JP4600675B2 - 断層像の輪郭抽出のためのしきい値決定方法および放射線断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用のＸ線ＣＴ装置をはじめとする各種断層撮影装置により撮影された断層像の輪郭抽出のためのしきい値を決定する方法と、その方法を利用した輪郭抽出機能を有する放射線断層撮影装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置などにより撮影された被写体の断層像を用いた解析手法の一つとして、断層像から被写体像の輪郭を抽出して、図面通り正しく製作されているか否か等を判定する手法が知られている。

断層像中で被写体像の輪郭を抽出する方法としては、従来、断層像を形成する各画素の濃度値（輝度値）に関するしきい値を定め、そのしきい値と各画素の濃度値の大小関係により断層像を２値化し、論理フィルタにより輪郭線を抽出する方法（例えば特許文献１参照）や、同じくしきい値を設定して、断層像上でそのしきい値と一致する濃度値を持つ点群を抽出して輪郭線とする方法（例えば特許文献２参照）が知られている。

このような輪郭線の抽出に際しては、しきい値をどの濃度値にするかが重要な意味を持つ。従来のこの種の輪郭抽出手法において用いるしきい値は、通常、被写体像部分を構成する各画素の濃度値の平均値と、空間像部分を構成する各画素の濃度値の平均値を用い、例えばこれら２つの平均値の中間値とすることが一般的である。

また、前記した特許文献２においては、一つの断層像に適用するしきい値を一定とせず、輪郭抽出位置の周囲の中空部分や肉厚部分の状態によって最適なしきい値を設定する技術が開示されている。すなわち、例えば図５に示すような中空部分Ａ１を含む被写体像の輪郭を抽出するに当たっては、空間部分をその中空部分Ａ１と外側の空間部分Ａ２に分け、また、被写体像部分についても外側部分Ｂ１と内側部分Ｂ２に分けて、中空部分Ａ１と被写体像の外側部分Ｂ１との境界を決めるためのしきい値と、中空部分Ａ１と被写体像の内側部分Ｂ２との境界を決めるためのしきい値、および、空間部分Ａ２と被写体像の外側部分の境界を決めるためのしきい値は、それぞれに異なる値としている。しかしながら、これらの各しきい値は、当該しきい値を用いて決定すべき境界を挟んでその両側の被写体像部分を構成する各画素の濃度値の平均値と、空間（中空）像部分を構成する各画素の濃度値の平均値を用いて決定する点においては、上記した従来の手法と変わりはない。
特開平５−１９２３２６号公報 特開２００４−２２６２０２号公報

ところで、以上のような被写体の断層像の輪郭を抽出する際に用いられる、被写体像部分と空間像部分の各画素の濃度値の平均値を基にして決定される従来のしきい値は、被写体の形状、材質等に依存する論理的な意味合いはなく、従って、このようなしきい値を用いて抽出された被写体像の輪郭は、それが正確であるという保障はない。

従って、従来の手法により断層像から抽出された被写体像の輪郭は、再現性に乏しく、また、高精度化するにも限界があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、被写体の断層像からその輪郭を抽出するために用いられるしきい値を従来に比してより論理的意味を持たせ、被写体の断層像の輪郭抽出に用いてその再現性と測定精度を大幅に向上させることのできるしきい値の決定方法と、その方法を利用して良好な再現性のもとに高精度の輪郭抽出を行うことのできる放射線断層撮影装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の断層像の輪郭抽出のためのしきい値決定方法は、放射線源と放射線検出器の対と、これらの間に配置された被写体とを、放射線源と放射線検出器を結ぶ線に直交する回転軸の回りに相対回転させ、その微小角度ごとに取り込んだ投影データを再構成演算することにより、上記回転軸に直交する平面に沿った被写体の断層像を得た後、その断層像の輪郭情報を得るためのしきい値を決定する方法であって、上記断層像に対し、複数のしきい値を用いてそれぞれ被写体像部分と空間像部分の境界を求める工程と、その求めた各境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、各境界で区切られた断層像にそれぞれ順投影処理を施して仮想的な投影データを作成する工程と、その各仮想的投影データと実際に取り込んだ上記投影データとを比較して一致度の判定を行い、最も一致度の高い仮想的投影データを得たしきい値を最適しきい値として決定する工程と、を含むことによで特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明方法においては、上記一致度の判定手法が、上記各仮想的投影データの各画素データと実際に取り込んだ投影データの各画素データの差分値を算出し、その各差分値を用いた再構成演算により断層像を構築し、得られた各断層像のエッジ評価を行う手法である構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明方法においては、被写体に放射線を照射して取り込んだ投影データを再構成演算することにより構築した断層像について、あらかじめ設定されているしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界を求め、その境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、当該断層像に順投影処理を施して仮想的な投影データを作成し、その仮想データと実際に取り込んだ投影データとを比較して一致度の判定を行う処理を、しきい値を変更しつつ繰り返し実行した後、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定する、という手順を採用することができる（請求項３）。

更に、本発明方法においては、上記に代えて、被写体に放射線を照射して取り込んだ投影データを再構成演算することにより構築した断層像について、複数のしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界をそれぞれ求めた後、その各境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、各境界で区切られた断層像にそれぞれ順投影処理を施して仮想的な投影データをそれぞれ作成し、次いでその各仮想的投影データと実際に取り込んだ投影データを順次比較して一致度の判定を行い、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定する、という手順を採用してもよい（請求項４）。

一方、本発明の放射線断層撮影装置は、互いに対向配置された放射線源と放射線検出器と、これらの間に設けられ、被写体を搭載するステージと、上記放射線源と放射線検出器の対とステージとを、放射線源と放射線検出器を結ぶ線に直交する回転軸の回りに相対回転させつつ、その微小回転角度ごとに取り込んだ被写体の放射線投影データを記憶する投影データメモリと、その投影データメモリの内容を用いて上記相対回転軸に直交する平面に沿った被写体の断層像を再構成する再構成演算手段と、その再構成された断層像を記憶する断層像メモリを備えてなる放射線断層撮影装置において、上記断層像メモリに記憶されている断層像に対し、設定されたしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分との境界を画定する画像処理手段と、その画像処理手段により求められた境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、当該断層像に順投影処理を施して仮想的な投影データを作成する順投影処理演算手段と、その仮想的投影データと上記投影データメモリに記憶している投影データを比較して一致度を判定する一致度判定手段と、上記しきい値を複数に変化させて上記画像処理手段による境界の画定動作および上記順投影演算手段による順投影処理動作、並びに上記一致度判定手段による判定動作を実行させる制御手段と、各しきい値ごとに求められた一致度のなかから、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定するしきい値決定手段を備えるとともに、その決定されたしきい値を用いて上記画像処理手段により画定された境界を被写体像の輪郭とする輪郭抽出手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項５）。

この本発明の輪郭抽出装置においては、上記一致度判定手段が、上記仮想的投影データの各画素データと上記投影データメモリに記憶している投影データの各画素データの差分値を算出し、その各差分値を用いた再構成演算により断層像を構築し、得られた断層像のエッジ評価により一致度判定を行う構成（請求項６）を採用することができる。

本発明は、被写体像部分と空間像部分とからなる断層像において、正しいしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界を求めたとき、その境界の外側（空間像部分）は放射線の吸収がないと仮定したうえで、順投影処理を施して仮想的な投影データを求めると、その求められた投影データと、撮影時に実際に採取した投影データとは互いにほぼ等しくなることを利用したものである。

すなわち、本発明のしきい値の決定方法においては、被写体像の輪郭を抽出しようとする断層像について、複数のしきい値を用意して、それぞれのしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分との間の境界を求める。その各境界で区切られた断層像について、空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して順投影処理を施し、仮想的な投影データを求める。それぞれのしきい値に対応する投影データと、撮影時に実際に採取した投影データを比較して、最も一致度の高い仮想的投影データが得られたしきい値を最適なしきい値と決定する。このようにして決定されたしきい値を用いて抽出された被写体像の輪郭は、従って、断層像を構築するのに用いた投影データによる裏付けのあるしきい値を用いているが故に、従来の被写体像部分と空間像部分の画素の濃度値の平均値を用いて定めた、特に根拠のないしきい値を用いて抽出される輪郭に比して、再現性および精度が飛躍的に向上する。

仮想的投影データと実際に採取した投影データとの一致度の判定手法については、特に限定されるものではないが、請求項２ないしは６に係る発明のように、仮想的投影データと実際の投影データとの差分値を用いた再構成演算により得られる断層像のエッジ評価により行う方法を採用することが好適である。つまり、上記の差分値を用いた再構成演算により得られる断層像は、しきい値が正確（最適）であれば、特にエッジ部分、つまり輪郭部分に殆ど像が現れず、正確でないしきい値を用いた場合には、差分値を用いた再構成演算により得られる断層像上に、輪郭部分に明確な像が現れることになり、仮想的投影データと実際の投影データとの一致度を容易に判定することができる。

本発明のしきい値の決定方法は、請求項３に係る発明のように、一つのしきい値で境界を求めた断層像について、順投影処理を施して仮想的投影データを求め、その仮想的投影データと実際の投影データとの一致度を判定する動作を、しきい値を変化させながら繰り返し実行する手順を採用する場合と、請求項４に係る発明のように、複数のしきい値で境界を求めた後、それぞれのしきい値に対応する境界で区切られた断層像に対して、順投影処理を施してそれぞれ仮想的投影データを求め、その各投影データと実際の投影データとの一致度をそれぞれ判定する手順を用いる場合のいずれであってもよい。

請求項５に係る発明の放射線断層撮影装置は、断層像メモリに記憶されている断層像に対して、上記した本発明方法を用いた処理を実行する手段、つまりしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界を画定する画像処理手段、その画定された境界により空間像部分となった部分は放射線吸収がないものと仮定して順投影処理を施して仮想的投影データを作成する順投影処理演算手段、作成された仮想的投影データと、放射線断層撮影装置の投影データメモリに格納されている投影データとの一致度の判定を行う一致度判定手段、これら全体を制御して複数のしきい値について同等の処理を実行させる制御手段、各しきい値ごとに求められた一致度のなかから最も一致度の高いものを最適しきい値と決定するしきい値決定手段、および決定されたしきい値を用いて画像処理手段により画定された境界を被写体像の輪郭とする輪郭抽出手段を備えた構成を採る。このような構成の採用により、被写体の断層像撮影からその輪郭を再現性よく高精度に抽出することが可能となる。

本発明によれば、放射線断層撮影装置により撮影された被写体の断層像の輪郭を抽出するためのしきい値を決定するに当たり、複数のしきい値を用いて同じ断層像中で被写体像部分と空間像部分の境界を求め、各境界で区切られた空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して順投影処理を行って仮想的な投影データを算出し、その仮想的投影データと、当該断層像を構築する際に用いた投影データと比較して一致度を判定し、その一致度が最も高いしきい値を最適しきい値と決定するので、断層像を構築した元データである投影データに裏付けられたしきい値を求めることができる。従って、このようにして決定したしきい値を用いて被写体像の輪郭を抽出すると、得られる輪郭は高精度で良好な再現性を有するものとなる。

その結果、被写体像の輪郭をサブピクセルオーダーで一意に決定することができ、断層像を利用した各種解析において測定の再現性と測定精度を飛躍的に向上させることが可能となる。また、ＣＡＤデータとの比較や、断層像からＣＡＤデータを作成するいわゆるリバースエンジニアリング技術などへの応用も期待できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

互いに対向配置されたＸ線発生装置１とＸ線検出器２の間に、被写体Ｗを配置するためのステージが設けられ、この例におけるステージは、Ｘ線光軸Ｌ方向（ｘ軸方向）に直交する回転軸Ｒ（ｚ軸）の回りに回転する回転テーブル３と、その回転テーブル３上に載せられ、被写体Ｗを搭載してＸ線光軸Ｌの方向と、そのＸ線光軸Ｌ方向および回転軸Ｒの双方に直交する方向（ｙ軸方向）に移動するｘｙテーブル４によって構成されている。
回転テーブル３は回転駆動回路１１からの駆動信号により駆動制御され、また、ｘｙテーブル４はｘｙ駆動回路１２からの駆動信号によって駆動制御される。

これらの回転駆動回路１およびｘｙ駆動回路１２は、軸制御部１３を介して後述する制御部１０の制御下に置かれており、制御部１０に接続されているジョイスティックやマウス、キーボード等からなる操作部１４の操作により回転テーブル３を任意角度だけ回転させることができ、また、ｘｙテーブル４をｘ軸方向およびｙ軸方向に任意の距離だけ移動させることができる。また、ＣＴ撮影に際しては、Ｘ線発生装置１からのＸ線を被写体Ｗに照射しつつ回転テーブル３を回転させ、その微小回転角度ごとに被写体のＸ線透過データ、つまり投影データを投影データ取込み回路１５を介して投影データメモリ１６に格納していく。

この投影データメモリ１６に３６０°分の投影データが蓄積された後、操作部１４の操作によりスライス位置を指定することにより、投影データメモリ１６内の投影データは再構成演算部１７に取り込まれ、例えばフィルタードバックプロジェクション（ＦＢＰ）などの公知の手法に基づく再構成演算により、被写体Ｗの断層像を構築する。その断層像は断層像メモリ１８に記憶されるとともに、表示器１９に表示される。

前記した制御部１０は、前記した通り軸制御部１３を制御するとともに、再構成演算部１８をも制御し、更に、画像処理部２０、順投影処理演算部２１、一致度判定部２２が接続されており、これらの動作をも制御する。

画像処理部２０は、制御部１０から供給されるしきい値を用いて、断層像メモリ１８に格納されている断層像中で、被写体像部分と空間像部分との境界を画定する。また、順投影処理演算部２１は、画像処理部２０により画定された境界で区切られた空間像部分については、Ｘ線の吸収がないものと仮定して順投影処理を行い、仮想的な投影データを作成する。一致度判定部２２は、順投影処理演算部２１により作成された仮想的投影データと、前記した投影データメモリ１６に格納されている実際の投影データとの一致度を判定する。

なお、以上の制御部１０、再構成演算部１７、画像処理部２０、順投影処理演算部２１および一致度判定部２２等は、実際にはコンピュータとそこにインストールされたプログラムが実行する機能を表している。

さて、被写体Ｗの断層像からその輪郭を抽出する場合には、操作部１４を操作してその旨の指令を与える。これにより、以下の動作によって自動的にしきい値を決定し、その決定されたしきい値に基づく輪郭線が抽出され、表示器１９に表示される。

図２はその動作手順を示すフローチャートである。
輪郭抽出の指令が与えられると、まず、断層像メモリ１６から断層像データを画像処理部２０に読み出すとともに、その画像処理部２０に対して、例えばあらかじめ設定されているｎ個のしきい値Ｔｈ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，・・ｎ）をＴｈ（１）から順に設定していく。なお、このしきい値Ｔｈ（ｉ）のディメンジョンは、従来と同様に画素の濃度値（輝度値）である。

画像処理部２０では、しきい値Ｔｈ（ｉ）が設定されるごとに、そのしきい値Ｔｈ（ｉ）を用いて断層像中の被写体像と空間像の境界を画定する。その結果を受けて、順投影処理演算部２１では、境界で画定された空間像部分はＸ線の吸収がないものと仮定して、断層像に順投影処理を施し、仮想的な投影データを作成する。

その仮想的投影データは、一致度判定部２２において投影データメモリ１６に記憶されている実際の投影データと比較され、一致度判定部２２ではこれら両データの一致度を判定し、その結果を記憶する。

以上の動作をＴｈ（１）からＴｈ（ｎ）まで繰り返し行い、一致度が最も高いしきい値を最適しきい値Ｔｈｏと決定する。そして、画像処理部２０において、決定された最適しきい値Ｔｈｏを用いて断層像中から被写体像の輪郭を抽出する。このしきい値Ｔｈｏを用いた輪郭の抽出手法については、しきい値Ｔｈｏで断層像を２値化し、論理フィルタにより輪郭線を抽出する方法、あるいはしきい値Ｔｈｏと一致する画素群を抽出して輪郭線とする方法など、公知の任意の方法を採用することができる。

また、仮想的投影データと実際の投影データとの一致度の判定は、例えば図３に要部フローチャートを示すように、仮想的投影データと実際の投影データの差分を求め、つまり同じ画素どうし、同じビュー角どうしの濃度値の差分を算出し、その差分を画素データとしてＦＢＰ（フィルタードバックプロジェクション）等の手法を用いて断層像を再構成し、そのエッジ評価を行う手法を挙げることができる。しきい値Ｔｈｏが正確であれば、仮想的投影データは実際の投影データと極めて類似したものとなり、差分を用いて再構成した断層像においては特にエッジ部分（境界部分）近傍では殆ど像が現れない。従って、以上のように差分を用いた再構成演算による断層像のエッジ情報が少ないものほど、最適に近いしきい値と判断することができる。

以上の実施の形態によると、複数のしきい値を用いてそれぞれ境界が画定された断層像に対し、境界で仕切られた空間像部分ではＸ線の吸収がないものと仮定して順投影処理を施すことにより仮想的な投影データを作成し、そのデータと実際の投影データの一致度が最も高いものを最適しきい値と決定しているため、決定されたしきい値は論理的根拠を持つものとなる。従って、このようにして決定された最適しきい値を用いて輪郭抽出を行うことにより、抽出された輪郭線は、被写体のスライス位置における輪郭を正確に表したものとなり、従来の論理的根拠を伴わないしきい値を用いる場合に比して、その測定精度並びに再現性が飛躍的に向上する。

ここで、以上の実施の形態においては、各しきい値Ｔｈ（ｉ）を用いてそれぞれ断層像中の被写体像部分と空間像部分の境界を画定して順投影処理を施すごとに、実際の投影メモリとの一致度を判定したが、図４に例示するように、各しきい値Ｔｈ（ｉ）を用いてそれぞれ断層像中の被写体像部分と空間像部分の境界を画定して順投影処理を施した仮想的投影データをそれぞれに記憶しておき、最終的に各仮想的投影データと実際の投影データとの一致度を判定してもよい。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 本発明の実施の形態におけるしきい値の決定および輪郭抽出のための動作手順の例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における仮想的投影データと実際の投影データの一致度の具体的な判定手法の動作手順例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態におけるしきい値の決定および輪郭抽出のための動作手順の例を示すフローチャートである。 従来の輪郭抽出のためのしきい値の決定方法の例の説明図である。

符号の説明

１ Ｘ線発生装置
２ Ｘ線検出器
３ 回転テーブル
４ ｘｙテーブル
１０ 制御部
１１ 回転駆動回路
１２ ｘｙ駆動回路
１３ 軸制御部
１４ 操作部
１５ 投影データ取込み回路
１６ 投影データメモリ
１７ 再構成演算部
１８ 断層像メモリ
１９ 表示器
２０ 画像処理部
２１ 順投影処理演算部
２２ 一致度判定部
Ｗ 被写体

Claims (6)

1. 放射線源と放射線検出器の対と、これらの間に配置された被写体とを、放射線源と放射線検出器を結ぶ線に直交する回転軸の回りに相対回転させ、その微小角度ごとに取り込んだ投影データを再構成演算することにより、上記回転軸に直交する平面に沿った被写体の断層像を得た後、その断層像の輪郭情報を得るためのしきい値を決定する方法であって、 上記断層像に対し、複数のしきい値を用いてそれぞれ被写体像部分と空間像部分の境界を求める工程と、その求めた各境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、各境界で区切られた断層像にそれぞれ順投影処理を施して仮想的な投影データを作成する工程と、その各仮想的投影データと実際に取り込んだ上記投影データとを比較して一致度の判定を行い、最も一致度の高い仮想的投影データを得たしきい値を最適しきい値として決定する工程と、を含む断層像の輪郭抽出のためのしきい値の決定方法。
2. 上記一致度の判定手法が、上記各仮想的投影データの各画素データと実際に取り込んだ投影データの各画素データの差分値を算出し、その各差分値を用いた再構成演算により断層像を構築し、得られた各断層像のエッジ評価を行う手法であることを特徴とする請求項１に記載の断層像の輪郭抽出のためのしきい値の決定方法。
3. 被写体に放射線を照射して取り込んだ投影データを再構成演算することにより構築した断層像について、あらかじめ設定されているしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界を求め、その境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、当該断層像に順投影処理を施して仮想的な投影データを作成し、その仮想データと実際に取り込んだ投影データとを比較して一致度の判定を行う処理を、しきい値を変更しつつ繰り返し実行した後、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定することを特徴とする請求項１または２に記載の断層像の輪郭抽出のためのしきい値の決定方法。
4. 被写体に放射線を照射して取り込んだ投影データを再構成演算することにより構築した断層像について、複数のしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分の境界をそれぞれ求めた後、その各境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、各境界で区切られた断層像にそれぞれ順投影処理を施して仮想的な投影データをそれぞれ作成し、次いでその各仮想的投影データと実際に取り込んだ投影データを順次比較して一致度の判定を行い、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定することを特徴とする請求項１または２に記載の断層像の輪郭抽出のためのしきい値の決定方法。
5. 互いに対向配置された放射線源と放射線検出器と、これらの間に設けられ、被写体を搭載するステージと、上記放射線源と放射線検出器の対とステージとを、放射線源と放射線検出器を結ぶ線に直交する回転軸の回りに相対回転させつつ、その微小回転角度ごとに取り込んだ被写体の放射線投影データを記憶する投影データメモリと、その投影データメモリの内容を用いて上記相対回転軸に直交する平面に沿った被写体の断層像を再構成する再構成演算手段と、その再構成された断層像を記憶する断層像メモリを備えてなる放射線断層撮影装置において、 上記断層像メモリに記憶されている断層像に対し、設定されたしきい値を用いて被写体像部分と空間像部分との境界を画定する画像処理手段と、その画像処理手段により求められた境界に基づく空間像部分は放射線の吸収がないものと仮定して、当該断層像に順投影処理を施して仮想的な投影データを作成する順投影処理演算手段と、その仮想的投影データと上記投影データメモリに記憶している投影データを比較して一致度を判定する一致度判定手段と、上記しきい値を複数に変化させて上記画像処理手段による境界の画定動作および上記順投影演算手段による順投影処理動作、並びに上記一致度判定手段による判定動作を実行させる制御手段と、各しきい値ごとに求められた一致度のなかから、最も一致度の高いしきい値を最適しきい値と決定するしきい値決定手段を備えるとともに、その決定されたしきい値を用いて上記画像処理手段により画定された境界を被写体像の輪郭とする輪郭抽出手段を備えていることを特徴とする放射線断層撮影装置。
6. 上記一致度判定手段が、上記仮想的投影データの各画素データと上記投影データメモリに記憶している投影データの各画素データの差分値を算出し、その各差分値を用いた再構成演算により断層像を構築し、得られた断層像のエッジ評価により一致度判定を行うことを特徴とする請求項５に記載の放射線断層撮影装置。

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