閆 軍 韓 煒 張 利

基于不同增強(qiáng)處理技術(shù)的DR圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化分析*

閆 軍①韓 煒①?gòu)?利②*

目的：利用圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)低劑量攝影圖像進(jìn)行處理，探討數(shù)字X射線攝影(DR)圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化方案。方法：選擇胸部影像中的5個(gè)有臨床意義的組織結(jié)構(gòu)信息作為參考點(diǎn)，與設(shè)定的病灶信息進(jìn)行比較性測(cè)量，應(yīng)用灰度變換、平滑降噪和銳化3種增強(qiáng)處理技術(shù)對(duì)低劑量攝影圖像進(jìn)行處理，通過(guò)客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)比較處理后圖像與參考圖像，并進(jìn)行差異性和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果：應(yīng)用3種增強(qiáng)處理技術(shù)可以有效地提高圖像的對(duì)比噪聲比，綜合優(yōu)化處理后的低劑量攝影圖像可以滿足臨床診斷需要，與參考圖像一致性較高，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.943，P＜0.05)；在差異性方面，原始圖像與參考圖像的相比，兩者相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-2.21359，P＜0.05)，經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化處理之后，原始圖像與參考圖像的差異性不顯著，而在相關(guān)性方面，綜合處理優(yōu)化圖像與參考圖像相似度較高，兩者相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.871,P＜0.05)。結(jié)論：圖像增強(qiáng)處理技術(shù)可以有效地改善低劑量攝影圖像存在的不足，提高圖像質(zhì)量，降低臨床患者的輻射劑量，具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值。

增強(qiáng)處理；低劑量；對(duì)比噪聲比；圖像質(zhì)量；數(shù)字化X射線攝影

隨著醫(yī)學(xué)影像設(shè)備和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像后處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床、教學(xué)和科研中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，有力地推動(dòng)著醫(yī)學(xué)科研和臨床醫(yī)療的發(fā)展創(chuàng)新。其中，醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理主要通過(guò)影像設(shè)備及工作站軟件對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行加工處理，將原本不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的信息，抑制不感興趣的信息，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果的圖像處理方法。然而，臨床檢查過(guò)程中如何在降低輻射劑量的條件下，有效地利用圖像增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)化圖像質(zhì)量以滿足臨床診斷需要，是影像科研究中比較關(guān)注的一項(xiàng)課題[1-3]。本研究應(yīng)用灰度變換、平滑降噪和圖像銳化3種不同的圖像增強(qiáng)處理技術(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的低劑量攝影圖像進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)合客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)的不同方法，分析圖像質(zhì)量并探討低劑量攝影的可行性[4-5]。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)(digit radiography，DR)(東芝MRAD-D50S)和X射線胸部模型(京都科學(xué)PH-2B)作為研究材料，其中模型的左肺尖段設(shè)置10 mm標(biāo)準(zhǔn)化病灶(CT值為+100)。

1.2 胸部攝影條件及處理方案

按照胸部攝影條件規(guī)范，首先選定參考攝影條件為：管電壓68 kV，管電流100 mA，曝光時(shí)間63 ms。在對(duì)未處理的不同條件攝影的圖像進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨床相關(guān)研究數(shù)據(jù)選定低劑量攝影條件為：管電壓68 kV，管電流100 mA，曝光時(shí)間22 ms[6-7]。

根據(jù)低劑量攝影圖像的對(duì)比度低、噪聲大和邊緣模糊等特點(diǎn)，選用設(shè)備提供的圖像增強(qiáng)軟件分別進(jìn)行灰度變換(側(cè)重對(duì)比度和亮度調(diào)整)、平滑降噪和銳化3種技術(shù)操作，每種處理結(jié)果依次均分為8個(gè)等級(jí)(0～7)，其中0級(jí)為未處理的圖像，7級(jí)為增強(qiáng)效果最大的圖像。根據(jù)差異性組織的分析結(jié)果，選擇每種處理最優(yōu)的參數(shù)，對(duì)圖像同時(shí)進(jìn)行3種增強(qiáng)技術(shù)的綜合處理，獲得最終優(yōu)化圖像。

1.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不同，應(yīng)用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種方法分析圖像質(zhì)量。

1.3.1 主觀評(píng)價(jià)

由5名具有5年及以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科診斷醫(yī)師對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。通過(guò)每種處理的最優(yōu)化圖像與參考圖像進(jìn)行一致性分析，在相同的顯示條件下對(duì)病灶、骨組織、肺組織、心臟、肌肉和縱膈與客觀評(píng)價(jià)一致的固定區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)肺紋理和心影重疊組織影像顯示清晰程度進(jìn)行主觀評(píng)分，其中，清晰可見(jiàn)得3分；可見(jiàn)得2分；隱約可見(jiàn)得1分；不可見(jiàn)得0分，取5名醫(yī)師打分的平均值作為圖像中各組織可識(shí)別程度的得分。

1.3.2 客觀評(píng)價(jià)

以對(duì)比噪聲比(contrast to noise，CNR)作為圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-9]。設(shè)置左肺尖段區(qū)病灶為感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，分別選定密度均勻且固定的骨組織、肺組織、心臟、肌肉、縱膈以及空氣作為對(duì)比區(qū)域(region of compare，ROF)，獲取不同增強(qiáng)處理后圖像CNR值，其計(jì)算為公式1：

式中CT值為區(qū)域內(nèi)像素的平均密度值，SD為區(qū)域密度值的標(biāo)準(zhǔn)差，區(qū)域大小均設(shè)定為0.5 cm2。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS19.0軟件，將DR圖像的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果分別進(jìn)行比較，利用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)和Spearman檢驗(yàn)進(jìn)行差異性和相似性分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

根據(jù)攝影條件不同，獲取參考圖像和低劑量圖像，通過(guò)對(duì)比，低劑量攝影圖像明顯存在對(duì)比度差、病灶細(xì)節(jié)顯示不清等質(zhì)量問(wèn)題，不利于臨床診斷。如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化體模攝影圖像

2.1 增強(qiáng)處理優(yōu)化結(jié)果

按照增強(qiáng)處理技術(shù)的處理效果等級(jí)，依次進(jìn)行灰度變換、平滑降噪和銳化處理，不同增強(qiáng)處理方式的CNR值變化如圖2所示。

表1 不同圖像客觀評(píng)價(jià)的差異性分析

表2 不同圖像客觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性分析

表4 不同圖像主觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性分析

圖2 增強(qiáng)處理后的CNR變化圖

通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，灰度變換的最優(yōu)化等級(jí)為6級(jí)，平滑降噪的最優(yōu)化等級(jí)為4級(jí)，銳化的最優(yōu)化等級(jí)為3級(jí)。根據(jù)最優(yōu)化的處理參數(shù)進(jìn)行綜合處理，基于不同增強(qiáng)技術(shù)的低劑量攝影優(yōu)化圖像如圖3所示。

圖3 增強(qiáng)處理后圖像

2.2 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)圖3所示的四幅圖像中，對(duì)比區(qū)域與ROI(主要指需要觀察的病灶或骨骼和軟組織等)的CNR值，對(duì)比分析各圖像的差異性和相似性，Wilcoxon秩和檢驗(yàn)和Spearman檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

通過(guò)Wilcoxon秩和檢驗(yàn)分析，不同的增強(qiáng)處理技術(shù)在一定程度上可以提高圖像質(zhì)量，降噪處理后圖像與參考圖像的差異性，同時(shí)應(yīng)用3種處理技術(shù)綜合優(yōu)化后的圖像與原始圖像的差異性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-2.8312，P＜0.05)；Spearman檢驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，優(yōu)化處理后圖像與參考圖像的相似程度結(jié)果顯示，綜合優(yōu)化處理圖像與參考圖像的一致性，相關(guān)系數(shù)r值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.943，P＜0.05)，表明處理后圖像與參考圖像的一致性較高。

2.3 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)主觀評(píng)價(jià)方法進(jìn)一步對(duì)比處理圖像與參考圖像的差異性和相關(guān)性，Wilcoxon秩和檢驗(yàn)和Spearman檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，在差異性方面，原始圖像與參考圖像的相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-2.21359，P＜0.05)，經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化處理之后，圖像與參考圖像的差異性不顯著(Z=-1.41421，P＜0.05)。在相關(guān)性方面，綜合處理優(yōu)化圖像與參考圖像相似度較高，相關(guān)系數(shù)r值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.871，P＜0.05)。

3 討論

目前，各種影像設(shè)備和影像歸檔及傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)不斷研發(fā)并推出性能優(yōu)越的圖像處理技術(shù)，為臨床提供了更有效的圖像優(yōu)化平臺(tái)，如何更有效地利用圖像增強(qiáng)技術(shù)提高圖像質(zhì)量，是醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用價(jià)值最大化的前提與保障。本研究以胸部DR圖像為例，通過(guò)不同的增強(qiáng)處理技術(shù)，分析處理參數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，探討低劑量攝影條件下的圖像優(yōu)化方法。研究結(jié)果顯示，基于客觀和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面分析的基礎(chǔ)上，灰度變換、平滑降噪和銳化均能不同程度地改善低劑量攝影圖像存在的問(wèn)題，提高圖像對(duì)比度噪聲比，使圖像能夠進(jìn)一步滿足臨床診斷的需求[10-11]。

CNR是客觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以有效地反映醫(yī)學(xué)圖像中ROI的可識(shí)別程度。本研究選擇胸部影像中有臨床意義的5個(gè)組織結(jié)構(gòu)信息作為參考點(diǎn)，與設(shè)定的病灶信息進(jìn)行比較性測(cè)量，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，低劑量攝影的圖像經(jīng)過(guò)綜合增強(qiáng)優(yōu)化處理后，在正常組織、病變結(jié)構(gòu)顯示方面得到了很好的改善，與參考攝影圖像比較，客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。此結(jié)果能夠?yàn)橛跋裨O(shè)備的智能處理技術(shù)優(yōu)化提供參考，將進(jìn)一步指導(dǎo)放射技術(shù)人員開(kāi)展降低患者輻射劑量的研究工作。

同時(shí)，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)化X射線模型為影像檢查標(biāo)本，設(shè)置病灶并與真實(shí)的臨床征象保持一致，不涉及患者劑量問(wèn)題，并排除了個(gè)體差異性和其他環(huán)境條件的影響，保障了研究的可重復(fù)操作性及科學(xué)性。但由于受到設(shè)備性能和圖像處理算法的差異性影響，增強(qiáng)處理的等級(jí)數(shù)值會(huì)存在一定差異，故在臨床實(shí)際工作中，需要通過(guò)對(duì)比觀測(cè)確定低劑量攝影圖像增強(qiáng)處理的優(yōu)化方案[12-14]。

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The optimized analysis of low dose DR image quality based on different enhancement processing techniques

/YAN Jun, HAN Wei, ZHANG Li

Objective:To explore optimized scheme of digital radiography (DR) image quality through applied image enhancement technique to process the low-dose radiographic images.Methods:The five informations of tissue structure with clinical significance in chest image were selected as reference points, and they were relatively measured with setting lesion information. Three enhanced techniques included of grey level transformation, smoothly denoising and sharpening were applied to process low dose photographic image. The objective and subjective evaluations were applied to compare the reference image and post-processed image, and the difference and relative analysis between them were applied to obtain statistical results.Results:All of the three enhancement processing techniques can effectively enhance the contrast noise ratio of images. Therefore, the low-dose photographic image that was comprehensive optimized could satisfy the requirement of clinical diagnosis, and the higher consistency between them and reference images was significant(r=0.943, P＜0.05). On the aspect of difference, the difference between original image and reference image was significant (Z=-2.21359, P＜0.05). While after comprehensive optimization, the difference between them was no significant. On the other hand, the difference of correlation between the two kinds of images was significant (r=0.871,P＜0.05).Conclusion:The image enhancement processing technique can effectively improve the deficiency of lowdose photographic image, and enhance image quality, and reduce radiation dose of clinical patients. Therefore, it has higher value in clinical practice.

Enhancement process; Low dose; Contrast noise ratio; Image quality; Digital radiography

Department of Computed Tomography, Yanan University Affiliated Hospital, Yan'an 716000, China.

陜西省延安市科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015HM-04-02)“高場(chǎng)強(qiáng)磁共振對(duì)胎兒腦發(fā)育及畸形的診斷研究”

①延安大學(xué)附屬醫(yī)院CT室 陜西 延安 716000

②延安市中醫(yī)醫(yī)院影像科 陜西 延安 716000

//China Medical Equipment,2017,14(12):39-42.

*通訊作者：1281515314@qq.com

閆軍,男,(1974- ),本科學(xué)歷，主治醫(yī)師。延安大學(xué)附屬醫(yī)院CT室，研究方向：骨肌系統(tǒng)X射線診斷和胎兒腦發(fā)育異常MRI檢查及診斷。

1672-8270(2017)12-0039-04

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.011

2017-09-11