JPH0614193A - ディジタル放射線画像における自動階調スケール生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディジタル放射線画像の階調スケールを自動
的に調整するための方法を提供する。 【構成】 記憶蛍光体１０によって放出される光（たと
えば、青色光領域の光）は光検出器３４によって検出さ
れ、アナログ・ディジタル変換器３６によってディジタ
ル画像に変換される。ディジタル画像は画像処理装置３
８で自動階調スケール処理及び他の画像処理にかけられ
る。すなわち、ディジタル入力画像のヒストグラムとヒ
ストグラムの累積分布関数をヒストグラムのサブセクシ
ョンのエントロピーを用いて最終的な階調スケール変換
を生成する。これらの関数を用いてヒストグラムを注視
領域、低信号前景領域、高信号背景領域に分割する。階
調スケールは、前景領域の末端の非直線部分と、背景領
域の非直線領域と平滑に結合して、注視領域ではほぼ直
線になるように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル画像処理に
係り、さらに詳細には、ディジタル放射線画像の階調ス
ケールを自動的に調整するための方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】何らかのディジタル画像を何らかの出力
媒体（たとえば、フィルムまたはＣＲＴモニタ）に表示
す場合、その画像品質は、オリジナルデータを取得する
のに使用する装置の特性、出力装置の性能（ダイナミッ
クレンジ、ノイズ特性、鮮明度等）、表示する前に画像
に対して行う画像処理といった、いくつかの重要な要因
によって異なる。特に、画像のディジタル値を視認可能
な無彩色の明度に写像する画像処理階調再現関数（すな
わち、階調スケールまたは階調曲線）は、有用な出力画
像を生成する上で、重要な要素である。

【０００３】診断用の放射線医学の場合、体の様々な部
分の画像を表示するのに用いる階調スケールは、画像を
解釈する者（すなわち、放射線技師あるいは医者）が、
画像から有用な診断情報を引き出すための能力に重要な
影響を及ぼす。従来の（アナログ）スクリーン／フィル
ム放射線撮影法では、この出力階調スケールは一般に、
フィルム製造業者によってあらかじめフィルムに設計さ
れており、さまざまなフィルムが、検査の種類、感光技
法、観察者の好みに基づき、様々な「外観」を得るのに
利用できる。最終的な画像が表示される前にコンピュー
タでディジタル放射線撮影システムのこの出力階調スケ
ールを調整する機能は、このようなシステムの最も強力
な機能の一つである。しかしながら、適切な階調スケー
ルは特に前述の要因（検査の種類、露出条件、画像化様
式、出力装置のダイナミックレンジ等）に基づいて異な
るため、適切な階調スケールを選択したり生成するの
は、必ずしも単純な操作ではない。

【０００４】理想的には、各ディジタル画像は表示が最
適になされるように、それ自体の階調スケール関数を有
しているべきである。これは、画像におけるグレイレベ
ルの実際の分布（すなわち、画像ヒストグラム）が、各
画像によって異なるからである。しかしながら、通常
は、ある画像の種類では一般に類似性があるため（たと
えば、特定のＸ線撮影装置及び一連の露出条件に対し
て、成人の胸部レントゲン写真はすべてある共通の特性
を有する）、階調スケールの生成プロセスがある程度容
易になっている。診断内容を高めるような画像を生成す
る階調スケールは、特に、重要なすべき領域を強いコン
トラスト、画像の他の領域は妥当なコントラストで表示
し、グレイレベルレンジの限界において有用な解剖学的
構造の詳細部分を切り落さず（すなわち、飽和せず）、
不良を発生しないものでなくてはならない。

【０００５】特定のディジタル画像に対して最適な出力
階調スケールを生成する際にさらに問題となるのは、既
に簡単に上述したように、この階調スケールは、画像を
取得した方法によって大きく異なることである。ディジ
タル画像の生成には、連続的に変化する物理変数（たと
えば、Ｘ線透過率、減衰、プロトン濃度、あるいは放射
能）の測定値がディジタル領域において画像を表すよう
な一連の個別のグレイレベルに変換（量子化）する、ア
ナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換処理が必要である。
このＡ／Ｄ変換関数は入力校正関数としても知られてお
り、通常単階調の非増加、あるいは非減少関数である。
この関数は、ディジタル画像のグレイレベルを物理変数
の各値に割当てる。こうして、出力階調スケールは、こ
れらの入力グレイレベルを表示装置の出力グレイレベル
に写像し、本質的に入力物理変数をディスプレイ（たと
えば、ＣＲＴまたはビューボックスのフィルム）上の出
力輝度に写像したものとなる。同時に、グレイレベルの
小さな差異は、（入力校正関数の微分によって）物理変
数値の小さな差に関連付けられる。こうして、出力階調
スケールの形状（特に部分的な傾き）によっても、入力
物理変数の小さな差の視覚コントラストが決定される。

【０００６】他にもさまざまな非直線変換があるが、通
常使用される２つの入力校正関数の形式は、直線変換と
対数変換である。直線変換では、ディジタルグレイレベ
ルは入力物理変数の値に比例する。

【０００７】ｍi ＝α^* ｘ＋β ここで、ｍi は入力グレイレベル、ｘは測定される物理
変数、α及びβは定数である。対数変換の場合、入力グ
レイレベルは入力物理変数に対して対数的に変化する。

【０００８】ｍi ＝σ^* ｌｏｇ（ｘ＋γ）＋δ ここで、ｍi 及びｘは上記と同様で、σ、γ及びδは定
数である。対数的に取得した入力画像に対して設定した
階調スケール写像関数を、直線的に取得した画像に適用
すると、準最適な結果をもたらし、これと逆の場合も同
様の結果となる。これは、グレイレベルの小さな差異が
表示される物理変数の小さな差異に直線的に関連付けら
れるか、あるいは対数的に関連付けられるかに基づい
て、人間の視覚組織が、出力画像のさまざまな構造の、
異なる視覚コントラストを認識するためである。従っ
て、階調スケールの生成方法は、順応性があって有用で
あるためには、異なる入力校正関数の種類に応じて高品
質な結果をもたらすことができなくてはならない。

【０００９】ディジタル画像、特にディジタル放射線画
像に対して、階調スケール曲線を生成するため、さまざ
まな方法が試みられてきた。一般的な技法の１つは、ヒ
ストグラム等化と呼ばれる（たとえば、Castleman, Dig
ital Image Processing （ディジタル画像処理）を参
照）。この技法では、入力画像を出力グレイレベルレン
ジ全体に渡って均一な（すなわち平坦な）ヒストグラム
を有する出力画像に変換するという試みであるが、この
考え方は、この出力画像が使用可能なグレイレベルを最
大限に使用し、情報理論に従って、最大限の情報を有す
るというものである。ほとんどの場合、ヒストグラムの
等化はかなり困難な変換となる。入力ヒストグラムが高
度に込み入った領域は、出力においてより広いレンジの
グレイレベルに広がり、出力の視覚コントラストを増加
させ、等化が過度にならなければ、通常は望ましい結果
となる。しかしながら、ヒストグラムがまばらな部分
（通常極度に）はより小さなグレイレベルレンジに圧縮
され、視覚コントラストを減少させ、診断の重要な詳細
部分をあいまいにしてしまう。さらに、画像に不均一な
前景及び背景領域が存在すると（たとえば、コリメータ
ブレード、患者の体外のｘ線の直接透過）、この技法で
は、診断上重要でない画像領域のために、重要な出力グ
レイレベルを無駄にしてしまうことがある。

【００１０】上記の部分的な順応変換を用いる代りに、
他の技法は、階調スケールを計算するために入力ヒスト
グラムの総統計関数（分散、歪み、百分位数等）を用い
ている。この方法では、必ずしも許容できるコントラス
トが生成されるわけではなく、グレイレベルレンジの限
界において好ましくない画像の切り落しを生じることも
ある。欧州特許出願ＥＰ２８３２５５号は、一連の類似
の画像に対して適切なコントラストを得、画像の切り落
しを防ぐため、初期の階調スケールパラメータを設定す
るのにオペレータの介入が必要な技法を開示している
が、この方法では、オペレータの介入後、各入力ヒスト
グラムの平均及び分散に基づいて自動的に計算される。

【００１１】米国特許第４，３０２，６７２号に他の方
法が開示されており、これによると、記憶蛍光取得シス
テムで生成されるＰＡ（背腹）あるいはＡＰ（腹背）胸
部放射線に対し、（対数入力校正関数に対して）最適階
調スケール変換が得られる。この特許は、入力画像ヒス
トグラムにおいて脊椎、心臓、肺の部位を識別し、出力
階調スケールにおいてそれぞれに適切なコントラストを
割当てることにより、向上した出力画像が得られること
を教えている。肺の部位が最高のコントラスト、心臓が
幾分低めのコントラスト、脊椎が最低のコントラストと
なる。この方法は、ある種の胸部画像に対しては有効で
あるが、これらの３つの構造を正しく識別できない胸部
（たとえば、肺に液体が充満し、心臓あるいは脊椎と同
等の濃度を有する場合）では有効でない場合がある。さ
らに、解剖学的に適切な境界の目印となるものを用い
て、他の診断についても同様の解析を行い、この方法が
すべての診断用途に対して有効となるようにする必要が
ある。さらにまた、脊椎、心臓、肺についての適切なコ
ントラストはアナログ・ディジタル変換技法によって異
なるため、この方法は他の入力計算関数に対しては有効
でない。

【００１２】この方法に代るものとして、米国特許第
４，６４１，２６７号は、再びコンピュータ放射線に対
して、小数の対照階調スケール関数のみの使用に基づい
た方法を開示している。特定の入力画像に対して実際の
階調スケールを生成するため、対照階調スケールの１つ
が（体の部位に応じて）選択され、画像の露出及び他の
パラメータに応じて異なる量により、この関数はシフト
し、交換される。この方法では、異なる条件に対して大
量の階調スケールを生成し、記憶することを回避してい
るが、（ａ）あらかじめ決定した曲線の固定した組合せ
をシフトし、交換するだけであるため、完全に自動化及
び順応化されておらず、（ｂ）異なるディジタル画像化
様式または入力校正関数に関して有効ではない。

【００１３】米国特許第５，０４６，１１８号に他の方
法が提案されており、これによると、部分的な順応と全
体的な制約を用い、各入力画像に対してカスタム階調ス
ケールを生成する。この方法では完全な画像のサブセッ
トのエントロピーを用い、画像を注視領域（解剖学的情
報を含んでいる部位）と、背景領域とに区分し、次いで
全体的な輝度とコントラストの制約に基づき、これらの
領域のそれぞれに対して別々の階調スケールを形成す
る。注視領域の階調スケールはほぼ直線であるのに対し
（直線入力校正関数を前提とする）、背景領域の階調ス
ケールは画像の重要でない部分のコントラストを低減す
るため、非直線である。２つの部分階調スケールは、平
滑な最終出力を生成するため、それらの境界において一
定の一致基準にかけられる。この方法はヒストグラムの
形状及び外部背景の変化量に対してかなり有効である
が、入力校正関数の差異に対しては十分に順応せず、そ
のため、直線アナログ・ディジタル変換以外に対しては
準最適階調スケールを生成する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】現在、画像の違い、画
像化様式、露出条件、入力校正関数に対して有効な階調
スケール変換関数を生成する、自動化法及び装置に対す
る必要性がある。

【００１５】本発明の目的は、画像ヒストグラムの解析
に基づいて、ディジタル放射線画像に対する最適な階調
スケール変換を自動的及び順応的に生成する方法及び装
置を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、
入力画像化様式、露出条件、入力校正関数の形状（対数
あるいは直線）の違いに対して有効な階調スケール変換
関数を生成する方法及び装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の方法は、２つの主要ステップにおいて実施
される。第１に、ヒストグラム及び累積分布関数（ＣＤ
Ｆ）が解析され、画像化される解剖学的目標物を含む注
視領域と、（Ｘ線の）高吸収物体（たとえばコリメータ
ブレード、人工装具）を含む前景領域と、画像化される
目標物の外側の直接のＸ線透過を含む背景領域を決定す
る。

【００１７】このヒストグラム／ＣＤＦの解析は、直線
及び対数領域の双方で行われ、最終的なパラメータが、
２つの空間からの情報を再結合する一連の判断規則によ
って選択される。第２ステップは階調スケールの形成で
あるが、これはまず、平均出力信号レベル及び出力コン
トラストに対する部分的及び全体的な制約と共に第１ス
テップで得られたパラメータを用い、結合した直線セグ
メントとして形成される。この最初の大ざっぱな階調ス
ケールが形成された後、これは順応的に平滑化され、最
終的な階調スケールを形成する。

【００１８】

【作用】上記方法は入力画像のヒストグラムだけに基づ
くため、順応的であり、有効である。しかしながら、本
方法に対する改善によっても、処理される診断の種類に
関する情報を利用し、特定の入力画像に対してより良く
カスタマイズされた階調スケールを生成することができ
る。

【００１９】

【実施例】本発明は、ディジタル画像に対して最適な出
力階調スケールを生成する方法であり、ディジタル画像
のソース、これらの画像を表示する出力装置、画像デー
タを処理する手段、画像データをソースから処理手段、
出力手段へと移動させるための通信手段が必要となる。
このようなディジタル画像処理システムを図１に示し
た。本発明によって処理されるＸ線画像は、たとえば記
憶蛍光（コンピュータ放射線）システム、フィルムディ
ジタイザシステム、蛍光増倍管システムなどから生じ
る。直線入力校正関数あるいは対数入力校正関数のいず
れかが設定される。出力装置については、通常フィルム
ライタ（レーザプリンタまたはＣＲＴプリンタ）とＣＲ
Ｔソフトディスプレイがある。処理手段は、本発明を実
施する方法と装置を含む。

【００２０】図１は、本発明の実施態様を含む記憶蛍光
ディジタル放射線画像システムを示している。ここに示
すように、記憶蛍光体１０が、ローラ対１２、１４と１
６、１８によってほぼ水平方向１１に移動され、走査放
射領域２０を通過する。レーザ２２は、回転多角ミラー
２６、走査光学素子２８及び３０、ミラー３２により、
走査ライン方向で記憶蛍光体１０の幅で操作されるレー
ザビームを生成する。走査光学素子２８及び３０は、ビ
ームが記憶蛍光体１０で操作される際のＦθ歪みに対
し、レーザビーム２４を所望の大きさと形状にして修正
する。レーザ１０はたとえば、赤色光領域で誘導ビーム
を生成するガスレーザまたはダイオードレーザである。

【００２１】記憶蛍光体１０によって放出される光（た
とえば、青色光領域の光）は、光検出器３４によって検
出され、アナログ・ディジタル変換器３６によってディ
ジタル画像に変換される。本発明によると、ディジタル
画像は、たとえばディジタルコンピュータ（マイクロプ
ロセッサ）である、画像処理装置３８で自動階調スケー
ル処理及び他の画像処理にかけられる。ディジタル画像
はディスプレイモニタ４０に表示され、フィルムライタ
４２（放射線レーザプリンタ、陰極線管マルチフォーマ
ットカメラ、サーマルプリンタ等）によってハードコピ
ー（放射線フィルムなど）として再現される。ディジタ
ル画像は、磁気光学記憶装置またはソリッドステート記
憶装置に記憶するか、あるいは、通信リンクによって離
れた場所に転送することができる。装置３８による階調
スケール処理は、元のディジタル信号と共にディスプレ
イ４０またはフィルムライタ４２に供与される探索テー
ブル（ＬＵＴ）によって実施することができる。この代
りに、階調スケールによって処理されたディジタル画像
を転送することができる。

【００２２】この代りに、本発明の装置は、システム中
の他のさまざまな位置に存在することが可能である。た
とえば、本装置は、取得装置の一部となり得る。この場
合、開示した方法は、処理される画像と共に、あるいは
別に通信チャネルによって、出力装置に供与される階調
スケール変換を生成する。本方法はまた、出力装置の一
部にもなり得る。階調スケール生成方法は、出力装置に
対して既知の固定された出力校正関数を前提としている
ため（すなわち、装置に送出されるグレイレベルと出力
媒体上に生成される信号の既知の関係）、ディジタル画
像が最終的に表示される際に所望の視覚的結果を実現す
るには、さらにもう一度階調スケールの変換を行う必要
がある。

【００２３】入力ディジタル画像を与えられると、本発
明の方法は次のように進行する。ヒストグラム及び累積
分布関数（ＣＤＦ）はまず、直線及び対数空間の双方に
ついて計算されなければならない（図２〜５を参照）。
画像が直線入力校正関数で取得された場合は、この直線
ヒストグラムは、解析の進行順で同等の対数ヒストグラ
ム（及び対応するＣＤＦ）にも変換されなければならな
い。逆に、画像が直線入力校正関数で取得された場合
は、この対数ヒストグラムは、同等の直線ヒストグラム
（及び対応するＣＤＦ）にも変換されなければならな
い。これによって、階調スケールに対するパラメータを
決定するのに用いる２つのヒストグラムと２つのＣＤＦ
が得られる。

【００２４】直線ヒストグラムから対数ヒストグラムへ
の変換は容易である。対数空間のグレイレベルは、次の
方程式によって直線空間のグレイレベルに関連付けられ
る。 ｍi （ｌｏｇ）＝σ^* ｌｏｇ（ｍi （ｌｉｎ）＋γ）＋δ （１） ｍi （ｌｏｇ）は対数空間のグレイレベル、ｍi （ｌｉ
ｎ）はそれに対応する直線空間のグレイレベル、α、γ
及びδは、ある境界条件を満たすよう選択された定数で
ある（たとえば、直線空間のグレイレベル値レンジの限
界点は対数空間のグレイレベルレンジの限界点に写像さ
れる）。対数空間のヒストグラムから直線空間のヒスト
グラムへの写像も同様に容易である。

【００２５】 ｍi （ｌｉｎ）＝１０^{(mi(log)- μ)/λ}＋β （２） μ、λ及びβは、ここでも写像の所望の境界条件を満た
す定数である。

【００２６】直線空間のヒストグラムと対数空間のヒス
トグラムを使用する理由は、これら２つの空間のヒスト
グラムのピーク形状と、階調スケールの形状を決定する
開始点、終点、区切り点を見出すために行われるテスト
の性質に関係がある。これについては、以下にさらに詳
しく説明する。さらに、２つの空間を使用して解析を行
うことにより、本方法は、画像を取得するために使用さ
れたシステムの種類には本質的に影響されない。

【００２７】本方法を用いて生成される階調スケールの
背景にある基本的な概念は、直線的に取得した画像に対
する最適な階調スケール（すなわち、Ｘ線露出をグレイ
レベルに関連付ける直線入力校正関数を用いる装置で生
成されるもの）は、Ｘ線露出値が注視領域における光学
濃度に直線的に写像されるもので、注視領域の外側、す
なわち、前景及び背景領域は、非直線的に排除するとい
うものである。このような観測は、数年に渡って臨床試
験で収集された、何千という臨床画像（主として記憶蛍
光システムによって取得されたもの）に基づいている。
この議論では、対数システム（Ｘ線露出をグレイレベル
に関連付ける入力校正関数が対数となるもの）が、注視
領域において指数となり、前景及び背景領域では非直線
となる最適な階調スケールを有することを意味してい
る。これは、このような対数装置が使用された臨床試験
の場合に見出されてきた。

【００２８】直線画像またはまたは対数画像を表示する
のに必要な、高品位の階調スケールの形状を確立し、残
るのはこのような変換を生成するパラメータを決定する
のに有効な方法を見出すことである。このような階調ス
ケールのパラメータを見出す第１のステップは、ヒスト
グラムの開始点と終点を見出すことである。開始点はヒ
ストグラムレベルがゼロでない最初のグレイレベル、終
点はヒストグラムレベルがゼロでない最後のグレイレベ
ルである（図２及び４を参照）。画像のすべての画素
は、これらの限界点の間に含まれている。開始点と終点
の組合せは、対数ヒストグラム及び直線ヒストグラムの
双方に対して見出される。

【００２９】ヒストグラムを、前景、注視領域、背景領
域に分割するため、最低２つの区切り点を見出さなけれ
ばならない。その１つは前景と注視領域の境界を指定す
るもので、左点と呼ぶ（図３及び５参照）。もう１つは
境界領域の末端と背景の始まりを指定するもので、右点
と呼ぶ（図２〜５参照）。実際には、注視領域外（技術
的には背景）にある実際の解剖学的構造と、画像化され
る部分の回りのＸ線の直接透過（真の背景）とを区別し
なければならず、真の直接Ｘ線背景の開始を表す、背景
点と呼ばれる第３の点（図２〜５参照）もまた計算され
る。要約すると、階調スケールの形状を決定するのに
は、３つのグレイレベル点が（開始点及び終点に加え）
必要となる。

【００３０】 左点：前景と注視領域の境界 右点：注視領域と他の解剖学的構造の境界 背景点：他の解剖学的構造と真の直接Ｘ線背景の間の境
界 これらの点の決定については、以下に詳しく述べる。他
法では、低グレイレベルは低Ｘ線信号に対応し、高グレ
イレベルは高Ｘ線信号に対応することを前提としている
が、本発明についてはこれは必要ない。

【００３１】階調スケールの作成においては、まず背景
点を見出すことが必要となる。これを行うための方法
は、米国特許第５，０４６，１１８号に示されている
が、この方法では部分エントロピーの概念を用いて、ヒ
ストグラムを背景領域と非背景領域（前景＋注視領域）
に分割している。背景点（図２及び４参照）は、直線ヒ
ストグラム及び対数ヒストグラムの双方に対して見出
す。背景点がピークの頂点に見出される場合、右点を計
算する際に後で使用するのに備え、初期背景点がピーク
の開始点に設定される。

【００３２】次に、それぞれのヒストグラムのＣＤＦを
用いて左点を計算する。これは、（注視領域によって形
成されるような）ヒストグラム中の重要なピークはＣＤ
Ｆにおいて大きな傾きの変化をもたらす（図１０参照）
という事実を利用して実行される。後に説明するよう
に、ヒストグラムの平均化した傾き変化を用いることに
より、注視領域の開始点を見出すことが可能となる。具
体的には、０〜１００のグレイレベル領域では、傾きの
変化を計算するのに、ウィンドウサイズ１００を用る。
各グレイレベルに対して、２つのＣＤＦの傾きを計算す
る。まず、カレントグレイレベルより高い１００のグレ
イレベルにおけるＣＤＦの傾きを計算する。同一の計算
を、カレントグレイレベルより低い１００のグレイレベ
ルについて行う（ゼロ未満のグレイレベルが計算に必要
な場合、ＣＤＦは０であると見なす）。カレントグレイ
レベルより低いグレイレベルの傾きに対するカレントグ
レイレベルより高いグレイレベルの傾きの比を、配列に
記憶する。グレイレベルレンジ１００〜２００において
も同一の計算を行う。ただし、異なるウィンドウサイズ
を用い、グレイレベル１００については１００から開始
し、グレイレベル２００の２００まで増加させる。グレ
イレベル２００と（背景点−２００）の間でも固定ウィ
ンドウ２００を用いて同一の計算を行う。次いで傾きの
変化値の配列を走査し、ＣＤＦが０．５未満（すなわち
５０％未満）の領域における最大の傾きの変化を見出
し、これを左点と決定する。この計算を直線ＣＤＦ及び
対数ＣＤＦの双方に対して行う。

【００３３】通常階調スケールの直線部分は左点で始ま
るが、開始点と左点の間の領域が解剖学的構造の詳細を
含む場合もあり得る。したがって、階調スケール曲線が
この領域をロールオフするかどうかを決定する必要があ
る。これは、傾きの変化の最大値（左点を見出すのに用
いられたもの）の大きさと、そこで生じるグレイレベル
を観察することによって行う。左点が０に近づくにつ
れ、ロールオフの量は明らかに減少する。同様に、傾き
の変化の最大値の大きさが減少するにつれ、この領域に
何らかの解剖学的構造が存在する場合が多くなる（これ
は、傾きが大きく変化する場合には、ヒストグラム中の
ピークが急激に上昇し、境界が明確に定められた注視領
域があることを意味し、一方傾きの変化が小さい場合に
は、この上昇がゆるやかで、なんらかの解剖学的構造の
詳細部分があることを意味しているからである）。この
場合はロールオフが上昇し、場合によってはヒストグラ
ムの開始点にまで及ぶ場合もある。

【００３４】ヒストグラムの右点（注視領域の末端で、
直線入力校正関数の場合の階調スケールの直線部分の末
端）を計算するために、２つの方法を用いる。これらの
内の１つは米国特許第５，０４６，１１８号に開示され
ている部分エントロピー技法であり、他法は左点を見出
すのに用いたものと同様のＣＤＦ傾斜法である。部分エ
ントロピー法は、左点と初期終点の間のヒストグラムの
構造を解析することによって、注視領域（ＲＯＩ）の実
効幅を生成する。この方法による右点（図２及び４参
照）は、左点と有効幅の合計によって与えられる。対数
ヒストグラムについても同一のエントロピー計算を行
い、第２右点を推定する。この対数推定は、下記に説明
する解析に対する直線空間に写像し直すことができる。

【００３５】ＣＤＦ法を直線ヒストグラム及び対数ヒス
トグラムに適用すると、２つの別の右点を推定する（図
３及び５参照）。この方法では、左点の計算と同様に、
２００のウィンドウを用い、ＣＤＦが０．５（すなわち
５０％）に達するグレイレベルを開始点として、ＣＤＦ
の傾きの変化比を各グレイレベルに対して見出す（図１
０参照）。このようにして、各グレイレベルに対し、後
続する２００のグレイレベルのＣＤＦの傾きの平均値を
求め、その後で、先行する２００のグレイレベルの傾き
の平均値を求める。‘後続する傾き’に対する‘先行す
る傾き’の比を配列に記憶する。このプロセスを２つの
ウィンドウ幅（すなわち４００）内のグレイレベルに達
するまで継続する。傾きの変化比が最小となったグレイ
レベルを右点と指定する。

【００３６】上記のステップにより、４つの右点が推定
される。一般に、これらの推定値はすべて同一ではな
く、何らかの決定機構によって階調スケールを作成する
ための最適な右点を選択しなくてはならない。決定機構
では、さまざまな推定右点を比較する際、通常ＣＤＦ法
によって生成された推定値に対して与えられる優先順位
と共に、近似基準の組合せを用いる。双方の方法に対す
る臨床的経験によると、通常はＣＤＦ法の方が正しい右
点について幾分良好な予測をもたらすが、必ずしもすべ
てがこのような結果になるとは限らない。

【００３７】四肢の検査の場合は、４つの推定値のう
ち、エントロピー法による２つだけが用いられる。四肢
の検査のヒストグラムは異なっており、（直線入力取得
関数に対して）ＣＤＦがより直線的である。すなわち、
グレイレベル当りのＣＤＦに付加される画素の増加百分
率は、他の検査ほどには変化しない。これは、四肢の
（薄い）柔組織ではＸ線の透過率が比較的高く、このた
めに柔組織のグレイレベルが背景を表すグレイレベルに
近似するためである。四肢の検査において正しい右点を
選択するための基準は、入力のグレイレベル当りのＣＤ
Ｆに付加される画素の百分率である。この数が０．００
７５％以上の場合、２つの推定右点のうちの高い方が右
点として選択される。グレイレベル当りの画素の百分率
が０．００７５％未満の場合、２つの推定右点のうちの
低い方が右点として用いられる。

【００３８】左点、右点、初期背景点、背景点を選択す
と、再び最大傾斜変化法を用いて初期背景点の最終的な
詳細化を行う。右点を開始点とし、各グレイレベルに対
して後続の２００のグレイレベルのＣＤＦの傾きの平均
値と、先行する２００のグレイレベルの傾きの平均値と
を計算し、これらの比を算出して記憶配列に記憶する。
傾きの変化が最大となるグレイレベルが、後の計算に用
いられる初期背景点となる（図３及び５参照）。階調ス
ケールの縦軸の値は、ハードコピー出力媒体を想定した
目標光学濃度で表示される。出力媒体がＣＲＴディスプ
レイの場合、縦軸の尺度は輝度比の対数を用いて同様に
実施することができる。たとえば、Ｌmax がディスプレ
イの最大の輝度である場合、別の輝度Ｌの等価濃度は、
Ｄeq＝−ｌｏｇ（Ｌ／Ｌmax ）で決定される。通常、Ｃ
ＲＴディスプレイの濃度のレンジはハードコピーよりも
はるかに小さいが、これによって生じるレンジはハード
コピーのレンジに合うように再度尺度を調整し、以下で
使用する目標濃度を容易にＣＲＴ上の等価輝度に変換で
きる。

【００３９】階調スケールの作成は左点から右点の間、
すなわち、注視領域から始まる（図６参照）。この領域
の階調スケールは、直線入力校正関数に対しては直線で
ある。ＲＯＩの初期階調スケールは、（左点，０）から
（右点，中点）まで伸びる直線である。ここで、中点は
たとえばＫＥＬＰレーザプリンタに対しては初期に１．
７に設定され、（ｘ，ｙ）という表記はグレイレベルの
関数として出力濃度のグラフの横軸と縦軸を表す。左点
から右点までのレンジのグレイレベルにおける画素によ
って寄与を受ける平均濃度は、各グレイレベルにおける
階調スケールの値に各グレイレベルの画素の百分率を乗
算し（すなわち、確率を表すように正規化したヒストグ
ラム値）、左点から右点まで加算した合計として計算さ
れる。処理する検査の種類に応じて、ＲＯＩには実験的
に決定された、画像の表示を最適化する目標濃度の組合
せがある。たとえば、胸部に対する最適レンジはＤ＝
０．７７〜０．８３であり、腹部に対してはＤ＝０．８
３〜０．９０、四肢に対しては１．０３〜１．０９であ
る。ＲＯＩの平均濃度が目標濃度より低い場合は、中点
値がレンジ内の値になるまで増加する。平均濃度が目標
濃度よりも高い場合は、中点値がレンジ内の値になるま
で低下する。

【００４０】右点から背景点までの階調スケール領域
（図７参照）は、一連の直線のセグメント、ＣＤＦの部
分構造と部分的及び全体的な制約に基づいて変化する終
点座標として、作成される。特に、背景点が近づくにつ
れて連続する直線のセグメントの傾きが減少する場合、
セグメント間で変化可能な傾きの度合に制約がある。こ
のいわゆる利得減衰率は、右点から背景点の間のＣＤＦ
値の総変化と、右点から背景点の間の平均グレイレベル
値の双方に基づいて異なる。前者の量は、注視領域外の
画素の概数を示し、後者の量はこれらの画素の分布状態
について示す。ＣＤＦの変化が大きいか、あるいは右点
と平均グレイレベルの間の距離が大きいほど、セグメン
ト間でで可能となる傾きの変化は大きくなる。

【００４１】右点と背景点の間の領域では、２種類の階
調スケール形態が可能である。（右点，中点）から（背
景点，Ｄmax ）の間の直線の傾きがＲＯＩの階調スケー
ルの傾きより大きい場合は、階調スケール曲線はロール
アンダ曲線として区別される（図１１参照）。この場
合、階調スケール曲線は、右点から背景点までのレンジ
における傾きが注視領域と同一になるように形成され
る。さらに、階調スケール曲線はこの傾きでヒストグラ
ムの終点に達するまで延長される。すなわち、ＲＯＩを
示す直線セグメントが、ヒストグラムの終点に到達する
まで、単純に延長される。

【００４２】（右点，中点）から（背景点，Ｄmax ）ま
での傾きが注視領域よりも小さい場合（図７参照）、階
調スケールはロールオーバ曲線として区別され、複数の
直線セグメントを用いて背景点まで連結する。ＲＯＩの
傾きが（右点，中点）と（背景点，Ｄmax ）の間の傾き
に比べて、上記で計算された最大利得減衰率よりもさら
に大きい場合、この変化が最大利得減衰率に等しくなる
まで、背景点を右点よりに移動する（図１２参照）。右
点と背景点の間の領域は、次いで一連の直線のセグメン
トによって満たされる。各セグメントは、直前のセグメ
ントの終点を開始点とし、傾きはその前のセグメント以
下である。各セグメントの実際の長さや傾きは、カレン
トグレイレベルと背景点の間の残りのグレイレベルの固
定増加率に対するＣＤＦの増加率（最終座標を開始点と
する）によって異なる。したがって、高出力濃度の階調
スケールの形状は、このレンジのヒストグラムの画素の
数や分布によって異なるが、ヒストグラム等化技法ほど
直接には異ならない。セグメントの傾きを調整するのに
用いられるグレイレベルの固定増加割合は、検査の違い
によって異なり、胸部検査では２０％、他の検査では２
５％である。新たに形成された各セグメントは最大グレ
イレベル方向に一時的に延長補間され、背景点の前また
は後でＤmax に達するかどうかをチェックする。背景点
に達する前にＤmax に達っした場合、もう一つのセグメ
ントを階調スケールに加える。背景点前でＤmax に達し
ない場合、カレントセグメントが背景点においてＤmax
に達するように変更され、この領域における階調スケー
ルの作成を終了する。背景点から終点までは、階調スケ
ールはＤmax で一定である。

【００４３】階調スケールの作成後は、全体画像（左点
から初期背景点）に対する平均濃度基準も満たさなけれ
ばならない。画像の平均濃度が高過ぎる場合、中点を下
げ、目標濃度レンジ内になるまで直線セグメントを再計
算する。平均濃度が低過ぎる場合、目標濃度レンジ内に
なるまで中点を上げる。全体画像に対する平均濃度は、
胸部に対してレンジＤ＝０．８７〜０．９０、腹部に対
して０．９３〜０．９６、四肢に対してＤ＝１．１２〜
１．１５である。

【００４４】腹部及び四肢の検査に対しては、さらに計
算を行わなくてはならない。これらの検査に対して（左
点，Ｄmin ）から階調スケールを開始すると、四肢の骨
の高石灰化領域や、腹部検査の高密度領域（特に横隔膜
下領域）が、出力上で白くなり過ぎる効果があることが
実験的に見出されている。その結果、これらの検査に対
する階調スケールは、（左点，Ｄmin ＋０〜１）から開
始するように変更する。これには、ＲＯＩ直線を、この
新たな点を通過してＤmin に到達するまで延長補間し、
新たな実効左点を計算する必要がある。この新たな左点
から、ＲＯＩにおける右点と背景点の間の新たな階調ス
ケールを計算し、上記と同一の方法を用いて終点までの
階調スケールを計算する。さらに（ロールオフを行う場
合は）、左点で階調スケールをロールオフするウィンド
ウは、この新たな左点を含むように変更しなければなら
ない。

【００４５】最終的な階調スケールを作成する前に、開
始点と最終的な左点の間にある解剖学的構造の詳細部分
を切り落さないよう、左点のロールオフを行う（図８参
照）。このロールオフ操作は、上記のようにサイズを計
算された可動平均ウィンドウを用いて行う。

【００４６】最後の操作は、直線セグメントを含む階調
スケール領域において傾きの不連続性を排除するための
階調スケールの平滑化である。平滑化操作は、この操作
が必要な階調スケール領域のみに適用される選択的な操
作であることに注意することが重要である。ＲＯＩは本
来平滑でないため、直線入力校正関数に対しては直線の
ままである。右点より下のウィンドウサイズの半分から
始まり、最大グレイレベルより上のウィンドウサイズの
半分まで、利用できるグレイレベルの数の約１０分の１
のウィンドウサイズを用いる。この点と最大グレイレベ
ルの間で、最大グレイレベルに到達するまで、連続的に
低下するウィンドウサイズを用いる。

【００４７】入力校正関数が直線である場合、階調スケ
ールの作成は終了する。入力校正関数が対数である場
合、全体的な階調スケールは、対数・直線変換関数（方
程式１）を用いて上記のように計算する（図９参照）。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるデ
ィジタル放射線画像における自動階調スケール生成方法
によれば、入力画像化様式、露出条件、入力校正関数の
形状（対数あるいは直線）の違いに対して有効な階調ス
ケール変換関数を生成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるディジタル画像処理シ
ステムの部分斜視図と部分構成ブロック図である。

【図２】対数入力校正関数により取得された典型的な射
影Ｘ線画像のヒストグラム図である。

【図３】図２のヒストグラムによって表されたディジタ
ル画像の累積分布関数を示すグラフ図である。

【図４】直線入力校正関数により取得された典型的な射
影Ｘ線画像のヒストグラム図である。

【図５】図４のヒストグラムによって表されたディジタ
ル画像の累積分布関数を示すグラフ図である。

【図６】本発明に従い、注視領域（左点から右点）に対
して生成された典型的な階調スケール変換関数を示すグ
ラフ図である。

【図７】本発明に従い、左点から背景点までに対して生
成された典型的な階調スケール変換の直線セグメントを
説明するのに有用なグラフ図である。

【図８】本発明に従い、直線の入力校正関数に対して生
成された左点のロールオフによる典型的な平滑化変換関
数を示すグラフ図である。

【図９】対数の入力校正関数に対し、図８の関数から変
換された典型的な階調スケール変換関数を示すグラフ図
である。

【図１０】累積分布関数の傾きの変化の計算を説明する
のに有用なグラフ図である。

【図１１】ロールアンダ階調スケール曲線と、修正した
階調スケール曲線を示すグラフ図である。

【図１２】階調スケール曲線の注視領域（ＲＯＩ）から
残りの領域にかけての傾きの変化による、背景点の修正
を説明するのに有用なグラフ図である。

【符号の説明】

１０ 記憶蛍光体 １１ 水平方向 １２、１４ ローラ対 １６、１８ ローラ対 ２０ 走査放射領域 ２２ レーザ ２４ レーザビーム ２６ 回転多角ミラー ２８、３０ 走査光学素子 ３２ ミラー ３４ 光検出器 ３６ アナログ・ディジタル変換器 ３８ 画像処理装置 ４０ ディスプレイモニタ ４２ フィルムライタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディジタル放射線画像における階調スケ
   ール変換生成方法であって、 ディジタルコンピュータにおいてディジタル放射線画像
   を提供するステップと、 前記ディジタル放射線画像から直線ヒストグラムと対数
   ヒストグラムの双方を生成するステップと、 前記直線ヒストグラムから直線累積分布関数（ＣＤＦ）
   を生成するステップと、 前記対数ヒストグラムから対数累積分布関数（ＣＤＦ）
   を生成するステップと、 前記直線ヒストグラムと対数ヒストグラムのそれぞれに
   対して、ヒストグラム値がゼロでない最初のグレイレベ
   ルとなる開始点と、ヒストグラム値がゼロでない最後の
   グレイレベルとなる終点を決定するステップと、 前記直線ヒストグラムと対数ヒストグラムのそれぞれに
   対して、前景と注視領域の間に境界を形成する左点と、
   注視領域と他の解剖学的構造の間に境界を形成する右点
   と、他の解剖学的構造と真の直接Ｘ線背景の間に境界を
   形成する背景点とを決定するステップと、 階調スケール関数を形成するステップとから成り、 前記階調スケール関数を形成するステップが、 注視領域の左点から右点で直線部分を有し、注視領域の
   平均濃度を計算し、放射線画像の種類に応じて、ディジ
   タル放射線画像の分類に対してあらかじめ決定した最適
   レンジの範囲になるまでメジアン値を上げるか下げ、 右点から背景点まで１つ以上の直線セグメントを有し、
   直線セグメントの終点座標が直線ＣＤＦの部分構造によ
   って決定され、 可動平均ウィンドウを用いる開始点と左点の間のロール
   オフを有し、 放射線画像の分類に対してあらかじめ決定した平均濃度
   に応じて、全体的な階調スケールの平均濃度を上げたり
   下げたりすることを特徴とし、 ディジタル放射線画像を階調スケール関数によって処理
   して処理放射線画像を生成するか、あるいは階調スケー
   ル関数を含む探索テーブルを形成し、ディジタル放射線
   画像によって探索テーブルを転送することを特徴とする
   ディジタル放射線画像における階調スケール変換生成方
   法。