超声医学图像滤波算法探究

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1、超声医学图像滤波算法探究1、 超 声 图 像超 声 医 学 成 像 与 其 它 医 学 成 像 方 法 相 比 ， 具 有 对 人 体 无 损 害 、 能 够 实 时 显 示 器官 或 组 织 运 动 情 况 等 特 点 。 近 年 来 ， 超 声 医 学 成 像 技 术 得 到 了 迅 猛 的 发 展 ， 彩 色 多普 勒 成 像 (CDI， ColorDopplerImagi-ng)、 组 织 多 普 勒 成 像(TDI， TissueDopplerImaging)、 组 织 谐 波 成 像 (THI， TissueHarmonicImaging)、闪 烁 回 声 成 像 (FEI， Fl

2、ashEchoImaging)、 造 影 剂 成 像 等 一 系 列 新 技 术 接 连 出 现 并应 用 于 临 床 ， 带 动 和 促 进 了 超 声 相 关 领 域 的 研 究 和 发 展 。 由 于 成 像 机 制 的 限 制 ， 图像 质 量 相 对 较 差 一 直 是 超 声 图 像 主 要 的 缺 点 ， 特 别 是 由 于 所 成 像 器 官 或 组 织 结 构 上的 不 均 匀 性 ， 一 些 微 小 的 结 构 不 能 为 超 声 所 分 辨 ， 加 上 声 波 信 号 的 干 涉 现 象 ， 在 超声 图 像 中 形 成 了 特 有 的 斑 点 (Speckle)， 它

3、大 大 降 低 了 超 声 图 像 的 质 量 ， 也 使 得 对图 像 细 节 的 识 别 与 分 析 更 加 困 难 。 随 着 食 道 超 声 成 像 技 术 (TEE)与 心 内 超 声 成 像技 术 (ICE)等 新 技 术 的 出 现 ， 图 像 的 质 量 有 了 很 大 的 提 高 ， 但 是 相 对 于 后 期 的 图 像 分析 、 多 维 重 建 等 工 作 的 要 求 而 言 ， 图 像 的 质 量 仍 有 较 大 的 差 距 ， 所 以 必 须 进 行 滤 波去 噪 等 处 理 。由 于 超 声 图 像 的 上 述 特 点 ， 超 声 图 像 滤 波 算 法 的 研 究

4、 工 作 主 要 集 中 于 对 其 斑 点的 抑 制 上 。 研 究 表 明 ， 超 声 图 像 中 的 原 始 斑 点 信 号 具 有 瑞 利 (Rayleigh)分 布 特 征(X R(u)， 其 均 值 (E(X)与 标 准 偏 差 ()成 比 例 ， 可 视 为 一 种 与 图 像 信 号 无 关 的 乘法 噪 声 ， 而 经 信 号 处 理 后 的 斑 点 信 号 统 计 特 性 被 改 变 ， 其 均 值 与 方 差 (2)成 比 例1 3。 对 超 声 图 像 滤 波 工 作 的 一 般 要 求 ， 是 要 在 有 效 抑 制 斑 点 的 同 时 ， 很 好 地 保 留图 像

5、中 对 后 期 的 分 析 和 诊 断 有 用 的 细 节 信 息 。 对 于 超 声 图 像 中 的 一 些 微 小 的 结 构 信息 ， 如 器 官 之 间 高 亮 度 的 界 面 (如 肝 与 膈 )、 与 斑 点 尺 度 相 近 的 微 小 结 构 (如 小 的血 管 )、 灰 度 相 近 区 域 的 边 界 等 ， 必 须 在 滤 波 时 很 好 地 保 留 ， 所 以 超 声 图 像 的 滤 波 有其 特 殊 性 ， 是 一 项 要 求 较 高 的 工 作 。 如 何 在 对 斑 点 充 分 抑 制 的 同 时 很 好 地 保 留 图 像的 细 节 ， 是 滤 波 算 法 首 先

6、考 虑 的 问 题 。 传 统 的 线 性 滤 波 方 法 不 能 满 足 超 声 图 像 滤 波的 要 求 ， 近 年 来 发 展 了 多 种 非 线 性 自 适 应 滤 波 方 法 (NonlinearAdaptiveFiltering)，出 现 了 一 些 新 的 发 展 方 向 ， 下 面 将 分 别 加 以 介 绍 和 分 析 。2、 几 种 主 要 的 滤 波 方 法传 统 的 滤 波 方 法 4可 以 概 括 为 :对 图 像 中 的 每 一 个 点 f(x， y)， 取 一 个 以 该 点为 中 心 的 小 窗 口 (通 常 为 矩 形 窗 口 )W(x， y)， 然 后 对

7、窗 口 内 的 每 一 点 赋 予 一 定 的 权值 ， 最 终 的 输 出 g(x， y)为 窗 口 内 各 点 的 某 种 加 权 平 均 。 即 :g(x， y)=F(f， (x， y)，W(x， y)(1)其 实 质 是 根 据 所 取 窗 口 内 的 信 息 确 定 一 个 新 值 来 取 代 原 值 ， 以 使 它 符 合某 种 预 定 义 的 规 则 。 滤 波 方 法 的 改 进 主 要 集 中 在 以 下 几 个 方 面 :(1)从 几 个 主 要 方向 上 对 图 像 进 行 处 理 ， 再 对 结 果 加 以 综 合 ， 以 保 留 图 像 的 方 向 信 息 ;(2)在

8、 空 间 上根 据 局 部 特 征 自 适 应 地 调 节 滤 波 器 的 权 值 ;(3)采 用 区 域 生 长 等 方 法 自 适 应 地 调 整 滤波 窗 口 的 大 小 和 形 状 ;(4)采 用 先 对 噪 声 进 行 检 测 再 根 据 检 测 结 果 对 图 像 进 行 滤 波 ;(5)一 些 其 它 的 方 面 。 2.1 多 方 位 滤 波 方 法这 类 方 法 的 基 本 思 想 是 :用 某 种 滤 波 方 法 沿 几 个 主 要 方 向 (通 常 为 0， 45，90， 135四 个 方 向 )对 图 像 进 行 滤 波 ， 得 到 几 幅 子 图 像 ， 然 后 对

9、这 些 子 图 像 进 行 加权 组 合 ， 以 得 到 最 后 的 输 出 图 像 。 文 献 5中 采 用 低 通 滤 波 方 法 (时 域 或 频 域 )对上 述 四 个 方 向 进 行 处 理 ， 得 到 四 幅 子 图 像 ， 然 后 计 算 它 们 与 原 图 像 的 差 异 ， 根 据 这些 差 异 来 确 定 其 加 权 组 合 的 权 值 ， 由 此 得 到 输 出 图 像 。 根 据 同 样 的 道 理 ， 还 可 以 再次 应 用 高 通 滤 波 方 法 对 输 出 图 像 作 增 强 处 理 以 进 一 步 提 高 图 像 的 质 量 。 低 通 滤 波 方法 处 理

10、时 的 公 式 如 下 :x10=1dk1xl1+1dk2x12+1dk3x13+1dk4x141dk1+1dk2+1dk3+1dk4(2)其 中 ， xl0 为输 出 值 ， xli 为 某 方 向 的 低 通 滤 波 得 到 子 图 像 的 结 果 ， di 为 第 i 幅 子 图 像 与 原 图像 的 差 异 ， k 为 一 可 调 的 常 数 。 高 通 增 强 方 法 的 公 式 与 此 相 似 。该 方 法 思 想 简 单 ， 滤 波 效 果 较 好 ， 而 且 结 构 上 高 度 并 行 化 ， 特 别 适 合 于 多 处 理器 系 统 ， 以 实 现 图 像 的 实 时 处 理

11、 。 文 献 6中 的 算 法 有 所 不 同 ， 作 者 称 之 为 “全 方位 多 尺 度 形 态 滤 波 ”， 其 方 法 可 描 述 为 :在 (2N+1)(2N+1)窗 口 内 取 4N 个 方 位 的 结构 元 ， 然 后 采 用 形 态 学 的 闭 运 算 加 权 组 合 与 开 运 算 加 权 组 合 ， 得 到 最 终 结 果 (图略 )。 该 方 法 能 较 好 地 抑 制 图 像 中 的 盐 椒 噪 声 ， 但 其 组 合 的 加 权 系 数 选 取 较 为 简 单 ，还 有 待 改 进 。 这 类 方 法 的 共 同 特 点 是 算 法 的 高 度 并 行 化 ， 因

12、此 可 用 硬 件 来 高 速 实 现 5，适 用 于 对 实 时 性 要 求 较 高 的 场 合 。 但 其 基 于 几 个 方 向 的 较 简 单 的 出 发 思 想 也 限 制 了其 对 图 像 中 复 杂 细 节 (医 学 图 像 中 很 重 要 的 部 分 )的 保 留 能 力 。2.2 自 适 应 权 值 调 节 滤 波 方 法自 适 应 权 值 调 节 滤 波 方 法 的 主 要 思 想 ， 是 认 为 对 整 幅 图 像 采 用 同 一 固 定 的 滤 波器 来 进 行 滤 波 不 能 反 映 和 保 留 图 像 的 细 节 信 息 ， 因 此 应 该 根 据 图 像 的 局

13、部 信 息 来 自适 应 地 调 节 滤 波 器 ， 以 更 好 地 滤 除 噪 声 和 保 留 图 像 中 重 要 的 细 节 信 息 。 这 类 方 法 中以 自 适 应 中 值 滤 波 (AMF， AdaptiveMedianFilter)为 代 表 ， 如 文 献 2中 提 出 的 自适 应 权 重 调 节 中 值 滤 波 (AWMF， AdaptiveWeightedMedianFilter)。 AWMF 是 建立 在 对 超 声 图 像 中 斑 点 统 计 特 性 的 分 析 基 础 之 上 ， 采 用 均 值 与 方 差 之 比 作 为 调 节 权值 的 根 据 ， 自 适 应

14、地 调 节 中 值 滤 波 器 中 各 点 的 权 值 。 首 先 根 据 斑 点 的 统 计 特 性 建 立下 述 噪 声 模 型 :y=x+x12n(3)其 中 y 为 实 测 信 号 ， x 为 无 噪 声 时 的 信 号 ， n 为 噪 声 。在 此 模 型 基 础 之 上 ， 得 到 自 适 应 权 值 调 节 中 值 滤 波 的 公 式 :w(i， j)=w(K+1， K+1)-cd2/m(4)其 中 ， c 为 调 节 因 子 ， m、 2 分 别 为 均 值 和 方 差 ， d为 点 (i， j)与 窗 口 w(K+1， K+1)中 心 点 的 距 离 ， 方 括 号 为 取

15、整 运 算 符 。 实 验 结 果表 明 ， 该 方 法 能 够 有 效 地 抑 制 超 声 图 像 中 的 斑 点 噪 声 ， 同 时 能 够 较 好 地 保 留 图 像 中对 后 期 诊 断 有 用 的 解 剖 结 构 信 息 ， 是 一 种 针 对 超 声 图 像 比 较 有 效 的 自 适 应 滤 波 方 法 。由 于 自 适 应 权 值 调 节 滤 波 算 法 是 根 据 图 像 的 局 部 信 息 来 自 适 应 地 调 节 滤 波 参 数 ， 因此 在 对 图 像 细 节 保 留 上 表 现 较 好 ， 如 果 算 法 采 用 的 局 部 特 征 有 很 好 的 代 表 性 (现

16、多 采 用 图 像 局 部 的 统 计 特 征 )， 则 能 较 好 地 满 足 超 声 图 像 滤 波 的 要 求 。 自 适 应 滤 波算 法 涉 及 到 计 算 量 比 较 大 ， 而 算 法 往 往 不 具 有 并 行 特 征 ， 所 以 速 度 较 慢 ， 适 用 于 图像 的 后 处 理 部 分 ， 要 应 用 于 对 实 时 性 要 求 高 的 场 合 还 有 待 改 进 。 2.3 自 适 应 窗 口 选 取 滤 波 方 法自 适 应 窗 口 选 取 滤 波 方 法 的 基 本 思 想 是 根 据 图 像 中 所 处 理 部 分 的 局 部 特 征 来 自适 应 地 确 定 滤 波 窗 口 的 大 小 或 (和 )形 状 ， 以 求 在 一 个 均 匀 区 域 内 进 行 滤 波 操 作 ， 尽可 能 地 保 留 图 像 细 节 和 抑 制 噪 声 。 文 献 7中 的HRGMF(HomogeneousRegionGrowingMeanFilter)方 法 是 通 过 分 裂