JP2008507998A - 放射線写真上の異なる構造の知覚を改善するための方法および装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、(a)ローカル空間強度分布として、電子的形態で提供された放射線写真(10)を記憶することと、(b)周波数強度分布を定めるために、フーリエ変換を行うことと、(c)知覚が改善される構造の平均構造サイズを考慮して、より強く重みづけされる画像信号成分が設定されるように、高周波数および低周波数の前記画像信号成分の間で重みづけを変更することにより、前記周波数強度分布をフィルタリングすることと、(d)前記構造がより容易に知覚される、変更された空間強度分布を得るために、前記フィルタがかけられた周波数空間強度分布の逆フーリエ変換を行うこと、を備えた画像処理装置(20)を用いて、放射線写真(10)上の異なる構造(18)の知覚の改善のための方法に関する。例えば骨またはインプラントのような容易に知覚できる構造とは異なるサイズの量と構造とを有している軟らかい細胞組織構造は、放射線写真上で構造がほとんど知覚できないので、ほとんど知覚できない構造に対する画像のコントラストは、フーリエスペクトラムの画像信号成分における低周波数に対する高周波数の重みづけを変更することにより、選択的に改善される。

Description

本発明は、放射線写真上の異なる構造の知覚を改善するための方法、および、そのための適した画像処理装置に関する。
医療診断において、X線画像のような放射線写真を判断することは、非常に重要である。骨、インプラントまたは同様の構造は、一般に、周囲の軟らかい細胞組織から明確に目立つので、容易に知覚できる。一方、腱または血管のような、軟らかい細胞組織構造は、一般に、放射線写真上では、ほとんどかすかにしか再現されない。しかしながら、多くの病状では、実際には、重要である軟らかい細胞組織構造を知覚する。さらに、似たタイプの細胞組織を、他の組織から識別することは、しばしば困難である。例えば、放射線写真上で、大きな骨の上に画像化された小さな骨は、裸眼ではほとんど認識されない。同様のことが、軟らかい細胞組織構造にも適用される。したがって、そのような場合には、医者は、しばしば、診断しないか、または、放射線写真に基づいて、信頼できない診断のみをする。
放射線写真のデジタル化が、ある程度の改善をもたらした。例えば、選択された画像領域内のコントラストを強化するような、画像処理の既知の方法を用いて、軟らかい細胞組織構造が、時々、明確に強調できる。しかし、一般に、骨の上に位置する腱は、それによって、知覚され得ない。これは、腱を表す画像の信号成分の信号レベルの小さな変動が、高いバックグランドの骨の信号レベルから、有意に目立たないためである。画面として用いられるモニタは、最高の状態でも、なお信号の小さな変動を、強度の変動として再現するけれども、これらは、普通とても小さいので、裸眼ではほとんど知覚できない。
したがって、本発明の目的は、放射線写真上の異なるタイプの構造の知覚を改善するための方法および装置を提供することである。
この目的は、特許請求項1の特徴を有する方法と、特許請求項9の特徴を有する装置とによって、達成される。
本発明は、多くの場合において、その知覚が改善されることを目的としている構造は、程度の差はあるが、そのサイズおよび細かさに対して、放射線写真上に画像化された他の構造とは有意に異なっている、という発見に基づいている。小さく細かい構造は、大きく粗い構造よりもフーリエスペクトラムにおいて高い周波数が認められるので、フーリエスペクトラムにおける高周波数の画像信号成分と低周波数の画像信号成分との間で重みづけを変更することにより、小さく細かい構造に対するか、または、大きく粗い構造に対する画像コントラストを強調することができる。知覚が不十分な構造が、容易に知覚ができる構造よりも、細かいのかまたは粗いのかの何れかによって、周波数空間における画像信号成分の重みづけが、高周波数または低周波数の画像信号成分のどちらか一方を選んで、変更される。
はじめに知覚が不十分である構造が、重みづけされる画像信号成分が特許請求項2にしたがって設定された時に、特に明確に目立つようになされる。
特許請求項3にしたがった極めて単純なフィルタリングにおいて、周波数空間の強度分布に、フィルタ関数が単に乗じられる。
重みづけされる周波数範囲を設定するために、特許請求項4および5にしたがって、中央周波数値およびプロファイル関数を用いることによって、フィルタリングが、比較的少ないパラメータで都合よく制御される。
逆フーリエ変換後においてもなおガウス分布関数に留まる性質のため、特許請求項6にしたがって、ガウス分布関数がプロファイル関数として特に適している。この時、フィルタリングは、位置空間において、強度分布とガウス分布関数とのコンボリューションとして表され得る。これは、強度分布が突然に変化し、画像が極めて高いコントラストを有するという、フィルタリングが画像における位置の発散に至ることを防止する。
その重みづけが変更された周波数または周波数範囲は、知覚が改善される目的とされている構造の平均構造サイズにしたがって定められる。平均構造サイズまたは対応する周波数範囲は、前もって固定されるか、または、特許請求項7にしたがって、画像処理装置の制御要素を用いるか若しくは上位コンピュータのユーザインタフェースを経由して自由に選択可能である。決定的なフィルタパラメータを変更することにより、それゆえ、治療する医者は、極めて多種多様な放射線写真上で興味がある構造の知覚を都合よく改善できる。
さらに、適応的手法を経由して、周波数範囲の自動決定が、特許請求項8にしたがって、また実現可能である。
その知覚が改善されることを目的としている構造は、例えば、特許請求項9または10で特定されるように、このケースでは、選択されるかもしれない。
特許請求項11にしたがって、追加の高周波数フィルタリングが、例えば特許請求項12にしたがったガウス分布フィルタを用いて、信号ーノイズ比の増加を導く。これは、画像構造を反映する画像信号成分が、高周波数のバックグランドノイズに相対的に強調されるためである。そのようなフィルタリングは、フーリエ振幅が、実際にしばしば表される画像における周波数fの増加と共に減少する、という事実を補償する。
上記方法に関して上述した有利な構成および利点は、また、本発明の画像処理装置に対して同様に適用される。
本発明の他の特徴および利点が、例となる実施形態の下記の記載において、図面を参照して、見つけられるであろう。
図1は、指12の典型的なX線画像10を示す。画像10上には、いくつかの指の骨14と、それらを取り囲む軟らかい細胞組織16とを見ることができる。軟らかい細胞組織16と比較して高い密度のため、指の骨14は、高いコントラストで軟らかい細胞組織16から目立っており、一方、腱18のような軟らかい細胞組織構造は、X線画像10上ではほとんど知覚できない。したがって、X線画像10を用いて、軟らかい細胞組織16のような構造を診断することは、極めてまったく信頼できないことに悩まされる。
例え、従来の記録された画像10がスキャナでデジタル化され、高いコントラストでモニタ上に映されても、軟らかい細胞組織構造18は、見ることが困難なままである。指の骨14または密度の高い他の硬い細胞組織を映す画像信号成分が、非常に高い信号レベルを有しているということが、この理由である。興味のある軟らかい細胞組織構造18を表す信号レベルの小さな変動は、指の骨14の高い信号レベルに対して、ほとんど影響を有さない。高い画質のモニタは、それでも、強度変動として、信号レベルに小さな変動を再現することもあるが、とはいえ、これらの変動は、とても小さいので、裸眼ではほとんど知覚できない。同じことが、さらに、PSL画像プレート(PSL=光子刺激ルミネッセンス)に適用される。PSL画像プレートは、化学的に開発されたというよりは、X線画像がその中に潜在的に含まれており、モニタ上で観察する前に光機械式の走査処理を経由して読み出される必要がある。
軟らかい細胞組織構造18の知覚を改善するために、デジタル化されたX線画像10が、それゆえ、画像処理装置20で処理される。この装置の構造が図2に示される。画像処理装置20は、スキャナSCANで生成されたデジタル画像データが記憶され得るメモリMEMを備えている。デジタル画像データは、各画像ポイントP(x、y)に対して強度I(x、y)を与える。各画像ポイントPは、16ビットで符号化されるので、例えば65000以上の輝度値が識別され得る。
メモリMEMは、メモリMEMから読み出されたデジタル画像データがフーリエ変換の対象となされる、フーリエ変換ユニットFTにつながっている。フーリエ変換ユニットFTにより生成された周波数空間強度分布F(f、f)は、座標fおよびfが及ぶ周波数空間に亘る複素関数であり、明らかに、振幅密度スペクトラムを示す。
画像処理装置20は、さらに、フィルタユニットFILを備えている。周波数空間強度分布F(f、f)は、このフィルタユニットFILにより、異なる周波数範囲の重みづけが変更されるように、フィルタがかけられ得る。これは、より詳細には、図3から6を参照して、下記に説明される。
最後に、画像処理装置20は、逆フーリエ変換ユニットFT−1を備えている。逆フーリエ変換ユニットFT−1は、フィルタユニットFILによりフィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f、f)を、元の位置空間に変換して、変更された位置空間強度分布I´(x、y)が得られる。変更された位置空間強度分布I´(x、y)が映されるモニタ24は、画像処理装置20の出力22につながっていてもよい。
フィルタユニットにおける周波数空間強度分布F(f、f)のフィルタリングは、より詳細には、図2から6を用いて、下記に説明される。
図3は、位置空間における画像座標xに対する強度分布I(x)を示す。簡単のため、周期的な分布が仮定されている。強度分布I(x)は、周期Pの大きなスケールのコサイン強度分布と、周期Pの小さなスケールのコサイン強度分布との重ね合わせを表している。この単純化した実施例において、大きなスケールの強度分布は、骨の形状(ここではコサイン状と仮定する)を反映するものであり、一方、小さなスケールの強度分布は、露出方向に骨の上に配置された、コサイン状の軟らかい細胞組織構造の形状(同様にコサイン状と仮定する)を表わす。軟らかい細胞組織構造の特徴的な寸法は、骨のものよりも非常に小さい。周期の半分の長さは、すなわちコサイン関数の1つの波の頂上は、それぞれ、特徴的な構造のサイズに対応する。
図3に見られるように、骨に関連する大きなスケールの強度分布の比較的高い信号レベルに対して、軟らかい細胞組織構造に関連する小さなスケールの強度分布は、バックグランドに消えていくので、小さなスケールの強度分布の比較的小さな変動は、もし図3に示される全体の強度分布I(x、y)がモニタに映された場合には、ほとんど知覚できないだろう。
図4は、図3に示される位置空間強度分布I(x)に対する、周波数空間強度分布F(f)を示す。強度分布I(x)の直流成分を反映する周波数f=0における寄与のそばに、周波数空間強度分布F(f)は、また、値fの寄与と、値fの寄与とを有している。低い方の周波数fは、周波数空間強度分布の大きなスケールの成分を表わしており、高い方の周波数fは、周波数空間強度分布の小さなスケールの成分を表わしている。
周波数値fにおける寄与の振幅が減少され、周波数値fにおける寄与の振幅が増加されるように、周波数空間強度分布F(f)のフィルタリングがなされる。これは、例えば、式(1)に示すように、以下の操作により達成される。
Figure 2008507998
ここで、rおよびrは、r>1およびr<1のゲインファクターである。フィルタリングにより、フィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f)が、図5に示される。図4との比較から見られ得るように、周波数fにおける信号成分および周波数fにおける信号成分の重みづけは、周波数fにおける高周波数の画像信号成分を選んで変更されている。
図6は、フィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f)から逆フーリエ変換により得られた、変更された強度分布I´(x)を示す。軟らかい細胞組織構造を反映している、小さなスケールの強度の変動が、今、フィルタリングの前よりも大きな振幅を有しており、したがって、骨を反映する大きなスケールの変動に対して非常によく強調されていることが、図において明確に見られ得る。
1次元のみのコサイン構造への制限のおかげで、上述した実施例は、非常に大まかな単純化を表わしているが、フィルタリングの本質を特に明確に明らかにしている。しかしながら、実際の画像では、画像化された構造は、広さの制限の中で、任意のプロファイルを有しており、フーリエ変換により得られる周波数空間強度分布は、周波数の連続関数を表わす。そこで、上述した実施形態のように、もし個々の周波数の振幅のみが増加されるかまたは減少されるかした場合には、フィルタがかけられた画像に目立たない影響しかもたらさない。
この理由のため、画像信号成分の重みづけは、個々の離散的な周波数に対してのみなされるのではなく、周波数帯に対してなされることが好ましい。重みづけが変更される対象となる各周波数帯は、適切なプロファイル関数を用いて設定される。ガウス分布関数は、逆フーリエ変換後もなおガウス分布の形状を残す性質を有しているので、プロファイル関数として特に適切である。周波数空間強度分布にガウス分布関数を乗じることで、画像信号成分を重みづけすることは、したがって、位置空間においては、強度分布I(x、y)とガウス分布関数とのコンボリューションをとることに対応する。これは、言い換えると、強度分布が突然に変化する位置であり、極めて高いコントラストを有する位置が、フィルタリング後に空間的に発散しないという効果をもたらす。
図7は、任意の1次元の位置空間強度分布に対する周波数空間強度分布F(f)を示す。つまり、コサイン分布を構成しない分布の例である。鎖線は、第1のプロファイル関数g(f)と、第2のプロファイル関数g(f)とを示す。両方の場合とも、式(2)で与えられるように、ガウス分布関数である。
Figure 2008507998
z1およびfz2それぞれは、中央値であり、wおよびwそれぞれは、中央値と屈曲との間の距離である。距離wおよびwは、ベル型のプロファイル関数g(f)およびg(f)の幅の尺度である。この実施例におけるフィルタの効果は、プロファイルカーブg(f)の内部の中央値fz1周囲に位置する周波数のフーリエ振幅が下げられるというものである。一方、プロファイルカーブg(f)の内部の中央値fz2周囲に位置する周波数のフーリエ振幅は高められる。
具体的には、このケースの周波数空間強度分布F(f)のフィルタリングは、式(3)にしたがって行われる。
Figure 2008507998
ここで、T(f)は、式(4)で与えられるフィルタ関数である。
Figure 2008507998
このケースにおけるゲイン係数rおよびrは、プロファイル関数によって特定される周波数範囲内のフーリエ振幅が、どの位の強さで変更されるのかを示す。示された実施例では、低い方の周波数fz1周囲のフーリエ振幅が高められることが目的なので、r>0である。一方ゲイン係数rに対しては、フーリエ振幅の減少に導くr<0である。
周波数空間強度分布F(f)において、図7で示されたフィルタリングの効果が、図8に示されている。フィルタプロファイルg(f)およびg(f)内に位置する周波数に対するフーリエ振幅は、それぞれ、フィルタ関数T(f)を用いたフィルタリングによって、減少および増加されている。このようにして、指の骨14の大きなスケールの構造が、モニタ24上に示された画像の腱18のような小さなスケールの構造から目立たなくなり、後者が医者に対してより容易に知覚できる。
上記実施例においてプロファイル関数を用いた周波数空間強度分布F(f)のフィルタリングが、ペア(fzj、w)の値により定められるということが、式(2)ー(4)から見られ得る。図3から6を用いて上述した実施例において、中央値fzjは、また、これらの周波数fzjが対応する周期の長さの半分が、フィルタリングが画像において強調するかまたは弱めるかという目的とする構造の寸法のおおよそのオーダとなるように選択されることが好ましい。これらの典型的な構造の寸法が、すべてのあり得る用途に対して同じであるならば、プロファイル幅wと共に中央値fzjが、前もって、画像処理装置20に設定されてもよい。
しかしながら、これらのパラメータは、画像処理装置20に備えられているインターフェース要素26,28を用いて、医者により、自由に選択されることが、軟らかい細胞組織構造の知覚を改善するために好ましい。倍率に依存して、骨のタイプおよび配置と、調査対象の軟らかい細胞組織構造のタイプとは、一方で、それぞれの特徴的な寸法が、全く異なるかもしれないので、モニタ24の観察中の調整が、一般に、最善の結果をもたらす。
この代わりに、重みづけが変更される画像信号成分が、また、適応的手段を経由して、画像処理装置20により自動的に設定されてもよい。この目的を達成するためには、処置する医者が、どの軟らかい細胞組織構造がより知覚可能に表わされるべきかを規定する必要がある。このために、医者は、関係する軟らかい細胞組織構造の端の領域を選択して、それに印をつけることが好ましい。符号30により印されたマーキングが、例として、図1に示されている。このマーキングは、X線画像10を表示するために用いられているモニタ上に、医者が、例えばカーソルを用いて、作ったものであり、示された例において、2つの点と、それらを結ぶ線32とを含んでいる。画像処理装置20は、その後、複数の周波数範囲に対して、上述したフィルタリングを行い、マーキング30の点の間の線32に沿って、このフィルタリングによりコントラストが改善された範囲を、それぞれ、チェックする。その後表示される変更された強度分布は、最大のコントラストが得られたフィルタリングから得られたものである。
今まで述べた実施例では、フーリエ振幅が、1つの周波数範囲においてのみ、フィルタリングにより増加されており、フーリエ振幅が、1つの周波数範囲においてのみ、減少されているということが仮定されていた。しかしながら、知覚を改善するめには、重要なのは振幅比のみであり、原理上は、上記手段の一つで、知覚を改善するためには十分であるかもしれない。一方、知覚の望ましい改善を達成するためには、2つ以上の周波数範囲において、フーリエ振幅を変更することが都合がよいかもしれない。これは、式(2)、(3)および(4)における指数jに対して、値1,2のみだけでなく、また、より大きな値を有してもよいことを意味する。
説明の仕方を単純にするために、図7および8と共に説明した実施例は、1次元強度分布I(x)に制限されていた。画像処理のために、上述した式は、2次元に拡張されなくてはいけない。そこで、式(3)は、式(2)および(4)を考慮して、下記の式(5)ように記載される。
Figure 2008507998
その上、フィルタ関数T(f、f)は、信号ーノイズ比を改善するために、また、プロファイル関数がさらに乗じられてもよい。もし、このプロファイル関数が、例えば、高周波数画像信号成分がノイズ中で失われる周波数に対応するところの、中央周波数f=0、幅wを有するガウス分布であるならば、画像信号成分が、バックグランドノイズに対して増幅される。常に存在するノイズ信号が、普通、高周波数で支配的であるというように、実際にしばしば表されおり、フーリエ振幅が画像における周波数fの増加と共に減少するという事実が、プロファイル関数のこの選択により補償される。
説明した実施形態における上記の解説および説明は、単なる一例であり、特に軟らかい細胞組織構造の知覚の改善に限定されるものではないということが理解される。はじめに説明したように、軟らかい細胞組織構造が、上述した方法で、骨のような硬い細胞組織構造から、うまく識別できるだけではなく、その寸法が互いに異なる限り、また同様のタイプの細胞組織構造が、他の構造からうまく識別され得る。
図1は、指の骨と軟らかい細胞組織構造が見られるX線画像を示す。 図2は、本発明の画像処理装置のブロックダイアグラムを示す。 図3は、1次元の周期的位置空間強度分布I(x)を示す。 図4は、図3の位置空間強度分布I(x)に対する、周波数空間強度分布F(f)を示す。 図5は、図4に示される周波数空間強度分布F(f)をフィルタリングしたことにより生成された、フィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f)を示す。 図6は、図5に示されるフィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f)の逆フーリエ変換により得られた、位置空間強度分布I´(x)を示す。 図7は、2つのプロファイル関数g(f)およびg(f)を備えた、1次元の位置空間強度分布に対する周波数空間強度分布F(f)を示す。 図8は、図7に示される周波数空間強度分布F(f)のフィルタリングにより得られた、フィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f)を示す。

Claims (14)

  1. (a)位置空間強度分布として、電子的形態で提供された放射線写真(10)を記憶するステップと、
    (b)周波数空間強度分布を定めるために、フーリエ変換を行うステップと、
    (c)知覚が改善される構造の平均構造サイズを考慮して、より強く重みづけされる画像信号成分が設定されるように、高周波数および低周波数の前記画像信号成分の間で重みづけを変更することにより、前記周波数空間強度分布をフィルタリングするステップと、
    (d)これらの構造がより容易に知覚される、変更された位置空間強度分布を得るために、前記フィルタがかけられた周波数空間強度分布の逆フーリエ変換を行うステップと、
    を備えた、画像処理装置(20)を用いた、放射線写真(10)上の異なる構造(18)の知覚の改善のための方法。
  2. より強く重みづけされる前記画像信号成分は、その周波数に対応する周期の長さが、知覚が改善される前記構造の前記平均構造サイズのおおよそ2倍であるように設定される請求項1に記載の方法。
  3. 前記フィルタがかけられた周波数空間強度分布F´(f、f)は、下記の式で与えられており、
    Figure 2008507998
    ここで、F(f、f)は、前記位置空間強度分布に対する前記周波数空間強度分布であり、f、fは2次元周波数空間の周波数であり、T(f、f)は、画像信号成分の前記重みづけに対するフィルタ関数である請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記フィルタ関数が、少なくとも1つの中央周波数値と、少なくとも1つのプロファイル関数とにより設定されており、該フィルタ関数は、前記中央周波数値からの距離の関数として、前記画像信号成分の前記重みづけを変更する請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記フィルタ関数T(f、f)が、下記の式で与えられており、
    Figure 2008507998
    ここで、g(f、f、fzj、w)は、前記プロファイル関数であり、rは、前記中央周波数値fzjに対する重みづけファクタであり、wは、前記プロファイル関数の幅の尺度である幅パラメータである請求項3または4に記載の方法。
  6. 前記プロファイル関数g(f、f、fzj、w)が、下記の式で与えられるガウス分布関数である請求項5に記載の方法。
    Figure 2008507998
  7. 前記少なくとも1つの中央周波数値および前記少なくとも1つのプロファイル関数の前記設定が、前記画像処理装置(20)に備えられた制御要素(26,28)を用いて、変更され得る請求項4から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 操作者が、前記放射線写真上で、知覚が改善される構造を選択した後に、前記少なくとも1つの中央周波数値および前記少なくとも1つのプロファイル関数が、この構造のコントラストが増加するように、適応的に設定される請求項4から6のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記構造の境界の点と、それに沿って前記コントラストが増加される方向と、を特定することにより、該構造が選択される請求項8に記載の方法。
  10. 2つの点の間で前記コントラストが増加される、前記構造内の該2つの点を特定することにより、前記構造が選択される請求項8に記載の方法。
  11. 前記周波数空間強度分布F(f、f)が、また、高周波数フィルタリングを受ける請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記高周波数フィルタが、前記中央周波数値が0であるガウス分布フィルタにより与えられる請求項11に記載の方法。
  13. (a)位置空間強度分布として、電子的形態で提供された放射線写真(10)を記憶するメモリ(MEM)と、
    (b)周波数空間強度分布を定めるために、フーリエ変換を行うフーリエ変換ユニット(FT)と、
    (c)知覚が改善される構造の平均構造サイズを考慮して、より強く重みづけされる画像信号成分が設定されるように、高周波数および低周波数の前記画像信号成分の間で重みづけを変更することにより、前記周波数空間強度分布をフィルタリングするためのフィルタ(FIL)と、
    (d)これらの構造がより容易に知覚される、変更された位置空間強度分布を得るために、前記フィルタがかけられた周波数空間強度分布の逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換ユニット(FT−1)と、
    を備えた放射線写真(10)上の異なる構造(18)の知覚の改善のための画像処理装置。
  14. より強く重みづけされる前記画像信号成分は、その周波数に対応する周期の長さが、知覚が改善される前記構造の前記平均構造サイズの少なくとも約2倍であるように設定される請求項13に記載の画像処理装置。
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