（电气工程专业论文）医学数字图像处理系统的研究.pdf

重庆人学硕十学位论文 英文摘要 英文摘要 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , t h eu s a g eo fp a c si si ng r e a td e m a n d p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) a c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o n su s e di n m e d i c a li m a g e ，i n c l u d i n gm e d i c a li m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g es t o r a g ea n da r c h i v i n g ， i m a g ed i s p l a y i n g ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n a m o n gt h e s e ，t h em e d i c a l i m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c h i soneo ft h em o s ti m p o r t a n tc o r ef u n c t i o n si np a c s ，i n v o l v e s al o to ft e c h n o l o g ya b o u tt h ei m a g ep r o c e s s i n g ，g r a p h i c sm a n i p u l a t i o n ，3 dd a t a v i s u a l i z a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，w er e a l i z eam e d i c a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi np a c sb a s e do n p e r s o n a lc o m p u t e r i nt h es y s t e mw ea c c o m p l i s h e dt h ef u n c t i o no fa n a l y z i n gm e d i c a l i m a g ew h i c hc o m p l yw i t hd i g i t a li m a g ec o m m u n i c a t i o ni nm e d i c a l ，p r o v i d i n gt h eb a s i c f u n c t i o no fm e d i c a li m a g ep r o c e s s i n ga n du s e ri n t e r f a c e ，c o n s t r u c t i n gv o l u m ed a t a f r o mas e r i a lm e d i c a lc ti m a g e ，p r o v i d i n gt h ef u n c t i o n si n c l u d ev o l u m ed a t a p r e p r o c e s s i n g ，a n dv o l u m ed a t as u r f a c er e n d e r i n ga n dv o l u m er e n d e r i n ga sw e l l ， p r o v i d i n gv i s u a l i z a t i o nc o n t r o li n t e r f a c e i nt h i sa r t i c l ew ea l s od e s c r i b ei nd e t a i lt h e t h e o r yo fm e d i c a li m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g w ed e s c r i b e dp r o c e s so fm e d i c a l i m a g ev i s u a l i z a t i o na sw e l l i nt h ep r o c e d u r eo fi m p l e m e n t a t i o nb a s i cf u n c t i o n w e d e s i g n e dam e t h o dt od y n a m i ca d j u s tw i n d o w sc e n t e r w i n d o w sw i d t ha n di m a g e r o t a t ea l g o r i t h m ，w h i c hd o n tc h a n g et a r g e ti m a g ed i m e n s i o n w ed e s i g n e di m p r o v e d i m a g es e g m e n ta l g o r i t h ma c c o r d i n gt oi m a g eg r a d i e n t ，w h i c hi m p r o v e dt h es p e e da n d a c c u r a c yo fs e g m e n tb yc o m b i n i n gt h r e s h o l dw i t hg r a d i e n ti n f o r m a t i o n w ei m p r o v e d 4 - n e i g h b o rf i l l i n ga l g o r i t h m ，d e c r e a s e dt h es p a t i a lc o m p l e x i t y , d e s c e n tt h ed e m a n df o r c o m p u t e rm e m o r y w ec o m p a r e ds u r f a c er e n d e r i n ga n dv o l u m er e n d e r i n ga n d i m p l e m e n ts e r i e sc ti m a g ev i s u a l i z a t i o nb a s e do nv t k k e y w o r d s ：m e d i c a li m a g ep r o c e s s ，i m a g es e g m e n t ，v i s u a l i z a t i o n ，v t k h 重庆大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1p a o s 系统介绍 1 1 1p a o s 系统概述 x 射线的发现在医学中引入了影像诊断( d i a g n o s t i ci m a g i n g ) 技术。在现代化 的医院里，图像在疾病诊断中占有非常重要的位置，继计算机断层扫描( c o m p u t e d t o m o g r a f i l a y ：c t ) 之后，近十几年来又相继出现了磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ：m r i ) 、正电子发射型c t ( p o s i t i v ee l e c t r o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ：p e c t ) 、 单光子发射型c t ( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ：s p e c t ) 和数字减影 血管造影( d i g i t a ls u b t r a c t i o n a n g i o g r a p h y ：d s a ) 等新的医学成像技术，使医学图 像的数量剧增，如何对这些成像设备产生的庞大影像资料的整合、归档、检索、 显示和通信直接关系到医疗保健的效率和经济效益。随着数字成像技术、计算机 技术和网络技术的进步，针对这个问题，8 0 年代初，影像存档与通讯系统( p a c s ， p i c t u r ea r c h i r i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 这个概念作为未来放射学应用 的一个手段由放射学专家们提出。 p a c s 系统全称为p i c t u r ea r c h iv i n ga n d c o m m u n i e a t i o n ss y s t e m ，即 影像存档与通讯系统。p a c s 由影像采集设备、存储归档单元、图像显示、处理单 元和数据库管理单元组成，所有组元通过一个通信网络最终集成一体。它是一个 利用电脑科技结合高速通讯网络，配置高容量储存设备及前端影像处理工作站所 建立的影像资料截取、存储、传送、处理和调阅系统，是一个应运于新世纪网络 化、数字化的医院要求而产生的系统，它可以改进医院管理质量、提高工作效率 0 1 。其特点是网络化、实时化以及远程传输的高清晰度”1 。 在美国，为数众多的大学、科研机构、公司从事于p a c s 及其相关技术的研究 和产品的开发，如华盛顿大学、宾西法尼亚大学、国际商业机器公司、惠普公司 等：安装和应用p a c s 的医院和医疗研究机构更是不胜枚举。美国的军方对p a c s 在美国的发展起到了重要的促进作用。最早有关p a c s 的研究之一是1 9 8 3 年由美国 军方资助的远程放射项目。1 9 9 2 年开始实施的医学诊断图像支持系统( t h em e d i c a l d i a g n o s t i ci m a g i n gs u p p o r ts y s t e m ，m d i s ) 旨在为美国国内和海外的诸多医学节点安 装p a c s 和远程医学放射系统。该项目为期4 年，为大型p a c s 的安装和实际应用提 供了大量宝贵经验“”。 在欧洲，比利时、德国、意大利和瑞士等国有多所大学和科研机构从事p a c s 系统的研究与开发，如比利时的l e u v e n 人学( k u l ) 、g r u s s e l l s 大学医院( u l b ) 、 p 1 u r i d js c i p l i a o r y 医学图像科学研究院，德国的h a m b u r g 大学、b e r l i n 大学和 重庆大学硕士学位论文 绪论 r u d o f v i r c h o w 大学医院等“43 。 在亚洲，日本和韩国的医学信息系统的研究非常活跃。r 本的p a c s 研究始于 1 9 8 4 年召开的第一届p a c s 和p i t d s 专题研讨会。至1 9 9 8 年，在同本已有超过2 0 0 0 套c r 系统正在临床使用，约1 0 0 家医院已安装了不同规模的p a c s 系统，其中有3 4 3 套左 右的小型p a c s 和1 5 套大型p a c s 。r 本国家癌症中心负责的远程项目h i v i s i o n 远程 放射学系统和o s a k a 大学医院的h i s ，r i s 成像设备p a c s 集成项目较有影响“”。 纵观p a c s 系统的发展过程经历了从非标准发展阶段( 8 0 年代中晚期至9 0 年代 初期) 到d i c o m 标准颁布( 1 9 9 3 年) 以后的标准发展阶段。为规范数字医学图像及其 相关信息的交换，1 9 8 5 年美国放射医学会( a m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ，a c r ) 和美国的全国电子厂商联合会( n a t i o n a le 1 e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ，n e m a ) 在8 0 年代正式推出标准的a c r n e m a 标准1 o n 2 0 版本“，1 9 9 3 年又推出功能扩充的d i c o m 标准3 o 作为医学影像学设备和信息系统所遵从的工业 化国际标准，使p a c s 真正步入规范化和高速发展的阶段，目前d i c o m 3 0 己成为医 学图像通讯领域公认的国际标准。全面遵从d i c o m 标准已成为现代p a c s 系统的基本 要求和规范”。 进入9 0 年代，为了提高医院的现代化管理水平和工作效率，我国的各级医疗 机构对医院信息系统的建设给予了极大的关注，许多医院已经建立了不同规模的 医院信息系统。就目前我国医院信息系统发展而言，医院信息系统大多数属于医院 管理系统( h i s ) 的范畴，主要针对医院人员和财务管理而同样是数字化医院环境重 要组成部分的p a c s 却发展相对迟缓。当前我国p a c s 系统发展的情况还存在如下 一些问题：( 1 ) 研究和开发经费少；( 2 ) 医院的信息基础结构建设落后，多数医务人 员对计算机应用环境不熟悉；( 3 ) 多数医院的医疗图像设备较为陈旧，很少有标准 数字接口，尤其是能够利用网络传输医学图像的设备更为少见；( 4 ) 以往开发的 h i s r i s 系统往往忽略了标准化问题，难以进行与p a c s 系统的集成；( 5 ) 多数影像 设备是从国外引进的，在这样的环境下，p a c s 开发和应用过程中需要考虑汉化的 问题1 。 近年来，对p a c s 系统中d i c o m 标准的研究在国内已成为医疗信息的研究热点 之一，在我国有相当多的公司从事p a c s 系统的研发工作，但d i c o m 涵盖了数字图 像信息构成和网络通讯两大领域，内容极其繁琐庞大。目前，清华大学，浙江大 学、西安交大，华中科技大学、中国科学院等研究机构曾对p a c s 系统中d i c o m 标准的部分实现机制做过相应的研究。 1 1 2p a c s 系统的组成“9 】”们 p a c s 由硬件和软件两大部分组成。硬件主要有接口设备、存储设备、主机、 网络设备和显示系统。软件的功能包括通信、数据库管理、存储管理、任务调度、 重庆人学硕士学位论文 绪论 错误处理和网络监控等。 p a c s 的组成及其与其他系统的相互联系框图如图1 1 所示。 图1 1p a c s 系统的组成 f i g 1 1t h ec o m p o s i t i o no f p a c s 由图1 1 可见，p a c s 的接入设备可分为三类：符合d i c o m 标准的、与d i c o m 标准 不兼容的、仅有视频输出的。不管是哪一类的设备，通过特定的接口，都可以进 行数字化处理。 一个完整的p a c s 包括如下主要部分： ( 1 ) 影像传输的局域或者广域网络。要求标准化、结构开放、扩展性好、可 连接性好、稳定性好。需要l o o m 高速以太网以上的连接带宽，使d i c o m 图像传输速 度符合临床应用的要求。同时根据需要配置w e b h 艮务器与i n t e m e t 连接，作为远程 会诊的窗口 ( 2 ) 医学图像获取。对于新的数字化成像设备，如c t 、m r i 、d r 、e c t 等，基 本上都有符合d i c o m 3 o 的标准接口，可以直接从数字接口采集图像数据，p a c s 的 重庆人学硕十学位论文1 绪论 连接较为容易：对较早使用的数字化设备，由于无标准的d i c o m 接口，各个生产厂 家的数字格式和压缩方式不同，可通过d i c o m 网关进行连接；对于模拟图像的采集， 如红外诊断仪等，通常采用视频捕获卡进行数字化处理。 ( 3 ) 大容量数据存储。图像的存储需要解决在线浏览所有在院病人图像，一 般以大容量的阵列硬盘作为存储介质：对己出院病人的图像资料采用磁光盘存储： 超过一年的图像资料一般以磁带、d v d 或c d r 等介质存储，以降低存储成本。 ( 4 ) 图像显示和处理。具有对医学图像进行各种后处理和统计分析的功能， 如电影回放、三维重建、多切面重建等。图像显示根据原始图像的不同需要不同 显示分辨率的显示器，如d r 需要2 5 k 以上的分辨率，对c t 和m r i 的要求相对较低。 ( 5 ) 数据库管理。图像数据库管理对p a c s 非常重要。需要具有安全、可靠、 稳定和兼容性好的大型的数据库系统如o r c a l e 、s q l 等。对医学图像数据库应用管 理程序的设计应根据工作流程、数据类型、分类、病人资料等需求做到高效、安 全、稳定、易于使用。同时和h i s 、r i s 进行良好的整合，实现真正的资源共享。 1 2p a c s 系统中医学图像处理技术 1 2 1p a c s 系统对医学图像处理的基本要求 p a c s 系统中医学图像处理系统是和医生接触和使用最多的部分，它主要作用 是直接或间接地将疾病信息显示出来，提交给临床医生做诊断地依据和参考，因 此医学图像处理系统的功能设计关系到整个p a c s 系统在临床的使用价值。 在医学图像系统实现的过程中，我们参考了卫生部印发的医院信息系统基 本功能规范”，在该规范中明确规定了在p a c s 系统和h i s 系统中医学图像处理 系统的功能规范，对图像处理系统分为以下7 个部分的功能： 1 数据接收功能：接收、获取影像设备的d i c o m 3 0 和非d i c o m 3 0 格式的影像数 据，支持非d i c o m 影像设备的影像转化为d i c o m 3 0 标准的数据。 2 图像处理功能：自定义显示图像的相关信息，如姓名、年龄、设备型号等参 数。提供缩放、移动、镜像、反向、旋转、滤波、锐化、伪彩、播放、窗宽窗 位调节等功能。 3 测量功能：提供r o i 值、长度、角度、面积等数据的测量；以及标注、注释功 能。 4 保存功能：支持j p g 、b m p 、t i f f 等多种格式存储，以及转化成d i d i c o m 3 0 格式功能。 5 管理功能：支持设备问影像的传递，提供同时调阅病人不同时期、不同影像设 备的影像及报告功能。支持d i c o m 3 0 的打印输出，支持海量数据存储、迁移 管理。 重庆大学硕士学位论文 1 绍沦 6 远程医疗功能：支持影像数据的远程发送和接收。 7 系统参数设置功能：支持用户自定义窗宽窗位值、显示文字的大小、放大镜的 放大比例等参数。 在上述的七个功能中，数据接收功能在p a c s 系统通讯模块中实现，保存功能 在d i c o m 文件和医学图像格式转换模块中实现，管理功能在p a c s 系统数据库管理 模块中实现，远程医疗功能在p a c s 系统远程医疗功能模块中实现，均不是本文的 研究内容。在本文中，主要针对利用数字图像处理技术，对图像的增强，多角度 显示和参数设定的功能，即图像处理功能、测量功能和系统参数设置功能进行设 计和实现。 1 2 2 科学可视化技术在医学图像处理中的应用 随着可视化技术的发展，现代的许多医学图像设备都是向提供三维图像发展 o “，通过计算机图像图形学技术和可视化技术，对二维序列图像进行后处理，根 据输入的各图像参数直接在p c 机上重建三维影像，通过对三维体的缩放、旋转、 切片重组、兴趣区的再重建等操作，可以最大程度的利用图像信息，给临床提供 更加丰富的医疗数据。鉴于此，我们在图像系统的功能设计上添加了三维重建的 功能，通过可视化技术的使用，极大的扩展了p a c s 系统中图像处理的功能，更加 丰富了图像处理部分提供的临床信息。 1 3 论文拟做的主要工作和内容安排 1 3 1 论文拟做的工作 本文以p a c s 系统中医学图像处理为研究内容，应用数字图像处理的各种算 法完成在上文提及的医院信息系统基本功能规范中要求的图像处理功能、测 量功能和系统参数设置功能，重点在算法的分析、选择、设计和编程实现上。 随着计算机技术和可视化技术以及图像图形技术的日益成熟，将可视化技术 应用到医学图像处理系统，将现已广泛应用的传统的二维成像设备产生的断层图 像序列可视化，重建三维影像，可以极大的辅助诊断和治疗，使图像处理系统功 能得到极大的扩充。 本文拟做的主要工作为以下几个方面： ( 1 ) 研究p a c s 系统的发展和组成，重点研究了p a c s 系统中对医学图像处 理系统的要求，并在此进行系统的需求分析； ( 2 ) 对医学图像处理中常用的数字图像处理技术，包括图像的锐化、平滑、 滤波、伪彩和灰度处理等技术进行了探讨和分析； ( 3 ) 对医学图像处理中r o i ( r a n g eo fi n t e r e s t ) 提取时用到的图像分割 技术进行探讨，设计一种基于梯度的交互式医学图像分割算法； 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 4 ) 对医学三维图像重建相关的科学可视化理论，主要是三维数据场可视 化的原理、方法进行探讨； ( 5 ) 研究可视化工具包v t k ( v i s u a i z a t i o nt o o l k i t ) ，深入了解v t k 的结 构、数据组织形式和实现机理 ( 6 ) 在w i n d o w s 操作系统下，利用c + + 语言在v c + + 6 0 的开发环境下， 设计和开发一套应用于p a c s 系统的医学图像和三维可视化系统。 1 3 2 内容安排 本文的内容安排上，第一章为绪论，主要介绍了p a c s 系统的概况、p a c s 系统的组成，重点说明了p a c s 系统对医学图像处理的要求。介绍了数字图像处 理技术在医学图像处理中的应用。第二章为医学数字图像处理技术，详细的介绍 了各种应用于医学图像处理的各种数字图像处理技术。第三章为基于v t k 的三 维可视化技术的研究，概述了可视化技术及其应用范围，较为详细地的介绍了两 种可视化方法：基于切片的表面绘制和光线投射法的体绘制。介绍了v t k 的组 成和实现机理。第四章为医学图像处理和c t 图像三维可视化系统的实现，介绍 了系统的需求分析、系统的框架设计和模块实现：对于系统实现的关键算法的选 择和改进做了详细描述，最后给出系统部分功能实现的结果。第五章为总结和展 望。 唾庆大学硕十学位论文2 数字图像处理技术及其在医学影像处理中的府j h 2 数字图像处理技术及其在医学图像处理中的应用 2 1 概述 数字图像处理的主要目的是改善图像质量，使图像更加清晰，或符合某种特 定的要求，也可以从图像中提取某些特定的信息供后续的图像分析和识别。数字 图像处理大致包含改善图像质量、图像分析、图像重建和图像数据压缩四方面的 技术内容”。 在医学领域中数字图像处理技术的应用非常广泛，目前对c t 图像、内窥镜图 像、x 线片、显微镜图像、超声波图像等图像的处理，已成为辅助医学诊断的重要 手段之一。 医学领域图像处理的主要技术方法与作用大致有以下几个方面”“： 1 、灰度图像的处理：医学图像中有很多是属于灰度图像，如x 线片、同位素 图像、电镜图像、超声波图像等均属于灰度图像。对此类图像处理的主要方法是 提高图像的欢度层次，使弱灰阶信号增强，图像就会更加清晰，有利于人工准确 的目视判读，从而提高了图像的使用价值及诊断j 下确性。 2 、彩色图像的频谱处理：彩色图像处理的主要技术方法是r g b ( 红绿蓝) 三基 色的分路全频谱处理彩色图像处理技术相对要复杂的多、通常采用的处理方法 有；锐化、钝化、过滤、直方图分析、各个色通道的灰度与色饱和度处理等等。 真( 或伪) 彩色图像处理在医学领域中也有广泛的应用。 3 、图像信息资料的储存：图像信息资料的储存主要研究如何将图像信息合理 而有效的储存。主要技术处理方法包括：快速压缩储存图像数据、快速还原图像 数据( 解压缩) 、各种数字图像的制式转换。 4 、实时图像信息的传输：它可以实现医学影像异地会诊或监控。主要技术问 题在于临床医学图像的实时采集与计算机网络的建立和使用。 5 、图像自动识别：医学图像自动识别具有广泛的发展前景和重大意义。尤其 在因探诊断检测过程中已有许多应用了计算机智能图像识别处理系统，图像识别 技术是图像处理中的高难技术，是一门集医学、电子、物理计算机软硬件等多学 科多门类的综合科学技术。图像自动识别处理因其具有较高的人工智能( 专家知 识) 成分及计算机特有的优点，可以快速、准确的捕获目标，自动分析处理并得 到有用的图像信息。因此实用价值非常高。 2 2 医学图像处理中的数字图像处理技术 医学图像在医学诊断过程中具有非常重要的作用，医生对图像信息的理解及 重庆人学硕士学位论文2 数字图像处理技术及其在医学影像处理中的应h j 接受程度直接关系到诊断的准确性。在医学图像的获得、传输过程中不可避免的 会出现图像质量的下降，如何诈确的恢复原图像的信息，是医学影像处理的主要 内容：如何有效的利用计算机图形学、统计学、数学形态学等各学科领域的知识， 从现有的影像中尽可能提取有利于诊断的有用信息是也是医学影像处理的主要内 容。 参考医院信息系统基本功能规范中对p a c s 系统中影像处理的要求，结合 常用的数字图像处理技术，我们将各种图像处理技术根据处理的特点进行归类 在下文中分别以图像增强与恢复、图像分割、图像的形态学操作和图像的几何变 换四个部分来描述。 2 2 1 图像的增强与恢复 一、图像的增强 在医学图像处理中，由于一些条件的限制，比如为了改善操作x 射线人的工 作条件，一般采用低强度x 射线扫描，通过这种方式获取的x 光片中，大量关键 信息集中在暗区，人眼难以看清，导致无法鉴别有用信息。又如，在各类医学成 像系统中，图像的生成、传送和转换( 如成像、复制、扫描、传输及显示等) 过 程中，总是不可避免地造成图像质量降低。因此，采用一定的图像增强措施来 改善图像的质量是非常必要的。 图像增强的主要目的有两个：一是改善图像的视觉效果，提高图像成分的清 晰度：二是使图像变得更利于计算机的处理。从图像质量评价观点来看，图像增 强的主要目的是用来提高图像的可懂度”，即使图像更满足观察或进一步处理的 某一方面的要求来描述。 图像增强是通过对图像的处理将图像中感兴趣的特征突出出来，衰减不需要 的特征，以符合特定的需要。图像增强并不是要求去逼近原图像而是根据具体的 要求来提高图像的可懂性，例如突出目标物轮廓，增强图像中的细节，提高层次。 由于图像增强的目的是符合特定的需要，图像增强理论目前尚无统一的权威 性的定义，因为还没有衡量图像增强质量的通用标准。所以很难说那一种方法能 够特别的有效果，下面介绍一些在医学图像处理中常用的些处理技术和它们的 特点，在使用时，可以根据具体的要求灵活运用这些技术以达到图像增强的目的。 l 、窗宽窗位调节技术 正常人体不同组织器官的c t 值( c t 值是从人体不同组织器官衰减系数p 值换 算而来) 常在一定范围内变化，不同机器所测得也可略有差异。目前绝大多数的 现代c t 扫描机具有3 0 0 0 - - - 4 0 0 0 的c t 值的变化范围”。而计算机的显示器一般只能 显示2 5 6 个灰度级，人眼只能分辨大约3 0 个灰度级，因此，为了能用有限的灰度级 较好地表示人体组织的二维分布，引入的窗口技术，即通过正确的选择窗宽和窗 重庆大学硕十学位论文2 数字酬像处理技术及其在医学影像处理中的麻j 位值来产生符合视觉要求的图像，在临床应用中，利用窗口技术可以很好的将医 生关心的细节显示出来。 窗宽窗位的示意图如图2 1 所示。 图2 1 窗宽和窗位 f i g 2 ，1w i n d o ww i d t ha n dw i n d o wc e n t e r c t 值 窗宽是指c t 值的显示范围，窗位是显示灰度的中间位置所对应的c t 数， m i n 和m a x 指的是被映射的c t 值的最大值和最小值。增大窗宽可以使一个灰度 级对应多个c t 值，这样可以显示更多的组织，但会使c t 值接近的组织对比度 降低；反之，减小窗宽可以使多个灰度级对应一个c t 值，会增加对比度，使组 织结构清晰易辨，但又会丢失部分的组织信息。因此，选择合理的窗宽窗位值对 正确而有效的显示一幅医疗图片十分重要，一般的，在医学领域，c t 常规检查 部位的窗宽窗位值啪，如表2 1 所示，利用这些值可以很好的观察表中所示的 组织的结构和细节；但当要看同一图片舶不同组织的信息时，又需要将窗宽窗位 调节到合适的值，应用时应不断调整窗位和窗宽，以获得最佳观察效果。 表2 1c t 常规检查部1 1 ：) ：的窗宽窗位值( 单位：h u ) t a b l e 2 1w i n d o ww i d t ha n dw i n d o wc e n t e ri nc tn o r m a li n s p e c t i o n 窗宽 窗位 小孩颅内 6 0 9 02 0 3 0 成人颅内 8 0 1 0 03 0 3 5 腹部软组织 1 6 0 2 0 03 0 3 5 胆囊息肉 9 0 0 1 1 0 01 7 0 2 0 0 肺 8 0 0 1 6 0 06 5 0 一7 0 0 正节 一 7 一泣一宽 一 一 一葑一舒 一 一 一，一， 一 一 一，卜 一 一 1 1 伸 一 一 一 一 一 一 罕小1 十l 重庆人学硕士学位论文2 数字图像处理技术及其在医学影像处理中的应 椎体 1 7 0 2 0 03 5 4 0 肾上腺 2 8 0 3 2 03 5 4 0 骨组织 2 0 0 0 2 5 0 02 0 0 3 0 0 结石 2 6 0 3 0 04 0 4 5 一般的，对窗宽窗位变换主要有三个要求：首先要充分利用o - 2 5 5 间的显示 有效值域；其次要尽量减少值域压缩带来的损失；第三，不能损失应该突出的组 织部分“”。与数字图像处理技术中的灰度映射函数类似，目前用到的窗宽窗位的 映射关系有多种，常用的有l i n e a r 映射、g a m m a 映射、l o g a r i t h m i c 映射等。 假设图像中某一点( x ，y ) 的灰度值为f ( x ，y ) ，m i n 和m a x 为窗宽窗位设定后的 灰度最小值和最大值，l i n e a r 映射关系如下式所示： 厂t ( x ，y ) ： f ( x , y ) - m i n _ x 2 5 5 ( 2 - 1 ) m a x r a i n g a m m a 映射关系如下式所示： ，( x ，y ) ：2 5 5 【堕牛p g a m 一( 2 2 ) m a x m l n l o g a r i t h m i c 映射关系如下式所示： 厂( 工，_ y ) = c l o g 1 + f ( x ，y ) l ( 2 3 ) 后两种算法都是非线性的，它们可以通过调节变换的参数如g a m m a 值和c 值调节曲线的形状，从而达到压缩某些灰度而扩展某些灰度的目的，同时，非线 性的关系也可以补偿人眼对灰度反应的非线性，具有较好的变换结果。在实现上 g a m m a 算法可以方便的调节g a m m a 值，比l o g a r i t h m i c 算法更容易控制。 与非线性算法相比，线性算法计算量要小得多，在计算机上实现简单，可以 实时地改变窗宽和窗位，在临床上一般采用此种算法可以很方便的实现窗宽窗位 地的动态实时调节，可以快速获得不同窗宽窗位下的组织和器官的信息。 窗宽窗位调节技术一般的是针对c t 或m 雕等高灰度图像的显示和调节，在 实际应用时，该技术也可以应用于一般的医学影像图片，这样，通过调节窗宽和 窗位的值，可以将要观察组织的细节部分提取出来，方便医生的观察。 2 、伪彩技术 伪彩也是一种常用的图像增强技术，它将灰度图像变换为彩色图像。伪彩色 图像中的彩色可以根据灰度图像的灰度级或其他图像特征( 如空间频率成分) 人 为给定。灰度和伪彩之间的映射关系有多种，最为简单的映射关系就是之间将狄 度区间的所有灰度级分配到r 、g 、b 中的某一个彩色，如将整个o 一2 5 5 灰度区 0 重庆人学硕士学伊论文2 数字图像处理技术及其在医学影像处理中的应j j 问所有象素映射到红色区域。 另外一种常用的伪彩技术称为灰度级一彩色变换( 在遥感技术中常称为假彩 色合成方法) ，这种方法可以将灰度图像变为具有多种颜色渐变的连续彩色图像， 这种伪彩色图像变换后的图像视觉效果好”。变换的方法是先将灰度图像的分别 送入红、绿、蓝三个变换器，然后将三个变换器的输出合成作为彩色图像的r 、 g 、b 的颜色成分显示出来。由于同一灰度在三个变换器中实施的是不同的变换， 在合成后的输出颜色必然是不同的，从而保证了不同大小灰度级一定可以合成不 同的彩色。 灰度级一彩色变换各颜色的映射关系如图2 2 所示。 y ) 生 绿变换特性 l ，4l ，23 l ，4lf ，y ) 图2 2 伪彩变换 f i g 2 2f a k ec o l o rt r a n s f o r m a t i o n 3 、图像的平滑技术 由于成像设备的限制，获得的图像不可避免的存在噪声，图像平滑的目的主 要是消除图像中的噪声，从而达到图像增强的目的。在空间域中图像的平滑算法 一般采用加权邻域平均法”： 加权邻域平均( w e i g h t n e i g h b o r a v e r a g e ) 是指给邻域内的各象素乘以不同的 系数，对平滑中比较重要的象素乘以较大的权值，对图像八x ，y ) ，如果取邻域s ， 则加权邻域平均的计算公式如式( 2 - 4 ) 所示： 口6 w ( 5 ，t ) f ( x + s ，y + ，) g ( x ，y ) = 止土丁了一 ( 2 4 ) w ( 蹦) 重庆大学硕十学忙论文 2 数字图像处理技术及其在医学影像处理中的麻 | 其中w ( s ，) 为权值函数。一种常用的权值函数是邻域内各点与中心点距离为 变量的函数”，在该函数中，中心点具有最大的权值，表明该点对平均值的贡献 最大；邻域内其余各点的权值与该点到中也、点的距离成反比，表明各点对平均值 的贡献与到中心点的距离成反比。以8 一邻域为例，这种权值函数的模版表示如图 2 3 所示，其中心点的权值为4 ，而其余各点的值与到中心点的距离成反比。 4 、图像的锐化技术 图像锐化的目的是将模糊的边缘和轮廓线变得清晰，同时也使图像的细节变 得更清晰。在空域中，图像边缘和轮廓线的模糊主要是因为对图像进行了平均或 积分运算，因此，要锐化图像可以采用空间的微分运算。一般的，我们可以利用 空间的阶和二阶微分运算来实现对图像的锐化。 l 1 6 12l 242 l21 图2 3 平滑滤波模版 f i g 2 3s m o o t h i n gf i l t e rm a s k ( 1 ) 二阶微分的运用拉晋拉斯算子 拉普拉斯运算是一种最简单的具有各向同性的二阶微分算子，对于两变量的 函数f ( x ，y ) 的拉普拉斯算子定义如( 2 5 ) 式所示： v 2 厂：窑+ 百0 2 f ( 2 - 5 ) “ 叫 一般的，在数字图像的处理中，我们需要( 2 5 ) 式的离散形似。我们用差分 运算来取代微分运算，则在x 方向上和y 方向上的二阶微分的差分形式分别如式 ( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 所示： 了0 2 f ：，( x + 1 ，y ) + 厂( x l ，y ) 一2 f ( x ，y )( 2 6 ) 呈善：( x ，j ，+ 1 ) + 厂( x ，y - - 1 ) 一2 f ( 工，y )( 2 7 ) c y ( 2 ) 一阶微分的运用梯度算子 对于两变量函数f ( x ，y ) ，它在( x ，j ，) 点处的梯度矢量为： w b 川= q 瓯 7 = 陲科 ( 2 _ 8 ) 重庆大学硕十学位论文2 数字幽像处理技术及其在医学影像处理中的府川 当我们用( 2 1 0 ) 式对图像进行计算时，计算量很大，因此在实际操作中我 们一般采用绝对值来代替平方和平方根的运算，近似求取梯度的模值： y 厂z i q l + | g 。l ( 2 1 0 ) m a g v f ( 工，j ，) 】= 2 + g ： ”2 3 ，a ， = 【( 娑) 2 + ( ) 2 严 ( 2 一1 1 ) 似 c y 将图像经过一阶或二阶微分运算，可以获得图像的梯度图或者拉普拉斯图像， 它们是以原图像中的变化为显示的内容，突出原图中的灰度变化较快的区域如边 缘等，使图像的细节更加清晰。 5 、图像的中值滤波技术 中值滤波技术是一种非线性、非参数的信号处理技术“，对图像的中值滤波 也是一种非线性的图像处理技术。中值滤波器是1 9 7 1 年由j w j u k e y 首先提出来 并在一维信号处理技术中应用，后来被二维图像处理技术所应用。它在一定的条 件下可以克服线性滤波器如平滑滤波器所带来的图像细节的模糊等问题，而且它 对滤除脉冲干扰( 椒盐噪声) 和图像扫描噪声最为有效，但对细节多，特别是点、 线和尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波。 中值滤波算法原理就是用一个有奇数点的滑动窗口在图像上滑动，将窗口中 心点的值用窗口内各点的中值代替“，这样得到的图像就是中值滤波后的图像。 2 2 2 图像的分割 图像的分割主要应用在对图像的r o i ( r e g i o no fi n t e r e s t ) 提取功能中，r o i 是在图像处理和分析中图片中感兴趣的区域。r o i 的选取实际上就是按照图像的 某种特征将需要研究的区域分割出来，如何利用数字图像的各种处理技术将r o i 区域合理正确的分割出来是在二维医疗图像处理中的一个难点。 图像分割就是把图像分成各具特性的区域并提取感兴趣目标的技术和过程 i “2 ，它是由图像处理到图像分析的关键步骤。图像分割的研究一直是图像处理的 一个热点，至今己提出了上千种各种类型的分割算法”，而且近年来每年都有上 百篇有关的研究报道发表。总的柬说，图像分割算法一般基于相邻象素在象素值 方面的“区域之间的边界不连续性”和“区域内部象素的相似性”两个性质，第 一个性质的应用途径是基于亮度的不连续变换分割图像，i ：k 立n 图像的边缘。第二 个性质的主要应用途径是依据事先制定的准则将图像分割为相似的区域，如基于 闽值的图像分割。 虽然目前分割算法有很多中，并且越来越多的算法被提了出来，但是，没有 一个普适性的算法可以完全符合任何场合的应用要求。对于分割算法的选择和确 定需要根据不同的分割目的和目标图像的特点，综合运用各种图像分割技术，才 重庆人学硕十学位论文 2 数字蚓像处理技术及其在蜒学影像处理中的廊川 可以达到最佳的效果。 一、 基于“区域内部象素的相似性”的分割阈值分割 闽值分割算法是种基于区域内部象素的相似性的分割技术，它通过阈值的 设定直接将图像中感兴趣的区域提取出来，是一种最为直接的提取区域的方法。 由于它是一种并行的图像处理技术，所以具有较快的分割速度。 阂值分割算法主要有两个步骤： ( 1 ) 确定需要分割的闽值： ( 2 ) 将分割闽值与象素值比较划分象素。 在上述的两个步骤中，确定阈值是算法的关键，阈值选取的好坏影响到最后 分割的结果。 一般的，利用闽值法来分割灰度图像时基于如下的图像模型的假设1 ：假设 图像由具有单峰灰度分布的目标和背景组成。处于目标或背景内部相邻象素问的 灰度值是高度相关的，但处于目标和背景交界处两边的象素在灰度值上有很大的 差别。如果幅图像满足这些条件，它的灰度直方图基本上可以看作是由分别对 应目标和背景的两个单峰直方图混合而成，如图2 4 所示。 p 暗卜焉# 一一 背景目标 图2 4 直方图双峰 f i g 2 4d o u b l ep e a ki ng r a y - l e v e lh i s t o g r a m s 具有直方图双峰特性的图像阈值的选择有极小点阈值法和最佳阈值法。极小 点闽值就是利用直方图在双峰之间的极小点作为分割的闽值。为了减小分割中的 误差，分别计算背景象素被误认为是目标象素的概率和目标物象素错认为背景图 像的概率，当总的错误概率为最小时的阂值即为最佳阈值。”。 当分割的阈值确定以后，就可以利用闽值将陶像二值化，实现区域的分割， 二值化的公式如式( 2 1 2 ) 所示。 重庆人学硕十学位论文2 数字例像处理技术及其在医学影像处理中的应j h r 加翥淼舞 p t z ， 二、基于“区域之间的边界不连续性”的分割利用微分算子的分割 基于微分算子的区域分割是一种基于区域之间的边界不连续性的分割技术， 采用边缘技术分割图像主要有两个步骤： ( 1 ) 检测目标的边缘点： ( 2 ) 组成目标的边界。 目标边缘点的检测可以利用微分算子来实现。 灰度图像的边缘是两个具有不同灰度值的相邻区域的交线，它是灰度值不连 续或突变的结果，这种不连续可以利用导数来检测到。利用一阶和二阶导数来检 测边缘的原理如图2 5 所示。 图像 渐， 撕导数 l = 阶导数 乙 弋一 卜 图2 5 导数和边缘的关系 f i g 2 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e r i v a t i v ea n de d g e 通过图2 5 我们可以看到导数与边缘的关系。从图中可以看到幅度峰值一般 对应边缘位置，所以可用一阶导数的幅度值来检测边缘的存在。二阶导数两个脉 冲之间的过零点不好对应原图像的中间边缘的位置。由于二阶导数求取边缘有运 算速度慢和空心粉效应等问题”“，在实际的应用中一般用一阶导数的梯度算子对 边缘进行检测，利用二阶导数在过零点的符号确定各个边缘象素足在图像边缘两 旁的明区还是暗区。在边缘灰度值过渡比较尖锐且图像中噪声比较小时，梯度算 子的效果很好。 对一个连续图像函数f ( x ，