JP2009531129A - 胸部側面の放射線画像上の脊椎骨折を検出するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの医用画像上の脊椎骨折を検出する。
【解決手段】 （１）複数の脊椎骨を含む医用画像を収集し、（２）線強調と特徴分析とを用いて複数の脊椎骨の対応する縁を特定し、（３）特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて各脊椎骨の椎体高を決定し、（４）決定された椎体高分析して折れた脊椎骨を同定する、ステップを含む脊椎骨折を検出するための方法、システム、及びプログラム製品。
【選択図】 図１９

Description

本発明は、部分的に米国政府の支援によりＵＳＰＨＳ許可番号ＣＡ０６２６２５及びＣＡ０９８１１９の下に作成された。米国政府は、本発明に対してある権利を有する可能性がある。

本発明は、一般に医用画像上での脊椎骨折の自動検出に関し、より詳細には、胸部側面の放射線画像で視認可能な椎骨の縁の定量分析を用いた医用画像（ＭＲＡ画像のような）上での脊椎骨折の検出のための方法、システム、及びコンピュータプログラム製品に関する。

本発明は、また一般に、例えばこの明細書において全て参考文献とされている米国特許第４，８３９，８０７号明細書；米国特許第４，８４１，５５５号明細書；米国特許第４，８５１，９８４号明細書；米国特許第４，８７５，１６５号明細書；米国特許第４，９０７，１５６号明細書；米国特許第４，９１８，５３４号明細書；米国特許第５，０７２，３８４号明細書；米国特許第５，１３３，０２０号明細書；米国特許第５，１５０，２９２号明細書；米国特許第５，２２４，１７７号明細書；米国特許第５，２８９，３７４号明細書；米国特許第５，３１９，５４９号明細書；米国特許第５，３４３，３９０号明細書；米国特許第５，３５９，５１３号明細書；米国特許第５，４５２，３６７号明細書；米国特許第５，４６３，５４８号明細書；米国特許第５，４９１，６２７号明細書；米国特許第５，５３７，４８５号明細書；米国特許第５，５９８，４８１号明細書；米国特許第５，６２２，１７１号明細書；米国特許第５，６３８，４５８号明細書；米国特許第５，６５７，３６２号明細書；米国特許第５，６６６，４３４号明細書；米国特許第５，６７３，３３２号明細書；米国特許第５，６６８，８８８号明細書；米国特許第５，７３２，６９７号明細書；米国特許第５，７４０，２６８号明細書；米国特許第５，７９０，６９０号明細書；米国特許第５，８３２，１０３号明細書；米国特許第５，８７３，８２４号明細書；米国特許第５，８８１，１２４号明細書；米国特許第５，９３１，７８０号明細書；米国特許第５，９７４，１６５号明細書；米国特許第５，９８２，９１５号明細書；米国特許第５，９８４，８７０号明細書；米国特許第５，９８７，３４５号明細書；米国特許第６，０１１，８６２号明細書；米国特許第６，０５８，３２２号明細書；米国特許第６，０６７，３７３号明細書；米国特許第６，０７５，８７８号明細書；米国特許第６，０７８，６８０号明細書；米国特許第６，０８８，４７３号明細書；米国特許第６，１１２，１１２号明細書；米国特許第６，１３８，０４５号明細書；米国特許第６，１４１，４３７号明細書；米国特許第６，１８５，３２０号明細書；米国特許第６，２０５，３４８号明細書；米国特許第６，２４０，２０１号明細書；米国特許第６，２８２，３０５号明細書；米国特許第６，２８２，３０７号明細書；米国特許第６，３１７，６１７号明細書；米国特許第６，４６６，６８９号明細書；米国特許第６，３６３，１６３号明細書；米国特許第６，４４２，２８７号明細書；米国特許第６，３３５，９８０号明細書；米国特許第６，５９４，３７８号明細書；米国特許第６，４７０，０９２号明細書；米国特許第６，４８３，９３４号明細書；と同様に米国特許出願第０８／３９８，３０７号；米国特許出願第０９／７５９，３３３号；米国特許出願第０９／７６０，８５４号；米国特許出願第０９／７７３，６３６号；米国特許出願第０９／８１６，２１７号；米国特許出願第０９／８３０，５６２号；米国特許出願第０９／８１８，８３１号；米国特許出願第０９／８６０，５７４号；米国特許出願第１０／２７０，６７４号；米国特許出願第０９／９９０，３１１号；米国特許出願第０９／９９０，３１０号；米国特許出願第０９／９９０，３７７号；米国特許出願第１０／０７８，６９４号；米国特許出願第１０／０７９，８２０号；米国特許出願第１０／１２０，４２０号；米国特許出願第１０／１２６，５２３号；米国特許出願第１０／３０１，８３６号；米国特許出願第１０／３５５，１４７号；米国特許出願第１０／３６０，８１４号；米国特許出願第１０／３６６，４８２号の一つ以上に開示されているデジタル画像の自動解析用のコンピュータ化された技術に関係がある。

本発明は、上述した米国特許明細書及び米国特許出願において参照され、記載され、また、下記の参考文献のリスト内で同定される文書に記載されている様々な技術の使用を含む。これら参考文献は、括弧内の対応する参照番号により明細書中で引用される。

上述の特許及び特許出願を含むこれら参考文献のそれぞれの内容は、ここに参照により組込まれる。特許、特許出願、及び他の参考文献に開示されている技術は、本発明の一部分として利用され得る。

骨粗鬆症は、世界における主要な公衆衛生の関心事のうちの１つである［１−７］。国際骨粗鬆症財団のアニュアルレポートによれば、５０歳以上の女性の３人に１人、及び５０歳以上の男性の５人に１人は、骨粗鬆症性骨折を経験するだろう。いくつかの臨床試験は、アレンドロネート（alendronate）、サケカルシトニン（salmon calcitonin）鼻内噴霧器、及びラロキシフェン（raloxifene）の使用による骨粗鬆症のための薬理療法が、脊椎骨折（それらは骨粗鬆症の特徴である）を有する人にとって後の骨折を防ぐのに有効であることを明白に示した［８−１１］。リーベルマン（Liberman）らは、アレンドロネートが骨塩密度（ＢＭＤ：Bone Mineral density）を増加させ、低いＢＭＤを有する女性の脊椎骨折の危険を減らすことができる、と報告した［８］。ブラック（Black）らは、アレンドロネートが本質的に脊椎骨折の頻度を減少させ、脊椎骨折を有していた低いＢＭＤを有する女性のＢＭＤを増加させたということを、骨折介入試験（Fracture Intervention Trial）に基づいて報告した［９］。チェスナット（Chesnut）らは、アメリカの４２施設、及び英国の５施設での臨床試験において、サケカルシトニン鼻内噴霧器が新しい脊椎骨折の危険を著しく減少させたと報告した［１０］。ラロキシフェン評価調査の多数の結果において、エッチンガー（Ettinger）らは、ＢＭＤに対するラロキシフェンの有効性及び脊椎骨折のリスク削減が２５か国の１８０施設において７，７０５人の女性に対して確認されたと報告した［１１］。従って、初期段階において脊椎骨折を分析することは、重要である。

ほとんどの脊椎骨折は無症候性であるが、それらは、しばしば、他の目的のために普通に収集される胸部側面の放射線画像上で検出され得る。しかしながら、調査者は、胸部側面の放射線画像で視認可能な脊椎骨折が過小診断又は過小申告されたと述べた［１２、１３］。キム（Kim）らは、三次治療病院の救急科において検査された６０歳以上の患者の無作為に選択された胸部放射線画像上の脊椎骨折の５５％だけが公式な放射線医学レポートの中で言及されたことを示した［１２］。ゲールバッハ（Gehlbach）らは、６０歳以上の９３４人の女性の胸部放射線画像による検査において、同定された脊椎骨折の１７％だけがカルテと退院時要約との中で示されたことを示した［１３］。

ＡＪＲに公表されたレンチック（Lenchik）らによる最近の総括書［１４］において、骨粗鬆症の早期発見における放射線技師の役割が強く強調された。例えば、胸部側面の放射線画像上の脊椎骨折を検出し、骨粗鬆症の早期発見後の追跡検査のためにそれらを報告することは、放射線技師にとって非常に重要である。従って、コンピュータによって胸部側面の放射線画像上の脊椎骨折を検出することができるのならば、そして潜在的な骨折の位置が「セカンド・オピニオン」としての放射線技師に提供されるのならば、胸部側面の放射線画像上の微細な脊椎骨折の検出を改善することが可能となり、それに伴って骨粗鬆症の評価を改善することが可能となる。

従って、本発明の１つの目的は、少なくとも１つの医用画像上の脊椎骨折を検出する方法を提供することにある。特に、本発明の１つの目的は、胸部側面の放射線画像上の脊椎骨折を検出するためのコンピュータ化された方法を提供し、コンピュータ支援診断（ＣＡＤ）に基づく放射線技師の画像解釈を支援することである。それは、マンモグラフィ［１５−２２］や他の分野［２３−２９］における乳癌の検出において最近成功している。本発明の１つの実施形態は、胸部側面の放射線画像上で視認可能な脊椎骨の縁の定量分析の使用に基づく。

従って、（１）複数の脊椎骨を含む医用画像を収集し；（２）前記収集された医用画像中の複数の脊椎骨を含む脊椎骨領域を、決定されたスキンライン（skinline）に基づいて抽出し；（３）前記脊椎骨領域において、線強調と多閾値処理とを用いて前記複数の脊椎骨の対応する縁を特定し；（４）前記特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて各脊椎骨の椎体高を決定し；（６）前記決定された椎体高を分析し、折れた脊椎骨を同定すること、を備える脊椎骨折を検出するための方法、システム、及びコンピュータプログラム製品が提供される。

本発明の他の実施形態において、前記分析ステップは、（１）前記決定された椎体高と各脊椎骨の位置との間の線形関係を、最小二乗法を用いて決定し；（２）前記決定された直線関係に基づいて、推定された高さの所定割合未満の高さを有する脊椎骨を前記折れた脊椎骨として同定すること、を備える。

本発明の他の実施形態において、前記分析ステップは、（１）前記特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて前側の脊椎骨線、中央の脊椎骨線、及び後側の脊椎骨線を決定し；（２）前記決定された線と脊椎骨の縁とに基づいて、各脊椎骨について、前上側の縁、前下側の縁、中央上側の縁、中央下側の縁、後上側の縁、及び後下側の縁を決定し；（３）前記上側の縁と下側の縁とのそれぞれを用いて、各脊椎骨について、前側の高さ（Ｈ_ａ）、中央の高さ（Ｈ_ｍ）、及び後側の高さ（Ｈ_ｐ）を決定し；（４）前記脊椎骨の前記椎体高を得るために、各脊椎骨について、前記決定された前側の高さ、中央の高さ、及び後側の高さを平均する、ことを備える。

本発明の他の実施形態において、前記分析ステップは、（１）各脊椎骨について、比率Ｈ_ａ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｍ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｐ／平均Ｈ_ｐ（平均Ｈ_ｐは、隣接する脊椎骨の前記決定された後側の高さを平均することにより決定される）を決定することを備える。

脊椎骨折を検出するためのコンピュータ化された方式（scheme）の１つの実施形態は、胸部側面画像上の複数の脊椎骨の上側の縁と下側の縁との特定、特定された脊椎骨の縁を用いた脊椎骨の形状の評価、及び折れた脊椎骨の同定に基づく。図１は、方法の一実施形態を示す。この実施形態において、ＣＡＤ方式は、９つのステップ：（１）画像マトリクスサイズの削減、（２）後側のスキンライン（skinline）を用いることによる脊椎骨領域の抽出、（３）選択された脊椎骨領域の矯正（straightening）、（４）選択された脊椎骨領域に関する線強調画像の生成、（５）脊椎骨の縁の候補の特定、（６）特定された脊椎骨の縁の候補によって決定された脊椎骨の中心線を用いることによる第２の矯正、（７）脊椎骨の縁の強調と特定、（８）椎体高の決定、及び（９）折れた脊椎骨の同定、を含む。この新しい方法は、反復矯正方式を用いることによる可能な限り正確な脊椎骨の縁の同定及び偽陽性の縁の削除を意図する。

図１のステップ１０１において、収集された医用画像マトリクスサイズは、削減される。例えば、この画像マトリクスサイズは、４４０×５３５ピクセルに削減される。他の画像サイズ及び原画像（マトリクスサイズが削減されていない画像）も同様に使用可能である。

ステップ１０２において、脊椎骨領域（多数の視認可能な脊椎骨を含む湾曲領域）は、後側のスキンラインを用いることによって自動的に同定され、折れた脊椎骨のための探索領域として用いられる。比較的に小さい脊椎骨領域の決定は、偽陽性の候補の数を相当に削減できる。胸部側面の放射線画像上の後側のスキンラインは、この領域を決定するために用いられる。胸部側面画像の後側からの水平線の印（horizontal signature）は、この胸部側面画像の上部から下部まで例えば８ｍｍ間隔で計算される。そして、最大の縁（maximum edges）を有する位置は、スキンラインの部分として決定される。そして、その位置は、最小二乗法を用いることによる二次の多項式関数によってフィッティングされる。位置は、必ずしも二次の多項式関数によりフィッティングされる必要はない、すなわち、より高次の多項式関数を含む他の関数も同様に使用可能である。曲線は、後側のスキンラインとして決定され、脊椎骨の中心線の推定のために水平にシフトされる。脊椎骨領域は、図２に示すように、中心線を用いることにより決定される。

次にステップ１０３において、選択された脊椎骨領域は、脊椎骨の上側縁と下側縁とが水平に向くように直線的に矯正される。従って、その後の脊椎骨の縁の特定は、比較的単純になる。選択された領域の矯正のため、局所的な適応性のある線形補間法が用いられる。選択された脊椎骨領域は小さな四辺形領域に分割され、それは線形補間技術を用いることにより、図３に示すように、長方形領域に変換される。矯正せずに脊椎骨の縁が特定された場合、肺領域の上部や腰椎の近くにある脊椎骨の縁を正確に特定することが困難であることに注意せよ。矯正せずに脊椎骨を特定するために、全ての方向における縁の向きを考慮することによって、複雑な縁特定方法（それは潜在的に多くの偽陽性を生み出す）を採用する必要がある。

ステップ１０４において、直線的に矯正された画像上の線成分は、線強調フィルタを用いることにより、脊椎骨の縁の特定のために強調される［３１］。脊椎骨領域の矯正によって脊椎骨の縁がほぼ水平に向くと予想されるので、水平線成分を強調可能なカーネル（kernel）だけが用いられる。線強調された画像は、図４に示され、その中で脊椎骨の縁が明瞭に強調されている。さらに脊椎骨の縁は、ヘッシアン行列を用いた線成分強調、線成分を強調することが可能な構造要素（structuring element）を用いたモルフォロジーフィルタ、又は方向帯域フィルタ等のような他の方法により強調され得る。

脊椎骨の中心線は、図５に示される方法により決定される。ステップ５０１において、脊椎骨の中心線は、偽陽性の縁（以下ＦＰＥと呼ぶ）に対応する偽の脊椎骨の縁の候補を削除するために決定される。ＦＰＥの大部分は、主に脊椎骨の切り欠き（notch）や肺領域における血管に起因する。すなわち、脊椎骨の切り欠きは、脊椎骨の縁の後側に配置され、そしてほとんどの血管は、前側に配置される。中心線を決定するため、ステップ５０２において、脊椎骨の縁の候補は、画像特徴分析の前に行なわれる多閾値処理技術を用いることにより同定される。最初の閾値は、線強調された画像のヒストグラムの上から２％に対応するピクセルに選択される。ステップ５０３において、側方幅と候補の面積とは、特徴値として用いられる。そしてステップ５０４において、短い又は長い側方幅（及び小さい又は大きい面積）を有する候補は、ＦＰＥとして削除される。ステップ５０５において、脊椎骨の中心線は、全ての検出された候補の左及び右縁を用いて決定される。中心線は、最小二乗法を用いた二次の多項式関数で評価される。それに加え、中心線は、より高次の多項式のような他の関数を用いても評価され得る。

その後、ステップ５０２は繰り返される。また、線強調された画像のヒストグラム中の４％に対応する第２の閾値は、再び縁の候補を決定するために用いられる。このステップにおいて、中心線と候補の中心との間の距離が大きい候補は、ＦＰＥとして削除される。さらに、短い側方幅（及び小さい面積）を有する候補も削除される。同じ手順は、線強調された画像のヒストグラム中の６、８、１０、１５、２０、２５、３０、３５、及び４０％の閾値で繰り返される。ステップ５０３において、ヒストグラム中の１５、２０、２５、３０、３５、及び４０％に対応する閾値は、隔膜より下の縁の候補のみのために適用される。図６は、側方幅と２％から１０％までの閾値で特定された候補の面積との間の関係を示す。ステップ５０４において、各特徴値の点線より下の候補は、ＦＰＥとして削除される。いくつかのＴＰ候補は、このグラフ中において削除される。しかし、これら削除されたＴＰ候補のほとんど全ては、後に、より上の閾値で特定される。ステップ５０５において、中心線は、図７に示されるように、閾値が２％から４０％まで増加されるにつれて特定される追加候補により修正される。ステップ５０６において、中心線の最終評価は、４０％の閾値で得られる。

ステップ１０５は、図８に示される。図８は、特徴解析の前に行われる多閾値処理技術を用いることによって脊椎骨の縁の候補を決定するための方式を示す。ステップ８０２において、線強調された画像のピクセル値のヒストグラム上での２、４、６、８、１０、１５、２０、２５、３０、３５、及び４０％に対応する閾値は、２値化画像の生成のために使用された。ステップ８０３において、縁の候補は、２値化画像から抽出された特徴を分析することにより選択される。特徴は、例えば、側方幅、面積、脊椎骨の中心線と候補の重心との間の距離、脊椎骨の中心線と候補との間の角度、及び平均局所勾配を含む。平均局所勾配は、脊椎骨の縁の候補と隔膜の縁との間の差のために用いられる。ステップ８０４において、候補の上側領域と下側領域とにおける平均ピクセル値は、計算される。また、これら平均ピクセル値の大きな差を有する候補は、隔膜の縁として削除される。隔膜の縁の同定のため、図９は、平均局所勾配と脊椎骨に沿う垂直距離との関係を示す。隔膜の縁の候補は、大きな平均勾配を有する右下の領域に位置する。図１０は、脊椎骨の中心線から縁の候補の重心への距離と、脊椎骨の中心線と縁の候補との間の角度との間の関係を示す。脊椎骨の縁の候補の大部分は、水平方向に関する中心線付近に位置する。脊椎骨の切り欠きによる候補は、脊椎骨の縁の右側に現われる。また、肺領域の血管による候補は、脊椎骨の縁の左側に現われる。ルールベース法は、これらの特徴値をＦＰＥ候補の除去のために用いて適用される。この方法に用いられる閾値は、図９と図１０とにおける点線として示される。

ステップ８０５において、対の候補は、ＦＰＥ候補のいくつかのさらなる消去のために同定される。対の候補は、脊椎骨の縁の隣接する一組を示す。それは、一般に脊椎骨のディスク間隔の上側部分と下側部分とに対応する。対の候補を同定するため、最接近の候補間の距離と２番目に最接近の候補間の距離とが決定される。脊椎骨の縁が正しく検出された場合、最接近の候補間の距離は脊椎骨のディスク間隔の距離を示し、２番目に最接近の縁の候補間の距離は椎体高を示す。ステップ８０６において、脊椎骨の縁の候補は、その候補が二つの対の候補の間に配置された場合、それぞれが個別の対の候補として、ＦＰＥとして削除可能である。図１１（ａ）と図１１（ｂ）とは、最接近の縁の候補間の距離と２番目に最接近の縁の候補間の距離との関係を示す。通常の場合、図１１（ａ）に示すように、正しく検出された対の候補は、点線で囲まれた小さい長方形領域の中に位置する。図１１（ｂ）における骨折の場合のいくつかの対の候補は、点線で囲まれた領域の下方に位置する。ステップ８０７において、候補は、脊椎骨の縁の候補であると確認される。これら候補は、２番目に最接近の距離が短いので、折れた脊椎骨に関係する可能性がある。この場合、３つの対の候補は、折れた脊椎骨に関係する。

ステップ１０６において、ある場合には脊椎骨領域が第一の矯正法では十分に矯正されないので、脊椎骨の縁のための中心線の最終評価は、より正確な脊椎骨の配列を得るための第２の矯正に適用される。図１２は、第２の矯正が矯正の正確さを改善し得ることを示す。

ステップ１０７において、脊椎骨の縁のための候補は、線強調、多閾値処理、及び特徴分析の反復によって再び検出される。第１の矯正と第２の矯正とにおいて各閾値で検出された候補は、重ねられる。図１３は、脊椎骨折を示す矢印と共に、特定された脊椎骨の縁の候補の非限定の例を示す。

入射Ｘ線ビームに応じた斜位をとる被検体に関する側面放射線画像が得られた場合、脊椎骨の縁は、二つの脊椎骨の縁として描出され得る。この非限定の例において、二つの縁の候補は、互いにとても接近しており、それら縁の候補は、対になり得る。しかしながら、適切な対の候補は、脊椎骨のディスク間隔に対応する距離を有さなければならない。従って、対の候補の再評価が要求される。対の候補の決定の正確さを向上させ、いくつかのＦＰＥ候補のさらなる削除のため、対の候補は、再び検査される。図１４は、最接近の候補の距離と脊椎骨に沿う垂直距離との間の関係を示す。１２ｍｍ未満の最接近の距離を有する候補は、対の候補として保存される。それは、図１４において同じ距離を有する２つの隣接点によって同定可能である一方、１２ｍｍ以上の距離を有する２つの隣接点は削除される。正しくない対の候補を同定するために、適切な対の候補のための平均距離は、直線（点線）を用いることにより評価される。直線で示される平均距離よりはるかに短い最接近の距離を有する対の候補は、除去される。しかしながら、対になっていない孤立した縁の候補がとても短い距離を有する対の候補の近傍に位置すれば、これら３つの縁の候補は、対形成のための異なる組合せが正確に対の候補を提供するかもしれないかどうか確認するために評価される。さらに、対にならない候補は、ＦＰＥとして除去される。

脊椎骨折の決定のための３つの方法が評価される。確認された第１の方法は、特定された縁に基づく。椎体高と脊椎骨の位置との間に略線形関係があることが確認された。従って、ステップ１０８において、評価された椎体高は、特定された脊椎骨の縁の候補の位置を用いることによって決定される。図１５は、椎体高と脊椎骨に沿う距離との間の関係を示す。ステップ１０９において、矢印によって示されるように、その高さが評価された高さの７０％未満である候補は、折れた脊椎骨であると考えられる。さらに、椎体高と脊椎骨の位置との間の関係は、多項式関数のような非線形関数によって評価され得る。

第２の方法は、脊椎骨の形状の分析に基づく。特定された脊椎骨の縁から決定される椎体高は、脊椎骨の形状を特徴づけ、通常の脊椎骨から骨折を区別するために用いられる。椎体高は、前上側の縁、前下側の縁、中央上側の縁、中央下側の縁、後上側の縁、及び後下側の縁を含む６点から得られる。前側の脊椎骨線、中央の脊椎骨線、及び後側の脊椎骨線は、図１６に示すように、候補の前側位置、中央位置、及び後側位置の近似によってそれぞれ決定される。特定された脊椎骨の縁に近似する水平線を有するこれら脊椎骨線の交点は、前上側の縁、前下側の縁等の６点を示す。前側の高さ、中央の高さ、及び後側の高さのような椎体高は、図１６に示すように、前上側の縁、前下側の縁等を用いることによって決定される。与えられた患者についての平均の椎体高が決定される。そして、著しく小さな高さを有する脊椎骨は、脊椎骨折を経験したと考えられる。

脊椎骨折を決定するための第３の方法は、隣接する脊椎骨の比率Ｈ_ａ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｍ／Ｈ_ｐ、及びＨ_ｐ／平均Ｈ_ｐ等の椎体高の比率に基づく。これら比率は、前側の高さ（Ｈ_ａ）、中央の高さ（Ｈ_ｍ）、及び後側の高さ（Ｈ_ｐ）から得られる。決定された６点は、原画像上の対応する位置に変換される。そして高さの比率が計算される。隣接する脊椎骨のＨ_ａ／Ｈ_ｐとＨ_ｐ／平均Ｈ_ｐとのみが用いられた。０．７未満の比率Ｈ_ａ／Ｈ_ｐを有する候補は、折れた脊椎骨であると考えられる。

本発明の実施例の試験において、医用画像のデータベース１９０７は、脊椎骨折を有する人と有さない人とを含む６５歳以上の被検体（男性４３７人、女性５６３人；平均年齢７６歳）に関する１，０００枚の胸部側面の放射線画像を含んだ。画像は、直立姿勢の被検体に関し、コンピューテッド・ラジオグラフィー・システム（富士写真フイルムＣｏ．）を用いる。デジタル画像は、１，０２４グレイレベルで１，７６０×２，１４０のマトリクスサイズを有し、画像ディスプレイ１９０６上に表示される。不適切な胸部側面画像のための排他基準は、（１）とても画質が悪い、（２）技術的な誤り、及び（３）同じ被検体に関する一つ以上の胸部側面の放射線画像、である。脊椎骨折の存否は、ゲナント（Genant）らによって提案された方法を用いることによる主観的判断に基づく二人の放射線技師の意見の一致によって立証される［３０］。

全ての視覚可能な脊椎骨は、正常（骨折なし）、等級１、等級２、及び等級３の骨折に分類される。例えば、胸部側面画像は、約３０％の通常、４０％の等級１、１５％の等級２、及び５％の等級３の他に１０％の例外（除外）を含んだ。さらに、放射線技師は、形態測定のデータ、すなわち、前上側の縁、前下側の縁、中央上側の縁、中央下側の縁、後上側の縁、及び後下側の縁を示す６つの端点を主観的に提供する。脊椎骨の縁の平均位置は、“ゴールドスタンダード”として、３人の放射線技師によって決定される。“事実”として用いられる脊椎骨の縁の正確な位置のための脊椎骨の縁の領域は、上側の縁に対する３点と下側の縁に対する３点とを接続することによって決定され、それらは“ゴールドスタンダード”に対応する。ＣＡＤ方式からのコンピュータ出力の評価のため、これら脊椎骨の縁の領域に重複する縁の候補は、真陽性（ＴＰ）の候補であると考えられる。

図１７は、脊椎骨折を有する３つの直線的に矯正された画像の例を示し、検出された３つの折れた脊椎骨が矢じりによって正確に示されている。非限定の例において、４つの折れた脊椎骨を含む３人の骨折患者と３人の正常者とのうち、コンピュータ化された方法は、全ての骨折患者のうちの３つの折れた脊椎骨を検出することができ、一つの偽陽性、すなわち、一つの画像あたり０．１７の偽陽性の検出を含む。しかしながら、３人の正常者について、折れた骨折の偽陽性の検出はない。脊椎骨の形状の分析に基づく他の方法は、同じ結果を提供する。椎体高の比率に基づく方法を用いて、４つの偽陽性とともに、３つの折れた脊椎骨を有する３人の骨折患者が正しく検出され、すなわち一つの画像あたり０．６６（４／６）の偽陽性の検出であり、それは３人の正常者について、折れた脊椎骨の一つの偽陽性の検出を含む。図１８は、矢じりによって示されるように、正しく検出された折れた脊椎骨を有する胸部側面の放射線画像を示す。

図１９は、脊椎骨折の検出を改善するように構成されたシステムを示す。

画像の収集手段１９０１は、複数の脊椎骨を含む医用画像を収集するように構成される。例えば医用画像は、胸部側面の放射線画像が可能である。抽出手段１９０２は、決定された後側のスキンラインに基づいて得られた医用画像上における複数の脊椎骨を含む脊椎骨領域を抽出するように構成される。特定手段１９０３は、線強調と多閾値処理とを用いて、脊椎骨領域上における複数の脊椎骨の対応する縁を特定するように構成される。決定手段１９０４は、特定された脊椎骨の縁の位置に基づく各脊椎骨の椎体高を決定するように構成される。最後に、分析手段１９０５は、折れた脊椎骨を同定するために椎体高を決定するように構成される。

この明細書の目的のため、我々は、身体的な状態の表現として画像を定義するべきであり、その表現において画像は、ある画像技術によって生成される。画像技術の例は、テレビ又はＣＣＤカメラ、あるいはＸ線は、音波、超音波等の画像装置を含み得る。画像が記録される最初の媒体は、電子的固体装置（electronic solid-state devices）、写真フィルム、又は輝尽性蛍光体のような幾つかの他の装置が可能である。その後、記録された画像は、電子的（ＣＣＤ信号の場合のように）又は機械的／光学的方法（写真フィルムをデジタル化する場合や輝尽性蛍光体からのデータをデジタル化する場合のように）の組合せによって、デジタル形式に変換され得る。画像が有し得る次元数は、一（例えば音響信号）、二（例えばＸ線放射線画像）、又はより高次（例えば核磁気共鳴画像）が可能である。

本発明の全ての実施例は、コンピュータ技術の当事者に明白であろうものとして、本発明の教えによってプログラムされた従来の汎用コンピュータかマイクロプロセッサーを使用して改良されてもよい。適切なソフトウェアは、ソフトウェア技術の当事者に明白であろうものとして、本開示の教えに基づく通常のスキルを有するプログラマによって容易に提供されてもよい。

コンピュータ９００は、本発明の方法を改良してもよい。そこでコンピュータの筐体は、ＣＰＵ、メモリ（例えばＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、及びフラッシュＲＡＭ）、及び他のオプションの専用論理装置（例えばＡＳＩＣＳ）又は適合性のある論理デバイス（例えばＧＡＬ、及び再プログラム可能なＦＰＧＡ）を備えるマザーボードを収容する。コンピュータは、複数の入力装置（例えばキーボード、及びマウス）、及びモニターを制御するためのディスプレイカードもまた含む。さらにコンピュータは、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ；他の着脱可能な媒体装置（例えばコンパクトディスク、テープ、及び着脱可能な光磁気媒体）；及び適切なデバイスバス（例えばＳＣＳＩバス、拡張ＩＤＥバス、又はウルトラＤＭＡバス）を用いて接続されたハードディスク、又は他の固定された高密度メディアドライブ、を含んでもよい。コンピュータは、さらにコンパクトディスク読取装置、コンパクトディスク読み取り／書き込みユニット、又はコンパクトディスク・ジュークボックスを含んでもよい。それらは同じデバイスバス又は他のデバイスバスに接続されてもよい。

本発明に関連したコンピュータ読取り可能な媒体の例は、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭ（例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等を含む。任意の一つ又はこれらコンピュータ読取り可能な媒体の組合せに格納されて、本発明は、コンピュータの両方のハードウェアを制御するため、及びコンピュータが人間のユーザーと対話できるようにするためのソフトウェアを含む。そのようなソフトウェアは、開発ツールのようなデバイス・ドライバや、オペレーティングシステム、ユーザーアプリケーションを含んでいてもよいが、これらに制限されない。本発明のコンピュータプログラム製品は、コンピュータによって実行された時にコンピュータに本発明の方法を行なわせるコンピュータプログラムインストラクション（例えばコンピュータコード装置）を格納するあらゆるコンピュータ読み取り可能媒体を含んでいる。本発明のコンピュータコード装置は、スクリプトや、インタープリタ、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）、Ｊａｖａ（登録商標）クラス、完全実行可能プログラムを含むあらゆる解釈可能又は実行可能なコードメカニズムでもよいが、これらに制限されない。さらに、本発明の処理の部分は、よりよい性能、信頼性、及び／又はコストのために分配（例えば（１）多重ＣＰＵ間、（２）少なくとも１つのＣＰＵと少なくとも１つの配置可能な論理装置との間で）されてもよい。例えば、輪郭（outline）又は画像は、第1のコンピュータ上で選択され、遠隔診断のための第２のコンピュータへ送信されてもよい。

本発明は、画像コントラスト、不規則の程度、テクスチャ特徴等を説明するための追加のフィルタ技術やツールで補足されてもよい。

その発明は、当業者に容易に明らかであろうものとして、特定用途向け集積回路の準備によって又は従来の構成回路の適切なネットワークを相互に接続することによって実行されてもよい。

本発明への画像データの源は、Ｘ線装置、ＣＴ装置、及びＭＲＩ装置のような任意の適切な画像収集装置が可能である。さらに、収集されたデータは、既にデジタル形式でなければデジタル化されてもよい。あるいは、収集され処理される画像データの源は、画像収集装置によって生成されたデータを格納するメモリでもよい。そのメモリは、局部メモリであってもよいし、又は遠隔メモリであってもよく、その場合、ＰＡＣＳ（Picture Archiving Computer System）のようなデータ通信網は、本発明に係わる処理のために画像データにアクセスするために用いられてもよい。

上記の教えに照らして、本発明の種々の修正及び変形が可能である。例えば、その発明は、ＭＲＡ画像以外の画像に適用されてもよい。

もちろん、本発明の特別のハードウェア又はソフトウェアの実装は、本発明の範囲内でまだ残る間に変えられてもよい。従って、添付された請求項及びそれらの等価物の範囲内において、ここに特別に記述された以外のやり方で本発明が実施可能であるということが認識されるべきである。

胸部側面の放射線画像上の脊椎骨折の検出のためのコンピュータ化された方式を示す図。 後側のスキンラインを用いることにて収集された、選択された脊椎骨領域示す図。 脊椎骨の縁を特定するために用いられる、矯正された脊椎骨領域を示す図。 脊椎骨の縁の視覚化のための線強調された画像を示す図。 脊椎骨の中心線の決定のためのコンピュータ化された方式を示す図。 線強調された画像のヒストグラムの２％から１０％までの閾値で特定された候補から収集された側方幅と縁候補の面積との関係を示す図。 多閾値処理を用いた中心線の決定を示す図。中心線は、特定された脊椎骨の縁候補を用いて、閾値を変化させながら更新される。 脊椎骨の縁の候補の検出のためのコンピュータ化された方式を示す図。 平均局所勾配と脊椎骨に沿う垂直距離との間の関係を示す図。 中心線から脊椎骨の縁の候補の重心への距離と、候補と中心線との間の角度との関係を示す図。 正常者（ａ）と骨折患者（ｂ）とについての、最接近の候補間の距離と２番目に最接近の候補間の距離との関係を示す図。 正常者（ａ）と骨折患者（ｂ）とについての、最接近の候補間の距離と２番目に最接近の候補間の距離との関係を示す図。 矯正なしと、第１及び第２の矯正処理の後との矯正された脊椎骨領域を示す図であり、１２（ａ）は原画像、１２（ｂ）は第１の矯正によって得られた矯正された画像、及び１２（ｃ）は第２の矯正によって得られた矯正された画像を示す。 矯正された脊椎骨領域と特定された脊椎骨の縁の候補（折れた脊椎骨は矢印によって示される）とを示す図であり、１３（ａ）は第２の矯正された画像を示し、１３（ｂ）は特定された脊椎骨の縁の候補を示し、ＦＰＥ候補は隔膜領域の下に現れる。 最接近の候補間の距離と脊椎骨に沿う垂直距離との関係を示す図である。 椎体高と脊椎骨に沿う垂直距離との間の関係を示す図であり、点線は脊椎骨に沿う垂直距離に関する椎体高の評価線を示し、矢印は折れた脊椎骨を示す。 椎体高の決定を示す図であり、前側の高さ（Ｈ_ａ）、中央の高さ（Ｈ_ｍ）、及び後側の高さ（Ｈ_ｐ）を含み、３つの垂直線は前側の線（左）、中央の線（中央）、及び後側の線（右）であり、１６（ａ）は線強調された画像上の特定された脊椎骨の縁の候補を示し、１６（ｂ）は決定された椎体高を示す。 ３つの骨折の場合における折れた脊椎骨を示すコンピュータ出力を示す図であり、１７（ａ）と１７（ｂ）における２つの矢じりは脊椎骨折の正しい検出を示し、１７（ｃ）における上側の矢じりは脊椎骨折の正しい検出を示し、下側の矢じりは偽陽性の検出を示す。 正しく検出された脊椎骨折（矢じりによって示される）を有する胸部側面の放射線画像を示す図である。 本発明の実施形態に係わる脊椎骨折を検出するためのシステムを示す図。

Claims (23)

1. 複数の脊椎骨を含む医用画像を収集し、
   前記複数の脊椎骨の上側の縁と下側の縁とが水平に向くように前記医用画像の脊椎骨領域を直線的に矯正し、
   前記複数の脊椎骨の対応する縁を、線強調と特徴分析とを用いて特定し、
   前記特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて各脊椎骨の椎体高を決定し、
   前記算出された椎体高を分析し、折れた脊椎骨を同定すること、
   を特徴とするコンピュータ上で実行可能な脊椎骨折の検出方法。
2. 前記収集ステップは、
   前記医用画像として胸部側面の放射線画像を収集し、
   前記医用画像のサイズを削減すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記特定ステップ、前記矯正ステップ、及び前記決定ステップを繰り返すこと、を特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記特定ステップは、各脊椎骨の左縁と右縁とを用いて各脊椎骨の中心線を決定すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記特定ステップは、
   側方幅、面積、前記脊椎骨の中心線と各脊椎骨の重心との間の距離、前記脊椎骨の中心線と各脊椎骨との間の角度、及び平均局所勾配の少なくとも一つを分析し、
   各脊椎骨の対の特定された縁を用いて偽陽性の縁を削減すること、を特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記分析ステップは、
   前記決定された椎体高と各脊椎骨の位置との間の線形関係を、最小二乗法を用いて決定し、
   前記決定された線形関係に基づいて評価された高さの所定割合未満の高さを有する脊椎骨として、前記折れた脊椎骨を同定すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記決定ステップは、
   前記決定された脊椎骨の縁の位置に基づいて前側の脊椎骨線、中央の脊椎骨線、及び後側の脊椎骨線を決定し、
   前記決定された線と脊椎骨の縁とを用いて、各脊椎骨について、前上側の縁、前下側の縁、中央上側の縁、中央下側の縁、後上側の縁、及び後上側の縁を決定し、
   前記上側の縁と下側の縁とのそれぞれを用いて、各脊椎骨について、前側の高さ（Ｈ_ａ）、中央の高さ（Ｈ_ｍ）、及び後側の高さ（Ｈ_ｐ）を決定し、
   前記脊椎骨の椎体高を得るために、各脊椎骨について、前記決定された前側の高さ、中央の高さ、及び後側の高さを平均すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記決定ステップは、各脊椎骨について、比率Ｈ_ａ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｍ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｐ／平均Ｈ_ｐ（平均Ｈ_ｐは、隣接する脊椎骨の前記決定された後側の高さを平均することにより決定される）を決定すること、を特徴とする請求項７記載の方法。
9. 脊椎骨領域を決定し、
   前記脊椎骨領域上の脊椎骨の縁を特定すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記脊椎骨領域を、後側のスキンライン（skinline）を用いて決定し、
    前記脊椎骨領域上の脊椎骨の縁を特定すること、を特徴とする請求項１記載の方法。
11. コンピュータにより実行された場合に、
    複数の脊椎骨を含む医用画像を収集し、
    前記複数の脊椎骨の上側の縁と下側の縁とが水平に向くように前記医用画像の脊椎骨領域を直線的に矯正し、
    前記複数の脊椎骨の対応する縁を、線強調と特徴分析とを用いて特定し、
    前記特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて各脊椎骨の椎体高を決定し、
    前記決定された椎体高を分析し、折れた脊椎骨を同定する、
    ステップを含む方法をコンピュータに実行させる複数のコンピュータプログラムインストラクションを含むコンピュータプログラム製品を含み、記憶したコンピュータ読み取り可能媒体。
12. 前記収集ステップは、
    前記医用画像として胸部側面の放射線画像を収集し、
    前記医用画像のサイズを削減すること、を備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
13. 前記特定ステップ、前記矯正ステップ、及び前記決定ステップを繰り返すこと、をさらに備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
14. 前記特定ステップは、各脊椎骨の左縁と右縁とを用いて各脊椎骨の中心線を決定すること、を備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
15. 前記特定ステップは、
    少なくとも一つの側方幅、面積、前記脊椎骨の中心線と各脊椎骨の重心との間の距離、前記脊椎骨の中心線と各脊椎骨との間の角度、及び平均局所勾配を分析し、
    各脊椎骨の対の特定された縁を用いて偽陽性の縁を削減すること、を備える請求項１４記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
16. 前記分析ステップは、
    前記決定された椎体高と各脊椎骨の位置との間の線形関係を、最小二乗法を用いて決定し、
    前記決定された線形関係に基づいて評価された高さの所定割合未満の高さを有する脊椎骨として、前記折れた脊椎骨を同定すること、を備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
17. 前記決定ステップは、
    前記決定された脊椎骨の縁の位置に基づいて前側の脊椎骨線、中央の脊椎骨線、及び後側の脊椎骨線を決定し、
    前記決定された線と脊椎骨の縁とを用いて、各脊椎骨について、前上側の縁、前下側の縁、中央上側の縁、中央下側の縁、後上側の縁、及び後上側の縁を決定し、
    前記上側の縁と下側の縁とのそれぞれを用いて、各脊椎骨について、前側の高さ（Ｈ_ａ）、中央の高さ（Ｈ_ｍ）、及び後側の高さ（Ｈ_ｐ）を決定し、
    前記脊椎骨の椎体高を得るために、各脊椎骨について、前記決定された前側の高さ、中央の高さ、及び後側の高さを平均すること、を備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
18. 前記決定ステップは、各脊椎骨について、比率Ｈ_ａ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｍ／Ｈ_ｐ、Ｈ_ｐ／平均Ｈ_ｐ（平均Ｈ_ｐは、隣接する脊椎骨の前記決定された後側の高さを平均することにより決定される）を決定すること、を備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
19. 脊椎骨領域を決定し、
    前記脊椎骨領域上の脊椎骨の縁を特定すること、をさらに備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
20. 後側のスキンラインを用いて前記脊椎骨領域を決定し、
    前記脊椎骨領域上の脊椎骨の縁を特定すること、をさらに備える請求項１１記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
21. 複数の脊椎骨を含む医用画像を収集するための手段と、
    前記複数の脊椎骨の上側の縁と下側の縁とが水平に向くように前記医用画像の脊椎骨領域を直線的に矯正するための手段と、
    前記複数の脊椎骨の対応する縁を線強調と特徴分析とを用いて特定するための手段と、
    前記特定された脊椎骨の縁の位置に基づいて各脊椎骨の椎体高を決定するための手段と、
    前記決定された椎体高を分析し、折れた脊椎骨を同定するための手段と、
    を具備する脊椎骨折を検出するために構成されたコンピュータ上で実行可能なシステム。
22. 脊椎骨領域を決定するための手段と、
    前記脊椎骨領域上の脊椎骨の縁を検出するための手段と、をさらに備える請求項２３記載のコンピュータ上で実行可能なシステム。
23. 前記脊椎骨領域を、後側のスキンラインを用いて決定するための手段と、
    前記脊椎骨領域上の脊椎骨を検出するための手段と、をさらに備える請求項２３記載のコンピュータ上で実行可能なシステム。

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