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末南大学硕士学位论文 b 超图像处理与显示技术研究 摘要 超声成像作为当前影像诊断中四大成像方法之一，在医疗诊断中有着广泛的应用。通过 图像处理与三维显示，可以有助于建立超声图像的临床诊断指标体系，提供更j , j 方便直观的 临床诊断手段。 基于p c 微机的b 超诊断系统的研制成功，使b 超图像处理及三维显示自然成为其基本 的系统功能。本文在介绍了超声成像技术及图像处理技术相关知识的基础上，对b 超图像处 理算法进行了探讨，研究适合于b 超图像的图像处理( 包括图像预处理、区域分割、边缘轮 廓提取等) 算法。提出了一种改进的一维o t s u 算法用于b 超图像区域分割，取得了满意效果。 在此基础上，本文还在b 超图像三维显示方面进行了初步的研究，采用o p e n g l 实现了从序 列图像的采集到序列图像中特定区域的最终三维效果显示。最后，对今后进一步的研究： 作 进行了讨论并提出了建议。 关键字：b 超图像图像处理图像增强图像分割o t s u 法边缘轮廓提取三维显示 东南大学硕士学位论文b 超圈像处理与显示技术研究 a b s t r a c t a so n eo f t h ef o u rt o pm e d i c a li m a g i n gt e c h n i q u e s ，u l t r a s o n i ci m a g i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di n m o d e r nm e d i c a li m a g ed i a g n o s i s i m a g ep r o c e s s i n ga n d3 - dd i s p l a ya r ec o n d u c i v et oe s t a b l i s h c l i n i cu l t r a s o n i cd i a g n o s i sg u i d e l i n ea n dp r o v i d em o r ec o n v e n i e n tc l i n i cd i a g n o s i sm e a n s t h eu l t r a s o n i ci m a g i n gs y s t e mb a s e do np e n t i u mp e r s o n a lc o m p u t e rm a k e si t p o s s i b l et o a c c o m p l i s hi m a g ep r o c e s s i n ga n d3 - dd i s p l a yo nt h es y s t e m i nt h i sp a p e lt h ea l g o r i t h m so fb t y p e u l t r a s o n i ci m a g ep r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gp r e p r o c e s s i n g ，s e g m e n t a t i o na n dc o n t o u rd e t e c t i o n ，h a sb e e n s t u d i e d ，f o l l o w i n gas u r v e yo f u l t r a s o n i ci m a g i n ga n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y am o d i f i e di - d o t s ua l g o r i t h mf o ru l t r a s o n i ci m a g es e g m e n t a t i o ni s p r o p o s e da n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s a r e s a t i s f a c t o r y 3 - dd i s p l a yo fu l t r a s o n i ci m a g e si sa l s od i s c u s s e d i th a sb e e nc o m p l i m e n t e dt o d i s p l a ys p e c i a lr e g i o n si na3 - 1 3m o d e ，s t a r t i n gf r o ma c q u i s i t i o no fs e q u e n t i a lb - b r p ei m a g e s ，b y u s i n go p e n g l f i n a l l y , s e v e r a lr e l a t i v et o p i c so nf u r t h e rr e s e a r c ha r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：b - u l t r a s o n i ci m a g e i m a g ep r o c e s s i n g i m a g ee n h a n c e m e n t i m a g es e g m e n t a t i o n o t s um e t h o d c o n t o u rd e t e c t i o n 3 一dd i s p l a y 1 1 学位论文独0 1 j 性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 乒乒鼻 关于学位论文使用授权的说明 日期：a 一眵哆p 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：进 仁颦 东南大学硕= l 学位论义 b 超图像处理与显示投术研究 第一章引言 现代医学影像技术学的发展日新月异，越发显示出它在诊断与治疗方面的重要性。医学 超声成像技术和x - c t 、m r 及核医学成像( p e t 、s p e c t ) 均被公认为现代医学四大影像技 术，现已成为现代医学影像技术中不可替代的支柱。与其他成像相比，超声成像技术具有实 时性好、无损伤、无痛苦以及低成本等独特优点。 1 1 超声成像技术及其应用1 1 1 | 2 i i 超声成像的研究最早可以追溯到1 9 2 0 年。著名的原苏联科学家萨卡洛夫( s j s o k o l o v ) 从1 9 2 0 年起进行了近2 0 年的声成像研究，为声学界做出了重大贡献，并于1 9 3 5 年完成了液 面成像装置”“。其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。6 0 年代末，由于电子 技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，声成像研究恢复了生机。7 0 年代形成了j 1 a q n 较成熟的方法，大量商品化设各上市，在医学诊断中得到极其广泛的应用。 超声成像是用超声波获得物体可见图像的方法，利用超声对人体的作用与反作用规律， 观察在生理和病理状态下人体结构的形态学特征与变化的规律。由于声波可以穿透很多不透 光的物体，故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，声成像技术将这些信息 变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。因此超声成像是 人们获得不透光物体内部声学特性分布最直观的方法。 超声成像方法有很多种，包括有： 1 扫描超声成像 1 9 4 4 年。美国的e a f i e r s t o n e 发表了采用超声脉冲法探伤仪的报告。1 9 4 6 年，英国的 d o s p r o n l e 研制成第一台a 型脉冲反射式超声探伤仪。超声脉冲回波在示波管荧光屏上可 有不同的显示方式。如a 型显示、b 型显示、m 型显示等。 2 超声波显像 声波是力学波，它会改变传播介质中的一些力学参数，比如质点位置、质点运动速度、 介质密度、介质中应变、应力等，液体中还引起辐射压力。利用这些参数变化可以使声波成 为可见。到目前，最有效雨常用的声波显示方法是施利仑法( s c h l i e r e n ) l j 光弹法。施利仑法的 根据是声波导致介质密度变化，而后引起光折射率的改变。光弹法成像原理是超声引起应力， 在各向同性固体中，应力产生光的双折射效应，光通过应力区后，偏振将发生变化。 3 ，超声全息 超声全息法是利用干涉原理来记录被观察物体声场全部信息( 振幅分布和相位分布) ，并 实现成像的一种声成像技术和信息处理手段。4 0 年代，c a b o r 论证了用相干光将三维图像记 录在二维照相底片上的可能性，这就是全息照相。6 0 年代后期，全息概念才进入超声领域。 早期的声全息完全模仿光全息的方法，重建像有严重的深度畸变，没有实用价值。目前比较 活跃的声全息方法与光全息方法不同。扫描声全息大致分为两类，一类是激光重建声全息， 它是用一与入射波同频率的电信号与探测器的输出电信号相加，用叠加信号的幅度去调制荧 光屏光点的亮度，在荧光屏上形成全息图。将全息图拍摄下来，再用激光照射全息图，获得 重建像。另一类是计算机重建声全息，它是利用扫描记录到的全息函数与重建像函数之间是 空间傅氏变换对的关系，直接由计算机计算而实现的重建，由于它不需要拍摄全息图，故又 称为无全息图重建。 4 超声显微 超声显微镜是利用声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的系统和技术。 东南大学硕士学位论文 b 超图像处理与显示技术司f 究 5 相控阵法 超声检测中，往往要进行声束扫描。常用的快速扫描方式有机械扫描利电子扫描。机械 扫描又有线形扫描、扇形扫描、弧形扫描和圆周扫描等几种形式，而电子扫描则也有线形和 扇形扫描这两种形式。相控阵成像是通过控制换能器阵中各阵元激励( 或接收) 脉冲的时间延 迟，改变由各阵元发射( 或接收) 声波到达( 或来自) 物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声 束方位的变化，完成声成像的技术。 6 合成孔径聚焦成像( s a f t ) 合成孔径聚焦超声成像是自7 0 年代发展起来的一种超声成像技术，它是由合成孔径雷达 技术发展过来的。在这项技术中，应用小孔径换能器和较低的工作频率获得高方位分辨率， 突破了经典理论的限制。 除此之外，还有a l o k 超声成像、超声c t 等成像技术。在上述所有成像方法中，扫描 超声成像在医学诊断中已得到了“泛的应用。近几年来，超声成像技术的发展十分迅速，医 学超声技术在基础研究、超声图像改善等多个领域取得了长足进展，尤其是计算机的发展及 其在超声医学中的运用，不仅提高了已有的医学超声技术性能还开发出许多新的技术，如多 普勒组织成像技术、三维超声成像技术等，使得超声诊断的方法更加丰富。尽管这些成像技 术的发展向着先进的方向迅速发展，但是成像的宗旨总是为了让呈现于用户面前的图像能够 提供更多诊断信息，能够更易于人们的观察和理解。下面将主要介绍一f 扫描超声成像法中 a 型、b 型、m 型、c 型显示方式及三维超声成像技术。 1 1 1a 型超声成像显示方式 采用a 型超声成像显示方式的仪器称为a 型超声诊断仪，简称a 超仪。a 超仪所显示 的是回波信号的包络幅度( a m p l i t u d e ) 。因此而得名a 超。 a 型超声成像显示方式是沿单一方向发射超声声波并接收回波，以振幅米显示回波的强 弱，属一维显示方式。a 型显示的波形的含意是：横坐标代表超声的传播时间，也就是代表 探测回波的不同深度；纵坐标代表回波的幅度也就是反射系数的大小。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。 a 型超声诊断仪显示的是回声波形图，它只能反映局部组织的回波信息，在临床诊断上 缺少解剖形态，诊断的准确性和医生的临床经验有很大关系。冈此，目前在发达国家已经不 生成这种仪器，在我国的医院中也不用这种仪器了，但在少数地区的计划生育部门还有些 应用。 近年来，对a 超的看法有点改变，因为a 超很适用于对静i 而简单的组织器官作检查和 测量，例如脑中线检查和眼科检查。它在生物结构尺寸的测量中具有较高的精度，因此可对 眼睛结构尺寸等进行测量。 在超声的组织定征研究中，a 超也有它的优势。通过对a 超仪的特别设计和检奇技术的 标准化，有利于组织的鉴别和诊断。 1 1 2b 型超声成像显示方式 采用b 型超声成像显示方式的仪器称为b 型超声诊断仪，简称b 超仪。由于b 超仪采 用亮度( b r i g h t n e s s ) 调制方式来显示回波信号的强弱，因此而得名b 超。 b 型显示时，发射和接收的超声波方向按照一定规则扫查过一个平面，所以显示的b 型 黑向图像是一幅二维的截面声像图，因此常把这类仪器称为超声断层显像仪，国外则常称之 为b 型超声扫查仪( u i t r a s o u n db - m o d es c a n n e r ) 。b 型超声成像是超声诊断的主要方法， 东南大学硕士学位论文 b 超图像处理与显示技术研究 临床上常用的其他超声诊断法均与b 型超声成像法密切相关。 b 型超声成像显示是由a 型超声发展起来的二维切面显示方法。它是将界面的回波信号 以亮度显示，回波越强，光点越亮，称为亮度调制。这些光点按回声的先后出现在声扫描的 相应位置上，在显示器上显示为自上而下排列的光点。当声束平行连续扫查时，光点沿水平 方向展开，构成一幅完籀的切面图像。 因为脉冲回波法可获得回波信号幅度和回波反射源深度的信息，调亮后的光点亮度( 通 常称为灰阶) 与回波幅度间存在一定的函数关系( 由显示管的调制特性块定) 。在b 超仪的接 收放大通道中使用对数放大器，因此调亮所用的回波幅度信号已经过对数压缩处理，于是显 示出来的二维黑自图像具有很大的动态范围，其灰阶代表着反射( 或散射) 系数的变化。声 阻抗大的组织和结石等物质( 质量密度大的组织和物质，其声阻抗通常也大) ，其反射系数也 大，所以b 超图像上的光点亮度也高。 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。 而b 型超声成像中的实时( r e a l t i m e ) 超声成像是指成像速度达到每秒2 4 帧以上，可 以观察运动脏器的动态图像，有利于寻找小病灶以及显示相邻结构脏器之间的位置关系。 1 1 3m 型超声成像显示方式 采用m 型成像显示方式的仪器称为m 型超声诊断仪，简称m 超仪。m 超仪也采用亮度 调制方式显示回波幅度，这与b 超仪相同；它的探头中的换能器将在确定的方向上发射和接 收超声波，这点又与a 超仪类同。 由于m 型成像显示强调运动( m o t i o n ) ，因此而得名m 超。m 型超声诊断仪显示的是一 维空间组织的运动轨迹图，这与b 超仪所显示的二维空间组织的截面声像图有着原则性差异。 m 超仪显示的是灰阶图像，其成像过程如下：换能器在周定位置和方向对人体发射和接 收超声波，将回波信号幅度对显示器作亮度调制，于是在显示器上形成从上到下的一条亮暗 不等的扫描线。扫描线的起始处即为发射脉冲时刻，因此总是一个亮点，此后的扫描线光点 亮度将取决于回波信号的强弱，大的反射源将在扫描线上形成亮的点，而较小的反射源将对 应于较暗的光点。在用于心脏检查时，当探头对着心脏某个部伉时，随着心脏有：市律地收缩 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，这就是心动图。 为提取更多的诊断信息，m 型图像经常与b 型图像一起同屏显示，通过在b 型截面图像 上选择m 型图像的采样线，从而获得所需方向的m 型图像，避免了m 型显示时的盲目性。 1 1 4c 型超声成像显示方式 c 型超声波诊断仪是在b 型的基础上发展起来的，它具有线透视相类似的图像。我们 知道，b 型超声波诊断仪获得的是一帧垂直断层图像，即被探查脏器或病灶的垂直解剖图像， 但却不容易获得被探查脏器或病灶的水平解剖图像。然而，在临床诊断上，有时往往需要检 查肿瘤组织的扩大范围，这就要求显像仪能具有x 线透视的类似效果。因此，在b 型的基础 上发展了c 型超声成像显示方式。 c 型超声诊断仪采用多元线阵探头实现水平面上的x 、y 方向综合扫描，即在水平x 方向 采用和b 型一样的电子扫描方式，而在水平y 方向移动探头。当然仅仅如此还不能获得c 型 显示声像图，还必须设定一个探洲深度来保证显示这个深度上的回波显示图。 东南大学预上学位论文 b 超图像处理，_ 显示技术研究 1 1 5 三维超声成像技术1 1 1 5 i 三维超声成像的概念最初由b a u n 和g r e e w o o d 在1 9 6 1 年提出。他们在采集一系列平行 的人体器官二维超声截面图像的基础上，用叠加的方式得到了器官的三维图像。在这之后， 很多人进行了这方面的研究工作，试验了各种方法。 三维超声成像( t h r e e d i m e n s i o n a lu l t r a s o u n d ) 的发展已经有4 0 年左右的历史，早期的探 索由于受方法学和处理技术上的限制，难以获得理想的三维图像。近十年来，由于计算机技 术的飞速发展，三维图像的成像时间明显缩短，图像的质量也有了明显提高，采集图像更加 方便快捷，对疾病诊断的研究也日趋深入，已逐步进入临床实用阶段。 传统的b 型超声成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像，医生必须根据自己的经 验对多幅二维图像在大脑中进行合成以理解其三维解剖结构。这一过程需要长时间的训练和 相当的熟练程度，对医生提出了很高的要求，也伎某些方面的诊断有一定的局限性。与传统 的二维超声成像相比，三维超声成像具有以下明显的优势： 1 图像显示直观。医生可以在屏幕上直观地看到脏器的解剖结构，这对临床提供疾 病的准确诊断有重要意义。 2 在医学教学和手术规划方面有。泛的应用。通过人机交互的方式，人们可以从不同 的角度观察脏器的解剖结构与疾病状况，并在计算机上研究手术规划，完成模拟手术等。同 时，三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段和方法。 3 可以进行医学诊断参数的精确测量。很多医学参数，诸如心宝容积、心内膜面积等 的测量只有在三维条件下才能获得准确的定量结果。 4 可以缩短医生诊断需要的时间。二维诊断中，医生需要长时间检查人体器官以便在 大脑中形成病变器官的三维形态。三维检查只需短短几分钟就可采集到足够的数据，重构出 很好的病变器官的三维形态，大大减少了诊断所需要的时间。 总之三维超声成像的优越性及i 临床上广泛的应用前景，已使三维超声成像成为近年来 医学超声工程界研究的热点。与其它形式的三维医学成像系统相比，超声成像至今尚未取得 突破性进展。尽管如此，由于超声成像具有无创伤、无电离辐射等明显优势，随着三维成像 技术的日益成熟，超声三维成像必将成为今后医学成像系统研究最重要的课题之一，也必将 在临床上获得愈来愈广泛的应用。 1 2b 超图像的二维处理技术7 胂j 近年来，随着超声检查在 临床医学上的不断普及，医学超声图像在临床上也得到了越来 越广泛的应用。对于b 超诊断仪来讲，幽像是以最直接的形式呈现在用户面前的。作为超声 检查的关键所在，图像质量也将直接影响着医生的诊断质量。因此对原始的b 超图像进行 处理有着重要的意义。 一般情况下，在普通的b 超仪上，显示的是一幅二维的黑白截面声像图。由于受到b 超 的成像机理与硬件设各本身的影响，b 超图像的动态范围较小、对比度不高，通过一定的图 像处理手段，可以改善图像的视觉效果：另外，临床诊断中医生往往凭借个人经验对病变区 分割提取，进行测量，人为的操作引入了一些不必要的误差。通过对b 超图像进行适当的处 理，有助于医生做出更加准确的判断，从而提高诊断质量。 b 超图像作为图像，它有普通图像研究的共性。因此，可以借用某些普通图像研究的方 法。但与其他的一般图像不同，b 超图像有其自身的特点以及特定的应用领域，不能完全照 搬一般的图像处理方法。b 超图像的处理也正是数字图像处理技术在医学超声领域应用的一 个具体体现。 东南大学硕士学位论文b 超瞠像处理与显示技术研究 1 2 1 医学数字图像处理技术 医学图像处理技术是数字图像处理技术的一个分支。医学图像处理与分析是涉及多学科、 多领域的科学技术，包括医学、计算机、电子学、自动化、数学、生命科学等。医学幽像处 理与分析是直接服务于诊断和手术治疗的，是严格的定量研究。所谓医学图像处理，从广义 上说，就是将医学上的各种图像( 如显微镜下的图像、c t 图像、超声图像等) 通过高质量 的图像采集卡和计算机，将其变成一个计算机可识别的文件，从而实现对医学圈像的处理。 医学数字图像处理系统的工作过程一般包括：l 、图像输入设备把一幅图像转换为适台计 算机处理的数字信号并输入计算机。2 、针对原始图像及所需改善的图像参数采用各种算法对 数字图像进行各种变换和处理运算，以达到预期的处理结果。3 、实现图像数据文件的存储， 以满足以后的调用需要。4 、实现处理后的图像输出。 相对于原始图像来说，在图像转换、输入、处理、输出一系列过程中，多数会产生信息 丢失，一个优良的图像处理系统，其信息损失量必须保持在可容忍的范围内。图像处理的意 义和重要性在于图像经过处理后，其结果对某种特定的应用来说比原始图像更适合于人眼的 视觉特性或仪器的分析和识别。这就是突出所需要的某些信息，削弱或除去某些不需要的信 息，提高信噪比，提高图像质量的理论依据。 认识医学图像要在一定图像质量的基础上依据图像灰度、边缘轮廓、纹理特征、形状特 征等一系列特征通过肉眼对图像感知和识别。由于要通过肉眼观察，而视觉检测所能达到的 检测能力往往与图像具备的检测能力( 由成像系统所决定) 相差甚远，所以人为的对图像质 量的主观评价并不代表实际图像的质量。从理论上讲，只要目像具有一定的检洲能力，而直 观的视觉检测义不能反映出来，则通过一定方法的图像处理后，往往能得到在视觉检测f 质 量提高的图像。 长期以来，人们都在努力改善、创新成像技术，以求获得高质量的医学幽像，同时人们 也不断探索对已获得的图像进行处理，以改善图像的质量。从早期的模拟图像处理到近期的 数字图像处理。充分证明图像处理工作的成效是很大的。往往能达到事半功倍的效果。微机 在处理速度、存储容量等各方面性能上的飞速发展，使得微机医学图像处理系统能够把成像 和处理有机结合起来，能实现操作自动化、管理自动化和诊断自动化，能实现从二维平面图 像到三维形态显示，实现图像的实时处理，并且成本低、操作容易、体积小，这是当前医学 图像处理发展的主要方向。 1 2 2b 超图像处理的主要内容 b 超图像作为医学图像的一个部分，具有医学数字图像的某些共性。b 超图像处理技术 作为医学数字图像处理技术的一个分支，其研究内容包括很多方面，主要有：b 超圈像的增 强、b 超图像的滤波、b 超图像分割及边缘轮廓提取等。另外还包括其他的一些内容，如幽 像配准和融合以及伪彩色处理技术和纹理分析等。 目前的一般的b 超图像受设备等因素的制约具有灰度级对比度低、特别是在某些局部细 节上没有明显的灰度差别等缺点，使得人的视觉分辨较为困难。图像增强便是为了改善图像 的外观，使之更适合于人眼的观察判断或机器的分析处理，其实质是有选择地加强圆像中某 些信息而抑制掉另一些信息以增加图像的“可读性”。 由于成像机制的限制，图像质量相对较差一直是b 超图像主要的缺点，特别是由于所成 像器官或组织结构上的不均匀性。一些微小的结构不能为超声所分辨，加上声波信号的干涉 现象，在超声图像中形成了特有的斑点( s p e c k l e ) ，它大大降低了超声图像的质量，也使得对 图像细节的识别与分析更加困难。由于b 超图像的上述特点，b 超图像滤波算法的研究t 作 主要集中于对其斑点的抑制上。 东南大学硕士学位论文b 超图像处理与显示技术研究 超声医学图像滤波方法的发展与超声成像技术的发展密切相关。如前所述，超声成像技 术越来越受到人们的重视，一系列新的成像技术的出现，大大地提高了超声图像的质量，使 图像的处理工作难度降低，效果更好；大量的自适应滤波算法的研究，以及其它与超声成像 相关的技术的研究又大大促进了超声医学图像的发展及应用。b 超图像的滤波算法应该是朝 着自适应、并行、快速、高效的方向发展，这有待于对b 超图像特征的更进一步的分析和对 滤波算法的深入研究。 图像分割就是把图像中具有特殊涵义的不同区域分开来，这些区域使互不相交的每一个 区域都满足特定区域的一致性。它是图像处理与图像分析中的一个经典问题。目前针对各种 具体问题已经提出了许多不同的图像分割算法，对图像分割的效果也有很好的分析结论。但 是由于图像分割问题所面向领域的特殊性，至今尚未得到圆满的、具有普遍性的解决方法。 图像分割技术发展至今，已在灰度闽值分割法、边缘检测分割法、l 嚣域跟踪分割法的基础上 结合特定的理论工具有了更进一步的发展。 图像分割和边缘轮廓提取是进行三维重建与显示的基础，分割的效果和轮廓的精度直接 影响到三维重建后模型的精确性，分割和边缘轮廓提取可以帮助医生将感兴趣的物体( 病变组 织等) 提取出来，帮助医生能够对病变组织进行定性及定量的分析，从而提高医生诊断的科学 性和准确性。 1 3b 超三维成像技术的基础和装置1 2 1 1 1 1 1 3 1 三维超声成像的基本方法与步骤 三维超声成像的基本步骤包括图像的采集、图像处理、三维图像的重建与显示等。 1 图像的采集：图像的采集是三维超声成像的第一步，也是很关键的一步。舀前的三维 超声成像技术是以二维图像为基础的，即由一系列连续的二维图像拼合而成，所以采集的二 维图像的好坏将直接影响三维图像的质量。 图像采集采用的扫查方式主要有两种：一种是将探头固定于一机械姨置上，由计算机控 制电动步进马达，带动探头作某种拟定形式的运动，常见形式有3 种：平行扫查、扇形扫查 和旋转扫查。在机械驱动扫查中，探头按预先设定的逻辑轨迹运动，获得一系列排列有序的 二维图像。这种方法称为机械驱动扫查( m e c h a n i c a l l yd r i v e ns c a n n i n g ) 。 另一种为空间定位自由扫查，简称自由扫查( f r e e h a n ds c a n n i n g ) ，由与探头连接的电磁 场( 或声场) 发生器、空间位置感应器( 接收器) 和微处理器三部分组成。自由扫查操作起 米较为灵活方便，可对较大范围内进行复合扫查，例如对肝脏的整体扫查。 三维超声诊断仪容积扫查探头也有两种，一种是机械驱动式，即在探头内由一小的机械 马达驱动一组扇形排列的品片( 即个二维探头) 作扇形摆动，自动采集三维数据：另一种 为三维电子相控阵探头，它是由晶片排列成阵元( 例如1 2 8 1 2 8 阵元) 构成。容积扫查探头 采集图像时无须移动探头，使用方便，但采集的数据量较小，不适用于一次性犬范围扫查采 样。 2 图像处理：经探头采集的一系列带有空间位置信息的二维图像输入到计算机内，根据 应_ | j = i 要求对所有的序列图像进行增强、滤波去嗓、图像分割、边缘轮廓提取等一系列处理后， 得到特定区域的这些有用信息的存储数据，然后对这些数据进行处理，就可以进行后续三维 显示的工作了。 3 三维显示：三维超声成像的主要目的是使被检查的结构显示为三维效果立体图像，从 而获得比二维图像更多的诊断信息。三维效果图像可以在三维空间中任意移动、旋转、缩放， 可以从任何角度来观察三维效果立体图像，从而观察各组织结构或血管树的空间位置关系。 6 东南大学硕= l 学位论文b 超图像处理与显示技术研究 近年来，由于计算机运算速度的加快，出现了动态三维超声( 四维超声) 成像方法。动 态三维超声成像是指三维图像的采集、重建与显示在数秒钟之内完成，并可连续进行，获得 一系列连续的三维图像，从而动态显示一些慢速运动( 如胎儿肢体缓慢活动等) 。由于动态三 维超声成像排除了慢速运动的干扰使得成像的质量也有所提高。其缺点为观察三维图像的 视角受限，目前对于稍快速的运动仍不能实时显示。 1 3 2 基于p c 微机的线阵b 超诊断系统 目前，三维超声成像装置主要有两种：一种是与临床常用超声诊断仪联合使用的三维工 作站，例如t o m t e c 公司生产的e c h o s c a n 三维工作站；另一种为具有三维超卢成像功能的超 声诊断仪，例如m e d i s o n 公司生产的v o l u s o n5 3 0 d 三维超声诊断仪，配有容积扫查探头，可 对采集的组织灰阶图像、彩色多普勒血流图和彩色多普勒能量图进行三维重建分析。 这些装萱把上述三维成像的各个步骤都包括在内，构成一个系统。然而，这些装置的功 能虽然强大，但是却非常的昂贵，属于高档的b 超系统。对于一般医院和b 超诊断系统的用 户来言，显然难以承受。而中低档b 超对于普通医疗单位来讲，虽然价格可以接受，但由于 这类b 超自身技术的限制，造成其性能的诸多不尽人意。例如：目前一般b 超仪中数字扫描 变换器d s c 的核心控制器件是单片机或微控制器，如m c s 一5 1 系列。由于这些单片机或微控制 器的计算能力不强，所以一般b 超仪不具有图像处理能力，甚至c p u 不能读取b 超图像数据。 另外，由于存贮容量有限，一般b 超仪只能存贮1 2 幅图像( 即只能拼幅显示) 。因此，由 单片机或微控制器构成的b 超仪无法满足用户对超声图像存储、处理乃至传输等方面的要求， 当然就更不能满足三维成像的要求了。 基于p c 微机的线阵b 超诊断系统的研制成功，为实现图像处理功能以及三维显示功能提 供了平台。该系统将b 超诊断议的部分功能转移到微机上米完成，利用微机丰富的软硬件资 源及通信能力，大大提高了超声诊断仪的性能。该系统硬件上由b 超成像前端电路结合p c 微机组成的，采用i s a 总线将b 超扫描信号实时采样送入p c 微机。在p c 上进行软件设计， 实现诊断系统的基本功能，主要包括成像与显示功能、图像存储与诊断处理功能、超声报告 管理功能。 该系统采取了一种全新系统结构，其示意图如图1 1 所示。p c 机通过扩展接口电路与一 般的b 超诊断仪相联其a d 转换电路直接对b 超成像模 拟信号进行采样，由b 超仪 d s c 提供采样控制信号，采 样速率和采样位数可以由 p c 机选择确定；p c 机向b 超仪d s c 控制器发送命令信 号，成像控制仍然由d s c 控 制器完成。b 超仪可以通过 接收到的命令信号状态识别 b 超仪 接p c 机 命令信号 口 电 采集控制信号 路 图卜1 系统硬件方案 是否与p c 机相联，从而确定其工作状态：联机方式或独立方式：p c 机也可以通过采样控制 信号识别是否与b 超仪相联。 该系统中p c 机并不是取代b 超仪d s c 中的c p u ，而是借助于原有的d s c 完成成像控制。 p c 机发给d s c 控制器的命令信号非常简捷，采集控制信号也可真接取自d s c 的有关信号，所 以系统实现十分方便。与现有的超声工作站、p c 化b 超诊断仪相比，该系统具有以r 优点： 1 p c 机获得的数字b 超圈像数据是对原始b 超成像模拟信号a d 转换的结果，避免了 目前的超声工作站中图像信号经由视频信号中转，即原始b 超成像模拟信号经过a dd a a d 东南大学顺_ 上学位论文 b 超幽像处理j 显示技术研究 过程才能得到图像数据，因而图像数据的信噪比大大提高。 2 p c 机可以控制b 超成像，没有p c 机时b 超仪也能独立工作，保持了b 超仪的相对 独立性，既可以作为便携式诊断仪灵活方便地使用，又可以县有强大的系统诊断功能，实现 一机多用。 3 该系统的结构在技术上具有通用性，它可适用于不同型号b 超诊断仪的技术升级。 该系统为实现图像处理功能以及后续的三维重建与显示提供了一个很好的系统平台。它 提供的图像采集功能使得能够在p c 上得到高质量的b 超数字图像，保证【到像处理能够顺利进 行；而系统的大容量的图像存贮功能则能获得b 超的序列图像，因而，进一步的三维重建与 显示功能也就成为可能。总之，基于p c 微机的线阵b 超诊断系统的研制成功，为实现中低档 b 超诊断仪的功能强大化和高档化提供了重要的基础和前提。 1 4 课题的任务 1 4 1 课题的研究背景及其意义 超声成像作为当前影像诊断中四大成像方法之一，在实际的医疗诊断中有着广泛的应用。 从诊断需求来讲，为了及时、准确的为病人进行诊断，医生往往希望能从多方面得到信息。 图像作为超声检查的关键所在，其质量( 成像质量和显示质量) 的好坏直接影响着医生的诊 断。进行图像处理一方面可以改善图像质量，另一方面可以帮助医生对感兴趣图像( 病变部 分及其附近声像图) 做出正确的判断。然而，一般b 超仪普遍采用内嵌c p u ( 单片机) 方式， 由于其计算能力不强，所以只能将采样数据直接显示出来。 所幸的是，基于p c 微机的b 超诊断系统的研制成功，使得借助p c 平台提供的丰富的 软硬件资源来实现b 超诊断系统功能成为可能，因而更为强大的b 超图像处理及显示功能， 如区域分割、特征提取、c 型显示和三维重建等，便自然成为其基本的系统功能。 目前，国内外研究者对图像处理进行了大量的研究，针对医学图像处理方法的研究也方 兴未艾。本课题正是在基于p c 微机的b 超诊断系统的基础上，针对b 超图像的特点，来探 讨b 超图像的处理算法，包括图像预处理、区域分割、边缘轮廓提取等算法。 一般b 超成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像，医生必须根据自己的经验对图 像特征做出判断并进而做出病理诊断，缺乏定量的指标和依据：对诊断区域的三维空间结构， 医生只能根据经验通过多幅二维图像在大脑中的合成，以理解其解剖结构。这一过稃需要| 圭 时间的训练和相当的熟练程度，对医生提出了很高的要求，也使某些方面的诊断有一定的局 限性。通过图像处理、特征提取、三维重建与显示，可以有助于建立b 超图像的临床诊断指 标体系，提供更为方便直观的临床诊断手段。 因此，本课题的研究对于完善b 超图像的处理方法、改善超声图像的显示质量、提取图 像中的诊断信息、提高其诊断价值有着重要的意义。 1 4 2 课题的研究内容和目标 本课题将在基于p c 微机的b 超诊断系统平台的基础上，主要对适合于b 超图像的处理 ( 包括图像预处理、区域分剩、边缘轮廓提取等) 算法进行研究，并在此基础上，对b 超图 像的三维显示方_ 面进行初步研究，实现从序列图像的采集到序列图像中特定区域的最终三维 效果显示。 因此，本课题将主要分为两大部分：图像处理部分和三维显示部分。而连接这两部分的 就是经过一系列图像处理后序列图像中某特定区域的轮廓数据。它既是图像处理部分的输出， 又是三维显示部分的输入。 东南大学硕士学位论文 b 超图像处理与显示技术研究 在图像处理部分，关键还是在于如何针对b 超图像的特点探讨出更好的方法，以便能够 得到更加准确的数据，为三维显示打下良好的基础；而在研究工作进行当中，也需要综合各 种算法，以便进行比较、分析，最终得到一套适台b 超图像的处理算法。 在图像处理的基础上，得到序列图像中某特定区域的轮廓信息数据，即形成了三维显示 部分的输入数据，然后通过这些数据的运算和绘制，使序列图像中某特定区域的轮廓序列以 三维形体的效果在计算机屏幕上显示出来。 论文的安排如下： 本文第二章主要讨论了总体方案的设计与实现，设计了从图像采集到最终二维显示的技 术路线，还介绍了技术路线上各部分编程实现的些主要工具及技术。 第三章主要讨论幽像处理部分的内容，包括图像预处理、图像分割、边缘轮廓提取等一 系列内容，其中重点讨论了各处理算法并给出了实验结果和讨论。 第四章对三维显示部分做了研究探讨。在本章中，首先阐述了平移、缩放和旋转功能的 实现原理，然后对三维显示中若干关键技术的实现进行了具体的讨论。 第五章给出了本文的结论，并对今后进一步的研究工作提出了设想。 东南大学硕士学位论文 b 趟图像处理与显示技术研究 第二章总体方案 在本章中。我们将主要讨论并完成从基于p c 微机的b 超诊断系统中获取b 超序列图像到最 终序列图像中特定区域的三维显示这条技术路线的设计，并对整个方案的实现进行了必要的 说明和讨论。 2 1 技术路线 根据课题的内容和任务，由基于p c 微机的b 超诊断系统采得的b 超图像必须先经过一系列 的图像处理工作后，并在此基础上，对b 超三维显示方面进行初步的研究，实现从序列图像的 采集到最终序列图像中特定区域的三维效果显示。因此，可以将总体技术路线主要分为两大 部分：图像处理部分和三维显示部分。而连接这两部分的就是经过一系列图像处理的序列图 像中某特定区域的轮廓数据，在本课题论文中，将其称之为“接口数据”( 全文同) 。它既是 图像处理部分的输出，又是三维显示部分的输入。示意图如图2 1 所示。 日接口数据令 图2 1 系统总体方案 在图像处理部分中，首先从基于p c 微机的b 超诊断系统中获取b 超序列图像，也就是b 超序 列图像的采集，这是整体方案的实现前提和开始。之后，就要进行一系列的图像处理工作( 包 括图像预处理、区域分割、边缘轮廓提取等) ，这些步骤是整体方案的关键和重点所在，其目 的是得到精确的序列轮廓信息，为三维显示部分做好准备并打下良好的基础。为此，还将重 点对适台于b 超图像的处理算法进行研究。经过这些图像处理： 作后，得到b 超序列图像中特 定区域的轮廓点信息，将这些轮廓点的坐标存为接口数据。 当读取并处理完所有的序列图像，得到完整的接口数据后，三维显示部分读取这些接口 数据，就可以在三维空间中对b 超序列图像中某特定区域的三维形态进行显示了。因此，整条 技术路线的流程圈如图2 2 所示。 2 1 1 序列图像的采集| j 5 】f 1 9 由于三维显示所必需的一系列断层图像应可以从任意方位获得，每幅图的相对位置和角 度必须准确确定以避免几何失真；另一方面，为避免因n 乎吸、心跳或其他不自主运动所带来 的伪迹，图像采集必须快速完成才能有效控制。目前图像采集时对探头的控制方法有以下几 种： 1 手动探测：在手动探测中，操作人员只需握住探头，在待采集的部位按常规操作即可。 由于是由操作人员控制图像获取的方位和角度，操作人员可以选择最佳位置，也可以适应变 化复杂的病人身体表面，具有很大的灵活性，而且操作简单方便，因而具有独特的优势，不 过要保证对待采集部位应连续匀速扫描不留大的间隙，否则就难以采集到好的序列幽像。 2 机械定位探头：这种采集方式采用机械三维探头，让超声探头沿着预先定义好的精确 的轨迹运动来实现第三维。探头的运动轨迹由步进电机控制，在控制信号的作用下，超声探 头将随电机转动或平动。电机控制下的探头运动方式主要有三种：线性扫描、扇形扫描、旋 转扫描。 o 东南大学硕士学位论文 b 超图像处理与显示技术研究 线性扫描：超声探头由电机驱动沿直线运动，其 图像空间采样频率可根据探头的分辨能力决定，因而 就可对结构复杂或需要仔细分辨的部位做更细致的扫 描。由于采样的二维图像互相平行，而相互间隔是预 先定义好的，有利于后续的操作。目前线性扫描方式 广泛应用于b 超、彩色多普勒超声、功率多普勒超声等 成像。 扇形扫描：超声探头沿一段弧线转动，它是按预 先定义好的角度间隔来空间采样其优点是机械部分 可以做的很小以便于操作，由于每次转动角度一定， 对靠近探头的浅层分辨能力要高一些，而对离探头较 远的深层分辨能力就差一些。目前这种扫描方式已被 t o m t e c 公司用在心电反射成像上。 旋转扫描：探头装在一个可绕一中心轴转动的器 械上。使用时，探头在电机驱动下只能绕轴线转动。 同扇形扫描类似，由于每次扫描角度间隔一定，离旋 转轴越远，空间采样间隔就越大，图像分辨也越差。 但这种方法目前应用不多。 这种采集方式由于待采集区域是预先定义好的， 参数都已经预先确定，采集图像比较方便，但是器械 太过笨重。 3 一体化三维容积探头：三维容积探头是将一 个二维超声探头和摆动机构封装在一起，操作者只要 将此一体化探头指向所需探测部位，系统就能自动采 集三维数据。三维容积探头可以发射金字塔形体积声 束对物体进行探测，获得实时的三维图像，但是一般 用于高档b 超仪或超声工作站中，价格过于昂贵。 因此，综合各种采集方式的利弊，并结合具体实 验条件，采用手动采集的方式来采集b 超序列图像。 开始 b 超序列图像采集 b 超序列图像读入 图像预处理 图像分割 边缘轮廓提取与细化等 将轮廓点坐标存 为接口数据 己读入完所 有序列图像 读取接口数据 三维显示 奋 2 1 2b 超图像的预处理 图2 2系统总体方案流程图 由于受到b 超的成像机理与硬件设备本身的限制， b 超图像的质量总是不尽人意的，主要表现为动态范围较小、对比度不高，而且在b 超成像中， 当人体组织的结构尺寸与入射超声波波长相近或小于波l 吏时，超声声束发生散射，相位不同 的散射回波相互干涉产生斑点( s p e c k l e ) 噪声。它在图像中表现为颗粒状，并不反映实际的 组织结构，大大降低了b 超图像的质量，也使得对图像细节的识别与分析更加困难。为了提高 b 超图像自身的质量以及为后续的处理工作提供便利并打下基础，必须先对其进行预处理包 括图像增强、滤波去噪等，以便获得更好的处理效果。 目前b 超图像受设备等因素的制约具有灰度级对比度低、特别是在某些局部细节上没有明 显的灰度差别等缺点，使得人的视觉分辨较为困难。图像增强便是为了改善图像的外观，使 之更适合丁人眼的观察判断或机器的分析处理，其实质是有选择地加强图像中某些信息而抑 制掉另一些信息以增加图像的“可渎性”。针对b 超图像动态范围较小、对比度不高的特点， 可以采用灰度均衡、灰度拉