（生物医学工程专业论文）基于pc平台实现眼科b超图像的实时传输、解码和处理.pdf

独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得土垦匡堂叠堂堕兰垦室垫垒堡鲎瞳 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：多明移孑全 签字日期： 加口年歹月否日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主国堕堂盘鲎瞳皇堡盎怂垒匡堂瞳有关 保留、使用学位论文的规定。特授权主国匡鲎盘堂隆皇垦室逊垄匡堂瞳可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加j 口年5 月乡日 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 中文摘要 近些年来，医学影像技术取得了飞速的发展，为医生提供了丰富的影像资料， 提高了诊断的准确性。其中超声诊断技术以其安全、无痛、无创、直观、实时、 可重复检查、对软组织鉴别能力强、适用范围广以及价廉等优点成为当前四大医 学影像技术之一，是临床医学领域必不可少的诊断工具。近年来在眼科领域得到 了广泛的应用。眼科b 型超声诊断仪就是其中一种广泛应用于眼科的超声设备。 临床诊断的需要不断要求超声设备具有更加完善的功能。在此形势下，传统眼科 b 型超声诊断仪性能方面的局限性逐渐显露。随着计算机技术的发展，现代个人 计算机( p c ) 具有越来越强大的性能而价格大幅下降，为提升眼科b 型超声诊 断仪的性能提供了便利条件。 论文首先对医用超声诊断系统的理论基础进行了介绍，接着对数字图像处理 在超声图像处理中的应用进行了深入的分析研究。在此基础上，以p c 为平台， 利用v c + + 6 o 开发工具，基于面向对象的设计思想，实现了一个集图像采集、 处理和综合信息管理功能于一体的软件系统。在设计过程中，本文将系统划分为 多个功能独立的模块，并采用a c t i v e x 控件技术实现其中最重要的图像采集显示 模块。在结构上，该系统采用多线程结构，将实时图像采集传输和解码的任务与 其他交互操作在不同线程中完成，以实现系统的稳定性和高效性。系统提供了多 种图像处理方法以满足实际当中的不同需要。另外，系统实现了病人信息管理和 报告生成打印功能，为医生高效工作提供了保证。 关键字：超声，眼科，p c ，实时图像传输，图像解码，图像处理 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em e d i c a l i m a 酉n g t e c t u l o l o g yh a sa c h i e v e dr a p i dd e v e l o p m e n t a l l dp r 0 v i d e sd o c t o 娼w i t haw e a l t ho fi m a g ed a t at oi m p r o v et h e d i a g n o s t i ca c c u r a c y 1 1 1 e u l 仃a s o n 0 鲫h yd i a 印o s i s t e c l l i l o l o 留 f o ri t sm 丽t s o fs a f c ， p a i l l l e s s ，n o n i n v a s i v e i n t u j t i o m s t i c ，r e a l - t i m e ，r 印e t i t i v ee x 锄i n i n g ，i d e l l t i 6 c a t i o no f p 蝴1 c h y m a ，w i d es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，弱w e l la sl o wc o s ta d v 觚t a g e sh a sb e c o m e o n eo fm ef o u rm 旬o rm e d i c a li m a 舀n gt e c l l i l 0 1 0 9 ya 1 1 di se s s e l l t i a lt oc l i n i c a l 硼强a sa d i a 盟o s t i ct 0 0 1 s oi th a sb e e i lw i d e l yu s c di nt h eo p h m a l m o l o g yr e c e n t l yf o r e x 锄p l e ，t h eo p h t h a l m i cb s c a i lu l t r a s o u n da p p a r a h l si so n eo fu l 仃a s o u n de q u i p m e n t w i d c l yu s e di nt h eo p h t h a l m o l o g y a n dn o wi ts h o u l dh a v em o r ep e r f e c t 向n c t i o n st o m e e tt h en e e do ft h ec l i l l i c 1 1 1 t h i ss i t u a t i o n ，t h et r a d i t i o n a l o p h m a l m i cb s c a n u l t i a s o m l da p p a r a t u sh 舔s h o w ni t sl i m i t a t i o n s 柚dd r a w r b a c k si n 廿l ep e 哟m a l l c e s i d e w i mm ed e v e l o p m 肌to ft h em o i i e n lc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p e r s o n a lc 0 m p u t c rh a s m o r ep o w 柏lp e r f o m l a n c eb u ti t sc o s ti s1 0 w e ra i l dl o w e r i tp r o v i d e sc o n v e n i e n t c o n d i t i o nt oi m p r o v et l l ep e r f 0 m a i l c eo f t h eo p h t h a l m i cb - s c a nu l 协嬲o u n da p p a r a t l l s t h ep a p e rf i r s t l yi n 们d u c e st l l e t h e o r e t i c a lb a s i so fm em e d i c a lu l t r a s o u n d d i a 印o s t i cs y s t e m 锄dt h e i ld e s 嘶b e s l ea p p l i c a t i o no ft h ed 酒t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c l l l l o l o g yt ot h eu l 昀s o u n di m a g ep r o c 骼s i n gi n 锄p h a u s i s o n 1 i sb a s i s ，as o 胁a r e s y s t e mh 弱b e e i lr e a l i z e du s i n gt l l ev c + + 6 0d e v e l o p m e n tt o o la i l db 嬲e d0 nt l l e 0 b j e c t - o r i 铋t 酣m e n l o do nt h ep cp l a t f o m ，w h i c hh 勰as e to ff l l i l c t i o l l ss u c h 勰 i m a g ca c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g 觚di n t e g r a t e di n f o 】m a t i o nm 锄a g 锄e n t i l lm e d 鹤i 印p r o c e s s ，t l l es o n w a s y s t e mi sd i v i d c di n t 0s e v e r a li n d e p 铋d e n t 矗m c t i o n m o d u l 鹤a st l l em o s ti m p o r t a l l to n eo f t 1 1 e m ，t l l ei m a g c a c q u i s i 戗o n 锄dd i s p l a y m o d u l ei sa c c o m p l i s h e du s i n g 廿l ea c t i v ex c o n h 0 l t e c h n o l o g ) r i i io r d 盯t 0a c h i e v c t l l es y s t e ms t a b i l i t ya l l dh i 班e 伍c i 饥c y m u l t i t l l i i e a ds 缸u c t l 卫ei s 啪e di nw h i c h t l l e t a s ko fr e a l - t i m e i m a g ea c q u i s i t i o n、t r a n s m i s s i o n 觚dd e c o d i n g 锄dt 1 1 eo m e r i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n s 如l 础e dr e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，m es y s t 锄p r o v i d 懿av 撕啊 o fi m a g ep r o c e s s i n gm e m o d st om e e tt h ed i f f 打锄tn e e d si n p 豫c t i c e a tt h es 姗e n 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 t i m e s ，t h es y s t 锄r e a l i z e sm ep a t i e n c ei n f o m a t i o nm a i l a g 锄e i l ta n dr 印o f tg e n e r a t i o n 觚dp r i n t i n gc a p a b i l i t i e st oe 1 1 s u r cm ew o r ke f 6 c i e i l c yo fd o c t o r s k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ，o p h t h a l m o l o 科，p c ，r o a l t i m ei m a g et r a i l s m i s s i o n ， i m a g ed e c o d i n g ，i m a g ep r o c e s s i n g i i i 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t l 认c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的背景和意义1 1 3 研究现状2 1 4 本课题研究内容和本论文的结构3 第二章超声诊断系统的理论基础及采集系统5 2 1 引言5 2 2 医用超声的理论基础5 2 2 1 超声诊断设备与种类5 2 2 2b 超成像机工作原理8 2 3b 超图像传输采集系统9 第三章超声图像处理技术1 0 3 1 图像格式l o 3 2 超声图像增强技术1 2 3 2 1 超声图像的平滑处理1 4 3 2 2 超声图像灰度变换1 7 3 2 2 1 灰度的线性变换1 8 3 2 2 2 窗口灰度变换1 9 3 2 2 3 灰度拉伸1 9 3 2 2 4 超声灰度变换实验2 1 3 2 2 5 直方图均衡化2 2 3 2 3 超声图像的锐化处理2 4 3 2 3 伪彩色变换2 5 3 3 超声图像边缘检测技术2 7 3 4 超声图像的几何测量3 0 第四章系统的设计和实现3 2 4 1 软件系统的整体设计3 2 4 1 1 需求分析3 2 4 1 2 设计原则3 2 4 1 3 总体设计3 3 4 2 功能模块的设计和实现3 4 4 2 1 模块设计3 4 4 2 2 图像采集模块3 5 4 2 2 1 理论基础3 5 4 2 2 2 模块实现4 1 4 2 3 图像显示控制模块4 5 4 2 4 图像处理模块4 8 4 2 5 病人信息管理模块4 9 4 2 6 报告生成和打印模块。5 0 4 3 软件系统的测试5 1 i v 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 第五章总结和展望5 6 5 1 总结5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 研究生期间参与项目及发表论文情况6 0 致谢6 1 附录：综述6 2 v 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 科学技术的不断进步促进了医疗卫生事业的发展，医疗技术不断提高。医 学影像作为临床诊断和治疗的重要手段已经成为其中发展最快的领域之一。x 射线成像、计算机断层成像( c t ) 、核磁共振成像( m r i ) 、超声成像等先进的 影像技术成功应用于临床，实现了医学影像的定量化，使临床医生对人体内部 相关部位的观察更直接、更清晰，极大地提高了诊断的准确率【1 1 。 1 2 课题的背景和意义 在医学成像技术中，超声成像技术以其诸多优势被公认为现代医学四大影像 技术之一，是临床医学领域必备的诊断工具【2 】。 首先，它是一种非侵入式的检查方法，所以具有无创、无痛的优点。与x 射线、计算机断层扫描和核磁共振相比，超声成像对人体又没有辐射。因此，对 于病人来说，它是最安全的。 其次，超声成像速度快、具有实时的特点。与此相比，计算机断层扫描和核 磁共振获取数据的时间长，因存在比较复杂的后处理过程，其成像时间较慢。 再者，超声成像设备操作简便、适用面广、成本低，易于推广。 在超声诊断设备不断发展的形势下，各种专科超声设备也得到了很大的发 展。它能对眼球内各种病变做出较准确的诊断，特别是当外伤引起屈光间质混浊 时，超声则不受影响，能清晰的显示出异物回声，为手术径路提供有价值的资料 p 】。眼科超声诊断仪在我国己使用2 0 多年，在眼科各种疾病的诊断上积累了丰 富的经验，已成为眼科临床不可缺少的诊断工具，眼科b 型超声诊断仪就是其 中一种广泛应用于眼科的超声设型4 1 。 传统的眼科b 超诊断仪的图像显示在自带的显示器上，使用集成在内部的 图像处理模块对图像进行处理。由于硬件实现图像处理算法较复杂，所以通常只 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 能做较为简单的处理。而传统的模拟眼科b 超诊断仪存在成像分辨率不高，抗 干扰能力不强等问题【5 】，使得超声图像信噪比较低，简单的图像处理有时并不能 达到较理想的效果。而且它内部存储设备容量有限，只限暂存少量图像资料，如 若长期保存，还需使用视频拷贝。另外，传统的眼科b 超诊断仪通常不具备病 人信息管理和报告生成与打印功能。 与此同时，随着现代技术的发展，个人计算机( p c ) 具有越来越强大的功 能。这个平台具有高性能的显示设备，可以实现超声图像的显示。同时，它具有 大容量的存储设备和扩展能力，为数据量较大的医学图像资料的长期存储和管理 提供了保证。相对于硬件实现来说，在这个平台上以软件方式可以更容易实现一 些较复杂的图像处理技术。另外，对于诊断报告这种繁重却必要的工作，完全可 以通过合理有效的计算机技术，方便快捷的生成报告并打印，减轻医生的工作负 担【6 】。 近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的发展，传统的医学图 像管理不能满足目前的需要，大量信息客观上要求有一种新的方法来管理、传输 和使用病人的影像信息，基于计算机网络的影像存档与通信系统( p a c s ) 应运 而生【刀。p a c s 是实现医学影像信息化管理的重要途径。根据资料显示，由于各 项技术的成熟，标准趋于完善，p a c s 正呈现加速发展的趋势【8 】【9 】。因此今后的 设备应具备基本的网络传输功能。p c 高速的网络传输功能必然为传统眼科b 超 诊断仪在此方面的性能提升提供了条件。另外，本课题研究的软件系统功能就是 借鉴p a c s 标准对图像处理的要求而设定的。 对于基于p c 提升传统眼科b 超诊断仪性能而言，以上工作的研究和实现是 非常有意义的。 1 3 研究现状 近1 0 年来，在改革开发和引进国外先进技术的形势下，我国的眼科超声诊 断设备生产水平取得了很大的进步。目前我国已拥有各种档次的眼科超声诊断设 备，但是中高档的设备大部分依靠进口。国产的中低档b 超诊断设备的功能不 能完全满足用户的需求，而进口的高档设备价格又相对较高，因而不利于推广。 面对医院现有的医疗设备功能不够强大却面临医学图像的数字化趋势的局 2 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 面，如何解决这个问题显得非常重要。 目前主要有两种方案来改善这个问题【1 0 】【1 。 一种是从硬件方面着手。借助微机强大的功能，将超声信号经数字化后直接 引入到计算机中，在其内部经相应处理后成像，然后通过相应的外围设备和完毕 的软件开发工具，实现超声数据和其他一些数据的处理和管理。例如美国的 t c r 勰0 n 公司的超声产品。但是这种方案对技术的要求较高，通常需要单独开发 的超声探头和强大的专用数据采集和处理模块。 另一种方案是从软件方面入手。超声诊断设备基本都有一个视频输出接口， 所以可以利用市面上出售的视频采集卡或者自行开发的视频采集装置从该接口 采集超声图像并传输到p c 上。在p c 平台上自行设计软件实现超声图像的实时 显示、后续处理以及其他信息管理功能。这种方案是利用p c 机的现有资源，以 达到提升b 超诊断设备性能的目的。根据采集的信号的具体形式，该方案有两 种实现方式： 1 采集复合视频信号。由于超声信号经过d a a d 变换过程会造成图像质 量损失，所以这种方法无明显优势。 2 直接采集数字视频图像。这种方法在采集过程中没有因多次变换引起的 图像质量损失，优势明显。所以本课题实现中选用这种方案。 1 4 本课题研究内容和本论文的结构 本课题的内容为开发一个集超声图像采集、处理和信息管理功能的软件系 统。该软件系统通过u s b 2 o 接口与一款自行开发的硬件采集模块进行全数字图 像采集和传输，实时准确解析编码的图像数据并重新构建图像，实现实时的显示。 在动态显示过程中，为仔细观测可随时进行图像冻结和图像抓捕操作。图像冻结 后可进一步施行视频回放操作。对于捕获的超声图像，可以进行相应地灰度调节、 伪彩变换、平滑、锐化、缩放、边缘检测和测量等处理和操作。同时，该系统具 有信息管理功能：自动生成并打印诊断报告、保存病人基本信息和图像数据到数 据库。 本软件系统是以p c 为平台，在、矾n d o w s 操作系统下，利用v c + + 6 o 和 a c c e s s2 0 0 3 数据库为开发工具编程实现的。 3 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 本论文的内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题的来源、研究意义和目前的研究发展情况，并 简要介绍本论文的研究内容。 第二章主要对超声诊断设备的原理、基本结构以及分类进行介绍，并对本课 题中所使用的超声图像采集硬件装置进行说明。 第三章主要介绍常见数字图像处理技术的原理和特点，并针对超声图像进行 实验，给出处理后的图像。 第四章主要详细介绍整个系统的设计和实现过程。 第五章为对本课题的总结和进一步的工作的描述。 4 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 第二章超声诊断系统的理论基础及采集系统 2 1 引言 本课题的主要研究对象是超声图像，围绕这个主题分别从超声图像的采集传 输、显示和处理等方面展开。所以有必要对超声成像的基本原理以及本课题中采 用的超声图像采集系统进行介绍和说明。 2 2 医用超声的理论基础 自然界中的各种波根据其性质可分为机械波和电磁波。电磁波是由于电磁力 的作用产生的，无线电波、可见光和x 射线都是电磁波。机械波是由于机械的 作用，机械振动在连续的弹性介质中传播的过程。超声波是指频率大于2 0 k h z 的机械波。在医用超声设备中由于使用的目的不同而选用不同频率的超声波，其 选择的主要依据是声学理论中两个互相制约的原则：一是检出病变的最大分辨能 力应不小于半波长；二是声信号在传播过程中的衰减随频率升高而增大。常用的 医学超声频率范围在2 0 0 k h z 到4 0 m h z 之间。诊断用超声频率在1 m h z 到 l o m h z 范围内。眼科超声诊断中所使用的超声频率通常为1 0 m h z 【1 2 j 。 2 2 1 超声诊断设备与种类【t ，】【1 4 】 超声波在人体内的传播，一般是遵循传播规律的，会发生反射、透射、散射 等现象。利用超声的反射能观察到脏器的轮廓，利用散射能观察到脏器内部的病 变。 超声诊断正是应用超声良好的指向性和其反射、透射、散射、衰减以及多普 勒效应等物理特性，利用超声探头产生超声波并发射到人体内。超声波在组织传 播过程中，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，经过检波、对数放大、数字扫描变换等 处理后，显示波形、曲线或图像等。各种组织的界面形态、组织器官的运动状态 和对超声的吸收程度不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解 5 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 剖知识和临床医学，观察、分析和总结这些不同的规律，即可对患者的部位、性 质或功能障碍程度做出概括性以及肯定性的判断。 超声诊断设备一般由主机和探头组成，可分为超声波发射接收、前置模拟信 号处理、增益控制、a d 转换、数字扫描变换、显示和输出接口等部分。超声诊 断设备有多种分类方法，根据显示回波方式和空间的不同，主要包括以下几种： 1 a 型显示方式 a 型超声是最早出现的一维超声诊断技术。它使用单条声束进行扫描，超声 波束在人体组织中传播，遇到不同特性阻抗形成的界面时，在该界面上发生反射， 每遇到一个界面就会产生一个回波。接收这些回波信号并以幅度调制的方式在显 示器上显示。显示屏幕上横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度；纵坐标表 示回波脉冲的幅度，而回波幅度的大小表示界面反射的强度。因此，从回波的分 布、包络的宽度及幅度的大小，可以测定病灶在人体组织中的深度、病灶的大小、 脏器的厚度等，在某种程度上可推测病灶的物理性质( 囊性、实质性、含气性) 。 在2 0 世纪5 0 年代，a 型超声诊断仪在临床上得到广泛使用，对于脑中线检 查和心、肝、胆囊、眼科某些疾病的诊断取得了一定的成果。但是a 型诊断的 缺点是回波图只能反映局部组织的回波信息。在超声诊断仪显示图像化的今天， a 型超声诊断仪仅限于眼科方面的应用。如在眼科中利用a 超测量角膜厚度。 2 b 型显示方式 b 型超声是在a 型超声基础上以亮度调制方式来显示回波信号强弱的：用 回波脉冲的幅度调制图像中相应位置的像素亮度，而显示器的横轴和纵轴则与声 束扫描的位置一一对应，从而形成一幅亮度调制的二维超声切面图像。图像的横 坐标表示人体扫描表面的横向位置，也就是换能器移动的位置；纵坐标表示与扫 描表面的距离，也就是声速的传播时间。 b 超图像所能显示的组织界面及组织内部不均匀性的反射系数的变化范围 很大，加之二维截面声像图的解剖学特性，使得b 型图像具有极大的诊断价值。 目前，b 超图像诊断已适用于医院的很多科室，促进了b 超诊断设备的技术发展 及产品系列化的进程。 3 c 型显示方式 c 型显示方式是指特定深度扫描模式，与b 型显示方式一样，也是一种亮度 6 中国医学科学院北京协和医学院硕十学位论文 调制的二维切面图像显示方式。b 型扫描获得的是超声扫描平面本身的截面图 像，而c 型扫描得到的是距离超声换能器特定深度的与超声波声束轴向垂直的 截面图。 4 m 型显示方式 m 型超声也是采用亮度调制方式显示回波幅度，这与b 型超声相同；它的 探头中的换能器将在确定的位置上发射和接收超声波，这点又与a 型超声类同。 通常以此法来探测心脏。当探头对准心脏某一部位时，随着心脏有节律地收缩与 舒张，心脏各层组织与探头间的距离也随之改变，于是由各层组织界面的较强反 射形成的较亮光点在代表每次超声扫查的显示器扫描线上的相应位置作上下移 动。如果显示器上的各条扫描线依次从左向右缓慢匀速移动，上下移动的亮点便 横向展开，由此得到每个心动周期中心脏各层组织的活动曲线，这个曲线图就叫 做心动图，如图2 1 所示。 魏 卫 詹二爱繁鬟 i 声鬃 一，i 一聍绷 溯辫麓 祷孝办纛熬 凌籀纛 缀：炙菇灸 詹盏垂霸羲 图2 1m 型超声显不图 m 型显示方式显示强调运动，m 超仪显示的是一维空间的组织的运动轨迹 图，这与b 超仪显示的二维空间组织的截面声像图有着原则上的区别。 5 d 型超声 d 型超声采用多普勒原理设计，从超声回波的多普勒频移中获取诊断信息。 它主要应用于心血管方面，如多普勒超声心动图，可检测其形态学和血液动力学 状况，对于先天性心脏病、风湿性心脏病、心肌病、冠心病等有重大价值。 7 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 6 超声三维图像显示 二维超声图像的临床应用价值已经得到广泛认可。但其图像是断层图像，不 能直观表示病变部位的三维结构。计算机技术的发展已使三维超声成为现实。 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 法有多种，目前主要是在二维图像的基础上利用计算机进行三维重建。与传统的 二维成像相比，三维超声具有图像直观显示、精准测量结构参数、准确定位病变 组织等优势。 超声诊断设备种类繁多，应用领域广泛。目前国内用于眼科诊断的超声设备 主要是a 型和b 型超声。因本课题图像采集的目标设备为眼科b 超诊断仪，因 此下一小节将对b 型超声诊断设备作详细介绍。 2 2 2b 超成像机工作原理 b 型超声成像的基本原理是：换能器采用厚度振动模式，向人体发射超声脉 冲，按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间、强弱就可以判断脏器 的距离及性质。经过电子电路的处理，形成b 超图像。 b 超的工作过程为：当超声探头获得高频电脉冲激励后发生超声波，声波在 器官组织中传播的同时其强度被组织的声阻抗特性调制；换能器接收人体器官壁 反射回的声波，回波信号经过放大、滤波、对数压缩、d 转换等信号处理，然 后将解调出的幅度信号以数字形式送入到图像处理部分。最终显示出我们熟悉的 b 超图像。b 型超声成像系统的基本结构图如图2 2 所示。 图2 2b 型超声成像系统 8 中国医学科学院北京协和医学院硕十学位论文 2 3b 超图像传输采集系统 b 超诊断仪提供p a l 制式复合视频输出接口或是v g a 接口。通常采集超声 图像时，直接利用产品化的视频采集卡直接从超声仪视频输出接口采集。由于图 像信号从b 超仪其他模块到视频输出接口经过了模数变换，使用视频采集卡从 视频输出接口到p c 机时必须经过数模变换，这次变换是在视频采集卡中完成的。 两次转换不可避免的存在数据损失，对图像质量有所不利。 鉴于以上原因，在本课题中使用另一种采集方案：使用自行开发的基于 f p g a 的硬件采集装茕，从眼科b 超诊断仪的视频d a c 前端的数字接口端直接 采集数字信号，并控制写入删，然后再将删中的数据读入u s bf i f o 中， 通过u s b 接口传输到p c 机中。该采集系统的整体结构图如图2 3 所示，其中基 于f p a g 的硬件采集装置如图2 4 所示。 图2 3 超声采集系统整体结构图 = 篆j 7 一。孙：戥o j 二j 露罨。j i 强逸甏簪鼍毫| i ii， 薯j 一 。， c 。西棚= 刍蝴崩搿埘 麓睡耘罐缓锄镕赫商i 。彩 图2 4 硬件采集装置 9 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 第三章超声图像处理技术 医学图像处理是计算机技术和数字图像处理技术在医学上的应用，一直受到 国内外有关专家的高度重视【i5 1 。随着医疗设备的更新，医疗手段的日益丰富和 临床诊疗的需要，对于医学图像处理技术的要求也越来越高。 超声图像在生成、获取、传输等过程中，由于受到成像系统性能等诸多因素 的影响，往往会造成图像对比度偏低、清晰度下降、噪声干扰等，直接影响图像 的质量和临床的诊断。 为改善超声图像质量，获得更适合观测或者对后续计算机处理、分析工作更 有利的图像，需要对超声图像进行平滑、灰度变换、锐化、伪彩色变换等图像增 强处理和图像边缘检测操作。另外，根据临床精确诊疗的需要，对图像的测量操 作也是必不可少的。本章主要将就以上内容进行研究。 3 1 图像格式【1 6 】【t 7 】 图像的格式直接关系到图像处理的具体实现过程。在本章中图像处理是基于 设备无关位图( d i b ) 进行的。 w i n d o w s 操作系统下有两种图像格式：与设备相关位图( d d b ) 和与设备 无关位图( d i b ) 。d d b 是一种内部位图格式，它不包括颜色信息，显示时以系 统的调色板为基础进行各种的颜色映射，所以它的显示效果依计算机显示系统的 设置而定。另外，由于w i n d o w s 只能保证系统调色板的前2 0 位颜色稳定不变， 所以d d b 只能保证正确显示色彩少于2 0 色的位图。 与d d b 相比而言，d i b 是一种外部的位图格式，自身含有颜色表，可以在 不同的机器或系统中显示位图所固有的颜色，经常存储为以b m p 为后缀的位图 文件。b m p 文件由四个部分组成：位图文件头( b i t m a p f i l e h e a d e r ) 、位图 信息头( b r r m a p i n f o h e a d e r ) 、颜色表( 1 b q i ，a d ) 、图像数据阵列，如 图3 1 所示。 l o 中国医学科学院北京协和医学院硕七学位论文 羹 二i位图文件头( b i t m a p f l u 姗a d e r 暂 ? l ： 蒸位图信怠头( b n 黼d l f o h e a d e r )l 蟹臻 喘 蓁 蕨色表7 r g b q u 孽 谚 静 图3 1 位图文件结构图 位图文件头包含文件类型、大小、存放位置等信息，在w i n d o w s 中用 b i t m a p f i l e h e a d e r 结构定义，这个结构的长度固定，为1 4 个字节；位图信 息头b i 聊a p i n f o h e a d e r 也是一个长度固定的结构，为4 0 个字节；颜色表， 也称调色板，它是可选项，如果有调色板，则其实际上是一个数组，它建立了数 据和颜色之间的对应关系。它的个数为位图使用的颜色数，数组中每一个 r g b q u a d 结构，占4 个字节。定义如下：1 b 舛e 用于蓝色分量，1 b 舛e 用于绿 色分量，1 b ) 嚏e 用于红色分量，1 b y t e 用于填充符( 设置为0 ) ；图像数据位于调 色板之后，如果没有调色板，则直接在位图信息头b i t m a p i n f o h e a d e r 之后。 图3 2 为w i n d o w s 位图结构数据域的含义。 中国医学科学院北京协和医学院硕十学位论文 结构数据域含义 b 咖e 文件类型，字节“b m 乃 b i t 姒p f i l e h e a d e r b f s 坛e 文件大小，单位字节 b f r e s 唧e d保螯字，为0 b f r e s 唧e d 保瞽字，为0 b f 毋i t s 位图数据距文件头的偏移量 b i s i z e本结构的大小，单位字节 b i 删魄p i n f o h e a d 皿 b i 、矾d m 位图的宽度，单位为像素点 b i h e i 出 位图的高度，单位为像素点 b i p h n e s 目标设备面敦，为l b j b i t c o u n t 像素的位数( 1 ，4 ，8 ，2 4 ) b i c 0 m p r e s s i o n 压缩方式 b i s i z e i m a g e 位图数据的大小，单位字节 b p d s p 刚v l 既茸 水平分辨率( 像素点，米) b i y p e l s p 口m 既盯垂直分辨率( 像素点房| 长) b i c l r u se d 图像中使用的颜色数 b i c l r i m p o r t a n t 图像中重要的颜色数 r g b q u a d r 酌b 1 u e 蓝色的比例 r 酌g r e 眦 绿色的比例 r 曲r e d 红色的比例 r g b r e s 唧e d 保留字，为0 图3 2w i n d o w s 位图文件结构数据域的含义 3 2 超声图像增强技术 图像增强是根据需要，人为的将图像中感兴趣的特征有选择的突出，而衰减 其次要，使其比原始图像更适合于特定的应用。目前还没有一种通用的评价图像 增强效果好坏的理论和数学方法，主要依据人的视觉检查或机器识别结果有无改 善来评价增强处理的优劣【1 8 】。 目前常用的增强技术根据处理所进行的空间的不同，可以分为基于图像域 1 2 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 ( 或称空域) 的方法和基于变换域的方法两类。前者直接在图像所在的空间进行 处理，而后者对图像的处理是通过在图像的变换域而间接进行的。 基于空域的方法根据对图像的每次处理是对单个像素进行或是对小的子图 像进行的可分为基于像素点的和基于模板的。在基于像素点的处理中，增强过程 对每个像素的处理与其他像素无关；而模板处理则是指每次处理操作都基于图像 中的某个小区域进行的，用公式可表示为： g ( x ，y ) = 删 厂( x ，y ) 】( 公式3 1 ) 其中( x ，y ) 和g ( x ，j ，) 分别为增强前后的图像，而脚代表增强操作。如果 脚是定义在每个( 毛j ，) 上的，则e h 是像素点操作，即空域变换；如果定义在 l f 空域方法 厂处理方法t 变换域方模板处理( 滤波 l 她蝾j 编煺 本论文主要针对基于空域的增强技术进行研究。 1 3 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 3 2 1 超声图像的平滑处理 超声图像的主要噪声为散斑，它是由超声成像的相干特性产生的。探头产生 的超声波经过体内的大表面反射、折射后返回探头，经过后处理显示。图像中除 了具有脏器的轮廓外还有来自软组织内随机分布的散射子。散射子的数目不止一 个，探头收到的是它们的代数和。散射子不仅个数随机，它们之间的相位也是随 机的。由于它们的叠加引起干涉，使探头上的信号随机起伏，产生了图像中的不 规则的斑斑点点，这就是斑纹噪声的来源【1 9 】。斑点噪声降低了图像的质量，影 响细微特征的分辨，所以需要对其进行去噪处理。 图像平滑的目的就是消除或尽量减小噪声的影响，改善图像的质量。在假定 加性噪声是独立分布的条件下，利用领域的平均或是加权可以有效地抑制噪声干 扰。图像平滑实际是低通滤波器，让信号的低频部分通过，阻截属于高频部分的 噪声信号。 图像平滑常用的方法有均值滤波和中值滤波。 1 均值滤波 它是一种线性平滑方式，采用一个有奇数点的滑动窗口在图像上滑动，窗口 中心点所对应像素的灰度值用窗口内所有像素的平均值代替。这种方法虽然降低 了噪声，但是也模糊了图像的边缘和细节，是该类滤波器存在的通病。图3 4 为 超声图像经过均值滤波后的图像。 1 4 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 ( a ) 原图 ( b ) 3 木3 模板均值滤波 ( c ) 5 5 模板均值滤波 图3 4 超声图像均值滤波结果图 2 中值滤波【2 0 】 均值滤波往往不只是把干扰去除，还常把图像的边缘模糊，因而造成视觉上 的失真。如果目的只是要把干扰去掉，而不希望图像的边缘模糊，则中值滤波是 比较好的选择。它是一种非线性的处理方式，它用领域点的中值代替该点的数值， 即 咒= 朋啦，。如，彳 磊，。矗) ，f z ，：( 一1 ) 2 ( 公式3