基于熱區(qū)增強(qiáng)的分段線性變換提高室間隔缺損超聲圖像可懂度研究

陳 蒙

山東醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，山東臨沂 276000

室間隔缺損（VSD）指室間隔在胚胎發(fā)育不全，形成異常交通，在心室水平產(chǎn)生左向右分流，它可單獨(dú)存在，也可是某種復(fù)雜心臟畸形的組成部分，是最常見(jiàn)的先天性心臟病[1]。本研究以室間隔缺損超聲圖像為例，意在通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像灰度增強(qiáng)方法，探討提高超聲圖增強(qiáng)效果的途徑，增強(qiáng)清晰度，加大對(duì)比度，提高圖像可懂度。

1 資料與方法

1.1 一般資料

所用處理圖像從醫(yī)院B超室中挑選室間隔缺損B超圖像作為研究對(duì)象，在Windows XP環(huán)境下用matlab軟件進(jìn)行處理,由于設(shè)備或探查手法的不同，原始顯示圖像一般具有低對(duì)比度，部分局部細(xì)節(jié)區(qū)域較暗不清晰，而采用增強(qiáng)預(yù)處理后，原圖像灰度圖像灰度集中的區(qū)域被充分?jǐn)U展至整個(gè)灰度區(qū)間，從而增大了對(duì)比度，使得圖像細(xì)節(jié)部分顯示清晰，對(duì)比度高，便于觀察缺損部位，測(cè)量缺損長(zhǎng)度以及有無(wú)其他并發(fā)性病變。

1.2 檢測(cè)方法

多采用頻率為2.5MHz～5.0MHz的黑白或彩色多普勒超聲檢查，采用左側(cè)位45°角探頭方式接觸到患者皮膚上，對(duì)心臟區(qū)域做多切面掃查，并仔細(xì)觀察[2]。

先天性心臟病室間隔缺損的診斷標(biāo)準(zhǔn)為，在二維圖像中是否出現(xiàn)室間隔局部回升失落，通常如果有回升失落，則多切面都能探測(cè)到。如果僅在某一特定切面檢測(cè)到有失落，其他切面無(wú)此回聲失落，則考慮假陽(yáng)性或做進(jìn)一步探查。

1.3 圖像增強(qiáng)方法

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法，其增強(qiáng)方式大多是從整體上針對(duì)圖像本身增強(qiáng)。而在臨床診斷中很多情況下，醫(yī)生在觀察整張B超圖像時(shí)只是大體看一下器官的整體情況，來(lái)確定可疑病變部位，然后針對(duì)可疑病變的局部組織細(xì)節(jié)觀察仔細(xì)，希望該部位的細(xì)節(jié)表現(xiàn)越清晰越好，以便于確診?；跓釁^(qū)增強(qiáng)的灰度線性變換正是根據(jù)這一特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要靈活地選擇某個(gè)灰度值范圍，只針對(duì)增強(qiáng)該灰度值范圍進(jìn)行增強(qiáng)，這樣可獲得比傳統(tǒng)的灰度線性變換更好的效果。

分析傳統(tǒng)灰度線性變換增強(qiáng)算法的原理，我們可以知道能否合理的劃分灰度區(qū)間是取得理想的圖像增強(qiáng)效果的重要保證。而如何合理的劃分分度區(qū)間，又要依靠灰度直方圖中的數(shù)據(jù)分析?；叶戎狈綀D是顯示圖像的灰度級(jí)分布情況二維數(shù)據(jù)坐標(biāo)圖，任何一幅灰度直方圖都包括了大量的圖像像素的灰度值信息，我們可以借助它來(lái)劃分灰度區(qū)間。另由于灰度直方圖只能顯示圖像中不同灰度值像素的總數(shù)量，不能建立圖像中某一個(gè)像素的灰度值與實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。因此，在確定熱區(qū)的灰度區(qū)間范圍時(shí)，往往要憑借一定的經(jīng)驗(yàn)判斷，具有一定的主觀性、盲目性，而且需要反復(fù)調(diào)整多次才能最終確定下來(lái)大體的區(qū)間范圍，既不夠精確也費(fèi)事費(fèi)力?；跓釁^(qū)增強(qiáng)的灰度線性變換提供了一種快速劃分灰度區(qū)間的方法，可以快速確定圖像中增強(qiáng)區(qū)域的灰度值分布區(qū)間，然后根據(jù)需要變換到所需的灰度區(qū)間范圍。在確定所需灰度變換區(qū)間的過(guò)程中我們要掌握好以下三個(gè)要素。

1.3.1 顯示灰度直方圖

灰度直方圖，從圖形上說(shuō)，它是一個(gè)二維圖,用坐標(biāo)表示。橫坐標(biāo)一般用來(lái)表示圖象中各像素灰度值(一般為[0，255])；縱坐標(biāo)一般用來(lái)表示圖像中該灰度值的像素的總數(shù)量。它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行圖像處理二維坐標(biāo)圖，利用借它顯示的像素灰度分布情況。通常對(duì)于目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域灰度值有明顯明確區(qū)分的圖像，通常可以觀察直方圖上的灰度值分布的谷點(diǎn)來(lái)確定兩區(qū)域分布的大致位置[3]。

P=imread(‘圖像文件路徑’); %讀入圖像

Imview(P); %顯示圖像

Imhist(P); %顯示圖像直方圖

1.3.2 圖像像素點(diǎn)灰度值

灰度直方圖只提供了圖像中像素灰度值分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)量，每個(gè)像素的坐標(biāo)位置信息卻沒(méi)有提供出來(lái)。對(duì)于需要增強(qiáng)的熱區(qū)位置，首先確定增強(qiáng)熱區(qū)的坐標(biāo)范圍，進(jìn)而確定增強(qiáng)區(qū)域分度值分布情況。最后，將鼠標(biāo)指向圖像熱區(qū)位置，當(dāng)鼠標(biāo)在像素點(diǎn)上停留時(shí)，顯示該像素位置處的坐標(biāo)值和對(duì)應(yīng)的灰度值。

1.3.3 圖像熱區(qū)增強(qiáng)灰度范圍

要確定熱區(qū)的灰度范圍，僅僅依靠灰度直方圖或圖像顯示不能完成。需要將兩者結(jié)合起來(lái)共同確定。具體步驟是，把鼠標(biāo)指針指向圖像熱區(qū)中較亮和較暗的多點(diǎn)位置，得到多個(gè)較高和較低的灰度值，從而確定熱區(qū)的灰度分布范圍。圖像的灰度直方圖我們一般采用256級(jí)顯示，而人眼能夠分辨的只有32個(gè)級(jí)別，因此當(dāng)熱區(qū)中灰度范圍太小時(shí)，人眼無(wú)法分辨出異常。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們可以靈活應(yīng)用以上方法，快速確定熱區(qū)的灰度范圍，然后進(jìn)行灰度線性變換，增強(qiáng)熱區(qū)的對(duì)比度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

P=imread('圖像文件路徑'); %原圖像

T=imadjust(P,[低值/255 高值/255],[0 1]); %指定區(qū)域內(nèi)調(diào)整灰度范圍

subplot(2,2,1);imshow(P);title('原圖像顯示'); %顯示原圖像

subplot(2,2,2);imshow(T);title('增強(qiáng)后圖像顯示'); %顯示增強(qiáng)后圖像

subplot(2,2,3);imhist(P);title('原直方圖顯示'); %顯示原圖像灰度直方圖

subplot(2,2,4);imhist(T);title('增強(qiáng)直方圖顯示'); %顯示增強(qiáng)后后圖像灰度直方圖

下面結(jié)合一幅室間隔缺損B超圖說(shuō)明基于熱區(qū)的灰度線性變換增強(qiáng)方法應(yīng)用實(shí)例。圖1為原始圖像，266*342像素，8位灰度圖像，其中兩個(gè)“+”號(hào)之間區(qū)域?yàn)樾枰鰪?qiáng)的區(qū)域。

圖1 室間隔缺損（VSD）

本文提出的基于熱區(qū)的灰度線性變換正是針對(duì)采用黑白B超捕捉到的灰度圖像。在B超圖像中，醫(yī)生并不關(guān)心其中提供的絕大部分信息，而只是關(guān)注可疑病變部位所提供的信息。對(duì)于可疑病變部位，由于灰度區(qū)間分布過(guò)于密集，造成醫(yī)生無(wú)法觀察到其中細(xì)微的差別，這就對(duì)醫(yī)生的診斷處理造成的障礙。基于熱區(qū)的灰度線性變換正是針對(duì)這一特點(diǎn)，不去關(guān)心整個(gè)圖片的灰度分布情況，只是增大可疑病變部位灰度區(qū)間，增強(qiáng)這一區(qū)域的對(duì)比度，這樣醫(yī)生就容易識(shí)別出其中細(xì)微的差異，對(duì)做出正確的診斷提供了有力的保障[4][5]。

圖2 原圖像灰度直方圖

圖3 坐標(biāo)位置和灰度值

圖3左下角可以顯示原始圖像中任意像素的坐標(biāo)位置與灰度值，通過(guò)鼠標(biāo)指向人眼能夠分辨的只有32個(gè)級(jí)別中像素點(diǎn)，我們可以得知這一區(qū)域中像素點(diǎn)的灰度值主要集中在45到85之間。由于人眼能夠分辨的灰度級(jí)只有32，而兩個(gè)“+”號(hào)之間可疑病變區(qū)域灰度級(jí)別過(guò)于密集，因此不容易判斷出其中的區(qū)別。

圖4 增強(qiáng)后圖像

利用基于熱區(qū)的灰度線性變換，將兩個(gè)“+”號(hào)之間可疑病變區(qū)域的灰度區(qū)間[45,85]擴(kuò)展為[0.255],加大此熱區(qū)的灰度值差別，增強(qiáng)其對(duì)比度。變換后圖像如4所示，其對(duì)應(yīng)的灰度直方圖如5所示。

圖5 增強(qiáng)后圖像灰度直方圖

3 討論

本文針對(duì)超聲圖像中的室間隔缺損（VSD）圖像，首先應(yīng)用基于熱區(qū)的灰度線性變換，通過(guò)可以顯示坐標(biāo)值和灰度級(jí)的圖像結(jié)合灰度直方圖，反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)確定基于熱區(qū)的灰度區(qū)間；將熱區(qū)的灰度區(qū)間擴(kuò)展至最大灰度區(qū)間來(lái)增強(qiáng)該區(qū)域的對(duì)比度，增強(qiáng)可疑缺損部位細(xì)節(jié)展現(xiàn)。對(duì)比增強(qiáng)前后的圖像分析，增強(qiáng)后的圖像可疑病變區(qū)域細(xì)節(jié)顯示更加清晰，對(duì)比度增強(qiáng)，更容易看出其中的細(xì)微差別；而圖像中其他區(qū)域有的比原圖像清晰，有的甚至還不如原圖像。對(duì)比增強(qiáng)前后的圖像灰度直方圖分析，原圖像中熱區(qū)的灰度區(qū)間被充分?jǐn)U展至整個(gè)灰度區(qū)間，原來(lái)相對(duì)密集的像素點(diǎn)灰度值被充分?jǐn)U展的整個(gè)灰度區(qū)間內(nèi)。

[1]朱虹，等.數(shù)字圖象處理基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：31-32.

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[3]高彥平，圖像增強(qiáng)方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].青島：山東科技大學(xué)，2005：21-24.

[4]陳萍，毛蓮香.彩超和超檢測(cè)先天性心臟病房室間隔缺損對(duì)比分析[J].北京：中國(guó)超聲診斷雜志，2002，3(12)：895-896.

[5]袁麗婷，邱力軍.基于matlab的X線醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)與直方圖處理方法[J].西安：第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(4)：376-378.