JP4179849B2 - 同じ被検体や背景の複数の画像を共通の基準画像に対してコントラスト・マッチングさせる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全般的には画像システムに関し、さらに詳細には、画像システムからの複数の画像のコントラストをマッチングさせることに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ディジタル式イメージング・システムは多くの種類が知られている。医療分野では、こうしたシステムには、ＣＴシステム、Ｘ線システム及びＭＲＩシステムを含むことがある。この各場合において、同じ背景または被検体に関して複数のディジタル画像を形成することがある。これら複数の画像は、異なるパラメータ組をもつ同じ入力を使用して作成されることがある。多くの状況では、適当なパラメータが得られるようにこれらの画像のどれが最適であるかを評価する必要がある。しかし、こうした画像に関する問題は、その輝度及びコントラストが様々であることにある。したがって、これらの画像を頭の中で正規化（ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ）しなければならない。すなわち、評価者は輝度及びコントラストの差を見過ごすことになりかねない。この種の正規化は、主観的な先入観に陥ることがあり、また評価者の注意をパラメータ評価から逸らさせることがある。
【０００３】
様々なパラメータ選択肢により異なる様相を生成できるような画像処理アルゴリズムが利用可能である。例えば、ある１組のパラメータでは高い平滑度が得られるが、人為的に高輝度の望ましくない領域が生成される。パラメータの別の組では、ノイズは多いが高輝度領域のない画像が生成される。各画像を個別に調整することは時間がかかり、また一貫した結果が得られないことがある。
【０００４】
平滑な画像やノイズ画像など様々なタイプの画像の輝度及びコントラストをマッチングさせ、ある領域内において平滑ではあるが人為的に高輝度でない合成画像を作成することが望ましい。さらに、同じ背景に対して複数の時点で撮影した画像を、これらの画像が同じ輝度とコントラストで表示できるようにマッチングさせる必要性が存在する。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、異なる画像間での輝度及びコントラストのばらつきを小さくするために様々なタイプのイメージング・システムで使用できるような画像処理を提供する。
【０００６】
本発明の態様の１つでは、第１の画像と第２の画像をコントラスト・マッチングさせる方法であって、
第１の画像と第２の画像の画像比を生成すること、
第１の画像に対する第２の画像の画像比を規格化（ｒｅｇｕｌａｒｉｚｉｎｇ）して規格化済画像比を形成すること、
この画像比をフィルタ処理してフィルタ処理済比を形成すること、
第２の画像にこのフィルタ処理済比を乗算して調整済画像を形成すること、
を含む方法である。
【０００７】
本発明の別の態様では、イメージング・システムは、第１の画像及び第２の画像を作成するための画像形成装置と、この画像形成装置と結合させた制御装置と、を含む。制御装置は第１の画像と第２の画像を受け取る。制御装置は、第１の画像と第２の画像の画像比を生成させ、第１の画像に対する第２の画像の画像比を規格化して規格化済画像比を形成させ、かつこの画像比をフィルタ処理してフィルタ処理済比を形成させている。次いで、制御装置は第２の画像に対してこのフィルタ処理済比を乗算し調整済画像を形成させている。
【０００８】
本発明の利点の１つは、異なるコントラスト及び輝度の部分を有する画像を観察するという主観的な特質を軽減させていることである。別の利点は、ひとたび第１のまたは基準の画像を選択した後では多数の画像をこの基準画像に対して迅速にマッチングできるように、その処理を自動化できることである。
【０００９】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲、並びに添付の図面の参照により明らかとなろう。
【００１０】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
以下の説明はＸ線装置に関して提供しているが、本出願は医療関連や医療関連でない分野の両方を含め様々なタイプのイメージング・システムで使用することができる。医療分野では、本発明は、ＣＴシステム、ＭＲＩシステム及び超音波システムに組み込むことができる（ただし、これらに限るものではない）。
【００１１】
図１を参照すると、本発明によるイメージング・システム１０を表している。イメージング・システム１０は、Ｘ線源１４やその他のタイプの画像生成源を包含しているハウジング１２を含むことが好ましい。このハウジング１２は、複数の方向への移動能力を有するガントリとすることがある。Ｘ線源１４は、同じくハウジング１２内に包含させることができる検出アレイ１８に向けてＸ線ビーム１６を投射している。
【００１２】
Ｘ線源１４と検出アレイ１８の間（ハウジング１２内でないことが好ましい）には、イメージング・システム１０により撮影しようとする被検体２４を保持するためのテーブル２２を配置させている。データ収集システム（ＤＡＳ）２６は、検出アレイ１８からの信号を記録し、画像処理のためにこの情報をコンピュータ式制御装置２８に送っている。制御装置２８はマイクロプロセッサ・ベースのパーソナル・コンピュータであることが好ましい。システムの構成要素の移動及び位置決め、並びにＸ線源１４に対する電力及びタイミング信号の制御のためには制御機構２９を使用することがある。
【００１３】
イメージング・システム１０はさらに、情報の観察や保存のためにモニタ３０や記憶媒体３２を含むことがある。電子的で制御型の機構を図示しているが、これらは本明細書に記載したイメージング技法を実行するために必ずしも不可欠ではなく、単に例示目的でのみ図示したものである。
【００１４】
このシステムによりイメージング・システムを一般的に描いているが、本発明は高分解能イメージャを利用することが好ましい。このイメージャは、桁違いに高い精度をもった画素位置及び画素次元を有する。したがって、各画像はその画像内に、被検体の陰によって覆われるような複数の画素を有することになる。次いで、これら複数の画素は数学的に評価し、任意の１つの画素の寸法に対するある小さな端数値であるようなある精密さの程度を有するようなサイズまたは位置のいずれかを計算することができる。高分解能イメージャは従来技術においてよく知られている。
【００１５】
こうした高分解能システム上で検出アレイ１８は、複数の画素パネル１９を含んでいる。しかし、画素パネル１９は、種々の形状、サイズ及び密度が企図される。さらに、画素のサイズ及び位置のばらつきを最小限にすることが要求される。種々の検出アレイ１８は、ガラス基材３４、光検出器アレイ３６及びシンチレータ３８を含む。しかし、別の実施形態では、代替的な検出アレイ１８の構成が企図される。
【００１６】
ここで図２を参照すると、イメージング処理を記載している。ステップ５０において、撮影しマッチングさせたいと希望する画像をそのシステム内に保存している。この操作はある時点またはある周期で実施することがある。この操作は、上述したような様々なタイプのイメージング装置を用いて実行することができる。以下に記載する処理は、２つの画像に関するものである。同じ処理を以下に記載するのと同様の方法で複数の画像に対して使用することもできる。
【００１７】
この例では、同じ被検体または背景に関して２枚の画像Ａ１及びＡ２を撮影し、Ａ２をＡ１とマッチングさせようとする。Ａ１及びＡ２のすべての画素に関して、次の関係が成り立つ。
【００１８】
Ａ１＝Ａ２＊（Ａ１／Ａ２）
上の式の対数を微分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）することにより、所与の位置でのコントラスト関数Ｃ（．）は次式で表される。
【００１９】
Ｃ（Ａ１）＝Ｃ（Ａ２）＋Ｃ（Ａ１／Ａ２）
以下でさらに記載することにするが、画像の割り算Ａ１／Ａ２は、任意選択では、画質が例えばノイズが多いなど良好でない場合にステップ５２でマッチングさせようとする画像Ａ１に対して規格化することができる。規格化する場合、様々なタイプで実行することがある。規格化については以下でさらに記載することにする。
【００２０】
上式でＣ（Ａ１）＝Ｃ（Ａ２）を満足させるには、Ｃ（Ａ１／Ａ２）＝０である。コントラストを低下させるためによく知られた方法は、ステップ５４に示すように比Ａ１／Ａ２を低域通過フィルタ処理することである。したがってステップ５６では、２つの画像Ａ１及びＡ２に関するコントラスト・マッチング出力の式は次式となる。
【００２１】
Ａ１_M2＝Ａ２＊ＬＰＦ（Ａ１／Ａ２）
上式において、Ａ１_M2はＡ１に対するＡ２のコントラスト・マッチングさせたバージョンであり、またＬＰＦ（．）は低域通過フィルタ関数である。低域通過フィルタ関数については以下でさらに記載する。
【００２２】
複数の（Ｎ枚の）画像に関して、Ａ１、Ａ２、．．．、ＡＫ，．．．，ＡＮを検討対象のＮ枚の画像（Ｋ＜Ｎ）とし、これらの画像の各々を同じ基準画像Ａ１にマッチングさせようとしてみる。上述のロジックをＮ枚の画像のうちの任意の画像（例えば、画像Ｋ）にまで拡張することによって、次の一般関係式が存在する。
【００２３】
Ａ１_MK＝ＡＫ＊ＬＰＦ（Ａ１／ＡＫ）
上式において、Ａ１_MKはＡ１に対するＡＫのコントラスト・マッチングさせたバージョンである。したがって、Ｃ（Ａ１）＝Ｃ（Ａ１_M2）＝．．．＝Ｃ（Ａ１_MK）＝．．．＝Ｃ（Ａ１_MN）であるため、一般化したコントラスト・マッチングが達成されている。
【００２４】
低域通過フィルタ関数に関するパラメータの選択により、本質的には、得られるコントラスト・マッチングのスケールが決定される。様々なタイプの低域通過フィルタを用いることができる。例えば、単一のパラメータを伴うボックスカー・フィルタ（ｂｏｘｃａｒ ｆｉｌｔｅｒ）を用いることができる。ボックスカー・フィルタは画素の所与の近傍域を平均化することによって画像を平滑化させている。これは分離可能であり、またこの計算のために効率のよい方法が存在する。画像内の各点はそのカーネル・サイズと無関係に算術演算を４回だけ必要とする。この分離可能なカーネルの長さは可変であり、コントラスト・マッチングの所望のスケールに依存する。例えば、そのカーネル・サイズが画像サイズの約１０分の１である場合、画像が正方形でありかつカーネルが正方形であると仮定すると、画像に対する優れた全体的コントラスト・マッチングが得られる。他方、使用するカーネル・サイズが小さすぎるとマッチングさせた画像内に望ましくない斑点状の（ｂｌｏｂｂｙ）パターンが生ずる。したがって、本方法を使用する際に認知可能なアーチファクトを回避するためには適度に大きなカーネルを使用すべきである。
【００２５】
要約すると、画像Ａ２は、次の関係式を用いてマッチング画像Ａ１_M2が得られるように、同じ背景／被検体に対する別の画像Ａ１とマッチングさせなければならない。
【００２６】
Ａ１_M2＝Ａ２＊ＬＰＦ（Ａ１／Ａ２）
上式において、ＬＰＦは低域通過フィルタ関数である。この低域通過フィルタ関数はボックスカー・フィルタであり、またこのフィルタのパラメータは用途特定であることが好ましい。一般的な用途では、そのフィルタ・カーネル長さは（画像が正方形でありかつカーネルが正方形であると仮定して）画像の長さの１０分の１である。さらに、実際上は、画像の割り算の間でのノイズ増幅を避けるために上式を修正する必要がある。画像の割り算の間のノイズ増幅を防止するためには多くの方式で規格化を実行することができる。この画像の除算比は分子Ａ１と分母Ａ２を有する。画像の割り算を規格化するための一方法は、分母にある小さな定数を加える、すなわち、分母を（Ａ２＋ε）にする（一例では、ε＝１．０）ことである。したがって、この式は以下となる。
【００２７】
Ａ１_M2＝Ａ２＊ＬＰＦ（Ａ１／（Ａ２＋ε））
もちろん、規格化を実行しない場合はεは０になる。
【００２８】
規格化のための別の方法は、比（Ａ１／Ａ２）を、（Ａ１＊Ａ２／（Ａ２＊Ａ２＋δ））で与えられる（一例では、δ＝１．０）規格化済比に置き換えることである。したがって、その式は次式となる。
【００２９】
Ａ１_M2＝Ａ２＊ＬＰＦ（Ａ１＊Ａ２／（Ａ２＊Ａ２＋δ））
多くの画像Ａ２、．．．、ＡＫ、．．．、ＡＮを単一の画像Ａ１にマッチングさせなければならない場合、上述の処理はＡ１_M2、．．．、Ａ１_MK、．．．、Ａ１_MNが得られるようなペアワイズ方式（ｐａｉｒ ｗｉｓｅ ｆａｓｈｉｏｎ）で実行することができる。
【００３０】
本発明について１つまたは複数の実施形態と関連させて記載してきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されないことを理解すべきである。それどころか、本発明は、本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内に含められるようなすべての代替形態、修正形態及び等価形態を包含させるように意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の一形態による画像システムの概要図である。
【図２】本発明に従った画像処理の流れ図である。
【符号の説明】
１０ イメージング・システム
１２ ハウジング
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線ビーム
１８ 検出アレイ
１９ 画素パネル
２２ テーブル
２４ 被検体
２６ データ収集システム（ＤＡＳ）
２８ コンピュータ式制御装置
２９ 制御機構
３０ モニタ
３２ 記憶媒体
３４ ガラス基材
３６ 光検出器アレイ
３８ シンチレータ

Claims (11)

1. 制御装置を備えるディジタル画像装置が第１の画像と第２の画像をコントラスト・マッチングさせる方法であって、
   （ａ）第１の画像の各画素を表す分子と、第２の画像の各画素を表す分母に基づく前記第１の画像と前記第２の画像の画像比を生成するように前記制御装置が作動するステップと、
   （ｂ）前記分母にある定数の加算して規格化済画像比を形成することにより前記画像比を規格化するように前記制御装置が作動するステップと、
   （ｃ）前記規格化済画像比をフィルタ処理し、フィルタ処理済比を形成するように前記制御装置が作動するステップと、
   （ｄ）前記第２の画像に前記フィルタ処理済比を乗算し、モニタ上で観察されるに際し、前記第１の画像のコントラストとより良くマッチングするコントラストを有する調整済画像を形成するように前記制御装置が作動するステップと、
   を含む方法。
2. モニタを備える制御装置と、前記制御装置に接続する画像形成装置とを備えるディジタル画像装置が作動する方法であって、
   （ａ）第１のディジタル画像を作成するように前記画像形成装置が作動するステップと、
   （ｂ）第２のディジタル画像を作成するように前記画像形成装置が作動するステップと、
   （ｃ）前記第２の画像を前記第１の画像にマッチングさせるように前記制御装置が作動するステップであって、
   （ｉ）第１の画像の各画素を表す分子と、第２の画像の各画素を表す分母に基づく前記第１の画像と前記第２の画像の画像比を生成すること、
   （ｉｉ）前記画像比を規格化して規格化済画像比を形成すること、
   （ｉｉｉ）前記規格化済画像比をフィルタ処理してフィルタ処理済比を形成すること、
   （ｉｖ）前記第２の画像に前記フィルタ処理済比を乗算して前記モニタ上で観察されるに際し、前記第１の画像とより良くマッチングする調整済画像を形成すること、
   を含む前記マッチングさせるように前記制御装置が作動するステップと、
   を含む方法。
3. 前記フィルタ処理が低域通過フィルタ処理を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記低域通過フィルタ処理がボックスカー・フィルタ処理を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記規格化が前記分母に対するある定数の加算を含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記第１のディジタル画像とコントラストがマッチングした調整済画像が形成される、請求項２に記載の方法。
7. 前記第１のディジタル画像と輝度がマッチングした調整済画像が形成される、請求項２に記載の方法。
8. 前記第１の画像とコントラスト及び輝度がマッチングした調整済画像が形成される、請求項２に記載の方法。
9. 第１の画像と第２の画像を作成するための画像形成装置（２６）と、
   前記第１の画像及び前記第２の画像を受け取るために前記画像形成装置と結合させた制御装置（２８）であって、
   （ｉ）第１の画像の各画素を表す分子と、第２の画像の各画素を表す分母に基づく前記第１の画像と前記第２の画像の画像比を生成すること、
   （ｉｉ）前記分母にある定数の加算して規格化済画像比を形成することにより前記画像比を規格化すること、
   （ｉｉｉ）前記規格化済画像比をフィルタ処理してフィルタ処理済比を形成すること、
   （ｉｖ）前記第２の画像に前記フィルタ処理済比を乗算してディスプレイ上で観察される に際し、前記第１の画像とより良くマッチングする調整済画像を形成すること、を実行する制御装置（２８）と、
   を備えるイメージング・システム（１０）。
10. さらに、前記調整済画像を表示するように前記制御装置と結合させたディスプレイ（３０）を備える請求項９に記載のイメージング・システム（１０）。
11. さらに、前記第１の画像及び第２の画像と前記調整済画像とを保存するための記憶媒体（３２）を備える請求項９に記載のイメージング・システム（１０）。

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