JPH07506915A - 画像処理方法及び装置 - Google Patents

画像処理方法及び装置

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JPH07506915A JP5512488A JP51248893A JPH07506915A JP H07506915 A JPH07506915 A JP H07506915A JP 5512488 A JP5512488 A JP 5512488A JP 51248893 A JP51248893 A JP 51248893A JP H07506915 A JPH07506915 A JP H07506915A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 画像処理方法及び装置 技術分野 本発明は、一般的に、超音波画像、ソナー画像、マイクロウェーブ画像、レーダ 画像等のエコーグラフィック応用、並びに電波天文学に使用されるような受動的 作像に利用されるタイプの画像処理装置及び方法に関する。更に詳しくは、本発 明は、移動する目標対応のリアルタイム作像のための装置及び方法、並びに回り 込み除去(deconvolution)及び近接フィールド又は位相収差修正 等の画像強化処理技術に使用される装置及び方法に関する。
背景技術 種々のリニア及びノンリニアの画像処理技術は、電波天文学、レーダ、マイクロ ウェーブ及びソナー装置に、像のS/N比(ダイナミックレンジ)及び明瞭度( 解像度)の向上のために広く利用されてきた。このようなシステムは、単一の又 は充満された開口に比して多くの利点を存する合成開口を作り出すために、多く のトランスデユーサ及び/又はレシーバを使用してきたが、合成開口システムも また、本質的に顕著なノイズ成分を含んでいる。
M、f&天文学又は干渉計技術への応用では、ノイズを減少させ、明瞭度を向上 させるために、極めてthatなノンリニア信号処理技術が利用されてきた。こ れらの技術の中でも、有効な信号成分からの画像データのノイズ成分の回り込み 除去、及びそれに続いて起る信号成分の合成開口画像への回り込みは大いにノイ ズを減少し、解像度をシャープにする。電波天文学はリアルタイム観測を問題に していないので、極めて優雅ではあるが、コンピュータ作業に重荷になる信号処 理技術が顕著な画像向上が得られるので利用することができる。R,Thomp son等の「干渉計技術及び電波天文学での合成J J、 Wiley、 19 86゜本質的にリアルタイムの、特に移動する目標の画像表示によって利益を蒙 る応用では、在来型電波天文学の信号処理技術のコンピュータ作業の重荷は非常 に大きい。以上、本発明者が確認した共に懸案の応用において、本発明者は、最 近ある干渉計技術の信号処理技術を超音波エコーグラフィックに適用した。これ らの画像処理技術は、生体臨床医学的超音波画像のように、上述の本発明者が先 に実施した実例にさらに詳述されている。なお、これは参考資料として添付した 。
ノイズの回り込み除去は、トランスデユーサ又はレシーバのアレイからオリジナ ル画像データのセットをとること、回り込み除去又はノイズ成分、サイドローブ (side 1obe)データのノンリニアアルゴリズムに使用する真の画像デ ータからの数学的分離に関係かある。オリジナルの、又はノイズを含んだデータ は、しばしば「汚れた(dirty)」画像データセットと呼ばれる。例えば、 並んだトランスデユーサ又はレシーバは、合成された開口の不完全さに起因する サイドローブ又はノイズを有する画像マツプを作る点像源からの画像データを受 けることが知られている。したがって、多数のレシーバ又はトランスデユーサか らなるどんなアレイても、そのアレイに対する独特のビームバタン(パワーバタ ン)又は点拡散関数(point 5pread function)がある。
ビームバタン又は点拡散作用は、もし1つの点が画像域内で唯一の目標である場 合は、単一の点に似ている。合成開口を形成するアレイには、並んだ複数のトラ ンスデユーサ又はレシーバがあるので、アレイ内の多数のレシーバは点像源をあ る角度から見ることができ、ひいては画像は点ではなく、サイドローブを含んだ 点の拡がり及びゆがみとなる。処理される画像がさらに複雑で、複数の有効な目 標を持ったものになると、サイドローブノイズの影響は一層行き亘り、複雑にな り、合成開口に対する画像データからの、これらのノイズの影響除去はさらに重 要になる。
回り込み除去を用いたノイズの除去は、画像の「汚れたマツプ」上の最も明い、 又は最高強度データの点を選択し、次いでこのノイズを、点拡散関数又は独特の ビームパタンに基くアルゴリズムを用いて、有効な画像データから回り込みを除 去することにより処理される。かくして、与えられた最も明るい点、複数のトラ ンスデユーサアレイに付きもののサイドローブ、又はノイズが除去されると思わ れる。ノイズ又はサイドローブの影響を含む最も明い点板外のすべてのデータポ イントは夫々ビームパターン又は点拡散関数により決定された量だけ減少される 。ビームパターンの除去は、したがって、マツプ全体のデータからのサイドロー ブの除去の効果がある。
最も明るいデータポイントの周りのノイズが一旦除去されると、次いで、次に明 いデータポイントが有効なデータポイントであって、このようなデータポイント に対する対応するビームパターンかマツプの残りから除去されると考えて、回り 込み除去処理は、汚れたマツプ中の次に明いデータポイントに進む。この処理は 、ノイズが回り込み除去される最も明いデータポイントの強さが、予め設定した レベル、例えば、マツプ全域中の最も明いデータポイントの強度の10%に達す る迄続行される。
ビームパターン又は点拡散関数は、データ強度、又は高さ寸法である振幅を存す る3次元パターンである。したがって、サイドローブが除去される回り込み除去 処理は、理論上及び電波天文学上、3次元処理となる。
しかし、電波天文学は対象が実質的にレシーバから見れば静止しているので、リ アルタイムベース上の信号処理は不必要なぜいたく品である。さらに、実質的な 処理パワーは信号処理作業に捧げられる。ここで使用されているように、「リア ルタイム」と云う表現は、1秒間に約30から60画像の割合で作像されること を意味すると理解されたい。いくつかの応用では、リアルタイムは1秒間に5画 像と云う低速と理解されているが、それは目標の速度が比較的遅い場合にのみ許 容されうるものであろう。
電波天文学での結果から、比較的優雅で、さらに精度の高いアルゴリズムが、点 拡散関数、又はビームパターンを信号からのノイズの回り込み除去により精度高 く除去するのに使用することができる。したがって、3次元ハイブリッドマツピ ング及び最大エントロピーアルゴリズムが可能であるように、3次元のCLEA Nアルゴリズムが使用可能である。最大エントロピーは、一般に、最も精度の高 いアルゴリズムと見なされているが、又最もコンピュータ作業の重荷が最大にな る。
典型的に、超音波画像では、画像はlライン当り512画素を有する512本の 走査線のビデオディスプレイ端末に表示される。
したがって、データマツプは262.144画素又はデータポイントを含んでい る。リアルタイム画像では各マツプは1秒間に15から60回現れる。理解され るように、すべてのデータポイントを最も明い点として選択するのに先立って、 走査するいかなる回り込み除去システムも、本質的な、かつ妥当なコストの装置 でリアルタイム作像を行うことが極めて困難な、コンピュータ作業の重荷に当面 するであろう。
しかし、回り込み除去処理は、本質的に処理される画像データセットに有効でな い、あるいは作像される目標を実際には代表しないデータを導入するということ が知られている。このような処理が誘導するデータは、画像処理[人工物(ar tifacts)J として知られ、そして、それらは回り込み除去によって除 去されてノイズデータに比して遥かに少いけれども、それは、画像の品質、特に 像の解像度を低下させ、画像の解明に妥協を持ち込み勝ちな不正確を作り出す。
回り込み除去のアルゴリズムは、さらに精緻で複雑であるから、処理の人工物の 数及び影響は減少するが、コンピュータ作業の重荷及び所要時間は増大する。簡 単さと、低い精緻さのアルゴリズムを採用すれば、リアルタイム処理はさらに現 実的なものになるか、処理の人工物による画像品質の低下は、さらに顕著になる 。
電波天文学での作像は、回り込み除去に先立ち、有用なデータセットを作り出す ために、日常茶飯的にデータのクロスコリレーションを採用する。一方超音波作 像物語は、超音波画像とのクロスコリレーションの採用を示唆する。商業的に利 用可能な超音波作像装置は、データのクロスコリレーションの装置を備えていな い。このことは、画像ノイズの顕著な源の一つが画像信号が通過する不均質な媒 体である点で、特に重要なことである。電波天文学ては、媒体は何マイルもの大 気層であって、それによって作られるねじれ又はノイズは、「近接フィールド効 果(near fieldeffect) J と呼ばれる。超音波作像ては、 不均質な媒体は人間の組織であり、作られるねじれ又はノイズは、その業界では 位相収差(phase aberration)と呼ばれる。
電波天文学での作像ては、近接フィールド効果はノイズの回り込み除去に先立つ クロスコリレーションデータから得られた近接位相を採用することにより完全に 除去される。超音波作像では、近接位相収差を最小にし、又は除去するために、 種々の代替近似か採用されてきた。例えば、位相収差の適用できる減少に採用さ れる、Hasler等の米国特許第4.817.614号及び0°Donnel  lに対する米国特許第4.835.689を参照されたい。又、下記の関連す る各技術論文をも参照されたい。
0°Donnell et al。
「医学超音波における位相収差計1lIl:人間研究j超音波作像Vo1.10  pp、1−11 (1988)0°Donnell et al。
[ビーコン信号を必要としない収差補正」I EEE超音波シンポジウムPP  833〜837(1988)0’Donnell et al。
[点反射器及び拡散散乱器からの信号を用いた位相収差補正二計測J IEEE超音波、フェロエレクトリックス、周波数制御に関する会報 Vol、 35 No、6 PP 768〜774(1988)早世 「生体組織の量的聴覚特徴に対する多周波数エコー測定器J米国音響学会々報  Vol、69(6) PP 1838〜+840(1981)(人間の組織にお ける減衰係の近似が述べられている。)Somer et at。
「視覚信号処理による横方向並びに距離的解像度のリアルタイム改良」 超音波シンポジウム前刷 PP 1002〜1005(1977)(超音波画像 強化処理が記載されている。これによれば、横方向及び軸方向の解像度は、コヒ ーレントな光学的フィルタを使用することにより改善される。これは、位相収差 の近似を得るための光学的アプローチの1つである。)Luthra et a l、に対する米国特許第4.604.697号及び第4、553.437号では 、複数の周波数におけるトランスデユーサアレイからの振動及び位相データのベ クトル追加により、ハイブリッド画像が作り出される部分的画像の追加により、 合成画像が作り出される。松本に対する米国特許第4.586.135号では、 合成開口技術による再編成に対するホログラムデータセットを与えるため、サイ ドローブ減少が位相データを使用して採用されている。
Ga1brai thに対する米国特許第4.397.006号では、地震[! +111技術でのノイズ減少のため、ディジタルタイム領域のフィルタパラメー タの決定に自動及び相互のクロスコリレーションが示唆されている。
本出願人は、自身の初期の共に未決定の出願において、超音波作像にクロスコリ レーションを使用し、特定の画像処理技術にそれを組合せることにより、位相収 差が完全に除去できることを指摘した。現在迄のところ、商業的に利用可能な超 音波装置はクロスコリレーション能力を含んでいないが、このアプローチは現在 は、超音波画像の強化処理の要求を容易に満すものではない。特に、既存の超音 波装置に後から取付けることは容易てはない。
したかって、位相収差の近似が、超音波作像に採用される場合、多くの画像処理 人工物か増加する。
超音波画像の明瞭度すなわち解像度の向上のため、他の試みがなされているが、 成功した例は限られている。佐々木に対する米国特許!4.478.085号で は、超音波トランスデユーサの厚さは、ビームの拡がりを最小にしようとして、 アレイ全体に亘って変化する。G’ Donnetlに対する米国特許第4.4 70.305号では環状の超音波トランスデユーサアレイ及び近接フィールド内 で鋭い焦点を有するホーントランスデユーサを近似させるためのタイムディレイ トパルスか採用されている。このシステムの使用により、焦点の改善は2Oao 迄達成されるが、作像は3 MHzで完成する。深度での焦点の改善は、0°D onnellの特許では、可変受信シグナルゲインを使用することにより、画像 中のサイドローブノイズを減少させるようにすることにより達成している。
C0urSantに対する米国特許第4.677、981号では、超音波エコー グラフィック画像における焦点の改善は、超音波トランスデユーサの偏光特性を 用いることにより達成される。この試みの不利益は、初期偏光情報が入っておら ず、又、総強度が欠落していることである。この試みは、超音波画像のダイナミ ックレンジ及び解像度のみるべき改善には殆んど寄与していない。
可変周波数超音波走査もまた、例えばBr1sken等に対する米国特許第4. 442.715号に用いられており、又、矢野に対する米国特許第4.664. 122号では、ピッチ変化が採用されている。ドツプラーシフトもまた、例えば 瀬尾に対する米国特許第4.509.525号に教示されている如く、走査目標 の移動の探査に採用されている。
未発表ではあるか、公開された要約中で叶、 Nathan Cohenは水中 音響作像において、リニア又はノンリニア作像技術が、増大するダイナミックレ ンジ及び画像精度に対する識別すべき位相の回復の助けに用いられることが示唆 されている。この要約にはまた、光学的及び電波天文学的な作像訓練による技術 が適用可能であることが示唆されている。C0henの「水中音響アレイを用い た位相の回復及びキャリブレーション」米国音響学会誌Sup 1、Vol 8 2 PP574〜575(+984)どれが利用可能か、どのように利用できる かの技術及び医学的作像に対する適応性については、この要約に言及されていな い。
電波天文学の画像は、カルテシアン座標、即ちX−Y座標の画像として表示され る。したがって扇形状の超音波画像は、画像の頂点かトランスデユーサアレイの 位置にくるように表示される。
データはレンジ又は半径r及びアジマス又はアングルθのフォーマットで表示さ れる。
r、θ表示フォーマットを用いた場合、ノイズ及びサイドローブはトランスデユ ーサからのレンジが増大するにしたがって、より大きな拡がりで示される。レン ジが増大するにしたがって画像はレンジがトランスデユーサに近付いたレンズに 比してより大きなノイズとなる。r1θフォーマットの表示に対するビームノイ ズの回り込みを除去するために通常X、Yフォーマットでの回り込み除去のため のr、θデータのX、Y座標への座標変換が行なわれる。また、X、Yポイント の点拡散関数をr、θフォーマットに変換し、次いてノイズを回り込み除去し、 従来の表示に対するr、θフォーマットに変換することも可能である。
本発明者の出願の未許可の出願中に述べた処理及び装置では、信号処理人工物の 形でのノイズは除去されておらず、又クロスコリレータを含まない信号処理装置 に対して位相収差も除去されていない。これら2つの目的は、特にそれらが既存 の装置に妥当なコストで後から装着され、リアルタイムレートで完成させること かできるとしたならば、誠に望ましいことである。
したがって、本発明の目的は、ノンリニア及びリニア画像処理技術で作り出され た画像処理人工物を実質的に減少し、除去することも可能な画像処理方法並びに 装置を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、高められたダイナミックレンジを有する画像を作り出 すことができ、コンピュータ作業の重荷が妥当な増加で済む画像処理方法及び装 置を提供することにある。
本発明の他の目的は、不均質な媒体中の静止及び移動目標の高解像度の画像かリ アルタイム作像速度て超音波信号を用いて作成するエコーグラフィー装置及び方 法を提供することにある。
本発明のさらに池の目的は、既存の超音波トランスデユーサアレイ及び作像され る画像の解像度及びダイナミックレンジの増大のためのコリレータに後から取付 けて使用可能な超音波作像装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに池の目的は位相収差を減少することができる画像処理装置及び方 法を提供することにある。
本発明の他の目的は、位相収差が減少され、かつ画像処理に誘導されるノイズが 減少され、妥当なコストを有し、種々のエコーグラフィック作像装置に容易に後 から取付けて使用することができる、リアルタイム画像処理が可能なエコグラフ イック画像処理装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は位相収差を経験的に減少させるために、国家により容 易に調整することができる画像処理装置及び方法を提供することにある。
本発明の装置及び方法は、以下に図面を参照して述べる発明の実施の最良の形態 及び添付の図面より明らかな利点及び目的以外の特徴をも有するものである。
発明の開示 本発明の一つの態様では、処理される画像データを増強するため処理する人工物 を除去するための方法及び装置が備えられている。その方法は、簡単に云えば、 処理される画像データセットからのデータをオリジナル又は比較的処理されてい ない画像データセットからの対応するデータと比較するステップ、及び処理され た画像データセット中のデータをオリジナル画像データセット中の対応するデー タの価に対して再評価するステップとから成る。
本発明の装置は、簡単に云えば、処理される画像データセット中のデータの値を 、オリジナル画像データセット中のデータにより減少するために結合されたマス キング装置を含んでいる。
本発明の他の態様では、位相収差の減少のための方法及び装置を備えている。そ の方法は、簡単に云えば、非標準的座標変換し、画像データセットからの1つの データに変換し、画像データからのノイズの回り込みを除去するために用いられ るアルゴリズムで回り込み除去ステップを有する。上記の非標準座標の変換は、 クロスコリレーション装置を使用することなく、経験的に臨床医によって調整可 能である。位相収差装置は、座標変換を在来型のアルゴリズムから変化させるた めに結合された座標変換入力装置を含む。
発明を実施するための最良の形態 信号処理人工物の除去のための本発明の装置及び処理をCLEANアルゴリズム を使用するサイドローブ除去処理と関連させて詳細に記述する。しかし、本発明 はデータ人工物が出来る可能性のある信号処理技術の広い範囲に適用される。し たがって、本発明のシステムは、ハイブリッドマツピング技術、最大エントロピ ーノイズ削減技術、及びリニア信号平均化処理に迄も利用可能である。同様に、 本発明のシステムは、超音波信号処理に関連づけて詳述されているが、レーダ、 マイクロウェーブ、ソナー及び光学的信号処理等の能動的画像処理システムに適 用可能であり、同様に例えば電波天文学等に用いられる型の受動的信号処理にも 適用可能である。
図1に図式的に示す如く、全体として符号10で示すエコーグラフィー作像装置 は、トランスデユーサT、からT、より成り、全体として符号12で示す送信及 び受信用トランスデユーサアレイを含んでいる。トランスデユーサTは幾何学的 に信号を目標(図示せず)例えば人間の組織の方向に送るような位置に配置され ている。レーダー、マイクロウェーブ及び他の用途の場合は、目標は非常に物質 的であり、目標の性質は本発明の部分を形成しない。トランスデユーサの数が多 くなる程、アレイ12より得られる画像の幾何学的開口の大きさは大きくなる。
トランデューサTは、必らずしも図1に示す如く直線的な群になるように配置さ れる必要はない。さらに常套的には、トランデューサは、共通の枠又はプローブ に、固定された相対位置に二次元的に搭載される。
超音波への利用では、トランデューサT1からT、の夫々が広帯域パルス又はド ツプラシフテッド連続波信号を送信する。したがって、ウェーブ/パルス発生器 13が各トランスデユーサTに電気的に結合されて、ウェーブ/パルス発生器1 3を駆動し、さらにアナログ/ディジタル変換器15に結合されて、その出力は 汎用ディジタルコンピュータ17(図1に図式的に破線で示す)に入力される。
各トランデューサから送信された超音波信号は、伝達媒体を通って拡散し、そし て選択された目標組織に接触し、はね返る。反射したパルス/ウェーブはエコー 信号となってそのトランスデユーサ源に向って戻り、トランスデユーサに受信さ れる。しかし、エコー信号はまた近接し距離が若干異るトランスデユーサによっ ても受信される。各トランスデユーサの特性及びノイズ特性及び不均質な媒体の 間に現れる層によって作られる分散の差は近接するトランデューサで受信された エコー信号の位相及び振幅の差に寄与する。したがって、個々のトランスデユー サT、〜T、は、目標の位置、距離、等高線の構成、及び媒体の反射率に対応し た時間遅延のレンジだけ反射してきたエコー信号を受信する。各トランスデユー サにより受信されたエコー信号の位相及び振幅は各時間的瞬間に計測され、アナ プロ/ディジタル変換器15を介してコンピュータ17に入力される。
枠14て図式的に示した自動コリレータ14は、各トランスデユーサに対する送 信及び受信信号を伝播時間遅れだけ自動的にコリレートするのに順応する。自動 コリレータは、公知の自動コリレーノヨンアルゴリズムを遂行し、各トランスデ ユーサに対する発信及び受信信号の間のコリレーションを実行する。理想的に、 かつ商業的超音波反射画像以外の応用では、自動コリレータ14は破線で示され たクロスコリレータ16に結合される。クロスコリレータ16は、自動コリレー トされた信号の対をクロスコリレートするのに用いられる。クロスコリレータの 目的は、トランスデユーサバンク12により決定される全幾何学的開口の振幅及 び位相密度分布を決定することである。クロスコリレーションは、クロスコリレ ートされたトランスデユーサ対の目標に対する相対的物理的な位置の差、位相の ずれ(offset)を決定する。これらの差違はトランスデユーサバンクの形 状の結果として固定される。
しかし商業的の超音波作像装置は、たとえこのようなりロスコリレーション装置 の使用が媒体の不均質性による位相収差を除去するにしても一般には本発明の人 工物除去装置及び処理はクロスコリレーションを含んだ画像処理装置ならびに在 来型の超音波作像装置のようなりロスコリレーションを含まない装置に利用可能 である。自動コリレータ14からの振幅及び周波数データは次いて直接時間領域 のデータとして、データ貯蔵マトリックス24に「可視性振幅JデータAijの 形で貯蔵される。補足的に、「可視性位相」データは同様に直接マトリックス2 4に時間領域可視性位相データφ1jとして貯蔵される。
これらのデータはしばしば単独で画像マツピングに使用される。
可視性位相データについてはノイズを多(含みすぎるとして典型的には捨てられ る。本発明者の先願には、超音波作像トランスデユーサからの補足的有用データ がいかに得られ、分割されマツピングに使用されるかが記載されており、かかる 記述はここに指示により収録する。データ処理の人工物の減少させるための本発 明の装置及び処理は、本発明者の先願に言及したように分割されたデータの種々 の組合せと共に採用することができる。しかし、本発明者の先願の補足的有用デ ータの回復のための処理方法がデータ処理人工物の減少のための本発明の実施の ために採用されることは必らずしも必要ではない。
しかし要約すれば、画像マツピングに有用な補足的データは、自動コリレータ1 4に結合されたフーリエ変換器18でのフーリエ的変換により得ることができる 。(もし、クロスコリレータ16が採用されるならば、自動コリレータ14の出 力はクロスコリレータに結合され、次いでそれはフーリエ変換器18に結合され る。)フーリエ変換器18は、トランスデユーサのアレイの時間領域プロットを 周波数領域に変換し、空間の周波数データ(U−V)を生ずる。ノイズの囲り込 み除去のためのビーム及びサイドローブレスポンスの合成に用いられる。ビーム 及びサイドローブレスポンスは2次元的位置を各トランスデユーサに割当て、遅 延のアレイのフーリエ的変換を行なって二次元空間の周波数スペクトラム特性を 、各トランスデユーサ対が(U−V)点に対応するように特徴づけることにより 得られる。各(U−V)点はそれに対応するトランスデユーサ対に割当てられる 。フーリエ変換された周波数領域でのU−V面の説明はアレイ点拡散関数又は[ ダンティービームを作り出すために再変換されるべきデータを生ずる。コリレー トされたデータのフーリエ変換された周波数領域は「ダーティ−マツプ」を生ず るためフーリエ変換されることができる情報を生ずる。このようなU−Vデータ は、データ貯蔵手段又はマトリックス22に貯蔵される。
さらなる有用データは、可視性振幅及び可視性位相データ並びに対応するU−V データに対するデータ分類処理により得られる。
UjJ+の中央部に示す如く、可視性振幅データはメモリ貯蔵マトリックス26 aに、可視性位相データはマトリックス26bに、そして「微分位相」データは マトリックス26cに貯蔵される。
もし、クロスコリレータ16がシステムに存在する場合は、「近接振幅」データ か作り出され、マトリックス26dに貯蔵され、[近接位相]データか作り出さ れ、マトリックス26eに貯蔵される。ビーム及びサイドローブレスポンスを示 すU−Vデータは可視性及び近接振幅及び位相及び微分位相がグラフ的に対応す るサブマトリックスに貯蔵されるように示される。分類されたデータは、今やマ ツプ形成器(mapper) 27でエコーグラフイノ画像を作り出すために採 用される。マトリックス26a〜26e内のデータは顕著に増大するが、それは 特に位相データ内にはすでに本質的なノイズを含んでいる。したがって、さらに ノイズ減少処理を行なって、すべてのデータ特にノイズの多い位相データを強化 することが極めて有利である。図1に示す如く、本発明の方法によるさらなる信 号処理では、合成開口につきものの複雑なサイドローブノイズの減少の形を取っ ているCLEANアルゴリズムを用いることか望ましい。
したがって、信号処理での次のステップは、合成開口の部分の「ダーティ−」マ ツプを作り出すことである。ダーティ−マツプは、可視性振幅及び位相のフーリ エ変換として定義され、もし、クロスコリレータが用いられる場合は、変換及び 近接振幅及び位相のモデリングである。ダーティ−マツプはサブマトリックス2 6a〜26e内の周波数領域データをこの分野では公知のマツピング技術を用い て採用する。マツプ形成器27はフーリエ変換ステップを含むものと理解される べきてあり、マツプ形成器27からの出力はオリジナルマツプデータとなり、デ ータ貯蔵マトリックス29に貯蔵され、識別器(identifier) 26 及び減算器(subtractor) 34に送られる。
作り出されたダーティマツプは、多数のトランスデユーサ開口アレイの形状には つきもののサイドローブレスポンスにより作り出される高レベルのノイズを含ん でいる。サイドローブ減少処理には、マトリックス26a〜26e内のU−Vデ ータが用いられ、単一の点源のトランスデユーサアレイの合成ビーム(「ダーテ ィ−ビームJ)レスポンスをシミュレートする。ビームシンセサイザ40は全部 のU−Vデータの周波数領域でのビームパワーパターンへの変換又はマツピング を行なう能力がある。U−Vデータからマツプされることができるビームパワー パタンはもし目標がトランスデユーサのアレイ12により示される点構造又は源 である場合、本質的に発生するサイドローブを事実上代表している。
サイドローブ減少又はノイズ回旋除去処理は相互に作用する処理方法であって0 LEANアルゴリズムを使用することによって(必らずしも使用を限定しないが )事実上リアルタイム処理として行なわれる。これは時間領域と周波数領域の両 方について行なわれるか、図1に示す如く、サイドローブ削減は時間領域に行な われる。
第1のステップは、識別器手段36を用いてデータを走査し、ダーティ−マツプ 上の最も明るい点を識別することである。この識別は、数学的にデータ上で最大 のピーク又は最高の強度値を見ることによって行なわれる。図1に符号42で示 すような典型的な超音波ディスプレイ(512本×512画素/本)では262 .144個のデータポイントかあるから、マツプ全体を最も明るい点を識別する ために走査することはコンピュータにとって極めて重荷になる。コンピュータの 負荷を軽減するために採用しつる一つの技術は、512画素の各ラインのみをX 、Y方向に、又は適当に変形された画像を最も明るいデータポイントを識別する ために識別器手段36で1ライン毎に走査することである。もし、この技術が採 用された場合は、複数の平行処理器を備えた識別器とともに識別器36による平 行処理が可能である。
一度、ライン上の最も明るいデータポイントが識別されたならば、(ラインの走 査が行われない場合はマツプ上の最も明るいデータポイントが識別されたならば 、)CLEANアルゴリズムが、点拡散関数(ダーティ−ビーム)のその線上の 残りのデータから最初の回り込み除去のために用いることができる。サイドロー ブ削減ステップではビームシンセサイザ40内の1つの点源に対するU−Vビー ムレスポンスデータがライン上で最も明るい又は最も高いピークを取り巻くその ライン上のすべてのデータから図1に忰34で示す減算器により削減される。こ のステップはライン上の明るい点の囲りのサイドローブを表わすデータを取り除 き、よりノイズの少い、又はクリーンなマツプが作られ、最も明るいデータポイ ントの囲りのサイドローブレスポンスを表わすデータが除去される。比較器41 は、削減されたノイズレベルの規準に対する結果のライン内のデータを走査又は 比較する。例えば、解像度入力装置43は、マツプ及びその中のラインのダイナ ミックレンジすなわちノイズレベルに対する最大シグナルのレンジを特定する。
ダイナミックレンジは特定の量又はその他のノイズを超えるように入力43によ りめることができる。回り込み除去プロセスはそのライン上の次に明るい点に行 くことにより続行される。このようにして、もし規準に合わない場合は、比較器 41は、マツプ形成器27内のラインデータをよりクリーンなデータと取り替え 、識別器36は、ライン上の2番目に明るいポイントを識別し、減算器34は、 サイドローブレスポンスを表わすデータをそのライン上の他のすべてのデータか ら引き去る。このプロセスはそのライン上のデータか許容できる結果になる迄続 行される。
■ライン毎にノイズ回り込み除去を行なう場合、しなければならない一つの仮定 は、点拡散関数又はダーティ−ビームが二次元で、三次元ではないことである。
しかしながら、上記のローブは隣接するラインに延びる部分では、特に一般の市 販のプローブでは無視しうるのでこの仮定は妥当である。改良されたトランスデ ユーサアレイについては、サイドローブデータはかなりの量が隣接ライン上にあ ふれ又は見出され、これはラインバイライン走査し2次元CLEAN除去を行な うものでは妥当性は減少する。すなわち、隣接ライン内のサイドローブはサイド ローブが実際に起る隣接ライン内の明るい点の代りに、1対として又はそれらが みられるライン上のデータに付着させて扱われる。
2次元のサイドローブ除去により引出される問題は、点拡散関数が2次元ノ場合 、2次元cLEANl:第2の2次元CLEANが続くことにより非常に小さく なる。ただデータが90’回転し、点拡散関数が中央ハイビークになり隣接する より小さいサイドローブビークになるように修正される。データの回転及び回転 されたサイドビークの回り込み除去は隣接ライン上のサイドローブを代表するデ ータもまた除去される。
しかし、上述の如く、現在広く用いられている超音波装置に捕えられたデータは 2次元に極めて近い点拡散関数又はビームパターンを有し、CLEANアルゴリ ズムを用いてラインバイライン2次元回り込み除去を行い、高効率で実質的にコ ンピュータ作業の負荷を削減する。
この相互に作用する回り込み除去プロセスの間、がなりの量のノイズデータがマ ツプ形成器27より来たオリジナルデータセットから除去され、今やデータ貯蔵 手段29に貯蔵される。しかしながら、サイドローブ除去の相互作用もまた、処 理されたデータセットにデータポイント及び目標内に作像された実際の構造を表 わさない値即ち処理の人工物を導入する。したがって、−たん、比較器41がデ ータのダイナミックレンジが入力された規準に見合うことを検知すれば、データ は[処理されたデータセット」としてマスキング手段又は「マスキング装置」4 5を通過する。
本発明の装置及び処理プロセスは、処理されたデータセットから処理ノイズ成分 を除去するための精度が高くしかも簡単なシステムを備えている。マスキング手 段45は、この目的をオリジナルデータセット(マツプ)の中の対応するデータ (画素の強度値)の値による処理されたデータセット(マツプ)のデータの値を 増大することによって達成している。したがって、処理されたマツプ内の各画素 の強度値は、ダーティマツプ内の対応する画素の強度値倍される。比較器41か らのマスキング手段45を通過した処理されたデータセットは、貯蔵手段29内 のデータマツプからの対応するデータを画素毎に掛は算される。このデータの再 評価又はマスキングはしばしば“5elf−apodiZation”と云はれ る。
貯蔵手段29に貯蔵されオリジナル又は「ダーティ−」マツプデータは画像を正 確に再生するためにオリジナルデータセットからの有効なデータのすべてを含ん でいる。貯蔵手段29内のデータはまた、有効な目標を代表しないノイズデータ をがなりの量含んでいる。比較器41からマスキング装ft45を通過したデー タはかなりの量のノイズか除去される。このノイズは貯蔵手段29内のデータに 現れる。しかし、それはまたはるかに少い量の処理ノイズ又は人工物を導入する 。ダーティ−マツプに対する対応するデータ値のノイズ減少マツプ倍の倍率をか ける効果は両方のデータセットに現われるデータがノルマライザ39に送られる データ内で強化されることである。一方、ダーティ−マツプが生じた後で導入さ れる処理ノイズ成分データは、貯蔵装置29内のダーティ−データによる対応す る強化は持たない。したがって、貯蔵装置29内のダーティ−データは、処理さ れたデータセット内のデータの処理ノイズ成分のマスキングアウト又は除去の効 果を持つ。
もし、オリジナル画像データセットが零画素値を含んでいるならば、零を掛けて 強度増倍処理された画像データはオリジナル画像データセットに示されていない 処理された画像データセットを除去する効果がある。オリジナル画像データセッ ト内の低い値のデータに対しては、このようなデータの低い値は、対応する処理 された画像データ倍することにより、同時に発生する人工物の値を減少する。オ リジナルダーティ−データセット中のノイズと同時発生的にある人工物を有する 処理されたデータセットの処理ノイズ成分に対して、それは統計的に可能である と云うことは評価される。したかって、本発明によるマスキング処理は、処理さ れたデータセット中の処理ノイズ成分のすべてを除去することはできないかもし れないが、このようなノイズ成分からの実質的削減には効果があり、またある場 合には処理ノイズ成分の完全除去に効果かあることは統計的に可能である。
さらに複雑な作像処理システムで特にリアルタイム表示が要求されない場合、二 重マスキングを採用することすら可能である。
例えば、処理ノイズ成分の減少のためマスキングに続くサイドローブ削減を使用 し、データを処理することか可能である。そのデータは次いで、ハイブリッドマ ツピング又は最大エントロピーを用いて処理され、処理ノイズ成分削減のためマ スクされる。次いて、これら2つのデータセットは互いに他方に対してマスクさ れ、それによって両方のデータセットに共通のデータ点のみが補強され、共通で ないものはマスクで除去される。これは、統計的に同時に発生する処理ノイズ成 分の減少により、さらにノイズを減少する。それと云うのも、2つの異る信号処 理技術は統計的に同時に発生し、オリジナル又はダーティ−データセット中のデ ータを育する異る人工物を作り出すからである。
オリジナルデータセット中の値を処理されたデータセットの値に掛ける望ましい 技術は、処理された画像データセット中のデータの値に、オリジナル画像データ セット中の対応するデータの絶対値を掛け、次いでその結果をオリジナル画像デ ータセット中のあらゆるデータ中の最高のデータ値で割算するものである。この 割算ステップはスケーリング(scaling)効果をもつのでデータの値か最 大を超えることがない。
本発明の処理された画像データからのノイズの減少は、CLEANアルゴリズム 、最大エントロピノイズ減少及びハイブリッドマツピングノイズ減少を使用する サイドローブ削減等のノイズ減少処理に特に有用である。この技術はレーダ画像 装置、ソナー画像装置、マイクロウェーブ画像装置、超音波画像装置、光学的画 像装置、及び電波天文学画像装置でデータが捕えられ、捕えられた画像データが 画像処理ノイズ成分が導入される画像処理技術により処理される場合に利用でき る。画像処理成分の除去又は減少するためのデータの再評価は単に通常スケーリ ングのための割算と組合された掛算であるから、本発明の処理はコンピュータの 負担にならないのみならずリアルタイム処理を妨げない。
データマスキングが行なわれる前に、データは回り込み装置又は回り込み手段4 6を通過する。2次元サイドローブを生じない点拡散関数又は「クリーンビーム 」を巻き込み、データのマスキングに先立ち回り込み除去され、ノイズが減少さ れたデータに戻るCLEANアルゴリズムかラインバイラインベースで再び使用 されることが望ましい。
表示される画像の解像度をさらに強化するために使用される1つの技術では、ダ ーティ−ビーム上のメインローブの輻より概ね小さい輻の回復又はクリーンビー ムをコントロールするためCLEANアルゴリズムが使用される。これはデータ の過剰処理であるがこれは非常に妥当なもので、超音波装置の超高解像度を達成 できる。したがって、CLEANアルゴリズムはサイドローブが回り込み器46 により回り込まされマスキング装置45へ戻された際、サイドローブ−フリ一点 拡散関数を狭めるのに使うことができる。もしあなたが回復又はクリーンビーム を狭める場合はあなたは開口の有効直径を拡げる。しかし、回復ビームは狭めら れているので、あなたは食べつづけ始める又はデータに穴を作る、すなわち処理 過剰となる。それでもやはり、画像の解像度は増大し、このような過剰処理は進 行する。例えば、Rayleighの規準を超せばそれは超解像度と云はれる。
本発明のマスキング処理の効果の1つは、画素の強度の真の目標の特性を隠すこ とができると充分立証出来る程度迄再評価の結果、コントラストを増大させるこ とができると云うことである。
本発明の重要な他の特性は、正常化が強度の正常化を与え又望ましからぬコント ラスト変化を防止することである。この正常化はマスティング再評価ステップの 後の価から表示画像を形成するよりもむしろノルマライザ39でデータ値のn乗 を施すことにより行われる。もし、データマツプ又はライン上の最も明るい点が 1.0の値をもつとすれば、その値のn乗は1.0である。望ましいパワー(累 乗数)は約0.2と1.0の間である。したがって、平方根(n = (1,5 )データポイントが0.49の値をもつ場合は0.7となる。この値は有効に強 さを最も明るい点の方に変化させ、コントラスト差を減少させる。
評価されているように、もし誰かが何らかの理由でコントラストを増したいと欲 するならば、変換処理が採用されるであろう。
即ち、マスクされたデータを1.0より大きい累乗数で累乗して使用し表示する 。例えば、n=2とする。データ値が1.0の場合、変化することなく維持され るが、データ値が0.5の場合は0.25に減少する。
これに関連して記憶すべきことは、殆んどの超音波の表示器42では、画素は一 般に64又は256の強さの段調があり、零では黒であり、64又は256では 最も明るい強さとなっている。マスキング後の値は零から1.0で、したがって それらの値は強度レベルのレンジがビデオ表示上で適切であると考えられるから である。
本発明の処理方法及び装置の第2の態様では、位相収差又は近接フィールド影響 に対する修正が備わっている。上述の如く、クロスコリレータ16及び近接した 振幅及び近接した位相データを含めるためのデータの分別(貯蔵手段26 d、 26 e)を設けたことは、不均質な媒体を通過する信号の伝播及び/又は受信 に基づく位相収差の問題を完全に除去する。残念ながら、市販の利用可能な超音 波゛作像装置はクロスコリレーション装置を含んでいない。したがって、位相収 差除去のためのクロスコリレージコンを含んでいない画像処理装置での位相収差 の減少を行うことは本発明の目的のためである。
さて、本発明者の先願の信号処理方法に使用される処理の種々のステージにおけ るメモリから表示されたとしたら見えるであろう仮定画像データセットのグラフ 的表現を示す図2八から2Dを参照して、説明する。したがって、グラフィカル 表示61は極座標r、θでの画像データを示す。国家はカルテシアンフォーマッ ト(直交座標)によるものより、むしろ極座標による超音波画像データを見るこ とに馴れている。ビデオ表示管は物理的にカルテシアン画面用にすなわちライン と画素の列で構成されているが、グラフ61上の画像は画素格子がカルテシアン であること以外はビデオディスプレイ42上に示されたものと同じ形である。
極データグラフ61では実際の画像データを代表する多数の固定洛子枡目がみら れる。これが作像者が見ようとするデータであり、図2Cにグラフ62として示 されている。しかし、極グラフ61では[×)印を内部に付した枡目で示す位相 収差データが示され、又、「○」印を内部に付した枡目で示すノイズデータが示 されている。もしグラフ61が何の処理もせずに表示されたとすれば、目標の真 の形状(すなわちグラフ62)が決定しにくいぼやけた画像が見られるであろう 。
したがって、CLEANアルゴリズムを使って、又は他の信号処理技術を使って サイドローブ除去を容易にするため、トランスデユーサアレイによって捕えられ たr、θデータは、図2へのスクリーン63に示すようなカルテシアン即ちXS Yデータに変換される。グラフ的表示61と63とを比較すれば明らかな如く、 グラフ61に示すすべてのデータはなおグラフ63に示されてし)る。CLEA N回り込み除去を極座標によるよりもカルテシアン座標て行うことは在来行なわ れているところであるが、記憶すべきことは、点拡散関数又はビームの座標変換 を用い次いでr、θすなわち極座標でCLEANを実施することも可能であると (蕩うことである。しかし、いずれの試みでも座標システム間の変換を引受けな ければならない。
極座標から正確に等価なカルテシアン座標へ又はその逆の座標変換は簡単なアル ゴリズム、即ち次式でカッく−できる。
ここにKつ及びに、は、r=0及びθ=0の点からX=0及びY=0の点迄の距 離によってきまる定数である。
もし、上述の従来の座標変換を使用したとすれば、不均質な媒体を通って信号が 伝播され反射されることに起因する画像データセット中の位相収差データは、す べてのノイズデータと同様、簡単に通過されてグラフ61になる。
データ処理の次のステップは例えばOLE八Nへルゴリズムを用いたサイドロー ブの除去である。したがって、グラフ64より判る如く、カルテシアン座標によ るOLE八Nへルゴリズムを用いてノイズデータが除去される。同じくグラフ6 4に示すように、CLEAN信号処理ステップが僅かの処理人工物を導入する。
そのデータは枡目の中にΔを入れたもので表わされている。
CLEANステップの後のX、 Yすなわちカルテシアンデータは次いで表示の ためにr、θすなわち極座標に変換して戻される。
したがって、グラフ66は、コリレーションを持たない本発明者の先願の処理プ ロセスを用いて信号処理した後表示された画像を示している。tた、このグラフ には位相収差又は近接フィールド効果のデータも含まれていることが見られる。
グラフ66!に示されたものと同じデータ画像はカルテシアン画面上に表示され るので、ビデオスクリーン42がX、 Y格子を持っていても画像はスクリーン 64でなくスクリーン66の様相で示される。
しかし、本発明の処理及び装置では、座標変換入力装置55(図1)がデータプ ロセッサ又はコンピュータ17に標準的でない座標変換アルゴリズムを用いて入 力するために使用される。認められているようにキーボードのような通常のコン ピュータ入力装置による入力装置55及び入力装置43を設けることもできる。
このような標準的でない座標変換アルゴリズムはデータ、ひいてはそれによって 出来る画像をゆがませる影響がある。このようなゆがみは不均質媒体を通る信号 の通路の理由でカウンタ又は位相収差の影響に対する補償に用いることができる 。
したがって、座標変換入力装置55は、標準的医学応用で典型的に発生する位相 収差に対する補正をするためにこのような応用に対し座標変換アルゴリズムを経 験的に決定されたやり方で変えるのに使用することかできる。例えば腹部を横切 る超音波作像では、膣を横切る応用で発生するものに比して異る量と型の位相収 差を経験する。入力装置55は得られる画像を見ながら座標変換アルゴリズムを 変化させるのに使用することができる。したがって、とのバリエーションが最も 大きい解像度を作り出し、どのバリエーションが画像汚れを生ずるかの表を作る ことができる。最終的にこのような比較システムは画像の解像度を入力された規 準と比較し自動的に座標変換アルゴリズムを解像度が得られる迄自動的に変えら れるように設けられた手段をもったコンピュータ17て行なうことができる。
図2Bで、グラフ67はグラフ61に一致するものであり、真の画像データ、位 相収差データ及びノイズデータを含んでいる。
枠68で示すステップでは入力装置55から入力されることにより標準的でない 座標変換が生ずる図より明らかな如く、グラフ67はゆがんだカルジアン格子6 9上のデータに変形されている。その結果、データによって占拠される区域は変 化している。再び云うが、すべてのデータはグラフ69に示されているが、標準 的でない座標変換の結果、それは圧縮され斜になっている。
グラフ69は2次元比例非標準座標変換を示す。しかし、非標準座標変換はI又 は2次元であることが可能であり、かつ局部化することも可能である。
ステップ7!では、グラフ69内のデータはCLEANサイドローブ除去にさら され、これによりノイズデータが除去され、マスクされ、それにより処理人工物 は除去される。その結果をグラフ72に示す。グラフ72では、データはカルテ シアン座標格子に示されているが、格子69内のデータの形と比べてゆがんでい る。ノイズデータがCLEANにより減少して減り、人工物のデータがマスキン グにより削除されてなくなっている。[データポイントjの数は、ゆがんでいな いカルテシアングラフ上にプロットされている理由でグラフ69内のものより、 グラフ72内で減少しているように見える。しかし真のデータの形状と面積及び 位相収差データは本質的に同じである(格子のサイズでのみ異り、折目のサイズ はグラフ的に相似を必要として大きくなっている)。
最後に、CLEAN処理され、マスクされたデータは、ビデオ出力装置42上に 表示するに先立って標準座標に変換されたグラフ73内の極座標に戻される。グ ラフ62.66及び73を比較することにより判るように、グラフ73内のデー タから表示される画像は、グラフ66の画像よりも、グラフ62の理想的な画像 により近い。グラフ73の画像は位相収差データが除去されていないか、その代 り不均質媒体により作り出されたゆがみに対して補償するようなゆがみをもって いる。
この位相収差の近似は、クロスコリレーションの如く位相収差の正確な解決には なっていないが、それは位相収差の解消又は減少の方法として、国家が種々の座 標変換を試みることが可能なシステムを提供する。コンピュータ作業の負荷は大 きくないので、このような経験的な調整、特に表の助けを借りた調整は医師又は 技術者によって、リアルタイム作像の間に、遂行可能である。本発明の技術は、 クロスコリレーションなしで、位相収差を減少させるためにトランスデユーサ− アレイの前の異るレンズを落すのに幾分類似している。
(自発)手続十甫正書(方式) 平成6年7月2rr日

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.目標の画像を、ノイズ成分を減少させて作成する方法において、 作成すべき上記目標の面像作成を可能とするため、上記目標からの充分な数の画 像信号受信のための作像トランスデューサの位置決めステップ、 上記画像信号を、オリジナルデータセットに変えるステップ、上記オリジナルデ ータセットを、上記ノイズ成分が上記オリジナルデータセットに較べて少なく、 かつ処理されたノイズ成分が導入される、処理されたデータセットを作成するノ イズ回り込み除去処理により処理するステップ、 次いで、上記のオリジナルデータセット中の対応する個々のデータの値に、上記 の処理されたデータセット内の個々のデータの値を掛けることによって、上記の 処理されたデータセット内の処理ノイズ成分を減少させるステップ、及び次いで 、上記減少ステップからもたらされたデータを、エコーグラフィック画像として 表示するステップより成ることを特徴とする方法。
  2. 2.画像信号から表示される画像の作成を可能とするため、作像すべき目標から の充分な数の画像信号を受信するために形成された複数の信号受信トランスデュ ーサを有するアレイ、上記のアレイに結合され、かつ上記画像信号を、上記の画 像信号を受信するための上記アレイの使用、減少されたオリジナルノイズ成分、 及び処理されたノイズ成分を有する処理されたデータセットを作るための上記処 理手段及び上記オリジナルデータセットの処理によりもたらされるノイズ成分を 含むオリジナルデータセットに変るため画像シグナルの受信に応答する処理手段 、上記の処理手段に結合され、上記の処理されたデータセットからの処理された ノイズ成分を減少するため、上記のオリジナルデータセット中のデータの評価に よる上記の処理されたデータセット内のデータの増大により、上記の処理された データセット内のデータを再評価するため、処理されたデータセットの作成に応 答するデータ評価手段、及び 上記目標の画像として、上記のデータ評価手段により増大させたデータに結合さ れた表示手段 を有することを特徴とする画像処理装置。
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