理を全ての透過像に対し行い、全透過像の逆投影を累積加算することにより、再構成画像50を得ることができる。なお、図5では、逆投影を累積加算した後に投影回数(ここでは2回)で除算している。以上が単純逆投影法による再構成処理の概要である。本実施形態で用いるフィルタ補正逆投影法は、透過像にハイパスフィルタをかけた後に逆投影する点が特徴であり、それ以外の操作は単純逆投影法と基本的に同じである。
(連続撮像方式とその課題)
本実施形態の撮像装置10は、撮像系と対象物102を相対的に移動させながら各投影方向の透過像を連続的に撮影する方式(連続撮像方式)を用いる。撮像系と対象物102の相対移動を止めて撮像を行ういわゆるStop&Go方式に比べ、連続撮像方式の方がスループットを向上できるからである。しかしながら、図15A及び図15Bで説明したように、連続撮像方式の場合は、露光中に投影位置が変化するため、モーションブラーと呼ばれるボケが発生する。しかも、モーションブラーの大きさと方向は対象物102内の位置に応じて異なるため、1つの透過像の中には様々な大きさ及び方向のボケ成分が含まれることとなる。
本実施形態の撮像装置10は、撮像系と対象物102を相対的に移動させながら各投影方向の透過像を連続的に撮影する方式(連続撮像方式)を用いる。撮像系と対象物102の相対移動を止めて撮像を行ういわゆるStop&Go方式に比べ、連続撮像方式の方がスループットを向上できるからである。しかしながら、図15A及び図15Bで説明したように、連続撮像方式の場合は、露光中に投影位置が変化するため、モーションブラーと呼ばれるボケが発生する。しかも、モーションブラーの大きさと方向は対象物102内の位置に応じて異なるため、1つの透過像の中には様々な大きさ及び方向のボケ成分が含まれることとなる。
そこで本実施形態では、再構成処理において透過像上の画素を再構成画像上のセルに逆投影する操作を行う際に、モーションブラー補正用フィルタを透過像に適用し、フィルタ後の画素値をセルに逆投影する。このとき、逆投影先のセルの座標に応じて、透過像に適用するフィルタを切り替えることで、モーションブラーの空間依存性を考慮したボケ補正を実現する。以下、本実施形態のフィルタの生成処理と再構成処理の詳細について説明する。
(フィルタ生成処理)
図6及び図7に、モーションブラー補正用フィルタの生成処理を示す。
図6及び図7に、モーションブラー補正用フィルタの生成処理を示す。
ここでは、説明の簡単のため、パラレルビーム光源100と1×3画素の1次元検出器101からなる撮像系を用いて、3×3セルの再構成画像を生成する、というモデルを想定する。実際の装置では、コーンビームを用いて2次元透過像を撮影し、透過像や再構成画像のサイズは数万画素以上となるが、基本的な考え方は以下に説明する方法と同様である。図6において、符号60は再構成画像の各セルの位置を仮想的に示している。再構成画像60の座標系については図6の右方向にx軸、下方向にy軸をとり、再構成画像60の左上のセルの座標を(x,y)=(0,0)、右下のセルの座標を(x,y)=(2,2)とする。
まずは、図7のステップS70において、各透過像を撮像するときの撮像条件が設定される。撮像条件とは、透過像を撮影するときの撮像系(光源100及び検出器101)と対象物の間の相対位置関係及び相対移動を規定する条件である。図6の構成の場合、相対位置関係に関する条件としては、例えば、露光開始時や露光終了時(データ取り込み時)における撮像系の回転角度などが、相対移動に関する条件としては、例えば、撮像系の回
転速度(角速度)や回転方向(時計回りか反時計回りか)などが設定される。図8は、撮像系を時計回りに一定の角速度vで回転させながら2π[rad]の間に8回の撮像(投影#0〜投影#7と呼ぶ)を行う場合の撮像条件の設定例である。
転速度(角速度)や回転方向(時計回りか反時計回りか)などが設定される。図8は、撮像系を時計回りに一定の角速度vで回転させながら2π[rad]の間に8回の撮像(投影#0〜投影#7と呼ぶ)を行う場合の撮像条件の設定例である。
次にモーションブラーの取得処理を行う。前述のようにモーションブラーの大きさ及び方向は、撮像条件(撮像系と対象物の相対位置関係及び相対移動)に依存するだけでなく、対象物内の位置にも依存する。それゆえ本実施形態では、各撮像条件に対し、対象物内の位置ごとに(つまり、図6に示す再構成画像60のセルごとに)、個別にモーションブラーを取得する。
具体的には、フィルタ生成部33が、処理対象とする撮像条件(例えば、投影#0)を選択し(ステップS71)、注目するセル(例えば、(0,0))を選択する(ステップS72)。そして、フィルタ生成部33が、注目セル(0,0)に存在する物体を投影#0の撮像条件で撮像した場合に検出器101で観測されるモーションブラーを取得する(ステップS73)。ここでは、注目セルに点ターゲットを設置したときに検出器101で観測される像、すなわち点拡がり関数(PSF:Point Spread Function)をモーション
ブラーとして利用する。なお、モーションブラー(PSF)については、注目セルの位置に設置した点ターゲットを撮像系で実測することにより取得してもよいし、撮像系と注目セルの相対位置関係と相対移動の条件を基に幾何学的に算出してもよい。これにより、投影#0と注目セル(0,0)の組み合わせに対応するモーションブラーPSF000を取得することができる。なお、添え字「000」の最初の数字は撮像条件の番号を示し、二番目と三番目の数字はセルのx座標とy座標を示している。
ブラーとして利用する。なお、モーションブラー(PSF)については、注目セルの位置に設置した点ターゲットを撮像系で実測することにより取得してもよいし、撮像系と注目セルの相対位置関係と相対移動の条件を基に幾何学的に算出してもよい。これにより、投影#0と注目セル(0,0)の組み合わせに対応するモーションブラーPSF000を取得することができる。なお、添え字「000」の最初の数字は撮像条件の番号を示し、二番目と三番目の数字はセルのx座標とy座標を示している。
次に、フィルタ生成部33は、ステップS73で取得したモーションブラーを用いてモーションブラー補正用フィルタを生成する(ステップS74)。モーションブラー補正用フィルタとしては、ボケを低減する効果を有する画像復元フィルタであれば、どのようなフィルタを利用してもよい。例えば、Wiener Filter、Rucy-Richardson法などを好ましく用いることができる。
一例として、Wiener Filterの生成手順を説明する。フィルタ生成部33は、ステップ
S73で取得したモーションブラーPSFをフーリエ変換し、MTF(Modulation Transfer Function)を得る。下記式のFT{}はフーリエ変換を示す。
MTF=FT{PSF}
S73で取得したモーションブラーPSFをフーリエ変換し、MTF(Modulation Transfer Function)を得る。下記式のFT{}はフーリエ変換を示す。
MTF=FT{PSF}
そして、フィルタ生成部33は、下記式により周波数領域のWiener Filter Hを生成する。
H=MTF*/(|MTF|2+NSR)
ここで、*は複素共役を表し、NSRは定数である。
H=MTF*/(|MTF|2+NSR)
ここで、*は複素共役を表し、NSRは定数である。
空間領域のWiener Filter hは、周波数空間のフィルタHを逆フーリエ変換することにより得られる。下記式のIFT{}は逆フーリエ変換を示す。
h=IFT{H}
h=IFT{H}
以上の処理により、投影#0と注目セル(0,0)の組み合わせに対応するモーション
ブラー補正用フィルタh000を得ることができる。
ブラー補正用フィルタh000を得ることができる。
ステップS72〜S74の処理を、全てのセル(0,0)、(1,0)、(2,0)、(0,1)、(1,1)、(2,1)、(0,2)、(1,2)、(2,2)について実行することにより(ステップS75)、投影#0の撮像条件で撮像した場合の各セルに対応するモーションブラーPSF000,PSF010,PSF020,PSF001,PSF011,PSF021,PSF002,PSF012,PSF022と、フィルタh000,h010,h020,h001,h011,h021,h002,h012,h022を取得できる。そして、ステップS71〜S75の処理が、全ての撮像条件(投影#0〜投影#7)について実行されると(ステップS76)、フィルタ生成処理が終了する。
図9は、取得したモーションブラーのデータテーブルと、そこから生成されたモーションブラー補正用フィルタのデータテーブルの一例を示す。モーションブラー補正用フィルタのデータテーブルは、画像処理装置12のパラメータ記憶部32に格納され、後述する再構成処理において利用される。
なお、本実施形態では、撮像条件とセルのすべての組み合わせについて個別にモーションブラー補正用フィルタを用意したが、モーションブラーの大きさ及び方向が同一又は類似する複数のセルについては、フィルタを共通にしてもよい。これにより、フィルタ生成処理の高速化と、パラメータ記憶部32の記憶容量の削減を図ることができる。
(撮像)
図10及び図11に、撮像装置10における連続撮像の手順を示す。
図10及び図11に、撮像装置10における連続撮像の手順を示す。
ステップS100において、予め設定された撮像条件が制御装置11に読み込まれる。ここでは、図8に示す投影#0〜投影#7それぞれの撮像条件が読み込まれるものとする。そして、制御装置11が撮像条件に従って撮像装置10の移動・露光・撮像を制御することにより、図11に示すように、撮像系を回転させながら7枚の透過像I0〜I7の撮像が連続的に実行される(ステップS101)。撮像装置10により取得された透過像I0〜I7のデータは画像処理装置12へ送られる。
(再構成処理)
図12に、画像処理装置12における再構成処理の手順を示す。本実施形態の再構成処理は、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標との組み合わせに応じて、透過像に適用するモーションブラー補正用フィルタを切り替える点に特徴を有する。
図12に、画像処理装置12における再構成処理の手順を示す。本実施形態の再構成処理は、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標との組み合わせに応じて、透過像に適用するモーションブラー補正用フィルタを切り替える点に特徴を有する。
まず、ステップS120において、透過像取得部30が撮像装置10から透過像I0〜I7のデータを取得する。これらのデータはメモリ又は記憶装置に格納され、以降の再構成処理において用いられる。ステップS121では、再構成処理部31が、再構成画像60のデータ領域をメモリ上に確保し、各セルをゼロで初期化する。
次に、再構成処理部31は、処理対象とする透過像(例えば、透過像I0)を選択するとともに(ステップS122)、逆投影先となる再構成画像60の注目セル(例えば、(0,0))を選択する(ステップS123)。そして、フィルタリング部34が、透過像(I0)の撮像条件(投影#0)と注目セル(0,0)の組み合わせに対応するモーションブラー補正用フィルタ(h000)をパラメータ記憶部32から取得し(ステップS124)、モーションブラー補正用フィルタ(h000)を透過像(I0)に適用する(ステップS125)。これにより、注目セル(0,0)に存在する物体の像のモーションブラーが低減される。次に、再構成処理部31は、モーションブラー補正後の透過像(I0
)に対しハイパスフィルタをかけ、必要な正規化(投影回数での除算)を行った後、透過像(I0)の画素を再構成画像60の注目セル(0,0)に加算する(ステップS126)。以上が、撮像条件(投影#0)で得られた透過像(I0)の注目セル(0,0)に対する逆投影の操作である。
)に対しハイパスフィルタをかけ、必要な正規化(投影回数での除算)を行った後、透過像(I0)の画素を再構成画像60の注目セル(0,0)に加算する(ステップS126)。以上が、撮像条件(投影#0)で得られた透過像(I0)の注目セル(0,0)に対する逆投影の操作である。
ステップS123〜S126の処理を、全てのセル(0,0)、(1,0)、(2,0)、(0,1)、(1,1)、(2,1)、(0,2)、(1,2)、(2,2)について実行することにより(ステップS127)、投影#0の撮像条件で撮像された透過像I0の逆投影が終了する。さらに、ステップS122〜S127の処理を透過像I0〜I7について順に実行し(ステップS128)、全ての透過像I0〜I7の逆投影を累積加算することにより再構成画像を得ることができる。
図13は、モーションブラー補正のためのフィルタリングと逆投影の操作を模式的に示している。図13において、hHPFはハイパスフィルタであり、○の中に×が描かれた演算記号は畳み込み演算を示し、Jは、透過像Iにモーションブラー補正用フィルタhとハイパスフィルタhHPFをかけ、正規化(投影回数8での除算)を行った結果を示す。J及びhに付された3桁の添え字の最初の数字は撮像条件の番号を示し、二番目と三番目の数字はセルのx座標とy座標を示している。また、I及びJにカッコ書きで付されたインデックスは画素の座標を示す。J010(0.5)のようにインデックスが整数でないものは、近傍画素の線形補間により値を得る(例えば、J010(0.5)={J010(0)+J010(1)}/2)。
図13に示すように、本実施形態では、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標との組み合わせに応じて、適用するモーションブラー補正用フィルタが切り替えられる。これにより、モーションブラーの空間依存性を考慮したボケ補正が実現でき、最終的な再構成結果の品質を向上することができる。
なお、図13から分かるように、透過像のうち逆投影に用いられるのは一部の画素に限られる。したがって、モーションブラー補正用フィルタ及びハイパスフィルタの演算を行う範囲を透過像の一部分(逆投影に必要な範囲のみ)に限定することで、演算量を削減してもよい。また、離散的に選択した一部のセルについてのみモーションブラー補正用フィルタ及びハイパスフィルタの演算を行い、他のセルに対する値は補間により求めることで、演算量を削減することもできる。例えば、J000とJ020のフィルタ演算は行い、J010の値をJ000の値とJ020の値の線形補間により求めれば、フィルタ演算の回数を2/3に削減することができる。
以上述べた本実施形態の構成によれば、逆投影の操作において、逆投影先のセルの座標(つまり、対象物内の位置)に応じて、モーションブラー補正に用いるフィルタを適宜変更する。したがって、モーションブラーの空間依存性(再構成画像のセルごと、つまり対象物内の位置ごとの、モーションブラーの大きさ及び方向の違い)を考慮したボケ補正が可能となり、その結果、再構成画像の品質を向上することができる。また、透過像の撮像条件(撮像系と対象物の間の相対位置関係、相対移動の速度や方向など)が異なる場合でも、各々の撮像条件に応じた適切なフィルタを適用することができる。また、本実施形態では、モーションブラー補正用フィルタを予め計算し、パラメータ記憶部32に格納しておくので、再構成処理のなかでフィルタを都度計算する必要がなく、再構成処理の高速化を図ることができる。
(実施例)
図14A〜図14Gに、コンピュータ・シミュレーションによる効果検証結果を示す。図14Aは、対象物体のモデルである。ここでは、内部に空洞141を有する球体のモデ
ル140を用いた。このモデル140に対し32方向のX線透過像をシミュレーションにより生成し、それら32枚の透過像をCT再構成し、再構成画像(3次元像)を球体の中心でスライスした結果が、図14B、図14C、図14Dである。図14Bは、Stop&Go方式(静止撮像方式)による透過像、つまりモーションブラーの無い透過像を用いた再構成結果である。図14C及び図14Dは、連続撮像方式による透過像、つまりモーションブラーを含む透過像を用いた再構成結果であり、図14Cはモーションブラー補正を行わずに逆投影を行った例、図14Dは本実施形態のモーションブラー補正を行った例である。また、図14E〜図14Gはそれぞれ図14B〜図14Dの破線位置のプロファイルであり、横軸は画像のx座標、縦軸は正規化した線源弱係数を示す。
図14A〜図14Gに、コンピュータ・シミュレーションによる効果検証結果を示す。図14Aは、対象物体のモデルである。ここでは、内部に空洞141を有する球体のモデ
ル140を用いた。このモデル140に対し32方向のX線透過像をシミュレーションにより生成し、それら32枚の透過像をCT再構成し、再構成画像(3次元像)を球体の中心でスライスした結果が、図14B、図14C、図14Dである。図14Bは、Stop&Go方式(静止撮像方式)による透過像、つまりモーションブラーの無い透過像を用いた再構成結果である。図14C及び図14Dは、連続撮像方式による透過像、つまりモーションブラーを含む透過像を用いた再構成結果であり、図14Cはモーションブラー補正を行わずに逆投影を行った例、図14Dは本実施形態のモーションブラー補正を行った例である。また、図14E〜図14Gはそれぞれ図14B〜図14Dの破線位置のプロファイルであり、横軸は画像のx座標、縦軸は正規化した線源弱係数を示す。
PSNR(ピーク信号対雑音比)は再構成結果の精度を定量評価するための指標であり、下記のように定義した。PSNR値が大きいほど精度が良い(静止撮像の品質に近い)ことを表す。
PSNR=20×log10(MAXI/√MSE) [dB]
MAXI=静止撮像の再構成結果の最大値
MSE=(Σ(静止撮像の再構成結果−連続撮像の再構成結果)2)/画素数
PSNR=20×log10(MAXI/√MSE) [dB]
MAXI=静止撮像の再構成結果の最大値
MSE=(Σ(静止撮像の再構成結果−連続撮像の再構成結果)2)/画素数
モーションブラー補正無しの場合、図14C及び図14Fに示すように、モーションブラーの影響により再構成結果の品質が著しく低下する。これに対し、本実施形態のモーションブラー補正を適用することで、図14D及び図14Gに示すように静止撮像の場合と同等品質の再構成結果が得られることが確認できた。また、PSNR値を比較すると、モーションブラー補正無しの場合は14.5751[dB]であるのに対し、本実施形態のモーションブラー補正を適用した場合は24.5582[dB]と大幅に改善することが確認できた。
(その他の実施形態)
上記の実施形態の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
上記の実施形態の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ではフィルタ補正逆投影法を用いたが、他の再構成アルゴリズムを用いてもよい。透過像から再構成画像への逆投影の操作を含むアルゴリズムであれば、本発明のモーションブラー補正を適用することにより、ボケの少ない、高品質な再構成結果を得ることができる。
1:CTシステム、10:撮像装置、11:制御装置、12:画像処理装置
30:透過像取得部、31:再構成処理部、32:パラメータ記憶部、33:フィルタ生成部、34:フィルタリング部
40,41:透過像、50,60:再構成画像
100,150:光源、101,151:検出器、102,152:対象物、103:電磁波
140:モデル、141:空洞
30:透過像取得部、31:再構成処理部、32:パラメータ記憶部、33:フィルタ生成部、34:フィルタリング部
40,41:透過像、50,60:再構成画像
100,150:光源、101,151:検出器、102,152:対象物、103:電磁波
140:モデル、141:空洞
Claims (7)
- 光源及び検出器からなる撮像系と対象物とを相対移動させながら、前記対象物を透過した電磁波を前記検出器により複数回撮像することにより得られた、複数の透過像のデータを取得する透過像取得部と、
前記複数の透過像から前記対象物内部の再構成画像を生成する再構成処理を行う再構成処理部と、を有し、
前記再構成処理部は、前記透過像上の画素を前記再構成画像上のセルに逆投影する操作を行う際に、前記撮像系と前記対象物との相対移動に起因するモーションブラーを補正するためのフィルタを前記透過像に適用するフィルタリング部を有しており、
前記フィルタリング部は、第1の透過像上の画素を前記再構成画像上の第1のセルに逆投影する場合と、前記第1の透過像上の画素を前記第1のセルとは異なる座標に存在する第2のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタを用いる
ことを特徴とする画像処理装置。 - 前記フィルタリング部は、前記第1の透過像上の画素を前記第1のセルに逆投影する場合と、前記第1の透過像とは異なる第2の透過像上の画素を前記第1のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタを用いる
ことを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 - 前記複数の透過像は、前記撮像系と前記対象物の間の相対位置関係及び相対移動に関する条件である撮像条件を異ならせて撮像されたものであり、
前記フィルタリング部は、透過像の前記撮像条件と逆投影先のセルの座標との組み合わせに応じて、用いるフィルタを切り替える
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像処理装置。 - 撮像条件とセルの座標の組み合わせに対応付けられた、複数のフィルタを記憶する記憶部を有しており、
前記フィルタリング部は、透過像の撮像条件と逆投影先のセルの座標に基づいて前記記憶部から当該透過像に適用すべきフィルタを取得する
ことを特徴とする請求項3に記載の画像処理装置。 - 前記再構成処理は、フィルタ補正逆投影法を用いた処理である
ことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の画像処理装置。 - コンピュータが実行する画像処理方法であって、
光源及び検出器からなる撮像系と対象物とを相対移動させながら、前記対象物を透過した電磁波を前記検出器により複数回撮像することにより得られた、複数の透過像のデータを取得するステップと、
前記複数の透過像から前記対象物内部の再構成画像を生成する再構成処理を行うステップと、を有し、
前記再構成処理において前記透過像上の画素を前記再構成画像上のセルに逆投影する操作を行う際に、前記撮像系と前記対象物との相対移動に起因するモーションブラーを補正するためのフィルタを前記透過像に適用するフィルタリング処理が行われ、
前記フィルタリング処理では、第1の透過像上の画素を前記再構成画像上の第1のセルに逆投影する場合と、前記第1の透過像上の画素を前記第1のセルとは異なる座標に存在する第2のセルに逆投影する場合とで、異なるフィルタが用いられる
ことを特徴とする画像処理方法。 - 請求項6に記載の画像処理方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログ
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