JPH07118004B2 - エネルギー差分画像処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は医療に用いられるＸ線診断装置或は工業に用
いられる非破壊検査装置に用いられる画像処理方法に関
する。

従来の技術 Ｘ線が物体を透過する際の、Ｘ線の減衰を第３図に示
す。厚さd₁の物体（１）１と厚さd₂の物体（２）２を透
過するＸ線強度I₁（Ｅ）は、Ｘ線管からのＸ線出力強度
I₀（Ｅ）、物体（１）１の減衰係数μ_Ａ（Ｅ）、厚さ
d₁、物体（２）２の減衰係数μ_Ｂ（Ｅ）、厚さd₂を用い
て表示すると以下のようになる。

I₁（Ｅ） ＝I₀（Ｅ）exp｛−μ_Ａ（Ｅ）d₁−μ_Ｂ（Ｅ）d₂｝ ……
（１） Ｘ線のエネルギーＥを２つの帯域に分離し、Low、High
として両辺対数変換すると、以下のようになる。

−lnI′（Low）＝μ_Ａ（Low）d₁＋μ_Ｂ（Low）d₂ ……
（２） −lnI′（High）＝μ_Ａ（High）d₁＋μ_Ｂ（High）d₂ …
…（３） Ｉ′（Low）＝Ｉ（Low）/I₀（Low） Ｉ′（High）＝Ｉ（High）/I₀（High） −lnI′（Low）＝Ｓ（Low）、−lnI′（High）＝Ｓ （High）として書き直すと、（２）、（３）式は以下よ
うになる。

Ｓ（Low）＝μ_Ａ（Low）d₁＋μ_Ｂ（Low）d₂ ……（４） Ｓ（High）＝μ_Ａ（High）d₁＋μ_Ｂ（High）d₂ ……
（５） （４）、（５）式をd₁、d₂に関して解くと、 d₁＝1/Δ＊｛μ_Ｂ（High）Ｓ（Low） −μ_Ｂ（Low）Ｓ（High）｝ ……（６） d₂＝1/Δ＊｛−μ_Ａ（High）Ｓ（Low） ＋μ_Ａ（Low）Ｓ（High）｝ ……（７） 減弱係数μは材料固有の値であるので，（６），（７）
式を係数a₁−a₄を用いてＳ（Low）,S（High）の関数と
して書き直すと， d₁＝a₁S（Low）＋a₂S（High） ……（８） d₂＝a₃S（Low）＋a₄S（High） ……（９） （８），（９）式をＸ線透過画像で説明すると，物体の
Ｘ線透過画像の対数変換画像の一次の関数として,X線透
過画像から特定の物体の厚さに対応した画像成分のみを
抽出することが可能である。この方法はエネルギーサブ
トラクション法（差分法）として下記の文献に説明され
ている。

［石田：画像処理のハードウエアとソフトウエア、医用
電子と生体工学、Vol.22、No.1、p53］ 上述の方法を実用の場で説明する。一例として，物体
（１）をアルミニウム，物体（２）を水として考える。
第５図はアルミニウムと水の線減弱係数μを示した図で
ある。図から分かるように，それぞれの線減弱係数はＸ
線エネルギーに対して非直線的であり，特に低エネルギ
ー側で急激に値が増加している。低エネルギー側での線
減弱係数の増加のＸ線スペクトルに与える影響を第３図
に示す。第６図において，縦軸はＸ線の光子数をしめ
す。曲線（１）は管電圧120KV_Pにおける一般的なＸ線源
から放出されるＸ線スペクトル，曲線（２），（３）は
物体の厚さが増加したときの，物体を透過するＸ線スペ
クトルの変化を示すたものである。図から理解できるよ
うに，物体の厚さが増加するにしたがい，物体の低エネ
ルギーＸ線の吸収が増大し，透過Ｘ線スペクトルの平均
エネルギーの高エネルギー側へシフトする現象を生じ
る。この現象はビームハードニング（Beam−Hardning）
現象と呼ばれている。

以下にこのようなビームハードニング現象を伴う場での
（８），（９）式に示すエネルギーサブトラクション法
を実照射において適用する。第７図は実験に用いる物体
で、物体（１）としてアルミニウム0.5Cm,物体（２）と
して水０〜20Cmを用いたときの形状とＸ線照射方向を示
している。この様な物体にＸ線管電圧120KVpのｘ線を照
射し、半導体放射線検出器をもちいてスキャニングを行
い透過画像を得た。検出器からの信号は、ディスクリミ
ネートレベルを20KeVと60KeVにもうけ、20KeV〜60KeVに
おける画像信号の対数変換値をＳ（Low）、60KeV〜120K
eVにおける画像信号の対数変換値をＳ（Low）とし、係
数ａの値は、水の厚さ10Cmにおける画像に於てアルミニ
ウムのみの画像、すなはち水の画像成分を消去した画像
が得られるように決定した。（８）式を用いてアルミニ
ウムd₁画像を得るために使用した。a₁、a₂の値は次のよ
うになる。

a₁＝１ a₂＝−1.13 このときの画像成分を第８図に示す。第８図は水の厚さ
の変化に対する水消去画像に含まれる水の残留成分およ
びアルミニウムの信号成分を示す図である。水の厚さ10
Cmにおいて水を消去すると、水の厚さ10Cmにおいてはア
ルミニウムのない信号成分は０となるが、水の厚さが減
少または増加すると画像中に水の残留信号成分が含まれ
る。特に水の厚さの薄い部分において顕著である。アル
ミニウム成分は水の残留成分との差として、水の厚さ全
域にわたり平均的なコントラスト差が得られている。こ
れを実際の画像でみた場合を第９図に示す。第７図に示
したアルミニウム、水画像は、水の厚さが10Cm近傍にお
いては水の画像は画面から全く消去され、アルミニウム
画像のみとして抽出されているが、水の厚さが薄い、ま
たは厚い領域では水の残留画像成分が出現している。

発明が解決しようとする課題 上記のように、エネルギーサブトラクション法（差分
法）は従来のように対数変換画像の差分のみでは物体の
厚さの変化を伴う場合は、厚さ全域に帯して理想的な差
分を行うことは不可能である。

課題を解決するための手段 半導体放射線検出器を用い、２つのディスクリミネート
レベルを設け、物体を透過したＸ線を２種類のエネルギ
ー帯に分割してＸ線光子計数を行うことによりＸ線画像
を得、高いエネルギー帯における計数値により構成され
た画像の対数変換画像をＳ（Ｈ）、低いエネルギー帯に
おける計数値により構成された画像の対数変換画像をＳ
（Ｌ）とし、前記Ｓ（Ｈ）、Ｓ（Ｌ）、およびその指数
関数である｛Ｓ（Ｈ）｝^ｘ、｛Ｓ（Ｌ）｝^ｙのそれぞれ
に係数を組み合わせて加算を行うことにより、物体を構
成する材料の中特定の材料を選択的に抽出もしくは消去
した画像を得る。

作用 上記の方法により、高次の項をもうけることにより、厚
さの変化にともなう物体のＸ線透過画像からエネルギー
サブトラクション画像を得る場合に、Ｘ線のビームハー
ドニング現象にともなう残存像を無くし、最適なエネル
ギーサブトラクション画像を得ることが出来る。

実施例 ビームハードニング現象による信号成分の変化を、第７
図の物体を用いて調べてみた結果を第１図に示す。第１
図は水の厚さの変化に対して、アルミニウム信号成分の
変化を示した図であり、低エネルギー信号成分とは、前
述の画像Ｓ（Low）においてアルミニウムの無い部分の
透過画像からアルミニウム有りの部分の透過画像を引い
た画像信号成分であり、高エネルギー信号成分とは同様
に画像Ｓ（High）を用いて得た画像信号成分である。こ
の様に、信号成分が水の厚さにより非直線的に変化する
ことにより、前述の（８）、（９）式に示す一次式で差
分を用いることでは最適画像は得られないことが理解で
きる。

第１図に示す非直線的な信号成分から水の厚さの変化に
対しても直線的な信号成分を得るために、（８）、
（９）式に下記のように｛Ｓ（Ｈ）｝^ｘ、｛Ｓ（Ｌ）｝
^ｙの項を付加する。

d₁＝a₁S（Ｌ） ＋a₂S（Ｈ）＋a₅｛Ｓ（Ｌ）｝^ｙ＋a₆｛Ｓ（Ｈ）｝^ｘ …
…（10） d₂＝a₃S（Ｌ） ＋a₄S（Ｈ）＋a₇｛Ｓ（Ｌ）｝^ｙ＋a₈｛Ｓ（Ｈ）｝^ｘ …
…（11） 実験に於て、管電圧120KV_Pの入射Ｘ線に対して上式の最
適条件になるｘおよびa₁〜a₈の値を求める。

（10）式を用いてアルミニウムd₁画像を得るために使用
したa₁、a₂、a₅、a₆、x,yの値は以下のようになる。こ
の場合も同様に水10Cmの厚さにおいて、アルミニウムの
みの画像が得られるように値を決定した。

a1＝−１ a2＝１、５ a5＝０、２ a6＝０、05 ｘ＝１、９ 上記のパラメータを用いて得られたアルミニウムの画像
のコントラストを第２図に示す。第８図に比較して、ア
ルミニウムの無い信号成分が水の厚さ０〜20Cmにわたり
均一なコントラストが得られている。

同様に（１）式を用いて水d₂の画像を得るために使用し
たa₃、a₄、a₇、a₈、ｘの値は以下のようになる。

a₃＝１ a₄＝−１、05 a₇＝−０、15 a₈＝０、05 ｘ＝1.9 ｙ＝1.9 このパラメータを用いて処理を行うと、アルミニウムを
ほとんど消去した水のみの画像が得られる。またここで
a₉・Ｓ（Ｈ）・Ｓ（Ｌ）の項を加えて補正を行なえばよ
り細かな補正が可能となる。

上述のデータはテルル化カドミウムを使用して、Ｘ線ス
リットを用いて散乱線を極力除いた状態で測定を行っ
た。

以上、水とアルミニウムの分離について述べたが、対象
物体はＸ線の吸収係数が異なる物体であれば、応用する
ことが出来る。例えば、生体であれば骨、軟組織、造影
された血管、石灰化組織などの分離、その他であれば、
金属と樹脂の分離などに応用できる。

また、撮影に用いる半導体放射線センサは、シリコン、
ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、カドミ化テルル、ヨウ化
水銀などのスペクトル測定の出来るセンサが適してい
る。

発明の効果 本発明によれば、高エネルギーと低エネルギー領域に分
離した画像の対数変換画像を得、サブトラクション法を
使用して、物質の分離画像を得る際のビームハードニン
グ現象に伴う画像のコントラスト歪を、サブトラクショ
ン計算中に対数変換画像の値の高次の項を加えることに
より、歪を無くした最適な画像を得ることが可能とな
る。

さらに、半導体をスペクトロスコピックに使用すること
により、１回のＸ線撮影により、高低両エネルギー画像
を同時に得ることが出来、動きのある撮影対象に対して
も有効な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は対数変換画像中に含まれる高低エネルギー信号
成分を示す図、第２図は本発明の画像処理によるアルミ
ニウム信号成分を示す図、第３図は本発明の画像処理に
よるアルミニウム画像を示す図、第４図はＸ線の物質透
過モデルを示す図、第５図は水とアルミニウムの線減弱
係数を示す図、第６図はＸ線スペクトルを示す図、第７
図は実験に使用した水とアルミニウムのモデルを示す
図、第８図は従来の画像処理により得られたアルミニウ
ム信号成分を示す図、第９図は従来の画像処理によるア
ルミニウム画像を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 末喜 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 渡辺 正則 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−163340（ＪＰ，Ａ) 医用電子と生体工学，24［３］（1986− ６），Ｐ．175−182 日本医放会誌，46［１］（1986），Ｐ. 75−77 日本医放会誌，49［９］（1989），Ｐ. 1152−1167

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体放射線検出器を用い、２つのディス
   クリミネートレベルを設け、物体を透過したＸ線を２種
   類のエネルギー帯に分割してＸ線光子計数を行うことに
   よりＸ線画像を得、高いエネルギー帯における計数値に
   より構成された画像の対数変換画像をＳ（Ｈ）、低いエ
   ネルギー帯における計数値により構成された画像の対数
   変換画像をＳ（Ｌ）とし、前記Ｓ（Ｈ）、Ｓ（Ｌ）、お
   よびその指数関数である｛Ｓ（Ｈ）｝^ｘ、｛Ｓ（Ｌ）｝
   ^ｙのそれぞれに係数を組み合わせて加減乗算を行うこと
   により、物体を構成する材料の中特定の材料を選択的に
   抽出もしくは消去した画像を得ることを特徴とするエネ
   ルギー差分画像処理方法。