（信号与信息处理专业论文）乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究.pdf

乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 摘要 乳腺肿瘤是女性常见、多发疾病之一，而乳腺癌又是乳腺肿瘤中最常见的恶 性肿瘤，其发病率及死亡率居女性恶性肿瘤之首。乳腺癌的治疗效果完全取决于 乳腺肿瘤的早期诊断和治疗，因此研究和探索提高早期乳腺肿瘤诊断准确率的方 法是很有价值的。超声检测凭其无创、分辨率高和敏感性强的特点，越来越多地 被用于乳腺肿瘤的早期辅助诊断。超声检测通常根据乳腺肿瘤的边界、形态和回 声分布等特征，对乳腺肿瘤进行良恶性的判别，而乳腺肿瘤边缘的提取则是获得 这些特征的一个重要前提，因此乳腺肿瘤边缘的准确提取对肿瘤良恶性的判别具 有重要的意义。 本文通过对乳腺超声图像的分析和对各种边缘提取算法的研究，提出了一种 基于区域生长和多尺度形态学的乳腺肿瘤超声图像边缘提取方法，对原始超声图 像预处理之后进行区域生长获取初始肿瘤区域，再经多尺度形态学滤波和连通区 域标记处理，使用s o b c l 算子取得乳腺肿瘤的边缘。 本文方法的主要创新表现在：区域生长过程中选择图像中心点作为初始种子 点，可有效抑制肿瘤周围脂肪和腺体组织的纹理噪声；利用目标区域平均灰度作 为判决条件，使得目标轮廓更为完整；选取同态最优阈值时是自适应的，根据图 像对比度强弱，运用图像灰度值均方差求得阈值。运用多尺度形态学方法对初始 肿瘤区域进行滤波时，采用了先开运算后闭运算的多次迭代运算，确保了肿瘤区 域的连通，从而保证了肿瘤边缘的连续。 实验结果表明，本文方法可直接编程实现从原始超声图像到乳腺肿瘤边缘的 提取，克服了以往方法需人工干预的不足，达到了自动提取乳腺肿瘤边缘的目的， 为计算机辅助诊断提供了重要参考和依据。 关键词：乳腺肿瘤；超声图像；区域生长；多尺度形态学；边缘提取 r e s e a r c ho ne d g ee x t r a c t i o no f b r e a s tt u m o r s i nu l t r a s o n i ci m a g e s a b s t r a c t b r e a s tt u m o ri so n eo ff a m i l i a rf e m a l ed i s e a s e s ，a n db r e a s tc m c e ri sa l s ot h em o s t p r e v a l e n tm a l i g n a n tt u m o ri nb r e a s tt u m o r , i t sd i s e a s ei n c i d e n c er a t ea n dt h e m o r t a l i t yr a t eo c c u p yh e a do ft h ef e m i n i n em a l i g n a n tt u m o lt h ec u r a t i v ee f f e c to f b r e a s tc a n c e rl i e so nt h ee a r l yd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n t s oi ti sm o r ei m m i n e n t l y n e e d e dt of i n do u tt h eb r e a s tc a n c e ri nt h ev e r yb e g i n n i n g u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni s a d o p t e dw i d e l yi ne a r l yd i a g n o s i so fb r e a s tt u m o rf o ri t ss p e c i a l t yo fh a r m l e s s n e s s ， l l i g hr e s o l u t i o na n ds e n s i t i v i t y , a n di tu s u a lu s e st u m o rb o u n d a r y , t h es h a p ea n dt h e e c h od i s t r i b u t i o na n do t h e ru l n a s o n i cp i c t u r ec h a r a c t e r i s t i ct od i s t i n g u i s ht h eb e n i g n t u m o ra n dt h em a l i g n a n tt u m o r t h ee d g ee x t r a c t i o no ft u m o ri sa l l i m p o r t a n t p r e c o n d i t i o no fo b t a i n i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e , a c c u r a t ee x t r a c t i o no f b r e a s tt u m o re d g eh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c e an o v e lm e t h o df o re d g ee x t r a c t i o no f b r e a s tt u m o r si nl l l 圩a s o n i ci m a g e sb a s e do n t h er e g i o ng r o w i n ga n dm u l t i s c a l em o r p h o l o g yi sp r o p o s e d t h ec e n t r a lp o i n to f t h e p i c t u r ei sc h o s e n 鹊t h ei n i t i a ls e e ds p o t w h i c hc a nr e s t r a i nt e x t u r en o i s eo fa d i p o s e a n d # a n dt i s s u ea r o u n dt h et u m o r t h ea v e r a g eg r a yl e v e lo ft a r g e tr e g i o na n d h o m o m o r p h i eo p t i m a lt h r e s h o l da r et a k e na st h ed e c i s i o nc r i t e r i o no f r e g i o ng r o w i n g t og e tt h eo r i g i n a lt u m o rr e g i o n m u l t i s c a l em o r p h o l o g yf i l t e r i n ga n de o u n e e t e d c o m p o n e n tl a b e l i n ga r eu s e dt oe x t r a c tt h ee x a c to u t l i n eo f t u m o r e x p e r i m e n t si n h e r et h a tt h i sm e t h o dc a l le x t r a c tt u m o re d g ea u t o m a t i c a l l y , w h i c h p r o v i d e si m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rc o m p u t e r - m d e dd i a g n o s i so fb r e a s tt u m o r si n u l 仃a s o n i ci m a g e s k e y w o r d s ：b r e a s tt u m o r ；u l t r a s o n i ci m a g e ；r e g i o ng r o w i n g ；m u l t i - s c a l e m o r p h o l o g y ；e d g ee x t r a c t i o n i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含末获得( 洼i 翅遗直基熊盏塞挂型虚盟 鲍：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签字日期卯锌r 月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲匀步小 翩签字抑辑 j 签字日期杉年歹月彤日 签字日期：伊6 年j ，月名日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 0 前言 0 1 研究背景 乳腺肿瘤是女性常见、多发疾病之一，而乳腺癌又是乳腺肿瘤中最常见的 恶性肿瘤，其发病率及死亡率居女性恶性肿瘤之首o 】，近年来随着人们生活水 平的提高，国内外乳腺癌的发病率始终居高不下，其发展趋向年轻化。据统计， 我国乳腺癌的发病率已从1 9 9 8 年的十万分之十七增加到2 0 0 3 年的十万分之五 十二，上升超过三倍【2 】，采取有效措施以控制乳腺癌的发展，已是当务之急。 而早期发现、早期诊断及早期治疗则是提高乳腺癌生存的关键。近年来保乳手 术的广泛开展，也使得临床更加迫切希望早期发现乳腺癌【，】。因此早期诊断、 早期治疗乳腺肿瘤具有重要的l 临床意义。 迄今为止，乳腺癌的确切病因还不很清楚，虽然已知一些相关基因、环境 因素和生活方式对乳腺癌的发病有一定影响，6 0 以上的乳腺癌并不存在明显 的危险因素1 4 1 。而据医学科学的研究和统计部门对社会的医疗费用统计表明， 如果疾病在早期被发现，患者可以被快速、成功地治疗，并且费用很低，相反 晚期发现的疾病治疗起来速度慢、治愈率低，并且费用极高。因此，在目前对 乳腺肿瘤一级预防尚无良策的情况下，早期诊断尤为重要，它是提高乳腺癌治 愈率和降低死亡率的最有效途径，为此，寻找有效的乳腺肿瘤早期诊断方法成 为众多学者孜孜以求的目标。 近2 0 年来，随着医学影像技术的飞速发展和广泛应用，超声成像 ( u l t r a s o u n di m a 百n g ) ，计算机x 射线断层造影术( c t ，c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) 、磁共振成像( m r i ，m a g n e t i cr e s o n a n c oi m a g i n g ) 、核医学成像( 如 p e t ，s p e c t 等) 逐渐成为现代四大医学影像技术，使得乳腺肿瘤的影像学诊断 不断接近早期、准确、微创伤或无创伤性的目标。其中超声成像作为一个重要 分支，以其廉价、实时、无损伤、无射线辐射以及可重复性和敏感度高等优势 而广泛应用于临床诊断和治疗中。超声成像在定量分析、实时监控和治疗规划 等方面部具有很大的潜力，通过计算机对医学超声图像进行分析，可以使医疗 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 专家摆脱繁重的人工观察和诊断，并且还可以提供更精确的辅助诊断数据，因 此医学超声图像分析长期以来备受国内外研究人员的关注。 o 2 研究内容及意义 在利用超声图像对内部组织器官进行定量分析、实时监控和治疗规划时， 常需要提取特定组织器官的信息，其不可缺少的手段就是图像分割。通过图像 分割，可以从医学超声图像中分离出感兴趣的解剖结构或定位出病源的位置和 形状，它常直接决定着后续分析的准确性。但是由于医学超声图像固有的斑点 ( s p e c k l e ) 噪声和与组织相关的纹理( t i s s u e - r e l a t e dt e x t u r e ) ，用传统的基于边缘的 分割方法和基于区域的分割方法对医学超声图像进行分割还远达不到临床应用 上的要求，医学超声图像分割至今仍是悬而未决的世界性难题。目前，在临 床中广泛使用的还仅停留于医生的手工分割和简单的阈值分割方法【”。医生的 手工分割既耗时且随机性很大，简单的阂值分割需要人工交互、往往得不到精 确的边界且容易丢失一些重要的细节，这些在l 临床实际应用中是远远不够的。 因此，提出和改进适用于临床应用的医学超声图像分割方法，通过其得到精确 的分割结果，不仅可以为后续分析提供可靠的保障，也是对低信噪比图像分割 方法的丰富和有效探索，具有重要的理论意义和应用价值。 边缘提取这种图像分割技术能够将目标区域，也称感兴趣区域( r o i ，r e g i o n o f i n t e r e s t ) 即肿瘤区域与其它区域区分开，为医生提供肿瘤区域的轮廓、形状、 面积等信息，同时也为超声图像的三维重建提供了基础，其结果还可以作为计 算机辅助诊断系统的输入因此，研究基于超声图像进行乳腺肿瘤边缘的自动 提取具有重要的临床实用价值。 本文的研究对象是乳腺肿瘤超声图像，目的是探索适用于乳腺肿瘤超声图 像的边缘提取的图像处理技术，实现无人工干预的乳腺肿瘤边缘的自动提取， 为乳腺肿瘤的良恶性判别和计算机辅助诊断打下良好的基础，推进医学图像处 理技术在乳腺肿瘤临床诊断中的应用。 0 3 本文工作及内容安排 本文就主要的图像分割和边缘提取方法进行了比较全面的总结，并对这些 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 方法应用于医学超声图像的可行性进行了一定的分析，最后提出了一种基于区 域生长和多尺度形态学的乳腺肿瘤边缘提取的方法，试验过程证明，该算法无 需人工干预，可直接编程实现从原始超声图像到乳腺肿瘤边缘的提取，从而达 到了自动提取乳腺肿瘤边缘的目的，为乳腺肿瘤计算机辅助诊断提供了重要依 据和参考。 本文的章节安排如下： 第一部分首先介绍了乳腺肿瘤国内外的现状和背景，分析了乳腺肿瘤目前 采用的诊断方法，重点对比了各种影像学诊断方法，并指出了乳腺肿瘤早期诊 断的重要性。然后阐述了超声图像成像的基本原理、超声设备及其种类，重点 介绍了b 型超声的成像原理，最后针对乳腺肿瘤的超声学特征进行了研究，为 后续的乳腺超声图像的边缘提取工作奠定了良好的基础； 第二部分介绍了超声图像边缘提取、图像分割在医学中的重要意义和地位， 以及其发展概况，并且对国内外主要的图像分割和边缘提取方法进行比较全面 的总结，并对这些方法应用于医学超声图像，特别是乳腺肿瘤超声图像的可行 性进行了一定的分析。最后提出了一种基于区域生长和多尺度形态学的乳腺肿 瘤超声图像边缘提取的新方法，并介绍了其可行性和方法原理； 第三部分主要是超声图像肿瘤区域获取之前的图像预处理工作。首先，根 据超声图像大小随探测深度变化的特点，制定了自动裁剪的方法，然后，针对 图像中的各种点噪声，采用中值滤波进行处理，最后，使用截取式线性灰度变 换方法来增强图像的对比度，为后续肿瘤区域的获取工作做好了充分准备； 第四部分提出了一种基于区域生长的乳腺肿瘤初始区域获取方法，试验结 果表明，该方法提取出肿瘤区域的同时，有效的保留了肿瘤区域的边缘信息， 但在细节上仍需进一步的处理才能取得乳腺肿瘤的最终边缘； 第五部分主要工作是从已获取的乳腺肿瘤初始区域中进一步提取出肿瘤的 最终边缘。首先运用多尺度形态学方法对初始肿瘤区域进行滤波，然后使用连 通区域标记对初始区域内仍可能存在的空洞进行填补处理，再使用s o b d 边缘 算子提取出最终的肿瘤边缘，最后对本文方法的实验结果进行了分析和讨论； 第六部分总结了本文的要点和主要工作，并对课题的进一步研究方向和未 来的发展进行了展望。 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 1 乳腺肿瘤及超声诊断概况 1 1 乳腺肿瘤概况及其研究进展 1 1 i 乳腺肿瘤现状 乳腺肿瘤是女性常见、多发疾病之一，而乳腺癌又是乳腺肿瘤中最常见的 恶性肿瘤。据统计，全球每年约有1 2 0 余万妇女患乳腺癌，5 0 万妇女死于乳腺 癌 1 u 。近5 0 年来，各国的乳腺癌发病率和死亡率始终处于不同程度的上升状 态。根据英国牛滓大学肿瘤流行病学研究中心和日本癌症研究所的统计数据 0 2 , 1 3 1 ( 见图1 1 和图1 2 ) ，欧美发达国家的乳腺癌发病率和死亡率均高于其他 国家。亚洲国家妇女的乳腺癌发病率在世界上虽属低发国家，但随着亚洲国家 生活水平的提高，亚洲妇女乳腺癌发病的增长趋势已明显高于欧美国家，成为 上升幅度最大的地区之一。 在我国，乳腺癌已成为女性最常见的恶性肿瘤之一。我国虽属乳腺癌的低 发国家，但乳腺癌发病率存在明显的城乡差异，高发地区主要集中在沿海的大 城市，其中以上海为最高。尤其是近2 0 年来，城市妇女乳腺癌的发病率呈逐年 上升趋势，以上海为例1 9 9 9 年比1 9 7 4 年的发病率高出一倍有余，所以在我国 某些沿海城市，乳腺癌已是女性第一大常见的恶性肿瘤0 4 。 1 9 7 5 1 9 8 0 t 9 8 51 9 9 0 图1 14 个年度全球乳腺癌最高发的7 个地区 4 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 1 9 5 3 - 5 71 9 j 8 - 6 21 9 6 3 6 71 9 6 8 7 21 9 7 3 7 71 9 7 8 - 8 21 9 8 3 8 7 图1 2 乳腺癌标化死亡率( 1 9 5 3 5 7 到1 9 8 3 8 7 ) 另外，近年来男性患乳腺癌的现象不断发生 1 5 , 1 6 1 。所有这些均提示乳腺癌 致病因素的作用频率和强度均存在不断增强的趋势。 迄今为止，乳腺癌的确切病因还不很清楚，虽然己知一些相关基因、环境 因素和生活方式对乳腺癌的发病有一定影响，但6 0 以上的乳腺癌并不存在明 显的危险因素”。因此，在当前对乳腺癌一级预防尚无良策的情况下，早期诊 断尤为重要，它是提高乳腺癌治愈率和降低死亡率的最有效途径，为此，寻找 有效的乳腺癌的早期诊断方法成为研究者们不断努力的目标。 1 1 2 乳腺肿瘤诊断方法 乳腺肿瘤是一种以临床和病理为特征的进行性疾病，其病因是多源性的， 常有临床变异，如病情进展速度不同，病交组织来源不同，病变位置不同等。 现在还没有发现在出现症状之前就能进行确切诊断的生物学标示物。病理学病 变程度也因人而异。因此一个实用的乳腺肿瘤诊断方法要具有较高的诊断准确 性和良好的敏感性与特异性，才能够实现对乳腺癌的早期发现能力。 1 1 2 1 乳腺肿瘤的一般诊断 乳腺肿瘤的一般诊断包括临床医生询问病史和物理诊断。前者包括对患者 的年龄，饮食、月经史、婚姻史、既往乳腺病史、家族史等乳腺癌危险因素相 珏 捕 捋 ， 口0簪一。警基避霉溪露 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 关内容的了解。后者是通过乳腺视诊、乳腺触诊和区域淋巴结检查，结合患者 病史，给出一般诊断邮】。对乳腺癌危险因素的病例和物理诊断异常的病例都要 结合影像学辅助检查。 1 1 2 2 乳腺肿瘤的实验室诊断方法 目前能用于乳腺肿瘤诊断的生物学及生化学标记物有多种，但其特异性均 不甚理想，比较有参考价值的有：癌胚抗原、降钙素、铁蛋白、单克隆抗体等咿j 。 1 1 2 3 乳腺肿瘤的影像学诊断方法 乳腺肿瘤的影像学诊断方法包括普查和诊断两步。普查要求仪器非常灵 敏，尽可能正确地分辨出所有有病的妇女，不能有遗漏；诊断是对普查出的患 者进行进一步的检测，确定其肿瘤的性质、大小、扩散程度等，筛除其中健康 的妇女，要求仪器有很高的特异性；对肿瘤分辨率比较强。 目前，乳腺肿瘤的普查和诊断方法有： ( 1 ) 乳腺x 线摄影术 乳腺x 线摄影是诊断乳癌首选的影像学方法，也是目前唯一能查出早期的临床无 症状的隐匿性乳腺癌的检查方法。由于其空间分辨率高，所需设备简单，价格低 廉，同时由于x 线图像能形成可见的微钙化结构以及对乳房深部和致密的乳房也 能形成具有诊断意义的图像，因此己经成为唯一获得h ) a 许可的乳房早期普查筛 选方法印】；但是x 射线检测对致密型腺体漏诊率较高，且年轻妇女乳腺对x 射线较 为敏感，易诱发癌症【7 】。 ( 2 ) 数字x 射线摄影 数字x 射线摄影也就是传统x 射影技术的数字化。不仅具有传统乳腺x 摄影技术的一切优点，而且可以层析x 射线摄影组合，成三维立体像。但是， 数字x 射线摄影设备昂贵，检查费用很高，我国在现阶段难以广泛开展在这方 面的临床诊断和普查 2 1 , 2 2 】。 ( 3 ) 乳腺超声显像检查 6 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 乳腺超声显像检查无损伤性，可以反复应用。乳腺超声对触诊阴性乳腺癌 的敏感性较低，不能发现微小钙化，难以检出小的肿瘤，但由于它能精确鉴别 囊实性病变，能提供致密型乳腺的诊断信息以及没有电离辐射的优点而成为常 用的诊断方法【“。 ( 4 ) 正电子发射计算机断层显像技术 正电子发射计算机断层显像技术( p o s i t r o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y ，p e t ) 是 乳腺x 线摄影的补充检查方法，它可以反映肿瘤的代谢，能获得功能和代谢信 息，不过，该方法所用设备和检查费用皆极其昂贵，不宜作常规乳腺普查和乳 腺癌的早期诊断，且单独使用特异性不理想l 。 ( 5 ) c t 扫描 c t 扫描在发现乳腺肿块及良恶性病变的鉴别诊断方面与铝把摄影价值相 当。c t 具有高密度分辨力，能可靠鉴别实性、囊性、脂肪性肿块，易于发现近 胸壁的乳腺病变，可以同时评价腋窝淋巴结受累情况且较敏感。增强c t ，尤其 是快速动态增强扫描有助于隐性乳腺癌的发现，良恶性肿块的鉴别及显示肿瘤 的供血血管。由于所用射线剂量较大及有对比剂毒副反应的危险，通常只作为 x 线摄影的补充检查方法，不适合乳腺普查和常规诊断m ( 6 ) 磁共振成像 磁共振成像比x 线摄影、b 超能更好地显示肿瘤形态的血液动力学特征， 尤其是能发现乳腺x 线摄影及临床隐匿的浸润性乳腺癌。但是，磁共振对乳腺 癌早期的典型表现一微钙化点特异性和敏感性比较差，单独使用特异性比较低。 此外，磁共振成像的检查费用较高，有对比剂毒副反应的危险。因此，不是常 用的诊断方法 2 s , 2 7 l 。 ( 7 ) 热图像检查 热图像是利用肿瘤细胞的代谢快，无糖酵解产生的热量较周围的组织高， 因而在肿块部位显示热区。但热图像对较小肿瘤检出率低，假阳性及假阴性较 高。目前大多已不将热图像作为诊断乳腺癌的主要依据 2 s l 。 ( 8 ) 近红外线扫描 红外线透过乳房不同密度组织显示出各种不同灰度影，从而显示乳房肿块。 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 此外，红外线对血红蛋白的敏感度强，乳房血管影显示清晰。乳腺癌为灰影较 黑的实质肿块影。近红外线扫描无损伤，与其他方法联合应用，可以提高诊断 符合率。对微钙化点的敏感性和特异性较乳腺x 摄影差f 2 9 】。 1 1 2 4 乳腺肿瘤的病理学诊断方法 病理学检查目前是乳腺癌诊断最准确可靠的方法，是临床及科研上作的最 后诊断依据，但病理学检查属有创性诊断方法，容易促进恶性肿瘤的扩散，不 宜于乳腺普查。 1 1 3 乳腺肿瘤的治疗方法 到目前为止，人们还没有找到治疗乳腺癌的理想方法。现在，临床上还是 主要以手术为主，结合化疗，放疗、内分泌治疗及生物治疗等辅助疗法的综合 治疗方法。尤其是对早期乳腺癌患者，手术治疗疗效非常好。 1 1 4 乳腺肿瘤早期诊断的重要性 对于包括乳腺癌在内的癌症治疗方法研究一直处于医学科研的前沿领域， 但目前还未取得实质性突破。由于乳腺癌的发病率逐年上升，发病年龄年轻化， 对病人和其家庭及社会造成影响很大。如果能够实现乳腺肿瘤的早期诊断，就 有可能使患者在早期阶段得到治愈，寿命延长，同时也能减少其对病人家庭及 其社会造成经济和心理上的巨大冲击。一般的基于x 摄影技术的影像学普查和 早期诊断主观性过强，受医生经验影响很大；c t 和核磁共振诊断费用昂贵，有 对比剂毒副反应的危险，不适合在我国广泛开展；其它影像学检查和实验室检 查是否能实现乳腺肿瘤的早期诊断还存在些问题和争议。 1 2 医学超声诊断概况及应用现状 超声诊断是在现代电子学发展的基础上，将雷达技术与声学原理结合起来 应用于临床医学的一种方法。由于超声诊断具有无损伤、非侵入性、灵敏度高、 重复性好、适用于鉴别软组织等一系列独特的特点而广泛地被临床医学所接受。 目前，高速机械扫描和高速电子扫描的实时超声断层显像仪和超声多普勒技术 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 的普遍使用，超声诊断已由非直观的回声图诊断，发展到高成像质量的灰阶声 像图诊断，这为通过计算机进行超声图像处理提供了可能。现在，超声图像诊 断已成为与x 线c t 、同位素扫描、核磁共振相并列的医学诊断中的四大图像 诊断法之一。 本课题的主要研究对象是乳腺肿瘤超声图像，所以有必要对超声成像的基 本原理、超声图像的采集等做一定的了解。 1 2 1 超声诊断概述及其分类 超声诊断主要应用超声良好的指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多 普勒( d o p p l e r ) 效应等物理特性，采用不同的扫查方法，将超声发射到人体内， 并在组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的 界面就会发生反射和散射，再将此回波信号接收，加以检波等处理后，显示为。 波形、曲线或图像等。由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超1 声的吸收程度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖 知识与临床医学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质 或功能障碍程度做出概括性以至肯定性的判断 超声诊断仪由主机和探头构成，均包括发射、扫查、接收、信号处理和显 示等五个部分。超声诊断仪的种类很多，而且互有交叉，按照显示回波方式和 空间的不同，主要包括以下几种 3 0 l ： ( 1 ) a 型( a m p l i t u d em o d e ) 超声 a 型超声是最早出现的一维超声诊断技术，它将声束传播位置上的组织按 距离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示，并从回波的幅度大小、 形状及位置进行诊断，回波强则波幅高，回波弱则波幅低。常用a 型法测量界 面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，它是现代各种超声成像的物理基 础。 ( 2 ) b 型( b r i g h m e s sm o d e ) 超声 b 超是把组织的一个断层面上的超声回波信息以二维分布形式显示出来， 组织内的散射、反射回波信息以辉度调制方式显示，回波强则光点亮，回波弱 则光点暗。光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，由于扫查连续， 9 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 可以由点、线而扫描出脏器的解剖切面，它是二维空间显示，又称二维超声。 按其成像速度的不同，可分为慢速成像和快速成像。慢速成像只能显示脏器的 静态解剖图像，图像清晰，扫查的空间范围较大；快速成像能显示脏器的活动 状态，也称为实时显像诊断法，但所显示的面积较小。按照扫描方式的不同， 又可分为电子线性扫描、电子凸阵扫描、机械扇形扫描等。 ( 3 ) m ( m o t i o nm o d e ) 型超声 m 超是在辉度调制型中加入侵扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动 扫描，是b 型超声的一种特殊的显示方式。常以此法探测心脏，可获得心脏结 构与运动变化、血流时空信息及其周邻关系等定量结果，也称作m 型心动图。 ( 4 ) d ( d o p p l e r ) 型超声 d 型超声采用多普勒效应原理设计，也称多普勒超声，简称彩超。利用多 功能彩色多普勒可获得头部、颈部、心脏、腹部、胎儿等的二维图像；利用多 普勒超声听诊能够早期听取胎心、胎动及进行胎心的监测等；彩色多普勒超声 可显示血流的向背方向，使用伪彩色编码技术标明动脉图中血流的方向和速度， 从而能够显示血管的模拟三维图像。 ( 5 ) 三维超声 计算机技术的发展已使三维超声成像成为现实。三维超声成像需要特殊的 探头和软件以收集并产生图像，构成立体图像的方法有数种，目前多为在二维 图像的基础上利用计算机进行三维重建，尚未达到实时三维图像。三维图像使 得容积测量更为精确，诊断更为准确，医生可以很容易地诊断出组织的异常。 ( 6 ) 介入性超声 近几年来，介入性超声作为超声医学的一个分支也已经获得临床的广泛应 用。在实时超声的引导下，完成穿刺、插管、抽吸以及灌注药物进行治疗等， 深受临床医疗专家和患者的欢迎。术中超声检查能对手术时看不到的病变进行 探测，对指导手术有较大的意义，因此也在医学界占据着比较重要的地位。 在上述医学超声诊断方法中，目前使用最广的是b 型超声检查( 简称b 超) ， 即我们所说的超声显像法。这是因为超声显像设备虽然不能形成c t 图像或m r 图像那样的高分辨率图像，但它具有廉价、可获得器官的任意断面图像、可实 时地观察运动器官的活动情况、对人体的软组织具有高度的分辨能力、成像快、 1 0 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 操作简单、诊断及时、无痛苦与危险、无射线辐射、属于非损伤性检查等优点， 正是因为如此，超声成像技术在医学界得到了广泛的应用，由此也推动了人们 利用计算机技术和信息处理技术处理和分析医学超声图像的研究进程。 1 2 2 超声原理 1 2 2 1 超声成像基本原理 人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织( 包括病理组织) 都具有其特定的声阻抗( 如表1 1 所示) 和衰减特性，从而构成了声阻抗和衰减 上的差异。超声波射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特 性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减，这种不同的反射与衰减是构成 超声图像的基础。超声显像设备就是将接收到的回波，根据其强弱，用明暗不 同的光点依次显示在荧屏上，从而得到人体的断面超声图像( 即声像图) j 。 表l 1 人体不同介质的声速与声阻抗 r ( r a y l s ) = l k g m 2 4 人体器官表面有被膜包绕，被膜同其下方组织的声阻抗差较大，能形成良 好的界面反射，声像图上出现完整而清晰的周边回声，从而显示出器官的轮廓， 根据其能够判断出器官的形状与大小。 1 2 2 2b 超成像基本原理 虽然超声诊断仪器多种多样，但应用领域各有不同。目前国内最常用于乳 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 腺肿瘤诊断的是二维b 型超声诊断仪，本文中的超声图像就是从b 超仪器上采 集下来的图像，下面我们对b 型超声诊断仪做进一步介绍。 b 超成像的基本原理：向人体发射一组超声波，按一定的方向进行扫描。 。根据监测其回声的延迟时间和强弱就可以判断脏器的距离及性质。经过电子电 路和计算机的处理，形成了b 超图像。b 超的关键部件就是超声探头，其内部 有一组超声换能器，是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。这种压电晶体具 有特殊的性质，在晶体特定方向上加上电压，晶体会发生形变，反过来当晶体 发生形变时，对应方向上就会产生电压，从而实现了电信号与超声波的转换【3 2 l 。 图1 3 是b 超的成像原理图，b 超成像的工作过程为：当探头获得激励脉 冲后发射超声波( 同时探头受聚焦延迟电路控制，实现声波的声学聚焦) ，然后 经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号，探头接收回来的回声信 号经过滤波、对数放大等信号处理，然后由d s c 电路进行数字变换形成数字信 号，在c p u 控制下进一步进行图像处理，再同图表形成电路和测量电路一起合 成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的b 超图像，也称二维黑白超声图像。 图1 3b 超声成像原理图 1 2 2 3b 超的临床应用 b 超对心、腹部和盆部器官包括妊娠的检查应用较多，如对肝、胆、胰腺、 脾、肾、膀胱、前列腺、肾上腺、子宫、眼、甲状腺及乳腺等的检查及对妊娠 的诊断等都有相当的价值。 利用b 超图像进行检查和诊断，通常是根据两类超声回波完成的，即边缘 超声和内部超声。 ( 1 ) 边缘回声：利用脏器的边缘回声可以获得脏器形态、大小、位置等信 息，如受捡脏器形态有无改变，边缘是否完整，有无隆起、凹陷以及回声失落 区域；受检脏器各径线测量值是否正常，有无增大或缩小：观察脏器的位置有 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 无偏移及其活动度等。 ( 2 ) 内部回声：利用脏器内部回声的强弱、粗细及均匀度可以获得脏器的 血管分布和走行、病灶、纹理等信息。 1 2 3 乳腺肿瘤b 型超声声像图特征 正常的乳腺超声声像图各层次组织结构分明，正常乳腺组织为中等强度点 状回声或斑片状回声，呈圆锥状或三角形，其中可见导管呈圆形或椭圆形液性 暗区，c o o p e r 韧带由皮下脂肪向乳腺内延伸至后筋膜为强光带。乳腺良性肿瘤 声像图( 图1 - 4 a ) ：乳腺组织内有异常回声，多为低回声，内部回声分布尚均匀， 边界清楚，形态规则，肿块较大时后壁或后方多有增强，有的两侧有侧壁声影， 有钙化时可见高或强回声，有时后方伴有声影。乳腺癌声像图( 图1 4 b ) 在乳腺 组织内探及异常团块状回声，多呈低或弱回声，形态小规则，周边呈锯齿状或 毛刺状，无包膜。其内部回声粗细小等，可有强回声或液性暗区，回声极小均 匀，大多数后部回声衰减，少数肿瘤的后部可见轻度回声增强”l 。 a 良性肿块 1 3 本章小结 图1 4 良恶性肿瘤超声图谱 b 恶性肿块 本章首先介绍了乳腺肿瘤国内外的现状和背景，分析- f - 孚l 腺肿瘤目前采用 的诊断方法，重点对比了各种影像学诊断方法，并指出了乳腺肿瘤早期诊断的 重要性。然后概述了超声图像成像的基本原理、超声设备及其种类，重点介绍 了b 型超声的成像原理，最后针对乳腺肿瘤的超声学特征进行研究，为后续的 乳腺超声图像的边缘提取工作奠定了良好的基础。 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 2 一种新的乳腺肿瘤超声图像边缘提取方法 边缘提取是图像处理和计算机视觉等领域最基本的技术，如何准确、快速 的提取图像中的边缘信息一直是这些领域的研究热点，随着此项技术研究的深 入和整个领域的不断发展，边缘提取技术已经成为图像分割、目标识别、图像 压缩等技术的基础。其理论意义深远，应用背景广泛，有相当的使用价值和理 论难度。 边缘提取是图像分割的主要内容，图像感兴趣区域分割后的结果即为边缘 提取的前提，因此边缘提取跟图像分割是密不可分的。本文讲的边缘提取在广 义上等同于图像分割。 图像分割是低层视觉的首要一步，要对图像中特定部分给出适当的描述， 首先需要将这些部分分割出来，各种图像识别应用最终结果的好坏很大程度上 取决于分割的质量。正确的分割是从超声图像中为临床应用准确提取诊断信息 的保证，也是临床中进行定量分析和计算机辅助操作中进行实时监控、精确定 位的至关重要的一环随着医学图像在临床医学中的应用范围日益扩大，医生 需要阅读和处理的图像数量也迅速增长，自动化的图像分割方法也越来越受到 关注。目前在自动、半自动定量分析方面超声图像难以与c t ，m r i 等成像模 式相比，但超声成像因其独特的无损性、实时性及廉价性，而且在定量分析、 实时监控及治疗规划等方面具有极大的潜力，所以超声图像的分割近年来一直 受到广泛的关注。 由于医学超声图像具有的复杂性，对其进行分割具有相当的难度。传统的 分割方法对图像质量有较高的要求，因此很难达到理想的效果。目前。i 临床应 用中的超声成像系统所广泛使用的分割方式是基于阈值的方法和基于医生手动 分割的方法【6 l 。阈值分割法虽然实现起来非常方便、简单，但是超声图像中固 有的斑点噪声和纹理特性使得该方法即使在图像预处理之后也难以获得满意的 效果。手动分割法实现起来也较为方便，而且结果也是可以接受的，但是繁重 的工作量和冗长的时间往往使医生和病人都难以接受。所以，用计算机实现自 动、半自动的分割方法是临床应用更准确、有效地实现超声图像分割的理想选 1 4 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 择。 近年来，研究人员不断致力于将新的理论和方法，如物理学、形态学、神 经网络、模糊理论、小波理论等引入到医学超声图像分割领域中，目前已取得 了一定的进展。 2 1 边缘提取方法综述 2 1 1 边缘检测法 边缘检测法通过检测边缘上特征值的突变性来获得不同区域问的边缘。传 统的边缘检测法多为搜索像素点的强度变化区域，一般采用微分法实现。 常用的经典边缘提取算子如下： ( 1 ) 梯度算子和r o b e r t 算予p 4 】。利用的是边缘点的一阶导数有极小值； ( 2 ) p r e w i t t 和s o b c l 算子1 。在计算微分以前，先进行邻域平均或加权平 均； ( 3 ) k i t s c h 算子1 是一个3 x 3 的非线性算子，基本思想是尽量使边缘两侧 的像素各自与自己的同类像素取平均，然后再求平均值之差； ( 4 ) l a p l a c i a n 算子，最基本的一阶边缘检测算子，它对噪声更为敏感； ( 5 ) l o g 算子p 7 】。由于l o g 算子具有多尺度检测、边缘封闭的优点，它 一经提出，则成为研究热点； ( 6 ) 沈俊( ( j s h c n ) 算子p 8 】。j s h c n 证明了指数滤波器是一阶最佳滤波器， 并给出了边缘检测的递归算子； ( 7 ) c a n n y 算子p 9 1 。j c a n n y 早就证明了一维空间的指数滤波器的最佳性， 并提出了边缘检测的准则； ( 8 ) 曲面拟合法。其基本思想是将灰度看成高度，用一个曲面来拟合一 个小窗口内的数据，再在拟合曲面上用普通的边缘检测算子来决定边缘点。 使用边缘检测法获得的边缘信息通常不能形成闭合曲线，因此，常需要使 用一些边缘跟踪方法来连接这些不连续的边缘线段以形成封闭的轮廓；另一方 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 面，边缘检测法对图像质量要求较高，因此，常需要先进行噪声抑制，但是超 声图像的斑点嗓声和纹理特性使经过噪声抑制的图像仍不能达到需要的质量， 因此传统的边缘检测法对医学超声图像的分割效果并不理想，且很少单独使用 【4 l 】。近年来，有研究人员提出基于“窄条”( s t i c k ) 的边缘检测法，使用“窄条” 近似组织的边缘部分，为边缘检测法开拓了新的思路h ”。 2 1 2 基于区域的分割方法 基于区域的分割方法是根据目标和背景区域内部的相对均匀性和区域间大 的差异性，提取图像的连通区域以实现图像分割。基于区域的分割方法主要有 以下四种： ( 1 ) 阈值分割法 这是一种广泛应用于临床的方法，它根据图像灰度直方图的分布，选取适 当的阈值以区分目标和背景区域。 阈值分割法的特点是【叫：一 原理清晰、易懂； 算法实现简单、清楚，运算量小； 分割效果较好，对于对比度分明、反差大的图像分割效果几乎与其它大 运算量的方法相当。 人们对阈值分割法已进行了广泛深入的研究，提出了多种选取阈值的方法 ，如直方图阈值、二维最大熵阈值、模糊阂值等等。尽管阈值选取的方法很 多，但迄今还未找到一种对所有图像都可以有效分割的方法。 阈值分割法实现简单，但是由于它只使用了灰度信息，因此对图像噪声和 灰度不均匀性非常敏感，应用于医学超声图像分割常会丢失一些重要的边缘和 细节信息。针对其缺点，研究人员提出了一些改进算法，如m a n a y 等1 提出使 用各向异性扩散模型( a n i s o t r o p i cd i f f u s i o n m o d e l ) 对超声图像进行自适应阈值分 割等。 ( 2 ) 区域生长法 区域生长法是在个区域内选取合适的种子点( s e e d ) ，然后按一定的规则 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 提取出和种子点具有相同或相似特征向量的区域，其关键是区域增长规则的设 计。 区域生长法计算较简便，但对图像质量的要求较高，常会出现提取出的区 域有空洞或局部体效应等问题。针对这些问题，一些研究人员提出了改进的区 域生长法，如h a o ”】等在由纹理特征、灰度和梯度组成的多特征向量空间进行 区域生长，通过使用地理优先权准则( g e o g r a p h yp r i 耐t yc 血缸o n ) 使区域生长得 以完全进行，克服了由于斑点噪声的存在而使区域中有空洞的问题：c h e r t t ”1 等 引入“区域竞争”机制，通过综合区域竞争、斑点噪声的统计模型和早期视觉 模型等优点，较好地克服了斑点噪声和纹理特性对图像分割的影响。 ( 3 ) 分裂合并法 基于分裂和合并技术的区域方法主要分为三种，即合并、分裂及合并一分 裂相结合。合并的方法是：图像首先被分成许多小的基本区域，然后根据特定 的均匀性判据而合并，形成大的区域；分裂的方法是：将整幅图像作为原始分 割结果，只要当前的分割结果不能保证足够的均匀性，就将其分裂成四个方形 区域；合并一分裂相结合的方法是将相邻且具有相似特征的区域合并，而将具 有明显不均匀特征的区域进行分裂。 这几种方法对图像的质量，特别是同一物体内部的灰度均匀性要求较高， 否则很容易出现过度合并和过度分裂。对于医学超声图像，很少有人使用这种 方法，即使使用也常与其它方法相结合。 ( 4 ) 随机场模型法 基于随机场技术的图像分割方法是利用空间区域相互作用模型如m a r k o v 随机场( m a r k o vr a n d o mf i d d ，m r f ) 、g i b b s 随机场等对图像进行建模，结合一 些概率论知识和模拟退火等优化方法对图像进行分割【。】。这种方法有时容易产 生误分类，对纹理边界难以分割，所以在超声图像分割中的应用有待进一步的 研究。 上述边缘检测法和基于区域的分割方法是图像处理领域中传统的分割方 法，它们是针对质量较高的图像提出来的，对于存在固有斑点噪声和纹理特性 的医学超声图像显然达不到理想的效果。针对超声图像的特点，研究人员对这 1 7 乳腺肿瘤超声图像边缘提取的研究 些方法的改进已进行了一些探索，其方向多为两利分割方法的结合使用。 2 1 3 基于动态规划的分割方法 基于动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，d p ) 的分割方法的基本思想是：首先 先对原始图像进行一定的处理( 如求梯度等) 得到初始代价矩阵，并人工选择