JP2020005918A - 画像処理装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の放射線画像を撮影する際の被検者の被曝線量の増加を抑えながら画像のノイズを低減する。【解決手段】画像処理装置は、エネルギーの異なる放射線を照射して得られた複数の画像を取得する取得部と、複数の画像を合成して処理画像を生成する生成部と、複数の画像のうちの一つの画像の低周波成分を強調し、処理画像の高周波成分を強調するように、当該一つの画像と処理画像とを合成して合成画像を生成する合成部と、を備える。【選択図】 図５

Description

本発明は、放射線画像を処理する画像処理装置及びその制御方法に関する。

一般に、時分割型スペクトラルイメージングという撮影技術が知られている。時分割型スペクトラルイメージングでは、短時間に平均エネルギーの異なる複数の放射線を被写体に照射し、被写体を透過したそれぞれの平均エネルギーの放射線が放射線計測面へ到達した割合を計測することで被写体の構成物質の弁別を行う。このような時分割型スペクトラルイメージングは、医療用の放射線画像の生成にも用いられている。

特開平０５−２３６３５１号公報

時分割型スペクトラルイメージングでは同一部位を短時間に複数枚撮影する必要がある。そのため、通常の撮影と同等の撮影線量で同一部位の撮影を繰り返すと被検者の被曝量が増大する。必要な画像の枚数は物質弁別の目的により異なるが、時分割型スペクトラルイメージングは最低でも２枚の画像を必要とし、被検者の被曝線量は単純には画像の枚数分増加する。そこで、被検者への被曝線量の増加を抑えるために、放射線の線量を低減して画像一枚あたりの被曝線量を抑制することが考えられる。しかしながら、放射線の線量を低減するとノイズの強度が増加し、各画像の画質が低下する。

特許文献１では、胸部エックス線撮影において骨除去画像を作成するデュアルエネルギー画像において、ノイズ低減を目的として中間生成画像に平滑化処理を行うことが提案されている。特許文献１では収集した複数の画像の放射線のエネルギーの差を大きく取ることができず、良好なスペクトラルイメージング画像を生成することが困難である。

本発明は、複数の放射線画像を撮影する際の被検者の被曝線量を抑えながら画像のノイズを低減することを目的とする。

本発明の一態様による画像処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
エネルギーの異なる放射線を照射して得られた複数の画像を取得する取得手段と、
前記複数の画像を合成して処理画像を生成する生成手段と、
前記複数の画像のうちの一つの画像の低周波成分を強調し、前記処理画像の高周波成分を強調するように、前記一つの画像と前記処理画像を合成して合成画像を生成する合成手段と、を備える。

本発明によれば、複数の放射線画像を撮影する際の被検者の被曝線量を抑えながら画像のノイズを低減することができる。

実施形態による放射線撮影システムの全体的な構成例を示す図。 実施形態による放射線撮影装置の画素の等価回路図。 放射線撮影動作のタイミングチャート。 放射線フォトンのエネルギーとセンサ出力の関係を示す図。 実施形態による撮影処理を示すフローチャート。 実空間から周波数空間への変換処理を説明する図。 周波数空間から実空間への変換処理を説明する図。 画像の合成時における処理を説明する図。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態において、放射線という用語は、Ｘ線の他、例えば、α線、β線、γ線、粒子線、宇宙線などを含み得る。

（第１実施形態）
現在、放射線による医療画像診断や非破壊検査に用いる撮影装置として、半導体材料によって形成された平面検出器（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下ＦＰＤと略す）を用いた放射線撮影装置が普及している。このような放射線撮影装置は、例えば医療画像診断においては、一般撮影のような静止画撮影や、透視撮影のような動画撮影を行うデジタル撮影装置として用いられている。一般に、ＦＰＤでは、入射した放射線量子により発生した電荷の総量を計測する、積分型のセンサが放射線の検出に用いられる。この際の画像に出現するノイズは、光子（以下、フォトン）の量の揺らぎによる量子ノイズと信号読み取りに使用する電気回路から発生する電気ノイズに起因する。

時分割型スペクトラルイメージングを行う場合には、同一部位の極めて短時間の連続撮影が必要である。量子ノイズを通常の撮影と同様の強度に抑えるためには、連続撮影した画像それぞれに通常の撮影と同等の放射線量を照射する必要があり、被検者の被曝線量は撮影枚数に比例して増加する。ところで、連続して撮影された画像においては、それぞれ平均エネルギーが異なる放射線が照射されているため、被写体における放射線の透過率が物質により異なり、各画像のコントラストはそれぞれ異なる。しかしながら、短期間で撮影されることから、画像における被写体の形状はほぼ同じである。本実施形態では、このこと（複数の画像間で被写体の形状が同じであること）を利用して、被検者への被曝線量を抑えつつ、ノイズの影響を抑えた画像を作成する。以下、実施形態による放射線撮影システムについて説明する。

図１は、第１実施形態に係る放射線撮影システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の放射線撮影システムは、放射線発生装置１０１、放射線制御装置１０２、制御用コンピュータ１０３、放射線撮影装置１０４を備える。放射線発生装置１０１は、放射線制御装置１０２の制御下で放射線を発生する。制御用コンピュータ１０３は、プロセッサー１２１がメモリ１２２に格納されているプログラムを実行することにより、各種処理を行う。例えば、制御用コンピュータ１０３は放射線撮影に関わる各種制御、スペクトラルイメージングのための画像処理などを行う。取得部１３１、生成部１３２、合成部１３３については後述する。放射線撮影装置１０４は、放射線を可視光に変換する蛍光体１０５と、可視光を検出する二次元検出器１０６を有する。二次元検出器１０６は、放射線量子を検出する画素２０がＸ列×Ｙ行のアレイ状に配置されたセンサであり、画像情報を出力する。

図２に、画素２０の等価回路図を示す。画素２０は、光電変換素子２０１と、出力回路部２０２とを含む。光電変換素子２０１は、典型的にはフォトダイオードでありうる。出力回路部２０２は、増幅回路部２０４、クランプ回路部２０６、サンプルホールド回路部２０７、選択回路部２０８を含む。

光電変換素子２０１は、電荷蓄積部を含み、該電荷蓄積部は、増幅回路部２０４のＭＯＳトランジスタ２０４ａのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０４ａのソースは、ＭＯＳトランジスタ２０４ｂを介して電流源２０４ｃに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０４ａと電流源２０４ｃとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ２０４ｂは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮがアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

図２に示す例では、光電変換素子２０１の電荷蓄積部およびＭＯＳトランジスタ２０４ａのゲートが共通のノードを構成していて、このノードは、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部として機能する。電荷電圧変換部には、該電荷蓄積部に蓄積された電荷Ｑと電荷電圧変換部が有する容量値Ｃとによって定まる電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）が現れる。電荷電圧変換部は、リセットスイッチ２０３を介してリセット電位Ｖｒｅｓに接続されている。リセット信号ＰＲＥＳがアクティブレベルになると、リセットスイッチ２０３がオンして、電荷電圧変換部の電位がリセット電位Ｖｒｅｓにリセットされる。

クランプ回路部２０６は、リセットされた電荷電圧変換部の電位に応じて増幅回路部２０４によって出力されるノイズをクランプ容量２０６ａによってクランプする。つまり、クランプ回路部２０６は、光電変換素子２０１で光電変換により発生した電荷に応じてソースフォロア回路から出力された信号から、上述のノイズをキャンセルするための回路である。このノイズはリセット時のｋＴＣノイズを含む。クランプは、クランプ信号ＰＣＬをアクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオン状態にした後に、クランプ信号ＰＣＬを非アクティブレベルにしてＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオフ状態にすることによってなされる。クランプ容量２０６ａの出力側は、ＭＯＳトランジスタ２０６ｃのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｃのソースは、ＭＯＳトランジスタ２０６ｄを介して電流源２０６ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｃと電流源２０６ｅとによってソースフォロア回路が構成されている。ＭＯＳトランジスタ２０６ｄは、そのゲートに供給されるイネーブル信号ＥＮ０がアクティブレベルになるとオンしてソースフォロア回路を動作状態にするイネーブルスイッチである。

光電変換素子２０１の光電変換により発生した電荷に応じてクランプ回路部２０６から出力される信号は、光信号サンプリング信号ＴＳがアクティブレベルになることによってスイッチ２０７Ｓａを介して容量２０７Ｓｂに光信号として書き込まれる。電荷電圧変換部の電位をリセットした直後にＭＯＳトランジスタ２０６ｂをオン状態とした際にクランプ回路部２０６から出力される信号は、クランプ電圧である。クランプ電圧は、ノイズサンプリング信号ＴＮがアクティブレベルになることによってスイッチ２０７Ｎａを介して容量２０７Ｎｂにノイズとして書き込まれる。このノイズは、クランプ回路部２０６のオフセット成分を含む。スイッチ２０７Ｓａと容量２０７Ｓｂによって信号サンプルホールド回路２０７Ｓが構成され、スイッチ２０７Ｎａと容量２０７Ｎｂによってノイズサンプルホールド回路２０７Ｎが構成される。サンプルホールド回路部２０７は、信号サンプルホールド回路２０７Ｓとノイズサンプルホールド回路２０７Ｎとを含む。

駆動回路部が行選択信号をアクティブレベルに駆動すると、容量２０７Ｓｂに保持された信号（光信号）がＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａおよび行選択スイッチ２０８Ｓｂを介して信号線２１Ｓに出力される。また、同時に、容量２０７Ｎｂに保持された信号（ノイズ）がＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａおよび行選択スイッチ２０８Ｎｂを介して信号線２１Ｎに出力される。ＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａは、信号線２１Ｓに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。同様に、ＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａは、信号線２１Ｎに設けられた不図示の定電流源とソースフォロア回路を構成する。ＭＯＳトランジスタ２０８Ｓａと行選択スイッチ２０８Ｓｂによって信号用選択回路部２０８Ｓが構成され、ＭＯＳトランジスタ２０８Ｎａと行選択スイッチ２０８Ｎｂによってノイズ用選択回路部２０８Ｎが構成される。選択回路部２０８は、信号用選択回路部２０８Ｓとノイズ用選択回路部２０８Ｎとを含む。

画素２０は、隣接する複数の画素２０の光信号を加算する加算スイッチ２０９Ｓを有してもよい。加算モード時には、加算モード信号ＡＤＤがアクティブレベルになり、加算スイッチ２０９Ｓがオン状態になる。これにより、隣接する画素２０の容量２０７Ｓｂが加算スイッチ２０９Ｓによって相互に接続されて、光信号が平均化される。同様に、画素２０は、隣接する複数の画素２０のノイズを加算する加算スイッチ２０９Ｎを有してもよい。加算スイッチ２０９Ｎがオン状態になると、隣接する画素２０の容量２０７Ｎｂが加算スイッチ２０９Ｎによって相互に接続されて、ノイズが平均化される。加算部２０９は、加算スイッチ２０９Ｓと加算スイッチ２０９Ｎを含む。

また、画素２０は、感度を変更するための感度変更部２０５を有してもよい。画素２０は、例えば、第１感度変更スイッチ２０５ａおよび第２感度変更スイッチ２０５'ａ、並びにそれらに付随する回路素子を含みうる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになると、第１感度変更スイッチ２０５ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第１付加容量２０５ｂの容量値が追加される。これによって画素２０の感度が低下する。第２変更信号ＷＩＤＥ２がアクティブレベルになると、第２感度変更スイッチ２０５'ａがオンして、電荷電圧変換部の容量値に第２付加容量２０５'ｂの容量値が追加される。これによって画素２０の感度が更に低下する。このように画素２０の感度を低下させる機能を追加することによって、より大きな光量を受光することが可能となり、ダイナミックレンジを広げることができる。第１変更信号ＷＩＤＥがアクティブレベルになる場合には、イネーブル信号ＥＮｗをアクティブレベルにして、ＭＯＳトランジスタ２０４ａに変えてＭＯＳトランジスタ２０４'ａをソースフォロア動作させてもよい。

放射線撮影装置１０４は、以上のような画素回路の出力を読出し、不図示のＡＤ変換器でデジタル値に変換した後、制御用コンピュータ１０３に画像を転送する。

次に本実施形態の放射線撮影システムの駆動について説明する。図３は、本実施形態による放射線撮影動作のタイミングチャートである。図中の波形は横軸を時間として、放射線の照射の期間、データ読出しの期間を表している。本実施形態の放射線撮影システムは、放射線照射期間（ＸＷ）、画像読出し期間（ＸＲ）、放射線非照射期間（ＦＷ）、オフセット読出し期間（ＦＲ）を１フレームとして、静止画あるいは動画を取得する。画像読出し期間（ＸＲ）では、画素２０に蓄積された電荷の情報が制御用コンピュータ１０３に順次転送される。さらに、画像読出し期間（ＸＲ）で取得された信号値からオフセット読出し期間（ＦＲ）で取得された信号値を差し引くことで、不要なオフセット情報が補正される。

図４は、本実施形態に係る放射線フォトンのエネルギーとセンサ出力の関係を示す。放射線撮影装置１０４は、放射線を可視光フォトンに変換する蛍光体層（蛍光体１０５）と、可視光フォトンを電荷に変換する光電変換層（二次元検出器１０６）と、さらにその電荷を電圧に変換し、デジタル値にする出力回路とを備える。放射線フォトンが蛍光体層に吸収されると、蛍光体層内で可視光フォトンが発生する。このときに生じる可視光フォトンの数は蛍光体層が吸収した放射線フォトンのエネルギーによって変化する。具体的には、エネルギーが大きいほど可視光フォトンが多く発生する。また、光電変換層で生じる電荷の数は可視光フォトンの数によって決まる。このため、最終的に出力されるデジタル値は、この電荷量を電圧に変換し、デジタル値にしたものである。

スペクトラルイメージング撮影を行うには放射線撮影装置１０４に放射線を照射して複数の画像を取得する。ここで、複数の画像を取得するための複数回の撮影は短時間に行われ、その間に被写体は動かないものとする。このとき、被写体が均一であったとして、複数の画素を含む任意の範囲を選択する。すると理想的には画素値は一定となるはずだが、実際にはバラツキが生じる。このバラツキには、電子回路のノイズ（システムノイズ）と、放射線フォトンの蛍光面への到達数の揺らぎ等による量子ノイズが含まれる。以降では、説明を簡略化するため、システムノイズを無視する。

量子ノイズは、蛍光体層に到達し吸収された放射線フォトンにより発生した可視光フォトンの数に対し、ポアソン分布で推定される。平均値Ａのポアソン分布は分散もＡとなる。オフセット信号の電気ノイズを無視すれば、平均値が半分のＡ／２になると分散もＡ／２となり、結果としてノイズ成分の信号強度は√２倍に増加し、画質は低下する。ポアソン分布によれば可視光フォトン数がＡとＡ／２のときの量子ノイズの比率Ｒ１（＝［可視光フォトン数Ａの時の量子ノイズの強度］：［可視光フォトン数Ａ／２の時の量子ノイズの強度］）は以下の［数１］で求められる。

同様に可視光フォトン数が１／３のＡ／３になると分布もＡ／３となり、量子ノイズの強度は√３倍に増加する。

そのため、スペクトラルイメージングで使用する画像の量子ノイズの強度を、通常の一枚撮影と同程度にしたければ、一回当たりの撮影で蛍光体が発光する可視光フォトンの数を通常の一枚撮影と同程度にする必要がある。結果、スペクトラルイメージングの計算にＮ枚（Ｎ＞１）の画像を必要とする場合、放射線の平均エネルギーの差による放射線吸収係数の変化があるものの単純にはＮ倍に被曝線量が増大することになる。そこで被曝線量を通常の一枚撮影と同等にすることを目標に蛍光体層で発生する可視光フォトンの数を１／Ｎとすれば、一枚あたりの量子ノイズは√Ｎ倍となる。すなわち、被曝線量は抑えられるものの画質が劣化しスペクトラルイメージングの計算精度も低下する。

ここで、スペクトラルイメージングの計算のための、同一部位の複数の画像の撮影は、極めて短時間に行われる。従って、照射される放射線の異なる平均エネルギーに応じて画像の信号強度は画素の位置に投影される被写体の構成物質の種類・総量・割合に影響を受けるが、投影される被写体の形状はほとんど変化しないことに注目する。

短時間で同一部位を撮影して得られた複数のデジタル値をすべて使用して１枚の画像を作成した場合のノイズについて考える。たとえば単純に１回撮影時の可視光フォトン数をＢとして２枚の撮影を短時間（同時）に行えば、可視光フォトン数は２倍の２Ｂとなる。なお、複数枚の画像のデジタル値をすべて使用する画像とは複数の画像を単に加算して得ても良いし、画像全体もしくは注目する画像の一部のデジタル値の差を勘案して、重み付け加算を行ってもよい。ここで可視光フォトン数がＢと２倍の２Ｂの時の量子ノイズの比率Ｒ２（＝可視光フォトン数Ｂの時の量子ノイズの強度：可視光フォトン数２Ｂの時の量子ノイズの強度）は以下の［数２］のように求められる。

各画像のデジタル値の強度の差を無視できるものとして、２枚の画像を単純に加算すれば画像に含まれる量子ノイズは１／√２に低減される。同様に３枚の画像を加算すれば、量子ノイズの強度は１／√３に低減する。

このとき量子ノイズは、大きな揺らぎを持つことは少なく、画像を構成する成分の内、各画素単位で個別に発生する。そのため、量子ノイズは、画像の低周波成分に影響をあまり与えず、高周波成分側に多く発生する。また、画像に撮影される被写体は画素単位に比べ大きな構造であることから、そのコントラスト成分は量子ノイズに比べ低周波成分側に多く発生している。

以上の検討に基づいて、本実施形態の制御用コンピュータ１０３（取得部１３１、生成部１３２、合成部１３３）は、複数の画像を撮影する際の放射線被曝量の抑制と量子ノイズの抑制を両立するように処理を行う。取得部１３１は、放射線撮影装置１０４から、エネルギー（例えば平均エネルギー）の異なる放射線を照射して得られた複数の画像を取得する。なお、放射線撮影装置１０４により得られた画像を不図示の格納装置に一旦格納する構成としてもよく、その場合、取得部１３１は、格納装置から複数の画像を取得するようにしてもよい。生成部１３２は、取得された複数の画像を合成して処理画像を生成する。例えば、生成部１３２では、量子ノイズが低減された処理画像が得られるような合成処理が行われる。上述したように、複数の画像を加算する処理は、量子ノイズを低減する合成処理の一例である。合成部１３３は、複数の画像のうちの一つの画像の低周波成分を強調し、処理画像の高周波成分を強調するように、一つの画像と処理画像を合成して合成画像を生成する。複数の画像を撮影するのに要する放射線線量を低減しつつ、合成画像において各画像のコントラストが維持される。以下、生成部１３２、合成部１３３の処理の具体例をより詳細に説明する。

本実施形態では、複数の画像として低エネルギー画像と高エネルギー画像の２つの画像が取得される構成について説明する。生成部１３２は、低エネルギー画像と高エネルギー画像のデジタル値を加算もしくは平均することにより、量子ノイズが低減された処理画像を作成する。合成部１３３は、処理画像を周波数成分に変換して高周波部分を抽出し、また、低エネルギー画像と高エネルギー画像をそれぞれ周波数成分に変換してそれぞれの低周波成分を抽出する。合成部１３３は、処理画像の高周波部分と低エネルギー画像の低周波部分を合成し、逆周波数変換を行って実空間画像を得る。こうして、量子ノイズが低減され、コントラストが維持された低エネルギー画像が生成される。同様に、合成部１３３は、処理画像の高周波部分と高エネルギー画像の低周波部分を合成し、逆周波数変換を行って実空間画像を得る。こうして、量子ノイズが低減され、コントラストが維持された高エネルギー画像が生成される。なお、高周波部分と低周波部分の合成では、両部分に隙間の無いように合成することが好ましい。

上述した処理のさらに具体的な例を図５のフローチャートに示す。ここでは放射線フォトンの平均エネルギーの異なる２枚の画像（低エネルギー画像と高エネルギー画像）からスペクトラルイメージング画像を生成する例を説明する。

まず照射する放射線の平均エネルギーを変更し、比較的低い放射線エネルギーで撮影した低エネルギー画像３０１と、比較的高い放射線エネルギーで撮影した高エネルギー画像３０２とを撮影する。このとき放射線の平均エネルギーを変更するには、放射線発生装置１０１の放射線管に印加する管電圧を変更するのが一般的である。それ以外には、例えばＸ線の場合、Ｘ線管から発生したＸ線が連続したエネルギーのフォトンが混在した白色光であることを利用するようにしてもよい。その場合、アルミや銅などの金属等を用いたフィルターを用いて低エネルギーのＸ線フォトンを高エネルギーのＸ線に比べ多く吸収させても良いし、双方を複合してＸ線の平均エネルギーを変更しても良い。

Ｓ３５１において、生成部１３２は、収集された低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２を平均して量子ノイズが低減された平均画像３０３を取得する。２枚の画像のデジタル値を平均することは、２枚の画像の加算を含むので、平均画像３０３は上述した処理画像（量子ノイズが低減された画像）の一例である。なお、量子ノイズが低減された処理画像としては、たとえば、複数の画像を加算して得られた加算画像、各画像に重み付けをして得られた平均画像または加算画像が用いられ得る。ここで、重み付けは、例えば、複数の画像における信号の強度（画素値、濃度）とノイズの強度（分散）の少なくとも何れかに基づいて行われる。例えば、信号の強度が大きいほど大きい重みを付与する、或は、ノイズの強度が大きいほど小さい重みを付与することが考えられる。

なお、後の周波数空間での信号の合成時における不整合の発生を防止するために、平均画像３０３の信号強度はその元となった低エネルギー画像３０１および高エネルギー画像３０２と同等の信号強度であることが望ましい。そのために、例えば、平均画像を生成する前に、低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２の信号強度が同等の値になるようにそれらを変更するようにしても良い。或は、平均画像３０３の信号強度を低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２のそれぞれにあわせて変更するようにしても良い。

次に、合成部１３３は、Ｓ３５２〜Ｓ３５５において、一つの画像（低エネルギー画像３０１、高エネルギー画像３０２）の周波数空間画像から低周波成分画像を抽出し、処理画像（平均画像３０３）の周波数空間画像から高周波成分画像を抽出する。そして、合成部１３３は、Ｓ３５６〜Ｓ３５７において、低周波成分画像と高周波成分画像を合成して実空間の画像に変換することにより合成画像を得る。以下、具体的に説明する。

Ｓ３５２において、合成部１３３は、低エネルギー画像３０１、高エネルギー画像３０２、平均画像３０３を、それぞれ２Ｄフーリエ変換を用いて周波数空間に変換し、周波数空間画像３０４、３０５、３０６を得る。Ｓ３５３において、合成部１３３は、低エネルギー画像３０１を周波数空間に変換した周波数空間画像３０５から低周波成分を抽出して低周波成分画像を得る。Ｓ３５４において合成部１３３は、平均画像３０３を周波数空間に変換した周波数空間画像３０６から高周波成分を抽出し、高周波成分画像を得る。そして、Ｓ３５６において、合成部１３３は、Ｓ３５３とＳ３５４で抽出された低周波成分画像と高周波成分画像を隙間なく合成し、合成周波数空間画像３０７を生成する。Ｓ３５８において、合成部１３３は、合成周波数空間画像３０７に２Ｄ逆フーリエ変換を行う。こうして、合成周波数空間画像３０７を実画像空間に戻すことにより、量子ノイズが抑えられ、かつ、低エネルギー画像３０１のコントラストを強く反映したノイズ低減済み低エネルギー画像３０９が生成される。

同様に、Ｓ３５５において、合成部１３３は、高エネルギー画像３０２を周波数空間に変換した周波数空間画像３０６から低周波成分を抽出し、低周波成分画像を得る。そして、Ｓ３５７において、合成部１３３は、Ｓ３５５で抽出された低周波成分画像とＳ３５４で抽出された高周波成分画像を隙間なく合成し、合成周波数空間画像３０８を生成する。Ｓ３５８において、合成部１３３は、合成周波数空間画像３０８に２Ｄ逆フーリエ変換を行う。こうして、合成周波数空間画像３０８を実画像空間に戻すことにより、量子ノイズが抑えられ、かつ、高エネルギー画像３０２のコントラストを強く反映したノイズ低減済み高エネルギー画像３１０が生成される。

平均画像の量子ノイズの強度は、［数２］に示したように、一枚あたりの放放射線フォトン数をＢとすると１／√２に低減されることになる。ノイズ低減済み低エネルギー画像３０９とノイズ低減済み高エネルギー画像３１０とが、理想的に平均画像と同等の量子ノイズの強度に変換されたとする。この場合、ノイズ低減済みの低エネルギー画像３０９とノイズ低減済み高エネルギー画像３１０において目的とする量子ノイズの強度を得るためには、［数１］を考慮するとそれぞれ１／２の放射線フォトン数で可能である。従って、図５に示した処理を用いれば、時分割型スペクトラルイメージングのために複数枚の放射線撮影を行った場合、各画像の量子ノイズの強度は、合計の可視光フォトン数に依存することになる。そのため、複数枚の放射線撮影時の線量を低減しても一連の複数枚の放射線撮影における合計の可視光フォトン数が、目的とする量子ノイズの強度となる可視光フォトン数と同等であれば、各画像の量子ノイズの強度を目的とする強度に維持できる。結果、スペクトラルイメージング撮影において同一部位の複数枚の撮影が必要であっても、複数枚の合計で可視光フォトン数が維持できればよいことになり、各画像での被曝低減が可能になる。

以下、実際の処理例について図６と図７を参照して説明する。図６は実空間から周波数空間への変換処理例を示す図であり、図７は周波数空間から実空間への変換処理例を示す図である。

図６において、生成部１３２は、低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２の平均画像３０３を生成する（Ｓ３５１）。そして、合成部１３３は、低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２と平均画像３０３について２Ｄフーリエ変換を行う（Ｓ３５２）。結果、低エネルギー画像３０１の周波数空間画像３０４、平均画像３０３の周波数空間画像３０５、高エネルギー画像３０２の周波数空間画像３０６が得られる。

図７において、合成部１３３は、低エネルギー画像３０１の周波数空間画像３０４から低周波成分を抽出することにより低周波成分画像３２１を作成する（Ｓ３５３）。同様に、合成部１３３は、高エネルギー画像３０２の周波数空間画像３０６から低周波成分を抽出することにより低周波成分画像３２３を作成する（Ｓ３５５）。また、合成部１３３は、平均画像３０３の周波数空間画像３０５から高周波成分を抽出することにより高周波成分画像３２２を作成する（Ｓ３５４）。

合成部１３３は、低周波成分画像３２１と高周波成分画像３２２とを重なりがないように合成して合成周波数空間画像３０７（図５）を生成する（Ｓ３５６）。そして、合成部１３３は、合成周波数空間画像３０７に２Ｄ逆フーリエ変換を行い（Ｓ３５８）、実空間の画像に戻すことにより、ノイズ低減済み低エネルギー画像３０９を生成する。また、合成部１３３は、低周波成分画像３２３と高周波成分画像３２２とを重なりがないように合成して合成周波数空間画像３０８（図５）を生成する（Ｓ３５７）。そして、合成部１３３は、合成周波数空間画像３０８に２Ｄ逆フーリエ変換を行い（Ｓ３５８）、実空間の画像に戻すことによりノイズ低減済み高エネルギー画像３１０を生成する。

さらに、制御用コンピュータ１０３は、ノイズ低減済み低エネルギー画像３０９と、ノイズ低減済み高エネルギー画像３１０とを使用してスペクトラルイメージング画像を生成する。合成周波数空間画像３０７、３０８に対して２Ｄ逆フーリエ変換３５８を行った後の各画素の信号（出力データ）は、周波数空間上で数値を変更しているため、２Ｄフーリエ変換（Ｓ３５２）で変換された複素数のままになる。制御用コンピュータ１０３は、最終的に当該複素数の絶対値を求めて画素値とする。

なお、上述した処理は、コンピュータ（プロセッサー１２１）が所定のプログラムを実行することにより実現されてもよいし、処理の全てあるいは一部が専用のハードウェア（回路）を用いて実現されてもよい。

なお、合成周波数空間画像３０７、３０８を生成する処理（Ｓ３５６、Ｓ３５７）において、モアレの防止、コントラスト情報の維持、ノイズの強度の調整などを目的として、高周波成分と低周波成分を合成する比率を変化させるようにしてもよい。例えば、図８（ａ）に示されるように、低周波成分画像と高周波成分画像の境界において、両画像の信号値が等しくなるように低周波成分および／または高周波成分の合成の比率を設定するようにしてもよい。また、Ｓ３５６，Ｓ３５７により合成周波数空間画像３０７、３０８を生成する際に、モアレの防止を目的に窓関数を導入してもよい。例えば、低周波成分画像と高周波成分画像の境界に近づくにつれて低周波成分と高周波成分のそれぞれの信号値が減少し、境界位置で信号値がゼロになるように窓関数が適用される。窓関数の一例を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の窓関数は、高周波成分と低周波成分の接続部分である境界位置８０１において、係数が０となっている。

また、上記実施形態では、低周波成分画像３２１，３２３と高周波成分画像３２２の境界を形成する図形の形状を正方形としたが、長方形、正円、楕円等の形状が用いられてもよい。また、境界を形成する図形の面積が可変であってもよい。さらに、低周波成分と高周波成分の境界をユーザが設定できるようにしてもよく、その場合、ユーザは上述した図形の形状を選択したり、面積を設定したりすることができる。

また、実空間と周波数空間との間の変換を行う処理として、２Ｄフーリエ変換（Ｓ３５２）と２Ｄ逆フーリエ変換（Ｓ３５８）を用いたがこれに限られるものではない。例えば、ウェーブレット変換等のフーリエ変換以外の周波数処理を用いて高周波成分と低周波成分を分離・合成するようにしてもよい。

また、周波数空間を使用せず、実空間での演算手法によってノイズ低減済み低エネルギー画像３０９とノイズ低減済み高エネルギー画像３１０を得るようにしてもよい。すなわち、合成部１３３は、実空間において一つの画像（例えば、低エネルギー画像３０１または高エネルギー画像３０２）の低周波成分を強調した第１の画像を生成する。また、合成部１３３は、実空間において処理画像（例えば、平均画像３０３）の高周波成分を強調した第２の画像を生成する。そして、合成部１３３は、第１の画像と第２の画像を合成することにより、コントラストを維持しつつ量子ノイズが低減された合成画像（ノイズ低減済み低エネルギー画像３０９、ノイズ低減済み高エネルギー画像３１０）を得る。

例えば、合成部１３３は、２Ｄフーリエ変換と２Ｄ逆フーリエ変換を行う代わりに、移動平均等の手法を用いて低エネルギー画像３０１と高エネルギー画像３０２の高周波成分を減少させることで、低周波成分を強調する。また、合成部１３３は、例えばラプラシアンの手法を用いて平均画像３０３の高周波成分を強調する。合成部１３３は、こうして得られた、低エネルギー画像３０１の低周波成分を強調させた画像と平均画像３０３の高周波成分を強調させた画像とを合成することにより、ノイズ低減済み低エネルギー画像３０９を得る。同様に、合成部１３３は、高エネルギー画像３０２の低周波成分を強調させた画像と平均画像３０３の高周波成分を強調させた画像とを合成することにより、ノイズ低減済み高エネルギー画像３１０を得る。また、このような画像の合成には、単純な加算などの四則演算処理が用いられてもよいし、対数を用いた処理が用いられてもよい。

さらに、上記実施形態では、スペクトラルイメージング画像を生成するために平均エネルギーが異なる２枚の画像を用いたがこれに限られるものではなく、３枚以上の画像を用いる場合にも上述した処理を適用可能である。すなわち、Ｎ枚（Ｎ≧２）の平均エネルギーの異なる画像から作成された平均画像の高周波成分と、Ｎ枚の画像の各々の低周波成分を用いて画像を合成することにより、各画像の量子ノイズを低減させることができる。

以上説明したように、上記実施形態によれば、放射線のエネルギー分別をするスペクトラルイメージング画像を得るために複数の放射線画像を撮影しても、通常の一枚撮影と同等の放射線量で、同等の量子ノイズの画像を提供することができる。

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０１：放射線発生装置、１０２：放射線制御装置、１０３：制御用コンピュータ、１０４：放射線撮影装置、２０：画素

Claims (15)

1. エネルギーの異なる放射線を照射して得られた複数の画像を取得する取得手段と、
   前記複数の画像を合成して処理画像を生成する生成手段と、
   前記複数の画像のうちの一つの画像の低周波成分を強調し、前記処理画像の高周波成分を強調するように、前記一つの画像と前記処理画像を合成して合成画像を生成する合成手段と、を備えることを特徴とする画像処理装置。
2. 前記生成手段による前記複数の画像の合成は、前記複数の画像を加算することを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記生成手段による前記複数の画像の合成は、前記複数の画像における信号の強度とノイズの強度の少なくとも何れかに基づいた重み付けを行って前記複数の画像を加算することを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
4. 前記合成手段は、前記一つの画像の周波数空間画像から低周波成分画像を抽出し、前記処理画像の周波数空間画像から高周波成分画像を抽出し、前記低周波成分画像と前記高周波成分画像を合成して実空間の画像に変換することにより前記合成画像を得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像処理装置。
5. 前記合成手段は、フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いて、前記一つの画像と前記処理画像をそれぞれの周波数空間画像に変換することを特徴とする請求項４に記載の画像処理装置。
6. 前記合成手段は、前記低周波成分画像と前記高周波成分画像を合成する際の比率を変更する第１変更手段をさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載の画像処理装置。
7. 前記高周波成分と前記低周波成分の境界を設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の画像処理装置。
8. 前記合成手段は、前記高周波成分画像と前記低周波成分画像の接続部分に窓関数を適用することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の画像処理装置。
9. 前記合成手段は、実空間において前記一つの画像の低周波成分を強調した第１の画像と、実空間において前記処理画像の高周波成分を強調した第２の画像とを生成し、前記第１の画像と前記第２の画像を合成して前記合成画像を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像処理装置。
10. 前記合成手段は、前記一つの画像について移動平均を計算することにより低周波成分を強調することを特徴とする請求項９に記載の画像処理装置。
11. 前記合成手段は、前記処理画像にラプラシアンを用いることで高周波成分を強調することを特徴とする請求項９または１０に記載の画像処理装置。
12. 前記合成手段は、前記第１の画像と前記第２の画像について重み付けを行って合成することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の画像処理装置。
13. 前記合成手段は、前記第１の画像と前記第２の画像の画素値の対数を用いて、前記第１の画像と前記第２の画像の合成を行うことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の画像処理装置。
14. エネルギーの異なる放射線を照射して得られた複数の画像を取得する取得工程と、
    前記複数の画像を合成して処理画像を生成する生成工程と、
    前記複数の画像のうちの一つの画像の低周波成分を強調し、前記処理画像の高周波成分を強調するように、前記一つの画像と前記処理画像を合成して合成画像を生成する合成工程と、を備えることを特徴とする画像処理装置の制御方法。
15. コンピュータを、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の画像処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。