（模式识别与智能系统专业论文）医学数字X射线图像处理与分析算法研究.pdf

医学数字x 射线图像处理与分析算法研究 摘要 随着微电子技术、数字计算机技术，特别是国际互联网的迅速发展，医疗信息数字化已 成为当今不可阻挡的发展潮流，数字医疗成像系统成为发展的主流。x 射线透视成像是目前 最常用的医学诊断成像手段，6 5 7 0 的医学影像检查是依靠x 射线透视来完成的。对于x 射线透视成像而言，传统的屏片成像系统动态范围小、线性范围小，是非实时、非数字化 的成像方法，不能进入p l a c s ，资源浪费严重。近年来人们对数字x 射线成像系统进行了深 入研究并取得了一定的成果，成像系统的不断发展也对医学数字x 射线的图像处理与分析 技术提出了新的机遇和挑战。 对于医学数字x 射线成像系统来说，其图像采集过程中难以避免地存在着引起图像质 量下降的各种因素，必须进行处理后才能使用。同时，随着医用数字x 射线探测器技术的 迅速发展，目前所用的图像显示设备的动态范围要远小于探测器能够记录的密度范围，采集 到的数字x 射线图像数据必须经过有效的图像处理才能正确显示在屏幕上，这种处理的目 的是把对诊断最有意义的部分显示在屏幕上。另一方面，随着大量的高质量的医学数字图像 的产生，如果能够让计算机在医学图像分析和诊断中发挥一定的作用，对于降低医生的劳动 强度，提高疾病的早期检测率无疑具有十分重大的意义。 紧跟医学数字x 射线成像技术的前沿，研究高性能的医学数字x 射线图像处理与分析 算法是本文的主要研究目的。本文的主要研究工作有：采用数字图像处理方法消除医学数字 x 射线成像过程中引起图像质量下降的各种因素( 如信息畸变、散射、噪声等) 的影响；根 据临床需求增强医学图像中的有用信息，把对诊断最有意义的部分显示出来，获得高质量的 诊断图像；在以往胸片计算机辅助检测技术的基础上，研究更适合于d r 系统胸部x 射线 图像的计算机辅助检测算法。 本论文主要作了以下创新性工作： ( 1 ) 对于医学数字x 射线透视成像系统中的图像信息畸变，研究了平场校正算 法，包括漂移校正、增益校正和缺陷校正等，针对传统的平场校正算法在实 际临床使用中的不足之处，提出了一种改进的平场校正算法，这种改进算法 更符合临床的实际情况，能够提高系统的量子探测效率。 ( 2 ) 研究了医学数字x 射线透视成像中的噪声的来源和性质，提出了一种基于灰 阶梯度自适应非线性滤波算法，并对其滤波特性进行了实验验证。 摘要 ( 3 ) 研究了x 射线散射的形成及其对图像质量的影响，给出了维纳滤波在医学数 字x 射线图像散射恢复中的改进形式，提出了三种散射退化模型，并利用典 型的散射图像比较了它们的恢复效果。 ( 4 ) 提出了基于人眼视觉特性的非线性对比度增强算法，研究了多尺度的医学数 字x 射线图像细节增强算法，比较了两种常用的多尺度算法( 小波算法和 l a p l a c i a n 算法) 的图像增强效果，分析了小波增强算法出现振铃效应的原因， 设计了多尺度的灰阶梯度自适应滤波降噪算法，提出了一种基于器官的多尺 度医学x 射线图像增强算法。临床试验结果表明，这种算法能够大幅度地提 高x 射线透视图像的诊断质量，更好地为临床诊断服务。 ( 5 ) 对于胸部x 射线图像肺节结计算机辅助检测，从胸部x 射线图像的解剖和 诊断入手，针对数字x 射线图像的特点，采用结合边界信息和区域信息的改 进的s n a k e 模型用于肺野的分割，和传统的图像分割算法相比，这种分割算 法能够将底层的图像分割和图像结构的先验知识结合起来，对噪声和个体差 异具有更大的稳健性；然后对胸部数字x 射线图像进行尺度空间分析和肺节 结感兴趣区域的提取，通过对图像进行感兴趣的尺度空间分析，可以抑制噪 声、小尺寸细节信息和大尺度解剖结构的影响；利用不同图像特征采用基于 规则的候选节结识别方法，和神经元网络分类器相比，基于规则的识别方法 不需要大量的训练样本，识别结果的解释明确，算法的调整方便，有利于进 一步开发交互式的计算机辅助检测系统( i a 蛐) ( 6 )提出了医学数字x 射线图像处理和分析的综合流程，并将这一流程结合进实 际的采用大面积t 兀 非晶硒x 射线探测器的d r 系统中进行了实际的临床 测试，测试结果表明，本文的图像处理和分析流程是实用和有效的，能够获 得高质量的诊断图像，同时通过肺节结计算机辅助检测能够提高早期肺癌的 检出率。 关键词：数字x 射线透视成像系统；非晶硒x 射线探测器；图像校正；图像恢复：多尺度 图像增强；计算机辅助检测 s t u d yo nt h ep r o c e s s i n g a l g o i u t h m sf o rm e d i c a ld i g i r 】隋山x r a yi m 睑g e s a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g i c a la d v a n c e m e n t so fv l s i ，c o m p u t e ra n di n t e m e t ，d i g i t a lm e d i c a li m a g i n g s y s t e m sh a v eb e c o m ee s s e n t i a l t of 0 加am o d e mi n t e 伊a t e dh e a l t h c a r ee n t e 印r i s e ( m e ) a b o u t 6 5 7 0 o ft h er a d i o l o g ye x a m i n a t i o n sa r ex - r a yp r i o j e c t i o nm d i o g r a p h y d u r i i l gt h ep a s tf e w y e a r s ，r e s e a r c hl a b o r a t o r i e sa n dm a n u f a c t u r e r sh a v ed e v o t e dt r e m e n d o u se n e 唱ya n dr e s o u r c e st 0 i n v e s t 远a t i n gn e wd i g i t a l r a d i o 伊印h ys y s t e m st or 印l a c et h ec o n v e n t i o n a ls c r e e l l r f i l ms y s t e m s t h ed e v e l o p m e n to fi m a g i n gs y s t e ma l s ob r o u g h tm a n yn e wc h a l l e n g e sa n dc h a n c e si ot h ei m a g e p r o c e s s i i l ga n da n a l y s i st e c h n o l o g y d u r i n gt h ei m a g ec a p t u r i n go ft h ed rs y s t e m ，t h e r ea r es o m ef a c t o r ss u c ha st h e n o n u n i f o m l j t yo ft h ed e t e c t o r ，x - r a ys c a t t e r i l l ga n dn o i s e ，w h i c hr e s u l ti nt h ed e 星a d a t i o no fi m a g e q u a l i t y w em u s tf i n de f i b c t i v em e t h o d st or e m o v et h ee f ：l e c to ft h e s ef a c t o r s a tt h es 锄et i m e ， s i n c et h e r ei sag a pb e 呐e e nt h ev e r yl a 唱ed y n a m i cr a n g et h a tc h a r a c t e r i z e st h ex r a yd e t e c t o ra n d t h el i m i t e dr a n g eo ft h eo u t p u tm e d i u ma n dv i e w i n gp r o c e s s ，p r o p e ri m a g ee n h a n c e m e n t f u n c t i o n a l i t ym u s tb ed e v e l o p e d om a n i p u 】a l ei m a g ed a t aj ns u c haw a y 出a ta l ld j a g n o s t j c a l l y u s e f u li n f o n n a t i o na r ee n h a n c e dt oa na p p r o p r i a t el e v e lo fv i s i b i l i t y 0 nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h e p r o d u c t i o no fm a s sh i g hq u a l i t yd i g i l a lx - r a yi m a g e s ，i fw ec a nl e tc o m p u i e ra c ta sa na s s i s t a n to f t h ed o c t o r st oa n a l y z ea n dd i a g n o s es o m ed i s e a s e s ( p l a y i n gt h er o l eo f “s e c o n dr e a d e r t op r o v i d e t h ed o c t o r sw i t has e c o n do p i i l i o ns oa st of o c u sh i s l l e ra t t e n t j o no ns u s p i c i o u si m a g ez o n e s ) ，j ti s v e r yh e l p f u l t oi m p r o v et h ed e t e c t i n gr a t eo fs o m ed i s e a s e s ，s u c ha se a r l yl u n gc a n c e r 0 u rg o a lo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e v e l o ph i g hp e r f o n n a n c ei m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s a l g o r i t h mf o rm e d i c a ld i g i t a lx - r a yi m a g e s w ef o c u so nd e v e l o p i n ga p p r o p r i a t ei m a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t l l l t lt or e m o v et h ef a c t o r sw h i c hr e s u l ti nt h ed e g r a d a t i o no fi m a g eq u a l i t y ( s u c ha s n o n u n i f o m i t yo fd e t e c t o r ，x - r a ys c a t t e r i i 培a n dn o i s e ) a n dt oe n h a n c et h ed i a g n o s t i c a l l yi m p o n a n t i n f o m l a t i o no ft h ei m a g ed a t a ；f i n d i n ge f f e c t i v ec o m p u t e 卜a i d e dd e t e c t i o nm e t h o d sw h i c hi sf i tf o r d i g i t a lx r a yi m a g e so nt h eb a s e so fc u e n tc o m p u t e r - a i d e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s 0 u ri n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) w ea n a l y z e dt h ef a c t o r st h a tr e s u l ti nj n f o 瑚a t j o nd i s t o n j o nd u “n gi l i l a g ec a p t u r e ，s u c ha s a b s t r a c t n o n u n i f o i l i t ya n da r t 赶a c t so ft h ed e t e c t o r a c c o r d i n gt ot l l e s ef a c t o r s ，w ed e v e l o p e d t l l e i m a g ec o r f e c t i o na l g o r i t l l m ，w h i c hi n c l u d e so f f e t ，g a i na i l dd e f e c tc o r r e c t i o n b a s e do nt h e l i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a lf 1 a t - f i e l dc o 玎e c t i o na l g o r i t l l mw h e nu s e di nc l i n i c a le x p o s u r e ，w e p r e s e n t e d 孤妇p r o v e dr a t - f i e l dc o r r e c t i o na l g o r i t l l m 孤dc o m p a f e di t sc o n e c t i o nr e s u l t w i t ht h ec o n v e n t i o n a lf 1 a t f i e l dc o 盯e c t i o na l g o r i t h m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a to u r c o n - e c t i o na l g o r i t h mi m p r o v e st h ee l i i i l i l l a t i o no ff 设e d - p o i n tn o i s es u p e r i m p o s e di nt h e u n c o e c t e di i i l a g e ，p a n i c u l a r l yf o r h i g h e rs p a t i a l 仃e q u e n c ya n d h i g h e ri n c i d e n te x p o s u r e s ( 2 ) w ea n a l y z e dt h es o u r c ea n dc h a t a c t e r i s t i c so ft h en o i s eo fm e d i c a ld i g i t a lx 。r a yi m a g e s ，t h e n w ep r e s e n t e da 伊a y s c a l e 伊a d i e n tb a s e dn o n l i n e a ra d a p t i v ef i l t e r t or e m o v et h en o i s ei nt h e d i g i t a lx r a yi m a g e s w ec o m p a r e di tw i t ht h eo t h e rn o n l i n e a rf i l t e r st h r o u g ht h ec o m p u t e r s i m u l a t i o ni m a g e s i ti ss h o w nt h a tt h ep r e s e n t e dn o n l i n e a rf i l t e ri sm u c hm o r ee f ! i e c t i v en o t o m yi nr e d u c i n gt h en o i s eb u ta l s oi np r o t e c t i n gt h ee d g e sa n dd e t a i l so fi m a g e ( 3 ) w ea n a l y z e dt h ed e 伊a d a t i o no fi m a g eq u a l i t yb e c a u s eo ft h ex - r a ys c a t t e r i n g am o d i f i e d w i e n e rf i l t e ri sg i v e nf o rd i g i t a lx r a yi m a g es c a t t e r i l l gr e s t o r a t i o n w ep r e s e n t e dt h r e ek i n d s o fs c a t t e r i n gd e 黟a d a t i o nm o d e la n dc o m p a r et h e i r f e s t o r a t i o ne f f e c t su s i n gt y p i c a ls c a t t e r i n g l m a g e s ( 4 ) i no r d e rt oi m p m v et h ed i a g n o s t i cq u a l i t yo fd i g i t a lx r a yi m a g e s ，w ed e v e l o p e dt h e a p p r o p r i a t ei m a g ee n h a n c e m e n ta l g o r i t h m s w ep r o p o s e dan o n l i n e a rc o n t r a s te n h a n c e m e n t a l g o r i t h mb a s e do nh u m a nv i s u a lp r o p e n i e s f o rt h ed e t a i le n h a n c e m e n t ，w ec o m p a r e dt h e p e 血珊a n c eo ft w om u l t i s c a l em e t h o d s ，n a m e l yt h el a p l a c i a np y r a m i da n dt h ef a s tw a v e l e t “a n s f o r r n ( f w d w ef o u n dt h a tt h ee n h a n c e m e n tb a s e do nt h e v ts u f f e r sf r o mo n e s e r i o u sd r a w b a c k t h ei n t r o d u c t i o no fv i s i b l ea n i f a c t sw h e ns h a 印e d g e sa r ee n h a i l c e d s t r o n 舀y t l l l e nw ed e s i g i l e dam u l t i s c a l en o n l i n e a rg r a d i e n ta d a p t i v ef i l t e rf o rd e n o i s i n go f t l l ed i g i t a lx r a yi m a g e s f i n a u yw ep r e s e n tam u l t i s c a l eo 唱a ns p e c i f i ci m a g ee n h a n c e m e n t a l g o r i t h mf o rd i g i t a lx r a yi m a g e s i ti n t e g r a t e st h ea d a p t i v ed e n o i s i n g ，i m a g ee n h a n c e m e n t a n dn o i l l i i l e a r 伊a y s c a l et r a n s f o 珊i nt h em u l t i s c a l ed e c o m p o s i t i o no fd i g i t a lx - 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b a s e dm e t h o dw h i c hu s e s m u l t i p l ei m a g ef e a t u r e st or e c o g n i z et h et m ea i l df a l s ec a n d i d a t e s c o m p a r e dw i t hc u r r e n t a n i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) b a s e dc l a s s i f i e r s ，t h i sm e t h o dn e e d n tl a 唱et r a i n i n gd a t a s e t s ，m o r e o v e rt h er e s u l ti se a s yt oe x p l a i n ，t h i si sv e r yh e l p f i l l t od e v e l o pa ni n t e r a c t i v e c a ds y s t e m n er o ca n a l y s i so fo u rm e t h o ds h o w e di ti se f f 色c t i v et oi m p r o v et h e d e t e c t i n gr a t eo fe a r l yl u n gc a n c e r ( 6 ) b a s e do nt h ef o n l l e rr e s e a r c h ，w ep r e s e n t e dac o m p r e h e n s i v ei m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s p r o c e d u r ef o rm e d i c a ld i g i t a lx r a yi m a g e sw h i c hh a v eb e e ni n l e 黟a t e di n t oa na - s et f i x - r a yd e t e c t o rb a s e dd rs y s t e m t h ec l i n i c a lt r i a ls h o w e dt h a tt h i sp r o c e d u r ei se 量f e c t i v e w ec a ng e t t h eh j g b e rd i a g n o s t j cq u a l i t yj m a g e sb yi t 。1 1 l ec o m p u t e r a i d e dd e t e c t i o no nc h e s t i m a g e si sh e l p f u l t oi m p r o v et h ed e t e c t i n gr a t eo fe a r l yl u n gc a n c e r 1 【e y w o r d s ：d i g i t a lr a d i o 舯p h ys y s t e m ；a - s ex - r a yd e t e c t o r ；l m a g ec o r r e c t i o n ；l m a g e r e s t o r a t i o n ；m u l t i s c a l ei m a g ee n h a n c e m e n t ；c o m p u t e 卜a i d e dd e t e c t i o n v 一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 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 撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 漩凡起 日期：& o d y 年72 月舌日 瓜卜【“、o， 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，l 司意学校保留并向国家 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。本人授权上海交 通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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：强) 钆超 指导教师签名： 似 日期：& 。口，年胁月尼日日期：b d 庳r l 月f 6 日 第一章绪论 1 8 9 5 年伦琴的报告论新的射线宣告了x 射线的发现。伦琴的发现引起了世界的强 烈反应，从此，关于x 射线的研究和应用广泛开展。x 射线在医疗卫生中的广泛应用导致 了专门的x 射线放射诊断学的出现，人体不同组织、器官及代谢状态，包括病变、伤残等 会引起对x 射线的不同吸收，医学专家通过穿透人体的x 射线所成的影像( 透视图像) 来 诊断疾病。随着计算机技术的不断发展，众多学者对医学数字x 射线的图像处理与分析算 法进行了深入的研究，提出了很多新的方法和思路，同时成像器件的不断发展也对医学数字 x 射线的图像处理与分析提出了新的挑战和机遇。紧跟医学x 射线透视成像技术的前沿， 研究高性能的医学数字x 射线图像处理与分析算法是本文的主要研究目的。 本章的内容安排如下：首先简要介绍本文的研究背景和意义，然后阐述医学x 射线成 像系统的发展历史、现状及未来趋势，系统地对前人的研究工作进行综述，最后给出本文详 细的研究内容及后续的章节安排。 1 1 研究背景和意义 随着微电子技术、数字计算机技术、医学技术、尤其是国际互联网络和信息技术的发展， 提高医疗服务效率和水平，建立医院信息管理系统( h i s ) ，开展远程医疗服务成为当今社 会面临的重要任务。为此，对图像存档和传输系统( p a c s ) 的需求越来越紧迫。医学图像 数字化是其基础和重要内容，数字医疗成像系统成为发展的主流。x 射线透视成像是目前最 常用的医学诊断成像手段，6 5 7 0 的医学影像检查是依靠x 射线透视来完成的。对于x 射线透视成像而言，传统的屏片成像系统动态范围小、线性范围小，是非实时、非数字化 的成像方法，不能进入e a c s ，资源浪费严重。只有实现了x 射线透视成像的数字化，才能 完成放射科的数字化建设。上世纪9 0 年代中后期以来，国内外各大研究机构和厂商对数字 x 射线透视成像系统( d r 系统) 进行了深入研究并取得了一定成果。图1 1 是d r 系统的 简单框图，它表示了d r 系统的成像过程：穿过患者检查部位的x 射线经数字x 射线探测 器捕捉后形成数字图像，经计算机采集和处理后直接送往p a c s 系统供医生诊断。d r 系统 的应用有望能够从根本上改变普通x 射线摄影的工作流程和模式，带来更好的图像质量、 更低的x 射线剂量、更宽广的动态范围以及更先进的图像后处理功能，明显提高放射科的 工作效率和患者的流通率，同时也降低工作人员的劳动强度。 第一章绪论 图1 1 医学数字x 射线透视成像系统框图 对于医学数字x 射线透视成像系统来说，其图像采集过程中难以避免地存在着引起图 像质量下降的各种因素，必须进行处理后才能使用。同时，随着医用数字x 射线探测器技 术的迅速发展，目前所用的图像显示设备的动态范围要远小于探测器能够记录的密度范围， 采集到的数字x 射线图像数据必须经过有效的图像处理才能正确显示在屏幕上，这种处理 的目的是把对诊断最有意义的部分显示在屏幕上。因此，对于一个数字x 射线透视成像系 统而言，图像质量的好坏不但与成像系统本身性能有关，用户所看到的图像质量主要取决于 系统的图像处理水平。只有根据成像系统的特点设计合适的图像处理算法，才能充分发挥成 像系统的固有优势，为建立一个高性能的数字x 射线透视成像系统奠定基础。 随着医学成像系统( 数字x 射线成像系统、超声、c t 、m r i 、d s a 、p e t ) 技术的 进步，产生的医学图像数据越来越多，其中包含的诊断信息也越来越丰富，医生的诊断任务 大大加重，经常疲于应对。如果能够让计算机在医学图像分析和诊断中发挥一定的作用，对 于降低医生的劳动强度，提高疾病的早期检测率无疑具有十分重大的意义。另一方面，上世 纪4 0 年代现代数字计算机技术问世以后不久，人们就开始研究由计算机来完成以往仅靠人 类智力完成的任务。人们从上世纪6 0 年代就开始研究放射图像计算机分析技术 【b e c 6 4 ；m e y 6 4 】，在早期的研究中，人们对计算机的分析诊断能力比较乐观，期待能够开发 出全自动的诊断系统( e a c d ：f u l l ya u t o m a t i cc o m p u t e rd i a g n o s i s ) 【c o n 8 2 】，但是几十年来， 如同人们对人工智能技术的认识和研究一样，这种期待也在不断降低。由于人体的解剖结构 复杂、病变的形态和结构变换多端，病变的x 射线影像只反映病变的宏观形态，有经验的 诊断医生必须掌握三维立体的解剖结构、病理生理学并结合临床信息，才能作出较可靠的诊 断。现在大家认同的观点是尽量让计算机产生的信息能被用于支持医生的诊断，而不是试图 让计算机扮演诊断医生的角色【e n 9 9 2 1 。因此，目前关于医学x 射线图像分析的研究主要集 中于计算机辅助检测( a 气d ：c o m p u t e r - a i d e dd e t e c t i o n ) 技术，它利用先进的计算机技术分 析放射图像，以发现并检查病变特征，在影像诊断中发挥着一个侦察兵的作用，将可疑对象 1 j 芦支童声謦博士学位论文 勾出，以告诫诊断医生，注意观察判断。它不是一个最终决断者，而只是建议者( s e c o n d 0 p i n i o n ) ，最终诊断还是由诊断医生作出。 肺癌是危害人类健康的头号杀手，肺癌的发病在近5 0 年来有明显的上升趋势，中国每 年新增肺癌患者数十万人，如果能够提高早期检出率，将可使数以十万计的患者获得生存机 会，也可节约大量中、晚期癌症患者的巨额医疗费用。因此，提高肺癌的早期检出率具有十 分重大的意义。胸部x 射线摄影作为胸部疾患诊断的基本手段，可直接对早期肺癌的部位、 大小、形态作出诊断，因此是目前肺癌早期普查的首选方法。但是在传统的屏胶成像系统中， 由于受图像质量的制约，早期肺癌的检出率不高。近年来胸部x 射线图像的计算机辅助检 测( c a d ) 研究在国外取得了较大的进展【g i n 0 1 】，美国芝加哥大学承担着美国国家癌症研 究所癌症治疗与诊断研究室资助的胸片的a 气d 研究课题，最近他们对其研究出的c a d 算 法进行了一次大规模的观测试验，选择2 0 张正常胸片和2 0 张病变胸片，经过激光数字化扫 描仪扫描后随机出现在诊断工作站上，挑选1 4 6 名观察者判读，其中2 3 名专职x 射线胸片 诊断医生，5 4 名其他放射诊断医生，2 7 名实习放射医生和4 2 名非放射医生，先不用c a d ， 再采用c a d ，判断结果记录进行分析，最终结果令人兴奋，所有人在使用q 气d 后的检测精 度都明显提高。但这些结果都是基于传统胶片x 射线摄影进行的研究。国内计算机辅助检 测方面的研究仅见于乳腺x 射线图像应用的少数报道【w a n 0 3 】，而直接对d r 图像进行计算 机辅助检测应用于肺癌早期发现的研究国内外均少见报道。 本文的主要研究目的是采用数字图像处理方法消除医学数字x 射线成像过程中引起图 像质量下降的各种因素( 如信息畸变、散射、噪声等) 的影响；根据临床需求增强医学图像 中的有用信息，把对诊断最有意义的部分显示出来，获得高质量的诊断图像；在以往胸片计 算机辅助检测技术的基础上，研究更适合于d r 胸部x 射线图像的计算机辅助检测算法。 1 2 医学x 射线成像系统的发展历史及现状 医学x 射线透视成像利用人体组织、器官对x 射线衰减的差别形成影像。x 射线透视 成像实质上是一种投影成像方式，图像信息综合了被检体密度、化学组成原子序数、厚度的 差别。该成像方式在医学诊断中己普遍采用，是一种常规的内外科诊断检查手段。本节我们 将简要阐述医学x 射线透视成像系统的历史、现状及未来发展趋势。 1 2 1 屏胶成像系统 在x 射线发现后不久，钨酸钙( c a w o 。) 即被发现在x 射线照射下可发射蓝光( 荧光) ， 第一章绪论 从此以后，钨酸钙和胶片就成为x 射线透视成像的探测材料：钨酸钙将x 射线转化为荧光， 荧光曝光胶片形成潜影，胶片经显影、定影后成为可见光图像，钨酸钙称为增强屏，上述成 像系统称为屏胶系统。屏胶系统比胶片敏感，人体所接受的x 射线辐射可减至原来的1 0 1 ，大大提高了诊断成像的安全性。增强屏的使用，可认为是x 射线透视成像系统的重要 进展，使用时，胶片与一个增强屏紧密接触，或与两个增强屏形成夹心结构，整个装置置于 暗盒内。时至今日，这种x 射线透视成像方法在医疗诊断中仍然普遍使用。除个别高分辨率 的特殊场合外，已完全取代了胶片直接成像。除钨酸钙外，在2 0 世纪7 0 年代，又发现了一 些含稀土元素的荧光材料可作增强屏，现用作增强屏的荧光材料主要有【s p r 9 1 】：硫酸铅钡、 硫酸锶钡、氟氯化钡、硫氧化钆等，每种化合物中都含有高原子序数元素吸收x 射线。 增强屏的使用极大地降低了辐射剂量，但同时荧光在增强屏中的扩展引起了图像分辨 率变差，屏胶系统较直接使用胶片分辨率低。荧光扩展的范围与增强屏厚度大体相当，因此 分辨率与增强屏厚度有直接关系：增强屏越厚，x 射线吸收越多，灵敏度越高，但同时荧光 扩展较大，分辨率较低；相反，增强屏薄，x 射线吸收少，灵敏度低，但荧光扩展较小，分 辨率高。实际使用时需要权衡分辨率和灵敏度，选择适当的增强屏厚度。显然，使用两个增 强屏的夹心结构更具有优势。屏胶系统近年来有所发展，主要采用非对称增强屏，以在灵敏 度、分辨率和对比度之间达到更好的权衡，使图像品质更好。 胶片成像是历史最长的，较为完善成熟的x 射线成像系统，其优点主要表现在以下几 个方面： ( 1 ) 成像系统简单廉价，无复杂的操作过程，推广迅速。 ( 2 ) 分辨率较高，可根据诊断需要选择增强屏的厚度来改变灵敏度和分辨率，大体 上能满足常规诊断检查需要。 上述两个特点说明了屏胶系统虽然受到诸多挑战和批评，但目前仍广泛使用的原因。 胶片成像的缺点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 动态范围小，非线性失真严重。人体的某些部位，如胸部，组织器官在密度上差 别很大，均匀的x 射线束穿过这些部位后，强度起伏很大，如果要使整个影像区 域都有良好的对比度，接受器必须具有很宽的动态范围。然而，屏胶系统的动态 范围至多在1 ：1 0 0 左右，在低曝光区和高曝光区，胶片的光密度与曝光量之间呈 非线性关系，失真严重，对比度很差，因此难以对整个区域都实现良好的对比度。 在胸部x 射线图像中，一般只能对部分区域实现较好的对比度。要获得一幅清晰 的x 射线图像需要放射技师丰富的经验和细心的显影、定影处理。 一d 一 ( 2 )成像周期长，补救困难，手工操作劳动量大。胶片成像是非实时的成像方法，显 影、定影需要较长的时间，而且是暗室人工操作，患者多时劳动量很大，不能满 足病患量大的场所( 如大规模体检) 。在化学处理时只能对曝光稍作补救，一旦处 理完毕，图像无法改变，现有的各种图像处理方法无用武之地。 ( 3 ) 难以数字化，电子存档困难。以胶片为物质载体的图像难以再与其他的外围电子 设备兼容，无法进入医院信息管理系统h l s 的子系统图像存档和传输系统p a c s ， 医生查阅诊断图像只能靠手工提取，耗时耗力，效率低下，更不可能实现网上传 送和远程查阅诊断。利用各种数字扫描仪虽然可以实现胶片图像的数字化，但数 字化后分辨率损失严重，胶片分辨率高的优点荡然无存【y i p 9 0 】，而且这种数字化 过程同样耗时耗力。 ( 4 )资源浪费严重，存档代价昂贵，保存期短，不利于环保。制作胶片需要氯化银， 显影、定影用化学药液对环境不利，在胶片大量使用时这种资源浪费不可低估。 胶片较贵，体积大，而且保存期短，易于变质而使图像受损。相比之下，光盘等 电子存储方法则相当廉价，存储量大，保存期长。 鉴于上述原因，尽管胶片成像仍在大量普遍使用，但已到了其发展的终点，人们的兴趣 已转移到可电子存储的数字化x 射线成像设备上。 1 2 2x 射线图像板成像( c r ) 系统 在胶片成像中，胶片是图像形成和贮存的介质，胶片的曝光及后继的显影、定影都是化 学过程，由于这种化学处理是不可逆的，胶片是一次性的成像介质，不能多次使用，因此资 源浪费严重。如果在成像中介质仅发生可逆变化，则成像介质可以反复使用，资源浪费可以 避免；当然，已形成的图像需要转移至其他介质贮存。x 射线图像板( 1 p ) 正是这种可反复 使用的成像介质。 图像板又称光激励发光板( p s l ) ，一般是用含有稀土元素的b a f b r 多晶粉末制成的， 稀土元素用作激活物，其能级决定了图像板发光特性，多用e u 激活的b a f b r ：e u 2 + o 【y a f 9 7 】。 图像板对x 射线的吸收机理与增强屏或转换屏完全相同，所不同的是，在转换屏中从激发 到发射荧光时间间隔很短；而在图像板中，x 射线电离激发的电子、空穴部分被陷阱捕获( 部 分立即复合发光，这一部分荧光对图像形成无用) ，而被捕获的电子、空穴数目与辐射强度 成正比，这样将辐射强度以捕获电子、空穴的形式存贮起来形成潜像。一旦外界供给适当能 量，如用光照射图像板，电子、空穴获得能量从陷阱中释放出来，相互复合并发射荧光。在 第一章绪论 图像板中故意引入陷阱以捕获电子、空穴，在室温避光下电子、空穴在陷阱态中可停留数小 时甚至更长时间，这就是x 射线潜像的存贮期。图1 2 给出x 射线图像板成像系统及成像 过程。 图1 2 图像板成像系统的成像过程 x 射线图像板成像可分为以下四个过程：( 1 ) 图像板在x 射线下曝光，以被捕获电子一 空穴的形式形成潜像；( 2 ) 扫描激光束照射图像板，电子、空穴从陷阱中释放，相互复合发 射荧光，荧光强