（电路与系统专业论文）超声宽景成像技术研究.pdf

摘要 摘要 超声宽景成像技术是一种新的超声成像技术，它克服了传统超声成像技术只 能生成视野狭小的超声图像的缺点，能够生成超宽视野的超声图像，近年来在临 床医学上得到了很广泛的应用。 本文研究了超声宽景成像技术的基本原理，分析讨论了所涉及的各种关键技 术，针对其中的斑点噪声抑制和图像配准问题，提出了新的改进算法。首先，通 过研究超声图像斑点的统计模型和对数压缩对超声斑点统计特性的影响，提出了 一种自适应斑点噪声抑制算法，该算法利用一种迭代算法来估计对数压缩模型的 动态范围参数，克服了现有的类似算法不能精确估计动态范罔参数的缺点，有效 的抑制了超声图像的斑点噪声，提高了配准精度和拼接质量。其次，针对现有很 多超声宽景成像算法仅使用平移和旋转的刚体变换对超声图像序列进行配准的缺 点，综合考虑配准的速度和精度，本文提出了种由粗到细的配准算法，利用块 匹配方法对图像进行粗配准，得到图像问的大致平移量，然后以仿射变换作为图 像问的变换模型，利用l e v e n b e r g m a r q u 甜d t 非线性优化算法对超声图像序列进行 精确配准，最终获得效果良好的宽景图像。实验结果证明了本文提出算法的有效 性。 关键词：超声成像斑点噪声抑制图像配准宽景图像拼接 a b s t r a c t a b s t r a c t a san o v e lu l t r a s o n i c i m a g i n gt e c h n 0 1 0 9 y ， u l t r a s o n i ce x t e n d e d 一疥e l d o f _ v i e w ( e f o v ) i m a g i n go v e r c o m e st h ed r a w b a c ko ft r a d i t i o n a lu l t r a s o n i ci m a g i n gw h i c hc a n o n l yg e n e r a t eu l t r a s o n j ci m a g e s 、v j t hv e r yl i m i t e dv i s i o nn e l d ，a n di sw i d e l yu s e di n m e d i c a li n s m u t i o ni nr e c e n ty e a r s t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so fu l t r a s o n i ce f o vi m a g i n gt c c h n o l o g ya r e s t u d i e d ，a n ds o m ek e yt e c h n o i o g i e si n v o i v e da r ea n a i y z e da n dd i s c u s s e d h n p r o v e d a l g o r i 血m s f o ru l t r a s o n i c s p e c k l en o i s es u p p r e s s i o na f l di m a g er e g i s t r a t i o n a r e p r o p o s e di n t h i sp a p e lb ya n a l y z i n gt h es t a t i s t i cm o d e lo ft h es p e c k l ei nl i n r a s o n i c i m a g e sa n ds t u d y i n gt h ei n n u e n c e so fl o gc o m p r e s s i o nt os p e c k l es t a t i s t i c ，ar o b u s t s p e c k l en o i s es u p p r e s s i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c he s t i m a t e st h ed y n a m i cf a n g e p a r a r n e t e ro ft h ei o gs u p p r e s s i o nm o d e lu s i n ga ni t e r a t i v em e t h o da 1 1 do v e r c o m e st h e s h o r t a g eo ft 1 1 ec u r r e n tm e t h o d sw h i c hc a nn o tp r e c i s e l ye s t i m a t et h ed y n 锄i cr a n g e p a r a m e t e le x p e r i m e mr c s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t l l o dc a nr e s t r a i nt h es p e c k l e n o i s ea n di m p r o v et h ep r e c i s i o no fi m a g er e g i s t r a t i o n f o ru l t r a s o n i c i m a g e s r e g i s t r a t i o np r o b l e m ，m o s to fc u r r e n tu l 廿a s o m ce f o vt e c h n o l o g i e so n l yu s et h e t r a l l s la t i o na 1 1 dr o t a t i o nm o d e li ni m a g er e g i s t r a t i o n ，a n dt h es p e e da n da c c u r a c yo ft h e r e g i s t r a t i o na l g o r i t h m sa r en o ts a t i s f a c t o r y i nt h i sp a p e tac o a r s et of l r l er e g i s t r a t i o n a l g o r i t l l i ni sp r o p o s e d ，w h i c hn r s t l ye s t j m a t e st h ea p p r o x i m a t et r a n s l a t i o nb yc o a r s e i m a g er e g i s t r a t i o nb a s e do nb l o c km a t c h i n gm e t h o d t h e nt h ea 所n et m s f o n ni su s e d a st 1 1 et r a n s f o m lm o d e lb e r w e e ni m a g ef a m e sa 1 1 dl e v e n b e 曙- m a q u a r d tm e t h o di s u s e dt os e a r c ht h eo p t i m a la m n et r a n s f o r mp a r 锄e t e r s t h ee 丘e c t i v e n e s so fm e p r o p o s e da l g o r i t mi sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i n l e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ci m a g i n g s p e c l 【i en o i s es u p p 代s s i o n i m a g er e g i s t r a t i o n e x t e n d e d - n e l d o f - v i e wi l n a g em o s a i c i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电了科技大学或 其它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 的仟何贡献均已在论文巾做了明确的说明并表示j ，谢意。 申清学位论文与资料若有不丈之处，本人承担一切相关责任。 枞虢玛龙 门期：2 00 5 邵 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的舰定，即：研究 乍在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查嘲和借阅论文；学校可以公响i 的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵q 此规定) 本人签名： 导师签名： 写面 狁缸 日期：1 。o j 2 3 只期：v o6 f z 3 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 医学超声技术发震概述 医学趣声成像技术是现代医学影像的重要组成部分，它与磁共振成像( m 黜) 、 x 射线诗嚣孛趸叛瑟扫撵一r a y c 。m p u 挺f 岛m o g f a 渖y ，x e d 及琵瞧子发射诗露疑鼗 层扫描f p e r ) 一起被公认为现代四大医学影像技术，已经成为现代医学影像披术不 可或缺的一部分。据估计，目盼超声检查所获得的声像图约占各类医学图像总和 静2 5 ，对于提赢入炎的健康水平，辅助医学诊凝和治疗等方藤育很大的惑义。 最孚褥超声成豫技术埔于医学领域的是奠圭也翻静k td 黼s i k ，谴于i 9 4 2 年粟 用透射式维示波法( 后称为a 型示波法) 探测颅脑，虽然他的方法并未达到实 用程度，但对以后的研究者给予了很大的启发。1 9 5 0 年，美蹋的j j w i l d 等人采 惩骧狰反鸯耄式示渡法获褥了齄粒瘤标本戆反蘩渡，簌瑟羹定了a 鍪趣声戏德懿基 础。继a 掇超声成像技术后，随之棚继研制出m 型超声心动圈及连续波超声多普 勒诊断仪。1 9 5 2 年，荧国的d hh o 、v r y 等开始采用二维脉冲剡波b 型成像技术， 开始了8 型二维成豫艨理的探索，掇】9 6 7 年实孵8 型超声成像仪闯世，栎恚藩b 墅残豫技术的重大避步h j 。 二十世纪七 j 年代时，最常见的是关节臂式荻阶超声诊断仪，这种超声诊断 仪主要用来进行人体软缎织的灰阶超声断层扫描，扫描所获得的超声灰阶阁像是 静壹戆，秣为静态趣声( 氍蘸i e 豫f a s o 糯d ) 或稼。 囊予这穆超声不缝爱夔久钵缀绞器 官的运动及血流变化，不适合对心脏等器官及大觑管疾病等进行检查，因魄随后 逐渐被实时超声( r e a l t i m eu l t r a s o u l l d ) 所取代。实时超声成像具有信息量丰富、能显 示心脏等器宦的结构及其运动、可戏察嚣宫组织廒演变化、搽俸灵活方便、价格 低廉等众多突出豹优点，在箍床诊断中取褥了广泛的应雳h 引。 自j 二世纪九十年代以来，医学怒声成像技术继续有着极为迅速的发展，出现 了数字化超声技术、多平频和变频趣声技术、新裂声学造影技术、三维成像技术、 彩色多警赣篷塞錾秘缀缀多骜赣藏豫等众多瑟羹蔽寒。实对戆声懿凄态委缘也已 由最初小于8 帧秒的低帧率，发展别2 5 帧，秒以上的实时高帧率，超声图像的形 态也从传统的局限性扁丽成像模式转变成向用户提供全新的、超长、超宽擞示图 像模式，朝宽景成豫。 超声宽祭成像技术研究 2 超声宽景成豫技术 1 2 1 超声宽景成像技术的产生背景 准确、快速地诊断疾病是正确治疗的前提和保障，超声诊断仪作为一种具有 实时成像能力的尤创伤、非介入式的踱疗检测没备，具有上文所述的种种优点， 定l 离庶诊鞭中褥到了j 。泛的应凑，透薹l 兰柬在技术上也鞋褥了缀大鼹进步。毽楚， 出于传统的超声探头发甜的超声声束发散角度青限，丽时受探头的大小等磷件条 件所限，只能生成的视野狭小超声图像，不能反映被检测区域的整体影像，隰生 必须不断移动超声探头的位置，同时结合大脑记忆台成整体图像，严重影响了医 疗渗瑟憨恣镄性帮快速瞧。 针对这问题，1 9 9 6 年w e n g 等人提出了越声拓宽视野成像技术( u l t r a s o u n d e x t e n d e d n e l d o f - v i e wi m a g i n g ) 吼又称超声宽景成像、全景成像技术( p 柚o r a m i c u l l r 豁o h 越i 辩a g i 珏g ) ，宅怒逶过实薅采豢越声探头在移动过程中联褥到兹连续粳颇 图像，利用阁像抑噪、图像配准和图像拼接等图像处理技术，合成出完整的大幅 面、低噪声和高清晰魔的超声宽景图像1 2 。图1 1 怒一幅b 超的宽景图像，从图 中可以看出其具有传统翘声无法比拟的宽视野优点，能更详细的反映组织器官的 整俸信愚。 幽1 1 超声宽景幽侧 磺究袭瞩，使用超声赛景图像鸯助予观测被诊断组织器官的整体解毒结搀， 第一章绪论 能够准确测量和跟踪血管和肌肉组织，更翔实的反映组织器官的生理信息，而口 更便于保存和交流1 5j 。宽景超卢图像也可以有效地提高对乳房、心脏、子宫及其它 器官的检查效果【6 。8 j 。综合而占，在l 临床应用领域作为弥补常规超声成像技术不足 之处的手段，超声宽景成像技术主要应用于以下几个方面： 1 躯干、四肢软组织方面。超声宽景成像对于范围宽广的肢体和躯干软组织 ( 包括皮肤、皮下、肌肉、肌腱及骨骼等) j 下常结构和病变区域的显示图 像更清晰，可以客观、形象地显示胸腹壁、肢体各部位软组织一系列超声 解剖学图像资料，更好地显示病变形态、大小、声学特征以及病变与毗邻 组织结构间的相互关系。 2 腹部及妇产科疾病。超声宽景成像对于肝脏肿瘤、多囊肝、多囊肾、胰腺 癌、腹膜后肿瘤、巨大多发性子宫肌瘤、卵巢肿瘤、巧克力囊肿等疾病均 能满意地显示病灶大小、轮廓、内部结构以及毗邻脏器之间的相互关系。 另外在产科，能满意的显示胎儿的脊柱排列。 3 小器官领域。超声宽景成像不仪能显示甲状腺、乳腺等器官的整体解剖结 构，而且其对病变组织的超宽视野成像能给临床医生提供丰富的渗断信 息，对如结节状甲状腺囊肿、多发性甲状腺瘤、甲状腺癌、乳腺纤维瘤及 乳腺癌等病变的宽景显示能弥补实时超声成像的不足。 由此可见，超声宽景成像技术的发明和广泛应用，弥补了常规超声成像技术 视野狭窄的不足，满足了临床医学诊断中的实际需求，极大的提高了超声诊断的 准确性与快速性，提高了超声成像技术的临床诊断水平。 1 2 2 超声宽景成像技术的发展1 5 】 由于超声宽景成像技术在临床领域的种种优点，近年来，超声宽景成像技术 有了很大的发展与进步。上世纪九十年代，最初应用于超声诊断仪的宽景成像技 术要求探头只能沿一个方向匀速进行扫描，扫描过程中发现图像不理想就必须重 新扫描。这种全景成像技术对于操作者的经验与手法要求比较高，特别是在需要 进行全景图像的测量的时候。有经验的医师认为，对于这种超声宽景成像技术， 使用者必须经过较长时间的练习才能够熟练掌握，在实际应用中具有一定的临床 意义。 在上世纪九十年代末期，此时宽景成像技术的特点是其宽景图像的产生不仅 仅依靠相邻图像边缘象素的匹配，其技术可以对整个图像的组织特征进行捕获和 分析以生成宽景图像。这种技术允朝：探头可以往复扫描，对手法要求低，使宽景 超声的操作更简便、更快速，操作时可以实时显示宽景图像的进程。另外，此种 宽景成像技术可以与超声复合扫描成像技术( c o m p o u n d i n gi m a g i n g ) 相结合，使提供 4 超声宽景成像技术研究 给令景扫描的数据量更大，图像分辨率更高，伪差更少。 已往的宽景成像技术中的图像重建都是在灰阶图像的基础上进行的，目前已 经出现了结合彩色血流的宽景成像技术。这利t 技术允许操作者使用彩色超声进行 全景显像，rr t 以精确地描述整个解剖结构实时的运动与血流信息。这一技术在颈 动脉、主动脉动脉瘤、人造血管旁路手术的术后评价方面自 较大的应剧价值。彩 色全景成像技术也使评价器官灌注更为简单，可以在一个全景图像上评价器官血 流灌注和评价肿瘤和其它肿物的血供情况。 1 2 3 研究超声宽景成像技术的意义 超声宽景成像技术具有传统超声成像技术所无法比拟的优越优点，在临床应 用领域得到了广泛的普及，具有很大的市场需求。据e r i c 等人的研究，又有宽景 成像技术的超声仪在临床检查中的使用比率达到了2 6 5 ，超出了彩色超卢的使用 率2 3 2 。 在国外，1 9 9 6 年w e n g 等人提出了这种拓宽视野成像技术后，西门子公司在 同年就获得了他们第一个关于超声宽景成像技术的专利，并应用在他们的s i e s c 即e 系统中，目前西门子公司拥有灰阶超宽视野成像及彩色超宽视野成像等两项超声 宽景成像技术的专利。其它的一些国际大公司，如a c u s o n 、g e 、p h i l i p 、h p 、t o s h i b a 等，都己将宽景成像技术作为可选部件集成到它们数字超声成像系统中。目前国 外含有宽景成像功能的超声系统其附加值都很高，但是国内还没有类似的同类产 品。 由此可见。我们对超声宽景成像技术进行研究，不但有助于提高国内医疗图 像信息处理技术及先进医学诊断设备的研制，而且还具有很大的经济意义。 1 3 1 主要工作 1 3 本文的工作概要和内容安排 本文的工作是结合国家自然科学基金项目“基于多光谱多镜头视频信息融合 的人体跟踪与识别方法研究( 6 0 4 0 2 0 3 8 ) ”展丌的。本文针对b 超图像的宽景成像及 其关键技术进行了深入研究，主要工作如下： 1 深入学习和研究了涉及超声宽景成像的各种核心技术，对其当前的发展现 状与存在问题有了深入的认识。 2 深入研究了超声图像斑点噪声的统计特性，重点研究了斑点噪声的 r a y l e i g h 分布及k 分布统计模型，讨论了对数压缩对超声斑点统计特性的 第一章绪论 影响，提出了的一种基于k 分布的白适应斑点噪卢抑制算法。咳算法基于 d u t t 等人的对数压缩超声图像k 分前i 抑噪模型，并采用一种迭代算法对k 分布抑噪模型中的动态范同参数进行快速准确的估计，有效提高了算法的 自适应性和精确性。实验证明，陔算法能有效地抑制超卢图像的斑点噪声， 并能提高下一步的超声图像配准的精确度和图像拼接的质量。 3 针对当前很多超声宽景成像技术中图像配准算法的缺点，并考虑实时性与 快速性要求，本文设计了一种由粗到细的配准算法。首先，利用块匹配方 法大致确定图像问的位移关系，然后使用二维仿射变换作为图像问的几何 变换模型，采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 非线性优化算法来获得精确的变换参 数。实验证明，该算法能有效的提高图像配准精度与拼接的超声宽景图像 的图像质量。 1 3 2 论文章节安排 全文共分五章，内容安排如下： 第一章绪论，简译介绍了超声宽景成像技术的提出背景和发展概况，分析了 该技术在医学临床应用中的医学价值和科研意义，最后介绍了本文的 主要工作； 第二章简单介绍了超声宽景成像技术的原理，讨论了超声宽景成像技术涉及 的各种关键技术，对这些关键技术的原理及当前的主要研究方法进行 了分析总结； 第二章本章重点分析了超声图像斑点噪声的r a y h e i 曲分布及k 分布统计特 性，讨论了对数压缩对于超声图像斑点噪声统计特性的影响，提出了 一种自适应斑点噪声抑制算法，并给出了抑噪的实验结果； 第四章，本章针对当| j 很多超声宽景成像技术仅仅采用平移加旋转的模型进 行配准的缺点，提出了一种由粗到细的配准方法，采用仿射变换模型 描述超声图像序列间的变换关系，最后给出了配准拼接后的实验结 果： 第五章本章对本文的研究工作进行了概况和总结，对本文未涉及的有待继续 深入的技术领域进行了探讨和展望。 第二章超声鬣鼎成像及其笑键技术 第二章超声宽景成像及其关键技术 本章薅先介绍了越声宽景藏檬的技术原理，然后针对其涉及豹各种技术穗理 及主要的研究方法和发展方向进行了系统的概况与介绍。 2 。l 蘧声蜜景戎豫技术原瑾 超声煮景成像技术源过实时采集超声探头在移动过程中所樗到的连续视频图 像，剩用图缘撩嗓、蹬像配准积拼拨簿强缘处理技术，合成出竞整鲍大蝠藤、低 噪声霸嵩漪蹶度豹宽豢怒声圈豫。秘。强国2 。| 所示，当超声豢头在久侮皮歉寝藏 滑动时，得到一组连续罔像1 ，2 ，3 ，。假设探头滑动的速度较慢，则相邻的图像中 有很多同一组织的像素点，只是这些像素点在各自图像中的位鬣发生了变化，只 要礁定出熙像润豹变羧关系，藏可以憋这些窝缘毒；争接或一旗趣侉宽爨嚣豫。 0 q 钼l 数字链理 ：d r 吲 序列图攒接蚕 图2l 超声黼景成像原理示意圈 超声宽景成像技术的实现主要包括图像获取、阁像配准和图像拼接等步骤【h i 。 整予超声黧稼孛包含数大量斑点噪声严重影稳了怒声蘑豫款豢爨，在超声塑像_ | 事 列的配准过程中会降低粥准的精确艘，从而严重影响超声图像序列的拼接质量。 因此，在凝取超声图像后需要对其进行有效的斑点噪声抑制，以便提高图像配准 的精确性秘最后搓接图像酶成像质鳖。超声宽景成像技术实现的差要模块如图2 2 所示。 超卢宽最成像技术研究 获取超声图像序列 上 超声窝像鞠蘩臻 u 越疹熏蠹戆配塔 上上 趣声露像鲶拱接 幽2 2 超卢宽景成像的实现模块 2 2 图像获取 在采綮图像序列时，检查者手持超声探头在被检查对象表面进行移动，探头 的移动方向应与探头扫描平面平行，移动速度尽爨保持匀速。在探头移动的过程 中，逶过发瓣窝接受越声波获取一系残豹二维切露圈稼，理论涎，这些阉缘鹭 位于同一平面内，并且桶邻两桢闯存在较大的重愁区域。 探头的移动导致了两帧之间的位雳差异，首先，在探头移动方向及扫描深度 方向有相对的平移。其次在扫描平秘内还可能引入了一定程度的旋转，但该旋转 角度一般都较，j 、。稳定鞠邻强豫阐探头移动方淘瀚平移、羟搐深度方国静平移以 及扫描平弼内的旋转是趣声图像配凇的目的所在州。 2 。3 超声图像噪声搀制 医学超声图像是一种低信噪比图像，其中存在着大量斑点噪声。斑点噪声是 一种乘性噪声，1 9 8 9 年，l o u p a s 等人通过研究，掇出了一种超声的斑点噪声模型， 翅下式1 2 键： y = s 十s 1 7 2 ( 2 1 ) 其中，y 表示观测信号，s 表示真实信号，竹表示与真实信号s 无关且其均值为0 楚蘧蠛礞声。 斑点噪声的产生根源在于超声系统的相干成慷特性。它主要由人体组织中非 均匀分布的散射体随机背向散射而成，特别在扫描肝、肾等器官时t 由于其深层 疆织过，j 、，其有一定波长的趣声波无法分竣，邈鬻斑点噪声显褥更加明显吡煳。 第二章超出宽景成像及其笑键技术 嚣努，撵针的类型( 采祥频率与量证) 、或豫部位、组织瘸变区域的不连续搀也是 斑点噪声的产生原冈。 对于照声图像中斑点噪声的抑制方法可以分为混合( c o m p o u n d i n g ) 和滤波两大 类。其中，滤波方法无嚣改变系绞嫒爨，饺婊嫉藉处理算法蠢接对超声仪黪羧尘 匿像进行处理，冈此该方法近年束发展很快。它主要包括萋予局部统计特征的自 适应斑点噪声抑制方法、基于小波的噪声抑制方法以及基于扩散方程的噪声抑制 等三类方法。下面主娶针对上述三大炎方法进行概况的介绍。 2 3 1 基于局部统计特征的抑噪方法 这毒牵方法主要校援滤波塞强内圈豫豹信噪比鞠鑫毒鬟关函数麓届帮绞诗将瞧寒 调节图像的局部平滑秘度，对斑点嗓声进行抑制。如l o u p a s 掇斑的自适应潮权中 值滤波算法( a w m f ) ，其滤波的权值表达式为1 2 o | ： w i ，歹) = 1w + l ，+ ) 一牙d d 埘lf 2 矗】 式中w f j ，) 表示( f ，歹) 点的权重， ，+ l ，+ 1 ) 为窗口中心点，d 是常量，由人工调 节，d 是点f f ，1 到窗口中心的距离，d 和m 是滤波窗口象素的方差和均值。该滤 波器仅仅根据图像局部邻域内象素鲍方差和均值铸统计数据束避彳亍噪声抑制，并 没有考懑勰声窝豫斑点噪声豹统汁褥褴，嚣茈杰定程凄上影确了季牵臻翡效聚。 很多研究人员对越声斑点噪声的统计特性进行了深入的研究，提出了缎多斑 点噪声的统计模型，如r a y l e i 曲模型【1 6 】、m c i a l l 模型、指数模型、k 分布模 型以及n a k 筵a m i 分森模型5 2 5 1 等，校摄这些绞诗模型撬鑫了绞多斑点毒【蠹到舞法， 并取得了比较良好的效祭i 2 “。 在超声成像过程中，为了减小背向散射信号的动态范围，超声系统一般都对 信号进行了对数压缩，斑点的统计特性因而也发生了变化。鼹鼹前大多数熬子局 部统计穗性的斑点臻声瓣裁算法掰采霜静斑点缀诗模型著没裔考虑弱斑点魏对数 压缩特性23 1 。文献 2 4 。2 6 】等对斑点的对数压缩特性进行了研究，根据对数压缩 的斑点模烈来设计滤波器，很大的提高了斑点噪膨的抑制效果。 上逡簇予嚣謦绞诗特 蒌懿斑点掺裁篓法翡圭螫簌点在于撵嗓戆结莱黠褰霹豹 大小比较敏感，窗口的囱适应选择隈制了其抑嗓效果。 2 3 2 麓予小波的抑噪方法 小波分析是图像处理领域种强有力的分析工具，小波软阀值收缩方法是重 要的小波抑噪方法。这种方法主疆基于d o b o h o 等人提出的小波软闽慎收缩 l o 超声宽摄成像技术研究 ( w a v e l e ts o f t t h r e s h 0 1 d i n gs l l r i n k ，w s t s ) 理论【2 7 】：首先将图像小波分解，设定一个 阈值，对于小 阂值的小波系数用零代替，而对于大于闽值的小波系数用它减去 闽值代替，然后对被处理后的小波系数做小波反变换，这样就可以得到重建图像。 设原始图像小波分解后各个尺度上的小波系数为“，= 1 ，2 ，a ，选取个尺 度上的阈值为： 7 1 ，= 盯2 l o g ( ，+ 1 ) ( 2 3 ) 其中盯是尺度，= 1 下网像的小波系数标准差。则图像的小波软阂值收缩为： 吩p7 唰 陋a ， 对上式中的小波系数“i 做反变换就得到了抑噪后图像。 对于小波软阈值收缩抑噪的方法，还有很多对于小波闽值的改进算法。上述 基于小波的噪声抑制方法的主要缺点是：首先，上述方法主要针对高斯分布的噪 声，解决其他分布的噪声时，例如对超声图像的斑点噪声抑制，该方法效果并不 理想；其次，小波闽值的选取也是一个需要着重考虑的问题，既不能选的太大， 那样会丢失一些边缘和局部的细节，也不能选的太小，这样会导致噪声的抑制不 充分。 2 3 3 基于扩散方程的抑噪方法 近年来，随着非线性偏微分方程模型在图像处理中的广泛应用，流体力学中 的扩散过程思想被广泛应用于图像的抑噪，并取得了很大的进展。 最早的扩散方程源于1 9 8 0 年l e e 提出的l e e 滤波器 2 8 】，y u y o n 画i a n 等人研究指 出，l e e 滤波器可以转化为线性的偏微分方程扩散模型【2 9 】，根据最小均方差原理有如 下公式： 一 r 一 1 ，( x ，y ) = ，( z ，y ) + 后( x ，y ) l ，( x ，y ) 一，( x ，y ) j( 2 5 ) 其中，j ( x ，y ) 为输入的原始噪声图像，( x ，y ) 为滤波后的结果，f ( x ，y ) 为滤波 窗口内象索的均值，( x ，y ) 代表象素点在图像中的二维坐标，七( x ，y ) 为根据局部噪 声统计特性得到的自适应滤波系数。l e e 滤波器可以等效为个各向同性的扩散方 程【2 引，4 个方向的扩散系数均为七( 马y ) 。尽管l e e 滤波器已经具备了扩散方程的一 些特点，但由于其在各个方向上使用相同的扩散系数，因此并不能很好的保留图 像的细节特征。 针对各向同性扩散方程的缺点，1 9 9 0 年p e r o n a 和m a l i k 等人率先提出了各向 异性扩散方程【3 0 1 ，该方程根据图像不同方向上的梯度确定扩散系数，使滤波器平 第：章超卢宽景成像及其芙键技术 滑噪声和保留细节的性能有了较大的提升，p m 方程如f ： 型冬掣：盔v k 弦州 ( 2 - 6 ) d f 式中，为演化图像，西v 和v 分别为散度算子和梯度算子，v ，= ，。，、 为图像 的梯度，i | v 州为梯度幅值，g u v 圳) 是图像梯度模的函数，也称为扩散方程的扩散 系数，它是图像梯度幅值的单调递减函数。 另刁为图像的梯度方向( 即等灰度轮廓线的法线方向) ，f 为梯度方向的垂直 方向。p m 方程在坐标( 玑善) 下的表达方式为： a ， 瓦。g 口目7 + 。嚣 ( 2 7 ) 式中，。、，。分别为，沿，7 、手的二阶方向导数，其定义为： i ：i 。七2 i ；i 。i 。y + i ；i 17 7 一一 ；+ ，： r 2 8 、 ? j j jx 。+ 2 i 。i ，i 。，七审 ；1 j 8 一j ：+ i ： 其中的、分别为沿玎、善方向的扩散系数，p m 方程选取的扩散系数为： 印刮。丽蒜 ( 2 _ 9 ) 七是梯度门限，因此，沿_ 、孝方向的扩散系数分别为： 。：! 坐业型! 业竺! 勘 ( 制) 2函 ( 1 + 2 ，2 )川。、 1 如2 研亨移 从上式可以看出，随着梯度模的增大，沿叩、善方向的扩散系数衰减，图像的 光滑能力减弱。由于p m 方程采用了图像不同方向上的梯度的单调递减函数作为扩 散系数，并且扩散系数岛、的衰减速度不一致，因此，p m 方程表现出各向异 性扩散行为。在同质区域内部，梯度较小，于是扩散系数较大，可以有效地平滑 同质区域内的噪声。而在图像的边缘部分，梯度较大，扩散系数较小，能够保留 图像的边缘信息。当梯度达到一定闽值时，沿叩方向的扩散系数器会出现负值， 这时会在梯度方向出现反向扩散，图像边缘会增强。 但是，p m 方程简单的采用了图像梯度的单调递减函数作为扩散系数，当图像 噪声较大时，在同质区域内的图像梯度具有很大的不确定性，难以真实反映图像 的边缘信息，此时p m 方程往往表现出病态且不稳定。后来的研究者对p m 方程做出 1 2 超卢宽祭成像技术珈f 究 了狠多改进，翔1 9 9 2 军c 融t 及1 9 9 7 年w e i c 娃攫等久稳出的备叁的掰瀚扩散方程阢3 “， 极大的推动了扩散方程侄图像处理中的应用。 2 。4 凝像配准方法 圈像配准是对取自不同时间、不问传感器或者0 i 同视角的闹场景的两幅图 像或者图像序列进行匹黻，寻找两幅图像之闻或蛰圈像序列闽的重叠位置以及范 围( 也称为麓像对齐) 豹过程，它蔽广泛瘟霜遗应羽在遥感图像、医学图豫、i 维垂构以及机器人视觉等诸多领域中。 很多相关的文献中对图像配准的数学定义为：绘定两幅待配准图像，( x ，y ) 和 j ：( t y ) ，如以互墨罗) 为蘩准窝橡，爨一褪厶( 墨y ) 为薅醚准图像，裂豫图豫熬难 为两幅图像在坐标位置和灰度值上瀚淑重映射变换l 站 ： ，：( x ，y ) = g ( ，f ( ，( 工y ) ) )( 2 1 1 ) 在这摹，譬篷拿一维荻囊交换，瑟是一个二维空疑坐蠡变换： 7 1 ( z ，y ) 桊( 一，y )f 2 1 2 ) 现有的斟像配准方法主要有三大炎：基于变换域的方法、熬于特征的方法和 基 二变换羧蘩匏方法。f 露差要对这三类蛰稼繇漆方法逶 亍糕况蕊奔绥。 2 1 1 基丁 变换域的配准方法 最常见的交换域方法就是傅立时交换法，该方法剜蠲了簿立时交换静魏好性 质，即函数平移，旋转警口缩放在频率域都有其对称性。对于图像的平移，计算两 幅图像功率谱的傅立时变换可得个脉冲函数，该函数仅在平移量处不为零。对 手麓转，霹健羯较垒标方式表示，镁鬻稼茨夔转转能为图缳的乎移，霉爱秘嚣懿 方法计算豳像问的旋转角度。假如图像之间不仅商平移还有旋转，则我们分两步 进行计算，先计算旋转后计算平移。浚方法对小平移量和旋转及缩放的图像醚准 j 攀适合。它有硬件支持帮快速算法，因此计算瀵度抉，霜时貔克鼹相关性噪声 相依赖额警噪声的影响，遥合多传瑟嚣帮光源变纯采集的图像。 m e l l i n 变换也是一种常用的变换域方法，它是揍于相位相关法和傅立叶性质的 一种方法1 3 4 ) 。m e i l i n 交欹的优点是，溺图像中有运动物体存在时，利用m e i l i n 变 换琵罐不会缘莛它豹缀多方法一器萼l 入稳差。遮旗鼹是，e l l 秘交换旯辘对霆橡平 面内的平移和旋转情况进行配准。 第一二章超声宽景成像及其关键技术 2 4 2 基于特征的配准方法 特征法是种常用的图像配准方法，它基于图像的特征，并结合。定的评价 函数寻找两幅图像中的重叠区域。典型的是基于图像几何特征的配准方法，如边、 角和高级特征如物体的识别、特征之间的关系。基于几何特征的配准算法一般分 为三步：首先过滤图像提取特征集，然后用这些特征集搜索两幅图像的大概对齐 位置，最后迭代求精。另外也可以利用几何特征之间的关系或者通过识别出的物 体实现对齐，如文f 3 5 利用特征图像关系图进行图像对齐。 基于特征的图像配准方法的缺点是配准的结果依赖于特征的检测提取，如果 图像中的特征不是很明显则可能会导致配准失败。 2 4 3 基于变换模型的配准方法 用出，毋分别表示沿x 和y 轴的平移，目表示旋转的角度，( x ，y ) 和( 一，) 表示 阡瞄捌劫 弘， 陟jl s i n 臼c o s 口儿y jl 咖j 。圳 川瓣强 p 其中，m 。( f = l ，2 ，8 ) 为二维投影变换参数，g ，y ，1 ) 和g ，y ，w ) 分别为相邻两帧图 刚若矧i s ， 超声宽最成像披术研究 2 ，4 4 圈像配准的准剿 配准准则是判断两幅图像是否达到配准的衡量标准，即在什么条件下，认为 达崩图像懿瓣准。按照式( 2 ， l 绣定义瓣惩缘醚准豹数学定义，这疆萋鬣配准绞缀 的准则，可以表示为找到r 和譬，使f 面的距离度鬣最小： m i n f ，。( r ) 一髫( ，l ( x ，) ) ( 2 - 1 6 ) 然嚣这种准弼不适合予一毅茨强缘髭缝趣题，在蠢薅己撵鑫寒兹蚕耱霭豫醚 准方法中，分别依据了多种不同的配凇准则。例如麟于互相关和相关函数的方法， 依据的准则为使图像的瓦桐芙和相关系数最大。其它的配准准则还有最小整合平 方误差函数、最大交互铐塞等等。对予鏊予控割点鹣醚毽方法，在全局来瑷绞搀 的是控制点的最小均方谟麓，在众多的基于特征的瀚像配准方法中，特征控制点 的确定过程，也体现了该方法在特征点附近的局部阉像的配准准i i | | i 。 r 可以者出，各种配准准卿鲍侧重点番不帽同但都符合人们某种视觉习惯域要 求，当然这戆准赠龟暴露出各套煞一些不是。穗奎l ，较赖予图像褒接荻疫整爨匏 方法，如相关、坎度差等方法对图像噪声非常敏感。基于特征的方法在特征提取 的预处理( 如图像分割、边缘检测等) 过程中，本身就已经带来了误差等问题， 露且实际上壤多图像也缀难提取焦点、边缘等特鑫。另蛰对两蠛豳像分别提敬黪 特征集合如何进行准确酌疆配又会带来新的困难。鞠此，辩于配维准则的衡鬣不 能以单一的标准来评判，实际应用中一般是针对不同的实际问题和采用的配礁方 法柬选择相应的配准准则。 卜嚣给滋了害焉静几种疆配准剐溺数： ( 1 ) 均方误麓函数( m s e ) 匹，e = x 【t ( 薯+ l ，m + i ) 一i 一，( 誓，只) 】2 ( 2 。1 7 ) 当越嬉敲簸小篷时，达判滚谯匹配。 f 2 ) 绝对帧麓函数( m a d ) 删d = 去l ( w ) 一“墨圳8 ) 当a 掰d 敏最小 蠹时，达劐最饶匹配。 2 5 图像的拼接融合算法 超声图像的拼接主要有以下三种方法钔，一是图像增长技术，将图像的非裁鼗 部分连接到已有的宽景图像上；二是递归的空间组合，将图像黛簸部分的像素值 与已有的爨爨匿像对应像索值散平均：三是搬权拼接，在图像的霆叠区域内设定 第一章超卢宽景成像及其关键技术 一个平滑变化的权重冈了刈重叠像素进行加权处理。 由于配准后的超声图像可能会因为光强水甲的不同利几何变形而使虽后的拼 接图像产生拼缝，因此，需要消除图像光强或色彩的不连续性，以便i i ：成清晰光 滑的宽景图像。加权拼接方法可以定程度消除这种光强的不连续性，如s z e l i s k i 使用一个“帽状函数”来加权平均到每个重叠帧的对应像素上，浚函数在图像边 缘处为最低，而在中心处贡献最多i j “。还有其它的一些消除光强不连续性的方法， 如i r a n i 等人让中值滤波器作用在边界附近区域，让与周围坎度值差比较大的像素 取与周围像素接近的值。b e r t 采用l a p l a c e 多分辨率会字塔结构，将图像分解成 不同频率域上的一组图像，在每个分解的频率域上，将图像重叠边界附近加权平 均，最后将所有频率上的图像合成为一幅图像旧。 第二章基丁局部统计特征的超声图像斑点噪卢抑制算法 第三章基于局部统计特征的超声图像斑点噪声抑制算法 本章将详细分析超声图像斑点的统计特性，讨论了对数压缩对斑点统计特性 的影响，并提出了一种自适应斑点噪声抑制算法，该算法利用一种迭代算法柬估 计对数压缩模型的动态范围参数，克服了现有的类似算法不能精确估计动态范围 参数的缺点，有效的抑制了超卢图像的斑点噪声，提高配准精度和拼接质量。 3 1 引言 局部自适应滤波算法是一种应用十分广泛的超声图像斑点噪声抑制方法。最 简单的局部自适应滤波算法是不考虑超声图像斑点噪声统计分布的方法，例如均 值滤波、中值滤波。均值滤波及中值滤波分别将滑动窗口内象素的均值、中值作 为滑动窗l 】中心象素的滤波值，这两种方法对于斑点噪声抑制方面的效果不能让 人感到满意，而且由于其窗 1 平滑的性质，对于超声图像的细节保留效果较差， 使图像变得模糊。针对上述均值、中值滤波算法的不足，人们提出了一些改进的 自适应加权均值、中值滤波方法【2 ，这些方法一般不考虑超声图像斑点噪声的服 从的统计分布特性，根据每个象素点的局部邻域的统计值，如方差、均值等来自 适应调节滤波窗口的各个权重，将滑动窗口内蒙素的加权均值或中值作为该窗口 邻域中心象素的灰度值。如前文介绍的l 0 u p a s 提出的自适应中值滤波算法，这类 方法比起单纯均值、中值滤波的滤波效果有了一定的改善，但这种方法仍然比较 简单，会导致一些细微细节的损失。 相对于1 i 考虑斑点统计特性局部自适应算法，基于超声斑点局部统计特性的 算法在对超声图像斑点噪声的抑制效果有了明显的提高。这类算法根据超声图像 斑点噪声的统计模型来设计滤波器，因此对于斑点噪声有明显的抑制作用。超声 图像斑点噪声的统计模型有很多种。1 9 7 6 年g o o d m a i l 就详细分析了超声斑点回波 信号的统计特性，认为其满足r a y l e 垃h 分布l 】6 j ，但是当随机散射体较少时或散射 交叉部分不同时r a y l e i 曲分布失效，此时斑点回波信号可用k 分布、n a k a g a m i 分布等来描述p ”。 另外，在超声成像过程中，为了减小背向散射信号的动态范围，对回波信号 进行了对数压缩，斑点的统计特性随之也发生了变化，但是目前大多数基于斑点 统计特性的滤波算法所采用的斑点统计模型并没有考虑到斑点的对数压缩特性。 d u “等人针对斑点噪声的对数压缩特性提出了基于k 分布的自适应斑点噪声抑制 算法f 2 “。然而现有的针对对数压缩超声图像的抑噪算法【2 4 “i 中对于滤波器的动态 范围参数都没有很好的估计算法，仅仅依靠多次的试验比较来确定，影响了算法 超卢宽景成像技术研究 抑噪效果及自适应性。 下而本文将讨论超声斑点的统计特性，最后介绍本文提出的自适应斑点噪声 抑制算法。 3 1 超声斑点回波信号的统计分析 3 1 1r a y l e i g h 分布统计模型4 图3 1 行1 波信号的散射体模删示意图 随机散射信号 一 k j 、 一 、 、l 、 、一， 散射信号合成矢量 图3 2 散射体随机散射信号的矢量合成示意圈 超声图像斑点噪声的产生可以用随机散射模型中的独立散射体模型来描述。 独立散射体模型是假定在均匀的声学媒质中存在着大量随机分布的独立散射体， 每个散射体可以有不同的尺度、形状和声学性质。如图3 1 所示，某时刻的超声回 波包络信号是该时刻位于成像系统分辨单元内所有散射体的背向散射信号之和的 、-。l 。、 一 ， 第三章基丁局部统计特征的超卢图像斑点噪卢抑制算法 结果，不同散射体的背向散射信号各何不i 司，这足因为散射体晌随机分自i 导致7 背向散射信号的相位不同，而散射体的随机背向散射系数导致了的背向散射信号 的振幅不同。 超卢斑点的随机特性可以在复平面内通过随机走动柬拙述，如图3 2 所示，运 用矢量表示法，假设分辨体单元内含有大量的随机走动散射体，则散射信号的频 率弓输入超声波频率相同1 16 | ，它们的散射波相位均匀的分布在卜万，+ 丌】内，设相位 为吼，用q 表示各个散射体的背向散射的幅值，则背向散射信号的矢量和a 为： 五= 4 e ”= q p 旭( 3 1 ) 可以将五表示为： 五= 嘉势”，点= 景 ( 3 - ：) 假设彘和吼都是统计独立的，那么矢量a 的实部爿，和虚部爿。的均值分别为： e 2 专委e e c o s 谚 ( 3 - 3 ) = 等点e s i i l 毋 叫vf = o 因为吼在区间【一万，+ 万】内均匀分靠，所以e c o s 吼) 和e s i n