基于超分辨率重構(gòu)技術(shù)的醫(yī)學(xué)超聲波圖像增強(qiáng)方法研究*

齊鑫，楊智，李冬果

(1.首都醫(yī)科大學(xué)，北京 100069；2. 國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院，北京 100021 )

1 引 言

在圖像的采集和成像過程中，由于受到設(shè)備的性能限制，信息的傳遞易受系統(tǒng)帶寬和噪聲的影響，導(dǎo)致圖像質(zhì)量欠佳。系統(tǒng)帶寬受空間和時(shí)間采樣頻率的限制，其提高往往需要通過昂貴的硬件技術(shù)，如探測(cè)器和處理鏈的改善；而噪聲的降低往往導(dǎo)致帶寬的進(jìn)一步降低，更多的信息丟失。醫(yī)學(xué)圖像為疾病的篩查和診斷提供關(guān)鍵的信息，其圖像質(zhì)量，尤其是分辨率、對(duì)比度以及噪聲規(guī)模決定了其應(yīng)用的有效性和準(zhǔn)確性。因此，如何經(jīng)濟(jì)有效的提高圖像質(zhì)量是一項(xiàng)十分重要的課題[1]。超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)就是通過多次數(shù)據(jù)采集，利用軟件方法提高圖像質(zhì)量的有效方法[2]。

在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域，超分辨率重構(gòu)技術(shù)在不需要提高硬件基礎(chǔ)的前提下[3-8]，利用軟件算法提高圖像分辨率，如在降低X線輻射劑量的前提下，提高CT圖像質(zhì)量[9]；使用低場(chǎng)強(qiáng)的磁共振儀拍攝的低質(zhì)量圖像，提高圖像質(zhì)量[10]；解決低端PET設(shè)備獲取的圖像存在的噪聲高等影響圖像質(zhì)量的問題[11]。在圖像的噪聲處理方面，小波去噪應(yīng)用較為廣泛。在內(nèi)部構(gòu)件振動(dòng)的信號(hào)處理方面，有壓水堆堆內(nèi)信號(hào)去噪[12]應(yīng)用；在磁力測(cè)量信號(hào)處理方面，有海洋磁場(chǎng)資料的高頻噪聲去除[13]應(yīng)用；在超聲應(yīng)用方面，有超聲測(cè)距應(yīng)用中的信號(hào)去噪處理[14]；在醫(yī)學(xué)診斷信號(hào)處理方面，有心電信號(hào)的白噪聲去除[15]應(yīng)用以及核磁共振MRI信號(hào)的去噪處理[16]應(yīng)用。

超聲影像由于其成像的物理特點(diǎn)，其分辨率受到傳感器相控陣列的結(jié)構(gòu)、聲束賦形的限制，而超聲影像特有的斑點(diǎn)噪聲對(duì)圖像信息有較嚴(yán)重的影響。早期的超聲影像降噪一般采用多角度合成技術(shù)和濾波技術(shù)。多角度成像反映了成像目標(biāo)區(qū)域內(nèi)物體不同的聲學(xué)反射面，對(duì)圖像的分辨率提高無益；濾波技術(shù)去噪往往導(dǎo)致圖像過度平滑、模糊。

本研究采用的超分辨率成像是一種多圖像合成的方法，與多角度合成方法所不同的是圖像來自于相似的采集角度，僅存在空間位移，每個(gè)分辨率單元反映了成像區(qū)域中該單元內(nèi)的聲學(xué)信息，不同圖像之間分辨率單元的信息具有超分辨率互補(bǔ)關(guān)系，通過算法設(shè)計(jì)，可以獲得超分辨率的圖像。而每個(gè)分辨率單元的斑點(diǎn)噪聲無強(qiáng)相關(guān)性，因而超分辨率圖像重構(gòu)亦可有效降噪。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇甲狀腺、腮腺、乳腺三個(gè)部位作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。由于超聲圖像不穩(wěn)定，斑點(diǎn)噪聲多，在圖像采集時(shí)，采用微小位移(目的在于通過對(duì)同一成像目標(biāo)進(jìn)行多次的相互有細(xì)微差別成像，獲得比單幅圖像更多的目標(biāo)信息，操作方法為手握超聲探頭幾乎保持位置不變或稍移動(dòng)，移動(dòng)距離在毫米級(jí)，隨著人體的呼吸、組織活動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)微小位移)，加上連續(xù)采集(即在非圖像凍結(jié)模式下，以每秒兩張的頻率連續(xù)采集)的方法進(jìn)行采圖操作，得到實(shí)驗(yàn)原始圖像，為保證融合后效果，將形變大的圖像剔除，最終得到五組采集結(jié)果：甲狀腺(26張)，甲狀腺(20張)，甲狀腺(24張)，腮腺(6張)，乳腺(6張)。

2.2 超分辨率技術(shù)

超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)旨在利用同景圖像融合，提高圖像信息含量，降低圖像噪聲，更加清晰的呈現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)。其核心思想是用時(shí)間帶寬換取空間分辨率。通過一系列低分辨率的圖像來得到一幅高分辨率的圖像過程就是超分辨率重建。本研究采用超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過一系列不理想的原始圖像來得到一幅質(zhì)量提高的圖像。

2.3 圖像的小波變換融合

2.3.1基于小波變換的圖像分解 基于小波基統(tǒng)一方法—多尺度分析提出的二維小波分解， 對(duì)離散型小波采用Mallat算法，其分解后的圖像可表示為：

(1)

圖1 小波變換分解過程示意圖

Fig1Schematicdiagramofwavelettransformdecompositionprocess

2.3.2基于小波變換的圖像融合 基于以上小波變換分解方法，對(duì)原圖像A和原圖像B進(jìn)行以下融合過程：用小波變換的算法對(duì)兩幅圖像A、B進(jìn)行各個(gè)方向的分解，得到圖像的低頻分量和各個(gè)高頻分量；對(duì)圖像不同層次的分量系數(shù)，按照融合規(guī)則進(jìn)行圖像融合；對(duì)融合后的小波系數(shù)進(jìn)行小波逆變換，重構(gòu)出最終的融合圖像。

在整個(gè)圖像處理過程中采用絕對(duì)值最大、加權(quán)平均等融合規(guī)則，以提高圖像融合最終結(jié)果的質(zhì)量與速度，并對(duì)最終的融合結(jié)果采用主觀與客觀(圖像細(xì)節(jié)橫斷特征輪廓對(duì)比和均方差噪聲水平對(duì)比)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

絕對(duì)值最大規(guī)則，即對(duì)原圖像小波變換分解后的小波系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，將信息集中在幅值大的小波系數(shù)里，在最終信號(hào)重構(gòu)時(shí)，小波系數(shù)絕對(duì)值大的權(quán)重值會(huì)比絕對(duì)值小的權(quán)重值大，從而保留能量大的圖像信息。絕對(duì)值最大規(guī)則公式如下：

(2)

其中，A(i,j)和B(i,j)是原圖像A和原圖像B經(jīng)過小波變換分解得到的系數(shù)矩陣。

加權(quán)平均規(guī)則，即對(duì)經(jīng)過小波變換分解后的分量系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)處理，得到重構(gòu)后的系數(shù)，具體公式如下：

F(i,j)=α1A(i,j)+α2B(i,j)

(3)

其中，α1+α2=1，A(i,j) 和B(i,j) 是原圖像A和原圖像B經(jīng)過小波變換分解得到的系數(shù)矩陣。

3 結(jié)果分析

3.1 基于小波變換的圖像重構(gòu)融合

經(jīng)過對(duì)多張?jiān)紙D像進(jìn)行小波變換分解，得到低頻分量與各高頻分量信息，再對(duì)分解后信息進(jìn)行重構(gòu)，最后逆變換得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像。圖像中的有效信息得到充分融合，斑點(diǎn)噪聲也得到一定程度的抑制，見圖2。由圖中可知，由于小波變換將圖像分解后的各分量信息按照融合規(guī)則進(jìn)行重構(gòu)融合，使得融合后圖像的畫質(zhì)更均勻，輪廓更清晰，視覺效果更好。

圖2 超分辨率圖像重構(gòu)前后對(duì)比

Fig2Comparisonofsuper-resolutionimagereconstructionbeforeandafter

3.2 圖像融合效果的評(píng)價(jià)

定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，本試驗(yàn)采用了圖像細(xì)節(jié)橫斷特征輪廓對(duì)比和均方差噪聲水平對(duì)比。圖像細(xì)節(jié)橫斷特征輪廓對(duì)比，即在各幅圖像中選取相同位置線段上像素的灰度輪廓線進(jìn)行對(duì)比，觀察圖像處理前后的噪聲抑制情況。均方差(標(biāo)準(zhǔn)差)噪聲水平對(duì)比，即選擇目標(biāo)圖像中的區(qū)域，對(duì)選取區(qū)域圖像素點(diǎn)值進(jìn)行均方差計(jì)算，對(duì)圖像處理前后的均方差值進(jìn)行對(duì)比，均方差下降即為噪聲水平下降。均方差公式如下：

(4)

圖像橫斷特征輪廓對(duì)比見圖3，圖像的輪廓在峰值部分得到有效的保留甚至增強(qiáng)，而這種保留、增強(qiáng)是通過大量圖像信息融合得到，是有依據(jù)的合理保留和增強(qiáng)。同時(shí)圖像噪聲信號(hào)得到合理抑制，特征曲線更平緩。圖像信息的均方差用來反映圖像畫質(zhì)是否均勻，是否存在異常噪聲，將五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 各組實(shí)驗(yàn)均方差StdDev水平數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表1可知，各組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比，圖像的均方差StdDev值均有不同程度的下降，最顯著的第二組甲狀腺數(shù)據(jù)均方差水平下降達(dá)28%，圖像的均方差StdDev水平平均下降22%，見圖4。圖中可知，圖像噪聲水平得到了抑制，圖像質(zhì)量有所改善。

圖3 原始圖像與結(jié)果圖像橫斷對(duì)比

圖4 原始圖像與結(jié)果圖像均方差對(duì)比

Fig4Comparisonofmeansquareerrorbetweenoriginalimageandresultimage

圖3中，org表示原始圖像，exp表示結(jié)果圖像。圖3為第一組采集數(shù)據(jù)(甲狀腺26張)橫斷特征輪廓對(duì)比數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為橫斷連續(xù)取值的順序號(hào)，縱坐標(biāo)為橫斷連續(xù)取值圖像點(diǎn)的值。圖4為對(duì)每組采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取區(qū)域圖像均方差計(jì)算，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)組順序號(hào)(1：甲狀腺1組，2：甲狀腺2組，3：甲狀腺3組，4：腮腺組，5：乳腺組)，縱坐標(biāo)為相應(yīng)均方差值。

4 討論

在醫(yī)學(xué)影像檢查中，超聲檢查對(duì)患者身體的影響幾乎為零，但由于超聲成像技術(shù)本身限制，圖像質(zhì)量受到限制且斑點(diǎn)噪聲嚴(yán)重，使得其應(yīng)用受到局限。超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)，在不改變采集圖像硬件基礎(chǔ)前提下，對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行合理改善。將超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)和超聲影像技術(shù)結(jié)合，對(duì)提高圖像細(xì)節(jié)—圖像橫斷特征輪廓更清晰、噪聲水平得到抑制—均方差平均下降22%、圖像畫質(zhì)更均勻、圖像質(zhì)量提高，改進(jìn)超聲成像質(zhì)量具有一定的作用，對(duì)臨床疾病早期診斷與篩查具有重要的意義。