JP4956815B2

JP4956815B2 - 歯科用ｘ線撮影装置

Info

Publication number: JP4956815B2
Application number: JP2004312552A
Authority: JP
Inventors: 剛友江
Original assignee: Yoshida Dental Mfg Co Ltd
Current assignee: Yoshida Dental Mfg Co Ltd
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: JP2006122211A

Description

本発明は画像認識による被撮影者のＸ線撮影条件を自動設定することのできる歯科用Ｘ線撮影装置に関するものである。

従来、例えば歯列弓に沿って連続撮影するパノラマX線撮影やセファロX線撮影を行うに当たり、そのＸ線撮影条件は、被撮影者の頭部の厚みを、頭部の両側を締付ける固定具とボリューム抵抗とにより検出して、頭部厚に従って管電圧および/または管電流を決めるようにしている。「特許文献１参照」。
この際、この固定具の幅が広ければ広いほど、より強いX線（多いX線量）を被撮影者の頭部に照射するように構成されており、従って固定具を被撮影者の頭部に閉め忘れたり、緩やかに締め付けたり、或は適切に調整していなかったりする場合には被撮影者に必要以上のX線量が照射されるようになる。

特開昭62−98600号

上述したように、従来の頭部厚の測定では、頭部の固定具を閉め忘れたときなど、被撮影者に対して最適のＸ線撮影条件が選択されない場合があった。即ち、従来の頭部固定具（ヘッドサポート）による測定では、頭部固定具によって頭部厚を測定してX線の照射線量に反映させていた。しかし、頭部厚と被撮影者の最適線量にはある程度、比例関係があるが、これだけでは完全なものではない。

そのため、画像認識の手段を用いて被撮影者の頭部、顎部形状と最適線量との関係に対してデータベースを構築しておくことにより、頭部の厚さだけでなく、画像による被検者の顎部形状をパターン化し、そのパターンマッチングを行うことにより、X線の一層最適な線量を求めることができることを確かめた。

従って、頭部固定具（ヘッドサポート）を閉め忘れても、被撮影者に対して適したＸ線撮影条件を選択することができる。

ここに云う「最適な線量とは」とは、少ない被曝でより良い像コントラストを得ることができるX線の照射線量を意味するものとする。
また、「頭部厚とは」、ヘッドサポートのあたる位置（こめかみのやや後ろ）における頭部の幅、つまり、カメラに対して正面を向き、両耳の少し上の部分の幅を意味し、この幅を測定するものとする。

上述したように、頭部厚は、カメラによる画像認識によっても測定することができる。
この画像認識によれば、被撮影者の髪の毛部分の判断に当たり、髪の毛の多い場合と少ない場合とでは頭部厚の認識が違ってくる。この際、被撮影者の位置づけがなされた後に、カメラによる画像認識で頭部厚を把握するため、顔位置を限定できる。よって、顔がある位置の色相（色合い）、彩度、明度をサンプリングし、しきい値を決めることによって髪の毛と顔を分離し、被撮影者の頭部厚を測定することができる。この時、被撮影者は髪の毛を耳にかける等の顔部位に髪の毛がかからないようにするなどの処理が必要となる。

被撮影者の顔の判断を背景色との比較で判断するに当たり、
色だけで顔の判断を行う場合・・・背景は赤系の色以外に限定する必要がある。
差分画像法で顔の判断を行う場合・・・t時間前の画像と現在の画像との差分をとり、動きのあった部分を抽出する方法を用いれば、背景を限定しなくても被撮影者の顔部分を特定することができる。

画像認識による頭部厚の測定により、被撮影者に対して最適のＸ線撮影条件を自動的に選択する装置を提供せんとするものである。
また、本発明の他の目的は、頭部厚だけでなく、顎の奥行きや形状などから、より最適なＸ線撮影条件を求める装置を提供せんとするものである。
さらに、本発明の目的は頭部固定具を閉め忘れても被撮影者に対して最適のＸ線撮影条件を自動的に選択する装置を提供せんとするものである。

本発明歯科用Ｘ線撮影装置は、装置本体又はその近傍に設置された１つ又は複数のカメラと、該カメラからの映像信号を処理・演算する演算装置と、該演算装置からの出力信号によりＸ線撮影条件を制御する制御部とを備える歯科用Ｘ線撮影装置において、前記カメラより出力された被撮影者の頭部厚及び顎部形状の映像信号を前記演算装置にて処理することにより頭部の厚み、顎の幅、形状を把握し、それにより顎部撮影のための最適な管電圧及び管電流のＸ線撮影条件を決定し、前記制御部において前記Ｘ線撮影条件に基づいて管電圧及び管電流を制御することを特徴とする。
また、本発明は、前記歯科用Ｘ線撮影装置における前記制御部は、予め、頭部固定具の形状をパターン化しておき、該頭部固定具の幅を認識する際、前記カメラから取得した画像中の頭部固定具の位置を前記パターン化した頭部固定具の形状のパターンにより走査し、頭部固定具のパターンが最も一致する位置を頭部固定具の位置と判断して、頭部固定具の幅を検出し得るように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、頭部固定具を調整し忘れた場合には、本願発明の歯科用Ｘ線撮影装置の制御部によって被撮影者の被検部位である頭部厚に対して最適のＸ線撮影条件を自動的に選択することができる。即ち、頭部固定具を調整し忘れた場合でも、表１（頭部厚-Ｘ線撮影条件との関係）に示すような強いＸ線（多くのＸ線量）を被撮影者に照射するようになるのを防ぐことができる。

表１から明らかなように、頭部厚が厚くなればなるほどX線の管電圧が高くなり、管電圧が高くなればなるほど、透過力の強いX線が発生する。
即ち、頭部固定具による頭部厚検知だけでは頭部固定具（ヘッドサポート）を閉じ忘れた場合、より多くのX線量を被撮影者に照射し得るようになるが、本発明によれば、被撮影者の頭部、顎部形状や奥行き等と最適線量との関係のデータベース（辞書画像）を構築しておくことにより、頭部の厚さだけでなく、画像認識による被撮影者の顎部形状をパターン化し、パターンマッチングすることによって、被撮影者に対して、より最適なX線量を求めることができる。
従って、頭部固定具（ヘッドサポート）を閉め忘れても、被撮影者に対して最適のＸ線撮影条件を選択することができる。

画像認識
パノラマＸ線撮影を行うために図1に示すＸ線撮影装置に被撮影者を導入する手順を以下に示す。

Ｘ線撮影装置は、図1に示すように、支柱１にスライド本体１０を設け、その下部にチンレスト（顎当て）９を設け、その上部に上下移動自在の駆動部７を設け、この駆動部７に回動自在の回転アーム２を設け、この回転アーム２にはＸ線撮影部およびX線受像部を含むX線ヘッド５を固着し、このX線ヘッド５のこれらＸ線撮影部およびX線受像部間に、X線撮影時に被撮影者１１の頭部が介在されるようにする。また、ヘッドサポート６をチンレスト９に対して水平方向に回動自在に設ける。スライド本体１０を支柱１に対して上下に摺動自在に取付けることによりX線ヘッド５のＸ線撮影部およびX線受像部、チンレスト９並びにヘッドサポート６を上下に昇降自在とする。

まず、被撮影者１１が軽く顎を引いて正面に向かいＸ線撮影位置に立つように指示する。
次いで、Ｘ線撮影装置の中央部に設けられたチンレスト（顎当て）９を被撮影者１１の顎の高さにほぼ合わせる。
図2および図3に示すように、被撮影者１１をＸ線撮影装置内の撮影位置に導入し、背筋を伸ばして、チンレスト９のチンレストベース８上のマーキング部１２に顎を乗せ、マーキング部の先端１３に顎を接触させ、バイトブロック１４を咥えさせる。この状態で、ヘッドサポート６を被撮影者１１の側頭部に両側から接触させ、従って、図4に示すように、被撮影者１１の顔のＸ方向及びY方向の大幅なズレを防止し得るようにする。

次に、位置づけビームスイッチ（図示せず）を押し、被撮影者１１の正中矢状線を（正中ビームの中心に位置する）バイトブロック１４に合わせる。
位置づけビームは、前歯部の断層域を表しているため、この断層域上に前歯部根尖（目安として下顎3番の中央）が合うように、チンレスト９を前後に動かし微調整を行う。

次いで、眼耳線の調整を行い、被撮影者１１の眼耳線が水平であるか否かを判断し、眼耳線が水平でない場合にはチンレスト９を上下に僅かに動かして水平となるように微調整する。
更に、図3に示すように、ヘッドサポート６を被撮影者１１の側頭部の両側のヘッドサポートのあたる位置Aに押し当てるように調整して頭部厚を測定する。

この際、かかる状態で被撮影者１１にチンレスト取手１５を握らせて、撮影時に被撮影者を安定に保持させるようにする。

ここで、被撮影者の頭部厚に適したX線撮影条件、即ち、X線管の管電圧、管電流等を設定するために、パノラマX線撮影装置本体に設置しているカメラ２０によって、被撮影者の頭部を正面から撮影する。
カメラ２０の設置位置は、被撮影者をX線撮影装置内に位置づけした時の被撮影者の顔の正面にカメラがくるよう配置されている。
カメラ２０の設置場所は本実施例に限定されるものではない。また、カメラの台数についても同様に限定されるものではない。

カメラの映像信号は本発明Ｘ線撮影条件自動設定装置の演算装置によって後に説明するように処理する。

上記演算装置の処理によって、被撮影者の頭部の厚み、顎の幅、形状を把握し、それにより最適なＸ線撮影条件を決定することができる。

図5に示すように、被撮影者１１の頭部を正面から撮影できるように、装置本体に1つ以上のカメラ２０を設置する。カメラの映像信号を図6に示すように本発明X線撮影条件の自動設定装置の上記演算装置において処理する。この信号処理は下記の手順で行う。

即ち、本発明X線撮影条件の自動設定装置は演算装置２１および制御部２２を具え、演算装置２１はビデオデコーダ部２３およびこれに接続された演算部２４で構成される。ビデオデコーダ部２３にはカメラ２０からのNTSC出力が供給される。また、点線で示すように、カメラ２０からの出力がデジタル出力の場合には、この出力を演算部２４に直接供給するように構成する。

カメラ２０からの出力信号２５がアナログ信号（NTSCなど）の場合、該演算装置２１内のビデオデコーダ部２３において24bitのRGBなどのデジタル信号に変換する。また、カメラ２０からの出力信号がデジタル信号２６の場合には、ビデオデコーダ部２３にではなく、演算部２４に直接供給する。

24bitのRGBのデータを演算部２４においてHSV表色系データ（色相（Hue）、彩度（Saturation）、明度（Value））へと変換する。
このHSV表色系への変換方法の概要を以下に説明する。

即ち、RGB 表色系からHSV表色系への変換は下記のように行う。
V=max{R,G,B}と定義すると、
V=0のとき、
S=0, H=不定となる。
V≠0のとき
ｖ＝min｛R,G,B｝と定義すると、
S=(V-v)/Vとなり、
R=Vのとき、H＝(G-B)/(V-v)
G=Vのとき、H＝2+(B-R)/(V-v)
B=Vのとき、H＝4+(R-G)/(V-v)となる。
この際、H=H/6とする。
ただし、H<0 H=H+1とする。
(中司修二、「動画像における部位画像の追跡に関する一検討」、[online]、平成11年4月23日、 [平成16年2月25日検索]、インターネット、＜url:http://www.ics.kagoshima-u.ac.jp/~kimi/prmu98-1/tsld001.htm＞参照)

上記の定義によりRGB 表色系データから変換された修正HSV表色系データの変換式を数１で示す。「非特許文献２参照」。

（「平野，中村：“顔の回転にロバストな個人識別方式”, 電気学会論文誌C, Vol.120-C, No.6, pp.800-808(2000-6).」参照）

変換された修正HSV表色系データの色相H(色合い)データを画像化すると図7に示すようになる。（実施例では、赤みが強い色を高い値（白）、赤みが弱い色を低い値（黒）として表示する。）
被撮影者の顔は背景と比較して赤みが強いため、画像の水平方向のヒストグラムを求め、背景よりも値が高い部分を抽出することにより顔の幅を求めることができる。

背景が限定できない場合、受像器（X線受像部）など既知の背景が被撮影者１１と重なる状態で、ヒストグラムを求めることもできる。例えば、画像の水平方向の中心と被撮影者１１の顔の水平方向の中心が一致する場合、図7の画像では被撮影者１１の右側に受像器（X線受像部）が重なった状態なので画像中心から右側までの幅をヒストグラムから求め、その倍の値を求めることで仮想の被撮影者１１の顔幅を求めることも可能である。

色あいデータ以外に、彩度データ、明度データによっても背景との分離を行うことができる。また、それらデータを先鋭化フィルターにかけたり、フーリエ変換やウェーブレット変換などによって周波数特性を分析することによりエッジ情報などから背景と分離することもできる。また被撮影者が不在の場合の画像（背景画像）との差分画像を求めることによっても被撮影者の顔を背景と分離することができる。
尚、背景が限定できる場合には、X線ヘッド５を回転させ、被撮影者と受像部とが重ならないように走査することによって、上述した手段をとらずに被撮影者１１の顔幅を求めることができる。
尚、被撮影者の顔と背景を分離するのが難しい場合、回転アーム２を回転させて、図５の位置にすることで背景を既知とすることができ、被撮影者の顔と背景の分離を容易にすることができる。

前記演算部２４で処理して求められた被撮影者の頭部厚等の情報をこの制御部２２において、あらかじめ作成されているテーブルに従ったX線撮影条件に変換し、この変換された信号をX線照射部２７、駆動回路２８および表示部２９に供給し、表示部２９で確認してX線撮影時の撮影条件（最適X線量）を決定した後、駆動回路２８を作動させてX線照射部２７からX線の照射を行い得るようにする。

以下画像認識により得られた情報に基づき、頭部の厚み、顎の幅、形状から最適X線撮影条件を決定する手段の一例を以下に示す。
先ず、部分空間法を用いたパターンマッチングについて説明する。最初、グループ毎の固有ベクトルを求める。図8おフローチャートを参照して、頭部の厚み、顎の幅、形状から最適X線撮影条件を決定するソフトウエアの開発時に以下の手順で固有ベクトルを求める。以下の説明では、顎の幅、形状から最適X線撮影条件を決定する例を説明するが、頭部の厚みから最適X線撮影条件を決定する場合も、以下の手段の応用で可能である。

先ず、ステップS1で被撮影者の位置づけを完了させる。次いで、ステップS2で画像データを取得し、ステップS3でこの画像データに対して前述したようにしてRGB-HSV画像変換を行う。ステップS4では、画像切り出し行なって、画像から被撮影者の顎位置を切り出す。次いで、ステップS5で、切り出された被撮影者の顎位置の情報をグループ分類する。即ち、最適線量毎にグループを作り、表２に示す辞書画像に分類する。

ここに、Nは辞書画像の次元数（ピクセル数）、Kは辞書画像数、Cはグループ数である。

次いで、図9を参照し、ステップS６で、次に数２で示す分散共分散行列Sを作成する。この場合、各グループ毎に分散共分散行列を求める。

この行列Sから次式、数３を得ることができる。

（情報統計学II 第5回主成分分析（１）２変量の主成分分析、
http://kuva.mis.hiroshima-u.ac.jp/~asano/Kougi/99s/JouhouToukei2/5-19.html-12k-2004年8月7参照）

次に、ステップS7において主成分分析を行い、次式、数４を得る。この主成分の分析によって各グループ毎固有値λ_jおよび固有ベクトルU_jを求める。

ここに、jは主成分により圧縮された次元数である。
（SII’99、第5回画像センシングシンポジウム、チュートリアル講演会、基礎コース、テキスト、平成11年6月16日(水)、パシフィコ、主催：画像センシング技術研究会、参照）。

実際のグループの分類について図11（a）、（b）および図12（a）、（b）を参照して、以下に説明する。
X線の最適線量毎にグループを作り、辞書画像を分類する手段は次の通りである。
（１）予め最適線量が既知である被撮影者Aの画像データを取得する（図11(a)）。
（２）チンレストの位置が既知であるため、取得した画像データから被撮影者Aの顎位置は決定できる。
（３）取得した画像データから被撮影者Aの顎位置を図11(b)に示すようにピックアップする。
例えば、12×15ピクセルサイズで顎位置をピックアップする。
（４）被撮影者Aの画像データを画像1_１とし、画像1_１を構成するピクセル数は12×15=180ピクセルとなる。
ここで画像1_１をベクトルとして考えると、画像1_１：X₁ベクトルは変量X₁₁,X₁₂,・・・・・X_1Nで構成される180次元のベクトルとして次式、数５のように表わせる。

被撮影者Aに最適な最適X線の線量は既知であるので、最適線量が最も近くなるグループ１（表３）に、画像１_１を分類する。

（５）さらに、予め、最適X線線量が既知で被撮影者Bの画像データを取得する（図12(a)）。
（６）上記（３）の場合と同様にして被撮影者Bの顎位置を図1２（b）に示すようにピックアップする。
（７）被撮影者Bの画像データを画像2_１とする。この画像2_１も上記と同様に12×15＝180次元で構成されるX₂ベクトルとして表す。被撮影者Bに最適な線量も既知であるため、最適X線線量が最も近いグループに画像2_１（数６参照）を分類する。

被撮影者Bが被撮影者Aの最適Ｘ線線量に近い場合、X₂ベクトルは表４に示すグループ1に分類される。

（８）上記（１）乃至（７）の操作を各最適線量毎に行い、表５に示すように、グループ分けを行う。

次に、演算部におけるグループの特定処理を図10を参照して説明する。
以下に示すように切り出された被撮影者の顎の位置画像をパターンマッチングすることによって、どのグループと相関性が高いかを求め、最適なX線の線量を決定する。
前述したように求められた、グループ分類における各グループ毎の固有ベクトルUjによって演算を行う。
前述したように、先ず、ステップS1で被撮影者の位置づけを完了させる。次いで、ステップS2で画像データを取得し、ステップS3でこの画像データに対して前述したようにしてRGB-HSV画像変換を行う。ステップS4では、画像切り出しを行なって、画像から被撮影者の顎位置を切り出す。
被撮影者の顎位置は、チンレスト上に限定されるものとする。この際、カメラとチンレストの相対位置は既知である。よって、画像中の顔の位置を特定することができる。

切り出された画像は、画像数を次元数としたベクトルXとする。
次いで、ステップS8においてパターンマッチング処理を行う。各グループ毎に、次式、数７で求められるマッチング値を求め、どのグループ（１、２・・・C）との相関性が高いか判断し、最適のグループを選択する。

最後に、ステップS9においてグループの特定を完了し、選択されたグループによる最適X線の最適値を制御部に送り、最適X線の最適線量制御指令をX線照射部２７に供給して最適X線線量を被撮影者に照射する。

上記実施例は最適線量毎のグループ分類を記載したが、最適線量毎のグループ分類作成の他、歯列サイズ、歯列先端形状等のグループ分類を作成することも可能である。
最適線量毎のグループ分類の中から、さらに歯列サイズや歯列先端形状等によって細かく分類することも可能である。

本例では、X線撮影装置において、予め、頭部固定具の形状をパターン化しておく。このパターン化は演算部で行い、頭部固定具幅を認識する際、カメラから取得した画像中の頭部固定具の位置を上述したようにパターン化したパターンにより走査し、頭部固定具のパターンがより一層一致する位置を頭部固定具の位置と判断して、頭部固定具の幅を検出し得るようにする。斯様に検出された頭部固定具の幅に対して制御部で上述した様に最適のX線量を算出し、斯様にして従来と同様に、頭部固定具の幅によるX線撮影条件の選択を行うことができる。

本願発明は歯科のX線撮影装置に適用して多大の効果をうることができる。

図1は本発明によるＸ線撮影装置の構成を示す断面側面図であり、図２はＸ線撮影装置のチンレストの構成を示す平面図であり、図３はチンレストに頭部を固定する状態を示す側面図であり、図４は同じく頭部の位置決め状態を説明するための正面図であり、図５は被撮影者のカメラによる撮影状態を説明するための説明図であり、図６は本発明自動設定装置の構成を示すブロック図であり、図７はHSV表色系データの色相(色合い)データを画像化して表示した被撮影者の頭部の輪郭を示す説明図であり、図8はグループ毎に固有ベクトルを求める手順を示すフローチャート図であり、図9は同じくグループ毎に固有ベクトルを求める手順を示すフローチャート図であり、図10は演算部でのグループ特定処理を示すフローチャート図であり、図11（a）、（b）は辞書画像を分類する手段において画像データから被撮影者の顎部位をピックアップしてそのピクセルサイズを求める手段を示す説明図であり、図12（a）、（b）は同じく、辞書画像を分類する手段において画像データから被撮影者の顎部位をピックアップしてそのピクセルサイズを求める手段を示す説明図である。

符号の説明

１支柱
２回転アーム
５ X線ヘッド
６ヘッドサポート
７駆動部
８チンレストベース
９チンレスト
11 被撮影者
12 マーキング部
13 先端
14 バイトブロック
15 チンレスト取手
20 カメラ
21 演算装置
22 制御部
23 ビデオデコーダ部
24 演算部
25 出力信号
26 デジタル信号
27 X線照射部
28 駆動回路
29 表示部
Ａヘッドサポートのあたる位置

Claims

装置本体又はその近傍に設置された１つ又は複数のカメラと、該カメラからの映像信号を処理・演算する演算装置と、該演算装置からの出力信号によりＸ線撮影条件を制御する制御部とを備える歯科用Ｘ線撮影装置において、前記カメラより出力された被撮影者の頭部厚及び顎部形状の映像信号を前記演算装置にて処理することにより頭部の厚み、顎の幅、形状を把握し、それにより顎部撮影のための最適な管電圧及び管電流のＸ線撮影条件を決定し、前記制御部において前記Ｘ線撮影条件に基づいて管電圧及び管電流を制御することを特徴とする歯科用Ｘ線撮影装置。
前記歯科用Ｘ線撮影装置の制御部は、前記制御部に接続されたＸ線照射部と、前記制御部に接続され前記Ｘ線照射部を作動させてＸ線の照射を行う駆動回路と、前記制御部に接続されＸ線撮影時の撮影条件を確認する表示部とを備えることにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の歯科用Ｘ線撮影装置。
前記歯科用Ｘ線撮影装置の制御部は、予め、頭部固定具の形状をパターン化しておき、該頭部固定具の幅を認識する際、前記カメラから取得した画像中の頭部固定具の位置を前記パターン化した頭部固定具の形状のパターンにより走査し、頭部固定具のパターンが最も一致する位置を頭部固定具の位置と判断して、頭部固定具の幅を検出し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の歯科用Ｘ線撮影装置。
前記歯科用Ｘ線撮影装置の制御部は、前記頭部固定具形状のパターンが最も一致する位置の判断は前記演算部で行い、前記最適Ｘ線量の算出は前記制御部で行うように構成したことを特徴とする請求項３に記載の歯科用Ｘ線撮影装置。