JP6478648B2 - 画像処理装置、画像処理方法、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、被写体内の断層画像を形成する画像処理装置の画像再構成技術に関する。

医用画像を形成するために用いる画像再構成処理は、大きく解析的手法と逐次近似法に分けられる。このうち、逐次近似法は、繰り返し演算を行い、推定により撮影画像を再構成する方法である。この繰り返し演算は、大きく分けて、順投影演算、逆投影演算、画像更新演算から成り、計算負荷が高いため、複数の演算ユニットを用いた並列処理が行われることがある。複数の演算ユニットを用いて並列処理を行う場合、入力された画像データ（ボリュームデータ）は、先だって分割される。

従来、複数の演算ユニットを用いた並列処理の方法として、演算ユニットの個数に応じて分割数を決定する方法が知られている（特許文献１）。この方法は、単純に演算ユニットの個数と同じ個数に、画像データを分割する。また、画像データの分割個数を演算ユニット数より多くしておき、処理が終了した演算ユニットに残りの分割された画像データを逐次割り当てる方法もあった（特許文献１）。

特開２０１１−７２８２７号公報

逐次近似法における繰り返し演算における複数の演算ユニットを用いた並列処理では、画像データの分割サイズにより、各演算ユニットでの計算時間が決定される。繰り返し演算は、各演算ユニットの計算結果が揃ってから行う処理を含むため、全体の計算時間は、各演算ユニットの計算のうち最も長い時間に影響される。各演算ユニットの負荷（処理時間）が均等になるように画像データの分割サイズを決定すると、全体の計算時間は短くなる。しかしながら、従来技術では、このようなことは考慮されていなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、逐次近似法における繰り返し演算を効率的に行うことを目的とする。

上記目的を達成するための一手段として、本発明の画像処理装置は以下の構成を有する。すなわち、投影された放射線により検出された画像データから、複数の演算ユニットを用いて再構成画像を生成する画像処理装置であって、前記画像データに基づいて前記放射線の積算分布を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された前記積算分布に基づいて、放射線量が所定量以上の範囲である撮像可能領域を特定する特定手段と、前記特定手段により特定された前記撮像可能領域のうち、前記複数の演算ユニットそれぞれへの割り当て領域を決定する決定手段と、前記決定手段により決定された前記割り当て領域それぞれに対して前記複数の演算ユニットそれぞれに再構成処理を行わせ、前記再構成画像を生成する再構成処理手段と、を有する。

本発明によれば、逐次近似法における繰り返し演算を効率的に行うことが可能となる。

画像再構成処理装置１０１の構成を示すブロック図。 Ｘ線ＣＴ装置の一例の構成を示す図。 実施形態１における画像再構成処理を示すフローチャート。 実施形態１における分割決定部１０５の処理を示すフローチャート。 積算分布の平面図の例。 積算分布の立体図の例。 積算分布の分割例。 実施形態２における分割決定部１０５の処理を示すフローチャート。 演算ユニットの型番リストの例を示す図。 演算ユニットの性能を記録したリストの例を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、また、本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。なお、同一の構成については、同じ符号を付して説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１における画像再構成処理装置１０１の構成を示すブロック図である。画像入力部１０２は、ＣＴ（Computed Tomography）等のモダリティで検出器から作成した画像データを入力として受け取る。データ取得部１０３は、入力された画像データに基づいて、放射線の積算分布を取得する。データ格納部１０４は、データ取得部１０３により取得された積算分布を格納する。

本実施形態では、データ取得部１０３により取得された積算分布が、後段の演算処理の負荷と同等と見なせることを利用する。分割決定部１０５は、データ取得部１０３により取得された積算分布のデータに基づいて、画像データを演算ユニット１０８から１１０に割り振るために、画像データをどのくらいのサイズで分割すればよいかを決定する。すなわち、分割決定部１０５は、データ取得部１０３により取得された積算分布の領域を、演算ユニット１０８から１１０へどのくらいのサイズで割り当てるか（割り当て領域）を決定する。再構成処理部１０６は、分割決定部１０５で決定された割り当て領域に従って、積算分布の領域を分割する。さらに再構成処理部１０６は、各割り当て領域に対応する分割画像データに対する再構成処理を、演算ユニット１０８から１１０に行わせ、さらにその結果を回収することにより、画像再構成処理を行い、再構成画像を生成する。画像出力部１０７は、再構成処理部１０６で生成された画像を、モニタやストレージ等に出力する。

演算ユニット１０８、１０９、１１０は、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）やマルチコアＣＰＵ（Central Processing Unit）といった、並列処理に優れた演算ユニットである。本実施形態では、演算ユニット１０８、１０９、１１０の性能は同一とする。なお、図１には、演算ユニットは３つ示したが、特定の数に限定されない。

図２（ａ）は、本実施形態の画像再構成処理装置１０１を含んだ、画像処理装置としてのＸ線ＣＴ装置の一例である。管球２０１は、Ｘ線を放射（発生）する。検出器２０２は、管球２０１から放射されたＸ線を検出する。管球２０１と検出器２０２の間に、撮影対象（被写体）が設置される。管球２０１と検出器２０２は、回転軸２０３に沿って回転し、撮影対象を撮影する。ケーブル２０４は、検出器２０２で検出されたＸ線の線量のデータを送信する媒体である。本実施形態では、検出器２０２が画像データを生成し、生成した画像データを画像再構成処理装置１０１へ送信する場合を想定するが、検出器２０２以外の装置が画像データを生成して送信してもよい。

なお、図２（ｂ）に、Ｘ線ＣＴ装置の別の例を示す。図２（ａ）では、管球２０１の位置は検出器２０２の一辺の垂直線上にあったが、図２（ｂ）に示すように、管球２０５は検出器２０２の中央に位置してもよい。また、検出器２０２がＸ線を検出可能であれば、管球２０１および回転軸２０３の位置は特定の位置に限定されない。

次に、本実施形態における画像再構成処理について説明する。本実施形態では、逐次近似法のうち、医用で代表的に用いられる、最尤推定による方法（ＭＬＥＭ法等）を用いる。図３は、本実施形態における画像再構成処理を示すフローチャートである。図１の画像入力部１０２より、画像データが入力されることで図３のフローは開始される。

ステップＳ３０１にて処理が開始後、ステップＳ３０２においてデータ取得部１０３が正規化項を計算等により取得する。データ取得部１０３は、取得した正規化項をデータ格納部１０４に格納する。ステップＳ３０３より、逐次的に計算するためのループが開始される。ここで、分割決定部１０５は、後段の並列処理のための画像データの分割サイズを決定し、再構成処理部１０６は、決定された分割サイズに従って、画像データを分割する。次に、演算ユニット１０８は、順投影演算（ステップＳ３０４）、逆投影演算（ステップＳ３０５）、画像更新演算（ステップＳ３０６）を実施する。順投影計算は、投影線上の画素値の合計値を求める計算であり、逆投影計算は、投影値を画素に足し合わせて画素値を求める計算である。演算ユニット１０９、１１０も演算ユニット１０８と同様の演算を実施する。演算ユニット１０８による演算（ステップＳ３０４からＳ３０６）、演算ユニット１０９による演算（ステップＳ３０７からＳ３０９）、演算ユニット１１０による演算（ステップＳ３１０からＳ３１２）は並列に実施される。

演算ユニット１０８、１０９、１１０による演算が終了すると、ステップＳ３１３でループが終了する。ループ終了後、画像出力部１０７は、処理結果となる画像（再構成画像）を出力する。次に、再構成処理部１０６もしくは不図示の制御部は、ステップＳ３１４で繰り返し演算終了を判定する。ＹＥＳで終了と判定されれば（Ｓ３１４のＹＥＳ）、処理はステップＳ３１５に遷移し、終了する。ＮＯであり繰り返し演算を終了しないと判定されると（Ｓ３１４のＮＯ）、処理はステップＳ３０３に戻る。

ここでステップＳ３０３からステップＳ３１３に至る並列処理において、演算ユニット１０８、１０９、１１０による演算処理にかかる時間が同じである場合、ステップＳ３１３において処理の終了を待つ時間がなくなる。逆に、演算ユニット１０８、１０９、１１０による演算処理にかかる時間が異なる場合、ステップＳ３１３において、演算ユニット１０８、１０９、１１０のうちのいずれかの演算ユニットによる演算処理が終了するのを待たないとならない。したがって、並列処理の各処理時間ができるだけ等しくなるように処理対象のデータを分割することが重要である。

次に、本実施形態の分割決定部１０５の処理を説明する。図４は、分割決定部１０５の処理を示すフローチャートである。ステップＳ４０１にて処理が開始後、ステップＳ４０２において、予め測定された画像再構成処理装置１０１の構成パラメータが、ユーザまたは不図示の測定部から、分割決定部１０５に入力される。構成パラメータは、図２の管球２０１、検出器２０２、回転軸２０３の構成態様（配置、距離等）である。図３では、管球２０５、検出器２０２、回転軸２０３の構成態様に拠る。

ステップＳ４０３において、データ取得部１０３は、投影線の積算分布を計算等により取得する。逆投影演算での計算負荷は、各画素に対して演算しなければならない投影線の量に応じて決定される。よって、各演算ユニット１０８〜１１０の性能が同一であると仮定すると、分割決定部１０５は、各画素を通過する投影線数の合計が等分になるように、演算ユニットへの割り当て領域を決定すべきである。ステップＳ４０３は、この投影線の量を測るための処理である。図５は、図２（ａ）で示した構成の場合の、ＸＹ平面およびＹＺ平面の積算分布の例である。また、図６は、図５で示した平面画像を立体的にした図である。図５および図６において、より明るい画素（部分）は、より多くの投影線が通過したことを示す。

ステップＳ４０４において、分割決定部１０５は、ステップＳ４０３において計算した投影線の積算分布から、撮像不可領域を除外する。撮像不可領域とは、投影線の量が足りず、後段の再構成処理部１０６で撮像を構成することが不可能となる領域である。図６において撮像不可領域は、図６（ａ）ＸＹ平面図で円の縁のように見える個所から外側の黒い個所、図６（ｂ）ＹＺ平面図において、右側を凸とした五角形の個所以外の個所である。分割決定部１０５は、投影線の積算分布から、放射線量が所定の量未満である、このような撮像不可領域を除外する。すなわち、分割決定部１０５は、投影線の積算分布において所定の量以上の放射線（投影線）を得られる範囲である撮像可能な領域を特定する。これにより、画像再構成処理において、計算対象を減ずることができ、画像再構成処理全体の処理時間の削減を実現することが可能となる。

ステップＳ４０５において、分割決定部１０５は、ステップＳ４０４で除外した後の積算分布（以下、除外済積算分布）のうち、演算ユニット１０８〜１１０それぞれへの割り当て領域を決定する。本実施形態では、後段の処理で用いる演算ユニット１０８〜１１０の性能が同一であると仮定しているため、分割決定部１０５は、除外済積算分布内の画素数が均等になるように割り当て領域を決定する。この決定方法により、繰り返し演算の計算量がほぼ均等になり、後段の各演算ユニット１０８〜１１０における処理時間がほぼ等しくなる。

図７に、画素数が均等になるように除外済積算分布を３分割した例を示す。図７において、破線は分割した線を示す。ここで分割した線は単純に図６で示した、撮像できる領域を体積比で３分割した線ではなく、３分割後の各領域の各画素を通過する投影線数の合計が同じになるように分割した線である。なお、図７では横方向に分割しているが、画素数が均等になるように分割するのならば、縦方向、放射状等、分割形状に拠らない。ステップＳ４０６に遷移して終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、画像再構成の繰り返し処理を並列に処理する際、積算分布中の撮像可能領域を、各演算ユニットの処理時間が均等になるように分割する。これにより、各演算ユニットの処理時間の差がほぼ無くなり、図３のＳ３０１からＳ３１５までに示した画像再構成処理全体の処理時間が短縮される。

また、本実施形態では、画像再構成処理の前に、分割決定部１０５は、積算分布を計算したが、計算するタイミングはこれに限定されない。積算分布の計算は図２（ａ）および図２（ｂ）で示したような、管球２０１および２０５、検出器２０２、回転軸２０３といった構成により決定される。Ｘ線ＣＴ装置の構成が決定していれば、不図示の外部装置が、図４に示したフローの前に積算分布を計算しておき、その結果を用いて問題ない。その場合、画像再構成処理装置１０１内で積算分布の計算を行う必要はなく、積算分布の結果を画像再構成処理装置１０１内の不図示のメモリに記録しておき、それを分割決定部１０５で参照できれば問題ない。このような処理によれば、より高速化された演算処理が可能となる。

なお、本実施形態ではＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置を例に挙げた。それ以外にもＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission CT）装置などの画像再構成を行う装置にも適用可能である。

［実施形態２］
実施形態１では、積算分布を計算し、複数の演算ユニットが同一の性能なので積算分布の画素数が均等になるように分割する方法について説明した。本実施形態では、演算ユニットの性能が異なる場合について説明する。

図８は、実施形態２における、複数の異なる性能の演算ユニットに対し画像を分割するフローである。なお、複数の演算ユニットによる再構成処理、つまり図３のＳ３０４以降、および図１の画像入力部１０２までと再構成処理部１０６以降の処理は、実施形態１と同一であるため説明を省略し、実施形態１と異なる点を中心に説明する。

ステップＳ８０１にて処理が開始後、ステップＳ８０２において、分割決定部１０５は、演算ユニット１０８、１０９、１１０の型番を取得する。本実施形態では、分割決定部１０５は、演算ユニット１０８、１０９、１１０に対して問い合わせの命令を発行し、その返答を取得する。ステップＳ８０３において、分割決定部１０５は、取得した型番が型番リストにあるか判定する。取得した型番が型番リストにある場合（Ｓ９０３のＹＥＳ）、処理はステップＳ８０５に遷移する。取得した型番が型番リストにない場合（Ｓ９０３のＮＯ）、処理はステップＳ８０４に遷移する。

図１０は、本実施形態における型番リストの例である。図１０の型番リストでは、型番１００１の列、処理時間１００２の列の２列がある。型番１００１の列には画像再構成処理装置１０１で実装される可能性のある演算ユニットの型番が、処理時間１００２の列には各演算ユニットでの処理時間が予め記録されている。例えばステップＳ８０２において取得した型番を「GPU_GT100_16G」、「GPU_AT200_4G」、「GPU_GT200_8G」の３つであったとする。ステップＳ８０３において、各型番に対応する項目が図１０にあるため、処理はステップＳ８０３からＳ８０５に遷移することとなる。もしステップＳ８０２において取得した型番が、図１０の型番リストに無い場合や、ステップＳ８０２で型番を取得できなかった場合、処理はＳ８０４に遷移することとなる。

ステップＳ８０４において、分割決定部１０５は、演算ユニットの性能を計測する。分割決定部１０５が、例えば、プログラム計算し処理時間を記録する。ここでプログラムは演算ユニットの性能を測るためのものであり、図１０で挙げた型番リスト内の処理時間を計測した際に使用したプログラムと同じものが望ましい。図９に、ステップＳ８０４を実行した結果の例を挙げる。図９では、画像再構成処理装置１０１に搭載されている演算ユニットとその処理時間が記録される。演算ユニット名９０１の列は、画像再構成処理装置１０１に搭載されているＯＳ（オペレーティングシステム）が認識した、演算ユニットの名称を記録する列である。型番９０２の列は、問い合わせにより取得した演算ユニットの型番である。処理時間９０３の列は、各演算ユニットで性能を計測するプログラムを実行したときの結果である。本実施形態では単位をｍｓ（ミリ秒）としたが、他の単位でも問題ない。なお、本実施形態では、分割決定部１０５が演算ユニットの性能を取得する処理を行ったが、データ取得部１０３がこの処理を行ってもよい。

ステップＳ８０５において、分割決定部１０５は、各演算ユニットでの処理が均等な処理時間となるように、割り当て領域を決定する。例えば図９に示した演算ユニットを用いる場合、演算ユニットＡ９０４、演算ユニットＢ９０５、演算ユニットＣ９０６の処理時間の比は１０：４０：２０となるため、性能比は、逆数となり４：１：２となる。よって、分割決定部１０５は、積算分布の領域の７分の４を演算ユニットＡ９０４に、７分の１を演算ユニットＢ９０５に、７分の２を演算ユニットＣに割り振れば均等な処理時間となる。言い換えると、分割決定部１０５は、積算分布の領域を、演算ユニットＡ〜Ｃそれぞれの性能に比例した割合になるように割り振る。

以上説明したように、本実施形態によれば、各演算ユニットの性能が異なる場合でも、繰り返し演算の時間を均等にし、トータルの演算時間を短縮することができる。

［その他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０１ 画像再構成処理装置、 １０２ 画像入力部、 １０３ データ取得部、 １０４ データ格納部、 １０５ 分割決定部、 １０６ 再構成処理部、 １０７ 画像出力部、 １０８，１０９，１１０ 演算ユニット、 ２０１，２０５ 管球、 ２０２ 検出器、 ２０３ 回転軸、 ２０４ ケーブル

Claims (15)

1. 投影された放射線により検出された画像データから、複数の演算ユニットを用いて再構成画像を生成する画像処理装置であって、
   前記画像データに基づいて前記放射線の積算分布を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された前記積算分布に基づいて、放射線量が所定量以上の範囲である撮像可能領域を特定する特定手段と、
   前記特定手段により特定された前記撮像可能領域のうち、前記複数の演算ユニットそれぞれへの割り当て領域を決定する決定手段と、
   前記決定手段により決定された前記割り当て領域それぞれに対して前記複数の演算ユニットそれぞれに再構成処理を行わせ、前記再構成画像を生成する再構成処理手段と、
   を有することを特徴とする画像処理装置。
2. 前記決定手段は、前記複数の演算ユニットそれぞれの性能に基づいて、前記割り当て領域を決定することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記決定手段は、前記複数の演算ユニットそれぞれの性能を取得し、該性能が同一か否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
4. 前記複数の演算ユニットの性能が同一であると判定された場合、前記決定手段は、前記割り当て領域の画素数が均等になるように、前記割り当て領域を決定することを特徴とする請求項３に記載の画像処理装置。
5. 前記複数の演算ユニットの性能が同一ではないと判定された場合、前記決定手段は、前記複数の演算ユニットそれぞれの性能に比例した割合になるように、前記割り当て領域を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の画像処理装置。
6. 前記複数の演算ユニットのいずれか演算ユニットの性能が取得されなかった場合、前記決定手段は、前記性能が取得されなかった演算ユニットの性能を測定することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の画像処理装置。
7. 前記性能は、所定の演算を行う処理時間であることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の画像処理装置。
8. 放射線を発生し放射する発生手段と
   前記発生手段により放射された放射線を検出する検出手段と、
   前記発生手段と検出手段を回転させる回転手段とを更に有し、
   前記取得手段は、前記発生手段、前記検出手段、前記回転手段の構成態様に基づいて、前記積算分布を取得することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の画像処理装置。
9. 前記発生手段は管球であることを特徴とする請求項８に記載の画像処理装置。
10. 前記取得手段は、前記積算分布を外部の装置から取得することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の画像処理装置。
11. 投影された放射線により検出された画像データから、複数の演算ユニットを用いて再構成画像を生成する画像処理方法であって、
    前記画像データに基づいて前記放射線の積算分布を取得する取得工程と、
    前記取得工程において取得された前記積算分布に基づいて、放射線量が所定量以上の範囲である撮像可能領域を特定する特定工程と、
    前記特定工程において特定された前記撮像可能領域のうち、前記複数の演算ユニットそれぞれへの割り当て領域を決定する決定工程と、
    前記決定工程において決定された前記割り当て領域それぞれに対して前記複数の演算ユニットそれぞれに再構成処理を行わせ、前記再構成画像を生成する再構成処理工程と、
    を有することを特徴とする画像処理方法。
12. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の画像処理装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
13. 投影された放射線により検出された画像データから、複数の演算ユニットを用いて再構成画像を生成する画像処理装置であって、
    前記画像データに基づいて前記放射線の積算分布を取得する取得手段と、
    前記取得手段により取得された前記積算分布に基づいて、撮像可能領域を特定する特定手段と、
    前記特定手段により特定された前記撮像可能領域のうち、前記複数の演算ユニットそれぞれへの割り当て領域を決定する決定手段と、
    前記決定手段により決定された前記割り当て領域それぞれに対して前記複数の演算ユニットそれぞれに再構成処理を行わせ、前記再構成画像を生成する再構成処理手段とを有し、
    前記取得手段は、放射線を発生する発生手段、前記発生手段により発生された放射線を検出する検出手段、前記発生手段と検出手段を回転させる回転手段の構成態様に基づいて、前記積算分布を取得することを特徴とする画像処理装置。
14. 投影された放射線により検出された画像データから、複数の演算ユニットを用いて再構成画像を生成する画像処理方法であって、
    前記画像データに基づいて前記放射線の積算分布を取得する取得工程と、
    前記取得工程において取得された前記積算分布に基づいて、撮像可能領域を特定する特定工程と、
    前記特定工程において特定された前記撮像可能領域のうち、前記複数の演算ユニットそれぞれへの割り当て領域を決定する決定工程と、
    前記決定工程により決定された前記割り当て領域それぞれに対して前記複数の演算ユニットそれぞれに再構成処理を行わせ、前記再構成画像を生成する再構成処理工程とを有し、
    前記取得工程では、放射線を発生する発生手段、前記発生手段により発生された放射線を検出する検出手段、前記発生手段と検出手段を回転させる回転手段の構成態様に基づいて、前記積算分布を取得することを特徴とする画像処理方法。
15. 請求項１４に記載された画像処理方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。