The Third Wave of Chromatographs
未来的图像

显著影响X射线系统的图像和视频画质的图像处理引擎。
开发工作得以挽回落后的局面、一气登上顶点的根源在于逆向思维。

被带来的视频

森田尚孝森田尚孝

“你可以把这个影像变得清晰可视?”
高德平台制作所基础技术研究所数据处理单元图像小组组长森田尚孝突然无言以对。
医疗器械事业部技术部FPD/应用软件小组组长森一博和技术部CVS小组组长梅田充带来了五秒左右的影像。里面拍摄了心脏及其周围遍布的血管,以及扩张这些血管的支架。这些未进行图像处理的图像,也被称为原始图像,整体有噪音,模糊不清,血管的位置、血管内插入的导线的位置都难以判断。
“我们试试吧……”
这是森田能给出的最好答复了。

快速发展的图像处理技术

使用X射线拍摄心脏血管的血管摄影装置。在因动脉硬化导致血管内侧变窄的冠状动脉的导管治疗中,它是不可缺少的“眼睛”。
20世纪80年代出现的导管治疗,与过去的主流治疗方式即搭桥手术相比,患者的负担较小,因此得以迅速普及。近年来,由于血管摄影装置以及支架、输送支架的导线等的性能的提升,可通过导管治疗而治愈的领域扩大,如今已经出现了直径2毫米左右的支架,即使是非常细的血管也可治疗,拯救了许多生命。
在导管治疗期间,血管摄影装置始终将患者胸部的X射线图像投射到显示屏上。当然,为了将辐射剂量抑制在最低程度,需要使用非常微弱的X射线。但就像在蜡烛的光线下观察夜间的玻璃那样,如果X射线比较微弱,那么血管、支架、心脏的成像则非常模糊。
对这种图像进行加工、使其清晰可见的就是图像处理技术。其基本思路与用PC加工数码相机拍摄的图像是一样的。不过,对血管摄影装置而言,除了其处理对象是视频外,还存在一个时间的问题,那就是并没有时间在手术过程中将画面暂停,以及一张一张地进行加工。因此,需要以每秒15帧左右的速度,几乎实时地自动处理图像。

梅田充梅田充

森加入高德平台是在1991年,当时恰好刚从模拟时代进入数字时代。
“按照当时的计算机处理能力,虽然也称为图像处理,但只能做一些非常简单的加工。技术革新迅猛发展,在不足20年的时间里,对静态图像的复杂处理已经可以运用到视频上了”(森)
当然,带来高清画质的不仅仅是图像处理技术,球管和受光部的性能,以及系统整体的优化也都是重要条件。随着计算机性能和软件技术的显著提升,图像处理技术的高低逐渐成为决定画质的因素。
医疗器械事业部也大力研发图像技术,凭借着高超的技术能力反复进行改良。2012年,开始发售搭载了新开发的高速图像处理引擎的血管造影系统。
当时,其他公司已经走在我们的前面,因此,收到了用户非常苛刻的反馈意见。
“看了其他公司的影像后,发现我们的视频里看不到的细小血管在其他公司的视频里清晰可见。如果这样下去可不行,我们感到了焦虑”(梅田)
在那个时候,基础技术研究所从事图像处理技术研究的森田团队,被选中负责这一项目。
“实现未来的画质”
森田将此看作自己的使命。在此之前,他一直致力于研究可运用于五年后、十年后产品的高清画质处理技术。即便如此,森田在回顾当时的情况时也表示对于这一委任并没有信心。
“为实现低辐射剂量而削弱了X射线,因此,噪声非常大。有些部位甚至难以区分是应该消除的噪声还是应该保留的血管图像”(森田)

补足缺失的部分

搭载SCORE PRO Advance的新Trinias系列拍摄的左冠状动脉造影图像搭载SCORE PRO Advance的新Trinias系列拍摄的左冠状动脉造影图像
基础技术研究所数据处理单元 图像小组 武田 辽基础技术研究所数据处理单元
图像小组 武田 辽

在图像处理中,减少动态图像噪声最有效的方法是使用过去的图像,反复进行加算的处理方式。叠加多个图像进行补足,就能消除随机的噪声,形成对比度高的清晰图像。
如果拍摄对象是动态的,就会在拍摄对象的轮廓偏离的状态下进行加算,它的影响就会作为残影留下。
“为了防止残影,对动态的物体就不要进行补足。由于心脏的透视图像中备受关注的血管、支架等因为脉动始终处于动的状态,因此,就等于对想要观察的对象不进行补足。这样一来,重叠在观察对象上的噪声就不会消失,因此也就无法呈现清晰的图像。我们尝试了多种替代的处理方法,希望在不进行补足的情况下消除噪声,但始终未能获得理想的画质”(森田)
森田与他的部下,也就是当时入职第三年的武田辽日复一日地摸索尝试。几个月后的某一天,武田突然念叨:
“追上去提前补足会怎么样?”
这是一种逆向的思维。针对观察对象在下一个帧中移动到了哪些位置,将其全部找到,进行补足。的确,这样操作的话,就既不会出现残影,也能让噪声消失。很早之前,人们就认识到这一技术的可能性,由于计算机的处理能力跟不上,所以大家普遍认为实现这一技术还需要几年时间。
“我们将这一想法告诉了熟悉硬件的人,但被告知需要庞大的计算量,仅凭手术室用计算机是无法实现的”(森田)
即便如此,森田迈出了前进的步伐。无论如何,也只能期待这项技术了。武田全身心地投入编程中,并成功完成了算法。

没有终点的战争

森一博森一博

森和梅田再次来到基础技术研究所,用森田和武田编写的程序进行试拍。
在生成的图像中显示了对象物。
确实显示了清晰的支架图像。
接下来,就是把这个程序安装到设备中。森田、森、梅田多次促膝商谈,最终认识到,如果想制造出能够处理前所未有的庞大数据量的设备,就不能停留在过去的设计思想层次上。而找到解决对策的是森的部下——入职第七年的长谷川直纪。长谷川想到“如果处理时间较长,从拍摄对象运动到输出图像为止的这一过程会产生延迟。因此,我们需要设计出只要保存最低限度的必要数据,就能同时进行各种处理,快速完成处理的程序”(森)。森、梅田认识到这一方案的可行性,和森田、武田一起确定了规格。之后,长谷川和武田对细节进行了完善,2014年4月,新的图像处理引擎“SCORE PRO Advance”终于诞生。
之后不久,又发售了搭载同款引擎的新Trinias系列。

搭载了可处理压倒性信息量的算法的图像处理引擎SCORE PRO Advance搭载了可处理压倒性信息量的算法的图像处理引擎SCORE PRO Advance
医疗器械事业部技术部FPD/应用软件小组 长谷川直纪医疗器械事业部技术部FPD/应用软件小组
长谷川直纪

“其他公司的影像虽然被评价非常清晰,仍然能看到一些残影,我们的产品就完全没有这个问题。许多用户都给予了高度的评价”(梅田)
当然,这并不是终点。
“医生想要治疗更细微的血管、治疗更复杂的病例,为满足医生的这些要求,支架和导线也变得越来越细。显而易见,如果图像处理技术不继续升级,总有一天画质会无法满足需求”(森)
追求未来的画质,继续努力奋斗。

注:本文中所登载的被采访者的所属团体、职务名等皆为采访当时的情况。

左起依次为
医疗器械事业部技术部 CVS小组组长 梅田充
基础技术研究所数据处理単元 图像小组组长 森田尚孝
医疗器械事业部技术部 FPD/应用软件小组组长 森一博

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