JP4736751B2 - アスベスト用位相コントラストｘ線撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、被写体にＸ線を照射してＸ線画像を撮影し、当該Ｘ線画像に画像処理を施して出力するアスベスト用位相コントラストＸ線撮影システムに関する。

近年、人体に入り込んだアスベストが塵肺や中皮腫等の重篤な疾病を誘起するとして問題となっている。このため、患者の胸部Ｘ線画像を撮影し、このＸ線画像から人体内のアスベストの有無を検出するための検査が行われている。アスベストの検出により、迅速な処置（治療、予防措置）につなげ、発症を抑制することが期待される。

しかし、胸部や手足等を撮影する一般的な医療用Ｘ線画像システムでは、アスベストのような直径約１０μｍ以下の微細な構造物を可視画像化することは困難である。仮に、可視画像化ができたとしても視認性が低く、医師が観察（判別）できないことが多い。これは、Ｘ線画像システムで使用される画像検出器の空間解像度よりも撮影対象の構造物のサイズが小さいためである。

上記アスベストのような微小な対象物を精細に観察可能なＸ線画像を得るためには、拡大撮影が有効である。拡大撮影は、Ｘ線管の焦点径、Ｘ線管から被写体までの距離、被写体から画像検出器までの距離を所定の関係とすることにより、実際の被写体のサイズよりも拡大されたＸ線画像が得る撮影方法である。

拡大撮影においてより視認性を向上させるためには、拡大撮影時の拡大率を上げる、或いはＸ線管の焦点径を大きくし、照射するＸ線量を増加させることが考えられる。従来においても、小動物を撮影対象とするため、拡大率１０倍の拡大撮影を行い、得られたＸ線画像を２５μｍの読取サンプリングピッチで読み取ってデジタル画像データを得る方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、被写体から画像検出器までの距離を０．３ｍ以上として拡大率を上げる方法も開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−２６８４５０号公報 特表平１１−５０２６２０号公報

しかしながら、拡大撮影では拡大率及び／又は焦点径を増大させると、それに伴ってエッジ部分の鮮鋭性が低下するボケと呼ばれる現象が生じてしまう。従って、上記のように視認性向上を狙っての単純な拡大率増加はボケを生じさせ、かえって視認性の低下を招くこととなる。また、Ｘ線管の焦点径が大きければ単位時間あたりのＸ線照射量が増加するため、Ｘ線画像の濃度特性を改善させることができるが、焦点径の拡大もボケの発生につながるため、拡大率と同様に単純な拡大化は好ましくない。

本発明の課題は、アスベストの視認性が高いＸ線画像を得ることができるアスベスト用位相コントラストＸ線撮影システムを提供することである。

請求項１に記載の発明は、アスベスト用位相コントラストＸ線撮影システムであって、
被写体にＸ線を照射するＸ線管と、
被写体を透過したＸ線のＸ線量に応じたＸ線画像を生成する画像検出器と、
生成されたＸ線画像に対して階調変換処理を施す画像処理装置と、を有し、
前記Ｘ線管の焦点径をＤ（μｍ）、
前記Ｘ線管の焦点から前記被写体までの距離をＲ１（ｍ）、
前記被写体から前記画像検出器までの距離をＲ２（ｍ）、
前記Ｘ線管の焦点から前記画像検出器までの距離をＲ３[＝Ｒ１＋Ｒ２]（ｍ）、
拡大率Ｍ＝Ｒ３／Ｒ１、
とするとき、
１≦Ｄ≦３０、
３≦Ｒ３≦５、
１０≦Ｍ≦４０、
を満たし、
前記画像処理装置は、前記階調変換処理に係るコントラストのパラメータＧ値を２０以上として階調変換処理を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアスベスト用位相コントラストＸ線撮影システムにおいて、
前記画像処理装置は、前記２０以上のＧ値での階調変換処理と、スクリーン／フィルム方式で培われたＧ値での階調変換処理とが切替可能であることを特徴とする。

本発明によれば、径が０．０５〜１０（μｍ）と非常に微小なアスベストの検出に対応したコントラストの拡大画像を提供することができる。アスベストは非常に微小であり、通常の撮影方法ではアスベストを視認可能に画像化するのは困難である。また、アスベストは人体の肺の肺胞部分に存在して疾病を引き起こすが、胸部を撮影したＸ線画像においてこのような肺胞とアスベストとのコントラスト（濃度差）は、肺野部分と骨等の他の領域のコントラストから見て小さいものとなる。従って、通常の人体（肺野）構造物の観察用にスクリーン／フィルム方式で培われた階調特性（コントラスト）を踏襲した入力信号−出力階調の信号変換処理（Ｇ値処理）では、小焦点のＸ線管球を用い拡大撮影（位相コントラスト撮影）を行ったとしてもエッジ強調効果により視認性は向上するものの大幅な向上は期待できない。そのため、デジタル処理における階調変換特性設定の自由度に鑑み、通常の人体構造物ではなく、体内に吸飲されたアスベスト部分に着目し、当該アスベスト部分の視認性が大幅に向上するようなＧ値処理を行うことで、アスベストと周辺部（肺野部）とのコントラストを引き上げ、視認性を大幅に向上させることが可能となる。

人体の構造物は、主にＣ、Ｈ、Ｏ、Ｃａ等の元素から構成されている一方、アスベストは主にＳｉ、Ｏ、Ｆｅ、Ｍｇ等の元素から構成されている。各構成元素とそのＸ線吸収率の関係は下記表１のようになる。

アスベストは、口から吸入され肺胞中に存在することが多い。肺胞構成元素は主にＣ、Ｈ、Ｏ、Ｎ等であり、アスベストの主成分であるＳｉとのＸ線吸収率を比較すると、その差は１０倍以上である。そのため、同一Ｘ線量が人体に照射された場合には画像検出器に到達するＸ線量の差も大きく、そのＸ線画像上におけるコントラスト（濃度差）も大きくなる。

また、人体の骨部はＸ線吸収率の大きいＣａの含有率が多いため、人体を透過しづらく、画像検出器に到達するＸ線量が減少する。アスベストの構成元素Ｓｉと比較すると、ＳｉのＸ線吸収率はＣａの１／３であり、アスベストと肺胞のコントラストは、骨と肺胞のコントラストより小さいことが分かる。

従来から胸部を撮影したＸ線画像では、Ｘ線吸収率差が大きい骨部と肺胞部、肺血管部とを同時に読影しやすい濃度とするように、Ｘ線画像上の階調特性を調整している。しかし、このように調整された階調特性の下では、アスベストと肺胞のような比較的到達Ｘ線量の差が小さい画像部分において充分なコントラストが得られず、アスベストと肺胞の境界部分が判別できなくなってしまう。

よって、本発明では、微小なアスベストを視認可能なＸ線画像を得るため、拡大撮影を行って撮影時に用いるＸ線管の焦点径、拡大率を制御するとともに、拡大撮影により得られたデジタルＸ線画像にアスベストの検出に応じたデジタル処理ならではの画像処理である階調変換処理及び／又は周波数強調処理を施すことにより、アスベストの視認性が高いＸ線画像を生成する。
以下、本発明を適用した一実施形態について説明する。

図１に、本実施形態におけるＸ線画像システム１００を示す。
Ｘ線画像システム１００は、図１に示すように、撮影装置１０、画像処理装置２０、フィルム出力装置３０、画像ＤＢ４０ａを有する画像サーバ４０、表示装置５０を備えて構成されている。各装置１０〜５０はネットワークＮを介して相互に通信可能に接続されている。ネットワークＮは、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine）規格が適用されたＬＡＮ（Local Area Network）である。

Ｘ線画像システム１００では、撮影装置１０において被写体にＸ線を照射することによりＸ線画像を撮影し、当該Ｘ線画像のデジタルデータを生成すると、当該Ｘ線画像に対する各種画像処理を画像処理装置２０により施す。画像処理装置２０から出力された処理画像は画像サーバ４０に保存され、フィルム出力装置３０に出力されたり、或いは表示装置５０からの要求に応じて表示装置５０に出力される。

以下、各構成装置について詳細に説明する。
撮影装置１０は、図２に示すように、Ｘ線管２、画像生成装置３を備えて構成されており、Ｘ線管２から被写体Ｗに向けて照射したＸ線を画像生成装置３内の画像検出器３１で検出し、そのＸ線量に応じたＸ線画像のデジタルデータを生成するものである。撮影時には、被写体ＷとＸ線管２、被写体Ｗと画像検出器３１間の距離Ｒ１、Ｒ２を調整することにより拡大率Ｍの拡大撮影を行う。

Ｘ線管２は、焦点径Ｄ（μｍ）のＸ線を発生させて被写体Ｗに向けて照射するものである。Ｘ線管２では、この焦点径Ｄが大きくなるほど一定時間内に照射されるＸ線量が大きくなる。

画像生成装置３は、画像検出器３１を含む撮影部３２、撮影制御を行うための本体部３３等を備えて構成されている。
撮影部３２は、画像検出器３１を内蔵し、撮影部位に合わせてその高さ位置を調整可能に構成されている。

画像検出器３１は照射されるＸ線を検出するものである。画像検出器３１としては、Ｘ線エネルギーを吸収、蓄積可能な揮尽性蛍光体プレートやＦＰＤ（Flat Panel Detector）等を適用することができる。揮尽性蛍光体プレートを適用する場合、当該揮尽性蛍光体プレートにレーザ光等の励起光を照射し、蛍光体プレートから出射される輝尽光を画像信号に光電変換する読取部が撮影部３２内に設けられる。読取部により生成された画像信号（アナログ信号）は本体部３３に出力される。

なお、画像検出器３１として、蛍光体プレートが筐体に収容されたカセッテが用いられた場合には、カセッテ専用の読取装置にを用いて画像信号の読取処理、デジタル化が行われることとなる。

一方、ＦＰＤは入射したＸ線量に応じて電気信号を生成する変換素子がマトリクス状に配設されたものであり、ＦＰＤ内で直接電気信号（アナログ）を生成する点で上記蛍光体プレートと異なる。ＦＰＤを適用した場合、ＦＰＤ内で生成された電気信号がサンプリングによりデジタル信号に変換され、本体部３３に出力される。

本体部３３はＸ線管２と接続されており、Ｘ線管２及び撮影部３２の撮影動作の制御操作を行うための操作部や、画像信号をデジタルデータに変換する等の各種信号処理、データ処理を行う処理部、画像生成装置３の各部を集中制御する制御部、他の外部装置と通信を行う通信部等を備えている。

本体部３３では、操作部を介してＸ線管２における管電圧、管電流等のＸ線の照射条件や照射タイミング等を指示操作することが可能であり、制御部ではこの指示操作に応じてＸ線管２、撮影部３２等の各部の動作を集中制御する。

次に、撮影装置１０における拡大撮影について説明する。
図３は、拡大撮影の概略を説明する図である。
図３に示すように、通常の撮影方法の場合、被写体と接する位置（図３の密着撮影位置）に画像検出器３１が配置され、Ｘ線管２から照射されたＸ線を受けるように構成されている。この場合、そのＸ線画像はライフサイズ（被写体Ｗと同一サイズであることをいう）とほぼ等サイズとなる。

これに対し、拡大撮影は、被写体Ｗと画像検出器３１間に距離を設けて画像検出器３１を配置するものであり、Ｘ線管２からコーンビーム状に照射されたＸ線により、ライフサイズに対して拡大されたＸ線画像（以下、拡大画像という）が得られることとなる。

ここで、拡大画像のライフサイズに対する拡大率Ｍは、Ｘ線管２の焦点ａから被写体Ｗまでの距離をＲ１、被写体Ｗから画像検出器３１までの距離をＲ２、Ｘ線管２の焦点ａから画像検出器３１までの距離をＲ３（Ｒ３＝Ｒ１＋Ｒ２）とすると、下記式（１）により求めることができる。
Ｍ＝Ｒ３／Ｒ１・・・（１）

拡大画像では、図４に示すように、被写体Ｗの辺縁を通過することにより屈折したＸ線が被写体Ｗを介さずに通過したＸ線と画像検出器３１上で重なり合い、重なった部分のＸ線強度が強くなる。一方で、屈折したＸ線の分だけ、被写体Ｗの辺縁内側の部分においてＸ線強度が弱くなる現象が生じる。そのため、被写体Ｗの辺縁を境にしてＸ線強度差が広がるエッジ強調作用（エッジ効果ともいう）が働き、辺縁部分が鮮鋭に描写された視認性の高いＸ線画像を得ることができる。

Ｘ線源が点線源（つまり、焦点ａが点）であるとみなした場合、辺縁部分におけるＸ線強度は図５の実線で示すようなものとなる。図５に示すＥは、エッジ強調の半値幅を示し、下記式（２）により求めることができる。半値幅Ｅはエッジの山−谷間の距離を示す。

しかし、医療現場や非破壊検査施設では、クーリッジＸ線管（熱電子Ｘ線管ともいう）が広く使用されており、このクーリッジＸ線管では、図６に示すように焦点径Ｄが有る程度大きくなるため、理想的な点線源とみなすことができない。この場合、図６に示すように、エッジ強調の半値幅Ｅが広がり、かつ強度が低下することとなるため、幾何学的不鋭が生じることとなる。この幾何学的不鋭をボケという。

ボケが生じた場合の辺縁部分におけるＸ線強度は、図５の点線で示すようなものとなる。ボケが生じた際のエッジ強調の半値幅は、幾何学的不鋭のため理想的な点線源を想定した場合のエッジ強調幅Ｅより広がることとなる。このボケが生じた場合のエッジ強調の半値幅をＥＢとすると、ＥＢは下記式（３）から求めることができる。

式中、δ及びｒの定義は、式２と同じである。
また、ＥＢはボケが無い場合のエッジ強調半値幅Ｅにボケの大きさを示すＢを加え、ＥＢ＝Ｅ＋Ｂで示される。

ここで、アスベストのような、径が１０μｍ以下という微小な対象物の視認性を向上させるためには、拡大率Ｍを大きくすることが必要である。拡大率Ｍを大きくするためには、式１より距離Ｒ２を大きくすればよいが、距離Ｒ２の増加はボケの半値幅ＥＢの増大を招くこととなる。ここで、アスベストの径をｓ（μｍ）とすると、径ｓとはアスベストが略球形や略立方体等の異形体ではない場合はその外接円の直径を、糸状の細長いもの等、異形体である場合には異形体の延展方向（細長い方向）と直交方向の断面の直径を意味するものとする。

なお、拡大率Ｍを調整する場合、距離Ｒ１を固定し、距離Ｒ２を増減することにより拡大率Ｍを可変することができるが、距離Ｒ１の設定が余りにも大きいと実際の撮影において不適切な距離設定となる場合がある。例えば拡大率Ｍ＝２０（倍）のとき、距離Ｒ１＝１（ｍ）とすると距離Ｒ２は１９（ｍ）に設定しなければならないが、通常の撮影室ではこのような設定は現実的ではない。

これに対し、距離Ｒ１の設定を小さくすると、照射野が小さくなり、被写体Ｗの一部しか撮影できないこととなってしまう。一般的には、被写体ＷとＸ線管２の間には余分な被爆を防ぐための照射野絞りや筐体を設置していることが多いため、距離Ｒ１を小さくするには限界がある。

よって、撮影室内等、距離Ｒ３の設定に制限がある場合には、距離Ｒ３を固定し、その固定した距離Ｒ３の中で距離Ｒ１、Ｒ２の比率を変えることが好ましい。例えば、Ｒ３＝３．５（ｍ）に決定した場合、この距離Ｒ３に対し、Ｒ１＝０．７（ｍ）、Ｒ２＝２．８（ｍ）とする。一般的な撮影室の広さを考慮すると、距離Ｒを３≦Ｒ３≦５の範囲とし、この範囲内で拡大率Ｍと拡大画像の視認性との関係を見ながら、経験的、実験的に最適な距離Ｒ３、Ｒ１、Ｒ２を決定すればよい。

また、式３からも分かるように、ボケＢの程度は焦点径Ｄに依るところが大きい。０．０５≦ｓ≦１０の微小なアスベストを拡大画像上で観察する場合には、焦点径Ｄを大きくすればＸ線の照射量が増えて拡大画像の視認性が向上するが、その分ボケの程度も大きくなり、結果として最終的な観察画像はエッジ強調効果の減少した、場合によってはエッジ強調効果の無い画像となってしまう。

よって、０．０５≦ｓ≦１０（μｍ）の微小なアスベストを撮影対象とする際、Ｘ線管２の焦点径Ｄを１≦Ｄ≦３０と小さくしてなるべく点源に近いものとし、拡大率Ｍを１０≦Ｍ≦４０と比較的大きく設定して微小なアスベストの画像部分の拡大を図ることが好ましい。この範囲内で実際に適用する焦点径Ｄ、拡大率Ｍ、拡大率Ｍに応じた距離Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を決定する際には、ボケＢの程度、すなわちボケＢにより影響を受けるアスベスト辺縁の視認性劣化の度合いの他、エッジ強調効果の減弱の度合い、生成されたＸ線画像に対して後に施される画像処理（階調変換処理、周波数強調処理）による視認性の向上度合いを勘案して適宜決定すればよい。

次に、撮影装置１０における画像生成について説明する。
拡大撮影が行われると、画像検出器３１により検出された拡大画像の読み取りが行われ、本体部３３（画像検出器３１としてＦＰＤを適用した場合にはＦＰＤ）では拡大画像のアナログ画像信号がサンプリング（読み取り）によりデジタル画像信号に変換されて画像データが生成される。
このとき、拡大画像データの生成単位である読取画素サイズＰ（μｍ）は、Ｐ≦ｓ×Ｍを満たすことが好ましい。この条件下では、拡大画像においてアスベストの画像領域内（面積ｓ×Ｍ）で少なくとも１ピクセル（画素）分の読取データ（デジタル信号値）がアスベストに対応する信号値レベルになる可能性が増え、微小なアスベストの信号を検出することが可能となる。

さらに好ましくは、２Ｐ≦ｓ×Ｍを満たす読取画素サイズＰで読み取る。すなわち、拡大画像のアスベストの画像領域内（面積ｓ×Ｍ）において少なくとも２画素分の読取が行われることなる。上記Ｐ≦ｓ×Ｍの条件の場合には読み取り時の結像位相によっては１つのアスベスト画像領域の信号が、複数のピクセルにわたって検出され、アスベスト領域の信号強度が損なわれる場合も考えられる。しかし、２Ｐ≦ｓ×Ｍとした場合、読み取り時の結像位相によらずアスベストの径内で少なくとも１ピクセル（画素）分の読取データがアスベストに対応する信号値レベルになるため、常に明確な信号強度でアスベスト領域の信号を検出する場合には、２Ｐ≦ｓ×Ｍを満たすことが好ましい。

以上のような拡大撮影により、本体部３３において拡大画像のデジタルデータが生成されると、本体部３３から画像処理装置２０にその拡大画像データが出力される。

次に、画像処理装置２０について説明する。
画像処理装置２０は、撮影装置１０から入力された拡大画像データを用いて各種画像処理を施すものであり、図７に示すように、制御部２１、操作部２２、表示部２３、通信部２４、記憶部２５、画像メモリ２６、画像処理部２７を備えて構成されている。

制御部２１は、記憶部２５に記憶されている制御プログラムに従って、各種演算を行う或いは各部２２〜２６の動作を集中制御する。

操作部２２は、マウスやキーボード等を備え、これらが操作されるとその操作に応じた操作信号を生成して制御部２１に出力する。

表示部２３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示ディスプレイを備え、制御部２１の制御に従って各種操作画面や拡大画像、処理画像等を表示する。

通信部２４は、通信用のインターフェイスを備え、ネットワークＮ上の各装置と通信を行う。例えば、撮影装置１０から拡大画像のデータを受信したり、画像処理部２７により生成された処理画像のデータを画像サーバ４０に送信する。

記憶部２５は、各種制御プログラムや画像処理部２６における画像処理プログラム、プログラムの実行に必要なパラメータ、データ等を記憶している。

画像メモリ２６は、画像処理対象の拡大画像、画像処理後の処理画像のデータを一時的に記憶するためのメモリである。

画像処理部２７は、図８に示すように、拡大画像に対し、階調変換処理、周波数強調処理等の各種画像処理を施して、その処理画像を生成する。
以下、図８を参照して各画像処理の内容とその流れを説明する。

〈照射野認識処理〉
画像処理部２７は、階調変換処理、周波数強調処理等の前提として、まず入力された拡大画像において照射野認識処理を実行する。照射野とは被写体を介してＸ線が到達した領域をいい、照射野認識処理ではこの照射野領域と照射野外領域（照射野を除く他の領域）との判別が行われる。これは、偏った信号値（デジタル信号値）の照射野外領域の画像も含めて階調変換処理等を行うと適切な処理がなされないためである。

照射野認識の手法は何れのものを採用してもよい。例えば特開平５−７５７９号に開示のように、拡大画像を複数の小領域に分割し、この分割領域毎に分散値を求め、求めた分散値に基づいて照射野領域のエッジを検出して照射野領域を判別することとしてもよい。通常、照射野外領域では略一様の到達Ｘ線量となるため、その小領域の分散値は小さくなる。一方、照射野領域のエッジを含む小領域では到達Ｘ線量が大きい部分（照射野外領域）と被写体によって到達Ｘ線量がいくらか低減された部分（照射野領域）とが混在することから、分散値は大きくなる。よって、分散値が一定値以上大きい小領域にエッジが含まれるとしてこのような小領域に囲まれる領域を照射野領域と判別する。

〈関心領域の設定〉
照射野領域が判別されると、この照射野領域から関心領域（以下、ＲＯＩ：Region Of Interestという）を設定する。このとき、ＲＯＩの設定とともに、基準信号値の設定が行われる。以下、アスベストが存在する肺野部をＲＯＩとして設定する例を説明する。

まず、拡大画像データの水平方向及び垂直方向を順次走査してそれぞれの方向における信号値のプロファイルを作成する。肺野部は気管や胸椎等の周辺器官に比べて高い値を示すので、プロファイルにおいてその変曲点を検出し、この変曲点の位置により肺野部の領域を特定する。なお、パターンマッチングにより肺野部を検出してもよく、その手法は何れを適用してもよい。

そして、特定された肺野部の領域のヒストグラムを作成し、このヒストグラムにおいて最大値側、最小値側から所定の割合のところの値をそれぞれ最大基準値Ｈ、最小基準値Ｌとして決定する。この最大基準値Ｈ、最小基準値Ｌは、生成直後の拡大画像の信号値範囲を出力画像における信号値範囲（最大値ＳＨ、最小値ＳＬ）に変換する際の基準値として用いられるものである。

〈階調変換処理〉
以上のようにして前処理が終了すると、階調変換処理が行われる。
階調変換処理は、画像出力時の濃度、コントラストを調整するための処理である。医師がＸ線画像の読影により人体構造の疾病（例えば胸部における肺癌）の有無を診断する場合、Ｘ線画像上における構造物の濃度やコントラスト（階調性）に基づき、疾病の有無が判断される。よって、読影に適した濃度、コントラストに調整することにより、医師の疾病の検出作業を支援することができる。

階調変換処理は、（１）正規化処理、（２）基本ＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いての変換処理の２段階で行い、最終的に所望の信号値範囲、階調特性となるように階調変換を行うものである。

従来、撮影にはスクリーン／フィルム方式が採用されていた背景から、揮尽性蛍光体プレートやＦＰＤ等の画像検出器３１を用いたデジタル処理方式が採用された現在でも、医師の読影能（診断性能）を維持するため、スクリーン／フィルム方式で培われた階調特性（コントラスト）を目標として入力信号（読取信号）の変換処理が行われている。

スクリーン／フィルム方式で得られる階調特性は、図９に示すようにＳ字状の曲線となる。階調変換処理では、この階調特性を示すＬＵＴを基本ＬＵＴとして準備しておき、正規化処理により対象画像について個々の信号調整を行った後、この基本ＬＵＴを用いて信号値の変換を行う。

図１０に、画像検出器３１（蛍光体プレートの場合）により検出されるＸ線量とそのＸ線量に応じて最終的に出力されるＸ線画像の信号値との関係を示す。
図１０の座標系において、第１象限は読取特性を示しており、画像検出器３１への到達Ｘ線量と、読取信号値（アナログ信号値）との関係を示している。また、第２象限は正規化特性を示しており、その読取信号値と、正規化処理が施された後の正規化信号値（デジタル信号値）の関係を示している。第３象限は階調変換特性を示すものであり、正規化信号値と、基本ＬＵＴにより変換された出力濃度値（デジタル濃度信号値）との関係を示している。なお、ここでは出力濃度値を０〜４０９５の１２ビット分解能としている。

第２象限において、正規化特性を示す直線はその傾きを変化させることにより出力値の範囲（ＳＨ−ＳＬ間の大きさ）を調整することができるとともに画像全体のコントラストを変化させることができる。この傾きをＧ値とする。また、階調変換特性を示す直線の切片を変化させることにより、出力値の範囲全体の高低（ＳＨ−ＳＬの移動）を調整し、これにより画像全体の濃度を変化させることができる。この切片をＳ値とする。

例えば、図１０に示す直線ｈ２と直線ｈ３で正規化を行った場合を比較すると、Ｇ値を大きくすることで、アスベストに対応する正規化信号値が基本ＬＵＴの直線領域に対応することとなり、コントラストが向上することで、アスベスト部分の視認性が向上する。なお、このとき、透過Ｘ線量の大きな領域は飽和状態となるが、この部分に読影対象は存在しないので問題となることはない。

すなわち、階調変換特性を示す直線の傾きＧ値、切片Ｓ値を階調変換パラメータとしてこれを制御することにより、出力画像の濃度範囲、コントラストを調整することができる。

Ｇ値は、図９に示すスクリーン／フィルム方式における階調特性曲線の傾きを求める下記式（４）により決定される。
Ｇ＝（Ｄ２−Ｄ１）／（ｌｏｇＥ２−ｌｏｇＥ１）・・・（４）
ここで、
Ｄ１＝０．２５＋Ｆｏｇ、Ｄ２＝２．０＋Ｆｏｇ、Ｆｏｇ＝０．２であり、
Ｅ１、Ｅ２はそれぞれＤ２、Ｄ１に対応する入射Ｘ線量である。
胸部や乳房等の人体各部位を観察対象とする場合、Ｇ値は一般に、２．５〜５．０程度のものが用いられることが多い。

また、Ｓ値は下記式（５）により求められる。
Ｓ＝ＱＲ×Ｐ１／Ｐ２・・・（５）
ここで、
ＱＲは量子化領域値であり、
Ｐ１は信号値１５３５（ＱＲ＝２００、出力濃度１．２）となる到達Ｘ線量、Ｐ２は階調変換後の画像で出力濃度１．２となった画素の実際の到達Ｘ線量である。
Ｐ１の値は、撮影前の量子化領域ＱＲ値の設定で一意に決まるものである。

求めたＧ値、Ｓ値により定まる直線から対象画像の信号変換を行うことにより対象画像の正規化を行う。そして、この正規化画像に基本ＬＵＴを用いて階調変換を行い、所望の階調特性の処理画像を得る。
すなわち、Ｇ値、Ｓ値を用いて正規化を行うことにより同一のＬＵＴを用いてもＸ線量のばらつき及び出力手段における出力特性に応じた階調変換を行うことができるものである。

以上が通常時の階調変換処理の内容であるが、本実施形態では、出力画像におけるアスベスト−肺胞間のコントラスト差に注目し、アスベストの視認性を向上させるため、アスベスト−肺胞間のコントラスト差が大きくなるよう、上記の式（４）によらずＧ値を引き上げることが必要である。

図１０中、符号ｈで示すのはアスベストが存在する肺野部についてのＸ線量のヒストグラムである。アスベスト部分の信号値は、肺野部の中でも低信号値側に偏っており、その信号幅は狭い。よって、出力可能な濃度範囲（コントラスト）をヒストグラム全体の信号幅に割り付けるのではなく、当該狭い領域に割り付けて、Ｇ値を２０以上とし、アスベスト画像のコントラストを向上させることが好ましい。

〈周波数強調処理〉
階調変換が終了すると、その処理画像に対し、周波数強調処理が施される。
周波数強調処理の手法としては、非鮮鋭マスク処理を行う手法や、多重解像度分解を行う手法等があるが、ここでは、特開平９−４４６４５号公報等に記載されている多重解像度分解を行う手法を例に説明する。
多重解像度分解を行う手法では、処理対象画像を複数の周波数帯域の信号に分解し、この分解された信号のうち、所望とする周波数帯域の信号を強調する。

まず、処理対象画像から１画素おきにサンプリングし、そのサンプリングした画素間に信号値「０」の画素を補間する。すなわち、サンプリング画像においてマトリクス状に並ぶ各画素の一列おき及び一行おきに「０」の画素が挿入されることとなる。

次いで、この補間された補間画像に対してローパスフィルタによるフィルタ処理を施して、低解像度画像ｇ_１を得る。この低解像度画像ｇ１は元の処理対象画像と比較して空間周波数が半分より低い低周波数帯域が抽出されたものとなっている。これは、サンプリングにより画像の大きさを１／４とし、画素値「０」の画素を補間したことにより、空間周波数が半分より高い周波数帯域の画像が失われたためである。

次いで、処理対象画像から低解像度画像ｇ_１を減算し、高解像度画像ｊ_１を得る。この高解像度画像ｊ_１は空間周波数が半分より高い高周波数帯域の画像が抽出されたものであり、原画像のナイキスト周波数Ｎのうち、Ｎ／２〜Ｎの周波数帯域を示す画像である。

次に、低解像度画像ｇ_１に対し、上記のローパスフィルタによるフィルタ処理、補間処理を施して低解像度画像ｇ_２を得、低解像度画像ｇ_１から低解像度画像ｇ_２を減算して高解像度画像ｊ_２を得る。この高解像度画像ｊ_２は原画像のナイキスト周波数Ｎのうち、Ｎ／４〜Ｎ／２の周波数帯域のみの画像である。

このようにフィルタ処理、補間処理を繰り返すことにより、低解像度画像ｇｋから、Ｎ／２^ｋ＋１〜Ｎ／２^ｋの周波数帯域を示す高解像度画像ｊ_ｋ（ｋ＝１、２、・・・）を得ることができる。

そして、所望の周波数帯域の高解像度画像ｊ_ｋが得られると、強調すべき周波数帯域の高解像度画像ｊ_ｋに強調係数を乗じる。次いで、多重解像度分解された画像を復元するため、この強調係数が乗じられた高解像度画像を含む各画像ｊ_ｋの逆変換を行う。

まず、低解像度画像ｇ_ｋに対して各画素間の補間処理を施し、低解像度画像ｇ_ｋの４倍の大きさの逆変換画像ｇｇ_ｋを生成する。次に、この逆変換画像ｇｇ_ｋと高解像度画像ｊ_ｋとを加算し、加算画像ｇｊ_ｋ−１を得る。この加算画像ｇｊ_ｋ−１に対し、補間処理により逆変換画像ｇｇ_ｋ−２を生成し、これに高解像度画像ｊ_ｋ−１を加算して加算画像ｇｊ_ｋ−２を得る。

このような処理を繰り返し、最高解像度を有する高解像度画像ｊ_１との加算により得られた加算画像ｊｋ_１を周波数強調処理による処理画像として出力する。

ここで、ある幅Ａ（μｍ）以下の構造物の視認に必要な空間周波数Ｆ（ｌｐ／ｍｍ）は、Ｆ≧５００／Ａでなければならない。拡大撮影では、画像検出器３１上の被写体幅Ａは、被写体サイズｒに拡大率Ｍを乗算してボケ幅Ｂを加えたＡ＝ｒ×Ｍ＋Ｂとなる。径が０．０５≦ｓ≦１０のアスベストはその最大サイズが１０（μｍ）であることから、Ａ＝１０Ｍ＋Ｂで表されるので、アスベストの視認に必要な空間周波数Ｆは、Ｆ＝５００／（１０Ｍ＋Ｂ）である。
従って、出力画像におけるアスベストの視認性を高めるため、上記周波数強調を行う際には空間周波数Ｆ＝５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の高解像度画像ｊ_ｋについて強調処理を行う。

以上のようにして、得られた処理画像は画像処理装置２０から画像サーバ４０に送信され、画像サーバ４０において画像ＤＢ４０ａに保存される。画像ＤＢ４０ａに保存された処理画像は、表示装置５０からの要求に応じて表示装置５０に出力される場合と、フィルム出力装置３０に出力される場合がある。

Ｘ線画像システムにおいて下記の実験条件により拡大撮影を行い、得られた拡大画像をフィルムに出力した出力画像について視覚評価を行った。
〈実験条件〉
被写体は、直径５（μｍ）のガラスウールを厚さ５ｃｍのアクリル板に貼り付け、これを胸部中のアスベストの模擬ファントムとして使用した。
Ｘ線管球は、コニカミノルタ社で試作したものを用い、焦点径Ｄ＝１０（μｍ）のものを使用した。撮影装置についても同社製の試作器を用いた。
また、画像検出器は同社製の蛍光体プレートであるレジウスプレートＲＰ−５ＰＭ及びレジウスカセッテＲＣ−１１０Ｍを用いた。
上記画像検出器により検出された拡大画像の読取は、コニカミノルタ社製Regius model 190により読み取った。この読取装置は、読取画素サイズを４３．７５又は８７．５（μｍ）に切り替えることが可能である。
フィルム出力装置は、同社製のDRYPRO model 793を用いて、書込画素サイズ２５（μｍ）でフィルムに出力した。このとき、出力対象画像の各画素と出力画像の各画素を１：１に対応させて補間処理を行わずに出力した。

〈撮影条件〉
撮影時のＸ線管の管電圧は６５（ｋＶｐ）、８０（ｋＶｐ）であり、管電流は１（ｍＡ）である。
また、Ｘ線管の焦点から画像検出器までの距離Ｒ３は、Ｒ３＝Ｒ１＋Ｒ２＝３．５（ｍ）で固定し、距離Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ２≧Ｒ１≧０．０７、３．４３≧Ｒ２≧１．５の範囲で可変して拡大率Ｍが１≦Ｍ≦５０となる範囲で撮影を行った。
このときの撮影条件とその条件によって生じたボケＢの測定結果を下記表２に示す。各撮影条件を識別するため、撮影条件Ｎｏ．を付与している。これら各撮影条件は、拡大による視認性向上の度合い、ボケ増大によるアスベスト辺縁の視認性劣化の度合い、エッジ強調効果の度合いが異ならせるものとなっている。

〈画像処理条件〉
撮影により得られた拡大画像に対し、階調変換処理、周波数強調処理を施した処理画像と、未処理のままの拡大画像とを作成し、これらを上記フィルム出力装置により出力した。処理を施したものについては、階調変換処理ではＧ値を、周波数強調処理では強調する周波数帯域をそれぞれ変化させている。

〈評価基準〉
フィルム上に出力形成された拡大画像の評価基準は以下の通りである。
◎：繊維一本のそれぞれを鮮明に認識することが可能。
○：繊維数本のまとまりを認識することが可能。
△：繊維の塊があることが分かる。
×：繊維が視認できない。
なお、上記評価において、繊維を認識できる本数は比較例と変わりないが、繊維の見え方がより鮮明である場合には「＋」の符号を付している。
上記の評価基準に従って、７人の画像評価者がフィルム上の画像を観察し、被写体となったガラスウール繊維の画像について評価を行った。

〈実施例１〜７の評価結果〉
上記Ｎｏ．１〜９の撮影条件で撮影を行い、読取画素サイズ４３．７５（μｍ）で生成された拡大画像に対して階調変換処理のみを施した場合（実施例１〜３）、周波数強調処理のみを施した場合（実施例４〜７）の画像評価結果を下記表３に示す。実施例１〜３はそれぞれ１０、２０、５０のＧ値で階調変換処理を施したものであり、実施例４〜７はそれぞれ０．１以上、１以上、１．２８以上、２以上の周波数帯域に強調処理を施したものである。これに対し、比較例として４．８９のＧ値で階調変換処理のみを施した画像を用意した。

表３に示す評価結果から、比較例１及び実施例１〜７に共通してＰ≦５Ｍを満たし、かつ拡大率Ｍが１０≦Ｍ≦４０を満たす条件４〜８のとき、被写体の繊維を視認できる良好な結果となっている。また、比較例１と実施例１〜３を比較すると、Ｇ値を２０以上とすることにより繊維を細かく識別することができるまで視認性が向上していることが分かる。これは、Ｇ値を調整してコントラストを大きくしたことによるものと考えられる。

比較例１と実施例４、５では、画像の評価に違いが見られないが、５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して強調処理を行った実施例６、７では、特に条件５〜７のときに最良の結果が得られており、鮮明に繊維を確認できる画質となっている。

また、最も良い評価がなされている実施例２、３と実施例６、７とを比較すると、Ｇ値を制御してコントラストを調整した画像の方が全体的に良い評価が得られることが分かる。

〈実施例８〜１２〉
上記Ｎｏ．１〜９の撮影条件で撮影を行い、読取画素サイズ８７．５（μｍ）で生成された拡大画像に対して階調変換処理のみを施した場合（実施例８、９）、周波数強調処理のみを施した場合（実施例１０〜１２）の画像評価結果を下記表４に示す。実施例８、９はそれぞれ１０、２０のＧ値で階調変換処理を施したものであり、実施例１０〜１２はそれぞれ０．１以上、１．２８以上、２以上の周波数帯域に強調処理を施したものである。これに対し、比較例として４．８９のＧ値で階調変換処理のみを施した画像を用意した。

表４に示す評価結果から、比較例２及び実施例８〜１２に共通して２×Ｐ≦５Ｍを満たし、かつ拡大率Ｍが１０≦Ｍ≦４０を満たす条件６〜８のとき、被写体の繊維を視認できる良好な結果となっている。
また、比較例２と実施例８、９とを比較すると、Ｇ値２０以上の階調変換処理を行った実施例９の方が良好な結果となっている。また、５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して強調処理を行った実施例１１、１２では、比較例２と比較するとおおむねの評価は変わらないが、繊維の束が識別可能な程度に鮮明となっていることが分かる。

〈実施例１３〜１８〉
上記Ｎｏ．１〜９の撮影条件で撮影を行い、読取画素サイズ４３．７５（μｍ）で生成された拡大画像に対して階調変換処理及び周波数強調処理を組み合わせて施した場合（実施例１３〜１８）の画像評価結果を下記表５に示す。実施例１３〜１５はＧ値１０で、実施例１６〜１８はＧ値２０で階調変換処理を施したものであり、それぞれ強調する周波数帯域を０．１以上、１．２８以上、２以上と可変させたものである。これに対し、比較例として４．８９のＧ値で階調変換処理のみを施した画像を用意した。

表５に示す評価結果から、比較例３及び実施例１３〜１８に共通してＰ≦５Ｍを満たし、かつ拡大率Ｍが１０≦Ｍ≦４０を満たす条件４〜８のとき、被写体の繊維を視認できる良好な結果となっていることが分かる。また、比較例３と実施例１３〜１５との比較から、Ｇ値１０以上とすることにより拡大率がやや小さい場合や逆に拡大率が大きくボケの割合も大きくなる場合であっても繊維を視認しやすい画質となることが分かる。階調変換処理に加え、５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して強調処理を行った実施例１４、１５では、繊維の構造物が鮮明な画質が得られている。

実施例１６〜１８では、Ｇ値２０としてコントラストを大きくすることにより、一本の繊維を識別可能な画質が得られることが分かる。また、実施例１４，１５と同様に、５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して強調処理を行った実施例１７、１８では鮮鋭性も向上している。

〈実施例１９〜２４〉
上記Ｎｏ．１〜９の撮影条件で撮影を行い、読取画素サイズ８７．５（μｍ）で生成された拡大画像に対して階調変換処理及び周波数強調処理を組み合わせて施した場合（実施例１９〜２４）の画像評価結果を下記表６に示す。実施例１９〜２１はＧ値１０で、実施例２２〜２４はＧ値２０で階調変換処理を施したものであり、それぞれ強調する周波数帯域を０．１以上、１．２８以上、２以上と可変させたものである。これに対し、比較例として４．８９のＧ値で階調変換処理のみを施した画像を用意した。

表６に示す評価結果から、比較例４及び実施例１９〜２４に共通して２×Ｐ≦５Ｍを満たし、かつ拡大率Ｍが１０≦Ｍ≦４０を満たす条件６〜８のとき、被写体の繊維を視認できる良好な結果となっている。
また、比較例４と実施例１９では評価に違いが見られないが、実施例２０、２１から、階調変換処理に加え、５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して周波数強調処理を行うことにより、繊維の構造物が鮮明な画質が得られることが分かる。

Ｇ値２０で階調変換処理を行った実施例２２〜２４では、Ｇ値１０の実施例１９〜２１より良い評価が得られている。コントラストを大きくすることにより、繊維の視認性が向上したものと考えられる。これにさらに５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して強調処理を行うことにより、鮮鋭性が高まることが実施例２３、２４から確認できる。

なお、被写体のガラスウール繊維の直径を０．０５〜１０（μｍ）まで一定値毎に段階的に変化させて同様の実験を行った場合も上記表３〜６に示した評価と同様の結果が得られた。
また、上記評価では焦点径Ｄ＝３０（μｍ）の場合の実験のみ示しているが、Ｘ線源は点線源に近いほどボケＢが小さくなるので、焦点径Ｄは限りなく小さいものが良い。

以上のように、本実施形態によれば、Ｘ線管の焦点径Ｄを１≦Ｄ≦３０とし、拡大率Ｍを１０≦Ｍ≦４０とする拡大撮影を行い、得られた拡大画像についてＧ値２０以上とする階調変換処理及び／又は５００／（１０Ｍ＋Ｂ）以上の周波数帯域に対して周波数強調処理を施すことにより、０．０５≦ｓ≦１０と非常に微小なアスベストを視認可能な高画質の拡大画像を得ることができる。

さらに、拡大画像データの生成単位Ｐを、Ｐ≦ｓ×Ｍを満たすように選択することにより、アスベスト部分の信号の検出性を向上させることができ、出力画像におけるアスベストの視認性が向上する。また、２Ｐ≦ｓ×Ｍとすることによりアスベスト部分の信号検出精度を向上させることができ、より視認性の高い出力画像を得ることが可能となる。

また、撮影室内の広さを考慮して、Ｘ線管の焦点から画像検出器までの距離Ｒ３を、３≦Ｒ３≦５の範囲内で固定し、その固定された距離Ｒ３の中で距離Ｒ１，Ｒ２を可変して拡大率Ｍを調整している、よって、限られた室内の中で拡大率Ｍを１０≦Ｍ≦４０と比較的大きい拡大率Ｍに調整することが可能となる。

なお、本件のような信号処理を行った場合、肺野等の人体構造物は一様に黒くつぶれ（最高濃度Ｄｍａｘに該当する）、骨部は白くつぶれる（Ｄｍｉｎｉに想到する）ため、アスベストが吸飲されていた場合、黒くつぶれた背景部に所定濃度のアスベスト部が散在するパターンとなる。これは、乳房画像において、背景となる高濃度の乳房部に数１００μｍ前後の微小石灰化クラスタが存在するケースに類似するパターンとなる。乳房画像では、特開平１０−９１７５８号公報等に記載されているように、このようなパターンについて濃度勾配を算出し、その算出結果から微小石灰化クラスタ部分を自動検出することが行われている。このような手法をアスベストの場合にも適用することは可能であり、アスベスト部分を異常陰影として自動検出することができる。

また、Ｇ値２０以上で処理した処理画像により読影を行った後、アスベストが吸飲されていたと診断された場合、再度元の読取信号を用いてスクリーン／フィルム方式で培われたＧ値で階調変換処理（式（４）によりＧ値を算出する通常の階調変換処理）を行い、画像出力することで、アスベストに起因する疾病の進行状況を確認でき、好ましい。

本実施形態におけるＸ線画像システムの構成を示す図である。 図１の撮影装置を示す図である。 拡大撮影について説明する図である。 拡大撮影によるエッジ効果について説明する図である。 エッジ効果におけるエッジ強度とボケの関係を示す図である。 拡大撮影においてボケが生じる場合について説明する図である。 図１の画像処理装置の内部構成を示す図である。 画像処理装置における画像処理の流れを説明する図である。 目標とする階調変換特性を示す図である。 階調変換処理時の信号値の変換の流れを示す図である。

符号の説明

１００ Ｘ線画像システム
１０ 撮影装置
２０ 画像処理装置
３０ フィルム出力装置
４０ 画像サーバ
５０ 表示装置

Claims (2)

1. 被写体にＸ線を照射するＸ線管と、
   被写体を透過したＸ線のＸ線量に応じたＸ線画像を生成する画像検出器と、
   生成されたＸ線画像に対して階調変換処理を施す画像処理装置と、を有し、
   前記Ｘ線管の焦点径をＤ（μｍ）、
   前記Ｘ線管の焦点から前記被写体までの距離をＲ１（ｍ）、
   前記被写体から前記画像検出器までの距離をＲ２（ｍ）、
   前記Ｘ線管の焦点から前記画像検出器までの距離をＲ３[＝Ｒ１＋Ｒ２]（ｍ）、
   拡大率Ｍ＝Ｒ３／Ｒ１、
   とするとき、
   １≦Ｄ≦３０、
   ３≦Ｒ３≦５、
   １０≦Ｍ≦４０、
   を満たし、
   前記画像処理装置は、前記階調変換処理に係るコントラストのパラメータＧ値を２０以上として階調変換処理を行うことを特徴とするアスベスト用位相コントラストＸ線撮影システム。
2. 前記画像処理装置は、前記２０以上のＧ値での階調変換処理と、スクリーン／フィルム方式で培われたＧ値での階調変換処理とが切替可能であることを特徴とする請求項１に記載のアスベスト用位相コントラストＸ線撮影システム。

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