JP6512028B2

JP6512028B2 - 放射線透視装置

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Publication number: JP6512028B2
Application number: JP2015162105A
Authority: JP
Inventors: ダルジミッシェル; ウドンフレデリック; 高橋　渉; 渉高橋; 唯鳥越
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: JP2017038775A

Description

この発明は、放射線源と、放射線源から照射され被検体を透過した放射線の強度に応じて感度の異なる複数の色の画像信号を出力する放射線検出器を備える放射線透視装置に関する。

破壊を行うことなく物体の内部を観察する手法として、Ｘ線等の放射線を利用した放射線透視がある。物体を透過したＸ線を検出し画像化する放射線検出器として、電子管デバイスであるイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）が知られている。このイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）は、入射したＸ線を光電子に変換し、光電子を加速・増幅させることにより、透過Ｘ線像を可視光像に変換するものであり、ビデオカメラなどの光学系と組み合わせることにより、表示装置に可視光像が画像として表示される。

イメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）は、可視光像を結像させる出力蛍光面に単色発光のシンチレータを用い、モノクロカメラと組み合わせてグレースケール画像を表示装置に表示するものが一般的である。しかしながら、Ｘ線の透過しにくい部分とＸ線の透過しやすい部分との輝度差が大きな被検体を透視する場合は、グレースケール画像ではダイナミックレンジが足りず、しばしば、黒つぶれや白飛びなどにより透過Ｘ線像を可視光像に忠実に再現できない問題が生じていた。

そこで、近年、画像識別度の向上やダイナミックレンジ拡大を目的として、出力蛍光体にマルチカラーシンチレータを用い、カラーカメラを組み合わせることにより、カラー画像を表示装置に表示することができるマルチカラーイメージインテンシファイア（マルチカラーＩ．Ｉ．）が利用されている。マルチカラーＩ．Ｉ.に入射されたＸ線は、Ｘ線の強度に応じて感度の異なるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の信号に変換され、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の画像信号がカラーカメラから出力される（特許文献１および特許文献２参照）。

また、特許文献３には、放射線治療用の動体追跡装置に、マルチカラーＩ．Ｉ.が採用されている。放射線治療においては、健康な細胞に配慮して、呼吸等に伴って動く患部にのみ正確に治療放射線を照射するため、患者の体内の患部近傍に留置した金マーカの位置をＸ線透視により追跡する動体追跡が行われる。この動体追跡では、テンプレートマッチングによる金マーカの検出に、マルチカラーＩ．Ｉ.により取得したＸ線に対する感度が異なるＲ，Ｇ，Ｂの各画像が利用されている。

特開２００３−２０２３８２号公報特開２００４−２９４２８７号公報国際公開第２０１０／０９８２１４号

Ｘ線透視装置の放射線検出器にマルチカラーＩ．Ｉ.を使用すると、同期したＲ，Ｇ，Ｂの３つの動画像を取得することができるため、各単一色での画像のダイナミックレンジは狭いが、感度が異なるこれら３つの画像全体としてのダイナミックレンジは大きなものとなる。一方で、Ｒ，Ｇ，Ｂの３画像を、表示装置での表示を切り替えながらそれぞれ観察するのは、ユーザにとって手間のかかる作業である。

特許文献１では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３画像を合成して、ダイナミックレンジが拡大された１つのグレースケール画像を得る技術が記載されており、画像の明るさに基づく基準値を用いて、各画像信号の一部の圧縮と合成を行っている。しかしながら、これらの処理は画素値に関係なく実行されているため、合成後の画像で、かえってコントラストが悪くなる場合もある。

また、特許文献３の放射線治療用の動体追跡装置では、治療放射線の照射制御の観点から、リアルタイム性が要求される。動体追跡で採用されるテンプレートマッチングにおいては、テンプレートとのマッチング処理対象画像の数の増加、あるいは、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画像に対する画像処理の工程数の増加は、計算時間やメモリ使用量を増大させるため、リアルタイム性の観点から好ましくない。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、感度が異なる複数の色の各画像が持つ特徴を保ちつつダイナミックレンジが拡大されたグレースケール画像を得ることが可能な放射線透視装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、放射線源と、放射線源から照射され被検体を透過した放射線の強度に応じて感度の異なる複数の色の画像信号を出力する放射線検出器とを備える放射線透視装置であって、前記放射線検出器からの信号を受信し、放射線の強度に応じて異なる色の濃淡で表現される複数の画像を同時に取得する画像取得部と、前記画像取得部が取得した前記複数の画像の画素値分布の状況を示すヒストグラムを各々作成するヒストグラム作成部と、前記ヒストグラムに基づいて、前記複数の画像を合成して１つのグレースケール画像を生成する画像合成部と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、前記ヒストグラムから前記複数の画像の各々に関する合成係数を求める合成係数取得部を備え、前記画像合成部は、前記合成係数を用いて、前記複数の画像を線形結合することにより前記グレースケール画像を生成する。

第３の発明は、前記合成係数取得部は、前記ヒストグラムにおいて所定の度数以上となるビン数ｎを求め、当該ビン数ｎを用いて前記合成係数を算出する。

第４の発明は、前記所定の度数は、前記ヒストグラムに含まれる総画素数を前記ヒストグラムの総ビン数Ｎで割った値である。

第１から第４の発明によれば、同時に取得した複数の画像の画素値分布の状況を示すヒストグラムを画像毎に作成し、ヒストグラム化された各画像の画素値の分布を考慮して画像合成を行うことから、各画像が持つ特徴を保ちつつダイナミックレンジを拡張したグレースケール画像を取得することが可能となる。また、同じ被検体を同じ位置から所定のフレームレートで透視して得た複数の画像は、同期した画像であることから、フレーム毎の画像合成によりダイナミックレンジを拡張したグレースケール動画を取得することができる。

第２の発明によれば、ヒストグラムから複数の画像の各々に関する合成係数を求める合成係数取得部を備えることから、画像中の被写体が白飛びや黒つぶれすることなくヒストグラムの広い範囲に亘って被写体が写り込んでいる情報量の多い感度の画像をより重視した合成割合で画像合成を行うことができる。このため、より各画像が持つコントラストを保ちつつ、ダイナミックレンジを拡張したグレースケール画像を取得することが可能となる。

第３の発明によれば、ヒストグラムのビン数ｎを用いて合成係数を算出することから、ヒストグラムの形状に係わらず、複数の色の画像の最適な合成割合を容易に取得することが可能となる。

第４の発明によれば、所定の度数は、ヒストグラムに含まれる総画素数をヒストグラムの総ビン数Ｎで割った値であることから、ヒストグラム中の被写体の範囲を容易に特定することが可能となる。

この発明に係るＸ線透視装置を適用した放射線治療装置の斜視図である。放射線治療装置におけるヘッド５５およびヘッド支持部５４の揺動動作を示す説明図である。この発明に係るＸ線透視装置の主要な制御系を示すブロック図である。この発明に係るＸ線透視装置で動体追跡を行うときの手順を説明するフロー図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る放射線透視装置であるＸ線透視装置を適用した放射線治療装置の斜視図である。また、図２は、放射線治療装置におけるヘッド５５およびヘッド支持部５４の揺動動作を示す説明図である。

この放射線治療装置は、テーブル５６上で横たわった被検者５７の患部に対してＸ線や電子線等の放射線を照射して放射線治療を行うためのものであり、治療室の床面５１上に設置されたガントリー５３と、このガントリー５３に対して水平方向を向く軸を中心として揺動するヘッド支持部５４と、このヘッド支持部５４に支持され、被検者５７に向けて放射線を照射するためのヘッド５５とを備える。ヘッド支持部５４の揺動動作により、ヘッド５５は、被検者５７の患部に対して、様々な角度から治療用放射線を照射することが可能となる。

放射線治療時においては、放射線を患部に正確に照射する必要がある。特に、呼吸等により患部が動く場合には、その動きに合わせて放射線を照射するために、動体追跡を行う必要がある。このため、患部付近には、動く患部の３次元位置を特定するためのマーカが配置される。そして、第１Ｘ線透視機構と第２Ｘ線透視機構とを使用して体内に埋め込まれたマーカを二方向から連続的に透視して得た二次元の透視画像から、マーカの三次元の位置情報を演算することで、マーカを検出するとともに、マーカとの相対的な位置関係により患部の位置を特定する構成となっている。

このような透視を実行するために、放射線治療装置に適用されるこの発明に係る放射線透視装置は、放射線源としてのＸ線管と放射線検出器としてのＸ線検出器を備えるＸ線透視装置である。このＸ線透視装置は、二方向からのＸ線透視画像を取得するために、第１Ｘ線管１ａと第１Ｘ線検出器２ａとから成る第１Ｘ線透視機構と、第２Ｘ線管１ｂと第２Ｘ線検出器２ｂとから成る第２Ｘ線透視機構と、これらの第１Ｘ線管１ａと第１Ｘ線検出器２ａとが互いに対向配置される透視位置に移動させるとともに、第２Ｘ線管１ｂと第２Ｘ線検出器２ｂとが互いに対向配置される透視位置に移動させる移動機構とを備える。このＸ線透視装置の第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂには、カラーＣＣＤカメラを備えたマルチカラーＩ．Ｉ．が使用される。

第１Ｘ線管１ａは、Ｘ線管用第１台座３ａに支持されている。また、第２Ｘ線管１ｂは、Ｘ線管用第２台座３ｂに支持されている。撮影室の床面５１に形成された凹部の底面５２には、略Ｕ字状のＸ線管用の第１レール２１と、第２レール２２とが配設されている。これらのＸ線管用の第１レール２１およびＸ線管用の第２レール２２は、互いに平行に配置されている。そして、Ｘ線管用第１台座３ａおよびＸ線管用第２台座３ｂは、これらのＸ線管用の第１レール２１および第２レール２２により案内されて移動する。

同様に、第１Ｘ線検出器２ａは、Ｘ線検出器用第１台座４ａに支持されている。また、第２Ｘ線検出器２ｂは、Ｘ線検出器用第２台座４ｂに支持されている。撮影室の天井からは、略Ｕ字状のＸ線検出器用の第１レール１１と、第２レール１２とが吊下されている。これらのＸ線検出器用の第１レール１１およびＸ線検出器用の第２レール１２は、互いに平行に配置されている。そして、Ｘ線検出器用第１台座４ａおよびＸ線検出器用第２台座４ｂは、これらのＸ線検出器用の第１レール１１および第２レール１２により案内されて移動する。

なお、図１においては図示していないが、床面５１に形成された凹部は、床の一部を構成する蓋部材により覆われているため、第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂは、床下に配置されることになる。

このＸ線透視装置は、第１Ｘ線管１ａ、第２Ｘ線管１ｂ、第１Ｘ線検出器２ａ、第２Ｘ線検出器２ｂを予め設定された透視位置に配置することにより、被検者５７を互いに異なる二方向から透視する構成を有する。なお、図２に示すように、放射線治療装置におけるヘッド５５が、被検者５７に対して様々な角度から放射線を照射する場合においても、ヘッド５５が透視視野に干渉することなくＸ線透視を実行することが可能である。

図３は、この発明に係るＸ線透視装置の主要な制御系を示すブロック図である。なお、この図においては、Ｒ，Ｇ，Ｂ画像の画像合成に係る制御系のみを図示している。

このＸ線透視装置は、論理演算を実行するＣＰＵ、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等を備え、装置全体を制御する制御部６０を備える。この制御部６０は、上述した第１Ｘ線管１ａ、第２Ｘ線管１ｂ、第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂと接続されている。さらに、この制御部６０は、Ｘ線透視中の被検者５７の画像等を表示する表示部７１、各種設定を入力するときにオペレータが操作するマウスやキーボード等の入力部７２とも接続されている。

制御部６０は、この発明の特徴となる機能的構成として、第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂから出力された入射Ｘ線の強度に応じた複数の色の画像信号を受信して異なる感度の複数の色の画像を同時に取得する画像取得部６１と、画像取得部６１において取得された各画像の画素値を所定のビン数でヒストグラム化するヒストグラム作成部６２と、ヒストグラム作成部６２において作成したヒストグラムに基づいて合成係数取得部６３と、合成係数取得部６３により取得した合成係数に基づいて異なる感度の複数の色の画像を合成して１つのグレースケール画像とする画像合成部６４を備える。

以上のような構成を有するＸ線透視装置を適用した放射線治療装置の動作について説明する。図４は、この発明に係るＸ線透視装置で動体追跡を行うときの手順を説明するフロー図である。

第１Ｘ線管１ａ、第２Ｘ線管１ｂ、第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂが所定の位置に配置され、被検者５７に対してＸ線が照射されると、画像取得部６１は、第１Ｘ線検出器２ａおよび第２Ｘ線検出器２ｂから３つの色成分Ｒ，Ｇ，Ｂの各画像信号を受信し、Ｒ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を同時に取得する（ステップＳ１）。マルチカラーＩ．Ｉ．は、マルチシンチレータにより、入射Ｘ線を強度に応じてＲ，Ｇ，Ｂの各色の光に変換する。このため、マルチカラーＩ．Ｉ．を備えるＸ線透視装置では、出力蛍光面に集束されたＲ，Ｇ，Ｂの各色の光による可視像をカラーＣＣＤカメラにより撮影することで、同期したＲ，Ｇ，Ｂの各色の濃淡で表現されるＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像の各画像信号が得られる。これらのＲ，Ｇ，Ｂの各画像は、入射Ｘ線の強度に応じた光を撮影したものであるから、被検者５７の同じ位置を同時刻に透視して取得した画像ではあるが、金製のマーカや骨等のＸ線透過性の異なる体内構造物の視認性が異なる画像となる。このように、このＸ線透視装置では、Ｘ線検出器にマルチカラーＩ．Ｉ．を採用することで、複数の感度の異なる画像としてＲ，Ｇ，Ｂの３つの画像を取得している。

画像取得部６１により取得したＲ，Ｇ，Ｂの各８ビットの画像（画素値０〜２５５）に対し、所定のビン数を持つヒストグラムを作成する（ステップＳ２）。この動作は、ヒストグラム作成部６２により行われる。なお、マルチカラーＩ．Ｉ．は、カラーＣＣＤカメラの撮像視野に相当する円形の画像を出力することから、ヒストグラムの作成においては、表示部７１に画像を表示するときの矩形の画像表示枠内の画素を対象にするのではなく、撮像視野に対応する円形の領域に対して作成することが好ましい。また、必要に応じて、ヒストグラムを作成する画像領域を、オペレータが入力部７２を介して設定するようにしてもよい。

ヒストグラム作成部６２では、設定されたビン幅でＲ，Ｇ，Ｂの各画像の画素値の度数分布表が作成され、例えば、６４個のビンを持つヒストグラムが作成される。なお、ヒストグラムを作成するときのビン幅およびビン数は、変更可能である。

ヒストグラム作成部６２によりＲ，Ｇ，Ｂの各画像の画素値の度数分布からヒストグラムが作成されると、同期したＲ，Ｇ，Ｂの３つの画像を合成して、１つのグレースケール画像を生成するための合成係数を、後述するように、ヒストグラムにおける所定の度数以上の度数を示すビン数ｎに基づいて取得する（ステップＳ３）。この動作は、合成係数取得部６３により実行される。

図５〜図１０は、合成係数取得部６３の動作の概要を示す説明図である。図５〜図７は、同期したＲ，Ｇ，Ｂの各画像の度数分布が単峰性である場合を示し、図８〜図１０は、図５〜図７とは違う時間の同期したＲ，Ｇ，Ｂの各画像であって、その度数分布が双峰性である場合を示している。図５と図８はＲ画像のヒストグラムを示し、図６と図９はＧ画像のヒストグラムを示し、図７と図１０はＢ画像のヒストグラムを示す。なお、図５〜図１０のヒストグラムの縦軸は度数であり、横軸は画素値を示している。

図５〜図１０のヒストグラムは、説明の便宜上、画像サイズが１０２４×１０２４のＲ，Ｇ，Ｂの各画像の各画素値（０〜２５５）を、ビン幅を３２に設定して作成された、総ビン数Ｎが８個のヒストグラムとしている。合成係数取得部６３では、これらのヒストグラムにおいて、所定の度数以上の度数を示すビン数ｎに基づいて、同期したＲ，Ｇ，Ｂの３つの画像を合成するときの合成係数を求める。ここでは、ｎ−１を各画像の合成係数として算出する。

各ヒストグラムの度数は、各ビン幅（区間）に含まれる画素値をもつ画素数であり、ここでの所定の度数Ｔは、ヒストグラムに含まれる総画素数（１０２４×１０２４）を総ビン数Ｎ＝８で割った数、すなわち、１３１０７２としている。仮に画像中に０〜２５５の画素値が均等に存在している場合、ヒストグラムの各ビンの度数は、総画素数／総ビン数Ｎに等しくなる。したがって、あるビンの度数が総画素数／総ビン数Ｎより大きいということは、そのビンに含まれる画素数が相対的に多く、その区間の画素値の情報が画像中で相対的に多くなることを示すことになる。このため、この実施形態では、ｎを求めるためのしきい値として、この所定の度数Ｔを、総画素数／総ビン数Ｎとしている。

図５〜図７のヒストグラムでは、１３１０７２以上の度数を示すビン数ｎは、Ｒ画像で５、Ｇ画像で３、Ｂ画像で２となる。そして、Ｒ画像の合成係数ａ＝５−１＝４、Ｇ画像の合成係数ｂ＝３−１＝２、Ｂ画像の合成係数ｃ＝２−１＝１となる。したがって、この各画像の合成係数ａ、ｂ、ｃから導き出される３つの画像の合成割合は、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝４：２：１＝５７％：２９％：１４％となる。すなわち、画像合成部６４においては、情報量の多いＲ画像が重視された画像合成が行われる。

また、図８〜図１０のヒストグラムでは、１３１０７２以上の度数を示すビン数ｎは、Ｒ画像で６、Ｇ画像で５、Ｂ画像で７となる。そして、Ｒ画像の合成係数ａ＝６−１＝５、Ｇ画像の合成係数ｂ＝５−１＝４、Ｂ画像の合成係数ｃ＝７−１＝６となる。したがって、この各画像の合成係数ａ、ｂ、ｃから導き出される３つの画像の合成割合は、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝５：４：６＝３３％：２７％：４０％となる。すなわち、画像合成部６４においては、情報量の多いＲ画像とＢ画像が重視された画像合成が行われる。

図５〜図７のヒストグラムと図８〜図１０のヒストグラムでは、ヒストグラムの形状が単峰性、双峰性の違いがあるが、いずれの場合でも、所定の度数Ｔ以上のビン数ｎに基づいて、合成係数を求めることができる。

合成係数取得部６３において取得された合成係数ａ、ｂ、ｃを利用して、下記式（１）に示す、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの画像の線形結合により、１つの８ビットのグレースケール画像が生成される（ステップＳ４）。

（ａ＊Ｒ＋ｂ＊Ｇ＋ｃ＊Ｂ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・（１）
画像合成部６４において、上述した式（１）を用いて取得されたグレースケール画像は、Ｘ線強度に応じた異なる感度のＲ，Ｇ，Ｂ画像を、それぞれの画素値の分布に基づく合成割合で合成して作成されたものであるから、ダイナミックレンジを拡大しつつ、それぞれの画像が持つコントラストを損なうことがない。このため、マーカだけでなく、撮影視野内の体内構造物についても高い視認性を実現することができる。

このように、このＸ線透視装置では、透視時に所定のフレームレートで同期して得られるＲ，Ｇ，Ｂ画像を、上述した画素値のヒストグラムに基づく合成割合で合成し、各フレームのグレースケール画像を得ている。グレースケール画像は、被検者５７の患部付近に留置されたマーカを各フレームで検出することによるマーカ追跡に使用される（ステップＳ５）。ここで、マーカ追跡の手法としては、テンプレートマッチングや、他のマーカ形状特定手段が用いられる。このＸ線透視装置では、ダイナミックレンジが拡大され、視認性のよいグレースケール画像を使用して、マーカを検出することから、ノイズをマーカと誤認することが防止され、マーカ追跡の精度を向上させることができる。

しかる後、マーカ追跡の結果に基づいて、マーカの三次元絶対座標が取得され（ステップＳ６）、マーカの三次元絶対座標に基づき治療放射線の照射・停止を制御するゲーティング信号が放射線治療装置に送信される（ステップＳ７）。

上述した実施形態では、放射線治療装置に適用する動体追跡を行うＸ線透視装置について説明したが、カラーＩ．Ｉ．等の放射線検出器を備え同期した複数の色の感度の異なる画像を、画素値のヒストグラムに基づいて合成してグレースケール画像を作成する放射線透視装置としては、これに限定されるものではない。医療用の放射線装置の他に、放射線透過性の異なる多様な部品によって構成される工業製品の検査を行う産業用非破壊検査装置などに、この発明の放射線透視装置を適用することが可能である。

１ａ第１Ｘ線管
１ｂ第２Ｘ線管
２ａ第１Ｘ線検出器
２ｂ第２Ｘ線検出器
３ａＸ線管第１台座
３ｂＸ線管第２台座
４ａＸ線検出器用第１台座
４ｂＸ線検出器用第２台座
１０移動経路
１１第１レール
１２第２レール
２０移動経路
２１第１レール
２２第２レール
５１床面
５３ガントリー
５４ヘッド支持部
５５ヘッド
５６テーブル
５７被検者
６０制御部
６１画像取得部
６２ヒストグラム作成部
６３合成係数取得部
６４画像合成部
７１表示部
７２入力部

Claims

放射線源と、放射線源から照射され被検体を透過した放射線の強度に応じて感度の異なる複数の色の画像信号を出力する放射線検出器を備える放射線透視装置であって、
前記放射線検出器からの信号を受信し、放射線の強度に応じて異なる色の濃淡で表現される複数の画像を同時に取得する画像取得部と、
前記画像取得部が取得した前記複数の画像の画素値分布の状況を示すヒストグラムを各々作成するヒストグラム作成部と、
前記ヒストグラムに基づいて、前記複数の画像を合成して１つのグレースケール画像を生成する画像合成部と、
を備えることを特徴とする放射線透視装置。
請求項１に記載の放射線透視装置において、
前記ヒストグラムから前記複数の画像の各々に関する合成係数を求める合成係数取得部を備え、
前記画像合成部は、前記合成係数を用いて、前記複数の画像を線形結合することにより前記グレースケール画像を生成する放射線透視装置。
請求項２に記載の放射線透視装置において、
前記合成係数取得部は、前記ヒストグラムにおいて所定の度数以上となるビン数ｎを求め、当該ビン数ｎを用いて前記合成係数を算出する放射線透視装置。
請求項３に記載の放射線透視装置において、
前記所定の度数は、前記ヒストグラムに含まれる総画素数を前記ヒストグラムの総ビン数Ｎで割った値である放射線透視装置。