(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布を読み取って電気信号に変換する画像読取手段と、
該変換された電気信号を処理して原画像を生成し、その生成された原画像の画素値分布を平滑化して得られる平滑化画素値分布と前記原画像の画素値分布とを加算して加算画素値分布を演算し、演算された加算画素値分布に対しダイナミックレンジ圧縮処理を行う信号処理手段と、
前記ダイナミックレンジ圧縮処理された出力を画像として表示する画像表示装置と、を備えた画像処理装置において、
前記信号処理手段は、前記平滑化画素値分布をパラメータとする第１の単調増加関数と、前記前記原画像の局所的変動成分及び前記平滑化画素値分布をパラメータとする第２の単調増加関数との和から前記加算画素値分布を演算することを特徴とする画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、医用ディジタル画像の階調特性を変更する画像処理装置に係り、特にコントラスト圧縮処理に好適な画像処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像情報の大局的な階調特性を変更して、通常では可視不良域にあたる濃度域を可視域に移動させ画像を見易くする画像処理方法として、例えばMedical Imaging Technology誌、第16巻、第6号(1998年11月発行)の第655頁から第665頁に掲載された、笠井、藤田他による研究論文「腫瘤陰影自動検出アルゴリズムにおける左右乳房画像の比較による偽陽性候補の削除」の中で論じられているようなダイナミックレンジ圧縮処理がよく用いられてきた。
【０００３】
この種のダイナミックレンジ圧縮処理では、原画像の画素値分布Ｏから該画素値分布Ｏをボケマスク法などで平滑化した画素値分布Ｂを求め、Ｂを濃度変換したｋ(Ｂ)を原画像Ｏから差し引くことで、濃度域の移動を行う。この処理は画像処理後の画素値分布をＰとしたときに式(１)と表される。
Ｐ＝Ｏ−ｋ(Ｂ)…(１)
式(１)を変形すれば、式(２)となる。
Ｐ＝ｈ(Ｂ)＋Ｖ…(２)
ここで、ｈ(Ｂ)は、式(３)に示されるように、画像情報の大局的な階調特性の変換を表す関数である。
ｈ(Ｂ)＝Ｂ−ｋ(Ｂ)…(３)
式(３)で示される階調特性は、単調増加している途中から減少させるようなことはないので、ｈ(Ｂ)はＢの広義の単調増加関数といえる。なお、白黒反転とダイナミックレンジ圧縮処理と一緒に行うこともあるが、その場合は演算式全体を符号反転した処理となる。
また、式(２)でＶは式(４)で示され、Ｏの局所的な変動成分に相当している。
Ｖ＝Ｏ−Ｂ…(４)
【０００４】
こうした従来のダイナミックレンジ圧縮処理で、比較的小さくて大きなコントラストを有する対象を含む画像を処理すると、場合によっては処理後画像Ｐの画素値変動範囲が原画像Ｏの変動範囲を大きく逸脱してしまうことが生じる。
そして、処理後画像を表示するフィルムやＣＲＴの濃度や輝度の変動範囲は有限なので、画像情報の一部が、表示媒体の濃度や輝度の変動範囲を超えたために失われてしまう現象(以下「ツブレ」と称する)も生じるものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記変動範囲には比較的重要な診断情報が含まれることが多く、上記ツブレによって貴重な診断情報が見えなくなるおそれがあるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、ツブレの影響を除去したダイナミックレンジ圧縮を行える画像処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布を読み取って電気信号に変換する画像読取手段と、該変換された電気信号を処理して原画像を生成し、その生成された原画像の画素値分布を平滑化して得られる平滑化画素値分布と前記原画像の画素値分布とを加算して加算画素値分布を演算し、演算された加算画素値分布に対しダイナミックレンジ圧縮処理を行う信号処理手段と、前記ダイナミックレンジ圧縮処理された出力を画像として表示する画像表示装置と、を備えた画像処理装置において、前記信号処理手段は、前記平滑化画素値分布をパラメータとする第１の単調増加関数と、前記前記原画像の局所的変動成分及び前記平滑化画素値分布をパラメータとする第２の単調増加関数との和から前記加算画素値分布を演算することを特徴とする画像処理装置によって達成される。
【０００８】
具体的には、各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布を読み取って電気信号に変換する画像読取手段と、この画像読取手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、この信号処理手段からの出力信号を画像として出力する画像出力手段とから成る画像処理装置において、上記信号処理手段が、上記原画像の画素値分布Ｏから、該画素値分布Ｏを平滑化して得られる画素値分布Ｂと、上記画素値分布Ｏの局所的な変動成分Ｖとを求め、画像出力時の画素値分布をＰとしたときに演算式
Ｐ＝ｈ(Ｂ)＋ｆ(Ｂ;Ｖ)
(ただし、ｈ(Ｂ)はＢの単調増加関数である。又、ｆ(Ｂ;Ｖ)はＢをパラメータとするＶの関数であり、Ｂが一定であるとき、Ｖ1＜Ｖ2なるＶの組に対して常にｆ(Ｂ;Ｖ1)≦ｆ(Ｂ;Ｖ2)となるＶに関する広義の単調増加関数である。また、ｆ(Ｂ;０)＝０であり、Ｖのとり得る最大値ＶmaxとＯのとり得る最大値Ｏmaxに対してｆ(Ｂ;Ｖmax)≦Ｏmax−ｈ(Ｂ)となり、Ｖのとり得る最小値ＶminとＯのとり得る最小値Ｏminに対してｆ(Ｂ;Ｖmin)≧Ｏmin−ｈ(Ｂ)となる性質を有する。)
で表される演算を行うようにしたものである。
【０００９】
また、関数ｆ(Ｂ;Ｖ)が、
ｇ(0)=0
なる性質を持つ関数ｇ(ａ)とＶが正もしくは０であるとき、Ｏのとり得る最大値Omaxと定数αによりγ＝α(Ｏmax−ｈ(Ｂ))
で与えられ、Ｖが負であるとき、Ｏのとり得る最小値Ｏminと上式と同じ定数αによりγ＝α(ｈ(Ｂ)−Ｏmin)
で与えられるパラメータγと原画像の画素値分布Ｏの関数もしくはＯを平滑化して得られる計測値分布Ｂの関数もしくは定数であるパラメータβとにより、演算式ｆ(Ｂ;Ｖ)＝γｇ(βＶ/γ)によって規定されるものである。
つまり、上記組み合せはパラメータＢとＶで規定される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、ダイナミックレンジ圧縮処理によるツブレの現象について具体例を用いて明らかにする。
【００１１】
例えば、図２(１)に断面が示されるように、対象に図面上方からＸ線を照射して撮像する場合を考える。この対象は、辺縁部分を肉厚に中央部分を肉薄に形成された板状であって、辺縁部に近い部分には小さな穴が設けられ、中央部分にはＸ線吸収率が高い鉛のようなＸ線高吸収体が置かれたものを使用する。ここでは説明を簡単にするため、上記対象の一断面のＸ線透過量分布を表わす一次元プロフィールで表わす。一次元プロフィール(図２(２))では、対象の辺縁部分を低い画素値として対応づけ、中央部分は高い画素値として対応づけるが、前記穴の箇所は殆どＸ線吸収が起こらずに最大値に近い高い画素値となり、前記Ｘ線高吸収体の箇所は殆どＸ線吸収がされてしまい最小値に近い低い画素値となって、これらは小さい画像領域内で局所的に大きなコントラストを有する部分となっている。なお、対象の断面(図２(１))と比較して一次元プロフィール(図２(２))の変化が緩やかなのは散乱Ｘ線の影響を受けているためである。
【００１２】
図２(２)の一次元プロフィールにダイナミックレンジ圧縮処理を行うと、図２(３)の実線で示すプロフィールに変化する。点線で示す処理前のプロフィールと比較すると低画素値の肉厚の部分は画素値が上がり、高画素値の肉薄の部分は画素値が下がり、原画像の低空間周波数成分の階調特性が圧縮される方向に変化していることがわかる。
【００１３】
しかし、その信号成分に重畳される高周波数の変動成分の大きさは変わらないので、肉厚部に開けられた穴の部分の画素値も押し上げられて、最大画素値を超えツブレとなっている。又、肉薄部に置かれた金属小片の部分の画素値も引き下げられ、こちらは最小画素値を超えたツブレとなっている。
【００１４】
本発明による画像処理方法は、Ｘ線量、光学濃度、輝度、Ｘ線吸収係数、水素原子濃度、放射性同位元素濃度、超音波反射量、温度等の各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布である原画像に対して、画像情報を読み取って電気信号に変換しこの電気信号を画像として出力するに際し、画像情報の大局的な階調特性を変更して、通常では可視不良域にあたる濃度域を可視域に移動させ画像を見易くするとともに、処理に伴うツブレの発生を防止するものである。
【００１５】
このような画像処理を行うために、本発明では、二次元画像上の位置座標をx,yとし、原画像の各種物理量の局所計測値、例えば局所Ｘ線量である原画像の画素値分布Ｏ(x,y)から、劾分布Ｏ(x,y)を平滑化して得られる大局的な画素値分布Ｂ(x,y)と、上記画素値分布Ｏ(x,y)の局所的な変動成分Ｖ(x,y)とを求め、画像出力時すなわち画像処理後の画素値分布Ｐ(x,y)と次の式(５)のように関係づける。
Ｐ(x,y)＝ｈ(Ｂ(x,y))＋ｆ(Ｂ(x,y);Ｖ(x,y))  …(５)
【００１６】
ここで、ｈ(Ｂ)はＢの広義の単調増加関数であり、ダイナミックレンジ圧縮に相当する画像情報の大局的な階調特性の変換を表す関数である。又、ｆ(Ｂ;Ｖ)は画素値分布Ｂ(x,y)をパラメータとする変動成分Ｖ(x,y)の関数である。ｆ(Ｂ;Ｖ)はＢが一定であるとき、式(６)なる値の組に対して式(７)なる関係を満たす広義の単調増加関数である。
Ｖ1＜Ｖ2  …(６)
ｆ(Ｂ;Ｖ1)≦ｆ(Ｂ;Ｖ2) …(７)
【００１７】
ここで、Ｖは変動成分であるので正負の値をとるが、Ｂの値によらず式(８)である。
ｆ(Ｂ;０)＝０  …(８)
そして、Ｂを一定にしたとき、Ｖのとり得る最大値Ｖmaxに対して式(９)を満たし、
ｆ(Ｂ;Ｖmax)≦Ｏmax−ｈ(Ｂ)  …(９)
Ｖのとり得る最小値Ｖminに対して式(１０)を満たすようにする。
ｆ(Ｂ;Ｖmin)≧Ｏmin−ｈ(Ｂ)  …(１０)
【００１８】
ここで、式(９)のＯmaxは原画像がとり得る最大画素値であり、式(１０)のＯminは原画像がとり得る最小画素値である。こうすれば、式(５)、式(９)、式(１０)より、式(１１)となり、
Ｏmin≦Ｐ(x,y)≦Ｏmax  …(１１)
画像として再生する際の処理後画像の濃度分布Ｐ(x,y)は原画像がとり得る濃度範囲〔Ｏmin,Ｏmax〕を超えることがないのでツブレ現象は完全に除去できる。
【００１９】
上記の性質を満たす関数ｆ(Ｂ;Ｖ)として、例えば、次のようなものが考えられる。即ち、式(１２)とし、γをＶが正もしくは０の場合は式(１３)とし、Ｖが負の場合は式(１４)とする。
ｆ(Ｂ;Ｖ)＝(２γ／π)arctan〔(π/2)βＶ/γ〕…(１２)
γ＝Ｏmax−ｈ(Ｂ)  …(１３)
γ＝Ｂ−Ｏmin  …(１４)
式(１０)において、βは変動成分の強さを調整するパラメータであり、arctanはラジアン単位の逆正接関数であり、πは円周率である。
【００２０】
次に、このように構成された画像処理方法の動作について、図１に示す上記の画像処理方法の実施に使用する画像処理装置に即して説明する。
【００２１】
図１において、画像読取手段１は、各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布である原画像に対して、画像情報を読み取って電気信号に変換するもので、例えば入射Ｘ線の線量分布を光電変換によって画素毎の信号電荷に変換し、マトリックス状に配置されたスイッチング素子を駆動して順次信号電荷を読出してディジタル信号に変換するＸ線平面検出器から成る。信号処理手段２は、上記画像読取手段１から出力されたディジタル信号を入力して所要の処理、例えばダイナミックレンジ圧縮を行うものである。画像出力手段は、上記信号処理手段２からの出力信号を画像として出力するもので、信号処理手段のディジタル信号をアナログの映像信号に変換してモニタ画面に表示する画像表示装置３や、処理後の信号に従って輝度変調したレーザ光をフィルムもしくは印画紙上に走査して画像のハードコピーを作成するレーザプリンタ４などから成る。
【００２２】
このような画像処理装置を用いて、Ｘ線量、光学濃度、輝度、Ｘ線吸収係数、水素原子濃度、放射性同位元素濃度、超音波反射量、温度等の各種物理量の局所的な計測値である画素値の二次元分布である原画像に対して画像処理するには、まず、画像読取手段１で原画像の画像情報を読み取りディジタル信号に変換する。次に、この画像読取手段１から出力されたディジタル信号は、信号処理手段２へ入力し、その内部に設けられた第一の画像記憶装置5aに蓄積される。この画像記憶装置５ａ内で画像情報は画素(i,j)ごとの濃度値に対応したディジタル値Ｏ(i,j)として蓄えられる。ここで、(i,j)は画素の番号をマトリックス形式で表わしたものであり、例えば原画像の左上隅から右にｉ番目、下にｊ番目の画素を表わす。
【００２３】
次に、上記画像記憶装置5aの出力信号Ｏ(i,j)を平滑化演算器６に入力し、矩形マスクによる平滑化を行い、出力信号Ｂ(i,j)を第二の画像記憶装置５ｂに蓄える。即ち、平滑化演算器６では式(１５)で表わされる演算を行う。
【００２４】
ただし、上式でｎはマスクサイズであり、除算n/2の小数点以下は切り捨てられる。マスクサイズｎはｎ値群７の中から第一の切換器８ａによって選択する。平滑化された画像信号Ｂ(i,j)は更に画像情報の大局的な階調特性を変換するためにｈテーブル群９中の第二の切替器８ｂで選択したｈテーブルに入力してｈ(Ｂ(i,j))に変換し、第三の画像記憶装置5cに蓄える。ｈテーブル群９にはＩＣメモリで構成されたルックアップテーブルであるｈテーブルが複数個含まれており、ＩＣメモリのアドレス入力に対応する入力値Ｂ(i,j)に応じて、ＩＣメモリのデータ出力に対応する出力値ｈ(Ｂ(i,j))が関係づけられている。
【００２５】
以上の準備を行った後、実際の画像処理を実行する。即ち、まず、第一の画像記憶装置５ａから読み出された原画像の画素値Ｏ(i,j)と、第二の画像記憶装置５ｂから読み出された平滑化した画像濃度Ｂ(i,j)を第一の引き算器１０ａに
Ｖ(i,j)＝Ｏ(i,j)−Ｓ(i,j)  …(１６)
を行う。この引き算器１０ａの出力Ｖ(i,j)は局所的変動成分に相当する。
【００２６】
同時に、第三の画像記憶装置５ｃから読み出された変換された平滑化画素値ｈ(Ｂ(i,j))を第二の引き算器１０ｂと第三の引き算器１０ａ １０ｃにそれぞれ入力し、二種類の減算を式(１７)、式(１８)のように行う
Ｏmax−ｈ(Ｂ(i,j))  …(１７)
ｈ(Ｂ(i,j))−Ｏmin  …(１８)
ここで、Ｏmaxは画素値の変動範囲の上限、Ｏminは下限である。
【００２７】
上記第一の引き算器１０ａから出力された信号Ｖ(i,j)の符号ビットは選択器１１に入力し、第二または第三の引き算器１０ｂ、１０ｃの出力のいずれかを選択して出力させる。
【００２８】
即ち、選択器１１により、Ｖ(i,j)の符号ビットが０である、即ちＶ(i,j)が正もしくは０の場合は、選択器１１の出力が式(１７)の結果となるように、符号ビットが1である、即ちＶ(i,j)が負の場合は式(１８)の結果となるようにしている。ここで、選択器１１の出力は前出の式(１３)、式(１４)で規定されるγと同じもので、処理後の変動成分の上限、下限を与えるものである。即ちＶ(i,j)が正もしくは０の場合は式(１９)となり、負の場合は式(２０)となる信号γ(i,j)を得る。
γ(i,j)＝Ｏmax−Ｂ(i,j)  …(１９)
γ(i,j)＝Ｂ(i,j)−Ｏmin  …(２０)
【００２９】
一方、式(１２)において変動成分の強さを調整するするパラメータであるβは、第三の切換器８ｃによって、β値群１２の中から選ばれる。逆数テーブル１４は、前述のｈテーブルと同様にＩＣメモリで構成されたルックアップテーブルであり、入力信号であるγ(i,j)の逆数に対応した信号が得られるようになっている。パラメータβに対応する信号と局所的変動成分に対応する信号Ｖ(i,j)及び逆数テーブル１４の出力は、第一の乗算器１３ａ及び第二の乗算器１３ｂにより互いに乗ぜられ、その結果式(２１)に対応した信号となり、逆正接テーブル１５に出力する。
βＶ(i,j)／γ(i,j)  …(２１)
【００３０】
上記逆正接テーブル15は、前述のｈテーブルと同様にＩＣメモリで構成されたルックアップテーブルであり、入力をａとしたとき、式(２２)で規定される出力ｂが得られるようになっている。
ｂ＝(2/π)arctan(πa/2)  …(２２)
【００３１】
ここで、arctanはラジアン単位の逆正接関数であり、πは円周率である。上記逆正接テーブル１５の出力は、第三の乗算器１３ｃにより信号γ(i,j)と乗ぜられ、その結果は、加算器１６により信号ｈ(Ｂ(i,j))に加えられる。そして、この加算器１６の出力が本発明の信号処理手段２の出力となる。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、加算器１６の出力は、
ｈ(Ｂ(i,j))+(2/π)γ(i,j)arctan〔(π/2)βＶ(i,j)／γ(i,j)〕…(２３)
となるが、これは、式(５)の右辺に式(１２)の右辺を代入したものに対応している。従って、本実施例の信号処理手段２は、ダイナミックレンジ圧縮のような画像情報の大局的な階調特性の変換を行いながら、それに伴うツブレ現象を完全に除去できる。
【００３３】
更に、本実施例の信号処理手段２においては、処理に用いる演算式に含まれる全ての関数に広義の単調性と連続性及び傾きの連続性が保証されているので、処理画像に不自然な階調の急激な変化や、急激な一定値化や跳びが発生することがない。本実施例の信号処理手段２は汎用の電子計算機によっても実現できる。しかし、電子計算機では乗算、除算、逆正接関係計算などに時間がかかる。それに対して、本実施例では乗算器１３ａ〜１３ｃ、逆数テーブル１４、逆正接テーブル１５を用いているので、高速の処理が可能である。
【００３４】
以上、本発明の画像処理方法及びその装置の実施例について説明してきたが、本発明は上記の実施例に限定されることなく各種の変形が可能である。
【００３５】
例えば、上記の実施例で用いられた(2/π)arctan〔(π/2)ａ〕の逆正接関数を用いた関数は、次の性質を備えた関数ｇ(ａ)もしくはそれを折線で近似した関数に置き換えることができる。即ち、式(２４)のの諸性質である。
ｇ(0)=0…(２４)
【００３６】
これらの性質を満たす逆正接関数以外の関数としては、例えば滴定曲線に類似した式(３０)などが挙げられる。
ｇ(ａ)＝｛2/〔１＋exp(−2a)〕｝＋１ …(３０)
上式でexpは指数関数を表わす。また、上記の実施例では画像情報はＸ線量として与えられているが、これを光学濃度、輝度、Ｘ線吸収係数、水素原子濃度、放射性同位元素濃度、超音波反射量、温度等で置き換えることも可能である。
【００３７】
本実施形態により、ツブレを除去したダイナミックレンジ圧縮を行うための画像処理装置を提供することができる。これによって、例えば医用ディジタル画像の鮮鋭化処理において処理画像の高画質化を達成でき、良い診断情報を得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、ツブレの影響を除去したダイナミックレンジ圧縮を行える画像処理装置を提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による画像処理装置の実施形態を示すブロック図。
【図２】図１の画像処理装置で行うダイナミックレンジ圧縮でのツブレの発生例と、本発明のツブレ抑制の効果を説明する説明図。
【符号の説明】
１…画像読取手段、２…信号処理手段、３…画像表示装置
【図１】
0003967105.tif 000002
【図２】
0003967105.tif 000003