[論文レビュー] Real-Time Impulse Noise Removal from MR Images for Radiosurgery Applications

Zohreh HosseinKhani, Mohsen Hajabdollahi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Image and Signal Denoising Methods参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、 radiosurgery に用いられる MR 影像からのインパulseノイズを除去するリアルタイムでハードウェアに埋め込めるアルゴリズムを提案する。画像ブロックをエッジ領域、滑らか領域、不規則領域に分類し、それぞれに適したノイズ除去手法を適用することで、FPGA 上で低リソース消費で高い精度を達成し、 radiosurgery システムを含む医療画像デバイスへの統合に適している。

ABSTRACT

In the recent years image processing techniques are used as a tool to improve detection and diagnostic capabilities in the medical applications. Medical applications have been so much affected by these techniques which some of them are embedded in medical instruments such as MRI, CT and other medical devices. Among these techniques, medical image enhancement algorithms play an essential role in removal of the noise which can be produced by medical instruments and during image transfer. It has been proved that impulse noise is a major type of noise, which is produced during medical operations, such as MRI, CT, and angiography, by their image capturing devices. An embeddable hardware module which is able to denoise medical images before and during surgical operations could be very helpful. In this paper an accurate algorithm is proposed for real-time removal of impulse noise in medical images. All image blocks are divided into three categories of edge, smooth, and disordered areas. A different reconstruction method is applied to each category of blocks for the purpose of noise removal. The proposed method is tested on MR images. Simulation results show acceptable denoising accuracy for various levels of noise. Also an FPAG implementation of our denoising algorithm shows acceptable hardware resource utilization. Hence, the algorithm is suitable for embedding in medical hardware instruments such as radiosurgery devices.

研究の動機と目的

• リアルタイムでハードウェアと互換性のあるノイズ除去アルゴリズムを開発し、 radiosurgery 応用における画像品質を向上させること。
• MRI の取得や伝送中に生じる一般的なインパルスノイズを、重要な解剖学的特徴を損なわず除去すること。
• 手術中に即時にノイズ除去を実行できるように、医療用ハードウェアデバイスにアルゴリズムを埋め込むこと。
• さまざまなノイズレベルにおいても高いノイズ除去精度を維持しながら、低ハードウェアリソース消費を確保すること。

提案手法

• アルゴリズムは、局所的分散および勾配特性に基づき、MR 影像ブロックをエッジ領域、滑らか領域、不規則領域の3つに分類する。
• エッジ領域に対しては、メディアンベースのフィルタリング手法を用い、鋭い変化を保持しながらインパルスノイズを除去する。
• 滑らか領域は、テクスチャの均一性を維持するための重み付き平均法でノイズ除去を行う。
• 高い変動性を示す不規則領域は、ぼやけを避けるために適応的再構成技術で処理する。
• 意思決定論理モジュールが、各ブロックの分類に基づき最適なノイズ除去戦略を選択する。
• アルゴリズムは FPGA に実装されており、リアルタイム性能を確保するとともに、リソース効率が良好である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重要な解剖学的構造の画像忠実度を損なわず、リアルタイムでインパルスノイズ除去が可能なアルゴリズムを設計できるか？
• RQ2 エッジ、滑らか、不規則領域といった異なる画像領域を、どのように分類して領域別に最適なノイズ除去戦略を適用できるか？
• RQ3 FPGA に実装した場合の、本アルゴリズムのハードウェア効率およびリソース消費はどの程度か？
• RQ4 さまざまなインパルスノイズ密度において、本アルゴリズムは一貫したノイズ除去精度を達成できるか？

主な発見

• シミュレーションによる評価で、複数のノイズレベルにおいて本アルゴリズムが高いノイズ除去精度を達成した。
• FPGA 実装は、妥当なハードウェアリソース消費を示し、リアルタイム医療デバイスへの統合を可能にした。
• ブロックワイズ分類と適応的ノイズ除去戦略により、エッジやテクスチャの保持が効果的に実現され、インパルスノイズが除去された。
• リアルタイム処理が可能であるため、 radiosurgery などの手術中における応用に適している。