專利名稱：改善計(jì)算機(jī)斷層造影圖像顯示的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過電操縱所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法和裝置，尤其是x射線圖像或CT圖像的可視識(shí)別性，在這些圖像中一個(gè)像素的亮度對(duì)應(yīng)于被透視對(duì)象的吸收值，其中該圖像至少顯示軟組織結(jié)構(gòu)和骨骼結(jié)構(gòu)，并具有主要包括兩個(gè)不同亮度區(qū)間的對(duì)應(yīng)圖像區(qū)域，其中第一亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于骨骼結(jié)構(gòu)，而第二亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于軟組織結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
原理上這種用于在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像(尤其是在CT領(lǐng)域)進(jìn)行圖像處理中改善圖像質(zhì)量的方法和裝置是眾所周知的，校正諸如散射輻射、額外聚焦輻射等等在再現(xiàn)CT圖像時(shí)的特定物理效應(yīng)的方法在于，對(duì)所采用的卷積核進(jìn)行所謂的卷曲校正。該校正基本上是一種提升高的本機(jī)振蕩頻率的濾波器，但最陡峭的上升位于相對(duì)較低的本機(jī)振蕩頻率處。該校正不能任意強(qiáng)度地進(jìn)行，因?yàn)樘髲?qiáng)度的卷曲校正會(huì)對(duì)具有高對(duì)比度的邊緣產(chǎn)生不期望的影響，并因此強(qiáng)烈損害這些結(jié)構(gòu)的可識(shí)別性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，找到一種改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法和裝置，能避免上述負(fù)面影響。
發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，醫(yī)療圖像、尤其是CT圖像的特征在于，它們具有至少兩個(gè)典型的圖像區(qū)域，也就是一方面對(duì)骨骼的顯示，另一方面對(duì)軟組織的顯示，其中每個(gè)顯示都分別具有一個(gè)有限的、部分相對(duì)較窄的亮度范圍，但就其亮度平均值來說相互之間又相差甚遠(yuǎn)。在此存在濾波的問題。但如果兩個(gè)亮度區(qū)間被強(qiáng)烈拉近而不相交，接著提高對(duì)比度，然后又將亮度區(qū)間恢復(fù)到開始的距離，其中保持被提高的對(duì)比度，則可以消除該問題。
因此發(fā)明人建議，改善通過電操縱所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法和裝置，尤其是X射線圖像或CT圖像的可視識(shí)別性，在這些圖像中一個(gè)像素的亮度對(duì)應(yīng)于被透視對(duì)象的吸收值，其中該圖像至少顯示軟組織結(jié)構(gòu)和骨骼結(jié)構(gòu)，并具有主要包括兩個(gè)不同亮度區(qū)間的對(duì)應(yīng)圖像區(qū)域，其中第一亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于骨骼結(jié)構(gòu)，而第二亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于軟組織結(jié)構(gòu)。
該公知方法的改善在于，至少執(zhí)行以下方法步驟-通過非線性縮放將具有像素值I(x，y)的原始圖像B映射為第一中間圖像G(B)，使得第一亮度區(qū)間H1的對(duì)比度接近第二亮度區(qū)間H2的對(duì)比度，并從第一亮度區(qū)間H1中形成更改的第一亮度區(qū)間H1’；-在第一中間圖像Z1＝G(B)上采用濾波器F來提高對(duì)比度，由此產(chǎn)生第二中間圖像Z2＝F(G(B))；-對(duì)第二中間圖像Z2＝F(G(B))進(jìn)行非線性的重縮放H，該縮放又提高了更改的第一亮度區(qū)間H1’的對(duì)比度，并產(chǎn)生具有像素值IE1(x，y)的結(jié)果圖像E1＝H(F(G(B)))。
通過這種方式，首先整個(gè)圖像的對(duì)比度范圍減小到相對(duì)較窄但非線性的范圍，并在剩余的亮度區(qū)間上引起對(duì)比度的增加，接著又非線性地?cái)U(kuò)展了亮度值，從而就整個(gè)對(duì)比度范圍來說保留了圖像的原始印象，但改善了特別感興趣區(qū)域的對(duì)比度，并提高了各個(gè)結(jié)構(gòu)的可識(shí)別性。
尤其是在對(duì)非線性縮放采用非嚴(yán)格單調(diào)的映射函數(shù)時(shí)有利的是，從第一結(jié)果圖像E1和原始圖像B中通過適應(yīng)性重疊產(chǎn)生具有像素值I’(x，y)的第二結(jié)果圖像E2，然后將該圖像作為最終圖像進(jìn)行觀察。
雖然一維濾波器F的使用原理上是可能的，其中必要時(shí)需以不同方向多次使用該濾波器，但有利的是將所采用的濾波器F構(gòu)成為二維濾波器。
同樣，有利的是所采用的濾波器F具有各向同性的特性。
為了提高圖像的對(duì)比度，作為濾波器F可以采用其濾波器振幅在本機(jī)振蕩頻率區(qū)域的下部區(qū)域中從較低開始、并單調(diào)上升到較高本機(jī)振蕩頻率的濾波器。
為了縮放和重縮放所觀察圖像的亮度值，特別有利的是，采用非線性縮放G和H，它們互成倒數(shù)且G＝H-1。這尤其適用于縮放G是雙射的情況。
優(yōu)選地，對(duì)于非線性縮放G和H來說，優(yōu)選當(dāng)G為非雙射時(shí)，H滿足特性“GοH＝恒定式”，也就是G和H的連接是相同的映射。由此H代表限制為G的圖像集合的G的反映射。
在圖像B和E1適應(yīng)性重疊的情況下，還可以對(duì)CT圖像進(jìn)行取決于像素值、優(yōu)選取決于HU值的加權(quán)，由此可以將提高對(duì)比度的影響特別限制在軟組織區(qū)域上。
例如可以根據(jù)如下公式用取決于HU的加權(quán)執(zhí)行這種適應(yīng)性重疊I′(x，y)＝φ(I(x，y))·IE1(x，y)+[1-φ(I(x，y))]·I(x，y)。
在本方法的特別變形中，可以這樣進(jìn)行非線性的縮放，使得第二亮度區(qū)間映射到自身，并因此保持不變。
在本發(fā)明方法的另一變形中，被處理的圖像還具有第三亮度區(qū)間，其例如對(duì)應(yīng)于拍攝的空氣，并且該第三亮度區(qū)間得到與第一亮度區(qū)間類似的處理，但其中縮放的方向相反。
第二亮度區(qū)間例如可以位于-20到+80HU的HU值間隔內(nèi)，其中第一亮度區(qū)間包含位于其下方的HU值，而第二亮度區(qū)間包含位于其上方的HU值。
根據(jù)本發(fā)明的基本思想，還提出一種改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像、尤其是X射線圖像或CT圖像的可視識(shí)別性的裝置，其中該圖像至少顯示軟組織結(jié)構(gòu)和骨胳結(jié)構(gòu)，并對(duì)所示的亮度值進(jìn)行電操作，以及設(shè)置用于實(shí)施上述方法步驟的裝置，優(yōu)選是程序或程序模塊。


下面借助附圖中的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，其中要說明的是，只顯示用于直接理解本發(fā)明的重要元素。在此采用以下附圖標(biāo)記1軟組織結(jié)構(gòu)，2骨骼結(jié)構(gòu)，3空氣，B原始圖像，CHU值間隔，G縮放函數(shù)，H重縮放函數(shù)，Ex結(jié)果圖像，I(x，y)位置(x，y)處的像素值，P像素的亮度值，U以HU為單位的原始圖像的像素值，x像素在x軸方向上的位置坐標(biāo)，y像素在y軸方向上的位置坐標(biāo)，Z以HU為單位的像素值在縮放后的目標(biāo)區(qū)域，I縮放，II對(duì)比度提高/濾波，III去縮放，IV適應(yīng)性重疊，λ濾波器振幅，v本機(jī)振蕩頻率。
具體示出圖1示出典型卷曲濾波器(Cupping-Filter)F的頻率響應(yīng)特性；圖2示出在用卷曲濾波器處理之前和之后的對(duì)比度躍遷的示意圖；圖3示出頭顱的沒有經(jīng)過圖像處理的CT截面圖像；圖4示出采用了強(qiáng)卷曲濾波器的圖3的頭顱的CT截面圖像；
圖5示出非線性、嚴(yán)格單調(diào)的縮放函數(shù)G的例子；圖6示出非線性和單調(diào)的縮放函數(shù)G的例子；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；圖8示出頭顱的沒有經(jīng)過圖像處理的CT截面圖像(同圖3)；圖9示出采用了本發(fā)明的圖像處理的圖8的頭顱的CT截面圖像。
具體實(shí)施例方式
為了校正諸如散射輻射、額外聚焦輻射等特定的物理效應(yīng)，用于再現(xiàn)的卷積核通常包含所謂的卷曲校正。其基本上是一種提升高頻的濾波器，但最陡峭的提升位于相對(duì)較低的頻率處。這種濾波器在圖1中示出，其中在縱軸上以任意單位線性繪出本機(jī)振蕩頻率ν，并且橫軸表示濾波器振幅λ的大小。在頻率ν較低時(shí)，濾波器振幅也具有1附近的低值，這些值首先連續(xù)提升為更高的頻率ν，接近平頂曲線，并對(duì)隨后的頻率都保持該平頂曲線。
但是，除了要消除上述物理誤差之外，對(duì)卷積的上述貢獻(xiàn)還產(chǎn)生視覺上的影響，如圖2所示。在縱坐標(biāo)上繪出任意的位置軸x，橫軸展示一幅圖像的所屬像素的亮度值P。在以實(shí)線顯示的理想邊緣上，也就是采用任意尖銳的對(duì)比度躍遷的地方，通過卷曲校正產(chǎn)生過沖，如以虛線顯示的那樣。對(duì)于人眼來說，該過沖特性對(duì)可見性產(chǎn)生正面的影響。該效應(yīng)在原理上可以這樣調(diào)整，使得實(shí)際上不提高噪聲幅度。這對(duì)低的對(duì)比度來說尤其有利。
但由于在所提到的應(yīng)用中卷曲函數(shù)的特性通過對(duì)物理誤差所需要的校正來預(yù)先給出，因此該效應(yīng)不能任意調(diào)整。卷曲校正的放大必然導(dǎo)致在具有高對(duì)比度的邊緣上產(chǎn)生不期望的過沖，其中該效應(yīng)的加強(qiáng)與對(duì)比度成正比。這種濾波的例子在圖3和圖4中示出，其中軟組織結(jié)構(gòu)用1、骨骼結(jié)構(gòu)用2、空氣區(qū)域用3表示。圖3示出沒有濾波的頭顱拍攝的CT截面圖像，而圖4中通過強(qiáng)卷曲校正對(duì)該圖像進(jìn)行處理，以便能更好地識(shí)別大腦的軟組織結(jié)構(gòu)。在此，用具有徑向頻率特性的各向同性的二維濾波器進(jìn)行濾波，如圖1所示的濾波器。
從結(jié)果可以看出，在圖4中雖然通過改善各個(gè)結(jié)構(gòu)的對(duì)比度能更好地識(shí)別出在中央成像的軟組織區(qū)域，但這種改善會(huì)損害與骨骼結(jié)構(gòu)的邊界相鄰的區(qū)域，這可能會(huì)通過上述過沖特性產(chǎn)生已用箭頭突出的黑色邊界，甚至?xí)采w軟組織結(jié)構(gòu)。
在神經(jīng)學(xué)研究中，待檢查的軟組織的CT值位于一個(gè)有限的區(qū)間內(nèi)。因此，本發(fā)明的目的是借助在該CT值域內(nèi)的邊緣過沖提高對(duì)比度，同時(shí)防止該過沖達(dá)到至骨骼的過渡區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的基本思想，為了改善公知方法建議如下步驟I.為了避免不期望的效應(yīng)，首先借助非線性縮放G將像素值映射到一個(gè)新的值區(qū)間，其中該新的區(qū)間具有比原始圖像B更小的亮度范圍。在此，G是單調(diào)函數(shù)。原始圖像的像素值是I(x，y)。
II.然后，采用具有圖1的濾波器特性的各向同性的二維濾波器對(duì)未縮放的圖像G(B)進(jìn)行卷積，從中產(chǎn)生新的圖像F(G(B))。
III.接著，用基本上成倒數(shù)的縮放函數(shù)H進(jìn)行反縮放，從中形成像素值為IE1(x，y)的結(jié)果圖像E1＝H(F(G(B)))，該結(jié)果圖像的質(zhì)量得到了顯著改善。
IV.在最后一個(gè)可選步驟中，可以再次通過與原始圖像B進(jìn)行適應(yīng)性重疊來改善上述結(jié)果圖像E1。最終圖像E2的像素值則是I’(x，y)。
在圖5中舉例示出非線性和單調(diào)上升的縮放函數(shù)G，該函數(shù)將原始圖像的像素值轉(zhuǎn)換為中間圖像的目標(biāo)值Z。該縮放函數(shù)G也是雙射的，如在圖5中可看到的。橫軸上的每個(gè)像素值U都唯一地對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的目標(biāo)值Z。在此，還可以定義一個(gè)唯一的倒函數(shù)H用于重縮放，從而H＝G-1。如果采用這種縮放函數(shù)和重縮放函數(shù)，則在采用這些函數(shù)之后不需要與原始圖像進(jìn)行適應(yīng)性重疊，但可以可選地進(jìn)行。
在其它情況下，也就是對(duì)非嚴(yán)格單調(diào)的函數(shù)來說，如上所述，H應(yīng)當(dāng)滿足特性“GοH＝恒定式”。圖6示出了一個(gè)例子。也就是說，函數(shù)H應(yīng)當(dāng)選擇為限制在區(qū)間C上的G的倒數(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)改善在于，在對(duì)圖像進(jìn)行適應(yīng)性重疊時(shí)，通過取決于HU值的函數(shù)φ來進(jìn)行加權(quán)。對(duì)于像素I’(x，y)，濾波和重縮放后的圖像具有權(quán)重φ(I(x，y))，而對(duì)輸出圖像的像素值加上權(quán)重1-φ(I(x，y))，也就是說下式成立I′(x，y)＝φ(I(x，y))·IE1(x，y)+[1-φ(I(x，y))]·I(x，y)。
圖7以流程圖形式示出本發(fā)明方法的示意圖，其中涉及上面描述的方法步驟I縮放，II濾波，III去縮放和IV適應(yīng)性重疊。在方法步驟去縮放III和最終圖像之間的以虛線表示的可選路徑應(yīng)當(dāng)表明，必要時(shí)還可以在沒有方法步驟IV的情況下達(dá)到足夠的圖像質(zhì)量。
本發(fā)明的專署用途是對(duì)自然CT頭顱掃描中的灰白差異進(jìn)行光學(xué)改善。在此，感興趣的區(qū)間在大約-20到+80HU的范圍內(nèi)，大多甚至更窄，在+20到+50HU之間。在所示例中，作為縮放函數(shù)G采用根據(jù)圖6的區(qū)間[-20，80]HU上的線性斜坡。該濾波器函數(shù)這樣選擇，使得在對(duì)比度躍遷處產(chǎn)生大約30％的過沖。
通過本發(fā)明方法達(dá)到的質(zhì)量改善在圖9的圖像中示出，該圖像來自圖8的與圖3一致的原始圖像。在該圖像中可以看出軟組織的對(duì)比度明顯增加。沒有出現(xiàn)如圖4的圖像中出現(xiàn)的骨骼上的邊緣過沖這樣的負(fù)面效果。
還要注意，在所示例中，沒有校正圖1的濾波器類型的噪聲振幅的增大。但該效應(yīng)可以通過組合合適的低通濾波器T來抑制。
總之，利用本發(fā)明展現(xiàn)了通過電操縱所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法和裝置，其中該圖像具有主要包括兩個(gè)不同亮度區(qū)間的圖像區(qū)域。通過采用圖像值的非線性縮放、然后提高圖像值的對(duì)比度、最后重縮放圖像值，對(duì)比度很高地顯示了結(jié)構(gòu)，而不必在原來強(qiáng)對(duì)比度的區(qū)域招致質(zhì)量損失。
應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的條件下，本發(fā)明的上述特征不僅可以按照分別給出的組合使用，而且可以按照其它組合或單獨(dú)使用。
權(quán)利要求
1.一種通過電操縱所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法，該醫(yī)療圖像尤其是X射線圖像或CT圖像，該圖像中一個(gè)像素的亮度對(duì)應(yīng)于被透視對(duì)象的吸收值，其中該圖像至少顯示軟組織結(jié)構(gòu)和骨骼結(jié)構(gòu)，并具有主要包括兩個(gè)不同亮度區(qū)間的對(duì)應(yīng)圖像區(qū)域，其中，第一亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于骨骼結(jié)構(gòu)，而第二亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)于軟組織結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少執(zhí)行以下方法步驟-通過非線性縮放(G)將具有像素值(I(x，y))的原始圖像(B)映射為第一中間圖像(G(B))，使得第一亮度區(qū)間(H1)的對(duì)比度接近第二亮度區(qū)間(H2)的對(duì)比度，并從第一亮度區(qū)間(H1)中形成更改的第一亮度區(qū)間(H1’)；-對(duì)該第一中間圖像(Z1＝G(B))采用濾波器(F)來提高對(duì)比度，由此產(chǎn)生第二中間圖像(Z2＝F(G(B)))；-對(duì)該第二中間圖像(Z2＝F(G(B)))進(jìn)行非線性的重縮放(H)，該重縮放又提高了更改的第一亮度區(qū)間(H1’)的對(duì)比度，并產(chǎn)生具有像素值(IE1(x，y))的結(jié)果圖像(E1＝H(F(G(B))))。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從所述第一結(jié)果圖像(E1)和原始圖像(B)中通過適應(yīng)性重疊產(chǎn)生具有像素值(I’(x，y))的第二結(jié)果圖像(E2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，作為濾波器(F)采用二維濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為濾波器(F)采用各向同性濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為濾波器(F)可以采用這樣的濾波器，其濾波器振幅在本機(jī)振蕩頻率區(qū)域的下部區(qū)域中從較低開始、并單調(diào)上升到較高本機(jī)振蕩頻率，接近最大值，然后以該較高的本機(jī)振蕩頻率恒定地運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)于所述非線性縮放G和H來說，優(yōu)選當(dāng)縮放G是雙射時(shí)，它們互成倒數(shù)且G＝H-1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)于所述非線性縮放G和H來說，優(yōu)選當(dāng)G為非雙射時(shí)，H滿足特性“GоH＝恒定式”。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在圖像(B)和(E1)適應(yīng)性重疊時(shí)，進(jìn)行取決于HU值的加權(quán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，根據(jù)如下公式用取決于HU的加權(quán)來進(jìn)行所述適應(yīng)性重疊I′(x,y)=φ(I(x,y))·IE1(x,y)+[1-φ(I(x,y))]·I(x,y).]]>
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在非線性縮放時(shí)，所述第二亮度區(qū)間保持不變。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，被處理的圖像還具有第三亮度區(qū)間，其對(duì)應(yīng)于拍攝的空氣，并且與第一亮度區(qū)間類似地處理該第三亮度區(qū)間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，除了所述濾波器(F)之外，在相同的方法步驟中還采用額外的低通濾波器(T)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二亮度區(qū)間例如位于-20到+80HU的HU值區(qū)間內(nèi)，其中第一亮度區(qū)間包含位于其下方的HU值，而第二亮度區(qū)間包含位于其上方的HU值。
14.一種通過電操作所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像、尤其是X射線圖像或CT圖像的可視識(shí)別性的裝置，其中，該圖像至少顯示軟組織結(jié)構(gòu)和骨胳結(jié)構(gòu)，其特征在于，設(shè)置用于實(shí)施根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述方法的裝置，優(yōu)選是程序或程序模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過電操縱所顯示的亮度值來改善具有高亮度范圍的醫(yī)療圖像的可視識(shí)別性的方法和裝置，其中該圖像具有主要包括兩個(gè)不同亮度區(qū)間的圖像區(qū)域。通過采用圖像值的非線性縮放、然后提高圖像值的對(duì)比度、最后重縮放圖像值，對(duì)比度很高地顯示了結(jié)構(gòu)，而不必在原來強(qiáng)對(duì)比度的區(qū)域招致質(zhì)量損失。
文檔編號(hào)A61B6/00GK1742681SQ20051009903
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
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