（计算机应用技术专业论文）基于小波与小波包分析的ct图像去噪增强研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步，医学影像成为医生诊断和治疗的重要辅助手段，其中计算机 断层扫描( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 因为其图像的分辨率高，对人体损伤小，而 成为病理和解剖研究的主要手段。然而生物医学图像本身有着很多不可避免的缺 陷，为了提高图像的可读性以及对人体的解剖结构和病变部位进行更有效的观察 和诊断，对医学图像进行计算机处理就成为非常必要的。 小波变换是近十几年发展起来的一种新的信号和图像处理工具。小波分析良好 的时频特性决定了它在图像去噪和增强中具有广阔的应用前景，使得这一领域充 满生机。计算机断层扫描( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 技术已成为医学临床诊断的 重要手段之一。医学c t 图像成像过程中产生的噪声降低了图像质量，影响了医生 对疾病的诊断，故有必要抑制c t 图像噪声和增强图像。c t 图像去噪和增强是c t 图像处理的一个预处理过程，它是病变识别和分析的前提，在医学图像处理中， 医学c r 图像的去噪和增强的研究有着重要的意义。本文首先介绍了小波图像去噪 和增强的现状，然后阐述了小波图像去噪和增强的理论基础，最后是利用小波变 换的多分辨率特性，结合人眼的视觉特性，围绕小波图像去噪和增强的中心问题 进行了研究，提出了相应的处理方法。 本文主要内容有：1 、在医学c t 图像噪声抑制方面：提出了小波局部阈值软 硬函数折中消噪方法。并将此方法与小波强制消噪、全局阌值硬函数消噪、全局 阈值软函数消噪、及小波包消噪的方法进行了对比，从实验中可以得出小波包消 噪效果最好，能够有效的滤除图像中的噪声且边缘效果保持良好，本文提出的小 波局部阈值软硬函数折中消噪法也能能够有效的滤除图像中的噪声，效果较小波 强制消噪、全局阈值硬函数消噪、全局阈值软函数消噪要好，但是边缘效果及噪 声滤除的程度都不及小波包。实验结果表明本文提出的小波局部阈值软硬函数折 中消噪方法在小波消噪方面具有一定的价值。2 、在c t 图像增强方面，结和医学 c t 图像的特点对图像子带小波增强方法作了改进，并于传统的图像增强方法进行 了对比。通过实验证明此方法既增强了图像的细节特征又符合人眼的视觉特性， 提高了图像的清晰度，有效地避免了平坦区域噪声的过增强问题。实验结果表明 此方法具有一定的应用价值。 关键字：医学c t 图像、小波分析、小波包分析、图像去噪、图像增强 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht i l ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g y , m e d i c a li m a g eh a sb e e nt h ek e ya u x i l i a r y m e a n sf o rt h ed o c t o rt od i a g n o s ea n dc u r et h ed i s e a s e a n dt h ec o m p u t e d t o m o g r a p h y ( c db e c o m e st h em a i nw a yo f p a t h o l o g i c ( a 1 ) a n da n a t o m i cr e s e a r c hf o ri t s h i g ha c u t e n e s so fp i e t u l er e s o l u t i o na n dl o w h u r tt 0h u m a nb e 如i ti sn e c e s s a r yt or u n t h em e d i c a li m a g et h r o u g ht h ec o m p u t e rt oi m p r o v et h er e a d a b i l i t ya n d 幻d i s c o v e ra n d d i a g n o s et h es t r u c t u r eo f d i s s e c t i o no f h u m a nb e d y w a v e l e tt r a n s f o r mi san e ws i g n a la n di m a g ep r o c e s s i n gt o o ld e v e l o p e di nr e c e n t y e a r s t h ew a v e l e ta n a l y s i sh a se x c e l l e n tt i m ea n df r e q u e n c yf e a t u r e ，w h i c hh a n d sa p r o g m i s i n ga p p l i c a t i o ni ni m a g ed e - n o i s i n ga n de n h a n c e m e n t , a n dm a k e st h ef i e l df u l l o f v i t a l i t y t h ec o m p m e dt o m o g r a p h y ( c t lb e c o m e st h em a i nw a yo f m e d i c a lc l i n i c a l d i a g n o s i s a n ds i n c et h en o i s ep r o d u c e di nt h ep r o c e s so fb e c o m i n gp i c t l l r eh a sd e b a s e d t h e q u a l i t y o f t h e i m a g ea n d h a sa l l e g e d t h e d i a g n o s e o f d o c t o r s i t i s n e c e s s a r y t 0q u e l l t h en o i s ea n db o o s tu pt h em e d i c a li m a g et h r o u g ht h ec o m p u t e r c ti m a g ed e n o i s i n g a n de n h a n c e m e n ta r eap r e - p r o c e s s i n gs t e p ，w h i c hi sa l s ot h ep r e m i s eo fd i s e a s e r e c o g n i t i o na n da n a l y s i s s od u r i n gt h ep r o c e s s i n go ft h ei m a g er e s e a r c ho nc ti m a g e d e - n o i s i n ga n de n h a n c e m e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e s t h e p r e s e n ts t a t eo fr e s e a r c ho nd e - n o i s i n ga n de n h a n c e m e n tb a s e do nw a v e l e t , a n dt h e ni t m a k e sab r i e fd e s c r i 【p t i o no ft h e n r e t i e a lk n o w l e d g ea b o u ti m a g ed e - n o i s i n ga n d e n h a n c e m e n tv i aw a v e l e t f i n a l l y , a c c o r d i n gt om u l t i - r e s o l u t i o no fw a v e l e ta n a l y s i s t o g e t h e rw i t l lh u m a nv i s i o n t h ep a p e rs t u d i e sb o t hi m a g ed e - n o i s i n ga n de n h a n c e m e n t b a s e do nw a v e l e ta n dp r o p o s e sr e l e v a n tm e t h o d s t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：1 i nt h ea s p e c to fc ti m a g ed e n o s i s i n g ，t h ep a p e r p r o p o s e sac o m p r o m i s ed e - n o i s i n gm e t h e do ft h es o f ta n dh a r df u n c t i o nb a s e do nt h e w a v e l e tp a r t i a lt h r e s h o l dv a l u e c o n t r a s t e dw i t hw a v e l e tc o m p u l s o r yd o - n o i s i n g , t h e h a r df u n c t i o nd e - n o i s i n go fo v e r a l lt h r e s h o l dv a l u e ，t h es o f tf o u n e t i o nd e - n o i s i n go f o v e r a l lt h r e s h o l dv a l u e ，a n dw a v e l e tp a c k e t sd e n o i s i n gt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s , w a v e l e tp a c k e t sd e n o i s i n gp r o v e st ob et h em o s te f f e c t i v e w h i e hc a ne f f e e t i v d yf i l t e r o u tt h en o i s ei nt h ei m a g e , a n dk e e pt h em a r g i n a le f f e c t sw e l lc o m p a r e d 而t i lw a v e l e t i i 山东大学硕士学位论文 c o m p u l s o r yd e - n o i s i n g , t h eh a r df u n c t i o nd e - n o i s i n go f o v e r a l lt h r e s h o l dv a l u e ，t h es o f t f o u n c t i o nd e - n o i s i n go fo v e r a l lt h r e s h o l dv a l u e ，t h ec o m p r o m i s ed e - n o i s i n gm e t h o do f t h es o f ta n dh a r df u n c t i o nb a s e do nt h ew a v e l e tp a r d a lt h r e s h o l dv a l u ec a n a l s ob em o r e e f f e c t i v e ，b u ti t sm a r g i n a le f f e c t sa n dd e g r e e so ff i l t e r i n gt h en o i s ea r ei n f e r i o rt o w a v e l e tp a c k e t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h ec o m p r o m i s ed e - n o i s i n gm e t b e d o ft h es o f ta n dh a r df u n c 虹o nb a s e do nt h ew a v e l e tp a r t i a lt h r e s h o l dv a l u ep o s s e s s e sa c e r t a i nv a l u ei nt h es a p e e to fw a v e l e td e - n o i s i n g 2 i nt h ea s p e c to f c ti m a g e e n h a n c e m e n t ，c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r eo fm e d i c a lc ti m a g e ，a n dc o n t r a s t e dw i t h t r a d i t i o n a li m a g ee n h a n c e m e n t , i m a g es u b - b a n de n h a n c e m e n ta l g o r i t h mb a s e do n w a v e l e ta n a l y s i sh a sb e e ni m p r o v e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h em e t h o de n h a n c e t h ed e t a i l e df e a t u r eo ft h ei m a g e ，c o f o r mt ot h ep r o p e r t yo fh u m a nv i s i o n ，i m p r o v et h e c l a r i t yo ft h ei m a g e ，a n de f f e c t i v e l ya v o i dt h eo v e r - e n h a n c e m e n to ft h en o i s ei nt h e f l a t n e s sa r e a t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em e t h o dp o s s e s s e sac o r t a i n p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m d i c a lo o m p u t e dt o m o g r a p h y 【i n m g e ，w a v e i e ta n a l y s i s ， w e v e i e tp a c k e t sa n a l y a i 8 、i m a g ed e - n o i a i n g 、i m a g ee n h a n c e m e n t 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 聋笔 日期：2 碰! 也。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：社导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着新世纪的到来，人们在迅速发展高新科技的同时，也越来越关注自身的 生活环境与医疗条件。健康，越来越成为每一个人倾心关注和孜孜追求的意境。 然而，堪忧的环境，沉重的压力以及激烈的竞争，都使人们的健康走入低谷，从 而成为全人类关注的目标。因此医学的发展面l 临严重的挑战，作为医生诊断和治 疗的重要手段的医学影像学也得到了相应的发展。现今，生物医学图像在医疗诊 断中起着不可低估的重要作用。核磁共振( m a g n e t i c r e s o n a n c e ，啵) 、超声 ( u l t r a s o u n d ) 、计算机x 射线断层扫描( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，c t ) 以及其他的成像 技术等，都是无侵害性的器官体外成像的有力手段。这些技术丰富了正常的以及 病状的解剖知识，同时它也成为了诊断和治疗体系重要的组成部分n 1 。但是生物 医学图像的本身有着很多不可避免的缺陷，模糊不清或者边界不明显，此外，在 图像形成和传输的过程中，图像的像质也会受到一定的影响，这些都给医生下达 准确的诊断造成了一定的障碍。为了提高生物医学图像的可读性，使得医生可以 对人体的解剖结构以及病变部位进行更有效的观察和诊断，提高诊断的正确率， 生物医学图像处理从而成为了一门应用性很强的学科而得到了必要的长足的发 展。 1 1 课题背景及研究的意义 自1 0 0 多年前伦琴发现“x ”射线以来，特别是近3 0 年来，生物医学图像经 历了革命性的发展，当代生物医学图像的研究充分表现出了多学科、大跨度交叉 的特点，己成为医学技术中发展最快的领域之一n 17 0 年代初，x - c t 的发明曾引发 了医学影像领域的一场革命，从此，技术迥然、原理各异的数字成像技术开始蓬 勃发展，医学影像领域百花齐放。它包括计算机x 线摄影( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ， c r ) 、数字x 线摄影( d i g i t a lr a d i o g r a p h y ，d r ) 、直接数字x 线摄影( d i r e c td i g i t a l r a d i o g r a p h y ，d d r ) 、计算机断层成像( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 、磁共振成像 ( m a g n e t i cr e s o n a n c e ，豫) ，超声( u l t r a s o u n d ) 成像、光纤内窥镜图像、磁共振血 管造影术( m a g n e t i c r e s o n a n c ea n g i o g r a p h y ，m r a ) 、数字减影血管造影术( d i g i t a l s u b t r a c t i o n a n g i o g r a p h y ，d s a ) 、单光子发射断层成像( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o n c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，s p e c t ) 、正电子发射断层成像( p o s i t r o ne m i s s i o n t o m o g r a p h y , p e t ) ，e e g 脑电图、肛g 脑磁图、光学内源成像等。 山东大学硕士学位论文 这些成像技术有一个共同的特点，即以计算机为基础，使图像信息数字化， 我们尽可以对其实施图像信息后处理。计算机和医学图像处理技术作为这些成像 技术的发展基础，带动着现代医学诊断正产生着深刻的变革。各种新的医学成像 方法的临床应用，使医学诊断和治疗技术取得了极大的进展，同时将各种成像技 术得到的信息进行互补，也为临床诊断及生物医学研究提供了有力的科学依据。 生物医学图像处理是数字图像处理的一个重要方面。很多生物医学信息是以 图像形式表现出来的，如c t 图像，它使人类视觉从表面向内部延伸，人们可以通 过它们来获取人体内部器官在解剖形态、生物化学和生理功能上的有用信息。由 于c t 图像中的病灶部位会在灰度和形状上相似，用肉眼不易分辨。不同能力和背 景的人对同一幅医学图像往往会得出不同的结果来。要相对图像有定量的评估就 更是不可能的。因此，用计算机对c t 图像作后处理，首要的任务就是对获取的医 学图像进行增强信噪比的工作。即滤处图像的噪声和干扰，突出感兴趣区域或边 缘从而为进一步分析( 如图像分割、三维重建) 和计算奠定基础。 对c t 图像处理的主要目的是要提高c t 图像的可懂度，即通过去除噪声，增 强对比度，根据医生的需要，尽可能突出有用的特征来，这样来改善图像的视觉 效果。c t 图像处理过程中存在的主要问题有： ( 1 ) 要解决在滤除噪声的同时较好的保存图像的边缘、细节信息。 c t 图像去噪的目的是在平滑噪声的同时尽可能地保留原始图像的重要特征， 因为细节特征是医生诊断器官是否有病变的重要依据。比较常用的去噪方法如邻 域平均法、低通滤波、维纳滤波等。然而这些方法在滤除噪声时，容易损失图像 边缘和细节信息。另外，对图像进行锐化处理时，边缘或细节处会变得模糊。 ( 2 ) 如何增强图像和改善图像的对比度及清晰度 c t 图像在去噪过程中一些细节和边缘有或多或少的模糊，这就需对去噪后的 图像进行增强，经典的反锐化掩模法、高频增强法等在增强图像的过程的同时增 强了噪声。针对上述问题本文提出了切实可行的图像去噪和图像增强的方法 过去使用的一些图像处理方法存在时间和频率不能同时具有高分辨率的缺 陷，小波和小波包分析在图像去嗓和增强领域中是一种更为有效的处理方法，它 不仅能较好地抑制噪声，而且在增强图像细节、边缘检测等方面也有很好的性能。 经处理后的图像可以提高超声图像的可读性，提高临床疾病检测率。本课题的目 的是通过抑制医学c t 图像的噪声、提高图像对比度和清晰度来改善图像的质量， 2 山东大学硕士学位论文 为医生诊断提供帮助，提高诊断的准确性。 1 2 本课题的研究内容 寻找能够兼顾平滑噪声和保留图像边缘及其它有意义特征的图像去噪算法一 直是医学图像处理这个领域的一个难点，又是一个热门课题。本课题的工作是尝 试利用小波和小波包分析的方法来抑制医学c t 图像的噪声和对c t 图像进行增强。 本人所做的工作主要有： 1 、采用改进的小波局部阕值软硬函数折中消噪方法对c t 图像进行预处理， 有效地滤除噪声。 2 、采用小波包消噪方法对c t 图像进行预处理，有效地滤除噪声取得了良好 的效果。 3 ，将小波强制消噪、全局阈值硬函数消噪、全局阙值软函数消噪、改进的小 波局部阈值软硬函数折中消噪、小波包消噪的方法进行了对比，通过实验数据得 出它们在消噪方面的优劣特点，具有一定的意义。 4 、在c t 图像增强方面，结和医学c t 图像的特点对图像子带小波增强方法作 了改进，并于传统的图像增强方法进行了对比。通过实验证明此方法既增强了图 像的细节特征又符合人眼的视觉特性，提高了图像的清晰度，有效地避免了平坦 区域噪声的过增强问题。实验结果表明此方法具有一定的应用价值。 1 3 基于小波变换的图像降噪发展与现状 常规的图像消噪方法主要有两类：一类是基于频域，针对整幅图像的全局处 理，如低通滤、w i e n e r 滤波等；另一类是基于空间域，针对图像中某一像素中邻 域的局部处理，如中值滤波、统计滤波等。这两类消噪处理要么完全在频率域， 要么完全在空间域展开。因此，这两类消噪处理方法造成了顾此失彼的局面，虽 然抑制了噪声，却损失了图像边沿细节信息，造成图像模糊“1 。 小波变换作为一种有效的时间、空间和尺度分析方法，它克服了傅里叶方法 和其它分析方法的不足，已广泛应用于信号和图像处理的多个研究领域。小波变 换的良好的时频局部化能力和多分辨率分析能力能十分有效地把信号和噪声区别 开来，能有效处理短时瞬态信号、非平稳过程信号、含宽带噪声信号等。因此， 在小波变换域中图像平滑技术在兼顾平滑噪声和保留图像边缘特征方面具有十分 诱人的应用前景“】。 近年来，医学图像去噪是医学图像处理的一个热点问题。医学图像中，噪声的 3 山东大学硕士学位论文 抑制是一项特别精细和复杂的任务。细节特征是医生分析问题和诊断器官是否有 病变的重要依据，因此，医学c t 图像去噪时必须做到在抑制噪声的同时尽可能多 地保留原始图像的重要特征。常用斑点去噪方法主要有：中值滤波、维纳滤波、 自适应加权中值滤波、小波萎缩法等。经典的维纳滤波主要是抑制加性噪声，自 适应加权中值滤波是一种低通滤波，对细节分辨率较差。j a i n 曾提出一种同态维 纳滤波去噪法，z o n g e ta l l “1 采用对数变换将噪声从原图像中分离，在1 ，2 尺度 应用软阂值，在3 ，4 尺度应用硬闽值来消除噪声，然后采用非线性技术来提高图 像对比度。也有学者利用小波多尺度分析和软阙值技术的方法来抑制医学图像噪 声“1 。基于小波变换的斑点噪声消除技术最初出现在合成孔径雷达图像的散斑噪声 消除上“1 ，后来x u l iz o n g ，a n d r e wf k a i n e e d w a r d a g e i s e r 利用小波变换对 超声心动图的斑点噪声进行多尺度非线性处理m ，。 基于小波变换消除噪声，不同研究者提出过各种不同的方法。早期的小波去 噪类似于有损压缩技术。即先对含噪信号进行正交小波变换，后选定一个固定的 阈值于小波系数比较进行取舍，低于此阂值的小波系数设为零。后来，s t a n f o r d 大 学的d o n o h o i j o h n s t o n e 提出了通过对小波系数进行非线性处理来恢复噪声 中的信号0 1 ，也就是通常所说的“小波收缩”信号去噪方法，该方法较大程度上消 除了图像噪声，其去噪效果超过了一般的线性去噪技术。在此基础上，他们提出 硬阈值和软阈值的准则，并从统计学的角度出发，不断完善这一理论。 为了消除阈值法图像去噪中产生的不良现象，在阈值法基础上加以改进的平 移不变小波去噪法应运而来。它不仅能有效的抑制阈值去噪法产生的伪g i b b s 现 象，而且能减小原始信号和估计信号之间的m s e 和提高s n r ，避免了一些特征模 糊化的现象。 1 9 9 2 年m a l l a t z h o n g 提出小波模极大值去噪法“”，根据有用信号和噪声 的小波变换在奇异点的模极大值的不同传播特性来去除噪声。h u ax i e “”等人基于 隐马尔可夫模型( h m m ) 来消除图像噪声。近两年来应用多小波去噪的文献也不少。 然而，这些小波图像去噪方法，在实际的应用中并不适用，很多问题有待进一步 研究探索。因此需探索算法简单、去噪效果好，具有应用价值小波图像去噪法。 1 4 图像增强的发展与现状 经典的图像增强技术大体上可分为以下几类啪：空域变换增强，如灰度变换 等；频域变换增强，如同态滤波等；其它增强技术，如彩色增强等。近二十年来， 4 山东大学硕士学位论文 不少的研究者提出了许多新的图像增强技术，试图达到改善图像的视觉效果。这 些新的图像增强方法大体上可分为几类：经典的图像增强方法的改进，如改进反 锐化掩模法“。“3 等；基于小波变换的图像增强技术，如基于小波变换的去噪、图 像增强“”等；基于神经网络、模拟退火法、遗传算法5 1 等；基于数字形态学的图 像增强技术，如基于粗糙集理论、模糊数学的“”增强方法。 一些经典的图像增强技术已经得到了广泛的应用，取得了不错的效果，但都 存在着一定的不足，有些方法还会造成图像的噪声增强，损失图像的细节信息。 新发展起来的增强技术在一定的条件下确实改善了图像的增强效果，但在目前的 技术条件下，有些方法的实用性有待改进。如何解决这些问题并使图像的视觉效 果得到改善，变成了图像增强技术发展的方向。 在小波变换多尺度分析的基础上，应用多分辨分析法将医学超声图像进行小 波塔式分解，并根据各子图像的特性，在不损失边界信息的情况下，在不同尺度 上对各分解系数进行增强，对同一尺度的系数，采用非线性函数对各子图像进行 不同程度的对比度增强，然后再进行重构“”。a l a i n e “”提出乳房x 光片的多尺度 分析，对乳房x 光片的特征进行了对比度增强。他们提出的全局对比度增强方法只 考虑了灰度信息，未考虑边界信息，这样将灰度值小于阈值的边界点也抑制了，然 而边界又是重要的诊断信息。 本文在不损失边界信息的情况下，利用图像子带小波增强方法进行对比度增 强。基于小波变换的图像增强技术在目前的图像处理领域研究中还处于探索性阶 段。国外已经有多位学者在从事这方面的研究，如a l a i n e ，s m a l l a t 等。但是 由于基于小波分析的图像增强技术包含了小波的分解或合成运算，其数据量大、运 算时间较长，因此在许多实际应用中，特别是实时图像处理系统中没有得到推广 “。由于小波分析本身的无可替代的优越性，其处理结果常常比某些传统处理方 法更令人满意。随着算法的不断改进以及计算机技术的发展，目前小波变换在图 像处理中应用非常广泛。 1 5 本文的主要工作和论文结构安排 如何有效地应用数字图像的去噪和增强技术来处理医学c t 图像，以便人们更 好地从中获取信息，这是一个非常有实际应用价值的问题。由于小波变换具有良 好的时频局部化能力和多分辨率分析能力，能把图像信号的局部性规律特征化出 来。本人着重研究了应用小波分析的c t 医学图像的噪声抑制和图像增强的算法， 山东大学硕士学位论文 使得在抑制c t 图像噪声时尽量不损失图像细节特征，增强图像时不放大噪声。实 验表明，本文的算法是有效的。 下面是本文的结构安排： 第一章：绪论。 第二章：计算机断层成像 第三章：基于小波的图像去噪和增强的理论基础。 第四章：小波、小波包去噪算法。 第五章：基于小波分析的医学c t 图像增强研究 6 山东大学硕士学位论文 第2 章计算机断层成像 2 1 计算机断层成像的发展 自伦琴发现x 线以来，x 线在医学领域的应用越来越广泛。人们为了尽量发挥 x 线的效能，长期以来，在感光材料、增感屏、造影剂、x 线球管容量、焦点、电 源的整流与稳压、高压发生器及显定影剂等方面，进行了很多研究，x 线摄影技术 也日臻完善。但是，这种传统的x 线摄影都是将人体三维影像信息在一张平片投 影。以上所作一切改进，都是为了一个目标，即获得最佳空间分辨力一即“第一 维分辨力”，但都不能改变肢体影像信息重叠的问题。 1 9 1 4 年，俄国学者k m a e n e p 氏，依照运动产生模糊的理论，首先提出断层成 像的理论，即用一种特殊装置，使想观察的人体某层组织影像较清楚的显示，而 该层组织以外的则模糊不清，以获取较大的空间分辨力。1 9 3 0 年意大利的 v a l l e b o n a 氏开始将断层成像的有关理论和它的使用方法应用于l 临床并取得了很 好的临床效果。随着机械工业的发展，1 9 4 7 年v a l l e b o n a 率先获取了以人体为模型 的横断面影像，这种技术后来又发展成回转人体横断面断层技术。1 9 6 1 年美国神 经内科医生o l d e n d o r f 提出了电子计算机x 线断层技术的理论，1 9 6 8 年英国工程师 h o u n s f i l d 氏与神经放射学家a m b r o s e 氏共同协作设计，于1 9 7 2 年由英国e m i 公司 成功制造了用于头部扫描的电子计算机x 线断层成像装置，并在英国放射学会学术 会议上公诸于世，称e m i 扫描仪。这种影像学检查技术与传统x 线成像相比，图像 无重叠、密度分辨力高、解剖关系清楚，病变检出率和诊断的准确率均较高而又 安全、迅速、简便、无创性，是医学影像学的一项重大改革，促进了医学影像诊 断学的发展。1 9 7 4 年在蒙特利尔( m o n t r e a l ) 召开的第一次国际专题讨论会上正式 将这种检查方法称作电子计算机断层成像( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 1 。 c t 的应用及其研究还是最近3 0 年来的事情，但是发展非常迅速。1 9 7 2 年还 是只能扫描头部的第一、二代平移旋转扫描方式的c t 机，1 9 7 4 年就有了旋转扫 描方式的体部c t 机，之后于1 9 8 9 年在旋转扫描的基础上开发了滑环技术的螺旋 c t ，后来的电子束c t 也相继问世。随着c t 机不断的更新换代，其性能在不断提 高，检查领域不断拓宽。c t 发展前景广阔，并将向提高显示病变的敏感性、特异 性和准确性，微创或无创，操作简便和降低检查费用等方面不断改进、完善和发 展。 山东大学硕士学位论文 本章将阐述c t 的成像基本原理及设备、c t 图像特点、c t 图像的采集方式和 检查技术、c t 诊断与分析以及c t 的临床应用，以为后面的c t 图像处理及分割奠 定理论基础。 2 2c t 的成像基本原理与设备 2 2 1c t 成像基本原理 c t 本质上是一种利用x 线穿透人体后的衰减特性作为诊断依据的。在物理学原 理方面，c t 与普通x 线检查具有一致性，即都遵从x 线指数衰减规律。数学表达式嘲 为： i = i 。e “ ( 2 1 ) 式中，i ：表示通过物质衰减后的x 线强度 i 。：表示入射x 线强度 肛：为物质的吸收系数，它与物质的原子系数即密度有关 d ：表示物体厚度 当x 线穿过一组厚度相同，刀值不同的物体时，其强度与入射x 线的强度关 系为： i = i o e l 。e “e “e “( 2 2 ) 即：i = i o e “”o “( 2 3 ) 即：i = i o e - ，耐( 2 4 ) 即p 值的总和是射线路径上的线积分。肛值又与x 线波长、物质原子系数、物 质密度有关。 c t 是用x 线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面 的x 线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换器 ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) 转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如 对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素( v o x e l ) 。见图2 - 1 。” 山东大学硕士学位论文 图2 一l 扫描层面体素及像素 扫描所得信息经计算而获得每个体素的x 线衰减系数或吸收系数，再排列成矩 阵，即数字矩阵( d i g i t a lm a t r i x ) ，见图2 - 2 “。数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。 经数字模拟转换器( d i g i t a l a n m o gc o n v e r t e r ) 把数字矩阵中的每个数字转为由 黑到白不等灰度的小方块，即像素( p i x e l ) ，并按矩阵排列，即构成四图像。所 以，c t 图像是重建图像。每个体素的x 线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。 图2 _ 2 数字矩阵 2 2 2c r 设备 c t 设备主要有以下三部分：扫描部分由x 线管、探测器和扫描架组成：计 算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算：图像显示和存储系统，将经 计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄 下。c t 系统基本结构如图2 - 3 山东大学硕士学位论文 图2 - 3c t 系统基本结构图 扫描部分有如图2 - 4 及图2 - 5 所示的几种不同扫描方式。探测器从原始的1 个发展到现在的多达4 8 0 0 个。扫描方式也从平移旋转、旋转旋转、旋转固定， 发展到新近开发的螺旋c t 扫描( s p i r a lc ts c a n ) 。计算机容量大、运算快，可达 到立即重建图像。由于扫描时间短，可避免运动，例如，呼吸运动的干扰，可提 高图像质量：层面是连续的，所以不致于漏掉病变，而且可行三维重建，注射造影 剂作血管造影可得c t 血管造影( c ta n g i o g r a p h y ，c t a ) 。超高速c t 扫描所用扫描 方式与前者完全不同( 图2 5 ) 。扫描时间可短到4 0 m s 以下，每秒可获得多帧图像。 由于扫描时间很短，可摄得电影图像，能避免运动所造成的伪影，因此，适用于 心血管造影检查以及小儿和急性创伤等不能很好的合作的患者检查。 1 0 山东大学硕士学位论文 制戮瓣 。龆；搿姗 。船；翟臀赫 a l ， 圆毒 图2 _ 4 不同的扫描方式( i ) 一时趔 u ，h ， 图2 _ 4 不同的扫描方式( i i ) 2 3c t 图像和c t 值 c t 图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成。这些像素 反映的是相应体素的x 线吸收系数。不同c t 装置所得图像的像素大小及数目不同。 大小可以是1 o x1 o 衄，0 5 x o 5 m 不等：数目可以是2 5 6x2 5 6 ，即6 5 5 3 6 个， 或5 1 2x5 1 2 ，即2 6 2 1 4 4 个不等。显然，像素越小，数目越多，构成图像越细致， 即空间分辨力( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 高。c t 图像的空间分辨力不如x 线图像高。 c t 图像是以不同的灰度来表示，反映器官和组织对x 线的吸收程度。因此， 山东大学硕士学位论文 与x 线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如肺部：白影 表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是c t 与x 线图像相比，c t 的密度分辨力 高，即有高的密度分辨力( d e n s i t yr e s o l u t i o n ) 。因此，人体软组织的密度差别 虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是c t 的突出优点。所以， c t 可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以 及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。 2 4c t 图像的采集方式和检查技术 患者卧于检查床上，摆好位置，在操作台上选好扫描层面的厚度、扫描范围、 扫描参数和扫描方式等，并使扫描部位伸入扫描架的孔内，即可进行扫描。大都 用横断面扫描，层厚用5 或l o m m ，特殊需要可选用薄层，如2 2 患者要不动，胸、 腹部扫描要停止呼吸。因为轻微的移动或活动可造成伪影，影响图像质量。 2 4 1 采集方式 c t 图像的采集方式有普通扫描、连续扫描或螺旋扫描、定位扫描、薄层扫描 和重叠扫描”。 ( 一) 普通扫描 对欲检查部位，行一层一层的扫描，每扫描一层，即建出这层图像，这种扫 描方法常用于头部、脊柱、四肢等部位的检查。 ( 二) 连续扫描或螺旋扫描 前者为第三、四代体部c t 扫描方式，后者为螺旋c t 扫描方式，此项扫描是 在一段欲检查部位，行连续的边曝光边自动进床的扫描，扫描结束后再逐一处理 和显示图像，常用于运动器官和病人注射造影剂后的检查。 ( 三) 定位扫描 将欲检查部位照一正位或侧位平面像，即定位片( s c o u t v i e w ) 。再根据定位片 所示部位有目的地选择扫描范围。常用于脊拄、腹部、胸部、头颅的蝶鞍和颗骨 岩部等部位的定位检查。 ( 四) 薄层扫描 扫描层厚小于5 一的扫描，有利于观察病变的细节。主要用于小病灶和兴趣 区的扫描，在行多平面重建和c r a 时，应行薄层扫描，可提高影像空间分辨力。 ( 五) 重叠扫描 扫描时检查床移动的距离小于层厚，使层面有部分重叠，减小部分容积效应 山东大学硕士学位论文 的影响，从而减少小病灶漏诊的机会。现多用于c t a 的扫描。 2 4 2 检查技术 c t 检查技术分平扫、造影增强扫描、动态扫描、造影扫描、延迟扫描、c t 血 管造影( c t a ) ，高分辨了c t 扫描和c t 导向穿刺活检或介入治疗。 ( 一) 平扫 不用造影增强或造影的普通扫描，可行横断面和头部冠状面的扫描。一般都 是先作平扫。 ( 二) 造影增强扫描 经静脉注入水溶性有机碘剂，如6 0 - 7 6 泛影葡胺6 0 m l 后再行扫描的方法。 血内碘浓度增高后，器官与病变内碘的浓度可产生差别，形成密度差，可以动态 观察某些脏器或病灶中造影剂的分布与排泄情况，发现平扫难以发现的小病灶或 等密度灶，通过病灶强化的类型、时间，来判断病变的性质，更清楚地显示病灶 与周围组织间的关系及病灶的大小、形态、范围。增强方法分团注法、静滴法、 静注与静滴法几种。 ( 三) 动态扫描 注射造影剂后在一定时间内对病变的固定区域行系列的扫描和c t 值测定， 将同层面不同时间所测得的c t 值用曲线方式制成时间一密度( c r 值) 线形曲线， 以研究病变碘含量的变化情况，有利于病变的定性诊断。 ( 四) 造影扫描 先作器官或结构的造影，然后再行扫描。例如向脑池内注入碘曲仑8 l o m l 或 注入空气4 “6 m 1 行脑池造影再行扫描，称之为脑池造影c t 扫描，可清楚显示桥小 脑角池及鞍上池中的病变。 ( 五) 延迟扫描 增强扫描后等待一段时间再行兴趣区扫描，此法只作为增强扫描检查的一种 补充，用以观察组织与病灶间在不同时间的密度差别，常用于肝癌和肝血管瘤之 间的鉴别诊断。 ( 六) c t 血管造影( c t a ) 注射造影剂后，延迟时间一到立即对兴趣区进行薄层重叠扫描，扫描结束后， 利用随机软件对图像进行后处理，此方法只适用于螺旋c t 和电子束c t 。 ( 4 a ) 高分辨力c t 扫描 山东大学硕士学位论文 指用1 - 2 r a m 薄层和高k v 、高m a ，大矩阵的扫描，并采用骨算法、小视野重建 图像。此法能提高图像空间分辨力，观察骨细微结构，多用于颖骨岩部的扫描和 肺部弥漫性与局限性小结节、肺间质性疾病的检查。 ( 八) c t 导向穿刺活检或介入治疗 在病人病灶区体表贴上进针定位标志，在此区域平扫几层以选定最佳迸针层 面，并在图像上确定进针深度和角度。进针后还需在进针点扫描一层，以观察进 针是否到位。适用于胸腹部病灶活检或介入治疗。 2 5c t 分析与诊断 在观察分析时，应先了解扫描的