JP5305687B2 - Ｘ線動画像撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、撮影画像を解析することにより最適な画像処理及びＸ線曝射制御のパラメータを決定し、これらのパラメータを用いてＸ線曝射制御を行い、撮影した画像を画像処理を施して表示するＸ線動画像撮影システムに関するものである。

従来、ＦＰＤ（フラットパネルディテクタ）或いは輝尽性蛍光体を用いたＸ線デジタル静止画撮影システムにおいては、撮影によって得られた画像を解析することにより、画像処理パラメータを決定している。そして、この画像処理パラメータを用いて画像処理を行い、診断に最適なＸ線デジタル画像を生成している。

図１０は胸部画像を示しており、大きく肺野部と縦隔部、そして被写体外の素抜け部に分けることができる。一般的に、胸部画像の診断において最も重要な部位は肺野部であり、肺野部のコントラストが高い画像が要求される。縦隔部については、肺野部ほどのコントラストは必要ないが、コントラストがつぶれることなく、明瞭かつ詳細に把握できる画像である必要がある。このような画像にするために、画像解析を行って画像全体を肺野部、縦隔部、素抜け部のそれぞれの領域に分割する所謂セグメンテーション処理を行っている。

セグメンテーション処理の１つにヒストグラムを用いた方法があり、図１０の胸部画像のヒストグラムを求めると、図１１（ａ）に示すように肺野部、縦隔部、素抜け部の３つの山に分けることができる。そこで、ヒストグラムの山部、谷部を抽出することによって、縦隔部の画素値範囲（Ｌ１〜Ｌ２）、肺野部の画素値範囲（Ｌ２〜Ｌ３）、素抜け部の画素値範囲（Ｌ３〜Ｌ４）を求めることができる。

先ず、縦隔領域の画素値範囲（Ｌ１〜Ｌ２）から、胸部画像において縦隔領域の画素値範囲に入っている画素をビットオン、それ以外の画素をビットオフとする閾値処理によって二値画像を作成する。そして、この二値画像のノイズを消去するために、汎用的な二値画像処理である膨張、収縮処理を繰り返し行うことにより、複数の連結した領域を抽出することができる。また、胸部画像における縦隔部の位置・大きさの平均値や標準偏差値等の統計量を予め求めておけば、これらを用いて複数の連結した領域の中から、位置、大きさが最も縦隔部らしい領域を選出することができる。

同様に、肺野部、素抜け部も決定することができ、胸部画像を領域分割することができる。この領域分割した結果を基に、それぞれの領域において、画素値が何れの範囲に入るかをより精度良く求めることができる。この求めた結果を、新たに縦隔部の画素値範囲（Ｌ１〜Ｌ２）、肺野部の画素値範囲（Ｌ２〜Ｌ３）、素抜け部の画素値範囲（Ｌ３〜Ｌ４）とし、これらを基に画像処理することにより診断画像とする。

診断画像とするためには、コントラストを変換する必要があるが、例えば画像処理にはルックアップテーブルを用いた階調変換処理による画素値変換処理を行う。胸部画像においては、図１１（ｂ）に示すように画像全体の画素値範囲（Ｌ１〜Ｌ４）の画素値範囲を全画素値の範囲に広げ、肺野部に高い勾配（高コントラスト）、縦隔部に低い勾配（低コントラスト）となるような画素値変換ルックアップテーブルを作成する。

このルックアップテーブルを用いて画素値変換を行うことにより、縦隔部はコントラストがつぶれることなく、肺野部において高いコントラストを有する画像に階調変換することができる。更に、縦隔部について詳細の診断情報が得られるように、縦隔部領域に高周波成分を足し込むことにより低いコントラストを補っている。高周波成分をどの程度足し込むかについては、ルックアップテーブルにおける縦隔部の勾配から決定する。

このようにして、胸部の撮影画像を解析し、肺野部、縦隔部、素抜け部のそれぞれの画素値範囲及び縦隔部領域の情報を画像処理パラメータとして画像処理することにより、胸部画像診断に適した胸部画像を得ることができる。

このような画像解析は、特に胸部画像に限ったことではなく、頭部、頚椎、胸椎、腰椎、腹部、骨盤、股関節、四肢等の全ての部位について、より診断に有効な画像にするために様々な解析が行われている。例えば、特許文献１においては肺野領域の抽出、特許文献２においては素抜け部を削除してヒストグラムの作成、特許文献３においては喉領域の抽出が開示されている。また、特許文献４においては骨領域の抽出、特許文献５においては金属或いは放射線遮蔽物の領域の削除、特許文献６においては素抜け部の有無を判別するのようなＸ線デジタル画像を解析して、画像処理するための技術が開示されている。

このように、画像の精度をより向上させるために、様々な解析のためのアルゴリズムが開発されており、部位毎にその部位専用の解析処理プログラムを用い、撮影毎に撮影した画像の部位によって、解析処理プログラムを切換えている。

静止画撮影システムであれば、撮影前に撮影者が部位釦を押すこと等により、予め撮影する部位情報を得ることができる。Ｘ線デジタル画像を解析する上においては、この部位情報が極めて重要であり、第１に、この部位情報から、画像が大きく分けて幾つの領域で構成されているかという構造情報を得ることができる。例えば胸部画像においては、大きく分けて肺野部と縦隔部、そして被写体外の素抜け部に分けることができ、この部位情報なしで領域分割処理を行うことは極めて困難である。また、ヒストグラムの山、谷抽出においても、幾つの山に分かれるかが分からないと、全ての数で分け、その中で最も分離度の高い分け方を選択しなければならず、膨大な計算量を必要とし、しかも精度が悪く不安定である。

第２に、部位情報によってどのように画像処理するかという画像処理方法の情報を得ることができる。胸部画像においては肺野部のコントラストを高くし、更に縦隔部の詳細も必要であるために、肺野部、縦隔部、素抜け部のそれぞれの画素値範囲から画素値変換ルックアップテーブルを作成する。そして、これを用いて階調変換による画素値変換を行い、領域分割処理で求めた縦隔部領域にルックアップテーブルにおける縦隔部の勾配から、決定した量の高周波成分を足し込む処理を行う。このように、部位毎に最適の画像処理を行うことができれば、部位情報なしで一律に画像処理した画像と比較して、極めて診断価値の高い画像を作成することができる。

しかし、動画撮影システムにおいては、部位情報を用いて画像を解析することは行われない。何故なら、動画で撮影する際には特定の部位を固定したまま撮影するわけではなく、常に撮影方向、撮影位置を変化させながら撮影するため、特定の部位情報だけでは対応しきれず、連続的な部位情報が必要となるからである。しかし、そのためには無限に多くの部位情報を必要とするが、このようなことは不可能なため、動画撮影システムでは部位情報を用いた高精度な解析、画像処理は行われていない。

また、動画撮影システムにおける大きな特長の１つとして、撮影中に常にＸ線曝射の制御をしなければならない。このＸ線曝射を制御するためのＸ線制御パラメータも、部位情報を用いた高精度な解析結果を使って求めれば、精度良くＸ線曝射を制御することができる。

しかし上述の理由により、部位情報を用いた高精度な解析は行われておらず、簡易的な方法で画像処理、Ｘ線曝射制御を行っている。この簡易的な方法においては、画像の中央部が最も観察したい部位であることを前提としている。この前提から画像の中央部に関心領域を設定し、この領域内の情報のみで画像処理パラメータ及びＸ線制御パラメータを決定し、これらのパラメータを用いて画像処理を行いＸ線曝射制御を行っている。

例えば、関心領域内の平均画素値を計算して、この平均画素値が常に一定の明るさになるように画素値変換ルックアップテーブルを作成し、階調変換による画素値変換を行う。また、この平均画素値を被写体である患者のＸ線被曝線量の指標とし、例えばこれが予め決められた値となるように、管電圧、管電流のＸ線撮影条件を制御している。

特開平１１−１５１２３２号公報 特開２０００−１０１８４０号公報 特開２０００−１６３５６２号公報 特開２００２−２８２２４４号公報 特開２００２−３３０９５３号公報 特開２００３−１６４４９号公報

しかしながら上述の動画撮影方法では、画像の中央部に何が存在するかに拘らず、例えば人工骨等のようにＸ線を透過し難いものがあると、階調を高く変換して画像の必要な部分が不鮮明に表示されたり、Ｘ線を曝射し過ぎる虞れがある。つまり、動画撮影システムにおいては、部位情報の重要な情報を用いることができないため、簡易的な方法で精度の悪い不正確な画像処理パラメータ、Ｘ線制御パラメータしか求めることができない。従って、撮影者が望む撮影にならずに、診断に有効な動画像がなかなか得られないという問題を有している。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、診断性能の良い動画像が得られるＸ線動画像撮影システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るＸ線動画像撮影システムは、離散的な複数の部位パターンの画像と部位情報とが関連付いた撮影部位遷移図を用いて、動画撮影の撮影画像と前記離散的な複数の部位パターンの画像との比較により、前記動画撮影の部位情報を決定する部位情報決定手段と、前記動画撮影の部位情報から画像構成と画像処理方法の情報とＸ線曝射方法との少なくとも一つの情報を取り出す情報取得手段と、前記情報取得手段による情報を用いて、動画撮影の部位の処理情報の演算を行う演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るＸ線動画像撮影システムによれば、撮影部位に適した精度の高い画像処理パラメータ、Ｘ線制御パラメータを得ることができるため、診断性能の高い画像を得ることができると共に、患者へのＸ線被曝線量を最低限に抑制することができる。

本発明を図１〜図９に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係るＸ線動画像撮影システムの構成図である。Ｘ線を発生するＸ線源１と、このＸ線源１から発生したＸ線を検出するＸ線検出器２が対向して配置され、Ｘ線源１とＸ線検出器２との間には、被検者Ｓを載置するテーブル３が配置されている。

Ｘ線源１には、Ｘ線の発生を制御するＸ線発生装置制御部４を介してＸ線撮影システム制御部５の出力が接続され、Ｘ線検出器２の出力は画像入力部６を介してＸ線撮影システム制御部５に接続されている。

Ｘ線撮影システム制御部５には、機構を制御する機構制御部７、画像処理を行う画像処理部８、画像を保存する画像保存部９、画像を表示する診断モニタ１０、各種操作を行う操作部１１が接続されている。更に、このＸ線撮影システム制御部５には、ネットワーク１２を介して外部のプリンタ１３、診断ワークステーション１４、画像データベース１５が接続されている。

Ｘ線発生装置制御部４により制御されたＸ線源１から発生したＸ線は、被写体Ｓを透過してＸ線検出器２により検出され、この検出されたＸ線は画像データとして画像入力部６を介してＸ線撮影システム制御部５に入力される。画像データは画像処理部８においてＸ線検出器２の補正、対数変換を含めた前処理やノイズ除去や鮮鋭化、ダイナミックレンジ圧縮のような高画質化処理や、画像解析処理等の画像処理が施される。そして、これらの画像処理が施された画像は診断モニタ１０に表示される。

Ｘ線撮影システム制御部５は画像処理部８による画像解析処理の結果の１つであるＸ線曝射制御パラメータをＸ線発生装置制御部４に送信し、このＸ線曝射制御パラメータを基に、撮影部位に対応するＸ線曝射条件を決定し曝射を行う。動画撮影はこのプロセスを連続的に繰り返すことによって、時系列画像を得て連続表示される。

図２はＸ線源１とＸ線検出器２を保持する保持機構の構成図を示し、Ｘ線源１とＸ線検出器２はＣアーム２１の両端にそれぞれ固定され、このＣアーム２１は矢印方向の３方向に回転できるようになっている。また、テーブル３もＣアーム２１と連動しながら、矢印方向の前後、左右、上下の３方向に移動することができる。

これらのテーブル３及びＣアーム２１は接続された機構制御部７により制御され、被検者Ｓの任意の方向、任意の位置の画像を得ることができる。このようにして得られた時系列画像は、画像保存部９に保存されたり、ネットワーク１２を介してプリンタ１３、診断ワークステーション１４、画像データベース１５に出力される。本実施例においては、このようにして撮影部位の情報取得をしながら、画像処理パラメータ、Ｘ線曝射制御パラメータを求め、これらのパラメータを用いて画像処理、Ｘ線曝射制御を行う。

図３は撮影部位遷移図を示しており、検査で撮影され得る複数の代表的な撮影部位の代表パターンを、その代表的な撮影部位の間で、撮影中に撮影方向、位置が変わって遷移し得る経路で接続している。なお、撮影部位の代表パターンを部位パターン、遷移し得る経路を部位パスと呼ぶ。そして、この撮影部位遷移図には図示は省略しているが、部位パターンには部位情報がリンクされており、動画撮影中に入力される時系列画像のそれぞれの画像に対応する部位情報の取得を行うことができる。

動画撮影中に入力される時系列画像の撮影部位は連続的に変化するものであり、また撮影部位遷移図の部位パターンは離散的なものであるから、時系列画像の撮影部位と全く一致する部位パターンを常に見付けられるとは限らない。そこで、動画撮影における時系列画像のそれぞれの画像の部位に相当するものとして、撮影した部位に最も近い２つの部位パターンと、これらの２つの部位パターンの間の部位パスにおける位置を総合して用い、これを動画撮影部位と呼ぶ。

図４は動画撮影部位の計算した類似度を数値で示した説明図である。撮影した部位に最も近い２つの部位パターンについては、先ず撮影画像に最も類似している部位パターンを図３に示す撮影部位遷移図内から求め、これを最近傍部位パターンとする。最も類似しているものを見い出すためには、撮影部位遷移図内の全部位パターンとの類似度を計算し、最も大きい類似度の大きい部位パターンを最も類似しているものとする。この類似度計算に用いる方法としてテンプレートマッチング法、特徴マッチング法、部分空間法等の方法を用いる。撮影部位遷移図における部位パターンの具体的なデータとしては、テンプレートマッチング法の場合は平均画像、特徴マッチング法の場合は特徴ベクトル、部分空間法の場合は部分空間を用いるようにする。

最近傍部位パターンを求めると、この最近傍部位と部位パスで接続している部位パターンの中で最も類似している部位パターンを求め、これを次近傍部位パターンとする。この最近傍部位パターンと次近傍部位パターンを撮影した部位に最も近い２つの部位パターンとする。このようにして撮影した部位に最も近い２つの部位パターンを決定すると、この２つの部位パターンの間の部位パスにおける撮影部位位置を決定する。

図５に示すように、撮影部位位置の決定には類似度を用い、類似度が大きいほど近い位置にあるということで類似度を重みにして決めるようにする。例えば、部位パターンＡの類似度をｐ、部位パターンＢの類似度をｑ、部位パターンＡと部位パターンＢの間の距離（部位パスの距離）を１とすれば、部位パターンＡからｑ／（ｐ＋ｑ）の位置を撮影部位位置とする。このようにして、撮影した部位に最も近い２つの部位パターンと撮影部位位置、即ち動画撮影部位を求めることができる。

次に、この動画撮影部位から画像構成情報、画像処理情報、Ｘ線曝射制御情報を取り出す。画像構成情報とは画像が大きく分けて、幾つの、何れの領域で構成されている構造の情報である。画像処理情報とは、何れの画像処理、例えば階調処理、高周波足し込み処理等を行う情報である。例えば、階調処理ではどの領域にコントラスト何％といった情報、高周波足し込み処理ではどの領域に高周波を足し込むかのような画像処理するための情報である。Ｘ線曝射制御情報とは、どのようにＸ線曝射制御、例えばどの領域の平均画素値が何れの値で一定になるようにするか等のＸ線曝射制御するための情報である。

動画撮影部位には２つの部位パターンがあり、それぞれの部位パターンについて処理情報がリンクされている。この２つの部位パターンにおける２つの処理情報から１つの処理情報を導出する。最も簡単な方法は、図６に示すように最近傍部位パターンにリンクされている処理情報を、そのまま動画撮影部位の処理情報とする方法である。

図７は撮影部位位置を活かした方法を示しており、最近傍部位の処理情報と次近傍部位の処理情報から、撮影部位位置との距離の逆数を重みにして処理情報を作り出すものである。例えば、階調処理において最近傍部位処理情報では、頭蓋骨部のコントラストを７０％、頚椎部を３０％、素抜け部を０％に振り分けるようになっている。次近傍部位処理情報では、頭蓋骨部のコントラストを２０％、頚椎部を４０％、肺野部を４０％、素抜け部を０％に振り分けるようになっている。

そして、撮影位置との距離は最近傍部位が０．４、次近傍部位は０．６となっているため、最近傍部位に重み０．６、次近傍部位に重み０．４を付けてコントラストの振り分けを設定する。これにより、頭蓋骨部は５０％、頚椎部は３４％、肺野部は１６％、素抜け部は０％となる。

またＸ線曝射制御に関しては、最近傍部位処理情報では頭蓋骨領域の平均画素値を一定にする制御を行い、次近傍部位処理情報では頚椎領域の平均画素値を一定にする制御を行うようになっている。従って、上述のように重みを付けて頭蓋骨領域の平均画素値に０．６、頚椎領域の平均画素値に０．４を加算した値が一定になるようにＸ線曝射を制御する。なお、領域数や高周波足し込み領域のような重み付け平均をとれないような情報に関しては、双方の処理情報を包含する情報を用いる。

このようにして、撮影部位遷移図から動画撮影部位位置を求めて部位情報決定を行うことができる。これにより、離散的な部位情報間に位置する撮影すべき部位の画像処理情報の演算を行い、演算した画像処理情報の撮影部位情報を基に画像処理、Ｘ線曝射制御を行う。

撮影部位遷移図の作成では、動画撮影における代表的な撮影部位パターンの選択が重要である。１つには、図３に示すように静止画撮影で用いられる撮影部位パターンをそのまま用いる方法がある。また別の方法としては、処理情報が１つでも変化する位置、例えば領域が増減する位置、Ｘ線曝射制御に用いたい領域の切換わる位置が中間点になるように、撮影位置、方向を設定して撮影される部位を用いる方法がある。

また、Ｘ線動画像撮影においては、撮影する範囲が検査によって異なるので、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、検査毎に撮影部位遷移図を作成することが効率的である。図８（ａ）は全身撮影、（ｂ）は頭部撮影、（ｃ）は胸腹部撮影、（ｄ）は下半身撮影の遷移図である。

更に、撮影部位遷移図と共に図９に示すような撮影遷移テーブルを用いると、より効率的に精度良く行うことができる。この撮影遷移テーブルは動画撮影を行う検査において、部位パターンが遷移してゆく典型的な順番をテーブルにしたものである。このような撮影遷移テーブルを撮影部位遷移図と共に、検査毎に作成し保存しておく。

動画撮影を行う際には、これから何れの検査を行うのかを指定し、指定された検査に対応する撮影部位遷移図と撮影遷移テーブルを読み出す。動画撮影を開始すると最初の画像が入力されるが、この最初の画像の最近傍部位の推定に撮影遷移テーブルを利用し、撮影遷移テーブルから検査の最初の部位パターンを取り出す。

この部位パターンを撮影部位遷移図から取り出し、撮影画像との類似度を計算し、類似度が予め決められた閾値以上であれば、この部位を最近傍部位パターンとする。また、閾値を越えていない場合には、撮影部位遷移図内の全パターンとの類似度を計算し、最も大きい部位を最近傍部位パターンとする。

次近傍部位パターンについては、上述と同様に周辺の部位との類似度を計算することによって行う。次画像以降もこれを繰り返すが、撮影遷移テーブルの部位パターンの類似度が閾値を越えていないときには、実際の類似度から求めた部位パターンから、撮影遷移テーブルにおける現在の位置を更新してゆく。

このような撮影遷移テーブルを用いた方法を用いることにより、検査に典型的な撮影方法で撮影されれば、撮影遷移テーブル上の部位パターンの類似度が閾値を越えるので、撮影部位遷移図内の全パターンとの類似度を計算せずに済む。そのため、効率良く最近傍部位パターンを求めることができる。

動画像撮影システムにおいて、動画撮影を行う際には、入力される画像毎に撮影部位遷移図における動画撮影部位が求められるが、この画像毎の動画撮影部位を保存しておく。この保存した画像毎の動画撮影部位を、検査毎に集めて学習処理することによって、動画撮影部位の推定を高精度化することができる。

また、動画撮影中に静止画撮影をすることがあるが、この際には現在の最近傍部位に対応する静止画解析処理を行って、静止画診断画像処理パラメータを求め、これを用いて静止画診断画像処理を行う。

Ｘ線動画像撮影システムの構成図である。 保持機構の構成図である。 撮影部位遷移図である。 動画撮影部位の類似度の説明図である。 撮影部位の類似計算の説明図である。 処理情報の説明図である。 処理情報の説明図である。 撮影部位ごとの撮影部位遷移図である。 撮影遷移テーブルと撮影部位遷移図である。 胸部静止画像の正面図である。 胸部静止画像のヒストグラムのグラフ図である。

符号の説明

１ Ｘ線源
２ Ｘ線検出器
３ テーブル
４ Ｘ線発生装置制御部
５ Ｘ線撮影システム制御部
６ 画像入力部
７ 機構制御部
８ 画像処理部
９ 画像保存部
１０ 診断モニタ
１１ 操作部
１２ ネットワーク
１３ プリンタ
１４ 診断ワークステーション
１５ 画像データベース
２１ Ｃアーム

Claims (6)

1. 離散的な複数の部位パターンの画像と部位情報とが関連付いた撮影部位遷移図を用いて、動画撮影の撮影画像と前記離散的な複数の部位パターンの画像との比較により、前記動画撮影の部位情報を決定する部位情報決定手段と、
   前記動画撮影の部位情報から画像構成と画像処理方法の情報とＸ線曝射方法との少なくとも一つの情報を取り出す情報取得手段と、
   前記情報取得手段による情報を用いて、動画撮影の部位の処理情報の演算を行う演算手段と、を備えたことを特徴とするＸ線動画撮影システム。
2. 前記撮影部位遷移図の部位情報は平均画像又は特徴ベクトル又は部分空間であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線動画撮影システム。
3. 前記部位情報決定手段は、前記動画撮影の撮影画像と前記離散的な複数の部位パターンの画像との類似度の比較により、前記動画撮影の部位情報を決定する請求項１もしくは２のいずいれか１項に記載のＸ線動画撮影システム。
4. 前記部位情報決定手段は動画撮影を行うときに入力してくる画像ごとに、前記撮影部位遷移図から求めた前記動画撮影の部位情報を保存し、該保存した画像ごとの前記動画撮影の部位情報を検査ごとに集めて学習処理することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線動画撮影システム。
5. 前記演算手段によって演算した前記処理情報に基づいて画像処理を行う画像処理手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線動画撮影システム。
6. 前記演算手段によって演算した前記処理情報に基づいてＸ線曝射を行うＸ線曝射制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線動画撮影システム。