JP6014393B2 - 画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像処理装置に関し、特に、画像内において脂肪を特定する技術に関する。

脂肪は、皮下に形成される皮下脂肪と内臓周辺に形成される内臓脂肪とに大別され、このうち内臓脂肪は、生活習慣病等の診断において注目されている。そのため、脂肪全体の量を反映した体脂肪量の計測だけではなく、脂肪の種類を判別して各種類ごとに脂肪量などを計測できることが望ましい。

こうした事情から、本願の出願人は、特許文献１において、Ｘ線ＣＴ装置などから得られる断層画像内で脂肪を種別する技術を提案している。特許文献１には、例えばＸ線ＣＴ装置の断層画像内において皮下脂肪と内臓脂肪とを識別することができる画期的な技術が記載されている。さらに、本願の出願人は、特許文献２，３において、内臓脂肪を識別するにあたって好適な改良技術を提案している。

特許第３８４２１７１号公報 特許第４８９１９５６号公報 特許第４８９１９５７号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、動物等の被検体から得られる画像内において内臓脂肪を特定する技術について研究開発を重ねてきた。

例えば、動物の大腿部には比較的大きな脂肪があるため、内臓脂肪を的確に特定するにあたっては、大腿部の脂肪と内臓脂肪とを識別できることが望ましい。また、動物の上腹部と下腹部では、互いに内臓の位置や形状が異なるため、それを考慮したうえで内臓脂肪を特定することが望ましい。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、被検体の画像内において内臓脂肪を特定するにあたっての改良技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な画像処理装置は、被検体の断層画像内において背骨を特定する背骨特定部と、前記断層画像内において２つの大腿骨を特定する大腿骨特定部と、前記断層画像内において、背骨と２つの大腿骨の位置に基づいて、大腿部の脂肪を避けるように内臓脂肪の解析領域を設定する解析領域設定部と、前記断層画像に設定された内臓脂肪の解析領域内において脂肪を特定する内臓脂肪特定部と、を有することを特徴とする。

上記構成において、被検体の断層画像は、公知の様々な医療関連装置から得ることが可能である。特にＸ線ＣＴ装置において形成される断層画像が好適である。また、被検体の好適な例は、マウスやラットやハムスターなどの小動物である。そして、上記構成によれば、大腿部の脂肪を避けるように内臓脂肪の解析領域が設定され、その解析領域内において脂肪が特定されるため、大腿部の脂肪を避けつつ内臓脂肪を特定することができる。

望ましい具体例において、前記解析領域設定部は、前記断層画像内において、背骨と２つの大腿骨に取り囲まれるように内臓脂肪の解析領域を設定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記解析領域設定部は、前記断層画像内において、背骨から一方の大腿骨に向かう境界線と背骨から他方に向かう境界線とにより取り囲まれた内臓脂肪の解析領域を設定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記画像処理装置は、被検体の腹部から得られる複数の断層画像を上腹部と下腹部に分ける腹部分別部をさらに有し、前記背骨特定部は、上腹部に属する各断層画像内における上腹部の背骨の位置に基づいて、下腹部に属する各断層画像内において背骨探索領域を設定し、その背骨探索領域内において下腹部の背骨を特定し、前記大腿骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、下腹部の背骨の位置に基づいて２つの大腿骨探索領域を設定し、各大腿骨探索領域ごとに１つの大腿骨を探索することにより、２つの大腿骨探索領域内において２つの大腿骨を特定し、前記解析領域設定部は、下腹部に属する各断層画像内において、下腹部の背骨と２つの大腿骨の位置に基づいて内臓脂肪の解析領域を設定する、ことを特徴とする。

上記構成によれば、複数の断層画像が上腹部と下腹部に分けられるため、例えば、上腹部に属する各断層画像については上腹部に適した処理により、下腹部に属する各断層画像については下腹部に適した処理により、内臓脂肪を特定することが可能になる。例えば、下腹部に属する各断層画像については、下腹部の背骨と２つの大腿骨の位置に基づいて内臓脂肪の解析領域が設定され、その解析領域を利用して内臓脂肪が特定される。

望ましい具体例において、前記背骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、被検体の中心側から上腹部の背骨側に向かって広がる扇状の背骨探索領域を設定し、その背骨探索領域内において面積が最大となる骨を探索して下腹部の背骨とする、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記大腿骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、被検体の中心と下腹部の背骨を通る境界線により被検体を２つの領域に分割し、分割された各領域ごとに、被検体の中心から下腹部の背骨とは反対側に各大腿骨探索領域を設定し、各大腿骨探索領域ごとに面積が最大となる骨を探索して１つの大腿骨とすることにより、２つの大腿骨探索領域内において２つの大腿骨を特定する、ことを特徴とする。

本発明により、被検体の画像内において内臓脂肪を特定するにあたっての改良技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、大腿部の脂肪を避けつつ内臓脂肪を特定することができる。また、本発明の他の好適な態様によれば、上腹部に属する各断層画像については上腹部に適した処理により、下腹部に属する各断層画像については下腹部に適した処理により、内臓脂肪を特定することが可能になる。

本発明の実施において好適な画像処理装置の全体構成を示す図である。 小動物のＸ線ＣＴ撮影を説明するための図である。 境界断面の具体例を示す図である。 背骨特定部における処理を説明するための図である。 大腿骨特定部における処理を説明するための図である。 解析領域設定部における処理を説明するための図である。

図１は、本発明の実施において好適な画像処理装置１００の全体構成を示す図であり、図１には、画像処理装置１００とＸ線ＣＴ装置２００で構成された画像処理システムが示されている。なお、本発明の実施においては、Ｘ線ＣＴ装置２００に代えて、他の画像形成装置を用いてもよい。

図１に示すＸ線ＣＴ装置２００は、被検体のＸ線ＣＴ撮影を行う装置であり、これには既存の装置を利用することができる。図１の画像処理システムの対象となる被検体の好適な例は、マウスやラットやハムスターなどの小動物である。そこで、以下においては、小動物を被検体とした場合について説明する。

Ｘ線ＣＴ装置２００は、小動物のＸ線ＣＴ撮影を行って、その小動物の腹部内を映し出した複数の断層画像を形成する。Ｘ線ＣＴ装置２００は、小動物の背骨の伸長方向に対して略直交する各断層画像を形成し、背骨の伸長方向に沿って略等間隔で配列された複数の断層画像を得る。

画像処理装置１００は、Ｘ線ＣＴ装置２００において形成された複数の断層画像（画像データ）を画像処理する。画像処理装置１００は、例えば、ＣＰＵやメモリやハードディスクなどのハードウェアと、それらハードウェアの動作を制御するプログラムなどのソフトウェアとによって実現することができる。図１には、そのハードウェアとソフトウェアとが協働して実現する代表的な機能が示されている。

つまり、画像処理装置１００は、画像記憶部１０と腹部分別部２０と内臓脂肪特定部３０と背骨特定部４０と大腿骨特定部５０と解析領域設定部６０と内臓脂肪量算出部７０と表示部８０などを有している。なお、これらの機能に対応したプログラムを用いて、コンピュータにより画像処理装置１００を実現してもよい。

図１の画像処理装置１００は、小動物の腹部から得られた複数の断層画像（画像データ）を画像処理して内臓脂肪を特定し、その小動物の内臓脂肪量を算出する。そこで、図１の画像処理装置１００による処理について以下に詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。

図２は、小動物のＸ線ＣＴ撮影を説明するための図である。図２には、Ｘ線ＣＴ撮影の対象となる小動物ＡのＸ線画像が図示されている。Ｘ線ＣＴ撮影は、小動物Ａの腹部を対象として、図２に示すＺ軸方向に沿って、撮影開始ポイントＳから撮影終了ポイントＥまでの区間において行われる。つまり、まず撮影開始ポイントＳにおいてＺ軸に直交する断層画像が形成され、Ｚ軸に沿って例えば等間隔で互いに平行な複数の断層画像が、撮影終了ポイントＥに達するまで次々に形成される。

なお、撮影開始ポイントＳと撮影終了ポイントＥは、Ｘ線ＣＴ装置２００（図１）に予め設定された位置とされてもよいし、例えば図２に示す小動物ＡのＸ線画像を確認したユーザ（検査者）が、そのＸ線画像内において、撮影開始ポイントＳと撮影終了ポイントＥを所望の位置に設定できるようにしてもよい。

こうして、Ｘ線ＣＴ撮影により小動物Ａから複数の断層画像が得られると、それら複数の断層画像（画像データ）が画像処理装置１００（図１）に送られて画像記憶部１０に記憶される。

腹部分別部２０は、画像記憶部１０に記憶された複数の断層画像を上腹部と下腹部に分別する。腹部分別部２０は、図２の撮像開始ポイントＳ側から順に各断層画像を確認し、上腹部と下腹部の境界に対応した境界断面Ｄを探索する。

図３は、境界断面Ｄの具体例を示す図である。各断層画像は複数の画素で構成されており、腹部分別部２０は、各断層画像ごとにそれを構成する複数の画素の画素値（ＣＴ値）を確認する。そして、腹部分別部２０は、各断層画像内において、例えば閾値などを利用して、骨に対応した比較的高い（大きい）画素値の画素を特定する。

各断層画像内において骨に対応した複数の画素が特定されると、腹部分別部２０は、その断層画像内において、骨に対応した複数の画素で構成された塊（画素領域）のうち、面積が最大の塊を背骨Ｂ１であると判断する。さらに、腹部分別部２０は、その断層画像内において、背骨Ｂ１の両側に領域Ｅ１と領域Ｅ２を設定し、領域Ｅ１と領域Ｅ２の各領域内において、骨に対応した画素があるか否かを確認する。

腹部分別部２０は、図２の撮像開始ポイントＳ側から順に各断層画像を確認し、骨に対応した画素があり（条件１）、且つ、背骨Ｂ１の両側に設定された領域Ｅ１と領域Ｅ２の両方の領域において骨に対応した画素がある（条件２）断層画像を、境界断面Ｄと判定する。これにより、図２の撮像開始ポイントＳ側からＺ軸方向に沿って順に配列された複数の断層画像の中から、背骨Ｂ１の両側に骨盤Ｂ２がある図３の境界断面Ｄが決定される。

なお、境界断面Ｄを判定するための上記条件２を、背骨Ｂ１の両側に設定された領域Ｅ１と領域Ｅ２のうちの少なくとも一方の領域において骨に対応した画素があるとする条件３に代えてもよい。

また、領域Ｅ１と領域Ｅ２の位置や大きさは、Ｘ線ＣＴ撮影時における小動物の姿勢に応じて決定するようにしてもよい。また、各断層画像内において、背骨Ｂ１から見た場合に体厚の薄い方向を背中側と判定し、背骨Ｂ１から背中側に向かう方向に対して垂直な方向に沿って、背骨Ｂ１を挟むように領域Ｅ１と領域Ｅ２を設定するようにしてもよい。

境界断面Ｄが探索されると、その境界断面Ｄを境界として、撮像開始ポイントＳ側（図２参照）にある複数の断層画像が上腹部と判定され、撮像終了ポイントＥ側（図２参照）にある複数の断層画像が下腹部と判定される。なお、境界断面Ｄも下腹部に含める。

こうして、複数の断層画像が上腹部と下腹部に分別されると、内臓脂肪特定部３０（図１）は、上腹部と下腹部に対して互いに異なる処理を適用して、各断層画像内において内臓脂肪に対応した画素を特定する。

内臓脂肪特定部３０は、上腹部に適した処理として、例えば、特許文献１（特許第３８４２１７１号公報）または特許文献２（特許第４８９１９５６号公報）に記載された処理を利用する。

例えば、特許文献２に説明されるように（特許文献２の図５等参照）、各断層画像内において、皮下脂肪カーソルが破線の矢印に沿って被検体の外側から重心位置に向かって移動する。皮下脂肪カーソルは、筋肉画素へ到達するまで移動される。皮下脂肪カーソルが筋肉画素へ到達するまでに通過した脂肪画素を皮下脂肪画素と判定する。そして、被検体を取り囲む全方位から皮下脂肪カーソルを重心位置に向かって直線に沿って移動させて皮下脂肪画素を判定する。こうして、被検体を取り囲む全方位（全角度）において皮下脂肪画素が判定され、皮下脂肪画素を除いた残りの脂肪画素が内臓脂肪画素と判定される。

一方、下腹部に適した処理においては、解析領域設定部６０により、各断層画像に対して内臓脂肪の解析領域が設定される。解析領域設定部６０は、下腹部に属する各断層画像内において、背骨特定部４０により特定される背骨の位置と、大腿骨特定部５０により特定される２つの大腿骨の位置に基づいて、内臓脂肪の解析領域を設定する。

図４は、背骨特定部４０における処理を説明するための図である。背骨特定部４０は、下腹部に属する各断層画像内において下腹部の背骨を特定する。図４には、下腹部に属する複数の断層画像のうちの１つである例示断面Ｒが図示されている。図４に示す例示断面Ｒは、図２の例示断面Ｒの位置に対応した断層画像である。

背骨特定部４０は、下腹部の背骨を特定するにあたって、上腹部の背骨の位置を利用する。背骨特定部４０は、上腹部に属するいくつかの断層画像（全てでもよい）について、各断層画像内において背骨を特定する。例えば、上腹部の各断層画像内において、閾値などを利用して、骨に対応した比較的高い（大きい）画素値の画素を特定し、その断層画像内において、骨に対応した複数の画素で構成された塊（画素領域）のうち、面積が最大の塊を背骨であると判断する。そして、背骨特定部４０は、上腹部に属するいくつかの断層画像内で特定した背骨の位置の平均を算出する。これにより、上腹部の背骨の位置Ｐ２が得られ、図４に示すように、下腹部の例示断面Ｒ内で利用される。

さらに、背骨特定部４０は、下腹部の例示断面Ｒ内において、小動物の断面の重心位置Ｐ１を算出する。例えば、例示断面Ｒ内における小動物の全断面に関する面積重心を重心位置Ｐ１とする。

そして、背骨特定部４０は、例示断面Ｒ内において、小動物の重心位置Ｐ１と上腹部の背骨の位置Ｐ２を通る直線Ｌ１を中心線として、重心位置Ｐ１を頂点とした扇状の背骨探索領域Ｅ３を設定する。扇状の背骨探索領域Ｅ３の中心角は、予め設定された角度（例えば２０〜３０度）とされる。なお、ユーザ（検査者）が背骨探索領域Ｅ３の中心角を調整できるようにしてもよい。

こうして、背骨探索領域Ｅ３が設定されると、背骨特定部４０は、背骨探索領域Ｅ３内において、例えば閾値などを利用して、骨に対応した比較的高い（大きい）画素値の画素を特定し、面積が最大となる骨を探索して下腹部の背骨Ｂ３とする。下腹部における断層画像は、背骨Ｂ３の他に比較的大きな大腿骨を含む場合があるものの、背骨探索領域Ｅ３を利用することにより、大腿骨を避けつつ下腹部の背骨Ｂ３を特定することができる。

背骨特定部４０により下腹部の背骨Ｂ３が特定されると、その背骨Ｂ３の位置に基づいて大腿骨特定部５０により大腿骨が特定される。

図５は、大腿骨特定部５０における処理を説明するための図である。図５には、図４と同じ例示断面Ｒが図示されている。大腿骨特定部５０は、例示断面Ｒ内において、小動物の重心位置Ｐ１と下腹部の背骨Ｂ３の位置（例えば背骨Ｂ３の面積重心位置）を通る直線Ｌ２により、小動物の断面を２つの領域に分割する。

さらに、大腿骨特定部５０は、重心位置Ｐ１において直線Ｌ２に直交する直線Ｌ３を設定する。そして、大腿骨特定部５０は、直線Ｌ３を境界として下腹部の背骨Ｂ３とは反対側の領域において、直線Ｌ２を境界として対向する２つの大腿骨探索領域Ｅ４，Ｅ５を設定する。

こうして、２つの大腿骨探索領域Ｅ４，Ｅ５が設定されると、大腿骨特定部５０は、大腿骨探索領域Ｅ４内において、例えば閾値などを利用して、骨に対応した比較的高い（大きい）画素値の画素を特定し、面積が最大となる骨を探索して大腿骨Ｂ４とする。同様に大腿骨探索領域Ｅ５内において、面積が最大となる骨を探索して大腿骨Ｂ５とする。

背骨特定部４０により下腹部の背骨Ｂ３が特定され、さらに、大腿骨特定部５０により２つの大腿骨Ｂ４，Ｂ５が特定されると、それらの位置に基づいて解析領域設定部６０により内臓脂肪の解析領域が設定される。

図６は、解析領域設定部６０における処理を説明するための図である。図６には、図４や図５と同じ例示断面Ｒが図示されている。解析領域設定部６０は、例示断面Ｒ内において、下腹部の背骨Ｂ３の位置（例えば背骨Ｂ３の面積重心位置）と大腿骨Ｂ４の位置（例えば大腿骨Ｂ４の面積重心位置）を通る直線Ｌ４を設定し、下腹部の背骨Ｂ３の位置と大腿骨Ｂ５の位置（例えば大腿骨Ｂ５の面積重心位置）を通る直線Ｌ５を設定する。

そして、解析領域設定部６０は、直線Ｌ４と直線Ｌ５を境界線として、これらの境界線により取り囲まれた内臓脂肪の解析領域Ｅ６を設定する。例えば、直線Ｌ４と直線Ｌ５を境界線として二分された領域のうち、小動物の重心位置Ｐ１（図４，５参照）が含まれる領域を内臓脂肪の解析領域Ｅ６とする。これにより、大腿骨Ｂ４，Ｂ５の近傍にある大腿部の脂肪Ｎを避けるように、内臓脂肪の解析領域Ｅ６が設定される。

背骨特定部４０と大腿骨特定部５０と解析領域設定部６０は、下腹部に属する他の断層画像についても、図４から図６を利用して説明した例示断面Ｒと同じ処理を実行する。こうして、下腹部に属する複数の断層画像の各々に対して、内臓脂肪の解析領域Ｅ６（図６）が設定される。

内臓脂肪特定部３０は、下腹部に属する各断層画像について、内臓脂肪の解析領域Ｅ６内で脂肪を特定する。例えば閾値などを利用して、脂肪に対応した画素値の範囲にある画素を特定する。なお、下腹部に適した処理として、例えば、特許文献３（特許第４８９１９５７号公報）に記載された処理を利用してもよい。つまり、内臓脂肪の解析領域Ｅ６内において、特許文献３に記載された処理を利用して、内臓脂肪をより的確に特定するようにしてもよい。

こうして、内臓脂肪特定部３０により、上腹部と下腹部に属する複数の断層画像において内臓脂肪が特定されると、内臓脂肪量算出部７０において、小動物の内臓脂肪量が算出される。内臓脂肪量算出部７０は、上腹部と下腹部に属する複数の断層画像の各々から得られる内臓脂肪量（内臓脂肪の面積）を加算して、小動物の腹部全体に亘る内臓脂肪量（内臓脂肪の体積）を算出する。その算出にあたって、断層画像間の間隔が利用されてもよい。また、上腹部と下腹部のそれぞれについての内臓脂肪量が算出されてもよい。そして算出された内臓脂肪量は表示部８０に表示される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ 画像記憶部、２０ 腹部分別部、３０ 内臓脂肪特定部、４０ 背骨特定部、５０ 大腿骨特定部、６０ 解析領域設定部、７０ 内臓脂肪量算出部、８０ 表示部、１００ 画像処理装置、２００ Ｘ線ＣＴ装置。

Claims (6)

1. 被検体の断層画像内において背骨を特定する背骨特定部と、
   前記断層画像内において２つの大腿骨を特定する大腿骨特定部と、
   前記断層画像内において、背骨と２つの大腿骨の位置に基づいて、大腿部の脂肪を避けるように内臓脂肪の解析領域を設定する解析領域設定部と、
   前記断層画像に設定された内臓脂肪の解析領域内において脂肪を特定する内臓脂肪特定部と、
   を有する、
   ことを特徴とする画像処理装置。
2. 請求項１に記載の画像処理装置において、
   前記解析領域設定部は、前記断層画像内において、背骨と２つの大腿骨に取り囲まれるように内臓脂肪の解析領域を設定する、
   ことを特徴とする画像処理装置。
3. 請求項２に記載の画像処理装置において、
   前記解析領域設定部は、前記断層画像内において、背骨から一方の大腿骨に向かう境界線と背骨から他方に向かう境界線とにより取り囲まれた内臓脂肪の解析領域を設定する、
   ことを特徴とする画像処理装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の画像処理装置において、
   被検体の腹部から得られる複数の断層画像を上腹部と下腹部に分ける腹部分別部をさらに有し、
   前記背骨特定部は、上腹部に属する各断層画像内における上腹部の背骨の位置に基づいて、下腹部に属する各断層画像内において背骨探索領域を設定し、その背骨探索領域内において下腹部の背骨を特定し、
   前記大腿骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、下腹部の背骨の位置に基づいて２つの大腿骨探索領域を設定し、各大腿骨探索領域ごとに１つの大腿骨を探索することにより、２つの大腿骨探索領域内において２つの大腿骨を特定し、
   前記解析領域設定部は、下腹部に属する各断層画像内において、下腹部の背骨と２つの大腿骨の位置に基づいて内臓脂肪の解析領域を設定する、
   ことを特徴とする画像処理装置。
5. 請求項４に記載の画像処理装置において、
   前記背骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、被検体の中心側から上腹部の背骨側に向かって広がる扇状の背骨探索領域を設定し、その背骨探索領域内において面積が最大となる骨を探索して下腹部の背骨とする、
   ことを特徴とする画像処理装置。
6. 請求項４または５に記載の画像処理装置において、
   前記大腿骨特定部は、下腹部に属する各断層画像内において、被検体の中心と下腹部の背骨を通る境界線により被検体を２つの領域に分割し、分割された各領域ごとに、被検体の中心から下腹部の背骨とは反対側に各大腿骨探索領域を設定し、各大腿骨探索領域ごとに面積が最大となる骨を探索して１つの大腿骨とすることにより、２つの大腿骨探索領域内において２つの大腿骨を特定する、
   ことを特徴とする画像処理装置。