JP4439882B2 - 放射線画像処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸を伴いながら放射線を用いて撮影された時間的に異なる複数組の呼吸動画画像を解析し差分処理を行って経時的変化を抽出する放射線画像処理装置及び処理方法に関するものである。

近年においては、大面積の半導体イメージセンサを使用し、被写体の放射線画像を撮影するシステムが開発されている。このシステムは従来の銀塩写真を用いる放射線写真システムと比較して、極めて広範囲の放射線露出域に渡って画像を記録できるという実用的な利点を有している。

即ち、半導体イメージセンサは極めて広範囲のダイナミックレンジのＸ線を、光電変換手段を用いて電気信号として読み取り、この電気信号を更にデジタル信号に変換する。このデジタル信号を処理して、写真感光材料等の記録材料、ＣＲＴ等の表示装置に、可視像として放射線画像を出力することにより、放射線露光量が或る程度変動しても良好な放射線画像が得られる。

この半導体イメージセンサを使用した撮影では、従来の静止画像を中心とした病気診断に代って、肺野部に対して呼吸を伴いながら肺を撮影する動態撮影が新たな病理情報を提供するものと期待されていて、特許文献１には診断に適した胸部動態画像を得ることのできる放射線画像処理装置が開示されている。この場合の呼吸を伴いながらとは、肺を十分に膨らませた状態から肺を十分に縮小した状態までの画像を、動画像で撮影することを意味しており、肺の膨張期から収縮期の間の１周期を含めることが好適である。

また、検診などで撮影された胸部正面画像では、経時的間隔を経て撮影された２枚の差分を計算することが行われている。経時差分の効果は、２枚の画像に対して病変が変化する様子を顕著に表現することができ、医者の診断向上が期待できる。経時的間隔を経て撮影された２枚の高解像度の静止画像から効率的に差分画像を生成する方法が特許文献２に開示されている。しかし、従来から胸部放射線撮影は呼吸を止めた状態で撮影されるのが一般的であり、これまで経時差分処理に供される画像は、呼吸を止めた状態で撮影された胸部静止画である。

前述のように、半導体イメージセンサを使用した撮影では、呼吸を伴いながら連続的に撮影を行うことが可能になるが、経時的間隔を経て呼吸中に撮影を行った放射線画像間での差分処理技術は知られていない。

特開２００３−２９０１９３号公報 特開２００３−１７４５９０号公報

呼吸を停めることなく放射線を用いて撮影された呼吸動画画像においても、経時的に隔たって撮影された複数組の呼吸動画画像の差分表示ができれば、病気の変化を顕在化して表示することが可能になり、診断精度が向上する。特に、最大呼吸時に肋骨と重なる病変が発生した場合は、呼吸中に肋骨と肺の相対位置関係が変化するため、呼吸中の或る特定の時点で病変を視察できることがある。

胸部静止画像撮影においては、通常では患者は撮影技師の指示の基に、息を最も深く吸い呼吸を停止した状態で撮影されるため、呼吸サイクル中の位相が特定されている。一方、呼吸を伴いながら放射線撮影をする胸部動画の場合には、呼吸サイクル中に位相を特定してＸ線を曝射することが困難である。

呼吸サイクル中に位相を特定してＸ線を曝射する１つの方法として、呼吸を検知する別途のセンサを使用することが考えられるが、患者に器具を取り付ける必要があり、撮影が複雑になる問題がある。

また、通常の呼吸は無意識で行われており、安静時には比較的呼吸サイクルが一定している。一方、呼吸撮影時の呼吸方法は診断能を高めるため、通常の呼吸よりも特に深い呼気をすることが望ましいが、この場合は無意識下の呼吸に比べて、撮影ごとに呼吸サイクルのばらつきが大きい。従って、胸部静止画像における差分方法を単純に応用できないという問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、呼吸を伴いながら撮影し、呼吸時の近似する位相における経時的に異なる基準画像と参照画像との差分を求める放射線画像処理装置及び処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る放射線画像処理装置は、経時的に隔たった２つの時点において呼吸サイクル中に撮影したそれぞれ複数の呼吸動画画像を入力する手段と、前記呼吸サイクルを呼気モードと吸気モードとに分け、前記呼気モードと吸気モードとの内、同一モード中に限定して前記それぞれの呼吸動画画像を解析し、一方の時点での基準画像の呼吸位相に近似する呼吸位相を有する他方の時点での参照画像を決定する画像解析手段と、得られた前記基準画像と前記参照画像間の差分計算を行い、前記両画像間の経時的変化を抽出する差分手段とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る放射線画像処理方法は、経時的に隔たった２つの時点において呼吸サイクル中に撮影したそれぞれ複数の呼吸動画画像を入力し、前記呼吸サイクルを呼気モードと吸気モードとに分け、前記呼気モードと吸気モードとの内、同一モード中に限定して前記それぞれの呼吸動画画像を解析し、一方の時点での基準画像の呼吸位相に近似する呼吸位相を有する他方の時点での参照画像を画像解析により決定し、得られた前記基準画像と前記参照画像との差分を求め、前記両画像間の経時的変化を抽出することを特徴とする。

本発明に係る放射線画像処理装置及び処理方法によれば、呼吸を伴いながら撮影した胸部呼吸動画像において、一方の時点での基準画像の呼吸位相に近似する位相の他方の時点での参照画像を決定して両者間の差分処理を行うため、撮影に依存した位相の相違を相殺でき、精度良く差分処理を行うことが可となって診断能が向上する。

また、差分に先立ち基準画像又は参照画像の位置合わせを行えば、更に精度の良い差分画像を得ることができ、診断精度が向上すると共に、診断時間を短縮することが可能になる。

図１はＸ線撮影装置の構成図であり、天井懸垂手段１により天井から懸垂されたＸ線管球２の前方には、スタンド３に固定された二次元Ｘ線センサ４が配置され、Ｘ線センサ４のＸ線管球２側に被検者Ｙが位置する。

一方、システムバス５を介して、システム制御手段６、撮影指示手段７、Ｘ線制御手段８、センサ駆動手段９、画像解析手段１０、画像差分手段１１、画像保存手段１２、画像表示手段１３同士が接続されている。システム制御手段６は各手段の駆動のタイミングやデータの流れを制御するものであるが、このシステム制御手段６はコンピュータプログラムにより構成することが可能である。また、Ｘ線制御手段８の出力はＸ線管球２に接続され、センサ駆動手段９の出力はＸ線センサ４に接続されている。Ｘ線センサ４は二次元アモルファス半導体と蛍光スクリーンにより構成され、例えば各画素サイズは１６０μｍ、全体の画素数は２６８８×２６８８である。

Ｘ線管球２は天井懸垂手段１により天井から固定されて被検者Ｙの体格に合わせて移動可能になっている。Ｘ線管球２から曝射されたＸ線は、被検者Ｙを透過してＸ線センサ４に到達する。Ｘ線センサ４において、Ｘ線は図示しない蛍光スクリーンで可視光に変換されて、二次元アモルファス半導体で画像化される。撮影のタイミングは、撮影技師などにより撮影指示手段７から入力されて、Ｘ線制御手段８、センサ駆動手段９を制御して画像が取り込まれる。

被検者Ｙの呼吸サイクルは吸気モードと呼気モードから成り、吸気モードとは息を吸い込んでゆくモードであり、それに連れて胸郭中での肺野の領域が大きくなり横隔膜が押し下げられる。呼気モードとは息を吐き出すモードであり、それにつれて肺野の領域が小さくなり横隔膜が上がってくる。

呼吸サイクルとは１回の呼気モードと吸気モードが含まれる呼吸運動であるが、「発明の解決しようとする課題」の欄で説明したように、撮影技師などにより撮影指示手段７から入力されてＸ線が曝射している間に、呼吸サイクルを正確に把えることは難しい。

図２は撮影の例を示し、横軸は時間、縦軸は肺野面積又は肺尖から横隔膜までの肺野高さであり、数値は撮影回数である。技師による撮影指示手段７からの指示により、実際に曝射された撮影区間中には、被検者Ｙの呼気モードから開始して吸気モードで肺野面積が大きくなり、呼気モードが終わった時点で撮影が完了している。

つまり、撮影の際には技師は被検者Ｙに対して、呼気か吸気かの呼吸モードの指示を行うが、静止している場合と異なり、呼吸を指示通りに行うことが難しいことを示している。本実施例では、吸気モード５秒間、呼気モード５秒間の全体が約１０秒であり、１秒間に３回のＸ線パルスが曝射されて、そのＸ線パルスに対応する画像が取り込まれるので、この場合の画像数の総計は３０枚である。

地域住民、社員の健康維持増進を目的とし、健康診断が例えば１年に１回定期的広く行われている。このような検診では、診断の精度向上を目的として、前回撮影した胸部放射線画像と今回撮影した胸部放射線画像を並べて観察する所謂比較読影が行われている。近年では、コンピュータ技術に発達により、これらの時間的間隔を経て撮影された２枚の差分を計算することが行われており、その経時差分の効果は、２枚の画像に対して病変が変化する様子を顕著に表現することができる。

平成Ｐ年に呼吸を伴いながら撮影されたこれらの画像は、参照画像としてセンサ駆動手段９を経由して画像解析手段１０に送信される。画像解析手段１０での解析により収集された画像の呼気モードと吸気モードの分離、並べ替えが行われて、画像保存手段１２により画像が保存される。画像解析手段１０はコンピュータの動作により実現され、画像保存手段１２はコンピュータのメモリ或いは磁気ディスク、光ディスク等で構成されている。

平成Ｐ＋１年に呼吸を伴いながら呼吸動画を撮影すると、同様にこれらの画像はセンサ駆動手段９を経由して画像解析手段１０に送信される。本実施例では、平成Ｐ＋１年に撮影した画像を基準画像とする。画像解析手段１０の解析により収集された平成Ｐ＋１年の画像の呼気モードと吸気モードの分離、並べ替えが行われて、画像保存手段１２により画像が保存される。

画像解析手段１０では、更に呼気モードと吸気モードの分離、並べ替えが行われた基準画像と参照画像について呼気モード、吸気モード内で別々に近似比較をして基準画像の呼吸位相に近似する参照画像を決定する。画像差分手段１１では、基準画像と基準画像の呼吸位相に近似する参照画像間で画像の位置合わせ、幾何補正を行い差分処理をする。この差分処理は呼吸中に得られた複数枚の画像に対して行われ、その結果、複数枚の差分処理画像が生成される。差分処理された画像は、基準画像の並べ替え順に準じて並べ替えが行われて、画像保存手段１２に保存される。保存された差分画像は、図示しない操作者の指示手段により画像表示手段１３に順次に動画表示される。

図３は画像解析のフローチャート図であり、例えば平成Ｐ年に図２に示すような呼吸サイクルの画像がＮ枚撮影されたとすると、ステップＳ１でＮ枚の画像の入力が行われ、図２中の黒丸は撮影された画像を示し、数字は撮影開始から数えて何枚目の画像かを示している。

ステップＳ２でそれぞれの画像の胸部正面画像中から肺野領域を抽出する。図４は典型的な肺野のヒストグラムを示し、ヒストグラムは３つの山から構成されている。図５に示すように、肺野領域、素抜け領域及び縦隔部、心臓、横隔膜下などのその他の領域である。肺野領域を特定するには、図４に示す閾値１と閾値２の区間において画像を２値化すればよい。

図６は図４に示したヒストグラムに対する累積ヒストグラム、及び累積ヒストグラムを直線回帰した線を示している。経験的に累積ヒストグラムと直線回帰が交叉する画素値が閾値１を示している。具体的には、図７に示すように累積ヒストグラムと直線回帰の差分を計算して、差分がゼロクロスする点が閾値１を示している。

このように閾値１が求まると、閾値１以上の領域を画像から除外して、その領域のヒストグラムを計算すると、図８に示すヒストグラムが計算できる。図は省略するが、図８のヒストグラムに対して、更に累積ヒストグラムを計算して、直線回帰との差分を計算し差分がゼロクロスする点を求めると、その値が概ね閾値２に対応している。閾値１と閾値２の間の画素値を「１」、それ以外の画素値を「０」にするように、胸部の入力画像を２値化すると肺野領域が抽出できる。この２値画像を肺野２値画像と呼ぶ。

ステップＳ３において、図９に示すように肺野２値画像の画素値が「１」の画素数を計算することによって肺野面積Ｓを計算する。ステップＳ４の肺野高さ計算は、肺野２値画像を縦方向にプロジェクションを計算し、このプロジェクションを基に右肺と左肺を画像的に分離して、右肺２値画像、左肺２値画像それぞれの横方向のプロジェクションを計算し、プロジェクションの長さが右肺高さＨＲ、左肺高さＨＬとなる。

ステップＳ５の面積及び高さの変動波形形成では、入力されたＮ枚の画像に対して肺野面積Ｓ、右肺高さＨＲ、左肺高さＨＬが計算されて、それをグラフ化する。グラフ化の際に、直線で接続する他にスプライン関数で補間することができる。

ステップＳ６の吸気モード、呼気モード決定では、時間と共に肺野面積Ｓ等が増加する区間を吸気モード、減少する期間を呼気モードと定義して、各画像が何れの区間に属するかを判断して、各画像を吸気モードであるか、呼気モードであるかを認定する。ここで計算された肺野面積Ｓ、右肺高さＨＲ、左肺高さＨＬは、画像保存手段１２に画像と共に保存される。

ステップＳ７の画像並べ替えでは、各画像が吸気モードであるか、呼気モードであるか、及び肺野面積又は肺野高さを使用して、各画像の並べ替えを行う。具体的には、画像を吸気モード、呼気モードで分類し、吸気モードであれば肺野面積が小さいものから大きなものになるように並べ替え、呼気モードであれば肺野面積が大きなものから小さなものになるように並べ替える。最後に吸気、呼気の順にＮ枚全部を並べ替えると完了する。並べ替えを終了した画像は、画像保存手段１２に保存される。

以上の例では、肺野面積を使用した並べ替えについて説明したが、両肺又は片肺の肺野高さ、或いは肺野高さの何れか高いほうを使用して並べ替えることも可能である。また、上記の例では吸気、呼気の順に並べ替えたが、呼気、吸気の順であってもよい。

次に、１年後の平成Ｐ＋１年に再び呼吸サイクルの画像がＮ枚撮影されると、平成Ｐ年の撮影時と同様の処理が行われ、今回撮影された画像が吸気モード、呼気モードに分離され吸気、呼気の順にＮ枚全部を並べ替えると完了する。並べ替えを終了した画像は、同様に画像保存手段１２に保存される。続いて、肺野面積Ｓを基に基準画像の呼吸位相に近似する参照画像をステップＳ８において決定する。

画像解析手段１０においては上述の方法で計算され、画像保存手段１２に保存された肺野面積と肺野高さについての論理積又は論理和によって、平成Ｐ＋１に撮影された基準画像と平成Ｐ年に撮影された参照画像について比較を行う。このとき、比較は同モードの画像同士、即ち平成Ｐ＋１年の吸気モードの画像は平成Ｐ年の吸気モードの画像同士で、平成Ｐ＋１年の呼気モードの画像は平成Ｐ＋１年の吸気モードの画像同士で行う。吸気モードと呼気モードでは、肺野面積又は肺野高さが同じであっても、肺野組織と肋骨の相対位置関係が異なることがあるため、同モードの画像間において差分処理をするほうが精度の高い差分画像を得ることができる。

図２に示すように、平成Ｐ年の参照画像の２枚目〜１４枚目の画像が吸気モード、１５枚目〜２９枚目が呼気モードで、図１０に示す平成Ｐ＋１年の基準画像の３枚目〜１５枚目が吸気モード、１６枚目〜２８枚目が呼気モードの場合について説明する。

先ず吸気モードの画像について、基準画像の呼吸位相に近似する参照画像の決定を行うには、（基準画像３枚目の肺野面積−参照画像２枚目の肺野面積）を求め、次に（基準画像３枚目の肺野面積−参照画像３枚目の肺野面積）を求める。

同様に、順次に参照画像を変えながら１４枚目の参照画像まで差分をとり、求められた肺野面積の差を比較し、差が最も小さいもの、具体的には基準画像３の呼吸位相に近似する画像として参照画像２が決定される。

基準画像１６枚目に関しても順次に同様の処理が行われ、全ての基準画像の呼吸位相に近似する位相を有する参照画像が決定される。呼気モードについても同様にして、基準画像の呼吸位相に近似する位相を有する参照画像を決定する。

図１１は画像差分のフローチャート図であり、画像差分手段について説明すると、胸部Ｘ線撮影は一般的に図１に示すように被検者Ｙが撮影装置の前に立った状態つまり立位で撮影される。このため、平成Ｐ年と平成Ｐ＋１年の撮影が全く同一の体位で行われることはない。異なった体位で撮影された画像同士を差分処理すると、位置ずれによるアーチファクトを生ずるため、この位置ずれを補正して差分処理をすることが望ましい。

ステップＳ１１で肺野２値画像を基に胸郭位置を決定するが、この決定方法は肺野２値画像の垂直方向と水平方向のプロジェクションを計算することにより行われる。図９に示すように、肺野２値画像のプロジェクションは比較的急峻な立ち上がり分布を示すので、求められたプロジェクションに対して予め決られた値による２値化を行うことによって、破線で示したように胸郭を特定することが可能である。

基準画像と、この基準画像の呼吸位相に近似する参照画像とに対する胸郭の位置が決定されると、ステップＳ１２において基準となる平成Ｐ＋１年の画像の胸郭位置に平成Ｐ年の画像をシフト（移動）させる。このシフトは肺の上部の肺尖が一致するように、かつ胸郭の左右ずれが小さいように、中央が一致するようにシフトされ、基準画像に対する参照画像の位置合わせが完了する。

次にステップＳ１３では、図１２に示すように平成Ｐ＋１年の基準画像と、基準画像の呼吸位相とに近似する平成Ｐ年の参照画像にそれぞれＲＯＩ（関心領域）を設定し、ＲＯＩの画像データの相互相関係数を計算し、係数が最大となる位置を基にシフトベクトルを計算する。このＲＯＩは胸郭について複数個所設定され、それぞれのＲＯＩについてシフトベクトルが同様に計算される。次に、ＲＯＩ毎に求められたＲＯＩ位置のシフトベクトルを二次元補間するパラメータを決定する。補間モデルとしては、三次元畳み込み内挿法、多項式近似法等が用いられる。

図１３はＲＯＩ毎に求められたシフトベクトルを二次元補間処理した結果を示している。図１４に示すように、このようにして求められた補間式により参照画像である平成Ｐ年の画像を座標変換し幾何補正を行う。次に、ステップＳ１４で平成Ｐ＋１年後の基準画像と平成Ｐ年の参照画像間において、画素ごとの差分を求めることで、差分画像を得ることができる。

以上の処理と同等の処理を基準画像の２枚目〜１４枚目の吸気モードについて、また基準画像１５枚目〜２９枚目の呼気モードについてそれぞれ基準画像の呼吸位相に近似する参照画像との間で繰り返して行い、吸気モード、呼気モードのそれぞれに対応する差分画像を得る。得られた差分画像は基準画像の並び順に対応し並べ替え、動画として画像表示手段１３で連続的に表示する。

実施例のシステム構成図である。 平成Ｐ年の撮影区間のグラフ図である。 画像解析のフローチャート図である。 胸部正面画像のヒストグラム図である。 胸部正面画像の３つの領域説明図である。 累積ヒストグラムと直線回帰のグラフ図である。 累積ヒストグラムと直線回帰の誤差のグラフ図である。 閾値１以下の胸部正面画像のヒストグラム図である。 肺野２値画像の垂直、水平方向のプロジェクションの説明図である。 平成Ｐ＋１年の撮影区間グラフ図である。 差分動作のフローチャート図である。 ＲＯＩとシフトベクトルの説明図である。 シフトベクトルの二次元補間の説明図である。 座標変換と差分処理の説明図である。

符号の説明

１ 天井懸垂手段
２ Ｘ線管球
４ Ｘ線センサ
６ システム制御手段
７ 撮影指示手段
８ Ｘ線制御手段
９ センサ駆動手段
１０ 画像解析手段
１１ 画像差分手段
１２ 画像保存手段
１３ 画像表示手段

Claims (2)

1. 経時的に隔たった２つの時点において呼吸サイクル中に撮影したそれぞれ複数の呼吸動画画像を入力する手段と、前記呼吸サイクルを呼気モードと吸気モードとに分け、前記呼気モードと吸気モードとの内、同一モード中に限定して前記それぞれの呼吸動画画像を解析し、一方の時点での基準画像の呼吸位相に近似する呼吸位相を有する他方の時点での参照画像を決定する画像解析手段と、得られた前記基準画像と前記参照画像間の差分計算を行い、前記両画像間の経時的変化を抽出する差分手段とを有することを特徴とする放射線画像処理装置。
2. 経時的に隔たった２つの時点において呼吸サイクル中に撮影したそれぞれ複数の呼吸動画画像を入力し、前記呼吸サイクルを呼気モードと吸気モードとに分け、前記呼気モードと吸気モードとの内、同一モード中に限定して前記それぞれの呼吸動画画像を解析し、一方の時点での基準画像の呼吸位相に近似する呼吸位相を有する他方の時点での参照画像を画像解析により決定し、得られた前記基準画像と前記参照画像との差分を求め、前記両画像間の経時的変化を抽出することを特徴とする放射線画像処理方法。

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