トップ :: A 生活必需品 :: A61 医学または獣医学;衛生学




【発明の名称】 信号依存性のノイズを含む画像の処理方法
【発明者】 【氏名】ラウル フローラン

【氏名】シェリフ マクラム−エベイ

【氏名】クリステル スワイェ

【要約】 【課題】本発明は、信号成分及び信号に依存するノイズ成分を含む輝度を有する画素により形成された画像に関係するノイズ曲線を決定する画像処理方法の提供を目的とする。

【解決手段】本発明の方法は、画像を取得し(S100)、画像の輝度レベルの集合を実質的に均一輝度レベルを備えた帯域に分割し(S101)、量子化標準ノイズ偏差のレベルで量子化標準ノイズ偏差の分布を帯域の輝度に結合する複数の統計的分布規則を決定し(S111)、統計的分布規則に基づいて、画像の実質的に均一輝度レベルの関数として複数の標準ノイズ偏差を決定し(S114)、画像の輝度レベルの関数として標準ノイズ偏差の分散の統計的規則としてノイズ曲線を決定する(S120)。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 画像に関係するノイズ曲線を決定する画像処理方法において、信号成分及び信号に依存するノイズ成分を含む輝度を有する画素により形成された画像を取得する段階と、上記画像の輝度レベルの集合を実質的に均一輝度レベルを備えた帯域に分割する段階と、量子化標準ノイズ偏差のレベルで量子化標準ノイズ偏差の分布を上記帯域の輝度に結合する複数の統計的分布規則を決定する段階と、上記統計的分布規則に基づいて、上記画像の実質的に均一輝度レベルの関数として複数の標準ノイズ偏差を決定する段階と、上記画像の上記輝度レベルの関数として上記標準ノイズ偏差の分散の統計的規則として上記ノイズ曲線を決定する段階とを含む方法。
【請求項2】 上記画像の帯域の輝度レベルに対し上記量子化ノイズ偏差の実質的に同一レベルを有する多数の画素を表現する1個の統計的パラメータを含む統計的パラメータを決定する段階と、上記統計的パラメータを帯域毎に上記量子化標準ノイズ偏差のレベルに結合する関係として上記複数の統計的分布規則を決定し、上記統計的分布規則毎に、対応した固有標準ノイズ偏差に結合された最大統計的パラメータを決定する段階と、上記固有標準ノイズ偏差毎に、帯域の実質的に均一輝度レベルに対応した標準ノイズ偏差を決定し、上記標準ノイズ偏差を上記帯域の上記輝度レベルに結合する関係として上記ノイズ曲線を決定する段階とを含む請求項1記載の方法。
【請求項3】 上記画像中のアドレスk(但し、k∈[1,K])を有する着目画素を決定する段階と、上記着目画素の周辺の多数の画素及び上記着目画素を含む近傍を決定する段階と、現在画素とも称される上記着目画素に基づいて上記近傍に関して画像を走査する段階と、上記近傍で上記現在画素に割り当てられる平均輝度値を決定する段階と、上記平均輝度値に対応した上記標準ノイズ偏差を決定する段階とを更に有し、上記輝度レベルの帯域及び上記標準偏差レベルを決定する請求項2記載の方法。
【請求項4】 局所平均輝度値及び対応した標準ノイズ偏差を離散化する段階と、上記量子化された局所平均値及び上記量子化された標準ノイズ偏差を座標として有し、上記座標の変数次元は所定の量子化局所平均値及び対応した量子化標準ノイズ偏差を有する画素の数である上記統計的パラメータが、画像の点に相当する2次元画像としてヒストグラムを作成する段階とを更に含み、上記統計的パラメータを決定する請求項3記載の方法。
【請求項5】 上記ヒストグラムに基づいて、上記統計的パラメータの値と、上記量子化局所輝度値毎に量子化された上記標準ノイズ偏差との間の関係として、統計的規則を決定する段階を更に有する請求項4記載の方法。
【請求項6】 固有の量子化標準ノイズ偏差に対応した量子化されていない標準ノイズ偏差の値を決定する段階と、対応した量子化されていない輝度レベルの値を決定する段階とを更に有する請求項5記載の方法。
【請求項7】 上記局所平均輝度Mkは、以下の式、【数1】

に従って計算され、式中、Iは着目画素の輝度を表し、Vkは上記着目画素の近傍を表し、Nは上記近傍Vk内の画素数を表し、jは上記近傍Vk内の画素の指数を表し、上記関連した標準ノイズ偏差Skは、以下の式、【数2】

に従って計算され、式中、Ckは上記近傍Vk内の中心画素の輝度値を表すことを特徴とする請求項6記載の方法。
【請求項8】 上記局所平均輝度Mk及び上記関連した標準ノイズ偏差Skは、以下の簡単化された式、【数3】

に従って計算され、式中、Iは着目画素の輝度を表し、Vkは上記着目画素の近傍を表し、Nは上記近傍Vk内の画素数を表し、jは上記近傍Vk内の画素の指数を表し、Ckは上記近傍Vk内の中心画素の輝度値を表すことを特徴とする請求項6記載の方法。
【請求項9】 ノイズを圧縮する前に処理されるべき画像又は画像のシーケンスのノイズを評価するため、請求項1乃至8のうちいずれか1項記載の方法を実施することを特徴とする画像のノイズを圧縮する方法。
【請求項10】 ノイズを含むディジタル医用画像中のノイズを圧縮する手段を具備した医用映像化装置において、信号成分及びノイズ成分を含む輝度を有する画素によって形成された画像を取得するシステムと、上記画像のデータ及び表示システムにアクセス可能であり、請求項9に記載された方法を実施するマイクロプロセッサを含む画像処理システムとを有する医用映像化装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、信号成分及び信号成分に依存するノイズ成分を含む輝度を有する画素によって形成された画像を取り込み、画像に関係するノイズ曲線を決定する画像処理方法に関する。本発明は、画像のノイズを低減する画像処理方法、及び、かかる方法を実施するシステムが設けられた医用映像化装置に関する。
【0002】本発明は、特に、医用X線映像化システムに使用することが意図されている。X線画像のノイズは信号に依存する。これは、画像の暗い領域と明るい領域とでノイズレベルが同じではないことを意味する。ノイズは、一方で、平均ノイズに対する標準ノイズ偏差と称される値によって定義される。他方で、標準ノイズ偏差は、所謂ノイズ曲線と称される信号の関数によって表現することができる。ノイズは、輝度レベルと関連する確率密度と結びつけられる。ビデオの場合、確率密度は、信号とは独立した電子ノイズであるガウス性ノイズの確率密度である。このとき、信号の関数として標準ノイズ偏差を表現するノイズ曲線は一定である。X線の場合、確率密度は、量子化ノイズから生ずるポアソンノイズ分布の確率密度であり、この量子化ノイズは信号に依存する。信号の関数として標準ノイズ偏差を表現するノイズ曲線は、一般的に直線的であり、ポアソンノイズ分布の場合には増加的である。このとき生ずる問題点は、X線システムがノイズ曲線の形状を変形する電子装置を含むことである。ポアソンノイズ分布の場合、ノイズ曲線は、一般的に非線形であり、一定に増加しない。ノイズは電子回路の全体を通過するので、問題となるのは真正なポアソンノイズ分布のノイズ曲線ではない。したがって、ノイズ曲線は個別のケース毎に決定される必要がある。
【0003】
【従来の技術】ノイズが信号に依存するディジタル画像のシーケンス中のノイズの分散を処理の途中に判定する画像処理方法は、英国で発行されたKonad W Leszcynskiによる論文"An adaptive technique for digital noise suppression in on-line portal imaging", Phys. Med. Biol., 1990, Vol.35, No.3, 429-439 により公知である。本引用文献は、ノイズの分散を考慮したノイズ圧縮方法を開示する。このため、画素の輝度の分散が画像の処理中に平均化された画像の均一領域内においてオンラインで測定される。この平均化された画像はN個の個別のビデオ画像の平均である。分散は1/Nの関数として表現される。ノイズの分散は平均化された画像内で倍率Nで圧縮される。かくして、ランダムノイズの分散が局所分散の勾配を用いて評価される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】X線映像化に関する第1の適用例において、患者に当てられる信号は一般的に非常に弱く、X線画像は一般的に非常にノイズを多く含むので、ノイズを圧縮することが極めて重要である。画像中のノイズ圧縮を実現するには、上記の理由から、ノイズを評価し、すなわち、信号の関数として標準ノイズ偏差曲線を決定することが必要である。
【0005】ビデオに関する別の適用例において、ノイズは高周波を含み、高周波の符号化は非常にコスト高であるため、符号化の前にノイズを圧縮することが重要である。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点を解決するため請求項1に記載された画像処理方法を提供する。本発明による画像処理方法は、量子化ノイズを評価し、かつ、電子ノイズ、すなわち、ポアソン分布並びにガウス分布を備えたノイズを評価するため使用できる点が有利である。また、本発明の別の利点は実時間処理に適していることである。
【0007】画像のノイズを圧縮する画像処理方法は、請求項9に記載された方法を実施する。ノイズを含むディジタル医用画像のノイズを圧縮する手段を具備した医用映像化装置は、請求項10に記載された手段を含む。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明を行う。本発明による方法の原理は、ノイズの分散の増加の特性、より詳細には、標準偏差の増大の特性に基づく。標準ノイズ偏差に関する限り、ノイズと信号の和の標準偏差S(B+Sg)は、ノイズのみの標準偏差S(B)よりも常に大きく、以下の式: S(B+Sg) > SB (1)
に従う。この式は、ノイズが信号に依存する場合でも、ノイズが信号から区別されることを意味する。このことは、他の関係から確認される。ノイズと信号の和の分散は、信号の分散で増加されたノイズの分散に一致し、以下の式で表される。
【0009】
分散(B+Sg)=分散(B)+分散(Sg) (2)
但し、分散(B)=[S(B)]2 (3)
図2を参照するに、X線画像のような初期画像J0 において、信号Sgは、特に、対象エッジ10により形成される。背景は本質的にノイズBを表す。当業者は、一般的に、ノイズを評価する前に信号をノイズから分離すべきこと、並びに、この目的のためエッジを抽出し得ることを知っている。このタイプの従来の方法は、エッジを検出し、次に、エッジを抽出する。このような従来の方法には多数の欠点がある。実際上、エッジを正確に評価し、信頼できる方式でこれらのエッジを検出することは困難である。したがって、抽出される情報は、過剰であるか、若しくは、不足しているため、これらのエッジを抽出することは困難である。その上、エッジの抑制はノイズの確率密度を変化させる。そのため、エッジの検出の終了時に、ノイズの評価はこの動作によってバイアスがかけられている。本発明によれば、信号Sg及びノイズBを明示的な形で分離するのではなく、信号及びノイズが統計的な形で分離される。
【0010】図1に示された本発明の方法のフローチャートを参照して、以下、段階1)乃至15)を含む本発明の方法を説明する。
段階1)ステップ100において、集合[1,k]に属するアドレスkと、信号成分Sg及び信号成分に依存したノイズ成分Bを含む輝度とを有する画素Akにより形成された画像J0 が取得される(ステップ100)。
【0011】段階2)ステップ101において、画像の輝度レベルが帯域に分割される。本発明の方法のステップは、信号が存在する画像ゾーン、例えば、図2のゾーン10では、信号とノイズの和の標準偏差がノイズの存在しないゾーン、例えば、図2のゾーン20に関係した標準偏差よりも常に大きいという事実に基づいて、統計的な手法で信号からノイズを分離することを目的とする。また、本発明の原理は、ノイズBが信号Sgに依存するという事実に基づく。このステップにおいて、ノイズは局所平均輝度レベルに依存するので、画像の輝度レベルの集合は、1からPまでの番号が付けられた多数のP個の輝度レベルの帯域に分割され、各帯域は実質的に一定の輝度レベルを含む。帯域毎に、帯域中の輝度レベルの平均値Mkに対する標準ノイズ偏差Skが存在する。したがって、P個の輝度レベルの各帯域において、信号Sg及びノイズBの随伴出現に対応した最大値を備えた種々の実現可能な標準ノイズ偏差Skが存在する。
【0012】段階3)ステップ102において、画像内の着目画素Akが判定される。図2に示されるような初期画像J0 は、全ての原画素を収容するか、若しくは、サブサンプルされている。
段階4)ステップ103において、着目画素Akを取り囲む多数の画素及び着目画素Ak自体を含む近傍Vkが判定される。計算の簡単のため、近傍Vkは、一般的に、図2に示される如く、正方形若しくは矩形状を有する。円形状若しくは円盤状の場合、計算が複雑化する。
【0013】段階5)ステップ104において、近傍Vkが与えられた着目画素Akに従って画像が走査される。好ましくは、画像は、当業者に公知の標準的な走査系に従って、例えば、図2に示される如く、平行線X1,X2,Xnに沿って左右及び上下に走査される。処理中の各画素は現在画素Akと称される。
段階6)ステップ105において、近傍Vk内で局所平均輝度Mkが決定される。決定された局所平均輝度Mkは現在画素Akに割り当てられる。局所平均輝度は以下の式に従って決定してもよい。
【0014】
【数4】

【0015】式中、Iは検討されている画素の輝度を表し、jは近傍Vk内の画素の指数であり、Nは近傍Vk内の画素数を表す。計算の簡単化のため、局所平均輝度は、以下の式:Mk=Ck (4b)
に従って計算され、式中、Ckは、近傍Vk内の中心画素、即ち、現在画素Akの輝度値を表す。
【0016】段階7)ステップ106において、平均輝度Mkに対応する標準ノイズ偏差Skが決定される。標準ノイズ偏差Skは以下の式に従って計算され得る。
【0017】
【数5】

【0018】上記の式において、標準ノイズ偏差Skはノイズ分散の平方根として計算される。簡単化された計算方法によれば、標準ノイズ偏差Skの値は以下の式に従って計算してもよい。
【0019】
【数6】

【0020】式(4a)及び(5a)による平均輝度Mk及び標準ノイズ偏差Skの値の完全な計算と、式(4b)及び(5b)による平均輝度Mk及び標準ノイズ偏差Skの値の簡単化された計算は、動的には選択されない。この計算の選択は、本方法の開始時に行われ、画素間で変更されない。これらの二通りの計算方法は異なる計算容量を必要とする。
【0021】段階8)ステップ107及び108において、局所平均輝度値Mk及び対応する標準偏差Skが夫々に量子化され、量子化された値は、夫々、QMk及びQSkと表される。このため、ステップ107において、局所平均輝度値Mkは、検出された値Mkの整数部E(Mk)を求め、正規化係数QMnormを用いて完全分割を実行することにより量子化される。一般的に、正規化係数QMnormは、2のべき乗に一致する。この関係は以下の式で表される。
【0022】
QMk=E(Mk)/QMnorm (6a)
また、ステップ108において、標準ノイズ偏差Skは、検出された値Skと正規化係数QSnormの積の整数部E(Sk.QSnorm)を求めることにより量子化される。この関係は以下の式で表される。
QSk=E[(Sk)×QSnorm] (6b)
一般的に、QSnormは、1又は2の値をとる。
【0023】尚、当業者に公知の他の任意の量子化方式をこの目的のため使用することができる。
段階9)ステップ110において、図3に示されるような2次元画像としてヒストグラムHが作成される。同図において、点は統計的パラメータHkを表し、点の座標は量子化局所平均値QMkと量子化標準偏差QSkとにより形成される。画像点の輝度に相当する上記座標におけるパラメータの第3の変数次元は、所定の量子化局所平均値QMk及び対応した量子化標準ノイズ偏差QSkを有する画素の個数Hkである。
【0024】図4にはヒストグラムHの構造の一例が示されている。横座標には、正規化係数QMnormに依存したP個の輝度レベルの帯域を決定することができるように画像の階調レベル又は輝度レベルがプロットされる。正規化係数QMnorm=8の場合、垂直方向帯域は8輝度レベルの幅を有する。画像J0 の近傍Vkは、帯域M1乃至MPの中の一つの帯域に収まる局所平均輝度Mkを生ずる。近傍Vk毎に、量子化平均値QMkが与えられたとき、対応した量子化標準偏差QSkが計算される。量子化標準偏差QSkは縦座標にプロットされる。正規化係数QSnorm=1の場合、標準偏差が1輝度レベル毎に分離される区分が決定され、帯域1乃至Pの各帯域の上に重ねられる。量子化局所平均値QMk及び対応した量子化標準偏差QSkは、個々にヒストグラムの区分内に点(QMk,QSk)を形成する。画像J0 の走査中に、各区分内の点の個数Hkは増大される。この収集によって点の画像の形式のヒストグラムが作成され、点の輝度は同じ座標(QMk,QSk)を有する点の個数Hkである。正規化係数QMnorm及びQSnormは、合理的な個数P個の帯域がヒストグラムH内に存在し、区分内に合理的な値Hkが存在し、すなわち、空の区分、若しくは、1に一致する1個の要素Hkしか含まない区分が僅かしか存在しないように決定される。
【0025】段階10)ステップ111において、ヒストグラムHに基づいて、量子化局所輝度値QMk毎に統計的パラメータHkと量子化標準偏差QSkとの間の統計的関係が決定される。これにより統計的規則fが得られる。統計的規則fの個数Pは、決定された量子化平均輝度値QMkの個数P、又は、ヒストグラムHの帯域の個数Pと一致する。
【0026】例えば、図5は、ヒストグラムHの帯域2においてHk=f(QSk)に対する統計的規則fを表す。ここで、QMk=2であり、この帯域は、図4に示される如く、輝度レベル8乃至15によって制限される。
段階11)ステップ112において、P個の統計的規則が処理される。上記統計的規則f毎に、本発明が依拠する原理から発生する主最大値又は第1の最大値が存在し、即ち、前述の信号及びノイズの付随関係(関係式(1)及び(2))の結果である最大値が存在する。この最大値は演算ステップ112の間に決定され、P個の曲線の中からの曲線f毎にM1乃至MPと称されるこの最大値に対し、最大統計的パラメータHkmaxが対応した固有標準ノイズ偏差QSkmaxと関連して見つけられる。P個の統計的規則が存在する場合に、ステップ112の間に獲得された曲線fのP個の最大値M1乃至MPが存在する。
【0027】段階12)ステップ113において、全てのHkmaxに対し、関連したP個の平均輝度値QMk又はP個の対応した固有標準ノイズ偏差値QSkmaxが夫々探索される。図6を参照するに、このような方法で座標値QSkmax、QMkで表されるP個の点が決定される。
段階13)ステップ114において、上記P個の点の座標QSkmax、QMkに夫々対応する非量子化値が決定される。QSkmaxに基づいて、各最大値M1乃至MPに対応した非量子化標準ノイズ偏差Skmaxが決定される。この動作は、平均値Mkのスライスに対応する標準ノイズ偏差SBkの決定を可能にする。実際上、標準ノイズ偏差SBkはSkmaxの線形関係であり、その係数は、以下の式: SBk=[N/(N−1)]1/2 Skmax (7)
に従って、近傍Vk内に含まれる画素の数に依存する。また、平均非量子化輝度Mkは、当業者に公知の演算QMk-1を利用して量子化平均値QMkに基づいて決定される。
【0028】段階14)ステップ120において、解析されたP個の点に対応する関連した平均輝度値Mkの関数gとして標準ノイズ偏差SBkの分散に基づき、画像中の信号の関数として標準ノイズ偏差の分散に関係する統計的規則NCが決定され、例えば、SBk=g(MK)を表す図6に示されたノイズ曲線が形成される。
段階15)ステップ130において、ノイズ曲線の知識を必要とし当業者に公知のいずれかの方法によってノイズ圧縮された画像Jを供給するため、ノイズ曲線NCに基づいて画像J0 のノイズが圧縮される。
【0029】かくして、本発明の方法は、X線画像のノイズ圧縮に適用され得る。ステップ100で取得されるようなX線画像J0 の自動的かつ系統的な走査によって、曲線NCから推定されるノイズが各画素の輝度から除去される。画像のシーケンスが取得される場合、ノイズは大きく変化をしないので、ノイズの除去は、例えば、10画像毎若しくは2画像毎に更新することができ、表示装置7を用いて実時間に検査され得るノイズ圧縮画像のシーケンスの形成が可能になる。
【0030】
【実施例】例えば、図7は、上記のノイズ圧縮方法を実施する手段を具備したディジタルX線撮影システムを含む医用映像化装置を示す図である。この装置は、X線源1と、患者収容台2と、患者の体を通過するX線の受信装置、特に、X線増倍装置3と、X線増倍装置に接続された撮像管4と、撮像管4からデータが供給されるマイクロプロセッサを含む画像処理システム5とを有する。
【0031】画像処理システム5は幾つかの出力を有し、その中の一つの出力6は、処理後又は処理前の画像若しくは画像のシーケンスを可視化するモニター7に接続される。ディジタル化されたX線撮影画像は、8ビット又は10ビットに符号化された512×512若しくは1024×1024画素を含む。各画素は、256若しくは1024輝度レベルの中のある輝度レベルが割り当てられる。例えば、画像の暗い領域は低輝度レベルを有し、明るい領域は高輝度レベルを有する。
【0032】ディジタル化された画像は蛍光透視モードで獲得することができる。本発明は、特に、動脈造影画像の処理に使用することができる。上記のディジタル画像処理方法の中の種々のステップ及び動作は、画像処理システム5において実施される。データはメモリ領域(図示しない)に記憶され得る。また、記録手段(図示しない)を使用してもよい。
【出願人】 【識別番号】590000248
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ
【氏名又は名称原語表記】Koninklijke Philips Electronics N.V.
【住所又は居所原語表記】Groenewoudseweg 1,5621 BA Eindhoven, The Netherlands
【出願日】 平成10年(1998)12月8日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦 (外1名)
【公開番号】 特開平11−262482
【公開日】 平成11年(1999)9月28日
【出願番号】 特願平10−349083