基于圖形處理的人體內(nèi)異物定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康秀娟，施 展

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于圖形處理的人體內(nèi)異物定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康秀娟，施 展

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，存留的人體異物會(huì)給病人身心帶來(lái)嚴(yán)重的傷害。因此，快速、準(zhǔn)確地對(duì)人體內(nèi)異物進(jìn)行三維定位，具有重要的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。文中對(duì)異物圖像預(yù)處理、幾何校正以及人體異物定位測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析和研究，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于Matlab GUI的人體異物圖像測(cè)量分析軟件。該軟件系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理以及對(duì)人體內(nèi)異物平面位置和深度信息的定量描述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量誤差不超過(guò)0.21 mm。

圖像處理；幾何校正；系統(tǒng)標(biāo)定；異物定位；采點(diǎn)測(cè)距

臨床醫(yī)學(xué)中，存留的人體異物對(duì)人身心造有極大的危害。雖然目前可以用X線檢查等方法判斷異物位置，但由于圖像不能對(duì)異物進(jìn)行三維定位，經(jīng)常存在定位不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題。因此，快速、準(zhǔn)確判斷傷病員體內(nèi)異物的位置對(duì)提高手術(shù)準(zhǔn)確率和安全性具有重要意義。

1 人體異物定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確定異物在人體內(nèi)的平面位置和深度信息，需要至少兩幅不同角度的異物圖像進(jìn)行測(cè)量定位，本文主要通過(guò)對(duì)兩幅人體異物圖像的處理與分析來(lái)確定異物的三維坐標(biāo)、大小尺寸等，定量描述人體內(nèi)異物的平面位置和深度信息。

按照系統(tǒng)的功能要求，本文基于圖形處理的人體內(nèi)異物定位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為4部分：圖像預(yù)處理、圖像幾何校正、系統(tǒng)標(biāo)定和人體異物定位測(cè)量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 人體異物定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖形用戶(hù)界面總體設(shè)計(jì)如圖2所示。界面布局主要分為3部分：圖像顯示區(qū)域、操作區(qū)域及分析結(jié)果輸出區(qū)域。其中顯示區(qū)域用于顯示異物圖像的正側(cè)位投影及處理后圖像，兩側(cè)操作區(qū)域通過(guò)功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的各種處理與分析，界面下方為分析結(jié)果輸出欄，用于顯示系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)、異物坐標(biāo)及采點(diǎn)測(cè)距的結(jié)果輸出。

圖2 圖形用戶(hù)界面總體設(shè)計(jì)

2 圖像預(yù)處理

本文采用直方圖增強(qiáng)的改進(jìn)算法和自適應(yīng)中值濾波的改進(jìn)算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，提高圖像清晰度和信噪比。

2.1 直方圖增強(qiáng)的改進(jìn)算法

由于直方圖均衡算法經(jīng)常會(huì)顯著改變圖像特征[1-4]，本文采用直方圖增強(qiáng)的改進(jìn)算法,將直方圖規(guī)定化與局部對(duì)比度增強(qiáng)相結(jié)合，進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。直方圖規(guī)定化可以修正圖像灰度分布，局部對(duì)比度增強(qiáng)算法通過(guò)處理窗口對(duì)圖像細(xì)節(jié)處做局部對(duì)比度增強(qiáng)，從而減小對(duì)圖像細(xì)節(jié)的損壞。得到的圖像在(x,y)處的灰度值可表示為

g′(x,y)=G(x,y)+k(f(x,y)-Mx,y)

(1)

式(1)中，G(x,y)為規(guī)定化處理后的灰度值，f(x,y)為圖像未處理前(x,y)處的灰度值，Mx,y為處理窗口內(nèi)所含像素的平均灰度值。k(f(x,y)-Mx,y)為局部對(duì)比度增強(qiáng)后的灰度值，相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，起到強(qiáng)化細(xì)節(jié)的作用。k值根據(jù)處理窗口的灰度方差來(lái)選取，可表達(dá)為

(2)

k=k′(t2-1)

(3)

圖3 k值變化示意圖

2.2 自適應(yīng)中值濾波的改進(jìn)算法

圖4 改進(jìn)的自適應(yīng)中值濾波算法流程圖

3 圖像幾何校正

由于成像系統(tǒng)具有非線性以及拍攝角度的問(wèn)題，會(huì)使生成的圖像存在一定的幾何畸變[7]。本文通過(guò)空間坐標(biāo)變換和對(duì)非整數(shù)處坐標(biāo)進(jìn)行雙線性插值兩個(gè)步驟校正畸變。

(1)假設(shè)圖像為雙線性畸變，校正公式為

(4)

式中共有8個(gè)參數(shù)，可通過(guò)圖像中的4個(gè)點(diǎn)對(duì)將系數(shù)解出；

(2)空間變化后的像素坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生非整數(shù)，因此，坐標(biāo)變換后還需確定各像素的灰度值。像素灰度內(nèi)插的方法主要有最近鄰點(diǎn)法、雙線性?xún)?nèi)插法和三次內(nèi)插法3種[8-10]。本文采用雙線性?xún)?nèi)插法對(duì)非整數(shù)處的坐標(biāo)進(jìn)行插值。雙線性?xún)?nèi)插法又稱(chēng)一階插值法[11]，其需要經(jīng)3 次插值才能獲得最終結(jié)果，是對(duì)最近鄰插值法的一種改進(jìn)[12]。

圖5 雙線性?xún)?nèi)插法鄰近點(diǎn)選擇

雙線性?xún)?nèi)插法利用待求像素周?chē)?個(gè)鄰近像素在x、y方向上分別做加權(quán)線性插值。如圖5所示，設(shè)(x′,y′)4個(gè)鄰近像素點(diǎn)為A、B、C、D，其坐標(biāo)分別為(i,j)，(i+1,j)，(i,j+1)，(i+1,j+1)，灰度值分別為g(A)、g(B)、g(C)、g(D)，設(shè)α=x′-i，β=y′-j。首先計(jì)算出E、F兩處的灰度值g(E)和g(F)

g(E)=β[g(C)-g(A)]+g(A)

(5)

g(F)=β[g(D)-g(B)]+g(B)

(6)

則(x′,y′)點(diǎn)的灰度值g(x′,y′)為

g(x′,y′)=α[g(F)-g(E)]+g(E)

(7)

g(x′,y′)即為校正后圖像中(x′,y′)處的灰度值。

4 系統(tǒng)標(biāo)定與異物定位測(cè)量

系統(tǒng)標(biāo)定[13]可以實(shí)現(xiàn)圖像像素點(diǎn)數(shù)與實(shí)際尺寸的轉(zhuǎn)換。這里將像素與實(shí)際尺寸之間的比例關(guān)系定義為標(biāo)定系數(shù)k

k=P/L

(8)

式中，L表示被測(cè)物體的實(shí)際尺寸，單位mm，P表示被測(cè)物的像素個(gè)數(shù)，k表示系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)，單位pixel/mm。

本文通過(guò)選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的方法，將待測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)件的精確尺寸與經(jīng)系統(tǒng)處理后的數(shù)字圖像的像素個(gè)數(shù)作比對(duì)，根據(jù)公式(8)多次實(shí)驗(yàn)取平均值，從而計(jì)算出系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)[14-13]。

獲取標(biāo)定系數(shù)后，還需建立坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的換算。本文建立圖像坐標(biāo)系如圖6所示，將原點(diǎn)規(guī)定位于圖像的左下角，設(shè)O1在u，v坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)為(u0,v0)，系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)為k，則O1點(diǎn)的物理坐標(biāo)(x,y)可表示為

(9)

圖6 圖像坐標(biāo)系

假設(shè)兩幅人體異物圖像的相位夾角為θ(一般為90°)，異物點(diǎn)側(cè)位投影的橫坐標(biāo)為Z′，根據(jù)幾何變換關(guān)系

Z=Z′/sinθ

(10)

可將異物點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息求出。

根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式

(11)

通過(guò)采點(diǎn)測(cè)距的方式可實(shí)現(xiàn)圖像中任意兩點(diǎn)間距離的計(jì)算[15]。

5 系統(tǒng)誤差分析

本文選取分辨率為96 dpi，尺寸大小為981×698像素的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖像，在圖像進(jìn)行預(yù)處理、幾何校正及系統(tǒng)標(biāo)定后，利用采點(diǎn)測(cè)距功能對(duì)10 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，10次測(cè)量結(jié)果和誤差分析如表1所示。

表1 10 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸測(cè)量結(jié)果 /mm

根據(jù)誤差理論，極限誤差取標(biāo)準(zhǔn)差的3倍時(shí)，極限誤差δ=0.202 2 mm ，滿足人體異物定位測(cè)量時(shí)的實(shí)際要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了人體異物圖像定位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有圖像增強(qiáng)、濾波、系統(tǒng)標(biāo)定、異物坐標(biāo)及采點(diǎn)測(cè)距等功能。系統(tǒng)誤差分析結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)軟件標(biāo)定誤差較小，尺寸測(cè)量比較精確，系統(tǒng)整體測(cè)量誤差不超過(guò)0.21 mm，滿足實(shí)際要求。

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A System of Foreign Object Localization Based on Graphics Processing

KANG Xiujuan,SHI Zhan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In the clinical medical practice, small foreign object in the human body has brings to the patient a great impact of the physical and mental. Therefore quickly and accurately to three- dimensional location the foreign object in human body, has significant research value and application prospect. This paper focused on image preprocessing, geometric correction and human body localization carried on the thorough analysis and research，and designed the foreign object measurement and analysis software based on GUI MATLAB. The software system can realize the pretreatment of medical image and the quantitative description of the plane position and depth information of the foreign object. The experimental results show that the system measurement error less than 0.21mm.

image processing; geometric correction; system calibration; foreign object localization; ranging

2017- 02- 23

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研基金(15110502300)

康秀娟(1993-)，女，碩士研究生。研究方向：數(shù)字圖像處理。施展(1963-)，女，副教授。研究方向：測(cè)試?yán)碚撆c測(cè)試技術(shù)。

TP391.41

A

1007-7820(2018)01-071-04