偽彩色圖像處理在DR診斷中的應(yīng)用

洪成坤

（福建中醫(yī)藥大學(xué)，福建 350000）

1950年左右，學(xué)者們逐漸開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)來(lái)解決醫(yī)學(xué)圖像的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)，EMI公司開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器和設(shè)備，并獲得了身體的斷層圖像。很明顯，作為一個(gè)新的研究課題，圖像處理很可能在20世紀(jì)60年代初期就產(chǎn)生了。其實(shí)，當(dāng)時(shí)的圖像處理是為了方便需求，提高需要的畫(huà)質(zhì)。根據(jù)人的需要，調(diào)整和達(dá)到人的眼睛、人的視覺(jué)沖擊力、人對(duì)畫(huà)面的敏感度。一般的圖像處理致力于提高圖像品質(zhì)，例如改變圖像相對(duì)密度、亮度、對(duì)比度、銳度和丟幀等。常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)相關(guān)圖像處理方法在原始圖像模塊中非常廣泛，尤其是醫(yī)學(xué)圖像處理。

科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。與傳統(tǒng)的圖像加載方法相比，許多新的圖像加載技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。這種技術(shù)可以以不同的方式即時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出患者的疾病。由于人眼的技術(shù)性和能力有限，在各種DR診斷中，尤其是模糊的DR圖像，根據(jù)不同角度，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的MATLAB編碼來(lái)求解數(shù)字圖像，可有效改善疾病的診斷、治療。

1 偽彩色圖像處理的基本理論

圖像恢復(fù)和增強(qiáng)是數(shù)字圖像的基礎(chǔ)。影像還原是為了使影像的真實(shí)程度盡可能地還原影像中的資訊。數(shù)碼產(chǎn)品最根本的特點(diǎn)就是其內(nèi)在的噪音。在實(shí)際測(cè)量中，噪音是影響成像品質(zhì)的重要原因。在圖像恢復(fù)中，噪聲的去除是最根本的問(wèn)題之一。影像強(qiáng)化是指利用人體的生理特征來(lái)更好地對(duì)影像進(jìn)行精細(xì)解析。

與其他領(lǐng)域相比，醫(yī)療影像等醫(yī)療領(lǐng)域的資訊具有獨(dú)特之處，如：醫(yī)療影像具有更多的質(zhì)感、更高的解析度、更大的關(guān)聯(lián)度、更大的儲(chǔ)存容量；對(duì)圖像的解析和對(duì)圖像的認(rèn)識(shí)有更高的需求。其中，偽彩色技術(shù)是本文主要闡述的一門特別的技術(shù)。

偽彩色處理是指將黑白圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，或?qū)⒓儾噬珗D像按照獨(dú)特的方法轉(zhuǎn)換為符合要求的數(shù)字圖像。將二值化轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像進(jìn)行表達(dá)，可以加強(qiáng)識(shí)別圖像關(guān)鍵點(diǎn)的能力。人眼具有區(qū)分色調(diào)和灰度的能力，識(shí)別色調(diào)的能力遠(yuǎn)高于灰度，因此，偽彩色解決方案致力于提高人眼對(duì)圖像關(guān)鍵點(diǎn)的辨別能力，從而使得診斷率和鑒別疾病的準(zhǔn)確率提升一個(gè)檔次。

偽彩色處理的基本概念其實(shí)就是根據(jù)二值化的需要，將每幅灰度圖像與色彩空間中的某一點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)，使純色圖像呈現(xiàn)出一幅彩色層次總寬度的數(shù)字圖像。在二值化中將具有不同主要參數(shù)的色調(diào)分配給不同的灰度圖像。

2 觀察偽彩色影像圖片的“武器”

每一個(gè)醫(yī)學(xué)影像科醫(yī)生都有各自的“武器”，其中包括他們使用的各種影像設(shè)備。當(dāng)然，從一個(gè)好的影像設(shè)備中得到的優(yōu)秀圖像，更需要他們的另一個(gè)武器來(lái)進(jìn)行精密診斷，這些步驟都是不可或缺的，技術(shù)和診斷一樣的重要。只有先了解所使用“武器”的基本結(jié)構(gòu)、功能原理，才能更好地實(shí)現(xiàn)觀察圖像或者根據(jù)需求改變圖像的各個(gè)參數(shù)，從而讓圖像更加符合人體生物學(xué)，達(dá)到提高臨床診斷效率的目的。所謂“武器”，就是拿來(lái)觀察圖像的工具，即人類的眼球。

2.1 眼球的生理結(jié)構(gòu)與組成

最常見(jiàn)的視力系統(tǒng)就是屈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)蘊(yùn)含了淚液、角膜、晶狀體和玻璃體。眼球壁由三層薄膜組成，分別是外層、中層和內(nèi)層等膜結(jié)構(gòu)。正常情況下，人的眼球是球形的，有一個(gè)眼球晶狀體，用來(lái)聚焦眼睛，里面充滿了完全透明的凝膠狀成分。有一個(gè)稱為虹膜的視網(wǎng)膜。人體眼睛和近視眼鏡的主要結(jié)構(gòu)可以識(shí)別周圍環(huán)境的光線水平?；旧?，眼球的更高層次結(jié)構(gòu)不僅可以給予識(shí)別，還可以給予視覺(jué)沖擊。在許多生物中，眼睛可以將光源投射到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜對(duì)光源的敏感可以產(chǎn)生圖像，光源通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)酱竽X從而產(chǎn)生各種各樣的畫(huà)面。

2.2 人眼對(duì)色彩的感知原理

根據(jù)三菱反光鏡片，將光源分成其組成色調(diào)，七彩燈條再次根據(jù)三菱反光鏡片回歸乳白色光［1］。人眼中有三種視錐細(xì)胞，它們對(duì)不同光波長(zhǎng)的光更敏感，這些光構(gòu)成了三色視覺(jué)的基礎(chǔ)。根據(jù)光譜儀靈敏度最高的光波長(zhǎng)順序，這三種錐形體細(xì)胞分為短（S）、中（M）和長(zhǎng)（L）體細(xì)胞類型。各個(gè)視錐細(xì)胞光波長(zhǎng)的靈敏度呈曲形線性關(guān)系也是多樣形態(tài)的。其中，S型體細(xì)胞以深藍(lán)色為主，最敏感點(diǎn)在420nm左右；M型體細(xì)胞是翠綠色的關(guān)鍵，最敏感的區(qū)域在535nm左右；L型體細(xì)胞是鮮紅色的關(guān)鍵，最敏感的區(qū)域大約為565nm。如圖1。

圖1 L、M、S幾種不同的錐狀細(xì)胞對(duì)光波長(zhǎng)的不同敏感程度

3 偽彩色圖像處理方法及MATLAB算法

灰度-彩色之間的轉(zhuǎn)換可以用很多的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)進(jìn)行處理，一般有線性變換和非線性變換［2］。線性變換增強(qiáng)效果有限，且效果不好，主要采用分段線性變換。非線性變換常用的函數(shù)有對(duì)數(shù)、余弦、指數(shù)函數(shù)。需要做到的是利用數(shù)學(xué)關(guān)系將MATLAB強(qiáng)大的代碼處理優(yōu)勢(shì)放大，并且更好地將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)灰度圖像偽彩色化。

3.1 灰度級(jí)－彩色變換法

圖（a）-（c）分別顯示了鮮紅色、翠綠色和深藍(lán)色的轉(zhuǎn)移函數(shù)公式。下圖顯示了二值化和數(shù)字圖像之間的轉(zhuǎn)換［3］。圖（d）是三個(gè)彩色開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的組合。由圖（a）可見(jiàn)，只要灰度圖像的清晰度小于2，其統(tǒng)一參數(shù)組合的函數(shù)就會(huì)被解析，變成暗紅色。并且根據(jù)函數(shù)圖像分析，只要灰度圖像位于L/2和3L/4之間的定義中間，就會(huì)按照線性形狀進(jìn)行變換，由暗到體積?；叶葓D像超過(guò)3L/4定義的地方，按照換算，統(tǒng)一變成最美的鮮紅色。其他音調(diào)也是如此。為此，進(jìn)行對(duì)比分析并進(jìn)行變換。如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)移函數(shù)公式

3.2 通過(guò)相位調(diào)制密度的偽彩色編程代碼

此方法通過(guò)對(duì)所要進(jìn)行的灰度圖像進(jìn)行加密、記錄和漂白，將所述圖像中的各種密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位信息，形成一種含有灰色圖像的全息光柵，并將其置于白光信息處理中進(jìn)行白光過(guò)濾和解調(diào)，從而獲得一幅具有較好色彩的虛擬圖像。

該方法提出了一種基于白光濃度偽色彩的偽色編碼的數(shù)學(xué)建模，并采用了光柵化技術(shù)；通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行濾波和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行偽色彩處理。它的基本思想是由物體強(qiáng)度的分配來(lái)確定的，在光照和觀察的情況下，其只影響到輸出的色彩和亮度。通過(guò)對(duì)不同像素點(diǎn)進(jìn)行不同程度的對(duì)比，得到的圖像層次清晰、色彩穩(wěn)定、易于識(shí)別，是一種具有較高的灰度級(jí)分辨率的人工彩色處理技術(shù)。

3.3 偽彩色圖像處理流程

在圖像處理中使用偽彩色時(shí)應(yīng)采取以下步驟。首先，選取幾份試行病歷，從給病歷的診所影像處理傳輸系統(tǒng)軟件中，將所選病歷的胸部X線影像復(fù)制到安全、無(wú)病毒、零風(fēng)險(xiǎn)的可移動(dòng)磁盤，然后將其遷移到安全的電子計(jì)算機(jī)以進(jìn)行編碼解決方案。必須應(yīng)用MATLAB進(jìn)行處理，其函數(shù)公式可實(shí)際看本文3.4 MATLAB編碼內(nèi)容，導(dǎo)出為圖像后對(duì)偽彩色圖像進(jìn)行解析，并對(duì)原始圖像進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和比較其價(jià)值并應(yīng)用在科學(xué)研究中。

3.4 MATLAB方法

通過(guò)灰度圖像向彩色圖像的轉(zhuǎn)換，需要分別用到三個(gè)矩陣來(lái)保存，每個(gè)通道的灰度值，有不同的映射函數(shù)，需要用到三個(gè)通道的不同的灰度值。

3.5 MATLAB代碼

4 偽彩色圖像增強(qiáng)效果

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理之后可以得到偽彩色圖像增強(qiáng)效果。如圖3。

圖3 偽彩色圖像增強(qiáng)效果

人眼對(duì)于灰度的屏幕分辨率是幾十個(gè)灰度圖像，而對(duì)于彩屏的分辨率可以達(dá)到近百個(gè)。因此，改善色調(diào)類型是提高人眼屏幕分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的重要途徑［4］。根據(jù)修改后的代碼各個(gè)區(qū)域的主要參數(shù)，可以顯示出醫(yī)生想看的結(jié)果。圖3左邊深灰色的DR肺部，左邊下肺野，心包內(nèi)的心血管影像，此病不容易被快速明確診斷，甚至很多經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)學(xué)專家也很容易漏診。此時(shí)，偽彩色圖像解析后，肺野左下側(cè)病變區(qū)由深灰色、模糊不清變?yōu)椴噬@是心血管淺黃色成像的顯著標(biāo)志。由此，可以做到提高疾病診斷率，也可以進(jìn)一步減少閱片時(shí)間。

2019年，王憲凱（2019）［5］充分利用偽彩色圖像處理方法，以90多份病歷為例，根據(jù)分類測(cè)試，使用患者的DR平片，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)MATLAB輸入代碼求解圖像，請(qǐng)多位有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生閱讀原圖及其偽彩色平片，最終結(jié)果也證實(shí)了偽彩色圖像處理在DR診斷中的出色表現(xiàn)。

5 偽彩色技術(shù)的應(yīng)用前景

5.1 彩色多普勒超聲技術(shù)

多普勒血管造影技術(shù)采用以彩色圖像為基礎(chǔ)的圖像顯示方法，并用紅色、藍(lán)色和綠色三種基本色彩進(jìn)行模擬。將血液流向探測(cè)器的方向設(shè)置為紅色，藍(lán)色則為遠(yuǎn)離探測(cè)器的血液流動(dòng)。血液流動(dòng)速率與顏色的深淺程度相關(guān)，具有較高的流速就有較深層次的顏色，較低的速度則是較弱的顏色。比如，對(duì)著探測(cè)器的血液流動(dòng)速率較快或?qū)χ綔y(cè)器的血液流動(dòng)速率較大，則呈深紅色；如果遠(yuǎn)離探測(cè)器方向的血液流動(dòng)速率較快，則呈深藍(lán)色；如果血液流動(dòng)速率較慢，則色彩較淡，難以從屏幕上辨別。在這些不足點(diǎn)上，加入一個(gè)顏色增強(qiáng)裝置來(lái)提高在低速血液流動(dòng)中的顏色訊號(hào)的亮度，可精確、迅速地顯示出血液流動(dòng)的速率，血液流動(dòng)的速度由深紅色轉(zhuǎn)為鮮紅代表血液流向探測(cè)器，如果血液流動(dòng)加快，則由紅轉(zhuǎn)黃、黃轉(zhuǎn)綠，三種顏色同時(shí)存在，代表著血液流動(dòng)的速率。以青色和綠色表示較高的血液流動(dòng)速度，以代表遠(yuǎn)離探測(cè)器的湍流。

5.2 紅外線熱成像儀

紅外線熱成像儀器是一種采用紅外熱來(lái)顯示圖像特點(diǎn)的高端技術(shù)，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行紅外檢測(cè)和信號(hào)處理；利用光電變換等技術(shù)，將物體表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行圖形變換，轉(zhuǎn)化為可視化影像。紅外線熱成像儀器可以精確地定量測(cè)量出真實(shí)溫度，并以平面的方式對(duì)整個(gè)物體進(jìn)行即時(shí)圖像展示，從而可以對(duì)發(fā)熱可疑部位進(jìn)行準(zhǔn)確鑒別。操作員根據(jù)畫(huà)面顏色和熱點(diǎn)跟蹤的顯示，對(duì)發(fā)熱和失效位置進(jìn)行初步判斷，并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的分析，因此在驗(yàn)證問(wèn)題上表現(xiàn)出了高效、高精度。

當(dāng)前的紅外線技術(shù)屬于初期的晚期，正在逐步發(fā)展為中等水平，其主要特征是：利用紅外光譜儀可以獲得“彩色照片”的兩種顏色或多種顏色的紅外檢波器。目前常用的多種顏色識(shí)別技術(shù)，其關(guān)鍵在于利用MATLAB中的動(dòng)態(tài)變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的快速顯示和輸出。針對(duì)紅外圖像的偽色強(qiáng)化，可以分為像素級(jí)和特征級(jí)兩個(gè)層面進(jìn)行。第一種方法是按照特定的灰度來(lái)進(jìn)行顏色的繪制，第二種方法則是通過(guò)顏色對(duì)比來(lái)區(qū)分不同的顏色，例如七色花、三色貓等，其顏色對(duì)比非常強(qiáng)烈，最后通過(guò)光線的強(qiáng)弱來(lái)決定顏色。

6 討論和結(jié)語(yǔ)

6.1 討論

計(jì)算機(jī)技術(shù)MATLAB編碼方程，根據(jù)分類測(cè)試，能分別進(jìn)行患者DR平片前后對(duì)比。偽彩色處理后的DR平片，主要包括肺和胸片的X線平片，其圖案每一層的主要參數(shù)和品質(zhì)都比以前更好，品質(zhì)更高，從事實(shí)上證明了偽彩色圖像解決方案可以優(yōu)化疾病診斷率，且可以減少閱讀時(shí)間，提高閱讀速度。

偽彩色圖像在分辨率上雖然可以提高疾病診斷率，但在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上有一定程度的差別。從理論上講，提高偽彩色圖像分辨率后，在DR平片上閱讀的平均時(shí)間比傳統(tǒng)X射線膠片略短。在差別中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的實(shí)際意義。由于傳統(tǒng)的偽色彩處理技術(shù)無(wú)法有效地解決圖像中的小細(xì)節(jié)，因此，人們對(duì)其進(jìn)行了修改，使其具有較高的計(jì)算效率、較高的可用性和更清楚的等級(jí)，顏色更加穩(wěn)固，更易于識(shí)別細(xì)節(jié)。當(dāng)然，偽彩色在醫(yī)療圖像、紅外熱圖像、遙感圖像增強(qiáng)等等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。

6.2 結(jié)語(yǔ)

偽彩色表現(xiàn)基于圖像出色的亮度和對(duì)比度使得容易被忽視的疾病被高效率地鑒別診斷出來(lái)。其不僅考慮了人眼球結(jié)構(gòu)對(duì)色彩的敏感性，還可以根據(jù)MATLAB調(diào)整各種主要參數(shù)，選擇不同的灰度級(jí)安全通道，顯示不同的顏色程度來(lái)顯示彩色圖片。偽彩色分辨率圖像在醫(yī)學(xué)圖像診斷中發(fā)揮了非常大的作用，尤其是提高了DR的診斷率。不僅在DR三維成像中，還可以利用偽彩色、偽彩色圖像分辨率進(jìn)行進(jìn)一步科學(xué)研究，應(yīng)用到更廣泛的醫(yī)學(xué)圖像處理中。