JP6082337B2 - 心胸郭比算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、胸部Ｘ線画像に基づいて心胸郭比を算出する心胸郭比算出装置に関し、特に、胸部Ｘ線画像から、心臓の左右端位置、肺の左右端位置を推定して心胸郭比を算出する心胸郭比算出装置に関する。

心胸郭比は、心臓の横幅が胸郭（肺）の幅に対してどの程度の比率を持つかを表わす指標であり、心臓肥大、心臓弁膜症、肥大型心筋症、本態性高血圧等の診断に用いられる。また、心胸郭比は、体内水分量を反映するため、透析患者の適正体重や心不全の有無を推定したりするためにも用いられている。

図１１は、胸部Ｘ線画像を模式的に表わした図である。通常、胸部Ｘ線画像は被験者の正面から見るため、本図において、画像の右側が被験者の左側を示し、画像の左側が被験者の右側を示している。

本図において、位置Ａは、肺の右端を示し、位置Ｄは、肺の左端を示している。また、位置Ｂは、心臓の右端を示し、位置Ｃは、心臓の左端を示している。このため、位置Ａと位置Ｄとで定められる幅ｂは、肺幅に相当し、位置Ｂと位置Ｃとで定められる幅ａは、心臓幅に相当することになる。このとき、心胸郭比は、ａ／ｂで求めることができる。すなわち、心胸郭比は、胸部Ｘ線画像から位置Ａ〜位置Ｄの４点を定めることで算出することができる。

胸部Ｘ線画像から位置Ａ〜位置Ｄの４点を簡易に指定するために、特許文献１には、図１２に示すように、水平方向の基準線Ｌ１と基準線Ｌ２とを用いることが記載されている。そして、特許文献１に記載されたＸ線撮影装置は、基準線Ｌ１が内側の輪郭線と交わる２つの点の幅ａを心臓幅とし、基準線Ｌ２が外側の輪郭線と交わる２つの点の幅ｂを肺幅として、心胸郭比を自動的に算出する。

ただし、基準線Ｌ１と基準線Ｌ２の上下位置は、観察者が指定する必要がある。すなわち、観察者は、胸部Ｘ線画像を観察して、基準線Ｌ１と基準線Ｌ２とがそれぞれ心臓幅と肺幅とを測定するのに適切な位置になるように、マウス等の操作装置を用いて基準線Ｌ１と基準線Ｌ２の上下位置を指定する。

特開２０１１−１２５３８５号公報

心胸郭比の測定は、集団検診で取得した多数枚の胸部Ｘ線画像を対象に行なうことも多いため、観察者の手を煩わせることなく、より簡易により効率よく行なえることが望ましい。パターンマッチング、モデルフィット等により心臓と肺と数式でモデル化することにより心胸郭比を算出する提案もなされているが、計算量が多く、演算時間を要するため、多数枚の胸部Ｘ線画像を迅速に処理するのには不向きである。また、これらの方法は、演算結果が採用するモデルに強く依存するため、他の方法で演算した結果と比較することは不適当となる。

そこで、本発明は、胸部Ｘ線画像に基づいて心胸郭比を、単純で再現性の高い方法で簡易に効率よく算出するための技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の心胸郭比算出装置は、胸部Ｘ線画像に基づいて心胸郭比を算出する心胸郭比算出装置であって、前記胸部Ｘ線画像における肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置を推定する測定位置推定部と、推定された肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置に基づいて心胸郭比を算出する心胸郭比算出部と、を備え、前記測定位置推定部は、前記胸部Ｘ線画像を複数の水平方向領域に分割し、それぞれの水平方向領域について、画素値に基づいて肺右端候補、肺左端候補を検出するとともに、画素値の水平方向の微分値に基づいて心臓右端候補、心臓左端候補を検出し、さらに、前記肺右端候補と前記肺左端候補とで定められる肺中間点と、前記心臓右端候補と前記心臓左端候補とで定められる心臓中間点との距離、またはその距離の前記肺右端候補と前記肺左端候補とで定められる肺幅に対する割合に基づいて特定の水平方向領域を抽出し、抽出された水平方向領域における肺右端候補、肺左端候補、心臓右端候補、心臓左端候補を、肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置として推定することを特徴とする。
ここで、前記測定位置推定部は、Ｘ線の透過度が大きいほど画素値が高くなるとしたときに、前記水平方向領域の右端から所定範囲内の領域において、最も画素値が低い位置を肺右端候補として検出し、前記水平方向領域の左端から所定範囲内の領域において、最も画素値が低い位置を肺左端候補として検出することができる。
また、前記測定位置推定部は、前記水平方向領域の前記肺右端候補と前記肺左端候補との間で、最も微分値が負方向に大きい位置を心臓右端候補として検出し、前記水平方向領域の前記肺右端候補と前記肺左端候補との間で、最も微分値が正方向に大きい位置を心臓左端候補として検出することができる。
また、前記測定位置推定部は、前記肺中間点と、前記心臓中間点との距離、またはその距離の肺幅に対する割合が最も大きい水平方向領域を特定の水平方法領域として抽出することができる。
また、前記測定位置推定部は、前記推定した心臓右端候補、心臓左端候補のうち、前記肺中間点に近い方を、上方の心臓右端候補あるいは心臓左端候補にずらし、前記肺中間点との距離、またはその距離の肺幅に対する割合が最大になる位置に調整するようにしてもよい。
また、前記胸部Ｘ線画像は、平滑化処理が施されているものであってよい。

本発明によれば、胸部Ｘ線画像に基づいて心胸郭比を単純で再現性の高い方法で簡易に効率よく算出するための技術が提供される。

本実施形態に係る心胸郭比算出装置の構成を示すブロック図である。 心胸郭比算出システムの構成を示すブロック図である。 心胸郭比算出装置の動作を説明するフローチャートである。 胸部Ｘ線画像の例と処理対象水平ラインを説明する図である。 水平領域における画素値の水平方向の典型的な変化パターンを示す図である。 肺左右端の検出方法について説明する図である。 心臓左右端の検出方法について説明する図である。 基準高さの決定方法について説明する図である。 心臓右端の調整方法について説明する図である。 心胸郭比の算出方法について説明する図である。 胸部Ｘ線画像を模式的に表わした図である。 胸部Ｘ線画像から心臓幅、肺幅を推定する従来の技術を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る心胸郭比算出装置１００の構成を示すブロック図である。なお、心胸郭比算出装置１００は、ＣＰＵ、メモリ、入出力装置等を備えた、一般的な情報処理装置を用いて構成することができ、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。

本図に示すように、心胸郭比算出装置１００は、Ｘ線画像入力部１１０、画像処理部１２０、測定位置推定部１３０、心胸郭比算出部１４０、出力部１５０を備えている。

Ｘ線画像入力部１１０は、Ｘ線撮影装置が撮影した胸部Ｘ線画像を入力する。画像処理部１２０は、入力された胸部Ｘ線画像に対して予備的な画像処理を行なう。予備的な画像処理には、例えば、ノイズ除去、傾き補正、トリミング、平滑化等を含めることができる。ただし、Ｘ線画像入力部１１０に入力される胸部Ｘ線画像が既に予備的な画像処理を行なったものであれば、画像処理部１２０は省いてもよい。

測定位置推定部１３０は、予備的な画像処理を行なった胸部Ｘ線画像に基づいて胸郭左端位置、胸郭右端位置、心臓左端位置、心臓右端位置を推定する。測定位置推定部１３０が行なうこれらの位置の推定方法については後に詳述する。

心胸郭比算出部１４０は、測定位置推定部１３０が推定した胸郭左端位置、胸郭右端位置、心臓左端位置、心臓右端位置に基づいて心胸郭比の算出を行なう。

出力部１５０は、心胸郭比算出部１４０が算出した心胸郭比を胸部Ｘ線画像と関連付けて出力する。心胸郭比と胸部Ｘ線画像との関連付けは、例えば、胸部Ｘ線画像のタグ情報に心胸郭比を埋め込んだり、胸部Ｘ線画像の識別番号と対応付けて心胸郭比を記録することで行なうことができる。

なお、胸部Ｘ線画像を撮像して心胸郭比を算出する心胸郭比算出システムは、一般に、図２に示すように、胸部Ｘ線撮影を行なうＸ線撮影装置１０、胸部Ｘ線画像を蓄積する画像サーバ装置２０、胸部Ｘ線画像を閲覧する画像閲覧装置３０、胸部Ｘ線画像が診断に用いるのに適切であるかをチェックする検像端末装置４０を含んで構成される。本実施形態の心胸郭比算出装置１００は、これらの装置のいずれとも組み合わせて構成することができる。

例えば、Ｘ線撮影装置１０と組み合わせて構成した場合には、心胸郭比情報が関連付けられた胸部Ｘ線画像が画像サーバ装置２０に蓄積されることになる。また、画像サーバ装置２０と組み合わせて構成した場合には、Ｘ線撮影装置１０で撮影された胸部Ｘ線画像が画像サーバ装置２０に蓄積される際に心胸郭比情報が関連付けられることになる。同様に、画像閲覧装置３０と組み合わせることで胸部Ｘ線画像の閲覧時に、検像端末装置４０と組み合わせることで、胸部Ｘ線画像の検像時に、胸部Ｘ線画像に心胸郭比情報が関連付けられることになる。

次に、上記構成の心胸郭比算出装置１００の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。

まず、Ｘ線画像入力部１１０が、心胸郭比の算出対象とする胸部Ｘ線画像を入力する（Ｓ１０１）。そして、画像処理部１２０が、入力された胸部Ｘ線画像に対して画像平滑化処理を行なう（Ｓ１０２）。画像平滑化処理は、ローパスフィルタ、移動平均、加重平均等種々の手法を用いることができる。画像平滑化処理に先立ち、必要に応じて、ノイズ除去、トリミング、傾き補正等の画像処理を行なうようにしてもよい。

次に、胸部Ｘ線画像を所定幅、例えば、１画素毎あるいは複数画素毎の水平領域に分割し、いずれかの水平領域を処理対象とする（Ｓ１０３）。ここで、処理対象の水平領域の画像下部からの高さをＨとする。なお、処理（Ｓ１０３）から処理（Ｓ１１２）までは、測定位置推定部１３０が行なう処理である。

図４は、胸部Ｘ線画像の例と、高さＨに設定された処理対象水平領域とを示している。胸部Ｘ線画像には、肋骨、脊柱、心臓、肺等の像が含まれ、これらのＸ線吸収係数に応じた画像濃度が得られる。

処理対象水平領域は、例えば、胸部Ｘ線画像の下部から上部に順次設定していくことで、各水平領域を走査することになる。ただし、胸部Ｘ線画像のすべてを走査対象とする必要はなく、腹部や肩の位置を走査対象が外すようにしてもよい。

図５は、水平領域における画素値の水平方向の典型的な変化パターンを示している。ここで、胸部Ｘ線画像は、診療の慣習に従って、骨等のようにＸ線がよく吸収されて白く見える部分を「画素値が低い」と表現し、皮膚や肺のようにＸ線がよく透過して黒く見える部分を「画素値が高い」と表現することとする。

測定位置推定部１３０は、画素値に基づいて、処理対象の水平領域における肺右端候補ａ（Ｈ）の検出（Ｓ１０４）と、肺左端候補ｄ（Ｈ）の検出（Ｓ１０５）とを行なう。

肺右端候補ａ（Ｈ）の検出（Ｓ１０４）は、図６に示すように、処理対象の水平領域の右端から所定の領域、例えば、水平幅の１／５あるいは１／４の領域内で最も画素値の低い（白い）位置を抽出し、その位置を肺右端候補ａ（Ｈ）とする。

また、肺左端候補ｄ（Ｈ）の検出（Ｓ１０５）は、図６に示すように、処理対象の水平領域の左端から所定の領域、例えば、水平幅の１／５あるいは１／４の領域内で最も画素値の低い（白い）位置を抽出し、その位置を肺左端候補ｄ（Ｈ）とする。

これは、胸郭の左右端は、肺を取り囲む形状の肋骨が、奥行き方向に最も厚くなる位置に対応し、Ｘ線が多く吸収されて白く見えることに着目したものである。

次に、処理対象の水平領域の画素値を水平方向に微分する（Ｓ１０６）。そして、微分値に基づいて処理対象の水平領域における心臓右端候補ｂ（Ｈ）の検出（Ｓ１０７）と、心臓左端候補ｃ（Ｈ）の検出（Ｓ１０８）とを行なう。

心臓右端候補ｂ（Ｈ）の検出（Ｓ１０７）は、図７に示すように、肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）との間で、最も微分値の小さい（負値が大きい）位置を抽出し、その位置を心臓右端候補ｂ（Ｈ）とする。

また、心臓右端候補ｂ（Ｈ）の検出（Ｓ１０８）は、図７に示すように、肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）との間で、最も微分値の大きい（正値が大きい）位置を抽出し、その位置を心臓左端候補ｃ（Ｈ）とする。

これは、Ｘ線をよく透過する肺とＸ線をよく吸収する心臓との境界で画素値が大きく変化し、微分値の絶対値が大きくなることに着目したものである。このとき、さらに微分を行なって、画素値の変化率を用いて心臓右端候補ｂ（Ｈ）と心臓左端候補ｃ（Ｈ）を検出してもよい。

なお、肺の中の血管付近等では、微分値が高くなる場合があり、この微分値がノイズとなって心臓端を誤検出してしまうおそれがある。肺の中の血管付近は、画素値が低い（白い）ため、図７に示すように、基準画素値を定め、基準画素値よりも高い（黒い）画素値の位置を対象に、微分値の絶対値が大きい位置を心臓端候補として抽出することで、誤検出を防ぎ、精度を向上させるようにしてもよい。

以上の水平領域を対象とした処理は、走査対象として定められた胸部Ｘ線画像のすべての領域に対して行なう（Ｓ１０９）。これにより、高さＨ毎に、肺右端候補ａ（Ｈ）、肺左端候補ｄ（Ｈ）、心臓右端候補ｂ（Ｈ）、心臓左端候補ｃ（Ｈ）が検出されることになる。

次に、測定位置推定部１３０は、心胸郭比の算出を行なう基準高さを決定する（Ｓ１１０）。ここで、基準高さは、図８に示すように、高さＨ毎に、肺右端候補ａ（Ｈ）、肺左端候補ｄ（Ｈ）、心臓右端候補ｂ（Ｈ）、心臓左端候補ｃ（Ｈ）をプロットした図において、心臓右端候補ｂ（Ｈ）と心臓左端候補ｃ（Ｈ）とで定められる心臓の位置が、肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）とで想定される体の輪郭に対して最も左右のいずれかに寄っている高さとする。

これは、ヒトの心臓が左右非対称の位置に存在することに着目したものである。左右への寄りを考慮するのは、まれに心臓が右側に存在する場合があるためである。

このため、各高さＨについて、肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）の中間点位置である肺中間点を求め、心臓右端候補ｂ（Ｈ）と心臓左端候補ｃ（Ｈ）の中間点位置である心臓中間点を求める。そして、肺中間点と心臓中間点との差が最大の高さを基準高さとして決定する。最大となる肺中間点と心臓中間点との差は、肺中間点と心臓中間点との距離で評価してもよいが、肺中間点と心臓中間点との距離のその高さにおける肺の幅に対する割合で評価してもよい。その高さにおける肺の幅は、肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）で定めることができる。

これにより、図８に示すように、肺右端位置Ａ、肺左端位置Ｄ、心臓右端位置Ｂ、心臓左端位置Ｃが設定される（Ｓ１１１）。

なお、この手順によれば、肺右端位置Ａ、肺左端位置Ｄ、心臓右端位置Ｂ、心臓左端位置Ｃは、同じ高さに設定されるが、心臓右端位置Ｂと心臓左端位置Ｃとは異なる高さとした方がよい場合もある。そして、多くの場合、心臓右端位置Ｂの方が、心臓左端位置Ｃよりも高い位置となる。

このため、心臓右端位置Ｂの調整を行なうようにしてもよい（Ｓ１１２）。心臓右端位置Ｂの調整は、図９に示すように、心臓右端位置Ｂを心臓右端候補ｂ（Ｈ）に沿って上方向にずらしていき、その高さにおける肺右端候補ａ（Ｈ）と肺左端候補ｄ（Ｈ）の中間点位置である肺中間点との距離、または、この距離のその高さにおける肺の幅に対する割合が最大となる高さを調整後の心臓右端位置Ｂとすることができる。心臓右端位置Ｂを下方向にずらしていくのは、肺の下端を心臓と誤認識するおそれが生じるため、避けるようにする。なお、心臓が右側にある場合は、心臓左端位置Ｃを調整すればよい。すなわち、肺中間点との距離が近い方の心臓端位置が調整の対象となる。

以上の手順に従って、肺右端位置Ａ、肺左端位置Ｄ、心臓右端位置Ｂ、心臓左端位置Ｃが設定されると、心胸郭比算出部１４０が心胸郭比の算出を行なう（Ｓ１１３）。心胸郭比は、図１０に示すように、心臓右端位置Ｂと心臓左端位置Ｃとで定められる心臓幅ａと、肺右端位置Ａと肺左端位置Ｄとで定められる肺幅ｂとを計測し、ａ／ｂにより算出することができる。

最後に、出力部１５０が、心胸郭比算出部１４０が算出した心胸郭比を胸部Ｘ線画像と関連付けて出力する（Ｓ１１４）。

以上説明したように、本実施形態の心胸郭比算出装置１００によれば、モデル化等の複雑な計算を行なうことなく、胸部Ｘ線画像から自動的に心胸郭比を算出するため、胸部Ｘ線画像から心胸郭比を簡易に効率よく算出することが可能となる。

１００…心胸郭比算出装置
１１０…Ｘ線画像入力部
１２０…画像処理部
１３０…測定位置推定部
１４０…心胸郭比算出部
１５０…出力部

Claims (6)

1. 胸部Ｘ線画像に基づいて心胸郭比を算出する心胸郭比算出装置であって、
   前記胸部Ｘ線画像における肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置を推定する測定位置推定部と、
   推定された肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置に基づいて心胸郭比を算出する心胸郭比算出部と、を備え、
   前記測定位置推定部は、前記胸部Ｘ線画像を複数の水平方向領域に分割し、それぞれの水平方向領域について、画素値に基づいて肺右端候補、肺左端候補を検出するとともに、画素値の水平方向の微分値に基づいて心臓右端候補、心臓左端候補を検出し、
   さらに、前記肺右端候補と前記肺左端候補とで定められる肺中間点と、前記心臓右端候補と前記心臓左端候補とで定められる心臓中間点との距離、またはその距離の前記肺右端候補と前記肺左端候補とで定められる肺幅に対する割合に基づいて特定の水平方向領域を抽出し、抽出された水平方向領域における肺右端候補、肺左端候補、心臓右端候補、心臓左端候補を、肺右端位置、肺左端位置、心臓右端位置、心臓左端位置として推定することを特徴とする心胸郭比算出装置。
2. 前記測定位置推定部は、
   Ｘ線の透過度が大きいほど画素値が高くなるとしたときに、
   前記水平方向領域の右端から所定範囲内の領域において、最も画素値が低い位置を肺右端候補として検出し、
   前記水平方向領域の左端から所定範囲内の領域において、最も画素値が低い位置を肺左端候補として検出することを特徴とする請求項１に記載の心胸郭比算出装置。
3. 前記測定位置推定部は、
   前記水平方向領域の前記肺右端候補と前記肺左端候補との間で、最も微分値が負方向に大きい位置を心臓右端候補として検出し、
   前記水平方向領域の前記肺右端候補と前記肺左端候補との間で、最も微分値が正方向に大きい位置を心臓左端候補として検出することを特徴とする請求項１または２に記載の心胸郭比算出装置。
4. 前記測定位置推定部は、
   前記肺中間点と、前記心臓中間点との距離、またはその距離の肺幅に対する割合が最も大きい水平方向領域を特定の水平方法領域として抽出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の心胸郭算出装置。
5. 前記測定位置推定部は、
   前記推定した心臓右端候補、心臓左端候補のうち、前記肺中間点に近い方を、上方の心臓右端候補あるいは心臓左端候補にずらし、前記肺中間点との距離、またはその距離の肺幅に対する割合が最大になる位置に調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の心胸郭算出装置。
6. 前記胸部Ｘ線画像は、平滑化処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の心胸郭算出装置。