JP4502364B2

JP4502364B2 - 画像処理装置、画像処理方法、画像処理プログラム並びに記憶媒体

Info

Publication number: JP4502364B2
Application number: JP2003390755A
Authority: JP
Inventors: 弘之新畠
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: EP1431914A3; JP2004215234A; EP1431914A2; US20040126001A1; EP1431914B1; US7391896B2; DE60327034D1

Description

本発明は、画像に対して階調変換処理をする技術に関し、特に階調変換後の画像のコントラストを規準に階調変換処理をする技術に関するものである。

従来から、被検体に向けて放射線を照射し、被検体を透過した放射線の強度によって画像を生成する画像撮影方法が存在する。この方法では、アナログフイルムを用いて撮影する場合には、観察領域が一定濃度になるようにＸ線の曝射量を調整していた。これに対してセンサ、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、Ｘ線診断用フィルム等に表示するデジタル撮影では、画像処理で撮影後の画像濃度をどのようにも調整することができるため、最低限度のＸ線を被写体に浴びせてデジタルデータを取得し、観察しやすいように撮影されたデータの階調を変換する場合がある（例えば、特許文献１参照）。この場合に観察領域が一定濃度になるように画像処理を行うが、この処理に用いるデジタルデータから取得した量を特徴量という。たとえば、胸部正面撮影では、第五肋間の濃度が１．８から２．０になることが求められ。このため、デジタルデータ上から解析的（いろいろなアルゴリズムに基づいて）に、第五肋間の領域を抽出し、その領域内のデジタルデータから統計量（平均、モードなど）を計算し特徴量とする。そして、画像処理でこの特徴量（デジタル値）が一定濃度になるように階調変換を行う。つまり、特徴量とは観察領域のデジタルデータの代表値そのもの、又は相関の高い値である。このような特徴量の算出方法としては、例えば被写体全体の２次元的な構造を解析して所定領域を抽出し、所定領域内で特徴量を算出する方法や、ヒストグラム解析を行って特徴量を算出する方法などがある。
特開２００２−２４５４５３号公報

しかしながら、上述の特徴量を計算する解析関数は、被写体の部位ごとに用意することが必要であり、多大な開発コストがかかる。また、開発してない解析関数に関する部位の撮影は行えない。さらに、階調変換曲線のパラメータも経験則により定める必要があった。しかも、従来は、人が目で確認しながら、試行錯誤しつつコントラストを調整しており、コントラストの適否を示す客観的な指標はなかった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものでその目的とするところは、高精度で安定した階調変換を行うことにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理装置であって、
前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する変換手段と
を具備することを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理方法であって、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を含むことを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る画像処理プログラムは、
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理プログラムであって、
コンピュータに、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を実行させることを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る記憶媒体は、
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理プログラムを格納した記憶媒体であって、
前記画像処理プログラムは、コンピュータに、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、高精度で安定した階調変換を行うことができる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

なお、本実施形態は、医療分野における撮像画像処理に関するものであり、客観的に最適なコントラストの画像を得るためのものである。特に、濃度よりもコントラストが重視される骨部の撮影画像などに対して効果を発揮する。画像全体のコントラストを最適にすることが、結果的に診断者の好みに合う画像になるからである。また、肺野の例でも、第五肋間の濃度を１．８から２．０にすることが肺野全体のコントラストを最適にする傾向があることが実験的にわかっている。逆にいうと肺野全体のコントラストを最適にすることが、結果として第五肋間の濃度を１．８から２．０にすることに結びついている。ただし、本実施形態は、従来のアナログフィルムの階調変換曲線が一定の曲線形を有していることが前提となっている。従って、デジタル画像でも、アナログフィルムの曲線形を再現して用いるものとする。

図１は、本発明の実施形態としてのＸ線撮影装置１００の内部構成を示す図である。すなわち、Ｘ線撮影装置１００は、Ｘ線を用いて画像を撮影する機能と、画像処理機能とを有する撮影装置であり、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なされている。

また、Ｘ線撮影装置１００は、前処理回路１０６に接続されたデータ収集回路１０５と、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とを備えており、これらの各回路はＣＰＵバス１０７にも接続されている。

上述の様な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、例えば胸椎等の人体部画像とする。

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、画像処理回路１１１に転送される。

１１１は画像処理回路の構成を示すブロック図である。画像処理回路１１１には、照射野認識回路１１２と、被写体抽出回路１１３と、解析回路１１４と、諧調変換回路１１５とを含む。照射野認識回路１１２はＸ線が２次元Ｘ線センサ１０４に直接照射されている領域を抽出する。被写体抽出回路１１３は照射野認識回路１１２で抽出した照射領域内のす抜け領域とす抜け領域と一定幅で接する体領域を削除し、被写体を抽出する。解析回路１１４は階調変換後の画像のコントラストを規準として、階調変換後の画像のコントラストが最大となる階調変換曲線を規定する。諧調変換回路１１５は解析回路１１４で規定された階調変換曲線に基き原画像の諧調変換を行う。

次に画像処理回路１１１の動作について図２を用いて説明する。図２は実施形態の処理の流れを示すフローチャートである。

ＣＰＵバス１０７を介して前処理回路１０６で処理された入力画像をＣＰＵ１０８の制御により受信した照射野認識回路１１２は、入力画像中の照射領域を抽出する（ステップＳ２０１）。そして、被写体抽出回路１１３は、照射野認識回路１１２で抽出した照射領域外及び照射領域内のす抜け領域、及びす抜け領域と一定間隔内で接する体領域を、例えば０画素で置き換え被写体を抽出する（ステップＳ２０２）。具体的には以下の式（１）を用いて画像の変換を行う。

ここで、ｆ（ｘ、ｙ）は画像データを示し、ｆ１（ｘ、ｙ）はす抜け領域及びす抜け領域と一定間隔内で接する体領域を削除した後の画像を示す。また、（ｘ、ｙ）は画像データ上の座標を示しており、ｓｇｎ（ｘ，ｙ）は以下の式（２）のように表わされる。Ｔｈ１は実験により定められる定数で、例えば画像全体の最大ピクセル値の９０％の値、ｄ１、ｄ２は体領域を削除する幅を決める定数である。

階調変換曲線Ｆ（ｄ、ｃ）(ｘ)は、例えば式（３）で示される。

ただし、ｄは階調変換曲線を画素値に対して平行移動する量を示すパラメータであり、ｃは階調変換曲線の傾き量を示す階調変換曲線のコントラストである。このｄが異なることにより、階調変換曲線が画素値に対して平行移動するものである。また、このｃが異なることにより階調変換曲線の傾きが変わるものである。また、Ｄmaxは最大濃度値に対応する定数、Ｄminは最小濃度値に対応する定数、ｘ0、ａ、ｂは定数である。なお、モニタに表示する場合には、モニターに対応するようにＤmax、Ｄminを変更することで、輝度値にも対応できることは言うまでもない。この階調変換曲線により画素値ｆ１（ｘ、ｙ）が階調変換後の濃度値Ｆ(ｄ、ｃ)（ｆ１（ｘ、ｙ））に変換されるものである。
図３は階調変換曲線３０１の一例を示した図であり、階調変換曲線のコントラストを固定し、画素値に対して階調変換曲線を水平方向に移動する場合を示している。

なお、階調変換前と後のコントラストの相違は階調変換の傾きに支配される。たとえば、傾きが０であれば画像のコントラストはなくなり、これに対して傾きが無限大であればコントラストも無限になる。そこで、ここでは、階調変換曲線の傾きを「階調変換曲線のコントラスト」と呼ぶこととする。

次に解析回路１１４は、以下の式（４）に示すコントラスト改善率Ｃ(ｄ)を計算する。ここで、Ｆ(ｄ、ｃ)‘（）は階調変換曲線の微分の値、即ち、コントラストを表している。

式（４）により、パラメータｄに対する、被写体のコントラスト改善率Ｃ（ｄ）が計算される（Ｓ２０３）。図４は、階調変換後における画像のコントラスト改善率の一例を示している。ここで、横軸がパラメータｄを示し、縦軸がコントラスト改善率を示している。コントラスト改善率は画像全体の階調変換前の画像に対するコントラストの改善性を端的に示すものであり、この値が大きくなるほど画像全体としてのコントラストが上がる。
解析回路１１４は（４）式で定義したコントラスト改善率Ｃ(ｄ)のパラメータｄを所定範囲で変更し、その範囲でのＣ(ｄ)を計算する。そして、コントラスト改善率Ｃ（ｄ）が最大の値を示した時のｄを最適なパラメータＤとして決定する（Ｓ２０４）。これにより階調変換後のコントラスト改善率は最大値を示す。つまり、被写体全体の階調変換後の画像のコントラストのが最大となる階調変換曲線が定まる。なお、パラメータｄの所定範囲は階調変換曲線に基づいてあらかじめ、経験的に定められているものである。なお、医療診断では階調変換のコントラストを固定して、各被写体の画像を診断したほうが診断能があがる場合を考慮し、ここでは階調変換曲線自体のコントラストｃを固定値としている。

また、同様にパラメータｃを変更することでコントラスト改善率が最大となるパラメータを決定することができる。この場合には、階調変換曲線自体の傾きも調整できるため、さらにコントラスト改善率を上げることができる効果がある。また、パラメータｄ、ｃを同時に変更して、最適なパラメータＤ，Ｃを算出することで最適な階調曲線形を決定することができる。

次に、階調変換回路１１５は、解析回路１１４で算出したパラメータＤ，Ｃで規定される階調変換曲線Ｆ(Ｄ、Ｃ)（）を用いて画像ｆ（ｘ，ｙ）の階調変換処理を行う（Ｓ２０５）。なお、解析回路１１４でパラメータＤだけを算出した場合には、Ｃはあらかじめ定まるデフォルト値ｃを用い、パラメータＣだけを算出した場合には、Ｄはあらかじめ定まるデフォルト値ｄを用いるものとする。

なお、コントラスト改善率を計算する場合に、特定画素値範囲（例えば肺野部に相当する領域）のコントラストを計算する方法がある。これは、人体画像などでは診断したい領域が限られており、例えば、胸部正面画像では主として肺野部を診断することを目的とし、腹部の診断は目的としていない。従って、診断目的とする領域のコントラストが最大に改善されるのが好ましい。よって、例えば、肺野部のコントラスト改善率に限定することで、主目的とする領域のコントラストを効率よく改善することができる。

さらに、２次元的に解剖学的領域を算出し、その２次元的領域に限ってコントラスト改善率を計算することも可能である。この場合には、さらに、効率よく特定領域のコントラストの改善が図られる効果がある。

本実施形態によれば、高精度で安定した階調変換を行う画像処理装置を得ることができる。階調変換曲線の形で定まるコントラスト改善率を算出することにより、目的とする画像の階調変換後のコントラストを算出することが可能となる。これにより、コントラスト改善率の値を指標として、階調変換曲線を規定することが可能であるため、部位ごとの解析関数を開発する必要がなくなる。さらに、階調変換後の画像のコントラストが最大となるように効率よく階調変換を行える。被写体全体のコントラストをよくすることにより、結果として診断能を向上させることができる。

一般に、医療の現場では、階調変換曲線の傾き、つまり階調変換曲線のコントラストを固定して用いられる傾向にある。階調変換曲線の傾きが撮影対象ごとに異なると画像の階調の感じが異なり診断基準が異なる場合があるためである。

しかし、階調変換曲線のコントラストを固定して、つまり階調変換曲線の傾きを固定して、階調変換曲線を平行移動させ、コントラスト改善率を計算した場合には、上述の要求を満たすことができる。

さらに、階調変換曲線のコントラスト自体もパラメータとして変動できるようにした場合には、さらに、コントラスト改善率を上げることができる効果がある。

また、コントラスト改善率を計算する場合に、特定画像領域（例えば肺野部に相当する領域）のコントラストを計算した場合には、診断目的とする領域（特定画像領域）のコントラストが最大に改善される。

さらに、２次元的に解剖学的領域を算出し、その２次元的領域に限ってコントラスト改善率を計算した場合には、さらに、効率よく特定領域のコントラストの改善が図られる効果がある。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。

なお、本発明は、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を、システム或いは装置に直接或いは遠隔から供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータが該供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。その場合、プログラムの機能を有していれば、形態は、プログラムである必要はない。

従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明のクレームでは、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。

その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。

プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−Ｒ）などがある。

その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続し、該ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明のクレームに含まれるものである。

また、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせ、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。

また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。

さらに、記録媒体から読み出されたプログラムが、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き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、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ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。

図１は、本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、実施形態での処理の流れを示す図である。図３は、階調変換曲線の一例を示した図である。図４は、コントラスト改善率の一例を示した図である。

Claims

被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理装置であって、
前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する変換手段と
を具備することを特徴とする画像処理装置。
前記決定手段は、
前記被写体領域における各画素の前記対応付けにより得られる値の総和が最も大きくなったときの前記階調変換曲線を規定するパラメータに決定する
ことを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
前記決定手段は、
前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定するために、前記階調変換曲線のコントラストを固定し、入力画素値を横軸にとり出力画素値を縦軸にとった座標系で前記階調変換曲線を水平方向に移動して前記対応付けにより得られる値の総和を求める
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像処理装置。
前記決定手段は、
前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定するために、前記階調変換曲線のコントラストを変動させると共に、入力画素値を横軸にとり出力画素値を縦軸にとった座標系で前記階調変換曲線を水平方向に移動して前記対応付けにより得られる値の総和を求める
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像処理装置。
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理方法であって、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を含むことを特徴とする画像処理方法。
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理プログラムであって、
コンピュータに、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を実行させることを特徴とする画像処理プログラム。
被検体に向けて照射され、前記被検体を透過した放射線の強度分布を電気信号に変換して得られた放射線画像に対して画像処理を施す画像処理プログラムを格納した記憶媒体であって、
前記画像処理プログラムは、コンピュータに、
抽出手段が、前記放射線画像から被検体の領域である被写体領域を抽出する工程と、
決定手段が、前記抽出手段により抽出された前記被写体領域における各画素の画素値毎に階調変換曲線の傾きを示す値を対応付け、前記被写体領域における各画素の該対応付けにより得られる値の総和を求め、該値の総和に基づいて前記階調変換曲線を規定するパラメータを決定する工程と、
変換手段が、前記決定手段により決定されたパラメータで規定された前記階調変換曲線に基づいて前記放射線画像の階調を変換する工程と
を実行させることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。