Brevet FR2542541A1 — publié le 19840914

L'invention concerne la tomographie par ordinateur et plus particulièrement, des procédés de correction des artéfacts annulaires dans les images obtenues au moyen de tomotensitomètres rotation-rotation. Un but des concepteurs en tomographie par ordinateur est d'obtenir un balayage rapide avec une résolution et une discrimination de contraste améliorées afin d'obtenir des images claires et intelligibles, pratiquement exemptes d'artéfacts. La rapidité d'obtention des images est importante pour minimiser les artéfacts causés par le mouvement du patient ou le mouvement des organes du patient pendant le balayage. D'autres avantages d'un temps abrégé sont une moindre gêne pour le patient et un rendement accru. L'ancien équipement de tomographie par ordinateur (CT) utilisait un seul faisceau agissant enun mouvement de translation-rotation. Le tube à rayons X et les détecteurs étaient disposés à une distance fixe l'un de l'autre, sur des côtés opposés du patient. L'intensité détectée du faisceau de rayons X était enregistrée à mesure que le faisceau parcourait le patient dans une seule position angulaire. On modifiait la position angulaire et on imprimait à nouveau au faisceau une translation relativement au patient. On répétait cette opération un certain nombre de fois. Evidemment, avec cette méthode, il fallait un temps relativement long pour achever chaque balayage (environ 5 minutes). On a abrégé le temps appréciablement, à environ 10 secondes, en utilisant de multiples détecteurs dans un faisceau en éventail. L'étape suivante dans l'évolution de la tomographie par ordinateur à consisté à éliminer le mouvement de translation pendant le balayage. On y est parvenu en utilisant des séries relativement larges de détecteurs dans un faisceau de rayons X en éventail qui couvrait la largeur de l'objet balayé. On faisait tourner aussi bien la source de rayons que le détecteur (tomodensitomètre CR rotation-rotation ou R/R). Le temps de balayage était ainsi remené à une durée de 2 à 10 secondes. Alors qu'une rotation de 1800 seulement (plus l'angle du faisceau en éventail) est nécessaire pour obtenir des données suffisant à la reconstitution, les tomodensitomètres R/R tournent généralement de 3600 ou davantage par balayage pour com penser la divergence du faisceau dans la direction perpendi culaire au faisceau en éventail de manière à permettre l'utilisation d'une source de rayons de petite dimension et à obtenir tout de même une épaisseur plus uniforme de la coupe obtenue du patient. La source de rayons de grandeur réduite assure aussi un-faisceau plus nettement resserré et réduit par conséquent la dose de rayons. En outre, la rotation de 3600 réduit la dose à la peau. Toutefois, depuis l'introduction des tomodensitomètres CT du type R/R, l'image souffre d'artéfacts annulaires causés par des déséquilibres entre éléments détecteurs. Les concepteurs des tomodensitomètres utilisant les systèmes R/R ont eu recours à de nombreux systèmes compliqués différents pour éliminer ou du moins minimiser l'apparition d'artéfacts annulai res (voir l'article intitulé 'Suppression of Ring Artefacts in CT Fan-Beam Scanners", par G. Kowalski, publié dans IEEE Transactions on Nuclear Science, volume NS-25, n0 5, octobre 1978, et le brevet US 4 323 784). Parmi les solutions apportées par la technique antérieure aux problèmes d'artéfacts annulaires figure l'utilisation de séries spéciales de détecteurs harmonisés, par exemple l'uti- lisation de détecteurs d'ionisation gazeuse harmonisés, avec circuits servant à maintenir l'harmonisation (voir par exemple le brevet US 4 334 154). On utilise aussi des séquences spéciales de balayage dans lesquelles on effectue des étalonnages compliqués dans le cadre du temps de balayage pour mesurer et corriger les détecteurs en ligne. Ces solutions ont chacune des inconvénients inhérents. Par exemple, les détecteurs d'ionisation gazeuse ont une faible puissance d'arrêt et par suite, il faut une dose accrue de rayons X pour une qualité donnée de l'image.La séquence spéciale de balayage nécessite habituellement une source de rayons pulsée, ce qui entraîne un prix élevé de la fourniture de rayons et du tube à rayons X. En outre, il faut des étalonnages périodiques spéciaux pour la série de détecteurs, ce qui complique l'utilisation du système. On a donc grand besoin d'un procédé relativement simple et peu coûteux pour éliminer les artéfacts annulaires lorsqu' on utilise un équipement R/R avec série de détecteurs non Aquilibrée. En conséquence, un but de l'invention est de fournir de nouveaux procédés permettant d'éliminer ou du moins de minimiser l'apparition d'artéfacts annulaires dans les images de tomodensitomètre CT. Selon l'invention, on propose un procédé de correction des artéfacts annulaires qui se présentent dans les images obtenues par CT dans le cas oh la source et la série de détecteurs tournent, comme dans les tomodensitomètres CT R/R, procédé caractérisé par les étapes suivantes a) obtenir une image CT originale présentant les arté facts annulaires et qui est une combinaison d'une ima ge réelle et d'une image d'artéfacts annulaires causés par des déséquilibres de détecteurs, b) déterminer l'image d'artéfacts annulaires et c) soustraire l'image d'artéfacts-annulaires de l'image originale pour obtenir l'image réelle pratiquement exempte d'artéfacts annulaires. Le procédé de l'invention envisage d'obtenir l'image réelle exempte d'artéfacts annulaires même lorsqu'il existe un manque d'uniformité le long des zones circonférentielles de l'image, gracie aux mesures suivantes a) diviser l'image originale en secteurs, b) déterminer l'image d'artéfacts annulaires dans chaque secteur et c) soustraire l'image d'artéfacts annulaires de chaque secteur de l'image originale de chaque secteur pour obtenir l'image réelle dans chaque secteur. Le procédé de l'invention envisage aussi d'éliminer 1' image annulaire d'une image originale présentant des défauts d'uniformité des valeurs CT, dûs par exemple à des organes interposés, en calculant une image à bords renforcés ayant des valeurs pixel de q(i,j) en partant de l'image originale ayant des valeurs pixel de p(i,j), dans lesquelles q Une autre particularité de l'invention est l'utilisation de secteurs radiaux comme divisions de zones annulaires con centriques. Une autre particularité de l'invention comprend l'utilisation d'une fonction de régularisation lorsqu'on détermine la valeur des zones annulaires entre secteurs. Une autre particularité de l'invention consiste encore à écrêter pour éviter les grandes valeurs marginales, par exemple aux limites extérieures de l'image. Les particularités et buts mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux grace à la description suivante, portant sur un exemple de procédé de correction relatif à une seule figure qui représente une image engendrée par CT. L'image est représentée divisée en sections concentriques qui sont a nouveau divisées en secteurs radiaux. Le dessin représente l'image 11 engendrée par un tomodensitomètre CT rotation-rotation. Pour déterminer la valeur de la partie d'artéfacts annulaires de l'image, on la divise en zones définies par des anneaux telles que les zones Rm, kE+l, Rm-l, etc. En pratique, le nombre de zones définies par des anneaux est au moins approximativement égal au nombre de détecteurs de sorte que les zones définies par des anneaux suivent de plus près les artéfacts annulaires. Il existe un manque d'uniformité le long de la circonférence des parties d'artéfacts annulaires de l'image, de sorte qu'il est difficile de calculer les valeurs des zones annulaires. On rencontre des difficultés supplémentaires dans la détermination des valeurs des zones annulaires parce que des organes interposés ont des densités ou des valeurs CT diffé rentes. En général, ni l'image réelle ni í l'image d'artéfacts annulaires ne sont uniformes. Selon un procédé#préférentieI de correction des artéfacts annulaires, on réalise le renforcement des bords de l'image en tant que première étape pour surmonter les défauts d'uni formité introduits par les organes interposés. L'image, qui est divisée en éléments d'image ou pixels, tels que le pixel (i,j); est représentée sur le dessin comme ayant une forme généralement rectangulaire.Pour chaque valeur pixel p(i,j), une valeur q q (i,j) = A p (i,j) + Bau, fp(i,j)J + C dans laquelle A et B sont des constantes (environ +1 et -1 respectivement) : av#/p(i,j)/ est la moyenne de nxn pixels centrés en (i,j), et C est une constante qui est habituellement 0. Ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art, le renforcement des bords a pour effet que les limites des divers organes interposés sont nettement définies. Les images à bords renforcés sont caractérisées par de grandes zones uniformes présentant des valeurs 0 quand A est +1, B est -1 et C est 0. Il est entendu que cette étape de renforcement des bords pourrait être omise dans le procédé de correction des artéfacts annulaires ici décrit et que l'artéfact annulaire serait encore notablement réduit dans la plupart des cas, bien que la qualité de l'image puisse aussi être réduite. Après le renforcement des bords, on utilise l'image renforcée pour définir les artéfacts annulaires. Plus narticulièrement, on divise l'image à bords renforcés en zones concentriques définies par des anneaux telles que les zones Rm, i##l et Rm-l représentées sur la figure. Les zones définies par des anneaux sont centrées autour d'un point 12 qui correspond à l'axe de rotation des tomodensitomètre. Pour surmonter le défaut d'uniformité des zones définies par des anneaux lorsqu'on détermine les valeurs CT de l'image d'artéfacts annulaires, on divise en outre l'image à bords renforcés en secteurs dans lesquels les artéfacts annulaires sont plus proches d'être uniformes. Les secteurs sont de préférence des secteurs radiaux tels que les secteurs Sn, Sn-l et Sn+l. Dans le procédé préférentiel, chaque pixel est affecté à un secteur spécifique de zone définie par des anneaux tel que (Rm,Sn) indiqués sur la figure. On peut utiliser différents critères pour affecter les pixels à des secteurs de zone définie par des anneaux ; par exemple, si la majeure partie de l'aire d'un pixel est située dans un secteur particulier défini par des anneaux, on affectera le pixel à ce secteur. La valeur de chaque secteur des zones de l'image à bords renforcés qui sont définies par des anneaux se calcule par les étapes suivantes a) déterminer la valeur CT moyenne av(Rm,Sn) de tous les pi xels q(i,j) à bords renforcés appartenant à chaque secteur de zone définie par des anneaux et définie en outre comme comprise entre des seuils T1 et T2 de telle sorte que C+T1 r q(i,j) ? C-T2 b) déterminer une valeur d'artéfacts annulaires r(R,S) pour les pixels situés dans chacun des secteurs de zone définie par des anneaux, telle que la valeur r(Rm,Sn) pour tous les pixels situés dans le secteur d'anneau (Rm,Sn) en utilisant l'algorithme suivant r (Rm,Sn) = av (Rm,Sn) - av dans lequel av est l'intensité moyenne des pixels q(i,j) dans une certaine zone définie, par exemple tous les secteurs de zone définie par des anneaux de l'image à bords renforcés qui se situent entre les seuils T1, T2. On utilise les seuils pour éviter que les bords renforcés des organes interposés ne déforment les valeurs des zones définies par des anneaux. Selon une autre particularité de l'invention, on modifie les valeurs de correction r(Rm,Sn) pour assurer des transitions régulières pour les pixels proches des limites entre secteurs, par exemple les pixels proches de la limite entre les secteurs Sn et Sn-l. Alors, la valeur d'artéfacts annulaires de ces pixels proches de la limite devient r(Rm,Sn) + r(Rm,Sn-l) b(Rm) = 2 Quand le pixel n'est pas proche de la limite d'un autre secteur, on a b(Rm) = r(Rm,Sn). On comprend que l'on pourrait utiliser, dans le cadre de l'invention, d'autres algorithmes de régularisation. Pour chacun des pixels de l'image originale p(i,j) appartenant à la zone définie par des anneaux Rm, on calcule une nouvelle valeur de pixel p comme suit p (i,j) = p (i,j) -b (Rm) Les valeurs p fournissent la nouvelle image pratiquement exemte des artéfacts annulaires. Afin d'éliminer en outre des inconvénients provenant de la grande valeur de bords, comme celles qui se présentent entre le tissu mou et l'os ou l'air, on peut modifier les valeurs CT de l'image originale avant le renforcement des bords, selon les équations suivantes 7 * p (i,j) = p(i,j) pour t2 * p (i,j) = t2 pour t2 > #p(i,j) p (i,j) = tl pour tl 4 p(i,j) dans lesquels p sont les valeurs pixel des images modifiées. Ainsi, on fournit des procédés nouveaux et originaux permettant d'éliminer pratiquement les artéfacts annulaires des images. Les procédés sont spécialement utiles avec des tomodensitomètres CT R/R. Bien que l'on ait décrit l'invention à propos de procédés déterminés, il est évident que l'on peut réaliser de nombreuses variantes sans s'écarter du cadre de l'invention. REVENDICP.TIONS 1. Procédé de correction des artéfacts annulaires dans des images obtenues à l'aide de tomodensitomètres CT rotation-rotation, caractérisé par les étapes suivantes a) obtenir une image originale présentant les artéfacts annu laires et comprenant une image réelle sans artéfacts annu laires et une image d'artéfacts annulaires, b) déterminer l'image d'artéfacts annulaires et c) obtenir l'image réelle en soustrayant de l'image originale présentant les artéfacts annulaires l'image d'artéfacts annulaires déterminée pour obtenir l'image réelle pratique ment exempte d'artéfacts annulaires. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'obtention de l'image réelle comprend les étapes suivantes : a) diviser l'image originale en zones annulaires concentriques centrées autour d'un point de l'image originale qui corres pond a l'axe de rotation du tomodensitomètre, b) déterminer les valeurs de l'image d'artéfacts annulaires au sein des zones définies par des anneaux, et c) soustraire de l'image originale les valeurs déterminées de l'image d'artéfacts annulaires pour obtenir une image réelle pratiquement exempte d'artéfacts annulaires. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'obtention de l'image réelle comprend les étapes suivantes a) diviser l'image originale en secteurs, b) déterminer la valeur de l'image d'artéfacts annulaires au sein des secteurs et c) soustraire de l'image originale les valeurs déterminées de l'image d'artéfacts annulaires pour obtenir des secteurs pratiquement exempts d'artéfacts annulaires. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'obtention de l'image réelle comprend les étapes suivantes a) diviser en secteurs les zones concentriques définies par des anneaux, b) déterminer les images réelles au sein des secteurs en dé terminant les valeurs des images d'artéfacts annulaires au sein des secteurs et soustraire de la valeur moyenne des secteurs les valeurs d'image d'artéfacts annulaires au sein des secteurs pour obtenir des secteurs pratiquement exempts d'artéfacts et c) combiner les secteurs exempts d'artéfacts. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les secteurs sont des secteurs radiaux. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on renforce les bords de l'image originale avant de la diviser en zones concentriques définies par des anneaux. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les zones définies par des anneaux sont pratiquement circulaires. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'obtention des images réelles comprend l'étape condistant à renforcer les bords de l'image originale avant de déterminer l'image d'artéfacts annulaires. 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on renforce les bords de l'image originale. 10. Procédé selon la revendication 9,'caractérisé par le fait que le renforcement des bords s'effectue avant la détermination de l'image d'artéfacts annulaires et qu'il comprend les étapes suivantes a) diviser l'image en pixels ayant des valeurs égales à p(i,j) et b) engendrer des valeurs q(i,j) pour la valeur pix#el p(i,j) en utilisant l'équation suivante q(i,j) = A-p(i,j) + B-av #p (i,j)2 + C dans laquelle A et B sont des constituantes valant habi tuellement environ +1 et -1, p(i,j) est la valeur CT primi tive du pixel(i,j), avnp(i,j)J est la moyenne de nxn pixels centrés en (i,j) et C vaut habituellement 0. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on calcule la valeur CT dans chacun des secteurs par les étapes suivantes a) déterminer l'intensité moyenne av(Rm,Sn) des pixels à bords renforcés, q(i,j) appartenant à chaque secteur des zones définies par des anneaux qui sont en outre définies comme situées entre des seuils tels que C + Tl > q(i,j) R C - T2. b) déterminer la valeur d'artéfacts annulaires r(Rm,Sn) pour les pixels situés dans chacun des secteurs (Rm,Sn), de ma nière à avoir la relation r (Rm,Sn) = av (Rm,Sn) -av dans laquelle av est la valeur moyenne des pixels ayant la valeur q(i,j) dans une certaine zone définie. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que lorsque av(Rm,Sn = O, on a r(Rm,Sn) = 0. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la zone définie comprend tous les pixels ayant la valeur q(i,j). 14 . Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : a) obtenir des valeurs de correction (r(Rm,Sn) pour chaque pixel de l'image d'artéfacts annulaires, b) modifier les valeurs de correction r(Rm,Sn) pour obtenir des transitions régulières des valeurs lorsque le pixel est proche de la limite d'un autre secteur, de sorte que les valeurs de correction deviennent r (Rm,Sn + r (Rm,Sn-l) b (Rm) = ---------------------- 2 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que l'image réelle exempte d'artéfacts annulaires est obtenue en partant de pixels p p (i,j) = p 16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape consistant à utiliser une fonction de régularisation sur les pixels proches de la limite entre secteurs. 17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape consistant à modifier l'image originale pour éviter de grandes valeurs de bords. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait que l'étape de modification de l'image originale consiste à obtenir une image modifiée conformément aux équations suivantes * p (i,j) = p(i;j) pour t2 4 p(i,j) p (i,j) = t2 pour t2 > P (i,j) ; et * p (i,j) = t1 pour tl G p (i,j) dans lesquelles p+(i,j) sont les valeurs de pixel de l'image modifiée. 19. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape consistant à modifier 1 image originale pour éviter de grandes valeurs de bords. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'étape de modification de l'image originale s' effectue avant l'étape de renforcement des bords de l'image originale.