JP2005524511A - 画質を向上させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は一連の未加工画像（1）、特にMRまたはCTの冠動脈造影像、を処理する方法に関するものである。照合画像（3）は一連の未加工画像（1）から選択され、照合画像と類似の画像は照合画像（3）内の選択された関心画像領域を未加工画像（1）からの個々の未加工画像と照合することにより、見出される。次に照合画像（3）および照合画像と類似の画像（4）が処理され、画質の改善された画像（8）が形成される。できる限り忠実でかつ鮮明な画像を得るため、本発明では照合画像および照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって、画質の改善された画像を形成することを提案する。

Description

本発明は一連の未加工画像、特にMRまたはCTの冠動脈造影像を処理する方法であって：
ａ）前記一連の未加工画像から照合画像を選択するステップ；
ｂ）前記照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域を選択するステップ；
ｃ）選択された関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を見出すステップ；
ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を処理し、画質の改善された画像を形成するステップ；
を有する方法に関する。

本発明はさらに、そのような方法を実行するコンピュータプログラムに関し、前記コンピュータプログラムは一連の未加工画像の形の入力を受け取り、画質の改善された画像を形成する。本発明はさらに、画像を取得し、前記方法に基づいて処理するシステム、特にMR機器またはCT機器に関し、そのシステムは対象物の一連の未加工画像を取得する手段と、一連の未加工画像を処理し、1または2以上の画質の改善された画像を形成する手段と、一連の未加工画像および画質の改善された画像を表示する手段とを有する。

上述の種類の方法は例えば、米国特許6088488に詳しい。この資料は冠動脈血管の画像診断に関するものである。MRおよびCT血管造影には独特の問題があり、この問題は、鼓動している心臓の複雑な動きおよび心臓の動きに重畳された呼吸器の動きによる。MRまたはCT画像においては、診査領域内でスライスを選定し、画像平面を定めるのが普通のやり方である。一方では前記の動きは、画像面内での関心臓器の位置が周期的に変化する原因となる。他方で、臓器は画像面から出たり入ったりというように周期的に動くという事実を考慮しなければならない。MRおよびCTのリアルタイムの心臓画像の場合、鼓動する心筋の多様な動きの段階における冠動脈血管の診断を可能にするため、一連の未加工画像は、短いタイミングで取得される。診断目的上適切な画像を得るためには、画像処理技術を利用して生じている動きを補正するとともに、その補正の結果生じる動的偽像を補正しなければならない。この目的のため、前記米国特許では一連の未加工画像から、診査対象臓器を示す第1の照合画像を選択することを提案している。次に関心画像領域がユーザーによって選択される。この関心画像領域には例えば、所与の冠動脈血管が含まれる。次に補正技術が利用され、一連の未加工画像から照合画像に類似の複数の画像が検出される。この目的上、一連の未加工画像はユーザーにより選択される照合画像の関心画像領域と個々に合わされる。検出された未加工画像は、関心画像領域内で関心臓器の動態によって生じるシフトを相殺し、動的補正がされる。次に、照合画像および動的補正のされた未加工画像の画素強度値が平均化され、画質の改善された画像が得られる。

既知の画像処理方法の欠点は、心臓の複雑な動きによって、生じる偽像が不適切な範囲でしか補正されないことである。心臓の動きの間の心筋収縮は、画像化される臓器のシフト、回転および歪みを引き起こす。前述の既知の方法の場合には、前記臓器がぼやけた状態、またある部分において細部が不明確な状態で表示されることになる。
米国特許第6088488号明細書

本発明の課題は、動態臓器の画像を明確かつ細部まで忠実に形成する処理方法によって、改善された画像を提供することである。

この課題は前述の種類の方法に基づいて達成される。すなわち本方法のステップｄ）において画質の改善された画像は、照合画像および照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって形成され、照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、前記重み付け因子は平均化された強度値間の差異に依存して変化する。

本発明は以下のアイデアに基づくものである。すなわち動態によって生じる偽像、特に未加工画像の平均化の間に生じるぶれは、照合画像および照合画像と類似の画像の重み付け平均を行うことで補正することができる。その結果、画像ノイズが抑制されるだけではなく、画像の鮮明度も同時に改善できる。本発明の方法においては、照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、それにより画素の強度値は平均化操作の間に増大される。重み付け因子はある画素から別の画素まで変化し、照合画像および照合画像と類似の画像と対応する画素の強度値間に大きな差異がある場合には小さな値を想定することができ、一方強度値がほぼ等しい場合には大きな値を推定することができる点で有意である。実際には生じないが両者の境界の場合、および動きに依存する強度差が、得られた一連の未加工画像間に一切存在しない場合には、前述の方法のステップｄ）において平均化は一定値の最大重み付け因子を用いて行われ、画像ノイズのみが抑制される。

動き補正の重み付け平均と関連する技術としてビデオ技術分野で利用されるAWA（適合性重み付け平均化；Adaptive Weighted Averaging）フィルタが知られている（OzkanらのIEEEのビデオ技術用回路およびシステムの処理、1993年、3巻、No.4、ページ277から290まで参照）。本発明はAWAフィルタ技術を、動態臓器の診査像の分野に転用したものであり、AWAフィルタが利用される前に、前記方法のステップｃ）において、選択された照合画像との同一性に基づいて、一連の未加工画像から平均化された未加工画像が定められ、動的偽像が効果的に抑制される。本発明の方法によれば、慣習的に用いられる既知の補正技術、例えばパターン認識の分野における複数のアプリケーション、によって、同一性が自動認識できるという利点がある。本発明の方法はAWCA（適合性重み付け補正平均化；Adaptive Weighted Correlated Averaging）フィルタと呼ぶことができる。既知のAWA技術とは異なり、未加工画像がフィルタ化され、直接互いに連続して続くわけではないからである。

本発明の他の優れた方法に従えば、照合画像と類似の画像は、方法d）のステップにおいて処理される前に動的補正が行われる。動的偽像の最適な補正のため、変更補正のみならず、回転補正や歪み補正が行われる。サブ画素精度で作動する既知の方法はMRおよびCT像に特に適している。さらに動態を予測する最新技術を利用することができ、この場合、画像間に存在する差異から複雑な動きのモデルのパラメータを導き出す。これに関して重要なことは、この方法のステップｄ）において選択された照合画像の関心画像領域は、関連する一連の未加工画像と照合されることである。従って関心臓器を最適な鮮明度および極めて少ないノイズで表示することが可能となる。

本発明の方法は2D画像、3D画像いずれにも適している。後者の場合、一連の未加工画像は一連の3次元未加工画像のデータ組である。

本発明の方法の特に優れた他の変形例は、本方法のステップｂ）において、選択された照合画像の範囲で少なくとも2の関心画像領域が選択され、本方法のステップｃ）において、選択された画像領域の各々を一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、照合画像と類似の少なくとも1の画像を、関心画像領域各々に対して見出し、当該方法のステップｄ）において、重み付け平均によって照合画像と類似の画像の各々に対して、画質の改善された画像を形成し、本方法のステップｅ）において、本方法のステップｄ）において形成される画質の改善された画像が結び付けられ、高画質の画像が形成されるものである。

この手法では複数の関心画像領域が、相互に独立に考慮される。選択された各画像領域に対して、別々に平均化され、すなわち前述の重み付け平均によって、画質の改善された画像が形成される。次にこれらの画像は結び付けられ、高画質の画像が構成される。この目的のため、例えば画像領域が選択される度に、画質の改善された画像の一部が結び付けられることで高画質の画像が形成され、関心画像領域外の領域は、照合画像を照合画像と類似の個々の画像と平均化することによって補完される。従って全体にわたって動的に改善された補正がなされ、複数の局部画像領域が互いに独立して合わされるため、結果的に画質は全体的にさらに向上することになる。

本発明の方法を実行するのに適したコンピュータプログラムは、入力として一連の未加工画像を受け取り、画質の改善された画像を形成し：
ａ）ユーザーによって前記一連の未加工画像から少なくとも1の照合画像が選択されるステップ；
ｂ）前記ユーザーによって選択された前記照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域が対話形式で選択されるステップ；
ｃ）前記選択された関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を自動的に見出すステップ；
ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を自動的に処理し、前記画質の改善された画像を形成するステップ；
に従って処理し、処理ステップｄ）における画質の改善された画像は、照合画像および前記照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって形成され、前記照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、前記重み付け因子は平均化された前記強度値間の差異に依存して変化する。例えばMRまたはCT機器において本コンピュータプログラムを実行するのに必要なソフトウェアについては、ディスクやCD-ROMのような適当なデータ記憶媒体、またはデータネットワーク（インターネット）を介してのダウンロードによって、ユーザーが利用できる点で有意である。ユーザーは本発明の方法のうち処理ステップａ）およびｂ）に関与し、まず関連する照合画像の選択、次にこの画像内の少なくとも1つの所定の画像領域の選択を行う。

本発明のコンピュータプログラムにおける処理ステップｃ）およびｄ）が、照合画像と類似の複数の画像および一連の未加工画像からのステムに対して繰り返されると、画質の改善された画像は、最終的な画像が形成されるまで、連続的に結び付けられる度に形成され、ユーザーは処理ステップｃ）およびｄ）の各繰り返し後に表示される最終画像の処理の様子を対話形式でモニターすることができ、ユーザーは最終的な画像の画質および画像内容を評価して、画質が適切であるとユーザーが判断した際に処理を中断することができる。代わりに例えば平均信号−ノイズ比の判断により、画質を自動的に評価させたり、適切な中断の指標を設けることによって画像処理を制御したりすることも可能である。さらに形成される最終画像において認識される臓器に対して新たな選択が必要となったとき、ユーザーが関心画像領域を対話形式で変更することも可能である。これは例えば、MRまたはCT造影像において、対話形式でモニターされる画像処理の間に現れる画像によって、最初に選択された画像領域の外部にある狭窄部を発見した場合などに有益である。

本発明の方法に従った画像取得および画像処理のシステムは、対象物の一連の未加工画像を取得する手段と、一連の未加工画像を処理して、1または2以上の画質の改善された画像を形成する手段と、一連の未加工画像および前記画質の改善された画像を表示する手段とを有し、一連の未加工画像を処理する手段はプログラム制御部を有し、これにより：
ａ）当該システムのユーザーによって前記一連の未加工画像から照合画像が選択されるステップ；
ｂ）前記ユーザーによって前記選択された照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域が対話形式で選択されるステップ；
ｃ）選択された前記関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を自動的に見出すステップ；
ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を自動的に処理し、前記画質の改善された画像を形成するステップ；
に従って処理を実行することが可能である。

プログラム制御部は処理ステップｄ）において、照合画像および照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって、画質の改善された画像を形成し、照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、重み付け因子は平均化された強度値間の差異に依存して変化する。従って本発明の方法は、通常の臨床用診査機器、例えばMRまたはCT機器によって実行することができるという利点がある。従ってこの目的のため必要なのは、プログラム制御を適合させることのみである。特に最初の画像処理では、一連の未加工画像を処理する本手段は同時に作動する複数の処理ユニットを有し、ユーザーは処理ステップｂ）において、選択された照合画像の範囲で少なくとも2の関心画像領域を選択することができ、さらに本処理ステップｃ）において、前記プログラム制御部は、選択された画像領域の各々を一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより各関心画像領域に対し少なくとも1の前記照合画像と類似の画像を処理ユニットによって自動的に見出し、処理ステップｄ）において、照合画像と類似の各画像に対して、重み付け平均によって各処理ユニットで画質の改善された画像が形成されることにより、処理ステップｄ）において形成された画質の改善された画像は、処理ステップｅ）において結び付けられ、高画質の画像が形成され、表示手段に表示される。従って相互に独立した画像領域の最初の同時処理に対して、複数の処理ユニット、例えば適切なデジタル信号処理（DSP）が用いられる。

本発明の実施例は図面を参照して以下に記載されている。

図1には一連の未加工画像1を示す。これは例えばMRまたはCT造影像として形成される。一連の未加工画像1の上に示されているECGトレース2は、各心拍に対してほぼ5つの別個の画像が得られることを示す。MRまたはCT機器のユーザーは一連の未加工画像1から照合画像3を選択する。この画像には例えば、所与の段階の心臓が示されており、診察される冠動脈血管が選択画像面に極めて明確に描かれている。次にユーザーは照合画像3の中から、少なくとも1つの関心画像領域（図示されていない）を選択する。次の方法のステップの間、一連の未加工画像の各個々の未加工画像と、選択された関心画像領域とを照合することにより、一連の未加工画像1から照合画像と類似の複数の画像4、5、6が得られる。通常の既知の補正技術がこの目的に適している。従って照合画像3と適合した未加工画像4、5、6には診査される冠動脈血管の部分が含まれており、未加工画像を照合画像3とともに処理することで、画質の改善された画像が形成される。この目的のため、特に心拍に同期する呼吸器の動きを補正するため、未加工画像4は動的補正（変形、回転および可能であれば歪みの補正）される（図示されていない）。次に照合画像3および未加工画像4から重み付け画像7が形成され、重み付け画像は、重み付け因子によって増大された、動的補正された未加工画像4の強度値を有することとなる。なおこの重み付け因子は、照合画像3と動的補正された未加工画像4の対応する画素の値間の差に依存して変化する。重み付け因子は、照合画像3と照合画像と類似の未加工画像4の対応画素の強度値が著しくかけ離れているときには、小さな値を想定し、強度値の間に一致があるときには大きな値を想定する。改善された画質の画像8は、重み付け画像7を照合画像3で単に平均化することによって形成される。同じことが残りの未加工画像5および6についても行われる。重み付け画像9および10は上述の方法で形成され、その後まず、画像8と重み付け画像9との平均化によって、画質の改善された画像11が形成され、重み付け画像10と合わされて画質がさらに改善された画像12が最終的に形成される。本発明の方法では他の一連の未加工画像1に対しても継続することができ、得られる画像の画質が常時良好なままであることは図1から明らかである。最初に選択された照合画像に基づいて重み付け画像が計算される度に、各平均化操作が行われ、画質の改善された各画像が最終的に形成される。従って本発明においては平均化による画像のぶれが回避されるため、画像の鮮明度は確実に最適化される。

図2のフローチャートはステップ20で始まり、まず照合画像が選択される。次にステップ21において複数の関心画像領域（ROI1、ROI2、…）が選択される。各画像領域ROI1、ROI2で別々の処理が行われる。ステップ22では照合画像と類似の画像を見出すことが行われ、関連の画像領域ROI1、ROI2は一連の未加工画像1からの個々の未加工画像と合わされる。ステップ23においては見出された未加工画像に対して動的補正が行われるが、この補正は関連の画像領域に基づいて行われる。ステップ24においては上記の方法で照合画像および動的補正された未加工画像から、重み付け画像が形成される。ステップ25においては重み付け画像と照合画像は、平均化によって画質の改善された画像を形成するように処理され、それらの画像は最終的にステップ26において高画質の画像が形成されるように結び付けられる。ステップ27においてはこの画質が評価され、その後、ステップ22において照合画像と類似の未加工画像を見出してさらに処理を継続するか、ステップ28において処理を終了するかが判断される。図2には、本発明による複数の関心画像領域に対して同時処理が実行されることが明確に示されている。

図3には本発明による画像取得および画像処理のシステムを示す。これは図には示されていない、対象物の一連の未加工画像の取得手段30を有する。手段30は例えば、MRまたはCT機器の画像取得手段である。取得された未加工画像は更なる処理のためプログラム処理手段31に送られる。そのような手段は例えば、画像処理のためMRまたはCT機器に慣習的に用いられるようなマイクロコンピュータである。手段31は画像バッファ32を有し、一連の未加工画像は一時的にここに保管される。次に個々の未加工画像はシステムの表示手段33に表示され、ユーザーは制御ユニット34上で1つの未加工画像を照合画像として選択することができる。ユーザーは前記照合画像の範囲において複数の関心画像領域を対話形式で選択する。手段31はさらにいくつかの処理ユニット35、36および37を有する。これは例えば適当なDSPであって、同時かつ相互に独立して作動し、選択された各画像領域を一連の未加工画像からの個々の未加工画像と合わせることによって関心画像領域に対して照合画像と類似の少なくとも1つの画像を自動的に見出すことができる。次に画質の改善された画像が本発明の重み付けによって、処理ユニット35、36および37のいずれかで形成される。平均化ユニット38はこれらの画像を結び付け、高画質の画像を提供する。その後高画質の画像は表示手段33に表示することができる。

本発明の画像処理の概略を示す図である。 複数の関心画像領域の同時処理についての本発明の方法のフローチャートである。 本発明の画像処理システムのブロック図である。

Claims (10)

1. 一連の未加工画像、特にMRまたはCTの冠動脈造影像を処理する方法であって：
   ａ）前記一連の未加工画像から照合画像を選択するステップ；
   ｂ）前記照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域を選択するステップ；
   ｃ）選択された前記関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を見出すステップ；
   ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を処理し、画質の改善された画像を形成するステップ；
   を有し、当該方法のステップｄ）における前記画質の改善された画像は、前記照合画像および前記照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって形成され、前記照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、前記重み付け因子は平均化された前記強度値間の差異に依存して変化することを特徴とする方法。
2. 前記照合画像と類似の画像は当該方法のステップｄ）における処理の前に動的補正されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記動的補正には変更補正および／または回転補正および／または歪み補正が含まれることを特徴とする請求項2に記載の方法。
4. 前記一連の未加工画像は一連の3次元未加工画像のデータ組であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。
5. 当該方法のステップｂ）において、前記選択された照合画像の範囲で少なくとも2の関心画像領域が選択され、当該方法のステップｃ）において、選択された前記画像領域の各々を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を、関心画像領域各々に対して見出し、当該方法のステップｄ）において、重み付け平均によって前記照合画像と類似の画像の各々に対して、画質の改善された画像を形成し、当該方法のステップｅ）において、当該方法のステップｄ）において形成される画質の改善された前記画像が結び付けられ、高画質の画像が形成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の方法。
6. 前記請求項1ないし5のいずれかに記載の方法を実行するコンピュータプログラムであって、入力として一連の未加工画像を受け取り、画質の改善された画像を形成し：
   ａ）ユーザーによって前記一連の未加工画像から少なくとも1の照合画像が選択されるステップ；
   ｂ）前記ユーザーによって選択された前記照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域が対話形式で選択されるステップ；
   ｃ）選択された前記関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と照合することにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を自動的に見出すステップ；
   ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を自動的に処理し、前記画質の改善された画像を形成するステップ；
   に従って処理し、処理ステップｄ）における前記画質の改善された画像は、前記照合画像および前記照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって形成され、前記照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、前記重み付け因子は平均化された前記強度値間の差異に依存して変化することを特徴とするコンピュータプログラム。
7. 前記処理ステップｃ）およびｄ）は前記照合画像と類似の複数の画像および前記一連の未加工画像からのステムに対して繰り返されたとき、前記画質の改善された画像は、最終的な画像が形成されるまで、連続的に結び付けられる度に形成されることを特徴とする請求項6に記載のコンピュータプログラム。
8. 前記最終的な画像は前記処理ステップｃ）およびｄ）の各繰り返し後に表示され、前記ユーザーは画質および前記最終的な画像の画像内容を評価して、前記関心画像領域の選択を変更すること、または前記ユーザーが前記画質は適切であると評価したとき前記処理を中断することが可能であることを特徴とする請求項7に記載のコンピュータプログラム。
9. 請求項1ないし5のいずれかに記載の方法に従って画像取得および画像処理をするシステム、特にMRまたはCT機器であって、対象物の一連の未加工画像を取得する手段と、前記一連の未加工画像を処理して、1または2以上の画質の改善された画像を形成する手段と、前記一連の未加工画像および前記画質の改善された画像を表示する手段とを有し、前記一連の未加工画像を処理する前記手段はプログラム制御部を有し、これにより：
   ａ）当該システムのユーザーによって前記一連の未加工画像から照合画像が選択されるステップ；
   ｂ）前記ユーザーによって前記選択された照合画像の範囲で少なくとも1の関心画像領域が対話形式で選択されるステップ；
   ｃ）選択された前記関心画像領域を前記一連の未加工画像からの個々の未加工画像と合わせることにより、前記照合画像と類似の少なくとも1の画像を自動的に見出すステップ；
   ｄ）前記照合画像および前記照合画像と類似の画像を自動的に処理し、前記画質の改善された画像を形成するステップ；
   に従って処理を実行することが可能であって、前記プログラム制御部はステップｄ）において、前記照合画像および前記照合画像と類似の画像内において対応する画素の強度値の重み付け平均によって、前記画質の改善された画像を形成し、前記照合画像と類似の画像の各画素は重み付け因子に割り当てられ、前記重み付け因子は平均化された前記強度値間の差異に依存して変化することを特徴とするシステム。
10. 前記一連の未加工画像を処理する前記手段は同時に作動する複数の処理ユニットを有し、
    前記ユーザーは前記処理ステップｂ）において、前記選択された照合画像の範囲で少なくとも2の所定の画像領域を選択することができ、
    前記処理ステップｃ）において、前記プログラム制御部は、選択された画像領域の各々を一連の未加工画像からの個々の未加工画像と合わせることにより各関心画像領域に対し少なくとも1の前記照合画像と類似の画像を処理ユニットによって自動的に見出し、
    前記処理ステップｄ）において、前記照合画像と類似の各画像に対して、前記重み付け平均によって各処理ユニットで画質の改善された画像が形成され、
    前記処理ステップｄ）において形成された画質の改善された前記画像は、前記処理ステップｅ）において結び付けられ、高画質の画像が形成され、前記表示手段に表示されることを特徴とする請求項9に記載のシステム。

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