伝達情報量に基づくX線画像画質評価法に関するシミュレーション実験

医用X線撮像系において、解像特性とノイズ特性は画質評価の基本的な指標であり、これらは振幅伝達関数（MTF）とウィナースペクトル（WS）で測定される。また、検出量子効率（DQE）も総合的な画質評価指標として用いられるが、各特性や入射X線光子数の正確な測定が求められるため、多大な労力を要する。これに対し、内田らはエントロピーを用いて簡便にX線画像の画質を評価する手法を提案しており、相互エントロピーを撮像系の伝達情報量とみなすことで、物理特性を総合的に評価する可能性を示している。本論文は、ノイズ特性に加え解像特性と伝達情報量との相関関係をシミュレーション実験により調べることを目的としている。

シミュレーション実験の結果、ボケの程度が大きいほど伝達情報量が低下し、ノイズ量が多いほど伝達情報量が低下することが明確に示された。この結果は、ノイズ特性と伝達情報量の相関関係についての既存の研究結果と一致しているだけでなく、解像特性と伝達情報量の相関を定量的に示したものである。これにより、解像特性とノイズ特性を伝達情報量という単一指標を用いて総合的に評価できる可能性が示唆された。

シミュレーション画像は、内田らの方法に基づいてアクリルステップウェッジをX線撮影する場合を想定し、ボケの程度とノイズの量を独立に変化させるように作成された。具体的には、式（1）を用い、ボケ関数とガウシアンノイズを組み合わせた画像を生成した。ボケ関数には移動平均フィルタを使用し、フィルタサイズを変化させてボケの程度を調節した。ノイズ強調係数も変化させ、信号雑音比（SNR）が異なる複数の画像を作成した。これらのシミュレーション画像から伝達情報量を計算し、解像特性およびノイズ特性と伝達情報量との相関関係を検証した。

本論文のシミュレーション実験により、ノイズ特性と解像特性の両特性が悪化するほど伝達情報量が低下することが確認された。この結果は、X線画像の画質を伝達情報量という単一指標で簡便かつ総合的に評価できる可能性を示している。実際の撮像系においても、ノイズや解像特性が画像品質に与える影響を一元的に把握できるため、画質評価の効率化が期待される。

本シミュレーション実験の成果を基に、実際のX線撮像系における測定を行う予定である。具体的には、実際の医用X線装置を使用し、ノイズ特性および解像特性と伝達情報量との相関をさらに検証する。また、他の物理特性との相関についても調査を進め、伝達情報量による総合的な画質評価手法の確立を目指す。将来的には、医療現場での迅速かつ正確な画質評価に役立つツールとしての実用化が期待される。

医療で使うX線画像の質を評価するには、解像度とノイズの特性が重要です。これらは、MTF（振幅伝達関数）(画像の解像度を測る方法で、画像の細かい部分がどれだけはっきり見えるかを評価します。)やWS（ウィナースペクトル）(ノイズの特性を測る方法で、画像にどれだけノイズが含まれているかを評価します。)という方法で測定します。また、DQE（検出量子効率）(X線の画像をどれだけ効率よく検出できるかを表す指標です。画質の総合的な評価に使われます。)も重要ですが、測定にはとても手間がかかります。そこで内田さんたちは、エントロピー(情報の乱れ具合を表す指標で、画像の質を簡単に評価するために使われます。)という考え方を使って、もっと簡単に画像の質を評価する方法を提案しました。この研究では、X線画像の解像度とノイズの特性とエントロピーの関係を調べました。

シミュレーション実験の結果、画像がぼやけるほど伝達情報量が減り、ノイズが多いほど伝達情報量が減ることが分かりました。これは、既存の研究と一致し、解像度とノイズ特性を伝達情報量という一つの指標で評価できる可能性を示しています。

実験では、コンピュータでボケとノイズの量を変えたX線画像を作成しました。具体的には、アクリルステップウェッジを撮影した場合を想定し、ボケの程度を移動平均フィルタで調節し、ノイズをガウシアンノイズで追加しました。そして、これらの画像から伝達情報量を計算し、解像度とノイズ特性との関係を調べました。

シミュレーション実験で、解像度とノイズ特性が悪化するほど伝達情報量が減ることが確認されました。これは、伝達情報量を使って簡単にX線画像の質を総合的に評価できることを示しています。実際の撮影でも、画像の質を効率よく評価できる可能性があります。

今後は、実際のX線撮影装置を使って、ノイズ特性と解像度と伝達情報量との関係を確認する予定です。また、他の特性との関係も調べ、伝達情報量による総合的な画質評価方法を確立したいと考えています。これにより、医療現場で迅速かつ正確な画質評価ができるツールとして活用できることが期待されます。