（生物医学工程专业论文）脂肪肝医学超声图像定量分析的研究.pdf

脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 分形布朗运动及遗传算法的脂肪肝医学超声图像定量评价方法，该方法可以准确地给出 脂肪肝医学超声图像的定量评价标准；第三，为了更为形象的给出不同程度脂肪肝的定 量评价结果，本文给出了一种基于g a b o r 滤波的双谱脂肪肝定量评价方法，该方法可以 直观的从双谱扩散程度得到评价脂肪肝医学超声图像的定量结果；第四，为了验证图像 纹理分析方法对人体脂肪肝医学超声图像的适用性，将三种纹理分析方法在人体脂肪肝 医学超声图像分析中进行了一些探索，并对结果进行了分析总结。 关键词：脂肪肝；医学图像纹理分析；医学超声图像定量评价 大连理工大学硕士学位论文 q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o rf a t t yl i v e rm e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e s a b s t r a c t m e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g i n g ，c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n ga n d n u c l e a ri m a g i n ga r et h ef o u ri m p o r t a n tm e d i c a li m a g i n gt e c h n i q u e si nm o d e ms o c i e t y a m o n gt h e m ，m e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g i n gi sw i d e l yu s e di nm e d i c a ld i a g n o s i sa n dt r e a t m e n t d u et oi t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i co fr e a l t i m e ，n o n i n v a s i v e n e s s ，c h e a p n e s s ，e a s yr e p e t i t i o n ，a n d h i g l ls e n s i t i v i t y i th a sh i g i lp o t e n t i a li nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，r e a l t i m em o n i t o r i n ga n d t r e a t m e n ts c h e d u l i n g , e t c b a s e do ni t sv i r t u e s ，i ti so f t e nu s e dt od i a g n o s et h ed i s e a s eo ff a t t y l i v e r n o w a d a y s ，t h ed i a g n o s i sm e t h o df o rf a t t yl i v e r , b a s e do nm e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g i n g ，a r e t h a tt h ed o c t o r sc o n s u l t st h eb a s i cm e t r i c a ls t a n d a r do fu l t r a s o n i cm a c h i n ea n db yr i g h to f t h e i re x p e r i m e n tt oe v a l u a t ea n dd i a g n o s et h ef a t t yl i v e rd i s e a s e b e c a u s ei tl a c k st h e q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e c h a n i s m ，a n dh a sn o te n o u g hw a r r a n t y ，m i s d i a g n o s i so f t e no c c u r s ， a n dt h a tw i l lt a k et h es p i r i tb u r d e nt ot h es i c k t h i st h e s i su s e st h et e x t u r ea n a l y s i st e c h n i q u e ， b e l o n g i n gt ot h em o d e mi m a g ep r o c e s s i n gd o m a i n ，t oa n a l y z et h em e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e s ， a n dg e tt h ef e a t u r ep a r a m e t e r s t h e nu s i n gt h e s ep a r a m e t e r st od ot h es t a t i s t i c a la n a l y s i s a n d g e t t i n gt h eq u a n t i t a t i v ed a t a ，c o m p a r i n gw i t ht h ea n i m a lp a t h o l o g yr e s u l t s ，a tt h ee n d ，t h i s t h e s i sg i v e st h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e mf o rd i f f e r e n td e g r e ef a t t yl i v e rd i s e a s e ，t h a t w i l lc h a n g et h ea c t u a l i t ya b o u tt h eu l t r a s o n i cd i a g n o s i s r e c e n t l y ，t h e r ea r em a n yi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m sc a nd e a lw i t ht h ec l a s s i f i c a t i o n p r o b l e mo ff a t t yl i v e rm e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e s ，b u tt h i sp r o b l e mi sa b o u tt h et w oc l a s s e s a n a l y s i s ，a n dt h e r ei sn om e t h o dc a ng i v et h eq u a n t i t a t i v ed a t at od e s c r i b ef a t t yl i v e rm e d i c a l u l t r a s o n i ci m a g e s b u tt h i sp a p e rn o to n l ya d o p t st h et e x t u r ea n a l y s i sa l g o r i t h mt od i s t i n g u i s h t h et h r e ec l a s s e s ，b u ta l s ou s e st h ep a t t e r nr e o r g a n i z a t i o na n ds t a t i s t i c st og i v et h eq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o ns y s t e m t h i sq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e mc a nb eu s e st oc h a n g et h et r a d i t i o n a l a n a l y s i sm e t h o dt h a tc a ng i v et h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，b u tn o tq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s i no r d e rt op r o v i d ea b u n d a n ti m a g er e s o u r c ea n ds c i e n t i f i ce v a l u a t i o nw a r r a n t yf o r r e s u l t s ，t h ea n i m a lm o d e le x p e r i m e n ti sm a d ei nd a l i a nm e d i c a lu n i v e r s i t y se x p e r i m e n t a n i m a lc e n t e r a f t e rg e t t i n gt h ef a t t yl i v e ra n i m a lm o d e l ，t h ee x a m i n a t i o nw i t ht h eb m o d e u l t r s o n o g r a p h yi sd o n e ，a n dt h e ng e t t i n gt h e s ea n i m a lm o d e l s l i v e r si od ot h ep a t h o l o g i c a l a n a l y s i s t h e s ep a t h o l o g i c a la n a l y s i sr e s u l t sw i l lb eu s e dt op r o v i d et h ei m p e r s o n a lw a r r a n t y f o rt h i st h e s i s sq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e m 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 t h i st h e s i sf i r s tg i v e sa l lo v e r v i e wo ft h em e d i c a li m a g et e x t u r ea n a l y s i sm e t h o d n e n s e v e r a lc o m m o n l yt e x t u r ea n a l y s i sa l g o r i t h m sa r ea n a l y z e dw i t hr e f e r e n c et ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so nt h eu l t r a s o n i ci m a g e s ，a n dg i v e st h eq u a l i t a t i v er e s u l tf o rc l a s s i f y i n gt h ed i f f e r e n t d e g r e ef a t t yl i v e rd i s e a s e b e c a u s et h e s em e t h o d sc a n n o tg i v et h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n ，s o 髂t oc o m p l e t et h i s t h e s i s st a r g e t 。t h i st h e s i sc a r r i e so nt h ew o r ki nf o l l o w i n gf o u ra s p e c t s f i r s t l y ，i no r d e rt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s i st h el i v e ru l t r a s o n i ci m a g e sw e l la n dg e tt h e q u a n t i t a t i v ed a t ac o r r e c t l y , t h i st h e s i sp r o p o s e sap r e t r e a t m e n tm e t h o df o rt h el i v e ru l t r a s o n i c i m a g e s ，n a m e l yp e a k - a n d - v a l l e yf i l t e r t h i sm e t h o dn o to n l yc a l lr i do fn o i s e b u ta l s oc a nk e e p t h ee d g ei n f o r m a t i o no fi m a g e s s e c o n d y ，t h i st h e s i sp m p o s 鼯aq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n a l g o r i t h m ， aq u a n t i t a t i v e a n a l y s i ss y s t e mo ff a t t y l i v e rm e d i c a lu l t r a s o n i cb a s e do n m u l t i r e s o l u t i o nf r a c t a lb r o w n i a nm o t i o nm o d e la n dg e n e t i ca l g o r i t h m ，t og i v ea q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o ns y s t e mt od i a g n o s et h ef a t t yl i v e rd i s e a s e t h i r d l y ，i no r d e rt og i v et h ev i s u a l q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sam e t h o d 。f a t t yl i v e rm e d i c a lu l t r a s o n i c i m a g e sq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sb a s e do ng a b o rf i l t e ra n db i s p e c t r u m f r o mt h eb i s p e e t r u m d i f f u s i o nd e g r e e ，t h i st h e s i sg i v e st h ev i s u a la n di n t u i t i o n i s t i cr e s u l t s f o u r t h l y ，u s i n gt h r e e t e x t u r ea n a l y s i sa l g o r i t h m st oa n a l y z et h eh u m a n f a t t yl i v e rm e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e s ，a n d g i v i n gt h ec o n c l u s i o n sa b o u tt h o s ea n a l y s i sr e s u l t s k e yw o r d s ：f a t t yl i v e r ；m e d i c a li m a g et e x t u r ea n a l y s i s ；m e d i c a lu h m s o n i ci m a g e q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期：函! ! ：2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 过堡 l 伟 皇2 1 ：起 竺丑一年生月旦f j 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1脂肪肝医学超声图像定量分析的研究背景及意义 随着社会经济的发展，世界范围内人口的平均脂肪及胆固醇摄入量不断增加，因此 诱发了较多的心脑血管和肝脏系统的疾病。美国加利福尼亚太平洋医学中心的调查显 示，非酒精性脂肪肝( 脂肪肝的一种) 已成为美国成年人中的第三大普遍疾病【1 1 。我国中 老年人口脂肪肝的患病率，近年来也呈上升趋势。另一方面，由于慢性肝炎没有及时彻 底治疗康复所引发的肝硬化和肝癌的病历也不断出现。上述肝脏疾病的存在，严重影响 人口的整体健康水平，需要全社会给予足够的认识和重视，除做好上述疾病的预防外， 还要加强对这类疾病患者的保健治疗力度，其中包括对上述脂肪肝疾病的早期诊断和准 确评价。 自从1 8 9 5 年伦琴( r o n t g e n ) 发现了x 射线以来，临床影像学的进展很快，特别是近 三十年来，随着信息时代特别是数字时代的来临，临床影像技术包括超声成像技术、 c t 断层成像技术、m r l 核磁共振成像技术等在临床诊断中发挥了难以替代的作用1 2 1 。 而医学超声成像以其廉价、实时、无损伤、无痛苦、无射线辐射及可重复性、灵敏度高 等优势，成为当前医学影像技术的一个重要分支，在临床医学中起着极其重要的作用。 基于医学超声成像技术的以上优点，其常常被应用于脂肪肝医疗诊断当中。 目前，临床上通常采用b 型超声成像技术及设备对脂肪肝进行诊断和评价。一般来 说，超声技术是肝脏脂肪含量检测的主要手段之一。在门诊例行体检中，均需要对肝脏 脂肪含量进行检测与评价。关于脂肪肝超声图像的评价，目前普遍的做法是参考超声仪 器上的一些基本测量指标，由临床检测的医生依据经验凭肉眼进行观察、评价和诊断。 由于最终的诊断在很大程度上依赖于医生的经验和主观判断，缺少充分的客观的依据， 因此评价失当，甚至误诊时有发生，导致患者延误治疗或增加不必要的精神负担。因此， 临床上亟待解决对脂肪肝的客观准确的定量评价体系问题。 本文正是基于上述问题展开研究，进而得到脂肪肝医学超声图像定量评价体系，来 辅助医生进行准确的脂肪肝诊断。 1 2 超声诊断原理概述及应用 1 2 1医学超声诊断基本原理 超声诊断主要应用声反射原理，使用不同类型的超声诊断仪器，如a 型超声、b 型 超声、d 型超声、介入性超声等，采用各种扫描方法，将超声发射到体内，并在组织中 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 传播。当正常组织和病理组织的声阻抗( 声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积) 有一 定差异时它们组成的界面就发生反射和散射，再将此回声信号接收，加以检波等处理， 以波形、曲线或图像的形式显示和记录超声波。由于各种组织的界面形态、组织器官的 运动状况和对超声的吸收程度等不同，其回声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、总结这些不同的反射规律，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。 1 人体组织的声阻与衰减系数 超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性，人 体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类，软组织的声阻与水近似，骨骼则属于固体， 人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织的基本声学特性，人 体不同组织的声学特性不同，表1 1 列出了不同组织的声学特性。 2 人体组织的回声规律 人体器官表面有被膜包绕，被膜同其下方组织的声阻抗差大，形成良好界面反射， 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。根据周边回声判断器官 的形状与大小。超声经过不同正常器官或病变的内部，其内部回声可以是无回声、低回 声或不同程度的强回声。 表1 1 人体不同介质的声速与声阻抗 t a b 1 1d i f f e r e n tv e l o c i t i e so fs o u n da n da c o u s t i ci m p e d a n c e si nd i f f e r e n tm e d i u m so fb o d y ( 1 ) 无回声：是指超声经过的区域没有反射，成为无回声的暗区( 黑影) ，可能由下 述情况造成： 大连理i ：大学硕士学位论文 液性暗区：区域由均质的液体构成，如血液、胆汁、尿和羊水等；血管、胆囊、 膀胱和某些病理情况下的积水或含液体的囊肿等，由于均质液体的声阻抗无差别或差别 很小，因此不构成反射界面，从而形成液性暗区。 衰减暗区：由区域对超声较强的吸收而造成的明显衰减所致，多为肿瘤，如巨 块型癌等。 实质暗区：区域由均质的实质构成，如肾实质、脾等正常组织和肾癌等病变区 域。由于均质的实质内部声阻抗差别小，所以可出现无回声暗区。 ( 2 ) 低回声：声阻抗较小时，透声增高，从而出现低回声区( 灰影) 。例如实质器官 肝的内部回声为分布均匀的点状回声，在发生急性炎症时，出现渗出，其声阻抗比正常 组织小，透声增高，以致出现低回声区。 ( 3 ) 强回声区：包括较强回声、强回声和极强回声。 较强回声：实质器官内组织致密或血管增多的肿瘤，声阻抗差别大，反射界面 增多，使局部回声增强，呈现密集的光点或光团( 灰白影) ，即较强回声。如癌、肌瘤及 血管瘤等。 强回声：由于介质内部结构致密，与邻近的软组织或液体有明显的声阻抗差， 从而引起强反射。例如骨质、结石、钙化等。 极强回声：由于介质与邻近软组织之间的声阻抗差别极大，声能几乎全部都被 反射回来，不能透射，因而出现极强的光带，即极强回声。例如含气器官一肺、充气的 胃肠等。 1 2 2 医学超声成像的物理成因简介 超声波是超过正常入耳能听到的声波，即频率在2 0 k h z 1 0 0 m h z 之闯的机械波。用 于医学上的超声波频率为2 5 m h z 1 0 m h z ，常用的是2 5 m h z 5 m h z 。 超声的物理特性包括： ( 1 ) 超声场特性 超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有 以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成 束状向f 搿传播，这种现象称为超声的束射性( 指向性) 。换能器近侧的超声波束宽度与声 源直径相近似，平行丽不扩敖，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均 匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高、直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集 中。 ( 2 ) 超声的反射与散射 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 声阻抗：介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般 为固体 液体 气体。超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻 抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。 反射、折射与透射；凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长( 称大界面) 时， 产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反，垂直 入射时，反射声强最大，反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继 续往前传播，遇到不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越 不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。 散射与绕射：超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长( 小界面) 的介 质时，产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声，又成为新的声源。绕射是超声 绕过障碍物的边缘，继续向前传播。散射回声强度与超声入射角无关。 ( 3 ) 超声衰减 超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐衰弱，这种现象称为超声的 衰减。引起衰减的主要原因是介质对超声的吸收( 粘滞吸收及热传导吸收) 。超声频率愈 高，介质的吸收愈多；而超声波遇到不同的介质交接面时会产生反射波一回波。声阻抗 差越大，则回波越强。 ( 4 ) 多普勒效应( d o p p l e re f f e c t ) 声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数( 频率) ，除声源 发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到距离波长个振动，即收到的频率增加了。 相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的 现象称为多普勒效应。这些特点构成了超声仪器在医学领域广泛应用的基础。 1 2 3 医学超声诊断仪简介 超声诊断仪由两大部分组成，即超声换能器和电子仪器。 ( 1 ) 超声换能器( t r a n s d u c e r ) ；超声换能器是由压电晶片组成，晶片受电信号激发 发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产生反射与散射；晶片又接收回声信号，转 换成电信号送入仪器。晶片将电能转换成声能( 发射) ，又能将声能转换成电能( 接收) ， 称之为声电换能器。 ( 2 ) 电子仪器：目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收到的回波信 号经过放大并显示在显示屏上。根据显示的方式不同，分为a ( a m p l i t u d e ) 型、m ( m o t i o n ) 型、b ( b r i g h t n e s s ) 型及d ( d o p p l e r ) 型且已为临床广泛应用。其它如超声全息、超声c t 及超声显微镜等目前尚处于研制阶段。 大连理工大学硕士学位论文 a 型：属于一维超声、回声强度以振幅显示，探头由单晶片构成，主要用于腹 部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。 m 型：一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱，探头为单晶片，用于心脏、 血管检查、显示心脏、血管结构的活动轨迹曲线图又称m 型超声心动图。 b 型：以二维、光点显示。将回声信号以光点的形式显示出来，为灰度调制型， 相比较而言，它的应用最广泛，因此本文研究的对象主要是b 型超声图像。 下面以b 型为例介绍超声诊断仪的工作原理。 超声诊断仪主要由主控电路、发射电路、接收电路( 高频信号放大器、视频信号放 大器) 、扫描发生器、图像显示器( 电子枪、偏转系统、荧光屏) 和换能器构成。 主控电路又称同步触发信号发生器，它周期地产生同步触发脉冲信号，分别触发发 射电路和扫描发生器中的时基扫描电路。超声脉冲发射的重复频率是由它控制的，通常 同步触发信号的重复频率就是超声脉冲发射的重复频率。 发射电路在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲激励换能器。 接收电路接收由人体受检组织反射的超声信息，有以下几个主要过程：对高频超 声信号放大和对数压缩；对高频超声信号检波；对视频信号进行放大。 换能器将回波信号转换成高频电信号后，有的信号太弱，必须由高频信号放大器放 大。回声的高频电信号由高频信号放大器放大后，被检波器检出的视频包络信号要经过 视频信号放大器放大和处理，然后加到显示器的栅极进行亮度调制。 扫描发生器产生扫描电压，使电子束按一定的规律扫描，在显示器上显示出切面图 像。 超声回波信号的显示是通过显示器来实现的，常见的显示器是阴极射线管( c r t ) 。 阴极射线管有静电式( 示波管) 和磁偏转式( 显像管) 两种，两者的基本结构相同，主要区 别是前者采用电场偏转，而后者采用磁偏转系统。 超声诊断仪的基本结构示意图见图1 1 。 糊警馘p i 棚譬掀 电源 图1 1 超声设备基本结构示意图 f i g 1 1b a s i ca r c h i t e c t u r eo fu l t r a s o u n de q u i p m e n t s 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 1 2 4 医学超声诊断的临床应用 超声对心，腹部和盆部器官包括妊娠的检查应用较多。如对肝癌、肝血管瘤、肝脓 肿、肝硬化、胆囊结石与肿瘤、胰腺及脾的疾病、腹水的诊断；肾、膀胱、前列腺、肾 上腺、子宫的检查；眼、甲状腺及乳腺的检查；妊娠的诊断，胎位、胎盘的定位，多胎、 胎儿畸形等的判定都有相当的价值。 超声诊断也有自身的限制。由于超声的物理性质，使超声对骨骼、肺和胃肠的检查 受到限制。声像图表现所反映的是器官和组织声阻抗差的改变，缺少特异性，因此对于 病变的性质的判断，需综合分析，并与其它影像学表现和临床资料相结合才可靠。如果 病变过小( 如直径在0 5 c m 左右) 或声阻抗差不大，不引起反射，则难以在声像图上显示 出来。此外，超声设备的性能、检查人员的技术与经验也均影响诊断的结果。尽管如此， b 型超声因其操作简便、价格便宜、无损伤无痛苦等优点而广泛地应用于临床医学诊断 中。 1 3 脂肪肝的超声诊断方法 临床上的实践表明，当肝脏的脂肪含量超过3 0 时，b 型超声检测方法可以检测出 脂肪肝，当肝脏的脂肪含量超过5 0 以上，超声诊断的敏感性可达9 0 。b 型超声诊断 脂肪肝有以下特征【3 l ： ( 1 ) 可见致密的点状高回声，又称亮肝； ( 2 ) 肝深部即远场回声衰减，肝肾回声对比度加大，即肝影比肾影白； ( 3 ) 肝内管腔结构模糊； ( 4 ) 肝脏肿大、饱满及肝缘变钝。 典型的正常肝与脂肪肝医学超声图像如图1 2 所示。 ( a )( b ) 图1 2 正常肝与脂肪肝的b 型超声图像。( a ) 正常肝图像；( b ) 脂肪肝图像 f i g 1 2t h em e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e sf o rn o r m a ll i v e ra n df a t t yl i v e r ( a ) n o r m a ll i v e r ；( b ) f a t t yl i v e r 一6 一 大连理工大学硕十学位论文 1 4 脂肪肝动物造模实验 为了获得充足的图像资源，在大连医科大学进行了脂肪肝造模实验。现对该实验进 行简单的描述。 所饲养的实验动物为4 1 只雄性s 伊一大鼠( 1 0 周大，2 0 0 - 2 5 0 9 ) ，这些动物来源于大 连医科大学动物实验中心。在饲养的过程中将每5 只s d 一大鼠放在一个笼子里饲养， 并且保持室内环境为温度2 2 2 4 ，湿度为4 5 6 0 。为了获得不同脂肪肝病变程度的 动物模型，将所饲养的动物分为3 组：( 1 ) 对照组( 9 只) ，该组s p 一大鼠饲养时间为1 2 1 6 周，所喂饲料为不含脂肪的正常饲料：( 2 ) 轻度脂肪肝动物模型组( 1 6 只) ：该组s d 一大 鼠饲养时间为1 2 周，所喂饲料中含基本饲料8 7 8 ，猪油l o ，胆固醇2 ，硫尿嘧啶 0 2 ；( 3 ) 中度脂肪肝动物模型组( 1 6 只) ，该组s d 一大鼠饲养时间为1 6 周，所喂饲料 中含基本饲料8 7 8 ，猪油1 0 ，胆固醇2 ，硫尿嘧啶0 2 。经过一个阶段的饲养实 验组有2 只s d 一大鼠死亡，最后获得3 0 只脂肪肝s d 一大鼠和9 只正常s d 大鼠，共 3 9 只s d 一大鼠模型。在获得所需的动物模型后，分别于1 2 周和1 6 周对这些s d 一大 鼠进行处置，首先应用超声仪器( 同本阿洛卡株式会社生产，型号为a l o k a 3 5 0 0 ) 采集 b 型超声图像，然后进行解剖取出肝脏，以便后续进行病理检测。 在进行b 型超声图像检查时为了获得更多的图像资源，在每只大鼠上获取3 幅超声 图像以备后续图像分析处理之用，即共获得肝脏超卢图像数目为1 1 7 幅。在获得b 型超 声图像检查之后，分别将这些大鼠做了解剖实验，并依据文献 4 给出的病理分类方法 对病理检测结果进行分类。经过分析发现，在本次造模实验中只获得了轻度脂肪肝样本 1 6 只和中度脂肪肝样本1 4 只，并标记出那些与之相对应的图片以便使病理检测结果与 图像处理结果进行相互印证。基于上述原因，在后续的图像分析处理中仅可以得到正常 肝、轻度脂肪肝、中度脂肪肝的定量评价结果，并且为了方便叙述，标记正常肝类为a 类，轻度脂肪肝类为b 类，中度脂肪肝类为c 类，本文以后提及的上述三类均用a 类、 b 类和c 类来表示。图1 3 中给出了s d 一大鼠不同肝脏病变程度的医学超声图像。 从图1 3 中可以直观地看出这三类肝脏医学超声图像的不同，但是不能通过定量的 数值来说明这些不同，因此本文给出了一种新的方法对肝脏医学超声图像进行分析，并 得到定量的评价体系。 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 图1 3 三类肝脏医学超声图像。( a ) 正常肝图像；( b ) 轻度脂肪肝图像；( c ) 中度脂肪肝图像 f i g 1 3 t h r e ec l a s s e so fm e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g e s ( a ) t h em e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g ef o ran o r m a l l i v e r ；c o ) t h em e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g ef o ram i l df a t t yl i v e r ；( c ) t h em e d i c a lu l t r a s o n i ci m a g ef o ra m o d e r a t ef a t t yl i v e r 1 5 本文的主要工作及内容安排 本文在对医学超声图像纹理分析方法进行全面学习与分析的基础上，给出了医学超 声图像定量评价方法及定量评价体系，具体的内容安排如下： 第一章介绍本课题的研究背景和理论意义，并简要介绍了超声诊断的基本理论。 第二章介绍医学图像纹理分析的基本概念，并对这些方法进行了较为全面的分析 和归类。 第三章对于一些常用的纹理分析方法进行了详细的论述，给出了实验结果，并进 行简单的比较和分析。 第四章提出了基于多分辨率分形布朗运动模型及遗传算法的脂肪肝医学超声图像 定量分析方法，并给出了定量评价的指标体系。 第五章提出了基于g a b o r 滤波及双谱的脂肪肝医学超声图像定量分析方法，并给 出了定量评价结果。 第六章为了验证纹理分析手段在人体脂肪肝医学超声图像分析中的适用性，将三 种图像处理中的纹理分析算法应用于人体脂肪肝医学超声图像分析中，给出了分析结果 并对结果进行分析。 最后，对本文的工作进行总结，并对脂肪肝医学超声图像定量分析方法的研究前景 进行了讨论和展望。 一8 大连理i ：大学硕士学位论文 2 医学图像纹理分析概述 2 1图像纹理分析原理 图像的纹理分析属于图像分析的范畴，所谓图像分析是指：对图像中感兴趣的目标 进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。图像分析是一个从 图像到数据的过程，这里的数据可以是对目标特征测量的结果，或是基于测量的符号表 示，它们描述了图像中目标的特点和性质。 而图像分析从研究方法上主要分为以下几个方面【5 】： ( 1 ) 边缘检测及图像分割：图像分割是指把图像分成各具特性的区域并提取出感兴 趣目标的技术和过程，边缘检测是一种基于边界的图像分割方法。 ( 2 ) 目标表达和描述：表达是指用不同于原始图像的形式来代表图像中感兴趣的目 标，表达侧重于数据结构；描述是对表达的进一步抽象，侧重于区域特性以及不同区域 之日】的联系和差别，对目标的描述通常借助一些称为目标特征的描述符柬进行。例如， 灰度共生矩阵是图像纹理的一种表达形式，那么灰度共生矩阵的二阶统计量便是图像纹 理的描述符，也可以叫做纹理特征。 ( 3 ) 目标识别和分类：根据目标与背景之间、多个目标之间的特征差异，找出感兴 趣目标的过程称之为目标识别：根据这种差异性把目标分为不同类别的过程叫做目标分 类。目标识别通常需要借助于模式识别技术进行。 而本文的研究主要侧重于基于纹理描述的b 型超声图像的定量分析，其涉及到纹理 表达和描述技术、目标识别和分类技术，还有定量分析所必须的统计学知识。为了方便 叙述，本文将基于纹理描述的图像分析简称为纹理分析。 “纹理( t e x t u r e ) ”是图像分析中常用的概念，目前对于什么是图像“纹理”还没有 一个严格的定义，一般来说可以认为是由许多相互接近的、互相编织的元素构成的单元， 它们常富有周期性【6 j 。超声图像的纹理分析在大多数场合都是针对b 型超声图像而言的。 国内外纹理分析的研究主要集中在四个领域叽 ( 1 ) 特征提取( f e a t u r ee x t r a c t i o n ) ：计算数字图像的某各特征，以便于用数字来描 述图像的纹理性质； ( 2 ) 纹理区分( t e x t u r ed i s c r i m i n a t i o n ) ：把一幅纹理图像分为多个区域，每个区域 都对应于一种均匀的纹理( 达到纹理分割的效果) ； ( 3 ) 纹理分类( t e x t u r ec l a s s i f i c a t i o n ) ：根据图像的纹理性质决定图像属于哪一类 ( 如正常组织和异常组织以及异常组织的病变程度) ； 9 一 脂肪肝医学超声图像定量分析的研究 ( 4 ) 纹理形成( s h a p ef r o mt e x t u r e ) ：根据纹理信息重建三维表面。 特征提取是图像纹理分析的第一步骤，从这一步取得的结果可以进一步用于纹理区 分、纹理分类或目标成形。本文只着重于纹理分析，特征提取以及数据定量化分析方面 的研究。 2 2 医学超声图像纹理分析与分类基本方法 目前常用的纹理分析方法主要包括四大类：结构纹理分析，统计纹理分析，基于模 型的纹理分析，空频域纹理分析法。在本节将对各个方法进行简单阐述，在阐述各种纹 理分析基本方法的同时给出一种常用的分类器b p 神经网络，该分类器将用于本文第3 章中对各类算法的准确性及有效性的验证当中。 2 2 1 结构纹理分析方法 结构纹理分析方法( s t r u c t u r et e x t u r ea n a l y s i sa p p r o a c h ) 是用定义的基元( p r i m i t i v e s ) 以及它们在空间安排上的层次结构来表达纹理1 8 1 。为了表达纹理，必须先定义基元和取 代规则，基元的选择以及被选基元在某个特定的位置被取代的概率可用位置的函数来表 达。结构方法的优越性在于其对图像提供了很好的符号描述：但是这种特性决定了该方 法更适合用于图像合成任务，并不太适合于分析研究。抽象描述符对于自然图像来讲很 难定义，这因为自然图像中所存在的微观和宏观结构的可变性，决定了很难清晰地理解 图像纹理的层次结构。 但是有关科学家提出了一些基于结构原理进行纹理分析的方法，如c h e l a 等1 9 l 也曾 给出利用数学形态学的方法进行分析，并且证明了其对骨组织图像的分析是十分有用 的，例如检测骨微观结构的改变。 2 2 2 统计纹理分析方法 统计纹理分析方法( s t a t i s t i c a lt e x t u r ea n a l y s i s ) 是纹理分析方法中的基本方法之一， 是对图像中满足某种排列规则的像素对进行统计得到一些特征向量进行分析。统计法计 算速度比较快，使用范围广。与结构纹理分析方法相比，统计纹理分析方法并不试图去 理解纹理的层次结构，而是用反映图像灰度分布不确定的性质来问接表达纹理。人们用 统计纹理属性来进行纹理区分的研究始于1 9 7 5 年【1 0 l ，再后来人们提出了一种基于二阶 统计量的分析方法，该方法能够较好地适应于图像的纹理分析。 目前常被使用且效果较好的二阶统计量特征是从图像的灰度共生矩阵中提取出来 的。基于灰度共生矩阵的图像纹理分析方法被广泛的应用与图像纹理分析中f 5 】，并取得 了良好的效果。 大连理工大学硕士学位论文 除此之外还有基于灰度直方图、灰度游程长度等纹理分析方法，这些方法在图像纹 理分析中都扮演着非常重要的角色。特别地统计纹理分析方法在医学超声图像的分析中 占有重要的地位 1 l , l z l 。 2 2 3 模型纹理分析方法 基于模型的纹理分析方法( m o d e lb a s e dt e x t u r ea n a l y s i s ) 1 3 - 1 8 1 是利用分形、随机场 等模型来描述图像的纹理。实际应用中，一般要先根据图像建立模型，然后从模型中提 取一些参数，再把模型参数用于图像分析。随机场模型在使用中存在的主要问题在于参 数估计的计算复杂性，应用方面得到了一定的限制。近几年来，分形模型在医学图像分 析领域得到了广泛的应用，也取得了良好的效果。 现在较为流行的分形方法即属于基于模型的图像纹理分析方法。分形几何具有以下 几个特点：描述对象虽然很复杂、不规则，但在不同尺度上是规则性和相似性的； 欧式几何具有标度，理想分形具有无限的几何标度，而无特征长度；欧式几何描述特 征是整数维，而具有分形的复杂曲线，其分维数是大于1 的非整数，其分形的表面分维 是大于2 的非整数。我们所研究的医学超声图像可以看作是某些结构自然随机分布和附 加在其中的随机噪声的叠加，这样图