专利名称：对数字减法血管照相术进行图象处理的方法
技术领域：
本发明涉及一种图象处理方法，以便由包含像素值的数字化掩膜和包含像素值序列的数字化不透明图象产生数字减法血管照相术图象序列，该方法包括向数字化掩膜的像素值和数字化不透明图象序列的像素值施加一个对数函数的步骤，从而可以获得对数的像素值，以及从数字化的掩膜中相应像素的对数值中减去数字化不透明图象的每一个像素的对数值的步骤。
背景技术：
R.Kruger和S.Riederer的名称为“数字减法血管照相术的基本概念”(G.K.Hall Medical Publisher，Boston，MA，1984)的著作中描述了一种数字减法血管照相术，这种医学图象技术在研究病人的血管时特别有用。X射线通过病人的一个区域。在离开该区域时，X射线被转换成光，也就是一种可获得一个图象的电信号，称作为掩膜，然后将一种造影剂(例如包括碘)注入病人的血管。通过穿过该区域的X射线可以获得不透明图象序列，“图象序列”这种表述可以被理解为一个图象或是几个连续的图象，掩膜和不透明图象然后被数字化。数字化的掩膜包括的每一个像素都具有一个亮度值，也称为一个在例如0到255之间的“灰度级”，向一个数字化的不透明图象施加同样的作用。然后向数字化掩膜和数字化不透明图象的像素值施加一个对数函数。从数字化掩膜中相应像素的对数值减去数字化不透明图象的每一个像素对数值。
对数函数可以这样理解通过这个函数，其导出的值比施加给变量的小值大，然后对该变量的大值向零减小。例如应用“内皮尔对数”函数，或者形式为f(x)＝x1/n的函数f，在这里，x是该变量，n是一个整数。
上面描述的方法可获得图象最终的序列，该序列只包括所要研究的血管区域。这是因为掩膜的减少可以起到消除出现在不透明图象序列中的物体的作用，该物体(例如组织和骨骼)会干扰对血管的分析，然而，申请人已经发现，通过应用该方法，一些血管就不会出现或者在图象的最终序列中不会很明显，特别是叠加在不透明图象序列中的黑色组织(例如骨骼)上的血管。
发明内容
本发明的一个发明目的是提出一种处理图象的方法，该方法尤其使在采用现有的技术中描述的方法时，不很清楚或一点也不清楚的血管重新清晰。本发明考虑到下面的理由。对数函数的使用增强了黑色组织之间的对比度，该组织具有相近的灰度级。这是因为这种函数具有一个增益，由其导数表示，对施加的变量的较小值，它是较大的。在最终图象序列中对数函数的使用可以显示出该血管，即使这些血管叠加在不透明图象序列中的黑色组织上。如果该黑色组织确实具有低的灰度级，那么它就是有效的，然而，经常出现这种情况，在血管照相术中，会出现二次X射线辐射(散射辐射)，这是由于通过被研究病人的某个区域的某些结构组织，X射线会发生衍射。这种散射辐射尤其可以起到增大数字化掩膜和数字化不透明图象的某些像素值的作用，因此，在不存在散射辐射的应具有低的灰度级的结构组织，具有相对高的灰度级。因为这样，应用对数函数，不再显示叠加在组织(例如骨骼)上的血管。
依照本发明，在开始段落中定义的一种处理图象方法，其特征在于它包括，在施加一个对数函数步骤之前，能够减小数字化掩膜和数字化不透明图象的某些像素值的处理步骤。
通过减少数字化掩膜和数字化不透明图象的某些像素值，散射辐射的作用就变得模糊，对数函数的应用又能将叠加在不透明图象序列中的黑色组织上的血管重新显现出来。例如，可能对掩膜和数字化不透明图象的每一个像素测量出散射辐射对该像素值的作用，并且减掉对该值的作用。
在本发明的优选实施例中，所述的处理步骤包括这样的步骤，即在数字化不透明图像序列中选择最小的像素值并从数字化不透明图像序列和数字化掩膜的所有像素值中减去这个最小像素值的某一特定分数，依照该实施例，散射辐射被认为是对所有的掩膜和数字化不透明图象的像素起到了一个相同的作用，并且这个作用大约由于一个分数，例如在数字化不透明图象序列中最小像素值的二分之一。这样一个实施例具体实施起来很简单，因为它无需测量散射辐射对每一个像素值的作用。
依照本发明的第一方面，该图象处理方法的特征在于在减法步骤的最后，有一个过滤脉冲型噪音的步骤。
处理步骤包括，施加一个对数函数和减法步骤，这样使恢复某些血管成为可能，但也在图像的最终序列中引进了噪音，特别是脉冲型噪音。依照这个变型，减小该脉冲噪音，可以方便医生对最终图象序列进行分析。
在第一变型优选实施例中，所述的过滤步骤使用了形态滤波器。
使用这样的一个滤波器可以起到消除脉冲噪音的作用，同时保存医生实施分析时重要的详细资料，例如纤细的血管。
依照本发明的第二方面，该图象处理方法的特征在于它还包括在处理步骤前，施加一个时间过滤步骤。
当噪音位于黑色组织中时，处理步骤和对数函数的应用放大了出现在掩膜和不透明图像序列中的噪音，然而，定量的噪音固有地存在于数字减法血管照相术中。依照本发明的第二方面，一大部分定量噪音在处理步骤和应用对数函数之前被消除，从而很少量的定量噪音存在于最终图象序列中。
以下参照在附图中示出的实施例对本发明作进一步的描述，然而，本发明并不受这些表述的限制。
图1a表示出了依照本发明的一种图象处理方法。
图1b是用于图1的方法中使用的对数函数的增益曲线图。
图1c描述了图1b对小的像素值的增益曲线图。
图2表示出了用在本发明的第一方面中的过滤步骤。
图3a到3c表示出了在图2中的过滤步骤中所施加的开放操作和关闭操作。
图4a表示出了用在本发明的第二方面的时间过滤器，图4b表示出了利用图4a中时间过滤器的一种图象处理方法。
图5表示出一种实施本发明的医疗图象设备。
具体实施例方式
图1a表示出了依照本发明的一种图象处理方法，通过对穿过病人一个区域的X射线检测，并接着将其数字化，可以获得数字化掩膜100。通过对穿过相同区域的X射线检测，并接着将其数字化，可以获得一序列数字化不透明图象101，一种造影药剂被注入病人的血管。数字化掩膜100和数字化不透明图象序列101连续地经历处理步骤102，分别给出处理的掩膜103和一序列处理过的不透明图象104，并通过施加一个对数函数105的步骤，分别形成对数掩膜106和一序列对数化不透明图象序列107。然后在减法步骤108中从对数化的不透明图象107的序列中的每一个图象减去对数化的掩膜106，获得了一个最终的图象序列109。
必须提到，在图1a中，对几个连续的不透明图象使用依照本发明的方法，从而形成数字化不透明图象序列101，也就是说，步骤102，105，108被连续地施加到序列101中的每个数字化不透明图象上。因此，依照本发明的方法可以仅仅应用到一个数字化不透明图象上，也就是说，为了应用该方法而获得几个连续的图象是不必要的。
图1b描述了在步骤105中施加了对数函数后的增益曲线图。图1c描述了对于小的像素值的相同的增益曲线图。从增益曲线图可以看出，在Y轴上，对应了一个像素值的对数函数的增益，在X轴上是存在于0到255之间的一个范围，对应于黑色组织的较小值，对应于亮区域的较大值。一个像素通过步骤102后将具有一定值，通过步骤105后，发现该值被在增益曲线上的相应增益放大。必须提到，一个转换表LUT(LUT是查表的英语表达方式的缩写)被常常用来施加对数函数。
在一种情况下，为了对本发明进行更好的理解，我们首先考虑不施加处理步骤102。
在理论情况下，散射辐射是零，并且相关的黑色区域包括了叠加在骨骼上的血管。据认为，例如血管相对应的像素在数字化不透明图象序列101中具有一个为12的值，并且对应于骨骼的像素值在数字化掩膜101中具有一个等于16的值。如果将数字化掩膜100从数字化不透明图象序列101中减去，并且没有使用对数函数，那么，血管在最终的图象序列109中就不是非常清楚。通过使用对数函数，血管的像素被放大大约10倍，骨骼的像素被放大大约4倍，如在图1c所示。因此，施加对数函数后，血管的像素具有大约为120的值，骨骼的像素具有大约为64的值。灰度级上的差别足以在过减法步骤108之后，使血管在最终的图象序列109中显现出来。
然而，因为散射辐射，使数字化掩膜100的像素值和数字化不透明图象序列101像素值得到增大。例如，替代等值12，没有出现散射辐射的血管的像素值可以等于24。骨骼的像素值可以等于28。然而，对于像素值24和28，对数函数的增益几乎是相等的(如图1c所示)。因此，尽管使用了对数函数，在对数化不透明图象序列107中的血管的像素值接近于对数化掩膜106中的骨骼的像素值，以至于减法步骤108不能在最终的图象序列109中清楚地将血管显示出来，这是一个缺点。
依照本发明，处理步骤102的实施弥补了这个缺陷。这是因为，在处理步骤102中，某些像素值得至减小。例如，如果一个系统可用于测量对数字化掩膜100和数字化不透明图象序列101中的每个像素值的散射辐射作用，那么，这个作用可以被从每一个像素值中减掉。这样，在处理后的掩膜103和处理后的不透明图象序列104中，这些像素值和不存在散射辐射时获得的像素值是相等的。通过这种方式，由于上面表示出的原因，在步骤105中施加了对数函数后，减法步骤108可以清楚地将在数字化不透明图象序列101中，叠加在诸如骨骼这些黑色组织上的血管清楚显示出来。然而，这样的一个系统一般体积较大，技术上复杂。
这是因为在本发明的优选实施例中，在数字化掩膜100和数字化不透明图象序列101的所有像素值中，减去数字化不透明图象序列101中最小的像素值的一定分数。例如，这个分数可以等于50％。如果上面所述的例子再一次被实施，因为散射辐射，血管的像素值为24，骨骼的像素值为28。假定在数字化不透明图象序列101中，血管是最黑的组织，也就是说最小的像素值是24。如果再从数字化的掩膜100和数字化不透明图象序列101的所有像素值中减去最小像素值的一半，也就是12，那么，在处理过的不透明图象序列104中的血管像素将具有一个为12的值，在处理过的掩膜103中的骨骼的像素将具有一个为16的值。因为这样，由于在上面表示出的原因，在步骤15中使用了对数函数后，减法步骤108就能使血管重新清楚。除此之外，该方法实施起来特别简单。这是因为，知道了数字化不透明图象序列101中的所有像素值，就可以容易地选择这些值的最小值，然后从数字化掩膜100和数字化不透明图象序列101的所有像素值中减去这个最小值的预先设定的分数。
然而，实施依照本发明的方法在最终的图象序列109中可能引入噪音，特别是脉冲形式的噪音，这样的噪音的特征是在最后的图象序列109中出现了颗粒状。这种噪音也可以称为“胡椒粉和盐的噪音”或“斑点噪音”。
这是因为脉冲型噪音很自然地存在于血管照相术的图象中。尽管在数字化不透明图象序列101中的脉冲噪音几乎是不可见的，然而通过处理步骤102和对数函数的施加步骤105的结合，这个噪音被放大，这是因为这个噪音存在于黑色区域中时，由于对数函数的增益比小的像素值要高，它将被在步骤105中使用的对数函数放大。另外，处理步骤102可以起到减小相应于脉冲噪音的像素值的作用，对这些值施加的增益都将是很高的，因此，脉冲噪音将得到更大的放大。这是一个缺点，因为这些脉冲噪音将影响对最终图象序列109的分析。
依照本发明的第一方面，对最终图象序列109应用脉冲噪音过滤步骤，可以补偿这个缺点。过滤步骤包括对最终图象序列109进行过滤，能减小脉冲噪音。例如，可以应用一个非线性滤波器，(诸如中值滤波器)。也可以将一个线性滤波器和一个非线性滤波器结合起来使用，例如一个FMH(FMH是英文表达“有限冲激响应中值混合过滤器”(“Finite impuse response Median HYBRIDfilter”)的缩写)，或者一个对噪音具有预先设定功能的滤波器(例如维纳过滤器)。优选的是，脉冲噪音过滤步骤使用一个形态滤波器。
形态过滤器在Jean Serra撰写的名称为“图象分析和数学形态学”(AcademicPress，London，1982)的著作中有所描述。对一个包括像素的图象应用一个形态过滤器。形态过滤器的使用可以是一个形态操作或者是形态操作和其它可能操作(例如减法或加法)的组合，有各种各样的形态操作使用结构元件，也称作颗粒，施加到每一个图象像素附近。由于形态过滤器对本领域的普通技术人员来说是熟知的，因此，以下就不再详细描述。然而，某些人形态操作的定义将在下面作解释图象的侵蚀由施加颗粒到附近的最小值取代了每一个像素值。
图象的扩充由施加颗粒到附近的最大值取代了每一个像素值。
开放一个图象包括在扩充之后的腐蚀，可以获得一个开放图象。
关闭包括侵蚀之后的扩充；可以获得一个闭合图象。
顶环(Top-Hat)函数包括从图象中减去其开放图象。
泥赛环(Bot-Hat)函数包括从图象中减去其闭合图象。
图2到3c描述了施加在最终的图象序列109中的形态滤波器的例子。泥赛环函数200施加在最终的图象序列109中，以便给出第一图象序列201。顶环函数202然后施加在第一图象序列201上，以便给出第二图象序列203。第一图象序列201的每一个像素值通过(-1)被放大，并且在如此处理的第一图象序列201和第二图象序列203之间施加第一加法204，以便给出第三图象序列205，第三图象序列205的每一个像素值通过第一校正参数c1经历第一乘法运算206，从而获得第四图象序列207，第二图象序列203的每一个像素值通过第二校正参数c2经历第二乘法运算208，从而获得第五图象序列209，最后，在最终的图象序列109，第四图象序列207和第五图象序列209之间，施加第二加法210，可以获得一个没有噪音的图象序列211。
图3a和3c描述在图2所示的泥赛环函数200中所用的闭合步骤，在第一扩展步骤中图象300利用四个颗粒A1-A4经过四个扩展，获得四个扩展图象，再经历一个平均步骤302，可以给出第一平均图象，然后再在第一侵蚀步骤303中，使用四个颗粒B1到B4进行四个侵蚀，可以获得四个侵蚀的图象。再经历平均步骤302，可以获得闭合图象304。如果图象300是最终图象序列109中的一个图象，那么该闭合步骤可消除一大部分脉冲噪音，并可以保持粗的血管并消除某些纤细血管。使用的颗粒要考虑到血管和要消除噪音的各种可能取向，也就是一个脉冲噪音通常要延伸到小于三个像素。这样，施加在最终图象序列109中时泥赛环函数200(如图2所示)使获得第一图象序列201成为可能，该序列包括脉冲噪音和纤细血管，由于减法步骤的施加，是在相反的灰度级上。
图3b和3c表示在图2的顶环的数中使用的开放操作。在第二侵蚀步骤305中，图象300利用四个颗粒A1到A4经历四个侵蚀。可以获得四个侵蚀的图象，再承受平均步骤302，可以给出二次平均图象，在二次扩展步骤306中，利用四个颗粒B1到B4经受四次扩展。然后可以获得四个扩展的图象，再经历平均步骤302，可以获得开放的图象307。如果图象300是一级图象序列201中的一个图象，那么，开放步骤的实施就使保持纤细的血管成为可能，是在相反的灰度级上。
这样，当对一级图象序列201施加图2的顶环步骤202时，就使获得二级图象序列202成为可能，该图象序列包含了在相反灰度级上的脉冲噪音，第一加法步骤204也使获得三级图象序列205成为可能，该图象序列包含纤细的血管。因此，如果假设校正参数c1和c2都等于一，那么第二加法步骤210包括从最终图象序列109中加上纤细的血管和减去脉冲噪音。这也因此使得在最终图象序列109中消除脉冲噪音和放大纤细的血管成为可能，由于有了脉冲噪音，就使分析变得困难。校正参数c1和c2可精确调节在没有噪音的图象211中的脉冲干扰和纤细的血管的作用。
由于依照本发明的方法可以对存在于数字化不透明图象序列101中的噪音进行放大，因此可以在施加处理步骤102和施加对数函数105的步骤之前减少噪音。然而，在数字化不透明图象序列101中，还是经常出现一定量的噪音，这是一个随机噪音，也就是说在不透明图象序列101中图象与图象之间是不相同的。一定量的噪音就是一个缺陷，因为它叠加在最终图象序列109中纤细的血管上。
依照本发明的第二方面，时间过滤步骤的施加可以消除这个缺陷。需要指出的是，本发明的第二方面仅仅在几个连续的不透明图象有用时才施加。如果仅仅一个不透明图象有用就不用施加了。
图4a表示出用于实施本发明的第二方面的一个时间过滤器的例子。数字化不透明图象序列101包括几个连续的图象。对于该序列101中的每一个图象401，图象400直接在它之前，并且安排一个图象402紧跟着它。图象400的像素值乘以四分之一，图象401的像素值乘以二分之一，图象402的像素值乘以四分之一。这样对获得的值相加，通过这种方式，就可以得到一个过滤的图象403。这样经过过滤的一组图象403就形成了一个过滤的图象序列405。需要指出的是，这样的一个时间滤波器也可以施加到掩膜的序列中，这种情况下，几个连续的掩膜就是有用的。
图4b表示出了施加在数字化不透明图象序列101和数字化掩膜100中的一种处理方法，从而可以获得没有噪音的图象序列211，这种方法包括，除了表示在图1中的步骤，还有表示在图4a中的时间过滤步骤404和表示在图2中的形态过滤步骤406。
图5表示出了实施本发明的医疗图象装置。该装置包括X射线源500，可以接受被检查的病人502的桌子501、光子转换器503、照相机504、模拟数字转换装置505、图象处理装置506、图象监控器507、数据存储装置508和界面509。
光子转换器503将X射线转换成光，X射线是由X射线源500产生的并通过病人502。照相机503将这些光转换成电信号，然后通过模拟数字转换装置505被数字化。图象处理装置506实施依照本发明的方法，图象监控装置507显示经过依照本发明的方法处理过的数字化减法血管照相术的图象序列。存储装置508存储数字化不透明图象序列101和数字化掩膜100中的连续图象。界面509可以校正某些可校准参数，比如c1和c2。需要指出的是，可以在包括诸如滤波器、存储器和逻辑装置这些部件电路或程序化微处理器形式下，实施图象处理装置506，来进行在本发明中描述的各种步骤。
对本发明的参考附图的上面描述是为了解释本发明，并不是限制该发明。至于这方面，一些注释在下面被给出。在图1a和1b中，一个对数函数的增益曲线的例子被给出。当然，其它具有轻微的不同增益曲线的对数函数也可以使用，只要这些函数具有某些特性对实施本发明是必要的。
图2表示出了一个形态过滤器的例子。当然，其它的形态过滤器也可以用来减少脉冲噪音。用同样方式，一个开放装置、一个闭合装置、以及颗粒在图3a到3c中给出。也可以使用其它的开放装置、闭合装置及以颗粒。只要他们在形态过滤器中也能起到减少脉冲噪音的作用。
在图4a中，描述了一个时间滤波器的例子。也可以使用其它的时间滤波器，只要它们可以减少存在于数字化不透明图象序列101和数字化掩膜100中的噪音。原则上，我们可通过一个数据处理装置实施依照本发明的方法，例如一个合适的程序化计算机电路。一组包括在程序化存储器中的指令，可以使计算机电路实施上面描述的各种步骤。这组指令可以通过读取数据媒介被存储于程序存储器中，例如，一个磁盘就可以包括该组指令。读取步骤可以通过例如因特网的区域网络来完成。在这种情况下，服务提供者将编辑这组对感兴趣的团体有用的指令。
权利要求
1.一种图象处理方法，该方法用于由包括像素值的数字化掩膜(100)和一序列包括像素值的数字化不透明图象(101)产生数字化减法血管照相术图象序列(109)，所述方法包括下列步骤对数字化掩膜的像素值和数字化不透明图象序列的像素值施加对数函数(105)，以便获得对数的像素值；从数字化掩膜中的相应像素的对数值中减去数字化不透明图象的每一个像素的对数值；所述方法的特征在于在施加对数函数步骤之前，包括一个处理步骤(102)，该步骤可以减小数字化掩膜和数字化不透明图象中的某些像素值。
2.如权利要求1所述的图象处理方法，其特征在于所述处理步骤包括下列步骤在数字化不透明图象序列中选择最小的像素值；从数字化不透明图象序列和数字化掩膜的所有像素值中，减去这个最小像素值的某一特定分量。
3.如权利要求1所述的图象处理方法，其特征在于在减法步骤的最后，施加脉冲噪音过滤步骤。
4.如权利要求3所述的图象处理方法，其特征在于所述过滤步骤使用一个形态滤波器(406)。
5.如权利要求1所述的图象处理方法，其特征在于在处理步骤前，还包括一个时间过滤步骤(404)。
6.如权利要求5所述的图象处理方法，其特征在于在减法步骤输出，包括一个脉冲噪音过滤步骤。
7.一种包含用于执行权利要求1到6中任一项所述的方法的步骤的程序代码指令的计算机程序，所述程序在一个处理器上执行。
8.一种图象处理系统，该系统包括一个运用权利要求7所述的计算机程序的处理器或者一个用于实施权利要求1-6中任一项所述的图象处理方法的电路；以及一个用于放映按照所述方法处理的图象的装置。
9.一种医疗成象装置，包括一个数字图象截获装置和一个权利要求8所述的图象处理系统。
全文摘要
本发明涉及数字化减法血管照相术领域，对数字化掩膜(100)和一序列数字化不透明图象(101)施加一种图象处理方法，对数字化掩膜和数字化不透明图象序列的像素值施加一个对数函数(105)，然后，从相应的数字化掩膜的像素的对数值中减去数字化不透明图象中的每一个像素的对数值。为了提高处理过的图象的质量，在施加对数函数之前，施加一个处理步骤(102)可以减小数字化掩膜和数字化不透明图象序列的某些像素值。
文档编号G06T1/00GK1408319SQ02149510
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月2日 优先权日2001年9月4日
发明者S·J·G·A·豪佩尔特, P·M·J·龙根, H·斯特格惠斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司