JP4883618B2 - 超解像理論によるデジタルパノラマｘ線撮影装置及び超解像断層画像構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、超解像理論を用いたパノラマＸ線撮影装置、特に、パノラマＸ線撮影で、被写体画像を変調用周波数格子によって変調されたフレーム画像に対し復調用周波数格子をデジタル処理で行い、これを大容量復調処理画像記憶手段に記憶し、このとき、そのフレーム画像を復調処理及び復調処理されたフレーム画像の重ね合わせ処理により、撮影系の持つ解像限界を超える高い周波数成分を有する画像を抽出し、この画像が、本来の撮影系のもつ縦方向の解像力を理論的に2倍にすることが可能な超解像理論によるデジタルパノラマＸ線撮影装置および超解像断層画像構築方法に関するものである。（Lukosz，W, and Marchand，M．：Optischen Abbildung unter Uberschreitung der beugungsbedingten Auflosungsgrenze．Optics Acta，10：241−255，1963．参照）

従来、フィルムを用いたパノラマＸ線撮影装置において、Ｘ線撮像手段（フィルムカセット）とＸ線源が相対し患者の回りを回転し、歯列弓を透過したＸ線により歯列弓のＸ線像をパノラマ画像としてフィルム上に形成する方法が提案されている。
また、フィルムカセットの代わりに、CCDセンサを用いて透過Ｘ線の像を、フィルム送り速度と同様にCCD電荷転送クロックの周波数を変化させることによって、所望のパノラマ画像を画像表示装置（例えば、CRTまたは液晶表示装置上に歯列弓に沿った全歯顎のＸ線断層画像として写し出すデジタルパノラマＸ線撮影装置が提案されている。「例えば、特許文献１、特許文献２参照」
特開平１０−２１１２００号公報 実用新案公報（Y2）平4−48169号 特願２００５−３４４４９０号 Lukosz，W, and Marchand, M．：Optischen Abbildung unter Uberschreitung der beugungsbedingten Auflosungsgrenze．Optics Acta，10：241−255，1963．参照

従来のデジタルパノラマＸ線撮影装置においては、歯列に沿ったCCD電荷転送クロックの周波数、すなわち、CCDセンサから転送されてくる画像信号の転送速度に応じて形成されるパノラマ画像があるが、解像力はCCDセンサのピクセルサイズすなわち、ナイキスト周波数以上には上がらないのが現状である。
解像力を上げるには、
1. CCDセンサのピクセルサイズを小さくする、
2. 管球焦点サイズを小さくする、
3. 焦点・被写体・CCDセンサの幾何学的配置を変更して拡大撮影を行う、
等の手段が考えられるが、技術的に未開発であったり、高価であったり、また、設置スペースが広くなるという問題がある。

この問題点を解決し、超解像の理論を用いて横方向の高解像の画像を改善することを特願２００５−３４４４９０号として本願人が提案した。
しかし、この提案は画像の横方向の解像度のみを高めるものであり、縦方向の解像度を高めることはできなかった。

本発明の目的は、上述した横方向の高解像度の画像に加えて、縦方向の高解像度をも有する画像を提供せんとするものである。

本発明の他の目的は、医療だけでなく、非破壊検査装置にも用いられる方法を提供せんとするものである。

本発明の超解像断層画像構築方法は、Ｘ線を発生し被写体に照射するＸ線源と、該被写体を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段と、被写体を中心に位置させて前記Ｘ線源と前記Ｘ線撮像手段とを一定距離互に対向して固定し、前記被写体の周りを旋回させる旋回駆動手段と、該Ｘ線撮像手段の前面に取り付けられた角度θを有する斜め縞変調用周波数格子手段と、該変調用周波数格子手段を通して前記Ｘ線撮像手段で得られ、変調された画像情報（被写体像）をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段と、該大容量フレーム画像記憶手段から変調されたフレーム画像を抽出し前記変調されたフレーム画像の復調を、デジタル処理によって行う復調画像処理手段と、該復調画像処理されたフレーム画像をフレームごとに一定距離ずらせて重ね合わせを行い、これを記憶する大容量復調処理画像記憶手段と、該大容量復調処理画像記憶手段の処理されたフレーム画像を画像表示し記憶する全画像表示記憶手段と、該全画像表示記憶手段の全画像を出力する出力画像表示手段とを備えるデジタルパノラマＸ線撮影装置を用いて、多数の断層像を構築するに当たり、撮影時に、該変調用周波数格子手段により変調された被写体画像情報を有するn枚のフレーム画像を前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶しておき、該大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚の変調されたフレーム画像から、断層像生成のために所望のフレーム画像を取り出し、該取り出されたフレーム画像から、超解像断層像生成のために、1画素（1ピクセル）よりも小さいピクセル数に拡張したフレーム画像を作成し、該拡張したフレーム画像に対し、変調用周波数格子の正確な位置すなわち、変調用周波数格子と復調用周波数格子を同位相とし、変調用周波数格子のＸ線遮へい部分に相当するフレーム画像の画素部分を消去して画像情報のない状態とし、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行って復調画像処理を施し、n枚のフレーム画像に対しこの消去処理を順次行い、斯様に処理されたフレーム画像を該大容量復調処理画像記憶手段上でCCDセンサの1画素（1ピクセル）よりも小さい範囲のフレーム画像の微少ずらし処理を施した後に加算合成し、これによって、構築された当該断層面の回転半径から微少間隔毎の回転半径の超解像断層像を各々構築することを特徴とする。

また、本発明の超解像断層画像構築方法によれば、前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚のフレーム画像の平面上のデータを曲面上での円弧データに変換し、該変換された円弧データにフレーム飛越し法およびフレーム微少移動法による断層像構築処理を施して画像を鮮明化し得るようにする。

また、本発明の超解像理論によるデジタルパノラマＸ線撮影装置は、Ｘ線を発生し被写体に照射するＸ線源と、該被写体を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段と、被写体を中心に位置させて前記Ｘ線源と前記Ｘ線撮像手段とを一定距離に相互に対向して固定し前記被写体の周りを旋回させる旋回駆動手段と、該Ｘ線撮像手段の前面に取り付けられた角度θを有する斜め縞変調用周波数格子手段と、該変調用周波数格子手段を通して前記Ｘ線撮像手段で得られ、変調された画像情報（被写体像）をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段と、該大容量フレーム画像記憶手段から変調されたフレーム画像を抽出し前記変調されたフレーム画像の復調を、デジタル処理によって行う復調画像処理手段と、該復調画像処理されたフレーム画像をフレームごとに一定距離ずらせて重ね合わせを行い、これを記憶する大容量復調処理画像記憶手段と、該大容量復調処理画像記憶手段で処理されたフレーム画像を画像表示し記憶する全画像表示記憶手段と、該全画像表示記憶手段の全画像を出力する出力画像表示手段とを設けたデジタルパノラマＸ線撮影装置において、撮影時に、該変調用周波数格子手段により変調された被写体画像情報を有するn枚のフレーム画像を前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶する手段と、該大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚の変調されたフレーム画像から、断層像生成のために取り出したあるフレーム画像を、1画素（1ピクセル）よりも小さいピクセル数に拡張したフレーム画像を作成する手段と、該拡張したフレーム画像に対し、変調用周波数格子の正確な位置、すなわち、変調用周波数格子と復調用周波数格子を同位相とし、変調用周波数格子のＸ線遮へい部分に相当するフレーム画像の画素部分を消去して画像情報のない状態とし、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行う復調画像処理手段を設け、n枚のフレーム画像に対しこの消去処理を順次行い、斯様に処理されたフレーム画像を前記大容量復調処理画像記憶手段上でCCDセンサの1画素（1ピクセル）よりも小さい範囲のフレーム画像の微少ずらし処理を施した後に、加算合成を行うことにより構築した当該断層面の回転半径から微少間隔毎の回転半径上の超解像断層像を各々構築する手段とを備えることを特徴とする。

Ｘ線を発生し、被写体に照射するＸ線源と、被写体を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段と、Ｘ線撮像手段の前面に取り付けられた変調用周波数格子とを備え、被写体を中心にしてＸ線源とＸ線撮像手段とを一定距離に相互に対向して固定して該被写体の周りを旋回させるものとし、該Ｘ線撮像手段と該変調用周波数格子を通して変調された画像情報をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段から、一枚目のフレーム画像を1μm画素単位に拡張し、大容量フレーム画像記憶手段において、フレーム画像に重ねた変調用周波数格子の正確な位置を1μm画素単位で変調用周波数格子の格子部に相当するフレーム画像の画素を消去し、画像情報のない状態とする。すなわちこれがデジタル復調処理にあたる。次に復調処理された該フレーム画像を大容量復調処理画像記憶手段に記憶する。

次に、２枚目のフレーム画像も１枚目のフレーム画像と同様、大容量フレーム画像記憶手段において、フレーム画像の画素を1μm画素単位に拡張したフレーム画像とする。次に拡張された該２枚目のフレーム画像に対し、変調用周波数格子の正確な位置すなわち、変調用周波数格子と復調用周波数格子を同位相とし、変調用周波数格子のＸ線遮へい部分に相当するフレーム画像の画素部分を消去して画像情報のない状態とし、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行う復調画像処理を施し、大容量復調処理画像記憶手段に記憶されている復調処理された１枚目のフレーム画像に対してある画素数をずらして書き込み加算合成する。

この大容量復調処理画像記憶手段でフレーム画像ごとに変調用周波数格子の格子部の正確な位置の画像情報を消去することは、復調用周波数格子を用いることによる復調処理に相当する。従って大容量復調処理画像記憶手段で再合成されたパノラマ画像は、理論的に撮影装置のもつ解像限界を理論的に2倍の解像力を持つ超解像画像になっている。

画像再生にあたっては、これまでのパノラマ画像の再生画面では、表示できる解像力、すなわち画素の最小単位はCCDの画素サイズ（100μm）で決定されているため、超解像の画像は表示できない。そこで大容量フレーム画像記憶手段の1μm単位で表された超解像画像をそのまま画像表示装置（CRT）に表示するか１μｍ画素の最小単位を任意数画素のビニング処理したものを１画素とする画像となるが、CRT上では部分的な画像を表示し観察することになる。

解像力が上がれば、今までの装置で抽出できなかった組織や病巣が抽出でき、診断能を向上させることが可能となる。

既存のＸ線撮影装置の解像力を理論的に２倍に向上させることができ、診断上、今まで抽出できなかった組織や病巣等の画像情報を提供することができる。

1. 撮影原理
従来のデジタルパノラマ撮影装置は、単断層を撮影する原理であり、撮影原理は、本願人による歯科用パノラマ断層撮影装置で説明されている。次に多断層を撮影する原理は図1に示すように、Ｘ線を発生し被写体１に照射するＸ線源２と、被写体１を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段3と、被写体１を中心に位置させてＸ線源２とＸ線撮像手段3とを一定距離に相互に対向して固着し、前記被写体１の周りを旋回駆動手段4によって相対的に旋回させるものとし、撮影は旋回駆動手段4を回転軸とし、該回転軸を回転中心aとして1回転させる。この時、前記被写体１は、前記旋回駆動手段4の真下、すなわち、回転中心aに位置するものとする。（特開2004-375011号公報参照）

次に、前記Ｘ線撮像手段3として用いるCCDセンサは被写体１を透過したＸ線像をA/D変換手段５によって一定の面積を持つフレーム画像としてのデジタル電気信号に変換するものである。また、前記Ｘ線撮像手段3で得られた画像情報をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段６を設け、このフレーム画像の抽出やパノラマ画像をデジタル処理によって任意の断層面形成を行う画像処理手段７と、該画像処理を行った画像を記憶させる大容量処理画像記憶手段８と、該大容量処理画像記憶手段８により、各断層像を表示させる全画像表示記憶手段９を設け、該全画像表示記憶手段９を出力する出力画像表示手段10（例えば、CRTディスプレイ、液晶パネルのような画像表示装置や画像をプリントアウトするプリンタ等）を設ける。

ここで重要なことは、上述した本願人による単断層デジタルパノラマＸ線撮影装置と多断層撮影原理とするデジタルパノラマＸ線撮影装置とがパノラマ撮影方法は同一であるが、上述した本願人による単断層デジタルパノラマＸ線撮影装置はCCDセンサを用いるものの、処理する信号に対してTDI（Time Delay Integration）法を用いているため、フレーム画像として記憶できないことである。（特開平10−211200号および実用新案公報（Y2）平4-48169参照）

フレーム飛越し法による断層像構築方法：
まず、図1に示すように、被写体1をＸ線源2とＸ線撮像手段3との間の中心位置に導入する。これらＸ線源2とＸ線撮像手段3は、円の直径方向に対向して配置し、旋回駆動手段4に回転自在に固着し、これらＸ線源2とＸ線撮像手段3の回転中心aに被写体１が位置し得るように配置する。撮影は旋回駆動手段4を回転駆動しながらＸ線源２からＸ線を照射し、被写体１を透過したＸ線をＸ線撮像手段3（CCDセンサ）で受け、得られたＸ線画像をA/D変換手段５によりA／D変換し、フレーム画像のデジタル電気信号に変換する。このA/D変換されたフレーム画像を大容量フレーム画像記憶手段6に記憶させるという手順をとる。

Ｘ線源から照射されるＸ線は平行ビームであるものと仮定して以下の説明を行う。
例えば、CCDセンサの画素サイズは１列のラインセンサで1ピクセル×横6ピクセルとし、CCDセンサの1画素サイズを100μmとして、回転半径300mm上に位置している被写体の撮影部位を360°の撮影角度で1画素ずつシフトしながら段歩的にまたは連続的に撮影すると、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されるフレーム画像枚数は以下のようになる。

即ち、図2に示すように、Ｘ線源２（図2には示さない）およびＸ線源２から照射された平行ビームを受けるＸ線撮像手段3は、旋回駆動手段4（図示せず）によって回転中心aを中心として回転し、1回転のＸ線撮影を行うと、回転中心aから半径r上の断層像が得られる。この際、
(a)半径300mmの円周は2πr＝1884mmとなる。
ここで、得られるフレーム枚数をnとし、1画素づつシフトさせて撮影を行うと、CCDセンサの1画素の画素サイズが100μmであるため、半径300mm上で得られるフレーム枚数nは、n＝1884000μm／100μm＝18840枚となる。

すなわち、前記大容量フレーム画像記憶手段６には18840枚のフレーム画像が記憶される。次に、この大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像を使用して、以下に説明する『フレーム飛越し法』によって、任意の断層像の構築を行う。

（l）前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像18840枚を全て取り出し、図3、図4に示すようにフレーム画像をＸ軸方向にフレーム1とフレーム2をCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせ、次にフレーム2とフレーム3をCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせるという手順で、フレーム画像18840枚を撮影順にCCDセンサの1画素毎にずらして重ね合わせた時に得られる断層像は、II，III，IV，V，VIの断層像（図9参照）となり、得られた断層像は回転中心aからの距離r＝300mm上に位置していることがわかる。

（2）次に、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像（図3、図4参照）の中から、図５、図６に示すように、1フレームおきのフレーム画像を取り出した（2フレーム（2画素）づつずらしたフレーム画像）フレーム1、フレーム3、フレーム5の画像について、取り出したフレーム1とフレーム3をＸ軸方向にCCDセンサの1画素単毎にずらして重ね合わせ、次にフレーム3とフレーム5をCCDセンサ1画素ずらして重ね合わせるという手順で、前記大容量フレーム画像記憶手段６から取り出したフレーム画像をCCDセンサの1画素ずつずらして重ね合わせた時に得られる断層像は、図９に示すようにB、C、D、E、Fの断層像となる。

すなわち、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像18840枚から、1フレームおきのフレーム画像を取り出し、取り出した各フレーム画像毎にＸ軸方向にCCDセンサの1画素単位でずらし重ねた場合、全てのフレーム画像を使用してCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせた時のフレーム枚数18840枚の1／2となることから、得られる断層像B、C、D、E、F、はr／2（CCDセンサの最初の18840枚を用いて1画素づつずらした場合の半径rの1／2）、すなわち150mmの半径上の断層像となる。

（3）次に、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像（図3、図4参照）の中から図７、図８に示すように、2フレームおきのフレーム画像である（3フレーム（3画素）づつずらしたフレーム画像）フレーム1、フレーム4を取り出し、（1）及び（2）と同様にして、取り出したフレーム1とフレーム4をＸ軸方向にCCDセンサ1画素単位でずらして重ね合わせるという手順で、前記大容量フレーム画像記憶手段６から取り出したフレーム画像をCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせた時に得られる断層像は、図９に示すように、い、う、え、お、かの断層像となる。

すなわち、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像18840枚から、2フレームおきに、取り出した各フレーム画像をＸ軸方向にCCDセンサの1画素単位でずらし重ねた場合、全てのフレーム画像を使用し1画素単位でずらして重ね合わせた時のフレーム枚数18840枚の1／3となることから、得られる断層像、い、う、え、お、か、はr／3（CCDセンサの最初の18840枚を用いて1画素づつずらした場合の半径rの1／3）、すなわち100mmの半径上の断層像となる。

つまり、前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されている各フレーム画像の中から、kフレームおきに、取り出した各フレーム画像をＸ軸方向にCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせると、得られる断層像は、全てのフレーム画像を使用しCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせた時の得られる断層像半径rのr／k上の半径に位置していることになる。

ここで、本発明の実施に先立って、回転半径300mm上に位置する断層像を撮影すると仮定し、大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像枚数n枚を算出し、次に、大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されている各フレーム画像の中から、kフレームおきにフレーム画像を取り出し、取り出した各フレーム画像をＸ軸方向にCCDセンサの1画素単位でずらして重ね合わせた時に得られる断層像の回転半径と得られるフレーム枚数とを計算し、次表１に示す。

すなわち、フレーム飛び越し法による画像構築では、n枚のフレーム画像から得られる断層像位置、つまり回転中心aからの回転半径rとし、次にkフレームずつ抽出し、取り出した各フレーム画像をＸ軸方向に1画素づつずらして重ね合わせて得られる断層像の位置における回転半径はそれぞれr／2、r／3、‥‥となるが、半径rとr／2との間、半径r／2とr／3との間‥‥のそれぞれの断層像を抽出することは図9から明らかなように不可能である。さらに、回転半径の間隔が微少距離となる断層像を得ようとすると、大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されている各フレーム画像の中から、Ｘ軸方向に30フレームおきに取り出したフレーム画像を使用し、フレーム画像をCCDセンサの1画素単位で重ね合わせることとなるが、この時の回転半径は10mm前後となってしまう。

これより、フレーム飛び越し法による画像構築では再生される回転半径rの間隔を細かくしようとすれば、1回の撮影で得られる断層像の回転半径を十分大きくとり、フレームを取り出すときの飛越し間隔を大きくすることで細かな回転半径の間隔上の断層像が得られるが、その場合、回転半径が小さくなり、必要とする診断領域（例えば歯列弓域）をカバーすることが難しくなることを確かめた。

また、本願発明で使用するCCDセンサをそのまま用いるのであれば、回転半径を大きくし、大きな飛越し法を行うことは、重ね合わせに使用するフレーム画像の枚数が減少し、断層効果のある画像を得るには致命的な欠陥となる。更に、相応の外周を設定すれば、前述した計算のように必要な半径間隔上の断層像が得られても、その回転半径が小さすぎて実用に供し得ないなどの問題が生じることをも確かめた。

したがって、フレーム飛び越し法による画像構築だけでは、臨床診断に提供し得る断層像を得ることは困難である。

そこで、本願発明では、フレーム飛び越し法による画像構築に加え、フレーム画像の微少移動による画像構築法を用いることにより、上記問題を解決できることを見いだした。この解決法を以下に説明する。

フレーム微少移動法による断層像構築方法：
今、必要とするのは『フレーム飛び越し法』によって、必要とする断層像の回転中心aからの距離、つまり回転半径rを決定し、決定した回転半径rに位置する断層像から微少間隔の距離±△rで、なおかつ微少間隔で得られる断層像間が一定間隔である±△r上の断層像を取得することである。

そこで、必要とする断層像の回転中心aから微少距離かつ一定間隔の±△r上の断層像を構築することを可能にする方法として、半径rに位置する断層像を構築するのに要したフレーム画像を使用し、このフレーム画像の重ね合わせをごく小さい間隔（CCDセンサの1画素サイズより小さい範囲）で、Ｘ軸方向にずらして重ね合わせること（以下フレーム微少移動法という）を行う。

すなわち、フレーム移動量を大容量復調処理画像記憶手段でCCDセンサの1画素サイズより小さいフレーム移動量でＸ軸方向にずらして重ね合わせれば、必要とする断層像の回転中心aから微少距離かつ一定間隔の±△r上の断層像が得られることを確かめた。すなわち、『フレーム飛び越し法』により必要とする断層像の回転半径rを求め、そのフレーム画像を用いて、『フレーム微少移動法』により、必要とする回転半径r上の断層像面から微少距離かつ一定間隔のほぼr±△r上の断層像を得ることができる。

今、必要とするのは、回転半径r（r=50.0mm）から±30.0mm程度内に位置している被写体の断層像である、とする。
ここでは、一例として、必要とする断層像の回転半径rを50.0mmに設定し、CCDセンサの1画素サイズよりも小さい間隔のフレーム移動によって、微少間隔かつ一定間隔の距離での画像構築を行い、半径50.0mm近傍のr±△r上に位置する断層像の構築を行う。

ここで、前述した『フレーム飛び越し法』では回転半径300mm上に位置している被写体を撮影した場合を例示したが、これはデータ上、300mm付近程度まで撮影可能であることを標記したものであり、実際に必要とする被写体の断層像の半径は回転中心から50.0mm程度である。これは被写体頭部中心から歯列弓域までの距離がおおよそ回転中心からの半径が50.0mmくらいと推定されるためであり、回転中心aに被写体の頭部の中心を位置させれば回転中心aから半径20.0mm〜80.0mm程度の円周上の断層像を取得することで全診断領域をカバーできるためである。

そこで、前述した『フレーム飛び越し法』により求めた「得られる断層像の回転半径とフレーム枚数の計算結果」から回転半径が50.0mmとなる5フレームおきに取り出したフレーム画像（5つおきのフレーム画像）3140枚を利用して『フレーム微少移動法』による画像構築の説明を以下に示す。

まず、回転半径50.0mm程度の断層像を構築するために『フレーム飛び越し法』による画像構築で前記大容量フレーム画像記憶手段６に記憶されているフレーム画像18840枚から5フレームおきに取り出したフレーム画像3140枚を利用し、CCDセンサの1画素サイズよりもさらに微少なフレームの重ね合わせ処理を行うことにより、微少半径r±△rの曲面の断層像を構築することが可能となる。フレーム画像の重ね合わせの間隔を例えば、フレーム飛び越し法で行った半径のみ、1画素（100μm）間隔、その近傍の半径△rは、1／100画素として1μm毎、すなわち100μm間隔（図10）、101μm間隔（図11）、102μm間隔（図12）の3種類で、それぞれフレーム微少移動法によって断層像を構築させる。

まず、必要とする回転半径50.0mm上の断層像を構築するには、前記大容量フレーム画像記憶手段６から5フレームおきに取り出したフレーム画像3140枚を使用してCCDセンサの1画素サイズよりも微少なフレーム微少移動による重ね合わせを行う。

本願人が先に提案した超解像理論を用いた画像の横方向の解像力向上を図ったデジタルパノラマＸ線撮影装置（特願平１７−３４４４９０号）では、縦縞格子模様の変調用周波数格子をCCDセンサ前面に取付け、被写体の画像情報をCCDセンサに入力し、撮影中、逐次送られてくる1枚のフレーム画像に対する処理は、大容量メモリ上で、CCDセンサのピクセルサイズの1／100まで細かくしたサイズをもつ画像メモリに変換する。（Ｘ軸方向のみ1／100のピクセルサイズ、Y軸方向は従来のままとする）。

このフレーム画像に縦縞格子模様の変調用周波数格子と同一周波数の画像メモリ復調用格子を同位相として重ねる。
この画像メモリ上に変換されたフレーム画像のうち、復調用周波数格子に覆われたピクセル部分の画像情報を消去する。逐次送られてくる各フレーム画像について上述の処理を行った後、順次書き込み加算合成し、1枚のパノラマ像を形成する。このようにして得られた最終画像は、大容量メモリ上に高解像度のパノラマ像が得られることになる。

しかし、この高解像画像は、画像の横方向（Ｘ軸方向）のみであり、縦方向（Y軸方向）の画像は従来のままである。
従って、本発明では超解像理論を用いた画像の縦方向の解像力向上を図るようにしたデジタルパノラマＸ線撮影装置を提供せんとするものである。

画像の縦方向（Y軸方向）の解像力向上には、角度θを有する斜め縞周波数格子を変調用として用い、上述した所と同様に、撮影中、逐次送られてくる1枚のフレーム画像に対する処理を大容量メモリ上でCCDセンサのピクセルサイズよりも細かくしたサイズをもつ画像メモリに変換することにより可能となる。この際、画像の縦横方向のうちY軸方向を例えば1／100のピクセルサイズとし、Ｘ軸方向を1／1000のピクセルサイズに変換することによって、角度θを有する斜め縞変調用周波数格子と復調用周波数格子とを同位相にすることができ、角度θを有する斜め縞変調用周波数格子の角度θによってＣＣＤセンサのピクセルサイズよりも細かくしたサイズまで画像メモリに変換することができる。
すなわち、本来は図２４に示すような横縞模様の変調用周波数格子を用いて、回転方向に対し垂直に変調用周波数格子を移動させなければならないが、回転方向に対して垂直に変調用周波数格子を矢印の方向に上下移動させることは実際には困難である。そこで、角度θを有する斜め縞変調用周波数格子を用いることによって、見かけ上は回転方向に対して垂直に移動したことになり、画像の縦方向（Ｙ軸方向）の高解像化を達成することができる。

図面につき本発明を説明する。
図13は本発明デジタルパノラマＸ線撮影装置の超解像断層画像を作成する装置を示す。
図中、１１は被写体を示し、その頭部１２のほぼ両側に、即ち、頭部を回転中心とし直径的に対向する位置に、Ｘ線を発生するＸ線源１３および被写体１１の頭部１２を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段１４を配設し、これらＸ線源１３およびＸ線撮像手段１４を固定枠１５により固定し、該固定枠１５の中央上部に回転軸１６を介して旋回駆動手段１７を設けて前記Ｘ線源１３およびＸ線撮像手段１４を回動自在に旋回せしめるようにする。また、Ｘ線撮像手段１４には、そのＸ線入射面に、即ち被写体１１の頭部１２と対向する箇所に変調用周波数格子手段１８を設ける。この変調用周波数格子手段の格子は回転方法をＸ軸とすると、このＸ軸に直交するように配置するものとする。Ｘ線撮像手段１４の出力画像情報はA/D変換手段１９を介して大容量フレーム画像記憶手段２０に供給する。この大容量フレーム画像記憶手段２０の後段には復調画像処理手段２１、大容量復調処理画像記憶手段２２、全画像表示記憶手段２３および出力画像表示手段２４を夫々順次に接続する。

即ち、図13に示すように、Ｘ線を発生するＸ線源１３と、被写体１１の頭部１２を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段１４と、Ｘ線撮像手段１４の前面に取り付けられた変調用周波数格子手段１８は、図２５に示すように角度θ（例えば30°）を有する斜め縞格子とすると共に撮影系のもつCut-off周波数相当のＸ線減弱特性を有する物質である鉛を用いる。被写体１１を中心にしてＸ線源１３とＸ線撮像手段１４とを一定距離に相互に対向して被写体１１の周りを旋回させるものとし、Ｘ線撮像手段１４で得られた変調用周波数格子手段１８により変調された被写体像n枚の画像情報をA/D変換手段１９を介して、フレーム画像として大容量フレーム画像記憶手段２０に記憶し、記憶された大容量フレーム画像記憶手段２０から、1枚目のフレーム画像を、Ｘ軸方向に対しては必要に応じ１/１００乃至１/１０００の画素単位に拡大し、Ｙ軸方向に対しては1μm画素単位に拡大して、角度θを有する斜め縞変調用周波数格子と復調用周波数格子とを同位相になるように調整した後に、大容量復調処理画像記憶手段２２に書き込む。この時、図14に示すように、フレーム画像に重ねた変調用周波数格子手段１８の正確な位置を1μm画素単位に大容量フレーム画像記憶手段上で確認して、変調用周波数格子手段の格子部の画素を消去し、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行って復調画像処理を施し、大容量復調処理画像記憶手段に記憶する。

次に、図15に示すように、2枚目のフレームを書き込むときは、通常のパノラマ画像を合成する位置を大容量復調処理画像記憶手段に書き込むが、この時も1枚目のフレーム画像の書き込みと同様、変調用周波数格子手段の格子部に相当する部分の情報を消去し、画像情報のない状態とし、それ以外の空き画素にはフレーム画像情報を残して、1枚目のフレーム画像に加算する。このような処理を繰り返して順次フレーム画像を図16に示すように、加算し、合成する。

図16から明らかなように、この大容量復調処理画像記憶手段でフレーム画像ごとに変調用周波数格子手段の格子部の正確な位置の画像情報を消去することは、復調用周波数格子による復調処理に相当する。
すなわち、変調用周波数格子手段18と復調用周波数格子（アルゴリズム）を移動させることによって、モアレ像を平均化し消去しなければならないので、周波数格子の移動は絶対に必要な条件となる。しかし、パノラマ撮影においては、CCD画像面には時々刻々画像が流れ、相対的には格子を移動させていることと等価である。このことからパノラマ撮影においては格子移動の必要はなく、そのままフレーム画像の加算による画像合成を行えばモアレ像は消去されることになる。

また、図17〜図23に示すように、使用される周波数格子は1次元である。周波数格子をＸ軸に直交するように画像に重ねれば、Ｘ軸方向の解像力が向上する。

以下に、超解像法の理論をパノラマＸ線撮影系において、簡単にスペクトル領域で説明する。
図17は、パノラマＸ線撮影系について２つのスペクトル曲線を示す。図中、O(ω)は被写体のスペクトル、E(ω)は撮影系のスペクトル、即ち、撮影系の周波数伝達特性であるMTF曲線を表す。ここで撮影系のcut-off周波数をμ_０とする。
図18に示すように、この撮影系で被写体を撮影すると、写し出される画像のスペクトルはO(ω)×E(ω)となる。そこには被写体の周波数成分のうち、μ_０より高い周波数の伝達は存在しない。

図19に示すように、変調用周波数格子の周波数をμ_ｍとし、これをμ_０とほぼ同じ周波数とする。被写体の周波数のうちμ_０より大きなある周波数に着目する。この周波数をμ_Ｍとし、仮にこの周波数を被写体と考える。
図20は、被写体のスペクトル (μ_Ｍ）に変調用周波数格子（μ_ｍ）を重ねた像のスペクトルを求めたものである。現れるスペクトルは、μ_Ｍ、μ_ｍの周波数以外に両者の和と差の周波数、即ち、（μ_Ｍ ＋ μ_ｍ）と（μ_Ｍ - μ_ｍ）の周波数成分が側帯波として出現する。

図21に示すように、変調用周波数格子を被写体に重ねたとき、出現するスペクトルは、４種類あることを図20に示した。これを撮影すると、写し出される画像のスペクトルは、
（μ_Ｍ - μ_ｍ）＜ μ_０ ≦ μ_ｍ、μ_Ｍ、（μ_Ｍ ＋ μ_ｍ）
であることから、cut-off周波数（μ_０）より小さい（μ_Ｍ -μ_ｍ）のみが撮影系を通過することができ、画像として写し出されることになる。μ_ｍ、μ_Ｍ、（μ_Ｍ ＋ μ_ｍ）はμ_０より高周波数領域にあるため、これを撮影しても画像にはならない。（μ_Ｍ - μ_ｍ）画像はモアレ像として出現する。
図22に示すように、図21で出現した（μ_Ｍ - μ_ｍ）のモアレ像に復調用周波数格子（μ_ｍ）を重ねた像のスペクトルには、
μ_ｍ 、[（μ_Ｍ - μ_ｍ）- μ_ｍ]および[（μ_Ｍ - μ_ｍ）＋ μ_ｍ]が出現する。
このうち[（μ_Ｍ - μ_ｍ）＋ μ_ｍ] ＝ μ_Ｍ、即ち、被写体とした周波数（μ_Ｍ）が、撮影系の周波数伝達特性（MTF）の範囲（cut-off周波数（μ_０）を超えて、画像として出現することになる。しかし、ここに（μ_Ｍ - ２μ_ｍ）の周波数に相当するモアレ像が重なって出現している。

図23は（μ_Ｍ - ２μ_ｍ）の像を消去するため、変調用周波数格子と復調用周波数格子とを同位相にし、撮影中に移動させることを行う。こうすることによってモアレ像は平均化されて無構造化し、μ_Ｍの被写体が写し出されることになる。被写体の周波数成分のうちμ_０より大きい周波数成分については、全てこの原理でμ_０を超えて伝達されることになる。被写体の周波数成分が伝達できるのは、μ_ｍ＝μ_０とすれば、（μ_M-μ_０）≦μ_０の成り立つ範囲となり、μ_M＝２μ_m、すなわちその撮影系のcut-off周波数を理論的に２倍にすることができる。図23は超解像理論を応用したパノラマＸ線撮影系の周波数伝達特性、即ちMTFを表す。

パノラマ撮影装置においては、スリットビームを用いているため、ほぼ1次元の連続画像である。従って、Ｘ軸方向の解像力が上がれば、今までの装置で抽出できなかった組織や病巣が抽出でき、診断能を向上させることが可能となる。

また、本実施例では、Ｘ線撮像手段としてCCDセンサを例にあげたが、このTFT、MOS、ＸII、FPD、CdTeセンサを使用することも可能である。
変調用周波数格子は、Ｘ線減弱特性の大きい物質である鉛を例にあげたが、一般的にＸ線の遮蔽物に使用される物質を用いることも可能である。

本発明は、Ｘ線撮像手段に対して変調用周波数格子のみを移動させて撮影し、その復調用周波数格子による処理をデジタル処理にて行うことによってCT装置、一般撮影法にも応用することができる。

本発明を説明する多断層像構築方法の処理手順を示すフローチャート図である。 本発明を説明する多断層像構築方法のＸ線撮影の状態を示す説明図である。 本発明を説明する多断層像構築方法において投影された全フレーム画像を示す説明図である。 本発明を説明する多断層像構築方法において投影された全フレーム画像を示す図３の要部拡大図および得られる断層像を示す説明図である。 本発明を説明する多断層像構築方法により投影された１フレームおきのフレーム画像を示す説明図である。 本発明を説明する多断層像構築方法により投影された１フレームおきのフレーム画像を示す図５の要部拡大図および得られる断層像を示す説明図である。 本発明を説明する多断層像構築方法により投影された2フレームおきのフレーム画像を示す説明図である。 本発明の多断層像構築方法により投影された2フレームおきのフレーム画像を示す図７の要部拡大図および得られる断層像を示す説明図である。 各半径上に得られる断層像を示す説明図である。 100μm単位間隔でフレーム微少移動法によって断層像を構築させる説明図である。 101μm単位間隔でフレーム微少移動法によって断層像を構築させる説明図である。 102μm単位間隔でフレーム微少移動法によって断層像を構築させる説明図である。 本発明を説明する超解像理論によるデジタルパノラマＸ線撮影構築方法の処理手順を示すフローチャート図である。 本発明の画像構築方法を示す説明図である。 本発明による各フレーム画像のデジタル復調処理を示す説明図である。 超解像構築法により抽出されたデジタル超解像画像を示す説明図である。 パノラマ撮影系において撮影された画像について、スペクトル領域で表したもので、被写体のスペクトル０（ω）と、撮影系のスペクトルE（ω）とを示した図である。 被写体を撮影したときに写し出される画像のスペクトルは０（ω）× E（ω）となることを示した図である。 変調用周波数格子（μ_ｍ）およびある特定の周波数を被写体としたときの周波数（μ_Ｍ）を表示した図である。 被写体（μ_Ｍ）に変調用周波数格子（μ_ｍ）を重ねたときに出力される像に現れる４種類のスペクトルを示す図である。 変調用周波数格子を被写体に重ねたとき出現する４種類のスペクトルのうち撮影系を通過し得るスペクトル成分で、これが実空間ではモアレ像として出現することを示す図である。 図21に出現したモアレ像に復調用周波数格子を重ねた像のスペクトルには、不所望な周波数に相当するモアレ像が重なって出現していることを示す図である。 変調用周波数格子と復調用周波数格子とを同位相にし、 撮影中に移動させて不所望な像を消去し、所望の周波数成分を伝達し、撮影系のcut-off周波数を理論的に２倍にし得るようにしたパノラマＸ線撮影系の周波数伝達特性（MTF）曲線を表す図である。 原理的縦方向超解像を得るための変調用周波数格子の格子模様を示す平面図である。 本発明による実際の変調用周波数格子の格子模様を示す平面図である。

符号の説明

１１ 被写体
１２ 頭部
１３ Ｘ線源
１４ Ｘ線撮像手段
１５ 固定枠
１６ 回転軸
１７ 旋回駆動手段
１８ 変調用周波数格子手段
１９ A/D変換手段
２０ 大容量フレーム画像記憶手段
２１ 復調画像処理手段
２２ 大容量復調処理画像記憶手段
２３ 全画像表示記憶手段
２４ 出力画像表示手段

Claims (5)

1. Ｘ線を発生し被写体に照射するＸ線源と、該被写体を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段と、被写体を中心に位置させて前記Ｘ線源と前記Ｘ線撮像手段とを一定距離互に対向して固定し、前記被写体の周りを旋回させる旋回駆動手段と、該Ｘ線撮像手段の前面に取り付けられた角度θを有する斜め縞変調用周波数格子手段と、該変調用周波数格子手段を通して前記Ｘ線撮像手段で得られた、変調された画像情報（被写体像）をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段と、該大容量フレーム画像記憶手段から変調されたフレーム画像を抽出し前記変調されたフレーム画像の復調を、デジタル処理によって行う復調画像処理手段と、該復調画像処理されたフレーム画像をフレームごとに一定距離ずらせて重ね合わせを行い、これを記憶する大容量復調処理画像記憶手段と、該大容量復調処理画像記憶手段の処理されたフレーム画像を画像表示し記憶する全画像表示記憶手段と、該全画像表示記憶手段の全画像を出力する出力画像表示手段とを備えるデジタルパノラマＸ線撮影装置を用いて、多数の断層像を構築するに当たり、撮影時に、該変調用周波数格子手段により変調された被写体画像情報を有するn枚のフレーム画像を前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶しておき、該大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚の変調されたフレーム画像から、断層像生成のために所望のフレーム画像を取り出し、該取り出されたフレーム画像から、超解像断層像生成のために、1画素（1ピクセル）よりも小さいピクセル数に拡張したフレーム画像を作成し、該拡張したフレーム画像に対し、変調用周波数格子の正確な位置、すなわち、変調用周波数格子と復調用周波数格子を同位相とし、変調用周波数格子のＸ線遮へい部分に相当するフレーム画像の画素部分を消去して画像情報のない状態とし、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行って復調画像処理を施し、n枚のフレーム画像に対しこの消去処理を順次行い、斯様に処理されたフレーム画像を該大容量復調処理画像記憶手段上でCCDセンサの1画素（1ピクセル）よりも小さい範囲のフレーム画像の微少ずらし処理を施した後に、加算合成し、これによって、構築された当該断層面の回転半径から微少間隔毎の回転半径の超解像断層像を各々構築することを特徴とする超解像断層画像構築方法。
2. 前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚のフレーム画像の平面上のデータを曲面上での円弧データに変換し、該変換された円弧データにフレーム飛越し法およびフレーム微少移動法による断層像構築処理を施して画像を鮮明化することを特徴とする請求項１に記載の超解像断層画像構築方法。
3. Ｘ線を発生し被写体に照射するＸ線源と、該被写体を通過したＸ線を検出するＸ線撮像手段と、被写体を中心に位置させて前記Ｘ線源と前記Ｘ線撮像手段とを一定距離に相互に対向して固定し前記被写体の周りを旋回させる旋回駆動手段と、該Ｘ線撮像手段の前面に取り付けられた角度θを有する斜め縞変調用周波数格子手段と、該変調用周波数格子手段を通して前記Ｘ線撮像手段で得られ、変調された画像情報（被写体像）をフレーム画像として記憶する大容量フレーム画像記憶手段と、該大容量フレーム画像記憶手段から変調されたフレーム画像を抽出し前記変調されたフレーム画像の復調を、デジタル処理によって行う復調画像処理手段と、該復調画像処理されたフレーム画像をフレームごとに一定距離ずらせて重ね合わせを行い、これを記憶する大容量復調処理画像記憶手段と、該大容量復調処理画像記憶手段で処理されたフレーム画像を画像表示し記憶する全画像表示記憶手段と、該全画像表示記憶手段の全画像を出力する出力画像表示手段とを設けたデジタルパノラマＸ線撮影装置において、撮影時に、該変調用周波数格子手段により変調された被写体画像情報を有するn枚のフレーム画像を前記大容量フレーム画像記憶手段に記憶する手段と、該大容量フレーム画像記憶手段に記憶されているn枚の変調されたフレーム画像から、断層像生成のために取り出したあるフレーム画像を、1画素（1ピクセル）よりも小さいピクセル数に拡張したフレーム画像を作成する手段と、該拡張したフレーム画像に対し、変調用周波数格子の正確な位置、すなわち、変調用周波数格子と復調用周波数格子を同位相とし、変調用周波数格子のＸ線遮へい部分に相当するフレーム画像の画素部分を消去して画像情報のない状態とし、該消去した画素以外の空き画素にはフレーム画像情報を書き残す処理を行う復調画像処理手段を設け、n枚のフレーム画像に対しこの消去処理を順次行い、斯様に処理されたフレーム画像を前記大容量復調処理画像記憶手段上でCCDセンサの1画素（1ピクセル）よりも小さい範囲のフレーム画像の微少ずらし処理を施した後に、加算合成を行うことにより構築した当該断層面の回転半径から微少間隔毎の回転半径上の超解像断層像を各々構築する手段とを備えることを特徴とする超解像理論によるデジタルパノラマＸ線撮影装置。
4. 前記Ｘ線撮像手段は、CCDセンサ、TFTセンサ、MOSセンサ、ＸII（Ｘray Image intensifier）センサ、FPD（Flat Panel Detector）センサ、CdTeセンサ等から選択されたセンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の超解像断層画像構築方法。
5. 前記Ｘ線撮像手段は、CCDセンサ、TFTセンサ、MOSセンサ、ＸII（Ｘray Image intensifier）センサ、FPD（Flat Panel Detector）センサ、CdTeセンサ等から選択されたセンサを備えることを特徴とする請求項３に記載の超解像理論によるデジタルパノラマＸ線撮影装置。

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