FR2854974A1 - Procede d'amelioration de contraste/luminosite d'images radiographiques - Google Patents

Abstract

Le procédé d'amélioration d'images angiographiques destiné à un dispositif de radiographie (100) comportant une source de rayon X (103), des moyens d'enregistrement (102) et un support disposé entre la source et les moyens d'enregistrement sur lequel un patient (200), dont une région d'intérêt (104) est à radiographier, est destiné à être positionné, comporte des étapes de :a) Acquisition d'une série d'images successives In de la région d'intérêt,b) Détermination d'une image carte I à partir de la série d'images In,c) Détermination d'un ensemble de paramètres caractérisant une fonction de distribution gaussienne modélisant la distribution de niveau de gris de l'image carte I,d) Détermination, d'une fonction d'amélioration de la luminosité et/ou contraste,e) Application de la fonction d'amélioration à la série d'images In, en mode soustrait.

Description

L'invention concerne un procédé d'imagerie dans le

cadre d'une angiographie numérique soustraite, ainsi qu'un dispositif de radiographie le mettant en oeuvre.

L'angiographie numérique soustraite est un mode d'acquisition d'images vasculaires dans lequel un radiologue effectue un examen de vaisseaux à l'aide d'un dispositif de radiographie à rayons X. La morphologie vasculaire ainsi que la ou les fonctionnalités associées 10 sont révélées par l'injection d'un agent de contraste à travers un cathéter situé à l'intérieur dutvaisseau qui intéresse le radiologue. Comme le radiologue est de prime abord intéressé par le vaisseau opacifié, le reste de l'anatomie du patient (muscles, os, etc....) est retiré 15 par soustraction à l'aide d'une image (le masque) obtenue par une acquisition effectuée avant l'injection du produit de contraste. A cause de: i) la grande diversité des dimensions de vaisseaux, ii) la disparité de débit sanguin à l'intérieur de 20 ces différents vaisseaux, iii) la quantité variable ainsi que la concentration variable du produit de contraste injecté, et iv) les différents paramétrages du dispositif de radiographie à rayon X utilisés, les images d'angiographie numérique soustraite résultantes présentent généralement des niveaux très disparates d'intensité dans l'arbre vasculaire ainsi obtenu. Par conséquent, le radiologue modifie de manière manuelle la luminosité ainsi que le contraste de l'image 30 affichée sur un écran, de manière à ajuster la visibilité du vaisseau qui l'intéresse afin d'effectuer un diagnostic optimal. Cette manipulation est relativement difficile et longue à effectuer.

Un but de l'invention est de fournir un procédé qui 5 permet de présenter automatiquement une image bien contrastée et/ou lumineuse de manière simple et rapide.

A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé d'amélioration d'images angiographiques destiné 10 à un dispositif de radiographie de type comportant une source de rayon X, des moyens d'enregistremqnt disposés en regard de la source, et un support disposé entre la source et les moyens d'enregistrement sur lequel un patient, dont une région d'intérêt est à radiographier, 15 est destiné à être positionné, le procédé comportant des étapes de: a) Acquisition par les moyens d'enregistrement d'une série d'images successives In de la région d'intérêt, b) Détermination d'une image carte I à partir de la série d'images In ainsi acquise, c) Détermination d'un ensemble de paramètres caractérisant un mélange de distributions gaussiennes apte à modéliser la distribution de 25 niveau de gris de l'image carte I, d) Détermination à partir de l'ensemble des paramètres précédent, d'une fonction d'amélioration (EXP-LUT) de la luminosité et/ou contraste, e) Application de la fonction d'amélioration à la série d'images In pour visualiser cette dernière sur des moyens d'affichage en mode soustrait.

Avantageusement, mais facultativement, le procédé présente au moins l'une des caractéristiques suivantes: - l'étape c comprend des sous étapes de: cl) Détermination d'un histogramme (Hi) représentant la distribution de niveau de gris de l'image carte I, c2) Détermination de l'ensemble des paramètres de la fonction de distributions 10 gaussiennes apte à modéliser l'histogramme (Hl). , - la fonction de distributions gaussiennes est une somme pondérée desdites distributions gaussiennes, - la sous étape C2 consiste à déterminer l'ensemble des 15 paramètres de manière à ce qu'une erreur caractérisant la différence entre la fonction de distribution gaussienne à déterminer et l'histogramme Hi soit inférieure à une valeur seuil, - la détermination comprend des sous étapes de: V Initialisation d'un premier ensemble de paramètres caractérisant la fonction des distributions gaussiennes à des valeurs prédéterminées.

/ De manière itérative, modification des 25 valeurs du premier ensemble de paramètres de manière à minimiser l'erreur entre la fonction de distributions gaussiennes et l'histogramme Hl.

v Si l'erreur ainsi obtenue est supérieure à 30 la valeur seuil, ajout d'un nombre prédéfini de paramètres au premier ensemble de paramètres et reprise de l'étape précédente avec le nouvel ensemble de paramètres.

Les deux étapes précédentes sont effectuées 5 jusqu'à ce que l'erreur obtenue soit inférieure ou égale à la valeur seuil.

- l'étape d comprend une étape de détermination des limites inférieure (LSL) et supérieure (USL) d'une partie linéaire de la fonction d'amélioration (EXP10 LUT), - l'étape b comprend des sous étapes de: bl) Détermination à partir de la série d'images In ainsi acquises d'une image PO représentant les structures dites de fond 15 et des vaisseaux sanguins de la région d'intérêt, et d'un masque M présentant seulement des structures dites de fond, b2) Détermination de l'image carte I par combinaison de l'image PO et du masque M. 20 - l'image carte I est déterminée par une formule de type I = log(PO) - log(M) analogue à celle de la soustraction logarithmique utilisée en angiographie numérique soustraite.

L'invention propose également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la description ci-après d'un 30 mode de réalisation préférée. Aux dessins annexés: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de radiographie apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.

- la figure 2 est une série d'images acquises alors 5 qu'un produit de contraste est injecté, servant de données d'entrée au procédé selon l'invention.

- la figure 3 est une illustration par une série de graphiques du procédé selon l'invention.

En référence à la figure 1, un dispositif de radiographie 100 comprend des moyens de prise de clichés radiographiques 102 et des moyens d'émission de rayons X 103 sous la forme d'une source de rayons X. Les moyens de prise de clichés radiographiques 102 peuvent être un 15 capteur plan ou un amplificateur de luminescence associé à une caméra. La source de rayons X 103 et les moyens de prise de clichés radiographiques 100 fixés à chaque extrémité d'un bras porteur 107 faisant office de positionneur, ici ressemblant à un demi cercle. Le bras 20 en demi cercle 107 est associé à coulissement à un second bras 108. Le second bras 108 est lui-même lié à rotation au socle 109 du dispositif de radiographie 100.

Le socle 109 est monté à rotation 112 par rapport au sol.

Le bras 108 est apte essentiellement à effectuer des mouvements de rotation 106 autour de son axe propre.

Le bras en demi cercle 107 est apte, quant à lui, à coulisser par rapport au bras 108, de manière à ce que 30 le bras en demi cercle 107 fasse un mouvement de rotation 105 par rapport au centre du demi cercle formant le bras 107.

En utilisation, le corps du patient 200 est 5 positionné entre la source de rayon X 103 et les moyens de prise de clichés radiographique 102 sur un support non représenté de manière à ce qu'une région d'intérêt 104 du patient 200 se trouve dans le champ 110 de l'appareil.

En référence à la figure 2, une première étape du procédé selon l'invention est une acquisition d'une série d'images successives In de la région d'intérêt 104 du patient 200, alors qu'un produit de contraste a été 15 injecté dans les vaisseaux de la région d'intérêt. Nous avons représenté ici, en figure 2, un ensemble de cinq images successives, numérotées IO à I4, sur lesquelles on voit la progression du produit de contraste dans le réseau sanguin 20 de la région d'intérêt sous l'action 20 de la circulation sanguine du patient 200. De plus, les différentes images de la séquence présentent un ensemble de structures dites de fond 10 qui correspondent à tous les tissus de la région d'intérêt du patient 200 autres que les vaisseaux sanguins. Dans notre exemple 25 illustratif de la figure 1, seul les os 10 ont été représentés parmi l'ensemble des structures dites de fond.

Dans une deuxième étape, le procédé selon 30 l'invention détermine une première image PO ainsi qu'un masque M. Il est à noter que cette deuxième étape peut être réalisée de manière simultanée avec l'acquisition de la série d'images successives précédemment décrites.

Dans ce cas, la série d'images n'est pas enregistrée dans des moyens de stockage du dispositif de radiographie. Seule l'image PO et le masque M sont enregistrés dans les moyens de stockage.

L'image PO est déterminée selon le principe du maximum d'opacification. Dans un premier temps, l'image PO est initialisée avec le contenu de la première image 10 Io de la séquence d'images précédemment acquises.

Ensuite, en bouclant sur l'ensemble des autres images In de la séquence d'images, chaque point (i, j) de l'image In est comparé aux points (i, j) correspondant de l'image PO en cours. Si l'intensité du point considéré 15 de l'image In est inférieure à celle de son équivalent sur l'image PO, ledit point de l'image PO est remplacé par le point de l'image In en cours. Cette opération est effectuée pour l'ensemble des points composant l'image In et pour toutes les images de la série à partir de la 20 deuxième image.

La détermination du masque M s'effectue de manière relativement similaire à la détermination de l'image PO.

Dans un premier temps, le masque M est initialisé avec 25 la première image Io de la série d'images précédemment acquise. Ensuite, pour chaque image suivante In de la série, on compare l'intensité du point (i, j) de l'image In avec l'intensité du point (i, j) correspondant du masque M, le point présentant la plus grande intensité 30 devenant le nouveau point (i, j) du masque M. Comme précédemment, cette opération est effectuée pour l'ensemble des points de l'image In et pour toutes les images de la série à partir de la deuxième image.

Ainsi, à la fin de la deuxième étape, le procédé 5 selon l'invention a déterminé une image PO dite d'opacification maximum présentant à la fois les vaisseaux sanguins traversés par le produit de contraste et les structures de fond. De même, le procédé selon l'invention a déterminé un masque M dit de maximum 10 d'intensité qui présente les seules structures de fond.

Dans une troisième étape, le procédé selon l'invention soustrait au masque M, l'image PO de manière à obtenir une image carte I ne présentant que les 15 vaisseaux sanguins par lequel est passé du produit de contraste lors de l'acquisition de la série d'images.

Toutefois, l'image carte I présente une palette de contrastes entre les vaisseaux très fins qui sont peu 20 contrastés et les vaisseaux importants qui sont très contrastés sur l'image. De plus, l'image carte I présente un bruit de fond inhérent, d'une part, aux systèmes d'acquisition et, d'autre part, aux procédés de calcul de l'image carte I. Dans une quatrième étape, le procédé selon l'invention va isoler les vaisseaux, le bruit et le fond de l'image carte I. Pour cela, le procédé selon l'invention utilise l'histogramme complet de l'image 30 carte I. Un exemple d'histogramme complet Hl est illustré en figure 3 graphe a. On a donc une distribution multimodale, ici illustrée par deux modes.

Cette distribution de niveau de gris comporte deux informations principales: l'information concernant les vaisseaux dans lesquels du produit de contraste est passé et l'information concernant le fond et le bruit. 5 De là, le procédé selon l'invention va déterminer la meilleure adéquation entre une fonction de densité de probabilité représenté par le présent histogramme Hi et une fonction composée, par exemple, d'une somme pondérée de distribution gaussienne de la forme: f(x) = Zpk.N(Pkak) O Pk est le pourcentage dans k l'histogramme du mode de moyenne Jk et d'écarttype Ck.

Cette étape de détermination de la meilleure adéquation précédemment citée peut être réalisée en appliquant une approche de maximisation des écarts (EM) connue en soi. 15 Concernant cette approche, on pourra consulter l'article de A.P. Dempster, N.M. Lairol et D.B. Rubin " Maximum likelihood for incomplete data via the EM algorithm ", journal of the Royal Statistical Society, B39, 1-38 1978, ainsi que l'article de C. Liu et D.X. Sun 20 " Acceleration of EM algorithm for mixture models using ECME ", American Statistical Association Proceeding of the Statistical Computing section, 109-114, 1997, pour plus d'information.

Durant cette étape, le procédé selon l'invention va déterminer l'ensemble des triplets (Pk, tk, 0k) permettant de réaliser la meilleure adéquation précédemment décrite, sachant que la somme des Pk est égale à 1. Dans le cas qui nous intéresse, tel 30 qu'illustré à la figure 3, le procédé selon l'invention va fournir deux triplets qui vont caractériser l'un le bruit (k = 1), et l'autre le produit de contraste (k = 2). Il est facile de vérifier que, par cette méthode, ij est environ égal à zéro et que t2 est inférieur strictement à zéro.

Une fois l'ensemble des triplets déterminés, le procédé selon l'invention va calculer deux valeurs appelées limite de spécification haute (USL) et limite de spécification basse (LSL). La valeur LSL est 10 déterminée au point o la fonction de distribution cumulative du produit de contraste atteint'5% (c'est-àdire qu'il y a plus de 95% des valeurs au-delà de ce point) tel que cela est illustré en figure 3c, c'est-àdire que LSL = i2 (1.647 x G2). De même la valeur USL 15 est déterminée au point o la fonction de distribution cumulative du bruit devient plus grande que 95% (c'esta-dire qu'il y a seulement 5% des valeurs au-delà de ce point), cela signifie que USL = l + (1.645 x a) . Ainsi, on obtient, respectivement, la plus petite valeur et la 20 plus grande valeur d'une fonction de conversion appelée encore fonction d'amélioration d'expansion (EXP-LUT).

Une telle fonction de conversion est illustrée en figure 3d et se présente sous la forme d'une courbe présentant une partie linéaire L dont les limites sont représentées 25 par les valeurs LSL et USL. La position de cette courbe EXP-LUT, selon l'axe Y, peut être obtenue en fixant la valeur de sortie du niveau d'entrée zéro (point B) qui détermine la luminosité globale de l'image à afficher.

Il est à noter que dans le mode d'acquisition d'angiographie numérique soustraite, l'image soustraite Il est généralement transformée en une image améliorée dite positive à l'aide de la fonction d'amélioration EXPLUT dont le rôle est d'adapter l'intervalle dynamique de l'image (limite par LSL et USL) avec les limites de 5 niveau de gris de l'afficheur (généralement codé sur 8 bits, soit 256 niveaux de gris). Toutefois, d'un point de vue utilisateur, les relations de contraste transformées par la fonction d'amélioration EXP-LUT doivent être préservées. Par conséquent, cela requiert 10 qu'un vaisseau remplit avec une concentration haute de produit de contraste ne doit pas être trop sombre, de manière à permettre une certaine transparence et visibilité de branches vasculaires recouvertes ou se connectant à ce gros vaisseaux. A l'opposé, des 15 vaisseaux fins remplis avec une concentration basse de produit de contraste doivent toutefois être toujours visibles. Ces contraintes sont remplies en utilisant une fonction d'amélioration EXP-LUT représentable par une transformation linéaire située dans l'intervalle le plus 20 large de distribution de niveaux de gris.

Avant d'appliquer la fonction d'amélioration EXPLUT, l'image carte I, obtenue par les étapes du procédé selon l'invention précédemment décrites, est principalement négative dans les régions opacifiées. De plus, elle contient aussi une combinaison du bruit du masque M et du bruit de l'image PO, centrée aux alentours du niveau zéro. La partie linéaire de la fonction d'amélioration EXP-LUT doit alors couvrir un 30 intervalle relativement large des intensités de contrastes négatives de manière à obéir aux contraintes de consistance de contraste précédemment décrites. La même partie linéaire de la fonction d'amélioration EXPLUT doit aussi couvrir un intervalle plus au moins grand des niveaux de gris positifs de bruit de manière à éviter toute distorsion dans les niveaux de gris 5 affichés. Le procédé selon l'invention détermine des valeurs LSL et USL formant les limites de la partie linéaire de la fonction d'amélioration EXP-LUT de manière automatique en calculant un ensemble de triplets (Pk, k, Gk) tel que précédemment décrit. 10 Dans une variante de réalisation, le procédé selon l'invention fixe la valeur de niveau de gris A correspondant à la transformation de la valeur LSL par la fonction d'amélioration EXP-LUT à une valeur de gris 15 affectable qui peut être initialisée par l'utilisateur lui-même.

De manière générale, les histogrammes illustrant la distribution de niveaux de gris dans une image carte 20 comportent une distribution modale à n modes, n supérieur à 2. La généralisation du procédé permettant de déterminer les triplets paramétrant la fonction de distribution gaussienne s'approchant au mieux de l'histogramme de l'image carte consiste à initialiser le 25 premier triplet (pi, l, cy) avec tj. sensiblement égal à zéro et caractérisant le bruit. Dans un premier temps, le procédé suppose qu'il existe par exemple trois modes situés aux moyennes l, L2 et J3. Pour cela, il initialise ensuite la valeur F3 du troisième triplet au 30 niveau du pic présentant la plus petite valeur de D sur l'histogramme. Ensuite p2 est initialisé à mi chemin entre la valeur de l et de L3. Les autres valeurs des triplets Pl, P2 et p3 et (l, C2 et C3 sont initialisées avec la même valeur par exemple sachant que la somme des Pi doit être égale à 1. De là, et de manière itérative, 5 le procédé selon l'invention va modifier les différentes valeurs des triplets de manière à minimiser l'erreur entre la fonction de distribution gaussienne associée aux triplets et la fonction de densité de probabilité de l'histogramme de l'image carte. Si l'erreur minimum 10 trouvée est supérieure à un seuil prédéterminé, l'algorithme reprend l'ensemble de son itération en ajoutant un triplet supplémentaire à l'ensemble de triplets. Il effectue de nouveau toutes ces étapes jusqu'à ce que l'erreur obtenue soit inférieure ou égale 15 au seuil prédéterminé. On obtient ainsi un ensemble de n triplets (Pi, pi, ai) modélisant l'histogramme de niveau de gris caractéristique de l'image carte à améliorer.

Delà, le procédé selon l'invention calcule la valeur de LSL et de USL comme précédemment indiquée. 20 Dans des variantes de réalisation, le procédé selon l'invention peut utiliser des informations de systèmes additionnelles de manière à améliorer la détermination de la fonction d'amélioration EXP-LUT, comme la 25 concentration et la nature du produit de contraste injectée (iode ou C02), les paramètres radiologiques du dispositif de radiographie (kV, mA, temps d'exposition, filtre spectral) qui a un impact sur le contraste des vaisseaux et sur le bruit, l'épaisseur équivalente du 30 patient (EPT) déterminée pendant l'intervention, le ratio contraste/bruit de la cible (CNR).

Une fois que la fonction d'amélioration EXP-LUT est déterminée, celle-ci peut être appliquée sur les différentes images à partir desquelles elle a été calculée.

Bien entendu, on pourra porter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle- ci.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'amélioration d'images angiographiques destiné à un dispositif de radiographie (100) de 5 type comportant une source de rayon X (103), des moyens d'enregistrement (102) disposés en regard de la source, et un support disposé entre la source et les moyens d'enregistrement sur lequel un patient (200), dont une région d'intérêt (104) est à 10 radiographier, est destiné à être positionné, caractérisé en ce que le procédé comporte des étapes de: a) Acquisition par les moyens d'enregistrement d'une série d'images successives In de la région d'intérêt, 15 b) Détermination d'une image carte I à partir de la série d'images In ainsi acquise, c) Détermination d'un ensemble de paramètres caractérisant une fonction de distribution gaussienne apte à modéliser la distribution de 20 niveau de gris de l'image carte I, d) Détermination, à partir de l'ensemble des paramètres précédents, d'une fonction d'amélioration (EXP-LUT) de la luminosité et/ou contraste, e) Application de la fonction d'amélioration à la série 25 d'images In pour visualiser cette dernière sur des moyens d'affichage en mode soustrait.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape c comprend des sous étapes de: cl) Détermination d'un histogramme (Hi) représentant la distribution de niveau de gris de l'image carte I, c2) Détermination de l'ensemble des paramètres de la fonction de distribution gaussienne apte à modéliser l'histogramme (Hi).

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fonction de distribution gaussienne est une somme pondérée desdites distributions gaussiennes.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sous étape C2 consiste à déterminer l'ensemble des paramètres de manière à ce qu'une erreur caractérisant la différence entre la fonction de distribution gaussienne à déterminer et 15 l'histogramme Hi soit inférieure à une valeur seuil.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la détermination comprend des sous étapes de: - Initialisation d'un premier ensemble de 20 paramètres caractérisant la fonction de distribution gaussienne à des valeurs prédéterminées.

- De manière itérative, modification des valeurs du premier ensemble de paramètres de manière à 25 minimiser l'erreur entre la fonction de distribution gaussienne et l'histogramme Hi, - Si l'erreur ainsi obtenue est supérieure à la valeur seuil, ajout d'un nombre prédéfini de paramètres au premier ensemble de paramètres et 30 reprise de l'étape précédente avec le nouvel ensemble de paramètres, - Les deux étapes précédentes sont effectuées jusqu'à ce que l'erreur obtenue soit inférieure ou égale à la valeur seuil.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d comprend une étape de détermination des limites inférieure (LSL) et supérieure (USL) d'une partie linéaire de la fonction d'amélioration (EXP-LUT). 10

7. Procédé selon l'une des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que l'étape b comprend des sous étapes de: bl) Détermination à partir de la série d'images In 15 ainsi acquises d'une image PO représentant les structures dites de fond (10) et des vaisseaux sanguins (20) de la région d'intérêt, et d'un masque M présentant seulement des structures dites de fond, b2) Détermination de l'image carte I par combinaison de l'image PO et du masque M.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'image carte I est déterminée par une formule 25 de type I = log(PO) - log(M).

9. Dispositif de radiographie de type comportant une source de rayon X, des moyens d'enregistrement disposés en regard de la source et d'un support 30 disposé entre la source et les moyens d'enregistrement sur lequel un patient, dont une région d'intérêt est à radiographier, est destiné à être positionné caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de mise en ouvre d'un procédé selon l'une des revendication 1 à 8.