JP4026905B2 - 原画像の補正方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像空間を介して不均一だが、緩慢にしか変化しない感度特性を有する画像再生方法によって発生される、ピクセルから組み合わされて成る原画像の補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許出願公開第０２３８９６２号公報から、デジタル画像補正のための方法が公知である。その際画像生成システムに基づいて一様でない輝度分布が２つのステップにおいて補正される。まず、「総輝度マップ（Gross Brightness Map）」が作成され、そこから平滑化によって補正データが得られる。「総輝度マップ」の作成のために、２つの方法、すなわち１つには、前以て決められたウィンドウにおけるすべての輝度値の累算、１つには、前以て決められたウィンドウにおける中心画素に対する最高輝度値の使用が提案される。
【０００３】
数多くの画像収集方法において、検出ステップの際画像領域にわたって不均質な感度特性が存在するという問題がある。例えば、感度は画像縁部に向かって低下する可能性があり、その結果画像縁部に影が生じる。この問題が生じる画像収集方法は例えば核スピントモグラフィーである。その際周知のように、原子核は強い磁場において高周波の照射によって励起される。生じた高周波信号はアンテナによって受信されかつ個々の画素（ピクセル）から組み合わされて成る画像データマトリクスに対する強度値に変換される。その際核スピンを励起するために、大抵所謂全身用アンテナが使用される。これは、検査領域全体において比較的良好な均質性を有している。これに対して、生じた核磁気共鳴信号を受信するためにしばしば、比較的小さな領域のみを捕捉検出する所謂局所コイルが使用される。これにより改善された感度並びに良好なＳＮ比が得られる。この種の局所コイルの特別な形状は所謂アレイコイルであり、この場合複数の受信コイルが順次相並んで配置されておりかつ選択された検査領域に応じて切り換えられる。この種のアレイコイルに対する１例が図１に示されている。その際複数の、重なっている個別コイル１が設けられており、これらコイルは整合回路２を介して合成回路網３に導かれ、そこで最終的に受信信号が取り出される。
【０００４】
局所コイルは上述の全身コイルアンテナに比して、相対的に不均質の感度分布を有しており、すなわち感度は中央において高くかつ縁に向かって低下する。このために、得られた画像の縁領域において非常に煩わしい影が生じる。上述したアレイコイルでは更に、個別コイルの付勢後その都度、画像強度が変化するとう問題がある。更に、患者の身体に直接載着されるフレキシブルな局所コイルがある。その際感度特性は本来決まっておらず、それは患者の身体への載着後に漸く生じる。
【０００５】
例えば Simens AG 社の型名 Magnetrom^(R) のような既存の装置では、この問題を回避するために、以下に問題設定を明らかにするために簡単に説明しようと思う方法が適用される。その際ＭＲ画像生成のために公知の手法で、原点（Uesprung）が位相ファクターにおいて符号化されている信号が得られることから出発する。これらの信号は位相復調され、デジタル化されかつ一般に「ｋ空間」とも称される生データマトリクスにエントリされる。２次元ないし３次元のフーリエ変換によって、これらの生データマトリクスから画像データマトリクスが得られる。この画像データマトリクスはデジタル強度値が割り当てられている個々のピクセルから組み合わされて成るものである。磁気共鳴（ＭＲ）を用いた画像生成の詳細についてはここでは詳細に立ち入らない。というのは、それは本発明の構成部分ではないからである。むしろこのために、要約文献 Morneburg, Bildgebung fuer die medizinishe Diagnostik, １９９５年第３版、章６.２の“Verfahren zur Ortsaufloesung”が参考になる。
【０００６】
コイル特性を求めるための公知の方法では、コイル特性は画像それ自体から取り出される。その際コイル感度は画像にわたって緩慢にしか変化しないこと、従ってそれは低域フィルタリングされた画像において現れるという仮定から出発する。即ちまず、２次元の画像において２次元フーリエ変換を行および列方向において実施することによって、原画像の強力な低域フィルタリングが実施される。フーリエ変換によって周知のように、画像情報は周波数空間に変換される。この周波数空間において、中心は低い周波数に対応し、縁領域は高い周波数に対応する。それから周波数空間において、中心領域を取り出すフィルタが使用される。最も簡単な場合、例えば２５６×２５６ドットのマトリクスにおいて４×４個のドットを有することができるにすぎない中心領域の外側のすべての値は零にセットされる。それからこのようにして得られた、周波数空間におけるマトリクスに２次元の逆フーリエ変換を使用するとき、再び画像空間に戻るが、このようにして得られた補助画像は原画像に比べて、所望のように、非常に強く低域フィルタリングされている。そこでこの補助画像はコイル特性と考察されかつ原画像の補正のために用いられる。このために補助画像は１に正規化されかつ原画像においてそれぞれのピクセルが正規化された補助画像における対応するピクセルの逆数値と乗算される。このようにして画像の信号の少ない領域において非常に大きな乗算子が生じる可能性があって、それは例えばノイズを著しく強調するおそれがある。それ故に最大乗算子を上方向において制限する限界値が予め設定される。これにより、純然たるノイズ領域が残りの画像の強度レベルに高められることを妨げることができる。
【０００７】
この方法のブロック図が図２に示されている。その際例えば、アレイコイルにおいて３つの原画像ＢＤの出発し、その際それぞれの観察ウィンドウは通例のようにＦＯＶ（Field of View）と称される。２次元のフーリエ変換（２Ｄ−ＦＦＴ）によって、周波数領域におけるデータセット（ＦＤ）が得られる。記号２Ｄ−ＦＦＴは、２次元のフーリエ変換が実施されること、しかもそれが「高速フーリエ変換」（ＦＦＴ）に基づいて実施されることからきている。データセットＦＤに、低い周波数に対応するその中心が比較的高い周波数を表している縁領域より大きく重み付けられているフィルタが使用される。次のフーリエ変換によって、低域フィルタリングされた補助画像ＢＤ′が得られる。それから上述した、ユーザによって入力されるべき限界値（カット・オフ）を考慮して、画像データセットＢＤの各ピクセルは乗算され、その結果補正された画像ＢＤ_Ｋが得られる。
【０００８】
この補正の作用は図３ないし図５に示されている。その際２つの凹入部を有する実質的に矩形の横断面を有しているファントムが結像される。実線は強度経過Ｉの目標値を軸ｘに関して示している。信号検出のために使用されるサーフェスコイルの感度特性は図３に細い破線で示されている。これにより画像中に、太い破線で示されている強度経過Ｉが生じる。ファントムＰｈの領域の外側には、ノイズ信号しか生じていない。得られた画像を強く低域フィルタリングするとき、図４に実線で示されている強度経過が得られる。上述したように、この強度経過は１に正規化されかつ正規化された値から逆数値が計算される。ただしこの場合、所定の限界値までであって、その結果逆数値は例えば５より大きくなる可能性はない。それからこの逆数値と、原画像の強度値（即ち図３に太い破線で示されている強度経過）が乗算される。生じた強度経過は図５に示されている。その際、補正のために使用されるデータの著しい低域フィルタリングに基づいて、結像される物体の縁領域は今や強調される。ただし図５においてはこの強調をわかりやすくするために多少誇張して示されている。物体の縁領域におけるこの強調はＭＲ画像において殊に次の理由から目障りである。例えば人体の検査の際、縁部にしばしば脂肪組織が存在し、それはそれだけで不都合にも高い信号強度を有しているからである。この信号強度は公知の方法に従って更に一層高められる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、被検体の縁部における目障りな信号の過度の高まりが生じない補正方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば請求項１に記載の通り、 ａ）原画像を少なくとも１つの方向において強度変化についてピクセル毎に検査し、この場合隣接ピクセルの強度値に対して前以て決められた値より大きな値だけ低下するピクセルの強度値を最大の低下を表している強度値によって置換し、その結果補助画像を得るようにし、ｂ）このようにして得られた補助画像に低域フィルタリングを適用し、ｃ）該低域フィルタリングされた補助画像から当該ピクセルに属する感度値を取り出し、ｄ）前記原画像の強度値を所属の感度値に対する逆数値によって重み付けるようにしたステップによって解決される。
【００１１】
本発明の有利な実施態様はその他の請求項に記載されている。
【００１２】
【実施例】
次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、原画像における著しい強度の急激な変化の場合に、低域フィルタリングされた原画像は受信アンテナの実際の感度経過を正しく再現しないという認識から出発している。図４において、低域フィルタリングされた画像は、ファントムの左側および右側における強度の急激な変化において、実際にそうであるより著しく大きな、受信アンテナの感度の低下の影響を誤って受けていることがわかる。しかし実際のコイル特性では任意の大きさの強度の急激な変化は全く発生することはできない。この問題は本発明によれば、原画像を低域フィルタリングの前に、２つの隣接する画素（ピクセル）間で最大の強度変化のみが許容されるように操作することによって解決される。図６の実施例において、このことは、ピクセル毎に信号の最大の低下しか許容しないようにして実現される。
【００１４】
図６において、図３に示されているように、ファントムＰｈに対するｘ方向における強度経過の目標値は実線で示されておりかつその際得られる補正されていない強度経過Ｉは太い破線で示されている。しかし受信コイルの受信特性を求めるために、強度経過Ｉないし原画像が直接用いられるのではなく、強度経過Ｉ′ないし補助画像ＢＤ′が用いられる。強度経過Ｉ′は次のようにして得られる：第１のステップにおいてｘ方向において左から右へ各ピクセルｎの強度値Ｉ_ｎが先行するピクセルｎ−１の強度値Ｉ_ｎ−１と比較される。次式：
Ｉ_ｎ−Ｉ_ｎ−１＞ΔＩ_ｍａｘ
が成り立つとき、強度値Ｉ_ｎはＩ′ｎによって置換され、その際次式が成り立つ：
Ｉ′_ｎ＝Ｉ_ｎ−１−ΔＩ_ｍａｘ
ただしΔＩ_ｍａｘは１つの実施例において固定に調整設定された値である。
【００１５】
それからこの過程はｘ方向において右から左へ繰り返される。更に、同じ過程がｙ方向において適用され、その結果最終的に補助画像ないし補助データセットＢＤ′が得られる。この補助データセットＢＤ′は、上述した方法においてフーリエ変換を実施することによって、低域フィルタリングされる。基本的にこのために、隣接する画素に関して簡単な平均化を実施することができる。しかし画像再構築のために直ちにＦＦＴ計算機を使用することができるので、一般に、低域フィルタリングを同様にＦＦＴを介して実施する方が好都合である。このために補助データセットＢＤ′にＦＦＴが実施される。これにより画像空間から周波数空間に達し、周波数空間では画像中の迅速な強度変化は高い周波数に対応している。このようにして得られたデータセットにおいて中心は低い周波数を表しており、縁は高い周波数を表している。それ故に基本的に、このデータセットにおいて中心を分離するかもしくは中心の外側のすべての値を零にセットすることによって、低い周波数を捕捉することができる。しかし実際には、零にセットされた画素への連続的な移行が考慮されなければならない。このために、中央から列および行の方向において１から０までの値をとるＣＯＳＩＮＵＳ形状の関数を用いたデータセットの乗算によるフィルタリングが有利であることが実証されている。フィルタ幅は１／２のマトリクス部分に相応している。画像領域への逆変換によって、低域フィルタリングされた補助画像ＢＤ″ないし低域フィルタリングされた補助データセットが得られる。これはｘ方向において例えば図７に示されている強度経過を有している。公知の方法の場合におけるように、これは１に正規化されかつ原画像のそれぞれに対応しているピクセルが逆数値によって重み付けられる。図４および図７の比較が示しているように、図７における低域フィルタリングされた画像データは基礎としている補助画像における信号低下が制限されているために、ファントムＰｈの縁において殆ど低下しない。このことはむしろサーフェスコイルの感度特性の実際の条件に相応しておりかつこのために、エッジの過度の高まりが回避されるかまたは少なくとも明確に低減されることになる。以下に、感度特性を求める際の一層の改善を実現する方法について説明する。
【００１６】
上に説明した方法の問題は、原画像における個々の画素におけるノイズ、所謂「スパイク」が隣接するピクセルに著しく影響を及ぼすという点にある。というのは、これらは上述した方法では一緒に強調されるからである。それ故に、続いて行われる低域フィルタリングにおいて個々のスパイクは、強度低下の上述の制限のない場合より非常に大きく引き立つことになる。ＭＲ装置では、例えばオフセットにより中央の画素の強度が著しく強調され、ひいては上述の問題が生じることになる。この種のオフセットアーチファクトは画像データマトリクスの列ないし行を介しても広がる可能性がある。
【００１７】
それ故に改善された方法では、補助データセットを得る前に、「スパイク除去」が実施される。最も簡単な場合、原画像データのセットのすべての行および列に対して各ピクセルの強度が行および列方向における隣接するピクセルの強度と比較される。両方の側に向かって（先行するピクセルおよび後続のピクセルの強度値）前以て決められた値ΔＩ_ｍａｘより大きな差を有している局所的な最大値が現れる場合、相応するピクセルの強度値は、先行するピクセルおよび後続のピクセルの強度値の平均値＋最大許容強度変化ΔＩ_ｓｍａｘから得られる強度値によって置換される。これにより局所的な最大値が除去される。このことは、個々の画素に対しても個々の行および列に対しても当てはまる。従ってこの種の強度の過度の高まりは引き続く処理に対してもはや目障りに作用しない。
【００１８】
この「スパイク除去」の後に、図６で説明した、強度低下の制限のステップ並びにコイル特性を得るための別のステップが続く。
【００１９】
この方法を更に改善するために次の効果が考慮される：コイル特性に基づく原画像における強度低下はコイル位置に応じて原画像データマトリクスの行および列方向においてのみならず、それぞれ任意の方向において作用する。それ故に強度低下の上述の制限が行方向および列方向においてしか実施されないとき、画像対角線の方向においてなお、前以て決められた強度低下より一層大きな強度低下が生じる可能性がある。それ故に上述した方法の拡張において、原画像マトリクスの行および列方向（ｘ方向、ｙ方向）における強度低下のみならず、対角線の方向においても制限される。その際行および列方向においてΔＩ_ｍａｘの強度低下が許容されるとき、対角線の方向において
【００２０】
【数１】

【００２１】
の強度低下が許容される。
【００２２】
これまで説明した方法によって、低域フィルタリングにより生じるエッジ効果は大幅に除去される。しかし補正された画像において強度の低い領域が強度の高い領域に対して過度に強調されるという問題がある。この効果は、コイル特性によって生じる、画像強度の低下が線形ではないということに基づいている。それ故に一定の許容される変化ΔＩ_ｍａｘの使用によって、制限方法は、コイルに規定される高い画像強度の領域においてコイルに規定される比較的低い画像強度の領域におけるよりも頻繁に原画像データセットに作用する。それ故に引き続く低域フィルタリングにおいて、強度の高い領域と強度の低い領域との間の相対的な差異が高められる。強度補正のために低域フィルタリングされたデータの逆数値が使用されるので、強度の低い領域は所望の程度より強く強調される。
【００２３】
この方法の次のような改善によってこの問題も解決される：２つの連続するデータ点間の許容変化ΔＩ_ｍａｘないしΔＩ_ｍａｘＤをすべての画素に対する絶対的な限界値として同じに選択するのではなくて、画素にそれぞれ該当する強度に正規化する。即ち画素の強度が高い場合、画素の強度が低い場合よりも隣接画素に対するより大きな低下が許容される。このことは、行方向および列方向における強度低下の制限の際にも、対角線の方向における強度低下の制限の際にも考慮される。スパイク除去の際にも、隣接する画素に対する最大許容強度変化はこれらの画素の強度に依存しており、即ちこの場合一層大きな強度はより大きな変化を意味している。これにより強度の低い区域の強度も正しく重み付けられる。
【００２４】
今説明した方法を図８においてもう一度ブロック線図に基づいて説明する。
【００２５】
ＭＲ画像生成の特殊な例において、生データセット（生データマトリクス）から逆２次元フーリエ変換ＦＦＴによって画像データセット（画像データマトリクス）が得られる。別の画像生成方法では、画像データセットＢＤは任意の別の方法でも生成することができる。画像データセットＢＤから、上述したスパイク除去および後続の、最大低下の制限によって補助データセットＢＤ′が得られる。補助データセットは低域フィルタリングされ、この場合低域フィルタリングは有利にはフーリエ変換ＦＦＴを実施することによって行われる。それからこのようにして得られた、周波数領域におけるデータセットＢＤ′_Ｆからフィルタリングによって低い周波数に対応している中央領域が縁領域より強く重み付けられる。
【００２６】
【外１】

【００２７】
この低域フィルタリングされたデータセットＢＤ″が１に正規化されかつそれぞれの画素に対して逆数値が形成される。更に、原画像データセットＢＤにおいて、それぞれの画素はこのようにして得られた、それぞれ対応する逆数値と乗算され、その結果補正された画像データセットＢＤ_ｋが得られる。
【００２８】
既述の方法は再帰的にも使用され、即ち補正された画像ＢＤ_ｋに更なる補正のためにこの方法がもう一度使用される。別様に言えば、例えば第２の補正ステップにおいて、原画像ＢＤに代わって補正された画像ＢＤ_ｋが出発データセットとして使用される。その場合このことは複数回実施することもできる。これにより許容される変化ΔＩ_ｍａｘに対して、感度特性に関する情報を消失することなしに、１段階の方法の場合より一層小さな値を定めることができる。
【００２９】
図８には、再帰的な経過が鎖線によって示されている。
【００３０】
画像データを補正するための本発明の方法を実質的にＭＲ画像生成に基づいて説明してきた。しかし本発明の補正方法の図示の説明してきた原理は、画像領域にわたって不均質だが、緩慢にしか変化しない、データ検出の感度が存在するすべての画像生成方法に使用されることを強調しておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】アレイコイルに対する実例の概略図である。
【図２】公知の画像生成方法を説明する概略図である。
【図３】図２の方法を説明するための、強度経過の目標値、サーフェスコイルの感度特性および強度経過の実際値を示す線図である。
【図４】図３の実際の強度経過を低域フィルタリングして得られる強度経過を示す線図である。
【図５】逆数値と乗算された後の原画像強度の経過を示す線図である。
【図６】補助画像を原画像から作成する方法を説明する略図である。
【図７】低域フィルタリングの際に得られる強度経過を示す線図である。
【図８】本発明の方法をフローチャートで説明する図である。
【符号の説明】
ＢＤ 原画像、画像セット、 ＢＤ′ 補助画像、 ＢＤ″ 低域フィルタリングされた補助画像、 Ｉ 強度、 ＢＤ_ｋ 補正された画像、 ΔＩ_ｍａｘ 最大強度値変化、 Ｐ_ｎ ピクセル、 １ 個別コイル、 ２ 整合回路、 ３合成回路網

Claims (11)

1. 画像空間を介して不均質だが、緩慢にしか変化しない感度特性を有する画像収集方法によって生成される、ピクセルから組み合わされて成る原画像（ＢＤ）の補正方法であって、次のステップ
   ａ）原画像（ＢＤ）を少なくとも１つの方向において強度変化（ΔＩ）についてピクセル毎に検査し、この場合隣接ピクセルの強度値（Ｉ_ｎ±１）に対して前以て決められた値（ΔＩ_ｍａｘ）より大きな値だけ低下するピクセル（Ｐｎ）の強度値（Ｉ_ｎ）を最大の低下を表している強度値（Ｉ_ｎ±１−ΔＩ_ｍａｘ）によって置換し、その結果補助画像（ＢＤ′）を得るようにし、
   ｂ）このようにして得られた補助画像（ＢＤ′）に低域フィルタリングを適用し、
   ｃ）該低域フィルタリングされた補助画像（ＢＤ″）から当該ピクセルに属する感度値を取り出し、
   ｄ）前記原画像（ＢＤ）の強度値を所属の感度値に対する逆数値によって重み付ける
   を実施する
   ことを特徴とする原画像の補正方法。
2. 前記ステップａ）ないしｄ）をＮ回繰り返し、かつそれぞれの繰り返しにおいてステップａ）において原画像（ＢＤ）に代わって、先行するステップシーケンスにおいてステップｄ）の後に得られた画像を使用する
   請求項１記載の原画像の補正方法。
3. 当該方法を原画像の２つの相互に垂直である方向に適用する請求項１または２記載の原画像の補正方法。
4. 当該方法を前記２つの相互に垂直である方向に対して付加的に、原画像（ＢＤ）の少なくとも１つの対角線方向にも適用する
   請求項３記載の原画像の補正方法。
5. それぞれの方向に対する強度低下をその都度順次正および負の方向において実施する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。
6. 前記前以て決められた値（ΔＩｍａｘ）をその都度基準ピクセル（Ｐｎ）の強度に対して相対的に確定する
   請求項１から５までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。
7. 請求項１のｄ）に記載の重み付けを前以て決められた限界値まで行う
   請求項１から６までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。
8. 原画像（ＢＤ）を、ピクセルの強度値（Ｉ_ｎ）が複数の周囲の隣接ピクセル（Ｐ_ｎ）と比較して所定のしきい値を上回る変化を有している１つまたは複数の関連するピクセル（Ｐ_ｎ）について検査し、かつ当該ピクセル（Ｐ_ｎ）の強度値を隣接ピクセルから導出される強度値によって置換する
   請求項１から７までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。
9. 前記補助画像の前記低域フィルタリングは次のステップによって行われる：
   補助画像に多次元のフーリエ変換を適用し、
   該フーリエ変換された補助画像に、低い周波数に相応する中央の領域を縁領域より強く重み付けるフィルタを使用し、
   フィルタリング後、逆フーリエ変換によって低域フィルタリングされた補助画像を取り出す
   請求項１から８までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。
10. フィルタ機能としてコサイン関数を使用する
    請求項９記載の原画像の補正方法。
11. 当該方法を、ＭＲ測定に基づいて得られるデジタル画像データセット（ＢＤ）に使用する
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の原画像の補正方法。

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