（生物医学工程专业论文）降质X射线数字图像的增强和复原处理研究.pdf

中南人学硕+ 学伊论文 a b s t 甩c t a b s t r a c t f i r s t l y ，b a s e do n 也e 龇o f yo fx 叶a yr a d i o 蓼a p h y ，mm i sp a p e r ，也e s y s t e mo fc o m p u t e dx f a yr a d i o g r a p h y ( c r ) i si i l 仃o d u c e d ，m ef 融o r s 访n u e n c i i l gm ei r n a g eq l m l i t yo f x 嘞y 川i o 莎a p h y a r ea n a l y z e d ，a n dn l e d e g r a d i l l g o fx - r a yd i g i t a l i i i l a g ei sa i l a l y z e d t h e i l ，t i l e f a c t o r s d e 野埘i r 培i 1 1 1 a g eq 1 1 a l i 哆o f x _ f a yd i g i t a li i n a g ea r es t u d i e ds y s t e m i c a l l y ， t 1 1 em e t t l o do fi n l a g ee 1 1 1 1 卸c i i l ga l l di m a g er e s t o r a t i o ni sa p p l i e dt o d e 鲈l d e dx f a yd i g i t a l i i l l a g e i ni i i l a g ee 1 1 l l 锄c i i l g ，i n l a g e s n o i s e s m o o 蛐g ，e d g ee i l l l a l l c m g 锄dc o n _ 眦l s te n h a l l c i n ga r es t u d i e da r i d a c o m b i n e dm e t l l o do fi n l a g ee 1 1 i l a l l c i l l gf o rd e g 硼e dx - r a yd i g i 协1 m a g c i sg i v t t l r o u 曲l ec o m b i i l a t i o no fm e s es t u d i e si i lt i l i sp 印e r i l li m a g e r e s t 训0 1 1 ，i i l 廿l i sp a p e r n l ed e g e 小船：t ef a c t o r so fx 髓yd i 百t a li 1 1 1 a g e 雒ea i l a l y z e d m a m 唧a t i c a ln 岣d e lo fh a g ed e g e n e r a t i o n ，也ep r o c e s s i n g o fm o r b i d i 够柚dl e 西t i m a c y ，廿l em e o 叮，m e m o da n d 印p l i c a t i o no fx r a yd i 西t a li m a g e sr e s t o r a t i o na r es t u d i e d ，a l s on l em e m o d o fm o d i f i e d w i e rf i l t e r 觚d 吐l ec o m b i n e dm e t l l o df o rd e g e n e r a t ex - f a yd i g i t a l i m a g ea r e 百v e n k e y w o r d s ： x 一唧d i 百t a lm d i o 鲫h y ，c h 鹕ec o u p l e d d e v i c e ， i m a g ed e 母删o n ，i i l l a g ee n h 锄c i l l g ，i i l l a g er e s t o 洲o n 中南人学硕士学何论丈 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着当今各种高新技术的发展，x 射线成像设备也在不断地改进和提高， 由于各种高新技术融入到了x 射线成像设备之中，从而为提供高质量的x 线影 像奠定了良好的基础，为提高x 射线影像诊断水平开辟了美好的前景，也为人 类的卫生健康事业做出了伟大贡献这就是本文以降质x 射线数字图像作为研 究对象的重要原因 由于图像在生成、传输和扫描进入计算机时，受到医学影像设备、媒质的 实际性能、接收设备的限制，这些因素从而引起图像的降质对于计算机x 射 线成像系统，根据该系统各个环节的作用和特性，可以分析得出成像系统各种 图像降质因素，主要包括以下几个方面：( 1 ) c c d 响应不一致性来源于c c d 的暗电流不一致性和光响应不一致性；( 2 ) 转换屏缺陷主要来源于转换屏对x 射线响应的不一致性；( 3 ) 图像渐晕性来源于光学镜头产生的渐晕效应和x 射线能量分布不均匀；( 4 ) 散射模糊与被检测部位的密度和散射能量有关； ( 5 ) 正脉冲噪声来源于x 射线对c c d 的直接作用；( 6 ) 高斯噪声来源子 c c d 读出噪声、控制系统噪声和x 射线源的量子起伏噪声这是本文对降质x 射线数字图像进行增强和复原的前提。 降质x 射线数字图像在图像质量上不能达到直接用于实体造型的要求，因 此，作者对降质x 射线数字图像的质量进行了改善研究，即主要在降质x 射线 数字图像的增强和复原两方面进行7 研究，应用多种处理方法分别在这两个方 面对图像进行处理，最后综合应用所研究的理论和方法，分别在这两个方向提 出了降质x 射线数字图像的综合增强处理方法和退化x 射线数字图像的综合处 理方法，使图像质量得到明显改善。这是本文对降质x 射线数字图像进行增强 和复原处理的研究目的 ：一 ”。 1 2x 射线成像在医学影像诊断中的应用 ， t ， x 射线检查用于临床诊断已有百年历史【1 1 尽管其它一些先进的影像检查 技术，例如c t 和m r i 等对一部分疾病的诊断，显示出了很大的优越性，但它 们并不能取代x 射线检查。一些部位的检查，例如胃肠道，骨关节及心血管， 仍主要使用x 射线检查。x 射线检查还具有成像清晰、经济、简便等特点，因 中南大学硕七学位论文第一章绪论 此，在国内外，x 射线检查仍然是影像诊断中使用最广泛和最基本的方法。用 于医学影像诊断中应用的检查手段主要包括：荧光透视、x 射线照相技术、数 字减影血管造影以及计算机x 射线成像1 2 1 。 荧光透视和x 射线照相技术i 列的基本原理基本相同，荧光透视的原理是利 用x 射线对物体的穿透能力及其在穿透物体的过程中，不同密度的材料和不同 物体结构对x 射线衰减程度的差异，使物体的内部结构形态在荧光屏上形成影 像。随着x 射线影像增强器1 4 l 和电视监视器的生产和发展，荧光透视逐渐不被 人们所用。与荧光透视不同的是，在x 射线照相技术中是将透射过人体的x 射 线投射到照相机胶片上荧光透视和x 射线照相技术可以清楚地观察到骨折的 程度、肺结核病肚、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位 置等。若延长x 射线透射时间，还可以观察脏器的运动情况。等等 数字减影血管造影技术1 5 6 7 】的基本原理是；把穿过人体的x 射线影像通过 影像增强器转变为光学图像，然后经摄像管变成视频信号，把视频信号进行模 数转换后，可获得一幅图像的数字信号，并暂时存入图像存储器把未注入造 影剂时获得的影像称为“原像”或。本底图像”，而将血管内注入造影剂后的 图像称为“造影像”，这两种图像分别以数字形式存储在两个存储器内。通过 图像处理器将代表。原像”和“造影像”的数字相减，即从造影像中减去原 像，使充盈造影剂的血管图像保留下来，而骨骼等无关组织的影像则被减去。 保留下来的血管图像信号再经过放大处理使对比度提高，然后经模数转换器恢 复为视频信号，输入监视器的阴极或栅极，就可以得到实时血管图像。数字减 影血管造影技术是一种理想的非损伤性血管造影检查技术，它取代了危险性较 大的动脉造影检查数字减影血管造影技术不仅用于血管疾病的诊断，如观察 血管梗塞、狭窄、畸形及血管瘤等，而且还可以为血管内插管进行导向，从而 施行一些手术和简易治疗，如吸液、引流、活检和化疗或阻断肿瘤血供等。 计算机x 射线成像哺剐川是采用电荷耦合器件( c c d ) 作为x 射线检测、记录 载体，再经读出器用激光扫描并经光电转换后获得电信号，电信号再经a ，d 转 换、处理、形成数字图像 计算机x 射线成像系统所成的图像与传统x 射线图像都是所摄部位总体的 重迭影像，因此，传统x 射线能摄照的部位也都可以用计算机x 射线成像系统 成像，而且对计算机x 射线成像系统所成的图像的观察与分析也与传统x 射线 相同。所不同的是计算机x 射线成像系统所成的图像是由一定数目的像素所组 成。 计算机x 射线成像是一种新的成像技术，在不少方面优于传统的x 射线成 像( 荧光透视和x 射线照相技术) 。例如，计算机x 射线成像易于显示纵隔结 2 中南大学硕十学何论文第一章绪论 构如血管和气管，它对骨结构、关结软骨及软组织的显示、结节性病变的检出 率优于传统的x 射线成像，等等。 1 3 图像增强技术和图像复原技术在x 射线数字成像中的应用 1 3 1 图像增强技术 在6 0 年代早期，人们就开始研究x 射线检测中的图像处理技术，到8 0 年 代中期，在获取图像的途径上，全面开发了胶片数字化系统和数字射线成像技 术，并使其得到了实际应用【l ”在此期间，主要的问题是如何获得高分辨率的 灰度图像。人们从电视系统中可获得的数字化图像阵列达到了1 0 2 4 1 0 2 4 8 或 l o b i 乜随着电路的发展，大大提高了计算机的运算速度、存储容量和显示分 辨率，电荷耦合器件( c c d ) 的发展又为数字成像技术注入了新的活力，使数字 化图像阵列达到了4 0 9 6 4 0 9 6 1 2 b i t s 或更高，并具有较高的信噪比，在此期间 图像处理算法也层出不穷 图像增强技术【垃1 3 l 即是使处理过的图像看上去比未处理的图像更加能够显 示图像的固有特征，它可以改善人或机器对一幅图像的视觉效果，目前还没有 一种准则来定义所谓的“优质图像”标准，这是因为还没有一种统一的图像增 强的理论来衡量所谓的“优质图像”，这必须根据某种准则对实际对象采取不 同方法在对x 射线数字图像进行处理时，由于所检测的缺陷类型不同、位置 不同、尺寸不同、成像条件不同等等诸因素的影响，造成图像的视觉是千差万 别的，因此，图像增强技术是针对对象的处理技术一般来说，图像增强技术 可用来处理图像对比度、图像边缘特征、灰度分布不均或椒盐噪声、量子起伏 噪声等等： 。 7 在图像增强技术中，常用点处理技术，如灰度反转、灰度拉伸、按函数要 求的直方图修正等等另外，还通过参考某像素邻域的灰度来校正该像素的灰 度如果有噪声的像素位置是已知的，那么就可以对其邻域像素来加权平均用 以取代该噪声的灰度而实际上，这种信息一般是未知的因此，这种平均化 方法可以用掩模窗去处理整幅图像，这种运算是用窗与图像进行卷积，因此可 在空间域或频率域中处理，它们对噪声的处理往往是有效的 医学图像在现代疾病诊断中占有相当重要的地位，在分析和阅读灰阶医学 图像时，图像的对比度、边缘特征和信噪比等对诊断的正确性非常重要原始 灰阶医学图像的边缘和噪声在空域上均表现为有较大的灰阶差对于降质x 射 线数字图像的增强处理，本文采用了下列几种方法： 中南大学硕十学位论文第一章绪论 ( 1 ) 采用邻域平均法消除图像的高斯噪声，采用中值滤波和形态开滤波滤 除图像的正脉冲噪声； ( 2 ) 采用梯度法增强图像的边缘： ( 3 ) 采用灰度拉伸和灰度调整来增强图像的对比度； ( 4 ) 采用布特沃斯( b 删船w o r i h ) 低通滤波器能够较好地滤除一幅图像同 时具有的正脉冲噪声和高斯噪声。 一。， 一 ： 通过上述四种处理可以改善图像质量另外还可以进行图像伪彩色处理提 高图像视觉效果【1 4 】 1 3 2 图像复原技术 x 射线数字成像过程中的。退化”指由于成像系统各种因素的影响，从而 引起图像的降质图像复原是图像退化的逆过程，它通过把退化过程加以估 计，建立退化的数学模型后，补偿退化过程中造成的失真，以便获得未经干扰 退化的原始图像或原始图像的最优估值，从而改善图像质量。人们对图像复原 的研究起始于2 0 世纪6 0 年代末期“”0 1 ，到了7 0 年代末期已经形成了较为成熟 的一门图像处理技术美国科学家h c a 丑d 坤粥和b & h u m 对本邻域发展作出 了杰出的贡献，他们的专著口1 l 全面论述了图像复原的理论、方法和应用，至今 一直为人们所采用 图像复原包括消除以下两个方面的图像降质因素： ( 1 ) 系统降质因素，如光学散焦、大气湍流和运动模糊。在x 射线数字 成像中的系统降质因素，有由于x 射线源尺寸有限大小造成的图像几何不清晰 度以及由于试件缺陷方位与x 射线方向有一定偏角造成的几何畸变等； ( 2 ) 由噪声所引起的图像统计规律上的降质因素，如量子起伏噪声、x 射 线散射噪声和量化噪声等在x 射线数字成像中，散射对图像的降质是最为突 出的因素之一 在图像复原过程中为消除这两种形式的降质因素所设计的滤波器通常是相 冲突的。因为消除随机噪声一般是低通过程，因此很难保证图像的细节( 通常 含有较强的高频成分) 信息不受损失因而，高性能的滤波器是这两方面的合 理折衷。图像复原的质量在很大程度上取决于以下两方面的因素： ( 1 ) 成像系统建模应尽可能准确，包括对系统的线性与非线性分析和系统 空间移交性的分析，用理论和实验方法确定各个环节以及系统的点扩散函数， 另外还要考虑到系统统计规律所引起的降质因素，如研究随机噪声的统计特 征，设计滤波器参数。 ( 2 ) 根据观察者或视觉系统确定图像质量准则。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图像复原问题主要包括三方面的内容：( 1 ) 图像复原模型的建立； ( 2 ) 模型参数的确定；( 3 ) 复原算法。 图像复原模型是描述理想图像和退化图像之间关系的数学表达式，描述准 确与否直接影响复原结果一般假定退化过程是线性的，点扩散函数( p s f ) 可以是空间移交或移不变的。噪声主要包括成像器件噪声和量化噪声，成像器 件的噪声可以是加性的或乘性的，在大多数情况下独立于图像信号，可以认为 是加性的量化噪声属于零均值高斯白噪声，独立于图像信号在实际图像复 原中，绝大多数情况下，假定复原模型中的噪声是零均值高斯白噪声 图像复原模型中的参数，如p s f 、噪声、理想图像参数的确定可以根据实 验或理论方法识别和确定l e e 瞄】由光学原理研究了光学系统模糊的p s f ，可以 根据先验知识建立参数化模型。人们早期对p s f 的估计是在频率域上进行的， 如散焦、运动模糊，可以由退化图像功率谱或倒频谱得到零点，从而确定系统 的p s f 伫3 洲这种方法的缺点是没有考虑噪声对估计的影响并且不适应于其它 退化形式r o s f e l d 和l a k 证明可从理想的线光源确定。在x 射线成像中， p s f 可从实验中估计，刘瑞根用针孔照相的方法，将针孔放在与试件相当的位 置上进行曝光确定x 射线成像的p s f 图像复原的方法有许许多多，可分为线性与非线性方法、迭代与非迭代方 法、确定性与统计性方法等，从复原原理上可分为基于法则的方法、约束优化 法等在本文中主要运用了以下几种方法，即，盲目图像复原是在图像的退化 因素( 包括噪声和模糊) 未知的情况下，从观察图像中以某种方式抽出退化信 息，从而找出图像复原方法尽管维纳滤波克服了噪声的敏感性和奇异性，但 在实际中未退化图像的功率谱未知，因此，常用以常数代替噪声与未退化图像 功率谱之比，这种粗糙的近似必然会对复原结果产生影响，针对这一问题， 4 4 3 节提出了将噪声功率谱以常数代替，未退化图像功率谱以指数代替( 当然 也可以用其它函数形式) ，这种近似更能反映噪声功率谱与未退化图像功率谱 的实际比值，因此更加准确，这就是改进型维纳滤波复原法约束最小二乘方 滤波复原法能比较好地抑制噪声，而且最小二乘方滤波复原法的推导没有假定 随机场是均匀的并且谱密度为已知，只是确定了一个最佳准则，因此约束最小 二乘方复原法在图像复原中得到了较广泛的应用 1 4 本文研究的主要内容 按照论文各章的次序，本文的研究内容包括： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 第一章提出了课题的研究背景和论文的研究思路，综述了x 射线成像 在医学影像诊断中的应用，以及降质x 射线数字图像的增强和复原处理方法 ( 2 ) 第二章分析了计算机x 射线成像系统的结构及特点，其中x 射线 源、电荷藕合器件( c c d ) 及计算机是成像系统的主要构成。还对成像系统的 各个环节进行了分析，提出了影响x 射线数字图像质量的因素，并给出了噪声 的衡量指标 、 彳 ； ( 3 ) 第三章从图像的噪声滤除、边缘细节的增强和对比度的增强三方面对 降质x 射线数字图像进行增强处理的研究。具体研究内容为：分析了x 射线数 字成像中脉冲噪声的特点，并用中值滤波和形态开滤波对其进行平滑，同时采 用邻域平均法对降质x 射线数字图像中的高斯噪声进行滤除；采用布特沃斯 ( b m 咖咄) 低通滤波器对同时含有正脉冲噪声和高斯噪声的图像进行平 滑；对由去噪引起和图像本身的图像模糊用梯度法对其进行图像边缘细节的增 强处理：用灰度拉伸和灰度调整的方法对图像的对比度进行增强处理。作者把 几种方法结合起来对受多种降质因素影响的x 射线数字图像进行增强处理，在 很大程度上改善了图像的质量，即对降质x 射线数字图像进行综合增强处理。 ( 4 ) 第四章分析了x 射线数字图像退化的数学模型以及图像的病态和正 则化处理，研究了x 射线数字图像复原理论、方法及其应用，并用盲目图像复 原、维纳滤波、改进型维纳滤波和约束的最小二乘方滤波等复原方法对x 射线 图像作了计算机仿真实验，最后给出了退化x 射线数字图像的综合处理方法。 ( 5 ) 第五章对本论文的主要研究成果和结论作了概述，指出了进一步开展 的工作以及展望。 6 中南大学硕士学位论文 第二章x 射线成像 2 1x 射线成像基础 第二章x 射线成像 x 射线成像广泛应用于医学成像中，其原理是利用x 射线对物体的穿透能 力及其在穿透物体的过程中，不同密度的材料和不同物体结构对x 射线衰减程 度的差异，使物体的内部结构形态在照相底片、荧光屏或x 射线光电子器件上 形成影像 2 1 1x 射线的特性 x 射线是一种波长很短的电磁波。波长范围为o 0 0 0 6 5 0 舳。目前x 射线 诊断常用的x 射线波长范围为o 0 0 8 o 0 3 l 姗( 相当于4 0 1 5 0 k v 时) 在电 磁辐射谱中，居y 射线与紫外线之问，比可见光的波长要短得多，肉眼看不 见 除上述一般物理性质外，x 射线还具有以下几方面与x 射线成像相关的特 性： 穿透性：x 射线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿 透的各种不同密度的物质，并在穿透过程中受到一定程度的吸收即衰减。x 线 的穿透力与x 射线管电压密切相关，电压愈高，所产生的x 射线的波长愈短， 穿透力也愈强；反之，电压低，所产生的x 射线波长愈长，其穿透力也弱另 一方面，x 射线的穿透力还与被照体的密度和厚度相关。x 射线穿透性是x 射线 成像的基础 荧光效应：x 射线能激发荧光物质( 如硫化锌镉及钨酸钙等) ，使产生肉 眼可见的荧光即x 射线作用于荧光物质，使波长短的x 射线转换成波长长的 荧光，这种转换叫做荧光效应。这个特性是进行透视检查的基础。 摄影效应：涂有溴化银的胶片，经x 射线照射后，可以感光，产生潜影， 经显，定影处理，感光的溴化银中的银离子( a g + ) 被还原成金属银( a g ) ，并 沉淀于胶片的胶膜内此金属银的微粒，在胶片上呈黑色而未感光的溴化 银，在定影及冲洗过程中，从x 射线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明 本色依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像所以，摄影效应是x 射 线成像的基础。 中南大学硕士学位论文 第二章x 射线成像 电离效应：x 射线通过任何物质都可产生电离效应。空气的电离程度与空 气所吸收x 射线的量成正比，x 射线进入人体，也产生电离作用，使人体产生 生物学方面的改变，即生物效应。它是放射防护学和放射治疗学的基础。 2 1 2x 射线的产生 、 x 射线的产生1 8 9 5 年，德国科学家伦琴发现了具有很高能量，肉眼看不 见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线f 朔。因为当时对这个射线的 性质还不了解，因此称之为x 射线。为纪念发现者，后来也称为伦琴射线，现 简称x 射线( x r a y ) 一般说，高速行进的电子流被物质阻挡即可产生x 射线具体说，x 射线 是在真空管内高速行进成束的电子流撞击钨( 或钼) 靶时而产生的。因此，x 射线发生装置，主要包括x 射线管、变压器和操作台。 x 射线管为一高真空的二极管，杯状的阴极内装着灯丝；阳极由呈斜面的 钨靶和附属散热装置组成。 变压器为提供x 射线管灯丝电源和高电压而设置。般前者仅需1 2 v 以 下，为一降压变压器；后者需4 0 1 5 0 k v ( 常用为4 5 9 0 k v ) 为一升压变压 器。 操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置，包括电压表、电流表、 时计、调节旋钮和开关等。 在x 射线管、变压器和操作台之间以电缆相连 x 射线的发生程序是接通电源，经过降压变压器，供x 射线管灯丝加热， 产生自由电子并云集在阴极附近当升压变压器向x 射线管两极提供高压电 时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸 引，使成柬的电子，以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时 发生了能量转换，其中约1 以下的能量形成了x 射线，其余9 9 9 6 以上则转换为 热能。前者主要由x 射线管窗口发射，后者由散热设施散发 2 1 3x 射线与物质的相互作用 x 射线能够射入并穿透物质，物质受其影响会产生某些变化，射线受物质 作用其能量的一部分在被吸收的同时，也改变了传播的方向，即x 射线与物质 的相互作用。x 射线与物质之间的作用根据入射x 射线能量的不同，主要有以 下四种形式：光电效应、瑞利散射、康普顿散射、电子对效应 1 光电效应 中南大学硕士学仲论文 第二章x 射线成像 在光电吸收过程中，入射光子射入物质时，将与物质中的核外电子发生非 弹性碰撞，入射光子的全部能量传递给原子某轨道上的电子，使电子从原子的 束缚壳层中发射出来而形成光电子，而入射光子在与吸收物质原子的相互作用 中完全消失这就是光电吸收的过程光电吸收有三个特点：入射光子的能量 在碰撞中全部被原子吸收；光子与自由电子不能产生光电效应：光电效应伴随 着二次射线的产生通常，光电效应发生在高原子序数和低能量入射光子的情 况下 2 瑞利散射 瑞利散射属于一种相干散射，对于波长较短的入射光子和原子序数较大的 散射体来说，相干散射的影响一般是无足轻重的 根据经典动力学的理论，当频率为y 的外来电磁波投射到电子( 自由电子 或束缚谐振电子) 上时，电子就会在电磁波的作用下以相同的频率y 做强迫振 动，并不断的放射出该频率的次波，这种电子所放出的电磁波就称为瑞利散 射瑞利散射相对于入射线来说只是一种波长不变而方向改变的次级辐射在 医学应用范围内，瑞利散射所起的作用很小，通常可以将它忽略。 3 康普顿散射 它是一种特殊的散射类型，即散射后的射线与入射线的波长不等，波长的 改变与散射角有关而与散射体无关在康普顿散射中，入射光子与原子的外层 电子发生碰撞，一部分能量和动能传给电子使它脱离原子射出而成为。散射光 子”，散射光子的出射方向与原入射光子方向产生了一个偏转角 4 电子对效应 ”当入射光子的能量足够高时( 大于1 0 2 m e y ) ，在它从原子核旁边经过 时，在核库仑场的作用下，入射光子可能会转化为一个正电子和一个负电子 这种过程就称为电子对效应。正电子一旦生成，在很短的时间内就将与其它负 电子复合消失，并产生两个湮没光子，这两个光子以相同的能量，相反的方向 进行传播。 2 2 计算机x 射线成像系统 。 2 2 1 概述 中南大学硕士学位论文 第二章x 射线成像 计算机x 射线成像傩明是采用电荷耦合器件( c c d ) 鲫作为x 射线检测、记 录载体，再经读出器用激光扫描并经光电转换后获得电信号，电信号再经a d 转换、处理、形成数字图像 计算机x 射线成像( c o 叩u t e dr a d i o g r a p h y ，c r ) 系统的主要组成部分包括 x 射线源、电荷耦合器件( c c d ) 和计算机计算机x 射线成像系统如图2 1 所 示，它可以完成x 射线源与电荷精合器件( c c d ) 的同步与协调工作 图2 一l 计算机x 射线成像系统 反射镜 2 2 2 计算机x 射线成像过程 x 射线穿过人体被检部位后，到达位于人体后面的c c d ，即用c c d 取代传统的 胶片增感屏组合体这样c c d 将透过人体的x 射线能量储存起来，由于被检部 位组织密度的不同，从而形成包含该部位数据的潜像。这种潜像是模拟影像。带 有潜像的c c d 经激光装置扫描后，存储于c c d 内的能量，以蓝紫光的形式释放出 来，经光电检测器收集、放大并转换成电信号电信号再经模数转换输入计算 机。 2 3 影响计算机x 射线成像的因素 2 3 1 影响计算机x 射线成像的质量因素 影响计算机x 射线成像的因素有对比度、清晰度、图像载体的均匀性 1 对比度 对比度是指被检测物体厚度或密度微小变化引起数字图像亮度的变化差 异。人眼对这种差异的分辨是有限的，人眼对数字图像亮度的变化的分辨能力 最高为o 0 0 6 5 d 【2 9 1 。因此提高图像的对比度有利于缺陷的检出。x 射线图像的 o 中南犬学硕十学位论文第二章x 射线成像 对比度与透照物体的性质、不同部分的厚度差有关，也与采用的透照技术有 关 假设在x 射线照射方向存在一厚度差x ，x 与透照的基本厚度x 相比很 小，因此可以认为入射到透射表面的x 射线强度相同 根据单色x 射线的衰减规律，有： 那么 由于x 很小，故： 所以 即 i = i 乒” ，；厶p 一麒“ ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ，= ，一，= ( p 讪一1 ) ( 2 3 ) p 肚l 一肚x 越= 一沮缸 丝。一心 i ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 这就得出了透射后的x 射线因为厚度差所对应的透射x 射线的强度差，式中的 负号表示i 与x 成相反方向变化： 由于曝光量e 1 ii t ，其中，i i 代表x 射线转换屏的转换效率因此也有 e e = 一l i x ，对于最后的检测器( c c d ) ，它在很大的动态范围内灰度与曝光 量都是成线性关系的，因此，也有g g = e e _ p x ，其中g 为灰度值这就 导出了在相同基厚的情况下，由于物体厚度差所导致的图像上的相对对比度， 可以看出，它们是成线性的。 中南大学硕士学位论文第二章x 射线成像 以上分析是基于窄射束、单色的情况，当在宽射束、连续谱的情况下，还 必须考虑散射的影响和连续谱的单色近视修正问题。实践证明，对于一定的透 照电压，当透照厚度超过一定值后，连续谱x 射线的衰减规律也服从指数衰减 规律，且衰减系数等效于某一单色x 射线的衰减系数，此时上式变为g g = 一l i x ( 1 + i i 。) ，其中p 为等效单色衰减系数，它大约为能量为连续谱2 3 的 单色x 射线所对应的衰减系数，i 。为达到c c d 的一次x 射线强度，i 。为达到c c d 的散x 射线的强度1 + i i 。也称为累积因子b u f ( b u i l du pf a c t o r ) 2 清晰度 在计算机x 射线成像中，定量描述清晰度的量是不清晰度不清晰度主要 有两种；几何不清晰度和固有不清晰度。 几何不清晰度是由于x 射线源的焦点不是一个点，而是具有一定的几何尺寸 的面。因此光源的每一点都将物体投射到转换屏上形成影像，这些物体的投影 彼此之间又有轻微的位移，投影重叠的结果导致产生了一个劣质的影像，这就 是几何不清晰度的来源，一般记为u i 它可以按下述公式计算： g = 妫( ，一 ) ( 2 7 ) 式中s 为x 射线源的有效焦点尺寸，f 为焦距，h 为被照射物体上的点到成像面 上的距离。 固有不清晰度主要由x 射线转换屏引起，产生于闪烁晶体对光线的散射。 它的作用与x 射线的能量有关，能量越大，则固有不清晰度越大一般用u 。来 表示固有不清晰度 几何不清晰度与固有不清晰度共同作用形成总不清晰度u ，u 与u 、u 。的关 系比较广泛采用的关系式是u ku ? + u ? 。此外，也有采用关系式u 3 u ? + u ? 或其 它关系式的。 3 图像载体的均匀性 在计算机x 射线成像中，图像载体的均匀性是在指成像器件出现的高频和 低频起伏噪声一般微观不均匀性与高频成分有关，宏观不均匀性与低频成分 有关。 产生宏观不均匀性有以下几个原因： ( 1 ) 由于x 射线源发射角分布因素或散射，使照射场不是一个均匀场； ( 2 ) 转换屏闪烁晶体分布不均匀。 产生微观不均匀性有以下几个原因： 1 2 中南大学硕士学位论文第二章x 射线成像 ( 1 ) 晶体转换屏的微晶粒态，即颗粒噪声； ( 2 ) c c d 的读出噪声，以及数字信号的量化噪声等； ( 3 ) c c d 受x 射线激发产生的脉冲噪声 2 3 2x 射线数字图像的降质与噪声的衡量指标 1 x 射线数字图像的降质分析 影响x 射线数字图像的因素来源于成像系统的各个环节，在计算机x 射线 成像系统中，根据图像噪声的来源，可将各个组成单元划分为如下几个主要部 分：c c d 、x 射线源、成像光学系统( 包括转换屏、反射镜和镜头) 、被检测部 位、控制系统( 包括计算机与控制器) 根据计算机x 射线成像系统各个环节的作用和特性，可以分析得出成像系 统各种图像降质因素，主要包括以下几个方面： ( 1 ) c c d 相应不一致性来源于c c d 的暗电流不一致性和光响应不一致性； ( 2 ) 转换屏缺陷主要来源于转换屏对x 射线响应的不一致性： ( 3 ) 图像渐晕性来源于光学镜头产生的渐晕效应和x 射线能量分布不均 匀： ( 4 ) 散射模糊与被检测部位的密度和散射能量有关； ( 5 ) 正脉冲噪声来源于x 射线对c c d 的直接作用： ( 6 ) 高斯噪声来源于c c d 读出噪声、控制系统噪声和x 射线源的量子起伏 噪声 根据成像系统的各种图像降质因素，为了改善降质x 射线数字图像的质 量，本文对降质x 射线数字图像进行增强和复原处理。 3 噪声的衡量指标 衡量噪声水平的的标准有多种，本文以均方误差( m s e ) 【3 川为指标作为本 文的计算标准。 假设图像大小为m n ，原始图像为，( f ，力，处理后的图像( 估计图像，作 为理想图像的估计值) 为，( f ，力，则可以用下述指标来衡量噪声 均方误差( m s e ) l 厂以，) 一厂( f ，川2 脚= 旦惫盯了 ( 2 - 8 ) 叭f 川2 “ 中南大学硕士学位论文第二章x 射线成像 2 4 本章小结 本章在论述x 射线成像原理的基础上，并且介绍了计算机x 射线成像系 统本章第三节分析了影响计算机x 射线成像质量的因素，其中包括对比度、 清晰度和载体的均匀性给出了x 射线数字图像的降质源，即产生于计算机x 射线数字图像系统各个环节的降质源，以便采取有效技术措施消除这些不利因 素，达到改善图像质量的目的，这也是后面所作的降质x 射线数字图像的增强 和复原处理研究的目的。 4 中南大学硕士学伊论文第二章降质x 射线数字图像的增强处理 3 1 引言 第三章降质x 射线数字图像的增强处理 图像增强是指按特定的需要突出一幅图像中的某些信息，同时，削弱或去 除某些不需要的信息的处理方法其主要目的是使处理后的图像对某些特定的 应用来说，比原始图像更适用。根据第二章所述的产生于计算机x 射线成像系 统各个环节的降质源和影响计算机x 射线成像的因素，本章从如下三个方面对 降质x 射线数字图像进行增强处理：( 1 ) 应用滤波技术去除图像中的噪声； ( 2 ) 用梯度法增强图像的边缘：( 3 ) 应用灰度拉伸和灰度调整增强图像的对 比度综合这三种处理方法，可以在很大程度上改善图像的质量 在这里特别指出，在应用滤波技术滤除图像的噪声中，由于视觉评定是一 种评价图像质量方法的主观方法，不能精确地评价降质图像的滤波处理效果， 因此，本章用均方误差( m s e ) 来衡量噪声 3 2 降质x 射线数字图像的噪声平滑处理 3 2 1 高斯噪声的平滑处理 3 2 1 1 高斯噪声的来源和性质 高斯噪声来源于计算机x 射线成像系统中的c c d 读出噪声、控制系统噪 声和x 射线源的量子起伏噪声。由于高斯噪声在空间和频域中数学上的易处理 性，这种噪声模型经常被用于实践中高斯噪声中的高斯随机变量z 的概率密 度函数( p d f ) d i l 由下式给出： 岛去e 帅络 t ， ， 一一 其中，z 表示灰度值，一表示z 的平均值或期望值，仃表示z 的标准差标 准差的平方仃2 ，称为z 的方差。 中南大学硕士学位论文 第= 章降质x 射线数字图像的增强处理 3 2 1 2 邻域平均法 针对高斯噪声的特性，本节采用邻域平均法1 3 2 ) 处理带有高斯噪声的x 射线 数字图像。邻域平均法是空间域噪声平滑技术该方法的原理为：求出图像中 以某点为中心的一个邻域范围内的图像像素平均值，并以此作为该中心点的灰度 值，去除突然变化的点，从而滤掉一定的噪声，其代价是图像有一定程度的模 糊。即，对于给定的图像，中的每个像点( 聊，甩) ，取其邻域s 。设s 含有m 个 像素，取其平均值作为处理后所得图像像点( 所，疗) 的灰度。用一像素邻域内各像 素灰度平均值来代替该像素原来的灰度。 邻域s 的形状和大小根据图像特点确定一般取的形状是正方形、矩形及 十字形等，s 的形状和大小可以在处理过程中保持不变，也可以根据图像的局 部特性而变化，像点( 加，甩) 一般位于s 的中心。如s 为3 3 邻域，像点( m ，疗) 位 于s 的中心，则： 7 ( 小，刀) = 丢圭圭八坍+ 万+ 力 ( 3 - 2 ) 7l lj 。一l 吾 中间的黑点表示中心元素，即，用该元素作为处理后的元素。在该模板中，表 示将自身的值加上周围8 个l 的值后除以9 作为处理后的元素的新值。 假设噪声n 是加性噪声，在空间各点互不相关，且期望为o ，方差为口2 ， g 是未受污染的图像，含有噪声的图像厂经过邻域平均为7 ( 巩功，即； 7 ( 鸺疗) = 击，( “) = 击g ( f ，) + 击弹( f 力 ( 3 - 3 ) 由上式可知，邻域平均后，噪声的均值不变，方差盯：= 击盯2 ，即噪声方 差变小，说明噪声强度减弱了，即抑制了噪声。 由上式还可以看出，邻域平均法在平均图像信号的同时还可能使图像目标 区域的边缘变得模糊。 6 中南大学硕士学付论文第二章醉质x 射线数字图像的增强处理 3 2 2 脉冲噪声的平滑处理 3 2 2 1 脉冲噪声的来源和性质 在计算机x 射线成像中，x 射线对c c d 的直接作用( 直射) 或间接作用 ( 散射) 使c c d 把x 射线能量高效地转化为载流子，这些载流子被像元势阱 收集形成信号电荷。散射到c c d 上的单个x 射线粒子能量要比可见光的能量 大得多，所以当x 射线打到c c d 某个像元上时，该像元的势阱会比周围像元 的势阱收集到更大的电荷【3 引，从而形成幅度较大的正脉冲噪声由于散射x 射 线是随机的，达到某个像素上的概率也是随机的因此可以将散射x 射线对 c c d 采集到的图像的影响看作是一种空间上随机分布的正脉冲噪声。因此，由 x 射线引起的脉冲噪声的性质可归纳为以下几点：( 1 ) 空问分布的随机性； ( 2 ) 脉冲噪声的单向性( 正向) 正脉冲噪声中的概率密度函数( p d f ) 由下 式给出： p 台 z = 2 5 5 其他 ( 3 4 ) 正脉冲噪声以白点出现在图像中，对图像质量影响较大，一般采用非线性 滤波器可以使这种噪声得到较好的抑制。 3 2 2 2 中值滤波 人们在利用非线性滤波器消除脉冲噪声方面已做过大量研究工作【m 啦】中 值滤波器是一种常用的非线性滤波器，它是基于排序统计理论的一种非线性 信号处理技术1 9 7 1 年，图基( 1 址坷) 在进行时间序列分析时提出中值滤波 的概念m 】，早期用于一维信号处理，后来很快被用到二维数字图像平滑中，并 且被广泛地应用于脉冲噪声的处理中，它的基本原理是把数字图像或数字序列 中一点的值用该点的一个邻域中各点的中值代替。 本文采用的是标准窗中值滤波，它是以窗口中n 个像素的中值置换中心像 素设窗口大小为a = ( n 为奇数) ，对窗口内的各像素灰度值进行比较 排序，用其中值代替窗口中心像素的灰度值，即图像中第( u ) 点的灰度值将 通过对该点邻域a 内2 个点的灰度值得到： ，、57 1 叉j = 妃d ￥讲z k ( 所，一) ，( 坍，玎) e 彳 ( 3 - 5 ) 中值滤波的关键在于选择合适的窗口大小及形状附l ，不同的图像及不同的 应用要求，往往采用不同的窗口和尺寸常用的二维中值滤波窗口有线性、方 1 7 中南大学硕士学位论文 第三章降质x 射线数字图像的增强处理 形、十字形、菱形等，如图3 1 ，通常窗内像元素为奇数实用上一般采用以像 素( i ，j ) 为中心的正方形窗口，若图像大小为m n 像素，窗口大小为k l 像素，则窗口处理时，总计算量为o ( m n k l ) 量级，也就是说，窗口处理 的计算量不仅与被处理图像的大小成正比，也与所用窗口大小成正比在本文 中采用的是3 3 像素的正方形窗口，按此中值滤波算法，中值滤波后的图像中 的噪声将有效地被消除，这是因为邻域中灰度值发生随机突变的像素经过排序 后，要么排在队首，要么排在队尾，而中心像素的新值是取自于队伍中的中位 的那个新值。 。 ， 图3 - 1中值滤波常用宙形状 中值滤波的滤波优点是由以下特性所决定的： ( 1 ) 根信号不变：经中值滤波器多次滤波后始终不变的信号为根信号； ( 2 ) 冲激响应为零：该特性决定了中值滤波具有很好的去除脉冲噪声的 能力，如图3 2 所示； ( 3 ) 阶跃响应不变：此特性决定了中值滤波的边缘保持性，如图3 3 所 示 即) t 图3 - 2冲击函数中值响应 3 中南大学硕士学位论文第三章降质x 射线数字图像的增强处理 u ( t ) 厂 t 图3 - 3 阶跃函数中值响应 中值滤波的突出优点是在消除噪声的同时，又能保护边缘信息。但其也存 在缺点【拍】：( 1 ) 当中值滤波的滤波窗口的脉冲干扰样本数( 像元素) 大于窗 口的一半时，中值滤波没有滤波效果此时，依靠增加滤波窗尺寸，固然可以 提高噪声滤除能力，但是丢失图像细节；( 2 ) 图像中的一些细线，尖锐边角， 经中值滤波后被消失，破坏了图像几何结构。 由于标准窗中值滤波的这些缺点，多年来许多学者都试图寻求一种新型滤 波器结构，使其既能够保持中值滤波的优点，又能克服它的缺点。即，就是使 新型的滤波器具有良好的各种噪声抑制能力，同时又能完备地保持图像的几何 结构 3 2 2 3 形态开滤波器 在消除脉冲噪声中，中值滤波器会引起图像边缘或细节信息的丢失形态 滤波是从数学形态学【4 7 l 中发展出来的一种新型的非线性滤波技术，形态滤波理 论【档螂川是由g m a t l l e r o n 和j s 锄等人在2 0 世纪8 0 年代初创立的形态滤波 器是基于信号( 图像) 的几何结构特性，利用预先定义的结构元素( 相当于滤 波窗) 对信号进行匹配或局部修正，以达到提取信号，抑制噪声的目的 建立在数字空间中的离散形态变换是构造数字形态滤波器的基础。由于数 字图像可以用离散函数来表征，故函数的极大( s i | p ) 和极小( i 1 1 f ) 运算可用函 数的最大值( m 醒) 和最小值( m i n ) 运算代替数学形态学中的两种主要运算 是膨胀和腐蚀，并且由膨胀和腐蚀组成的运算具有某种滤波作用 设，( 曲为定义在才上的离散函数，即，：z 。_ z ，结构元素b 为z 。上的 有限子集，即占c z 。；b 关于原点的对称集合为= 而：6 田，b 关于点工 平移集合为口。= ( 6 + 工：6 e 工z 。) 。离散形式的膨胀和腐蚀运算分别如下： 1 9 中南大学硕士学位论文第三章降质x 射线数字图像的增强处理 u 。口x 功2 学v ( 6 ) ) ( 工) 2 赃饥6 ) _ 以离散形式的膨胀和腐蚀运算为基础， ， + 于b 的离散形式的开运算定义为： ( 3 6 ) ( 3 7 ) 可以得到形态开滤波器，其八工) 关 u 。曰) o ) 2 u ) 。捌2 翟： 赃厂( 6 ) 3 墙 a t 0 盹d 由( 3 - 8 ) 式可知，形态开滤波器的原理是对带有正脉冲噪声的先进行离散 形式的腐蚀运算，再进行离散形式的膨胀运算 形态开滤波器的根信号由常毗邻、边缘和负脉冲三种信号状态模型组成 由于形态开滤波器的根信号在滤波过程中不变的特性，则可以把正脉冲滤除 掉，并能保持边缘。 形态开滤波器是一种能有效抑制正脉冲噪声