數(shù)字圖像處理在醫(yī)學上的應用

1、-. z.數(shù)字圖像處理在醫(yī)學上的應用1 引言自倫琴1895年發(fā)現(xiàn)*射線以來,在醫(yī)學領域可以用圖像的形式提醒更多有用的醫(yī)學信息,醫(yī)學的診斷方式也發(fā)生了巨大的變化。隨著科學技術的不斷開展,現(xiàn)代醫(yī)學已越來越離不開醫(yī)學圖像的信息處理, 醫(yī)學圖像在臨床診斷、教學科研等方面有重要的作用。目前的醫(yī)學圖像主要包括CT (計算機斷層掃描) 圖像、MRI( 核磁共振)圖像、B超掃描圖像、數(shù)字* 光機圖像、* 射線透視圖像、各種電子窺鏡圖像、顯微鏡下病理切片圖像等。但是由于醫(yī)學成像設備的成像機理、獲取條件和顯示設備等因素的限制, 使得人眼對*些圖像很難直接做出準確的判斷。計算機技術的應用可以改變這種狀況，通過圖像變

2、換和增強技術來改善圖像的清晰度, 突出重要的容，抑制不重要的容,以適應人眼的觀察和機器的自動分析，這無疑大大提高了醫(yī)生臨床診斷的準確性和正確性。數(shù)字圖像處理的根本方法就是圖像復原與圖像增強。圖像復原就是盡可能恢復原始圖像的信息量,盡量保真。數(shù)字化的一個根本特征是它所固有的噪聲。噪聲可視為圍繞真實值的隨機波動, 是降低圖像質量的主要因素。圖像復原的一個根本問題就是消除噪聲。圖像增強就是通過利用人的視覺系統(tǒng)的生理特性更好地分辨圖像細節(jié)。與其他領域的應用相比擬，醫(yī)學影像等衛(wèi)生領域信息更具獨特性，醫(yī)學圖像較普通圖像紋理更多，分辨率更高，相關性更大，存儲空間要更大，并且為嚴格確保臨床應用的可靠性，其壓縮

3、、分割等圖像預處理、圖像分析及圖像理解等要求更高。醫(yī)學圖像處理跨計算機、數(shù)學、圖形學、醫(yī)學等多學科研究領域，醫(yī)學圖像處理技術包括圖像變換、圖像壓縮、圖像增強、圖像平滑、邊緣銳化、圖像分割、圖像識別、圖像融合等等。在此聯(lián)系數(shù)字圖像處理的相關理論知識和步驟設計規(guī)劃系統(tǒng)采集和處理的具體流程同時充分考慮到圖像采集設備的拍攝效果以及最終處理結果的準確性，例舉了基于圖像處理技術的人體手指甲襞處微血管管袢直徑的測量方法。2人體微血管顯微圖像的采集人體微血管顯微圖像的采集采用了如圖1所示的顯微光學系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)主要由透鏡模組濾鏡模組光源系統(tǒng)電荷耦合器件以及圖像采集卡等構成。圖1顯微光學系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)示

4、意圖為實現(xiàn)人體微小血管顯微圖像的血管直徑測量整個系統(tǒng)圖像采集和處理的具體流程如下列圖像采集預處理二值化提取中心線直徑。2.1圖像采集通過顯微光學放大系統(tǒng)及CCD數(shù)字圖像采集系統(tǒng)拍攝人體手指甲襞處微血管圖像如圖2所示.圖2中淺色局部為周邊組織深色彎曲局部為微循環(huán)血管。圖2人體手指甲襞處微血管圖像2.2預處理由于采集到的圖像因試驗測量系統(tǒng)和測量者個人因素存在較多噪聲,通過預處理將采集到的人體手指甲襞處微血管圖像進展去噪處理和灰度變換增強處理可增加圖像的比照度利用圖像灰度直方圖可以直觀看出圖像中的像素亮度分布情況大多數(shù)自然圖像由于其灰度分布集中在較窄區(qū)間引起圖像細節(jié)不夠清晰采用直方圖修正后可使圖像的

5、灰度間距拉開或使灰度分布均勻從而增加反差使圖像細節(jié)更加清晰以到達增強的目的1-3,由圖3可見采集的圖像經(jīng)灰度變換增強處理后明顯變清晰。預處理完成后再利用中心路徑提取算法對所獲取的圖像進展進一步處理。圖3增強處理前后圖像灰度變化3圖像處理3.1微血管圖像的二值化二值形態(tài)學的運算對象是集合給出一個圖像集合和一個構造元素集合利用構造元素對圖像進展操作其中構造元素是一個用來定義形態(tài)操作中所用到的鄰域的形狀和大小的矩陣該矩陣僅由0和1組成可以具有任意的大小和維數(shù)數(shù)值1代表鄰域的像素在MATLAB圖像處理工具箱中進展膨脹操作時輸出像素值是輸入圖像相應像素鄰域所有像素的最大值在二進制圖像中如果任何一個像素值

6、為1則對應的輸出像素值也為1而在腐蝕操作中輸出像素值是輸入圖像相應像素鄰域所有像素的最小值在二進制圖像中如果任何一個像素值為0則其對應的輸出像素值也為09，在適宜閾值的根底上選取適當構造因素合理利用膨脹填充濾波腐蝕等操作逐步處理從而得到最終二值化后的微血管圖像如圖4所示。圖4二值化后的微血管圖像3.2中心線的提取基于Hessian矩陣的中心線提取理論依據(jù)為：令I(*，y)表示在(*，y)坐標系下的灰度值，則微血管圖像I(*，y)可以看作是一個三維曲面4即:這個三維曲面的曲率可以用Hessian矩陣來定義:由于血管截面的灰度值呈高斯分布為了提取微血管的灰度信息便于進展計算筆者采用高斯函數(shù)對圖像的

7、二階微分做卷積，即式中a，b表示*，y的*一個取值。對于血管中心線上的點，其絕對值較小的特征值對應的特征向量表示曲面曲率小的強度和方向；而絕對值較大的特征值對應的特征向量表示曲面曲率大的強度和方向，這兩個特征向量正交。利用Hessian矩陣跟蹤二維微血管圖像中心線主要包括以下步驟：(1)設微血管上的任意一點P，其坐標為(*，y)，將其Hessian矩陣的兩個特征值按照從小到大的順序排列，即12，并且不同特征值對應的特征向量為12，則1與2決定了與中心線垂直的橫斷方向。(2)如果點P滿足以下條件,則P點為微血管中心線上的點:其中I為點P的梯度; 120。據(jù)此構建出的微血管圖像的中心路徑如圖5所示

8、。圖5二值化后的微血管圖像提取中心線3.3直徑的測量沿微血管中心線方向測量血管圖像垂直中心的徑長作為微血管的直徑。對管袢附近的微血管進展屢次測量，計算出這些測量值的平均值作為最終微血管管袢的直徑。圖6為微血管輪廓與提取的中心線示意圖。圖6為微血管輪廓與提取的中心線示意圖設為中心線上任意一點利用中心線上的多點擬合獲得直線的斜率從而進一步獲得中心線的垂線方程為:由中心線上點出發(fā)分別向兩個方向搜索中心線垂線與邊界的交點當搜索到的點D為邊界點并且該點到垂線的距離滿足:(5)根據(jù)搜索得到的兩個相交點為和按下式計算點處微血管的直徑為:圖7為計算微血管直徑的示意圖:圖7為計算微血管直徑的示意圖4醫(yī)學圖像處理

9、的應用和意義在人體手指甲襞微血管管袢直徑測量的整個過程中完全使用計算機進展圖像的采集預處理以及微血管的分割提取二值化和計算排除了人為測量的不準確性和誤差提高了測量結果的可靠性。隨著信息技術的飛速開展和計算機應用水平的不斷提高，利用計算機斷層成像、正電子放射層析成像、單光子輻射斷層攝像、磁共振成像、超聲成像及其它醫(yī)學影像設備所獲得的圖像被廣泛應用于醫(yī)療診斷、組織容積定量分析、病變組織定位、解剖構造學習、治療規(guī)劃、功能成像數(shù)據(jù)的局部體效應校正、計算機指導手術和術后監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)。醫(yī)學圖像處理借助于計算機圖形、圖像技術,使醫(yī)學圖像的質量和顯示方法得到了極大的改善。這不僅可以基于現(xiàn)有的醫(yī)學影像設備來極

10、提高醫(yī)學臨床診斷水平,而且能為醫(yī)學培訓、醫(yī)學研究與教學、計算機輔助臨床外科手術等提供數(shù)字實現(xiàn)手段,為醫(yī)學研究與開展提供扎實的根底,具有不可估量的價值。下面列出醫(yī)學圖像處理的一些具體應用和意義。4.1輔助醫(yī)生診斷通過圖形圖像技術,可以對醫(yī)學圖像進展縮放、旋轉、比照度調節(jié)、三維重建等處理,便于醫(yī)生從多角度、多層次進展觀察和分析,對病變區(qū)進展定性定量分析,從而提高醫(yī)療診斷的準確性和正確性。4.2仿真多角度掃描這一應用在CT掃描中有著重要意義,由于*射線對人體的損害較大,因此不可能對患者進展多角度的掃描,通過三維圖形圖像技術,可以對原始數(shù)據(jù)進展多角度重組,仿真多角度掃描。該技術也稱為虛擬切割。4.3放

11、射治療在這個領域中計算機技術主要用來進展準確定位,根據(jù)影像數(shù)據(jù)得到的圖像,確定進展放射性治療的特定部位,從而引導儀器進展準確定位,防止正常組織遭受不必要的放射性照射。4.4手術教學訓練通過斷層掃描技術可以獲得一系列人體*個局部的二維切片圖像。對這些切片數(shù)據(jù)進展計算機三維重建,能夠獲得人體部位的三維模型,醫(yī)生可以對三維模型進展手術仿真。在虛擬環(huán)境中進展手術,不會發(fā)生嚴重的意外,能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力,尤其在修補術方面有著重要的應用前景。4.5輔助手術方案和手術導航計算機輔助手術方案系統(tǒng)根據(jù)患者影像數(shù)據(jù)在術前規(guī)劃手術方案,甚至進展手術模擬,以提高手術成功的幾率。計算機輔助手術導航系統(tǒng)根據(jù)患者在術前

12、的影像數(shù)據(jù)構建手術部位的解剖空間,并將其和由定位技術控制的實時手術空間相重疊,由此引導手術按預定的正確進程進展5。這個系統(tǒng)常和計算機輔助手術方案系統(tǒng)結合在一起使用。由于計算機的介入,使得傳統(tǒng)的外科手術可以更加準確,對患者的損傷更加微小。4.6虛擬窺鏡現(xiàn)有的窺鏡技術存在一個共同的缺陷,就是必須往患者體插入窺探頭。一般來說,探頭都是機械裝置,因而會給患者帶來很大的痛苦。計算機虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)為減輕這一痛苦帶來了可能,這就是虛擬窺鏡技術。虛擬窺鏡技術可以檢查傳統(tǒng)方法無法到達的區(qū)域,甚至深入實體部進展觀察,還具有交互性、局部細節(jié)放大、可重復觀察等優(yōu)勢。4.7治療規(guī)劃在這個領域中,計算機技術主要用于在

13、患者治療期間觀察藥物、放射或其他治療所引起的身體病變部位的局部變化,對療效進展評估,并根據(jù)評估結果有效調整治療方案。4.8遠程醫(yī)療實現(xiàn)在Internet上發(fā)布PACS系統(tǒng)產(chǎn)生的基于DI標準的醫(yī)學圖像,使用瀏覽器顯示、處理醫(yī)學圖像,有利于遠程醫(yī)療系統(tǒng)、區(qū)域間PACS系HIS(HospitalInformationSystem,醫(yī)院信息系統(tǒng))系統(tǒng)融合及醫(yī)療信息系統(tǒng)集成的應用和開展,集中表達了遠程醫(yī)療系統(tǒng)開展的必然趨勢。4.9醫(yī)學圖像融合技術提升衛(wèi)生信息的利用效率不同形式的探測器如MRI，CT，PET，SPECT等被廣泛用于醫(yī)學圖像采集，醫(yī)護人員通過這些圖像采集設備和技術得到影像，而并不易得到和利用

14、各信源的綜合信息，對同一病患醫(yī)護人員可能需要使用不同設備采集屢次信息，這增加了看病本錢，也不利于信息共享的實現(xiàn)。為了綜合使用多種成像模式以提供更全面的信息，根據(jù)多種成像模式提供的信息的互補性，醫(yī)學圖像處理技術可以通過配準使多幅圖像在空間域中到達幾何位置的完全對應，并通過融合將配準后圖像整合后顯示給用戶。醫(yī)學圖像融合是根據(jù)需要綜合處理多源通道的信息，為有效提高圖像信息的利用率、系統(tǒng)對目標探測識別的可靠性及系統(tǒng)的自動化程度，利用圖像處理和計算機技術等綜合多源信道所采集到的關于同一目標的圖像數(shù)據(jù)，消除多元信道信息之間的冗余和矛盾，增強影像息透明度，改善解譯的精度、可靠性等，以完整、準確地描述目標信息7。5完畢語計算機技術的迅速開展和圖形圖像技術的日漸成熟,圖像處理顯得越來越重要，數(shù)字圖像處理技術正在向處理算法更優(yōu)化處理速度更快處理后的圖像清晰度更高的方向開展實現(xiàn)圖像的智能生成處理識別和理解是數(shù)字圖像處理的最終目標小至個人的生活工作大到宇宙探測和遙感技術的應用數(shù)字圖像處理技術是其他任何技術都無法替代的，隨著衛(wèi)生信息化的開展，醫(yī)學成像技術得到越來越廣泛的應用，為了向臨床診療和病理學研究提供可靠依據(jù)，需要利用圖像處理來將圖像中具有特殊含義的不同區(qū)域分割開來，并使分割結果盡可能的接近解剖構造，或從醫(yī)學圖像中提