機器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用

機器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用【摘要】機器視覺技術(shù)發(fā)展迅猛，與之相關(guān)的研究也越來越活躍。機器視覺技術(shù)可將攝取對象轉(zhuǎn)化為圖像信號，傳送給多種下游設(shè)備，下游設(shè)備根據(jù)圖像像素分布、亮度、顏色等信息，利用其中的圖像信號得到所攝對象的形態(tài)特征，以數(shù)字化信號呈現(xiàn)出來并進一步利用。目前，機器視覺技術(shù)應(yīng)用范圍涵蓋制藥、包裝、電子、汽車制造、半導(dǎo)體、紡織、煙草等多個行業(yè)與領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用越來越顯現(xiàn)出來。本文簡要介紹了機器視覺的原理、構(gòu)造及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一一以醫(yī)學(xué)診斷為代表。在醫(yī)學(xué)診斷方面，重點應(yīng)用的是機器視覺中的圖像采集技術(shù)和圖像數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其中，前者主要應(yīng)用于X射線、CT和核磁共振等方面，后者主要應(yīng)用在尿液自動檢測等方面。機器視覺在醫(yī)療領(lǐng)域的前景廣闊，很大程度上使醫(yī)生的診斷更加便捷準(zhǔn)確。【關(guān)鍵詞】機器視覺；X射線；CT；核磁共振；內(nèi)窺鏡；尿液分析儀一、機器視覺機器視覺系統(tǒng)作為計算機學(xué)科的一個重要分支，綜合了光學(xué)、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領(lǐng)域，在人工智能技術(shù)、圖像處理技術(shù)快速發(fā)展的今天，機器視覺也發(fā)展迅猛。簡單來說，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷，但已遠遠超越人眼，在發(fā)展過程中，逐漸具有了人腦的功能即從客觀圖像中提取、處理、理解、分析信息，最終反饋結(jié)果。因此，機器視覺被廣泛應(yīng)用到檢測、定位和控制中［1］。機器視覺不會像人眼一樣疲勞，還有著比人眼更高的精度和速度，借助紅外線、紫外線、x射線等高新探測技術(shù)，機器視覺在探測不可視物體和高危險場景時，更具有其突出的優(yōu)點。目前，機器視覺技術(shù)在許多領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機器視覺的主要應(yīng)用體現(xiàn)在對醫(yī)生診斷的輔助。機器視覺系統(tǒng)通過機器視覺產(chǎn)品將攝取對象轉(zhuǎn)化為圖像信號，傳送給下游設(shè)備即專用的圖像處理系統(tǒng)，下游設(shè)備根據(jù)圖像像素分布、亮度、顏色等信息，利用其中的圖像信號得到所攝對象的形態(tài)特征，以數(shù)字化信號呈現(xiàn)出來并進一步利用。圖像分析系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制下一步設(shè)備動作［2］。典型的機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)主要包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、數(shù)字化模塊以及數(shù)字圖像處理、智能決策模塊等。相對應(yīng)地，機器視覺系統(tǒng)主要有三個部分：圖像的采集、圖像分析和處理、輸出顯示或控制。1.1圖像的采集機器視覺產(chǎn)品即圖像拍攝裝置（分CMOS和CCD兩種）將被攝目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)。在圖像采集階段，及時、準(zhǔn)確地得到清晰的圖像信號并轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號對整個機器視覺系統(tǒng)的性能影響巨大。1.2圖像處理和分析系統(tǒng)圖像處理技術(shù)是指將圖像信息經(jīng)過計算機轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息并加以處理的一門技術(shù)。簡單來說就是將圖像轉(zhuǎn)化計算機自身可識別的數(shù)字信息來進行識別處理的一項技術(shù)。它的優(yōu)點是進行處理的精度高。處理內(nèi)容不光可以用于結(jié)構(gòu)化圖像，對非結(jié)構(gòu)化的圖像也可以很好的處理和識別。另外，還可以進行比較復(fù)雜的非線性處理，以及具有良好的變通能力等等。根據(jù)像素分布、亮度和顏色等圖像信號，利用各種預(yù)先設(shè)定好的算汐經(jīng)過訓(xùn)練的模型抽取目標(biāo)圖像的特征［1］。經(jīng)過圖像處理和分析系統(tǒng)的處理后，輸出的圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，在改善圖像的視覺效果、便于計算機對圖像進行分析、處理和識別等方面意義巨大，接下來，分析系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)條件輸出判斷結(jié)果⑷。1.2.1圖像處理具體步驟：1） 圖片模糊：模糊操作是圖像處理中最簡單和常用的操作之一，使用該操作可為圖像減低噪聲［5］。圖片模糊包括均值濾波、中值濾波、高斯濾波、雙邊濾波等［6］。此外，還有對圖像進行不同顏色空間下的顏色過濾RGB系統(tǒng)和HsV模型［7］。2） 邊緣檢測邊緣檢測是機器視覺中重要的一部分。在實際操作中，常使用一階微分和二階微分來實現(xiàn)邊緣檢測［12］。3） 霍夫（Hough）變換霍夫變換是基于坐標(biāo)變換產(chǎn)生的一種檢測簡單幾何形狀的方法，在二值圖像中使用此方法可以較為快速檢測到簡單的幾何形狀，如線、圓等［5,6］。1.2.2主流圖像處理方法［7］：1） 以幾何特征為基礎(chǔ)：首先在圖像中尋找特征，歸納特征點間的距離和比例，之后的圖像識別則基于所歸納的幾何特征信息2） 以模型為基礎(chǔ)：常采用馬爾科夫模型，該模型是一種統(tǒng)計模型3） 以統(tǒng)計為基礎(chǔ)：提取圖像中光照、位置等特征向量，重構(gòu)圖像，以判斷所提取的特征信息是否為所識別的物體的特征信息4） 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)采用機器學(xué)習(xí)方式，即通過多張圖像進行模型訓(xùn)練，調(diào)整參數(shù)，訓(xùn)練完成后，輸入所要識別的圖像，模型對其進行分類、判斷5） 以深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)主要思想是利用低層特征表示高層特征，在構(gòu)建過程中可利用空間的相對關(guān)系降維，使得訓(xùn)練性能提升1.3圖像的輸出或顯示即通過打印機或顯示器將圖像處理和分析的結(jié)果顯示出來或者上位機根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。二.機器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用目前，機器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅猛的是輔助醫(yī)學(xué)診斷［8］，具體技術(shù)主要體現(xiàn)在圖像收集和圖像數(shù)據(jù)的分析，在圖像收集方面主要應(yīng)用有X射線、CT、核磁共振和內(nèi)窺鏡；在圖像的數(shù)據(jù)分析方面最主要的應(yīng)用則是尿液分析儀。利用機器視覺技術(shù)進行圖像收集X射線X射線，即倫琴射線，波長介于紫外線和Y射線間，由原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產(chǎn)生，主要用于骨科檢查［9］。X射線成像原理：待成像物體各組成部分組織的密度不同，導(dǎo)致X射線照射時衰減不同，從而形成透射X射線強度差異，當(dāng)用檢測器把強度不同的X射線記錄下來，就可得到三維人體的二維投影平面圖像［10］。盡管目前臨床診斷中還廣泛使用熒光屏等傳統(tǒng)平面成像設(shè)備（X射線機），但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)方法與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，已派生出一系列數(shù)字成像技術(shù)［11］。如：計算機X射線成像（CR）、數(shù)字X線攝影（DR）。目前平面成像呈現(xiàn)出數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)平分天下的情況，但我們可以預(yù)判，融合數(shù)字圖像易采集、顯示、存儲、傳輸，可進行各種圖像后處理等優(yōu)點的影像技術(shù)的數(shù)字化是不容置疑的大趨勢［10］。CT成像電子計算機斷層掃描，即CT（ComputedTomography），是指利用精、準(zhǔn)、直的X線束、y射線、超聲波等與有極高靈敏度的探測器配合，圍繞人體某一部位進行連續(xù)斷面掃描。X-CT是用X射線束對人體某部位一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog/digitalconverter）轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計算機處理。［12］成像原理：圖像形成的處理有如將選定層面分成若干個體積相同的長方體，稱之為體素（voxel）。掃描所得信息經(jīng)計算而獲得每個體素的X射線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣（digitalmatrix），數(shù)字矩陣可存貯于磁盤或光盤中。經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（digital/analogconverter）把數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素（pixel），并按矩陣排列，即構(gòu)成CT圖像。因此，CT圖像是重建圖像。每個體素的X射線吸收系數(shù)可以通過不同的數(shù)學(xué)方法算出［12］。工作程序：根據(jù)人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同，應(yīng)用靈敏度極高的儀器對人體進行測量，然后將測量所獲取的數(shù)據(jù)輸入電子計算機，電子計算機對數(shù)據(jù)進行處理后，就可攝下人體被檢查部位的斷面或立體的圖像，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)任何部位的病變。目前運用較廣、功能較全的能譜CT，是一種在常規(guī)CT的基礎(chǔ)上優(yōu)化提升而發(fā)展起來的檢查手段，提供較常規(guī)CT更為詳細(xì)的影像信息［13］。其中，GSI（寶石能譜成像）是指利用X線的能譜進行的多參數(shù)成像模式，能夠?qū)⑷梭w組織和病變成分對不同X射線能量譜的差異表達出來，從而能夠顯示更加精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，而且能夠?qū)ξ镔|(zhì)成分進行分析和定量分析［13］。能譜CT成像技術(shù)在在臨床肺部影像學(xué)檢查常見的病變孤立性肺結(jié)節(jié)，腫瘤的定位、定性與分級診斷以及其它醫(yī)學(xué)的診斷方面發(fā)揮了重要作用。1.3核磁共振核磁共振利用原子核的核磁共振現(xiàn)象。由于人體中水含量較多，利用各個器官間水含量的差異性或組織器官病變與正常時的水含量差異性，通過檢測氫元素的核磁共振信號，來做到準(zhǔn)確的檢測［14］。由于原子核自旋運動的特點，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激發(fā)后產(chǎn)生信號，用探測器檢測并輸入計算機，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。將不同梯度的磁場加以結(jié)合，即改變穿過樣本的磁場強度，從而得到樣本的無數(shù)二維的圖像，彼此重疊后就得到樣本內(nèi)部空間的三維圖像。核磁共振成像的準(zhǔn)確性和全面性使其在臨床診斷中的應(yīng)用極為廣泛，涉及到對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等諸多部位的檢查［15］；此外，核磁共振成像技術(shù)使對人體內(nèi)代謝和組織功能的研究方便、有效。例如：可區(qū)別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤；對于椎間盤和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經(jīng)根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等。1.4內(nèi)窺鏡采用立體視覺成像技術(shù)［16］成像，醫(yī)用內(nèi)窺鏡基本由圖像采集模塊，視頻處理模塊，照明模塊和圖像顯示模塊四部分組成。照明模塊一般與圖像采集模塊直接相連，視頻信號經(jīng)處理之后，傳輸?shù)斤@示模塊上顯示［16］。醫(yī)生可以通過與內(nèi)窺鏡相連的顯示器，直觀地看到人體內(nèi)部病灶位置和具體的形狀大小，準(zhǔn)確地判斷病人的病情，合理制定手術(shù)計劃或者直接使用與內(nèi)窺鏡相配套的設(shè)備進行手術(shù)。作為一種直觀方便的檢查和治療儀器，醫(yī)用內(nèi)窺鏡已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于胃腸道、胰腺、膽道、腹腔、呼吸道和泌尿道等部位的檢查與治療中。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前主要運用機器視覺技術(shù)來獲得圖像，對圖像進行采集，使得醫(yī)生可以參考所得圖像，對患者的病情進行更加準(zhǔn)確的判斷。利用機器視覺技術(shù)進行圖像收集、處理和輸出2.1尿液分析儀尿液分析儀是測定尿中某些化學(xué)成分的自動化儀器，它是醫(yī)學(xué)實驗室尿液自動化檢查的重要工具，具有操作簡單、快速等優(yōu)點。儀器在計算機的控制下通過收集、分析試帶上各種試劑塊的顏色信息，并經(jīng)過一系列信號轉(zhuǎn)化，最后輸出測定的尿液中化學(xué)成分含量［17］。尿液分析儀一般由試帶、機械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)等部分組成18］。測試原理的本質(zhì)是光的吸收和反射。將液體樣品直接加到已固化不同試劑的多聯(lián)試劑帶上，尿液中相應(yīng)的化學(xué)成分使多聯(lián)試劑帶上含各種特殊試劑的模塊發(fā)生顏色變化，顏色的深淺與尿樣中特定化學(xué)成分濃度成正比；將多聯(lián)試帶置于尿液分析儀比色進樣槽，各模塊依次受到儀器光源照射并產(chǎn)生不同的反射光，儀器接收不同強度的光信號后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再經(jīng)微處理器（CPU）計算出各測試項目的反射率，然后與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較后校正為測定值，最后以定性或半定量方式自動打印出結(jié)果［19］。尿液校驗是醫(yī)院的常規(guī)性檢驗，常用于泌尿系統(tǒng)和腎周圍的病變、內(nèi)分泌及代謝疾病、循環(huán)系統(tǒng)疾病、肝膽疾病、血液及造血系統(tǒng)疾病、中毒及職業(yè)病、藥物監(jiān)測、腎移植等疾病的診斷和監(jiān)測［20］。應(yīng)用現(xiàn)代化的尿樣分析設(shè)備，定量的給出病人尿樣中某些成分的含量，將成為醫(yī)生做出正確診斷的一個很重要的依據(jù)。采用機器視覺技術(shù)的全自動尿液分析儀真正實現(xiàn)了全過程的自動化。計算機自動識別快速、客觀、準(zhǔn)確性可控制，排除了人工識別的局限性，獲取更高的效率；能識別錯誤的目標(biāo)，通過專家補充特征參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型進行訓(xùn)練，儀器能學(xué)習(xí)并記憶該特征進行識別，因此隨著儀器見識越多準(zhǔn)確性不斷提高；各種特征參數(shù)可以提取，對于人工鏡檢是無法完成的，可以通過對參數(shù)的提取和分析來獲得對臨床有意義的指和鑒別診斷有重要意義。但是分析結(jié)果的準(zhǔn)確性易受多種因素影響，加上人工輔判與審核，會取得更加準(zhǔn)確的結(jié)果［21］.2.2癌細(xì)胞識別一種癌細(xì)胞識別方法，包括采集圖像，對圖像進行分析和輸出檢測結(jié)果，其中，對圖像進行分析降噪處理，色彩空間變換，對顏色進行調(diào)整，圖像分割，特征提取，幾何分析和圖像識別。在數(shù)據(jù)的處理和分析方面，由于多方面因素的制約，目前可利用的技術(shù)較為有限。機器視覺未來與醫(yī)學(xué)的發(fā)展經(jīng)過20年的發(fā)展，機器視覺技術(shù)已成為一門新興的綜合技術(shù)，在社會諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[22]。隨著新技術(shù)、新理論在機器視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用，機器視覺將在各個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，新型的醫(yī)學(xué)技術(shù)與視覺技術(shù)會有更加緊密的結(jié)合，譬如在圖像分析、結(jié)果處理等方面的應(yīng)用均會有更大的突破。未來醫(yī)學(xué)的發(fā)展是多元化的發(fā)展，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與機器視覺領(lǐng)域及其它各個先進科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，會使得我們今后的診斷更加的便捷與準(zhǔn)確。參考文獻：卞正崗，機器視覺技術(shù)的發(fā)展.中國儀器儀表，2015（6）:第40-42,65頁.滕悅，徐少川.機器視覺在圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].大科技，2017，（36）：302.傅裕，鮑迎秋，謝沂伯，等.人工智能技術(shù)在皮膚病輔助診斷的應(yīng)用研究[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2018，13（10）：29-31，38.DOI：10.3969/j.issn.1673-7571.2018.10.010.⑷張艷華.機器視覺中的圖像采集技術(shù)[J].區(qū)域治理，2018，（15）：180.徐里萍.計算機圖像處理技術(shù)的應(yīng)用研究[J].信息與電腦（理論版），2019（12）：11-12.葛菁.計算機圖像處理技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（05）：6.凌遠坤，仲志丹，李棟，等.基于機器視覺圖像識別及處理的方法[J].科技風(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