CN101536034A - 用于放射图像的色调等级变换 - Google Patents

Abstract

一种变换来自数字接收机的放射学图像数据的方法，获取来自数字接收机的数字图像数据值并且补偿在屏幕胶片系统和数字接收机之间的照射响应差异。在屏幕胶片系统和数字接收机之间的调制转移函数差异被补偿并且对于接近数字接收机的奈奎斯特频率的频率中的噪声内容被抑制。

Description

用于放射图像的色调等级变换

技术领域

本发明总体上涉及用于放射学图像的计算机辅助探测(CAD)和计算机辅助诊断(CADx)，尤其涉及将从数字探测器获得的图像数据变换为适合于CAD/CADx的形式的方法。

背景技术

传统的射线摄影使用光激发荧光屏和光敏卤化银(silver-halide)胶片媒介来记录人体解剖图像。已经有人开发出CAD/CADx算法来帮助放射学家和医师来探测和诊断各种疾病。在数字射线摄影(DR)系统变得普及之前，在大约20年的期间已经进行了大量的研发工作来基于以胶片数字化器数字化的胶片图像训练和优化CAD/CADx算法。

成像技术的进步使得现在可以获得直接是数字数据的放射摄影图像，不用使用光敏胶片。可以使用计算机射线摄影(CR)装置进行数字成像，其将图像数据记录在激发存储荧光体的可擦除片上并使用直接从接受到的辐射获得图像数据的直接DR装置。在本申请中，CR和DR都称为数字射线摄影成像系统。这些类型的数字接收机特别有优势，不仅因为它们比传统的屏幕/胶片成像有更广的动态范围，而且因为它们创造出新的机会来分开和单独地优化整个成像链中的图像获取、处理和显示过程。

虽然数字射线摄影成像系统享有超越传统的基于屏幕/胶片的系统的优势，它们也给CAD/CADx算法的现有的基础带来了新的挑战。正如在诊断成像领域的技术人员熟知的那样，屏幕/胶片、CR和DR成像形态(modalities)呈现出相对于辐射强度、图像锐度、系统噪声以及其它因素的非常不同的响应特征。用于来自屏幕/胶片系统的数字化数据的特别训练和优化的CAD/CADx算法可能在被提供给来自数字射线摄影成像系统的原始(未处理)的数据时可能表现不佳。

图1示出了在入射x光照射(exposure)水平(E)和胶片密度(D)之间的屏幕/胶片系统的典型响应，其基本上遵照D和E的对数之间的S形。在另一方面，数字射线摄影系统通常在线性照射空间记录x光照射水平，然后可选地将其转换到对数照射空间。

按照用于医学数字成像和通信(DICOM)标准的模式，数字射线摄影成像系统以两种主要格式中的一种输出图像数据。这些格式在功能和数据表现上彼此不同，并且被合适地称为“用于处理”和“用于表现”格式。参考图2的方框图，来自数字探测器10的原始图像数据被提供两种输出类型或两种之一的处理器12控制条件，是用于显示器14的“用于表现”的数据或由CAD系统20或其它图像处理系统的“用于处理”的数据。

“用于表现”的数据用于向胶片打印机或诊断工作站输入，从而该在灯箱显示的胶片或在诊断工作站上显示的图片可以直接适合于被放射科人员进行可视评估来作出诊断。最初设计了很多方法来改进从CR或DR数字探测器获得的图像的外观，以使得数字图像类似并且改进相应的胶片图像。一个用于改进表现图像的示例性技术在共同转让的美国专利U.S.Patent No.6,778,691，题为＂Method ofAutomatically Determining Tone-Scale Parameters for a Digital Image＂中进行了描述。随着放射学家对数字图像处理创建的数字“看”变得更为熟悉，他们的偏好逐渐转移到具有例如边缘锐化(美国专利U.S.Patent No 5,369,572)和动态范围压缩(美国专利U.S.Patent No 5,317,427)的额外空间处理的图像。因为“用于表现”的数据为了显示和视觉评估而被优化，在图像中与各种疾病特征相关的边缘特征可以通过提高视觉对比度增强的图像处理算法(例如，空间处理)而被人工地改变。然而，由于这样的改变，同样的“用于表现”的数据可能不适合于已经基于数字化的胶片图像而训练的CAD/CADx算法。

“用于处理”的数据克服了与“用于表现”的数据相联系的问题，并且旨在例如CAD/CADx的应用。“用于处理”的数据通常是数字射线摄影成像系统的未处理的原始数据，即在线性照射空间或对数照射空间提供的初始图像数据。然而，在实践中，这样的数据可能对CAD/CADx算法不是直接可用的或者可能产生较差的算法性能。数字数据需要一定量的预处理来补偿在屏幕/胶片系统和数字射线摄影成像系统之间就照射相应、锐度、噪声以及其它特性的成像特性上的差异。

所以需要用于CAD/CADx的数据变换方法，其使得数字射线摄影数据更精确地仿效从扫描的胶片接收的数字数据。

发明内容

本发明的目的在于解决在背景部分描述的困难。本发明提供了一种对来自数字接收机的放射学图像数据进行变换的方法，包括的步骤有：从数字接收机获得数字图像数据值；补偿在屏幕胶片系统和数字接收机之间的照射响应的差别；补偿在屏幕胶片系统和数字接收机之间的调制转移函数的差异；以及抑制在接近数字接收机的奈奎斯特(Nyquist)频率的频率中的噪声内容。

本发明的方法优于仅仅基于色调等级(tone scale)差异进行值的映射的传统方案。

结合了示出和描述了本发明的示范性实施例的附图，在阅读下面详细的说明后，这些和其它本发明的目标、特征以及优势对于本领域的技术人员将变得明显。本发明由所附的权利要求书限定。

附图说明

虽然申请文件中包括了特别指出并且清楚地要求保护本发明主题的权利要求书，但是相信通过结合附图，从下面的描述可以更好地理解本发明，其中：

图1是示出了光敏胶片对接收到的辐射的特征响应的坐标图；

图2是示出了在其中从数字探测器获得的原始图像数据为了可视呈现或进一步处理而被处理的系统的示意图；

图3是示出了从数字探测器获得CAD输出的步骤的逻辑流图；

图4是示出了解剖和模型(phantom)目标的视图；

图5是示出了产生转移函数(transfer function)的步骤的逻辑流图；

图6是示出了提取的数据点和拟合函数的坐标图；

图7是示出了在不同的图像空间之间的变换的坐标图；

图8是比较对数字接收机和数字化胶片的调制转移函数(MTF)值的坐标图；

图9是示出了原始补偿目标和MTF值的坐标图；

图10A是示出了用于提高高频噪声的补偿一个滤波器设计的坐标图；

图10B是示出了用于抑制高频噪声的补偿一个滤波器设计的坐标图。

具体实施方式

在本申请的上下文中，术语“数字化图像数据”或者简单的“数字化数据”指的是源于对光敏胶片介质的照射并且随后被扫描和以胶片数字化机数字化的图像数据。在传统的术语中，这样的数据被称为在数字化数据空间中。相反，术语“数字接收机数据”指的是直接从数字接收机获得的数字数据信号，例如在CR或DR系统中提供的。这样的数据被称为在数字接收机数据空间中。

在数字化胶片中的胶片密度由相关于“分级(scaled)胶片密度”的数值数据来数字化地表示。在分级胶片密度空间中的每一个整数单元表示胶片密度的相应的增量。例如，如果在分级胶片密度空间的每个整数单元表示0.001胶片密度，那么数值2300将表示2.3胶片密度。扫描的胶片的像素值在分级胶片密度空间中。这里使用的术语“胶片密度”和“分级胶片密度”被认为是同义的。

这里使用了术语“色调等级曲线”，和通常成像领域中的一样，来描述在入射x光照射和由x光成像系统提供的输出胶片密度之间的特性关系。对于胶片介质，色调等级曲线和其感光曲线相等，它通常示出了密度是如何相关于照射或者照射的对数的，如图1所示。

x光照射以数值来数字化地表示。术语“x光照射”这里指的是表示实际x光照射水平(例如，以mR为单位)或者线性分级的实际x光照射水平的数字表示。

本发明的方法提供了一种色调分级(色调的)变换机制，它能够用于将来自CR或DR数字探测器的原始图像数据转换成适合CAD或CADx处理的格式。另外，该方法提供了改进的空间频率响应来补偿在数字化胶片和数字系统之间的MTF和噪声差异。

如图3所示，输入图像是从数字探测机或获取装置获得的(步骤100)。这些图像通常是以未处理的原始格式(用于处理输出)。色调、分辨率、锐度、以及噪声的补偿在步骤110执行。然后该数据被输入给CAD/CADx算法(步骤120)用于分析。最后，在步骤130产生报告。

色调响应补偿

来自数字获取装置的“用于处理”的数据通常是未处理的原始数据。在该数据中的图像像素值要么是在线性照射响应空间要么是在对数照射响应空间。从线性照射空间到对数照射空间的转变非常直接，例如，使用下面的公式：

CV＝1000 x log10(E)+2000

其将以mR为单位的入射照射数据转化至分级的对数照射空间。为了在此处公开说明的简洁起见，“用于处理”的数据假设在对数照射空间。

许多方法中的任何一种都可以被用于产生色调等级曲线来将“用于处理”的数据转换到胶片密度空间。在本发明的一个实施例中，色调等级曲线是基于屏幕/胶片系统和数字系统二者的特性照射响应曲线的物理测量来确定的。同样的对象(解剖体410或者物理模型400，或者二者)通过屏幕/胶片系统和数字系统二者来成像。图4示出了一幅这样的图像。在图5所示出的产生转移函数的过程中，来自两个源的图像收集在步骤500中实现。最好被成像的对象应该具有接近获取设备的信号动态范围。在步骤510中，然后胶片图像被数字化并且来自数字系统的未处理的原始数据被转换到对数照射空间以利于计算。来自数字系统的每个图像像素和在数字化胶片图像中的其相应的像素进行比较(步骤520)并且基于对例如多项式、s形函数或者其它合适的模型的预定模型的数据拟合来产生色调等级转移函数(步骤530)。

然后曲线可以使用传统曲线拟合技术对该数据进行拟合。图6示出了一个例子，具有提取的数据点和s形曲线拟合函数。在实践中，实际的检查照射可能在不同的射线摄影技术因素(例如，kVp，mAs等等)下获得。通过将色调等级曲线合适地放置在解剖区域矩形图(histogram)上，例如相对于探测器的预定区域或者相对于解剖体的预定区域，色调变换适应于图像内容本身。

色调补偿的另一个方法使用基于人体视觉响应特征的函数，例如在前面提到的美国专利U.S.Patent No.6,778,691指定的，通过引用结合了它的公开。这个想法是产生胶片图像，其中人类观察者对于相同的亮度改变感觉到相同的物理对比度。在图7的图示中概括了这一方法的简要说明。这一方法一开始分析对数照射数据。从像素值矩形图中提取两个点，左点(1p)和右点(rp)。在1p和rp之间的像素值被线性映射到感性的亮度空间，基于预定的线性函数：

Perceptual Brightness＝a*logE+b、

基于某些已知的人类视觉模型，感性的亮度被转换到物理亮度。期望的胶片密度可以被计算，基于下面的物理亮度：

D＝log10(L₀/L).

色调等级曲线的脚尖(toe)和肩部(shoulder)区域基于s形等式被创建，然后被粘到起始的感性线性曲线。

分辨率、锐度和噪声补偿

除了色调级别映射，还有在屏幕/胶片和数字系统之间图像分辨率、锐度和噪声的差异。对这些差异的某些补偿使得从两种系统获取的图像能够用相同的CAD算法来处理。

系统分辨率和锐度最好是以MTF来表征。MTF可以用一些方法来测量，例如使用本领域中公知的狭缝(slit)、边缘或者线对(line-pair)目标。噪声特征可以从以不同的照射水平获得的一系列平场图像来获得。

测试目标数据可以通过使用数字探测器和使用标准技术的数字化胶片来成像参考模型来获取。如前面图4示出的灰度目标，作为提供需要的边缘定义数据的有用设备。获得的测试目标数据可以用来测量系统的有效空间频率响应，如图8所示，其中同时示出了数字化胶片和CR系统的MTF响应。如图8所示，数字化胶片的MTF在一段频率范围(示例中在大约2cy/mm和10cy/mm之间)中高于CR数字探测器的MTF。

MTF差异的补偿可以通过比较这些值并且使用该比较来指导空间滤波器设计来获得。图9的坐标图再次示出了CR数字探测器和数字化胶片的MTF曲线。图9还示出了对于增加值，胶片数字化器对特定的数字探测器的有效空间频率响应的比率，作为原始补偿目标值。这些用于指导(补偿目标)适合于补偿在数字化机和数字数据之间的MTF差异的空间滤波的设计，如图10A中坐标图所示。对于空间滤波器响应的该图，横坐标是关于数字探测器的奈奎斯特或半取样频率；纵坐标示出了滤波器响应，其中值1表示零放大。在图10A中的滤波器设计A可以使用从参考图9描述的MTF值的比率获得的信息而产生。

正如成像领域的技术人员公知的那样，在图像中的噪声是由相对高的空间频率表示的。因此，噪声可能不注意地就被用于MTF补偿的空间滤波所放大。如图8和9所示，在一段范围的频率上，包括更高的频率，MTF差异可能很大。除非特别注意，MTF补偿可能放大较高频率，并且因而放大噪声，如图10A所示。在接近奈奎斯特频率的频率，信号可能被增强，不经意地放大噪声。为了帮助解决这一问题，通过抑制表示噪声的较高频率，空间滤波器可以被设计成减少噪声放大，如图10B所示。在图10B中，滤波器设计B抑制大于大约0.8倍的奈奎斯特频率的频率，从而抑制或控制噪声。

在另一个实施例中，可以使用自适应滤波器方案用信号应变(dependent)方式来减少噪声的放大，并且其还可以是信号应变统计的函数从而减少噪声抑制对图像特征的影响。正如射线摄影成像领域的技术人员公知的那样，噪声可能根据照射水平而变换。在照射范围上，噪声补偿可以相应地变化。

空间滤波器设计是基于滤波器响应如何很好地拟合目标响应并且也某种程度上基于在数字化胶片和来自数字系统的图像之间的视觉相似度。可以在色调表现(tonal rendering)之前或之后，计算空间频率响应，并且空间滤波器通常可以应用在线性或对数照射空间。

使用MTF函数来获得用于分辨率、锐度和噪声的补偿函数是有用的起始点，其至少提供了需要的补偿的第一近似。实践中，这一初始补偿可以进一步调整来获得CAD/CADx算法的最佳性能。对于色调补偿也是如此。

因此，这里提供的是使从数字探测器获得的图像数据和来源于数字化胶片的图像数据相关联的方法。

部件列表

10.数字探测器

12.处理器

14.显示器

20.CAD系统

100-130.方法步骤

400.模型

410.解剖体

500-530.方法步骤

Claims (9)

1.一种变换来自数字接收机的放射图像数据的方法，包括

(a)从所述数字接收机获得数字图像数据；

(b)补偿在屏幕胶片系统和所述数字接收机之间的照射响应差异；

(c)补偿在所述屏幕胶片系统和所述数字接收机之间调制转移函数差异；以及

(d)抑制在接近所述数字接收机的奈奎斯特频率的频率的噪声内容。

2.如权利要求1所述的方法，其中对调制转移函数差异的补偿包括：

(i)计算在所述屏幕胶片系统和所述数字接收机之间的调制转移值的比率；以及

(ii)根据计算出来的调制转移值的所述比率形成空间滤波器。

3.如权利要求2所述的方法还包括削弱大于所述数字接收机的奈奎斯特频率的大约0.8倍的频率。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述数字图像数据值来源于计算机射线摄影接收机。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述数字图像数据值来源于数字射线摄影接收机。

6.如权利要求1所述的方法，其中对所述照射响应差异的补偿使用色调等级曲线。

7.如权利要求6所述的方法，其中色调等级曲线由包括如下步骤的方法形成：

(i)收集来自所述数字接收机的模型图像来获得数字接收机值；

(i)收集来自扫描的胶片的模型图像来获得数字化值；

(ii)将所述数字接收机值转换成对数照射值；

(iii)从所述对数照射值提取数据点；

以及

(iv)根据所述提取的数据点产生在所述数字接收机值和所述数字化值之间的转移函数。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述色调等级曲线根据人类视觉感性特征形成。

9.如权利要求1所述的方法，其中抑制所述噪声内容随照射而变化。

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