JP6188488B2 - 画像処理装置、画像処理方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、放射線を検知することで撮影された画像データを補正する技術に関するものである。

近年、ＴＦＴアクティブマトリクス基板上に蛍光体を配置し、Ｘ線を電荷として蓄積し、それをデジタル信号に変換してＸ線画像データを提供するＦＰＤ（flat panel detector）が実用化され、盛んに用いられている。このようなＸ線画像撮影装置は、従来のモダリティと一体的に形成され、専用装置として構成されていたが、既存のモダリティのフィルムやイメージングプレート等の撮影媒体をＦＰＤに置き換えたいという要求も多くある。

既存のモダリティの撮影媒体をＦＰＤに置き換える場合、Ｘ線発生装置とＦＰＤとの間のインタフェースの構築が困難なことがある。これに対して、特許文献１には、Ｘ線発生装置とＦＰＤとの間にインタフェースを設けず、ＦＰＤ側でＸ線照射を検出して電荷の蓄積動作を開始する技術が開示されている。

ところで、ＦＰＤは、フォトダイオードで光子を電子に変換するが、実際は光子がない場合でも熱励起やリーク電流により暗電荷が発生する。この暗電荷が蓄積されると、実際のＸ線による電荷に加算されてデータにムラが生じ、アーチファクトが発生する。また、暗電荷が蓄積されることでＸ線を蓄積できる量が低下してしまう。このため、ＦＰＤでは、Ｘ線撮影前に絶えずＴＦＴをオンにして暗電荷を排出するリセット動作を行っている。

しかしながら、上述したようにＸ線照射を検出して電荷の蓄積動作を開始する場合、電荷の蓄積動作を開始するまでは、ある程度のＸ線量が必要であり、その間はリセット動作が行われてしまう。このため、電荷の蓄積動作を開始するまでに照射されたＸ線による電荷は排出されてしまい、データ欠損が生じ、アーチファクトが発生する。

これに対して、特許文献２には、Ｘ線検出時のリセット動作を１ライン毎に行い、フレーム毎に偶数ラインと奇数ラインとを入れ替えて、リセット動作を行う技術が開示されている。特許文献２に開示された技術では、Ｘ線照射から電荷の蓄積動作の開始までに生じるデータ欠損によるアーチファクトは１ライン置きになるため、補間処理によりアーチファクトを補正することができる。

ところで、Ｘ線撮影においては、グリッドを用いた撮影が頻繁に行われる。グリッドはＸ線撮影における基本用具の一つであり、被写体内部で散乱されたＸ線を遮断し、Ｘ線画像データがボケてしまうのを抑制する働きがある。グリッドを用いた撮影において、特許文献２に開示された技術では、グリッドラインの方向と走査線の方向とが一致した場合、グリッド縞とＸ線検出時に発生したアーチファクトとが干渉してしまう。このＸ線画像データに補間処理で補正を行うと、新たなアーチファクトが発生する場合や、グリッド縞が部分的に消去されてしまうことがある。

特許文献３には、モデルフィッティングにより、グリッド縞を除去する技術が開示されている。しかしながら、特許文献３に開示された技術では、Ｘ線検出時に発生するアーチファクトがある場合は想定されておらず、グリッド縞が部分的に消去されてしまったりする場合は、グリッド縞を適切に除去できないことがある。

特開２０１２−０７５０７７号公報 特開２０１１−２４９８９１号公報 特開２００５−５２５５３号公報

しかしながら、従来技術では、グリッドがセットされる方向に応じてアーチファクトが発生する可能性がある。これにより、再撮影が必要になると、患者は無駄な被曝を受けることになる。

そこで、本発明の目的は、グリッドを用いて放射線撮影が行われた場合であっても、放射線検出の際に生じたデータ欠損を適切に補正することにある。

本発明の画像処理装置は、放射線撮影装置の前面にグリッドを配置した状態で前記グリッドを介して入射した放射線を前記放射線撮影装置で検知して撮影された画像データを取得する取得手段と、前記グリッドの成分が含まれる画像データにおいて放射線照射開始から放射線検知までのデータ欠損率を算出する算出手段と、データ欠損を表すモデル関数を前記データ欠損率にフィッティングさせるフィッティング手段と、前記フィッティング手段によりフィッティングされた前記モデル関数に基づいて、前記データ欠損率から前記グリッドの成分を除いたデータ欠損率を算出し、前記画像データを補正する補正手段とを有する。

本発明によれば、グリッドを用いて放射線撮影が行われた場合であっても、放射線検出の際に生じたデータ欠損を適切に補正することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＸ線画像撮影装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るＸ線画像撮影装置の処理を示すフローチャートである。 ＦＰＤの回路構成を示す図である。 第１の実施形態におけるＦＰＤの駆動を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態で取得されるＸ線画像データの例を示す図である。 Ｘ線波形モデルを説明するための図である。 実際に被写体が存在しない状態で撮影されたＸ線画像データから算出されたデータ欠損率と、当該データ欠損率でフィッティングしたモデル関数（実線）とを示す図である。 ＦＰＤのナイキスト周波数に近い周期構造を持ったグリッドを挿入して撮影されたＸ線画像データから算出されたデータ欠損率を示す図である。 第２の実施形態におけるＦＰＤの駆動を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態で取得されるＸ線画像データの例を示す図である。 第２の実施形態におけるデータ欠損率算出部で算出されたデータ欠損率と、当該データ欠損率でフィッティングしたモデル関数とを示す図である。

以下、本発明を適用した好適な実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る放射線撮影装置としてのＸ線画像撮影装置では、ＰＩＮ型フォトダイオードを用いたセンサを適用しているが、ＭＩＳ型フォトダイオードを用いたセンサを適用してもよい。また、Ｘ線を直接電子に変換する直接型ＦＰＤを適用してもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線画像撮影装置１００の構成を示す図である。図１において、Ｘ線管１０１は、被検体１０３に対してＸ線を照射する。Ｘ線発生装置１０４は、曝射スイッチの押下でＸ線管１０１に高電圧パルスを与え、Ｘ線を発生させる。ＦＰＤ１０２は、ＦＰＤ制御部１０５の制御に基づき、被検体１０３を通過したＸ線を蛍光体により可視光に変換し、フォトダイオードで電気信号を検出する。検出された電気信号は、デジタル信号にＡＤ変換され、Ｘ線画像データとしてＦＰＤ制御部１０５に出力される。グリッド１１４は、ＦＰＤ１０２の前面に配置され、被写体内部で散乱されたＸ線を遮断し、Ｘ線画像データがボケてしまうのを抑制する。

ＦＰＤ制御部１０５は、画像処理部１０９、画像保存部１０８、モニタ１０６及び操作部１０７と接続される。また、ＦＰＤ制御部１０５には、一又は複数のコンピュータが内蔵される。コンピュータは、例えば、ＣＰＵ等の主制御部、並びに、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶部を備える。また、コンピュータは、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のグラフィック制御部、ネットワークカード等の通信部、及び、キーボード、ディスプレイ又はタッチパネル等の入出力部等を備える。なお、これら各構成は、バス等により接続され、主制御部が記憶部に記憶されたプログラムを実行することで制御される。

モニタ１０６は、ＦＰＤ制御部１０５から入力したＸ線画像データを表示する。操作部１０７は、画像処理部１０９やＦＰＤ１０２に対する指示を入力する。画像保存部１０８は、ＦＰＤ制御部１０５から出力されたＸ線画像データや画像処理部１０９で処理されたＸ線画像データを保存する。

画像処理部１０９は、関数算出部１１０、データ欠損率算出部１１１、フィッティング部１１２及び補正処理部１１３を備え、ＦＰＤ制御部１０５からの指示に従って、取得したＸ線画像データを処理する。

関数算出部１１０は、ＦＰＤ１０２がＸ線照射を検出して電荷の蓄積動作を開始するまでに、リセット動作で生じるデータ欠損によるアーチファクト形状を表すモデル関数を算出する。データ欠損率算出部１１１は、データ欠損が生じた画素数とデータ欠損が生じていない画素数との比を算出することで、データ欠損率を算出する。フィッティング部１１２は、データ欠損率算出部１１１で算出されたデータ欠損率に関数算出部１１０で算出されたモデル関数をフィッティングする。補正処理部１１３は、フィッティング部１１２でフィッティングされたモデル関数を用いて、Ｘ線画像データに対して補正処理を行う。

次に、図２を参照しながら、本実施形態に係るＸ線画像撮影装置１００の処理について説明する。ステップＳ１０１において、ＦＰＤ制御部１０５は、Ｘ線画像データを取得する。これは、Ｘ線発生装置１０４により高電圧パルスをＸ線管１０１に印加し、Ｘ線を被検体に照射することで行う。Ｘ線画像データの撮影条件としては任意の値を設定することが可能であるが、胸部等の撮影では、１００ｋＶ及び２ｍＡｓ程度に設定すればよい。また、ＦＰＤ１０２とＸ線管１０１との間の距離は、一般的に１００ｃｍ〜１５０ｃｍ程度に設定される。本実施形態では、Ｘ線発生装置１０４とＦＰＤ１０２との間にインタフェースを設けておらず、ＦＰＤ１０２は、Ｘ線照射を検知して電荷の蓄積動作を開始する。

ここで、図３を参照しながら、ＦＰＤ１０２の回路構成について説明する。ＦＰＤ１０２は、ガラス基板３０１上においてＴＦＴ３０２及びフォトダイオード３０３の組み合わせで一つの画素を形成している。ここでは、ＦＰＤ１０２は、縦１０００個×横１０００個の百万個の画素から構成されているものとする。なお、図３では、説明の便宜上、百万個の画素のうちの１６個の画素をのみを示している。なお、ＦＰＤ１０２は、放射線検知装置の例となる構成である。

走査線制御回路３０６は、Ｇ１〜Ｇ１０００（Ｇ５以降は図示せず）に順次オン信号を印加してＴＦＴ３０２のスイッチをオンにする。これにより、１ラインずつフォトダイオード３０３から電荷を読み出すことができる。Ｓ１〜Ｓ１０００（Ｓ５以降は図示せず）は信号線であり、フォトダイオード３０３から読み出された電荷は信号線を伝達して、信号検出回路３０５で読み取られる。信号検出回路３０５は、読み取った電荷の保持、増幅及びＡＤ変換等を実行して、デジタル信号としてＦＰＤ制御部１０５に出力する。電源３０４は、各フォトダイオード３０３に動作電圧を供給する。

図４は、ＦＰＤ１０２の駆動を示すタイミングチャートである。図４において、ＦＰＤ１０２は、Ｘ線が照射されていないとき、「Ｘ線検出駆動」と呼ばれる状態で待機する。「Ｘ線検出駆動」状態では、走査線制御回路３０６は、第１のフレームにおいて、走査線をＧ１、Ｇ３、Ｇ５、・・・というように１ラインのライン間隔（１ライン以上のライン間隔）を空けて奇数番目のラインだけを順次駆動し、奇数番目の走査線に接続された画素の暗電荷を読み取ってリセットしていく。次に、走査線制御回路３０６は、第２のフレームにおいて、走査線をＧ２、Ｇ４、Ｇ６というように１ラインのライン間隔（１ライン以上のライン間隔）を空けて偶数番目のラインだけを順次駆動し、偶数番目の走査線に接続された画素を読み取ってリセットしていく。このように、本実施形態では、奇数フレームでは奇数ラインをリセットし、偶数フレームでは偶数ラインをリセットする。

Ｘ線が照射されると、フォトダイオード３０３により電荷が生成されるため、信号線の出力が上昇する。信号検出回路３０５は、信号線の出力が予め定められた閾値を超えたとき、Ｘ線照射を検知する。信号検出回路３０５によりＸ線照射が検知されると、走査線制御回路３０６は、全ＴＦＴ３０２をオフにする。これにより、電荷の蓄積動作が開始する。ここで、閾値が小さいほどＸ線を素早く検知することができるが、ノイズ等の誤動作が生じるため、検知感度及びノイズレベルに応じた適切な値が設定される。

上述したＸ線検知動作では、Ｘ線照射開始とＸ線検知との間に必ずタイムラグが生じる。そして、電荷の蓄積動作に入るまでに照射されたＸ線に対応する電荷はリセット動作により排出されるため、Ｘ線画像データに寄与することができず、データ欠損によるアーチファクトが生じることになる。

ステップＳ１０２において、データ欠損率算出部１１１は、ステップＳ１０１で取得されたＸ線画像データからデータ欠損率を算出する。図５は、ステップＳ１０１で取得されたＸ線画像データの例を示す図である。ここでは、図５における１つの矩形を１つの画素と考える。例えば、偶数フレームのＧ１５６ラインでＸ線照射が開始され、Ｇ１９０ラインでＸ線が検知されたとする。この場合、奇数ラインはリセットされないため、正常な画素値の電荷が蓄積される。他方、Ｇ１５６〜Ｇ１９０の偶数ラインはリセット動作によりＸ線照射で蓄積されるはずの電荷が欠損している。

一般的に、自然画像データは連続的に画素値が変化するため、被写体にエッジやグリッド等の高周波成分が含まれない場合、隣接ライン同士の画素値は近い値となる。従って、本実施形態では、次の式１に示すように、隣接ライン（ｙ座標方向で隣接するライン）が正常なことを利用して、データ欠損が生じたラインの画素とデータ欠損が生じていない画素との比を算出することでデータ欠損率Ａ_T（ｘ，ｙ）を算出する。ここで、Ｐ（ｘ，ｙ）は、位置座標（ｘ，ｙ）における画素値を表している。

ステップＳ１０３において、フィッティング部１１２は、ステップＳ１０２で算出されたデータ欠損率に関数算出部１１０で算出されたモデル関数をフィッティングする。これにより、ステップＳ２０２で算出されたデータ欠損率からエッジやグリッドの高周波成分を除いた真のデータ欠損率が算出される。

ここで、モデル関数のフィッティング処理について詳細に説明する。Ｘ線照射開始からＸ線検知までのデータ欠損は、Ｘ線照射開始から所定のラインのリセットまでに蓄積された電荷が欠損することで生じる。従って、Ｘ線照射開始から所定のラインのリセットまでＸ線波形を時間積分したものがデータ欠損となる。

Ｘ線波形は、Ｘ線発生装置１０４の電圧パルスの形状に等しいと考えてよい。一般的な電圧パルスは、電気的なインピーダンスによるなまりを持って立ち上がる。この波形モデルを式２に示す。

式２に示すように、電圧パルスの立ち上がりは、図６（ａ）に示す抵抗ＲとキャパシタンスＣとの積である時定数τで表現することができ、図６（ｂ）に示すような波形となる。従って、データ欠損は、これをＸ線照射開始時間ｔ０から所定のラインのリセット時間ｔまでを積分した次の式３のモデル関数で表すことができる。

なお、式３におけるτ、Ｖ及びｔ₀は、Ｘ線発生装置１０４の設計値や発生条件により決まる未知数であり、フィッティングにより求められる。具体的には、次の式４を最小化するようにτ、Ｖ、ｔ₀が求められる。最小化アルゴリズムは、一般に知られているニュートン法や共役勾配法等を用いればよい。

図７は、実際に被写体が存在しない状態で撮影されたＸ線画像データから算出されたデータ欠損率（□）と、当該データ欠損率でフィッティングしたモデル関数（実線）とを示す図である。図７に示すように、フィッティング後のモデル関数がＸ線画像データから算出されたデータ欠損率によく合致していることがわかる。

図８は、ＦＰＤ１０２のナイキスト周波数に近い周期構造を持ったグリッド１１４を挿入して撮影されたＸ線画像データから算出されたデータ欠損率（破線及び□）を示す図である。この例では、グリッドラインが走査線と並行となるようにグリッド１１４を挿入した状態でＸ線画像データが撮影されている。図８に示すように、グリッドラインが走査線と並行となるようにグリッド１１４を挿入して状態で撮影されたＸ線画像データから算出されたデータ欠損率は、図７のデータ欠損率に「うなり」を伴った振動が加わっていることがわかる。

フィッティング後のモデル関数は、Ｘ線波形及びＦＰＤ１０２の駆動に基づいたデータ欠損率の形状を有する。従って、フィッティング後のモデル関数は、Ｘ線画像データから算出されたデータ欠損率に入り込んだグリッドの縞や上記「うなり」からの影響を受けず、Ｘ線波形及びＦＰＤ１０２の駆動に起因した真のデータ欠損率を抽出できていることがわかる。

ステップＳ１０４において、補正処理部１１３は、フィッティング後のモデル関数を用いてＸ線画像データを補正する。この補正処理は、補正後の画素値をＰ_C（ｘ，ｙ）、補正前の画素値をＰ（ｘ，ｙ）とすると、次の式５で行われる。

その結果、グリッドラインがＦＰＤ１０２の走査線と平行な方向に入っている場合でもＸ線照射開始から電荷の蓄積動作開始までに生じたデータ欠損を適切に補正し、Ｘ線画像データを復元することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態に係るＸ線画像撮影装置は、図１に示した構成と同様であるため、以下の説明においても、図１の符号を用いるものとする。

第１の実施形態では、「Ｘ線検出駆動」中に、フレーム毎に偶数ラインと奇数ラインとのリセットを切り替える駆動を行うものである。しかしながら、このような特殊な駆動をしなくても、Ｘ線照射開始からＸ線検知までに生じるデータ欠損を補正することが可能である。

ＦＰＤ制御部１０５は、図２のステップＳ１０１と同様に、Ｘ線画像データを取得する。図９は、第２の実施形態におけるＦＰＤ１０２の駆動を示すタイミングチャートである。第２の実施形態におけるＦＰＤ１０２の駆動においては、「Ｘ線検出駆動」状態におけるリセット動作をＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４と順次行い、１フレームで全ての走査線をリセットする。従って、第２の実施形態において、データ欠損は、図１０に示すように連続的に生じることになる。

データ欠損率算出部１１１は、次の式６に従って、ＦＰＤ制御部１０５で取得されたＸ線画像データからデータ欠損率Ａ_Tを算出する。

式６において、ｙ_detectはＸ線が検知されたラインである。即ち、ｙ_detectの１つ上のライン、ｙ_detect＋１からは正常に電荷の蓄積動作が開始されているため、そのラインを基準としてデータ欠損率が算出される。

図１１は、第２の実施形態におけるデータ欠損率算出部１１１で算出されたデータ欠損率Ａ_T（□）と、当該データ欠損率でフィッティングしたモデル関数（実線）とを示す図である。データ欠損率Ａ_Tは、被写体の影響を受けて変動している。フィッティング部１１２は、上記データ欠損率Ａ_Tで式３のモデル関数をフィッティングする。式３に示すモデル関数は、Ｘ線波形及びＦＰＤ１０２の駆動に基づいたデータ欠損率の形状を有する。従って、フィッティング後のモデル関数は、Ｘ線画像データから算出されたデータ欠損率に入り込んだ被写体の影響を受けず、Ｘ線波形及びＦＰＤ１０２の駆動に起因した真のデータ欠損率を抽出できていることがわかる。

補正処理部１１３は、フィッティングで係数が定まった式３のモデル関数（フィッティング後のモデル係数）を用いてＸ線画像データを補正する。この補正は、補正後の画素値をＰ_C（ｘ，ｙ）、補正前の画素値をＰ（ｘ，ｙ）とすると、次の式７で行われる。

その結果、ＦＰＤの駆動で連続的にラインがリセットされる場合でも、Ｘ線照射開始から電荷の蓄積動作開始までに生じたデータ欠損を適切に補正し、Ｘ線画像データを復元することができる。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１００：Ｘ線画像撮影装置、１０１：Ｘ線管、１０２：ＦＰＤ、１０３：被検体、１０４：Ｘ線発生装置、１０５：ＦＰＤ制御部、１０６：モニタ、１０７：操作部、１０８：画像保存部、１０９：画像処理部、１１０：関数算出部、１１１：データ欠損率算出部、１１２：フィッティング部、１１３：補正処理部、１１４：グリッド

Claims (9)

1. 放射線撮影装置の前面にグリッドを配置した状態で前記グリッドを介して入射した放射線を前記放射線撮影装置で検知して撮影された画像データを取得する取得手段と、
   前記グリッドの成分が含まれる画像データにおいて放射線照射開始から放射線検知までのデータ欠損率を算出する算出手段と、
   データ欠損を表すモデル関数を前記データ欠損率にフィッティングさせるフィッティング手段と、
   前記フィッティング手段によりフィッティングされた前記モデル関数に基づいて、前記データ欠損率から前記グリッドの成分を除いたデータ欠損率を算出し、前記画像データを補正する補正手段と
   を有することを特徴とする画像処理装置。
2. 前記グリッドは、そのグリッドラインが前記放射線撮影装置の走査線と平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記グリッドを配置した状態で撮影された前記画像データから算出された前記データ欠損率は、うなりを伴った振動が加わっていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像処理装置。
4. 前記モデル関数は、所定の放射線波形を時間積分した関数であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像処理装置。
5. 前記モデル関数は、抵抗とキャパシタンスとの積である時定数を放射線照射開始時間から所定のラインのリセット時間までを積分した関数であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の画像処理装置。
6. 前記算出手段は、前記画像データにおいてデータ欠損が生じた画素とデータ欠損が生じていない画素との比に基づいて、前記データ欠損率を算出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の画像処理装置。
7. 前記画像データは、前記放射線を電荷に変換する複数のラインの画素を備える前記放射線撮影装置において１ライン以上の間隔を空けて又はライン間隔を空けずに読み出された電荷に基づく画像データであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像処理装置。
8. 画像処理装置によって実行される画像処理方法であって、
   放射線撮影装置の前面にグリッドを配置した状態で前記グリッドを介して入射した放射線を前記放射線撮影装置で検知することで撮影された画像データを取得する取得ステップと、
   前記グリッドの成分が含まれる画像データにおいて放射線照射開始から放射線検知までのデータ欠損率を算出する算出ステップと、
   データ欠損を表すモデル関数を前記データ欠損率にフィッティングさせるフィッティングステップと、
   前記フィッティングステップによりフィッティングされた前記モデル関数に基づいて、前記データ欠損率から前記グリッドの成分を除いたデータ欠損率を算出し、前記画像データを補正する補正ステップと
   を有することを特徴とする画像処理方法。
9. 放射線撮影装置の前面にグリッドを配置した状態で前記グリッドを介して入射した放射線を前記放射線撮影装置で検知することで撮影された画像データを取得する取得ステップと、
   前記グリッドの成分が含まれる画像データにおいて放射線照射開始から放射線検知までのデータ欠損率を算出する算出ステップと、
   データ欠損を表すモデル関数を前記データ欠損率にフィッティングさせるフィッティングステップと、
   前記フィッティングステップによりフィッティングされた前記モデル関数に基づいて、前記データ欠損率から前記グリッドの成分を除いたデータ欠損率を算出し、前記画像データを補正する補正ステップと
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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