JP2009100943A - 骨測定装置および骨画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】骨の特徴部位を画像処理によって特定する。
【解決手段】画像データ形成部は、尺骨と橈骨を含む画像の画像データを形成し、画像データ識別部１６は、画像データ内において骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する。分離線設定部２０は、識別された画像データに基づいて尺骨と橈骨に挟まれた骨間軟部組織に対応する画像部分を通る分離線を設定し、骨画像分離部２２は、分離線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより尺骨を含む画像部分を抽出する。茎状突起特定部２４は、尺骨を含む画像部分の形状に基づいて尺骨茎状突起を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、骨測定装置および骨画像処理方法に関し、特に骨の特徴部位を特定する技術に関する。

測定対象の骨に対してＸ線を照射して得られる骨の画像に基づいて骨を診断する装置が知られている（特許文献１〜３参照）。特に、特許文献１には、人の前腕にＸ線を照射して骨中に含有されるカルシウム等の骨塩量を計測する前腕用骨塩量測定装置が記載されている。

前腕用骨塩量測定装置は、肘と手首との間の前腕、特に橈骨と尺骨を測定対象とする。前腕を測定する場合、被検者は左右いずれかの腕の肘をほぼ直角に折り曲げた状態で前腕を装置の載置台に置き、そして、装置の計測ユニットが測定個所に移動されてＸ線の照射と検出が行われる。前腕の測定個所としては、例えば、前腕長を１／Ｎ（Ｎ＝３など）に内分する位置が利用される。前腕長は、例えば、尺骨の手首側の先端に存在する尺骨茎状突起と肘頭との間の距離として定義される。そのため、尺骨茎状突起や肘頭の位置は、正確に検出されることが望ましい。

特許第２７３５５０７号公報 特開平７−１６８９４４号公報 特開平７−２３６６３１号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、前腕長を定義するための尺骨茎状突起の位置を確認する技術に注目した。そして、尺骨に限らず尺骨を含む測定対象骨の特徴部位を自動認識する技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、骨の特徴部位を画像処理によって特定することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の骨測定装置は、被検体内の２本の対象骨を含む画像の画像データを取得する画像データ取得部と、取得された画像データ内において骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する画像識別部と、識別された画像データに基づいて２本の対象骨に挟まれた骨間軟部組織に対応する画像部分を通る基準線を設定する基準線設定部と、設定された基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより２本の対象骨のうちの基準骨を含む画像部分を抽出する画像分離部と、前記基準骨を含む画像部分の形状に基づいて前記基準骨の特徴部位を特定する部位特定部と、前記基準骨の特徴部位の位置を利用して設定される測定位置において２本の対象骨のうちの少なくとも一方についての測定量を算出する測定量演算部と、を有することを特徴とする。

上記態様によれば、画像データに対する画像処理により基準骨の特徴部位が特定されるため、例えば検査者の触診により特定部位の位置を確認する場合に比べて、特徴部位の特定が容易になり特定の精度も向上する。

望ましい態様において、前記画像識別部によって識別された画像データ内において骨に対応した画像部分間の距離に基づいて骨間軟部組織に対応した画像部分の端部を設定する端部設定部を有し、前記基準線設定部は、前記端部から所定距離内にある骨間軟部組織の画像部分に基づいて基準線を設定することを特徴とする。

望ましい態様において、前記部位特定部は、前記端部の位置に基づいて前記基準骨を含む画像部分から前記基準骨の画像部分を選択し、前記基準骨の画像部分の形状から前記特徴部位を特定することを特徴とする。

望ましい態様において、前記部位特定部は、前記基準骨の画像部分に関する長手方向の先端を前記特徴部位とすることを特徴とする。

望ましい態様において、前記画像データ取得部は、被検体内の２本の対象骨である尺骨と橈骨を含む画像の画像データを取得し、前記画像分離部は、前記基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより前記基準骨である尺骨を含む画像部分を抽出し、前記部位特定部は、尺骨を含む画像部分の形状に基づいて前記特徴部位である尺骨茎状突起を特定することを特徴とする。

望ましい態様において、前記測定量演算部は、尺骨茎状突起の位置を利用して設定される橈骨遠位１／Ｎ（Ｎは自然数）の測定位置において測定量である骨密度を算出することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の骨画像処理方法は、被検体内の２本の対象骨を含む画像の画像データを取得する画像データ取得工程と、取得された画像データ内において骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する画像識別工程と、識別された画像データに基づいて２本の対象骨に挟まれた骨間軟部組織に対応する画像部分を通る基準線を設定する基準線設定工程と、設定された基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより２本の対象骨のうちの基準骨を含む画像部分を抽出する画像分離工程と、前記基準骨を含む画像部分の形状に基づいて前記基準骨の特徴部位を特定する部位特定工程と、を含むことを特徴とする。

上記態様の骨画像処理方法は、例えば、上記各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムによって具現化される。例えば、そのプログラムを読み込んだコンピュータが上記態様の骨画像処理方法を実行する。

本発明により、骨の特徴部位を画像処理によって特定することが可能になる。例えば、本発明の好適な態様によれば、画像データに対する画像処理により基準骨の特徴部位が特定されるため、検査者の触診により特定部位の位置を確認する場合に比べて、特徴部位の特定が容易になり特定の精度も向上する。

図１は、本発明に係る骨測定装置および骨画像処理方法の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、骨密度測定装置の全体構成が機能ブロック図によって示されている。

Ｘ線発生部１０は、被検体内の対象骨に対してＸ線を照射する。本実施形態における対象骨は、例えば人体の前腕の尺骨と橈骨である。Ｘ線発生部１０は、例えばビーム状のＸ線を照射する。Ｘ線はファンビーム状でもコーンビーム状でもよい。Ｘ線発生部１０から出力されて前腕を透過したＸ線はＸ線検出部１２によって検出される。

Ｘ線検出部１２は、照射されるＸ線の形状に応じて１次元的または２次元的に配列された複数のＸ線検出素子を備えている。Ｘ線発生部１０とＸ線検出部１２によって構成される測定ユニットは、適宜、測定位置を移動（走査）させて前腕の断層像を形成するための検出データを収集する。

画像データ形成部１４は、前腕から収集された検出データに基づいて、尺骨と橈骨を含んだ前腕に関する断層画像の画像データを形成する。本実施形態においては、画像データ形成部１４によって形成された画像データに対する画像処理により、尺骨茎状突起の位置が特定される。そして、尺骨茎状突起の位置を利用して設定される測定位置において骨密度が測定される。

そこで、図２から図７を利用して本実施形態の画像処理について詳述する。なお、図１に示す部分（構成）については、以下の説明において図１の符号を利用する。

図２は、尺骨５２と橈骨５４を含んだ前腕に関する断層画像の画像データを説明するための図である。本実施形態においては、断層画像内において尺骨５２が上（Ｙ軸の正方向側）で橈骨５４が下（Ｙ軸の負方向側）となるように装置に対して被検者の腕（左右どちらでもよい）が配置される。

図２において（図３から図７も同様に）、Ｘ軸は前腕の伸長方向に対応している。Ｘ軸の正方向側は遠位であり、Ｘ軸上のＸ_maxの位置まで断層画像の画像データが形成され、手首を構成する手根骨５６の一部も断層画像内に含まれている。一方、Ｘ軸の負方向側は近位であり、Ｘ軸上の原点の位置まで断層画像の画像データが形成される。本実施形態においては、画像データに対する画像処理により、断層画像内の尺骨５２の遠位側の先端である尺骨茎状突起の位置Ｘ_uが特定される。

画像データ形成部１４において前腕に関する断層画像の画像データが形成されると、画像データ識別部１６は、形成された画像データ内において、骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する。画像データ識別部１６は、例えば、エネルギーサブトラクションと呼ばれる公知の手法を利用して骨と軟部組織を識別する。これにより、図２に示すように、尺骨５２と橈骨５４と手根骨５６からなる骨に対応した画像部分と、骨以外の軟部組織に対応した画像部分とが識別される。骨と軟部組織とが識別されると、次に、尺骨５２と橈骨５４の間に位置する骨間軟部組織の端部が設定される。

図３は、骨間軟部組織６２に対応した画像部分の端部の設定を説明するための図である。画像データ識別部１６において骨と軟部組織が識別されると、骨間端部設定部１８は、識別された画像データ内において、骨と骨に挟まれた軟部組織の画像部分を骨間軟部組織６２とみなして、骨間軟部組織６２の端部を検索する。端部の検索は、骨間軟部組織６２の画像部分において、Ｘ軸に沿って原点から正方向側（遠位）に向かって行われる。そして、２つの骨の間の距離（Ｙ軸方向の距離）が極めて小さくなる位置に端部が設定される。例えば２つの骨に囲まれた領域のＹ軸方向の画素数が３画素未満となるＸ座標（Ｘ₁）に端部が設定される。

骨間軟部組織６２の端部が設定されると、分離線設定部２０は、骨間軟部組織６２に対応した画像部分を通る分離線を設定する。分離線の設定にあたり、分離線設定部２０は、まず、端部に対応したＸ₁からＸ_1-nの間の各Ｘ座標ごとに、骨間軟部組織６２の重心座標Ｙ_xgを次式のように算出する。

数１式において、右辺の分子は骨間軟部組織６２に該当する各画素のＹ座標の和であり、右辺の分母は骨間軟部組織６２に該当する画素の総数である。

さらに、分離線設定部２０は、Ｘ₁からＸ_1-nの間の各Ｘ座標ごとに算出された重心座標Ｙ_xgの平均値Ｙ_gを次式のように算出する。そして、平均値Ｙ_gを通りＸ軸に平行な直線を分離線として設定する。

図４は、分離線が設定された画像データを示す図である。分離線設定部２０によって設定された分離線は、図４において、座標Ｙ_gを通る破線で示されている。分離線が設定されると、骨画像分離部２２は、分離線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離する。つまり、座標Ｙ_gよりも小さい座標にある骨の画像部分を全て消去する。これにより、図４に示すように、分離線よりも大きい位置（Ｙ軸の正方向側）にある骨部５０のみが抽出される。図４と図２との比較から分かるように、図４の骨部５０には、尺骨に対応する部分と手根骨に対応する部分が存在する。

さらに、図５に示すように、骨部５０と軟部組織との境界（一点鎖線）が描画され、骨が領域として把握される。ちなみに、図５において、一点鎖線で示される境界は、骨部５０の周囲に沿って、軟部組織の画素を辿ったものである。骨の境界が描画されると、茎状突起特定部２４によって、尺骨の画像が選択されて尺骨茎状突起の位置が特定される。

図６は、尺骨の選択を説明するための図である。茎状突起特定部２４は、骨間軟部組織の端部（Ｘ₁）の位置に基づいて尺骨５２の画像部分を選択する。つまり、Ｘ軸上のＸ₁の位置において、Ｙ座標の最も小さい骨部画素の位置Ｙ₁を検索し、座標（Ｘ₁，Ｙ₁）の骨画素を含む骨の画像領域を特定する。これにより、図６に示すように、尺骨５２に対応した領域の画像が抽出される。

図７は、尺骨茎状突起の特定を説明するための図である。尺骨５２に対応した領域の画像が抽出されると、茎状突起特定部２４は、尺骨５２に対応した領域のうち、Ｘ座標が最も大きい骨部画素を検索する。これにより、図７に示す座標Ｘ_uが検索され、茎状突起特定部２４は、座標Ｘ_uの位置を尺骨茎状突起の位置とする。

尺骨茎状突起の位置（Ｘ_u）が特定されると、前腕長演算部２６は、被検者の肘頭から尺骨茎状突起までの長さである前腕長を算出する。尺骨茎状突起の位置（Ｘ_u）は、図２から図７を利用して説明したように、画像データに対する画像処理によって特定される。一方、肘頭は、例えば、被検者が装置の肘当てに肘を載せて固定することによって位置決めされる。前腕長演算部２６は、位置決めされた肘頭の位置と画像処理によって特定された尺骨茎状突起の位置から前腕長を算出する。

前腕長が算出されると、骨密度演算部２８は、前腕長を１／Ｎ（Ｎは自然数）に内分する橈骨遠位１／Ｎの測定位置において骨密度を算出する。例えば、橈骨遠位１／３部位、１／６部位、１／１０部位の各位置において骨密度が算出される。骨密度の算出には、公知の手法が利用される。

例えば、エネルギーサブトラクションにおいては、２種のエネルギーを持つ放射線（Ｘ線）を交互にあるいは同時に被検体に照射しながら被検体を走査し、透過放射線量を計測することにより、各走査点における骨と軟部組織の厚さなどが決定される。被検体を透過する２種のエネルギーの放射線の全減弱量は、骨および軟部組織の各成分の減弱量の積として次式のように表すことができる。

そして、（３−１）式と（３−２）式の両辺の自然対数をとると次の２次元連立方程式が得られる。

さらに、（４−１）式と（４−２）式による２次元連立方程式をＸ_Bについて解くと次のようになる。

（５）式が減算の形をしていることから、この演算がエネルギーサブトラクションと呼ばれる。そして、（５）式で定義されるＸ_Bに骨の物理的密度ρ_Bを乗じて骨の関心領域内で積分することにより骨塩量であるＢＭＣ（Bone Mineral Content）が算出される。さらに、ＢＭＣを骨の面積で除すことにより平面骨密度であるＢＭＤ（Bone Mineral Density）が算出される。ＢＭＣとＢＭＤの具体的な算出式は例えば次式のようになる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態によれば、画像処理によって尺骨茎状突起の位置が確認されるため、検査者の触診により位置を確認する場合に比べて、確認が容易になり位置特定の精度も向上する。また、尺骨茎状突起の位置確認が比較的短時間で終了するため、被検者に対する負担が軽減される。また、仮に、画像処理によって自動的に特定された尺骨茎状突起の位置を修正する場合においても、断層画像を利用して画像上で比較的容易に修正することが可能になる。

なお、上述した実施形態やその効果などは、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、図２から図７を利用して説明した画像処理が、超音波などを介して得られた画像に対して実行されてもよい。本発明は、その本質を逸脱しない範囲でその他の各種の変形形態も包含する。

本発明に係る骨密度測定装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 前腕に関する断層画像の画像データを説明するための図である。 骨間軟部組織に対応した画像部分の端部の設定を説明するための図である。 分離線が設定された画像データを示す図である。 骨部と軟部組織との境界を示す図である。 尺骨の選択を説明するための図である。 尺骨茎状突起の特定を説明するための図である。

符号の説明

１４ 画像データ形成部、１６ 画像データ識別部、１８ 骨間端部設定部、２０ 分離線設定部、２２ 骨画像分離部、２４ 茎状突起特定部、２６ 前腕長演算部、２８ 骨密度演算部。

Claims (7)

1. 被検体内の２本の対象骨を含む画像の画像データを取得する画像データ取得部と、
   取得された画像データ内において骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する画像識別部と、
   識別された画像データに基づいて２本の対象骨に挟まれた骨間軟部組織に対応する画像部分を通る基準線を設定する基準線設定部と、
   設定された基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより２本の対象骨のうちの基準骨を含む画像部分を抽出する画像分離部と、
   前記基準骨を含む画像部分の形状に基づいて前記基準骨の特徴部位を特定する部位特定部と、
   前記基準骨の特徴部位の位置を利用して設定される測定位置において２本の対象骨のうちの少なくとも一方についての測定量を算出する測定量演算部と、
   を有する、
   ことを特徴とする骨測定装置。
2. 請求項１に記載の骨測定装置において、
   前記画像識別部によって識別された画像データ内において骨に対応した画像部分間の距離に基づいて骨間軟部組織に対応した画像部分の端部を設定する端部設定部を有し、
   前記基準線設定部は、前記端部から所定距離内にある骨間軟部組織の画像部分に基づいて基準線を設定する、
   ことを特徴とする骨測定装置。
3. 請求項２に記載の骨測定装置において、
   前記部位特定部は、前記端部の位置に基づいて前記基準骨を含む画像部分から前記基準骨の画像部分を選択し、前記基準骨の画像部分の形状から前記特徴部位を特定する、
   ことを特徴とする骨測定装置。
4. 請求項３に記載の骨測定装置において、
   前記部位特定部は、前記基準骨の画像部分に関する長手方向の先端を前記特徴部位とする、
   ことを特徴とする骨測定装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の骨測定装置において、
   前記画像データ取得部は、被検体内の２本の対象骨である尺骨と橈骨を含む画像の画像データを取得し、
   前記画像分離部は、前記基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより前記基準骨である尺骨を含む画像部分を抽出し、
   前記部位特定部は、尺骨を含む画像部分の形状に基づいて前記特徴部位である尺骨茎状突起を特定する、
   ことを特徴とする骨測定装置。
6. 請求項５に記載の骨測定装置において、
   前記測定量演算部は、尺骨茎状突起の位置を利用して設定される橈骨遠位１／Ｎ（Ｎは自然数）の測定位置において測定量である骨密度を算出する、
   ことを特徴とする骨測定装置。
7. 被検体内の２本の対象骨を含む画像の画像データを取得する画像データ取得工程と、
   取得された画像データ内において骨に対応した画像部分と軟部組織に対応した画像部分とを識別する画像識別工程と、
   識別された画像データに基づいて２本の対象骨に挟まれた骨間軟部組織に対応する画像部分を通る基準線を設定する基準線設定工程と、
   設定された基準線に基づいて骨に対応した画像部分を２つに分離することにより２本の対象骨のうちの基準骨を含む画像部分を抽出する画像分離工程と、
   前記基準骨を含む画像部分の形状に基づいて前記基準骨の特徴部位を特定する部位特定工程と、
   を含む、
   ことを特徴とする骨画像処理方法。