利用 Photoshop進(jìn)行數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理的實(shí)踐

吳雅琴,王曉東,吳曉萍

內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院:1計(jì)算機(jī)信息學(xué)院;2第一附屬醫(yī)院超聲科,呼和浩特 010059

數(shù)字圖像處理技術(shù)目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,從臨床醫(yī)學(xué)到解剖、病理切片、免疫細(xì)胞分析等基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]都涉及到數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論及技術(shù)。形態(tài)學(xué)的分析及各種成像技術(shù)的不斷發(fā)展使醫(yī)學(xué)圖像處理與分析成為醫(yī)學(xué)科學(xué)中的一種重要技術(shù)和方法[2]。

數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理中常用到的技術(shù)包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、邊緣檢測(cè)、紋理分析、圖像的配準(zhǔn)與融合、圖像壓縮等。通過(guò)數(shù)字圖像處理,可以提高圖像視感質(zhì)量[3]。其中,圖像增強(qiáng)處理是數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理中非常重要的部分。醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)主要是為了將圖像中感興趣的特征有選擇的突出,具體表現(xiàn)為突出目標(biāo)物輪廓,增強(qiáng)圖像中的細(xì)節(jié),提高層次感,濾除各類噪聲等[4]。但是,常用的圖像增強(qiáng)算法普遍運(yùn)算量大、算法復(fù)雜、處理速度慢。美國(guó) Adobe公司出品的 Photoshop,作為一款功能強(qiáng)大的圖像處理軟件,在方便讀取 D I COM格式醫(yī)學(xué)圖像并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的同時(shí),也可以方便、快捷地進(jìn)行常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理。文章所用軟件版本為 Photoshop CS3 Extended。

1 D I COM醫(yī)學(xué)圖像讀取及格式轉(zhuǎn)換

1.1 D I COM圖像的讀取

D I COM(digital Imaging and communication ofmedicine)是由美國(guó)放射學(xué)會(huì) (American College of Radiology,ACR)和美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì) (National Electrical ManufacturersAssociation,NE MA)組織制定的專門用于醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)名稱,D I COM標(biāo)準(zhǔn)的制定,也極大地促進(jìn)了醫(yī)院 PACS系統(tǒng)的快速發(fā)展[5]。D I COM格式文件可以包含多個(gè)“切片”或幀來(lái)表示掃描的不同層。日常使用的圖像軟件與 D ICOM文件并不兼容,而 Photoshop Extended可以打開(kāi)并處理D I COM文件。選擇“文件”菜單的“打開(kāi)”選項(xiàng),可以將掃描得到的 D ICOM圖像以單幀或多幀的方式導(dǎo)入 Photoshop進(jìn)行處理 (如圖1所示 )。D ICOM文件元數(shù)據(jù)的類別包括病人數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)、序列數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù),在導(dǎo)入過(guò)程可以利用“文件簡(jiǎn)介”選項(xiàng)對(duì) D I COM的元數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。例如:為了在使用圖像的過(guò)程中不泄露病人的隱私數(shù)據(jù)而對(duì)病人個(gè)人資料元數(shù)據(jù)修改。

圖1 導(dǎo)入D I COM格式醫(yī)學(xué)圖像

1.2 D I COM圖像的格式轉(zhuǎn)換

對(duì)于在 Photoshop中讀取到的 DCM格式圖像,可以將其轉(zhuǎn)換為常見(jiàn)的 BMP、JPEG、TIFF等多種格式,使其更方便地應(yīng)用于教學(xué)、幻燈演示等。例如:將 D I COM文件導(dǎo)出為常見(jiàn)的 JPEG格式,可以在打開(kāi) D I COM文件面板中的“導(dǎo)出選項(xiàng)”中選擇“導(dǎo)出演示文稿 (JPEG)”選項(xiàng),即可方便地將 D ICOM格式文件轉(zhuǎn)換為 JPEG格式。

2 醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理

圖像增強(qiáng)處理是數(shù)字圖像處理的一個(gè)重要分支。為了更好地滿足臨床醫(yī)師的診斷需要,對(duì)于一些圖像對(duì)比度較差、亮度很暗的醫(yī)學(xué)影像,通過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)可以改善圖像質(zhì)量,使原來(lái)不清晰的圖像變得清晰,強(qiáng)調(diào)某些需關(guān)注的特征,抑制非關(guān)注的特征,從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)圖像的判讀和識(shí)別[6]。

Photoshop軟件中的工具、調(diào)整、濾鏡等功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)影像的增強(qiáng)處理。例如:常用來(lái)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理的平滑、銳化、邊緣化、偽彩色等操作都可以利用 Photoshop來(lái)完成。

2.1 銳化處理

一幅圖像的主要信息存在于它的邊緣、細(xì)節(jié)和紋理等特征中。圖像特征不但對(duì)于增強(qiáng)圖像的視覺(jué)質(zhì)量來(lái)說(shuō)意義重大,而且對(duì)于圖像分割、圖像識(shí)別和圖像理解等圖像后續(xù)處理任務(wù)來(lái)說(shuō)也是非常重要的[7]。但是,在獲取圖像的過(guò)程中,由于設(shè)備、操作技術(shù)等多種因素都可能導(dǎo)致圖像存在一定的噪聲,邊緣不夠清晰。圖像銳化就是通過(guò)提高像素的對(duì)比度,將畫面中模糊的部分變得清晰,銳化操作強(qiáng)調(diào)色彩的邊緣,經(jīng)過(guò)銳化處理的圖像其邊緣、輪廓線以及圖像的細(xì)節(jié)會(huì)變得更加清楚。

利用 Photoshop進(jìn)行圖像銳化處理操作,可選的銳化濾鏡包括有銳化、進(jìn)一步銳化、銳化邊緣、US M銳化等 4種。其中,US M銳化是一些相對(duì)更成熟的銳化濾鏡,通過(guò)像素之間的相互比較,對(duì)原圖建立一個(gè)虛化版本,它增強(qiáng)了邊緣的清晰度,卻不會(huì)產(chǎn)生不自然的跡象,也不會(huì)消除低對(duì)比度區(qū)域的層次[8]。對(duì)導(dǎo)入 Photoshop中的 D I COM醫(yī)學(xué)圖像,選擇“濾鏡”菜單中的“銳化”選項(xiàng),根據(jù)圖像特征提取的需要選擇對(duì)應(yīng)的銳化濾鏡進(jìn)行圖像增強(qiáng)。

為了更好地強(qiáng)調(diào)圖像邊緣,以“銳化”選項(xiàng)中的“US M銳化”為例進(jìn)行增強(qiáng)處理。圖像實(shí)例為 DCM格式,選擇 Photoshop CS3 Extended打開(kāi),原始圖像存在噪聲 (如圖 2所示)。利用 US M濾鏡進(jìn)行銳化操作,參數(shù)設(shè)定分別為數(shù)量值 279%,半徑 9.9像素 ,閾值29色階 ,銳化結(jié)果如圖3所示。銳化后的圖像其邊緣相比原圖要清晰許多,并且抑制了圖像中原有的部分噪聲。其中,參數(shù)設(shè)定中的“數(shù)量”指應(yīng)用于圖像銳化量的大小,以百分比為單位;參數(shù)“半徑”控制著邊界每側(cè)樣本點(diǎn)數(shù)和光標(biāo)寬度;“閾值”決定邊緣中存在的相臨像素間的最小色調(diào)差別。

圖2 圖像銳化前

圖3 US M銳化后

2.2 偽彩色處理

在 RGB色彩空間,圖像深度與色彩的映射關(guān)系主要有真彩色、偽彩色和調(diào)配色。在醫(yī)學(xué)影像的顯示中常用偽彩色的概念,其對(duì)人眼的視覺(jué)效果相比不如彩色圖像。由于人的眼睛只能區(qū)分 40多種不同等級(jí)的灰度,卻能區(qū)分幾千種不同色度、不同亮度的色彩[9-10]。因此,把醫(yī)學(xué)影像中那些人眼無(wú)法區(qū)別的灰度變化,通過(guò)偽彩色處理,可以更好地進(jìn)行病灶組織與正常組織的區(qū)分,提高圖像區(qū)別和識(shí)別能力。偽彩色處理的基本原理是將黑白圖像或者單色圖像的各個(gè)灰度級(jí)匹配到色彩空間的一點(diǎn),從而使單色圖像映射成彩色圖像。對(duì)黑白圖像中不同灰度級(jí)賦予不同的彩色,其基本原則為不同灰階用不同的彩色顯色;相鄰灰階的像素用相鄰的色彩顯示。

Photoshop中提供的偽彩色處理功能是在一定容差值控制下,通過(guò)魔棒工具將醫(yī)學(xué)圖像中不同灰度分布的區(qū)域進(jìn)行分別選取,繼而對(duì)不同灰度區(qū)域選擇紅、綠、藍(lán)進(jìn)行填充完成偽彩處理。圖 4、圖 5分別為Photoshop中偽彩色處理前、后的效果對(duì)比。經(jīng)過(guò)偽彩色增強(qiáng)處理后,原始圖像中不同灰度級(jí)別的區(qū)域選擇用不同色彩替代,圖像的識(shí)別能力得到提升,可以幫助醫(yī)師更加方便地進(jìn)行病灶部位的定位與觀察。

圖4 偽彩色處理前

圖5 偽彩色處理后

2.3 圖像堆棧

Photoshop Extended圖像堆棧功能同樣也可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理。所謂圖像堆棧就是將一組參考幀相似、但品質(zhì)或內(nèi)容不同的圖像組合在一起形成復(fù)合圖像,通過(guò)應(yīng)用不同的堆棧模式對(duì)圖像進(jìn)行處理,以消除不需要的內(nèi)容或雜色,達(dá)到增強(qiáng)圖像的目的。在圖像堆棧中所包含的圖像應(yīng)具有相同的尺寸和極其相似的內(nèi)容。

利用圖像堆棧功能進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)處理,可以選擇“文件”→“腳本”→“將文件載入堆?！边x項(xiàng)進(jìn)行圖像組合。將多個(gè)圖像組合至堆棧后,圖像將存儲(chǔ)為智能對(duì)象,選擇“圖層”→“智能對(duì)象”→“堆棧模式”選項(xiàng)中不同的堆棧模式對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。圖 6、圖 7分別為 Photoshop中圖像堆棧處理前、后的效果對(duì)比,堆棧模式為“最大值”。

圖6 堆棧處理前

圖7 堆棧處理后

2.4 邊緣化處理

對(duì)于一些邊緣提取不夠清晰的醫(yī)學(xué)圖片來(lái)說(shuō),還可以利用 Photoshop軟件的“查找邊緣”或“照亮邊緣”濾鏡對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行增強(qiáng)處理,使其輪廓更加清楚。該增強(qiáng)處理是用相對(duì)于白色背景的黑色線條勾勒?qǐng)D像的邊緣,顯著地突出圖像邊緣,生成圖像周圍的邊界從而達(dá)到增強(qiáng)的效果。

Photoshop Extended中打開(kāi)邊緣化處理的原始圖像,選擇“濾鏡”→“風(fēng)格化”→“查找邊緣”/“照亮邊緣”選項(xiàng),進(jìn)行邊緣化增強(qiáng)處理。其中,“照亮邊緣”可以通過(guò)設(shè)置“邊緣亮度”、“邊緣寬度”、“平滑度”三個(gè)參數(shù)控制增強(qiáng)效果。圖 8、圖 9分別為邊緣化增強(qiáng)處理前、后的圖像對(duì)比。

圖8 邊緣化處理前

圖9 照亮邊緣處理后

3 討論

隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展,其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也更為廣泛,使得醫(yī)學(xué)圖像可以揭示更多、更有用的醫(yī)學(xué)信息[11],在臨床診斷、輔助治療等方面發(fā)揮了重要的作用。使用 Photoshop軟件,通過(guò)其濾鏡等功能,能很方便地完成圖像的平滑、銳化、邊緣化、偽彩色等常見(jiàn)圖像增強(qiáng)處理,效果直觀、明顯。Photoshop作為一款在圖像處理領(lǐng)域優(yōu)秀的圖像處理軟件,對(duì)使用者而言,它相對(duì)易學(xué)習(xí)、易掌握;隨著軟件版本的升級(jí),在醫(yī)學(xué)圖像處理方面提供了更多的應(yīng)用支持,更進(jìn)一步方便了醫(yī)務(wù)工作者開(kāi)展常規(guī)醫(yī)學(xué)圖像的處理工作。

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