數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

1、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1 引言 自倫琴1895年發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái),在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以用圖像的形式揭示更多有用的醫(yī)學(xué)信息,醫(yī)學(xué)的診斷方式也發(fā)生了巨大的變化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已越來(lái)越離不開(kāi)醫(yī)學(xué)圖像的信息處理, 醫(yī)學(xué)圖像在臨床診斷、教學(xué)科研等方面有重要的作用。目前的醫(yī)學(xué)圖像主要包括CT (計(jì)算機(jī)斷層掃描) 圖像、MRI( 核磁共振)圖像、B超掃描圖像、數(shù)字X 光機(jī)圖像、X 射線透視圖像、各種電子內(nèi)窺鏡圖像、顯微鏡下病理切片圖像等。但是由于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的成像機(jī)理、獲取條件和顯示設(shè)備等因素的限制, 使得人眼對(duì)某些圖像很難直接做出準(zhǔn)確的判斷。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可以改變這種狀況，通過(guò)圖像變換和增

2、強(qiáng)技術(shù)來(lái)改善圖像的清晰度, 突出重要的內(nèi)容，抑制不重要的內(nèi)容,以適應(yīng)人眼的觀察和機(jī)器的自動(dòng)分析，這無(wú)疑大大提高了醫(yī)生臨床診斷的準(zhǔn)確性和正確性。 數(shù)字圖像處理的基本方法就是圖像復(fù)原與圖像增強(qiáng)。圖像復(fù)原就是盡可能恢復(fù)原始圖像的信息量,盡量保真。數(shù)字化的一個(gè)基本特征是它所固有的噪聲。噪聲可視為圍繞真實(shí)值的隨機(jī)波動(dòng), 是降低圖像質(zhì)量的主要因素。圖像復(fù)原的一個(gè)基本問(wèn)題就是消除噪聲。圖像增強(qiáng)就是通過(guò)利用人的視覺(jué)系統(tǒng)的生理特性更好地分辨圖像細(xì)節(jié)。 與其他領(lǐng)域的應(yīng)用相比較，醫(yī)學(xué)影像等衛(wèi)生領(lǐng)域信息更具獨(dú)特性，醫(yī)學(xué)圖像較普通圖像紋理更多，分辨率更高，相關(guān)性更大，存儲(chǔ)空間要更大，并且為嚴(yán)格確保臨床應(yīng)用的可靠性，其壓

3、縮、分割等圖像預(yù)處理、圖像分析及圖像理解等要求更高。醫(yī)學(xué)圖像處理跨計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科研究領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)包括圖像變換、圖像壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像平滑、邊緣銳化、圖像分割、圖像識(shí)別、圖像融合等等。 在此聯(lián)系數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論知識(shí)和步驟設(shè)計(jì)規(guī)劃系統(tǒng)采集和處理的具體流程同時(shí)充分考慮到圖像采集設(shè)備的拍攝效果以及最終處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，例舉了基于圖像處理技術(shù)的人體手指甲襞處微血管管袢直徑的測(cè)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(xué)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(gòu)成。圖1顯微光學(xué)系統(tǒng)與圖像采

4、集系統(tǒng)示意圖 為實(shí)現(xiàn)人體微小血管顯微圖像的血管直徑測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)圖像采集和處理的具體流程如下圖像采集預(yù)處理二值化提取中心線直徑。 2.1圖像采集 通過(guò)顯微光學(xué)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中淺色部分為周邊組織深色彎曲部分為微循環(huán)血管。 圖2人體手指甲襞處微血管圖像2.2預(yù)處理 由于采集到的圖像因試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量者個(gè)人因素存在較多噪聲,通過(guò)預(yù)處理將采集到的人體手指甲襞處微血管圖像進(jìn)行去噪處理和灰度變換增強(qiáng)處理可增加圖像的對(duì)比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(xì)節(jié)不夠清晰采用直方圖

5、修正后可使圖像的灰度間距拉開(kāi)或使灰度分布均勻從而增加反差使圖像細(xì)節(jié)更加清晰以達(dá)到增強(qiáng)的目的1-3,由圖3可見(jiàn)采集的圖像經(jīng)灰度變換增強(qiáng)處理后明顯變清晰。預(yù)處理完成后再利用中心路徑提取算法對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖3增強(qiáng)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(xué)的運(yùn)算對(duì)象是集合給出一個(gè)圖像集合和一個(gè)結(jié)構(gòu)元素集合利用結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像進(jìn)行操作 其中結(jié)構(gòu)元素是一個(gè)用來(lái)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代表鄰域內(nèi)的像素在MATLAB圖像處理工具箱中進(jìn)行膨脹操作時(shí)輸出像素值是輸入圖像相應(yīng)像素鄰域內(nèi)所有像素的最大值在二進(jìn)

6、制圖像中如果任何一個(gè)像素值為1那么對(duì)應(yīng)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(yīng)像素鄰域內(nèi)所有像素的最小值 在二進(jìn)制圖像中如果任何一個(gè)像素值為0那么其對(duì)應(yīng)的輸出像素值也為09，在合適閾值的基礎(chǔ)上選取適當(dāng)結(jié)構(gòu)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(lǐng)(x，y)表示在(x，y)坐標(biāo)系下的灰度值，那么微血管圖像I(x，y)可以看作是一個(gè)三維曲面4 即:     

7、; 這個(gè)三維曲面的曲率可以用Hessian矩陣來(lái)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(jìn)行計(jì)算筆者采用高斯函數(shù)對(duì)圖像的二階微分做卷積，即      式中a，b表示x，y的某一個(gè)取值。對(duì)于血管中心線上的點(diǎn)，其絕對(duì)值較小的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量表示曲面曲率小的強(qiáng)度和方向；而絕對(duì)值較大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量表示曲面曲率大的強(qiáng)度和

8、方向，這兩個(gè)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(shè)微血管上的任意一點(diǎn)P，其坐標(biāo)為(x，y)，將其Hessian矩陣的兩個(gè)特征值按照從小到大的順序排列，即l1<2£，并且不同特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為1<2，則1與2決定了與中心線垂直的橫斷方向。 (2)如果點(diǎn)P滿足以下條件,則P點(diǎn)為微血管中心線上的點(diǎn):其中I為點(diǎn)P的梯度; l1<2<0。據(jù)此構(gòu)建出的微血管圖像的中心路徑如圖5所示。 圖5二值化后的微血管圖像提取中心線 3.3直徑的測(cè)量 沿微血管中心線方向測(cè)

9、量血管圖像垂直中心的徑長(zhǎng)作為微血管的直徑。對(duì)管袢附近的微血管進(jìn)行多次測(cè)量，計(jì)算出這些測(cè)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(shè)為中心線上任意一點(diǎn)利用中心線上的多點(diǎn)擬合獲得直線的斜率從而進(jìn)一步獲得中心線的垂線方程為: 由中心線上點(diǎn)出發(fā)分別向兩個(gè)方向搜索中心線垂線與邊界的交點(diǎn) 當(dāng)搜索到的點(diǎn)D為邊界點(diǎn)并且該點(diǎn)到垂線的距離滿足: (5) 根據(jù)搜索得到的兩個(gè)相交點(diǎn)為 和按下式計(jì)算點(diǎn)處微血管的直徑為:   圖7為計(jì)算微

10、血管直徑的示意圖:  圖7為計(jì)算微血管直徑的示意圖 4 醫(yī)學(xué)圖像處理的應(yīng)用和意義 在人體手指甲襞微血管管袢直徑測(cè)量的整個(gè)過(guò)程中完全使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的采集預(yù)處理以及微血管的分割提取二值化和計(jì)算排除了人為測(cè)量的不精確性和誤差提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性。 隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的不斷提高，利用計(jì)算機(jī)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(xué)影像設(shè)備所獲得的圖像被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、組織容積定量分析、病變組織定位、解剖結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、治療規(guī)劃、功能成像數(shù)據(jù)的局部體效應(yīng)校正、計(jì)算機(jī)指導(dǎo)手術(shù)和術(shù)后監(jiān)測(cè)

11、等各個(gè)環(huán)節(jié)。 醫(yī)學(xué)圖像處理借助于計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù),使醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)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(xué)影像設(shè)備來(lái)極大地提高醫(yī)學(xué)臨床診斷水平,而且能為醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)研究與教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助臨床外科手術(shù)等提供數(shù)字實(shí)現(xiàn)手段,為醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展提供扎實(shí)的基礎(chǔ),具有不可估量的價(jià)值。下面列出醫(yī)學(xué)圖像處理的一些具體應(yīng)用和意義。4.1 輔助醫(yī)生診斷 通過(guò)圖形圖像技術(shù),可以對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)比度調(diào)節(jié)、三維重建等處理,便于醫(yī)生從多角度、多層次進(jìn)行觀察和分析,對(duì)病變區(qū)進(jìn)行定性定量分析,從而提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和正確性 。 4.2 

12、仿真多角度掃描 這一應(yīng)用在CT掃描中有著重要意義,由于X射線對(duì)人體的損害較大,因此不可能對(duì)患者進(jìn)行多角度的掃描,通過(guò)三維圖形圖像技術(shù),可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度重組,仿真多角度掃描。該技術(shù)也稱為虛擬切割。 4.3 放射治療 在這個(gè)領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)技術(shù)主要用來(lái)進(jìn)行精確定位,根據(jù)影像數(shù)據(jù)得到的圖像,確定進(jìn)行放射性治療的特定部位,從而引導(dǎo)儀器進(jìn)行精確定位,避免正常組織遭受不必要的放射性照射。 4.4 手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練 通過(guò)斷層掃描技術(shù)可以獲得一系列人體某個(gè)部分的二維切片圖像。對(duì)這些切片數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維重建,能夠獲得人體部位的三維模型,醫(yī)生

13、可以對(duì)三維模型進(jìn)行手術(shù)仿真。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù),不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的意外,能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力,尤其在修補(bǔ)術(shù)方面有著重要的應(yīng)用前景 。 4.5 輔助手術(shù)計(jì)劃和手術(shù)導(dǎo)航 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)患者影像數(shù)據(jù)在術(shù)前規(guī)劃手術(shù)方案,甚至進(jìn)行手術(shù)模擬, 以提高手術(shù)成功的幾率。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)患者在術(shù)前的影像數(shù)據(jù)構(gòu)建手術(shù)部位的解剖空間,并將其和由定位技術(shù)控制的實(shí)時(shí)手術(shù)空間相重疊,由此引導(dǎo)手術(shù)按預(yù)定的正確進(jìn)程進(jìn)行5。這個(gè)系統(tǒng)常和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)結(jié)合在一起使用。由于計(jì)算機(jī)的介入,使得傳統(tǒng)的外科手術(shù)可以更加精確, 對(duì)患者的損傷更加微小。

14、 4.6 虛擬內(nèi)窺鏡 現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡技術(shù)存在一個(gè)共同的缺陷,就是必須往患者體內(nèi)插入內(nèi)窺探頭。一般來(lái)說(shuō),探頭都是機(jī)械裝置,因而會(huì)給患者帶來(lái)很大的痛苦。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為減輕這一痛苦帶來(lái)了可能,這就是虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)。虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)可以檢查傳統(tǒng)方法無(wú)法到達(dá)的區(qū)域,甚至深入實(shí)體內(nèi)部進(jìn)行觀察,還具有交互性、局部細(xì)節(jié)放大、可重復(fù)觀察等優(yōu)勢(shì)。 4.7 治療規(guī)劃 在這個(gè)領(lǐng)域中,計(jì)算機(jī)技術(shù)主要用于在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(duì)療效進(jìn)行評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果有效調(diào)整治療方案。 4.8&#

15、160;遠(yuǎn)程醫(yī)療 實(shí)現(xiàn)在 Internet上發(fā)布PACS系統(tǒng)產(chǎn)生的基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像, 使用瀏覽器顯示、處理醫(yī)學(xué)圖像,有利于遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)、區(qū)域間PACS系HIS (Ho spital Information System , 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(yīng)用和發(fā)展, 集中體現(xiàn)了遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 4.9  醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)提升衛(wèi)生信息的利用效率  不同形式的探測(cè)器（如MRI，CT，PET，SPECT等）被廣泛用

16、于醫(yī)學(xué)圖像采集，醫(yī)護(hù)人員通過(guò)這些圖像采集設(shè)備和技術(shù)得到影像，而并不易得到和利用各信源的綜合信息，對(duì)同一病患醫(yī)護(hù)人員可能需要使用不同設(shè)備采集多次信息，這增加了看病成本，也不利于信息共享的實(shí)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(bǔ)性，醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)可以通過(guò)配準(zhǔn)使多幅圖像在空間域中達(dá)到幾何位置的完全對(duì)應(yīng)，并通過(guò)融合將配準(zhǔn)后圖像整合后顯示給用戶。  醫(yī)學(xué)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(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的可靠性及系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，利用圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)，

17、消除多元信道信息之間的冗余和矛盾，增強(qiáng)影像中信息透明度，改善解譯的精度、可靠性等，以完整、準(zhǔn)確地描述目標(biāo)信息7。  5結(jié)束語(yǔ) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和圖形圖像技術(shù)的日漸成熟,圖像處理顯得越來(lái)越重要，數(shù)字圖像處理技術(shù)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發(fā)展實(shí)現(xiàn)圖像的智能生成處理識(shí)別和理解是數(shù)字圖像處理的最終目標(biāo)小至個(gè)人的生活工作大到宇宙探測(cè)和遙感技術(shù)的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)是其他任何技術(shù)都無(wú)法替代的，隨著衛(wèi)生信息化的發(fā)展，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為了向臨床診療和病理學(xué)研究提供可靠依據(jù)，需要利用圖像處理來(lái)將圖像中具有特殊含義的不同區(qū)域分割