1、數字圖像處理在醫學上的應用1 引言 自倫琴1895年發現X射線以來,在醫學領域可以用圖像的形式揭示更多有用的醫學信息,醫學的診斷方式也發生了巨大的變化。隨著科學技術的不斷發展,現代醫學已越來越離不開醫學圖像的信息處理, 醫學圖像在臨床診斷、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、數字X 光機圖像、X 射線透視圖像、各種電子內窺鏡圖像、顯微鏡下病理切片圖像等。但是由于醫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, 使得人眼對某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，通過圖像變換和增

2、強技術來改善圖像的清晰度, 突出重要的內容，抑制不重要的內容,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生臨床診斷的準確性和正確性。 數字圖像處理的基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。數字化的一個基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。圖像復原的一個基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的生理特性更好地分辨圖像細節。 與其他領域的應用相比較，醫學影像等衛生領域信息更具獨特性，醫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

3、縮、分割等圖像預處理、圖像分析及圖像理解等要求更高。醫學圖像處理跨計算機、數學、圖形學、醫學等多學科研究領域，醫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。 在此聯系數字圖像處理的相關理論知識和步驟設計規劃系統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和圖像采集系統主要由透鏡模組濾鏡模組光源系統電荷耦合器件以及圖像采集卡等構成。圖1顯微光學系統與圖像采

4、集系統示意圖 為實現人體微小血管顯微圖像的血管直徑測量整個系統圖像采集和處理的具體流程如下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及CCD數字圖像采集系統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行去噪處理和灰度變換增強處理可增加圖像的對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自然圖像由于其灰度分布集中在較窄區間引起圖像細節不夠清晰采用直方圖

5、修正后可使圖像的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更加清晰以達到增強的目的1-3,由圖3可見采集的圖像經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行進一步處理。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 二值形態學的運算對象是集合給出一個圖像集合和一個結構元素集合利用結構元素對圖像進行操作 其中結構元素是一個用來定義形態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數值1代表鄰域內的像素在MATLAB圖像處理工具箱中進行膨脹操作時輸出像素值是輸入圖像相應像素鄰域內所有像素的最大值在二進

6、制圖像中如果任何一個像素值為1那么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內所有像素的最小值 在二進制圖像中如果任何一個像素值為0那么其對應的輸出像素值也為09，在合適閾值的基礎上選取適當結構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為：令I(x，y)表示在(x，y)坐標系下的灰度值，那么微血管圖像I(x，y)可以看作是一個三維曲面4 即:     

7、; 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行計算筆者采用高斯函數對圖像的二階微分做卷積，即      式中a，b表示x，y的某一個取值。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

8、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(x，y)，將其Hessian矩陣的兩個特征值按照從小到大的順序排列，即l1<2£，并且不同特征值對應的特征向量為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; l1<2<0。據此構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直徑的測量 沿微血管中心線方向測

9、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行多次測量，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

10、血管直徑的示意圖:  圖7為計算微血管直徑的示意圖 4 醫學圖像處理的應用和意義 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行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精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發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、超聲成像及其它醫學影像設備所獲得的圖像被廣泛應用于醫療診斷、組織容積定量分析、病變組織定位、解剖結構學習、治療規劃、功能成像數據的局部體效應校正、計算機指導手術和術后監測

11、等各個環節。 醫學圖像處理借助于計算機圖形、圖像技術,使醫學圖像的質量和顯示方法得到了極大的改善。這不僅可以基于現有的醫學影像設備來極大地提高醫學臨床診斷水平,而且能為醫學培訓、醫學研究與教學、計算機輔助臨床外科手術等提供數字實現手段,為醫學研究與發展提供扎實的基礎,具有不可估量的價值。下面列出醫學圖像處理的一些具體應用和意義。4.1 輔助醫生診斷 通過圖形圖像技術,可以對醫學圖像進行縮放、旋轉、對比度調節、三維重建等處理,便于醫生從多角度、多層次進行觀察和分析,對病變區進行定性定量分析,從而提高醫療診斷的準確性和正確性 。 4.2 

12、仿真多角度掃描 這一應用在CT掃描中有著重要意義,由于X射線對人體的損害較大,因此不可能對患者進行多角度的掃描,通過三維圖形圖像技術,可以對原始數據進行多角度重組,仿真多角度掃描。該技術也稱為虛擬切割。 4.3 放射治療 在這個領域中計算機技術主要用來進行精確定位,根據影像數據得到的圖像,確定進行放射性治療的特定部位,從而引導儀器進行精確定位,避免正常組織遭受不必要的放射性照射。 4.4 手術教學訓練 通過斷層掃描技術可以獲得一系列人體某個部分的二維切片圖像。對這些切片數據進行計算機三維重建,能夠獲得人體部位的三維模型,醫生

13、可以對三維模型進行手術仿真。在虛擬環境中進行手術,不會發生嚴重的意外,能夠提高醫生的協作能力,尤其在修補術方面有著重要的應用前景 。 4.5 輔助手術計劃和手術導航 計算機輔助手術計劃系統根據患者影像數據在術前規劃手術方案,甚至進行手術模擬, 以提高手術成功的幾率。計算機輔助手術導航系統根據患者在術前的影像數據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行5。這個系統常和計算機輔助手術計劃系統結合在一起使用。由于計算機的介入,使得傳統的外科手術可以更加精確, 對患者的損傷更加微小。

14、 4.6 虛擬內窺鏡 現有的內窺鏡技術存在一個共同的缺陷,就是必須往患者體內插入內窺探頭。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。計算機虛擬現實技術的出現為減輕這一痛苦帶來了可能,這就是虛擬內窺鏡技術。虛擬內窺鏡技術可以檢查傳統方法無法到達的區域,甚至深入實體內部進行觀察,還具有交互性、局部細節放大、可重復觀察等優勢。 4.7 治療規劃 在這個領域中,計算機技術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,對療效進行評估,并根據評估結果有效調整治療方案。 4.8&#

15、160;遠程醫療 實現在 Internet上發布PACS系統產生的基于DICOM標準的醫學圖像, 使用瀏覽器顯示、處理醫學圖像,有利于遠程醫療系統、區域間PACS系HIS (Ho spital Information System , 醫院信息系統) 系統融合及醫療信息系統集成的應用和發展, 集中體現了遠程醫療系統發展的必然趨勢。 4.9  醫學圖像融合技術提升衛生信息的利用效率  不同形式的探測器（如MRI，CT，PET，SPECT等）被廣泛用

16、于醫學圖像采集，醫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各信源的綜合信息，對同一病患醫護人員可能需要使用不同設備采集多次信息，這增加了看病成本，也不利于信息共享的實現。 為了綜合使用多種成像模式以提供更全面的信息，根據多種成像模式提供的信息的互補性，醫學圖像處理技術可以通過配準使多幅圖像在空間域中達到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。  醫學圖像融合是根據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、系統對目標探測識別的可靠性及系統的自動化程度，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據，

17、消除多元信道信息之間的冗余和矛盾，增強影像中信息透明度，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結束語 計算機技術的迅速發展和圖形圖像技術的日漸成熟,圖像處理顯得越來越重要，數字圖像處理技術正在向處理算法更優化處理速度更快處理后的圖像清晰度更高的方向發展實現圖像的智能生成處理識別和理解是數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字圖像處理技術是其他任何技術都無法替代的，隨著衛生信息化的發展，醫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，需要利用圖像處理來將圖像中具有特殊含義的不同區域分割