JP5836908B2 - 画像処理装置および方法並びにプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、グラフカット法を用いて画像から領域を抽出する画像処理装置および方法、並びにプログラムに関するものである。
近年、医療機器(例えば多検出器型CT等)の進歩により質の高い高解像度の3次元画像が画像診断に用いられるようになってきている。ここで、3次元画像は多数の2次元画像から構成され情報量が多いため、医師が所望の観察部位を見つけ診断することに時間を要する場合がある。そこで、注目する臓器を認識し、注目する臓器を含む3次元画像から、例えば最大値投影法(MIP法)および最小値投影法(MinIP法)等の方法を用いて、注目する臓器を抽出してMIP表示等を行ったり、3次元画像のボリュームレンダリング(VR)表示を行ったり、CPR(Curved Planer Reconstruction)表示を行ったりすることにより、臓器全体や病変の視認性を高め診断の効率化を図ることが行われている。
また、3次元画像から臓器を抽出する種々の手法が提案されている。例えば特許文献1には、3次元画像を構成する多数の2次元画像から臓器の特定の領域を抽出し、抽出した領域を積み上げて、特定の領域の3次元画像を生成する手法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に記載された手法は、2次元画像から領域を抽出するものであるため、2次元画像のそれぞれにおいて微妙に抽出範囲が異なる場合があることから、3次元画像としてみた場合の領域の抽出精度がそれほどよくない。
一方、画像から所望とする領域を抽出する手法としてグラフカット法が知られている(非特許文献1参照)。グラフカット法は、画像中の各画素を表すノードNij、各画素が対象領域であるか背景領域かを表すノードS,T、隣接する画素のノード同士をつなぐリンクであるn−link、並びに各画素を表すノードNijと対象領域を表すノードSおよび背景領域を表すノードTとをつなぐリンクであるs−linkおよびt−linkから構成されるグラフを作成し、各画素が対象領域の画素であるかまたは背景領域の画素であるかを、それぞれs−link、t−linkおよびn−linkの太さ(値の大きさ)で表し、演算の結果得られるリンクの太さにより対象領域と背景領域とに分割して、画像から対象領域を抽出する手法である。このようなグラフカット法を用いることにより、医用3次元画像に含まれる心臓、肺、肝臓等の領域を精度良く抽出することができる。
特開2003−10172号公報 Yuri Y. Boykov, Marie-Pierre Jolly, "Interactive Graph Cuts for Optimal Boundary and Region Segmentation of Objects in N-D images", Proceedings of "International Conference on Computer Vision", Vancouver, Canada, July 2001 vol.I, p.105-112.
しかしながら、グラフカット法を用いて画像から領域を抽出する場合、演算の対象となる画像のサイズが大きいほど、画素数およびリンク数が多くなるため、処理に必要なメモリおよび処理時間が増加する。とくに3次元画像に対してグラフカット法を適用した場合、画素数およびリンク数は2次元画像と比較して指数関数的に増加する。このため、グラフカット法を用いての所望とする領域の抽出に、非常に時間を要することとなる。また、メモリ容量が小さい低スペックの計算機を用いた場合は、グラフカット法を用いての領域の抽出を行うことができない場合があり得る。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、グラフカット法を用いて画像から領域を抽出する際に必要な処理時間を短縮し、かつ演算のためのメモリ量を低減することを目的とする。
本発明による画像処理装置は、グラフカット法により処理対象画像から特定領域を抽出する画像処理装置であって、
処理対象画像の低解像度画像を生成し、グラフカット法により低解像度画像から特定領域を抽出する第1の抽出手段と、
特定領域の抽出結果に基づいて、処理対象画像における特定領域の輪郭を含む輪郭領域を、処理対象画像に設定する輪郭領域設定手段と、
グラフカット法により、輪郭領域から特定領域に対応する領域を抽出する第2の抽出手段とを備えたことを特徴とするものである。
なお、本発明による画像処理装置においては、輪郭領域設定手段を、輪郭領域のサイズを、低解像度画像と処理対象画像との解像度の差に基づいて決定する手段としてもよい。
また、本発明による画像処理装置においては、輪郭領域設定手段を、モフォロジー処理のイロージョン処理およびダイレーション処理により、輪郭領域を設定する手段としてもよい。
また、本発明による画像処理装置においては、第2の抽出手段を、輪郭領域における特定領域の輪郭の内側にある画素に対するグラフカット法におけるs−linkの値を大きくし、輪郭領域における特定領域の輪郭の外側にある画素に対するグラフカット法におけるt−linkの値を大きくする手段としてもよい。
本発明による画像処理方法は、グラフカット法により処理対象画像から特定領域を抽出する画像処理方法であって、
処理対象画像の低解像度画像を生成し、グラフカット法により低解像度画像から特定領域を抽出し、
特定領域の抽出結果に基づいて、処理対象画像における特定領域の輪郭を含む輪郭領域を、処理対象画像に設定し、
グラフカット法により、輪郭領域から特定領域に対応する領域を抽出することを特徴とするものである。
なお、本発明による画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。
本発明によれば、処理対象画像の低解像度画像が生成され、グラフカット法により低解像度画像から特定領域が抽出される。ここで、低解像度画像は処理対象画像よりも画素数が少ないため、演算量および使用メモリは少なくすることができるが、領域抽出の精度がそれほどよいものではない。このため、本発明によれば、特定領域の抽出結果に基づいて、処理対象画像における特定領域に輪郭を含む輪郭領域が処理対象画像に設定され、グラフカット法により輪郭領域から特定領域に対応する領域が抽出される。このように、本発明においては、低解像度画像および処理対象画像の輪郭領域に対してのみグラフカット法を適用して特定領域を抽出するようにしたため、処理対象画像の全体にグラフカット法を適用した場合と比較して、処理時間を大幅に短縮することができ、かつ演算のためのメモリ量を大幅に低減することができる。
本発明の実施形態による画像処理装置の構成を示す概略ブロック図 多重解像度変換を説明するための図 グラフカット法を説明するための図 グラフカット法による領域分割を説明するための図 低解像度画像から抽出した肝臓領域の輪郭を示す図 低解像度画像から抽出した肝臓領域の輪郭を3次元画像に設定した状態を示す図 モフォロジー処理の構造要素を示す図 3次元画像M0に設定された輪郭領域を示す図 3次元画像から抽出した肝臓領域の輪郭を示す図 本実施形態において行われる処理を示すフローチャート 抽出された肝臓領域を示す図
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態による画像処理装置の構成を示す概略ブロック図である。なお、図1に示す画像処理装置1の構成は、補助記憶装置(不図示)に読み込まれたプログラムをコンピュータ(例えばパーソナルコンピュータ等)上で実行することにより実現される。また、このプログラムは、CD−ROM等の情報記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、コンピュータにインストールされることになる。
画像処理装置1は、例えばX線CT装置2により撮像された複数の2次元画像から3次元画像M0を生成し、この3次元画像M0に含まれる特定領域をグラフカット法を用いて自動的に抽出するものであって、画像取得部10、低解像度画像生成部12、第1抽出部14、輪郭領域設定部16、第2抽出部18、表示制御部20を備える。なお、画像処理装置1には、入力部22および表示部24が接続されている。また、本実施形態においては、3次元画像M0を人体の胸腹部を表すものとし、特定領域を肝臓領域とする。
画像取得部10は、例えばX線CT装置2により撮像された複数のCT画像(2次元画像)を取得し、複数の2次元画像から3次元画像M0を生成する。なお、画像取得部10は、CT画像のみならず、いわゆるMRI画像、RI画像、PET画像、X線画像等の2次元画像を取得するものであってもよい。また、X線CT装置2において3次元画像M0を生成し、画像取得部10は3次元画像M0を取得する処理のみを行うようにしてもよい。
低解像度画像生成部12は、3次元画像M0を多重解像度変換して図2に示すように、解像度が異なる複数の3次元多重解像度画像Msi(i=0〜n)を生成する。なお、i=0は3次元画像M0と同一解像度、i=nは最低解像度を表す。なお、本実施形態においては、後述するように低解像度画像から特定領域を抽出するものであり、その低解像度画像の解像度は、3次元画像M0の1画素当たりの実サイズに応じて決定する。例えば、3次元画像M0画素当たりの実サイズが0.5mmである場合、低解像度画像生成部12は、3次元画像M0の1/4の解像度の3次元多重解像度画像Ms2を、低解像度画像MLとして生成する。
第1抽出部14は、低解像度画像MLの肝臓領域および肝臓領域以外の領域を、グラフカット法を用いて領域分割して、低解像度画像MLから肝臓領域を抽出する。具体的には、肝臓領域を対象領域、肝臓領域以外の領域を背景領域に設定し、低解像度画像ML内の全画素位置において所定画素サイズの判別領域を設定し、グラフカット法を用いて判別領域を対象領域と背景領域とに分割する。
グラフカット法においては、まず、図3に示すように、判別領域中の各画素を表すノードNij、各画素が取り得るラベル(本実施形態では対象領域または背景領域)を表すノードS,T、隣接する画素のノード同士をつなぐリンクであるn−link、並びに各画素を表すノードNijと対象領域を表すノードSおよび背景領域を表すノードTとをつなぐリンクであるs−linkおよびt−linkから構成されるグラフを作成する。なお、説明を簡単にするために、図3においては判別領域を3×3の2次元の領域としている。
ここで、n−linkは、隣接する画素が同一領域の画素である確からしさをリンクの太さで表すものであり、その確からしさの値はそれらの隣接する画素間の距離および画素値の差に基づいて算出できる。
また、各画素を表すノードNijと対象領域を表すノードSとをつなぐs−linkは、各画素が対象領域に含まれる画素である確からしさを表すものであり、各画素を表すノードと背景領域を表すノードTとをつなぐt−linkは、各画素が背景領域に含まれる画素である確からしさを表すものである。それらの確からしさの値は、その画素が対象領域または背景領域のいずれかを示す画素であるかの情報がすでに与えられている場合には、その与えられた情報に従って設定でき、そのような情報が与えられてない場合には、s−linkについては、対象領域を推定し、推定した対象領域の濃度分布のヒストグラムに基づいて確からしさの値を設定し、t−linkについては、背景領域を推定し、推定した背景領域の濃度分布のヒストグラムに基づいて確からしさの値を設定することができる。
ここで、図3において、ノードN11,N12,N21,N22,N31により表される画素が対象領域内に設定された画素であるとすると、各ノードN11,N12,N21,N22,N31とノードSとをつなぐs−linkは太くなり、各ノードN11,N12,N21,N22,N31をつなぐn−linkは太くなる。一方、ノードN13,N23,N32,N33により表される画素が背景領域内に設定された画素であるとすると、各ノードN13,N23,N32,N33とノードTとをつなぐt−linkは太くなり、各ノードN13,N23,N32,N33をつなぐn−linkは太くなる。
そして、対象領域と背景領域とは互いに排他的な領域であるので、例えば図4に破線で示すように、s−link、t−linkおよびn−linkのうち適当なリンクを切断してノードSをノードTから切り離すことにより、判別領域を対象領域と背景領域とに分割できる。ここで、切断するすべてのs−link、t−linkおよびn−linkの確からしさの値の合計が最も小さくなるような切断を行うことにより、最適な領域分割をすることができる。
第1抽出部14は、以上のように低解像度画像MLの領域分割を行い、低解像度画像MLから対象領域である肝臓領域を抽出する。図5は低解像度画像から抽出した肝臓領域の輪郭を示す図である。なお、本実施形態は3次元の低解像度画像MLから肝臓領域を抽出するものであるが、ここでは説明のために、3次元画像M0を構成する1つの2次元画像の低解像度画像において抽出された肝臓領域の輪郭を実線で示している。
輪郭領域設定部16は、第1抽出部14が抽出した肝臓領域の輪郭を含む輪郭領域を3次元画像M0に設定する。図6は第1抽出部14が低解像度画像MLから抽出した肝臓領域の輪郭を、3次元画像M0に設定した状態を示す図である。なお、ここでは説明のために、3次元画像M0を構成する1つの2次元画像に設定した肝臓領域の輪郭を実線で示している。本実施形態においては、低解像度画像MLは3次元画像M0の1/4の解像度であるため、低解像度画像MLから抽出した肝臓領域の輪郭は4倍に拡大されて、3次元画像M0に設定されることとなる。このため、設定された輪郭は、3次元画像M0に含まれる肝臓領域の輪郭とは完全には一致せず、解像度の差に基づく凹凸を含むものとなっている。
輪郭領域設定部16は、3次元画像M0に設定した輪郭を内側に収縮させかつ外側に膨張させ、膨張した輪郭と収縮した輪郭とにより囲まれる領域を輪郭領域E0に設定する。なお、輪郭領域E0の幅方向(すなわち輪郭に垂直な方向)におけるサイズは、低解像度画像MLと3次元画像M0とのサイズに基づいて、(3次元画像M0のサイズ/低解像度画像MLのサイズ+1)×2の演算により決定する。本実施形態においては、3次元画像M0のサイズ/低解像度画像MLのサイズ=4であるため、輪郭領域E0の範囲サイズは10画素に決定される。なお、輪郭領域E0のサイズを決定する手法は、上記手法に限定されるものではなく、任意の手法を適宜適用することができる。
ここで、本実施形態においては、輪郭の収縮および膨張は、モフォロジー処理により行う。具体的には、図7に示すような構造要素を用いて、3次元画像M0に設定された輪郭上の注目画素を中心とした所定の幅の中の最小値を検索するイロージョン処理を行うことにより輪郭を1画素収縮し、さらに収縮した輪郭に対してイロージョン処理を行うことにより、さらに輪郭を収縮させる。そして、このようなイロージョン処理を4回行うことにより、3次元画像M0に設定された輪郭を内側に4画素収縮させる。
また、図7に示すような構造要素を用いて、3次元画像M0に設定された輪郭上の注目画素を中心とした所定の幅の中の最大値を検索するダイレーション処理を行うことにより輪郭を1画素膨張させ、さらに膨張させた輪郭に対してダイレーション処理を行うことにより、さらに輪郭を膨張させる。そして、このようなダイレーション処理を5回行うことにより、3次元画像M0に設定された輪郭を外側に5画素膨張させる。
そして、輪郭領域設定部16は、膨張させた輪郭と収縮させた輪郭とにより囲まれる領域を輪郭領域E0に設定する。図8は3次元画像M0に設定された輪郭領域を示す図である。なお、輪郭はイロージョン処理により内側に4画素収縮され、ダイレーション処理により外側に5画素膨張されているため、輪郭の画素1画素と併せて、輪郭領域E0の幅方向のサイズは10画素となっている。
第2抽出部18は、3次元画像M0に設定された輪郭領域E0を、グラフカット法を用いて肝臓領域と肝臓領域以外の領域とに領域分割し、さらに領域分割の結果に基づいて、3次元画像M0から肝臓領域の全体を抽出する。なお、輪郭領域E0における輪郭の内側の領域は肝臓領域である可能性が高く、輪郭領域E0における輪郭の外側の領域は背景領域である可能性が高い。このため、輪郭領域E0に対してグラフカット法を適用するに際しては、輪郭領域E0における設定した輪郭の外側ほどt−linkの値を大きくし、輪郭領域E0における設定した輪郭の内側ほどs−linkの値を大きくする。これにより、効率よくかつ正確に、輪郭領域E0を肝臓領域とそれ以外の領域とに分割することができる。
第2抽出部18は、以上のように輪郭領域E0の領域分割を行い、輪郭領域E0から対象領域である肝臓領域を抽出する。図9は輪郭領域E0から抽出した肝臓領域の輪郭を示す図である。なお、本実施形態は3次元画像M0から肝臓領域を抽出するものであるが、ここでは説明のために、3次元画像M0を構成する1つの2次元画像において抽出された肝臓領域の輪郭を実線で示している。図9に示すように、3次元画像M0の輪郭領域E0を領域分割することにより得られる肝臓領域の輪郭は、肝臓の表面を滑らかにつなぐものとなっている。
そして、第2抽出部18は、3次元画像M0の輪郭領域E0から抽出した輪郭の内部の領域を肝臓領域として抽出する。
表示制御部20は、抽出した肝臓領域等を表示部24に表示する。
入力部22は、例えばキーボードおよびマウス等からなるものであり、放射線技師等の使用者による各種指示を画像処理装置1に入力する。
表示部24は、例えば液晶ディスプレイやCRTディスプレイ等からなるものであり、抽出した肝臓領域等の画像を必要に応じて表示する。
次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図10は本実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、画像取得部10が、X線CT装置2から複数のCT画像を取得して3次元画像M0を生成する(ステップST1)。次いで、低解像度画像生成部12が、3次元画像M0を多重解像度変換して、低解像度画像MLを生成し(ステップST2)、第1抽出部14が、低解像度画像MLから肝臓領域を抽出する(ステップST3)。
次いで、輪郭領域設定部16が、低解像度画像MLから抽出した肝臓領域の輪郭を3次元画像M0に設定し、上述したようにイロージョン処理およびダイレーション処理を行って、輪郭領域E0を3次元画像M0に設定する(ステップST4)。そして、第2抽出部18が、輪郭領域E0から肝臓領域の輪郭を抽出し、かつ3次元画像M0から肝臓領域を抽出する(ステップST5)。さらに、表示制御部20が抽出した肝臓領域を表示部24に表示し(ステップST6)、処理を終了する。
図11は表示された肝臓領域を示す図である。図11に示すように、本実施形態によれば肝臓領域が精度良く抽出されていることが分かる。
このように、本実施形態によれば、3次元画像M0の低解像度画像MLを生成し、グラフカット法により低解像度画像MLから肝臓領域等の特定領域を抽出するようにしたものである。ここで、低解像度画像MLは3次元画像M0よりも画素数が少ない。例えば、低解像度画像MLの解像度が3次元画像M0の1/4である場合、画素数は1/64となる。このため、低解像度画像MLを用いることにより、演算量および使用メモリは少なくすることができるが、領域抽出の精度がそれほどよいものではない。このため、本実施形態においては、低解像度画像MLから抽出した肝臓領域の輪郭を含む輪郭領域E0を3次元画像M0に設定し、グラフカット法により輪郭領域E0から肝臓領域を抽出するようにしたものである。ここで、図7に示すように、輪郭領域E0のサイズは3次元画像M0と比較して大幅に少ないものとなっている。このように、本実施形態においては、3次元画像M0の低解像度画像MLおよび3次元画像M0の輪郭領域E0に対してのみグラフカット法を適用して肝臓領域を抽出するようにしたため、3次元画像M0の全体にグラフカット法を適用した場合と比較して、処理時間を大幅に短縮することができ、かつ演算のためのメモリ量を大幅に低減することができる
なお、上記実施形態においては、医用の3次元画像M0から肝臓領域を抽出しているが、抽出する領域はこれに限定されるものではなく、脳、心臓、肺野、膵臓、脾臓、腎臓、血管等の、医用3次元画像に含まれる各種構造物の領域を抽出する際に本発明を適用することにより、演算の処理量および処理時間を短縮することができる。
また、上記実施形態においては、3次元画像M0の1/4の解像度の低解像度画像MLにおける領域抽出の結果を3次元画像M0に適用して肝臓領域を抽出しているが、低解像度画像MLにおける領域抽出の結果を用いて、3次元画像M0の1/2の解像度の低解像度画像に輪郭領域を設定して肝臓領域を抽出し、さらに3次元画像M0の1/2の解像度の低解像度画像における領域抽出の結果を3次元画像M0に適用するようにしてもよい。すなわち、低解像度画像における領域抽出の結果を用いての、低解像度画像よりも1段階解像度が高い解像度画像に対する輪郭領域の設定、および1段階解像度が高い解像度画像からの肝臓領域の抽出を、処理対象の3次元画像M0まで繰り返して、3次元画像M0から肝臓領域を抽出するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、医用3次元画像を処理の対象としているが、医用の2次元画像を処理の対象としてもよい。また、医用画像のみならず、デジタルカメラ等を用いて取得した画像から、人物等の領域を抽出する際にも、本発明を適用できることはもちろんである。とくに、近年のデジタルカメラは取得される画像の画素数が大きいため、グラフカット法を用いて人物等の領域を抽出する際に多大な演算を要するが、本発明を適用することにより、演算の処理量および処理時間を大幅に短縮することができる。
また、動画像から領域を抽出する場合にも、本発明を適用することができる。動画像は複数のフレームからなるため、各フレームから領域を抽出することが考えられるが、各フレームに含まれる画像は画質が悪く、精度良く領域を抽出できない。ここで、動画像は、複数のフレームが時間軸に沿って並んだ3次元の画像と見なすことができる。このように3次元画像と見なした動画像からグラフカット法を用いて領域を抽出する際に、本発明を適用することにより、演算の処理量および処理時間を大幅に短縮することができ、かつ精度良く動画像から領域を抽出することができる。
1 画像処理装置
2 X線CT装置
10 画像取得部
12 低解像度画像生成部
14 第1抽出部
16 輪郭領域設定部
18 第2抽出部
20 表示制御部
22 入力部
24 表示部

Claims (6)

  1. グラフカット法により処理対象画像から特定領域を抽出する画像処理装置であって、
    前記処理対象画像の低解像度画像を生成し、前記グラフカット法により該低解像度画像から前記特定領域を抽出する第1の抽出手段と、
    前記特定領域の抽出結果に基づいて、前記処理対象画像における前記特定領域の輪郭を含む輪郭領域を、前記処理対象画像に設定する輪郭領域設定手段と、
    前記グラフカット法により、前記輪郭領域から前記特定領域に対応する領域を抽出する第2の抽出手段とを備えたことを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記輪郭領域設定手段は、前記輪郭領域のサイズを、前記低解像度画像と前記処理対象画像との解像度の差に基づいて決定する手段であることを特徴とする請求項1記載の画像処理装置。
  3. 前記輪郭領域設定手段は、モフォロジー処理のイロージョン処理およびダイレーション処理により、前記輪郭領域を設定する手段であることを特徴とする請求項1または2記載の画像処理装置。
  4. 前記第2の抽出手段は、前記輪郭領域における前記特定領域の輪郭の内側にある画素に対する前記グラフカット法におけるs−linkの値を大きくし、前記輪郭領域における前記特定領域の輪郭の外側にある画素に対する前記グラフカット法におけるt−linkの値を大きくする手段であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の画像処理装置。
  5. グラフカット法により処理対象画像から特定領域を抽出する画像処理方法であって、
    前記処理対象画像の低解像度画像を生成し、前記グラフカット法により該低解像度画像から前記特定領域を抽出し、
    前記特定領域の抽出結果に基づいて、前記処理対象画像における前記特定領域の輪郭を含む輪郭領域を前記処理対象画像に設定し、
    前記グラフカット法により、前記輪郭領域から前記特定領域に対応する領域を抽出することを特徴とする画像処理方法。
  6. グラフカット法により処理対象画像から特定領域を抽出する画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    前記処理対象画像の低解像度画像を生成し、前記グラフカット法により該低解像度画像から前記特定領域を抽出する手順と、
    前記特定領域の抽出結果に基づいて、前記処理対象画像における前記特定領域の輪郭を含む輪郭領域を前記処理対象画像に設定する手順と、
    前記グラフカット法により、前記輪郭領域から前記特定領域に対応する領域を抽出する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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