JP6369206B2 - X線撮影システム及び画像処理装置 - Google Patents
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Description
X線の照射軸方向と直交する方向に複数のスリットが配列されて構成された複数の格子がX線の照射軸方向に並んで設けられ、前記複数の格子の何れかを移動させて縞走査を行うことにより複数のモアレ縞画像を取得するタルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置と、
前記X線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像に基づいて、微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像のうちの少なくとも一つの再構成画像を生成する再構成手段を備える画像処理装置と、
を備えるX線撮影システムであって、
前記画像処理装置は、
前記X線撮影装置において格子配置を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する推定手段を備える。
前記複数の格子は、周期パターンを形成する第1格子と、前記第1格子の周期パターンをモアレ縞に変換する第2格子とを含み、
前記推定手段は、前記X線撮影装置において前記第1格子と前記第2格子の相対角度を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する。
前記画像処理装置は、
縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を示すパラメーターを設定する設定手段を備え、
前記再構成手段は、前記X線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像と、前記設定手段により設定されたパラメーターとに基づいて、再構成画像を生成し、
前記推定手段は、前記生成された再構成画像のモアレ縞の振幅の大きさを表す特徴量が予め定められた基準以下となるときの前記パラメーターを求め、求めたパラメーターを縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置として推定する。
前記生成された再構成画像のモアレ縞の振幅の大きさを表す特徴量は、前記生成された再構成画像の各画素の画素値と予め定められた目標値との差分の二乗和である。
前記設定手段は、前記推定手段により推定された縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を前記パラメーターとして設定し、
前記再構成手段は、前記設定手段により設定されたパラメーターと、前記X線撮影装置においてX線経路上の被写体配置位置に被写体を載置して縞走査を行うことにより取得された被写体有りの複数のモアレ縞画像と、X線経路上の前記被写体配置位置に前記被写体を載置せずに縞走査を行うことにより取得された被写体無しの複数のモアレ縞画像と、に基づいて被写体の再構成画像を生成する。
前記X線撮影装置は、前記推定手段により推定された縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置に基づいて、縞走査時における格子の移動量を調整する調整手段を備える。
前記推定手段は、前記再構成手段により生成された再構成画像のうち小角散乱画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する。
X線の照射軸方向と直交する方向に複数のスリットが配列されて構成された複数の格子がX線の照射軸方向に並んで設けられ、前記複数の格子の何れかを移動させて縞走査を行うことにより複数のモアレ縞画像を取得するタルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像に基づいて、微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像のうちの少なくとも一つの再構成画像を生成する再構成手段を備える画像処理装置であって、
前記X線撮影装置において格子配置を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する推定手段を備える。
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に、本実施形態に係るX線撮影システムの構成例を示す。X線撮影システムは、X線撮影装置1とコントローラー5を備える。X線撮影装置1はタルボ・ロー干渉計によるX線撮影(縞走査)を行い、コントローラー5は当該X線撮影により得られた複数のモアレ縞画像を用いて被写体の再構成画像を生成する。
X線撮影装置1は縦型であり、X線源11、マルチスリット12、被写体台13、第1格子14、第2格子15、X線検出器16は、この順序に重力方向であるz方向に配置される。X線源11の焦点とマルチスリット12間の距離をD1(mm)、X線源11の焦点とX線検出器16間の距離をD2(mm)、マルチスリット12と第1格子14間の距離をD3(mm)、第1格子14と第2格子15間の距離をD4(mm)で表す。なお、被写体台13の位置は、第1格子14と第2格子15との間に設けられていてもよい。
距離D2は、一般的に撮影室の高さは3(m)程度又はそれ以下であることから、少なくとも3000(mm)以下であることが好ましい。なかでも、距離D2は400〜3000(mm)が好ましく、さらに好ましくは500〜2000(mm)である。
X線源11の焦点と第1格子14間の距離(D1+D3)は、好ましくは300〜3000(mm)であり、さらに好ましくは400〜1800(mm)である。
X線源11の焦点と第2格子15間の距離(D1+D3+D4)は、好ましくは400〜3000(mm)であり、さらに好ましくは500〜2000(mm)である。
それぞれの距離は、X線源11から照射されるX線の波長から、第2格子15上に第1格子14による格子像(自己像)が重なる最適な距離を算出し、設定すればよい。
X線源11は、緩衝部材17aを介して保持されている。緩衝部材17aは、衝撃や振動を吸収できる材料であれば何れの材料を用いてもよいが、例えばエラストマー等が挙げられる。X線源11はX線の照射によって発熱するため、X線源11側の緩衝部材17aは加えて断熱素材であることが好ましい。
X線の焦点径は、0.03〜3(mm)が好ましく、さらに好ましくは0.1〜1(mm)である。
X線源11のX線照射方向には、X線の照射範囲を狭めるための図示しない照射野絞りが設けられている。
マルチスリット12のスリット周期をw0(μm)、第2格子15のスリット周期をw2(μm)とすると、スリット周期w0は下記式により求めることができる。
w0=w2・D3/D4
当該式を満たすように周期w0を決定することにより、マルチスリット12及び第1格子14の各スリットを通過したX線により形成される自己像が、それぞれ第2格子15上で重なり合い、いわばピントが合った状態とすることができる。
第1格子14は、マルチスリット12と同様にx方向に所定の周期の複数のスリットが設けられた回折格子である(図2参照)。第1格子14は、マルチスリット12と同様にUVを用いたフォトリソグラフィーによって形成することもできるし、いわゆるICP法によりシリコン基板に微細細線で深掘加工を行い、シリコンのみで格子構造を形成することとしてもよい。第1格子14のスリット周期は1〜20(μm)である。スリットの幅はスリット周期の20〜70(%)であり、好ましくは35〜60(%)である。スリットの高さは1〜100(μm)である。
D4=p・(w1 2/λ)・{D3/(D3−p・w1 2/λ)}
なお、pはタルボ次数で、第1格子14の高さがπ/2に対応する場合はp=n/2、πに対応する場合はp=n/8(nは正の奇数)となる。また、λはX線の波長である。
X線源11の焦点径;300(μm)、管電圧:40(kVp)、付加フィルター:アルミ1.6(mm)
X線源11の焦点からマルチスリット12までの距離D1 : 240(mm)
マルチスリット12から第1格子14までの距離D3 :1107(mm)
マルチスリット12から第2格子15までの距離D3+D4:1364(mm)
マルチスリット12のサイズ:10(mm四方)、スリット周期:22.8(μm)
第1格子14のサイズ:50(mm四方)、スリット周期:4.3(μm)
第2格子15のサイズ:50(mm四方)、スリット周期:5.3(μm)
X線検出器16の画素サイズは10〜300(μm)であり、さらに好ましくは50〜200(μm)である。
X線検出器16としては、FPD(Flat Panel Detector)を用いることができる。FPDには、検出されたX線を光電変換素子を介して電気信号に変換する間接変換型、検出されたX線を直接的に電気信号に変換する直接変換型があるが、何れを用いてもよい。
なお、CCD(Charge Coupled Device)、X線カメラ等の撮影手段をX線検出器16として用いてもよい。
制御部181は、CPU(Central Processing Unit)やRAM(Random Access Memory)等から構成され、記憶部185に記憶されているプログラムとの協働により撮影制御処理を行う。具体的に、制御部181は、X線源11、駆動部15a、駆動部18a、X線検出器16等の各部に接続されており、例えば、第2格子15の移動、X線源11からのX線照射のタイミングやX線照射条件、X線検出器16による画像信号の読取タイミング等を制御する。
表示部183は制御部181の表示制御に従って、ディスプレイに操作画面やX線撮影装置1の動作状況等を表示する。
制御部51は、CPU(Central Processing Unit)やRAM(Random Access Memory)等から構成され、記憶部55に記憶されているプログラムとの協働により、後述する再構成処理、格子相対位置推定処理をはじめとする各種処理を実行する。制御部51は、再構成手段、推定手段として機能する。
また、記憶部55は、X線撮影装置1で取得されたモアレ縞画像、モアレ縞画像に基づき生成された再構成画像等を患者情報に対応付けて記憶する。
ここで、上記X線撮影装置1のタルボ・ロー干渉計によるX線撮影方法を説明する。
図5に示すように、X線源11から照射されたX線が第1格子14を透過すると、透過したX線がz方向に一定の間隔で像を結ぶ。この像を自己像といい、自己像が形成される現象をタルボ効果という。自己像を結ぶ位置に第2格子15が自己像と概ね平行に配置され、第2格子15を透過したX線によりモアレ縞画像(図5においてMoで示す)が得られる。即ち、第1格子14は、周期パターンを形成し、第2格子15は周期パターンをモアレ縞に変換する。X線源11と第1格子14との間に被写体(図5においてHで示す)が存在すると、被写体によってX線の位相がずれるため、図5に示すようにモアレ縞画像上のモアレ縞は被写体の辺縁を境界に乱れる。このモアレ縞の乱れを、モアレ縞画像を処理することによって検出し、被写体像を画像化することができる。これがタルボ干渉計の原理である。
本実施形態におけるX線撮影システムでは、X線撮影装置1において、縞走査による撮影を行う。縞走査とは、格子(マルチスリット12、第1格子14、第2格子15)のうちの何れか1枚をスリット周期方向(x方向)に動かしてM回(Mは正の整数、M>2)の撮影を行い、M枚のモアレ縞画像を取得することをいう。理想的には、移動させる格子のスリット周期をd(μm)とすると、d/M(μm)ずつ格子をスリット周期方向に動かして撮影を行うことを繰り返し、M枚のモアレ縞画像を取得する。
本実施形態においては、X線撮影装置1は、第2格子15を移動させて縞走査による撮影を行う。
まず、第2格子15が停止した状態でX線源11によるX線の照射が開始される。X線検出器16では前回の撮影により残存する不要な電荷を取り除くリセット後、X線照射のタイミングに合わせて電荷が蓄積され、X線の照射停止のタイミングに合わせて蓄積された電荷が画像信号として読み取られる。これが1回目の撮影である。1回目の撮影が終了するタイミングで駆動部15aによる第2格子15の移動が開始され、d/M(実際には、誤差を含む場合がある)(μm)移動すると停止され、次の撮影が行われる。このようにして、第2格子15の移動と停止による(M−1)回分の撮影が繰り返され、第2格子15が停止したときにX線の照射と画像信号の読み取りが行われる。第1回目の撮影を含めてM回の撮影が終了したときに、1枚の再構成画像を生成するのに必要な、モアレ縞の位相が異なる複数のモアレ縞画像を取得するための一連の撮影が終了する。
ここで、制御部181は、通信部184によりコントローラー5にモアレ縞画像を送信する際、モアレ縞画像に対し、撮影条件(縞走査における撮影回数M、当該モアレ縞画像の撮影順番k、移動させた第2格子15のスリット周期d、X線検出器16の画素サイズD、相対角度θ、画像種別等)を付帯させて(例えば、ヘッダ情報等に書き込んで)コントローラー5に送信する。
コントローラー5においては、通信部54により本体部18からの被写体モアレ縞画像セット及びBGモアレ縞画像セットが受信されると、制御部51と記憶部55に記憶されているプログラムとの協働により、再構成処理が実行され、受信した被写体モアレ縞画像セット及びBGモアレ縞画像セットに基づいて微分位相画像、小角散乱画像、X線吸収画像等の再構成画像が生成される。以下に、再構成処理について述べる。
再構成処理では、この(式3)を形成するパラメーターb0(x,y)、b1(x,y)、φ(x,y)をM枚のモアレ縞画像より抽出し、微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像を再構成する。
行列Cを(式7)のように定義すると、パラメーターc0(x,y)、c1(x,y)、c2(x,y)は(式8)のように求めることが出来る。
上述のように、再構成処理を行うには、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χkをパラメーター(パラメーターχkとする)として設定しておく必要がある。しかし、縞走査時の実際の格子の相対位置χkと設定したパラメーターχkが一致していない場合には、再構成画像に撮影時のモアレ縞に起因するアーチファクトが発生してしまう。そのため、センサーを用いて縞走査時の相対位置χkを検出してこれをパラメーターχkとして設定することが提案されているが、高精度なセンサーを必要とし、コストがかかる。
以下、図6を参照して、縞走査時の第2格子15の相対位置χkを推定するための撮影及び格子相対位置推定処理の流れについて説明する。
図7に示すモアレ縞画像セット1、2は、以下の条件でシミュレーションを行って計算した画像である。
マルチスリット12と第1格子14間の距離D3:1107(mm)
マルチスリット12と第1格子14間の距離D3+D4:1364(mm)
マルチスリット12のスリット周期:22.8(μm)、スリット幅:6(μm)
第1格子14のスリット周期:4.3(μm)、スリット幅:2.15(μm)
第2格子15のスリット周期d:5.3(μm)、スリット幅:2.65(μm)
画素サイズ:85(μm)
第1格子14と第2格子15の相対角度θ:0.02°、0.005°
画像サイズ:200画素×200画素
第2格子15を動かして4回の撮影を行うこととし、第2格子15の相対位置χkは、モアレ縞画像セット1、2で共通で、χ1=0、χ2=(0.25+0.005)d、χ3=(0.5−0.01)d、χ4=(0.75+0.005)dとした。
ステップS4においては、ステップS3で設定したパラメーターχkと、第2格子15のスリット周期dを(式19)に代入してδkを算出し、モアレ縞画像セット1又は2の一方を被写体モアレ縞画像セット、他方をBGモアレ縞画像セットとして(式14)、(式15)、(式17)により微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像を生成する。
ステップS5においては、(式22)により特徴量Eを算出する。
特徴量Eが予め定められた基準値以下ではないと判断した場合(ステップS6;NO)、制御部51は、再構成処理時のパラメーターχ2〜χMを変化させ(ステップS7)、ステップS4に戻り、再度再構成画像の生成を行う。
特徴量Eが予め定められた基準値以下であると判断した場合(ステップS6;YES)、制御部51は、ステップS4において再構成処理で用いたパラメーターχ2〜χMを縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χ2〜χMであると推定する(ステップS8)。
以下、推定した相対位置χkを被写体の再構成画像の生成時にフィードバックする手法について説明する。
本撮影前に、図6を用いて説明した格子の相対位置χkの推定(2つのモアレ縞画像セットの撮影及び格子相対位置推定処理)を行い、コントローラー5の制御部51は、通信部54により推定された相対位置χkをX線撮影装置1に送信する。推定された相対位置χkを通信部184により受信すると、X線撮影装置1の制御部181は、推定されたχkから第2格子15の相対位置の誤差(αk−α1)を算出し、この(αk−α1)が0となるよう、縞走査時に第2格子15を移動させる距離(移動量)を調整する。調整後、X線撮影装置1において、駆動部15aにより調整した移動量で第2格子を移動させて本撮影を行い、コントローラー5において、得られた被写体モアレ縞画像セットとBGモアレ縞画像に基づく再構成処理を行う。このとき、コントローラー5の制御部51は、χk=d(k−1)/Mとして再構成画像の生成を行う。これにより、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χkと再構成時に設定するパラメーターχkが一致しないことに起因するアーチファクトを抑制することができる。
本撮影前に、図6を用いて説明した格子の相対位置χkの推定(2つのモアレ縞画像セットの撮影及び格子相対位置推定処理)を行って、コントローラー5の記憶部55に推定された相対位置χkを記憶しておき、本撮影の被写体モアレ縞画像セットとBGモアレ縞画像セットに基づく再構成処理時に、制御部51は、記憶部55に記憶されている相対位置χkをパラメーターとして設定して再構成画像の生成を行う。これにより、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χkと再構成時にパラメーターとして設定するχkが一致しないことに起因するアーチファクトを抑制することができる。
11 X線源
12 マルチスリット
13 被写体台
14 第1格子
15 第2格子
15a 駆動部
15b 相対角度調整部
16 X線検出器
17 保持部
17a 緩衝部材
18 本体部
181 制御部
182 操作部
183 表示部
184 通信部
185 記憶部
18a 駆動部
5 コントローラー
51 制御部
52 操作部
53 表示部
54 通信部
55 記憶部
Claims (8)
- X線の照射軸方向と直交する方向に複数のスリットが配列されて構成された複数の格子がX線の照射軸方向に並んで設けられ、前記複数の格子の何れかを移動させて縞走査を行うことにより複数のモアレ縞画像を取得するタルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置と、
前記X線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像に基づいて、微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像のうちの少なくとも一つの再構成画像を生成する再構成手段を備える画像処理装置と、
を備えるX線撮影システムであって、
前記画像処理装置は、
前記X線撮影装置において格子配置を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する推定手段を備えるX線撮影システム。 - 前記複数の格子は、周期パターンを形成する第1格子と、前記第1格子の周期パターンをモアレ縞に変換する第2格子とを含み、
前記推定手段は、前記X線撮影装置において前記第1格子と前記第2格子の相対角度を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する請求項1に記載のX線撮影システム。 - 前記画像処理装置は、
縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を示すパラメーターを設定する設定手段を備え、
前記再構成手段は、前記X線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像と、前記設定手段により設定されたパラメーターとに基づいて、再構成画像を生成し、
前記推定手段は、前記生成された再構成画像のモアレ縞の振幅の大きさを表す特徴量が予め定められた基準以下となるときの前記パラメーターを求め、求めたパラメーターを縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置として推定する請求項1又は2に記載のX線撮影システム。 - 前記生成された再構成画像のモアレ縞の振幅の大きさを表す特徴量は、前記生成された再構成画像の各画素の画素値と予め定められた目標値との差分の二乗和である請求項3に記載のX線撮影システム。
- 前記設定手段は、前記推定手段により推定された縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を前記パラメーターとして設定し、
前記再構成手段は、前記設定手段により設定されたパラメーターと、前記X線撮影装置においてX線経路上の被写体配置位置に被写体を載置して縞走査を行うことにより取得された被写体有りの複数のモアレ縞画像と、X線経路上の前記被写体配置位置に前記被写体を載置せずに縞走査を行うことにより取得された被写体無しの複数のモアレ縞画像と、に基づいて被写体の再構成画像を生成する請求項3又は4に記載のX線撮影システム。 - 前記X線撮影装置は、前記推定手段により推定された縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置に基づいて、縞走査時における格子の移動量を調整する調整手段を備える請求項1〜4の何れか一項に記載のX線撮影システム。
- 前記推定手段は、前記再構成手段により生成された再構成画像のうち小角散乱画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する請求項1〜6の何れか一項に記載のX線撮影システム。
- X線の照射軸方向と直交する方向に複数のスリットが配列されて構成された複数の格子がX線の照射軸方向に並んで設けられ、前記複数の格子の何れかを移動させて縞走査を行うことにより複数のモアレ縞画像を取得するタルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置により取得された複数のモアレ縞画像に基づいて、微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像のうちの少なくとも一つの再構成画像を生成する再構成手段を備える画像処理装置であって、
前記X線撮影装置において格子配置を異ならせて複数回の縞走査を行うことにより得られた複数のモアレ縞画像に基づき前記再構成手段により生成された再構成画像に基づいて、縞走査時の各撮影における前記移動させた格子の基準位置からの相対位置を推定する推定手段を備える画像処理装置。
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