JP4799053B2 - Ｘ線画像における画像乱れの補償方法およびｘ線装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線源と、散乱Ｘ線除去用グリッドと、イメージインテンシファイアまたは固体画像検出器のようなディジタルＸ線検出器とを含むＸ線装置によって作成されるディジタルＸ線画像において散乱Ｘ線除去用グリッドの偏心、焦点ずれあるいは欠陥またはヒール効果によって惹き起こされかつＸ線検出器に入射する一次Ｘ線の減弱を生じる画像乱れを補償する方法に関する。

Ｘ線による検査対象の透視の際に直接的な情報を持つ一次Ｘ線のみがＸ線管から検出器に到達するように、Ｘ線装置において散乱Ｘ線除去用グリッドが使用される。Ｘ線画像撮影の品質を改善するために、画像を乱す散乱Ｘ線が散乱Ｘ線除去用グリッドによって遮断される。散乱Ｘ線除去用グリッドは紙の中に埋められている非常に薄い鉛帯からなり、センチメートル当たりに８０枚ほどの鉛帯が使用される。

散乱Ｘ線除去用グリッドにおけるこれらの鉛帯は平行に配置されておらず、むしろ小さな角度だけ互いに向きを変えられ、Ｘ線管と検出器との間の特定の最適な焦点距離、例えば１５００ｍｍに合わせられている。しかしながら実際には、Ｘ線装置は種々のＸ線管−検出器距離で作動させられるので、Ｘ線装置は焦点ずれの状態になり、それによってＸ線画像の縁領域に陰影が生じる。陰影はＸ線管が偏心し、従って正確に散乱Ｘ線除去用グリッドの中心点上にないことによっても生じる。Ｘ線管自体による陽極側でのＸ線減弱はヒール効果と呼ばれる。陰影は誤りのある位置に置かれたグリッド又は欠陥のあるグリッドによっても生じ得る。この陰影は、一般に鉛薄板方向に垂直に縁部に向かって増大するのに対して、鉛薄板方向には一定である。

問題は、ＩＣＥ（Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ６０６２７１９７８）によって規定されているＸ線画像の縁部における減弱が最大４０％でなければならないことにある。それによって、装置を作動させるＸ線管と検出器との間の許容距離範囲が制限される。更に、装置が有効な範囲で作動されるとき、陰影自体が妨害的に作用する。更に、陰影は病気画像の診断を困難にする。

この減弱を理論的モデルによって修正することが既に提案されている。ボルディン（Ｂｏｌｄｉｎｇｈ）の式は、例えば縦横比ｒのような特定のグリッド特性量並びにＸ線管と検出器との間の距離および偏心に依存した減弱を記述する。もちろん、このモデルは散乱Ｘ線除去用グリッドの減弱特性を不正確にしか再現できないことが分かっている。式を適用した場合に生じる偏差は、誤差のあるグリッド位置決め、グリッド欠陥またはヒール効果のような既知でない量がボルディンの式によっては考慮できないことに起因する。

そこで本発明の課題は、高められた精度を有するＸ線画像における上述の画像乱れの補償方法を提供することにある。

この課題の解決のために、Ｘ線源と、散乱Ｘ線除去用グリッドと、ディジタルＸ線検出器とを含むＸ線装置によって作成されるディジタルＸ線画像において散乱Ｘ線除去用グリッドの偏心、焦点ずれあるいは欠陥またはヒール効果によって惹き起こされかつＸ線検出器に入射する一次Ｘ線の減弱を生じる画像乱れを補償する方法であって、本発明に従って、散乱Ｘ線除去用グリッドによる一次Ｘ線の実際の減弱が測定され、検出された測定値に基づいて修正パラメータが求められ、修正パラメータによりディジタルＸ線画像が修正される方法において、
Ｘ線画像が、行および列を有するディジタル画像マトリックスとして得られ、減弱を表す分布線が算出され、
減弱の中心が、分布線の最小値を求めることによって決定され、
最小値の左右にある分布線部分の直線式が求められ、修正パラメータとして用いられる
ことによって解決される。
なお、本発明の実施態様は次の通り列記される。
（１）減弱の測定のために、Ｘ線源と散乱Ｘ線除去用グリッドとの間に被検体が存在しない空画像が撮影される（請求項２）。
（２）減弱を表す分布線が列の加算によって算出される（請求項３）。
（３）画像マトリックスの加算された列から１次元のベクトルが形成される（請求項４）。
（４）分布線は複数回の低域通過フィルタ処理によって平滑化される（請求項５）。
（５）ベクトルとして形成された分布線が０と１の間の値に正規化される（請求項６）。
（６）最小値の左右にある分布線部分の直線式が線形回帰によって求められる（請求項７）。
（７）Ｘ線画像が、修正パラメータとしての分布線の最小値と直線式の勾配とに基づいて修正される（請求項８）。
（８）修正パラメータに基づいて画像明るさの修正が行なわれる（請求項９）。
（９）Ｘ線源−Ｘ線検出器間の距離と偏心との間の関係を求めるために、Ｘ線源とＸ線検出器との間の種々の距離において複数の空画像が撮影される（請求項１０）。

ボルディンの式に基づく公知の方法と違って、Ｘ線画像の修正が理論的モデルのみに基づいて行なわれるのではなく、Ｘ線画像を相応に修正するために、作動中の透視装置内の散乱Ｘ線除去用グリッドの実際の個々の減弱分布が求められる。本発明による方法はＸ線画像撮影に影響を及ぼす全ての影響因子を考慮することができる利点を有する。この方法は個々の影響因子およびＸ線画像撮影へのそれらの作用が詳細に知られていない場合にも実施することができる利点を有する。本発明による方法では、全ての影響因子に絡む実際の減弱が測定される。このようにして既知でないパラメータ、例えば散乱Ｘ線除去用グリッドの誤差のある支持、ヒール効果や偏心のような非対称作用も検出して修正することができる。本発明による「データで動作するモデル」は、理論的モデルよりも遥かに正確に実際の状態を再現する。

本発明の実施態様においては、減弱の測定のために、Ｘ線源と散乱Ｘ線除去用グリッドとの間に被検体が存在しない空画像が撮影される。この空撮影は、Ｘ線源、散乱Ｘ線除去用グリッドおよびＸ線検出器、例えば固体画像検出器からなるＸ線装置全体の減弱特性を検出するのに役立つ。空画像に基づいて個別の減弱特性が決定され、更に必要な修正パラメータが求められる。引続いて、これらの修正パラメータによりＸ線画像を修正することができる。従って、空画像の作成は一種の較正測定である。

本発明による方法において、Ｘ線画像が行および列を有するディジタル画像マトリックスとして得られ、減弱を表す分布線が特に列の加算によって算出されると特に好ましい。Ｘ線画像は、結果として、例えば固体画像検出器のようなＸ線検出器のＸ線感応ピクセルごとに個別値を有するマトリックスをもたらす。この場合に例えばディジタル画像の低いピクセル値は高いＸ線入射を表わし、逆にディジタル画像の高いピクセル値は低いＸ線入射を表わす。散乱Ｘ線除去用グリッドの撮影された空画像は、上方にＸ線源が存在する散乱Ｘ線除去用グリッドの中心から側面に向かって一次Ｘ線の減弱が増大することを示す。散乱Ｘ線除去用グリッドにおいて画像の列によって表される鉛薄板の方向に平行な平面では、減弱がほぼ一定とみなすことができる。従って、減弱の面分布を示す画像マトリックスから、画像の列内におけるピクセル値の加算によって、散乱Ｘ線除去用グリッドおよびＸ線装置全体にとって代表的な、減弱を表す分布線を算出することができる。

１次元のベクトルを形成する個々の列の加算された値は複数回の低域通過フィルタ処理によって平滑化されるとよい。このようにして個々の極値がフィルタ処理により除去される。

更に、本発明方法において、ベクトルとして形成された分布線が０と１の間の値に正規化されると好ましい。正規化のためにベクトルが最大値で割算される。

本発明の他の実施態様では分布線の最小値が求められる。この最小値は、散乱Ｘ線除去用グリッドの中心近傍にあり、最大のＸ線透過の位置である。しかしながら、その最小値は必ずしも正確に中心になければならないわけではなく、例えばＸ線管の偏心またはヒール効果によってずれていることがある。

本発明による方法では、最小値の左右にある分布線部分について、分布線の対応部分における回帰直線の直線式が求められる。分布の単一的な記述を得るために、両個別直線の勾配平均値および軸部分が決定されるとよい。例えば、単一の回帰直線によって中心点の左右の両範囲を近似的に記述することができる。

更に、本発明による方法では、Ｘ線画像が分布線の最小値と直線式の勾配とに基づいて修正される。求められた最小値および勾配はＸ線画像の強度のための修正パラメータとして役立つ。偏心、すなわちＸ線源の中心点のずれは既知である。直線の勾配も既知である。画像マトリックスの個々の列はこれらの修正パラメータを掛算されるので、減弱作用がもはや表れない修正された画像が生じる。修正パラメータに基づいて画像明るさの修正を行なうとよい。

本発明によれば、Ｘ線源−Ｘ線検出器間の距離と偏心および分布最小値を含む直線パラメータとの間の関係を求めるために、Ｘ線源とＸ線検出器との間の種々の焦点距離および／または種々の偏心において複数の空画像が撮影される。その関係が既知になったならば、引続いてＸ線源と検出器との間の各任意の距離について回帰直線が求まる。

本発明は、Ｘ線源と、散乱Ｘ線除去用グリッドと、Ｘ線検出器とを備えたＸ線画像撮影のためのＸ線装置にも関する。本発明によれば、Ｘ線装置は、既述の方法により画像乱れを補償するように構成されている。

本発明の他の利点および詳細を図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
図１は本発明によるＸ線装置を示す概略図、
図２は本発明による方法のフローチャート、
図３ａ乃至３ｃは測定および算出された減弱分布を線源と検出器との間の種々の距離について示すグラフである。

図１に示されたＸ線装置１は、概略的に示されたＸ線管２と、散乱Ｘ線除去用グリッド３と、散乱Ｘ線除去用グリッド３の下側に配置されたディジタルＸ線検出器４とから構成されている。Ｘ線管２と散乱Ｘ線除去用グリッドとの間にある被検体５の透視時には直接の情報を持つ一次Ｘ線６が被検体５を通って検出器４に達する。しかしながら、Ｘ線の一部は、不均質性、例えば骨によって被検体内で偏向され、それゆえ画像を乱す散乱Ｘ線７になる。この散乱Ｘ線７は引続いて散乱Ｘ線除去用グリッド３の鉛薄板によって遮断される。このようにして画像を乱す散乱Ｘ線７が検出器４に達することが阻止される。

Ｘ線装置１においてＸ線管２が垂直方向に位置調整可能であるので、Ｘ線管２と検出器４との間に異なる距離が設定可能である。散乱Ｘ線除去用グリッド３を構成する個々の鉛帯は小さな角度だけ傾斜させられているので、散乱Ｘ線除去用グリッド３は、図示の例では１５００ｍｍの特定の焦点距離の場合にのみ、Ｘ線管２に対して最適に位置合わせされている。Ｘ線装置１がＸ線管２と検出器４との間の他の距離で作動され、従ってＸ線装置が焦点ずれの状態にあるとき、従来の画像撮影方法の場合には縁領域に陰影が発生する。

図２は本発明による方法のフローチャートを示す。

画像乱れの修正方法は散乱Ｘ線除去用グリッド３の減弱分布の算出に基づいている。このためにステップ８において種々の空画像が撮影される。空画像の撮影の際にはＸ線管２と散乱Ｘ線除去用グリッド３との間に被検体が存在しない。従って、空画像は散乱Ｘ線除去用グリッド３によるＸ線の減弱を表す。Ｘ線管２と散乱Ｘ線除去用グリッド３もしくは検出器４との間の特定の距離について単一の空画像を作成することで十分である。しかしながら、本発明による方法は異なる焦点距離ｆおよび／または管の異なる横方向偏位（焦点ずれ）の場合に多数の空画像を作成するので、その都度の焦点距離に関係なく全てのＸ線画像の修正が可能である。

次に固定の焦点距離ｆについての減弱分布の算出を説明する。ディジタル画像が強度値ｍ（ｉ，ｊ）のｘ列およびｙ行のマトリックスとして存在する。

次式によって画像マトリックスの列が垂直に加算され、１次元のベクトルが得られ、このベクトルが複数回の低域通過フィルタ処理によって平滑化される（方法ステップ９，１０）。

方法ステップ１１において、全ての値が０と１との間にあるように、ベクトルが正規化される。これらの値は百分率減弱に相当する。中心における減弱は０％であり、遮蔽された側面での減弱は１００％であると仮定する。減弱分布ｐ（ｘ）の内容は次のとおりである（方法ステップ１２）。

ベクトルの正規化は図２のフローチャートでは方法ステップ１１として示されている。その結果生じる減弱分布は散乱Ｘ線除去用グリッド３の中心近傍において最小値を有し、この最小値は方法ステップ１３において次式（３）によって決定することができる。

方法ステップ１４において減弱分布が右部分と左部分とに区分され、両部分の線形回帰が算出され、引続いて両個別式の対応パラメータが平均化される。このようにして減弱分布を直線方程式によって表わすことができる。この分布線の式は次のとおりである。なお、この式（４）においてＭは直線の減弱分布の勾配である。

ボルディンの式により、各点ｃについて既知の偏心（ずれ）ｚにおいてＸ線管と検出器との間の距離ｆに依存してＸ線の予測された減弱が次式（５）によって与えられる。

変形によって次式（６）が得られる。

図１において検出器４の下側に減弱分布Ｖ（ｘ）が定性的に示されている。

上記両式（５）、（６）において、ｒは散乱Ｘ線除去用グリッド３の特性値であり、これはいわゆる縦横比、すなわち紙帯の幅に対する高さの割合を表わす。係数

は、ミリメータの代わりにピクセルでの式の使用を可能にする量である。この値はピクセル密度の逆数である。式（６）および式（３）により偏心をミリメートルで求めることができる（方法ステップ１５）。

この場合に重要なことは、それが役割をはたすのではなくて、それによって移動が惹き起こされることである。この計算方法は実際の減弱特性に基づくので、ヒール効果の影響もＸ線管２の偏心やその他の影響も考慮することができる。

量ｘ_mおよびＭの決定後、各列に修正係数

を掛算することにより、方法ステップ１６において画像修正が行なわれる。この式（９）により画像明るさの修正が行なわれる。

次に、Ｘ線管２と検出器４との間の任意の距離ｆについての減弱分布をどのようにして算出するかを説明する。画像修正の際に異なる距離ｆを考慮することができるように、順次、種々の距離ｆにおける一連の較正画像が撮影され、引続いて必要な修正パラメータが算出される。

任意の距離ｆについての偏心ｘ_mを算出するために、散乱Ｘ線除去用グリッド３により多数の空画像が撮影され、ｘ_mおよびｚが決定される。画像は異なる線量で撮影される。偏心とＸ線管−検出器間の距離ｆとの間には線形関係が存在することが発見された。較正のための空画像に基づいて、各空画像について偏心ｚ（ｆ）が決定され、引続いて距離ｆにわたる偏心の線形調整が決定される。この線形調整により各任意の距離ｆについての偏心ｘ_mが決定され、較正点間の距離も決定される。

画像修正を行なうことができるためには、任意の距離ｆについての減弱分布の勾配も算出されなければならない。分布勾配の算出については２つの可能性が使用できる。

第１の変形ではボルディンの式が基礎とされ、測定データに基づいて較正される。較正は線形関係

を算出することにある。Ｍ_Dは測定データの勾配である。Ｋは較正係数であり、測定データから算出された分布とボルディンの式との間の関係を示す。ｆ＝ｆ₀についてはＭ_D＝０が当てはまるべきであるという境界条件を考慮すべきである。任意の距離ｆについて、まず偏心が求められることによって、減弱分布が算出される。引続いて、ボルディンの式による減弱が算出されてＫと掛算される。それによって、それぞれの距離ｆについての減弱分布が生じる。Ｘ線画像の画像修正は式（９）により行なわれる。

第２の変形ではボルディンの式が使用されず、モデルが完全に測定データに基いている。種々の較正画像から右半分の勾配Ｍ_Rおよび左半分の勾配Ｍ_Lがｆ＜ｆ₀およびｆ＞ｆ₀に分離されて線形近似によって算出される。Ｘ線管が最適な焦点にある場合、境界条件Ｍ_R（ｆ₀）＝Ｍ_L（ｆ₀）＝０が当てはまり、すなわち修正は不要である。任意の距離ｆについて、減弱分布が偏心の算出によって求められる。引続いて、減弱分布の勾配が較正画像の線形近似から算出される。それによってこの距離ｆについての減弱分布が生じる。Ｘ線画像の画像修正をここでも式（９）により行なうことができる。

図３ａ〜３ｃは、Ｘ線管２と検出器４との間の種々の距離についての、測定および算出された減弱分布を示す。水平軸は図１のｘ軸に対応する。垂直軸には、０と１の間にある減弱が記入されている。図３ａ〜３ｂにはそれぞれ３つの曲線が示されている。曲線ａは平滑化された分布（Ｉｘ）である。曲線ｂはボルディンの式に基づく減弱である。曲線ｃは本発明による方法に従って算出された減弱である。

図３ａでは焦点距離ｆがｆ＝１５００ｍｍである。曲線ａの測定値に基づく分布と曲線ｂ，ｃとの間の相違が比較的少ないことが分かる。

図３ｂは、焦点距離ｆがｆ＝１１５０ｍｍの場合である。曲線ｃがボルディンの式（曲線ｂ）よりも著しく改善された減弱近似をもたらすことが分かる。

図３ｃに示された焦点距離ｆ＝１０００ｍｍの場合についても同じことが当てはまる。曲線ａと曲線ｃとの間の相違は数パーセントだけである。

散乱Ｘ線除去用グリッドは今日では鉛帯から構成され、従って減弱が一方向において、すなわち鉛薄板の方向において一定であるので、説明したような列方向における１次元の修正で十分である。しかしながら、本発明は、他の種類のグリッド、例えば格子が必要とするならば、意味内容に即して２次元に拡張することもできる。

本発明によるＸ線装置を示す概略図 本発明による方法のフローチャート 測定および算出された減弱分布を種々の焦点距離について示すグラフ

符号の説明

１ Ｘ線装置
２ Ｘ線管
３ 散乱Ｘ線除去用グリッド
４ 検出器
５ 被検体
６ 一次Ｘ線
７ 散乱Ｘ線
８〜１６ 方法ステップ
ａ〜ｃ 曲線
ｆ 焦点距離

Claims (11)

1. Ｘ線源と、散乱Ｘ線除去用グリッドと、ディジタルＸ線検出器とを含むＸ線装置によって作成されるディジタルＸ線画像において散乱Ｘ線除去用グリッドの偏心、焦点ずれあるいは欠陥またはヒール効果によって惹き起こされかつＸ線検出器に入射する一次Ｘ線の減弱を生じる画像乱れを補償する方法であって、
   散乱Ｘ線除去用グリッドによる一次Ｘ線の実際の減弱が測定され、検出された測定値に基づいて修正パラメータが求められ、修正パラメータによりＸ線画像が修正されるディジタルＸ線画像における画像乱れの補償方法において、
   Ｘ線画像が、行および列を有するディジタル画像マトリックスとして得られ、減弱を表す分布線が算出され、
   減弱の中心が、分布線の最小値を求めることによって決定され、
   最小値の左右にある分布線部分の直線式が求められ、修正パラメータとして用いられる
   ことを特徴とするディジタルＸ線画像における画像乱れの補償方法。
2. 減弱の測定のために、Ｘ線源と散乱Ｘ線除去用グリッドとの間に被検体が存在しない空画像が撮影されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 分布線が列の加算によって算出されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 画像マトリックスの加算された列から１次元のベクトルが形成されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 分布線は複数回の低域通過フィルタ処理によって平滑化されることを特徴とする請求項３又は４記載の方法。
6. ベクトルとして形成された分布線が０と１の間の値に正規化されることを特徴とする請求項３乃至５の１つに記載の方法。
7. 最小値の左右にある分布線部分の直線式が線形回帰によって求められることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. Ｘ線画像が、修正パラメータとしての分布線の最小値と直線式の勾配とに基づいて修正されることを特徴とする請求７記載の方法。
9. 修正パラメータに基づいて画像明るさの修正が行なわれることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. Ｘ線源−Ｘ線検出器間の距離と偏心との間の関係を求めるために、Ｘ線源とＸ線検出器との間の種々の距離において複数の空画像が撮影されることを特徴とする請求項２乃至９の１つに記載の方法。
11. Ｘ線源と、散乱Ｘ線除去用グリッドと、Ｘ線検出器とを備えたＸ線画像撮影のためのＸ線装置において、請求項１乃至１０の１つに記載の方法に従って画像乱れを補償するように構成されていることを特徴とするＸ線装置。

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