Brevet FR2554940A1 — publié le 19850517

i 2554940 La présente invention concerne les techniques d'amélioration d'image, et en particulier l'amélioration de l'image dans des systèmes d'imagerie pour la radiosco- pie numérique, dans lesquels les données intéressantes comprennent essentiellement des éléments à bords longs. Les techniques d'amélioration numérique des images ne constituent plus un domaine nouveau, mais de nombreux problèmes anciens demeurent irrésolus. Un certain nombre de ces problèmes semblent inhérents et donc incapa- bles de recevoir une solution. A titre d'exemple, les ima- ges contiennent des données concernant des parties des objets étudiés qui présentent un intérêt, des parties des objets qui sont sans intérêt et du bruit. Plus précisément, en radioscopie numérique, les images comprennent des don- nées concernant le système vasculaire auquel on s'intéres- se. Elles contiennent également des données concernant des parties du corps qui n'offrent pas d'intérêt. Malheureuse- ment, du bruit est également présent dans les images. On améliore les images par des techniques de filtrage et de soustraction qui sont conçues pour: 1. Supprimer dans les images les parties de l'anatomie du patient qui n'offrent pas d'intérêt; 2. Augmenter le rapport signal à bruit (S/B); 3. Améliorer les contours des parties de l'anatomie qui ont de l'intérêt. En radioscopie numérique, on enlève de l'image les parties de l'anatomie du patient qui n'ont pas d'inté- rêt en procédant par soustraction ou par filtrage temporel. Les résultats consistent en images dans lesquelles les don- nées intéressantes comprennent essentiellement des éléments à bords longs et du bruit. L'amélioration des contours des parties de l'anatomie qui présentent de l'intérêt fait donc intervenir l'amélioration de bords longs. Les filtres passe-haut renforcent les transi- tions. Par conséquent, l'utilisation d'un filtre passe-haut avec une image renforce à la fois les bords ou les contours 2 2554940 des objets et le bruit. Il faut noter que l'infcrmation contenue dans une image diminue lorsque la fréquence au- gmente, tandis que le bruit "blanc" contenu dans une ima- ge, comme le bruit quantique (par exemple des erreurs de comptage de photons) est constant pour des fréquences uraidimensioGr.neiis d'images et augmente de façon linéaire pour des fréquences bidimensionnelles d'images. Les fil- tres d'amélioration présentent dornc généralement une "cou- pure" à certaines fréquences pour éviter d'augmenter le bruit aux fréquences élevées auxquelles il n'y a fonda- mentalement que peu ou pas d'information. On sait que les réponses en fréquence de "points" et de "lignes" sont par nature différentes. Ainsi, les réponses de "points" et de "lignes" aux mêmes filtres sont différentes. Par exemple, avec des filtres passe- bas de type "gaussien", la fréquence de coupure de "points" est inférieure à la fréquence de coupure de "lignes". De plus, la pente descendante de la réponse du filtre a des "points" est plus raide que la pente descendante de la ré- ponse du filtre à des "lignes". Certains types de filtres passe-haut, comme les filtres du type à "gradient au carré" présentent également des réponses différentes à des "points' et des "lignes". Ici, la réponse à des "points" augmente de façon linéaire avec une pente en fonction de la fréquence qui est supérieure à celle correspondant à la réponse à des "lignes". Dans le passé, on n'a pas adapté spécialement les filtres pour faire la différence et la distinction entre des "points" (qui comprennent généralement du bruit) et des "lignes" ou des bords longs, indépendamment de l'orientation des bords. Il est possible d'effectuer un "réglage fin" de filtresde façon à optimiser les paramètres pour que le fil- trage élimine les points et améliore le rapport S/B des bords longs. On n'a pas effectué une.telle optimisation de filtres dans les filtres de l'art antérieur qu'on utilise actuelle- i!; 3 2554940 ment avec des systèmes de radioscopie numérique. Il existe un besoin portant sur des filtres pour des systèmes de radioscopie numérique qui aient des paramètres optimisés de façon à atténuer les "points" et à améliorer le rapport S/B de bords longs. De façon simi- laire, il existe un besoin portant sur de tels filtres qui n'étalent pas les bords dans les images. Un aspect général de l'invention porte sur un procédé d'amélioration d'image par filtrage, qui comprend les opérations suivantes: - On procède à l'acquisition d'une image sous la for- me de données, cette image comprenant du bruit, des "points" et des bords; - On filtre l'image pour atténuer les "points" et le bruit par rapport aux bords; et - On améliore de façon optimale les bords longs. Un aspect caractéristique de l'invention consis- te en une structure de filtre qui augmente le rapport S/B de bords longs, tout en conservant des signaux de fréquence basse pour le lissage et le fond. Un autre aspect caractéristique de l'invention consiste dans l'opération consistant à "reconnaître" les bords longs indépendamment de leur orientation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation préférés et en se ré- férant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique généralisé montrant un système de radioscopie numérique; La figure 2 est un schéma synoptique montrant la partie de filtre de la partie de traitement d'image de la figure 1; La figure 3 est un schéma synoptique d'un autre mode de réalisation de la partie représentée sur la figure 2; La figure 4 est une représentation de spectres de fréquence d'une image La figure 5 montre la réponse en fréquence d'un type de filtre passe-bas; La figure 6 montre la réponse en fréquence d'un type de filtre passe-haut; La figure 7 montre la réponse en fréquence d'un filtre passe-bande; La figure 8 montre la réponse en fréquence d'un filtre combiné; et La figure 9 montre le rapport signal/bruit avant et après filtrage au moyen du filtre de la figure 8. Le système d'amélioration d'image 11 représenté sur la figure 1 comprend des moyens d'acquisition d'image 12 qui, dans un système de radioscopie numérique, compren- nent la source de rayons X, un intensificateur d'image et la caméra vidéo. Le signal de sortie de l'intensificateur d'image sur la ligne 13 est le signal vidéo de la caméra. Le signal vidéo est traité par l'équipement de traitement d'image représenté par le sous-ensemble 14. Le signal de sortie des moyens de traitement 14 est présenté sur l'unité 16 et/ou enregistré dans la mémoire 17. L'ensem- ble du système est sous la commande d'une unité de comman- de 18. L'équipement de traitement d'image pour des sys- tèmes de radioscopie numérique comprend des moyens de sous- traction (non représentés) qui travaillent habituellement sur les données obtenues après conversion par des moyens convertisseurs analogiquenumérique 22. L'amélioration de l'image par les procédés décrits ici, avec des filtres passe- haut et passe-bas, est représentée sur la figure 2 sous une forme travaillant sur les données numériques. L'invention englobe cependant également le filtrage de données analogi- ques. Les données analogiques sont conservées dans des matri- ces de lignes et de colonnes, représentées en 25, qui sont as- sociées aux coordonnées x, y de la cible de l'intensificateur d'image et à la position x, y des variations d'intensité de l'image présentée. On traite les données numériques pour renforcer les bords dans l'image en utilisant l'unité 23 qui, dans un mode de réalisation préféré, est une combinaison d'élé- ments de filtrage. Plus précisément, il existe un filtre passe-bas 24 qui est conçu de façon à transmettre les don- nées de fréquence basse. On utilise également un filtre passe-bande qui est représenté sous une forme comprenant un autre filtre passe-bas 26, combiné par multiplication dans une unité 27 avec un filtre passe-haut 28. Le signal de sortie de l'unité de multiplication est additionné dans l'unité 29 au signal de sortie du filtre passe-bas 24. Les données issues de la combinaison de filtres, à la sortie 31 de l'unité de sommation 29, sont des données de sortie dans lesquelles les bords sont renforcés, les points sont atténués et le bruit est filtré, et dans lesquees l'étale- ment de bords longs est minimisé. La figure 3 est une représentation plus générale de l'invention. Sur cette figure, le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique est appliqué à un filtre passe-bas 36 et à une unité d'identification de bords 37. On peut utiliser des gradients pour reconnaître et identi- fier des bords. La porte de bords longs 38 ne transmet que les bords reconnus qui sont longs. Ces bords longs reconnus sont ensuite appliqués au filtre passe-haut 39, pour être renforcés. Dans un mode de réalisation préféré, l'identificateur de bords et la porte de bords longs sont constitués par un filtre du type "gra- dient au carré' qui travaille avec un filtre gaussien 39 pour produire une réponse passe-bande dont la fréquence de coupure est réglée de façon à définir une bande dans laquelle les "lignes' longues sont renforcées et le bruit HF et les points" sont atténués. Le filtre passe-bas 36 assure le passage des si- gnaux de données de fréquence basse. On identifie les bords au moyen d'un gradient de seuil, et conformément à un aspect de l'invention, les bords longs sont ceux qui mesurent au moins deux éléments d'image de longueur dans n'importe quelle direction. Or. comb-inre les signaux de sortie des filtres passe-bas et passe-haut au moyen de l'unité de sommation A'. Le signal de sertie de l'unité 41 présente la forme indiquée sur la figure 3. Le filtre passe-bas fournit la partie 42 de la réponse de sortie. Les circuits de "bords" 37 et 38, combinés au filtre 39, fournissent la partie 43 de la courbe de sortie caractéristique donnrant la réponse R en fonction de la fréquence. La figure 4 est une représentation schématique des spectres qui interviennent dans une image. La lettre "L" indique la fréquence limite de Lyndquist (2 éléments d'image par cycle dans un mode de réalisation préféré). La lettre "C" indique la fréquence à laquelle les données et le bruit ont des amplitudes moyennes égales. On dit que les données à des fréquences supérieures à "C" sont "noyées" dans le bruit. La figure 5 montre schématiquement les ré- ponse de "points" et de "lignes" à l'action d'un filtre passe-bas sur les données d'image. On utilise ici le ter- me "réponse" pour désigner le rapport entre l'amplitude moyenne à la fréquence spécifiée après le filtrage, et l'amplitude moyenne à la même fréquence avant le filtrage. On utilise ici le terme "fréquence" pour désigner la fré- quence par largeur ou la fréquence caractéristique trans- versalement à des points et des lignes. Avec des points il s'agit de la fréquence par diamètre, et avec des lignes il s'agit de la fréquence par largeur de la ligne. Les deux courbes différentes sont les réponses des différents types d'objets au même filtre. La figure 6 montre les réponses de "points" et de "lignes" en présence d'un filtre passe-haut. On peut agir,par l'intermédiaire des paramètres du filtre, sur la forme du filtre définiepar exemple par la fréquence à 50%, la pente au niveau de la fréquence à 50%, les fréquences à 5% et 15%, etc. On crée des filtres passe-bande en uti- lisant à la fois des filtres passe-haut et passe-bas, l'un après l'autre (l'ordre n'a pas d'importance). En choi- sissant des filtres passe-bas et passe-haut appropriés, on forme un filtre "passe-bande" avec la forme désirée, dé- finie par exemple par sa fréquence au maximum, ses fré- quences à la moitié du maximum, etc. Les trois types de filtres fonctionnent dif- féremment sur des objets de type "point" et des objets de type "ligne". Ceci apparaît le plus aisément pour un fil- tre "séparable" dont on peut séparer le fonctionnement en deux opérations d'un filtre unidimensionnel, une fois dans une direction et une fois dans la direction orthogonale. Si pour la fréquence donnée la réponse unidi- mensionnelle est R1(f), la réponse de type "point" du fil- tre bidimensionnel sera Rp=R1 (f) 2, tandis que la réponse du type "ligne" sera RL=Ri(O).R1(f). Pour un filtre passe- bas, R1(0)=1 et, par conséquent: Rp(f) = RL(f)2 On peut cependant également utiliser d'autres filtres pour obtenir une batterie de filtres dans laquelle les "points" et le bruit sont atténués par rapport aux "lignes". A titre d'exemple, l'opérateur "gradient au car- ré" a une réponse en fréquence: Rp(f) = 2 f2A2 pour un point, et - RL(f) = f2A2 pour une ligne. On a ainsi: Rp(f) = 2.RL(f). Ceci est représenté sur la figure 6. On peut voir que le filtre passe-bande créé par des filtres de type "gradient" a des propriétés différentes 8 2554940 pour des "points" et des "lignes". A titre d'exemple, si le filtre passehaut est du type "gradient au carré", on a: RBp (points) = 2.R1 (d 2 A2 2 2 RBp (lignes) = R1(f).f2.A et, par conséquent, la réponse maximale du filtre passe- bande apparaît à l'endroit auquel: dR1/df = -R1/f pour des points mais auquel dR1/df = -2R1/f pour des lignes Par exemple, si R est une fonction de type gaussien: R1 = exp ( -f2/B) et le maximum pour des "points" apparaîtrait à: fmax (points) = B/2 et pour des "lignes", il apparaîtrait à: fmax (lignes) = rB et les valeurs au maximum seraient Rmax = A exp (i) pour des- "points" et Rmax = A exp (-) pour des "lignes" Les valeurs les plus élevées pour les courbes de ty- pe."points" comme pour les courbes detype "lignes"sont identi- ques, mais les emplacements sont différents (voir la figure 7). Les exemples ci-dessus montrent qu'il est possi- ble de créer des filtres passe-bande qui renforcent sélec- tivement des objets de type "ligne" par rapport à des objets de type "point". Il faut noter que le bruit, qui est aléatoire, est toujours un objet du type "'point". Cependant, les don- nées intéressantes peuvent être, et sont habituellement, d'une nature différente dans différents types d'études. A ti- tre d'exemple, les images en astronomie et de nombreux types d'images en médecine nucléaire sont également du type "point1". Pour de telles images, il n'existe aucun filtre qui chan- ge le rapport signal à bruit à une fréquence donnée. Il est seulement possible dans de telles images de renforcer certaines fréquences (les données et le bruit ensemble) par rapport à d'autres. Cependant, en radioscopie numéri- que et dans des domaines similaires, on peut optimiser des filtres passe-bande pour travailler sur la région de fréquence dans laquelle les données sont déjà "noyées" dans le bruit, et donc renforcer les données, qui sont du type "ligne", par rapport au bruit, d'une manière telle que les données ne soient plus "noyées'. Pour maintenir la fidélité de l'image, on peut additionner le résultat du filtrage passe-bande à un fil- trage passe-bas de l'image. De cette manière, les éléments de grandes dimensions apparaîtront sans changement. La ré- ponse de filtrage résultante est représentée sur la figu- re 8. La figure 9 montre un exemple du résultat du filtrage obtenu en utilisant le filtre de la figure 8 sur les données de la figure 1 et en calculant le rapport si- gnal à bruit (S/B) avant et après le filtrage. Il est clair que la région comprise entre 0,6 L et 0,78 L était noyée dans le bruit" avant le filtrage mais est maintenant obser- vable. Dans la région comprise entre 0,3 L et 0,6 L, il y a une amélioration perceptible du rapport S/B. La région située au-dessous de 0, 3 L ne présente aucune amélioration perceptible du rapport S/B, et la région située au-dessus de 0,78 L est toujours "noyée dans le bruit" malgré l'améliora- tion. La description qui précède montre des exemples d'un filtre destiné à améliorer des données telles que celles recueillies par l'équipement représenté sur la figure 1. Il existe pour chaque image de radioscopie numérique un filtre particulier qui améliore l'image, et il y a donc des filtres qui amélioreront une catégorie donnée d'images de radiosco- 2554940 pie numérique (définie par la dose, l'objet dont on forme l'image, etc), ou même un certain nombre de catégories. En fonctionnement, l'acquisition des données d'image de radioscopie numérique a lieu lorsque les rayons X traversant un sujet snort détectés et excitent la cible d'un intenrsificateur d'image. Ur. caméra vidéo fournit des signaux vidéo sous l'effet de l'excitation et du fonction- nement d'un intensificateur d'image. Les signaux vidéo sont convertis en signaux numériques qui sont traités pour détecter et renforcer les bords longs, tout en réduisant le bruit, sans étaler les bords longs renforcés. On choi- sit les paramètres du filtre de façon à renforcer des données particulières ou une catégorie particulière de données. On peut représenter mathématiquement la détec- tion et le renforcement des bords longs, en minimisant l'étalement des bords,par la relation: Image améliorée = [Filtre passe-bas + Filtre passe-bande]. image Image améliorée = S(0 1) + S( o2) |VI2. Image avec les notations suivantes: 0 est la fréquence du filtre passe-bas (l'étalement dans la fonction de lissage diminue lorsque o augmente) est un facteur d'échelle qui doit être optimisé (le renforcement des bords est plus marqué lorsque P au- gmente) V est l'opérateur de gradient 12est l'opérateur d'amplitude du gradient au carré. On note que la fonction du filtre passe-bande comprend un terme de gradient pour la reconnaissance des bords. En fait, la fonction passebande comprend un filtre passe-bas et un terme d'amplitude de gradient aucarr6.On peut utiliser d'autres procédés pour obtenir des résultats simi- laires. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration d'image par filtra- ge, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations sui- vantes: on procède à l'acquisition d'une image comprenant des données intéressantes, des données dépourvues d'inté- rêt et du bruit; on détermine des paramètres du système qui affectent des procédures d'optimisation de filtres; on utilise les paramètres pour établir des moyens de fil- trage (23), et on effectue un filtrage de façon à amélio- rer de manière optimale les données intéressantes et à atténuer les données dépourvues d'intérêt et le bruit,par rapport aux données intéressantes. 2. Procédé d'amélioration d'image selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que les données intéres- santes sont des bords longs qui ont de façon caractéristi- que une amplitude moyenne plus élevée que le bruit aux fréquences basses, et qui sont de façon caractéristique renforcés à des fréquences plus élevées, l'amplitude mo- yenne du bruit étant égale à l'amplitude moyenne des bords longs à une certaine fréquence, tandis qu'après cette fré- quence l'amplitude moyenne du bruit est supérieure à l'am- plitude moyenne des bords longs; et en ce que le filtrage comprend l'opération qui consiste à atténuer le bruit et les données dépourvues d'intérêt, par rapport aux bords longs, de façon à augmenter cette certaine fréquence. 3. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que les données dépourvues d'intérêt comprennent des "points", et en ce que le filtra- ge comprend les opérations consistant à effectuer un filtra- ge passe-haut pour distinguer ainsi les différences de ré- ponse en fréquence entre les bords longs et les points et à renforcer les bords longs; et à définir une fréquence de coupure supérieure pour le filtrage passe-haut de façon à obtenir une bande de fréquence dans laquelle les bords longs ont des valeurs moyennes relativement élevées et dans laquelle le bruit et les "points" ont des valeurs d'am- plitude moyenne relativement basses; cette bande de fré- quence correspondant à des fréquences pour lesquelles les valeurs d'amplitude moyenne du bruit sont normalement plus élevées que les valeurs d'amplitude moyenne des bords longs. 4. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 3, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération qui consiste à effectuer un filtrage passe-bas pour obte- nir des données de fréquence basse, en plus des bords longs renforcés. 5. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que l'opération de filtrage passe-haut comprend un filtrage du type "gradient au carré". 6. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que l'établissement d'une fréquence de coupure supérieure pour le filtrage passe- haut comprend l'accomplissement d'un premier filtrage passe- bas en combinaison avec le filtrage de type "gradient au carré". 7. Procédé d'amélioration d'image selon la re- vendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'opéra- tion consistant à effectuer un second filtrage passe-bas pour obtenir des données de fréquence basse. 8. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que le premier filtrage passe- bas consiste en un filtrage "gaussien". 9. Procédé d'amélioration d'image selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que le second filtrage passe- bas consiste en un filtrage "gaussien". 10. Système d'amélioration d'image caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (12) destinés à l'acquisi- tion d'une image comprenant des données intéressantes, des données dépourvues d'intérêt et du bruit; des moyens (14, 18) destinés à déterminer des paramètres du système qui acceptent des procédures d'optimisation de filtres; des moyens destinés à établir des moyens de filtrage (23) utilisant les paramètres déterminés; et des moyens desti- nés à filtrer les données acquises avec les moyens de filtrage (23) pour renforcer de façGon optimale les don- nées intéressantes et pour atténuer les données dépour- vues d'intérêt et le bruit, par rapport aux données inté- ressantes. 11. Système d'amélioration d'image selon la re- vendication 10, caractérisé en ce que les données intéres- santes sont des bords longs qui ont une amplitude moyenne supérieure à celle du bruit et des données dépourvues d'in- térêt aux fréquences inférieures, et ces bords longs sont renforcés à des fréquences supérieures, l'amplitude moyen- ne du bruit étant égale à l'amplitude moyenne des bords longs à une certaine fréquence, tandis que l'amplitude mo- yenne du bruit est supérieure à l'amplitude moyenne des bords longs audessus de cette certaine fréquence; et en ce que le filtrage atténue le bruit et les données dépour- vues d'intérêt, par rapport aux bords longs, pour augmenter effectivement cette certaine fréquence. 12. Système d'amélioration d'image selon la re- vendication 11, dans lequel les données dépourvues d'inté- rêt comprennent des points, caractérisé en ce que les mo- yens de filtrage (23) comprennent: un filtre passe-haut (28) qui distingue les différences de réponse en fréquence entre les bords longs et les points et qui renforce les bords longs; et des moyens (26, 27) destinés à établir une fré- quence de coupure supérieure pour le filtre passe-haut, afin d'obtenir une bande de fréquence dans laquelle les bords longs ont une amplitude moyenne supérieure aux valeurs d'am- plitude moyenne du bruit et des "points"; cette bande de fré- quence correspondant à des fréquences pour lesquelles les va- leurs d'amplitude moyenne du bruit sont normalement supérieu- res aux valeurs d'amplitude moyenne des bords longs. 13. Système d'amélioration d'image selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre passe-bas (24) qui est réglé de façon à permettre l'obtention de données de fréquence basse, en plus des données correspondant aux bords longs renforcés. 14. Système d'amélioration d'image selon la revendication 12, caractérisé en ce que le filtre passe- haut (28) consiste en un filtre du type "gradient au car- ré". 15. Système d'amélioration d'image selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens d'éta- blissement d'une fréquence de coupure supérieure pour le filtre passe-haut (28) comprennent un premier filtre passe- bas (26) qui fonctionne en association avec le filtre du type "gradient au carré" (28). 16. Système d'amélioration d'image selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un se- cond filtre passe-bas (24) ayant une fréquence de coupure inférieure à la fréquence de coupure du premier filtre passe-bas (26), pour laisser passer les données de fré- quence basse. 17. Système d'amélioration d'image selon la re- vendication 16, caractérisé en ce que le premier filtre passe-bas (26) consiste en un filtre "gaussien". 18. Système d'amélioration d'image selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que le second filtre passe-bas (24) consiste en un filtre "gaussien".