Brevet FR2593698A1 — publié le 19870807

-1- APPAREIL D'EXAMEN DE MILIEUX EN MOUVEMENT PAR ECHOGRAPHIE UL- TRASONORE La présente invention concerne un appareil d'exa- men de milieux en mouvement par échographie ultrasonore com- prenant au moins un transducteur ultrasonore associé à un éta- ge d'émission répétée de signaux ultrasonores vers le milieu à explorer et à un étage de réception et de traitement des si- gnaux échographiques renvoyés vers ledit transducteur compre- nant lui-même une voie de traitement composée essentiellement d'un circuit d'amplification, d'un circuit de détection d'en- veloppe, d'un convertisseur de balayage, et d'un dispositif de visualisation. La mise en oeuvre d'un tel examen est décrite par exemple dans l'article "Cardiac Ultrasonography" de D.L. King paru dans la revue Radiology 103, mai 1972, pages 387 à 392, dans le cas d'une application à l'imagerie cardiaque. L'écho- graphie par ultrasons constitue en effet l'un des moyens pri- vilégiés pour l'examen de tissus biologiques, grâce à son in- nocuité et à sa capacité de visualiser en temps réel les structures internes d'organes. Néanmoins, la qualité des ima- ges ultrasonores est plus faible que celle attachée aux autres méthodes d'imagerie. Le but de l'invention est de proposer un appareil d'échographie ultrasonore dans lequel on met à profit le fait que l'acquisition des images est réalisable en temps réel pour effectuer des traitements temporels destinés à améliorer la qualité de ces images, et ce sans perte de résolution spatiale soit par dégradation des hautes fréquences spatiales de l'ima- ge, soit en raison du flou de bouger introduit par le mouve- ment des tissus ou des organes. A cet effet, l'invention concerne un appareil tel que défini dans le préambule ci-dessus et caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième voie de traitement composée: -2- (A) d'un convertisseur analogique-numérique et d'une première mémoire d'image pour le stockage de l'image en cours d'acquisition notée I(t,x,y) o t est le temps et x et y les coordonnées des points d'image; (B) d'un circuit de détection de mouvement com- mandant ou non, pour chaque point d'image et selon la valeur par rapport à un seuil déterminé de la différence entre un point de l'image acquise I(t,x,y) et le point correspondant de l'image de sortie dite R(t-l, x,y) de la deuxième voie de traitement, la mise à jour d'un coefficient de filtrage tempo- rel récursif; (C) d'un circuit de filtrage temporel récursif conditionnel délivrant en sortie de ladite deuxième voie de traitement une image traitée R(t,x,y) qui est une somme de l'image nouvellement acquise I(t,x,y) et de l'image précédem- ment traitée R(t-l,x,y) pondérées par des valeurs liées à celle dudit coefficient de filtrage temporel récursif, le con- vertisseur analogique-numérique et la première mémoire d'image étant de préférence ceux du convertisseur de balayage. La structure ainsi proposée permet, dans un pre- mier temps, de détecter les zones de l'image o un mouvement a eu lieu et, dans un deuxième temps, de conditionner les trai- tements temporels à la détection de tels mouvements, lesdits traitements n'étant effectués que si l'on peut considérer qu'il n'y a pas eu de mouvement d'une image à la suivante. Dans un mode de réalisation particulier de l'in- vention, le circuit de détection de mouvement comprend en sé- rie un soustracteur pour l'évaluation de ladite différence entre I(t,x,y) et R(t-l,x,y) fournies respectivement par la première mémoire d'image et une deuxième mémoire d'image, une troisième mémoire d'image pour le stockage alternativement de ladite différence et du coefficient de filtrage temporel ré- cursif, un filtre passe-bas, et un comparateur commandant se- lon le résultat de la comparaison de la valeur du signal d'en- trée du comparateur à un seuil déterminé le remplacement du 259 3698 -3- contenu de la troisième mémoire d'image par une valeur prédé- terminée constituant alors le nouveau coefficient de filtrage temporel récursif. Dans une variante de ce mode de réalisation, le circuit de détection de mouvement comprend en série un sous- tracteur pour l'évaluation de ladite différence entre I(t,x,y) et R(t-l,x, y) fournies respectivement par la première mémoire d'image et une deuxième mémoire d'image, une troisième mémoire d'image pour le stockage alternativement de ladite différence et du coefficient de filtrage temporel récursif, un filtre passe-bas, et une quatrième mémoire commandant le remplacement du contenu de la troisième mémoire d'image par une valeur de substitution d'autant plus faible que le contenu stocké dans ladite quatrième mémoire est plus grand, ou inversement, la- dite valeur de substitution constituant alors le nouveau coef- ficient de filtrage temporel récursif. Dans l'un ou l'autre de ces exemples de réalisa- tion, le circuit de filtrage temporel récursif comprend un premier et un deuxième multiplieur pour la multiplication respectivement du coefficient de filtrage temporel récursif par la sortie de l'une des première et troisième mémoires d'image et du complément à 1 dudit coefficient par la sortie de l'autre desdites mémoires d'image, un additionneur des sorties desdits multiplieurs, et la deuxième mémoire d'image de stockage des images traitées par ledit circuit de filtrage temporel récursif. Des circuits de calcul, tels que des mémoires mortes, peuvent en outre avantageusement être placés en sortie du soustracteur ou du filtre passebas, pour l'évaluation d'une grandeur fonction du signal d'entrée dudit circuit de calcul. Enfin, le traitement des points d'image peut être séquentiel, avec une seule voie de traitement pour l'ensemble des points, ou en parallèle, avec autant de voies de trai- tement que de points, ou peut être réalisé selon un compromis -4- de ces deux solutions, avec plusieurs voies de traitement en parallèle traitant chacune séquentiellement une fraction cor- respondante des points. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront-maintenant de façon plus précise dans la descrip- tion qui suit et sur la figure annexée, donnée à titre d'exem- ple et qui montre un mode dc réalisation de l'appareil selon l'invention. L'appareil selon l'invention comprend, dans ce mode de réalisation, un transducteur ultrasonore 10 auquel sont associés d'une part un étage 20 d'émission répétée de si- gnaux ultrasonores vers le milieu à explorer et d'autre part un étage 30 de réception et de traitement des signaux échogra- phiques renvoyés vers ledit transducteur. Un circuit d'aiguil- lage 40 peut être inséré entre les étages d'émission et de ré- ception, pour éviter notamment l'aveuglement de ce dernier par l'étage d'émission, ou, de façon équivalente, un circuit de protection peut être prévu aux mêmes fins en tête de l'étage de réception et de traitement. Un circuit d'horloge 50 assure de façon classique le séquencement nécessaire, en imposant d'une part le rythme de répétition des images, à une fréqence de l'ordre de 8 à 40 hertz par exemple, et d'autre part le rythme de répétition des lignes (environ 128 lignes par image). Pour chaque nouvelle image, le transducteur 10 est replacé dans sa position ini- tiale puis balaye à nouveau tout le champ d'exploration ligne après ligne. Pour chaque ligne, une première voie de traite- ment 60 reçoit les signaux électriques délivrés par le trans- ducteur 10 en correspondance aux signaux échographiques renvo- yés vers lui. Ces signaux sont amplifiés dans un amplificateur 61 puis redressés et filtrés dans un détecteur d'enveloppe 62 avant d'être représentés sur un dispositif de visualisation 65. Pour permettre cette représentation, les enve- loppes sont numérisées dans un convertisseur analogique-numé- rique 63 puis envoyées dans un convertisseur de balayage 64 -5- (en anglais: scan-converter). Ce convertisseur 64 contient en fait une mémoire d'image 641, o sont écrites les valeurs des points de l'image. Un circuit d'écriture/lecture 642 assure d'une part cette écriture et d'autre part la relecture pour l'affichage de l'image enregistrée. Conformément à l'invention, l'appareil comprend une deuxième voie de traitement 100, elle-même composée suc- cessivement d'un circuit de détection de mouvement 130 par comparaison d'images successives et d'un circuit de filtrage temporel récursif conditionnel 150. Le circuit de détection de mouvement 130 comprend lui-même, tout d'abord, un soustracteur 131, qui calcule pour chaque point d'image la différence entre un point de l'image qui vient d'être acquise par le convertisseur d'image 64 et le point correspondant de l'image précédente qui vient d'être vi- sualisée et qui a été stockée dans une deuxième mémoire d'ima- ge temporaire 741. Cette différence est alors envoyée vers une troisième mémoire d'image 133, en sortie de laquelle est prévu un filtre passe-bas 134. Le filtrage ainsi effectué est des- tiné à éliminer les points isolés dont la contribution pro- vient du bruit aléatoire, qu'on veut justement éliminer, et peut en particulier, être un filtrage spatial obtenu par exem- ple en remplaçant chaque point d'image par une moyenne arith- métique de points d'image calculée dans une fenêtre n x n cen- trée sur ce point d'image (on a choisi ici n = 3). La notion de filtrage spatial d'une image et des méthodes de mise en oeuvre sont déjà bien connues et ne seront pas davantage dé- crites ici. La sortie du filtre passe-bas 134 est envoyée vers un comparateur 136 qui applique un seuil point à point à l'image filtrée. Si, en un point, le signal filtré est en va- leur absolue inférieur ou égal au seuil, on décide qu'il n'y a pas eu mouvement au voisinage de ce point et qu'un filtrage inter-images va pouvoir être effectué. Si au contraire le si- gnal filtré est en valeur absolue supérieur audit seuil, on -6-. décide qu'il y a eu mouvement et que l'on va renoncer à réa- liser ce filtrage temporel inter-images. Selon le résultat de la comparaison ainsi effectuée, les valeurs stockées dans la troisième mémoire d'images 133 sont mises à jour par substi- tution de la valeur "zéro" (mouvement) ou d'un coefficient prédéterminé (absence de mouvement) à celle primitivement con- tenue dans cette mémoire 133 (et qui a servi à calculer la va- leur reçue par le comparateur). La sortie de la troisième mémoire 133, appelée maintenant coefficient de filtrage, est envoyée vers le cir- cuit de filtrage temporel récursif conditionnel 150. Ledit filtrage est effectué, on l'a vu, entre une image traitée au temps (t-l) et une image acquise au temps t, sans préciser pour le moment la nature de l'intervalle de temps (t-l, t). Pour abréger la désignation "point d'image", on emploiera l'expression pixel (de l'anglais "picture element") dans la suite de la description, chaque pixel étant donc repéré par sa position (x,y) au sein de chaque image. En appelant I(t,x,y) l'image initialement acquise, dépendante de x, de y et du temps t, R(t,x,y) l'image résultante après le filtrage tempo- rel récursif, et Alpha un coefficient dit d'efficacité du fil- trage et compris entre O et 1, on décide que ledit filtrage sera effectué conformément à l'expression suivante: R(t,x,y) = Alpha(t,x,y). R(t-l,x,y) + (1-Alpha(t,x,y)). I(t,x,y) On constate, à la lecture de cette expression, qu'Alpha déter- mine réellement l'efficacité du filtrage, puisque: - si Alpha est faible, on filtre peu les images, le terme ((1-Alpha).I) étant prépondérant (et si Alpha est très faible, on ne filtre quasiment pas les images, ce qui *30 équivaut à un filtrage inopérant); - si Alpha est fort, c'est au contraire le terme (Alpha.R) qui est prépondérant, mais si Alpha est trop fort, 2593G98 -7- cette prépondérance devient telle que les informations con- tenues dans la dernière image acquise I(t,x,y) sont quasiment négligées et que seule compte l'influence de la premibre image traitée, ce qui équivaut une nouvelle fois à un traitement de filtrage inopérant. En pratique, pour que le filtrage soit correct, il convient donc de choisir Alpha de façon appropriée. Les essais réalisés ont montré que (1Alpha) devait être à peu près égal à l'inverse du nombre d'images nécessaire pour que le traitement soit perçu, et qu'une valeur de Alpha égale à 7/8 semblait pour cela être un bon choix. Le circuit de filtrage temporel récursif condi- tionnel 150, qui reçoit donc la sortie de la troisième mémoire d'image 133, comprend un premier multiplieur 151, recevant la- dite sortie de la troisième mémoire 133, et un deuxième multi- plieur 152, recevant grâce à la présence d'une quatrième mé- moire 153 le complément à 1 du coefficient calculé pour chaque pixel par le circuit de détection de mouvement 130. Cette qua- trième mémoire 153 contient pour chaque valeur dudit coeffi- cient, utilisée comme adresse, la valeur du complément à 1 cherchée. Le multiplieur 151 effectue ici la multiplication de la sortie de la deuxième mémoire d'image 741 (c'est-à-dire l'image précédemment traitée et visualisée après le traitement lui donnant la forme R(t-l)) par la sortie de la troisième mé- moire 133, et le multiplieur 152 la multiplication de la sor- tie de la première mémoire d'image 641 du convertisseur de ba- layage 64 (c'est-à-dire la nouvelle image acquise I(t)) par le complément à 1 (issu de la quatrième mémoire 153) de la même sortie de la troisième mémoire 133 (on pourrait également ef- fectuer les multiplications symétriques de la sortie de la mé- moire 641 par la sortie de la mémoire 133 et de la sortie de la mémoire 741 par le complément à 1 de la sortie de la mé- moire 133). Le circuit 150 comprend également un additionneur 154 recevant les sorties des deux multiplieurs 151 et 152 et -8- délivrant un signal égal à l'expression déjà citée: R(t) = Alpha.R(t-1) + (1-Alpha).I(t). La sortie de cet additionneur 154 est envoyée d'une part vers le dispositif de visualisation 65 et d'autre part vers la deuxième mémoire d'image 741 qui assure le stockage temporaire de l'image ainsi reçue, appelée par la suite image précédente R(t-l) lorsque arrivera la nouvelle image acquise I(t). Ce stockage temporaire de l'image traitée est nécessaire jusqu'à la réalisation du traitement de l'image suivante, la nouvelle image qui va être acquise. Avec les notations adoptées précédemment, on voit donc que le circuit de détection de mouvement 130, décrit en détail plus haut et qui précède le circuit de filtrage tempo- rel récursif conditionnel 150, opère dans le soustracteur 131 la différence entre les signaux I(t), nouvelle image acquise, et R(t-l), image précédemment traitée par filtrage condition- nel et visualisée, en vue d'opérations ultérieures de filtrage conditionnel dans le circuit 150 conduisant à la détermination d'une nouvelle image traitée R(t) qui sera à son tour sous- traite de I(t+l) dans le soustracteur 131, et ainsi de suite. Bien entendu, la présente invention n'est pas li- mitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, à par- tir duquel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, il est manifeste que l'appareil selon l'invention peut comprendre non plus un seul transduc- teur, mais une barrette de transducteurs, linéaire ou bidimen- sionnelle, éventuellement associée à un dispositif de balayage électronique. Par ailleurs, lors de la détection de mouvement effectuée par le circuit 130, on peut remplacer la différence entre images successives par une grandeur fonction de cette différence, par exemple par son carré, ou par une fonction plus complexe. Ladite grandeur est, dans tous les cas, calcu- lée alors par un circuit de calcul 132 intercalé en sortie du S93G698 -9- soustracteur 131 et composé en général d'une mémoire morte dé- livrant la valeur de ladite grandeur correspondant à celle de la différence en sortie dudit soustracteur. De même, en sortie du filtre passe-bas 134, un deuxième circuit de calcul 135 peut être prévu pour remplacer la valeur de sortie dudit fil- tre par une fonction liée à cette valeur, par exemple à la va- leur absolue de cette sortie du filtre. Si l'un ou l'autre des circuits de calcul 132 ou 135, ou les deux, sont prévus, c'est bien entendu la sortie du circuit 132 qui est envoyée vers la troisième mémoire d'image 133, et la sortie du circuit 135 qui est fournie au comparateur 136. Dans une variante de réalisation, c'est également le comparateur 136 qui peut être remplacé par un circuit de calcul du type mémoire morte qui peut alors soit commander exactement les mêmes opérations de substitution que celles prévues ci-dessus selon le résultat des comparaisons, soit fournir une valeur de substitution à placer dans la troisième mémoire d'image 133 et qui est d'autant plus faible que le contenu de cette mémoire est grand, ou inversement. Dans ce dernier cas, au lieu d'effectuer une comparaison par tout ou rien, on réalise un filtrage temporel inter-images d'autant plus faible que la probabilité d'existence de mouvement au point d'image considéré est plus forte, ou inversement. Ce filtrage progressif ou dégressif peut être réalisé par exemple en ne limitant plus la valeur de Alpha, le coefficient d'effi- cacité de filtrage, à un choix binaire (7/8 s'il n'y a pas dé- tection de mouvement, 0 s'il y a détection de mouvement) mais en faisant varier Alpha progressivement avec la plus ou moins grande présomption de mouvement. On doit également préciser que plusieurs modes de réalisation sont possibles pour les moyens d'exécution de tou- tes les opérations effectuées point à point. En effet ces opé- rations peuvent être réalisées en séquence, point après point, par un seul circuit. Ces opérations peuvent au contraire être réalisées en parallèle, par autant de circuit qu'il y a de -10- points dans l'image (par exemple 256 x 256), cette solution accélérant grandement le traitement mais augmentant bien en- tendu la complexité des circuits de l'appareil. Ces opérations peuvent enfin être réalisées en choisissant un compromis entre les deux solutions précédentes, à l'aide de plusieurs circuits (en nombre plus faible que le nombre de points de l'image) qui sont placés en parallèle pour traiter séquentiellement chacun une partie des points. Enfin on notera bien que, dans le cas de l'écho- cardiographie ou de l'examen de tout organe ' mouvement cy- clique, un appareil mettant en oeuvre l'invention telle que décrite nécessiterait de conserver en mémoire toutes les ima- ges d'un cycle complet, c'est-à-dire une seconde d'images en- viron dans le cas d'un cycle cardiaque. Comme un échographe de bonne qualité dans le domaine cardiaque fournit environ 50 images par seconde, le stockage correspondant pourrait être problématique. Deux solutions sont principalement envisagea- bles: adjoindre à l'échographe soit un disque numérique dit "temps réel", de haute capacité et à grande vitesse d'accès, soit un nombre suffisant de mémoires de trame. Un tel disque ou de telles mémoires de trame sont actuellement disponibles industriellement sans problème. Une troisième solution peut être proposée, qui consiste à réduire la taille mémoire nécessaire. On peut en effet demander à l'appareil selon l'invention de moindres per- formances et, au lieu de lui faire traiter toutes les images du cycle cardiaque, limiter ses possibilités au traitement d'un nombre restreint d'images, par exemple au traitement d'instants privilégiés repérés sur l'échocardiogramme (fin de systole, fin de diastole, accidents nettement repérables sur l'échocardiogramme, etc...). Mais pour déterminer de tels ins- tants privilégiés, il est nécessaire de se synchroniser sur le cycle à observer. Une telle synchronisation est par exemple décrite, pour d'autre types d'examen cardiaque, dans le brevet US-A-4547892, et ne sera donc pas davantage détaillée ici. Les -11-. mouvements du coeur ou ceux du thorax étant à peu près pério- diques, cette synchronisation fait en sorte que les diffé- rentes parties de l'organe considéré se retrouvent à peu près h la même place tous les cycles. Cette caractéristique permet de réaliser le filtrage temporel selon l'invention sans que la détection de mouvement ne soit contrainte d'en annuler les effets. -12- REVENDICATIONS: 1. Appareil d'examen de milieux en mouvement par échographie ultrasonore comprenant au moins un transducteur ultrasonore associé à un étage d'émission répétée de signaux ultrasonores vers le milieux à explorer et à un étage de ré- ception et de traitement des signaux échographiques renvoyés vers ledit transducteur comprenant lui-même une voie de trai- tement composée essentiellement d'un circuit d'amplification, d'un circuit de détection d'enveloppe, d'un convertisseur de balayage, et d'un dispositif de visualisation, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième voie de traitement composée: (A) d'un convertisseur analogique- numérique et d'une première mémoire d'image pour le stockage de l'image en cours d'acquisition notée I(t,x,y) o t est le temps et x et y les coordonnées des points d'image; (B) d'un circuit de détection de mouvement com- mandant ou non, pour chaque point d'image et selon la valeur par rapport à un seuil déterminé de la différence entre un point de l'image acquise I(t,x,y) et le point correspondant de l'image de sortie dite R(t-l,x,y) de la deuxième voie de traitement, la mise à jour d'un coefficient de filtrage tempo- rel récursif; (C) d'un circuit de filtrage temporel récursif conditionnel délivrant en sortie de ladite deuxième voie de traitement une image traitée R(t,x,y) qui est une somme de l'image nouvellement acquise I(t,x,y) et de l'image précédem- ment traitée R(t-l,x,y) pondérées par des valeurs liées à celle dudit coefficient de filtrage temporel récursif. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-numérique et la première mémoire d'image de la deuxième voie de traitement sont ceux du convertisseur de balayage. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de détection de mouvement comprend en série un soustracteur pour l'évaluation de ladite -13- différence entre I(t,x,y) et R(t-l,x,y) fournies respecti- vement par la première mémoire d'image et une deuxième mémoire d'image, une troisième mémoire d'image pour le stockage alter- nativement de ladite différence et du coefficient de filtrage temporel récursif, un filtre passe-bas, et un comparateur com- mandant selon le résultat de la comparaison de la valeur du signal d'entrée du comparateur à un seuil déterminé le rem- placement du contenu de la troisième mémoire d'image par une valeur prédéterminée constituant alors le nouveau coefficient de filtrage temporel récursif. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de détection de mouvement comprend en série un soustracteur pour l'évaluation de ladite différence entre I(t,x,y) et R(t-1,x,y) fournies respective- ment par la première mémoire d'image et une deuxième mémoire d'image, une troisième mémoire d'image pour le stockage alter- nativement de ladite différence et du coefficient de filtrage temporel récursif, un filtre passe-bas, et une quatrième mé- moire commandant le remplacement du contenu de la troisième mémoire d'image par une valeur de substitution d'autant plus faible que le contenu stocké dans ladite quatrième mémoire est plus grand, ou inversement, ladite valeur de substitution constituant alors le nouveau coefficient de filtrage temporel récursif. 5. Appareil selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le circuit de filtrage temporel récursif comprend un premier et un deuxième multiplieur pour la multi- plication respectivement du coefficient de filtrage temporel récursif par la sortie de l'une des première et troisième mé- moires d'image et du complément à 1 dudit coefficient par la sortie de l'autre desdites mémoires d'image, un additionneur des sorties desdits multiplieurs, et la deuxième mémoire d'image de stockage des images traitées par ledit circuit de filtrage temporel récursif. 6. Appareil selon l'une des revendications 3 à 5, 259J698 -14- caractérisé en ce que la deuxième voie de traitement comprend en série, en sortie du soustracteur, un circuit de caleul pour l'évaluation d'une grandeur fonction du signal de sortie dudit soustracteur et constituant le coefficient de filtrage tempo- rel récursif à stocker dans la troisième mémoire d'image. 7. Appareil selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la deuxième voie de traitement comprend en série, en sortie du filtre passe-bas, un circuit de calcul pour l'évaluation d'une grandeur fonction du signal de sortie dudit filtre et constituant la nouvelle valeur de signal à comparer au seuil déterminé. 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les circuits de calcul sont des mémoires mortes. 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en parallèle plusieurs deu- xièmes voies de traitement pour traiter séquentiellement une partie des points seulement. 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en parallèle autant de deu- xièmes voies de traitement qu'il y a de points d'image pour traiter en parallèle tous les points d'image.