X射线诊断装置、图像处理装置和程序
技术领域
本发明涉及在注入造影剂前后的图像之间进行减法 (subtraction)处理的X射线诊断装置、图像处理装置和程序。
背景技术
在进行腹部的DSA(数字减法血管)检查时，要求患者暂时基本 上停止呼吸。但是，对于老人、幼儿、无意识的患者等无法停止呼吸 的患者，无法进行通常的DSA摄影。因此，提出了以下的方法：收 集比通过通常的DSA收集的掩模图像多的张数，从其中针对每个对 比度图像选择对比度图像和组织运动接近的最优掩模图像，来抑制因 患者的呼吸造成的运动伪像，得到只强调了血管的DSA图像(参考 特开2004-112469号公报)。
在该方法中，在决定最优的掩模图像的基础上，着眼于运动多的 区域，限定于该区域地与对比度图像进行比较，决定最优的掩模。
但是，有时会产生很大的偏差。由于为了减少在掩模像中没有血 管的信号的影响，而使血管和掩模像的骨构造一致，所以产生了该偏 差。可以参照特开2004-112469号公报。
发明内容
本发明的目的在于：在造影剂注入前后的图像之间进行减法处理 时，减轻因被检体的体动而产生的位置偏离伪像。
在本发明的一个方面中，提供一种X射线诊断装置，具备：通过 在造影剂注入的前后循环摄影被检体，而产生多张X射线图像的图 像产生部件；从构成上述多张X射线图像的造影剂注入前的多张掩 模图像和造影剂注入后的多张对比度图像，检测出非造影区域的区域 检测部件；根据局限于上述对比度图像和上述掩模图像之间的上述非 造影区域的相关性，针对各个上述对比度图像，从上述多张掩模图像 中分别选择出一个掩模图像的掩模选择部件；对上述对比度图像和上 述选择出的掩模图像进行减法运算，产生减法图像的减法图像产生部 件。
将通过以下的记载说明本发明的其他特征和优点。本发明并不只 限于这些说明，可以对各个实施例进行变形和组合而实施。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的X射线诊断装置的结构的图。
图2是表示本实施例的初始画面例子的图。
图3是表示本实施例中的半自动的处理步骤的流程图。
图4是图3的第二ROI检测处理的补充图。
图5是图4的底部跟踪(bottom trace)像生成的补充图。
图6是表示本实施例中的自动的处理步骤的流程图。
图7是表示在本实施例的变形例子中用于补充说明掩模像和对比 度像的自动区分的心电图波形的图。
图8是表示图7中的减法像的总和值的随时间变化的图。
图9A是表示在图3的最优掩模的选择步骤S03中处理的原始的 掩模图像的图。
图9B是表示在图3的最优掩模的选择步骤S03中处理的原始的 对比度图像的图。
图10A是表示在图3的步骤S03中除去了血管区域的掩模图像 的图。
图10B是表示在图3的步骤S03中除去了血管区域的对比度图像 的图。
图11是在图3的步骤S03中针对对比度图像M2选择出掩模图 像M3的图。
具体实施方式
以下，参考附图通过理想的实施例来说明本发明。另外，本发明 包含能够收集造影图像的图像诊断装置。作为这种图像诊断装置，包 含X射线诊断装置、超声波诊断装置、磁共振成像装置、以及 PET、SPECT，其任意一个都能够适用于本发明。以下，以X射线 诊断装置为例进行说明。
图1表示了本实施例的X射线诊断装置的结构图。图像收集部件 2具有夹着被载置在卧台上的被检体P而相对配置的X射线管1和X 射线检测器3。X射线管1和X射线检测器3由C形状的臂支持。 臂有3个或以上的旋转轴。通过臂任意地围绕这些旋转轴旋转，从而 能够通过X射线管1和X射线检测器3从各种方向观察被检体P。X 射线检测器3采用具有闪烁器和光电二极管阵列的平板检测器 (FPD)。但是，X射线检测器3也可以采用图像增强器和摄像机的 组合。注射器5是用于自动地向被检体P注入造影剂的装置，能够 依照控制部件9的控制信号进行造影剂的注入及其停止动作。注射器 5在控制部件9的控制下，例如经由控制台17事前指定从摄影开始 到造影剂注入为止的时间，即所谓的掩模图像的收集时间，在从摄影 开始经过了该指定的收集时间的时刻，能够自动开始造影剂注入。
从X射线检测器3输出的X射线图像的模拟的影像信号被从模 拟数字转换器13提供给图像处理装置7。图像处理装置7由注射器 接口11、模拟数字变换器13、控制部件9、存储图像数据等的图像 存储器15、控制台(操作台)17、掩模选择部件19、ROI检测部件 20、减法处理部件21、掩模/对比度区分处理部件22、数字模拟变换 器23、显示器25构成。
掩模/对比度区分处理部件22将由图像收集部件2收集到的多张 X射线图像区分为造影剂注入前的多张掩模图像和造影剂注入后的多 张对比度图像。区分方法可以是依照经由控制台17输入了的操作者 的指示，将X射线图像列区分指定为上述2种，也可以是自动区分 处理。自动区分处理例如是在应用于心脏的情况下，通过在多张X 射线图像中的心电图相位最接近的成对的X射线图像之间进行减 法，而产生心电图相位不同的多个减法图像，根据多个减法图像的像 素值的时间变化，从多张X射线图像中区分掩模图像和对比度图 像。
ROI检测部件20从由图像收集部件2收集到的构成多张X射线 图像的造影剂注入前的多张掩模图像和造影剂注入后的多张对比度图 像中，检测出几乎不受造影剂的影响而在造影剂注入前后大致不产生 浓度变化的区域(以下称为非造影区域)。将在后面详细说明，ROI 检测部件20通过与时间轴方向有关的投影处理，根据多张掩模图像 产生第一最小值投影图像，根据多个对比度图像产生第二最小值投影 图像，根据第一最小值投影图像与第二最小值投影图像的减法图像， 检测出非造影区域。
掩模选择部件19针对在造影剂注入后收集到的对比度图像的各 个，从造影剂注入前收集到的掩模图像中选择最优的一张，将在后面 详细说明，简单地说，限定于由ROI检测部件20检测出的非造影区 域，而计算出多个掩模图像各自相对于对比度图像的相关性，针对每 个对比度图像，选择其相关性最强，即除了因造影剂的变化以外而组 织间的位置偏离最少的掩模图像作为最优掩模图像。由此，在减法图 像上，能够实现降低因被检体的体动造成的图像上的因位置偏离而造 成的伪像。该伪像是因位置偏离造成的减法计算残差产生的伪像。
减法处理部件21对对比度图像和选择出的掩模图像进行减法， 产生减法图像。经由数字模拟变换器23直接将减法图像提供给显示 器25进行显示。
以下，说明本实施例的掩模选择动作。首先具体说明对象是腹部 的情况。在此，该掩模选择动作可以是针对各个对比度图像从多个掩 模图像中选择最优的一张，也可以是作为其前阶段，针对各对比度图 像，暂时选择通过其他方法，例如用其他方法测量出大致的呼吸相位 而考虑为相位等价的掩模图像，在该图像对之间进行减法，初始地产 生多个减法图像，再从这些减法图像中将体动伪像特别大的对比度图 像作为对象，从掩模图像的选择开始重新再次进行处理，即适用于所 谓的再掩模(remask)的阶段。在此，以适用于再掩模阶段为例子 进行说明。
在血管造影像的收集中，使用在呼吸下摄影的腹部用特殊程序。 在该程序中，例如以10fps(帧/秒)持续5秒钟地进行掩模图像收 集，然后，以3fps进行对比度图像收集。从控制部件9向注射器5 发送掩模收集时间，针对注射器5设置5秒的延迟时间。在图像收集 开始时(将X射线的触发设置为ON)，从控制部件9向注射器5发 送摄影开始信号，通过注射器5，在从接收到摄影开始信号经过了5 秒后的时刻，开始造影剂注入。摄影者在达到目的的时刻将X射线 触发设置为OFF。将造影剂注入前后收集到的多个X射线图像的数 据存储到图像存储器15中。
图2表示了初始选择掩模图像，根据它确认减法图像的画面的例 子。在减法图像中过度地产生了体动伪像时，为了进行再掩模，而准 备3种模式。在3种模式中，包含手动(手动地选择最优的掩模图 像)、半自动(一部分操作涉及手动地选择最优的掩模图像)、自动 (全部操作都不涉及手动操作地自动选择最优的掩模图像)。
首先，在手动中，如果在显示再掩模对象的对比度图像(或显示 与初始掩模图像之间的减法图像)的状态下，将手动(Manual)按 键设置为ON，则成为按下按键的状态。在该状态的期间，手动的再 掩模处理成为有效。如果再次按下该按键，则恢复为原来的弹起状 态，手动的再掩模处理成为无效。在有效的期间中，用键盘的上下键 (↑、↓)顺序地变更掩模图像，能够识别与各掩模图像的减法图像。 另外，同样可以按下位于手动按键旁边的按键。从多个掩模图像中选 择对应的掩模图像。在此，由于是造影剂注入开始前摄影的图像，所 以多个掩模图像相当于最初的50帧。如果变更掩模图像，则在图像 左上如“掩模：k”那样显示掩模图像的帧编号(1～50)(以第k帧 作为掩模的例子)，如果按下↑按键，则k+1、k+2那样地变化。 同样，如果按下↓按键，则k-1、k-2那样地变化。如果选择出最 优的掩模，则为了确定该掩模而按下执行(Execute)按键。通过操 作该执行按键，而根据适用了此后确定的掩模的结果，显示出正在显 示的帧。
图3表示了半自动的再掩模处理步骤。接着，对于半自动模式， 如果将半自动按键(semi-auto)设置为ON，则按键成为按下状 态。在该状态的期间，在半自动模式下，再掩模处理成为有效。如果 再次按下该按键，则按键恢复为原来的弹出状态，半自动再掩模成为 无效。首先，在显示出希望进行再掩模的图像(在此将希望再掩模的 图像作为第l0个图像)的基础上，将半自动再掩模设置为有效，将关 注区域(ROI)的ROI标志显示在图像上。该ROI标志可以选择矩 形、圆形等形状，例如在图像上显示圆形的ROI标志(参考图 4A)。可以通过任意的图形描绘功能，移动、放大缩小该ROI标 志。另外，将该关注区域ROI称为第一ROI，而与后述的ROI(第 二ROI)区别。操作者经由控制台17使用ROI标志设置第一 ROI，使得包围显著产生了体动伪像的区域(S01)。
为了检测最优掩模图像，而按下执行按键。如果按下执行按键， 则限定于第一ROI内，如下这样作成掩模图像的图4B的底部跟踪像 (参考图5)。底部跟踪像是以下这样的图像，即针对摄影时刻不同 的多张图像，对每个座标在时间方向上检索像素值，将其最小值作为 最小值投影图像上的对应座标的像素值，一般被称为MinIP。在底部 跟踪像中，在全部掩模图像中描绘造影区域。
M ( x , y ) = MIN k = 1 K ROI { m ( x , y , k ) } - - - ( 1 ) ]]>
在此，m(x，y，k)表示掩模图像，用m(x，y，k)表示第k 帧的(x，y)座标(x，y：1～N，一般N＝1024)的像素值。MIN 是求出1～K(表示帧数。在此为50)帧的每个(x，y)座标的最小 值的计算，只在第一ROI内进行本计算。接着，同样地针对对比度 图像，也如下这样作成图4C的底部跟踪像。
C ( x , y ) = MIN l = 1 L ROI { c ( x , y , l ) } - - - ( 2 ) ]]>
在此，c(x，y，l)表示对比度图像，用c(x，y，l)表示第1 帧的(x，y)座标的像素值。MIN是求出1～L(表示帧数。在此为 100)帧的每个(x，y)座标的最小值的计算，只在第一ROI内进行 本计算。进而，如下这样生成所作成的对比度图像的底部跟踪图像与 掩模图像的底部跟踪图像的减法图像(图4D)。
S ( x , y ) = - log e { C ( x , y ) M ( x , y ) } - - - ( 3 ) ]]>
如果针对对比度图像的底部跟踪图像和掩模图像的底部跟踪图像 的减法图像S(x，y)，进行阈值处理，则能够高精度地检测出血管 区域(图4E)。如图4F所示，通过从预先定义了的第一ROI中除 去检测出的血管区域，而定义新的第二ROI(S02)。在此，表示为 ROI2。
接着，在最优掩模检测的步骤(S03)中，针对任意的对比度图 像c(x，y，l)，为了检测最优的掩模图像，而顺序地进行相关性计 算。将该计算结果的最低的掩模图像判断为最优掩模图像。另外， “相关性计算结果低”是指非造影区域内的组织等的空间位置最近似， 即相关性表现得最强。通过计算方法，将相关性计算结果最高的掩模 图像判断为最优掩模图像。在此，可以如下这样记述相关性计算。
CR l 0 ( k ) = Σ i = 1 N Σ j = 1 N [ r 2 { c ( x , y , l 0 ) - m ( x , y , k ) } ] 2 - - - ( 3 ) ]]>
在此，c(x，y，l0)、m(x，y，k)分别是第l0帧的对比度图 像、第k帧的掩模图像。N是图像的矩阵大小。CR10(k)是相关性 计算的结果，对于k在1到K之间求出相关性计算结果，将其值最 小的掩模图像判断为最优掩模图像。另外，如下这样定义r2(x)。
在此，将k0作为CRl`(k)最小的掩模图像，说明以下的处理。 在减法的步骤S04中，对对比度图像c(x，y，l`)、掩模图像m (x，y，k0)进行减法。显示减法结果。如果观察者了解该结果，按 下执行按键，则在DSA图像的附带区域中针对第l`帧的对比度图像 登记用于识别最优掩模图像，例如登记帧编号k0(S06)。在下次显 示同一图像时，使用适用了该再掩模的结果而显示登记了的最优掩 模。如果观察者在没有了解该结果的情况下按下取消按键，则消去该 结果(S07)。在观察者了解该结果后，进而对后续的帧适用同样的 处理的情况下，按下适用按键(S05)。
在自动中，如果按下自动按键，则按键被按下，开始处理。如果 处理完成，则恢复为原来的状态。图6表示处理的具体流程。首先， 在显示希望进行再掩模的图像(在此将希望进行再掩模的图像设为第 l`个图像)的基础上，将自动按键设置为ON。如果开始处理，则首 先检测ROI(S11)。在ROI检测步骤中，与公式(1)、(2)同样 地，作成掩模图像的底部跟踪图像、对比度图像的底部跟踪图像。在 公式(1)、(2)中，只作成第一ROI内的底部跟踪图像，但在此 在图像全体中进行处理。接着，根据公式(3)求出作成的对比度图 像的底部跟踪图像与掩模图像的底部跟踪图像的减法结果，针对求出 的减法图像进行阈值处理，检测出ROI(S11)。
以后的S12～S16分别与S03～S07对应。与半自动同样地进行以 后的处理。
根据本实施例，限于除去了受到造影剂影响的区域的非造影区域 中，选择最优掩模图像，由此消除了因造影剂影响造成的被误认为体 动，能够在造影剂注入前后的图像之间进行减法处理时，减轻因被检 体的体动造成的位置偏离伪像。
(具体处理)
在此，针对本实施例的掩模图像的选择，说明具体的例子。图 9A是原始的掩模图像M1～M5。图9B是原始的对比度图像C1～ C5。其目的在于：针对对比度图像C1～C5的各个，从掩模图像 M1～M5中分别选择出因体动造成的位置偏离最小的掩模图像。
首先，针对掩模图像M1～M5，生成底部跟踪像(称为掩模 MinIP)。同样，针对对比度图像C1～C5，生成底部跟踪像(称为 对比度MinIP)。
接着，从掩模MinIP减去对比度MinIP。由此，抽出全部对比 度图像C1～C5的造影区域。即，抽出覆盖对比度图像C1的造影区 域、对比度图像C2的造影区域、对比度图像C3的造影区域、对比 度图像C4的造影区域、对比度图像C5的造影区域的全部区域的造 影区域。
从原始的掩模图像M1～M5、对比度图像C1～C5中除去该全部 区域的造影区域。在图10A、图10B中，用阴影表示除去了的全部 区域的造影区域。限于剩下的区域(ROI)中，在掩模图像M1～M5 与对比度图像C1～C5的全部组合之间，计算相关性。
根据该相关性，针对对比度图像C1～C5的各个，分别从掩模图 像M1～M5中选择最优的掩模图像。例如如图11所示，针对对比度 图像C2，选择掩模图像M3作为最优掩模图像。当然，最优的掩模 图像是在与对比度图像之间位置偏离最少的掩模图像。
(变形例子1)
在上述实施例中，使用注射器5中的延迟时间，自动地区别掩模 图像和对比度图像。但是，例如在用注射器注入造影剂的情况下，难 以在一定时间注入造影剂。因此，也可以在收集图像后，通过向掩模 图像的帧编号的项目中输入掩模图像的帧数，来区别掩模图像和对比 度图像。另外，通过例如在检查室内的监视器上显示注入开始信号 (图标、文字)而向检查者进行通知，使得使用注射器注入造影剂的 定时不会失败。
(变形例子2)
本实施例也可以适用于对象是心脏的情况。在血管造影像的收集 中，选择心脏用特殊程序。在该程序中，以60fps在2秒期间中进行 掩模图像收集，然后以30fps进行对比度图像收集。从X射线诊断装 置向未图示的注射器5发送掩模收集时间，在注射器5中，设置2秒 的延迟时间。在该2秒后，通过注射器5开始注入造影剂。摄影者在 达到目的的时刻将X射线触发设置为OFF。将造影剂注入血管造影 像存储在图像存储器中。如图2所示，再掩模也同样有手动、半自 动、自动的3种。但是，在通过半自动、自动等进行了处理后，进而 需要进行再掩模时，使用手动。
通过半自动、自动、手动进行的处理与上述说明等价。但是，在 心脏的检查的情况下，为了进行精细的观察，很多在放大视野模式下 进行摄影。在这样的摄影的情况下，有时最初摄影大的血管，然后移 动卧台使得跟踪流向末梢血管的造影剂。在这样的情况下，检测卧台 的移动，将从对比度图像的最初的帧到检测出移动之前区别为多个第 一对比度图像，将其后区别为多个第二对比度图像，本再掩模处理只 适用于第一对比度图像。
另外，在此，只说明了卧台的移动，但也可以检测臂的移动、准 直仪的操作、补偿滤波器的操作等，将到该时刻为止定义为第一对比 度图像。
进而，自动地区分第一对比度图像和第二对比度图像，但与区分 掩模图像和对比度图像同样地，也可以手动地进行区分(例如在图2 的掩模帧编号的下面输入对比度帧编号等)。
(变形例子3)
在上述说明中，使用延迟时间区分掩模图像和对比度图像，但利 用心电图的波形(图7)，典型地将从R波到下一个R波的图像作 为最初的特征波利用，在与第2个R波以后的图像之间在最近的心 电图相位之间进行减法。减法图像的总和值的每个帧的变化如图8所 示。可以判断出急剧出现该变化的时刻是造影剂注入的时刻。可以通 过以下的第一、第二方法的任意一个进行该判断。
在第一方法中，在第2个R以后的减法图像的总和值中，用过去 数帧(例如5帧)的平均值与下一个帧取得差分，将该差分值连续3 帧地超过预先决定的阈值的时刻作为起点，将从此开始追溯0.5秒的 时刻判断为造影剂注入开始(对比度图像的开始)。
在第二方法中，计算第2个R以后的数帧(例如15帧)减法图 像的总和值的平均值(Ms)，将从此开始小于变化了预先决定的阈 值(Th)的值(Ms-Th)的帧连续产生了3帧的时刻作为起点，将 从此追溯0.5秒的时刻判断为造影剂注入开始(对比度图像的开 始)。
(变形例子4)
在上述说明中，用掩模图像的最小值投影和对比度图像的最小值 投影进行减法，针对减法图像进行阈值处理，抽出血管区域(造影区 域)。但是，也有在体厚度大的人中或在体厚度大的方向(例如 LA060、CAU30)上SN非常差，通过该方法无法适当地抽出血管区 域的情况。为了解决这样的问题，也可以在心脏区域中，针对对比度 图像的各图像，在与掩模图像中的心相位最接近的掩模图像之间进行 减法，在作成减法结果的最小值投影后，针对最小值投影图像进行预 定的阈值处理，由此抽出血管区域。
(变形例子5)
在上述说明中，只抽出血管区域，但也可以与上述说明了的特开 2004-112469号公报所记载的发明，即抽出体动区域而根据到该区 域为止的一致度选择最优掩模图像的发明组合在一起，从该体动区域 中除去造影区域，限定于除去了造影区域而剩下的体动区域的一部分 区域中，计算一致度。即，在针对各对比度图像从多个掩模图像中选 择最优的掩模图像时，将因被检体的体动造成的图像上的位置偏离的 类似度作为指标使用，但也可以限定于除去了造影区域而剩下的体动 区域的一部分区域中计算该类似度。
(变形例子6)
在上述说明中，针对对比度图像的各图像，对掩模图像的全部图 像进行比较，但该方法为了没有错误而要花费非常多的计算时间。因 此，为了缩短计算时间，也可以在掩模图像中选择心相位接近的图像 进行比较。具体地说，如果将心周期设为T，将R波作为原点，任 意的对比度图像位于心相位t，则只用位于t±T/6的范围内的掩模图 像进行比较。
本发明并不只限于以上的说明和具体实施例。在不脱离本发明的 原理的范围内可以对实施例进行组合或变形，而这些组合和变形也包 含在本发明的范围内。