JP5397873B2 - Bone axis automatic extraction method of femur and tibia of knee joint, and bone axis automatic extraction program - Google Patents
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Description
本発明は、TKA(Total Knee Arthroplasty)術前計画および変形性膝関節症などの診断において、下肢透視画像をコンピュータ上で自動解析して膝関節の大腿骨及び脛骨の骨軸を自動抽出する技術に関するものである。 The present invention is a technique for automatically extracting the femoral and tibial bone axes of a knee joint by automatically analyzing a lower limb fluoroscopic image on a computer in TKA (Total Knee Arthroplasty) preoperative planning and knee osteoarthritis diagnosis, etc. It is about.
膝関節の診療は一般にレントゲン写真(X線透視画像)を基本に行われている。とくに重要な診療項目の1つとして、膝関節に関与している大腿骨と脛骨の骨軸の画像診断がある。また、これらの骨軸情報は、膝関節の治療としての全置換型人工関節手術においても重要な情報となる。 The medical treatment of the knee joint is generally performed on the basis of an X-ray photograph (X-ray fluoroscopic image). One particularly important medical care item is diagnostic imaging of the femoral and tibia bone axes involved in the knee joint. These bone axis information is also important information in total replacement artificial joint surgery as a treatment for knee joints.
従来法は以下に述べる目視・手作業方法と対話式方法の2つの方法に分けられる。前者はレントゲン写真データで、後者はCT(computed tomography)のデジタルデータに基づく方法である。レントゲン写真は膝関節の診断では下肢の写真となり、これは3枚のレントゲン写真を縦につなげた写真である(図5の右図)。この下肢写真の正確な読み取りとデジタル化の装置はごく最近開発されたのである。一方、CTデジタルデータはレントゲン写真と同じX線による撮影であるが、撮影方式は異なり、3次元データで3次元的な情報を提供する。膝関節の診断はレントゲン写真を基本として、近年CTデータを併用して実施される場合がある。CTデータの画像処理は対話方式で行われている。従来法について概略を以下に述べる。 The conventional method can be divided into the following two methods: a visual / manual method and an interactive method. The former is a method based on radiographic data, and the latter is based on digital data of CT (computed tomography). The X-ray photograph is a photograph of the lower limbs in the diagnosis of the knee joint, which is a photograph in which three X-ray photographs are connected vertically (the right figure in FIG. 5). This device for accurate reading and digitization of lower limb photographs was developed very recently. On the other hand, the CT digital data is the same X-ray image as the X-ray image, but the imaging method is different and provides three-dimensional information with three-dimensional data. Diagnosis of the knee joint may be carried out based on X-ray photographs and using CT data in recent years. Image processing of CT data is performed in an interactive manner. An outline of the conventional method is described below.
〔目視・手作業による骨軸抽出法〕
目視方法は医者がレントゲン写真を目視し、次の手順で骨軸の抽出を手作業で行う方法である(図1)。
A1:膝関節の間隙線を目視して膝間隙ラインの検出し、そのラインから上下に10cm〜15cmの骨軸抽出範囲の設定
A2:上方の骨軸抽出範囲で大腿骨の骨領域の検出し、骨部の左右の骨境界線を抽出して、それらの境界線の中線を大腿骨の骨軸とする。
A3:下方の骨軸抽出範囲で、A2と同様な骨境界線検出を行い、その中線を脛骨の骨軸とする。これにより、大腿骨と脛骨の骨軸が抽出され、さらに診療の重要項目の大腿脛骨外側角(FTA)が容易に算出できることになる。
[Visual and manual bone axis extraction method]
The visual method is a method in which a doctor visually observes an X-ray and manually extracts a bone axis according to the following procedure (FIG. 1).
A1: Detecting the knee gap line by visually checking the gap line of the knee joint, and setting the bone axis extraction range from 10 cm to 15 cm up and down from the line A2: Detecting the bone area of the femur in the upper bone axis extraction range The left and right bone boundary lines of the bone part are extracted, and the midline of these boundary lines is set as the bone axis of the femur.
A3: In the lower bone axis extraction range, the same bone boundary line detection as in A2 is performed, and the middle line is set as the bone axis of the tibia. As a result, the bone axes of the femur and tibia are extracted, and the femoral tibia lateral angle (FTA), which is an important item for medical care, can be easily calculated.
〔対話方式による骨軸抽出法〕
対話式方法は、医者が介在する対話方式によるCTのデジタルデータによるコンピュータ処理方法である(非特許文献1)。すなわち、コンピュータが困難な処理を医者が行い、それをもとに骨軸の抽出を行う方法である。医者が対話方法で関与する情報は、膝間隙ラインと抽出したい骨の輝度値の2つである。すなわち、上記の目視・手作業方法と比較して、与えられた膝間隙ラインから目視方法のA1ができる。A2とA3については与えられた骨の輝度値の情報をもとに、次の画像処理法で処理が可能となる。
B1:閾値法による骨領域の抽出
骨部のX線透視画像の輝度値は患者によっても撮影条件によっても異なる。よって、対話式に与えられた輝度値を必要とする。この値をもとに、同じ輝度値をもつ骨領域の抽出を行うことが出来る。
B2:エッジ検出法および輪郭連結法
B1で求められた骨領域を2値化してエッジ法で骨境界の検出を行い、輪郭連結法によって、連続した骨境界を抽出して、これらの境界線の中線から、大腿骨と脛骨の骨軸が得られることになる。
[Interactive Bone Axis Extraction Method]
The interactive method is a computer processing method using digital data of CT based on an interactive method involving a doctor (Non-Patent Document 1). That is, this is a method in which a doctor performs a difficult process using a computer and extracts a bone axis based on the processing. There are two kinds of information that the doctor is involved in the dialogue method: the knee gap line and the brightness value of the bone to be extracted. That is, as compared with the visual / manual work method described above, the visual method A1 can be performed from a given knee gap line. A2 and A3 can be processed by the following image processing method based on the information on the luminance value of the given bone.
B1: Extraction of bone region by threshold method The luminance value of the X-ray fluoroscopic image of the bone varies depending on the patient and the imaging conditions. Therefore, the luminance value given interactively is required. Based on this value, a bone region having the same luminance value can be extracted.
B2: Edge detection method and contour connection method The bone region obtained in B1 is binarized and the bone boundary is detected by the edge method, and continuous bone boundaries are extracted by the contour connection method, and these boundary lines are extracted. From the midline, the femoral and tibia bone axes can be obtained.
しかしながら、従来の骨軸抽出法では医者が介在することで術前計画の負担が大きくなること、さらに術前計画および変形性膝関節症などの診断については医者の技能レベルに依存することで医者による術前計画および変形性膝関節症などの診断のレベルを一定以上に保つことが難しいという問題点がある。 However, the conventional bone axis extraction method increases the burden of preoperative planning due to the intervention of a doctor, and the preoperative planning and the diagnosis of knee osteoarthritis depend on the skill level of the doctor. There is a problem that it is difficult to keep the level of diagnosis such as preoperative planning and osteoarthritis of the knee by more than a certain level.
本発明は、上記問題を解決するため、2次元データである下肢写真のデジタルデータ(ダイコムデータ)から、大腿骨および脛骨の骨軸について、コンピュータ上で自動解析して自動抽出するアルゴリズムを提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides an algorithm for automatically analyzing and automatically extracting femoral and tibia bone axes from digital data (Dycom data) of lower limb photographs as two-dimensional data. For the purpose.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の骨軸自動抽出方法は、下肢透視画像をコンピュータ上で自動解析して膝関節の大腿骨及び脛骨の骨軸を自動抽出する方法であって、
(a)下肢透視画像から生体組織の画像領域の切り出しを行うプロセスと、
(b)プロセス(a)で切り出された透視画像から輝度反転変換した画像(以下、吸収画像と称する)を導出し、該吸収画像の輝度分布に基づき膝間隙ラインを抽出するプロセスと、
(c)プロセス(b)で求めた吸収画像から骨組織を強調した画像(以下、強調画像と称する)に変換し、該強調画像の輝度分布と前記膝間隙ラインとに基づき骨境界点を求めるプロセスと、
(d)プロセス(c)で求めた骨境界点と前記膝間隙ラインとに基づき骨軸解析範囲を設定し、該骨軸解析範囲の骨境界点から骨軸を導出するプロセスと、
を有し、プロセス(a)から(d)を順次実行することで膝関節の大腿骨及び脛骨の骨軸が自動抽出され、大腿脛骨外側角(FTA: Femoro Tibial Angle)が自動算出されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the bone axis automatic extraction method according to
(A) a process of cutting out an image region of a living tissue from a lower limb fluoroscopic image;
(B) a process of deriving an image (hereinafter referred to as an absorption image) obtained by luminance inversion conversion from the fluoroscopic image cut out in the process (a), and extracting a knee gap line based on the luminance distribution of the absorption image;
(C) The absorption image obtained in the process (b) is converted into an image in which bone tissue is enhanced (hereinafter referred to as an enhanced image), and a bone boundary point is obtained based on the luminance distribution of the enhanced image and the knee gap line. Process,
(D) a process of setting a bone axis analysis range based on the bone boundary point obtained in the process (c) and the knee gap line, and deriving the bone axis from the bone boundary point of the bone axis analysis range;
The femoral and tibial bone axes of the knee joint are automatically extracted and the femoral tibia lateral angle (FTA: Femoro Tibial Angle) is automatically calculated by sequentially executing processes (a) to (d). It is characterized by.
請求項2に記載の骨軸自動抽出方法は、プロセス(a)において、下肢透視画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸として、i軸方向及びj軸方向の輝度分布特性と左肢か右肢かの肢情報とを用いて、前記下肢透視画像から生体組織画像以外のノイズ情報を除去した最小領域の切り出しを行うことを特徴とする。
The method for automatically extracting a bone axis according to
請求項3に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項2に記載の切り出しにおいてi軸方向の画像切り出し手順は、
(1)各i軸座標でj軸方向に輝度分布の平均輝度値IavbM(i)を求める。
(2)IavbM(i)分布においてi軸の両端から輝度値がある輝度値以上に変化したi軸座標をそれぞれIRngA1とIRngA2とし、これらの点から幅(IRngA2−IRngA1)/δ(δ:予め設定された定数)の長さだけ内側にシフトした内部点として、IRngB1とIRngB2とを求める。
(3)区間(IRngB1, IRngB2)における最小輝度値のi軸座標点IMinItiを求める。
(4)左肢の場合、区間(IRngB1,IMinIti)における最大輝度値の峰点をILine1とし、区間(IMinIti,IRngB2)におけるIMinItiにより近い峰点をILine2とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。右肢の場合、区間(IMinIti,IRngB2)における最大輝度値の峰点をILine2とし、区間(IRngB1,IMinIti)におけるIMinItiにより近い峰点をILine1とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。
The bone-axis automatic extraction method according to
(1) The average luminance value IavbM (i) of the luminance distribution is obtained in the j-axis direction at each i-axis coordinate.
(2) In the IavbM (i) distribution, the i-axis coordinates where the luminance value changes from the both ends of the i-axis to a certain luminance value or more are IRngA1 and IRngA2, respectively, and the width (
(3) The i-axis coordinate point IMinIti of the minimum luminance value in the section (IRngB1, IRngB2) is obtained.
(4) In the case of the left limb, the peak point of the maximum luminance value in the section (IRngB1, IMinIti) is ILine1, the peak point closer to IMinIti in the section (IMinIti, IRngB2) is ILine2, and ILine1 and ILine2 are i-axis coordinate A cut point is used. In the case of the right limb, the peak point of the maximum luminance value in the interval (IMinIti, IRngB2) is ILine2, the peak point closer to IMinIti in the interval (IRngB1, IMinIti) is ILine1, and ILine1 and ILine2 are the cut-out points of the i-axis coordinates. To do.
請求項4に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項2に記載の切り出しにおいてj軸方向の画像切り出し手順は、
(1)各j軸座標でi軸方向に輝度分布の平均輝度値Javb[j]を求める。
(2)Javb[j]分布においてj軸の両端から輝度値が予め決められた設定値以上に変化した座標をそれぞれJLine1とJLine2とし、これらの座標をj軸方向の切り出し点とする。
ことを特徴とする。
The bone axis automatic extraction method according to claim 4 is an image extraction procedure in the j-axis direction in the extraction according to
(1) The average luminance value Javb [j] of the luminance distribution is obtained in the i-axis direction at each j-axis coordinate.
(2) In the Javb [j] distribution, coordinates whose luminance values have changed from the both ends of the j-axis to a predetermined set value or more are JLine1 and JLine2, respectively, and these coordinates are cut-out points in the j-axis direction.
It is characterized by that.
請求項5に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項4に記載のj軸方向の画像切り出し手順において、切り出し区間(JLine1,JLine2)で、Javb[j]の分布をj軸方向に平滑化した分布JavbM[j]を求め、変動分布JavbD[j]=Javb[j]−JavbM[j]を用いてレントゲン写真の継ぎ目線(以下、ラインノイズと称する)の区間を特定し、該ラインノイズ区間の輝度分布を区間外の輝度分布から線形補間して補正することによりラインノイズを消去することを特徴とする。 The bone axis automatic extraction method according to claim 5 is a method of smoothing the distribution of Javb [j] in the j-axis direction in the cut-out section (JLine1, JLine2) in the image cut-out procedure in the j-axis direction according to claim 4. Distribution JavbM [j] is determined, and the section of the X-ray photograph seam line (hereinafter referred to as line noise) is specified using the fluctuation distribution JavbD [j] = Javb [j] −JavbM [j], and the line noise is determined. Line noise is eliminated by correcting the luminance distribution in the section by linear interpolation from the luminance distribution outside the section.
請求項6に記載の骨軸自動抽出方法は、プロセス(b)において、画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸として、
(1)プロセス(a)で切り出された透視画像IBrt0(j,i)を輝度反転変換した吸収画像の輝度分布IBrt1(j,i)を式(1)により求める。
ここでIBmaxとIBminはそれぞれ透視画像の最大輝度値と最小輝度値とする。
(2)吸収画像の輝度分布IBrt1(j,i)を用いて式(2)により輝度差分分布DBrt(j)を求める。
(3)DBrt(j)のピークのj軸座標を膝間隙ラインとして抽出する。
ことを特徴とする。
The bone axis automatic extraction method according to
(1) The luminance distribution IBrt1 (j, i) of the absorption image obtained by performing luminance inversion conversion on the fluoroscopic image IBrt0 (j, i) cut out in the process (a) is obtained by the equation (1).
Here, IBmax and IBmin are the maximum luminance value and the minimum luminance value of the fluoroscopic image, respectively.
(2) Using the luminance distribution IBrt1 (j, i) of the absorption image, the luminance difference distribution DBrt (j) is obtained by Equation (2).
(3) The j-axis coordinate of the peak of DBrt (j) is extracted as a knee gap line.
It is characterized by that.
請求項7に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項6に記載の膝間隙ラインの抽出において、前処理としてj軸方向にダイナミックレンジ圧縮(以下、DR圧縮と称する)して輝度変動量を増幅させた輝度分布を導出すること、およびDR圧縮のフィルター処理は、
(1)j軸方向のみにβピクセル(β:予め設定された定数)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)ボケ画像Boke(j,i) と吸収画像IBrt1(j,i)とを利用して式(3)による輝度変動画像IBrt2(j,i)を作成する。
(3)プロセス(a)で切り出された透視画像の輝度範囲が(IBmin,IBmax)になるようにIBrt2(j,i)を線形補間し、γピクセル(γ:予め設定された定数)のスケールの移動平均による平滑化を行い、j軸方向の圧縮画像を得る。
ことを特徴とする。ここでβは比較的大きいスケール(例えばβ=50ピクセル)であり、γは比較的小さいスケール(例えばγ=3ピクセル)とする。
In the bone axis automatic extraction method according to claim 7, in the extraction of the knee gap line according to
(1) Smoothing is performed by moving average of β pixels (β: a preset constant) only in the j-axis direction to create a blurred image Boke (j, i).
(2) Using the blurred image Boke (j, i) and the absorption image IBrt1 (j, i), create a luminance variation image IBrt2 (j, i) according to Equation (3).
(3) IBrt2 (j, i) is linearly interpolated so that the brightness range of the fluoroscopic image cut out in process (a) becomes (IBmin, IBmax), and the scale of γ pixel (γ: preset constant) To obtain a compressed image in the j-axis direction.
It is characterized by that. Here, β is a relatively large scale (for example, β = 50 pixels), and γ is a relatively small scale (for example, γ = 3 pixels).
請求項8に記載の骨軸自動抽出方法は、プロセス(c)において、
(1) プロセス(b)で求めた吸収画像からダイナミックレンジ圧縮画像処理を用いて骨組織の輝度レベルを強調する強調画像を導出する。
(2) 該強調画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸として、i軸方向の輝度分布に対して予め設定された輝度レベル以上の輝度を持つ分布の塊(以下、島と称する)を検出する。
(3) 前記(2)で検出した島が2個の場合、該2島を選択する。前記(2)で検出した島が3個以上の場合、前記膝間隙ラインに基づき大腿骨か脛骨かを判断し、
(3-1) 大腿骨の場合、島の高さの高い方から2島を選択する。
(3-2) 左肢の脛骨の場合、左側にある2島を優先的に選択する。
(3-3) 右肢の脛骨の場合、右側にある2島を優先的に選択する。
(4) 前記(3)で選択した2島からエッジ画像を利用して島の輝度値がピークとなる位置を求め、該位置を骨境界点として抽出する。
ことを特徴とする。
The bone axis automatic extraction method according to claim 8, wherein in the process (c),
(1) An enhanced image that enhances the luminance level of bone tissue is derived from the absorption image obtained in process (b) using dynamic range compression image processing.
(2) A cluster of distributions (hereinafter referred to as islands) having a luminance level higher than a predetermined luminance level with respect to the luminance distribution in the i-axis direction, where the width direction of the enhanced image is the i-axis and the height direction is the j-axis. ) Is detected.
(3) If there are two islands detected in (2), the two islands are selected. If there are three or more islands detected in (2), determine whether the femur or tibia based on the knee gap line;
(3-1) For the femur, select two islands from the higher island.
(3-2) In the case of the tibia of the left limb, select the two islands on the left side with priority.
(3-3) In the case of the tibia of the right limb, select the two islands on the right side preferentially.
(4) Using the edge image from the two islands selected in the above (3), a position where the brightness value of the island becomes a peak is obtained, and the position is extracted as a bone boundary point.
It is characterized by that.
請求項9に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項8に記載した強調画像の導出が、
(1)j軸およびi軸の両方向にβピクセル(β:予め設定された定数)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)ボケ画像Boke(j,i)と吸収画像IBrt1(j,i)とを利用して式(3)により圧縮画像IBrt2(j,i)を作成する。
(3)圧縮画像IBrt2(j,i)から、式(4)〜式(6)に示す強調係数fact(j,i)を導入し、強調画像IBrt3(j,i)を作成する。ここで平均的輝度レベルIBrtLVL(j)はボケ画像Boke(j,i)において、各j軸座標に対して、i軸方向の全区間の輝度分布についてその平均値をMean、その標準偏差値をStd、αを予め設定した定数で求める。
fact(j,i)=Boke(j,i)/IBrtLVL(j) ・・・式(4)
IBrt3(j,i)= fact(j,i)*IBrt2(j,i) ・・・式(5)
IBrtLVL(j)=Mean+α×Std ・・・式(6)
ことを特徴とする。
In the bone axis automatic extraction method according to
(1) on both the direction of j axis and i axis beta pixels: performs smoothing by moving average of (beta preset constant), creating a blurred image Boke (j, i).
(2) A compressed image IBrt2 (j, i) is created by Expression (3) using the blurred image Boke (j, i) and the absorption image IBrt1 (j, i) .
(3) From the compressed image IBrt2 (j, i), the enhancement coefficient fact (j, i) shown in the equations (4) to (6) is introduced to create the enhanced image IBrt3 (j, i). Here, the average luminance level IBrtLVL (j) is the average value of the luminance distribution of all sections in the i-axis direction and the standard deviation value thereof for each j-axis coordinate in the blurred image Boke (j, i). Std and α are obtained by preset constants.
fact (j, i) = Boke (j, i) / IBrtLVL (j) (4)
IBrt3 (j, i) = fact (j, i) * IBrt2 (j, i) (5)
IBrtLVL (j) = Mean + α × Std (6)
It is characterized by that.
請求項10に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項8に記載の骨境界点の抽出において、前記強調画像にメキシカンハットフィルターを適用してエッジ画像を導出し、該エッジ画像を利用して前記強調画像の輝度分布を基に骨境界点を求めることを特徴とする。
The bone axis automatic extraction method according to
請求項11に記載の骨軸自動抽出方法は、請求項8に記載の骨境界点の抽出において、骨境界点から高さ方向のj軸方向に回帰直線近似法を用いて、骨境界点に混在するノイズの検出と補正を行うことを特徴とする。 The bone axis automatic extraction method according to claim 11 is the bone boundary point extraction according to claim 8, wherein the bone boundary point is extracted from the bone boundary point to the bone boundary point by using a regression line approximation method in the j-axis direction in the height direction. It is characterized by detecting and correcting mixed noise.
請求項12に記載の骨軸自動抽出方法は、プロセス(d)における骨軸解析範囲の設定手順が、
(1)
骨境界点を求める強調画像IBrt3(j,i)の高さ方向のj軸座標範囲(1〜Jmask1)を決める。(Jmask1:膝間隙からの距離が8cmのj軸座標)
(2)
仮の解析範囲(膝間隙ラインから10cm〜15cmの範囲(J15〜J10))で左右の骨境界点とその中点から回帰直線法で、仮の左右の骨境界線と中線を求める。
(3)
中線と膝間隙ラインとの交点Cとする。中線上にBC=10cmとなるB点、AC=15cmとなるA点を求める。
(4)
A点とB点で中線と直交する直線を求め、上記(2)で得られた仮の左右の骨境界線との交点(A1,A2,B1,B2)を計算し、右骨境界線に対して範囲(A2〜B2)、左骨境界線に対して範囲(A1〜B1)を骨境界線の解析範囲とする。
ことを特徴とする。
The bone axis automatic extraction method according to claim 12, wherein the procedure for setting the bone axis analysis range in the process (d) includes:
(1)
A j-axis coordinate range (1 to Jmask1) in the height direction of the enhanced image IBrt3 (j, i) for obtaining the bone boundary point is determined. (Jmask1: j-axis coordinate whose distance from the knee gap is 8cm)
(2)
Temporary left and right bone boundary lines and midlines are determined by the regression line method from the left and right bone boundary points and their midpoints in the temporary analysis range (10 cm to 15 cm from the knee gap line (J15 to J10)).
(3)
Intersection C between the midline and the knee gap line. On the middle line, find point B where BC = 10 cm and point A where AC = 15 cm.
(Four)
Find a straight line perpendicular to the midline at points A and B, calculate the intersection (A1, A2, B1, B2) with the temporary left and right bone boundary lines obtained in (2) above, and the right bone boundary line The range (A2 to B2) for the left bone boundary line and the range (A1 to B1) for the left bone boundary line are the bone boundary analysis range.
It is characterized by that.
請求項13に記載の骨軸自動抽出方法は、プロセス(d)における骨軸の導出手順が、前記骨軸解析範囲の骨境界点から、回帰直線法を用いて左右の骨境界線を導出し、この左右の骨境界線から等距離にある直線を骨軸の直線として導出することを特徴とする。
In the bone axis automatic extraction method according to
請求項14に記載の骨軸自動抽出プログラムは、請求項1乃至請求項13のいずれかに記載の骨軸自動抽出方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。このプログラムがコンピュータにより実行されれば、請求項1乃至請求項13のいずれかに係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な作用効果が実現され得る。
The bone axis automatic extraction program according to claim 14 causes a computer to execute the bone axis automatic extraction method according to any one of
請求項1に係る発明によれば、膝間隙と大腿骨及び脛骨の骨軸の抽出をコンピュータ上で自動解析して行うことで、医師の術前計画における負担を軽減するとともに、これまで技能に頼ってきた外科医による術前計画および変形性膝関節症などの診断のレベルを一定以上に保つ効果がある。
さらに骨境界の検出アルゴリズムに、骨組織に反映した輝度分布に基づく骨境界点抽出の解析法を用いることで、単なる輝度値の閾値法に基づく従来法に比べて、精度の信頼性を高める効果がある。
According to the first aspect of the invention, the extraction of the knee gap and the bone axes of the femur and tibia is automatically analyzed on a computer to reduce the burden on the doctor's preoperative plan and to improve the skill so far. It has the effect of maintaining the level of diagnosis such as preoperative planning and osteoarthritis of the knee by a surgeon who has relied on.
In addition, by using the bone boundary point extraction analysis method based on the luminance distribution reflected in the bone tissue as the bone boundary detection algorithm, the effect of increasing the reliability of accuracy compared to the conventional method based on the simple threshold method of luminance values There is.
請求項2に係る発明によれば、下肢透視画像の輝度分布特性を利用して生体組織の画像領域だけを含む最小領域の切り出しを行うことが、コンピュータ上で自動解析して行うことが可能となり、さらに人工的なノイズを除去することが可能となる。ここで人工的なノイズには、例えば次のものがある。
(1)レントゲン写真の外枠
(2)3枚の写真の継ぎ目線と留め金
(3)スケール表示
(4)マーク
According to the second aspect of the present invention, it is possible to automatically analyze on a computer to cut out the minimum region including only the image region of the living tissue using the luminance distribution characteristic of the lower limb fluoroscopic image. Furthermore, it becomes possible to remove artificial noise. Here, for example, artificial noise includes the following.
(1) Outer frame of radiograph
(2) Seam line and clasp of three photos
(3) Scale display (4) Mark
請求項3に係る発明によれば、i軸方向の画像切り出し手順を実施することで、解析効率の向上ができ、かつ人工的なノイズ(例えば、両端の非生体画像、スケール表示)を除去することが可能となる。
According to the invention of
請求項4に係る発明によれば、j軸方向の画像切り出し手順を実施することで、解析効率の向上ができ、かつ人工的なノイズ(例えば、両端の非生体画像)を除去することが可能となる。 According to the invention of claim 4, by performing the image cut-out procedure in the j-axis direction, it is possible to improve the analysis efficiency and to remove artificial noise (for example, non-biological images at both ends). It becomes.
請求項5に係る発明によれば、請求項4に係る発明の効果に加え、人工的なノイズ(例えば、レントゲン写真の継ぎ目線)を除去することが可能となる。 According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the fourth aspect of the invention, it is possible to remove artificial noise (for example, a seam line of an X-ray photograph).
請求項6に係る発明によれば、下肢透視画像を輝度反転変換した画像(吸収画像)を基に輝度分布特性を利用して膝間隙ラインを求めることが、コンピュータ上で自動解析して行うことが可能となり、膝間隙ライン抽出の精度が一定レベル以上に確保されるとともに、医師の負担を軽減する効果がある。
According to the invention according to
請求項7に係る発明によれば、請求項6に係る発明の効果に加え、前処理としてj軸方向にダイナミックレンジ圧縮して輝度変動量を増幅させた輝度分布を導出することで、膝間隙ライン抽出の精度を向上させる効果がある。
According to the invention of claim 7, in addition to the effect of the invention of
請求項8に係る発明によれば、骨境界点の抽出がコンピュータ上で自動解析して行うことが可能となり、骨境界点の抽出の精度が一定レベル以上に確保されるとともに、医師の負担を軽減する効果がある。 According to the eighth aspect of the present invention, the extraction of the bone boundary point can be performed by automatic analysis on the computer, and the accuracy of the extraction of the bone boundary point is ensured to a certain level or more, and the burden on the doctor is reduced. There is an effect to reduce.
請求項9に係る発明によれば、請求項8に係る発明の効果に加え、ダイナミックレンジ圧縮画像処理を用いて解析対象の骨部(大腿骨と脛骨)の輝度レベルを強調する強調画像を導出することで、骨境界点の抽出の精度を向上させる効果がある。 According to the ninth aspect of the invention, in addition to the effect of the eighth aspect of the invention, an enhanced image that enhances the luminance level of the bone part (femur and tibia) to be analyzed is derived using dynamic range compression image processing. By doing so, there is an effect of improving the accuracy of extracting the bone boundary point.
請求項10に係る発明によれば、請求項8に係る発明の効果に加え、強調画像にメキシカンハットフィルターを適用したエッジ画像を利用することで、骨境界点の抽出の精度をさらに向上させる効果がある。
According to the invention of
請求項11に係る発明によれば、請求項8に係る発明の効果に加え、骨境界点に混在するノイズの検出と補正を行うことで、骨境界点の抽出の精度をさらに向上させる効果がある。 According to the invention of claim 11, in addition to the effect of the invention of claim 8, there is an effect of further improving the accuracy of bone boundary point extraction by detecting and correcting noise mixed in the bone boundary point. is there.
請求項12に係る発明によれば、骨軸解析範囲の設定がコンピュータ上で自動解析して行うことが可能となり、骨軸解析範囲の設定が正確になるとともに、医師の負担を軽減する効果がある。 According to the twelfth aspect of the present invention, the setting of the bone axis analysis range can be performed by automatic analysis on the computer, and the setting of the bone axis analysis range becomes accurate, and the effect of reducing the burden on the doctor is achieved. is there.
請求項13に係る発明によれば、骨軸の導出がコンピュータ上で自動解析して行うことが可能となり、骨軸の導出の精度が一定レベル以上に確保されるとともに、医師の負担を軽減する効果がある。
According to the invention of
請求項14に係る発明によれば、請求項1乃至請求項13に係る発明の効果と同様な作用効果が実現され得る。
According to the invention of claim 14, the same function and effect as those of the inventions of
次に、本発明の実施の形態に係る骨軸自動抽出方法について図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Next, the bone axis automatic extraction method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
図2は、本発明の実施の形態に係る骨軸自動抽出方法の全体を示すフローチャート図である。本発明の骨軸自動抽出方法は、X線透視下肢画像(ダイコムデータ)がコンピュータに入力され、右肢か左肢かの情報を与えれば、自動的に大腿骨と脛骨の骨軸が抽出される方法である。図2に示すように、骨軸自動抽出方法は、
C1:下肢透視画像から生体組織の画像領域の切り出しを行うプロセスと、
C2:プロセスC1で切り出された透視画像から輝度反転変換した画像(以下、吸収画像と称する)を導出し、該吸収画像の輝度分布に基づき膝間隙ラインを抽出するプロセスと、
C3:プロセスC2で求めた吸収画像から骨組織を強調した画像(以下、強調画像と称する)に変換し、該強調画像の輝度分布と前記膝間隙ラインとに基づき骨境界点を求めるプロセスと、
C4:プロセスC3で求めた骨境界点と前記膝間隙ラインとに基づき骨軸解析範囲を設定し、該骨軸解析範囲の骨境界点から骨軸を導出するプロセスと、
を有し、コンピュータ上でプロセスC1からC4を順次実行することで膝関節の大腿骨及び脛骨の骨軸が自動抽出され、大腿脛骨外側角(FTA)が自動算出される。以下に、C1からC4の各プロセスについて説明する。
FIG. 2 is a flowchart showing the entire bone axis automatic extraction method according to the embodiment of the present invention. The bone axis automatic extraction method of the present invention automatically extracts the femoral and tibial bone axes when X-ray fluoroscopic limb images (Dycom data) are input to a computer and information on the right limb or the left limb is given. It is a method. As shown in FIG. 2, the bone axis automatic extraction method is:
C1: a process of cutting out an image region of a living tissue from a lower limb fluoroscopic image;
C2: a process of deriving an image (hereinafter referred to as an absorption image) obtained by luminance inversion conversion from the fluoroscopic image cut out in the process C1, and extracting a knee gap line based on the luminance distribution of the absorption image;
C3: converting the absorption image obtained in the process C2 into an image in which bone tissue is enhanced (hereinafter referred to as an enhanced image), and obtaining a bone boundary point based on the luminance distribution of the enhanced image and the knee gap line;
C4: a process of setting a bone axis analysis range based on the bone boundary point obtained in process C3 and the knee gap line, and deriving a bone axis from the bone boundary point of the bone axis analysis range;
And the bone axes of the femur and tibia of the knee joint are automatically extracted by sequentially executing processes C1 to C4 on the computer, and the femoral tibia lateral angle (FTA) is automatically calculated. Below, each process of C1 to C4 is demonstrated.
[C1:下肢解析画像領域の切り出しプロセス]
プロセスC1は、生体組織画像以外のノイズ情報を除去するために、膝関節周辺の下肢透視画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸(画像の座標系を図4に示す)として、i軸方向及びj軸方向の輝度分布特性と左肢か右肢かの肢情報とを用いて、生体組織の画像領域だけを含む最小領域の切り出しを行う。図3に切り出しアルゴリズムを示すフローチャート図を示す。本切り出し法は、処理効率の向上のための解析画像サイズの最小化ばかりでなく、後述する骨境界抽出法で支障をもたらす人工的なノイズを除去することにある。人工ノイズは、図5(右図)からわかるように、例えば次のものがある。
(1)レントゲン写真の外枠
(2)3枚の写真の継ぎ目線と留め金
(3)スケール表示
(4)マーク
[C1: Lower-limb analysis image region extraction process]
In order to remove noise information other than the biological tissue image, the process C1 uses the lower limb perspective image around the knee joint as the i-axis and the height direction as the j-axis (the image coordinate system is shown in FIG. 4). Using the luminance distribution characteristics in the i-axis direction and the j-axis direction and the limb information on the left limb or the right limb, the minimum region including only the image region of the living tissue is cut out. FIG. 3 is a flowchart showing the extraction algorithm. This cutout method not only minimizes the size of an analysis image for improving processing efficiency but also removes artificial noise that causes trouble in the bone boundary extraction method described later. As can be seen from FIG. 5 (right figure), the artificial noise includes, for example, the following.
(1) Outer frame of radiograph
(2) Seam line and clasp of three photos
(3) Scale display (4) Mark
[C11:i軸方向の画像切り出し方法]
次にi軸方向の画像切り出し方法(C11)について説明する。図5の下肢透視画像からわかるように、骨のようなX線の吸収率が高いところは、低い輝度値になるために、黒い画像となる。生体組織を1つの塊として分離するために、画像切り出しは初めにi軸方向から行うのが合理的と言える。よって、使用する輝度の平均分布は、各i軸座標でj軸方向の輝度分布の平均値を求め、かつi軸方向に平滑化した分布(図6)とした。また、i軸方向の切り出しを確実にするために、右肢か左肢かの情報を必要とする。解析手順は次のようになる。
1)各i軸座標において、j軸方向に輝度分布の平均輝度値IavbM(i)を求める。
2)IavbM(i)分布において、i軸の両端から輝度値がある輝度値以上に変化したi軸座標をそれぞれIRngA1とIRngA2とし、これらの点から、写真の外枠の除去のために、幅(IRngA2−IRngA1)/ δ(例えばδ=5)の長さだけ、内側にシフトした内部点として、IRngB1とIRngB2とを求める。
3)
区間(IRngB1,
IRngB2)における最小輝度値のi軸座標点(IMinIti)を求める。
4)
左肢の場合、区間(IRngB1,IMinIti)における最大輝度値の峰点をILine1とし、区間(IMinIti,IRngB2)におけるIMinItiにより近い峰点をILine2とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。右肢の場合、区間(IMinIti,IRngB2)における最大輝度値の峰点をILine2とし、区間(IRngB1,IMinIti)におけるIMinItiにより近い峰点をILine1とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。よって画像のi軸方向の大きさはWidthI=Iline2−ILine1となる。
上記4)において人工的なノイズのうちスケール表示を除去するために、右肢か左肢かの情報を導入した。すなわち、スケール表示は通常調べたい肢の付近の外側に設置される。右肢か左肢かの情報から、4)における2つの区間のうち、スケールがある区間を特定することができる。その区間においては、選択する峰は最大輝度値の峰より、IMinIti点により近い峰点とした。ここで峰点の定義はその点を挟む両側の2点、すなわち周りの4点より大きな輝度値を有する点である。
[C11: How to cut out images in the i-axis direction]
Next, the image cutout method (C11) in the i-axis direction will be described. As can be seen from the lower limb fluoroscopic image in FIG. 5, a portion having a high X-ray absorption rate, such as a bone, has a low luminance value, resulting in a black image. In order to separate a living tissue as one lump, it can be said that it is reasonable to first cut out an image from the i-axis direction. Therefore, the average distribution of the luminance used is a distribution obtained by calculating the average value of the luminance distribution in the j-axis direction at each i-axis coordinate and smoothing in the i-axis direction (FIG. 6). Moreover, in order to ensure the cut-out in the i-axis direction, information on the right limb or the left limb is required. The analysis procedure is as follows.
1) At each i-axis coordinate, the average luminance value IavbM (i) of the luminance distribution is obtained in the j-axis direction.
2) In the IavbM (i) distribution, the i-axis coordinates where the luminance value has changed beyond a certain luminance value from both ends of the i-axis are IRngA1 and IRngA2, respectively, and from these points, the width is removed to remove the outer frame of the photograph. IRngB1 and IRngB2 are obtained as internal points shifted inward by the length of (
3)
Section (IRngB1,
The i-axis coordinate point (IMinIti) of the minimum luminance value in IRngB2) is obtained.
Four)
In the case of the left limb, the peak point of the maximum luminance value in the interval (IRngB1, IMinIti) is ILine1, the peak point closer to IMinIti in the interval (IMinIti, IRngB2) is ILine2, and ILine1 and ILine2 are the cut-out points of the i-axis coordinates. To do. In the case of the right limb, the peak point of the maximum luminance value in the interval (IMinIti, IRngB2) is ILine2, the peak point closer to IMinIti in the interval (IRngB1, IMinIti) is ILine1, and ILine1 and ILine2 are the cut-out points of the i-axis coordinates. To do. Therefore, the size of the image in the i-axis direction is WidthI = Iline2-ILine1.
In 4) above, information on the right limb or left limb was introduced to remove the scale display from the artificial noise. That is, the scale display is usually placed outside the vicinity of the limb to be examined. From the information on the right limb or the left limb, it is possible to identify the section with the scale among the two sections in 4). In that section, the peak to be selected is closer to the IMinIti point than the peak of the maximum luminance value. Here, the definition of the peak point is a point having a luminance value larger than two points on both sides of the point, that is, the surrounding four points.
[C12:j軸方向の画像切り出し方法]
次にj軸方向の画像切り出し方法(C12)について説明する。j軸方向の切り出しはi軸方向の画像切り出し方法(C11)で処理された画像をもとに、次の2つの目的のために行う。
(1)両端の非生体画像領域の除去
(2)レントゲン写真の継ぎ目線(これをラインノイズと呼ぶ)の輝度補正
[C12: Image cutout method in the j-axis direction]
Next, the image cutout method (C12) in the j-axis direction will be described. The clipping in the j-axis direction is performed for the following two purposes based on the image processed by the image clipping method (C11) in the i-axis direction.
(1) Removal of non-biological image areas at both ends (2) Luminance correction of X-ray photograph seam line (this is called line noise)
上記(1)は画像処理の効率化のために、C11と同様な方法で次の手順で行う。
1)各j軸座標において、i軸方向に輝度分布の平均輝度値Javb[j](図7)を求める。
2) Javb[j]分布においてj軸の両端から輝度値が予め決められた設定値以上に変化した座標をそれぞれJLine1とJLine2とし、これらの座標をj軸方向の切り出し点とする。よって画像のj軸方向の大きさはHeightJ=JLine2−JLine1となる。
The above (1) is performed by the following procedure in the same manner as C11 in order to improve the efficiency of image processing.
1) At each j-axis coordinate, an average luminance value Javb [j] (FIG. 7) of the luminance distribution is obtained in the i-axis direction.
2) In the Javb [j] distribution, coordinates whose luminance values have changed from the both ends of the j-axis to a preset value or more are JLine1 and JLine2, respectively, and these coordinates are cut-out points in the j-axis direction. Therefore, the size of the image in the j-axis direction is HeightJ = JLine2-JLine1.
上記(2)は切り出し区間(JLine1,JLine2)で、Javb[j]の分布をj軸方向に平滑化した分布JavbM[j]を求め、変動分布JavbD[j]=Javb[j]−JavbM[j]で解析を行う。JavbD[j]は図8に示したように、2ヶ所のラインノイズで最大値をとる(図8のa点とb点)。骨軸解析で問題となるラインノイズはj軸座標の後半にある脛骨を横切るもの(図8のb点)で、消去する必要がある。消去法は次のようにした。ピークの輝度値の1/10の輝度値をもつj軸座標JpstとJpedを、ピーク座標(b点)から両側にそれぞれ求める。ラインノイズである区間(Jpst,Jped)の輝度分布を、区間外の輝度分布から線形補間して補正する。 Above (2) is the cut-out section (JLine1, JLine2), and the distribution JavbM [j] obtained by smoothing the distribution of Javb [j] in the j-axis direction is obtained, and the fluctuation distribution JavbD [j] = Javb [j] −JavbM [ j] for analysis. As shown in FIG. 8, JavbD [j] takes the maximum value at two line noises (points a and b in FIG. 8). Line noise, which is a problem in bone axis analysis, crosses the tibia in the latter half of the j-axis coordinates (point b in FIG. 8) and needs to be eliminated. The elimination method was as follows. The j-axis coordinates Jpst and Jped having a luminance value that is 1/10 of the peak luminance value are obtained on both sides from the peak coordinate (point b). The luminance distribution in the section (Jpst, Jped) that is line noise is corrected by linear interpolation from the luminance distribution outside the section.
以上で説明したC1の切り出し法によって、図5(左図)に示すように、下肢透視画像(Height:2140ピクセル、Width:1760ピクセル)から下肢解析画像(HeightJ:1935ピクセル、WidthI:351ピクセル)が得られることになる。 As shown in FIG. 5 (left), the lower limb fluoroscopic image (Height: 2140 pixels, Width: 1760 pixels) to the lower limb analysis image (HeightJ: 1935 pixels, WidthI: 351 pixels) Will be obtained.
[C2:膝間隙ライン抽出プロセス]
次に膝間隙ラインを抽出するプロセスC2について説明する。図9に膝間隙ラインの抽出アルゴリズムを示すフローチャート図を示す。プロセスC2は、C1で切り出された透視画像をもとに、膝間隙ラインの抽出を行う。
(1) 透視画像(輝度値IBrt0(j,i))を式(1)による輝度反転変換を行う。変換された画像(輝度値IBrt1(j,i))を吸収画像と呼ぶ。この変換によって、X線の吸収率が高い骨部は、高い輝度を有することになる。
j=1,…,M i=1,…,N
ここでIBmaxとIBminはそれぞれ透視画像の最大輝度値と最小輝度値である。ここで求める膝間隙ラインは間隙の平均的なj軸座標Jrgkとする。Jrgkの抽出法は次の通りである。
(2) 式(2)により吸収画像の輝度分布IBrt1(j,i)からj軸方向に1階差分の絶対値を求め、かつi軸方向に平均化を行い、輝度差分分布DBrt(j)を求める。
(3) DBrt(j)のピークのj軸座標が求める膝間隙ラインとなる。
[C2: Knee gap line extraction process]
Next, the process C2 for extracting the knee gap line will be described. FIG. 9 is a flowchart showing a knee gap line extraction algorithm. In process C2, the knee gap line is extracted based on the fluoroscopic image cut out in C1.
(1) The luminance inversion conversion is performed on the fluoroscopic image (luminance value IBrt0 (j, i)) by the equation (1). The converted image (luminance value IBrt1 (j, i)) is called an absorption image. By this conversion, a bone portion having a high X-ray absorption rate has high luminance.
j = 1,…, M i = 1,…, N
Here, IBmax and IBmin are the maximum luminance value and the minimum luminance value of the fluoroscopic image, respectively. The knee gap line obtained here is an average j-axis coordinate Jrgk of the gap. The extraction method of Jrgk is as follows.
(2) The absolute value of the first-order difference is obtained in the j-axis direction from the luminance distribution IBrt1 (j, i) of the absorption image by equation (2), and averaged in the i-axis direction to obtain the luminance difference distribution DBrt (j) Ask for.
(3) DBrt (j) is the knee gap line determined by the j-axis coordinate of the peak.
次に、膝間隙ライン抽出を確実にするために、前処理として吸収画像IBrt1(j,i)に対してj軸方向にダイナミックレンジ圧縮(DR圧縮と呼び、ここではDRPressYフィルターと呼ぶ)処理を導入した。DRPressYフィルター処理は次の内容である。
(1)
j軸方向にβピクセル(例えばβ=50ピクセル、約2.5cm程度)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)
ボケ画像Boke(j,i)を利用して式(3)による輝度変動画像IBrt2(j,i)を作る。
(3)
透視画像の輝度範囲が(IBmin,IBmax)になるようにIBrt2(j,i)を線形補間し、γピクセル(例えばγ=3ピクセル)のスケールの移動平均による平滑化を行い、j軸方向の圧縮画像を得る。
図10に|勾配|分布、DBrt(j)に対してDRPressYフィルター有無での効果を示した。この図から、次のようなDRPressYフィルターの効果が示された。このフィルターは平均値を含む比較的大きなスケールの変動を除去するために、得られた勾配分布は大きさと形において、より安定した分布となり、ピーク位置の抽出が容易となることである。
Next, in order to ensure the extraction of the knee gap line, the dynamic range compression (referred to as DR compression, here referred to as the DRPressY filter ) in the j-axis direction is performed on the absorption image IBrt1 (j, i ) as preprocessing. Introduced. The DRPressY filter process is as follows.
(1)
Smoothing is performed by moving average of β pixels (for example, β = 50 pixels, about 2.5 cm) in the j-axis direction to create a blurred image Boke (j, i).
(2)
Using the blurred image Boke (j, i), a brightness variation image IBrt2 (j, i) according to Equation (3) is created.
(3)
IBrt2 (j, i) is linearly interpolated so that the brightness range of the fluoroscopic image is (IBmin, IBmax), smoothed by a moving average of the scale of γ pixels (for example, γ = 3 pixels), and in the j-axis direction Get a compressed image.
FIG. 10 shows the effect of the presence or absence of the DRPressY filter on the | gradient | distribution and DBrt (j). From this figure, the effect of the following DRPressY filter was shown. Since this filter removes a relatively large scale variation including an average value, the obtained gradient distribution is more stable in size and shape, and the peak position can be easily extracted.
以上で説明したC2のプロセスにより、図11で示される骨軸解析用画像(j軸:HeightJJ=801ピクセルi軸:WidthI=351ピクセル)の切り出しができる。この画像の幅方向はC1と同じであるが、高さ方向は膝間隙Jrgkを中心に、上下方向に20cmの範囲となる。この高さ方向の範囲は骨軸解析範囲が、通常膝間隙から上下に10cm〜15cmの範囲を十分にカバーすることから決定した範囲である。 The bone axis analysis image (j axis: HeightJJ = 801 pixel i axis: WidthI = 351 pixel) shown in FIG. 11 can be cut out by the process of C2 described above. The width direction of this image is the same as C1, but the height direction is a range of 20 cm in the vertical direction with the knee gap Jrgk as the center. This range in the height direction is a range determined because the bone axis analysis range normally covers a range of 10 cm to 15 cm vertically from the knee gap.
[C3:骨境界点の抽出プロセス]
次に骨境界点を抽出するプロセスC3(骨境界抽出法)について説明する。図12に骨境界点の抽出および骨軸解析のアルゴリズムを示すフローチャート図を示す。プロセスC3は、
(1) プロセス(b)で求めた吸収画像(図14の左図)からダイナミックレンジ圧縮画像処理を用いて骨組織の輝度レベルを強調する強調画像を導出する(C31)。
(2) 該強調画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸として、i軸方向の輝度分布に対して予め設定された輝度レベル以上の輝度を持つ分布の塊(以下、島と称する)を検出する。
(3) 検出した島が2個の場合、該2島を選択する。検出した島が3個以上の場合、前記膝間隙ラインに基づき大腿骨か脛骨かを判断し、
(3-1) 大腿骨の場合、島の高さの高い方から2島を選択する。
(3-2) 左肢の脛骨の場合、左側にある2島を優先的に選択する。
(3-3) 右肢の脛骨の場合、右側にある2島を優先的に選択する。
(4) 前記(3)で選択した2島からエッジ画像を利用して島の輝度値がピークとなる位置を求め、該位置を骨境界点として抽出する(C32:横断輝度分布法)。
[C3: Bone boundary point extraction process]
Next, the process C3 (bone boundary extraction method) for extracting bone boundary points will be described. FIG. 12 is a flowchart showing an algorithm for extracting the bone boundary point and analyzing the bone axis. Process C3
(1) From the absorption image obtained in the process (b) (the left diagram in FIG. 14), an enhanced image that enhances the luminance level of the bone tissue is derived using dynamic range compression image processing (C31).
(2) A cluster of distributions (hereinafter referred to as islands) having a luminance level higher than a predetermined luminance level with respect to the luminance distribution in the i-axis direction, where the width direction of the enhanced image is the i-axis and the height direction is the j-axis. ) Is detected.
(3) If two islands are detected, select the two islands. If there are 3 or more islands detected, determine whether the femur or tibia based on the knee gap line,
(3-1) For the femur, select two islands from the higher island.
(3-2) In the case of the tibia of the left limb, select the two islands on the left side with priority.
(3-3) In the case of the tibia of the right limb, select the two islands on the right side preferentially.
(4) Using the edge image from the two islands selected in the above (3), a position where the brightness value of the island becomes a peak is obtained, and the position is extracted as a bone boundary point (C32: transverse brightness distribution method).
[C31:ダイナミックレンジ圧縮強調画像処理]
次にダイナミックレンジ圧縮強調画像処理(C31)について説明する。求める骨軸は膝間隙から上下に骨軸解析範囲にある、大腿骨と脛骨の骨幹の骨軸である。解析したい骨幹は図13から示されるように、中心部に髄腔という空洞を持ち、幹壁として硬い緻密質(骨)を有する。開発したダイナミックレンジ圧縮強調画像処理は、このような骨組織を反映させる画像処理である。具体的な解析手順は次の通りである。以下で示す画像は吸収画像と輝度範囲が同一になるように規格化される。
(1)ボケ画像Boke(j,i)(図14の中図)の作成
j軸およびi軸の両方の方向にβピクセル(β:予め設定された定数)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)j軸およびi軸方向の圧縮画像IBrt2(j,i)(図14の右図)の作成
ボケ画像Boke(j,i) と吸収画像IBrt1(j,i)とを利用して式(3)により圧縮画像IBrt2(j,i)を作成する。
得られた圧縮画像は図13との比較から、骨組織を反映した画像と言える。すなわち、緻密質が最も高い輝度値で、髄腔が低い輝度値の画像である。
(3)強調画像IBrt3(j,i)(図15の左図)の作成
上記の圧縮画像は図14の右図から分かるように、解析する大腿骨と脛骨以外にも輝度の高い生体組織があるために、骨境界点の抽出に対して不十分と言える。よって、解析する骨部を増幅させ、反対にそれ以外では減衰させる強調係数を各j軸座標に設定することにした。このために式(4)〜式(6)に示す強調係数fact(j,i)を導入する。
fact(j,i)=Boke(j,i)/IBrtLVL(j) ・・・式(4)
IBrt3(j,i)= fact(j,i)*IBrt2(j,i) ・・・式(5)
IBrtLVL(j)=Mean+α×Std ・・・式(6)
強調係数fact(j,i)は、ボケ画像Boke(j,i)に対して、各j軸座標の平均的輝度レベルIBrtLVL(j)で規格化することで求めた。ここでIBrtLVL(j)はボケ画像の、各j軸座標に対して、i軸方向の全区間(1, WidthI)の輝度分布の平均値をMean、その標準偏差をStd、αを予め設定された定数で式(6)で与えられる。
式(4)より、強調係数fact(j,i)は、高い輝度骨部に対して1以上で増幅され、逆に低い輝度の生体組織では1以下で減衰される。従って、強調画像は式(5)で得られ、圧縮画像に比べ、解析する大腿骨と脛骨のみがより高い輝度の画像となる(図15の左図)。このことは代表的な横断輝度分布(図16と図17)からも明白に示される。
[C31: Dynamic range compression weighted image processing]
Next, dynamic range compression enhanced image processing (C31) will be described. The desired bone axis is the bone axis of the femoral and tibia shafts in the bone axis analysis range up and down from the knee gap. As shown in FIG. 13, the diaphysis to be analyzed has a cavity called a medullary cavity at the center, and has a hard dense mass (bone) as the trunk wall. The developed dynamic range compression weighted image processing is image processing that reflects such bone tissue. The specific analysis procedure is as follows. The images shown below are normalized so that the absorption image and the luminance range are the same.
(1) Creation of blurred image Boke (j, i) (middle figure of Fig. 14)
Smoothing is performed by moving average of β pixels (β: a preset constant) in both the j-axis and i-axis directions, and a blurred image Boke (j, i) is created.
(2) Expression using the generated blurred image Boke (j, i) and the absorption image IBrt1 (j, i) of the compressed image IBrt2 (j, i) (right diagram in FIG. 14) in the j-axis and i-axis directions The compressed image IBrt2 (j, i) is created by (3).
From the comparison with FIG. 13, the obtained compressed image can be said to be an image reflecting bone tissue. That is, it is an image having a luminance value with the highest density and a luminance value with a low medullary cavity.
(3) Creation of emphasized image IBrt3 (j, i) (left figure in FIG. 15) As can be seen from the right figure in FIG. 14, the above compressed image shows a living tissue with high brightness in addition to the femur and tibia to be analyzed. Therefore, it can be said that it is insufficient for extracting the bone boundary point. Therefore, the emphasis coefficient that amplifies the bone part to be analyzed and vice versa is set for each j-axis coordinate. For this purpose, the enhancement coefficient fact (j, i) shown in the equations (4) to (6) is introduced.
fact (j, i) = Boke (j, i) / IBrtLVL (j) (4)
IBrt3 (j, i) = fact (j, i) * IBrt2 (j, i) (5)
IBrtLVL (j) = Mean + α × Std (6)
The enhancement coefficient fact (j, i) was obtained by normalizing the blurred image Boke (j, i) with the average luminance level IBrtLVL (j) of each j-axis coordinate. Here, IBrtLVL (j) is preset for each j-axis coordinate of the blurred image, with the mean value of the luminance distribution of all sections in the i-axis direction (1, WidthI) being Mean, its standard deviation being Std, and α. Is given by equation (6).
From equation (4), the enhancement factor fact (j, i) is amplified by 1 or more for high-luminance bones, and is attenuated by 1 or less for biological tissues with low luminance. Therefore, the enhanced image is obtained by Expression (5), and only the femur and tibia to be analyzed are images with higher luminance than the compressed image (the left diagram in FIG. 15). This is also clearly shown from typical transverse luminance distributions (FIGS. 16 and 17).
強調画像の特性について、輝度の頻度分布からも検討する。図18は吸収画像、圧縮画像そして強調画像の輝度の頻度分布である。この図から、次のことが示される。
I.使用したDR圧縮処理は、輝度レベルIBrtLVL(j)付近の輝度の頻度を集中させる。
II.強調処理は、上記の輝度レベルで規格化されたボケ画像で作られた強調係数を掛けることで、さらに骨部の輝度の集中化を促進する。
上記IIについては、次のピーク強調画像(図15の中図)で明らかに示される。すなわち、ピーク強調画像は、図18のピーク頻度のみの輝度値で作成した2値画像で、骨部が明確に存在することで示される。ピーク強調画像の作成法は、図18の強調画像において、ピークの輝度値の範囲を440〜450とすると、440以下の輝度値は440とし、450以上の輝度値は450とする輝度変換するものである。
The characteristics of the enhanced image are also examined from the luminance frequency distribution. FIG. 18 shows luminance frequency distributions of the absorption image, the compressed image, and the enhanced image. This figure shows the following.
I. The DR compression process used concentrates the frequency of luminance near the luminance level IBrtLVL (j).
II. The enhancement process further promotes the concentration of the luminance of the bone by multiplying the enhancement coefficient created by the blurred image standardized at the above luminance level .
The above II is clearly shown in the next peak-enhanced image (middle of FIG. 15). That is, the peak-enhanced image is a binary image created with the luminance values of only the peak frequency in FIG. 18, and is indicated by the clear presence of the bone part. The peak-enhanced image is created by converting the brightness of the enhanced image in FIG. 18 so that the peak luminance value range is 440 to 450, the luminance value below 440 is 440, and the luminance value above 450 is 450. It is.
[C32:横断輝度分布法]
次に横断輝度分布法(C32)について説明する。この方法は骨軸解析範囲において、強調画像の横断輝度分布をもとに、エッジ画像を利用して骨境界点を求める。エッジ画像は、図19で示した9×9行列で表されるメキシカンハットフィルター(非特許文献(2))を強調画像に適用して作成し、かつ式(4)のfact(j,i)の処理(式(5))をした(図15の右図)。そして、骨境界点の回帰直線補正により、骨境界点に混在するノイズの検出と補正を行う。
[C32: Transverse luminance distribution method]
Next, the transverse luminance distribution method (C32) will be described. This method obtains a bone boundary point using an edge image based on the transverse luminance distribution of the emphasized image in the bone axis analysis range. The edge image is created by applying the Mexican hat filter (non-patent document (2)) represented by the 9 × 9 matrix shown in FIG. 19 to the emphasized image , and the fact (j, i) in equation (4) (Equation (5)) was performed (the right figure of FIG. 15). Then, noise mixed in the bone boundary point is detected and corrected by the regression line correction of the bone boundary point.
図20の上図は大腿骨における骨軸解析範囲の任意のj軸座標(図ではj=160)における、強調画像とエッジ画像の横断輝度分布を示す。横断輝度分布は基準輝度レベルLevel(j)からの変動輝度分布とする。Level(j)は式(6)で計算される。解析手順は次の通りである。
1)強調画像において、正の輝度値を有する分布の塊(今後島と呼ぶ)を検出し、島を高さと位置(島のピーク輝度点)でパラメータ化し、島の高さの高い方から2島を選択する。これらの島が図13の緻密質に対応する。図20に従って、島情報(i軸座標であるAk、Bk、Ck:k=1,2)を決める。中心にある髄腔に対して、添字1が左側で、添字2が右側を示す。
2)エッジ画像は強調画像で示した島、すなわち緻密質の境界点を与える。図20から、ピーク点Dkが骨外境界点に、ゼロ点Ekが骨境界点に対応することになる。
3) 脛骨は図20の下図で示すように大腿骨と異なって、近傍に輝度の高い腓骨を伴う。このために、右肢か左肢かの情報をもとに島の位置情報を利用して、脛骨の島のみを選択するようにした。具体的には、強調画像において、3つ以上の島が存在するとき、右肢の場合腓骨は必ず脛骨の左側にあるために、右側にある島を優先的に選択する。左肢の場合逆に腓骨は右側になるので、左側の島が優先的に選択すればよい。
The upper diagram of FIG. 20 shows the transverse luminance distribution of the emphasized image and the edge image at an arbitrary j-axis coordinate (j = 160 in the figure) in the bone axis analysis range in the femur. The transverse luminance distribution is a variable luminance distribution from the reference luminance level Level (j). Level (j) is calculated by equation (6). The analysis procedure is as follows.
1) In the enhanced image, a cluster of distributions with positive luminance values (hereinafter called islands) is detected, and the islands are parameterized by height and position (island peak luminance points). Select an island. These islands correspond to the fineness of Figure 13. According to FIG. 20, island information (i-axis coordinates A k , B k , C k : k = 1, 2) is determined. For the central medullary cavity,
2) The edge image gives the island shown in the enhanced image, that is, the dense boundary point. From FIG. 20, the peak point D k corresponds to the outer bone boundary point, and the zero point E k corresponds to the bone boundary point.
3) The tibia is different from the femur as shown in the lower figure of FIG. For this reason, only the island of the tibia is selected using the position information of the island based on the information of the right limb or the left limb. Specifically, in the emphasized image, when there are three or more islands, the rib on the right limb is always on the left side of the tibia, so the island on the right side is preferentially selected. In the case of the left limb, the rib is on the right side, so the left island should be selected with priority.
次に骨境界点の回帰直線補正について説明する。骨軸は骨軸解析範囲で直線と見なされ、骨境界線も同様に直線と見なされてきた。よって、骨境界線はその範囲で、骨境界点(図20のE1とE2)を縦断方向(j軸方向)に回帰直線近似法で求められた直線で正確に求められることになる。この性質を利用して、骨境界点に混在するノイズの検出と補正を行った。解析手順は次の通りである。
1)骨境界点に回帰直線近似を行い、標準偏差以上外れたデータはその都度除去し、なくなるまで回帰直線近似を行う。
2)収束した回帰直線を用いて除去されたデータを補正する。
Next, the regression line correction of the bone boundary point will be described. The bone axis has been regarded as a straight line in the range of bone axis analysis, and the bone boundary line has been regarded as a straight line as well. Therefore, the bone boundary line is accurately determined within the range by the straight line obtained by the regression line approximation method in the longitudinal direction (j-axis direction) of the bone boundary points (E1 and E2 in FIG. 20). Using this property, we detected and corrected noise mixed in the bone boundary point. The analysis procedure is as follows.
1) Perform regression line approximation on bone boundary points, remove data that deviates more than the standard deviation each time, and perform regression line approximation until it disappears.
2) Correct the removed data using the convergent regression line.
以上のことから、横断輝度分布法は主に島による解析法と回帰直線法で構成される。これらの方法は、従来の対話式の2値化法と連結法と比べて、次の点で優れており、最終的に医者の介在を必要としない骨軸の自動解析を可能にした。
1)島による解析は、2値化法に比べて、輝度値(島の高さ)の情報をより活用する。
2)回帰直線法は骨軸が直線近似で行うことを利用して、ノイズの検出と補正を行い、連結法より効率的である。
From the above, the transverse luminance distribution method mainly consists of the island analysis method and the regression line method. These methods are superior to the conventional interactive binarization method and connection method in the following points, and finally enable the automatic analysis of the bone axis without requiring the intervention of a doctor.
1) The analysis by island uses the information of brightness value (island height) more than the binarization method.
2) The regression line method is more efficient than the connection method by detecting and correcting noise using the fact that the bone axis is linearly approximated.
[C4:骨境界点から骨軸解析]
次に骨境界点から骨軸を解析するプロセスC4について説明する。図12に骨境界点の抽出および骨軸解析のアルゴリズムを示すフローチャート図を示す。骨軸解析は大腿骨と脛骨に対して、骨幹の左右の骨境界点から、それぞれの骨軸を求めるものである。この解析で、次の2つの解析が重要となる。
(1)骨軸解析の正確な範囲の設定
(2)左右の骨境界点からの骨軸の求め方
[C4 : Bone axis analysis from bone boundary points ]
Next, the process C4 for analyzing the bone axis from the bone boundary point will be described. FIG. 12 is a flowchart showing an algorithm for extracting the bone boundary point and analyzing the bone axis. In the bone axis analysis, the bone axes of the femur and tibia are obtained from the left and right bone boundary points of the shaft. In this analysis, the following two analyzes are important.
(1) Setting the exact range for bone axis analysis
(2) How to find the bone axis from the left and right bone boundary points
上記(1)について、レントゲン写真において、大腿骨と脛骨の角度がある場合、膝間隙から上下10cm〜15cmの範囲の正確な決定法である。骨軸は左右の骨境界線で決まるので、骨軸解析範囲は骨境界線の解析範囲となる。よって、骨境界点から求められる中点よる中線によって、解析範囲を決定することが可能となる。大腿骨の場合に対して、図21を用いて解析手順を示す。
1)骨境界点を求める範囲は、骨境界線の解析範囲より十分広い範囲とした。実際はj軸座標(1〜Jmask1)とした。Jmask1は膝間隙からの距離が8cmのj軸座標である。
2)はじめに仮の解析範囲(膝間隙ラインから10cm〜15cmの範囲(J15〜J10))で左右の骨境界点とその中点から回帰直線法で、仮の左右の骨境界線と中線を求める。
3)中線と膝間隙ラインとの交点Cとする。中線上にBC=10cmとなるB点、AC=15cmとなるA点を求める。
4)A点とB点で中線と直交する直線を求め、2)で得られた仮の左右の骨境界線との交点(A1,A2,B1,B2)を計算する。これらから、正確な骨境界線の解析範囲が決まる。すなわち、右骨境界線に対して範囲(A2〜B2)、左骨境界線に対して範囲(A1〜B1)となる。よって、本発明の骨軸解析範囲は、中線上の点Aから点Bの範囲(j軸座標J15m〜J10mの範囲)で定義される。
上記は、大腿骨の骨軸解析範囲について述べたが、同様に脛骨についても求めることができる。
Regarding (1) above, in the X-ray photograph, when there is an angle between the femur and the tibia, this is an accurate determination method in the range of 10 cm to 15 cm above and below the knee gap. Since the bone axis is determined by the left and right bone boundary lines, the bone axis analysis range is the bone boundary line analysis range. Therefore, it is possible to determine the analysis range by the midline by the midpoint obtained from the bone boundary point. The analysis procedure is shown in FIG. 21 for the case of the femur.
1) The range for obtaining the bone boundary point was set to be sufficiently wider than the analysis range of the bone boundary line. Actually, the j-axis coordinates (1 to Jmask1) were used. Jmask1 is a j-axis coordinate whose distance from the knee gap is 8 cm.
2) First, the left and right bone boundary points in the temporary analysis range (10 cm to 15 cm from the knee gap line (J15 to J10)) and the midpoint between the left and right bone boundary points, the temporary left and right bone boundary lines and the middle line Ask.
3) Intersection C between the midline and the knee gap line. On the middle line, find point B where BC = 10 cm and point A where AC = 15 cm.
4) A straight line perpendicular to the center line is obtained at points A and B, and intersection points (A 1 , A 2 , B 1 , B 2 ) with the temporary left and right bone boundary lines obtained in 2 ) are calculated. From these, the analysis range of the accurate bone boundary line is determined. That is, the range is (A 2 to B 2 ) for the right bone boundary line and the range (A 1 to B 1 ) for the left bone boundary line. Therefore, the bone axis analysis range of the present invention is defined by the range from point A to point B on the middle line (range of j-axis coordinates J15m to J10m).
Although the above has described the range of femoral bone axis analysis, it can also be obtained for the tibia.
(2)については、上記の正確な解析範囲の骨境界点から、回帰直線法で骨境界線を計算する。左右の骨境界線から骨軸を求める計算法は、次の数学の公式を使用する。2つの直線(y=b1x+a1とy=b2x+a2)から等距離にある直線は、次式で与えられる。
上記の2つの直線を左右の骨境界線とすれば、式(7)より骨軸の直線が得られることになる。
解析された膝間隙と、大腿骨と脛骨の骨軸をグラフ(図22)と画像(図23)で示した。
これらの2つの骨軸の直線情報(y=b3x+a3とy=b4x+a4とする)から、大腿脛骨外側角(FTA)は容易に次式から計算される。
For (2), the bone boundary line is calculated by the regression line method from the bone boundary point in the above accurate analysis range. The calculation method for obtaining the bone axis from the left and right bone boundary lines uses the following mathematical formula. A straight line that is equidistant from two straight lines (y = b 1 x + a 1 and y = b 2 x + a 2 ) is given by the following equation.
If the above two straight lines are the left and right bone boundary lines, the straight line of the bone axis can be obtained from the equation (7).
The knee gap analyzed and the bone axes of the femur and tibia are shown in a graph (FIG. 22) and an image (FIG. 23).
From the linear information of these two bone axes (assuming y = b 3 x + a 3 and y = b 4 x + a 4 ), the femoral tibia lateral angle (FTA) is easily calculated from the following equation.
次に上記で説明した骨軸自動抽出方法を実施するためにコンピュータ上で実行されるプログラムについて説明する。このプログラムがコンピュータにより実行されれば、上記で説明した骨軸自動抽出方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な作用効果が実現され得る。 Next, a program executed on the computer in order to implement the above-described bone axis automatic extraction method will be described. If this program is executed by a computer, the same action and effect can be realized according to basically the same principle as in the bone axis automatic extraction method described above.
図24は全置換型人工膝関節手術の術前計画をコンピュータでシミュレーションするシステムにおいて、本発明の骨軸自動抽出プログラムが組み込まれた実施例である(非特許文献3)。この実施例から、膝間隙ラインおよび大腿骨・脛骨の骨軸が自動計算され、画面上には効率的にテンプレートが配置され、インプラントを設置しやすくしている。さらにマニュアル操作により骨参照点およびテンプレート位置の調整を行い、医師の豊富な経験を反映させることも可能としている。 FIG. 24 shows an embodiment in which the bone axis automatic extraction program of the present invention is incorporated in a system for simulating a preoperative plan for total replacement artificial knee joint surgery using a computer (Non-patent Document 3). From this embodiment, the knee gap line and the femoral / tibia bone axes are automatically calculated, and the template is efficiently arranged on the screen, making it easy to install the implant. Furthermore, it is possible to adjust the bone reference point and template position by manual operation to reflect the doctor's rich experience.
この実施例からも、膝間隙と大腿骨及び脛骨の骨軸の抽出をコンピュータ上で自動解析して行うことで、医師の術前計画における負担を軽減するとともに、これまで技能に頼ってきた外科医による術前計画および変形性膝関節症などの診断のレベルを一定以上に保つ効果があることがわかる。 Also from this example, the extraction of the knee gap and the bone axes of the femur and tibia is automatically analyzed on a computer to reduce the burden on the preoperative planning of the doctor and the surgeon who has relied on the skill so far It can be seen that there is an effect of maintaining the level of diagnosis such as preoperative planning and osteoarthritis of the knee by more than a certain level.
Claims (14)
(a)下肢透視画像から生体組織の画像領域の切り出しを行うプロセスと、
(b)プロセス(a)で切り出された透視画像から輝度反転変換した画像(以下、吸収画像と称する)を導出し、該吸収画像の輝度分布に基づき膝間隙ラインを抽出するプロセスと、
(c)プロセス(b)で求めた吸収画像から骨組織を強調した画像(以下、強調画像と称する)に変換し、該強調画像の輝度分布と前記膝間隙ラインとに基づき骨境界点を求めるプロセスと、
(d)プロセス(c)で求めた骨境界点と前記膝間隙ラインとに基づき骨軸解析範囲を設定し、該骨軸解析範囲の骨境界点から骨軸を導出するプロセスと、
を有し、プロセス(a)から(d)を順次実行することで膝関節の大腿骨及び脛骨の骨軸が自動抽出され、大腿脛骨外側角が自動算出されることを特徴とする骨軸自動抽出方法。 A method of automatically analyzing a lower limb fluoroscopic image on a computer to automatically extract the femoral and tibia bone axes of the knee joint,
(A) a process of cutting out an image region of a living tissue from a lower limb fluoroscopic image;
(B) a process of deriving an image (hereinafter referred to as an absorption image) obtained by luminance inversion conversion from the fluoroscopic image cut out in the process (a), and extracting a knee gap line based on the luminance distribution of the absorption image;
(C) The absorption image obtained in the process (b) is converted into an image in which bone tissue is enhanced (hereinafter referred to as an enhanced image), and a bone boundary point is obtained based on the luminance distribution of the enhanced image and the knee gap line. Process,
(D) a process of setting a bone axis analysis range based on the bone boundary point obtained in the process (c) and the knee gap line, and deriving the bone axis from the bone boundary point of the bone axis analysis range;
The bone axis of the femur and tibia of the knee joint is automatically extracted by sequentially executing processes (a) to (d), and the femoral tibia lateral angle is automatically calculated. Extraction method.
(1)各i軸座標でj軸方向に輝度分布の平均輝度値IavbM(i)を求める。
(2)IavbM(i)分布においてi軸の両端から輝度値がある輝度値以上に変化したi軸座標をそれぞれIRngA1とIRngA2とし、これらの点から幅(IRngA2−IRngA1)/δ(δ:予め設定された定数)の長さだけ内側にシフトした内部点として、IRngB1とIRngB2とを求める。
(3)区間(IRngB1, IRngB2)における最小輝度値のi軸座標点IMinItiを求める。
(4)左肢の場合、区間(IRngB1,IMinIti)における最大輝度値の峰点をILine1とし、区間(IMinIti,IRngB2)におけるIMinItiにより近い峰点をILine2とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。右肢の場合、区間(IMinIti,IRngB2)における最大輝度値の峰点をILine2とし、区間(IRngB1,IMinIti)におけるIMinItiにより近い峰点をILine1とし、ILine1とILine2とをi軸座標の切り出し点とする。
ことを特徴とする請求項2に記載の骨軸自動抽出方法。 In the cutout according to claim 2, the image cutout procedure in the i-axis direction is:
(1) The average luminance value IavbM (i) of the luminance distribution is obtained in the j-axis direction at each i-axis coordinate.
(2) In the IavbM (i) distribution, the i-axis coordinates where the luminance value changes from the both ends of the i-axis to a certain luminance value or more are IRngA1 and IRngA2, respectively, and the width (IRng A 2 −IRng A 1) / δ from these points. IRngB1 and IRngB2 are obtained as internal points shifted inward by the length of (δ: preset constant).
(3) The i-axis coordinate point IMinIti of the minimum luminance value in the section (IRngB1, IRngB2) is obtained.
(4) In the case of the left limb, the peak point of the maximum luminance value in the section (IRngB1, IMinIti) is ILine1, the peak point closer to IMinIti in the section (IMinIti, IRngB2) is ILine2, and ILine1 and ILine2 are i-axis coordinate A cut point is used. In the case of the right limb, the peak point of the maximum luminance value in the interval (IMinIti, IRngB2) is ILine2, the peak point closer to IMinIti in the interval (IRngB1, IMinIti) is ILine1, and ILine1 and ILine2 are the cut-out points of the i-axis coordinates. To do.
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 2.
(1)各j軸座標でi軸方向に輝度分布の平均輝度値Javb[j]を求める。
(2)Javb[j]分布においてj軸の両端から輝度値が予め決められた設定値以上に変化した座標をそれぞれJLine1とJLine2とし、これらの座標をj軸方向の切り出し点とする。
ことを特徴とする請求項2に記載の骨軸自動抽出方法。 In the cutout according to claim 2, the image cutout procedure in the j-axis direction is:
(1) The average luminance value Javb [j] of the luminance distribution is obtained in the i-axis direction at each j-axis coordinate.
(2) In the Javb [j] distribution, coordinates whose luminance values have changed from the both ends of the j-axis to a predetermined set value or more are JLine1 and JLine2, respectively, and these coordinates are cut-out points in the j-axis direction.
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 2.
(1)プロセス(a)で切り出された透視画像IBrt0(j,i)を輝度反転変換した吸収画像の輝度分布IBrt1(j,i)を式(1)により求める。
ここでIBmaxとIBminはそれぞれ透視画像の最大輝度値と最小輝度値とする。
(2)吸収画像の輝度分布IBrt1(j,i)を用いて式(2)により輝度差分分布DBrt(j)を求める。
(3)DBrt(j)のピークのj軸座標を膝間隙ラインとして抽出する。
ことを特徴とする請求項1に記載の骨軸自動抽出方法。 In process (b), the width direction of the image is the i-axis and the height direction is the j-axis.
(1) The luminance distribution IBrt1 (j, i) of the absorption image obtained by performing luminance inversion conversion on the fluoroscopic image IBrt0 (j, i) cut out in the process (a) is obtained by the equation (1).
Here, IBmax and IBmin are the maximum luminance value and the minimum luminance value of the fluoroscopic image, respectively.
(2) Using the luminance distribution IBrt1 (j, i) of the absorption image, the luminance difference distribution DBrt (j) is obtained by Equation (2).
(3) The j-axis coordinate of the peak of DBrt (j) is extracted as a knee gap line.
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 1.
(1)j軸方向のみにβピクセル(β:予め設定された定数)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)ボケ画像Boke(j,i) と吸収画像IBrt1(j,i)とを利用して式(3)による輝度変動画像IBrt2(j,i)を作成する。
(3)プロセス(a)で切り出された透視画像の輝度範囲が(IBmin,IBmax)になるようにIBrt2(j,i)を線形補間し、γピクセル(γ:予め設定された定数)のスケールの移動平均による平滑化を行い、j軸方向の圧縮画像を得る。
ことを特徴とする請求項6に記載の骨軸自動抽出方法。 The knee gap line extraction according to claim 6, wherein as a pre-processing, dynamic range compression (hereinafter referred to as DR compression) in the j-axis direction is performed to derive a luminance distribution in which a luminance variation amount is amplified, and DR compression The filtering process is
(1) Smoothing is performed by moving average of β pixels (β: a preset constant) only in the j-axis direction to create a blurred image Boke (j, i).
(2) Using the blurred image Boke (j, i) and the absorption image IBrt1 (j, i), create a luminance variation image IBrt2 (j, i) according to Equation (3).
(3) IBrt2 (j, i) is linearly interpolated so that the brightness range of the fluoroscopic image cut out in process (a) becomes (IBmin, IBmax), and the scale of γ pixel (γ: preset constant) To obtain a compressed image in the j-axis direction.
The bone axis automatic extraction method according to claim 6.
(1)
プロセス(b)で求めた吸収画像からダイナミックレンジ圧縮画像処理を用いて骨組織の輝度レベルを強調する強調画像を導出する。
(2)
該強調画像の幅方向をi軸、高さ方向をj軸として、i軸方向の輝度分布に対して予め設定された輝度レベル以上の輝度を持つ分布の塊(以下、島と称する)を検出する。
(3)
前記(2)で検出した島が2個の場合、該2島を選択する。前記(2)で検出した島が3個以上の場合、前記膝間隙ラインに基づき大腿骨か脛骨かを判断し、
(3-1)
大腿骨の場合、島の高さの高い方から2島を選択する。
(3-2)
左肢の脛骨の場合、左側にある2島を優先的に選択する。
(3-3)
右肢の脛骨の場合、右側にある2島を優先的に選択する。
(4)
前記(3)で選択した2島からエッジ画像を利用して島の輝度値がピークとなる位置を求め、該位置を骨境界点として抽出する。
ことを特徴とする請求項1に記載の骨軸自動抽出方法。 In process (c)
(1)
An enhanced image that enhances the luminance level of the bone tissue is derived from the absorption image obtained in the process (b) by using dynamic range compression image processing.
(2)
Detects a cluster of distributions (hereinafter referred to as islands) having a luminance level higher than a predetermined luminance level with respect to the luminance distribution in the i-axis direction, where the width direction of the enhanced image is the i-axis and the height direction is the j-axis. To do.
(3)
When there are two islands detected in (2), the two islands are selected. If there are three or more islands detected in (2), determine whether the femur or tibia based on the knee gap line;
(3-1)
In the case of the femur, two islands are selected from the higher island height.
(3-2)
In the case of the left limb tibia, the two islands on the left are preferentially selected.
(3-3)
In the case of the right limb tibia, the two islands on the right side are preferentially selected.
(Four)
From the two islands selected in the above (3), a position where the brightness value of the island becomes a peak is obtained using the edge image, and the position is extracted as a bone boundary point.
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 1.
(1)j軸およびi軸の両方向にβピクセル(β:予め設定された定数)の移動平均による平滑化を行い、ボケ画像Boke(j,i)を作成する。
(2)ボケ画像Boke(j,i)と吸収画像IBrt1(j,i)とを利用して式(3)により圧縮画像IBrt2(j,i)を作成する。
(3)圧縮画像IBrt2(j,i)から、式(4)〜式(6)に示す強調係数fact(j,i)を導入し、強調画像IBrt3(j,i)を作成する。ここで平均的輝度レベルIBrtLVL(j)はボケ画像Boke(j,i)において、各j軸座標に対して、i軸方向の全区間の輝度分布についてその平均値をMean、その標準偏差値をStd、αを予め設定した定数で求める。
fact(j,i)=Boke(j,i)/IBrtLVL(j) ・・・式(4)
IBrt3(j,i)= fact(j,i)*IBrt2(j,i) ・・・式(5)
IBrtLVL(j)=Mean+α×Std ・・・式(6)
ことを特徴とする請求項8に記載の骨軸自動抽出方法。 The derivation of the enhanced image according to claim 8 is as follows .
(1) on both the direction of j axis and i axis beta pixels: performs smoothing by moving average of (beta preset constant), creating a blurred image Boke (j, i).
(2) A compressed image IBrt2 (j, i) is created by Expression (3) using the blurred image Boke (j, i) and the absorption image IBrt1 (j, i) .
(3) From the compressed image IBrt2 (j, i), the enhancement coefficient fact (j, i) shown in the equations (4) to (6) is introduced to create the enhanced image IBrt3 (j, i). Here, the average luminance level IBrtLVL (j) is the average value of the luminance distribution of all sections in the i-axis direction and the standard deviation value thereof for each j-axis coordinate in the blurred image Boke (j, i). Std and α are obtained by preset constants.
fact (j, i) = Boke (j, i) / IBrtLVL (j) (4)
IBrt3 (j, i) = fact (j, i) * IBrt2 (j, i) (5)
IBrtLVL (j) = Mean + α × Std (6)
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 8.
(1)
骨境界点を求める強調画像IBrt3(j,i)の高さ方向のj軸座標範囲(1〜Jmask1)を決める。(Jmask1:膝間隙からの距離が8cmのj軸座標)
(2)
仮の解析範囲(膝間隙ラインから10cm〜15cmの範囲(J15〜J10))で左右の骨境界点とその中点から回帰直線法で、仮の左右の骨境界線と中線を求める。
(3)
中線と膝間隙ラインとの交点Cとする。中線上にBC=10cmとなるB点、AC=15cmとなるA点を求める。
(4)
A点とB点で中線と直交する直線を求め、上記(2)で得られた仮の左右の骨境界線との交点(A1,A2,B1,B2)を計算し、右骨境界線に対して範囲(A2〜B2)、左骨境界線に対して範囲(A1〜B1)を骨境界線の解析範囲とする。
ことを特徴とする請求項1に記載の骨軸自動抽出方法。 The procedure for setting the bone axis analysis range in process (d) is as follows:
(1)
A j-axis coordinate range (1 to Jmask1) in the height direction of the enhanced image IBrt3 (j, i) for obtaining the bone boundary point is determined. (Jmask1: j-axis coordinate whose distance from the knee gap is 8cm)
(2)
Temporary left and right bone boundary lines and midlines are determined by the regression line method from the left and right bone boundary points and their midpoints in the temporary analysis range (10 cm to 15 cm from the knee gap line (J15 to J10)).
(3)
Intersection C between the midline and the knee gap line. On the middle line, find point B where BC = 10 cm and point A where AC = 15 cm.
(Four)
Find a straight line perpendicular to the midline at points A and B, calculate the intersection (A1, A2, B1, B2) with the temporary left and right bone boundary lines obtained in (2) above, and the right bone boundary line The range (A2 to B2) for the left bone boundary line and the range (A1 to B1) for the left bone boundary line are the bone boundary analysis range.
The method for automatically extracting a bone axis according to claim 1.
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