洪成坤

（福建中醫(yī)藥大學，福建 350000）

1950年左右，學者們逐漸開始使用計算機來解決醫(yī)學圖像的問題。當時，EMI公司開發(fā)了一種機器和設備，并獲得了身體的斷層圖像。很明顯，作為一個新的研究課題，圖像處理很可能在20世紀60年代初期就產(chǎn)生了。其實，當時的圖像處理是為了方便需求，提高需要的畫質。根據(jù)人的需要，調整和達到人的眼睛、人的視覺沖擊力、人對畫面的敏感度。一般的圖像處理致力于提高圖像品質，例如改變圖像相對密度、亮度、對比度、銳度和丟幀等。常見的計算機相關圖像處理方法在原始圖像模塊中非常廣泛，尤其是醫(yī)學圖像處理。

科學的發(fā)展推動了醫(yī)學的發(fā)展。與傳統(tǒng)的圖像加載方法相比，許多新的圖像加載技術出現(xiàn)并應用于臨床醫(yī)學。這種技術可以以不同的方式即時準確地檢測出患者的疾病。由于人眼的技術性和能力有限，在各種DR診斷中，尤其是模糊的DR圖像，根據(jù)不同角度，利用計算機語言的MATLAB編碼來求解數(shù)字圖像，可有效改善疾病的診斷、治療。

1 偽彩色圖像處理的基本理論

圖像恢復和增強是數(shù)字圖像的基礎。影像還原是為了使影像的真實程度盡可能地還原影像中的資訊。數(shù)碼產(chǎn)品最根本的特點就是其內在的噪音。在實際測量中，噪音是影響成像品質的重要原因。在圖像恢復中，噪聲的去除是最根本的問題之一。影像強化是指利用人體的生理特征來更好地對影像進行精細解析。

與其他領域相比，醫(yī)療影像等醫(yī)療領域的資訊具有獨特之處，如：醫(yī)療影像具有更多的質感、更高的解析度、更大的關聯(lián)度、更大的儲存容量；對圖像的解析和對圖像的認識有更高的需求。其中，偽彩色技術是本文主要闡述的一門特別的技術。

偽彩色處理是指將黑白圖像轉換為數(shù)字圖像，或將純彩色圖像按照獨特的方法轉換為符合要求的數(shù)字圖像。將二值化轉化為數(shù)字圖像進行表達，可以加強識別圖像關鍵點的能力。人眼具有區(qū)分色調和灰度的能力，識別色調的能力遠高于灰度，因此，偽彩色解決方案致力于提高人眼對圖像關鍵點的辨別能力，從而使得診斷率和鑒別疾病的準確率提升一個檔次。

偽彩色處理的基本概念其實就是根據(jù)二值化的需要，將每幅灰度圖像與色彩空間中的某一點進行配對，使純色圖像呈現(xiàn)出一幅彩色層次總寬度的數(shù)字圖像。在二值化中將具有不同主要參數(shù)的色調分配給不同的灰度圖像。

2 觀察偽彩色影像圖片的“武器”

每一個醫(yī)學影像科醫(yī)生都有各自的“武器”，其中包括他們使用的各種影像設備。當然，從一個好的影像設備中得到的優(yōu)秀圖像，更需要他們的另一個武器來進行精密診斷，這些步驟都是不可或缺的，技術和診斷一樣的重要。只有先了解所使用“武器”的基本結構、功能原理，才能更好地實現(xiàn)觀察圖像或者根據(jù)需求改變圖像的各個參數(shù)，從而讓圖像更加符合人體生物學，達到提高臨床診斷效率的目的。所謂“武器”，就是拿來觀察圖像的工具，即人類的眼球。

2.1 眼球的生理結構與組成

最常見的視力系統(tǒng)就是屈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)蘊含了淚液、角膜、晶狀體和玻璃體。眼球壁由三層薄膜組成，分別是外層、中層和內層等膜結構。正常情況下，人的眼球是球形的，有一個眼球晶狀體，用來聚焦眼睛，里面充滿了完全透明的凝膠狀成分。有一個稱為虹膜的視網(wǎng)膜。人體眼睛和近視眼鏡的主要結構可以識別周圍環(huán)境的光線水平。基本上，眼球的更高層次結構不僅可以給予識別，還可以給予視覺沖擊。在許多生物中，眼睛可以將光源投射到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜對光源的敏感可以產(chǎn)生圖像，光源通過數(shù)據(jù)信號轉換傳輸?shù)酱竽X從而產(chǎn)生各種各樣的畫面。

2.2 人眼對色彩的感知原理

根據(jù)三菱反光鏡片，將光源分成其組成色調，七彩燈條再次根據(jù)三菱反光鏡片回歸乳白色光［1］。人眼中有三種視錐細胞，它們對不同光波長的光更敏感，這些光構成了三色視覺的基礎。根據(jù)光譜儀靈敏度最高的光波長順序，這三種錐形體細胞分為短（S）、中（M）和長（L）體細胞類型。各個視錐細胞光波長的靈敏度呈曲形線性關系也是多樣形態(tài)的。其中，S型體細胞以深藍色為主，最敏感點在420nm左右；M型體細胞是翠綠色的關鍵，最敏感的區(qū)域在535nm左右；L型體細胞是鮮紅色的關鍵，最敏感的區(qū)域大約為565nm。如圖1。

圖1 L、M、S幾種不同的錐狀細胞對光波長的不同敏感程度

3 偽彩色圖像處理方法及MATLAB算法

灰度-彩色之間的轉換可以用很多的數(shù)學函數(shù)來進行處理，一般有線性變換和非線性變換［2］。線性變換增強效果有限，且效果不好，主要采用分段線性變換。非線性變換常用的函數(shù)有對數(shù)、余弦、指數(shù)函數(shù)。需要做到的是利用數(shù)學關系將MATLAB強大的代碼處理優(yōu)勢放大，并且更好地將其應用于醫(yī)學灰度圖像偽彩色化。

3.1 灰度級－彩色變換法

圖（a）-（c）分別顯示了鮮紅色、翠綠色和深藍色的轉移函數(shù)公式。下圖顯示了二值化和數(shù)字圖像之間的轉換［3］。圖（d）是三個彩色開環(huán)傳遞函數(shù)的組合。由圖（a）可見，只要灰度圖像的清晰度小于2，其統(tǒng)一參數(shù)組合的函數(shù)就會被解析，變成暗紅色。并且根據(jù)函數(shù)圖像分析，只要灰度圖像位于L/2和3L/4之間的定義中間，就會按照線性形狀進行變換，由暗到體積?；叶葓D像超過3L/4定義的地方，按照換算，統(tǒng)一變成最美的鮮紅色。其他音調也是如此。為此，進行對比分析并進行變換。如圖2。

圖2 轉移函數(shù)公式

3.2 通過相位調制密度的偽彩色編程代碼

此方法通過對所要進行的灰度圖像進行加密、記錄和漂白，將所述圖像中的各種密度數(shù)據(jù)轉換為相位信息，形成一種含有灰色圖像的全息光柵，并將其置于白光信息處理中進行白光過濾和解調，從而獲得一幅具有較好色彩的虛擬圖像。

該方法提出了一種基于白光濃度偽色彩的偽色編碼的數(shù)學建模，并采用了光柵化技術；通過對圖像進行濾波和解調，實現(xiàn)對圖像進行偽色彩處理。它的基本思想是由物體強度的分配來確定的，在光照和觀察的情況下，其只影響到輸出的色彩和亮度。通過對不同像素點進行不同程度的對比，得到的圖像層次清晰、色彩穩(wěn)定、易于識別，是一種具有較高的灰度級分辨率的人工彩色處理技術。

3.3 偽彩色圖像處理流程

在圖像處理中使用偽彩色時應采取以下步驟。首先，選取幾份試行病歷，從給病歷的診所影像處理傳輸系統(tǒng)軟件中，將所選病歷的胸部X線影像復制到安全、無病毒、零風險的可移動磁盤，然后將其遷移到安全的電子計算機以進行編碼解決方案。必須應用MATLAB進行處理，其函數(shù)公式可實際看本文3.4 MATLAB編碼內容，導出為圖像后對偽彩色圖像進行解析，并對原始圖像進行綜合評價和比較其價值并應用在科學研究中。

3.4 MATLAB方法

通過灰度圖像向彩色圖像的轉換，需要分別用到三個矩陣來保存，每個通道的灰度值，有不同的映射函數(shù)，需要用到三個通道的不同的灰度值。

3.5 MATLAB代碼

4 偽彩色圖像增強效果

經(jīng)過計算機處理之后可以得到偽彩色圖像增強效果。如圖3。

圖3 偽彩色圖像增強效果

人眼對于灰度的屏幕分辨率是幾十個灰度圖像，而對于彩屏的分辨率可以達到近百個。因此，改善色調類型是提高人眼屏幕分辨率對圖像視覺效果的重要途徑［4］。根據(jù)修改后的代碼各個區(qū)域的主要參數(shù)，可以顯示出醫(yī)生想看的結果。圖3左邊深灰色的DR肺部，左邊下肺野，心包內的心血管影像，此病不容易被快速明確診斷，甚至很多經(jīng)驗豐富的醫(yī)學專家也很容易漏診。此時，偽彩色圖像解析后，肺野左下側病變區(qū)由深灰色、模糊不清變?yōu)椴噬@是心血管淺黃色成像的顯著標志。由此，可以做到提高疾病診斷率，也可以進一步減少閱片時間。

2019年，王憲凱（2019）［5］充分利用偽彩色圖像處理方法，以90多份病歷為例，根據(jù)分類測試，使用患者的DR平片，利用計算機技術MATLAB輸入代碼求解圖像，請多位有經(jīng)驗的醫(yī)生閱讀原圖及其偽彩色平片，最終結果也證實了偽彩色圖像處理在DR診斷中的出色表現(xiàn)。

5 偽彩色技術的應用前景

5.1 彩色多普勒超聲技術

多普勒血管造影技術采用以彩色圖像為基礎的圖像顯示方法，并用紅色、藍色和綠色三種基本色彩進行模擬。將血液流向探測器的方向設置為紅色，藍色則為遠離探測器的血液流動。血液流動速率與顏色的深淺程度相關，具有較高的流速就有較深層次的顏色，較低的速度則是較弱的顏色。比如，對著探測器的血液流動速率較快或對著探測器的血液流動速率較大，則呈深紅色；如果遠離探測器方向的血液流動速率較快，則呈深藍色；如果血液流動速率較慢，則色彩較淡，難以從屏幕上辨別。在這些不足點上，加入一個顏色增強裝置來提高在低速血液流動中的顏色訊號的亮度，可精確、迅速地顯示出血液流動的速率，血液流動的速度由深紅色轉為鮮紅代表血液流向探測器，如果血液流動加快，則由紅轉黃、黃轉綠，三種顏色同時存在，代表著血液流動的速率。以青色和綠色表示較高的血液流動速度，以代表遠離探測器的湍流。

5.2 紅外線熱成像儀

紅外線熱成像儀器是一種采用紅外熱來顯示圖像特點的高端技術，對目標物體進行紅外檢測和信號處理；利用光電變換等技術，將物體表面的溫度場進行圖形變換，轉化為可視化影像。紅外線熱成像儀器可以精確地定量測量出真實溫度，并以平面的方式對整個物體進行即時圖像展示，從而可以對發(fā)熱可疑部位進行準確鑒別。操作員根據(jù)畫面顏色和熱點跟蹤的顯示，對發(fā)熱和失效位置進行初步判斷，并對其進行嚴密的分析，因此在驗證問題上表現(xiàn)出了高效、高精度。

當前的紅外線技術屬于初期的晚期，正在逐步發(fā)展為中等水平，其主要特征是：利用紅外光譜儀可以獲得“彩色照片”的兩種顏色或多種顏色的紅外檢波器。目前常用的多種顏色識別技術，其關鍵在于利用MATLAB中的動態(tài)變換技術，實現(xiàn)了對圖像的快速顯示和輸出。針對紅外圖像的偽色強化，可以分為像素級和特征級兩個層面進行。第一種方法是按照特定的灰度來進行顏色的繪制，第二種方法則是通過顏色對比來區(qū)分不同的顏色，例如七色花、三色貓等，其顏色對比非常強烈，最后通過光線的強弱來決定顏色。

6 討論和結語

6.1 討論

計算機技術MATLAB編碼方程，根據(jù)分類測試，能分別進行患者DR平片前后對比。偽彩色處理后的DR平片，主要包括肺和胸片的X線平片，其圖案每一層的主要參數(shù)和品質都比以前更好，品質更高，從事實上證明了偽彩色圖像解決方案可以優(yōu)化疾病診斷率，且可以減少閱讀時間，提高閱讀速度。

偽彩色圖像在分辨率上雖然可以提高疾病診斷率，但在統(tǒng)計學意義上有一定程度的差別。從理論上講，提高偽彩色圖像分辨率后，在DR平片上閱讀的平均時間比傳統(tǒng)X射線膠片略短。在差別中沒有發(fā)現(xiàn)應用統(tǒng)計的實際意義。由于傳統(tǒng)的偽色彩處理技術無法有效地解決圖像中的小細節(jié)，因此，人們對其進行了修改，使其具有較高的計算效率、較高的可用性和更清楚的等級，顏色更加穩(wěn)固，更易于識別細節(jié)。當然，偽彩色在醫(yī)療圖像、紅外熱圖像、遙感圖像增強等等領域有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。

6.2 結語

偽彩色表現(xiàn)基于圖像出色的亮度和對比度使得容易被忽視的疾病被高效率地鑒別診斷出來。其不僅考慮了人眼球結構對色彩的敏感性，還可以根據(jù)MATLAB調整各種主要參數(shù)，選擇不同的灰度級安全通道，顯示不同的顏色程度來顯示彩色圖片。偽彩色分辨率圖像在醫(yī)學圖像診斷中發(fā)揮了非常大的作用，尤其是提高了DR的診斷率。不僅在DR三維成像中，還可以利用偽彩色、偽彩色圖像分辨率進行進一步科學研究，應用到更廣泛的醫(yī)學圖像處理中。