JP7092190B2 - 画像解析方法、セグメンテーション方法、骨密度測定方法、学習モデル作成方法および画像作成装置 - Google Patents

画像解析方法、セグメンテーション方法、骨密度測定方法、学習モデル作成方法および画像作成装置 Download PDF

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Description

この発明は、画像解析方法、セグメンテーション方法、骨密度測定方法、学習モデル作成方法および画像作成装置に関する。
近年、骨粗鬆症の診断のため、被検者の骨密度を測定する骨密度測定装置が使用されている。特許文献１には、放射線を発生する手段と、この放射線が照射される１枚の結晶格子と、この結晶格子で反射した放射線のうち所定の２つの反射角度のもののみをコリメートして２つの異なるエネルギーの放射線を被検体に対して同時に照射する手段と、これら２つのエネルギーの放射線が被検体を透過して入射する放射線検出手段と、該放射線検出手段の出力の波高分析を行うことによりそれぞれのエネルギーの放射線に関する透過データを分離する波高分析手段と、該分離されたデータを演算処理して骨密度算出する手段とからなる骨塩定量分析装置が開示されている。
特許第２６３８８７５号公報
このような骨密度の測定は、臨床上の注意が必要となる腰椎や大腿骨の骨密度が対象となる。この時、大腿骨は形状に個人差が大きく、安定した経過観察を実施するには、被検者の骨部の領域の特定が重要となる。この骨部の領域を特定するためには、オペレータが手動で領域の特定を行っており、作業が煩雑であるばかりではなく、作業者により特定される領域にバラツキが生ずるという問題がある。
被検者の骨部を含む画像から骨部の領域を抽出するためのセグメンテーションを自動的に実行するため、ヒストグラムの閾値処理によるアルゴリズムを利用することも考えられるが、特に形状の個人差の大きい大腿骨のセグメンテーションに関しては、骨部の領域を正確に特定することは困難であった。このため、最終的な骨密度の測定結果の精度が悪化するという問題が生じている。
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、被検者の器官を含む領域のＸ線画像から、正確に器官の領域を抽出した画像を作成することが可能な画像解析方法、セグメンテーション方法、骨密度測定方法、学習モデル作成方法および画像作成装置を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、被検者の器官を含む領域の画像を解析することにより前記器官の領域を特定するためのセグメンテーションを行う画像解析方法であって、前記セグメンテーションの手法として機械学習を用いるとともに、前記被検者の器官を含む画像における前記器官の領域の濃度を変化させた修正画像を作成する修正画像作成工程と、前記被検者の器官を含む画像と前記修正画像作成工程で作成した修正画像とを用いた学習処理により機械学習の学習モデルを作成する学習モデル作成工程と、を含むことを特徴とする。
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、前記被検者をＸ線撮影して得た前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像に対して、前記学習モデル作成工程で作成した学習モデルを利用して変換を行うことにより、前記器官を表す画像を作成する。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被検者の器官を含む領域の画像は、前記被検者のＣＴ画像データから作成されたＤＲＲ画像であり、前記修正画像作成工程においては、前記ＣＴ画像データのＣＴ値が所定の値となる領域を前記器官の領域としてその濃度を変化させる。
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、ＤＲＲ画像の作成時に、幾何学的条件の投影座標および角度の少なくとも一方を含むパラメータを変化させ、あるいは、画像の回転、変形および拡大縮小の少なくとも１つを含む画像処理を施して、複数のＤＲＲ画像を作成する。
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、作成後のＤＲＲ画像に対して、コントラスト変化、ノイズ付加およびエッジ強調の少なくとも１つを実行する。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被検者の器官を含む領域の画像は、前記被検者をＸ線撮影することにより作成されたＸ線画像であり、前記修正画像作成工程においては、前記Ｘ線画像と、デュアルエナジーサブトラクションを利用して得られた前記器官の画像とを利用して前記器官の領域の濃度を変化させる。
請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記被検者をＸ線撮影して得た前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像と、前記学習モデル作成工程で作成した学習モデルを利用して変換を行うことにより得た前記器官を表す画像とを、前記学習部による学習モデルの学習に利用する。
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記器官は前記被検者の体軸に対して左右対称の形状を有し、前記学習モデル作成工程においては、右側の器官の画像と左側の器官の画像のいずれか一方を左右反転することにより、左右の器官の画像に対して一括して機械学習の学習モデルを作成する。
請求項９に記載の発明は、前記器官は前記被検者の骨部であり、請求項１に記載の画像解析方法を利用して前記骨部の領域をセグメンテーションする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のセグメンテーション方法によりセグメンテーションされた骨部の領域に対して骨密度を測定する。
請求項１１に記載の発明は、被検者の器官を含む領域の画像を、機械学習を利用して解析することにより、前記器官の領域を特定するためのセグメンテーションを行うときに用いられる学習モデルを作成する学習モデル作成方法であって、前記被検者の器官を含む画像と、前記被検者の器官を含む画像における前記器官の領域の濃度を変化させることにより作成された修正画像とを用い、機械学習を実行して学習モデルを作成することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、被検者の器官を含む領域のＸ線画像から前記器官の領域を抽出した画像を作成する画像作成装置であって、前記器官を含む領域をＸ線撮影して得た複数のＸ線画像と、機械学習用の複数のＸ線画像用教師画像とを記憶するＸ線画像記憶部と、前記器官を含む領域のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、前記ＤＲＲ画像作成部により作成された複数のＤＲＲ画像と、前記ＤＲＲ画像作成部により作成されたＤＲＲ画像に基づいて作成された複数の機械学習用のＤＲＲ画像用教師画像とを記憶するＤＲＲ画像記憶部と、前記Ｘ線画像記憶部に記憶された前記複数のＸ線画像と前記複数のＸ線画像用教師画像とを使用して機械学習を実行するとともに、前記ＤＲＲ画像記憶部に記憶された前記複数のＤＲＲ画像と前記複数のＤＲＲ画像用教師画像とを使用して機械学習を実行することによって予め作成された前記器官を認識するための学習モデルを使用して、前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像に対して変換を行うことにより、前記器官を表す画像を作成する画像作成部と、を備えたことを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記ＤＲＲ画像作成部は、前記複数のＤＲＲ画像のうちの一部のＤＲＲ画像を、前記器官を含む領域のうちの器官領域の濃度を変化させたＤＲＲ画像として作成する。
請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記Ｘ線画像記憶部に記憶される複数のＸ線画像のうちの一部のＸ線画像は、デユアルエナジーサブトラクションを利用することにより、前記器官を含む領域のうちの器官領域の濃度を変化させたＸ線画像である。
請求項１から請求項８に記載の発明によれば、被検者の器官の領域の濃度を変化させた修正画像を機械学習に利用することから、器官の濃度が低い被検者にも対応した学習モデルを作成することが可能となる。このため、器官の検出精度を向上させることが可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、幾何学的透視条件の投影座標および角度を含むパラメータを変化させ、あるいは、画像の回転、変形、拡大縮小を含む画像処理を施すことから、被検者の位置や姿勢、あるいは、Ｘ線撮影時の撮影系の位置がわずかに偏向された場合においても、骨部の位置を正確に検出することが可能となる。そして、大量のＤＲＲ画像を作成することができることから、各患者に対応したオーダーメイドの識別器を学習することができ、さらには、低フレームレートのＤＲＲ画像を使用する場合においても、骨部の位置を正確に検出することが可能となる。
請求項５に記載の発明によれば、作成後のＤＲＲ画像に対して、コントラスト変化、ノイズ付加、エッジ強調を実行することから、ＤＲＲ画像とＸ線画像に画質の差異が生じた場合においても、骨部の位置を正確に検出することが可能となる。
請求項７に記載の発明によれば、複数のＸ線画像と学習した学習済みモデルを利用して変換を行うことにより得た器官を表す画像とを学習モデルの学習に再度利用することで、学習画像を拡充させてより精度の高い学習モデルを作成することが可能となる。
請求項８に記載の発明によれば、被検者の体軸に対して左右対称の形状を有する器官に対して、その検出精度を均一なものとすることができる。そして、左右の器官の画像に対して一括して機械学習を実行することから、学習画像を拡充させてより精度の高い学習モデルを作成することが可能となる。
請求項９に記載の発明によれば、骨部の領域のセグメンテーションを精度よく実行することが可能となる。
請求項１０に記載の発明によれば、セグメンテーションされた骨部の領域に対して骨密度の測定を実行することが可能となる。
請求項１１に記載の発明によれば、被検者の器官の領域の濃度を変化させた修正画像を機械学習に利用することから、器官の濃度が低い被検者にも対応した学習モデルを作成することが可能となる。
請求項１２から請求項１４に記載の発明によれば、器官の領域を機械学習により抽出することで、その抽出精度を向上させることが可能となる。この時、Ｘ線画像とＤＲＲ画像の両方を利用して機械学習を行うことから、学習画像を拡充させることが可能となり、学習用臨床データの収集を容易に実行することが可能となる。
Ｘ線撮影装置としても機能するこの発明の実施形態に係る骨部画像作成装置の正面概要図である。 Ｘ線撮影装置としても機能するこの発明の実施形態に係る骨部画像作成装置の側面概要図である。 この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置の制御系を示すブロック図である。 この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置により機械学習を利用して被検者の骨部画像を作成する工程を説明するための模式図である。 この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置により被検者の骨部を含む領域のＸ線画像から骨部の領域を抽出した骨部画像を作成する動作を示すフローチャートである。 Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像１０１の模式図である。 Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像用教師骨部画像１０２の模式図である。 図１に示すＸ線照射部１１とＸ線検出部１２との幾何学的条件を模擬した仮想的投影によりＤＲＲ画像を作成する状態を模式的に示す説明図である。 ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像１０３の模式図である。 ＤＲＲ画像作成部８３により作成された骨部の領域の濃度を小さな値に変更したＤＲＲ画像１０４の模式図である。 ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像用教師骨部画像１０５の模式図である。 Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像１０６の模式図である。 ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像１０７の模式図である。
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、Ｘ線撮影装置としても機能するこの発明の実施形態に係る骨部画像作成装置の正面概要図であり、図２は、その側面概要図である。なお、この実施形態においては、骨部や臓器等の器官のうち、被検者の骨部の画像を作成する骨部画像作成装置にこの発明を適用した場合について説明する。
このＸ線撮影装置としても機能する骨部画像作成装置は、Ｘ線透視撮影台とも呼称されるものであり、天板１３と、Ｘ線管保持部材１５と、このＸ線管保持部材１５の先端に配設されたＸ線照射部１１と、天板１３に対してＸ線照射部１１の逆側に配設されたフラットパネルディテクタやイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）等のＸ線検出器を有するＸ線検出部１２とを備える。
これらの天板１３、Ｘ線管保持部材１５、Ｘ線照射部１１およびＸ線検出部１２は、図示しないモータを内蔵した回動機構１６の作用により、図１および図２に示す、天板１３の表面が水平方向を向く臥位位置と、天板１３の表面が鉛直方向を向く立位位置との間を回動可能となっている。また、回動機構１６自体は、ベースプレート１８上に立設された主支柱１７に対して昇降可能となっている。
天板１３が臥位位置にあるときには、臥位状態の被検者に対してＸ線撮影が行われる。このときには、被検者は天板１３上に載置される。また、天板１３が立位位置にあるときには、立位状態の被検者に対してＸ線撮影が行われる。このときには、被検者は天板１３の正面に起立する。
次に、この発明の実施形態に係る骨部画像測定装置の構成について説明する。図３は、この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置の制御系を示すブロック図である。
この骨部画像作成装置は、被検者の骨部を含む領域のＸ線画像から骨部の領域を抽出した骨部画像を作成するためのものであり、論理演算を実行するプロセッサーとしての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８０を備える。
この制御部８０は、機能的構成として、Ｘ線画像を作成するためのＸ線画像作成部８１と、被検者等の骨部を含む領域をＸ線撮影して得た複数のＸ線画像と、機械学習用の複数のＸ線画像用教師骨部画像とを記憶するＸ線画像記憶部８２と、骨部を含む領域のＣＴ画像データに対して、被検者をＸ線撮影するときのＸ線照射部１１とＸ線検出部１２の幾何学的条件を模擬した仮想的投影を行うことにより、骨部を含む領域のＤＲＲ（Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈ：デジタル再構成シミュレーション画像）画像を作成するＤＲＲ画像作成部８３と、ＤＲＲ画像作成部８３により作成された複数のＤＲＲ画像と、ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像に基づいて作成された複数の機械学習用のＤＲＲ画像用教師骨部画像とを記憶するＤＲＲ画像記憶部８４と、Ｘ線画像記憶部８２に記憶された複数のＸ線画像と複数のＸ線画像用教師骨部画像とを使用して機械学習を実行するとともに、ＤＲＲ画像記憶部８４に記憶された複数のＤＲＲ画像と複数のＤＲＲ画像用教師骨部画像とを使用して機械学習を実行することにより、骨部を認識するための学習モデルを作成する学習部８５と、被検者の骨部を含む領域のＸ線画像に対して学習部８５で学習した学習済みモデルを利用して変換を行うことにより骨部を表す画像を作成する骨部画像作成部８６と、を備える。この制御部８０は、ソフトウエアがインストールされたコンピュータから構成される。この制御部８０に含まれる各部の機能は、コンピュータにインストールされているソフトウエアを実行することで実現される。
なお、上述した構成において、ＤＲＲ画像用教師骨部画像とＸ線画像用とがラベル画像である場合、両者は同一の画像となることもある。
また、上述した構成において、学習部８５は、装置の納入前の段階で機械学習を実行してその結果を予め記憶しておいてもよく、医療機関等への装置の納入後に追加で機械学習を実行してもよい。この時、学習部８５は、ＦＣＮ（Ｆｕｌｌｙ Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）、ニューラルマシンネットワーク、サポートベクターマシン（ＳＶＭ）、ブースティング等の任意の手法を用いた各種の学習により識別器を作成する。
この制御部８０は、上述したＸ線照射部１１およびＸ線検出部１２と接続されている。また、この制御部８０は、液晶表示パネル等から構成されＸ線画像を含む各種の画像を表示する表示部２１と、キーボードやマウス等の各種の入力手段を備えた操作部２２と接続されている。さらに、この制御部８０は、被検者をＣＴ撮影して得たＣＴ画像を記憶するＣＴ画像記憶部７０と、オンラインまたはオフラインにて接続されている。このＣＴ画像記憶部７０は、ＣＴ撮影装置に含まれるものであってもよく、被検者の治療計画を作成する治療計画装置に含まれるものであってもよい。
次に、以上のような構成を有する骨部画像作成装置を使用することにより、被検者の骨部を含む領域のＸ線画像から骨部の領域を抽出した骨部画像を作成する動作について説明する。
最初に、骨部画像を作成するための基本的な考え方について説明する。図４は、この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置により機械学習を利用して被検者の骨部画像を作成する工程を説明するための模式図である。
機械学習を利用して骨部の位置を特定するためには、最初に、学習モデルを作成する。この学習モデル作成工程においては、骨部を含む領域のＸ線画像およびＤＲＲ画像を入力層とし、骨部を示すＸ線画像用教師骨部画像およびＤＲＲ画像用教師骨部画像を出力層として、機械学習により、学習モデルとして使用する畳み込み層を学習する。次に、骨部画像を作成する。この骨部画像作成工程においては、撮影されたＸ線透視画像を入力層とし、先に学習された学習モデルを利用して変換を行うことにより、出力層としての骨部の領域を抽出した骨部画像を示す画像を作成する。
次に、このような工程による骨部画像の作成動作について詳細に説明する。図５は、この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置により被検者の骨部を含む領域のＸ線画像から骨部の領域を抽出した骨部画像を作成する動作を示すフローチャートである。
この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置により骨部画像を作成するときには、最初に、Ｘ線画像作成工程を実行する（ステップＳ１）。この画像作成工程においては、図３に示すＸ線画像作成部８１により図１に示すＸ線照射部１１とＸ線検出部１２とを使用して天板１３上の被検者をＸ線撮影することによって、複数のＸ線画像を作成する。なお、Ｘ線画像は、その他のＸ線撮影装置により撮影されたものを取得してもよく、また、被検者に変えてファントムをＸ線撮影することにより作成してもよい。作成されたＸ線画像は、図３に示すＸ線画像記憶部８２に記憶される（ステップＳ２）。
次に、機械学習に使用されるＸ線画像用教師骨部画像を作成する（ステップＳ３）。このＸ線画像用教師骨部画像は、Ｘ線画像作成部８１により、先に作成されたＸ線画像に対して被検者の骨部の領域をトリミングすることにより作成される。また、このＸ線画像用教師骨部画像の作成時には、トリミング後のＸ線画像をわずかに平行移動、回転、変形、拡大縮小した画像も作成される。トリミングしたＸ線画像を平行移動、回転、変形、拡大縮小した画像も学習に使用するのは、後述するＸ線撮影時に被検者が移動し、あるいは、Ｘ線照射部１１とＸ線検出部１２が移動した場合に対応するためである。作成されたＸ線画像用教師骨部画像は、図３に示すＸ線画像記憶部８２に記憶される（ステップＳ４）。
なお、この時には、Ｘ線画像とＸ線画像用教師骨部画像の両方に対して、平行移動、回転、変形、拡大縮小を同一条件で実行する。
図６は、Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像１０１の模式図であり、図７は、Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像用教師骨部画像１０２の模式図である。
Ｘ線画像１０１には、大腿骨５１と、骨盤５２と、軟部領域５３とが表示されている。また、Ｘ線画像用教師骨部画像１０２には、大腿骨５１と、骨盤５２とが表示されている。
次に、図３に示すＤＲＲ画像作成部８３により、ＣＴ画像記憶部７０から取得したＣＴ画像データに対して、図１に示すＸ線照射部１１とＸ線検出部１２との幾何学的条件を模擬した仮想的投影を行うことにより、骨部を含む領域を示す複数のＤＲＲ画像を作成し（ステップＳ５）、このＤＲＲ画像をＤＲＲ画像記憶部８４に記憶するとともに（ステップＳ６）、骨部を含む領域を示す複数のＤＲＲ画像用教師骨部画像を作成し（ステップＳ７）、このＤＲＲ画像用教師骨部画像をＤＲＲ画像記憶部８４に記憶する（ステップＳ８）。ここで、骨部を示すＤＲＲ画像用教師骨部画像を作成するときには、ＣＴ値が一定以上の値となる領域を骨部の領域としてＤＲＲ画像用教師骨部画像を作成する。例えば、ＣＴ値が２００ＨＵ（Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ Ｕｎｉｔ）以上の領域を骨部の領域と認定してＤＲＲ画像用教師骨部画像を作成する。
図８は、図１に示すＸ線照射部１１とＸ線検出部１２との幾何学的条件を模擬した仮想的投影によりＤＲＲ画像を作成する状態を模式的に示す説明図である。
この図において、符号３００はＣＴ画像データを示している。このＣＴ画像データ３００は、複数の２次元のＣＴ画像データの集合である３次元のボクセルデータである。このＣＴ画像データ３００は、例えば、５１２×５１２ピクセルの２次元画像が被検者を横断する方向（図８に示す線分Ｌ１またはＬ２に沿った方向）に２００枚程度積層された構造を有する。
ＤＲＲ画像作成部８３によりＤＲＲ画像を作成する時には、ＣＴ画像データ３００に対して仮想的に投影を行う。このときには、コンピュータ上に３次元のＣＴ画像データ３００を配置する。そして、コンピュータ上にＸ線撮影系の幾何学的配置であるジオメトリを再現する。この実施形態においては、ＣＴ画像データ３００を挟んで、両側に、Ｘ線照射部１１とＸ線検出部１２を配置する。これらのＣＴ画像データ３００と、Ｘ線照射部１１とＸ線検出部１２の配置は、Ｘ線撮影を実行するときの被検者と、Ｘ線照射部１１と、Ｘ線検出部１２との配置と同じジオメトリとなっている。ここで、ジオメトリとは、撮影対象とＸ線照射部１１とＸ線検出部１２の幾何学的配置関係を意味する。
この状態で、Ｘ線照射部１１と、ＣＴ画像データ３００の各画素を介してＸ線検出部１２の各画素とを結ぶ多数の線分Ｌを設定する。なお、図８においては、説明の便宜上、２本の線分Ｌ１、Ｌ２を図示している。そして、この線分Ｌ上に、各々、複数の計算点を設定し、各計算点のＣＴ値を演算する。このＣＴ値の演算時には、計算点の周囲のＣＴデータボクセルにおけるＣＴ値を利用した補間が実行される。しかる後、線分Ｌ上の各計算点のＣＴ値を累積する。この累積値が、線減弱係数の線積分に変換されて、Ｘ線の減弱を算出することにより、ＤＲＲ画像が作成される。
このＤＲＲ画像の作成時には、ＣＴ画像データ３００に対して投影座標および角度の少なくとも一方を含むＤＲＲ画像作成のためのパラメータを変化させてＤＲＲ画像を作成する。あるいは、わずかな平行移動、回転、変形及び拡大縮小の少なくとも１つを含む画像処理を実行する。この平行移動、回転、変形、拡大縮小を実行するのは、後述するＸ線撮影時に被検者が移動し、あるいは、Ｘ線照射部１１とＸ線検出部１２が移動した場合に対応するためである。
また、作成されたＤＲＲ画像にコントラスト変化、ノイズ付加及びエッジ強調の少なくとも１つを実行する。このコントラスト変化、ノイズ付加、エッジ強調を実行するのは、ＤＲＲ画像とＸ線画像の画質の違いを吸収し、骨部の領域をより確実に認識できるようにするためである。
上述した、投影座標や角度などのＤＲＲ画像作成のためのパラメータの変化、または、コントラスト変化、ノイズ付加、エッジ強調は、所定の範囲内でランダムに、あるいは、等間隔で様々に変化を与える態様で実施される。これにより、被検者一人のＣＴ画像データ３００から、多量のＤＲＲ画像を作成することができる。このため、このようにして作成された多量のＤＲＲ画像を使用して、各患者に対応したオーダーメイドの学習モデルを作成することが可能となる。なお、多数の患者のＤＲＲ画像を利用して学習モデルの作成を行うことも可能である。
なお、ＤＲＲ画像の作成時とＤＲＲ画像用教師骨部画像の作成時においては、幾何学的透視条件の投影座標および角度を含むパラメータを同一条件で変化させ、あるいは、画像の回転、変形、拡大縮小を含む画像処理を同一条件で施す。
また、ＤＲＲ画像とＤＲＲ画像用教師骨部画像のうちＤＲＲ画像の作成時には、ＤＲＲ画像作成部８３は、複数のＤＲＲ画像のうちの一部のＤＲＲ画像を、骨部を含む領域のうちの骨部領域の濃度を変化させたＤＲＲ画像として作成する。より具体的には、ＣＴ値が一定以上の値となる骨部の領域のＣＴ値を、実際のＣＴ値より小さな値に設定する。これにより、骨密度が低下した骨部を模擬したＤＲＲ画像を得ることができる。従って、骨密度が低下した骨部を模擬したＤＲＲ画像により機械学習を行うことができ、骨密度が低下して骨粗鬆症に至った患者を含む患者に対して骨部の抽出精度を向上させることが可能となる。
図９は、ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像１０３の模式図であり、図１０は、ＤＲＲ画像作成部８３により作成された骨部の領域の濃度を小さな値に変更したＤＲＲ画像１０４の模式図であり、図１１は、ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像用教師骨部画像１０５の模式図である。
ＤＲＲ画像１０３、１０４には、大腿骨５１と、骨盤５２と、軟部領域５３とが表示されている。また、ＤＲＲ画像用教師骨部画像１０５には、大腿骨５１と、骨盤５２とが表示されている。
以上の工程が終了すれば、学習部８５により、図６に示すＸ線画像１０１を入力層とし、図７に示すＸ線画像用教師骨部画像１０２を出力層として機械学習を実行するとともに、図９に示すＤＲＲ画像１０３および図１０に示す骨部の領域の濃度を小さな値に変更したＤＲＲ画像１０４を入力層とし、図１１に示すＤＲＲ画像用教師骨部画像１０５を出力層として機械学習を実行することにより、骨部（大腿骨５１および骨盤５２）を認識するための学習モデルを作成する（ステップＳ９）。この機械学習時には、例えば、ＦＣＮが使用される。ＦＣＮで用いる畳み込みニューラルネットワークは、上述した図４のような構成となる。すなわち、学習モデルを作成する場合においては、入力層はＸ線画像１０１およびＤＲＲ画像１０３、１０４で、出力層はＸ線画像用教師骨部画像１０２およびＤＲＲ画像用教師骨部画像１０５である。
以上の工程により学習モデルが作成されれば、次に、被検者に対してＸ線撮影を実行する（ステップＳ１０）。そして、撮影されたＸ線画像に対して、骨部画像作成部８６により、先に作成した学習モデル（畳み込み層）を利用して変換を行うことにより、セグメンテーションを実行し、骨部（大腿骨５１および骨盤５２）の画像を作成する（ステップＳ１１）。すなわち、Ｘ線撮影で得られるＸ線画像に対して、先に作成した学習モデルを使用し、出力層として骨部を表す画像を作成する。そして、セグメンテーションにより特定された骨部の領域を利用して、各種の手法により骨密度の測定が実行される。
なお、この明細書等において、「セグメンテーション」とは、この実施形態における骨部等の領域を特定するプロセスに加え、骨部等の輪郭あるいは骨部等の外形を特定するプロセスをも含む概念である。
以上の工程により骨部画像の作成が完了すれば、作成された骨部画像を、オペレータが必要に応じ修正する。そして、修正後の骨部画像と、その元になったＸ線画像とを、学習部８５による学習モデルの作成、あるいは再学習に利用する。これにより、失敗例を含む学習画像を拡充させてより精度の高い学習モデルを作成することが可能となる。
以上のように、この発明の実施形態に係る骨部画像作成装置によれば、骨部の領域を機械学習により抽出することで、その抽出精度を向上させることが可能となる。この時、Ｘ線画像とＤＲＲ画像の両方を利用して機械学習を行うことから、学習画像を拡充させることが可能となり、学習用臨床データの収集を容易に実行することが可能となる。また、骨部領域の濃度を変化させたＤＲＲ画像を利用することにより、骨密度が低下した骨部を模擬したＤＲＲ画像により機械学習を行うことができ、骨密度が低下して骨粗鬆症に至った患者を含む患者に対して骨部の抽出精度を向上させることが可能となる。
なお、上述した実施形態において、Ｘ線画像をガウスフィルタなどでぼかした後に学習モデルに入力してもよい。一般的に、ＤＲＲ画像は低解像度のＣＴ画像から作成されているため、Ｘ線画像と比べると低解像度である。このため、Ｘ線画像をぼかして、Ｘ線画像を、ノイズを低減し、また、学習時のＤＲＲ画像と同等の解像度とすることにより、より確実に骨部を識別することが可能となる。また、上述した実施形態において、学習モデルに入力するＤＲＲ画像およびＸ線画像はあらかじめコントラスト正規化を行った上で入力してもよい。また、中間層に局所コントラスト正規化層または局所応答正規化層を加えてもよい。
次に、この発明の他の実施形態について説明する。
上述した実施形態においては、複数のＤＲＲ画像のうちの一部のＤＲＲ画像を、骨部を含む領域のうちの骨部領域の濃度を変化させたＤＲＲ画像として作成することにより、骨密度が低下した骨部を模擬したＤＲＲ画像を作成し、これを機械学習に利用している。これに対して、この実施形態においては、複数のＸ線画像のうちの一部のＸ線画像を、Ｘ線管に高電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像（高圧画像）と、Ｘ線管に低電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像（低圧画像）とに対してサブトラクション処理を行うデユアルエナジーサブトラクションを利用することにより、骨部を含む領域のうちの骨部領域の濃度を変化させたＸ線画像とする。
すなわち、骨粗鬆症の診断のため、被検者の骨密度を測定するときには、Ｘ線管に高電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像と、Ｘ線管に低電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像とに対してサブトラクション処理を行うデユアルエナジーサブトラクションにより骨密度の測定を行う構成が採用されている。骨部画像の特定時においても、このデユアルエナジーサブトラクションを利用し、Ｘ線管に高電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像と、Ｘ線管に低電圧を付与した状態で撮影されたＸ線画像とに対し、重みづけを行った後、これらの差分をとることにより、骨部を表すデユアルエナジーサブトラクション画像を作成する。そして、Ｘ線画像（高圧画像または低圧画像）からデユアルエナジーサブトラクション画像を減算することにより骨部を含む領域のうち骨部の領域の濃度を低くした画像（骨密度が低下した状態の骨部のＸ線画像に相当する画像）を得る。この骨部の領域の濃度が低いＸ線画像を機械学習に利用することにより、骨密度が低下した骨部を模擬したＸ線画像により機械学習を行うことができ、骨粗鬆症の患者を含む患者に対して骨部の抽出精度を向上させることが可能となる。
この時には、機械学習に使用するＸ線画像としては、高圧画像、低圧画像あるいは、デユアルエナジーサブトラクション画像のいずれかを使用してもよく、これらの画像をチャンネル方向に連結した画像を使用してもよい。また、Ｘ線画像（高圧画像または低圧画像）からデユアルエナジーサブトラクション画像を減算するかわりに、デユアルエナジーサブトラクション画像に対してパラメータ調整を行うことにより、骨密度が低下した骨部を模擬したＸ線画像を得るようにしてもよい。
次に、この発明のさらに他の実施形態について説明する。図１２は、Ｘ線画像作成部８１により作成されたＸ線画像１０６の模式図であり、図１３は、ＤＲＲ画像作成部８３により作成されたＤＲＲ画像１０７の模式図である。
この実施形態は、大腿骨等の被検者の体軸に対して左右対称の形状を有する骨部に対して骨部画像を作成するときに利用されるものである。先に説明した図６は被検者の右足付近のＸ線画像１０１の模式図であり、図９は被検者の右足付近のＤＲＲ画像１０３の模式図である。これに対して、図１２は被検者の左足付近のＸ線画像１０６の模式図であり、図１３は被検者の左足付近のＤＲＲ画像１０７の模式図となっている。
このように、被検者の体軸に対して左右対称の形状を有する骨部（大腿骨５１および骨盤５２）が対象となる場合においては、学習部８５が、右側の骨部の画像と左側の骨部の画像のいずれか一方を左右反転することにより、左右の骨部の画像に対して一括して機械学習を実行する。例えば、図１２に示す被検者の左足付近のＸ線画像１０６を左右反転することにより、図６に示す被検者の右足付近のＸ線画像１０１と一括して機械学習に利用する。また、同様に、図１３に示す被検者の左足付近のＤＲＲ画像１０７を左右反転することにより、図９に示す被検者の右足付近のＤＲＲ画像１０３と一括して機械学習に利用する。
このような構成を採用することにより、被検者の体軸に対して左右対称の形状を有する骨部に対して、その検出精度を均一なものとすることができる。そして、左右の骨部の画像に対して一括して機械学習を実行することから、学習画像を拡充させてより精度の高い学習モデルを作成することが可能となる。
なお、上述した実施形態においては、Ｘ線画像とＤＲＲ画像の両方を利用して機械学習を行っている。しかしながら、Ｘ線画像とＤＲＲ画像のいずれか一方を利用して機械学習を行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、器官として骨部を対象としているが、例えば、臓器等の器官を対象としてもよい。例えば、被検者の内臓脂肪が多い場合においては、Ｘ線撮影時においては、臓器領域の濃度が低くなる。この発明によれば、このような場合においても、臓器の濃度が低くなる被検者にも対応した学習モデルを作成することが可能となる。このため、臓器の検出精度を向上させることが可能となる。
１１ Ｘ線照射部
１２ Ｘ線検出部
１３ 天板
１４ 支柱
１５ Ｘ線管保持部材
１６ 回転機構
１７ 主支柱
１８ ベースプレート
２１ 表示部
２２ 操作部
７０ ＣＴ画像記憶部
８０ 制御部
８１ Ｘ線画像作成部
８２ Ｘ線画像記憶部
８３ ＤＲＲ画像作成部
８４ ＤＲＲ画像記憶部
８５ 学習部
８６ 骨部画像作成部
３００ ＣＴ画像データ

Claims (14)

  1. 被検者の器官を含む領域の画像を解析することにより前記器官の領域を特定するためのセグメンテーションを行う画像解析方法であって、
    前記セグメンテーションの手法として機械学習を用いるとともに、
    前記被検者の器官を含む画像における前記器官の領域の濃度を変化させた修正画像を作成する修正画像作成工程と、
    前記被検者の器官を含む画像を用いた学習処理と、前記修正画像作成工程で作成した修正画像を用いた学習処理とにより機械学習の学習モデルを作成する学習モデル作成工程と、
    を含むことを特徴とする画像解析方法。
  2. 請求項１に記載の画像解析方法において、
    前記被検者をＸ線撮影して得た前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像に対して、前記学習モデル作成工程で作成した学習モデルを利用して変換を行うことにより、前記器官を表す画像を作成する画像解析方法。
  3. 請求項１に記載の画像解析方法において、
    前記被検者の器官を含む領域の画像は、前記被検者のＣＴ画像データから作成されたＤＲＲ画像であり、
    前記修正画像作成工程においては、前記ＣＴ画像データのＣＴ値が所定の値となる領域を前記器官の領域としてその濃度を変化させる画像解析方法。
  4. 請求項３に記載の画像解析方法において、
    ＤＲＲ画像の作成時に、幾何学的条件の投影座標および角度の少なくとも一方を含むパラメータを変化させ、あるいは、画像の回転、変形および拡大縮小の少なくとも１つを含む画像処理を施して、複数のＤＲＲ画像を作成する画像解析方法。
  5. 請求項３に記載の画像解析方法において、
    作成後のＤＲＲ画像に対して、コントラスト変化、ノイズ付加およびエッジ強調の少なくとも１つを実行する画像解析方法。
  6. 請求項１に記載の画像解析方法において、
    前記被検者の器官を含む領域の画像は、前記被検者をＸ線撮影することにより作成されたＸ線画像であり、
    前記修正画像作成工程においては、前記Ｘ線画像と、デュアルエナジーサブトラクションを利用して得られた前記器官の画像とを利用して前記器官の領域の濃度を変化させる画像解析方法。
  7. 請求項２に記載の画像解析方法において、
    前記被検者をＸ線撮影して得た前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像と、前記学習モデル作成工程で作成した学習モデルを利用して変換を行うことにより得た前記器官を表す画像とを、学習部による学習モデルの学習に利用する画像解析方法。
  8. 請求項１に記載の画像解析方法において、
    前記器官は前記被検者の体軸に対して左右対称の形状を有し、前記学習モデル作成工程においては、右側の器官の画像と左側の器官の画像のいずれか一方を左右反転することにより、左右の器官の画像に対して一括して機械学習の学習モデルを作成する画像解析方法。
  9. 前記器官は前記被検者の骨部であり、請求項１に記載の画像解析方法を利用して前記骨部の領域をセグメンテーションするセグメンテーション方法。
  10. 請求項９に記載のセグメンテーション方法によりセグメンテーションされた骨部の領域に対して骨密度を測定する骨密度測定方法。
  11. 被検者の器官を含む領域の画像を、機械学習を利用して解析することにより、前記器官の領域を特定するためのセグメンテーションを行うときに用いられる学習モデルを作成する学習モデル作成方法であって、
    前記被検者の器官を含む画像を用いた学習処理と、前記被検者の器官を含む画像における前記器官の領域の濃度を変化させることにより作成された修正画像を用いた学習処理とにより、機械学習の学習を実行して学習モデルを作成することを特徴とする学習モデル作成方法。
  12. 被検者の器官を含む領域のＸ線画像から前記器官の領域を抽出した画像を作成する画像作成装置であって、
    前記器官を含む領域をＸ線撮影して得た複数のＸ線画像と、機械学習用の複数のＸ線画像用教師画像とを記憶するＸ線画像記憶部と、
    前記器官を含む領域のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、
    前記ＤＲＲ画像作成部により作成された複数のＤＲＲ画像と、前記ＤＲＲ画像作成部により作成されたＤＲＲ画像に基づいて作成された複数の機械学習用のＤＲＲ画像用教師画像とを記憶するＤＲＲ画像記憶部と、
    前記Ｘ線画像記憶部に記憶された前記複数のＸ線画像と前記複数のＸ線画像用教師画像とを使用して機械学習を実行するとともに、前記ＤＲＲ画像記憶部に記憶された前記複数のＤＲＲ画像と前記複数のＤＲＲ画像用教師画像とを使用して機械学習を実行することによって予め作成された前記器官を認識するための学習モデルを使用して、前記被検者の器官を含む領域のＸ線画像に対して変換を行うことにより、前記器官を表す画像を作成する画像作成部と、
    を備えたことを特徴とする画像作成装置。
  13. 請求項１２に記載の画像作成装置において、
    前記ＤＲＲ画像作成部は、前記複数のＤＲＲ画像のうちの一部のＤＲＲ画像を、前記器官を含む領域のうちの器官領域の濃度を変化させたＤＲＲ画像として作成する画像作成装置。
  14. 請求項１２に記載の画像作成装置において、
    前記Ｘ線画像記憶部に記憶される複数のＸ線画像のうちの一部のＸ線画像は、デユアルエナジーサブトラクションを利用することにより、前記器官を含む領域のうちの器官領域の濃度を変化させたＸ線画像である画像作成装置。
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