探析圖像增強(qiáng)技術(shù)在數(shù)字X射線醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用

朱學(xué)云 龐鳳國

【摘要】目的：探析圖像增強(qiáng)技術(shù)在數(shù)字X射線醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用。方法：選取2019年1月至2020年12月期間我院放射科行X射線攝影120張攝影圖片為研究對(duì)象，選擇瑞柯雙橋（E volution plus）和飛利浦雙板DR（Digital Diagonost c50 65型）進(jìn)行圖像處理。將2019年1月-12月期間患者的X射線攝影圖像設(shè)置為對(duì)照組，共60張，將2020年1月-12月期間患者的X射線攝影圖像設(shè)置為觀察組，共60張。對(duì)照組使用原片入組，觀察組將圖片進(jìn)行增強(qiáng)處理，觀察兩組圖片的清晰度和對(duì)比度。結(jié)果：觀察組圖片的清晰度和對(duì)比度較對(duì)照組優(yōu)（P<0.05）。結(jié)論：將高頻加強(qiáng)濾波和直方圖均衡技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，不僅可以增強(qiáng)圖像灰度值范圍內(nèi)的對(duì)比度，還能清晰地對(duì)其細(xì)節(jié)進(jìn)行顯示，對(duì)于臨床判定病灶的大小、形狀和周圍環(huán)境情況有著重要的意義。此外，通過增強(qiáng)圖像，可以為臨床醫(yī)學(xué)圖像處理提供一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)其適用范圍不僅局限于數(shù)字 X 射線影響，而對(duì)于超聲、MRI 等也有著重要的參考意義。

【關(guān)鍵詞】圖像增強(qiáng)技術(shù);數(shù)字X攝像;醫(yī)學(xué)影像;診斷準(zhǔn)確率;應(yīng)用情況

【中圖分類號(hào)】R814 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12332/j.issn.2095-6525.2021.11.013

【Abstract】Objective：To explore the application of image enhancement technology in digital X-ray medical imaging. Methods：120 images were selected from January 2019 to December 2.2020， and E volution plus and Philips DR （Digital Diagonast c 5065） for image processing. Set X-ray images from January-December 2019 to control group of 60， with X-ray images from January-December 2020 Set to the observation group with 60 sheets. The control group used the original film to enter the group， and the observation group enhanced the pictures and observed the clarity and contrast of the two groups. Results：The clarity and contrast of the observation group were better than the control group （P <0.05）. Conclusion：Combining high-frequency enhancement filtering and histogram equalization technology can not only enhance the contrast within the image gray scale range， but also clearly display the details， which is of great significance for clinically determining the size， shape and surrounding environment of the lesion. Furthermore， by enhancing images， a new technical platform for clinical medical image processing with its application paradigm The circumference is not limited to the influence of digital X-ray， but also has important reference significance for ultrasound， MRI， etc.

【Key words】image enhancement technology; digital X imaging; medical imaging; diagnostic accuracy; application status

引言

X射線發(fā)源于19世紀(jì)，是德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線管的過程中偶然發(fā)現(xiàn)的，經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)，科技水平的不斷進(jìn)步發(fā)展了超聲波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域中來。X射線因其波長短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。X射線穿透物質(zhì)的能力與X射線光子的能量有關(guān)，X射線的波長越短，光子的能量越大，穿透力越強(qiáng)。X射線的穿透力也與物質(zhì)密度有關(guān)，利用差別吸收這種性質(zhì)可以把密度不同的物質(zhì)區(qū)分開來。正是利用這一原理，X射線影像學(xué)成為了臨床診斷的重要依據(jù)。一旦X射線成像模糊不清或灰度分布不均勻，會(huì)對(duì)臨床診斷有效率和準(zhǔn)確率造成嚴(yán)重的影響，出現(xiàn)漏診、誤診情況，使患者貽誤治療時(shí)機(jī)，威脅著患者的生命健康。圖像增強(qiáng)是采用一系列技術(shù)對(duì)用戶感興趣的某些特征對(duì)圖像作強(qiáng)調(diào)或銳化的增強(qiáng)處理，從而使用戶感興趣的圖像區(qū)域更加清晰直觀的顯現(xiàn)出來。因此若將圖像增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字X射線醫(yī)學(xué)影像學(xué)中，則可顯著提高正常區(qū)域和病變區(qū)域的對(duì)比度，使成像清晰度提高，便于臨床對(duì)病變有直觀的認(rèn)知，對(duì)于提高臨床診斷性和工作效率大有裨益?；诖耍疚膶⒁葬t(yī)學(xué)X射線成像原理為切入點(diǎn)，分析圖像增強(qiáng)技術(shù)在數(shù)字X射線醫(yī)學(xué)影像中的具體應(yīng)用情況，旨在提高X射線醫(yī)學(xué)影像的清晰度和對(duì)比度，從而提升臨床診出率，為提高醫(yī)院工作效率，助力醫(yī)療健康事業(yè)健康發(fā)展提供強(qiáng)大推力。

1 資料和方法

1.1基礎(chǔ)資料

選取2019年1月至2020年12月期間我院放射科X射線攝影的120張圖片為研究對(duì)象，選擇瑞柯雙橋（E volution plus）和飛利浦雙板DR（Digital diagnost）。將2019年1月至12月期間患者的X射線攝影圖像設(shè)置為對(duì)照組，共60張，將2020年1月至12月期間患者的X射線攝影圖像設(shè)置為觀察組，共60張。其中觀察組圖片中胸部X照射22例;腹部X照射19例;腦補(bǔ)X照射19例;對(duì)照組圖片中胸部X射線照射19例，腹部X射線照射20例，腦部X照射21例，經(jīng)對(duì)比，兩組X射線照射攝影的圖像在數(shù)量、照射部位等基礎(chǔ)資料對(duì)比中，差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），可以展開對(duì)比研究。

1.2方法

1.2.1對(duì)照組

本組患者X射線不進(jìn)行操作，就以原始圖片納入使用。

1.2.2觀察組

對(duì)本組攝像的60張圖片采用多種互補(bǔ)的圖像增強(qiáng)處理。其主要做法有：（1）高頻加強(qiáng)濾波。高頻加強(qiáng)濾波是圖像增強(qiáng)技術(shù)中的一種。一般情況下， 一個(gè)圖像的高頻分量主要對(duì)應(yīng)邊緣紋理等細(xì)節(jié)信息，而低頻分表現(xiàn)背景，但其中圖像的信息量多體現(xiàn)于邊緣紋理之中。為此，應(yīng)用高頻加強(qiáng)濾波是非常必要的。圖像增強(qiáng)即對(duì)圖像細(xì)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)，但若要實(shí)現(xiàn)這一目的，首先需要做的是將邊緣細(xì)節(jié)和背景進(jìn)行分離，即圖像銳化而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 則需要借助高頻加強(qiáng)濾波器。（2）直方圖均衡化。直方圖均衡化是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的方法之一。一般情況下，直方圖均衡化常用于增加多個(gè)圖像的全局對(duì)比度特別是當(dāng)圖像的有用數(shù)據(jù)的對(duì)比度相當(dāng)接近的時(shí)候，采用直方圖均衡化可以將其亮度更高地展示在直方圖上。以此增強(qiáng)局部對(duì)比度但不會(huì)對(duì)整體對(duì)比度產(chǎn)生影響。直方圖均衡化對(duì)于背景，或前景太亮或者太的圖像都非常好用。既往有學(xué)者將其應(yīng)用于骨骼 X 光圖像中發(fā)現(xiàn)，采用直方圖均衡化可以更高地顯示骨骼結(jié)構(gòu)和曝光度過度以及曝光度不足的細(xì)節(jié)之處。其最大的優(yōu)點(diǎn)是具備直觀的技術(shù)且為可逆操作。

1.3觀察指標(biāo)

對(duì)比兩組圖片的對(duì)比度、清晰度。

2? 結(jié)果

與X射線醫(yī)學(xué)影像原圖的對(duì)照組對(duì)比，綜合互補(bǔ)圖像增強(qiáng)技術(shù)下觀察組醫(yī)學(xué)影像對(duì)比度較高，分析結(jié)果顯示，若濾波器半徑適當(dāng)且頻率接近傅立葉數(shù)變換后的原定，則高通濾波不會(huì)對(duì)參數(shù)產(chǎn)生過度敏感，而其濾波后的圖像無明顯特征，但也會(huì)部分顯示微弱的主要圖像邊緣。而經(jīng)過高頻加濾波處理后，且設(shè)置參數(shù)a=0.5，b=2.0，圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的高通濾波，雖然圖片的清晰度欠佳，但灰度色調(diào)并未在低頻分量下丟失，而體現(xiàn)在圖像率過后的邊緣信息非常詳細(xì)。

經(jīng)直方圖均衡處理器處理過的X射線原圖，結(jié)果顯示直方圖更適合增強(qiáng)對(duì)比度較低的圖像，此外，在直方圖均衡的圖像顯示中，圖像的內(nèi)部細(xì)節(jié)顯示更多，清晰度較高，直方圖均衡器處理后，圖像的灰度信息更為完整且未出現(xiàn)較大的色調(diào)反差，視覺效果更趨于柔和，原圖向內(nèi)部組織輪廓清晰，對(duì)比原圖銳化效果較好。兩組圖片在圖片質(zhì)量、對(duì)比度、清晰度等組間對(duì)比中，差異明顯，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

3? 討論

所謂圖像增強(qiáng)，就是指通過強(qiáng)調(diào)圖像中邊緣、輪廓、對(duì)比度等特征，使用戶能夠?qū)D像中所感興趣的內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察和分析。X射線醫(yī)學(xué)影像中，空域增強(qiáng)和頻域增強(qiáng)是常用的圖像增強(qiáng)技術(shù)。其中空域增強(qiáng)是直接在空域上改變像素灰度值，使圖像增強(qiáng)，主要采取灰度變換和直方圖變化兩種類型。頻域增強(qiáng)是對(duì)圖像進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，在頻域范圍內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，并加以逆變換，從而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。在X射線醫(yī)學(xué)影像中單獨(dú)使用一種增強(qiáng)方式并不能達(dá)到良好的增強(qiáng)效果，因此，需要結(jié)合多種增強(qiáng)技術(shù)，切實(shí)提高X射線醫(yī)學(xué)影像的清晰度、對(duì)比度。

以X射線醫(yī)學(xué)影像的實(shí)際應(yīng)用分析，其灰度動(dòng)態(tài)范圍較窄，噪聲較高，造成圖像增強(qiáng)難以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常采用拉普拉斯突出圖像細(xì)節(jié)，突出圖像邊緣則利用梯度法，已平滑后的梯度圖像進(jìn)行掩蓋，對(duì)圖像進(jìn)行銳化，擴(kuò)大灰度動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中將數(shù)字X射線攝片作為對(duì)比原圖，通過傳統(tǒng)高通濾過和高頻加強(qiáng)濾過的圖像對(duì)比，以及分別將直方圖均衡化于數(shù)字 X 射線和高頻加強(qiáng)濾過中顯示，將高頻加強(qiáng)濾波和直方圖均衡技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，不僅可以增強(qiáng)圖像灰度值范圍內(nèi)的對(duì)比度，還能清晰地對(duì)其細(xì)節(jié)進(jìn)行顯示，對(duì)于臨床判定病灶的大小、形狀和周圍環(huán)境情況有著重要的意義。

3.1圖像增強(qiáng)技術(shù)的算法思想

以往的X射線醫(yī)學(xué)影像中灰度動(dòng)態(tài)范圍較窄，通常進(jìn)行圖像增強(qiáng)時(shí)對(duì)原片進(jìn)行銳化處理、平滑處理以及掩蔽和提升濾波。

3.1.1銳化處理

圖像的高頻分量對(duì)應(yīng)于邊緣文理等細(xì)節(jié)信息，圖像的低頻分量對(duì)應(yīng)于背景。X射線醫(yī)學(xué)影像中的主要信息主要體現(xiàn)在邊緣紋理中。因此圖像增強(qiáng)技術(shù)主要是對(duì)圖像細(xì)節(jié)的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)首先應(yīng)將邊緣細(xì)節(jié)與背景分離，這種處理技術(shù)即為圖像銳化。對(duì)醫(yī)學(xué)X射線進(jìn)行銳化處理主要目的是突出圖像中灰度的過度部分，通常以微分方式進(jìn)行。隨著微分算子強(qiáng)度的增加，其操作圖像的突變程度也隨之增加，從而有利于醫(yī)生直觀的對(duì)圖像邊緣和噪聲等突變進(jìn)行觀察。拉普拉斯算子作為一種微分算子，應(yīng)用于X射線醫(yī)學(xué)影像中使圖像中的灰度突變更為明顯，將原圖與拉普拉斯圖像進(jìn)行有序疊加，圖像的背景特性恢復(fù)較為明顯，獲得銳化效果較為優(yōu)質(zhì)的清晰圖像。相關(guān)研究證實(shí)，經(jīng)拉普拉斯增強(qiáng)處理后的圖像，清晰度得到顯著提升。

3.1.2平滑處理

采用中值濾波和均值濾波等平滑方式對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理是解決X射線醫(yī)學(xué)影像都有一定程度的輕微模糊和噪聲的有利途徑。在實(shí)際應(yīng)用過程中中值濾波主要對(duì)噪聲、噪聲護(hù)理墊和圖像掃描噪聲進(jìn)行濾除，并保留圖像邊緣，但其對(duì)高斯噪聲的處理效果欠佳。將中值濾波應(yīng)用于X射線醫(yī)學(xué)影時(shí)，選定一個(gè)奇數(shù)點(diǎn)滑動(dòng)窗U，待進(jìn)行窗口掃描后，按照灰度級(jí)將像素點(diǎn)按一定的順序排列，以中間位置素點(diǎn)灰度值代替窗U中素點(diǎn)灰度值。中值濾波主要是以非線性增強(qiáng)方式改變圖像性質(zhì)，但是該類處理方法并未應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理中，因此，選用均值濾波處理圖像平滑噪聲。均值濾波在實(shí)際應(yīng)用中能夠根據(jù)用戶的注重突出使用者需要觀察的圖像細(xì)節(jié)，降低圖像噪聲，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣模糊，因此在使用過程中應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際需要慎重選擇。

3.1.3掩蔽和高提升濾波

在模板操作中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)是圖像乘法，因其可以將圖像中的某些部分遮蔽掉，因此又稱之為感興趣區(qū)域（ROI）操作。設(shè)置一個(gè)模板圖像，對(duì)原圖像需要保留處的圖像設(shè)置模板值為 1，對(duì)原圖像中需要需要抑制的地方設(shè)置模板圖像的值為 0，用模板圖像乘以原圖像就會(huì)得到自己想要了解的圖像信息，從而將部分無用信息遮蔽掉，掩蔽和高提升濾波正是應(yīng)用了這個(gè)原理。上述提到拉普拉斯算子是二階微分算子，在圖像處理中可以對(duì)圖像的細(xì)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)，但是也會(huì)產(chǎn)生多于梯度操作的噪聲，這些噪聲在平滑區(qū)域尤為明顯。梯度操作在灰度變化區(qū)域的平均響應(yīng)強(qiáng)于拉普拉斯操作的平均響應(yīng)。而梯度操作對(duì)噪聲和小細(xì)節(jié)的響應(yīng)弱于拉普拉斯操作的響應(yīng)，并且通過均值濾波器對(duì)梯度操作后的圖像進(jìn)行平滑處理進(jìn)一步降低噪聲。因此，掩蔽和高提升濾波對(duì)梯度圖像平滑處理后，再用拉普拉斯圖像與它相乘。把平滑后的梯度圖像看成是模板圖像。乘積保留灰度變化強(qiáng)烈的區(qū)域的細(xì)節(jié)，降低灰度變化相對(duì)平坦的區(qū)域的噪聲，這樣就可以將梯度操作和拉普拉斯操作的優(yōu) 點(diǎn)相結(jié)合，最后通過高提升濾波，即將結(jié)果圖像乘以一個(gè)大于 1 的權(quán)重系數(shù)，然后和原圖像相加，得到最終的銳化圖像。

4? ?結(jié)論

X射線醫(yī)學(xué)影像中灰度動(dòng)態(tài)范圍較窄，噪聲較高，圖像增強(qiáng)算法正是考慮了這一特點(diǎn)，對(duì)原圖像采用了拉普拉斯法進(jìn)行銳化，再以中值濾波和均值濾波突出了邊緣，以掩蔽和高提升濾波法將圖像中所需要的信息從而得到最終的銳化圖像。增強(qiáng)后的圖像細(xì)節(jié)更加清晰，使醫(yī)生對(duì)所檢查部位的細(xì)節(jié)一目了然，從而為診療提供參考。因此將圖像增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于X射線醫(yī)學(xué)影像中，可以為臨床醫(yī)學(xué)圖像處理提供一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)，其適用范圍不僅局限于數(shù)字 X 射線影響，而對(duì)于超聲、MRI 等也有著重要的參考意義。

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*通訊作者：龐鳳國，濟(jì)南市第四人民醫(yī)院放射科。