DE3587197T2

DE3587197T2 - Geraet und verfahren zum filtern einer abbildung.

Info

Publication number: DE3587197T2
Application number: DE8686900203T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Colin Bamber
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1984-12-12
Filing date: 1985-12-12
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2005-12-13
Also published as: GB2168482A; EP0205526A1; DE3587197D1; WO1986003594A1; GB2168482B; US4783839A; GB8530568D0; JP2558108B2; EP0205526B1; GB8431374D0; JPS62501168A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Filtern, insbesondere das Filtern von Abbildungen.
Die Feinstruktur (Textur) von Ultraschall-Impulsechobildern hat eine fleckige oder körnige Erscheinung, die wegen ihrer Ähnlichkeit mit dem gleichwertigen optischen Phänomen, dem Laserfleck, auch Fleck genannt worden ist. Das Fleckphänomen resultiert unmittelbar aus der Benutzung kohärenter Strahlung zum Abbilden und tritt dann ein, wenn eine Struktur im Objekt (in diesem Fall dem Körper) in einem zur Auflösung mit dem Abbildungssystem zu kleinen Maßstab verursacht, daß eine Interferenz zwischen verschiedenen Teilen der Welle auftritt, die vom Objektbereich empfangen wird, der einem gegebenen Punkt in der Abbildung entspricht. Der Ausdruck "Fleck" soll, so wie er in der vorliegenden Beschreibung benutzt wird, Flecken in Ultraschall-Impulsechobildern ebenso wie ähnliche Erscheinungen in Abbildungen einschließen, die unter Verwendung anderer Quellen kohärenter Strahlung erhalten werden.
Wenn die Ultraschallstreuungen willkürlich und feinverteilt sind, ist der entstehende Fleck als "voll entwickelter Fleck" bekannt. Er hat einen Mittel- und einen Modalwert, die durch die Stärke der Streuung bestimmt sind, aber alle anderen Eigenschaften sind von der Struktur des Objektes unabhängig und charakteristisch für das zum Erzeugen der Abbildung benutzte Gerät. Sowohl die Amplituden (Graupegel)-Wahrscheinlichkeitsverteilung als auch die durchschnittliche Fleckenzelle haben eine von dem Gerät bestimmte Gestalt, die innerhalb der Abbildung schwanken kann.
Viele Autoren stimmen darin überein, daß es wünschenswert wäre, den Fleck bei Impulsechoabbildungen zu entfernen oder zu verringern, da sein Vorhandensein die scheinbare Auflösung in der Abbildung bis ziemlich weit unterhalb des Diffraktionsvorhersagewertes verschlechtert und er die visuelle Abschätzung geringer Differenzen im durchschnittlichen Graupegel oder in der Textur stört. Um das zu erreichen, ist eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden, von denen die meisten die Mittelung mehrfacher Abbildungen der gleichen Objektstruktur beinhalten, wobei ein oder mehrere Geräteparameter geändert werden, so daß die Fleckenmuster in den Abbildungen signifikant dekorreliert sind. Hierdurch wird die Fleckmodulationsabweichung verringert, und infolgedessen ist der Mittelpegel und die Objektstruktur leichter zu erfassen. Darüber hinaus ist es möglich, die Fleckenschwankung durch Glätten der Abbildung mit einem zweidimensionalen Tiefpaßfilter zu reduzieren. Ein einfacher Filter (sogar einer, der sich räumlich ändert, um für die räumliche Änderung der Fleckenmerkmale Rechenschaft abzulegen) verwischt aber nur die mit dem Objekt in Beziehung stehenden Informationen, die man gern erhalten möchte. Bisher sind Abbildungsfiltriermethoden nach der Formation nicht erfolgreich zur Entfernung von Flecken aus Ultraschall-Impulsechobildern angewandt worden.
Was hier beschrieben wird, ist von zwei früheren Veröffentlichungen zu unterscheiden. Zunächst ähnelt das beschriebene, spezielle Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen der Nützlichkeit des Verfahrens einem multiplikativen Störfilter, der von Lee entwickelt wurde ("Speckle analysis and smoothing of synthetic aperture radar images" Computer Graphics and Image Processing 17 24-32 (1981)), um mit kunstlicher Apertur erhaltene Radarbilder zu glätten, die gleichfalls unter Flecken leiden. Die Unterschiede bestehen darin, daß das oben angegebene Beispiel lediglich eine allgemeine Klasse von "intelligenten" Filtern, basierend auf einer multivariaten Fleckenbeschreibung veranschaulichen soll, und daß sie nicht einfach auf das Filtern multiplikativen Rauschens beschränkt sind. Ferner gibt es einige spezielle Unterschiede bei der Definition des Wertes der Konstante k und in der Art der Ableitung des Filters.
Zweitens hat Dickinson ("Reduction of speckle and ultrasound B-scans by digital processing" Acoustical Imaging, 12 213-224 (1982) (Plenum Press)) versucht, Flecken bei Ultraschall-Impulsechoabbildungen unter Verwendung eines ,inscharfen Maskierfilters zu glätten, wobei die Koeffiziente k allein vom lokalen Mittelwert x beherrscht wird. Dieser Versuch, der dazu gedacht war, Echos großer Amplitude von gesonderten Strukturen, beispielsweise Blutgefäßen zu erhalten, erschien verhältnismäßig wenig erfolgreich zu sein, und hätte ganz gewiß nicht vermocht, mit zwei verschiedenen Texturbereichen fertigzuwerden, die das gleiche Mittelniveau besitzen. Das örtliche Mittel ist kein Parameter, den man zum Erkennen eines voll entwickelten Flecks heranziehen kann. Es handelt sich sogar um die einzige Fleckencharakteristik, die vom Objekt bestimmt wird. Folglich ist jegliche Ähnlichkeit mit der Arbeit von Dickinson absolut oberflächlich, da die hier beschriebene Klasse von Filtern eine ganz andere Ableitung und eine andere Anwendung als die haben, die er beschrieben hat.
Grob gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Filtern einer Abbildung bereitgestellt, um das Auftreten von Flecken zu verringern, wobei bestimmt wird, wie sehr einzelne Bereiche der Abbildung einem Fleck ähneln und die Abbildungsbereiche entsprechend dieser Bestimmung gefiltert werden.
Die Erfindung schafft also ein Verfahren zum Filtern von Bildinformationen eines Abbildungssystems, welches zur Fleckenbildung neigt. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist: Identifizieren eines Parameters eines Bildbereichs, welcher ein Maß ist für eine Fleckencharakteristik der Vorrichtung für diesen Bildbereich, Verwenden eines Phantoms, welches so ausgelegt ist, daß es im wesentlichen voll entwickelte Flecken erzeugt, um den Wert des genannten Parameters zu bestimmen, entsprechend voll entwickelten Flecken bezüglich des genannten Bildbereichs, Messen des Wertes des genannten Parameters bezüglich des genannten Bildbereichs, welcher erzeugt wird durch Abtastung eines Objektes mit dem genannten Abbildungssystem, Ableiten eines Steuersignals durch Vergleich des Verhältnisses der örtlichen Standardabweichung zum örtlichen Mittelwert des genannten, gemessenen Parameters mit dem gleichen Verhältnis, das bei Verwendung des Phantoms gewonnen wird, und Eingeben des genannten Steuersignals in einen Filter, durch den die genannte Bildinformation geführt wird.
Mit der Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung geschaffen, die geeignet ist, das Verfahren dieser Erfindung auszuführen. Angenommen, die Fleckenmerkmale der Abbildungsbereiche seien festgelegt, dann braucht die Filtriervorrichtung nur noch Einrichtungen aufzuweisen, um die Schritte (2) und (3) auszuführen.
Das Filtrieren kann räumliches Filtern der Abbildungsbereiche mit einem Filter beinhalten, dessen Gestalt entsprechend den Ergebnissen des Schrittes (2) geändert wird. Geeigneterweise beinhaltet das Filtern das Glätten der Bereiche der Abbildung um Ausmaße, die sich entsprechend der Ergebnisse des Schrittes (2) ändern, vorzugsweise so, daß der Grad des Glättens eines bestimmten Bereichs erhöht wird, je mehr dieser Bildbereich einem Fleck ähnelt. Bereiche, die einem Fleck am meisten ähneln, können durch einen lokalen Bildmittelwertersetzt werden; am anderen Extrem können diejenigen Bereiche, die einem Fleck am wenigsten ähneln, ungeglättet verbleiben.
Die Erfindung, deren Grundsätze nunmehr beschrieben werden sollen, kann folglich ein Verfahren zur Verfügung stellen, mit dem Ultraschall-Impulsechoabbildungen geglättet werden können, um den voll entwickelten Fleck (gemäß obiger Definition) zu unterdrücken, während diejenige Bildkomponente, die einer aufgelösten (oder teilweise aufgelösten) Objektstruktur entspricht, im wesentlichen erhalten bleibt.
Der voll entwickelte Fleck, wie er oben beschrieben wurde, tritt auf, wenn viele feine Streuorte innerhalb der Auflösungszelle des Impulsechosystems bestehen. Abweichungen von dieser Situation (d. h. mit dem Einführen einer auflösbaren oder teilweise auflösbaren Struktur) führen zu Abweichungen in den statistischen Eigenschaften der Bildtextur. Solche Abweichungen führen zu einer Bildtextur, die nicht mehr völlig charakteristisch für das Abbildungssystem ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Abweichungen zu nutzen, um jeden örtlichen Bereich der Abbildung danach zu klassifizieren, wie sehr er dem voll entwickelten Fleck ähnelt, der normalerweise von diesem betreffenden Abbildungssystem in diesem Teil der Abbildung erzeugt wird. Dieses Maß der Ähnlichkeit wird dann benutzt, um die Gestalt eines Glättungsfilters von beliebiger geeigneter Art so zu steuern, daß diejenigen Bereiche der Abbildung, die dem voll entwickelten Fleck sehr ähnlich sind, durch einen örtlichen Mittelwert ersetzt werden und daß am anderen Ende Bereiche mit Eigenschaften, die einem voll entwickelten Fleck am wenigsten ähneln, nicht geglättet werden. Der Filter scheint sich also intelligent zu verhalten, indem er diejenigen Teile der Abbildung erkennt, die die maximale Glättung erfordern. Die Mittel zum Kombinieren geeigneter Merkmale der lokalen Bildtextur zur Schaffung eines Maßes der Ähnlichkeit können beliebige, den Umständen entsprechende sein. Die Benutzung verschiedener Zahlen und Kombinationen von Fleckenerkennungsmerkmalen führen zu einer Filterfamilie, die nach dieser Methode funktioniert, wobei jeder einen anderen Kompromiß zwischen der Wirksamkeit bei der Fleckenunterdrückung, dem Verlust an realen Informationen und der Rechengeschwindigkeit bietet. (Es ist zu erwarten, daß einige dieser Filter sich als einfach genug erweisen werden, um als Hardware oder Software verwirklicht zu werden, so daß die Umwandlung vom vorverarbeiteten Bild bis zum verarbeiteten Bild in sogenannter "Echtzeit" erzielt werden kann, d. h. schneller als etwa 107 Bildelemente pro Sekunde. Solche Entwicklungen werden vom Erfinder beabsichtigt und sind auch durch die Erfindung gedeckt.) Die einfachste Methode besteht darin, nur ein normalisiertes Merkmal zu benutzen.
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1a und 1b eine von einem Impulsecho-Ultraschallscanner abgeleitete Abbildung mit bzw. ohne Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Art von Filter gemäß der vorliegenden Erfindung.
Um die Nützlichkeit dieses Verarbeitungsverfahrens zu veranschaulichen, wird nunmehr ein Beispiel einer Verwirklichung dieser Art von Filter gegeben. Bei diesem Beispiel wird nur ein Merkmal benutzt, um die Struktur zu klassifizieren, und das Maß der Ähnlichkeit ist einfach ein skalierter, normalisierter Wert des Merkmals selbst. Auch zu Veranschaulichungszwecken benutzte dies Beispiel das Verfahren der unscharfen Maskierung, um eine zweckmäßige Möglichkeit zu schaffen, den Grad des Glättens zu variieren. Definiert wird dies durch
= + k(x - ) (i)
worin x der neue (verarbeitete Wert eines Bildelements ist, der aus dem alten (nicht verarbeiteten Wert x und dem örtlichen Mittelwert der alten Werte um das Bildelement herum und einschließlich des Bildelements berechnet werden soll. Die Konstante k wird durch das angewandte Maß der Ähnlichkeit p gesteuert, bei dem es sich im vorliegenden Fall um die Abweichung im Verhältnis der lokalen Standardabweichung von Graupegeln zum lokalen Durchschnittswert handelt, p = var(x)/ ;
k = (ap - )/p
worin Ψ der Mittelwert von p in einem Bereich einer Abbildung ist, von dem (durch menschliche Beobachtung) angenommen wird, daß er vollständig aus einem voll entwickelten Flecken besteht. Hierbei kann es sich um einen Bereich in einem Teil der zu verarbeitenden Abbildung handeln, wahrscheinlicher ist es aber Teil einer Abbildung, die bei Verwendung des gleichen Geräts erhalten wurde, um ein speziell konstruiertes Phantom abzutasten, welches aus der willkürlich dispergierten Feinverteilung von Streuungen besteht, von denen bekannt ist, daß sie voll entwickelte Flecken erzeugen. Die Konstante a ist ein Skalierfaktor, der es erlaubt, die Gesamtaggressivität der Glättung einzustellen.
Aus der Gleichung (i) ist erkennbar, daß Bereiche der Abbildung, die einen Wert des Ähnlichkeitskoeffizienten p haben, der dem eines voll entwickelten Flecks nahe kommt, das maximale Ausmaß an Glättung erhalten, welches durch den Wert von a und die Anzahl der Bildelemente, über die berechnet wird, bestimmt wird. Fig. 1b veranschaulicht die Ergebnisse bei Anwendung dieser Verarbeitungstechnik auf die Ultraschallabbildung einer in Fig. 1a gezeigten menschlichen Leber und Niere. Beim Studium dieser beiden Bilder zeigt sich ohne weiteres, daß das Ziel, den Fleck zu unterdrücken und dabei nützliche Informationen zu erhalten, im großen und ganzen erreicht wurde. Es wird erwartet, daß die Benutzung entsprechender Kombinationen von mehr Texturmerkmalen sogar noch bessere Ergebnisse hervorbringen wird.
Fig. 2 zeigt eine Verwirklichung der vorliegenden Erfindung als Hardware für einen speziellen Zweck. Von der Ultraschall-Impulsecho-Abtastung abgeleitete Bildinformationen werden als ein Signal Ix,y an einen Eingang 1 der Vorrichtung angelegt und an einen statistischen Prozessor 2 abgegeben. Dieser Prozessor gibt über Leitungen 3 ein oder mehrere Signale aus, welche statistische Merkmale der Bildinformationen darstellen, die für die Identifizierung des Flecks relevant sind. Dieses Signal oder diese Signale wird oder werden dann an einen Komparator 4 angelegt, der sie mit Signalen Rx,y vergleicht, die für die bekannten statistischen Fleckmerkmale des fraglichen Abbildungssystems in diesem Abbildungsbereich repräsentativ sind. Ein Signal 5, welches das Ausmaß der Ähnlichkeit zwischen der Bildinformation und der Bezugsinformation darstellt, wird an den Bandbreitensteuereingang eines Raumfilters 6 mit variabler Bandbreite angelegt, der als Eingabe zum Filtern gleichfalls die Bildinformation Ix,y empfängt. Der Filter kann gegebenenfalls mit einem zweiten Steuereingang 7 versehen sein, um die Tiefe und/oder Filterrate zu steuern.
Das gefilterte Bildsignal erscheint als ix,y an einem Ausgang 8.
Der in Fig. 2 gezeigte Filter kann zum Verwirklichen des oben beschriebenen oder jedes beliebigen anderen gewünschten Filtrieralgorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Bei vorläufigen Versuchen an klinischen Bildern hat sich ein adaptiver, zweidimensionaler Filter für die Fleckunterdrückung bei Ultraschall-Impulsechoabbildungen auf der Grundlage der Benutzung des Verhältnisses der örtlichen Standardabweichung und des örtlichen Mittelwertes der Abbildung zur Erkennung derjenigen Teile der Abbildung, die maximale und minimale Glättung erfordern, als gut funktionierend erwiesen. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wurde bei einer sofortigen Ablesung einer 3·3 Bildelementmatrix eine Abbildung abgetastet. Die Signale von einzelnen Bildelementen wurden in Echtzeit weiterverarbeitet, um die örtliche Standardabweichung und den örtlichen Mittelwert zu erhalten, ehe mittels des Filters von variabler Bandbreite die Abbildung weiterverarbeitet wurde.
Zu Weiterentwicklungen dieses Ansatzes zum Filtern von Ultraschallabbildungen gehört die Benutzung von Bezugsfleckenmustern, die räumlich variant sind, damit der Filter die räumliche Schwankung der Fleckenmerkmale des Abbildungssystems wirksam behandeln kann. Solche Bezugsabbildungen könnten von Phantomen erhalten werden, die so konstruiert sind, daß sie einen voll entwickelten Flecken erzeugen und die frequenzabhängige Dämpfung nachahmen, die für Weichgewebe typisch ist. Allerdings ist der Bedarf an solchen Entwicklungen möglicherweise etwas auf gewogen durch zwei Merkmale der gegenwärtigen Konstruktion von medizinischen Ultraschallscannern. Zunächst einmal wird bei einer populären Klasse von Scannern die Abbildung dadurch erzeugt, daß der Schallstrahl veranlaßt wird, einen Kreisausschnitt zu überstreichen. Eine Polarkoordinatenversion des Filters würde es erlauben, für einen großen Teil der räumlichen Variation im Fernfeld (Strahlspreizung) des Flecks in Sektorabtastungen automatisch Rechenschaft abzulegen. Zweitens enthalten einige Scanner nunmehr hochentwickelte Fokussiersysteme mit Mehrfachüberstreichzonen, die dazu bestimmt sind, eine gute seitliche Auflösung über einen großen Tiefenbereich aufrechtzuerhalten. Diese Systeme erzeugen eher Fleckenmuster, die räumlich gleichförmiger sind.

Claims

1. Verfahren zum Filtern von Bildinformationen eines Abbildungssystems, bei dem eine Fleckenbildung auftreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist: Identifizieren eines Parameters eines Bildbereiches, welcher ein Maß ist für eine Fleckencharakteristik der Vorrichtung für diesen Bildbereich, Verwenden eines Phantoms, welches so ausgelegt ist, daß es im wesentlichen voll entwickelte Flecken erzeugt, um den Wert des genannten Parameters zu bestimmen, entsprechend voll entwickelten Flecken bezüglich des genannten Bildbereichs, Messen des Wertes des genannten Parameters bezüglich des genannten Bildbereiches, welcher erzeugt wird durch Abtastung eines Objektes mit dem genannten Abbildungssystem, Ableiten eines Steuersignals durch Vergleich des Verhältnisses der örtlichen Standardabweichung zum örtlichen Mittelwert des genannten gemessenen Parameters mit dem gleichen Verhältnis, das bei Verwendung des Phantoms gewonnen wird, und Eingeben des genannten Steuersignals in ein Filter, durch welches die genannte Bildinformation geführt wird.

2. Verfahren zum Filtern eines Bildes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt aufweist, bei dem das Bild in Bereichen ersetzt wird, die hinsichtlich eines örtlichen Mittelwertes im wesentlichen einem voll entwickelten Flecken ähneln.

3. Verfahren zum Filtern eines Bildes gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Abtastung eines Objektes abgeleitetes Signal in einen statistischen Prozessor eingegeben wird, der zumindest einen Ausgang aufweist, welcher ein Signal abgibt, das abhängt von der Fleckencharakteristik des Bildes, wobei das genannte Signal des Ausgangs in einen Komparator eingegeben wird, der es mit einer Bezugsinformation vergleicht, die ein Signal enthält, das repräsentativ ist für eine bekannte statistische Charakteristik von Flecken des Abbildungssystems in dem genannten Bildbereich.

4. Verfahren zum Filtern eines Bildes gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuersignal in eine Bandbreitensteuerung eines Filters mit veränderbarer Bandbreite eingegeben wird, um die Bildinformation eines darin eingegebenen Bildsignals zu steuern.