核素掃描機的數(shù)據(jù)采集與圖像處理

王輔霞

摘要：核素掃描機是核醫(yī)學中一種重要的診斷儀器，它采用微控制器控制掃描、數(shù)字計數(shù)，計算機程序控制圖像處理、數(shù)據(jù)分析、報告單打印、數(shù)據(jù)庫查詢等先進技術，在臨床上可用作人體甲狀腺臟器的掃描顯像。

關鍵詞：核素掃描機；核醫(yī)學；數(shù)據(jù)采集；圖像處理

中圖分類號：R445 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0070-03

掃描機是現(xiàn)代醫(yī)學上一項成功可靠的診斷儀器，特別是與微型計算機、微控制器的結合，更加顯示出其優(yōu)越的性能。核素掃描機的基本原理是利用放射性同位素示蹤技術，用探測器探測γ射線，實現(xiàn)臟器的顯影，即將放射性同位素標記在藥物上并引入人體，然后通過探測器在體外掃描臟器部位，探測其產(chǎn)生的γ射線，并記錄放射性藥物在體內(nèi)的分布情況，以形成掃描圖像。由于臟器對藥物的選擇性吸收以及同一臟器中正常組織和病變組織吸收的差異性，醫(yī)生就能根據(jù)掃描圖像進行診斷或鑒別某些臟器的占位性病變和一些功能的變化。掃描機的開發(fā)和生產(chǎn)又為醫(yī)院核醫(yī)學科提供了一個重要的診斷儀器。

1 工作原理

核素掃描機由主機、微型計算機、彩色打印機和隔離電源組成。掃描機是一種核醫(yī)學診斷儀器，它借助于γ射線掃描探測實現(xiàn)對臟器的顯影。其基本工作原理是將放射性同位素標記在藥物上并引入人體，然后通過對臟器的逐點掃描，記錄放射性藥物在人體內(nèi)的分布情況。由于臟器對藥物的選擇性吸收以及同一臟器中正常組織與病變組織的吸收差異，臨床醫(yī)生可根據(jù)掃描圖像診斷或鑒別某些臟器的占位性病變和一些功能的變化。掃描機自動化程度高，操作方便，性能優(yōu)越。它由微型計算機控制，自動完成設定部位掃描、數(shù)據(jù)采集、圖像處理、彩色報告單打印以及病人資料管理等。

掃描機掃描時采用“定步距計數(shù)”測量法，即在X方向設定X步距，當探頭在此X步距內(nèi)移動時進行計數(shù)為n，同時測量所需時間t，則此步距點的單位時間計數(shù)值為：

n/t （1）

式中：

n——計數(shù)

t——時間

這樣，對電機的轉速要求就降低了，同時也保證了整個圖像的像素點均勻度。

每一測試點的位置，以X步距中間點的坐標（X，Y）來標定，即：

X=（X1+X2）/2 （2）

式中：

X——步距

X1——每點X步距起始點X坐標

X2——每點X步距結束點X坐標

這樣就消除了雙向掃描帶來的回差。

掃描區(qū)域大小及掃描區(qū)域位置可自由設定，掃描區(qū)域一般為長方形（X方向掃描區(qū)域∶Y方向掃描區(qū)域=1∶1.2）。

2 數(shù)據(jù)采集過程與方法

使用兩片74LS161級連成為16位的計數(shù)器，掃描機的最大計數(shù)率為65535cps?？赡苡腥艘獑?，會不會在掃描時出現(xiàn)計數(shù)率值溢出的情況？回答是否定的。因為在通常情況下，臨床上甲狀腺掃描的病人服藥量僅為100～200μCi，最大也不會超過250μCi，而我們通過用點源做試驗時發(fā)現(xiàn)，活度為0.8mCi左右的點源放在準直器焦點處的最大計數(shù)率也不會超過60000cps，所以即便病人的甲狀腺吸碘率為100%，那么在掃描時也不會有超過65535cps計數(shù)率的現(xiàn)象發(fā)生。

核素掃描機的數(shù)據(jù)采集是通過上位機與下位機的串行通訊來實現(xiàn)的。下位機是51系列的單片機，進行串行通訊時，上位機與下位機通訊模式的設置一定要一致，如果設置不一致兩者將不能通訊。在核素掃描機中，上位機與下位機的設置為：波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。上位機與下位機接收數(shù)據(jù)均在串口中斷中進行。下位機本身不能控制核素掃描機，而是通過上位機發(fā)送控制指令來實現(xiàn)控制的。如果上位機發(fā)送一條指令讓核素掃描機開始掃描，下位機接收到指令后立即響應，便控制核素掃描機開始掃描了。

通過“定步距計數(shù)”測量法來讀取計數(shù)，此時單片機記錄下測量一點所需的時間、實際X值、實際Y值及計數(shù)值，將它們放入單片機所開辟的緩沖區(qū)中（這個緩沖區(qū)大小是一定的，最大可以存貯100個點的數(shù)據(jù)），等待上位機向它發(fā)出讀取指令。上位機與下位機是通過RS232來進行串口通訊的。它們之間有約定好的通訊協(xié)議，當下位機接收到讀取指令后，下位機便通過串口向上位機發(fā)送掃描數(shù)據(jù)，當上位機接收完成一組數(shù)據(jù)后緊接著向下位機發(fā)送下一個讀取指令，這樣就能保證下位機所采集的數(shù)據(jù)能夠及時地傳送到上位機，既不會覆蓋緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，也節(jié)省了時間。

上位機將接收來的計數(shù)按照X與Y的位置模擬顯示在坐標圖上，用灰度圖的形式進行顯示，直至整個掃描結束。上位機將接收到的所有原始數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)不能被修改，也不能被刪除。當掃描工作全部結束后，便可以對該幅圖像進行處理了。

3 位圖圖像的形成與降噪處理

圖像處理包括三個部分：第一是生成24位真彩色圖像并進行降噪處理；第二是扣除儀器本底，以得到真正的掃描圖像；第三是可以在圖像中任意標注文字與病變區(qū)的位置，可以改變圖像的對比度，以便對圖像進行分析。

位圖文件由三部分組成：文件頭+位圖信息+位圖像素數(shù)據(jù)。位圖文件頭主要用于識別位圖文件。以下是位圖文件頭結構的定義：

tagBITMAPFILEHEADER=packed record

bfType：Word；

bfSize：DWORD；

bfReserved1：Word；

bfReserved2：Word；

bfOffBits：DWORD；

end；

其中的bfType值應該是“BM”（0x4d42），標志該文件是位圖文件。bfSize的值是位圖文件的大小，對于24位真彩色，如果圖像的寬度為W，高度為H，bfSize就等于W×H×3+54。

位圖信息頭包含了單個像素所用字節(jié)數(shù)以及描述顏色的格式，此外還包括位圖的寬度、高度、目標設備的位平面數(shù)、圖像的壓縮格式。以下是位圖信息頭結構的定義：

tagBITMAPINFOHEADER=packed record

biSize：DWORD；

biWidth：Longint；

biHeight：Longint；

biPlanes：Word；

biBitCount：Word；

biCompression：DWORD；

biSizeImage：DWORD；

biXPelsPerMeter：Longint；

biYPelsPerMeter：Longint；

biClrUsed：DWORD；

biClrImportant：DWORD；

end；

表1是對結構體當中各個成員的說明。

對于24位真彩色圖，位圖像素數(shù)據(jù)中每3個字節(jié)表示一個像素，每個字節(jié)表示一個RGB分量。從掃描數(shù)據(jù)中找出最大計數(shù)值與最小計數(shù)值，按照一定的規(guī)律將各點的計數(shù)值換算成各點的顏色值，然后按照位圖圖像的數(shù)據(jù)格式將它們寫入位圖文件。

在軟件中可以設置生成的位圖圖像是原始圖像還是優(yōu)化圖像，如果生成原始圖像則在生成位圖圖像時不進行平滑與降噪處理，如果選擇生成優(yōu)化圖像，則在生成位圖圖像的過程中，用到了降噪處理中一種方法是中值濾波。

中值濾波是一種常用的非線性平滑濾波器，其基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個領域中各點值的中值代換。設f（x，y）表示數(shù)字圖像像素點的灰度值，濾波窗口為A的中值濾波器可以定義為：

f^（x，y）=MED{f（x，y）}，（x，y）∈A

其主要功能是讓周圍像素灰度值的差比較大的像素改取與周圍的像素值接近的值，從而可以消除孤立的噪聲點，所以中值濾波對于濾除圖像的椒鹽噪聲非常有效。中值濾波器可以做到既去除噪聲又能保護圖像的邊緣，從而獲得較滿意的復原效果，而且，在實際運算過程中不需要圖像的統(tǒng)計特性，這也帶來不少方便，但對一些細節(jié)多，特別是點、線、尖頂細節(jié)較多的圖像不宜采用中值濾波的方法。如果希望強調(diào)中間點或距中間點最近的幾個點的作用，則可采用加權中值濾波。其基本原理是改變窗口中變量的個數(shù)，可以使一個以上的變量等于同一點的值，然后對擴張后的數(shù)字集求中值。這種方法比簡單中值濾波性能更好地從受噪聲污染的圖像中恢復出階躍邊緣以及其他細節(jié)。另有一種可以處理具有更大概率的沖激噪聲的是自適應中值濾波器，在進行濾波處理時，能依賴一定條件而改變領域的大小。其優(yōu)點是在平滑非沖激噪聲時可以保存細節(jié)，所以既能除去“椒鹽”噪聲，平滑其他非沖激噪聲，還能減少諸如物體邊界細化或粗化等失真。

4 圖像的后處理

當圖像生成并顯示在窗體中后，還需要一些功能來對圖像進行分析。在圖像上進行標注、測量、畫矩形、畫多邊形等是比較適用方法。當需要在臟器的某一位置注明病變性質(zhì)時，可以利用標注在圖像上描述。測量包括畫直線、箭頭，并依據(jù)圖像的實際大小計算出直線與箭頭的長度，以便操作者對圖像進行分析。畫矩形與畫多邊形是對計算臟器的病變面積而設計的，由于病變區(qū)形狀不規(guī)則，畫多邊形是常用的方法，當你畫多邊形把病變區(qū)的大小確定之后，就可以使用計算多邊形的面積按鈕來計算病變區(qū)的面積了。

圖像是以1∶1方式顯示的，根據(jù)需要可對圖像的顯示比例進行調(diào)整。若需要對臟器的某一部位進行放大分析時，可以使用局部放大功能。圖像顏色的分配是圖像分辨率的關鍵。如果圖像的顏色搭配不合理，有些病變部位將不容易被識別。針對這一情況，系統(tǒng)提供了十種顏色方案，并且每一種顏色方案都可以取反，都可以通過更改R、G、B的值來得到新的顏色方案，最終使圖像具有較高的分辨率，方便醫(yī)生的診斷。

5 結語

核素掃描機已經(jīng)在全國各地很多醫(yī)院使用，收效甚好。為了使用戶更加方便操作我們的核素掃描機，我們不斷收集用戶所提出的寶貴意見，取其精華，將它們應用到我們的核素掃描機中去。

參考文獻

[1] 賈永紅.數(shù)字圖象處理[M].武漢：武漢大學出版社，2003.