FR2555003A1 - Procede et systeme d'amelioration du contraste d'une image - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE L'IMAGERIE MEDICALE. UN SYSTEME DESTINE A CORRIGER LA PERTE DE CONTRASTE PRODUITE PAR DES EFFETS DE FONCTION DE TRANSFERT DE MODULATION, POUR AMELIORER LES IMAGES DE PETITS OBJETS SANS AFFECTER DEFAVORABLEMENT LES IMAGES DE PLUS GRANDS OBJETS, COMPREND NOTAMMENT DES MOYENS 13 DESTINES A ETABLIR DES FONDS HOMOGENES POUR LES OBJETS; DES MOYENS DESTINES A DETERMINER LE CONTRASTE DE L'IMAGE COMPTE TENU DES EFFETS DE FONCTION DE TRANSFERT DE MODULATION DU SYSTEME GLOBAL; ET DES MOYENS 17, 18 DESTINES A MANIPULER LE CONTRASTE DETERMINE POUR FAIRE EN SORTE QU'IL APPROCHE UN CONTRASTE IDEAL NON AFFECTE PAR LA FONCTION DE TRANSFERT DE MODULATION. APPLICATION A L'ANGIOGRAPHIE NUMERIQUE PAR SOUSTRACTION.
Description
2,5 5-4- 3
La présente invention concerne l'amélioration
d'images par ordinateur, et elle porte plus particulière-
mernt sur des procédés et des systèmes utilisant une mani-
pulation d'échelle dans la formation d'image par soustrac-
tion, pour corriger une dégradation du contraste. Lorsqu'un rayonnement traverse un petit trou ou une fente étroite, ou est atténué par une petite tige ou une barre étroite, l'image résultante "s'étale"-et est plus grande ou plus large que l'objet d'origine, et le contraste entre l'image et le fond est réduit. Ceci est le résultat combiné de la diffraction et de la diffusion de l'énergie, d'erreurs dans les moyens de détection, de bruit électronique et d'erreurs de numérisation. La forme fonctionnelle exacte de "l'étalement" est ce qu'on appelle
la "fonction de transfert de modulation" ou FTM. Les sys-
tèmes d'imagerie ont des FTM globales qui sont le résul-
tat de la combinaison des FTM de chacun des mécanismes d'étalement spécifiques qui interviennent dans l'image.En résumé, les images de trous et de fentes ou de tiges et de
barres sont "étalées" et ont un contraste réduit en compa-
raison des objets réels.
La FTM définit habituellement une augmentation
fixe des dimensions linéaires et une diminution corrélati-
ve du contraste d'un objet quelconque. Ainsi, lorsque la fente ou la barre ou le trou ou la tige est suffisamment grand, la taille et le contraste moyens sont en pratique inchangés par rapport à ceux de l'objet réel. Lorsque les objets sont petits, le contraste moyen dans l'image est proportionnel à la fois au contraste et à la largeur des
objets.
Il y a eu de nombreuses tentatives visant à cor-
riger l'étalement lié à la fonction de transfert de modula-
tion. A titre d'exemple, on a utilisé des filtres de "réta-
blissement" complexes qui tentent de redonner leur netteté
aux images étalées. Les filtres de rétablissement qu'on uti-
lise à l'heure actuelle correspondent à un traitement qui prend du temps et ils sont 'bruyants". Ainsi, ils renforcent le bruit déjà présent dans l'image et tendent ainsi à nuire à l'efficacité du système et à la qualité de l'image.
Dans de nombreuses études utilisant des tech-
niques d'amélioration d'image, le faible agrandissement de l'objet ne constitue pas un problème aussi important
que la dégradation du contraste qui est produite par l'éta-
lement dû à la FTM.
A titre d'exemple, en radioscopie numérique et dans des études similaires dans lesquelles on étudie le système vasculaire, le fait que les vaisseaux sanguins
soient légèrement agrandis a peu d'influence sur l'aptitu-
de à détecter ces vaisseaux. Au contraire, si le contraste
est réduit, il devient impossible de détecter ou de distin-
guer les plus petits vaisseaux sanguins.
Une solution au problème de l'étalement dû à
la FTM consiste à utiliser une "fenêtre" différente (étale-
ment de l'échelle de gris) pour observer les plus petits vaisseaux sanguins. Cette "solution" conduit à une échelle plus contrastée, qui fait perdre des détails essentiels dans de plus grands vaisseaux. De plus, lorsqu'on utilise cette "solution", on doit trouver manuellement la fenêtre
"correcte", ce qui est un processus qui prend du temps.
Une autre solution proposée au problème de l'étalement dû
à la FTM consiste à utiliser une échelle non linéaire.
C'est par exemple le cas pour la "double fenêtre", compre-
nant deux parties linéaires séparées qui s'appliquent res-
pectivement aux gros vaisseaux et aux petits vaisseaux. On a utilisé d'autres échelles non linéaires (par exemple des
échelles exponentielles et logarithmiques), mais en l'ab-
sence de connaissances théoriques sous-jacentes, elles ten-
dent à distordre le contraste relatif, à faire perdre des
détails et à rendre impossiblesdes calculs densitométriques.
Il existe donc un besoin réel et ressenti de-
puis longtemps concernant la correction de la dégradation
du contraste d'images sous l'effet de l'étalement des ob-
jets dans les images, à cause de la FTM.
L'invention présente donc des procédés préfé- rés destinés à être utilisés dans la formation d'image
par soustraction pour corriger la détérioration du con-
traste d'objetsqui est due à la FTM. Ces procédés amélio-
rent les images de petits objets sans affecter défavorable-
ment les images de grands objets, et la correction est ef-
fective même lorsqu'on n'utilise qu'une seule fenêtre pour
observer à la fois de grands objets et de petits objets.
Selon un aspect général de l'invention, ces procédés comprennent les opérations suivantes: - on établit des fonds homogènes pour les objets dont on désire former les images, - on détermine le contraste réel de l'image, tel qu'il est obtenu avec les effets de fonction de transfert de modulation, et - on manipule l'échelle du contraste réel déterminé de
l'image pour faire en sorte que le contraste réel dé-
terminé de l'image s'approche d'un contraste idéal non
affecté par la dégradation due à la fonction de trans-
fert de modulation.
Selon une caractéristique de l'invention, on
manipule l'échelle en utilisant une table préparée au préa-
lable, qui a été établie à partir de la manipulation d'une
fonction de contraste idéale.
On peut effectuer l'opération de manipulation de l'échelle de nombreuses manières entrant dans le cadre de l'invention. A titre d'exemple, l'une des manières consiste à manipuler l'échelle en utilisant une table préparée au
préalable, établie à partir d'une comparaison entre une fonc-
tion de contraste idéale et une fonction de constraste mesu-
rée. Les mesures exigées pour établir la table sont
habituellement fastidieuses et longues. Il est donc sou-
haitable d'utiliser des procédés qui exigent la quantité minimale de mesures. Pour réduire la quantité de mesures, on peut déterminer la pente de la fonction à partir de con- sidérations théoriques, si on fait certaines hypothèses, comme par exemple celle consistant à considérer que l'image ne contient que des vaisseaux dans le plan étudié et que la densité de la matière contrastante est constante. Si on
fait des hypothèses appropriées, les seules mesures néces-
saires pour obtenir la forme de la fonction de réponse sont des mesures de FTM qu'on utilise également pour la normalisation et le cadrage. On peut aisément obtenir la pente de la valeur mesurée en fonction de la valeur vraie
à partir des mesures de FTM.
Un autre procédé de manipulation comprend les opérations suivantes:
- en utilisant une FTM approchée avec une forme échantil-
lon, qui est une fonction triangulaire ayant la même largeur moyenne que la FTM exacte connue, on détermine approximativement la perte de contraste qui est due à
l'étalement résultant de la FTM pour des tailles d'ob-
jet données. La fonction triangulaire donne les rela-
tions suivantes pour le contraste en fonction de la taille: C = A(d2-d 3/3) lorsque d. 1 C = A(d -d2/3) lorsque d > 1 tandis que la fonction de contraste idéale est: C = A*d lorsque d > 1 2C = A*d3 lorsque d 1 On a ici: A =per d = R/r avec les notations suivantes: est une constante de proportionalité; est la densité de la matière de contraste; r est la largeur moyenne (largeur à la moitié de la hauteur maximale) de la FTM; et R est la dimension d'un côté du vaisseau sanguin
(supposé être un cylindre de section carrée).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre de modes de réalisation et en
se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique montrant un
système d'imagerie destiné à utiliser les procédés de cor-
rection de dégradation du contraste conformes à l'invention; La figure 2a est une représentation graphique d'une FTM caractéristique; Les figures 2b et 2c sont des représentations graphiques de différentes versions de courbes de réponse basées sur la FTM; La figure 3 est une représentation graphique montrant les résultats de l'utilisation d'un procédé de correction de la dégradation du contraste; et
La figure 4 est une autre représentation graphi-
que montrant les résultats de l'utilisation d'un autre pro-
cédé de correction de la dégradation du contraste.
Comme le montre la figure 1, le procédé convient
parfaitement à des systèmes d'imagerie du type à soustrac-
tion comme ceux qu'on utilise en radioscopie numérique. Le
système 11 de la figure 1 est un système de radioscopie nu-
mérique caractéristique. Une unité d'acquisition d'image 12 effectue l'acquisition d'images qui sont prises avant et
après l'ajout de la matière de contraste. L'unité de sous-
traction 13 soustrait les images acquises avant l'ajout de la matière de contraste, par rapport aux images acquises après l'ajout de la matière de contraste, pour donner des
images d'objets ayant des fonds homogènes. Les données d'ima-
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ge qui sont émises par l'unité de soustraction 13 sont de
préférence, mais pas nécessairement, sous forme numérique.
On notera que les images considérées ici sont fondamenta-
lement des images de petits objets, par exemple des vais-
seaux sanguins, ayant un effet de FTM qui réduit le con-
traste dans l'image finale.
Il existe des moyens prévus pour corriger la ré-
duction du contraste qui se produit normalement lorsqu'on forme l'image de vaisseaux sanguins. Plus précisément, il existe des moyens destinés à manipuler l'échelle de gris de l'image sur le moniteur 14 pour améliorer le contraste
en rétablissant le contraste perdu à cause de la caractéris-
tique de fonction de transfert de modulation. L'image appa-
raît sur le moniteur lorsque le convertisseur numérique-
analogique 16 convertit en signaux vidéo analogiques les données qui proviennent de l'unité de soustraction 13. Le système est sous la commande d'un dispositif de traitement
17 qui entre autres, manipule l'échelle de gris pour défi-
nir le contraste. Comme le montre la figure 1, le système utilise de préférence dans ce but une unité arithmétique
18 et une table 19, sous la commande du dispositif de trai-
tement. Les figures 3 et 4 montrent différents types de
manipulations d'échelle de gris qui sont envisagées. Le ty-
pe effectivement utilisé dépend de l'équipement disponible et des résultats désirés. A titre d'exemple, lorsque le but
est d'obtenir des images montrant de petits vaisseaux san-
guins, on utilise une manipulation d'échelle de gris diffé-
rente de celle qu'on utilise lorsque le but est de former
l'image de gros vaisseaux sanguins. Dans toutes les manipu-
lations de l'échelle de gris, il est important que l'objet soit observé sur un fond relativement homogène. Toutes les
manipulations décrites ci-après améliorent l'image de vais-
seaux de la taille particulière désirée, sans affecter défa-
vorablement le contraste et donc la visibilité des vaisseaux
ayant des tailles différentes.
Pour expliquer les principes sur lesquels repo-
se l'invention, la figure 2a représente graphiquement
l'étalement d'une source ponctuelle qui est dû à la FTM.
Les axes représentent l'intensité en fonction de la distan-
ce à partir de la position de l'image linéaire de la sour-
ce ponctuelle. L'image idéale est concentrée en un point (p) ou en une ligne L sans dimensions. L'image réelle est
étalée par la FTM. La courbe représentée est fondamenta-
lement une fonction symétrique à un seul maximum, par exem-
ple une fonction gaussienne. On peut utiliser dans le ca-
dre de l'invention de nombreux types de fonctions, en plus
de fonctions gaussiennes, comme des fonctions triangulai-
res, rectangulaires, à échelons et de type mesa.
La figure 2b montre la fonction de réponse du contraste, c'est-à-dire le contraste mesuré divisé par le contraste vrai en fonction de la dimension linéaire R du
côté d'un vaisseau sanguin, avec l'hypothèse selon laquel-
le le vaisseau sanguin est un tube creux ayant une section transversale rectangulaire et avec un côté parallèle à la direction d'observation. Lorsque la dimensicn du côté du vaisseau sanguin augmente, la valeur mesurée s'approche de la valeur vraie. Pour de petits vaisseaux, la fonction de réponse tend asymptotiquement vers une fonction linéaire
du côté.
La figure 2c montre le même contraste mesuré (réel) en fonction du contraste vrai. Cette représentation permet de déterminer plus aisément les corrections qu'il est nécessaire d'apporter au contraste à n'importe quel point
désiré.
Dans une procédure préférée de l'invention, on
suppose que la fonction de transfert de modulation est trian-
gulaire. Il entre cependant dans le cadre de l'invention de considérer pour cette fonction une forme gaussienne ou toute
autre forme.
Si on suppose que les vaisseaux sanguins sont
des tubes creux carrés, avec leurs côtés toujours paral-
lèles à la direction d'observation, plutôt que des tubes
cylindriques, on peut montrer que le contraste vrai en an-
giographie numérique par soustraction est: CCC OR, en dé- signant par 4 la densité de la matière de contraste, par R les dimensions du côté du tuyau et par une constante
de proportionnalité. La FTM fait que la fonction de répon-
se est approximativement: R Contraste mesuré/contraste vrai = R-r R+I r en désignant par r la largeur moyenne de la FTM, et par Y
une constante de proportionnalité qui dépend dans une cer-
taine mesure de la forme de la FTM.
Dans de petits vaisseaux sanguins, le rapport entre le contraste mesuré et contraste vrai est donc égal
à r (comme le montre la figure 2b)2et le contraste me-
suré est approximativement égal à é ir. Ceci indique que l'image de petits vaisseaux sanguins présente des niveaux d'énergie réduits. En utilisant la notation: A =Pr d= R/rr on a dans le cas idéal, sans effets de FTM: C = A*d pour tout R, mais en réalité, à cause des effets de FTM et avec une FTM
triangulaire, ce sont les équations suivantes qui s'appli-
quent: C = A (d-d /3) lorsque d >m 1 C = A (d2/2 - d3/3) lorsque d. 1 La figure 2c montre la fonction idéale et la
fonction réelle. Si on connaît le terme r de la FTM, l'uni-
té arithmétique peut calculer la valeur théorique idéale
que doit avoir le contraste pour n'importe quelle valeur me-
surée. Cependant, la correction de chaque valeur d'élément
d'image dans une grande image peut prendre trop de temps.
Un procédé préféré consiste donc à calculer une table à con-
sulter dont l'information d'entrée est une valeur mesurée quel-
conque et dont l'information de sortie correspondante est
la valeur idéale approchée. De tels mécanismes de consul-
tation de table sont bien connus dans les techniques de
traitement d'images.
Si on ne connaît pas le paramètre r, on peut supposer que sa valeur est égale à r et l'utiliser dans a le procédé et les moyens de correction. L'utilisation de ra au lieu de r change les valeurs de contraste obtenues qui deviennent: (r-r a) C' =A.d 1(-11/3 (R-r /3) j lorsque d 1 et a r 2 (r-r) C' =A*d (1 -) lorsque d C 1 r (r -R/3)
Ainsi, lorsque ra r, le résultat obtenu est proche du ré-
sultat idéal. Parmi les approximations qui sont utiles pour
améliorer l'image de petits vaisseaux figure celle qui uti-
lise la relation: C" = A.Cmesuré Le résultat obtenu par cette approximation peut s'écrire au moyen de variables A et d de la façon suivante: C" = A \-d (l-d/6) lorsque d > 1 et C" = A.d (l-d/6) lorsque d C 1 ce qui est une bonne approximation pour de petits vaisseaux
(d 41).
Cette relation est représentée sur la figure 3.
Une autre approximation utile pour de petits vaisseaux sur une certaine "fenêtre"'seulement de la plage complète de valeurs correspond à ce qu'on peut appeler
"l'1élévation carrée de l'inverse".
On peut choisir une "fenêtre intéressante" et transformer la courbe contenue dans la fenêtre pour qu'elle soit proche de la courbe linéaire idéale. On supposera que
la fenêtre se trouve entre la valeur de seuil T et la va-
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leur supérieure U. On obtient une échelle "étirée" par la
transformation faisant passer T à O et U à une limite nu-
mérique supérieure W, de façon que:
C' = W (C-T)/(U-T)
Une échelle inversée est définie par
C" = W -C' - W(U-C)/(U-T)
dans laquelle T est remplacé par W et U est remplacé par O.
L'opération "d'inversion" est sa propre opération complé-
mentaire:
C"' = W - C" = C'
Une fenêtre spéciale commence à T = O. On a alors: C' = W/U -C (C correspond à la plage O-U et C' à la plage O-W) L'échelle "inversée" est: C" = W(U-C)/U (toujours dans les mêmes plages) A ce point, on utilise une échelle quadratique: C"' =]/Wc"2 =W(U-C)2/U2 (dans les mêmes plages) En inversant maintenant à nouveau, on obtient: CiV = W-W(U-C)/U (dans les mêmes plages)
et dans le cas spécial dans lequel il n'y a pas d'étire-
ment: W-U Cv = U-(U-C)2/U = 2C-C2/U (C et Cv sont dans la plage O-U) Si le contraste mesuré est C, on peut décrire le contraste de la manière suivante, en utilisant A et d: cVy 2Ad2 _ 2Ad3/3 lorsque d <1 et Cv 2 2A CV 2Ad - (2A/3-A /U) d lorsque d >1 ce qui correspond à une fonction qui démarre avec une loi quadratique (parabole) pour dû 0, puis franchit la valeur
idéale à environ d*0,64 et dû1l,5 (voir la figure 4).
Cette approximation est donc valide pour une "fenêtrd'plus large que la précédente. Cependant, on ne doit pas utiliser cette échelle pour C >U, du fait qu'elle donne une solution à deux valeurs. Elle est très utile pour
des images réelles lorsqu'on prend soin de choisir U supé-
rieur à toute valeur de C dans l'image. Elle est particu-
lièrement utile du fait que des images obtenues par ana-
lyse numérique de signal sont en réalité souvent formées avec une échelle inversée, de façon que la matière de contraste apparaisse en noir. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux dispositifs et aux procédés particuliers décrits et représentés, sans sortir du cadre
de l'invention. On notera en particulier qu'il est possi-
ble de faire d'autres approximations en demeurant dans le
cadre de l'invention.
Claims (18)
1. Procédé de correction de la perte de con-
traste produite par des effets de fonction de transfert de modulation dans la formation d'une image, ce procédé améliorant les images de petits objets sans affecter dé-
favorablement les images de plus grands objets, et la cor-
rection étant effective même lorsqu'on n'utilise qu'une seule fenêtre pour observer à la fois des objets grands et petits, caractérisé en ce que: on établit des fonds homogènes pour des objets dont on désire former l'image; on détermine le contraste de l'image qui est obtenu avec
des effets de fonction de transfert de modulation du sys-
tème global; et on manipule l'échelle du contraste déter-
miné de l'image pour faire en sorte que le contraste dé-
terminé s'approche d'un contraste idéal non affecté par la réduction du contraste due à la fonction de transfert
de modulation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractéri-
sé en ce que l'opération de manipulation de l'échelle com-
prend l'opération qui consiste à utiliser une table à con-
sulter (19) préparée au préalable.
3. Procédé selon la revendication 2, caractéri-
sé en ce que l'opération de manipulation comprend la pré-
paration de la table à consulter (19), par la comparaison d'une fonction de contraste idéale avec une fonction de
contraste mesurée.
4. Procédé selon la revendication 1, caractéri-
sé en ce que l'opération de manipulation comprend l'utili-
sation d'une largeur moyenne connue pour la fonction de
transfert de modulation.
5. Procédé selon la revendication 1, caractéri-
sé en ce que l'opération de manipulation comprend l'utilisa-
tion d'une largeur moyenne approchée pour la fonction de
transfert de modulation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendica-
tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisa-
tion d'une fonction de transfert de modulation triangu-
laire prise par hypothèse.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisa- tion de l'hypothèse selon laquelle des objets longs et minces dans l'image tels que des veines ont des sections
transversales carrées.
8. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que l'opération consistant à établir des fonds
homogènes comprend l'utilisation de procédés angiographi-
ques soustractifs numériques.
9. Procédé selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que l'opération de manipulation comprend l'élé-
vation au carré de l'inverse.
10. Système destiné à corriger la perte de con-
traste produite par des effets de fonction de transfert de modulation dans la formation d'une image, ce système
améliorant les images de petits objets sans affecter défa-
vorablement les images de plus grands objets, et la correc-
tion étant effective même lorsqu'on n'utilise qu'une seule fenêtre pour observer à la fois des objets grands et petits, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (13) destinés
à établir des fonds homogènes pour des objets dont on dé-
sire former l'image; des moyens destinés à déterminer le contraste de l'image qui est obtenu avec des effets de fonction de transfert de modulation du système global; et
des moyens (17, 18) destinés à manipuler l'échelle du con-
traste déterminé de l'image pour faire en sorte que le contraste déterminé s'approche d'un contraste idéal non affecté par la réduction de contraste due à la fonction de
transfert de modulation.
11. Système selon la revendication 10, caracté-
risé en ce que les moyens de manipulation (17, 18) compren-
nent des moyens destinés à utiliser une table à consulter
(19) qui a été préparée.
12. Système selon la revendication 11, carac-
térisé en ce que les moyens de manipulation (17, 18) com-
prennent des moyens destinés à préparer la table à consul-
ter (19), et les moyens de préparation de la table à con- sulter comprennent des moyens destinés à comparer une
fonction de contraste idéale avec une fonction de contras-
te mesurée.
13. Système selon la revendication 10, caracté-
risé en ce que les moyens de manipulation (17, 18) com-
prennent des moyens destinés à déterminer et à utiliser une largeur moyenne connue pour la fonction de transfert
de modulation.
14. Système selon la revendication 10, caracté-
risé en ce que les moyens de manipulation (17, 18) com-
prennent des moyens destinés à utiliser une largeur moyen-
ne approchée pour la fonction de transfert de modulation.
15. Système selon l'une quelconque des revendi-
cations 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend des mo-
yens (17, 18) destinés à utiliser une fonction de trans-
fert de modulation triangulaire qui résulte d'une hypothè-
se.
16. Système selon l'une quelconque des revendi-
cations 10 à 15, caractérisé en ce que des objets longs et minces dans l'image, tels que des veines, sont supposés
avoir des sections transversales rectangulaires.
17. Système selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que les moyens destinés à établir des fonds homo-
gènes comprennent des moyens angiographiques soustractifs
numériques (13).
18. Système selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que les moyens de manipulation (17, 18) comprennent
des moyens destinés à élever au carré l'inverse.
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