Brevet FR2632071A1 — publié le 19891201

ECHOGRAPHE ULTRASONORE A BRUIT D'INTERFERENCE REDUIT". La présente invention concerne un échographe ultra- sonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique, un étage d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage de ré- ception et de traitement des signaux échographiques e renvoyés vers le transducteur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'échographie médicale, et plus spécialement dans celui de la formation d'images d'organes. Le problème technique général que doit résoudre tout échographe ultrasonore conforme au préambule consiste, le plus souvent, à obtenir une image aussi exacte que possible du milieu soumis à exploration, quant à ses contours et aux pa- rois spéculaires qu'il contient. Diverses solutions à ce problème technique général ont déjà été proposées par le passé. Citons, en particulier, l'article de M. Fink *Imagerie ultrasonore" paru dans le Journal de Physique Appliquée 18 (1983) p. 527-556, qui analy- se de façon exhaustive les divers aspects de la formation échographique d'images. Toutes les solutions connues de l'état de la technique, si elles conduisent à des résultats souvent satisfaisants, présentent pourtant certaines limites. En effet, la détermination des contours d'organes et la détection d'objets faiblement contrastés sont perturbées par les interférences constructives et destructives des échos produits par les multidiftuseurs contenus dans le milieu étudié, ceci en relation avec le caractère cohérent de l'onde ultrasonore émise par le transducteur piézoélectrique. Ce phénomène parasite est analogue, dans le domaine acoustique, à celui connu sous le nom de "speckle" dans le domaine optique et qui donne lieu aux "grains de lumière" que l'on rencontre souvent associés à l'émission laser. Les principaux inconvénients de -2- ce bruit d'interférence dans le domaine ultrasonore sont, d'une part, une dégradation de la qualité des images échogra- phiques, notamment une perte de visibilité en régime de fai- bles contrastes, et, d'autre part, une bande de fréquence lar- ge et une forte variance qui rendent inefficaces les procédés usuels de détection de contour. Il est donc clair que la réduction du 'speckle' est déterminante pour l'amélioration de la qualité des images échographiques. Dans ce but, différentes méthodes ont été en- visagées: - d'une part, celles qui consistent à traiter le signal avant acquisition, de façon à obtenir une décorrélation du speckle'. C'est, par exemple, la composition spatiale (voir l'article de C.B. Burkhardt, dans IEEE Trans. Sonics Ultrasonics, SU25 1-6 (1978)). Cette méthode conduit en général à des images échographiques de bonne qualité. Elle présente cependant l'inconvénient de nécessiter un dispositif de traitement électronique complexe et onéreux. De plus, le temps d'acquisition est relativement long, ce qui exclut la possibilité d'obtenir des images en temps réel. - d'autre part, les méthodes de lissage après for- mation de l'image, comme, par exemple, l'utilisation d'un fil- tre passe-bas qui réduit effectivement les fluctuations dues au Nspeckle", mais introduit un flou dans les images en éta- lant les contours. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un échographe ultra- sonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique, un étage d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage de ré- ception et de traitement des signaux échographiques e renvoyés vers le transducteur, échographe ultrasonore qui serait du ty- pe 'à traitement a posteriori du signal", mais qui réduirait. l'effet de "speckle" de façon sensible tout en gardant des contours d'images nets. La solution à ce problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit étage de réception et de traitement comporte au moins un filtre morphologique en échelle de gris, d'élément structurant g dans un domaine D, et réalisé à l'aide de moyens élémentaires d'érosion et de dila- tation appliqués auxdits signaux échographiques. La morphologie mathématique et son application au traitement d'images sont connues de l'ouvrage de J. Serra Image analysis and mathematical morphology' Academic Press, 1982. Ce document concerne essentiellement l'analyse morpholo- gique d'images binaires et montre comment, à partir des opéra- tions d'érosion et de dilatation, on peut obtenir des images structurées, exemptes d'irrégularités, et sur lesquelles il est possible de faire des mesures précises. En substance, la morphologie mathématique vise à quantifier les structures et formes d'images à l'aide de relations entre l'image et un petit élément fermé, appelé élément structurant, que l'on déplace à travers l'image. Ces relations proviennent des opérations élémentaires d'érosion (notée eeg) qui, schématiquement (on verra plus loin en quoi elle consiste exactement), donne une image plus structurée par défaut, et de dilatation (notée eeg) qui, inversement, donne une image plus structurée par excès. A proprement parler, l'érosion et la dilatation ne sont pas des filtres morphologiques puisqu'ils ne vérifient pas la propriété d'idempotence. C'est pourquoi on construit, à partir de l'érosion et de la dilatation, des opérations morphologiques dites de fermeture et d'ouverture. La fermeture est une dilatation suivie d'une érosion, alors que l'ouverture est une érosion suivie d'une dilatation. La fermeture et l'ouverture restituent des images, plus structurées, de dimensions voisines de celles de l'image initiale; toutefois, le fermé reste plus grand et l'ouvert plus petit. En échographie classique, o l'image n'est pas binaire mais analogique, on utilise des filtres morphologiques en échelle de gris dont la définition sera donnée plus loin dans la description. 26320 7 1 - 4 - Il est clair que, dans toutes ces opérations, la taille du domaine D de l'élément structurant joue un rôle très important. En effet, un élément structurant de grande dimen- sion pourra absorber de façon plus efficace les irrégularités de l'image et donc réduire fortement les effets du speckle". Mais, dans le même temps, il contribuera à une dégradation du pouvoir séparateur de l'instrument considéré. Aussi, il convient de trouver un compromis raisonnable entre un lissage des fluctuations du signal et la préservation de petits détails. Selon un mode d'exécution particulier de l'invention, il est apparu préférable que la dimension du domaine D de l'élément structurant g est au plus égale à la résolution de l'échographe. Ainsi se trouve préservé le pouvoir de résolution de l'appareil qui, dans le domaine médical, est tout à fait déterminant. Plus précisément, la Demanderesse a montré qu'une configuration avantageuse est celle o la dimension de l'élément structurant est sensiblement égale à la moitié de la résolution de l'échographe. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est le schéma d'un échographe ultraso- nore selon l'invention. La figure 2 représente le dilaté 2b, l'érodé 2c, le fermé 2d, l'ouvert 2e et le fermé-ouvert 2f d'un signal écho- graphique 2a, dans le cas d'un élément structurant plat. La figure 3 représente le fermé du signal échogra- phique de la figure 2a dans le cas d'un élément structurant volumique. La figure 4 représente le fermé du signal échographique de la figure 2a dans le cas d'une morphologie multiplicative. La figure 1 donne le schéma d'un échographe ultra- 26320 71 - sonore comprenant un transducteur piézoélectrique 100, un éta- ge 200 d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage 300 de réception des signaux échographiques e renvoyés vers le transducteur 100, ainsi qu'un dispositif 101 de commande de balayage mécanique du transducteur. A la place de ce transduc- teur, on pourrait utiliser, bien entendu, un réseau de trans- ducteurs associé alors à un dispositif de commande de balayage électronique. De façon classique, l'étage d'émission 200 com- prend un séquenceur composé d'un oscillateur, de fréquence 32 MHz par exemple, et d'un diviseur de fréquence qui commande à la fréquence de récurrence de 5kHz un générateur dont les si- gnaux électriques d'excitation sont envoyés vers le transduc- teur 100 qui les convertit en trains périodiques de signaux impulsionnels ultrasonores. Un séparateur 102 des étages d'é- mission 200 et de réception et de traitement 300 est inséré entre le transducteur 100 et lesdits étages 200, 300 et évite l'aveuglement des circuits de réception par les signaux d'émission. L'étage de réception et de traitement 300 comprend, en sortie du séparateur 102, un amplificateur haute-fréquence 301 incluant la compensation du gain en fonction de la profon- deur, un amplificateur de compression logarithmique 304, un dispositif de mémorisation et de conversion de balayage 305, et un dispositif 306 de visualisation. Comme le montre la figure 1, l'étage de réception et de traitement comporte également des filtres morphologiques en échelle de gris 302, 303 d'élément structurant g dans un domaine D, et réalisé à l'aide de moyens éléments d'érosion 302e, 303e et de dilatation 302d, 303d appliqués aux signaux échographiques e. Les moyens de dilatation 302d, 303d transforment un signal e(x,y) à deux dimensions en un signal dilaté D(x,y) donné, dans une définition additive, par la relation: D(x,y)=(eeg)(x,y)=Max [e(x+x',y+y')+g(x',y')] x',y'ED Inversement, les moyens d'érosion 302e, 303e donne d'un signal - 6 - e(x, y) un signal érodé E(x,y) défini par: E(x,y)=(eeg)(x,y)=Min [e(x+x',y+y')g(x',y')] X',y'CD , La figure 2 illustre ces deux opérations dans le cas d'un signal échographique initial e(x) qui, dans cet exem- ple, est l'enveloppe d'un écho représentant un kyste dans un milieu diffusant. Les fluctuations du signal liées au speckle' sont clairement visibles à la fois dans la région du kyste que dans le fond diffusant. Les figures 2b à 2f illus- trent les différentes opérations morphologiques réalisées sur ce signal, à l'aide d'un élément structurant g(x) dit 'plat' défini par: g(x)=O dans tout le domaine D. Cet élément structurant, ainsi que le domaine D, sont montrés sur la figure 2a. De façon à ne pas apporter de déformations trop importantes au signal qui pourraient conduire à une in- terprétation erronée, il est avantageux de donner au domaine D de l'élément structurant une dimension raisonnable, à savoir au plus égale à la résolution de l'échographe. Dans les exem- ples de la figure 2, cette dimension est de l'ordre de la moi- tié de la résolution axiale. Le dilaté D(x) et l'érodé E(x) du signal E(x) sont représentés respectivement aux figures 2b et 2c. On constate sur ces figures que l'érosion (resp. la dilatation) remplace simplement chaque échantillon par le minimum (resp. maximum) local sur tout le domaine D de l'élément structurant, confor- mément aux relations: D(x)=Max e(x+x') x'cD E(x)=Min e(x+x') x'cD Ces opérations d'érosion et de dilatation permettent de définir les opérations morphologiques de fermeture et d'ouverture. Le fermé F(x) du signal e(x) est donné par: -7- F(x)=[(eeg)eg](x) Il s'agit donc d'une érosion appliquée à une dilatation. C'est cette opération qu'effectue le filtre morphologique 302 de -la figure 1, réalisé à l'aide d'un moyen de dilatation 302d suivi d'un moyen d'érosion 302e. Inversement, l'ouvert O(x) est donné par la relation: O(x)=[ (eg)eg] (x) L'opération d'ouverture se compose donc d'une érosion puis d'une dilatation. Le filtre 303 de la figure 1, réalisé à l'aide d'un moyen d'érosion 303e suivi d'un moyen de dilata- tion 303d, est un filtre morphologique de fermeture. Les figures 2d et 2e montrent respectivement le fermé et l'ouvert du signal échographique de la figure 2a. De façon schématique, on peut dire que l'ouvert (resp. le fermé) est caractérisé par sa capacité à tronquer les pics (resp. les vallées) les plus pointu(e)s indépendamment de leur hauteur (resp. leur profondeur) absolue. Enfin, la figure 2f représen- te le résultat d'une opération de fermeture-ouverture FlO(x)] réalisé, par le filtre de fermeture 302 de la figure 2 suivi par le filtre d'ouverture 303, sur le signal échographique e(x) de la figure 2a. Il faut également souligner, comme cela apparaît clairement sur la figure 2, que les bords séparant le kyste du fond diffusant ne sont pas rendus flous, or, il est connu que la perception d'une image dépend étroitement de la qualité de ses contours. Ceci est une supériorité des filtres morphologiques par rapport à un filtre passe-bas par exemple. Après quelques essais sur différentes images, il est apparu à la Demanderesse que le filtre de fermeture 302 et le filtre de fermetureouverture 302-303 s'avèrent les mieux adaptés à la réduction du "speckle", dans l'optique d'une meilleure qualité d'image. La comparaison entre les figures 2d et 2f permet de comprendre la différence qui existe entre ces deux types de filtres. Le filtre de fermeture réduit effectivement les fluctuations dues aux interférences destructives qui produi- sent des taches sombres dans l'image. Par contre, les pics 26320 t7 1 - 8 - liés aux interférences constructives demeurent. Le filtre de fermetureouverture tronquent ces derniers pics, mais alors les détails fins, inférieurs à la dimension du domaine de l'é- lément structurant, tels que les parois de vaisseaux sanguins, sont peu visibles. Ainsi, il ressort que le filtre de fermeture est plus avantageux lorsque des structures fines sont présentes dans le milieu diffusant, tandis que le filtre de fermetureouverture est plus utile, par exemple comme une première étape d'un procédé de détection de contour. Comme on peut le voir à la figure 2, l'utilisation d'un élément structurant 'plat* conduit à un aspect déplaisant de l'image dû à des fronts raides et à des vallées ou des pics brutalement tronqués. Deux méthodes peuvent être proposées pour s'affranchir de cet effet indésirable. Une première mé- thode consiste à utiliser comme élément structurant g un élé- ment volumique défini par: g#0 dans le domaine D La figure 3 montre le fermé F'(x) du signal écho- graphique de la figure 2a, obtenu avec un élément structurant g(x) convexe. La seconde méthode consiste à utiliser, dans le cas d'un élément structurant volumique, une définition multiplica- tive des opérations d'érosion et de dilatation: (eGg)(x,y)=Min e(x+x',y+ y')/g(x',y') x',y'eD (eeg)(x,y)=Max e(x+x',y+y')xg(x',y') x',y'eD La figure 4 montre le fermé F*(x) du signal écho- graphique de la figure 2a, obtenu à l'aide des opérations mul- tiplicatives ci-dessus. On constate que, dans les deux cas, les transitions raides deviennent plus progressives. En théorie, la seconde méthode, dite multiplicative, donne un meilleur lissage dans les zones de faible contraste o les pics et les vallées sont moins pointus en moyenne. Toutefois, la Demanderesse a observé -9 qu',en fait, les deux méthodes conduisent à des résultats voisins lorsque l'élément structurant est convenablement choisi. D'autre part, il ne faut pas perdre de vue que la méthode additive est plus facile à mettre en oeuvre. Toutes les considérations qui viennent d'être développées à propos d'une image échographique e(x) à une dimension s'appliquent également au cas d'une image échographique e(x,y) à deux dimensions. Il faut toutefois, dans ce dernier cas, apporter quelques précisions quant à la forme de l'élément structurant. Le plus simple des éléments structurants est l'élément structurant 'plate dont le domaine D est rectangulaire (incluant le carré), les dimensions du rectangle étant adaptées aux résolutions axiale et latérale de l'échographe. En général, la résolution axiale est meilleure que la résolution latérale. De façon à éviter l'aspect déplaisant de l'image dû à un élément structurant rectangulaire, il est avantageux d'utiliser un élément structurant 'plat" de domaine D elliptique, dont le grand axe (resp. le petit axe) équivaut sensiblement à la moitié de la résolution latérale (resp. axiale). Au lieu d'utiliser un élément structurant 'plat", il est également possible d'avoir recours à un élément structurant volumique que l'on peut écrire, par exemple, sous laforme de deux fonctions gaussiennes séparées: g(xy)=kgax(x)glat(Y) avec gax(x)=exp(-x2/oa2) et glat(Y)=exp(y2/oi2) Le domaine D est, dans ce cas, limité à la partie convexe des fonctions gaussiennes. Il faut signaler, en outre, que dans le cas d'un échographe à balayage sectoriel, l'orientation de l'élément structurant doit suivre l'orientation du faisceau sur toute l'image. - 10 - REVENDICATIONS 1. Echographe ultrasonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique (100), un étage (200) d'émission d'un faisceau ultrasonore, et un étage (300) de réception et de traitement des signaux échographiques e renvoyés vers le transducteur (100), caractérisé en ce que ledit étage (300) de réception et de traitement comporte au moins un filtre morpho- logique en échelle de gris (302,303), d'élément structurant g dans un domaine D, et réalisé à l'aide de moyens élémentaires d'érosion (302e, 303e) et de dilatation (302d,303d) appliqués auxdits signaux échographiques. 2. Echographe ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension du domaine D de l'élément structurant g est au plus égale à la résolution de l'échogra- phe. 3. Echographe ultrasonore selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension du domaine D de l'élément structurant g est sensiblement égale à la moitié de la résolu- tion de l'échographe. 4. Echographe ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit filtre mor- phologique (302) est un filtre de fermeture, réalisé à l'aide d'un moyen de dilatation (302d) suivi d'un moyen d'érosion (302e). 5. Echographe ultrasonore selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit filtre de fermeture (302) est sui- vi d'un filtre morphologique d'ouverture (303), réalisé à l'aide d'un moyen d'érosion (303e) suivi d'un moyen de dilata- tion (303d). 6. Echographe ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément structu- rant g est un élément plat défini par g=0 dans le domaine D. 7. Echographe ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément structu- rant g est un élément volumique défini par g*0 dans le domaine D. - 11 - 8. Echographe ultrasonore selon l'une des revendica- tions 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de dilatation (302d,303d) et d'érosion (302e,303e) sont définis respective- ment par les opérations suivantes: (eeg)(x,y)=Max [e(x+x',y+y')+g(x',y')] X'Y, 'D (eeg)(x,y)=Min [e(x+x',y+y')-g(x',y')] x',y'eúD 9. Echographe ultrasonore selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de dilatation (302d,303d) et d'érosion (302e,303e) sont définis respectivement par les opé- rations suivantes: (eEg)(x,y)=Max e(x+x',y+y')xg(x',y') x',y'eD (eEg)(x,y) =Min e(x+x',y+y')/g(x',y'} x',y' eD 10. Echographe ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le domaine D est rectangulaire. 11. Echographe ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le domaine D est elliptique. 12. Echographe ultrasonore selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément structurant est donné par: g(x,y)=kgax(x) glat(y) avec gax(x)=exp(-x2/oa2) et glat(y)=exp(-y2z/oa2), le domaine D étant limité à la partie convexe des fonctions gaussiennes gax(x) et glat(Y)-