JP6369206B2 - X線撮影システム及び画像処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、X線撮影システム及び画像処理装置に関する。
タルボ干渉計又はタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置により高精細の画像を得るには、格子のうちのひとつを格子のスリット周期の1/M(Mは正の整数、M>2)ずつスリット周期方向に移動させM回撮影した画像(モアレ縞画像)を用いて再構成を行う縞走査方式が用いられる。しかし、格子のスリット周期は大きくても20(μm)程度であり、縞走査を行う際の格子の移動量は1回あたり1(μm)のオーダーとなり、M回撮影を行う際の各撮影における格子の位置は0.01(μm)のオーダー(スリット周期に対して1%以下)の精度で決められる必要がある。
格子の位置に誤差があるまま撮影を行うと、測定される物理量に誤差を生じるだけでなく、撮影されたモアレ縞画像に基づいて生成される再構成画像に画像ムラが残存することになり好ましくない。
そこで、例えば、特許文献1には、センサーなどを用いて格子の位置を計測して再構成処理時のパラメーターに反映させることにより、格子の位置の誤差による画質の劣化を防止する技術が記載されている。
国際公開第2012/057022号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術においては、0.01(μm)のオーダーで格子位置を計測できる特殊なセンサーをX線撮影装置に付加する必要があり、コストがかかる。
本発明の課題は、縞走査時に移動させた格子の相対位置を検出するための特殊なセンサーをX線撮影装置に付加することなく、安価に格子の相対位置の誤差に起因する画像劣化を防止できるようにすることである。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は
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。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
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3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、
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4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、
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5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか一項に記載の発明において、
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6に記載の発明は、請求項1〜4の何れか一項に記載の発明において、
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7に記載の発明は、請求項1〜6の何れか一項に記載の発明において、
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8に記載の発明は、
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。
本発明によれば、縞走査時に移動させた格子の相対位置を検出するための特殊なセンサーをX線撮影装置に付加することなく、安価に格子の相対位置の誤差に起因する画像劣化を防止することができる。
本実施形態に係るX線撮影システムの全体構成を示す図である。 マルチスリットの平面図である。 図1の本体部の機能的構成を示すブロック図である。 図1のコントローラーの機能的構成を示すブロック図である。 タルボ干渉計の原理を説明する図である。 縞走査時の第2格子の相対位置を推定するための撮影〜画像処理(格子相対位置推定処理)の流れを示すフローチャートである。 シミュレーションにより作成した周期の異なるモアレ縞画像セット1とモアレ縞画像セット2の例を示す図である。 パラメーターχkに[表2]に示す初期値を設定し、図7のモアレ縞画像セット1、2を用いて再構成処理することにより得られた微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像を示す図である。 図8に示す微分位相画像に補正処理を行った画像を示す図である。 縞走査時の各撮影時の第2格子の相対位置とパラメーターχkを一致させて再構成処理を行ったときのX線吸収画像、小角散乱画像、微分位相画像である。
[X線撮影システムの構成]
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、図1に示すように、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、保持部17、本体部18等を備える。
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D1は好ましくは5〜500(mm)であり、さらに好ましくは5〜300(mm)である。
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、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、同一の保持部17に一体的に保持され、z方向における位置関係が固定されている。保持部17はアーム状に形成され、本体部18に設けられた駆動部18aによりz方向に移動可能に本体部18に取り付けられている。
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線源11はX線管を備え、当該X線管によりX線を発生させて重力方向(z方向)にX線を照射する。X線管としては、例えば医療現場で広く一般に用いられているクーリッジX線管や回転陽極X線管を用いることができる。陽極としては、タングステンやモリブデンを用いることができる。
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は回折格子であり、図2に示すようにx方向に複数のスリットが所定間隔で設けられている。マルチスリット12はシリコンやガラスといったX線の吸収率が低い材質の基板上に、タングステン、鉛、金といったX線の遮蔽力が大きい、つまりX線の吸収率が高い材質により形成される。例えば、フォトリソグラフィーによりレジスト層がスリット状にマスクされ、UVが照射されてスリットのパターンがレジスト層に転写される。露光によって当該パターンと同じ形状のスリット構造が得られ、電鋳法によりスリット構造間に金属が埋め込まれて、マルチスリット12が形成される。
マルチスリット12のスリット周期は1〜60(μm)である。スリット周期は、図2に示すように隣接するスリット間の距離を1周期とする。スリットの幅(x方向の長さ)はスリット周期の1〜60(%)の長さであり、さらに好ましくは10〜40(%)である。スリットの高さ(z方向の長さ)は1〜500(μm)であり、好ましくは1〜150(μm)である。
マルチスリット12のスリット周期をw(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wは下記式により求めることができる。
=w2・D3/D4
当該式を満たすように周期w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。
被写体台13は、X線源11からのX線照射経路上の被写体配置位置に設けられた、被写体を載置するための台である。
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。
第1格子14として位相型を用いる場合、スリットの高さはスリット周期を形成する2種の素材、つまりX線透過部とX線遮蔽部の素材による位相差がπ/8〜15×π/8となる高さとする。好ましくは、π/2又はπとなる高さである。第1格子14として吸収型を用いる場合、スリットの高さはX線遮蔽部によりX線が十分吸収される高さとする。
第1格子14が位相型である場合、第1格子14と第2格子15間の距離D4は、第1格子のスリット周期をw(μm)として、次の条件をほぼ満たすことが必要である。
D4=p・(w 2/λ)・{D3/(D3−p・w 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。
第2格子15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2格子15もフォトリソグラフィーにより形成することができる。第2格子15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30〜70(%)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。第1格子14及び第2格子15は、それぞれの格子面がz方向に対し垂直(x−y平面内で平行)である。
図1に示すように、第2格子15に隣接して、第2格子15をスリット周期方向であるx方向に移動させる駆動部15aが設けられている。駆動部15aとしては、例えばウォーム減速機等の比較的大きな減速比系の駆動機構を単体で又は組合せて用いることができる。
また、本実施形態では、第2格子15近傍に、第1格子14に対する第2格子15の相対角度θ(x−y平面内の相対角度)を調整するための相対角度調整部15bが設けられている。
上記マルチスリット12、第1格子14、第2格子15は、例えば下記のように構成することができる。
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は、照射されたX線に応じて電気信号を生成する変換素子が2次元状に配置され、当該変換素子により生成された電気信号を画像信号として読み取る。
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は第2格子15に当接するように保持部17に位置を固定することが好ましい。第2格子15とX線検出器16間の距離が大きくなるほど、X線検出器16により得られるモアレ縞画像がボケるからである。
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。
間接変換型は、CsIやGdS等のシンチレータプレートの下に、光電変換素子がTFT(薄膜トランジスタ)とともに2次元状に配置されて各画素を構成する。X線検出器16に入射したX線がシンチレータプレートに吸収されると、シンチレータプレートが発光する。この発光した光により、各光電変換素子に電荷が蓄積され、蓄積された電荷は画像信号として読み出される。
直接変換型は、アモルファスセレンの熱蒸着により、100〜1000(μm)の膜厚のアモルファスセレン膜がガラス上に形成され、2次元状に配置されたTFTのアレイ上にアモルファスセレン膜と電極が蒸着される。アモルファスセレン膜がX線を吸収するとき、電子正孔対の形で物質内に電圧が遊離され、電極間の電圧信号がTFTにより読み取られる。
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。
本体部18は、図3に示すように、制御部181、操作部182、表示部183、通信部184、記憶部185等を備えて構成されている。
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。
操作部182は、曝射スイッチ等を備え、これらの操作に応じた操作信号を生成して制御部181に出力する。
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。
通信部184は通信インターフェイスを備え、ネットワーク上のコントローラー5と通信する。例えば、通信部184はX線検出器16によって読み取られ、記憶部185に記憶されたモアレ縞画像をコントローラー5に送信する。
記憶部185は、制御部181により実行されるプログラム、プログラムの実行に必要なデータ、プログラムの実行による処理結果等を記憶している。また、記憶部185はX線検出器16によって得られたモアレ縞画像を記憶する。
コントローラー5は、X線撮影装置1により得られた一連のモアレ縞画像を用いて被写体の再構成画像を生成し、生成した再構成画像に各種処理を施して表示する画像処理装置である。また、コントローラー5は、後述する格子相対位置推定処理を実行し、X線撮影装置1において取得されたモアレ縞画像から縞走査時の各撮影における第2格子15の位置を推定する。
コントローラー5は、図4に示すように、制御部51、操作部52、表示部53、通信部54、記憶部55を備えて構成されている。
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。
操作部52は、カーソルキー、数字入力キー、及び各種機能キー等を備えたキーボードと、マウス等のポインティングデバイスを備えて構成され、キーボードで押下操作されたキーの押下信号とマウスによる操作信号とを、入力信号として制御部51に出力する。表示部53のディスプレイと一体に構成されたタッチパネルを備え、これらの操作に応じた操作信号を生成して制御部51に出力する構成としてもよい。
表示部53は、例えば、CRT(Cathode Ray Tube)やLCD(Liquid Crystal Display)等のモニターを備えて構成されており、制御部51の表示制御に従って、操作画面、生成された再構成画像等を表示する。
通信部54は、通信インターフェイスを備え、ネットワーク上のX線撮影装置1やX線検出器16と有線又は無線により通信する。例えば、通信部54は、X線撮影装置1に撮影条件や制御信号を送信したり、X線撮影装置1又はX線検出器16からモアレ縞画像を受信したりする。
記憶部55は、制御部51により実行されるプログラム、プログラムの実行に必要なデータ、プログラムの実行による処理結果等を記憶している。
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。
[タルボ干渉計、タルボ・ロー干渉計の原理]
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。
X線撮影装置1では、X線源11と第1格子14との間のX線源11に近い位置に、マルチスリット12が配置され、タルボ・ロー干渉計によるX線撮影が行われる。タルボ干渉計はX線源11が理想的な点線源であることを前提としているが、実際の撮影にはある程度焦点径が大きい焦点が用いられるため、マルチスリット12によってあたかも点線源が複数連なってX線が照射されているかのように多光源化する。これがタルボ・ロー干渉計によるX線撮影法であり、焦点径がある程度大きい場合にも、タルボ干渉計と同様のタルボ効果を得ることができる。
[縞走査による撮影]
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。
具体的には、X線撮影装置1において、オペレーターにより操作部182の曝射スイッチが押下されると、制御部181が撮影制御処理を実行することにより、以下の縞走査動作が行われる。なお、例えば、前回の縞走査終了後に、第2格子15は駆動部15aにより原点位置に移動され、撮影制御処理の開始時には第2格子15は略原点位置に位置しているものとする。
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。
縞走査による撮影が終了すると、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させる。通信部184からコントローラー5に対しては1回の撮影が終了する毎に1枚ずつ送信することとしてもよいし、縞走査によるM回分の全てのモアレ縞画像が得られた後、まとめて送信することとしてもよい。
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。
なお、被写体の再構成画像を取得するには、被写体台13に被写体を載置した状態での縞走査によるX線撮影(被写体有りの縞走査)と被写体台13に被写体を載置しない状態での縞走査によるX線撮影(被写体無しの縞走査)が行われ、被写体有りの一連のモアレ縞画像及び被写体無しの一連のモアレ縞画像が生成される。これを本撮影という。また、モアレ縞画像のうち、被写体有りのモアレ縞画像を被写体モアレ縞画像と呼び、被写体無しのモアレ縞画像をBGモアレ縞画像と呼ぶ。また、縞走査により得られた一連のモアレ縞画像をモアレ縞画像セットと呼ぶ。
ここで、本撮影において、被写体有りの縞走査と被写体無しの縞走査とで第1格子14と第2格子15の相対角度θを変化させてしまうと、格子が均一に製造できていない場合には、格子の高周波のムラが再構成画像に残存し、被写体由来の信号を損なう恐れがある。そのため、本撮影の被写体有りの縞走査と被写体無しの縞走査は格子のモアレ縞の変化がほとんどない状態で撮影される。
[再構成処理]
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。
上述のように、縞走査では、理想的には格子のうちのひとつ(マルチスリット12、第1格子14、第2格子15のうちのひとつ。ここでは第2格子15。)をそのスリット周期dの1/M(M>2)ずつスリット周期方向に移動させ、M枚の画像を得る。その際、移動させる第2格子15以外の他の格子は静止しているものと仮定する。ただ、環境条件が変わると縞走査ごとに第2格子15とその他の格子との位置関係は変化する。そこで、静止した他の格子はそれぞれ原点に静止しているものと考え、静止した格子と移動させる第2格子15の原点位置との相対位置(スリット周期方向の相対位置)をχ0とおく。
縞走査の各撮影における第2格子15の原点位置からの相対位置(スリット周期方向の相対位置)をχk(k=1,…,M。以下、第2格子15(格子)の相対位置χkと呼ぶ。)とすると、(式1)のように表される。
ただし、dは縞走査時に移動させる第2格子15のスリット周期で、αkはk枚目の撮影時の相対位置の誤差を表す。
上述のように、タルボ干渉計やタルボ・ロー干渉計では、第1格子14の自己像と第2格子15との間でモアレ縞を発生させる。一般に、第1格子14の自己像と第2格子15のスリット周期が一致している場合、X線検出器16の画素(x,y)で検出されるモアレ縞強度Ik(x,y)は(式2)のように表される。
ここで、DはX線検出器16の画素サイズ、d2は第1格子14の自己像及び第2格子15のスリット周期、θは第1格子14のスリットがy軸に平行に配置されている場合の第2格子15の第1格子14に対する相対角度(rad)を表している。an(nは0以上の整数、n=±1、±2、・・・)は、モアレ縞強度Ik(x,y)を離散フーリエ変換した際の周期d2/nθ(μm)のモアレ縞成分の振幅の1/2を表す。a0は直流成分で、モアレ縞強度Ik(x,y)の平均値である。また、(式2)は被写体がない場合のモアレ縞の強度を表している。
実際のタルボ干渉計やタルボ・ロー干渉計では、適当な縞走査回数を設定することによりn>2の高次の成分が無視できる。つまり、モアレ縞の強度分布を表す(式2)は(式3)のように近似することが出来る。
ここで、
δは、格子のうちの1枚を相対位置χkへ移動させたことによるモアレ縞の位相変化を表すものである。
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。
ところで、(式3)は(式6)のように表すことも出来る。
δkが既知であれば、モアレ縞強度の実測値Ik´(x,y)とモアレ縞強度の理論値Ik(x,y)の差を最小にするようなc0(x,y)、c1(x,y)、c2(x,y)を求めることが出来る。(式6)のパラメーターc0(x,y)、c1(x,y)、c2(x,y)の導出方法は、谷田貝豊彦著、「応用工学光計測入門」、丸善株式会社、1988年発行、p.131-135に記載されており、ここではその結果のみを示す。
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。
ただし、
(式8)で求められたパラメーターc0(x,y)、c1(x,y)、c2(x,y)より、以下のようにパラメーターb0(x,y)、b1(x,y)、φ(x,y)を求めることができる。
X線吸収画像IATT(x,y)、小角散乱画像ISAS(x,y)、微分位相画像IDPC(x,y)は、被写体モアレ縞画像セットより求めたパラメーターをb0,sample(x,y)、b1,sample(x,y)、φsample(x,y)、c1,sample(x,y)、c2,sample(x,y)とし、BGモアレ縞画像セットより求めたパラメーターをb0,BG(x,y)、b1,BG(x,y)、φBG(x,y)、c1,BG(x,y)、c2,BG(x,y)として、これらを用いてそれぞれ(式14)、(式15)、(式16(あるいは17))により算出することができる。
微分位相画像IDPC(x,y)は、
で計算することができるが、
として計算してもよい。
即ち、再構成処理では、被写体モアレ縞画像及びBGモアレ縞画像のモアレ縞強度Ik´(x,y)及び縞走査のk回目の撮影における第2格子15の相対位置χkに基づいてX線吸収画像IATT(x,y)、小角散乱画像ISAS(x,y)、微分位相画像IDPC(x,y)を算出する。そのため、制御部51は、再構成処理を行うにあたり、予め縞走査のk回目の撮影における第2格子15の相対位置χkをパラメーターとして設定しておく必要がある。
なお、本発明ではデータの扱いやすさから微分位相画像の各画素の値を(式17)で定義し、微分位相画像の各画素のとりうる値を−1から1(または0から2)としている。微分位相画像の各画素の値を被写体の物理量に応じた値で定義する際には(式17)にX線エネルギーやスリット周期、被写体位置などによって決まる係数を積算すればよい。
[相対位置の推定]
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。
上述の再構成処理には、(式14)〜(式16)に示すように、被写体モアレ縞画像の各画素の値をBGモアレ縞画像の同じ画素の値で除算する、若しくは減算するオフセット処理が含まれている。そのため、仮に、被写体モアレ縞画像の撮影時とBGモアレ縞画像の撮影時の被写体の有無および撮影条件が全く同じであれば縞走査時の相対位置χkに誤差があってもこのオフセット処理により減算或いは除算されるため、オフセット処理後の再構成画像ではその誤差は検出できないことになる。そこで、本願発明者は、意図的に撮影条件、特にモアレ縞の周期が異なる条件で撮影したモアレ縞画像セット間で再構成処理を行い、アーチファクトが明瞭に残存した再構成画像を作成し、このアーチファクトが最も小さくなるような再構成処理時のパラメーターχkを求めることで、縞走査時の各撮影における格子の相対位置χkを推定することが可能なことを見出した。
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。
まず、X線撮影装置1において、或るモアレ縞の周期で縞走査による撮影を行い、1セット分(M枚)のモアレ縞画像セット1を取得する(ステップS1)。取得されたモアレ縞画像セット1の画像データは、通信部184によりコントローラー5に送信される。
次いで、X線撮影装置1において、相対角度調整部15bを調整して第1格子14と第2格子15との相対角度θを変更することにより、ステップS1とは異なる相対角度θで縞走査による撮影を行い、1セット分(M枚)のモアレ縞画像セット2を取得する(ステップS2)。取得されたモアレ縞画像セット2の画像データは、通信部184によりコントローラー5に送信される。
ここで、モアレ縞の周期は、(式3)に示すように、第1格子14と第2格子15の相対角度θを変化させることで変更することができる。ステップS1とステップS2の撮影時には、モアレ縞の周期以外は変えないことが好ましい。また、ステップS1、ステップS2の撮影時には被写体Hを置いても置かなくてもどちらでもよいが、被写体Hを置かないほうが望ましい。
図7に、シミュレーションにより作成したモアレ縞の周期の異なるモアレ縞画像セット1とモアレ縞画像セット2の例を示す。
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。
次いで、コントローラー5において、制御部51によりモアレ縞画像セット1、2を用いて格子相対位置推定処理を実行し、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χkを推定する。具体的には、以下のステップS3〜ステップS8の処理を実行する。
まず、制御部51は、縞走査において移動させた格子(第2格子15)の相対位置χkを示すパラメーターχk(再構成処理において相対位置χkに設定するパラメーター)の初期値を設定する(ステップS3)。
ここで、第2格子15の相対位置χk(k=1,・・・,M)は、(式1)に示すとおりであり、これは、(式5)のδkの分子である。1枚目の相対位置χ1はα1となるがこれを定数項とみなし、
として、縞走査における各撮影時の第2格子15の相対位置χkを1枚目の撮影時の格子位置χ1に対する相対位置と定義し直しても問題ない。
縞走査における各撮影時の第2格子15の相対位置χkを1枚目の撮影時の格子位置に対する相対位置として定義した場合、k=1の場合のパラメーターχ1は0とすることができ、M枚撮影の場合、(M−1)回の撮影のパラメーターを設定すればよいということになる。
[表1]に、M=4の場合の相対位置のパラメーターχkの一例を示す。
ステップS1、ステップS2に対応する撮影が同様の環境条件で撮影されている場合、例えば、モアレ縞画像セット1、2が続けて撮影された場合、縞走査時の格子移動による相対位置の変化は2セットの撮影で共通とみなすことが出来る。このような場合、求めるべきパラメーターはモアレ縞画像セット1、2で共通のパラメーターセット1とすることができる。また、ステップS1、ステップS2に対応する撮影が同様の環境条件で撮影されていない場合、例えば、撮影時間が離れて温度条件が変化したような場合には、モアレ縞画像セット1およびモアレ縞画像セット2は、2〜4回目の撮影時の相対位置が異なるパラメーターセット2とする必要がある。以下の説明では、[表1]のパラメーターセット1の場合を例にとり説明する。
ところで、k=1の場合の格子の相対位置χ1を0とすることにより、(式20)に示すようにφ(x,y)に1回目の撮影時の第2格子15の位置の誤差α1が反映されることとなる。誤差α1がモアレ縞画像セット1、2で同じ場合には(式16)で算出される微分位相画像にα1は影響しないが、誤差α1がモアレ縞画像セット1、2で異なる場合であっても、後述する微分位相画像への補正処理によりこの誤差は除去あるいは減弱されるため、考慮する必要はない。
X線撮影装置1においては、縞走査時に1/M周期分ずつ第2格子15を移動させる設定になっているため、M=4の場合、ステップS3においては、パラメーターχkの初期値はモアレ縞画像セット1、2で共通で[表2]のように与えるのでよい。
次いで、制御部51は、モアレ縞画像セット1、2のそれぞれに設定されたパラメーターχkに基づいて再構成処理を実行し、再構成画像(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S4)。
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。
図8は、パラメーターχkに[表2]のパラメーターセット1に示す初期値を設定し、図7のモアレ縞画像セット1、2を用いて再構成処理することにより得られた微分位相画像、X線吸収画像、小角散乱画像である。図8に示すように、X線吸収画像、小角散乱画像では、y方向に縞状のアーチファクトが見える。一方、微分位相画像では細かい縞状アーチファクトが見られないがy方向に沿って信号が徐々に変化しているのがわかる。
微分位相画像におけるy方向に沿ったアーチファクトは、特開2012−170618号公報(特許文献2)に記載のように、第1格子14と第2格子15の相対角度θが2つのモアレ縞画像セットで異なることに起因するものである。この相対角度θが異なることに起因する微分位相画像におけるアーチファクトは、特許文献2に記載されているように、画素(x,y)に対してf(x,y)=ax+by+cで表される位相誤差が加わったものである。そこで、微分位相画像に対しては、微分位相画像IDPC(x,y)からf(x,y)=ax+by+cを減算して、上記アーチファクトを補正する処理を行う。
位相誤差を表す式のa、b、cの値は、微分位相画像において、少なくとも3点の測定点を設定し、その位置座標(x1、y1)〜(x3、y3)及び信号値I1〜I3を取得し、以下の(式21)に各値を代入することにより求めることができる。
ここで、相対角度θの違いによるアーチファクトは、図8に示すように、主にy方向に生じている。そこで、微分位相画像IDPC(x,y)から減算する式をf(x,y)=by+c(x)で近似しても問題ない。相対角度θが既知であればy方向の傾きbはあらかじめ計算することが可能なため、微分位相画像IDPC(x,y)からf(x,y)=byを減算し、その後、補正した微分位相画像IDPC(x,y)のx座標ごとにy方向の画素値の平均c(x)を計算し減算するとしてもよい。
また、相対角度θの大きさによっては、微分位相画像IDPC(x,y)の面内にほぼx軸に平行に不連続が発生することがある。これは、微分位相画像IDPC(x,y)が−1から1の範囲の値しかとれないため、この範囲外の値では値が−1から1に折り返されるためである。このような場合には、y方向に連続になるように微分位相画像IDPC(x,y)に2×整数の値を加算しておいてから、上記の補正処理を行えばよい。あるいは、先に、f(x,y) = byを減算し、その後、y方向に連続になるように2×整数の値を加算し、x座標ごとにy方向の画素値の平均c(x)を計算し減算するとしてもよい。
図9に、上記の補正処理を施して算出された微分位相画像を示す。図9に示すように、相対角度θが異なることに起因するアーチファクトの補正処理を施すことにより、微分位相画像にも縞状アーチファクトが発生したことがわかる。ステップS4においては、図8に示すX線吸収画像、小角散乱画像、図9に示す微分位相画像を再構成画像として生成する。
次いで、制御部51は、再構成画像におけるモアレ縞の振幅の大きさを示す特徴量E((式22)参照)を算出する(ステップS5)。
図10に、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置をχ2=(0.25+0.005)d、χ3=(0.5−0.01)d、χ4=(0.75+0.005)dと設定してモアレ縞画像セット1、2を取得し、パラメーターを縞走査時の第2格子15の相対位置と同じχ2=(0.25+0.005)d、χ3=(0.5−0.01)d、χ4=(0.75+0.005)dと設定してステップS4の再構成処理を行ったX線吸収画像、小角散乱画像、微分位相画像である。
図10に示す画像から、実測(縞走査)の際の第2格子15の相対位置χkを正しく見積もってパラメーターχkとして設定して再構成処理が行われていれば、図8、図9に示すような再構成画像上の縞状のアーチファクトが発生しないことがわかる。よって、図8、9に見られる縞状のアーチファクトが十分小さくなるような、即ち、再構成画像に残存するモアレ縞の振幅が十分小さくなるような再構成処理時のパラメーターχkを求めれば、それが略撮影時の格子の相対位置χkであるということになる。つまり、X線吸収画像の画素値IATT(x,y)、小角散乱画像の画素値ISAS(x,y)、微分位相画像の画素値IDPC(x,y)が、評価を行う画像データ範囲内で、それぞれ一定値で与えられる目標値IATT0、ISAS0、IDPC0になるようなパラメーターχkを求めれば、これを撮影時の相対位置χkとして推定することができる。具体的には、以下の(式22)に示す、再構成画像のモアレ縞の振幅の大きさを表す特徴量Eが最も小さくなるときのパラメーターχkを求めることで、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置χkを推定することができる。なお、特徴量Eの算出に用いる画像データ範囲は、X線撮影装置1の有効視野全てを用いてもよいし、視野の一部、例えば、中央部のみを用いてもよい。
ここで、WATT、WSAS、WDPCは特徴量Eに対するX線吸収画像、小角散乱画像、微分位相画像の重み付けを表す。また、IATT0、ISAS0には、第1格子14と第2格子15の間の相対角度θやモアレ縞画像セット1、2の線量条件に応じた定数を、IDPC0には、第1格子14と第2格子15の間の相対角度θを考慮する必要がないため(相対角度θに起因するアーチファクトは補正されているため)0を設定すればよい。あるいは、IATT0、ISAS0、IDPC0には、それぞれ評価に用いる画像データ範囲内のIATT(x,y)、ISAS(x,y)、IDPC(x,y)の平均値を設定してもよい。
ステップS5においては、(式22)により特徴量Eを算出する。
次いで、制御部51は、特徴量Eが予め定められた基準値以下であるか否かを判断する(ステップS6)。予め定められた基準値とは、特徴量Eが取り得る最小値、又は十分小さいとして予め定められた値である。
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)。
なお、特徴量Eの最小化については、共役勾配法などの一般的な最適化手法を用いて最小値を求めることとしてもよい。
図7に示すモアレ縞画像セット1、2に基づいて、(式22)のWATT=WSAS=1、WDPC=1として共役勾配法を用いて特徴量Eを最小化するパラメーターχ2、χ3、χ4を計算したところ、χ2=(0.25+0.005+0.0002)d、χ3=(0.5−0.01+0.003)d、χ4=(0.75+0.005+0.0000)dという値が得られた。実際の縞走査時の相対位置χ2、χ3、χ4に対する誤差が周期の0.1%以下で求められており、この手法を用いることで、縞走査時の各撮影の第2格子15の相対位置をよく推定できているのがわかる。ここで、吸収画像、小角散乱画像にはモアレ縞画像セット1とモアレ縞画像セット2で差異を与えないシミュレーションを行ったため、IATT0=ISAS0=1、IDPC0=0と設定した。
このように、X線撮影システムにおいては、図6に示す撮影〜格子相対位置推定処理を実行することで、縞走査時の各撮影における第2格子15の相対位置を再構成画像から制度良く推定することができるので、縞走査時に移動させた格子の相対位置を検出するための特殊なセンサーをX線撮影装置に付加することなく、安価に格子の相対位置の誤差に起因する画像劣化を防止することができる。
ここまでは、X線吸収画像、小角散乱画像、微分位相画像の3画像をすべて用いて格子の相対位置を推定する手法を述べたが、図8、9に示すように、再構成画像上に残存する縞状アーチファクトの周期が再構成画像により異なる。X線吸収画像は、微分位相画像、小角散乱画像の縞状アーチファクトの倍の周期の縞状アーチファクトが残存している。これは、モアレ縞の平均値成分と振幅成分に由来する物理量への格子の相対位置誤差の影響が異なることを示している。しかし、実際、小角散乱画像は、(式15)に示すように、モアレ縞の平均値成分、振幅成分の両方が画像に影響している。よって、格子の相対位置の推定時に、小角散乱画像のみを用いてもよい。つまり、(式22)のWATT=WDPC=0、WSAS=1として特徴量Eを計算してもよい。このようにして、図7に示すモアレ縞画像セット1、2に基づき、特徴量Eを最小にするパラメーターχ2、χ3、χ4を共役勾配法を用いて計算すると、それぞれχ2=(0.25+0.005+0.0002)d、χ3=(0.50−0.01+0.0007)d、χ4=(0.75+0.005+0.0004)dとなり、縞走査時の相対位置χ2、χ3、χ4をよく再現出来ていることがわかる。この手法によれば、格子の相対位置の推定に係る処理時間を短縮することができる。
このように、モアレ縞周期の異なるモアレ縞画像セットに基づく再構成画像上に残存する縞状アーチファクトの振幅を最小にするようなパラメーターχkを求めることにより、実際の縞走査時の第2格子15の相対位置を精度よく把握することできる。よって、詳細を後述するが、求めたパラメーターχkを用いて、相対位置の誤差(αk−α1)が0になるようにX線撮影システムにおける格子の移動量の調整を行ったり、あるいは、求めたパラメーターχkを用いて再構成処理を行ったりすることで、本撮影を精度よく行うことができるようになる。
また、ここまでは、モアレ縞画像セット1、2でパラメーターχkを同じとした場合について説明を行ったが、モアレ縞画像セット1、2でパラメーターが異なる場合、例えば、[表1]のパラメーターセット2の場合でも、処理は同様である。ただし、実際に被写体の再構成画像を生成する際の再構成処理においては、被写体の信号を得るための本撮影と環境がより近い状態で撮影された方のモアレ縞画像セット1又は2のパラメーターを用いて再構成画像の生成を行う。例えば、モアレ縞画像セット1を朝撮影し、モアレ縞画像セット2を本撮影直前に撮影した場合、本撮影はモアレ縞画像セット2と環境が近い状態で行われるため、モアレ縞画像セット2に対応するχkを用いて再構成画像の生成を行う。なお、モアレ縞画像セット1、2でパラメーターが異なる場合には、モアレ縞の周期が広いと格子の相対位置の算出精度が低下するため、モアレ縞画像セット1、2において、格子の相対位置を算出する際に評価に用いる画像領域内で、モアレ縞の位相がπ程度(半周期程度)変化する領域を含むことが望ましい。また、モアレ縞画像セット1、2でパラメーターが異なる場合には、モアレ縞画像セット1、2のうち、モアレ縞の周期の小さなモアレ縞画像セットに対応するχkのほうが精度よく求められる。そのため、例えば、本撮影がモアレ縞画像セット2と環境が近い状態となる場合には、モアレ縞画像セット2のモアレ縞の周期のほうがモアレ縞画像セット1に比べて小さくなるように第1格子14と第2格子15の相対角度θを調整するのが望ましい。
また、ここでは、モアレ縞画像セット間のモアレ縞の周期を変化させるのに、第1格子14と第2格子15の相対角度θを変化させたが、何れかの格子をz方向に移動させることにより、x方向に平行なモアレ縞を発現させて同様に格子の相対位置χkを推定することも可能である。
[推定した相対位置のフィードバック]
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。
(X線撮影装置1での格子の移動量を調整)
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。
環境変化による(αk−α1)が小さいと見積もられるのであれば、X線撮影装置1において所定のタイミングで実行される装置調整時に、或いは、X線撮影装置1の電源を入れる毎に、図6に示す相対位置χkの推定〜推定結果に基づく第2格子15を移動させる距離の調整までを行って、その値(調整した移動量)を記憶部185に記憶しておき、本撮影時には、記憶部185に記憶されている移動量に基づいて、駆動部15aにより第2格子15を移動させて撮影を行うこととしてもよい。
(再構成処理時の格子位置の設定に反映)
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。
ところで、X線撮影装置1を立ち上げた後、装置による発熱により装置内部で温度変化が発生する。これにより、第2格子15の相対位置χkが変化する場合もある。そこで、本撮影の被写体モアレ縞画像セット、BGモアレ縞画像セットの撮影とともに、BGモアレ縞画像セットに対して第1格子14と第2格子15の相対角度θを変化させてBGモアレ縞画像セット(BGモアレ縞画像セット2と呼ぶ)の撮影を行う。そして、コントローラー5において、制御部51は、本撮影用のBGモアレ縞画像セットとBGモアレ縞画像セット2に基づいて、共通のパラメーター([表1]のパラメーター1)を用いて格子相対位置推定処理を実行し、推定された相対位置χkを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よる再構成処理時のパラメーターχkに反映させて被写体の再構成画像を生成する。この際、相対角度調整部15bにより、本撮影時のモアレ縞画像セットに対してBGモアレ縞画像セット2のモアレ縞の周期が小さくなるように相対角度θを変化させることが望ましい。
例えば、本撮影ではモアレ縞の周期が最も広がるよう第1格子14と第2格子15の相対角度θを調整した状態で撮影を行う。これに対して、BGモアレ縞画像セット2では第1格子14と第2格子15の相対角度θを本撮影に対して角度を0.01〜0.03°程度変化させて撮影を行えばよい。撮影視野内の45mm角の画像データ範囲を特徴量Eの算出に用いるとし、第2格子15のスリット周期dを5.3(μm)とすると、BGモアレ縞画像セットのモアレ縞の周期が45mmに対して十分大きい場合には、BGモアレ縞画像セット2は45mm角内に1〜5周期分のモアレ縞が発現した状態で撮影することとなる。モアレ縞の位相は、0〜2πで変化するため、特徴量Eの算出に用いる画像データ範囲内に1周期分以上のモアレ縞を発現させることにより、とりうるあらゆるモアレ縞の位相に対して再構成画像の誤差が最小となるパラメーターχkを算出することができる。
なお、BGモアレ縞画像セット2の撮影は、必ずしも本撮影の撮影とあわせて行う必要はなく、予めBGモアレ縞画像セット2の撮影を行ってコントローラー5の記憶部55に記憶しておいてもよい。そして、本撮影終了後、本撮影のBGモアレ縞画像セットと記憶部55に記憶されているBGモアレ縞画像セット2に基づいて、図6の格子相対位置推定処理により[表1]のパラメーターセット2(本撮影のBGモアレ縞画像セットと記憶部55に記憶されているBGモアレ縞画像セット2で異なるパラメーターχk)を算出し、本撮影のBGモアレ縞画像セットについて算出したパラメーターχkを格子の相対位置χkとして本撮影のBGモアレ縞画像セットの再構成処理を行う。なお、BGモアレ縞画像セット2は、本撮影に対して、線量を低くして撮影しても構わない。
以上、本発明に係るX線撮影システムの好ましい実施形態について説明したが、上述した本実施形態における記述は、本発明に係る好適な一例であり、これに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、撮影時に第2格子15をマルチスリット12及び第1格子14に対して相対移動させる方式のタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置を例にとり説明したが、本発明は、マルチスリット12又は第1格子14の何れかを移動させる方式のタルボ・ロー干渉計を用いたX線撮影装置に適用してもよい。また、本発明は、第1格子14又は第2格子15の何れかを他の格子に対して移動させる方式のタルボ干渉計を用いたX線撮影装置に適用してもよい。
また、上記実施形態においては、3種の再構成画像を生成する場合について説明したが、微分位相画像又は小角散乱画像の少なくとも一つ生成するX線撮影システムであれば本発明を適用することが可能ある。
その他、X線撮影システムを構成する各装置の細部構成及び細部動作に関しても、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
1 X線撮影装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  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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