JP2004065972A - 経時的画像比較方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　本発明は、画像形成システムに関し、また経時的変化の表示を改善する方法に関する。
【解決手段】　経時的画像処理システム１０は、走査装置１６から第１の画像信号及び第２の画像信号を受信する経時的処理コントローラ１４を含む。経時的処理コントローラ１４は、分割モジュール４４を含み、該モジュール４４は、少なくとも２つの画像の間の少なくとも１つの関心領域を分離し、それに基づいて分割信号を生成する。経時的処理コントローラ１４はまた、整合モジュール４６を含み、該整合モジュール４６は、分割信号を受信し、関心領域を整合させ、それに基づいて整合信号を生成する。経時的処理コントローラ１４は更に、比較モジュール５０を含み、該比較モジュール５０は、分割信号及び整合信号を受信する。比較モジュール５０は、それに基づいて両画像信号の適応比較信号を生成する。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、一般的には画像形成システムに関し、より具体的には、経時的変化の表示を改善する方法に関する。

　Ｘ線機械のような画像形成装置は、医用及び工業用用途の両方で広く使用されている。多くの場合、画像形成装置は、対象物の時間の経過による変化を追跡するために経時的処理を用いている。

　経時的処理システムは、一般的に、次の汎用モジュール、即ち取得／記憶モジュール、分割モジュール、整合モジュール、比較モジュール、及び報告モジュールを含む。入力画像は、一次元、二次元、三次元、誘導、合成、又はモンタージュ画像であり、その場合、単一時点からの多くの分離された画像は結合されて、より大きい合成の継目のない画像が形成される。

　２つの異なる時点で取得された患者の医用画像における変化の検出は、診断を改善するための大きな可能性を有する。デジタル画像形成の出現により、それらの変化のコンピュータ利用の検出及び識別と、変化情報を含む「非類似度画像」の作成とが可能になった。この非類似度画像は人的管理官によって読取ることができるし、或いはＣＡＤ（コンピュータ支援診断）アルゴリズムのような自動解析装置への入力とすることができる。

　最近、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｓｐａｃｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅの「テンポラル・サブトラクション」アプリケーションの１部として、整合された画像の画素ごとの単純減算を用いて、非類似度画像が算出されている。しかしながら、単純減算はコントラストの乏しい画像を生じ、また２つの最初の画像が異なる技術を用いて取得されている場合には、実質的にきっちり結合されたものにならない。

　テンポラル・サブトラクション画像において、得られた画素の値（及び従って表示されたグレイレベル）は、経時的に別々に取得された２つの入力画像間の画素値における差又は非類似度に比例する。

　入力画像は、多くの場合、整合され、処理されて、２つの画像取得の間における対象の位置決めの差、取得パラメータの差、画像のビット解像度の差、及び画像に加えられたあらゆる前処理及び後処理の差のような幾つかの因子が補償される。

　画像比較は、モノモダリティ画像（一次元、二次元、三次元、誘導、合成、モンタージュ）の経時的処理を含む多くの用途における共通の課題である。現在の方法は、それらの画像上で行われる、減算及び加算を含む単純算術演算を含み、これらの単純算術演算は、空間的な画像内容に関しては適応性がない。従って、適応性がありかつその後の処理及び表示技術のためにより良好な結果をもたらす一層高度な方法を備えるように、比較モジュールを改善する必要性がある。

　現在の画像形成システムに関連する不具合は、経時的処理のための新しい技術が要求されていることを明確にしている。この新しい技術は、経時的処理により得られた取得情報の精度を実質的に高めなければならない。本発明は、この目的に関するものである。

　本発明の１つの態様によると、経時的画像処理システムは、走査ユニットからの第１の画像信号及び第２の画像信号を受信するようになっている経時的処理コントローラを含む。経時的処理コントローラは、第１の画像信号及び第２の画像信号の少なくとも１つの関心領域を分離するようになっている分割モジュールを含む。分割モジュールは、それに基づいて分割信号を生成するようになっている。経時的処理コントローラは更に、分割信号を受信し、少なくとも１つの関心領域を整合させるようになっている整合モジュールを含む。整合モジュールは更に、それに基づいて整合信号を生成するようになっている。経時的処理コントローラは更に、分割信号及び整合信号を受信するようになっている比較モジュールを含む。比較モジュールは、それに基づいて第１の画像信号及び第２の画像信号の適応比較信号を生成する。

　本発明の他の態様によると、経時的画像処理方法が提供される。該方法は、対象物を走査し、それに基づいて第１の画像信号及び第２の画像信号を生成する段階を含む。第１の画像信号及び第２の画像信号は、分割モジュールに受信される。第１の画像信号及び第２の画像信号の少なくとも１つの関心領域が分離される。更に、分割信号が生成され、整合モジュールに受信される。前記の少なくとも１つの関心領域が整合され、整合信号が生成される。分割信号及び整合信号は比較モジュールに受信され、該分割信号及び該整合信号に応じて適応比較信号が生成される。

　本発明の更なる利点及び特徴は、以下の説明から明らかになり、付随する図面と関連してなされる、特許請求の範囲に具体的に示された手段及び組合せによって実現されることができる。

　本発明のより完全な理解のために、その幾つかの実施形態を添付図面を参照して実例によって説明する。

　特に医用分野に適した経時的画像処理システム１０に関して、本発明を説明する。しかしながら、当業者には理解されるように、本発明は、経時的画像形成を必要とする種々の他の用途にも適用可能である。

　図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による、走査装置１６に結合された経時的処理コントローラ１４を含む画像コントローラ１２が示されている。走査装置１６は、例えばガントリー２０に結合され、テーブル２５上の対象物２４（例えば患者）を通過するＸ線束２２を生成するＸ線源１８を含む。システム１０は更に、これもまたガントリー２０に結合されたＸ線検出器２６を含む。

　経時的処理コントローラ１４と種々の他の広く知られている画像形成制御装置及びディスプレイ装置とを含む画像コントローラ１２は、検出器信号を受信し、対応して第１及び第２の画像信号を生成する。画像コントローラ１２はまた、例えばオペレータコンソール２８、モニタ及びユーザインターフェース２９、Ｘ線コントローラ３０、テーブル制御装置３２、ガントリーモータ制御装置３４、大容量記憶装置３８、画像再構成装置４１、及びデータ取得システム４２を含み、ホストコンピュータ及びディスプレイ４３に結合されたこれらの全ては当該技術では公知であって、後で説明することにする。

　図３を参照すると、図１の経時的処理コントローラ１４の概略ブロック図が示されている。経時的画像形成コントローラの１つの実施形態は、取得／記憶モジュール４０、処理モジュール４２、分割モジュール４４、整合モジュール４６、比較モジュール５０、及び報告モジュール５２を含む。当業者には理解されるように、前述のモジュールは、ソフトウェアアルゴリズム又は別個の回路のいずれか又はそれらの組合せである。

　図１、図２及び図３を再度参照すると、取得／記憶モジュール４０は、取得した画像を収納する。経時的変化解析のために、データ検索システムが、記憶装置（例えば大容量記憶装置３８）から、或いはデータ取得システム（ＤＡＳ）４２から信号を受信する画像再構成装置４１から、以前の時点に対応するデータを検索する。取得／記憶モジュールの入力画像は、一次元、二次元、三次元、誘導、合成、又はモンタージュ画像であり、単一時点からの多数の分離された画像が結合されて、より大きい合成の継目のない画像が形成されるようになる。

　例示的な実施例としては、２つの時点ｔ₁及びｔ₂に対応する、２つのみの画像Ｓ１及びＳ２が含まれるが、当業者には、この一般的手法が取得及び時間系列におけるいかなる数の画像に対しても拡大適用できることが分かるであろう。経時的比較画像はＳ_1-2として示される。Ｓ１及びＳ２は、取得システムからの処理されていない元の画像か、又はそれに代えて元の画像の処理後の画像かの何れかである。取得／記憶モジュール４０が殆どあらゆるデジタル画像形成源からの画像を含むことができることは、当業者には分かるであろう。

　分割モジュール４４は、ユーザインターフェース２９又はオペレータコンソール２８における自動又は手動操作を通して、取得／記憶モジュール４０から２つのＸ線画像Ｓ１及びＳ２を受信し、この２つのＸ線画像Ｓ１及びＳ２の間の関心領域を分離する。多くの場合、画像全体が関心領域となる。

　分割マスク（Ｍ）は、分割モジュール論理により生成されるか、又はそれに代えて、走査オペレータによって入力される。分割マスク（Ｍ）は、少なくとも１つの関心領域を分離するためのアプリケーション依存性の処理である。例えば、５つの関心領域の場合、５つの領域の各々は、第１の画像に対する１ないし５の指数番号を受け、対応する表示番号が、第２の画像についての関心領域の各々に適用される。対象物の他の全ての部分は、「０」と表されるか、又は比較モジュールに関して後で説明するように、代わりの既知の識別様式（例えばカラー表示など）で表される。

　整合モジュール４６は、関心領域の信号を分割モジュールから受信し、整合方法を提供し、それに基づいて整合信号を生成する。経時的変化解析のための関心領域が小さい場合には、平行移動、回転、拡大縮小、及び傾斜を含む剛体整合変換（ｒｉｇｉｄ　ｂｏｄｙ　ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が、ｔ₁及びｔ₂からの一対の画像を整合させるのに十分である。しかしながら、殆ど画像全体を含むほど関心領域が大きい場合には、ワープ弾性変換（ｗａｒｐｅｄ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が適用される。

　ワープ整合を実行するための１つの方法は、多重スケール、多重領域、錐体手法を用いることである。この手法のために、変化を強調する、異なる費用関数が全てのスケールで最適化される。このような費用関数は、数学的相関及び符号反転計量のような相関方法、又はエントロピー計量及び相互情報量解析のような統計的方法である。

　ワープ整合のために、画像は所定のスケールで再サンプリングされ、続いて多数領域に分割される。個々のずらしベクトルが、異なる領域について算出される。ずらしベクトルは補間されて平滑なずらし変換 をつくり出し、このずらし変換が適用されて画像の１つをワープさせる。画像は再サンプリングされて、ワープ整合処理が次のより大きいスケールで、所定の最終スケールに到達するまで繰り返される。他の状況においては、剛性整合及び弾性変換の組合せが使用される。

　比較モジュール５０は、分割信号及び整合信号を受信して、整合画像間の非類似度の度合いを演算し、それに基づいて比較信号を生成する。整合画像比較は幾つかの方法で行われる。整合画像間の単純減算を用いて非類似度画像を得ることに加えて又はその代わりに、このシステムは、（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ）として記述される拡張除算法を含む。

　モノモダリティの経時的処理のために、従来技術の方法は画像差Ｄ＝Ｓ１−Ｓ２を得る。本発明は、２つの画像Ｓ１及びＳ２の間の適応画像比較のための方法を含む。適応方法は、次式：Ｄ１ａ＝（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ）を含み、ここでスカラー定数Φ＞０である。Φ＝０である縮退的な場合については、上述の式はそのままの除算Ｓ１／Ｓ２となる。一層高度な方法は、当業者には理解されるように、参照テーブルによる設定値を有する変数としてΦを含む。１つの実施形態において、比較モジュール５０への入力はまた、Ｓ１及びＳ２に加えて、分割モジュール４４により又はユーザ入力により生成された分割マスク（Ｍ）を含む。Ｍは、骨格又は臓器の型のような、比較画像における特有の形態の事前知識から得られる。当業者には理解されるように、分割マスクにより種々の位置での比較結果が導き出される。

　例えば、以下の比較法は空間属性に依存しており、
Ｍ＞０ならば、Ｄ１ａ＝（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ）であり、
その他では、Ｄ１ａ＝０である。
この方法の一般形は次式であり、
Ｍ＝ｍ１ならば、Ｄ１ａ＝（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ１）
その他でＭ＝ｍ２ならば、Ｄ１ａ＝（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ２）
・・
その他でＭ＝ｍｋならば、Ｄ１ａ＝（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φｋ）
その他では、Ｄ１ａ＝０
である。ここで、ｍは変数でありその添字は準拠方程式においてのものであることを示し、ｋは定数であって公知の試験方法によって定められる。

　報告モジュール５２は比較信号を受信し、かつユーザのためにディスプレイ及び定量化機能を提供して経時的比較の結果を可視化及び／又は定量化する。経時的比較の結果は、画像Ｓ１又はＳ２の何れかと共に第２のディスプレイに同時に表示される。あるいは、Ｓ１又はＳ２へのＳ_1-2の重ね合せが、予め指定された基準に基づき、論理演算子を用いて生成される。定量的比較のためには、オーバレイ画像のためのカラー参照テーブルが用いられる。得られた組合せは、多色のオーバレイ表示を用いて実現される。

　本発明は、Ｘ線及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムに関して説明されているが、それに代えて本発明はあらゆる形式の画像形成システムにも用いられ、それら画像形成システムには、磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）、乳房撮影法、血管Ｘ線画像形成、骨格走査、陽電子放射断層撮影（ＰＥＤ）、超音波画像形成、光学的画像形成、等が含まれる。別の実施形態は、溶接検査、金属検査のような非医用の用途を含む。基本的には、一次元、二次元及び三次元画像、又は一次元、二次元及び三次元モンタージュ画像を作成する画像形成システムを使用できるものであれば何であってもよい。

　一般的な走査装置は、ガントリー２０に結合されたＸ線源１８を含む。Ｘ線源１８はＸ線束２２を生成し、このＸ線束２２はテーブル２５上の走査される対象物２６を通過する。また、Ｘ線検出器２６が、一般的にガントリー２０に結合され、検出器２６がＸ線束２２を受光するようになっている。

　Ｘ線源１８は、フラットパネルＸ線源又は拡張Ｘ線源（例えば、イマトロン）として具体化される。Ｘ線源１８は、当業者には理解されるように、ホストコンピュータ４３又はＸ線コントローラ３０の何れかによって駆動される。当業者には理解されるように、Ｘ線源１８は、Ｘ線束２２を送出し、該Ｘ線束２２は、ホストコンピュータ４３からの信号に応答して作動するテーブル制御装置３７によって制御される可動テーブル２５上の対象物２４を通過する。

　当業者には理解されるように、具体化されたガントリー２０は、ガントリーモータ制御装置３４からの信号に応答して、走査される対象物の周りを回転する環状のプラットフォームである。

　単一の画像Ｓ１の場合、Ｘ線源１８からのＸ線束２２は対象物２４を通過してＸ線検出器２６に衝突する。次いで、当業者には理解されるように、検出器特有の補正又は校正が行われる。次いで、信号はホストコンピュータ及びディスプレイ４３に流れ、ここで、信号は、患者を通過したＸ線光子の減衰量に対応したグレイレベルに変換される。次いで、画像は大容量記憶装置３８に記憶され、或いは経時的画像形成コントローラ１４で受信される。

　検出器２６は、一般的にＸ線源１８に対向して配置されて、該Ｘ線源により生成されたＸ線束２２を受光する。

　ホストコンピュータ４３は検出器の信号を受信する。また、ホストコンピュータ４３は、オペレータコンソール２８又はユーザインターフェース２９からの信号によりＸ線源１８を駆動させるが、別の実施形態では、Ｘ線源１８用の独立した駆動手段が含まれる。当業者には理解されるように、本発明は、技術者による制御のためのオペレータコンソール２８を含む。

　本発明の１つの実施形態は、画像形成システム上の探索走査のために経時的画像形成を使用することを組み込んでいる。Ｘ線源１８から検出器エレメント２６への探索走査の間、Ｘ線管球は静止した状態のままで、患者のテーブル２５をＸ線束２２の下を平行移動させる。このことで、定性的情報のために、また別の経時的画像形成時における走査のための望ましい位置の設定のために最も適した二次元画像が得られる。

　図４を参照すると、経時的画像処理方法９８のブロック図が示される。作動ブロック１００でロジックが開始し、該作動ブロック１００で、対象物が異なる時点で走査されて画像信号が生成される。

　次に作動ブロック１０１が起動し、経時的処理コントローラが取得／記憶モジュールを介して画像信号を取得し、画像信号を含む取得信号を生成する。

　作動ブロック１０２において、分割モジュールは取得信号を受信し、関心領域を分離する。１つの実施形態において、作動ブロック１０３が起動し、分割モジュールが、制御結果を導き出すように作動する分割マスクを生成する。別の実施形態においては、先に説明したように外部源から分割マスクが経時的処理コントローラに入力される。

　ブロック１０４において、経時的処理コントローラが、関心領域を整合させる。

　作動ブロック１０８において、関心領域が解析される。主要でない領域は、平行移動基準、回転基準、拡大縮小基準、又は傾斜基準の少なくとも１つを用いて解析され、それによって作動ブロック１１４において費用信号（すなわち費用関数又は該費用関数の良度指数）が生成される。

　主要領域については、少なくとも１つのワープ変換基準が用いられ、それによって作動ブロック１１４において費用信号（すなわち費用関数又は該費用関数の良度指数）が生成される。

　次に作動ブロック１１６が起動し、比較モジュールが分割信号、整合信号及び分割マスクを受信する。作動ブロック１２０において、比較モジュールは、それに基づいて適応比較信号を生成する。適応比較の後、報告モジュールは、比較信号を受信し、ディスプレイ及び定量化機能をユーザのために提供して経時的比較の結果を可視化及び／又は定量化する。

　作動において、経時的画像処理方法は、対象物の走査すること、及びそれに基づいて第１の画像信号及び第２の画像信号を生成することを含む。分割モジュールは第１の画像信号及び第２の画像信号を受信し、少なくとも１つの関心領域を分離し、それに基づいて分割信号を生成する。整合モジュールは、分割信号を受信し、関心領域を整合させ、整合信号を生成する。比較モジュールは分割信号及び整合信号を受信し、それらに応じて適応比較信号を生成する。また、比較モジュールは、分割モジュール又はユーザ入力からの分割マスクを受信し、この分割マスクは種々の位置での比較結果を導き出す。

　以上の説明から、当該技術に新規な経時的画像処理システム１０がもたらされたことが分かるであろう。好ましい実施形態の前述の説明は、本発明の原理の適用を示す多くの特定の実施形態の幾つかを単に説明したものであることを理解されたい。特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲から逸脱することのない多くの他の構成が、当業者には明らかであろう。

本発明の実施形態による画像形成システムの概略図。 図１の１部分の概略構成図。 図１の経時的処理ユニットの概略ブロック図。 本発明の実施形態による経時的処理方法のブロック図。

符号の説明

　１０　経時的画像処理システム
　１２　画像コントローラ
　１４　経時的処理コントローラ
　１６　走査装置
　１８　Ｘ線源
　２０　ガントリー
　２２　Ｘ線束
　２４　対象物
　２５　テーブル
　２６　Ｘ線検出器

Claims (10)

1. 　走査装置（１６）から第１の画像信号及び第２の画像信号を受信するようになっている経時的処理コントローラ（１４）であって、
   　前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の少なくとも１つの関心領域を分離し、更にそれに基づいて分割信号を生成するようになっている分割モジュール（４４）と、
   　前記分割信号を受信し、前記少なくとも１つの関心領域を整合させ、更にそれに基づいて整合信号を生成するようになっている整合モジュール（４６）と、
   　前記分割信号及び前記整合信号を受信し、更にそれに基づいて前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の適応比較信号を生成するようになっている比較モジュール（５０）と、
   を含むことを特徴とする経時的処理コントローラ（１４）。
2. 　経時的画像処理方法であって、
   　対象物（２４）を走査し、それに基づいて第１の画像信号及び第２の画像信号を生成する段階と、
   　該第１の画像信号及び該第２の画像信号を分割モジュール（４４）に受信する段階と、
   　前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の少なくとも１つの関心領域を分離する段階と、
   　分割信号を生成する段階と、
   　該分割信号を整合モジュール（４６）に受信する段階と、
   　前記少なくとも１つの関心領域を整合させる段階と、
   　整合信号を生成する段階と、
   　前記分割信号及び前記整合信号を比較モジュール（５０）に受信する段階と、
   　前記分割信号及び前記整合信号に応じて適応比較信号を生成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
3. 　前記分割信号を生成する段階が、一次元画像、二次元画像、三次元画像、一次元モンタージュ画像、二次元モンタージュ画像、又は三次元モンタージュ画像を含む第１の画像信号を生成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 　前記整合させる段階が、少なくとも１つの平行移動基準、回転基準、拡大縮小基準、又は傾斜基準を用いて、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号内の前記対象物の主要でない関心領域を整合させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 　前記整合させる段階が、少なくとも１つのワープ変換基準によって、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号内の前記対象物（２４）の主要な関心領域を整合させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 　前記整合させる段階が、多重領域、多重スケール、錐体論理を含む少なくとも１つのワープ変換基準によって、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号内の前記対象物（２４）の主要な関心領域を整合させる段階を更に含み、
   　該方法が、複数のスケールの各々において異なる費用関数を用いて、前記第１の画像信号と前記第２画像信号との間の変化を強調する段階を含む、
   ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 　経時的画像処理システム１０であって、
   　対象物（２４）を走査し、該対象物（２４）の第１の画像信号及び第２の画像信号を生成するようになっている走査装置（１６）と、
   　該走査装置（１６）と結合され、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号を受信するようになっている画像コントローラ（１２）と、
   を含み、該画像コントローラ（１２）が、
   　前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号を分割モジュール（４４）に受信し、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の少なくとも１つの関心領域を分離し、分割信号を生成し、該分割信号を整合モジュール（４６）に受信し、前記少なくとも１つの関心領域を整合させ、整合信号を生成し、前記分割信号及び前記整合信号を比較モジュール（５０）に受信し、前記分割信号及び前記整合信号に応じて適応比較信号を生成するようになっている経時的処理コントローラ（１４）を含む、
   ことを特徴とするシステム（１０）。
8. 　前記走査装置（１６）が、ＣＴ走査装置、陽電子射出断層撮影装置、Ｘ線走査装置、ＭＲＩ走査装置、光学的画像形成装置、又は超音波装置の１つを含むことを特徴とする、請求項７に記載のシステム（１０）。
9. 　前記比較モジュール（５０）が更に、前記第１の画像信号の少なくとも１つの既知の形態に基づいた分割マスク信号を受信するようになっており、該分割マスクが、前記分割モジュール又はユーザ入力の少なくとも１つにより生成されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム（１０）。
10. 　前記比較モジュール（５０）が更に、（Ｓ１＊Ｓ２）／（Ｓ２＊Ｓ２＋Φ）を含む拡張除算法によって、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の前記適応比較信号を生成するようになっていることを特徴とする、請求項７に記載のシステム（１０）。

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