WO2018131252A1 - 画像処理装置、画像処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a technique for reconstructing a three-dimensional image of an object from a plurality of transmission images.
- CT Computer Tomography
- simply CT is known as a method for obtaining a three-dimensional image or a tomographic image inside an object.
- X-ray CT using X-rays has been put into practical use in medical inspection apparatuses, industrial inspection apparatuses, and the like.
- X-ray CT In X-ray CT, an object is placed between a light source (X-ray source) and a detector arranged opposite to each other, and a plurality of transmission images (also called projection data) are taken by the detector while changing the X-ray projection direction. . Then, based on a plurality of transmission images having different projection directions, the inverse problem is solved by computer processing to reconstruct a three-dimensional image inside the object.
- a so-called Stop & Go method in which transmission image capturing and projection direction change (relative movement of an object and a detector) are alternately repeated, has been mainstream.
- a continuous imaging system an apparatus that employs a system that continuously captures a transmission image in each projection direction while relatively moving an object and a detector.
- motion blur occurs in the transmission image and the quality of the reconstruction result is lowered.
- Patent Document 1 discloses, in advance, all angles ⁇ and rotation speeds V at which imaging is performed in a CT apparatus that performs imaging while rotating a detector around an object.
- a method for reducing the effect of motion blur by measuring the MTF characteristics and filtering the transmitted image using the blur mask filter f (V, ⁇ ) created based on these MTF characteristics has been proposed. Yes.
- FIG. 15A shows a state where the imaging system including the light source 150 and the detector 151 rotates while rotating around the object 152 in the clockwise direction, where t0 is the exposure start time and t1 is the exposure end time.
- t0 the exposure start time
- t1 the exposure end time.
- all the points P0 to P4 in the object 152 are projected onto the projection point Q2 on the detector 151.
- the projection position changes.
- point P0 is point Q0
- point P1 is point Q1
- point P2 is point Q2
- point P3 is point Q3.
- the point P4 is projected onto the point Q4.
- Such a change in the projection position during exposure is a cause of motion blur in transmission image photography.
- the hatching in FIG. 15B indicates the projection range (change range of the projection position) of each of the points P0 to P4. Since the projection position does not change at the point P2 existing at the rotation center of the imaging system, no motion blur occurs. On the other hand, motion blur occurs at points P0, P1, P3, and P4 that exist outside the rotation center due to the change in the projection position on the detector 151.
- the size of the motion blur increases as the distance from the point P2 (rotation center) increases, and the direction of the motion blur is reversed between the points P0 and P1 on the light source side and the points P3 and P4 on the detector side from the point P2. become. For this reason, the size and direction of the motion blur change depending on the position in the object 152 (this is called “motion blur spatial dependence”), and one transmission image has various sizes. It can be seen that a motion blur component of height and direction can be included.
- Patent Document 1 does not consider the spatial dependence of motion blur at all, and simply transmits the correction filter f (V, ⁇ ) determined by only the rotation speed V and the angle ⁇ of the imaging system to the transmission image. It is only applied uniformly. In this method, even if motion blur related to a certain position (for example, point P1) can be corrected, it cannot be sufficiently corrected for motion blur related to other positions (for example, points P0, P3, P4, etc.) or vice versa. The image quality may be degraded.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a technique for appropriately correcting motion blur depending on the position of an object and generating a high-quality reconstructed image from a plurality of transmission images. Objective.
- an image processing apparatus images an electromagnetic wave transmitted through an object a plurality of times by the detector while relatively moving an imaging system comprising a light source and a detector and the object.
- a transmission image obtaining unit that obtains data of a plurality of transmission images obtained by doing, a reconstruction processing unit that performs a reconstruction process for generating a reconstruction image inside the object from the plurality of transmission images, And the reconstruction processing unit performs motion caused by relative movement between the imaging system and the object when performing an operation of back projecting pixels on the transmission image onto cells on the reconstruction image.
- a filtering unit that applies a filter for correcting blur to the transmission image, and the filtering unit back-projects pixels on the first transmission image onto a first cell on the reconstructed image; And the first case In the case of backprojection second cell in a different coordinate and the pixel on the over-the image of the first cell, an image processing apparatus which comprises using a different filter.
- the filter used for motion blur correction can be appropriately changed depending on which coordinate cell on the reconstructed image the pixel on the transmission image is back projected. Therefore, it is possible to perform blur correction that takes into account the spatial dependence of motion blur (difference in the size and direction of motion blur for each cell of the reconstructed image, that is, for each position in the object). As a result, the reconstructed image Can improve the quality.
- the filtering unit back-projects the pixels on the first transmission image onto the first cell, and the pixel on the second transmission image different from the first transmission image on the first cell.
- Different filters may be used for back projection. According to this configuration, when the first transmission image is captured and when the second transmission image is captured, the imaging conditions (relative positional relationship between the imaging system and the object and conditions regarding relative movement) are different. However, an appropriate filter corresponding to each transmission image can be applied.
- the plurality of transmission images are captured with different imaging conditions, which are conditions related to relative positional relationship and relative movement between the imaging system and the object, and the filtering unit
- the filter to be used may be switched according to the combination of the imaging condition of the transmission image and the coordinates of the backprojection destination cell.
- the storage unit stores a plurality of filters associated with a combination of imaging conditions and cell coordinates, and the filtering unit is configured to perform the transmission based on the imaging conditions of a transmission image and the coordinates of a back-projection destination cell.
- a filter to be applied to the transmission image may be acquired from the storage unit. According to this configuration, it is not necessary to calculate the filter every time during the reconstruction process, and thus the speed of the reconstruction process can be increased.
- the reconstruction process may be a process using a filtered back projection method.
- the reconstruction processing using the filtered back projection method has an advantage that a relatively high quality reconstruction result can be calculated at high speed.
- the present invention can be preferably applied to a reconstruction algorithm other than the filtered back projection method as long as the algorithm requires back projection.
- the present invention can be understood as an image processing apparatus having at least a part of the above-described configuration or function.
- the present invention can also be understood as a CT apparatus including an image processing apparatus, an inspection apparatus using a reconstructed three-dimensional image, and a diagnostic apparatus.
- the present invention also includes an image processing method, a CT apparatus control method, an inspection method, a diagnostic method, a program for causing a computer to execute these methods, or such a program, including at least a part of the above processing.
- a high-quality reconstructed image can be generated at high speed from a plurality of transmission images.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a hardware configuration of a CT system according to an embodiment of the present invention.
- 2A to 2D are diagrams showing an example of a moving method of the light source, the object, and the detector.
- FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the image processing apparatus.
- 4A is a diagram showing the basic principle of imaging
- FIG. 4B is a diagram showing reconstruction processing.
- FIG. 5 is a diagram showing reconstruction processing by a simple back projection method.
- FIG. 6 is a diagram illustrating a model used in the process of generating the motion blur correction filter.
- FIG. 7 is a flowchart of a process for generating a motion blur correction filter.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an example of imaging conditions.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a hardware configuration of a CT system according to an embodiment of the present invention.
- 2A to 2D are diagrams showing an example of a moving method of the light source, the object, and the detector.
- FIG. 9 is an example of a data table of a motion blur and a motion blur correction filter.
- FIG. 10 is a flowchart of continuous imaging.
- FIG. 11 is a diagram showing a state of continuous imaging.
- FIG. 12 is a flowchart of the reconstruction process.
- FIG. 13 is a diagram illustrating operations for filtering and back projection for motion blur correction.
- 14A to 14G are diagrams showing results of effect verification by computer simulation.
- 15A and 15B are diagrams for explaining the problem of motion blur in continuous imaging.
- FIG. 1 schematically shows a hardware configuration of a CT system 1 according to an embodiment of the present invention.
- the CT system 1 is a system that acquires data of a three-dimensional image and a tomographic image inside the object 102 using CT (Computed Tomography) technology.
- CT Computer Planar Tomography
- the CT system 1 can be applied to, for example, a medical inspection apparatus that visualizes the inside of a human being or an animal and is used for diagnosis or inspection, an industrial inspection apparatus that non-destructively inspects the internal structure of an industrial product, and the like.
- the CT system 1 generally includes an imaging device 10, a control device 11, and an image processing device 12.
- the imaging device 10 is a device that captures a transmission image of the object 102.
- the control device 11 is a device that controls the operation of each unit of the imaging device 10.
- the image processing apparatus 12 is an apparatus that performs image processing and arithmetic processing on transmission image data (also referred to as projection data) acquired by the imaging apparatus 10.
- the imaging device 10, the control device 11, and the image processing device 12 may be configured as an integrated device, or may be configured as separate devices.
- the imaging device 10 has an imaging system composed of a light source 100 and a detector 101 that are arranged to face each other. By projecting an electromagnetic wave 103 from the light source 100 onto the object 102 and imaging the electromagnetic wave 103 transmitted through the object 102 with the detector 101, a transmission image of the object 102 is obtained.
- a cone beam X-ray source is used as the light source 100
- a two-dimensional X-ray detector composed of a scintillator and a two-dimensional CMOS sensor is used as the detector 101. It is recommended to adopt a configuration that obtains
- the light source 100 a fan beam type or parallel beam type light source may be used.
- electromagnetic waves for example, gamma rays, visible light, etc.
- the imaging apparatus 10 changes the relative positional relationship (projection direction of electromagnetic waves on the object 102) and relative movement (movement speed and movement direction) between the imaging system (light source 100 and detector 101) and the object 102. It has a movement mechanism (not shown).
- a movement mechanism (not shown).
- the configuration of the moving mechanism for example, a type in which the light source 100 and the detector 101 rotate around the fixed object 102 as shown in FIG. 2A, and the light source 100 and the detector 101 are fixed as shown in FIG. 2B.
- the type in which the object 102 rotates on the spot the type in which the light source 100 and the detector 101 rotate in a plane perpendicular to the axis passing through the object 102 as shown in FIG. 2C, and the object 102 in FIG.
- There are various methods such as a fixed type in which the light source 100 and the detection unit 101 move in parallel and in opposite directions.
- the control device 11 is a device that performs overall control of the CT system 1 such as projection / stop of the light source 100, imaging by the detector 101, and change of the projection direction (drive of the moving mechanism).
- the image processing device 12 is a device that performs image processing and arithmetic processing on transmission image data acquired by the imaging device 10. For example, reconstruction processing for generating a reconstructed image (also referred to as three-dimensional image or volume data) of the object 102 from a plurality of transmission image data having different projection directions, processing for generating an arbitrary tomographic image from the reconstructed image, Various processes can be implemented in the image processing apparatus 12 according to the purpose and application, such as a process of extracting feature amounts and performing inspection / diagnosis using reconstructed image and tomographic image data.
- the image processing apparatus 12 can be configured by a computer including a processor (CPU), a memory, a storage device (such as a hard disk drive), an input device (such as a mouse, a keyboard, and a touch panel), an output device (such as a display device), and the like. .
- the functions of the image processing device 12 to be described later are realized by the processor executing a program stored in the storage device.
- some or all of the functions of the image processing apparatus 12 may be configured by ASIC, FPGA, or the like.
- some or all of the functions of the image processing apparatus 12 may be executed by another computer, a server on a network, or the like.
- FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the image processing apparatus 12.
- the image processing apparatus 12 includes a transmission image acquisition unit 30, a reconstruction processing unit 31, a parameter storage unit 32, and a filter generation unit 33.
- the reconstruction processing unit 31 includes a filtering unit 34.
- the transmission image acquisition unit 30 has a function of acquiring data of a plurality of transmission images having different projection directions (that is, original data used for reconstruction).
- the transmission image acquisition unit 30 may directly acquire transmission image data from the imaging device 10 or may read transmission image data captured in the past from a storage device or an external data storage.
- the reconstruction processing unit 31 has a function of performing reconstruction processing for generating a reconstructed image inside the object 102 from a plurality of transmission images.
- the reconstruction processing algorithm includes simple back projection, filtered back projection (Filtered Back Projection) method, successive approximation (SIRT (Simultaneous Reconstruction Technique) method, ART (Algebraic Reconstruction Technique) method), search method (gradient method) (Gradient Method), conjugate gradient method, steepest descent method)), etc., and any algorithm may be used.
- a filtered back projection method having an advantage that a relatively high-quality reconstruction result can be calculated at high speed is used.
- the parameter storage unit 32 has a function of storing various parameters (setting values, definition data, tables, filters, etc.) used in the reconstruction process.
- the filter generation unit 33 has a function of generating a filter for motion blur correction.
- the filtering unit 34 has a function of applying a motion blur correction filter to the transmission image.
- FIG. 4A shows an example in which a one-dimensional transmission image is taken twice using a parallel beam and detectors 101 of three pixels L0 to L1.
- a two-dimensional transmission image is taken using a cone beam, and the number (number of projections) of the image is several tens to several hundreds, and the number of pixels of the transmission image is several tens of thousands to several millions.
- the general principle is the same as that of FIG. 4A.
- the numerical value shown inside the object 102 represents the X-ray attenuation coefficient distribution
- the broken-line arrow represents the transmission path (projection line) of the X-ray 103.
- the X-ray attenuation coefficient distribution inside the object 102 is not uniform, a difference occurs in the attenuation factor of the X-ray 103 depending on the transmission path (the negative sign of the natural logarithm of the attenuation factor of the X-ray 103). (This corresponds to the integral value of the X-ray attenuation coefficient on the transmission path.)
- the value of the transmission image 40 is obtained by dividing the observed value of the object 102 by the observed value when the object 102 does not exist, and taking the natural logarithm of that value and taking the negative sign.
- the light source 100 and the detector 101 are moved, the projection direction is changed by 90 degrees clockwise, the X-ray 103 is projected from the light source 100, and the second transmission image 41 is photographed. Since the transmission path of the X-ray 103 is different between the first transmission image 40 and the second transmission image 41, it can be seen that different values are observed.
- the reconstruction process corresponds to a process of estimating the X-ray attenuation coefficient distribution 42 inside the object 102 based on the plurality of transmission images 40 and 41.
- Fig. 5 schematically shows reconstruction processing by the simple back projection method.
- a data area of the reconstructed image 50 corresponding to one section of the object 102 is secured on the memory, and each cell is initialized with zero.
- the transmission image 40 is back-projected on the reconstructed image 50.
- Backprojection is an operation of projecting a point on the transmission image 40 onto a point on the reconstructed image 50.
- the pixel value on the transmission image 40 is written into a corresponding cell on the reconstructed image 50 (addition). Process).
- Corresponding cells are pixels that exist on the X-ray transmission path. In the example of FIG. 5, three corresponding cells exist for each pixel of the transmission image 40. The same value is written (added) to the three corresponding cells.
- the transmission image 41 is also back-projected onto the reconstructed image 50 in the same manner.
- the reconstructed image 50 can be obtained by performing this process on all the transmission images and cumulatively adding back projections of all the transmission images.
- the back projection is cumulatively added and then divided by the number of projections (here, twice).
- the above is the outline of the reconstruction processing by the simple back projection method.
- the filter-corrected backprojection method used in this embodiment is characterized in that a high-pass filter is applied to the transmission image and then backprojected, and other operations are basically the same as the simple backprojection method.
- the imaging apparatus 10 uses a system (continuous imaging system) that continuously captures transmission images in each projection direction while relatively moving the imaging system and the object 102.
- a system continuous imaging system
- the continuous imaging method can improve the throughput as compared with the so-called Stop & Go method in which the imaging system and the object 102 are stopped from moving relative to each other.
- the projection position changes during the exposure, and blurring called motion blur occurs.
- one transmitted image includes blur components of various sizes and directions.
- the motion blur correction filter is applied to the transmission image, and the pixel value after the filter is calculated. Backproject to cell.
- the blur correction considering the spatial dependence of the motion blur is realized by switching the filter applied to the transmission image according to the coordinates of the back-projection destination cell. Details of the filter generation process and the reconstruction process of this embodiment will be described below.
- (Filter generation processing) 6 and 7 show a process for generating a motion blur correction filter.
- a model is assumed in which a reconstructed image of 3 ⁇ 3 cells is generated using an imaging system including a parallel beam light source 100 and a 1 ⁇ 3 pixel one-dimensional detector 101.
- a two-dimensional transmission image is taken using a cone beam, and the size of the transmission image and the reconstructed image is tens of thousands of pixels or more, but the basic idea is the same as the method described below.
- reference numeral 60 virtually indicates the position of each cell of the reconstructed image.
- the imaging condition is a condition that defines a relative positional relationship and a relative movement between an imaging system (light source 100 and detector 101) and an object when a transmission image is captured.
- the conditions related to the relative positional relationship include, for example, the rotation angle of the imaging system at the start of exposure and at the end of exposure (at the time of data acquisition).
- a rotational speed (angular speed), a rotational direction (clockwise or counterclockwise), etc. are set.
- FIG. 8 is a setting example of imaging conditions when imaging is performed eight times (referred to as projection # 0 to projection # 7) during 2 ⁇ [rad] while the imaging system is rotated clockwise at a constant angular velocity v. is there.
- the motion blur acquisition process is performed.
- the size and direction of the motion blur depend not only on the imaging conditions (relative positional relationship and relative movement between the imaging system and the object) but also on the position in the object. Therefore, in this embodiment, for each imaging condition, a motion blur is acquired individually for each position in the object (that is, for each cell of the reconstructed image 60 shown in FIG. 6).
- the filter generation unit 33 selects an imaging condition (for example, projection # 0) to be processed (step S71), and selects a cell of interest (for example, (0, 0)) (step S72). ). And the filter production
- an image observed by the detector 101 when a point target is installed in the target cell that is, a point spread function (PSF) is used as a motion blur.
- PSF point spread function
- the motion blur may be obtained by actually measuring a point target placed at the position of the target cell in the imaging system, or based on the relative positional relationship between the imaging system and the target cell and the relative movement conditions. It may be calculated geometrically. Thereby, the motion blur PSF000 corresponding to the combination of the projection # 0 and the target cell (0, 0) can be acquired.
- the first number of the subscript “000” indicates the imaging condition number, and the second and third numbers indicate the x-coordinate and y-coordinate of the cell.
- the filter generation unit 33 generates a motion blur correction filter using the motion blur acquired in step S73 (step S74).
- the motion blur correction filter any filter may be used as long as it is an image restoration filter having an effect of reducing blur.
- Wiener Filter, Rucy-Richardson method and the like can be preferably used.
- the filter generation unit 33 Fourier transforms the motion blur PSF acquired in step S73 to obtain an MTF (Modulation Transfer Function).
- FT ⁇ in the following formula indicates Fourier transform.
- MTF FT ⁇ PSF ⁇
- the Wiener Filter h in the spatial domain is obtained by performing an inverse Fourier transform on the filter H in the frequency space.
- IFT ⁇ indicates an inverse Fourier transform.
- h IFT ⁇ H ⁇
- the motion blur correction filter h000 corresponding to the combination of the projection # 0 and the target cell (0, 0) can be obtained.
- steps S72 to S74 are performed for all cells (0, 0), (1, 0), (2, 0), (0, 1), (1, 1), (2, 1), (0, 2), (1,2), and (2,2) (Step S75), motion blur PSF000, PSF010, PSF020, PSF001 corresponding to each cell when imaged under the imaging condition of projection # 0 PSF011, PSF021, PSF002, PSF012, and PSF022 and filters h000, h010, h020, h001, h011, h021, h002, h012, and h022 can be acquired.
- steps S71 to S75 are executed for all the imaging conditions (projection # 0 to projection # 7) (step S76)
- the filter generation process ends.
- FIG. 9 shows an example of the acquired motion blur data table and a motion blur correction filter data table generated therefrom.
- the data table of the motion blur correction filter is stored in the parameter storage unit 32 of the image processing apparatus 12 and is used in the reconstruction process described later.
- a motion blur correction filter is individually prepared for all combinations of imaging conditions and cells.
- a filter is commonly used for a plurality of cells having the same or similar motion blur size and direction. May be. Thereby, it is possible to increase the speed of the filter generation process and reduce the storage capacity of the parameter storage unit 32.
- Imaging 10 and 11 show a procedure for continuous imaging in the imaging apparatus 10.
- step S100 preset imaging conditions are read into the control device 11.
- the control device 11 controls the movement, exposure, and imaging of the imaging device 10 according to the imaging conditions, so that the transmission images I0 to I7 are continuously captured while rotating the imaging system as shown in FIG. (Step S101).
- Data of the transmission images I0 to I7 acquired by the imaging device 10 is sent to the image processing device 12.
- FIG. 12 shows the procedure of reconstruction processing in the image processing apparatus 12.
- the reconstruction process of the present embodiment is characterized in that the motion blur correction filter applied to the transmission image is switched according to the combination of the imaging condition of the transmission image and the coordinates of the back-projection destination cell.
- step S120 the transmission image acquisition unit 30 acquires data of the transmission images I0 to I7 from the imaging device 10. These data are stored in a memory or a storage device, and are used in subsequent reconstruction processing.
- step S121 the reconstruction processing unit 31 secures the data area of the reconstructed image 60 on the memory and initializes each cell with zero.
- the reconstruction processing unit 31 selects a transmission image (for example, transmission image I0) to be processed (step S122), and also a target cell (for example, (0, 0, 0) of the reconstruction image 60 that is the backprojection destination. 0)) is selected (step S123).
- the filtering unit 34 acquires the motion blur correction filter (h000) corresponding to the combination of the imaging condition (projection # 0) of the transmission image (I0) and the cell of interest (0, 0) from the parameter storage unit 32 (
- the motion blur correction filter (h000) is applied to the transmission image (I0) (step S125). Thereby, the motion blur of the image of the object existing in the target cell (0, 0) is reduced.
- the reconstruction processing unit 31 applies a high-pass filter to the transmission image (I0) after motion blur correction, performs necessary normalization (division by the number of projections), and then transmits the pixel of the transmission image (I0). Is added to the target cell (0, 0) of the reconstructed image 60 (step S126).
- the above is the back projection operation for the target cell (0, 0) of the transmission image (I0) obtained under the imaging condition (projection # 0).
- steps S123 to S126 The processing in steps S123 to S126 is performed for all cells (0, 0), (1, 0), (2, 0), (0, 1), (1, 1), (2, 1), (0, 2), (1,2) and (2,2) are executed (step S127), the back projection of the transmission image I0 imaged under the imaging condition of projection # 0 is completed. Further, the processing of steps S122 to S127 is sequentially executed for the transmission images I0 to I7 (step S128), and a reconstructed image can be obtained by cumulatively adding back projections of all the transmission images I0 to I7.
- FIG. 13 schematically shows filtering and back projection operations for motion blur correction.
- h HPF is a high-pass filter
- an operation symbol in which “x” is drawn in a circle indicates a convolution operation
- J applies a motion blur correction filter h and a high-pass filter h HPF to the transmission image I
- the result of normalization (division by the number of projections of 8) is shown.
- the first number of the three-digit subscripts attached to J and h indicates the imaging condition number, and the second and third numbers indicate the x and y coordinates of the cell.
- the motion blur correction filter to be applied is switched according to the combination of the imaging condition of the transmission image and the coordinates of the backprojection destination cell.
- blur correction considering the spatial dependence of motion blur can be realized, and the quality of the final reconstruction result can be improved.
- the amount of calculation may be reduced by limiting the range in which the motion blur correction filter and the high-pass filter are calculated to a part of the transmission image (only the range necessary for back projection). Further, the amount of calculation can be reduced by calculating the motion blur correction filter and the high-pass filter only for some of the cells selected discretely and obtaining values for other cells by interpolation. For example, if the filter operation of J000 and J020 is performed and the value of J010 is obtained by linear interpolation of the value of J000 and the value of J020, the number of filter operations can be reduced to 2/3.
- the filter used for motion blur correction is appropriately changed according to the coordinates of the back projection destination cell (that is, the position in the object). Therefore, it is possible to perform blur correction that takes into account the spatial dependence of motion blur (difference in the size and direction of motion blur for each cell of the reconstructed image, that is, for each position in the object). As a result, the reconstructed image Can improve the quality. Even when the imaging conditions for the transmission image (relative positional relationship between the imaging system and the object, the speed and direction of relative movement, etc.) are different, an appropriate filter according to each imaging condition can be applied. Further, in this embodiment, since the motion blur correction filter is calculated in advance and stored in the parameter storage unit 32, it is not necessary to calculate the filter every time during the reconstruction process, and the speed of the reconstruction process can be increased. Can be planned.
- FIG. 14A is a model of the target object.
- a spherical model 140 having a cavity 141 inside is used.
- X-ray transmission images in 32 directions are generated by simulation for this model 140, these 32 transmission images are CT reconstructed, and the reconstructed image (three-dimensional image) is sliced at the center of the sphere.
- FIG. 14B shows a reconstruction result using a transmission image by the Stop & Go method (still image pickup method), that is, a transmission image without motion blur.
- 14C and 14D are reconstructed results using a transmission image by a continuous imaging method, that is, a transmission image including motion blur, and FIG.
- FIG. 14C is an example in which back projection is performed without performing motion blur correction
- FIG. It is an example in which the motion blur correction of this embodiment is performed.
- 14E to 14G are profiles of broken line positions in FIGS. 14B to 14D, respectively, the horizontal axis represents the x coordinate of the image, and the vertical axis represents the normalized line attenuation coefficient.
- PSNR peak signal-to-noise ratio
- PSNR 20 ⁇ log 10 (MAXI / ⁇ MSE) [dB]
- MAXI maximum value of reconstruction result of still imaging
- MSE ( ⁇ (reconstruction result of still imaging ⁇ reconstruction result of continuous imaging) 2 ) / number of pixels
- the filtered back projection method is used in the above embodiment, but another reconstruction algorithm may be used. If the algorithm includes an operation of back projection from a transmission image to a reconstructed image, a high-quality reconstruction result with less blur can be obtained by applying the motion blur correction of the present invention.
- CT system 10: imaging device, 11: control device, 12: image processing device 30: transmission image acquisition unit, 31: reconstruction processing unit, 32: parameter storage unit, 33: filter generation unit, 34: filtering unit 40, 41: Transmission image, 50, 60: Reconstructed image 100, 150: Light source, 101, 151: Detector, 102, 152: Object, 103: Electromagnetic wave 140: Model, 141: Cavity
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Abstract
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。
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。
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で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。
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。
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。
(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12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の構成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)を取得する機能を有する。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を有する。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)を記憶する機能を有する。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を有する。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を有する。
(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、対象物102の観測値を、対象物102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。
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。
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}
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。
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。
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減弱係数を示す。
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減弱係数を示す。
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ラム。
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