医学图象处理

医学图象处理是指对已获得的图象，用图象处理系统进行处理，以提取其中有用信息，加以描记和识别。图象处理技术包括预处理、特征提取和分析识别三种功能，其中预处理的作用在于分析成象过程中造成降质的数学模型，采用有效的算法来提高或恢复图象质量，以及按需要突出某些特征。
图象处理系统 图象处理系统由图象输入、数据处理、图象输出与显示三部分组成。
(1) 图象输入： 其工作过程是用电视摄象机将显现在底片、正片或显象屏上的图象变换成视频信号，再用高速A/D变换器转换为数字图象，并以三维数组形式存储在计算机中。一般数字图象是512×512象素组成的正方形阵列，用高速A/D可实现每1/25秒读一幅图象。为提高图象的空间分辨力，也可形成1,024×1,024或更多象素的数字图象，但需数秒至几分钟才能输入一幅图象。对于彩色图象，需通过滤色片分别读入各基色图象，其数据量更大。有的图象事先已经数字化并存储在磁带上，则可用磁带机直接读入。
(2)数据处理： 其作用是对数字图象的每一象素的数值按适当算法进行计算。数据处理系统包括硬件和软件两部分。临床上，处理对象较单一而要求处理速度快，故一般采用并行处理、流水线式处理、列表处理或专用计算硬件与通用计算机相结合等硬件系统。系统中还应按需配有硬盘和磁带机等外存设备，以及用户显示终端等外部设备。软件包括专门的系统软件和图象处理应用软件。图象处理的高级语言多采用FORTAN语言； 在要求快速计算的场合，则采用汇编语言编写子程序，而由高级语言编写的主程序调用。
(3) 图象输出与显示： 其作用是将处理后的数据重新形成图象，并予显示或描记，以供人们判读和分析。图象输出与显示系统包括D/A变换器、电视屏幕显示器、照相机、彩色喷墨打印机或针式打印机等。此外，还有光标和跟踪球等供人机对话使用。使用彩色显示器可显示多频段的彩色图象。将单频段图象按灰阶值大小编码可组成伪彩色图象，能获得较高的分辨能力。
图象处理算法 图象处理算法很多，常见的有多幅图象相加、序列图象相减、多光谱图象中的二幅相除、图象的对数运算、灰阶变换的点运算、图象的几何运算、图象的局部运算、频域上的图象处理、图象复原、图象数据压缩、三维图象显示和图象分析等。
(1) 多幅图象相加： 对静止器官连续摄取多幅数字图象，在计算机内相加并取其平均值作为输出图象，其随机噪声仅为输入单幅图象噪声的1/，从而降低图象噪声。
(2) 序列图象相减：对运动器官连续摄影，并将先后二幅图象相减，可以消除图象中的静止背景，而只显现运动目标的变化。这种算法用于X线血管造影时，可清晰显现血液流动的动态过程。
(3) 多光谱图象中的二幅相除： 对同一对象用不同滤色片摄影，并将所得图象二幅相除，可消除不同光谱图象中的相同因子，突出不同图象间的差异。
(4) 图象的对数运算： 将决定图象灰阶的两个相乘因子转换成对数相加因子，即将决定图象明暗的光源对物体的照度和物体表面对入射光的反射率之乘积转变为照度和反射率的对数相加，然后用反对数变换成图象，突出变化细节。这种算法用于眼底血管摄影，可使图象更加清晰。
(5)灰阶变换的点运算： 表示图象明暗层次的由白色到黑色的一系列色调变化等级称为灰阶，或灰度等级。点运算是在图象处理时，每一输出象素的灰阶只与对应的输入象素的灰阶值有关，而与其它象素无关，其作用是使输出图象的灰阶分布能充分利用计算机中数字图象的最大灰阶分布范围，以提高图象的对比度，有利于人工判读。这种变换又称为图象的对比度增强，或称为图象的对比度拉伸。这种算法用于X线摄影图象增强，可在低曝光剂量下所得的模糊影象的对比度，改善视觉效果。(6) 图象的几何运算： 其作用是有规律地改变图象中各象素间的空间关系，可实现图象的平移、旋转和几何失真的校正等。一个象素经运算而移至新坐标时，可能不是整数坐标值，因而需用插值法求出整数坐标点处的灰阶值，从而建立新的图象。这种算法用于减影技术，可使摄影时人体位置微小变动中的两幅图象对准位置，保证减影后获得较好结果；用于B型超声显示，可将扇型光栅扫描变换为矩形光栅扫描，以便于处理。
(7) 图象处理的局部运算： 经局部运算处理的输出象素灰阶值，不仅取决于输入图象对应象素的灰阶，而且与近邻象素的灰阶有关，即与对应的一个窗口内的若干象素有关。局部运算的方法有二维数字滤波线性处理、非线性局部运算等多种。二维数字滤波线性处理是对原图象作卷积运算，可获得平滑或边缘增强等效果。非线性局部运算可采用中值滤波方法和边缘梯度差分法，用以滤除噪声。
(8)频域上的图象处理： 将图象信号进行二维快速傅里叶变换，得到二维频谱函数，然后可直接进行二维的低通、高通、带通或带阻处理，最后经二维富里叶反变换获得处理后图象。选用合适的滤波函数，可分别获得滤除噪声、边缘增强或其它效果。进行全幅图象的二维快速富里叶变换比较费时，大都采用专用的FFT硬件，只在研究处理方法时才采用软件。
(9) 图象复原： 在分析使图象变坏的退化数学模型的基础上，使估计出的图象尽可能逼近没有退化前的图象。大多采用随机数字信号处理方法，可在频域空间上进行计算。造成图象退化的数学模型分确定性和随机性两种，例如成象过程中光学系统的不完善或摄象对象的运动等因素造成图象的退化，其数学模型可通过对成象过程的测量来确定； 成象系统或胶片颗粒造成的随机噪声是非确定性的。
(10) 图象数据压缩： 一幅图象的数据量很大，但图象中近邻区域的信息相关性强，故可舍弃一部分多余信息，即进行图象数据压缩，以利图象的存储和传输。图象数据压缩的过程是，先将图象数据作正交变换，减少象素之间的统计相关性，然后对所得到的变换系数编码，使编码所需的比特数尽可能少，最后对其作数据解码及反变换。图象正交变换有二维富里叶变换、余弦变换等多种形式，其中余弦变换对数据压缩效果突出，且有快速算法。经数据压缩后的图象质量应无明显降低。
(11)三维图象显示： 参见“医学成象”条。
(12) 图象分析：提取图象中有用的信息对景物进行描述或识别，其处理结果是输出数据或分类类别，而不是图片。图象分析过程一般是先以图象中分割出待分析的对象，再进一步度量或取对象特征，最后按特征对待识别对象进行分类或描述。为简化分析系统，经常采用人机交互方式对难以自动识别的对象作处理。例如在对白细胞的图象分析中，先由显微摄象机读入白细胞图象，并将细胞从背景中分割出来，再将细胞图象本身分割成细胞核和细胞质两个区域，并用几何度量方法测量出细胞核的形状、面积百分比、纹理的各种统计数值，进而按这些特征值对白细胞分数。图象分割分为按灰阶阈值的区域分割和按边缘特征的分割。前者是分析图象灰阶直方图，以凹值附近的灰阶作为阈值，将图象分割成黑白不同的两个区域；后者反映了景物的不连续性，可用边缘作为分割图象的边界，例如人体器官的边界。
对象度量 将图象中感兴趣的对象分割出来并进行几何性质的度量，例如将单个染色体从显微图象中分割开来进行度量。度量的内容包括尺寸、形状、光密度值或纹理等。对数字化图象进行几何上的度量，首先要定义象元的连通性。例如，把一个象元想象成直角坐标纸上的一个小方格，若只有它的上、下、左、右四个近邻点才算连通，而斜角上的近邻点不算连通，则定义为4-连通；若斜角上的近邻点也算成连通，即对一个象元来说，它的周围八个点都算是连通的，则定义为8-连通。
(1)几何尺寸的度量：包括面积、平均直径、周界长度、长和宽的尺寸等的度量。对一面积为A的对象进行度量，可先度量其周界长度，即沿周界曲线上的象元逐个移动。如果是8-连通，则在垂直或水平方向移动一个象元，就计数1，沿斜角移动一象元计数为。对于面积A来说，周界是闭合的，因此沿周界曲线移动一圈的累计数即为A的周长。该闭合曲线所包围的全部离散点的总和为面积。
(2)几何形状的度量：通常包括圆度、椭圆度、矩形度、纵横比和周界形状的复杂度等的度量。圆度的定义为(P²/A),A为被度量对象的面积，P为周界轮廓线长度。当A为圆时，圆度等于4π；当A为非圆时，圆度>4π。圆度只是大体上反映了被测对象与圆形的相差程度。椭圆度等测量值亦有与圆度类似的性质，只是与之对比的基本图形不同而已。周界形状常采用富里叶算子描述。因为任一闭合曲线的形状可用它周长上的每一点的曲率来表示，因此将闭合曲线的曲率作富里叶变换，所得的富里叶系数就可作为对形状的描述，系数的大小分布较细微地反映了周界形状的变化。
(3)光密度和纹理的测量：前者包括光密度值（被测对象的平均值或总和值）、透射率或反射率等，后者指纹理模型的对比度等。
图象的存储和传递 为使这些图象便于保管归档，并能将病人在不同时间和不同方式成象的影象同时调出，以对比读片，先进的大医院已开始装备由计算机管理的图象归档和通信系统(Picture Archiving and Commu-nication System,PACS)，目的在于解决图象的数据采集、存储、分配和再读片。
PACS的结构，是在CT室、超声室等成象设备处装有图象的观察终端，便于医生的现场读片，它同时接有用户终端，输入病人数据或打印诊断书等。图象终端上显示的图象同时通过宽频带的数字通信网络传输到主机房；并经接口送入主机（一般为中型机）存储。短期存储可采用光盘，一个光盘能存贮几万幅图象，供随时调用；长期存储采用磁带。在全院还设有一、二个中心读片室，它不在安装成象设施的现场。PACS配置有功能齐全的软件，包括数据库管理、采集/分配的协调和一些基本的图象处理软件，该系统还与医院的信息管理系统连接。