JP2005261596A - 画像処理装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】純粋な被検査体領域を高精度にかつ安定して取得可能とする。
【解決手段】X線撮影画像から非X線照射領域と素抜け領域を除去して略被検査体領域を取得する(S201〜S203)。そして、この略被検査体領域を解析することにより、該略被検査体領域中に初期領域を決定し、この領域を成長させることにより被検査体領域を取得する(S204)。ここで、領域の成長においては、領域内外を判定すべき対象画素と、該対象画素に隣接する領域内の画素との画素値の差に基づいて、該対象画素の領域内外を判定することにより、初期領域を拡大していく。そして、領域成長によって得られた被検査体領域に対応する部分をX線撮影画像より取得して被検査体領域画像を得る。
【選択図】 図2

Description

本発明は、X線画像からより精密かつ正確に被検査体領域を取得するための画像処理技術に関する。
近年、画像情報のデジタル処理の発達により医療用のX線画像においてもデジタル処理を施すことが一般的となってきた。特に、従来のフィルムを用いたX線撮影に代わり、デジタルにてX線画像データを出力可能なセンサも開発されており、そのようなセンサを用いたX線撮像装置において医療用X線画像のデジタル処理は不可欠となっている。センサやカメラ等で撮影された画像のデジタル処理としては種々のものが適用され得るが、撮影されたデータに対して階調変換を施すことにより取得データを観察しやすい濃度値の画像に変換する階調変換処理は重要な画像処理の一つとなっている。
例えば、図11(a)、(b)は膝関節部のX線撮影画像であり、1201は画像全体を示し、1202は例えば被検査体領域である膝関節部およびその周辺部の領域が抽出された状態を示す。上述したように、センサやカメラ等何らかの撮影装置で撮影されたデータを、モニター画面やX線診断用フィルム等に表示する場合、撮影されたデータに対して階調変換を施すことにより、撮影データを観察しやすい濃度値に変換するのが一般的である。例えば膝関節部等の撮影データをX線診断用フィルムに表示する場合には、撮影データから階調変換のための特徴量(例えば平均濃度値)を抽出し、抽出した特徴量が所定値(例えば一定濃度値)になる様に変換することが行われる。
上述の様な階調変換を行うための一般的な方法について、図11(a)、(b)を参照して説明すると次のようである。まず、画像1201中のX線照射領域から素抜け領域を除去することにより被検査体の存在する画像領域(被検査体領域)1202を取得する。そして、取得した被検査体領域1202内の画素値について統計的調査を行って特徴量等を算出する。例えば画素値のヒストグラムを作成し、作成したヒストグラムを解析して特徴量を計算したり、また例えば取得した被検査体領域1202内の平均画素値等の統計量を計算する。そして、その特徴量や統計量に基づいて階調変換を行う。
ところが、このような方法では被検査体領域内の画素値分布が通常でない場合、例えば図11(c)、(d)に示すようにビスや人工関節などの金属に代表されるX線遮蔽物体が被検査体領域内に存在する場合は、その画像が上記特徴量や統計量に影響を及ぼすことになる。この結果、階調変換後の画像が不安定になるといったような問題が生じる。よって、階調変換を行うためには、X線遮蔽物体などを除去した純粋な被検査体領域を取得することが行われている。
純粋な被検査体領域を取得する方法としては、例えば経験に基づいて設定された閾値を用いて2値化処理を行う方法や、図12の(a)に示すように被検査体領域1204のヒストグラム1301を作成し、ヒストグラム解析によって、例えばピーク間の谷間部分の画素値を検出し、この画素値を境にしてX線遮蔽物体の画像と被検査体の画像とを分離する方法が知られている(図12の(b))(非特許文献1参照)。
「画像処理工学・基礎編」谷口慶治編集、共立出版株式会社(1996) 第5章(p.79-97) 画像の領域分割
しかしながら、経験に基づくある閾値を用いた2値化処理では、X線検査の撮影条件が変化した場合に閾値が不適切となる可能性があり、X線遮蔽物体と被検査体を正しく分離できなくなるという課題がある。また、図12に示すようなヒストグラム解析を行う方法では、ある程度適切に閾値を設定することができるが、例えばX線遮蔽物体と被検査体の画素値が近似したり一部逆転しているような症例に対しては、適切にX線遮蔽物体と被検査体を分離できなくなるという課題がある。
本発明は上述の様な課題を解決するためになされたものであり、純粋な被検査体領域を高精度にかつ安定して取得可能とすることを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の一態様による画像処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
X線撮影画像から非X線照射領域と素抜け領域を除去して第1領域を取得する取得手段と、
前記第1領域の画像を解析することにより、該第1領域中に初期領域を決定する決定手段と、
領域内外を判定すべき対象画素と、該対象画素に隣接する領域内の画素との画素値の差に基づいて、該対象画素の領域内外を判定することにより、前記初期領域を拡大して第2領域を得る領域成長手段と、
前記領域成長手段によって得られた前記第2領域に対応するX線撮影画像により第2領域画像を生成する生成手段とを備える。
また、本発明他の態様による画像処理方法は、
X線撮影画像から非X線照射領域と素抜け領域を除去して第1領域を取得する取得工程と、
前記第1領域の画像を解析することにより、該第1領域中に初期領域を決定する決定工程と、
領域内外を判定すべき対象画素と、該対象画素に隣接する領域内の画素との画素値の差に基づいて、該対象画素の領域内外を判定することにより、前記初期領域を拡大して第2領域を得る領域成長工程と、
前記領域成長工程によって得られた前記第2領域に対応するX線撮影画像により第2領域画像を生成する生成工程とを備える。
本発明によれば、純粋な被検査体領域を高精度にかつ安定して取得することが可能になる。また、例えば、このようにして得られた被検査体領域を用いて階調変換を行うようにすれば、金属等による影響を排除した階調変換が可能であり、良好な階調変換結果が得られる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態によるX線撮影装置100の構成を示すブロック図である。図1において、X線撮影装置100は、画像処理機能を有するX線の撮影装置であり、データ収集回路105、前処理回路106、CPU108、メインメモリ109、操作パネル110、画像処理回路111を備えており、CPUバス107を介して互いにデータ授受されるように構成されている。また、X線撮影装置100は、データ収集回路105に接続された2次元X線センサ104及びX線発生回路101を有する。
上述の様な構成のX線撮影装置100において、まず、メインメモリ109は、CPU108での処理に必要な各種のデータなどが記憶されるものであると共に、CPU108の作業用としてのワークメモリを含む。CPU108は、メインメモリ109を用いて、操作パネル110からの操作にしたがった装置全体の各種動作制御等を行う。これによりX線撮影装置100は、以下のように動作する。
先ず、X線発生回路101は、被検査体103に対してX線ビーム102を放射する。X線発生回路101から放射されたX線ビーム102は、被検査体103を減衰しながら透過して、2次元X線センサ104に到達し、2次元X線センサ104によりX線画像として出力される。ここでは、2次元X線センサ104から出力されるX線画像を、例えば膝等の人体の部分の画像(人体部画像)とする。
データ収集回路105は、2次元X線センサ104から出力されたX線画像を電気信号に変換して前処理回路106に供給する。前処理回路106は、データ収集回路105からの信号(X線画像信号)に対して、オフセット補正処理やゲイン補正処理等の前処理を行う。この前処理回路106で前処理が行われたX線画像信号は原画像として、CPU108の制御により、CPUバス107を介して、メインメモリ109や画像処理回路111に転送される。
画像処理回路111は、X線照射領域を取得するX線照射領域取得回路113、X線照射領域から素抜け領域を取得する素抜け領域取得回路114、X線照射領域と素抜け領域から略被検査体領域を取得する略被検査体領域取得回路115、略被検査体領域から被検査体領域を取得する被検査体領域取得回路116、被検査体領域から階調変換のための特徴量を算出する特徴抽出回路117、特徴抽出回路117で算出した特徴量に基づき画像の階調変換を行う階調変換回路118とを備える。なお、画像処理回路111は、ハードウエアで実現されてもよいし、その一部或いはすべてをソフトウエアで実現する二様に構成してもよい。
図2は第1実施形態による階調変換処理を説明するフローチャートである。また、図3は被検査体領域取得回路116の処理を説明するフローチャートである。また、図4は第1実施形態による被検査体領域取得処理の対象とする画像の一例であり、以下詳細に説明するが、401は原画像、402はX線照射領域取得後の画像(X線照射領域画像という)、403はX線照射領域から素抜け領域を削除して得られた画像(略被検査体領域画像という)、404は領域成長に用いる初期領域を示す画像、405は処理結果である被検査体領域を示す画像(被検査体領域画像という)である。また、図5は略被検査体領域を示す画像403から作成したヒストグラムである。図5のグラフの横軸は画素値を表し、縦軸はその頻度を示している。以下、本実施形態による階調変換処理について、これらの図を参照して詳細に説明する。
まず、CPU108の制御により、前処理回路106で処理された原画像(例えば股関節画像)401はCPUバス107を介して画像処理回路111へ供給される。原画像401を受信した画像処理回路111は、X線照射領域取得回路113により原画像401のX線照射領域を取得し、X線照射領域画像402を生成する(ステップS201)。次に素抜け領域取得回路114によりX線照射領域画像402の素抜け領域を取得し(ステップS202)、略被検査体領域取得回路115によりX線照射領域画像402から取得された素抜け領域を削除することにより略被検査体領域画像403を生成する(ステップS203)。
次に被検査体領域取得回路116により略被検査体領域画像403から被検査体領域画像405を生成する(ステップS204)。以下、ステップS204の処理について、図3〜図5を参照して詳しく説明する。
まず、略被検査体領域画像403のヒストグラムを作成する(ステップS301、図5)。次に作成されたヒストグラムから最大頻度画素値Vfを抽出する(ステップS302)。次に略被検査体領域画像403の最大画素値Vmを算出する(ステップS303)。続いて、被検査体領域の初期領域を設定する(ステップS304)。本例では、VfとVmの中間値 (Vf+Vm)/2 以上の画素値をもつ画素の集合を初期領域404として設定する(ステップS304)。次に初期領域404を所定の条件に従って領域成長させる(ステップS305)。本例では、領域内外で隣接する画素の画素値ViおよびVoが次式、
Vi−Vo < Th
を満たす場合に領域成長するものと定める。
ここでThはVmとVoにより定まる閾値(Th=f(Vm,Vo))であり、例えば図10の(c)のように与えられる。なお、上記において領域内の画素値とそれに隣接する領域外の画素値との差分をとるが、4近傍の領域成長法の場合には隣接する領域外の画素は最大4つ(上下左右)存在する。よって、それぞれについて差分をとり領域内か領域外かの判定をする。また、8近傍の領域成長法の場合には、斜めの4方向が加わり、最大8つの隣接画素が存在することになる。
以上の領域成長処理は領域が変化する限り繰り返し実行され、領域が変化しなくなったら処理を終了する(ステップS306)。こうして図3の処理を終了した時点で領域成長処理によって得られた領域に対応する原画像401の画像部分を被検査体領域画像405として出力する。図4に示されているように、被検査体領域画像405からはX線遮蔽物406の領域が除外されており、純粋な被検査体領域の画像が得られていることがわかる。
図2に戻り、以上のステップS204で取得された被検査体領域画像405を用いて特徴抽出処理を行い、抽出された特徴量に基づいて階調変換が行われる。即ち、まず、特徴抽出回路117は被検査体領域取得回路116で取得した被検査体領域画像405から特徴量を算出する(ステップS205)。この特徴量としては中間値や平均値などを用いることができる。そして、階調変換回路118において、特徴抽出回路117で算出した特徴量にもとづき、原画像401の階調変換を行う(ステップS206)。例えば、特徴量(中間値もしくは平均値)が所定の濃度になるように原画像401を階調変換する。
以上の様に、第1実施形態によれば、X線照射領域と素抜け領域に基づいて抽出された領域に対して領域成長法を適用することで、純粋な被検査体領域が取得される。即ち、領域成長法を基本としたアルゴリズムにより、撮影された画像内のビス、人工関節、プロテクタなどに代表されるX線遮蔽物体を除去した純粋な被検査体領域を取得できる効果がある。したがって、撮影された画像内にX線遮蔽物体が存在する場合に関しても、それらX線遮蔽物の影響を受けずに、安定して精度の高い階調変換を行うことができるとうい効果がある。
<第2実施形態>
第2実施形態では撮影部毎に初期領域の設定や領域成長の条件を切り替える攻勢を説明する。図6は、第2実施形態によるX線撮影装置700の構成を示すブロック図である。図6において第1実施形態(図1)と同様の構成には同一の参照番号を付してある。第2実施形態のX線撮影装置700と、第1実施形態によるX線撮影装置100との相違は、画像処理回路711に部位情報取得回路712が追加された点と、被検査体領域取得回路116において部位情報取得回路712で取得された部位情報に基づいて初期領域の作成処理及び領域成長において用いる閾値を変更する点である。したがって、以下では部位情報取得回路712の追加により変更となる被検査体領域取得回路716の処理内容について詳細に説明する。
図7は第2実施形態による階調変換処理を示すフローチャートである。また、図8は第2実施形態による被検査体領域取得回路716の処理を説明するフローチャートである。以下、第1は実施形態と同様に図4の例を用いて各処理を説明する。なお、図9は後述する領域成長に用いる初期領域の設定方法、図10は後述する領域成長に用いる閾値を示すグラフであり、それぞれ対象部位に応じて設定されている。
まず、CPU108の制御により、前処理回路106で処理された原画像(例えば股関節画像)401が画像処理回路711に受信される。原画像401を受信した画像処理回路711は、部位情報取得回路712により原画像401の部位情報を取得しメインメモリ109に格納する(ステップS801)。なお、部位情報取得回路712の具体的な処理としては、パターンマッチングなどの手法により原画像401から自動的に撮影部位を検出する方法や、操作パネル710を利用してオペレータに部位を選択・指定させる方法などが考えられる。いずれの方法を用いてもよいかまわない。
続いてX線照射領域取得回路113、素抜け領域取得回路114、略被検査体領域取得回路115によって略被検査体領域画像403を取得する(ステップS802〜S804)が、これらの処理は第1実施形態(図2)におけるステップS201〜S203と同様であるので説明は省略する。
次に被検査体領域取得回路716により略被検査体領域画像403から被検査体領域画像405を生成する(ステップS805)。その処理の流れを図8に従い説明する。なお、ステップS901〜S903については、第1実施形態(図3)におけるステップS301〜S303と同様である。
ステップS904において、被検査体領域の初期領域を設定するが、ここでは上記ステップS801において部位情報取得回路712がメインメモリ709に格納した部位情報を用いて、各部位毎に設定した初期領域の形成ルールを選択し、選択したルールに従って初期領域404を設定する(ステップS904)。図9は第2実施形態による初期領域の形成ルールの保持例を示す図である。図9に示すように、撮影対象部位(胸部、頭部、四肢…)毎に、初期領域として選択すべき画素値の範囲(初期領域形成ルール)が設定されている。したがって、例えば、図4の例示のごとく撮影部位が「四肢」であれば、「最大頻度の画素値と最大頻度の中間値以上を初期領域とする」というルールが選択され(図9)、これにしたがって初期領域404が形成される。なお、図9に示した初期領域の条件は、各部位の撮影画像の特徴に応じて設定された条件の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。
次に、初期領域404をある条件に従い領域成長させる(ステップS905)が、第1実施形態と同様に、領域内外で隣接する画素の画素値ViおよびVoが次式、
Vi−Vo < Th(Vm,Vo,部位情報)
を満たす場合に領域成長すると定める。
ここでThはVmとVoと部位情報により定まる閾値(Th=f(Vm,Vo,部位))であり、例えば図10のように与えられる。即ち、ステップS905では、ステップS801において部位情報取得回路712がメインメモリ709に格納した部位情報を用いて、領域成長のルールを変更、選択し、選択されたルールで領域成長を実行することになる。なお、図10に示される閾値の関数は、X線遮蔽物体の存在しにくい画素値の比較的高い領域は閾値が低く(領域成長しやすく)、X線遮蔽物体の存在しやすい画素値の比較的低い領域では閾値が高く(領域成長しにくく)なっている。また、Thがマイナス無限大とは絶対に領域成長しない条件であり、この条件が撮影部位により異なるのは、統計的に求めた部位の特徴を反映しているからである。また、上記のように、最大画素値との差分値を用いて閾値を決定することにより、比較的画素値の高い領域や低い領域における閾値の適切な設定を実現している。なお、図10に示した閾値の関数は、各部位の撮影画像の特徴に応じて設定された関数の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。
以上の領域成長処理は領域が変化する限り繰り返し実行され、領域が変化しなくなったら処理を終了する(ステップS906)。こうして図8の処理を終了した時点で領域成長処理によって得られた領域に対応する原画像401の画像部分を被検査体領域画像405として出力する。図4に示されているように、被検査体領域画像405からはX線遮蔽物406の領域が除外されており、純粋な被検査体領域の画像が得られていることがわかる。
以上の様に第2実施形態によれば、第1実施形態の効果に加え、撮影部位に適した初期領域や成長条件を設定して領域成長法を基本としたアルゴリズムを適用できる効果がある。また、これにより撮影された画像内のビス、人工関節、プロテクタなどに代表されるX線遮蔽物体を高精度に除去でき、純粋な被検査体領域を安定して取得できる効果がある。したがって、撮影された画像内にX線遮蔽物体が存在する場合に関しても、それらの影響を受けずに、安定で精度の高い階調変換を行うことができる効果がある。
<他の実施形態>
本発明の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
この場合、記憶媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク,ハードディスク,光ディスク,光磁気ディスク,CD−ROM,CD−R,磁気テープ,不揮発性のメモリカード,ROMなどを用いることができる。
また、コンピュータが読出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
さらに、記憶媒体から読出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
以上のように上記実施形態によれば、X線の照射された領域および素抜け領域に基づいて取得した略被検査体領域から、純粋な被検査体領域を取得することが可能となる。また、特に、略被検査体領域の画素値分布に基づいて初期領域を設定し、設定した初期領域を領域内外の画素値に基づいて領域成長させるので、安定して精度の高い被検査体領域取得が可能である。特に、領域内外の画素値に基づいて領域内外の判定を行うにおいて、略被検査体領域の画素値分布に基づいて設定した初期領域を、領域内外の画素値および画素値分布に基づいて領域成長させることにより、より安定して精度の高い被検査体領域取得が可能である。
また、上記の初期領域の設定や、領域成長において、その処理内容をX線撮影画像の撮影部位に応じて変化させるさせることにより、さらに安定して精度の高い被検査体領域取得が可能となる。
第1実施形態によるX線撮影装置の構成を示すブロック図である。 第1実施形態による階調変換処理を説明するフローチャートである。 第1実施形態による被検査体領域取得処理を説明するフローチャートである。 股関節画像を示す図である。 股関節画像の略被検査体領域から生成したヒストグラムを示す図である。 第2実施形態によるX線撮影装置の構成を示すブロック図である。 第2実施形態による階調変換処理を説明するフローチャートである。 第2実施形態による被検査体領域取得処理を説明するフローチャートである。 第2実施形態の領域成長に用いる、撮影部位毎に設定された初期領域の形成ルールを示す図である。 領域成長処理に用いる閾値を説明する図である。 膝関節画像を示す図である。 膝関節画像の略被検査体領域のヒストグラムによる解析方法を説明する図である。

Claims (11)

  1. X線撮影画像から非X線照射領域と素抜け領域を除去して第1領域を取得する取得手段と、
    前記第1領域の画像を解析することにより、該第1領域中に初期領域を決定する決定手段と、
    領域内外を判定すべき対象画素と、該対象画素に隣接する領域内の画素との画素値の差に基づいて、該対象画素の領域内外を判定することにより、前記初期領域を拡大して第2領域を得る領域成長手段と、
    前記領域成長手段によって得られた前記第2領域に対応するX線撮影画像により第2領域画像を生成する生成手段とを備えることを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記第2領域画像から特徴量を算出し、該特徴量に基づいて前記X線撮影画像もしくは前記第1領域画像の階調変換を実行する変換手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記決定手段は、前記第1領域画像における最大頻度の画素値と、最大の画素値とに基づいて前記初期領域に属すべき画素値を設定することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  4. 前記決定手段は、前記X線撮影画像における撮影部位に応じて前記初期領域に属すべき画素値の設定方法を変更することを特徴とする請求項3に記載の画像処理装置。
  5. 前記領域成長手段は、前記対象画素の画素値とこれに隣接する領域内画素の画素値との差を閾値と比較することにより領域内外判定を行い、該閾値が前記対象画素の画素値の関数であることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  6. 前記領域成長手段において、前記閾値は、前記第1領域画像の最大画素値と前記対象画素の画素値との差の関数であることを特徴とする請求項5に記載の画像処理装置。
  7. 前記領域成長手段は、前記X線撮影画像における撮影部位に応じて前記閾値の関数を変化させることを特徴とする請求項6に記載の画像処理装置。
  8. 前記X撮影画像から前記撮影部位を自動的に検出する検出手段手段を更に備えることを特徴とする請求項4または7に記載の画像処理装置。
  9. X線撮影画像から非X線照射領域と素抜け領域を除去して第1領域を取得する取得工程と、
    前記第1領域の画像を解析することにより、該第1領域中に初期領域を決定する決定工程と、
    領域内外を判定すべき対象画素と、該対象画素に隣接する領域内の画素との画素値の差に基づいて、該対象画素の領域内外を判定することにより、前記初期領域を拡大して第2領域を得る領域成長工程と、
    前記領域成長工程によって得られた前記第2領域に対応するX線撮影画像により第2領域画像を生成する生成工程とを備えることを特徴とする画像処理方法。
  10. 請求項9に記載の画像処理方法をコンピュータに実行させるための制御プログラム。
  11. 請求項9に記載の画像処理方法をコンピュータに実行させるための制御プログラムを格納した記憶媒体。
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