佐藤・近藤・中澤：試作動態ファントムを用いた医療 X 線動画像における視覚的特性の解析 試作動態ファントムを用いた医療 X 線動画像における視覚的特性の解析 佐藤久弥1，2） 近藤啓介1） 中澤靖夫2） 1）駒澤大学大学院医療健康科学研究科 2）昭和大学大学院保健医療学研究科 X 線画像は、静止画像と動画像による画像描出方法がある。その画質評価に着目すると、静止画像と 動画像共に、静止ファントムを用いて視覚評価を行っている。しかし、静止ファントムを用いた動画像 の視覚評価は、臨床画像と一致しない場合がある。そこで、複数の信号スピードが存在する動態ファン トムを作成した。そして、X 線動画像上で信号の検出限界コントラストの視覚評価を可能とした。試作 動態ファントムは、臨床における動画像特有の画質変化を伴うリカーシブフィルタの特徴を評価するこ とができた。 1．緒言 着目すると、視覚的な定性評価を主とし、定量的 近年の Interventional Radiology は、検査・治 に解析することは少ない。その理由は、動画像を 療に用いるデバイスの進歩により、高度狭窄に対 定量的に評価できるファントムが少なく、評価が する治療が盛んに行われている。そのため、循環 困難なためである。しかし、動画像の定量的評価 器専用 X 線装置（以下：X 線装置）は、X 線の は重要である。例えば、動く信号は残像の影響で 低線量化および高画質化が期待されている。特 画質低下をきたす。しかし、静止ファントムを用 に、患者の背部に発症する放射線皮膚障害は、長 いて動画像を評価した場合、被写体の動きによる 時間透視が原因の一つであると報告［1］ もあり、 影響が無いため、画質は逆に向上する状態となり X 線透視および撮影における X 線線量管理［2］～［8］ 臨床画像の評価と違いを生ずることは経験的に明 が重要となる。X 線装置は、検出器が Flat Panel らかである。このような動画像の変化に対して、 Detector（以下：FPD）となって低線量化および 視覚的な定性評価から、定量的に評価することが 高画質を期待される。そして、X 線の検出効率が できれば、動画像の違いが明確になり、日々の画 向上したことで、低線量化が図られ、さらに画像 質の変化が捉えることができる。また、常に安定 処理により、得られる X 線画像の画質は大きく した画像を継続的に提供できる。 変化した。その一つには、低線量でありながら、 そこで今回、動画像における信号の大きさや動 病変の認識率向上を目的としたディジタル画像処 態スピードが異なる信号の視覚評価を定量的に評 理［9］ が行えることである。利用されているディ 価可能なファントムを試作した。そして、この試 ジタル画像処理は、周波数処理、階調処理（ダイ 作ファントムを用いて、画質向上のために用いら ナミックレンジ圧縮処理など） 、平滑化処理、鮮 れる、時間フィルタ処理の一つであるリカーシブ 鋭化処理が挙げられる。 フィルタ処理［10］～［13］に着目し、動画像のリカー 例えば、実際使用されている空間フィルタとし シブフィルタ処理と人間の視覚的検出能の関係 ては、加重平均値フィルタ、ラプラシアンフィル を、リカーシブフィルタの強度変化と信号の速さ タ、メディアンフィルタなど目的に応じて複数を （動き）について解析した。 組み合わせて使用される。このようにして作成さ れる X 線動画像（以下：動画像）の画質評価に ─ 13 ─ 駒澤大学医療健康科学部紀要 第 12 号（2015） 2．ファントム mm、8.0 mm であり、信号の深さが信号の強度 2． 1 ファントムの材質・構造 に対応している。1 枚のアクリル板に掘る信号の 通常、X 線画像の評価として用いられるファン 大きさ（直径）は同じ大きさであり、信号の大き トムは、静止画像の視覚評価および物理評価用に さ（直径）である直径が、2.0 mm、3.2 mm の 2 作成されたファントムが中心であり、透視画像の つのファントムを作成した。 ような動画像の視覚評価および物理評価には適し ていない。そのため、今回試作したファントム 深さ: 1.6mm は、回転することで速度変化が捉えられる構造で あり、動画像の視覚評価および物理評価が可能で Ф: 4.0mm ある。図 1 に試作ファントムの外観を示す。ファ 深さ 8.0mm ントムの素材は、厚さ 10 mm のアクリルを用い、 深さ 1.6mm 15mm 中心 工した。 Ф: 4.0mm 深さ 2.0mm 深さ 6.3mm 形状は直径 29.22 cm の円に内接する八角形に加 深さ: 2.0mm 深さ 5.0mm 深さ 4.0mm 深さ 2.5mm 中心 45mm 深さ 3.2mm 図 2 試作ファントムの構造 2． 2 ファントムの機能 試作ファントムの機能を図 3 に示す。ファント ムを回転させるモータは、3 rpm を用いた。本研 究における動きの大きさの程度は、一般的な心壁 速度［14］ として約 20 mm/sec を想定した。これ は、 脈 拍 数 を 60 beat/min（bpm） （＝1 beat/ sec） 、心室収縮期と拡張期の心壁運動を 10 mm 図 1 試作ファントムの外観 （往復 20 mm）として算出されている。つまり、 図 2 に試作ファントムの構造を示す。これは、 試作ファントムは、約 0.87 mm/sec から約 62.8 臨床における心臓カテーテル検査・治療で主とし mm/sec の範囲での動きによる視覚評価が可能で て使用する、焦点─ FPD 間が 100 cm の時に視野 ある。この範囲には、心拍数を考慮したスピード が 20.32 cm で あ る た め、 フ ァ ン ト ム の 半 径 を があり、試作ファントムのスピードが約 14.13 14.61 cm にして視野内に十分描出可能になるよう mm/sec から 37.68 mm/sec の範囲において、脈 に設計した。また、八角形の対角線上に中心から 拍数の変化に換算すると約 42 beat/min から 111 45 mm の位置に信号を設け、その外側に 15 mm beat/min の変化に相当する。 の等間隔で計 6 つの信号を設けた。さらに、その 本研究は、信号の大きさ（直径）2.0 mm、3.2 最も外側に信号の同定を明確にするための金属線 mm に お け る、 信 号 の 速 さ（ 動 き） は、14.13 を設置した。一つの対角線に設けた 6 つの信号は mm/sec、18.84 mm/sec、23.55 mm/sec、28.26 全て同じ深さのため信号強度は同じである。8 つ mm/sec、32.98 mm/sec、37.68 mm/sec に 設 定 の対角線のそれぞれの信号の深さは、1.6 mm、 されている。 2.0 mm、2.5 mm、3.2 mm、4.0 mm、5.0 mm、6.3 ─ 14 ─ 佐藤・近藤・中澤：試作動態ファントムを用いた医療 X 線動画像における視覚的特性の解析 は、リカーシブフィルタ処理の強度と信号の大き 120 深さ 8.0mm 深さ 1.6mm 105 深さ 2.0mm 深さ 6.3mm 半径［mm］ さおよび信号の速さで変化する。 90 75 60 45 深さ 2.5mm 深さ 5.0mm 深さ 4.0mm 深さ 3.2mm 回転 中心 14.13 23.55 18.84 32.98 28.26 R 37.68 回転中心 からの距離 45mm 速さ［mm/sec］ 60mm 75mm 90mm 105mm 120mm 図 3 ファントムの機能 2．3 リカーシブフィルタの仕組み 動画像における透視画像は、撮影画像に比べ FPD に入射する X 線線量が少ないため、量子ノ 重なり合う面積 を求める イズが目立つ。そこで透視画像の画質改善は、ノ イズを低減することが求められる。ノイズ低減の R 1 つの手法として、リカーシブフィルタが付加さ れる。そのリカーシブフィルタの計算式を（1） d α 式に示す。gt は t パルス目の処理後の画像、λは β r リカーシブフィルタの強度、ft は t パルス目のパ ルス画像を示す。 λ0ft＋λ1ft－1＋・・・＋λnft－n n gt＝ Σλi 図 4 信号の理論値の考え方 …（1） i＝0 このリカーシブフィルタでは、通常λを 1 以下 にする。フィルタ係数λを 1 に近づけるほど、過 3．実験方法 去画像の加算割合が増加し、フィルタが強くかけ 3． 1 静止画と動画像の視覚評価 られることとなり、λが 0 の時は現在画像のみ 動態ファントムを静止させた状態と運動させた 状態で、リカーシブフィルタと信号の関係につい （フィルタなし）となる。 2． 4 信号の強度 て観察する。信号の大きさ（直径）は、3.2 mm 理論的な信号強度について、リカーシブフィル とし、運動させた状態の信号の速さは 28.26 mm/ タと信号の大きさの関係は、信号強度を理論値か sec とする。リカーシブフィルタ処理の強度 6 段 ら算出し評価を行う。信号強度を求める理論値の 階（強度 0 を含む）に対する検出限界の信号強度 考え方を図 4 に示す。信号の重なる面積 S と加 に及ぼす影響を観察する。 算比率から信号強度（2）式から求める。 3． 2 信号の速さと大きさおよびリカーシブフィ 2 S＝r（β－sin β） ルタ強度の視覚評価 …（2） 図 4 に示す距離 R は試作ファントムの回転中 信号の大きさ（直径）2.0 mm と 3.2 mm にお 心から信号の中心までの距離、角度αは 1 ステッ いて、信号の速さ（動き）14.13 mm/sec、18.84 プ後の回転角度、距離 d は信号の中心間距離、 mm/sec、23.55 mm/sec、28.26 mm/sec、32.98 角度βは信号の重なり合う円周を円弧とする扇形 mm/sec、37.68 mm/sec に対し、リカーシブフ の中心角、距離 r は信号の半径を示す。信号強度 ィルタ処理の強度 6 段階（強度 0 を含む）に対す ─ 15 ─ 駒澤大学医療健康科学部紀要 第 12 号（2015） る検出限界の信号強度に及ぼす影響を観察する。 タ処理強度 0 の場合、検出限界の信号強度はもっ 本研究では、昭和大学病院で臨床に用いている とも低い値（画質は向上）を示した。 X 線装置の加算比率を視覚的に確認した結果、約 0.3 のλ係数であった。そこで、自作のリカーシ ブフィルタにて強調係数λを 0.3 を中心に 0.1 か ら 0.5 まで 0.1 ずつ変化させて、リカーシブフィ ルタ処理した透視画像をプログラムで作成する。 加算比率を表 1 に示す。 表 1 リカーシブフィルタの強度 λ リカーシブフィルタの加算比率 t－1 t－2 t－3 0.1 0.1 0.01 0.001 0.2 0.2 0.04 0.008 0.3 0.3 0.09 0.027 0.4 0.4 0.16 0.064 0.5 0.5 0.25 0.125 4．結果 4． 1 静止画像と動画像の視覚評価 検出限界の信号強度は、検出可能な信号の深さ の最小値で表し、深さが浅いほど画質が良いこと を意味する。図 5─a に動態ファントムを静止させ 図 5 動態ファントムと静止ファントムの視覚的 評価 た状態で、リカーシブフィルタ処理の強度を 0 か ら 0.5 まで変化させたときの検出限界の信号強度 4． 2 信号の速さと大きさおよびリカーシブフィ ルタ強度における視覚評価 を示す。リカーシブフィルタ処理の強度が強くな るにつれ、検出限界の信号強度は低下（画質は向 図 6─a に 2.0 mm の信号の大きさ、図 6─b に 3.2 上）した。また、リカーシブフィルタ強度が 0 の mm の信号の視覚評価の結果を示す。結果に示す 場合、検出限界の信号強度はもっとも高い値（画 v は信号の速さ、d は検出限界の信号の深さ（信 質は低下）を示した。 号強度）を意味する。信号の大きさと検出限界の 次に、図 5─b に動態ファントムを 28.26 mm/ 信号強度には一定の傾向があり、信号が小さいほ sec の速さで動かした状態でリカーシブフィルタ ど検出限界の信号強度は向上（画質は低下）し 処理強度 0 から 0.5 まで変化させたときの検出限 た。 界の信号強度を示す。リカーシブフィルタ処理の 強度が強くなるにつれ、検出限界の信号強度は向 上（画質は低下）した。また、リカーシブフィル ─ 16 ─ 佐藤・近藤・中澤：試作動態ファントムを用いた医療 X 線動画像における視覚的特性の解析 動画像を動態ファントムで評価した場合は、検 5.50 出限界の信号強度は、時間軸の変化を伴う。動態 5.00 ファントムは、動画像の速度変化を信号強度（信 4.50 号の重なり度合い）の変化として表現し、同時に 4.00 加算平均処理でノイズ抑制効果が加わった状態で 3.50 3.00 0.4 2.50 0.2 2.00 37.68 32.98 28.26 23.55 18.84 ［mm/sec］ λ 0 評価が可能となる。それは、図 6─a、b の視覚評 価に示す通り、強調係数λが大きくなり、信号の 速度が速いほど、検出限界の信号強度は低下す る。しかし、強調係数λが 0.3～0.4 で、検出限界 14.13 の信号強度が改善する傾向がある。このことか ら、信号の大きさは、検出限界の信号強度に対し a 信号の直径 2.0 mm における動画像の視覚評価 て、変化を認めるが、信号の速さとリカーシブフ ィルタの強度の関係においては、同じ傾向を示す ことが考えられる。この現象の解明には、引き続 5.50 5.00 き研究を進めている。 4.50 4.00 以上のことより動画像の特徴を適切に捉えたう 3.50 えで評価するためには、動態ファントムを用いる 3.00 2.50 2.00 37.68 ことが重要であり、今回我々が試作した動態ファ 0.4 32.98 0.2 28.26 23.55 18.84 14.13 0 ントムは、動画像の評価に有効であることが示唆 λ される。 ［mm/sec］ 6．結語 b 信号の直径 3.2 mm における動画像の視覚評価 図 6 信 号の直径 2.0 mm と 3.2 mm における動 画像の視覚評価 動画像を評価する目的で動態ファントムを試作 した。試作した動態ファントムは複数の信号の強 度、信号の速さ、信号の大きさで評価可能な構造 である。 5．考察 試作した動態ファントムを用いて、静止画像と 透視画像のような動画像を静止ファントムで評 動画像の視覚評価を行った。動態ファントムを静 価した場合、リカーシブフィルタの強度が強くな 止させた状態と動かした状態において、リカーシ るに従い、検出限界の信号強度が全体的に低下 ブフィルタ処理の強度と視覚評価の関係は、逆の （画質は向上）した。これは、信号が静止してい 傾向を示した。動態ファントムの傾向は、我々が るため、信号強度は変化せず、加算平均処理によ 臨床で経験する状況に近い傾向を示した。 るノイズ抑制効果により SNR が向上したことが 次に、信号の速さと大きさおよびリカーシブフ 原因と考えられる。つまり、静止ファントムを用 ィルタ強度の視覚評価では、リカーシブフィルタ いて動画像を評価することは、動画像の特徴であ 処理を行った画像は、信号が小さいほど、検出限 る信号の動きにおける変化と、ノイズ抑制効果の 界の信号強度は向上（画質の低下）した。しか 関係を捉えることができないため、動画像の評価 し、信号の速度に一定の傾向は見られなかった。 には適さない。 これらのことから、我々が試作した動態ファン ─ 17 ─ 駒澤大学医療健康科学部紀要 第 12 号（2015） トムは、動画像の評価方法として、実際の現場で ［8］ 坂本，中村，他：面積線量計による患者被 活用できる。 曝管理の検討；第 56 卷，第 10 号，日放技学 ． 誌，pp. 1256─1265（2000） 謝辞 ［9］ 近藤，田畑，笠井：医療画像処理実践テキ 本研究を進めるにあたり、X 線装置の使用並び スト；オーム社，1 版，pp. 2─175（2004）． に視覚評価にご協力していただきました、昭和大 ［10］ 鈴木，林，掘場，他：雑音低減・鮮鋭度向 学病院放射線室診療放射線技師の皆様に、深くお 上・動き補償を学習した時空間ニューラルフイ 礼を申し上げます。 ルターによる X 線透視像の高画質化；信学技 報．IE，96（198） ，pp. 25─32（1996） ． ［11］ 林，下田，金次：位相特性を考慮したリカ References ［1］ FDA : Public Health Advisory. Avoidance ーシブフィルタによるデフォーカス手法；テレ of Serious X-Ray-Induced Skin Injuries to Pa- ビジョン学会全国大会講演予稿集，pp. 207─ tients During Fluoroscopically-Guided Proce- 208（1987） ． dures. ; U.S. Food and Drug Administration, ［12］ 江口：DF 装置を使用する人が知っておき （1994）. た い こ と； 日 放 技 学 誌， 第 56 卷， 第 11 号， ［2］ Aufrichtig R, Thomas CW, et al. : Comparison of detectability in pulsed versus continu- pp. 1331─1332（2000） ． ［13］ 桂 川： 医 用 画 像 情 報 学； 南 山 堂，2 版， ous fluoroscopy : asimulation study ; Proc SPIE Medical Imaging VI, pp. 374─378（1992） . pp. 54─143（2006） ． ［14］ 本田：大山：瞬時認識能の測定による透視 ［3］ Auf richtig R, Xue P, et al. : Perceptual comparison of pulsed and continuous fluoroscopy. ; Medical Physics, 21,（2） , pp. 245─256 （1994）. ［4］ Jabri KN, Wilson DL. : Detection improvement in spatially filtered x-ray fluoroscopy image sequences ; J Opt Soc Am A, 16,（3） , pp. 742─749（1999） ． ［5］ Tapiovaara MJ, Sandborg M. : How should low-contrast detail detectability be measured in fluoroscopy? ; Medical Physics, 31,（9） , pp. 2564─2576（2004） . ［6］ 田中，白石，他：ROC 解析による患者体動 に起因する不鋭の検出能の評価；日放技学誌， 第 67 卷，第 7 号，pp. 772─778（2011） ． ［7］ 本田，白石：主成分分析による線状陰影の 検出法とリアルタイム透視画像処理への応用； 医 用 画 像 情 報 会 誌，Vol. 21，No. 3，pp. 239─ 251（2004）． ─ 18 ─ 画像の主観評価法に関する検討；日放技学誌， 第 66 卷，第 11 号，pp. 1432─1442（2010）． 佐藤・近藤・中澤：試作動態ファントムを用いた医療 X 線動画像における視覚的特性の解析 Analysis of visual characteristics using a prototype dynamics phantom in medical X-ray moving image Hisaya Sato1, 2） Keisuke Kondo1） Yasuo Nakazawa2） 1）Graduate School of Medical Health Sciences, Komazawa University 2）Graduate School of Nursing and Rehabilitation Sciences, Showa University Summary X-ray images, there is an image rendering method according to the still and moving image. Its quality evaluation, the still and moving both, is carried out visually evaluated using a static phantom. However, visual assessment of the moving image with a still phantom may result does not match the clinical images. So, I have created a phantom dynamic speed of signal is different. Then, it was possible to visually evaluate the detection limit contrast signal on X-ray moving image. Prototype dynamic phantom was able to evaluate the characteristics of the recursive filter with a quality change of the moving image characteristic in clinical. ─ 19 ─
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