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        提取醫(yī)學(xué)圖像局部特征的方法與實(shí)現(xiàn)

        2014-01-01 00:00:00翟軍輝薛天宇

        摘 要:隨著X光醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,醫(yī)學(xué)圖像處理在醫(yī)學(xué)研究與臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與一般意義上的圖像處理比較,醫(yī)學(xué)圖像處理有其特殊性和不同的側(cè)重點(diǎn),X光成像的目的是要讓醫(yī)生能夠觀察到被檢者體內(nèi)的某個(gè)病變組織或器官及其狀況,所以醫(yī)學(xué)圖像處理更側(cè)重于提取某一個(gè)組織或器官的特征。但由于X光圖像不像光學(xué)圖像那樣聚焦,圖像會(huì)略顯模糊,再加上人體各種組織和器官縱橫交錯(cuò),很難分辨出某單個(gè)組織或器官的細(xì)節(jié)。目前急需提供一種從人體X光圖像中提取某個(gè)組織或器官清晰特征的方法,為醫(yī)生診斷該組織或器官疾病提供方便。因此可以通過(guò)提取醫(yī)學(xué)圖像的局部細(xì)節(jié),凸顯病變組織或器官特征。

        關(guān)鍵詞:醫(yī)學(xué)圖像處理;單個(gè)器官;特征

        中圖分類號(hào):TP391.9

        X光成像的目的是要讓醫(yī)生能夠觀察到被檢者體內(nèi)的某個(gè)病變組織或器官及其狀況,因此醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量的好壞將直接影響醫(yī)生的診斷。人體所包含的許多組織和器官,在多數(shù)成像方法中它們都同時(shí)成像,而臨床上經(jīng)??紤]的是某一個(gè)組織或器官,醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的任務(wù)是將具體的組織或器官特征轉(zhuǎn)換為影像的灰度梯度。X光圖像的質(zhì)量取決于成像方法、設(shè)備的特點(diǎn)、操作者選用的客觀與主觀成像參數(shù)以及被檢者的配合等等。由于太多因素的影響,X光圖像往往模糊不清。傳統(tǒng)的處理方法通常是拉伸圖像灰度,圖像直接銳化等,這些方法雖然能突出圖像的一些細(xì)節(jié),但各種組織和器官縱橫交錯(cuò),讓醫(yī)生很難分辨出他所關(guān)心的組織或器官的細(xì)節(jié)。面對(duì)這些問(wèn)題,本文提出了一種圖像處理方案,在MATLAB中提取出了X光人體圖像中骨組織和肺器官的清晰圖像,可以為其他醫(yī)學(xué)圖像的處理提供借鑒。

        1 圖像處理過(guò)程和方法

        從信息量的角度看,一幅圖像所包含的信息遠(yuǎn)比一條曲線或幾個(gè)數(shù)據(jù)要多。它以直觀的形式向醫(yī)生展示人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或有關(guān)生理參數(shù)的空間分布,為醫(yī)生的診斷提供重要依據(jù),成為臨床診斷與醫(yī)學(xué)研究中不可缺少的工具。

        醫(yī)學(xué)圖像處理更側(cè)重于提取某一個(gè)組織或器官的細(xì)節(jié)特征,但由于病人病情的多樣性,在人體醫(yī)學(xué)圖像中提取某一個(gè)組織和器官的細(xì)節(jié)特征都具有現(xiàn)實(shí)意義。下面提供一種醫(yī)學(xué)圖像處理方法,分別提取同一幅醫(yī)學(xué)圖像中的骨組織和肺器官。

        1.1 提取骨組織

        高通濾波器削弱傅里葉變換的低頻而保持高頻相對(duì)不變點(diǎn),這樣會(huì)突出圖像的邊緣和細(xì)節(jié),使得圖像邊緣更加清晰。但由于高通濾波器偏離了直流項(xiàng),從而把圖像的平均值降低到了零。一種補(bǔ)償方法是給高通濾波器加上一個(gè)偏移量。若偏移量與濾波器乘以一個(gè)大于1的常數(shù)結(jié)合起來(lái),則這種方法就稱為高頻強(qiáng)調(diào)濾波,該常量乘數(shù)突出了高頻部分,同時(shí)增加了低頻部分的幅度,但只要偏移量與乘數(shù)項(xiàng)比較小,低頻增強(qiáng)的影響就弱于高頻增強(qiáng)的影響。高頻強(qiáng)調(diào)濾波器的傳遞函數(shù)為:

        1.2 提取肺部

        處理圖像的基本思想是將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化成線性問(wèn)題進(jìn)行處理,即先對(duì)非線性混雜信號(hào)做某種數(shù)學(xué)運(yùn)算D,變換成加性的,然后用線性濾波方法處理,最后做D-1運(yùn)算,恢復(fù)處理后圖像。該方法是把頻率過(guò)濾和灰度變換結(jié)合起來(lái)的一種圖像處理方法,它依靠圖像的照度/反射率模型作為頻域處理的基礎(chǔ),利用壓縮亮度范圍和增強(qiáng)對(duì)比度來(lái)改善圖像的質(zhì)量。使用這種方法可以使圖像處理符合人眼對(duì)于亮度響應(yīng)的非線性特性,避免了直接對(duì)圖像進(jìn)行傅立葉變換處理的失真。

        一般處理方法如圖2所示。

        圖2 突出肺部的圖像處理流程

        2 圖像處理效果及其對(duì)效果的評(píng)價(jià)

        對(duì)骨組織的提取結(jié)果如圖4所示。

        圖4 提取骨組織效果

        高頻強(qiáng)調(diào)濾波的優(yōu)點(diǎn)顯示在圖4(b)中,圖像中由低頻成分引起的灰度級(jí)色調(diào)得以保持。在窄范圍灰度級(jí)中以灰度為特征的圖像是直方圖均衡化的理想選擇。這種方法對(duì)于背景和前景都太亮或者太暗的圖像非常有用,尤其是可以帶來(lái)X光圖像中更好的骨骼結(jié)構(gòu)顯示以及曝光過(guò)度或者曝光不足照片中更好的細(xì)節(jié),如圖4(c)所示,骨結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)已經(jīng)顯示了出來(lái)。直方圖均衡化的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它是一個(gè)相當(dāng)直觀的技術(shù)并且是可逆操作,如果已知均衡化函數(shù),那么就可以恢復(fù)原始的直方圖,并且計(jì)算量也不大。

        直方圖均衡化后的圖像基本顯示出了骨結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié),但它對(duì)處理的數(shù)據(jù)不加選擇,邊緣信息會(huì)弱化一些,還需對(duì)直方圖均衡化后的圖像進(jìn)行Butterworth高通濾波,得到圖像的邊緣信息,然后把此邊緣信息加到直方圖均衡化后的圖像上,使圖像銳化如圖4(d)所示,使骨骼結(jié)構(gòu)清楚地顯現(xiàn)了出來(lái)。為醫(yī)生觀察病人骨骼結(jié)構(gòu)提供了方便。

        對(duì)肺部的提取結(jié)果如圖5所示。

        圖5 提取肺部效果

        在圖像采集過(guò)程中,由于實(shí)際環(huán)境中成像條件的限制,造成圖像的背景光照不均勻,當(dāng)照度不均勻時(shí),圖像上對(duì)應(yīng)照度暗的部分,其細(xì)節(jié)就較難分辨。

        圖5的中間結(jié)果有效地清除了圖像的背景干擾,并且突出了肺部的紋理、邊緣等細(xì)節(jié),只需再增加對(duì)比度就能得出最后結(jié)果,清晰地顯示出肺部圖像,而其他的組織幾乎變得透明,并且肺部的細(xì)節(jié)被完美地保存下來(lái),這就為醫(yī)生診斷肺部疾病提供了依據(jù),避免了其他組織的干擾。

        當(dāng)前大部分應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像處理的方法都是來(lái)自于非醫(yī)學(xué)圖像的處理方法,這些方法有的就不太適合醫(yī)學(xué)影像的處理。比如當(dāng)CT圖像遇到相互組織成像重疊時(shí),普通圖像處理會(huì)將這些重疊的數(shù)據(jù)理解為噪聲或者其它干擾信號(hào)。同樣,僅僅就圖像放大技術(shù)和方法而言,醫(yī)療專家和研究者需要保持圖像上面邊界或者目標(biāo)輪廓的邊界具有的幾何保持紡射不變。圖像的修復(fù)和去噪永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾,主要是因?yàn)檫@種操作在實(shí)際的應(yīng)用中圖像的細(xì)節(jié)和噪聲一并被去掉。而常見(jiàn)的圖像放大算法在很多情況下用的是線性因子,或者分段的線性因子,這樣做的直接后果就是圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng),由于該過(guò)程模糊了諸多的信息,普通的算法圖像增強(qiáng)的結(jié)果與放大的影像,對(duì)醫(yī)生的診斷卻帶來(lái)了難以預(yù)料的困難。而本文為醫(yī)學(xué)圖像的處理提供了一個(gè)很好的方法,克服了醫(yī)學(xué)圖像處理中的一些困難,為醫(yī)生的診斷帶來(lái)了方便。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        圖像處理的主要內(nèi)容是突出圖像中感興趣的部分,減弱或去除不需要的信息,其主要目的是使處理后的圖像對(duì)某種特定的應(yīng)用來(lái)說(shuō),比原始圖像更適用。醫(yī)學(xué)圖像的處理目標(biāo)主要是與能否達(dá)到醫(yī)生的視覺(jué)效果和分辨出病灶有關(guān)系。從醫(yī)學(xué)影像處理的總體目標(biāo)而言,所有影響圖像處理結(jié)果的應(yīng)用幾乎都與醫(yī)學(xué)影像的分割相關(guān)。由于醫(yī)學(xué)圖像對(duì)于病灶的分割直接關(guān)系到醫(yī)生的診斷結(jié)果,因此,提出一個(gè)能提取病灶組織或器官的算法是必要的。

        文章闡述了X光醫(yī)學(xué)圖像的一種處理方法,先通過(guò)處理圖像,顯示出醫(yī)生所關(guān)心部位的細(xì)節(jié),然后再進(jìn)一步處理,盡量消除其他組織的干擾,使醫(yī)生所關(guān)心部位清晰地顯現(xiàn)出來(lái),為醫(yī)生診斷該部位疾病提供方便。

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        作者簡(jiǎn)介:翟軍輝(1986-),男,河南項(xiàng)城人,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域:計(jì)算機(jī)控制;薛天宇(1963-),男,北京人,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域:電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

        作者單位:北京服裝學(xué)院 信息工程學(xué)院,北京 100029

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