用於提高射線照片上不同結構的感覺能力的方法和設備的製作方法
2023-10-06 13:27:44
專利名稱：用於提高射線照片上不同結構的感覺能力的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於提高射線照片上不同結構的感覺能力的方法以及適用於該方法的圖像處理設備。
背景技術：
在醫療診斷中，評價諸如X射線圖像的射線照片是非常重要的。骨頭、插入物或者類似的結構相對於周圍的軟組織通常非常明顯，因此能夠容易地感覺到。另一方面，在射線照片上通常僅能夠非常不清楚地再現柔軟組織結構，例如腱或者血管。然而，在許多病變中，實際上軟組織的感覺能力是重要的。此外，通常難以區分類似的組織。例如，裸眼通常幾乎不能看清射線照片上在較大骨頭上成像的較小骨頭；同樣對於柔軟組織結構也是這樣。因此，在這些情況下，醫生根據該射線照片通常不能進行診斷或者僅能作出非常不可靠的診斷。
射線照片的數位化已經提供了一定的改進。利用已知的圖像處理方法，例如選定圖像部分內的對比度增強，有時能夠清晰增強軟組織結構。然而，一般而言，利用該方法不能感覺到位於骨頭上面的腱。這是因為表示腱的圖像信號成分的信號電平的較小波動相對於骨頭的高背景信號電平十分不明顯。儘管在最佳的情況下用於顯示的監視器仍然再現了作為強度波動的信號電平的小波動，但是這些波動通常太小，以至於裸眼幾乎不能感覺到。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種用於提高射線照片上不同類型的結構的感覺能力的方法和設備。
利用具有專利權利要求1的特徵的方法和具有專利權利要求13的特徵的設備實現上述目的。
本發明基於以下發現，即，在大多數情況下，希望對其感覺能力提高的結構在其尺寸和精細度方面相對於該射線照片上成像的其他結構或多或少顯著不同。因為利用傅立葉譜中，更小且更精細的結構比大粗糙結構用更高的頻率顯示，所以通過改變傅立葉譜中高頻與低頻圖像信號成分之間的權重，可以為小精細結構或者大粗糙結構增強圖像對比度。根據不易感覺到的結構比容易感覺到的結構更精細還是更粗糙，修改頻率空間中圖像信號成分的權重，從而有利於高頻或者低頻圖像信號成分。
在根據專利權利要求2設定要被加權的圖像信號成分的情況下，使起初不易感覺到的結構清晰地突出出來。
在根據專利權利要求3的特別簡單的濾波過程中，只須將頻率空間強度分布乘以濾波函數。
根據專利權利要求4和5，通過利用中央頻率值和輪廓函數(profilefunction)來設定所要加權的頻率範圍，能夠以較少的參數方便地控制濾波。
根據專利權利要求6，高斯函數特別適合作為輪廓函數，原因在於其具有即使在反傅立葉變換之後仍保持為高斯函數的特性。因此在位置空間中可以將濾波表示為強度分布與高斯函數的卷積。這防止了濾波造成圖像中強度分布突然改變而具有特別高的對比度之處的位置的發散。
根據希望提高感覺能力的結構的平均結構尺寸，確定權重已經修改的頻率或頻率範圍。該平均結構尺寸或者相應的頻率範圍可以是預先固定的，或者根據專利權利要求7，可以在圖像處理設備上的控制元件的輔助下，或者通過高級計算機的用戶界面，自由地進行選擇。通過改變重要的濾波參數，處理醫生因此能夠方便地提高各種各樣的射線照片上他們感興趣的結構的感覺能力。
此外，根據專利權利要求8，通過自適應方法自動確定頻率範圍也是可行的。
例如，在這種情況下可以根據專利權利要求9或10來選擇希望提高其感覺能力的結構。
利用例如根據專利權利要求12的高斯濾波器進行根據專利權利要求11的另外的高頻濾波導致信噪比提高，原因在於反映出圖像結構的圖像信號成分相對於高頻背景噪聲增強了。這種濾波補償了隨著實際中通常顯示的圖像中的頻率f的增加而傅立葉振幅降低的情況。
以上關於方法提到的有利配置和優點同樣適用於根據本發明的圖像處理設備。
在以下參照附圖對示例性實施例的描述中可以發現本發明的其它特徵和優點，在附圖中圖1表示了其上能夠看到指骨和軟組織結構的X射線圖像；圖2表示了根據本發明的圖像處理設備的框圖；圖3表示了一維周期性位置空間強度分布I(x)；圖4表示了針對圖3的位置空間強度分布I(x)的頻率空間強度分布F(f)；圖5表示了通過對圖4所示的頻率空間強度分布F(f)濾波而生成的經過濾波的頻率空間強度分布F』(f)；圖6表示了通過對圖5所示的經過濾波的頻率空間強度分布F』(f)進行反傅立葉變換而獲得的位置空間強度分布I』(x)；圖7示出了針對一維位置空間強度分布的頻率空間強度分布F(f)和兩個輪廓函數g1(f)和g2(f)；圖8表示了通過對圖7所示的頻率空間強度分布F(f)濾波而獲得的經過濾波的頻率空間強度分布F』(f)。
具體實施例方式
圖1表示了手指12的典型X射線圖像10，其上能夠看到幾根指骨14及其周圍的軟組織16。由於指骨相較於軟組織16具有高密度，因此指骨14以高對比度從其中突顯出來，而在該X射線圖像10上幾乎不能感覺到軟組織結構，例如腱18。因此利用該X射線圖像10診斷軟組織16的這些結構十分不可靠。
即使在掃描儀中使常規記錄的X射線圖像10數位化並且以高對比度在監視器上顯示該圖像時，仍然難以看到軟組織結構18。原因在於反映指骨14或高密度的其它硬組織的圖像信號成分具有非常高的信號電平。表示所關心的軟組織結構18的信號電平的較小波動相對於指骨14的高信號電平幾乎沒有影響。儘管有時高質量監視器仍能夠將較小信號電平波動再現為強度波動，但這些波動太小了，以至於裸眼幾乎不能感覺到。這也同樣適用於未經化學顯影的PSL圖像板(PSL＝能夠光刺激發光)，其中在監視器上觀察之前必須通過光機(optomechanical)掃描方法讀取不明顯地包含在該圖像板中的X射線圖像。
為了提高對軟組織結構18的感覺能力，在圖像處理設備20中準備數位化X射線圖像10，圖2中表示了該設備的結構。圖像處理設備20包括存儲器MEM，其中能夠存儲掃描儀SCAN中生成的數字圖像數據。該數字圖像數據給出每個圖像點P＝(x，y)的強度I(x，y)，每個圖像點P例如用16位編碼，從而能夠辨別大於65000個亮度值。
存儲器MEM與傅立葉變換單元FT相連，利用該傅立葉變換單元能夠使從存儲器MEM讀取的數字圖像數據經歷傅立葉變換。由傅立葉變換單元FT生成的頻率空間強度分布F(fx，fy)為由坐標fx和fy量度的頻率空間上的複函數，並且，明顯地，表示了振幅密度譜。
圖像處理設備20還包括濾波單元FIL，利用該單元能夠對頻率空間強度分布F(fx，fy)濾波，從而改變不同頻率範圍的權重。以下將參照圖3-6對此進行更詳細的描述。
最後，圖像處理設備20包括反傅立葉變換單元FT-1，其將經濾波單元FIL濾波的頻率空間強度分布F』(fx，fy)變換回位置空間，從而獲得經修改的位置空間強度分布I』(x，y)。監視器24可以與圖像處理設備20的輸出端22相連，在該監視器上能夠顯示經修改的位置空間強度分布I』(x，y)。
以下參照圖3-6更詳細的描述濾波單元中對頻率空間強度分布F(fx，fy)的濾波。
圖3表示了對於位置空間中的圖像坐標x的強度分布I(x)，為了簡化，假設其為周期性分布。強度分布I(x)表示周期為P1的大尺寸餘弦強度分布與周期為P2的小尺寸餘弦強度分布的疊加。本簡化實例中的大尺寸強度分布是要反映出骨頭的形狀(此處假設為餘弦狀)，而小尺寸強度分布表示骨頭上的沿著曝光方向排列的餘弦狀軟組織結構形狀(同樣假設為餘弦狀)，軟組織的特徵尺寸比骨頭的特徵尺寸小的多。1/2周期長度，即餘弦函數的一個波峰分別對應於特徵結構尺寸。
如圖3所示，相對於與骨頭相關的大尺寸強度分布的相對較高信號電平，與軟組織結構相關的小尺寸強度分布淡入背景中，因此如果將圖3所示的整個強度分布I(x)顯示在監視器上，幾乎不能感覺到小尺寸強度分布的較小波動。
圖4示出了對於圖3所示的位置空間強度分布I(x)的頻率空間強度分布F(x)。除了反應強度分布I(x)的DC分量的頻率f＝0處的成分之外，該頻率空間強度分布F(f)還具有頻率為f1的成分和頻率為f2的成分，較低的頻率f1表示頻率空間強度分布的大尺寸分量，較高的頻率f2表示頻率空間強度分布的小尺寸分量。
現在，對頻率空間強度分布F(f)實施濾波，從而降低頻率值為f1的成分的振幅，並且提高頻率值為f2的成分的振幅。例如這可以通過以下操作實現F』(f1)＝r1*F(f1)和 (1)F』(f2)＝r2*F(f2)其中r1和r2為增益因子，並且r1＜1且r2＞1。圖5示出了通過濾波獲得的經過濾波的頻率空間強度分布F』(f)。通過與圖4的比較可以看出，頻率為f1的信號分量的權重與頻率為f2的信號分量的權重已經被修改，增加了頻率為f2的高頻圖像信號成分。
圖6表示了通過對經過濾波的頻率空間強度分布F』(f)進行反傅立葉變換獲得的經修改的強度分布I』(x)。在該表示中可以清晰看到，用於反應軟組織結構的小尺寸強度波動現在具有比濾波之前更大的振幅，並且因此相對於表示骨頭的大尺寸波動更好地得到增強。
由於其僅在一個維度上對於餘弦結構存在限制，因此以上所述實例表示了一種非常粗略的簡化，但卻是特別清楚地突出了濾波的本質的一個實例。然而，在真實的圖像中，所成像的結構在很寬泛的限制內具有任意的輪廓，因此通過傅立葉變換獲得的頻率空間強度分布表示了頻率的連續函數。只要提高和降低各個頻率的振幅，如上述實施例中的情況一樣，則對於最終獲得的經過濾波的圖像僅具有注意不到的影響。
因此，優選不僅僅對各個單獨的離散的頻率，還對頻率帶進行圖像信號分量的加權。利用適當的輪廓函數設定權重想要得到改變的每個頻帶。高斯函數特別適合作為輪廓函數，原因在於其具有即使在反傅立葉變換之後也能保持高斯函數形狀的特性。因此，通過頻率空間強度分布與高斯函數相乘來加權圖像信號分量對應於在位置空間中強度分布I(x，y)與高斯函數的卷積。這又具有以下影響，即強度分布突然改變並且因此具有特別高對比度的位置在濾波之後不會在空間上發散。
圖7示出了針對任意一維位置空間強度分布的頻率空間強度分布F(f)，即不是由余弦分布構成的強度分布。虛線表示了第一輪廓函數g1(f)和第二輪廓函數g2(f)，這兩個輪廓函數都是由以下等式給出的高斯函數gj(f)＝exp(-(fzj-f)2/2wj2) (2)其中分別具有中心值fz1和fz2，並且分別具有中心值與拐點之間的距離w1和w2。距離w1和w2是鐘形輪廓函數g1(f)和g2(f)的寬度的量度。在本實例中，濾波器的作用是減少位於輪廓曲線g1(f)內的處在中心值fz1周圍的頻率的傅立葉振幅。另一方面，提高位於輪廓曲線g2(f)內的處在中心值fz2周圍的頻率的傅立葉振幅。
具體而言，在這種情況下根據以下等式進行對頻率空間強度分布F(f)的濾波F』(f)＝F(f)*TF(f)(3)其中TF(f)是由以下等式給出的濾波函數TF(f)＝(1+r1*g1(f))(1+r2*g2(f)) (4)在這種情況下，增益係數r1和r2表示了打算以何程度改變所述輪廓函數規定的頻率範圍內的傅立葉振幅。在所示實例中，r1＞0，原因在於打算提高較低頻率fz1附近的傅立葉振幅。另一方面，對於增益係數r2而言，r2＜0，這導致傅立葉振幅降低。
圖8示出了圖7所示的濾波對於頻率空間強度分布F(f)的影響。通過利用濾波函數TF(f)的濾波，分別降低和提高位於濾波輪廓g1(f)和g2(f)內的頻率的傅立葉振幅。按照這種方式，在監視器24上顯示的圖像上，指骨14的大尺寸結構相對於諸如腱18的小尺寸結構淡化，因此醫生更容易識別該小尺寸結構。
從等式(2)到(4)可以看出，由數值對(fzj，wj)來確定所示實例中描述的利用輪廓函數對頻率空間強度分布F(f)的濾波。在以上參照圖3-6所述的實例中，所述中心值fzj還優選為，使得對應於這些頻率fzj的1/2周期長度大約為圖像中打算濾波以加強或減弱的那些結構的尺寸數量級。如果這些典型結構尺寸對於所有可能想到的應用而言都相同，則可以在圖像處理設備20中預先設定中心值fzj以及輪廓寬度wj。然而，優選的是，醫生可以利用在圖像處理設備20上提供的接口元件26、28自由選擇這些參數，以便提對高軟組織結構的感覺能力。另一方面，根據放大率、骨頭的類型和排列以及所研究的軟組織結構的類型，各個特徵尺寸可以有非常大的不同，因此在觀察監視器24的過程中的調整導致最佳的結果。
作為一種可選方案，圖像處理設備20通過自適應方法還可以自動設定權重將要修改的圖像信號成分。為此，處理醫生需要確定應當更清楚地顯示哪些軟組織結構。為此，醫生優選選擇相關軟組織結構的邊緣區域並且對其進行標記。圖1中的示例性地表示了由附圖標記30表示的標記，醫生可以利用例如光標在用於顯示X射線圖像10的監視器上生成該標記，在所示實例中該標記包括兩個點和連接這兩個點的線。
然後，該圖像處理設備20對多種頻率範圍進行上述的濾波，並且分別檢查由此沿著標記30的點之間的線32提高對比度的程度。繼而顯示的經修改的強度分布是由該濾波獲得的，利用該濾波獲得了最大對比度。
至此在所述實例中，假設通過僅在一個頻率範圍中濾波來提高傅立葉振幅以及僅在一個頻率範圍中濾波來降低傅立葉振幅。然而，為了提高感覺能力，僅有振幅比是重要的，因此原則上所述量度之一甚至可能足以提高感覺能力。另一方面，改變多於兩個頻率範圍中的傅立葉振幅也許是有利的，以便實現希望的顯示提高。對於等式(2)、(3)和(4)中的下標j，這表示其不僅可以取值1和2，還可以取更大的值。
為了簡化表達，將以上結合圖7和8所述的實例限制為一維強度分布I(x)。為了圖像處理，前述等式必須擴展到兩個維度。因此，將等式(2)和(4)考慮在內，等式(3)可以寫為如下等式TF(fx,fy)=j(1+rjexp(-(fzj-fx2+fy2)2/2wj2)---(3)]]>此外，還可以將濾波函數TF(fx，fy)乘以另外的輪廓函數，以便提高信噪比。如果該輪廓函數為例如中心頻率fz＝0且寬度為w的高斯函數，其對應於高頻圖像信號成分在噪聲中丟失的頻率，則相對於背景噪聲圖像信號成分被放大。輪廓函數的這種選擇補償了這樣的情況，即，在實際上通常顯示的圖像中傅立葉振幅隨著頻率f的增加而降低，因此一直存在的噪聲信號通常在高頻時突出。
應當理解，以上對於示例性實施例的說明和解釋僅僅是實例，尤其並不限制為提高軟組織結構的感覺能力。如介紹中提到的，按照上述方式不僅能夠將軟組織結構相對於諸如骨頭的硬組織結構區分出來，還能夠使相似類型的組織結構被更好地相互區分，只要其尺寸不同。
權利要求
1.一種利用圖像處理設備(20)提高對射線照片(10)上不同結構(18)的感覺能力的方法，包括以下步驟a)存儲以電子形式提供的射線照片(10)作為位置空間強度；b)進行傅立葉變換以便確定頻率空間強度分布；c)通過修改高頻與低頻圖像信號分量之間的權重來對所述頻率空間強度分布濾波，考慮到希望提高感覺能力的結構的平均結構尺寸來設定需要增加權重的圖像信號分量；d)對經過濾波的所述頻率空間強度分布進行反傅立葉變換，從而獲得經修改的位置空間強度分布，其中那些結構更容易地被看清。
2.根據權利要求1所述的方法，其中設定需要增加權重的圖像信號分量，使得對應於這些頻率的周期長度近似為感覺能力希望得到提高的結構的平均結構尺寸的兩倍。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中經過濾波的頻率空間強度分布F』(fx，fy)由以下等式給出F』(fx，fy)＝TF(fx，fy)·F(fx，fy)其中F(fx，fy)為針對位置空間強度分布的頻率空間強度分布，fx，fy是二維頻率空間中的頻率，TF(fx，fy)是用於加權圖像信號分量的濾波函數。
4.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中利用至少一個中心頻率值以及至少一個輪廓函數來設定所述濾波函數，其按照相對於所述中心頻率值的距離的函數來修改所述圖像信號分量的權重。
5.根據權利要求3和4所述的方法，其中該濾波函數TF(fx，fy)由以下等式給出TF(fx,fy)=j(1+rjg(fx,fy,fzj,wj))]]>其中g(fx，fy，fzj，wj)為輪廓函數，rj為中心頻率值fzj的加權因子，wj為寬度參數，其為所述輪廓函數的寬度的量度。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述輪廓函數g(fx，fy，fzj，wj)為由以下等式給出的高斯函數g(fx,fy,fzj,wj)=exp(-(fzj-fx2+fy2)2/2wj2)]]>
7.根據權利要求4到6中任一項所述的方法，其中藉助於在所述圖像處理器(20)上設置的所述控制元件(26、28)，能夠修改至少一個中心頻率值的設定以及至少一個輪廓函數的設定。
8.根據權利要求4到6中任一項所述的方法，其中在操作員已經選擇了射線照片上感覺能力希望得到提高的結構之後，相適應性地設定所述至少一個中心頻率值和所述至少一個輪廓函數，從而提高該結構的對比度。
9.根據權利要求8所述的方法，其中通過指定該結構邊緣上的點以及對比度希望得到提高的方向來選擇該結構。
10.根據權利要求8所述的方法，其中通過指定該結構內的兩個點來選擇該結構，在所述兩個點之間對比度希望得到提高。
11.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中頻率空間強度分布F(fx，fy)還經歷高頻濾波。
12.根據權利要求11所述的方法，其中該高頻濾波由中心頻率值為0的高斯濾波器進行。
13.一種用於提高對射線照片(10)上不同結構(18)的感覺能力的圖像處理設備，其具有a)存儲器(MEM)，用於存儲以電子形式提供的射線照片(10)作為位置空間強度分布；b)傅立葉變換單元(FT)，用於進行傅立葉變換以便確定頻率空間強度分布；c)濾波器(FIL)，用於通過改變高頻與低頻圖像信號分量之間的權重來對頻率空間強度濾波的，考慮到感覺能力希望得到提高的結構的平均結構尺寸來設定需要增加權重的所述圖像信號分量；d)反傅立葉變換單元(FT-1)，用於對經過濾波的所述頻率空間強度分布進行反傅立葉變換，從而獲得修改的位置空間強度分布，其中可以容易地觀察到那些結構。
14.根據權利要求13所述的圖像處理設備，其中設定需要增加權重的圖像信號分量，是使對應於這些頻率的周期長度近似為感覺能力希望得到提高的所述結構的平均結構尺寸的兩倍。
全文摘要
本發明涉及一種利用圖像處理設備(20)提高對射線照片(10)上不同結構(18)的感覺能力的方法，包括a)存儲以電子形式提供的射線照片(10)作為位置空間強度；b)進行傅立葉變換以便確定頻率空間強度分布；c)通過修改高頻與低頻圖像信號分量之間的權重來對所述頻率空間強度分布濾波，其中考慮到希望提高感覺能力的結構的平均結構尺寸來設定需要增加權重的圖像信號分量；d)對經過濾波的所述頻率空間強度分布進行反傅立葉變換，從而獲得經修改的位置空間強度分布，其中那些結構更容易地被看清。因為在射線照片中的難以看清的結構，例如軟組織部分的大小不同於容易看清的結構，例如骨頭的大小，所以通過改變傅立葉譜中高頻圖像信號分量相對於低頻圖像信號分量的權重，可以有選擇地提高難以看清的結構的圖像對比度。
文檔編號G06T5/10GK101052992SQ200480044078
公開日2007年10月10日 申請日期2004年7月27日 優先權日2004年7月27日
發明者M·託馬斯 申請人:杜爾牙科器械兩合公司