JP2000287956A

JP2000287956A - Ｘ線画像での輪郭検出方法

Info

Publication number: JP2000287956A
Application number: JP2000073045A
Authority: JP
Inventors: Rafael Wiemker; ヴィムカーラファエル; Sabine Dippel; ディッペルザビーネ; Thorsten Dr Buzug; ブツークトルシュテン; Martin Stahl; シュタールマルティーン; Thomas Blaffert; ブラフェルトトーマス
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2000-10-17
Also published as: EP1037166A1; US6373918B1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、Ｘ線画像での、例えば、シャッタ
ー又は移植物の輪郭を自動検出する方法を提供すること
を目的する。【解決手段】多くの閉じたパスはＸ線画像から誘導さ
れ、前記閉じたパスの一つがその閉じたパスに沿ったコ
ントラストに依存して、輪郭として選択される。その閉
じたパスは、輪郭画素候補が位置する一対の（真っ直ぐ
な）ライン候補から誘導される。輪郭画素候補はＸ線画
像の高域、又は勾配バージョンから誘導される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線画像での高い
Ｘ線吸収を示す構造体の輪郭を自動検出する方法に関
し、更に、かかる方法を実行させるＸ線装置にも関す
る。

【０００２】

【従来の技術】放射線医学の業務では、検出しなければ
ならない輪郭の高いＸ線吸収を示す多種の構造体が存在
し、Ｘ線画像の最適処理を可能にする。１検査区域でのＸ線ビームを患者に照射させるシャッ
ターの輪郭は制限されている。Ｘ線画像でのシャッター
輪郭の空間配向の各知識はさまざまな方法で利用され
る。ａ）モニター又は、いわゆるハードコピーユニットの
ダイナミックレンジは、コントラストが最適に再現され
るように（いわゆる、自動レンジ調整）、シャッター輪
郭により囲まれる画像セクションに自動的に適合され
る。ｂ）Ｘ線画像の出力の際に、シャッターにより覆われ
た領域はブラックで、又はカラーで再現される。仮にこ
の工程が採用されなくても、上記部分の画像は非常に明
るく、観察者をまぶしがらせる。ｃ）画像が回転し、斜め投影の場合、補正され、シャ
ッター輪郭は再現画像において、水平及び垂直に伸長す
る。更に、複数の画像は、モニター又はハードコピーで
利用可能である表面積が最適に利用されるように、相互
に隣接して配置される。ｄ）Ｘ線画像に適用される画像処理方法は、シャッタ
ー輪郭により画成されるセクションに制限される。この
ようにして、画像処理に必要とされる計算処理量は、著
しく削減される。２例えば、Ｘ線画像での人工ヒップの移植物の輪郭で
は、かかる移植物はＸ線ダイアフラム(diaphragm)より
小さく、骨のＸ線吸収よりも大きい吸収を示す。Ｘ線画
像でのかかる移植物の存在により、平均グレースケール
値（画像値）と、Ｘ線画像のグレースケールヒストグラ
ムの他の統計的性質が変化する。結果として、Ｘ線画像
から誘導され画像において、Ｘ線画像を表示するための
ディスプレイユニットの自動設定は最適化されていない
ことは起こり得る。仮に、移植物が再現されるＸ線画像
の領域が表示装置のコントラスト設定に基づくヒストグ
ラム分析から除外されるなら、この点に関する改良は可
能であろう。

【０００３】既に、米国特許第５、６５１、０４２号で
は、Ｘ線画像でのシャッター輪郭の自動検出方法が開示
されており、輪郭ポイント候補（つまり、シャッターの
輪郭に位置するであろう画素）は、Ｘ線画像（又はその
Ｘ線画像から誘導される元画像）の画素と関連する画像
値の空間的変動から決定される。輪郭ポイント候補は、
勾配が最大を示すポイントとして、勾配画像（つまり、
高域通過画像）から誘導され、元画像から誘導される。
いわゆる、線形回帰を利用して、真っ直ぐなライン候補
はかかる輪郭ポイント候補から計算され、ラインは輪郭
ポイント候補がラインに存在する、又はラインのすぐ近
くに存在するように配置される。ライン候補はシャッタ
ー輪郭と一致する（その必要はない）。一般的に言え
ば、より多くのライン候補がシャッターの輪郭があるよ
うに出現する。上記ライン候補から、ライブラリーに保
存されたシャッター輪郭の１４原型の一つに最も相応し
く選択される（せいぜい４つ）。シャッター輪郭は平行
に又は互いに垂直に伸長し、シャッター輪郭により囲ま
れた領域は中央に位置することは、この方法にとっては
必要条件である。

【０００４】上記条件は、常に、放射線医学の業務を満
足させるものではない。Ｘ線が、互いに平行及び垂直に
伸長する対のシャッターにより制限されるときでさえ
も、斜め投影の場合、Ｘ線画像におけるシャッター輪郭
は、互いに平行又は垂直には、もはや伸長しない。Ｘ線
ビームが入射する一部分の検査範囲の一部は、鉛エプロ
ンなどでカバーされ、稀な場合のみ、その境界はＸ線画
像でのダイアフラム端と平行又は垂直に伸長する。Ｘ線
画像は、矩形とはもはや一致しない輪郭を含み易い。

【０００５】更に、Ｘ線画像を電気信号に変換させ、デ
ジタル化させるデジタルＸ線画像変換器は、相対的に大
きな寸法（例えば、４３ｃｍｘ４３ｃｍ）を有する。例
えば、手又は指は、かかるＸ線画像変換器により像が写
され、シャッターにより制限されるＸ線画像は、通常、
中央に位置しないが、端の近くに位置する。

【０００６】米国特許出願第０８/７１５２２５号に記
載されている方法では、シャッターエッジはできるだけ
平行に元画像の端へ伸長し、しかもそのシャッターエッ
ジは中央で元画像を囲むことも必要である。

【０００７】同じ制限は、米国特許第５、０８１、６８
０号で開示されている方法にも当てはまり、最大の勾配
を示し、中心からのさまざまな直線に位置するポイント
を決定する。３つ以上のかかるポイントが真っ直ぐなラ
インに存在するなら、骨格構造のある正常なＸ線画像で
はいつものことであるが、更なるポイントは分離ランキ
ング工程で除外されるにちがいない。残ったポイントは
シャッター輪郭と多くの真っ直ぐなラインに位置し、多
角形を形成するポイントであると考えられ、ハウ（Houg
h）変換によりかかるシャッター輪郭ポイントから誘導
される。上記ラインはシャッター輪郭を表わす。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたものであり、信頼できる形で実行され、一
定の輪郭形に制限されない高いＸ線吸収を示す構造体
の、輪郭の自動検出方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、Ｘ線画像
又はそれから誘導される画像での輪郭候補として働く多
くの閉じたパスを決定する段階と、閉じたパスに沿った
コントラストに依存して、閉じたパスの数から閉じたパ
スとして輪郭を選択する段階とからなる方法により達成
される。

【００１０】よって、本発明によれば、多くの閉じたパ
スは画像において誘導され、、前記閉じたパスの一つは
調査した輪郭を表わす。本発明によれば、閉じたパスの
個々のセグメントは解析されず、拒絶又は確認もされ
ず、一定の形を有するパスはいずれも選択されない。基
礎となる考察は、輪郭に沿って、内部の画像値と、その
画像値により決定される外部の画像値との間に、特に強
いコントラストが発生する。このようにして、発生した
最も強いコントラストに沿った閉じたパスは、輪郭とし
て選択される。

【００１１】請求項２には、シャッター輪郭を決定する
のに特に適した方法が記載されている。元画像から初期
に誘導された輪郭ポイント候補の中で、シャッター輪郭
に位置しない臨床的結果が数多く存在する。しかしなが
ら、請求項２で開示されたバージョンでは、まさにスタ
ートからの更なる処理から、かかる輪郭ポイント候補を
除外する試みは行われていなかった。むしろ、輪郭ポイ
ント候補が位置する場所でのライン候補、又はそのポイ
ント候補が位置するすぐ近くライン候補を決定する働き
がある。かかるライン候補は、少なくとも部分的に、シ
ャッター輪郭の一部を構成するが、その候補はＸ線画像
での解剖学的輪郭にも関連する。

【００１２】さらなる処理からかかるライン候補を除外
する試みは行われない。代わりに、閉じたパス（環状パ
ス）が形成される、つまり、多角形が形成され、スター
トはそのエンドと一致する。複数の閉じたパスはさまざ
まなライン候補のセグメントから構成される。上記閉じ
たパスの一つはシャッター輪郭を表わす。シャッター輪
郭としてこの一つのパスを選択することは、シャッター
輪郭に沿って、特に強いコントラストが内部の画像値
と、それによって形成される画像領域の外部との間で発
生するという考察に基づいている。

【００１３】閉じたパスは、原則的には、請求項２で開
示した以外の方法でも決定され、例えば、Ｘ線画像のＬ
ｏＧフィルタリング後のゼロ交差の空間的変動を決定す
ることにより行われる。しかしながら、請求項２記載の
バージョンは、輪郭エッジの個々のセグメントのみが強
いコントラストを示すときでさえも、シャッター輪郭を
信頼できる形で検出する。

【００１４】請求項３には、移植物の輪郭を決定するの
に相応しい方法が開示されている。この方法は、移植物
の輪郭検出に対して信頼できる形で機能する。なぜな
ら、通常、かかる輪郭は周辺全体に沿った周囲に対して
明確なコントラストを示すからである。閉じたパスの決
定には、このバージョンでは短時間の計算のみが必要で
ある。

【００１５】請求項４には、シャッター輪郭の検出に、
特に効果的なバージョンが開示されている。閉じたパス
に沿ったコントラストの和は、請求項５又は６記載の方
法で実行される。請求項５及び６に示す式は数学的には
同じであり、一方を他方へ変換させたものであることが
立証されている。

【００１６】実際には、閉じたパスを形成するライン候
補のセグメントの多くの組合わせが存在し、よってシャ
ッター輪郭候補を構成する。かかるシャッター輪郭候補
の数は、請求項７に従い、顕著に減少する。この点に関
して、シャッター輪郭により囲まれた領域は、常にシャ
ッターによりカバーされた領域での画像値よりも大きい
画像値を示すと仮定される。

【００１７】請求項８には、輪郭ポイント候補の決定の
好ましい可能性が記載されている。しかしながら、輪郭
ポイント候補は高域通過画像から誘導もされ、近隣と明
らかに識別できるポイントは、更に強調される。

【００１８】請求項９には、輪郭ポイント候補からライ
ン候補を決定する好ましい可能性が開示されている。そ
のライン候補はさまざまな方法でも決定され、例えば、
米国特許第５、６５１、０４２号に記載されている線形
回帰により決定される。しかしながら、ハウ変換には、
Ｘ線画像において実際上全くコントラストを示さないロ
ング領域（long region）により遮断されるときでさえ
も、シャッター輪郭がライン候補として認識されるとい
う利点がある。

【００１９】請求項１０に記載するバージョンは、本発
明によるシャッター輪郭の決定方法により、Ｘ線画像の
形成にシャッターが利用されないとき、若しくはかかる
シャッターが幅広く開放するとき、その輪郭はＸ線画像
において再現されなくても正しい結果をもたらすことを
確実にする。

【００２０】移植物の輪郭は、一方でそのコントラスト
が高く、他方でその輪郭の進路がより真っ直ぐである
（つまり滑らかで、「不規則」ではない）という点で、
Ｘ線画像での解剖学的構造体の輪郭とははっきりと異な
ることが分かった。この事実は請求項１１に記載された
方法に利用される。両選択基準（コントラスト及び直線
性）とも組合わせて利用されるが、二つの基準の一つの
みに基づいて移植物の輪郭を選択することも可能であ
る。請求項１２には、直線性の程度を決定するのに好ま
しい可能性が開示されている。

【００２１】請求項１３には、移植物輪郭の自動検出方
法の好適な適用が記載されている。

【００２２】請求項１４には、本発明による方法を実行
させるためのＸ線装置が記載されている。

【００２３】本発明は以下の図面を参照して、詳細に説
明される。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１に線図的に示されたＸ線検査
装置は、Ｘ線源１と、その源に取付けたマルチ‐リーフ
コリメータ２とを具備する。マルチ‐リーフコリメータ
は、図面平面に垂直に延在し、Ｘ線ビーム４を形成させ
るシャッターエッジを有する第一の対のシャッター３を
具備する。更に、マルチ‐リーフコリメータ２は、水平
であるが、図１の平面に平行にも延在する別の対のシャ
ッター（図示せず）をも具備する。放射線ビーム４は患
者５が配置された検査ゾーンを横行する。患者の一部分
は、例えば鉛ラバーエプロンのようなＸ線吸収材料で作
られた適当なカバー６により、Ｘ線ビーム４から保護さ
れている。

【００２５】患者の後ろには（Ｘ線源１から観察し
て）、Ｘ線画像を、Ｘ線画像を表わすデジタル化された
電気信号へ変換させるデジタルＸ線画像変換器が配設さ
れている。Ｘ線画像変換器の各画素は、被検査対象物５
によるＸ線の減衰が低下するときの大きい画像値と関連
する。Ｘ線変換器７により発生した電気信号が取得さ
れ、画像処理ユニット８により、更に処理される。この
ようにして得られた画像はモニター９に表示される、又
はハードコピーユニット（図示せず）により出力され
る。

【００２６】図２のフローチャートは、画像処理ユニッ
ト８で実行された処理工程を示し、シャッター輪郭を検
出する。

【００２７】初期設定後（ブロック１００）、元画像は
工程１０１で準備される。後述する準備はそれ自体必要
はないが、以下の画像変換器７により供給される元画像
を準備することが好ましい。個々の画素に供給されたデ
ータは対数処理され、その結果画像値は患者５の後ろの
Ｘ線強度に比例しないが、その強度の対数に比例する。
結果として、フィルム上の従来のＸ線画像の場合と同じ
画像印象が得られる。

【００２８】画像はサブサンプリング(sub-sampled)さ
れ、つまり、例えば２０００ｘ２０００画素の画像に代
わり、例えば５００ｘ５００画素の画像が処理される。
元画像のサブサンプリングの程度が低ければ、より多く
の計算処理が必要となるのに対して、そのサブサンプリ
ングの程度が高ければ、シャッター輪郭はもはや補正し
て求めることはないという危険が存在する。サブサンプ
リングは画像値を平滑化することにより行われる。

【００２９】工程１０２では、元画像（図３に示す）
が、その外部縁でのフレームで得られ、つまり、画素の
カラム（column）とロウ(row)がその外部縁に付加さ
れ、前記画素に画像値はシャッターの後ろの画像値と正
確に等しい。シャッター３（図１）が幅広く開放するの
でＸ線画像においてシャッターはもはや再現されないと
きでさえも、画像境界はこのようにして正確に決定され
る。

【００３０】工程１０３では、二つの画像が元画像から
誘導され（準備され）、前記二つの画像は元画像の勾配
のｘ成分とｙ成分に夫々対応する。二次元スカラ場の勾
配は（元画像はかかるスカラ場Ｉである）ベクトルであ
ることは周知である。

【００３１】 ∇Ｉ＝（∇_ｘＩ，∇_ｙＩ）（１）ベクトル成分∇_ｘＩと∇_ｙＩは、 ∇_ｘＩ＝ ∂Ｉ/∂ｘ， ∇_ｙＩ＝ ∂Ｉ/∂ｙ（２）であることは周知であり、つまりベクトル成分は夫々ｘ
及びｙ方向での量Ｉ（画像値）の空間的導関数を表わ
す。このようにして、画像の全画素に対して勾配を決定
する。勾配のｘ成分を計算するために、それから画像は
ｘ方向の一次元カーネルでコンボリュートされる。元画
像が工程１０１で適当にフィルターされていれば、カー
ネルは−１，０，+１成分からなり、各画素に対して、
右隣接画素の画像値と左隣接画素の画像値との間の差異
を割り当てることを意味する。更に、カーネルは大き
い。しかしながら、大きすぎると不正確さが発生し、更
に、計算処理の必要量は増加する。ｙ勾配も同様に計算
される。

【００３２】関連する画素の（おそらく、さらに空間的
に平均化された）画像値Ｉで、個々の画素に対して決定
された勾配成分に重みを加えることは好ましいことであ
ることが分かった。重みを加えることは、まるで画像値
がまず２乗され、その後以下の関係に従う勾配が形成す
るような、同じ効果を有する。

【００３３】 ∇Ｉ^２＝２（Ｉ∇Ｉ_ｘ、Ｉ∇Ｉ_ｙ）（３）重みを加えることは、画像変換器に起因するアーティフ
ァクトを抑制するという利点があり、そのアーティファ
クトはマスク画像領域（低Ｘ線強度）で主に観察される
からである。同時に、画像の直接の放射線に照射された
領域と関連するシャッターエッジは、その中で発生する
高い画像値により強調される。Ｉ^２の代わり、一般的に
は、Ｉ^ｂが利用され、ここで、ｂは０以上の定数であ
る。ｂ＝１では、純粋な勾配画像が得られる。工程１０
４では、輪郭ポイント候補は個々の画素に対して決定さ
れた（おそらく、重みを加えた）勾配から決定される。
勾配が一定の閾値以上の絶対値を有する全ての画素は輪
郭ポイント候補であると考えられる。勾配の絶対値は、
その勾配の個々の成分の２乗の和の平方根であることは
周知である。しかしながら、そのような相対的に複雑な
算術操作に代わり、絶対値の和を単に考慮するだけで十
分である。この差異には、シャッター輪郭の正確さへの
格別な効果を発見するものではない。

【００３４】ライン候補を決定するために、ハウ変換が
次の工程１０５で実行され、つまり速いハウ変換を行
う。座標ｘ、ｙを有する各輪郭ポイントでは、このポイ
ントが位置し、傾斜角度ψを有するラインと関連する。
その角度ψは以下の式に従って計算される。

【００３５】 ψ ＝ａｒｃｔａｎ（∇_ｙ/∇_ｘ）（４）ここで∇_ｘと∇_ｙは、関連する画素での夫々ｘ方向及び
ｙ方向での勾配成分を表わす。ψは、成分∇_ｘと∇_ｙは
双方とも負であるときに‐１８０°と‐９０°との間で
あり、∇_ｘが正で、∇_ｙが負であるときに９０°と１８
０°との間であるように、‐１８０°から+１８０°の
角度の範囲で決定される。ポイントｘ、ｙのラインと座
標原点との間の距離ρは以下のように計算される。

【００３６】 ρ ＝ｘｃｏｓψ + ｙｃｏｓψ （５） ρに対して負の値になることもある。ρと符号が反対で
あるが同じ値を有するラインはコリニア（colinear）で
あり、アンチパラレル(antiparallel)である。

【００３７】速いハウ変換の結果として、ｘ、ｙ平面に
位置する各ポイントに対して、ρ、ψマトリックスでの
ρ及びψにより定義されるセルの内容は、１ずつ増加す
る。典型的なρ、ψマトリックスを図６に示す。輪郭ポ
イント候補が真っ直ぐなラインに位置するとき、ρ、ψ
マトリックスの関連セルの内容は、このラインの各ポイ
ントに対して１ずつ増加する。値ρ、ψは実際には正確
に決定することはできないので、その入力は正しい値
ρ、ψに隣接するセル間に分布する。したがって、ρ、
ψダイアフラムの増加した入力のあるセルの各クラスタ
は、ライン候補に相当する。このようにして、工程１０
６では、極大がρ、ψマトリックスで決定され、前記極
大の夫々はライン候補に相当する。

【００３８】図４は、ｘ、ｙ平面での図３の元画像に対
して決定されたライン候補Ｌ１．．．Ｌ９を示す。上記
ライン候補は外部縁を囲むラインをも含む。前述したよ
うに、‐１８０°から+１８０°の範囲の角度は各ライ
ンと関連している。１８０°ずれた関連する角度ψのあ
る二つのラインは、互いに逆平行に伸長する。よって、
方向は各ライン候補と関連している。（ラインの方向に
見て）ラインの右では、Ｘ線露光中に低Ｘ線強度で露光
された画素が位置しており、その左では高Ｘ線強度に露
光された画素が位置している（このことは、左画素及び
/又は上の画素の画像値は負の重みで入力された勾配成
分∇_ｘ及び∇_ｙの計算に対する指定一次元ケーネルに当
てはまる）。

【００３９】次の工程１０７では、まず、全ライン候補
の交差ポイントＶ_１．．．Ｖ_ｎを計算する。少なくとも
数多の上記交差ポイントは、シャッター輪郭により形成
される多角形のコーナポイントを構成する。図５では、
数多の上記交差ポイント、つまり可能なコーナポイント
は参照記号Ｖ_１．．．Ｖ_９で表わされる。更に、先に説
明したラインの方向は矢印で表わす。かかるコーナポイ
ントのシーケンスはパスと呼ばれる。最初と最後のコー
ナポイントが一致すると、パスは閉じている（環状）と
考えられる。

【００４０】本発明では、シャッター輪郭は、ライン候
補、つまりライン候補の分離セグメントからなる多角形
（閉じたパス）であると仮定している。更に、本発明
は、シャッター輪郭に沿ったコントラストは最大である
という仮定に基づいている。よって、目的は、多くの、
おそらく生じる高いコントラストに沿った閉じたパスの
中から閉じたパスを見つけ出すことである。閉じたパス
に沿ったコントラスト変動を決定する第一の可能性は、
以下の式に従って輪郭積分Ｕ_ｔｏｔを計算することにあ
る。

【００４１】

【数３】ここで、ｎは、閉じたパスへ、常に垂直に延在する長さ
１のベクトルである。よって、Ｕ_ｔｏｔは、閉じたパス
の法線に投影した勾配（Ｉにより重みを加えた）の輪郭
積分を表わす。輪郭積分Ｕｔｏｔは、以下の式に従って
計算されたサブインテグラ（sub-integral）の和として
表わされる。

【００４２】Ｕ_ｔｏｔ＝ Σｕ_ｉ（７）ここで、ｕ_ｉは以下の式

【００４３】

【数４】に従い、同じライン候補の交差（例えば、Ｖ１、Ｖ２）
の二つの連続したポイントにより定義されるパスに沿っ
た勾配∇Ｉ^ｂの方向導関数である。

【００４４】計算時間を短縮するために、閉じたパスの
全セグメントが反時計回りに元画像の領域を囲む上記閉
じたパスのみを調査した。上記領域には、この領域以外
の画素のＸ線強度よりも強いＸ線強度のある画素を含
む。実行可能である閉じたパスから、蓄積された最も高
いコントラストに沿った閉じたパスが、シャッター輪郭
として選択された。

【００４５】値ｕ_ｉが数多の閉じたパスの一部を構成す
るパスｓｉ対して数回計算されるのを回避するために、
工程１０８では、値ｕ_ｉは式８に従って１回計算され、
隣接マトリックス（adjacency matrix）に処理される。
図５には、かかる隣接マトリックスを示し、全てのコー
ナポイントＶ_１、Ｖ_２．．．Ｖ_９．．．が入力されなけ
ればならない。入力は同じラインに位置するコーナポイ
ントに対してのみ行われる。Ｖ_２のロウでは、入力ｕ
_２１があり、Ｖ_２からＶ_１に向かうパスに関連してい
る。同じように、Ｖ_２からＶ_３に向かうパスの入力ｕ
_２３がある。

【００４６】Ｖ_２からＶ_４へのパス（Ｖ_２のロウとＶ_４
のカラムでの交差として表わされる）に対して入力を行
うことは可能であるが、かかる入力は必要ではない。し
かしながら、Ｖ_２からＶ_５へのパスに対する入力はな
い。なぜならば、Ｖ_２及びＶ_５は一つのラインに位置し
ていないからである。更に、Ｖ_２から、Ｖ_２と同じライ
ンに位置するＶ_２の左側及びそれ以下のポイントへの入
力もない。なぜなら、Ｖ _２からのパスは上記方向を示さ
ないからである（しかしながら、更に指定しないコーナ
ポイントからＶ_２へ伸長するパスに対する方向に対し
て、入力は関連するポイントのロウ及びＶ_２のカラムで
行われる）。

【００４７】したがって、工程１０９では、閉じたパス
が構成するパスに対する入力から、式７に従って、輪郭
積分が計算される。これは反時計回りに領域を囲む全て
の実行可能なパスに対して繰り返される。

【００４８】ブロック１１０では、全ての他の閉じたパ
スのＵ_ｔｏｔより大きい閉じたパスは、シャッター輪郭
として選択される。図６は、このようにして求めたシャ
ッター輪郭を示す。

【００４９】このようにして決定されたシャッター輪郭
は、工程１１１で信頼テスト（plausibility test）を
受ける（しかしながら、この方法の高い信頼性のため、
この工程が免除されることもある）。それから、シャッ
ター輪郭により囲まれた領域での画素の画像値の平均値
が得られる。パスにより囲まれた領域の外に位置する画
素の数と、このように計算した平均値よりも大きい画像
値が計算される。そのような外観上過剰に明るい画素の
数は、シャッター輪郭により囲まれた領域の画素の数で
割られる。このように決定された「アウトライアー（ou
tlier）」の数は、一定の閾値を、例えば３０％を超え
るならば、工程１０１から１１０で求めたシャッター輪
郭は再び拒絶される。理論的に言えば、シャッターによ
りカバーされる全ての画素は、シャッターによりカバー
されていない左側の領域での平均値より小さい画像値を
有する。しかしながら，画像変換器のノイズ若しくはア
ーティファクトのため、平均値より高い画像値を有する
多くの「アウトライアー」がある。しかしながら、この
数があまりにも多いと、求めたシャッター輪郭は正確に
決定されていないことを示唆する。この場合、求めたシ
ャッター輪郭は工程１０２で付加されたフレームにより
交換される。

【００５０】これにより、シャッター輪郭の検出は終了
する（ブロック１１２）。

【００５１】閉じたパスに沿って蓄積されたコントラス
トを決定する第二の可能性は、閉じたパスにより境界を
付けた領域でのラプラシアン演算子の面積分Ｖ_ｔｏｔを
計算することにあり、その計算は以下の式に従って行わ
れる。

【００５２】

【数５】ここで、Δはシンボル∇^２がアングロサクソン文献に通
常使用されるラプラシアン演算子を表わす。ｘ及びｙに
依存する関数ｆのラプラシアン演算子Δは、

【００５３】

【数６】として計算される。たとえ、式（９）によるＶ_ｔｏｔの
式は一見すると、式（６）によるＵ_ｔｏｔの式からかな
り逸脱しているが、二つの式は数学的には同じであるこ
とは発散定理により証明されている。

【００５４】図１０及び図１１は、式（９）の簡単なバ
ージョンを示す。図１０はｘ方向の画像値の典型的な変
動を示し、図１１は関連する（この一次元の場合のラプ
ラシアン演算子を表わす）第二の導関数を示す。シャッ
ターエッジは図１１に示す画像の第二の導関数の特に大
きな値の形で現れ、正の値はほぼ同じ大きさの負に値に
より補正される。ｘ方向での第二の導関数の積分はゼロ
交差ｘ_１とｘ_２との間で計算されると、（式（９）の積
分は一次元の場合に変化する）この積分はｘ_１及びｘ_２
での正の振幅により決定される。その間に位置する曲線
の部分は平均化される。しかしながら、第二の導関数
は、例えばｘ_０及びｘ_３で（相対的な）極大及び極小を
さらに有する。しかしながら、それらの極大及び極小は
ｘ_１及びｘ _２の値より小さいので、第二の導関数の積分
はｘ_１からｘ_２よりもｘ_０からｘ_３で小さい値が得られ
る。

【００５５】上記考察に基づくと、図９は、工程１０８
から工程１１０に代わる図２のフローチャートの変更部
分を示す。

【００５６】図５によれば、コーナポイントＶ_１．．．
Ｖ_９の一定の位置で実行可能な全ての多角形は、一つ以
上基本的多角形からなり、それらの幾つかは，図５の参
照記号ａ_１．．．ａ_２．．．ａ_５により表わされる。上
記の各基本的多角形では、画像値のラプラシアン演算子
の面積分は工程１０８’の式９に従って計算され、例え
ば、ａ_１では値ｖ_１が、ａ_２では値ｖ_２が得られる。各
個々の画素のラプラシアン演算子は、カーネル‐１，
０，+１で、一方でこの方向とｘ方向の隣接画素での成
分∇_ｘＩを、他方でこの方向とｙ方向での隣接画素の成
分∇_ｙＩをコンボリュートされ、コンボリューション積
を加えることにより，工程１０３で計算された勾配から
誘導される。

【００５７】全ての閉じたパスは一つ以上のかかる基本
的多角形からなる多角形を囲む。したがって、工程１０
９’では、関連する値ｖ_１、ｖ_２．．．ｖ_５などは閉じ
たパスにより囲まれた基本的多角形（ａ_１，ａ_２，ａ_５
など）に加え、閉じたパスと関連する全体の値Ｖ_ｔｏｔ
が得られる。

【００５８】工程１１０’では、このようにして求めた
閉じたパスから、値Ｖ_ｔｏｔが極大に達した閉じた経路
は、シャッター輪郭として選択された。このようにして
決定されたシャッター輪郭は、ブロック１１２で停止す
る前に、図２の工程１１１による信頼テストを再び受け
る。

【００５９】更に、この方法は、計算時間の削減の可能
性を提供する。求めたタイン候補の数が多くなればなる
ほど、選択しなければならない、シャッター輪郭を表わ
す閉じたパスからの閉じたパスの数は多くなるというこ
とである。Ｎ個のライン候補の場合、２^Ｎの閉じたパス
が存在する。Ｎが非常に大きな値の場合、各個々のパス
に対して値Ｖ_ｔｏｔを計算することはほとんど不可能で
ある。

【００６０】従って、調べたパスは、非常に少ない計算
を利用して、以下のように求められる。ライン候補
（Ｎ）と同じ数の成分を有するベクトルから出発し、ベ
クトル成分は各ライン候補に割り当て、前記成分はこの
ライン候補がシャッター輪郭の一部を構成するか否かに
関する情報を提供する値を有する（構成する場合はその
成分は値１を有し、構成しない場合その成分の値は０で
ある）。例えば、全ての成分を０に設定した開始ベクト
ルから出発し、最大値Ｖ_ｔｏｔが得られる個々のライン
候補に対してチェックする（この目的ため、値ｖ_１、ｖ
_２．．．などは、ライン候補と関連する矢印の方向に観
測され、ライン候補の左側に位置する全ての基本的多角
形ａ_１，ａ_２などに対して付加される）。大きな値のＶ
_ｔｏｔが得られたライン候補は逆転される（つまり０か
ら１へ、若しくは１から０へである）。その後、ベクト
ル成分が逆転されるその方法は繰り返され、１回の逆転
で大きな値Ｖｔｏｔを導くことがテストされる。ラプラ
シアン演算子（Ｖ_ｔｏｔ）の面積分がこれ以上大きくな
らないところまで、繰り返される。

【００６１】移植物の輪郭の自動検出の方法は、図１２
に示すフローチャートを参照して、以下に詳細に説明さ
れる。

【００６２】ブロック２００での初期設定後、まず、Ｘ
線画像が、図２のフローチャートの工程１０１で詳細に
説明した工程２０１で準備される。これにより、位置
ｘ、ｙの関数である画像値Ｉを有する画像が得られる。

【００６３】工程２０２では、いわゆるＬＧフィルタ
（ＬｏＧはガウシアンのラプラシアンである）が、この
ように準備された画像Ｉに適用される。ＬｏＧフィルタ
は、以下の関係式に従うガウス低域通過フィルタにより
平滑化された後、画像値の第二の空間的導関数を構成す
る周知の画像処理フィルタである。

【００６４】

【数７】ここで、Ｉ_ＬｏＧはこのようにフィルターをかけた画像
値を表わし、σはガウシアン低域通過フィルタリングの
幅を表わすパラメータである。かかるフィルタリング
は、異なるカーネルサイズによる二つのガウスフィルタ
リング操作の引き算により、うまく近似される（ＤｏＧ
フィルタはガウシアンの差異）。Ｘ線画像での輪郭はＬ
ｏＧフィルタ画像でのゼロ交差に対応する（符号の変化
はゼロ交差として示される）。ＬｏＧフィルタ画像での
ゼロ交差に続いて得られた輪郭ラインは、常に閉じてい
る周知の性質を有している。かかるゼロ交差が起こる任
意の画素から出発すると、この画素は連続するゼロ交差
が続くときに再び到達する。結果生じた閉じたパスは決
して交差しないことは、ＬｏＧフィルタ画像の周知の性
質である。工程２０３では、このようにして、輪郭は元
画像にて、若しくはＸ線画像にて検出される。

【００６５】上記方法は、先ず輪郭ポイントを決定し、
その後上記輪郭ポイントと接続するラインを決定して、
最後に閉じたパスをラインから構成させる場合よりも簡
単であり、前記パスの一つは調べた輪郭を表わす。しか
しながら、シャッター輪郭の自動検出用の方法として利
用するには進められない。なぜなら、Ｘ線画像でのシャ
ッター輪郭は、低コントラストにより確認することが非
常に難しいセクションを有する場合がしばしばあり、ま
た、ゼロ交差はこのような場合には続かないからであ
る。

【００６６】このように決定した輪郭の中から、移植物
をおそらく表わす輪郭を選択しなければならない。この
輪郭の決定に対して、他の輪郭の平均コントラスト値よ
りも大きな平均コントラスト値を有し、更に、解剖学的
対象物の輪郭よりも直線性の程度の高いものを仮定す
る。この点に関して、Ｘ線画像での人工移植物はより直
線性を有し、少なくとも天然構造物よりは滑らかな輪郭
を有していると仮定する。

【００６７】結果として、工程２０４では、平均コント
ラストを決定し、工程２０５では、輪郭の直線性を測定
する。コントラストｇは、以下の式に従って決定され
る。

【００６８】

【数８】ここで、ｉ_ｉｎは輪郭の内側の画像値の平均値であり、
ｉ_ｏｕｔは輪郭の外側の画像値の平均値を表わす。別の
可能性は、式（６）によるＵ_ｔｏｔ値と式（９）による
Ｖ_ｔｏｔを計算し、輪郭の長さにより上記値を割ること
にある。

【００６９】輪郭の各画素Ｐｉでは、直線性ｈ_ｉの尺度
は、以下の関係による輪郭のＮ個の隣接画素の座標から
計算される。

【００７０】ｈ_ｉ＝ｄ/Ｎここで、ｄは、最後のＮ個の画素からのｘ及びｙ方向の
上記画素の第一の距離間の距離ｄｘ、ｄｙからの最大で
ある。図１３は、上尺度の重要性を示す。ここで、二つ
の輪郭２１を示すが、これらは少なくとも一定の数の画
素以上で直線である。水平輪郭の最初と最後の画素間の
距離ｄｘは、画素幅で測定され、Ｎ個の画素の数に相当
し、この場合、尺度ｈ_ｉは値１と仮定する。直線を傾け
ると、距離ｄ（この場合ｄ＝ｄｙ）はわずかに小さく、
ｈ_ｉの値も小さいが、０．７より大きい。しかしなが
ら、曲がった輪郭２２では、ｄ（この場合、ｄはｄｙと
等しい）はたった２であり（画素幅）、ｈ_ｉに対して小
さい値が得られる。

【００７１】全体の輪郭に対する直線性の尺度ｈは、輪
郭の個々の画素での尺度ｈ_ｉの平均値である。直線性尺
度ｈ又はｈ_ｉは、ｈ_ｉの計算で考慮された画素の数Ｎに
よる要件に適合させる。数Ｎが少なければ少ないほど、
アーチ型の曲線の場合にはｈ _ｉ値は増加するであろう。
したがって、Ｎ個の連続画素により定義される長さが輪
郭の曲率の半径と比較して小さいときには、滑らかで、
一様に曲がった輪郭は直線であるとして評価される。

【００７２】工程２０６では、輪郭は、工程２０４及び
２０５で決定された値ｇとｈの積が最大のものが選択さ
れる。この輪郭は移植物の調査した輪郭を表わす．工程
２０７では、移植物として決定された輪郭により囲まれ
た領域は排除され、工程２０８では、モニター（ハード
コピーユニット）のコントラストの自動調整のパラメー
タが残った画像から公知の方法で決定され、よって最適
なコントラストでＸ画像が再現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に適するＸ線装置を線図的に示
す。

【図２】本発明による方法のフローチャートを示す。

【図３】被処理元画像を示す。

【図４】元画像から誘導されたライン候補を示す。

【図５】少なくとも二つのライン候補の交差ポイントに
より形成されたノードのグラフを示す。

【図６】図５から誘導されたシャッター輪郭を示す。

【図７】さなざまな閉じたパスに沿ったライン積分の計
算を非常に容易にする近接マトリックス（proximity ma
trix）を示す。

【図８】ハウマトリックスを示す。

【図９】図２に示す方法のさらに別のバージョンを示
す。

【図１０】後者のバージョンに基づく画像値の変動を示
す。

【図１１】後者のバージョンに基づく画像値の変動を示
す。

【図１２】Ｘ線画像の移植物輪郭の自動検出用のフロー
チャートを示す。

【図１３】直線及び曲線セグメントのある画像領域を示
す。

【符号の説明】

１Ｘ線源２マルチ‐リーフコリメータ３シャッター４放射線ビーム５被検査対象物６カバー７Ｘ線変換器８画像処理ユニット９モニター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ１, 5621 ＢＡＥｉｎｄｈｏｖｅｎ，ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者ザビーネディッペルドイツ連邦共和国，22299 ハンブルク, クロホマンシュトラーセ４ (72)発明者トルシュテンブツークドイツ連邦共和国，24143 キール，コンラート−アーデナオアー−ダム 15 (72)発明者マルティーンシュタールドイツ連邦共和国，24568 カルテンキルヒェン，フォーゲルブッシュ 21 (72)発明者トーマスブラフェルトドイツ連邦共和国，122089 ハンブルク, シュレーゲルスヴェーク７

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線画像において高いＸ線吸収を示す構
造体の輪郭を自動検出する方法であって、ａ）Ｘ線画像又はそのＸ線画像から誘導された画像で
の輪郭候補として働く多くの閉じたパスを決定する段階
と、ｂ）前記閉じたパスに沿ったコントラストに依存し
て、閉じたパスの数から閉じたパスとしての輪郭を選択
する段階とからなることを特徴とする方法。
【請求項２】シャッター輪郭を検出する方法であっ
て、ａ）Ｘ線画像又はそのＸ線画像から誘導された元
画像の画素と関連する画像値の空間的変動から輪郭ポイ
ント候補を決定する段階と、ｂ）輪郭ポイント候補のロウが各ライン候補又はかか
る候補のすぐ隣に位置するように、前記輪郭ポイント候
補からライン候補を決定する段階と、ｃ）異なるライン候補のセグメントからなるシャッタ
ー輪郭候補として閉じたパスを形成させる段階と、ｄ）前記閉じたパスに沿ったコントラストに依存し
て、シャッター輪郭として閉じたパスを選択する段階と
からなり、前記閉じたパスを決定することを特徴とする
請求項１記載の方法。
【請求項３】移植物の輪郭の検出方法であって、閉じ
たパスを決定するために、ａ）Ｘ線画像又はそのＸ線画像から誘導された画像に
ＬｏＧフィルタをかける段階と、ｂ）ＬｏＧフィルタをかけた画像のゼロ交差が位置す
る閉じたパスを決定する段階とを実行することを特徴と
する請求項１記載の方法。
【請求項４】前記選択段階は数多の閉じたパスの一つ
の両側へ、縁でのコントラストの和をとり、最大である
その和に沿った閉じたパスをシャッター輪郭として決定
することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】コントラストの和をとるために、閉じた
パスに沿った輪郭積分（Ｕ_ｔｏｔ）は、以下の式によ
り、【数１】ここで、ｎは閉じたパスに垂直である単位ベクトルであ
り、ａは１以上のべき指数であり、そのパスの方向での
画像値（Ｉ）の勾配（∇Ｉ）の方向導関数で計算される
ことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】コントラストの和をとるために、ラプラ
シアン演算止（Δ）での積分（Ｖ_ｔｏｔ）は、以下の式
により、【数２】閉じたパスにより囲まれた領域で算することを特徴とす
る請求項４記載の方法。
【請求項７】選択は、夫々の領域を囲み、画像値が上
記領域の外の値よりも大きい閉じたパスに制限されるこ
とを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】画像値が最も大きい勾配を示すＸ線画像
における、又は元画像における輪郭ポイントは、輪郭ポ
イント候補として選択されることを特徴とする請求項２
記載の方法。
【請求項９】前記ライン候補はハウ変換による輪郭ポ
イント候補から誘導されることを特徴とする請求項２記
載の方法。
【請求項１０】フレームは元画像の周辺で調整され、
上記フレームの画素はシャッターによるマスク領域での
画像値に相当することを特徴とする請求項２記載の方
法。
【請求項１１】閉じたパスの直線性を評価した直線性
の尺度に依存した移植物輪郭として、閉じたパスの数か
ら自動検出されることを特徴とする請求項１記載の方
法。
【請求項１２】直線性の尺度を決定するために、多く
の隣接画素を含む閉じたパスのセグメントの最初の画素
と最後の画素との間の距離は上記セグメントの長さに関
係して設定されることを特徴とする請求項１１記載の方
法。
【請求項１３】移植物輪郭により囲まれた領域は、Ｘ
線画像の内容に依存して、自動コントラスト調整中に削
除されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】検査範囲を横行するＸ線を発生させ
るＸ線源と、前記Ｘ線源と前記検査範囲との間に配設されたシャッタ
ー装置と、前記検査範囲の後ろのＸ線を検出し、対応する元画像を
生じさせるＸ線画像変換器と、前記元画像でのシャッター装置の輪郭を検出するための
画像処理ユニットとを具備する請求項１記載の方法を実
行するためのＸ線装置であって、前記画像処理ユニットは、ａ）Ｘ線画像又はそのＸ線画像から誘導された元画像
の画素と関連する画像値の空間的変動から輪郭ポイント
候補を決定する段階と、ｂ）輪郭ポイント候補のロウが各ライン候補に位置す
る、又はかかる候補のすぐそばに位置するように、前記
輪郭ポイント候補からのライン候補を決定する段階と、ｃ）異なるライン候補のセグメントからなるシャッタ
ー輪郭候補として多くの閉じたパスを形成させる段階
と、ｄ）前記閉じたパスの両側のコントラストに依存し
て、シャッター輪郭として閉じたパスの数から閉じたパ
スを選択する段階とからなる処理工程を実行させるよう
に配置されていることを特徴とするＸ線装置。