JPH11501140A - 方向適合ノイズ減少 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 画像はその主要な構造の方向を考慮に入れて処理される。該主要な方向は画像内の画像情報から得られる。特に本発明によれば別の方向の画素値間の差の積に依存するマトリックス要素を有する共分散マトリックスが計算される。共分散マトリックスの固有ベクトルは画像構造の主要な方向と対応し、共分散マトリックスの固有値は画像内の構造の強度を表す。共分散マトリックスは主要な構造の方向の変動を考慮に入れるように局部的に、即ち画像内のそれぞれの領域で計算される。

Description

【発明の詳細な説明】 方向適合ノイズ減少 本発明は画像情報が画像内の画像構造の主要な方向に依存して処理される画像 処理方法に関する。 そのような画像処理方法は独国公開特許明細書ＤＥ４４３１３４９から知られ ている。 そのような方法は医療診断画像に応用するのに特に適切であり、それは例えば 磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、Ｘ線画像法、Ｘ線コンピュータ断層法（ＣＴ）によ り得られる。そのような画像は僅かなコントラストの小さな細部を損なうノイズ 成分を含む。しかしながら画像内のそのような細部は特に医学的に問題であり、 即ち病理学的な初期段階の腫瘍のような小さな偏差は医療診断画像の表示で可視 化されなければならない。Ｘ線画像化でＸ線の量子ショットノイズは画像のノイ ズの重要な原因である。ＭＲＩ画像化でノイズの主要な源はシステム内の電子ノ イズにより形成され、それは患者の体の励起された核スピンの緩和を表す無線周 波数の磁気共鳴信号を受信する。 上記引用文献に開示されている方法はＭＲＩ画像の品質を改善することを目的 とする。画像を処理する知られた方法によれば４つの副画像が入力画像を低域通 過方向フィルタリングすることにより形成される。副画像のそれぞれは画像が形 成された４つのそれぞれの所定の方向に沿って画素値を平滑化することにより入 力画像から得られる。続いて入力画像とそれぞれの副画像の間の差を表す差画像 が形成される。処理された画像内のそれぞれの位置の画素値がそれぞれの副画像 の対応する位置の画素値の重み付き平均の形で得られる。重みは該差画像の画素 値の減少関数として得られる。所定の方向に沿って走る画像内の構造は実質的に 維持され、一方で処理され た画像のノイズ成分は入力画像と比べて減少される。 画像処理の知られている方法の欠点は、画像構造の保存は所定の方向の限定さ れた数に依存し、２つの所定の方向の間の方向に沿って走行する画像構造は所定 の方向に沿った画像構造に比べてより保存されないことである。故に画像処理の 知られた方法が医療診断画像に応用されるときに小さいが、引き伸ばされた細部 が処理された画像を表示するときに良好に可視化されなくなる。更にまた特に３ 次元以上の画像で知られている方法は多くの所定の方向を必要とし、斯くして画 質の適切な改善を達成するための膨大な計算量を必要とする。 本発明の目的はノイズ成分が減少され、画像構造が知られている方法により得 られた結果と比べてよりよく保存される画像処理方法を提供することである。本 発明の方法はまた知られている方法と比べて診断に用いる細部が識別可能なより 良い結果を達成する画像処理方法を提供することである。 これらの目的は該主要な方向が画像内の画像情報から得られることを特徴とす る本発明の画像処理方法により達成される。 画像は階調値又はカラー値を表す画素値のｎ次元データセットを含む。特定の 例では画素値の二次元のセット及び二次元又は三次元画像の時間シーケンスとし て表される画像は三次元又は四次元データセットとして表される。更に対象の実 質的に三次元体積に関するデータは三次元データセットを形成する。そのような 三次元データセットは特にコンピュータ断層法又は磁気共鳴画像法で得られた密 度分布の体積構造が形成されるときに得られる。そのような画像のデータセット は画像の輝度値を表すカラー値の階調値を表す画素値を含む。画素値は画素情報 を搬送し、特に画像内の位置にわたる画素値の変動が画像が表示されたときに実 際に可視化される画像を決定する。 画像処理は画像の質を改善することを目的とし、特にノイズ減少、 摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）の減少、コントラスト強調、エッジ強調を含 む。医療診断画像の画像処理は特に画像の細部の描出を改善することを目的とす る。本発明による画像処理方法は画像内のノイズのような摂動を減少する一方で 画像の細部を保存する。画像情報はしばしば主要な方向に沿って延在する画像構 造からなり、一方でノイズのような摂動は画像内の広範囲の方向にわたり多少と も均一に分布する。Ｘ線画像内のノイズの重要な原因は量子ショットノイズであ り、これはＸ線光量子の粒子の性質に起因し、これは強く方向的な相関を有する 。画像の細部は画像の該主要な方向を考慮に入れた画像の処理により保存される 。 画像構造の該主要な方向が画像の外側の情報と独立に画像から得られるので、 画像処理はそのような構造の方向と独立に画像の構造を保存する。故に画像構造 はその画像内の方向にかかわらず良好に保存される。 本発明の方法によれば該主要な方向は画像内で局部的に得られ、それにより画 像処理は画像の異なる部分で別の主要な方向を考慮することが可能である。特に 本発明の方法は異なる主要な方向を有する幾つかの画像構造を保存し、湾曲した 形を有する画像構造をまた保存するのに適している。 本発明による画像処理方法がＸ線コンピュータ断層画像又は磁気共鳴画像法の ような医療診断画像に応用されるときにほとんどコントラストのない小さな引き 伸ばされた細部が保存され、画像内のノイズと摂動は減少される。このようにし て画像内の問題の細部は画像の診断的品質が改善されるように良好に可視化され る。 更にまた本発明による方法はそれに沿って画像構造が検出されうる所定の方向 を充分多く設定する必要がないゆえに本発明による方法は三次元又はより多い次 元の画像に用いられるのに適切である。 本発明の方法の好ましい実施によれば画像内の画像構造の主要な方向は画像内 のそれぞれの位置の画素値の間の差から得られ画像内 のそれぞれの位置の画素値の間の差は該主要な方向及び該それぞれの位置に依存 して処理され、該処理された差から処理された画像に対する画素値が得られる。 摂動及び／又はノイズが減少された画像の質を向上するための処理段階は好ま しくは画素値の差で実施される。画像構造を表す画素値間の差はしばしば方向的 に相関し、一方で摂動及び／又はノイズに属する画素値間の差は方向の広い範囲 にわたって多かれ少なかれ均一に分布する。処理はノイズ及び／又は摂動が減少 されるが画像構造は保存されるようになされるために主要な方向を考慮に入れる 。そのような主要な方向が画像内のそれぞれの位置の画素値間の差から得られる 故にどのような画像構造もその主要な方向と独立に保存される。 本発明による方法の好ましい実施例では画像の画素値の局部傾斜は計算され、 該局部傾斜の局部共分散マトリックスが形成され、局部共分散マトリックスの少 なくとも一つの固有ベクトルが計算される。 共分散マトリックスは別の方向で離間される位置の画素値間の差に依存するマ トリックス要素を有する。特に共分散マトリックスのマトリックス要素は別の方 向で離間された位置の画素値の間の差のそれぞれの積に依存する。特に共分散マ トリックスのマトリックス要素は画素値の局部傾斜フィールドの成分の積に依存 する。該固有ベクトルは画像構造の主要な方向を表し、それは局部傾斜がある画 像の部分に存在する。局部傾斜の局部共分散マトリックスの形成は比較的簡単な 数学的操作である。一以上の固有ベクトルの計算は一般に知られた数学的方法に より実施されえ、処理ユニットで容易に実施できる。三次元又は四次元共分散マ トリックスの対角化のためにＰｒｅｓｓ，Ｆｌａｎｎｅｒｙ，Ｔｅｕｋｏｓｓｋ ｙによるハンドブック”Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｒｅｃｉｐｅｓ”（Ｃａｍｂｒｉ ｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ １９８６、Ｃｈａｐ ｔｅｒ １１．１）から知られているヤコビ（Ｊａｃｏｂｉ）の方法が適切であ る。 更にまた局部共分散マトリックスの一以上の固有ベクトルの計算は非常に少な い量の計算量のみでなされ、特に必要とされる計算時間は非常に短い。故に本発 明による方法は高価な計算パワーを必要とせず、画像の多くの部分で主要な方向 を表す固有ベクトルを計算しうる。実際に特に処理時間の一秒以下で画像の多く の部分が、画像の全ての位置でさえも取り扱いうることが判明した。故に本発明 による方法では異なる方向を有する画像構造又は複雑な形を有する画像構造を含 む画像内の画像構造を保存しうる。 本発明による方法の好ましい実施例では該処理された画素値は画像の画素値及 び局部共分散マトリックスの一以上の固有値から得られる。 局部共分散マトリックスの固有ベクトルに関する固有値は該固有ベクトルに対 応する画像内の方向に沿った構造の量を表す。二次元画像で一つの固有値が他の 固有値よりずっと大きいときには大きな固有値に関する固有ベクトルに関する方 向に沿った明確な画像構造が存在する。固有値が大きい場合には対応する画像構 造は関連する固有ベクトルの方向に沿ってより強く相関する。固有値がそれほど 異ならないときには画像内にはほとんど方向的な構造は存在しない。三次元画像 では血管の存在のようなライン型の構造は２つの固有値を生じさせ、これは第三 の固有値よりずっと大きい；他の２つよりずっと大きい一つの固有値は臓器又は 対象の表面のような表面状の構造を示す。 画像処理が共分散マトリックスの固有値を含む故に画像構造の方向性の量が考 慮に入れられる。一以上の比較的大きな固有値により示されるように方向的相関 がより強いとそのような構造がノイズ又は摂動により生じる可能性はより少ない 。斯くして本発明による方法はノイズ又は摂動により偶然生じた可能性の最も強 い画像構造を 画像内の問題の細部に関係する強い方向性相関を有する画像構造から識別する。 局部共分散マトリックス及びその固有値が別の部分に対して計算される故に画像 の別の画素でさえ、本発明による方法は画像構造の強度の空間的な差を考慮に入 れる。斯くして問題の画像細部からのノイズと摂動との間の識別での更なる改善 が達成される。 本発明による方法の好ましい実施例では該処理された画素値は画像の画素値間 の差の重み付き平均から得られ、重み付き平均は局部共分散マトリックスの一以 上の固有値に依存する重みを含む。 重みは局部主要方向がノイズ又はランダムに分布する摂動のいずれかから偶然 的に生ずる確率に関するか又は問題の詳細の画像構造に関する局部的に主要な方 向に関する。斯くして弱い方向性構造の多少の排除が簡単かつ迅速な計算段階に より達成され、他方で強い構造は画質が改善される、即ちノイズが減少され及び ／又は摂動が除去される間保持される。主要な方向に関する重みはそれらが対応 する固有値が一以上の他の方向に関する固有値に比べて大きい。重みｗ_rの依存 性はλ_rがそれに続く固有値より大きい場合にはｗ_rが１より大きいか又は約１で あり、λ_rが前の固有値より大きい場合にはｗ_rは小さく、１よりずっと小さい。 固有値は減少する順に分類される。 本発明による方法の好ましい実施例は画像が一以上のブロックに分割され、そ のブロック又は別のブロックに対するスペクトル係数は該ブロックから得られ、 画像のノイズレベルは推定され、減少されたスペクトル係数はスペクトル係数及 びノイズレベルから得られ、処理されたブロックは該減少されたスペクトル係数 から合成され、処理されたブロックは処理された画像に組み立てられる画像処理 方法であって、減少されたスペクトル係数を得るためにスペクトル係数が関係す る画像情報の画像内の空間分布が考慮されることを特徴とする。 画像が別々に処理される幾つかのブロックに分割されるときにそ れぞれのブロックのノイズレベルの差は考慮される。特に画像の別の部分でノイ ズレベルが異なる場合でさえ本発明の画像処理方法は問題の画像情報が維持され る一方でノイズは効果的に減少されるよう処理された画像を提供する。 画素値からスペクトル係数を得るために高速フーリエ変換（ＦＦＴ），離散的 コサイン変換（ＤＣＴ）、離散的サイン変換（ＤＳＴ）、又は離散的ハートレー 変換のような周波数変換がそれぞれのブロックの画素値に適用される。スペクト ル係数は画像の画素値の周波数成分を表す。周波数変換がなされる前にそれぞれ のブロックの画素値は処理された画像のアーティファクトを回避するために適切 なウインドウ関数を乗算される。次に周波数変換が画素値とウインドウ関数の積 に適用される。このようなウインドウの更なる詳細はＷｉｌｌｉａｍ Ｈ． Ｐ ｒｅｓｓ等による数値計算の数学のハンドブック”Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｒｅｃ ｉｐｅｓ”（Ｃｈａｐｔｅｒ １２．７）から知られている。画像内のノイズを 減少するために減少されたスペクトル係数がスペクトル係数と推定されたノイズ レベルから得られる。減少されたスペクトル係数からそれぞれの処理されたブロ ックに対する画素値が合成される。処理されたブロックの画素値はノイズが実質 的に除去された画像情報を表す。スペクトル係数と推定されたノイズレベルから 減少されたスペクトル係数を得ることによるノイズ減少はＸ線画像内のポアッソ ンノイズを減少することに対して特に適切である。ノイズ減少のそのような方法 は欧州特許出願第９５２０３５９０．５号（ＰＨＮ１５．６０６）に記載されて いる。更にまたそれぞれのブロックで画像構造の部分は画像構造が全体の画像の かなり小さな部分を占めるにもかかわらずそれぞれのブロックの比較的大きな部 分を占める。結果としてそれぞれのブロックのスペクトル係数ではより小さなブ ロックサイズが用いられる場合には画像情報へのノイズの混入はより少ない。他 方でブロックは実質的な画像構造を含み得るために充分大きくな ければならない。実際に適切なブロックサイズは３２ｘ３２又は６４ｘ６４画素 である。ブロックが相互に独立に処理される故にブロックは並列にも又は順次に も処理されうる。画像の短い連続が処理される場合に推定されたノイズレベルは 好ましくは幾つかの寄与（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）に分割される。 この実施例は例えほとんどコントラストがない場合にも処理された画像内の非 常に引き伸ばされた構造に関する画像情報を保持することを許容する。これは画 像情報が画像内の一以上の方向で大きな値を有するスペクトル係数に含まれ、一 方でノイズは実質的に均一な空間分布を有するスペクトル係数を生じる故にノイ ズが画像情報から識別されることにより達成される。特に低い信号対ノイズ値に 対応するがまた主要な方向を有する引き伸ばされた構造に対応するスペクトル係 数は減衰されないようにされる。この目的のためにそれぞれの空間周波数局部信 号対ノイズ比が処理中のブロックの平均輝度に属するノイズレベルに対するスペ クトル係数の比の二乗として計算される。好ましくはノイズレベルは画像化シス テムの伝達特性を考慮に入れる係数を乗算される。画像内のアーティファクトに 対する高い感度を打ち消すために局部信号対ノイズがクリップされ、それにより その値は所定の範囲内に入る。（クリップされた）局部信号対ノイズ比の二次元 収集から一以上の主要な方向が、それに沿って比較的高い値を有する局部信号対 ノイズ値が集中するように決定される。空間周波数領域でのこれらの主要な方向 は画像構造が延在する画像内の方向に関連づけられる。特に顕著な画像構造が画 像内で水平に延在するときに画像内の垂直なラインに沿って画素値の強い変動が 存在する。これは画素値ｐ_nmが第一の指標ｎに支配的に変動され、一方でそれは 第二の指標ｍに関しては非常にゆっくりとしか変化しない。そのような画像を変 換する空間周波数に関してスペクトル係数及び局部信号対ノイズ値ｃ_ijは低い値 を有する第二の指標ｊに対して比較的高い値を有する。特に局部信号対ノイズ値 ｃ_ijはｊ＝０に対して高い値を有する。 該主要な方向は例えばそのマトリックス要素として局部信号対ノイズ値の重み 付き平均を有するいわゆる「慣性マトリックス」から得られる。重みは関連する 局部信号対ノイズ比の周波数領域でそれぞれの軸に沿った距離に関係する。その ような主要な方向は慣性マトリックスの主軸に対応する。一旦主要な方向が比較 的高い値を有する局部信号対ノイズ値の集中に沿って得られると、一以上の主要 な方向に対する局部信号対ノイズ比の周波数領域での距離が計算される。あるい は別の局部信号対ノイズ比と、周波数領域での原点と局部信号対ノイズ比の位置 とを通るラインと主要な方向の一つに沿った原点を通るラインとの間の角度とを 計算してもよい。主要な方向で、又はそれに近接した局部信号対ノイズが減少さ れ過ぎるのを回避するために減少されたスペクトル係数は関連する局部信号対ノ イズ比と該一以上の主要な方向との間の周波数領域での距離を考慮に入れた局部 信号対ノイズ比から得られる。あるいは該角度を考慮に入れても良い。好ましく は局部信号対ノイズ比に関するスペクトル係数は対応する局部信号対ノイズ比が かなり小さいにもかかわらず画像情報を保持する減少されたスペクトル係数を得 るために主要な方向からはるかに離れて位置している故により減少される。 本発明による方法は好ましくは適切にプログラムされた汎用コンピュータによ り実施される。あるいは本発明による方法を実施するよう特に設計された電子回 路からなる特殊な目的の（マイクロ）プロセッサが好ましくは用いられる。特に 本発明による方法は画像の画素値を表す信号レベルを有する画像信号上で実施さ れる。 本発明のこれらの及び他の特徴は以下に図を参照して記載される実施例を参照 してより詳細に説明される。 図１はぎざぎざのエッジを有する引き伸ばされた構造を示す二次元画像を示す 。 図２は画素値間の主要な差の方向を表すベクトルフィールドを示す。 図３は図１に示される画像に本発明による画像処理方法をなした結果の二次元 画像を示す。 図１はぎざぎざのエッジを有する引き伸ばされた構造を示す二次元画像を示す 。例えば図１に示される画像は患者の血管を表す磁気共鳴画像である。この例で は引き伸ばされた構造１０は患者の血管を表す。構造の濃度は画像内で左から右 に増加する。画像の階調値は画素値ｐ_ijの二次元マトリックスにより表される。 画像を表す画像信号は信号レベルｐ_ijを有する。指標ｉｊは画像内の画素のデカ ルト座標内の位置を表す。 図２は画素値間の主要な差の方向を表すベクトルフィールドを示す。実際図２ に示されるベクトルフィールドは画素値▽ｐの傾斜フィールドの表現である；傾 斜フィールドは以下の成分を有する二次元ベクトルである 傾斜フィールドはそれぞれの点で矢印により図２に示される。各矢印の方向は 傾斜フィールドの方向を表し、矢印の長さはその点での傾斜フィールドの強度を 表す。血管を表す引き伸ばされた構造の故にほとんどの矢印は幾分左に向いた上 向き又は幾分右に向いた下向きのいずれかの主要な向きを有する。斯くして傾斜 フィールドの成分は相関された。所定の方向を有し、その幾つかは符号１１で示 される比較的長い矢印に加えて、画像内のノイズによりランダムな方向を示し、 その幾つかは符号１２で示される比較的短い矢印が存在する。 共分散マトリックスは画像の比較的小さなそれぞれの領域に対し てそれぞれ計算される。特に共分散マトリックスはそこで画素位置を含む画像内 のそれぞれの領域にわたり画像内の各画素位置に対して計算される。約７ｘ７又 は９ｘ９画素の領域が適切であることが判明した。そのような領域は共分散マト リックスが画像内の所定の方向の局部相関からなるために充分小さく、他方でそ のような領域はノイズを平均化することを許容するのに充分大きい。共分散マト リックスは以下のように与えられ、 即ち、共分散マトリックスはそのマトリックス要素として を有する。続いて共分散マトリックスは対角化される。共分散マトリックスの固 有値は符号λ_rで示され、デカルト座標を共分散マトリックスに基づく直交座標 に変換する変換マトリックスはＴで示される。実際にマトリックスＴは画像のデ カルト座標から共分散マトリックスの主軸により決定された直交座標への局部回 転を表す。斯くして共分散マトリックスＣは対角マトリックスΛとＣ＝Ｔ^tΛＴ により結合される。ここで説明している二次元の場合には２つの固有値のみが存 在する。画像がより高い次元を有するときにはより多くの固有値が存在する。特 に三次元体積再構成のような三次元の場合には３つの固有値が存在する。共分散 マトリックスの主軸である固有ベクトルは画像内の画像構造の主要な方向に対応 し、固有値の大きさは関連する方向での画像構造の強度の尺度である。 二次元又は三次元共分散マトリックスの対角化のためにＰｒｅｓｓ，Ｆｌａｎ ｎｅｒｙ，Ｔｅｕｋｏｓｓｋｙによるハンドブック”Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｒｅ ｃｉｐｅｓ”（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ １９ ８６、Ｃｈａｐｔｅｒ １１．１）から知られているヤコビ（Ｊａｃｏｂｉ）の 方法が適切である。 画像処理を更に進めるために固有値及び傾斜フィールドから固有値に依存する 重みが用いられる重み付き傾斜フィールドが形成される。好ましくは重みは事象 において１に近い又は１以上の値を有し、即ち一つの固有値が他の一つよりすっ と大きく、重みは固有値間の差が比較的小さな強度である領域で小さな強度を有 する。即ち▽ｐ_ijで示された重み付けられた傾斜フィールドは ▽^wＰ_ij＝ｗ（λ_r，λ_s）・▽Ｐ_ij により形成される。重み係数ｗは画素ｐ_ijを含む領域に対する共分散マトリック スの固有値に依存する。重み係数ｗは実際、成分ｗ_rを有する二次元ベクトルで ある。 続いて重み付けされた傾斜フィールドから処理された画像の画素値が得られる 。この目的のために重み付けられた傾斜フィールドは回転されて、画像のデカル ト座標に戻される。これは実際にはマトリックスＴ^tを重み付けられた傾斜フィ ールド▽^wｐ_ijに適用することにより実施される。戻すよう回転された傾斜フィ ールドＴ^t▽ 合する積分により計算される。戻すよう回転された傾斜フィールド 回転された傾斜フィールドの発散フィールドが形成される： ｄｉｖＴ^t▽^wｐ_ij＝▽・Ｔ^t▽^wｐ_ij この量は戻すよう回転された傾斜フィールドから処理された画素値 れる。斯くして処理された画素値はフーリエ変換の割り算として簡単になされる でコンボリューションにより簡単に得られる。 図３は図１に示される画像に本発明による画像処理方法をなした された画像を示す。より平滑なエッジ１３がエッジでのコントラストが保持され 、又は増加さえする一方で得られる。更にまた構造内の強度の変動も保持される 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (72)発明者 クンツ，ディエトマール ヴィルヘルム オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 画像が一以上のブロックに分割され、そのブロック又は別のブロックに対 して スペクトル係数が該ブロックから得られ、 画像のノイズレベルが推定され、 減少されたスペクトル係数がスペクトル係数及びノイズレベルから得られ、 処理されたブロックは該減少されたスペクトル係数から合成され、処理されたブ ロックは処理された画像に組み立てられる、画像処理方法であって、 減少されたスペクトル係数を得るために、スペクトル係数が関係する画像情報の 画像内の空間分布が考慮される ことを特徴とする画像処理方法。