1、哈尔滨工程大学 硕士学位论文前列腺超声图像的分割研究 姓名：吴利予申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程 指导教师：李金 20030101哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要随着医学影像技术的进步和超声医学的发展，前列腺疾病的检出率越来越高，引起了全社会范围的广泛关注。但由于同、等图像相比超声图像的质量极差，存在大量的噪声，给医生正确判断前列腺的结构和病变与否带来了极大的困难。为了使医生可以对人体的解剖结构以及病变进行更有效的观察和诊断，提高前列腺疾病诊断的正确率，利用计算机图像技术准确分割前列腺体就成为一个紧迫的课题 本论文选取前列腺超声图像作为研究对象，首先系统地介绍了超声设备和超的成像原
2、理，接下来研究了前列腺的解剖学结构和超声图像的病理学和图像学特征，并对目前图像处理研究的现状进行了剖析，从中得出了超声图像分割的特殊性。 在图像的预处理的过程中，论文首先改进了超声图像的嗓声模型，其次在借鉴传统的方法的基础上，提出并实现了自适应图像增强和自适应滤波处理方法，较好地抑制了噪声。 对于图像的特征提取和图像分割，论文在对传统的边缘提取和轮廓跟踪算法进行研究之后，提出了校正和算子相结合的边缘提取算法。结合超声图像的特点，改进了并实现了自适应阈值分割和最大方差比阈值分割算法。提出了全局比较探测、面积测定及空间优先、竞争机会均等三个有效的准则，利用灰度、纹理多特征矢量改进了传统的区域增长算
3、法。并对纹理分析，神经网络分割和活动轮廓分割进行了有益的探索。在以上的基础之上，论文设计实现了分别针对色和位真彩色的超声图像处理系统，并进行了一系列的图像分割实验。实验结果表明，本文所堕玺堡三堡奎堂堡主堂焦笙苎 ，（、， ，。， ，（， ，），哈尔滨工程大学硕士学位论文一一 ：，哈尔滨工程大学硕士学位论文引言 第章绪论千年盛世，万方升平。人类在刷新了一个时代界面的同时，也正努力地升级着各自的生活品质。健康，越来越成为每一个地球人倾心关注和孜孜追求的时尚意境。然而，一如命运之神从来没有停止过对人生的冲撞激荡，疾病的阴霾也从来没有在人类的天空消散飞逝。就在公众忧患的目光更多地投向心脑血管等疾病的时
4、候，来自前列腺的隐疾，却正悄然地向我们迫近。在欧美，前列腺疾病的发病率居高不下，其中仅美国截止目前就有超过万的男性不幸身染前列腺癌。 在亚洲，前列腺疾病的发病率近年来也开始逐次上升。而中国成年男性患前列腺炎的比例已高达；岁以上的人群中，前列腺增生者更是超过；据估计， 岁以上的男性当中，大约有的人前列腺中都患有很小面积的癌症】。并非危言耸昕，慢性前列腺炎以及前列腺增生已经是男性泌尿系统发病率最高的病种，成为男性的常见病，其中以中青年慢性前列腺疾病和老年前列腺肥大较为棘手。在许多发达的国度，都在从生物学、遗传学、心理学、社会学的广泛角度诊治和防范前列腺疾病，使之上升为社会问题。然而在泱泱亿人口之众
5、的中国，目前还停留在片面的、“头痛医头、脚痛医脚”的“唯前列腺论”的层次上，这不能不说是一种遗憾。在此情况下，我们有必要仔细研究一下前列腺疾病，用我们自己特有的手段和方式来对抗前列腺疾病，这就是本课题最初动因。哈尔滨工程大学硕士学位论文在现代医学中，超检查是进行人体内部结构及组织检查的最常用的手段，而图像质量的好坏直接影响着医生对病情的诊断，所以对前列腺超声图像的研究就成为一个有重大意义的课题。医学影像技术自七十年代取得成功的临床应用以来，开创了无创诊断的新纪元。借助这种技术，使得医生可以对人体的解剖结构及病变进行更有效的观察和诊断，提高了诊断的正确率【】。但是就影像技术来说，在硬件方面我国目
6、前还很难与国外的著名影像设备公司相抗衡。信息化时代的到来使得借助计算机技术来提高影像诊断的准确性成为可能，因此也为我们提供了一个新的契机。基于这个出发点，我们对医学图像的特点进行了深入的研究，针对这些特点研究丌发用于临床影像诊断的辅助系统，借助计算机图形图像技术来进一步发挥现有影像技术的功效。课题背景在各种医学影像学科当中，超声医学是一门较为新兴的学科，近些年来其发展尤为迅速，已被应用于医学的许多领域。自从年伦琴（）氏发现线以来，临床影像学（）的进展很快，特别是最近多年以来，显像技术更加丰富多彩，研究范围越来越广】在影像学的密度、时间和空间分辨率方面有了空前的突破，使临床影像学发生了质的变化。
7、年代，以线、电子计算机体层扫 描（）、超声（，）和闪烁摄影（）为主的显像技术形成了崭新的医学科学即医学影像学。年代以来，随着显像设备的发展，医学影像学也在不断地变化和创新，如核磁共振成像（）和正电子发射体层摄影（，）是近年来研究的新技术，正逐步应用于临床实践中。 哈尔滨工程大学硕士学位论文超声医学的发展超声医学（）是医学影像学（）的一个重要组成部分，它是在整个医学影像学的历史发展中形成的，并且不断更新变化的。一般认为，线、同位素扫描、核磁共振成像和超声显像是现代医学影像诊断的四项主要检查方法。在临床医学诊断学方面，由于它们之间有着相互补充和彼此印证的特点，因而使超声医学提高到一个前所未有的水平
8、。 目前在国内超声诊断的主要手段是二维超检查。超检查适用于进行人体内部结构与组织检查的最为常用的手段，它具有以下优点： 能够无损、直观地显示人体脏器的形态结构。对人体的软组织具有高度的分辨能力。能实时地观察人体脏器的功能活动。操作简便、价格低廉。正是因为如此，超在医学界得到了广泛的应用，由此也推动了人们利用计算机图形图像技术处理型超声图像的研究 进程。超声图像处理的研究情况医学图像处理的研究开始于七十年代后期，其真正的临床应用始于年，当时正是设备实现了临床 应用，给影像医学带来了空前的活力。近年来，由于计算机技术以及（）、（）、（）等技术的发展，在这一领域又掀起了新的研究热湖，主要研究方向有图
9、像分割，图像校准（），结构分析，哈尔溟工程大学硕士学位论文运动分析，及近年来出现的图像引导手术（）等，其中医学图像分割的研究更具有重要意义。图像校准，结构分析，运动分析，及图像引导手术等方面的很多方法的研究都是假设已对图像做了准确分割的，或者说都是以图像分割为基础的，这与计算机视觉中出现的情况类似。由于医学图像处理与实际应用紧密结合的特点，使得世界上不少国家在这一领域投入了大量的人力和财力进行研究开发，并且取得了一定的成功。但是目前三维生物医学图像重建与显示仍然停留在实验阶段，并没有在临床中得到普遍应用，使得三维重建和生物组织的可视化难以实现的主要障碍之一是难以实现不同生物组织的成功分割，以至
10、重建出的三维物体只能给人一个整体印象，医生难以依赖此三维图像深入到各个生物组织中进行研究。在国内的大多医院中使用的是进口的二维黑白（彩色）超声诊断仪，配套的图像处理软件功能比较简单，因此开发二维医学图像处理软件是目前研究的主流方向。 图像分割是图像处理、图像分析和计算机视觉等领域经典的研究课题之一，也是最大的难点之一。目前已开发的超声工作站大多侧重于解决医学影像的采集和数字化、图像的存储和管理、医学图像的高速传输、图像信息与其他信息的集成等方面的问题【，在图像处理方面功能十分薄弱，比如广州亿鸣科技发展有限公司开发的超声影像工作站、广州爱穗科技有限公司开发的超声影像工作站，只涉及简单的直方图、同
11、屏显示、图像反转、图像放大、图像增强、图像标注、图像测量等功能，在超声图像的分割问题上功能还有待补充和完善。虽然在国内外有很多研究人员在从事这方面的开发研究，但由于超声图像自身的图像质量极差，而且各个不同的脏器的纹理特征具有极大差异，目前在图像分割方面仍然没有可以通用的理论和方法，为了推动超声医学的发展和超声诊断的准确性，研究有效的超声图像分割算法已成为迫切的课题。哈尔滨工程大学硕士学位论文本课题的主要研究内容本论文选取前列腺超声图像作为研究对象，主要在空域中研究其图像特征和分割的方法。本论文在分析了大量的超声图像，借鉴传统的方法的基础上，提出了几种适合于超声图像的预处理和分割算法，改进了闽值
12、分割、区域增长等方法，并对纹理分割和神经网络分割进行了有益的探索，取得了一定的进展。 本文的结构安排如下：第章，首先介绍了本文课题背景和国内外研究的现状，重点揭示了研究超声图像分割重要性和课题的意义。并概述了本文的主要研究内容。 第章，介绍了前列腺及超声图像的相关知识，包括超、超声图像的格式、前列腺的构造等，为以后准确地进行组织分割奠定基础。第章，对超声图像进行预处理，特别针对超声图像的特点进行增强和抑制噪声处理，在本章中提出并实现了自适应图像增强和自适应滤波处理。 第章，对超声图像的特征提取和图像分割进行系统研究，针对超声图像自身的特点，对传统的纹理分析、阈值分割、区域增长方法做了改进，同时
13、在聚类分析、神经网络分割等方面进行了积极的探索。设计并实现了分别针对色和位真彩色图像的两套超声图像处理系统，并对其进行了结果测试。 结果表明，该系统能比较有效地实现对前列腺的腺体的准确分割。本章的最后对下一步的工作提出了思路。哈尔滨工程大学硕士学位论文引言 第章前列腺超声图像本课题研究的对象是前列腺的超声图像，为了能实现前列腺中各组织的有效区分和分割，我们有必要对超声图像的相关知识及前列腺的构造做一些了解，以便能有的放矢。超声与超自年灰阶超声问世以来，超声作为现代医学影像学的一个组成部分已在临床上得到广泛应用。新型超声诊断仪也不断地问世，到现在已开发出的有型、型、型、型、型和型，以下分别从原理
14、和应用领域做一简要对比。超声设备综述（）型超声波诊断仪型超声波诊断仪是幅度、调制型（）的简称。型显示是超声技术应用于医学诊断中最早、最基本的方式。它主要适用于检查肝、胆、脾、眼及脑等简单解剖结构，测量线度以及获得回波幅度的大小和形状，通过分析回波幅度的分布以获得组织的特征信息。由于型诊断仪的出现，型诊断仪已经面临被淘汰的边缘，目前只在脑中线测量等方面还在应用。但是型诊断仪在组织的判别和确定（或称组织定征）、生物 哈尔演工程大学硕士学位论文测量和生物组织检查方面都具有很高的准确性和特异性。（）型超声诊断仪超是在超基础上发展起来的，它的工作原理与超基本相同，也是利用脉冲回波成像技术。所不同的是：
15、超将超的幅度调制显示改为亮度调制显示；超的时基深度扫描时加在显示器垂直方向上，并使声束扫查受检体的过程与在显示器水平方向上的位移扫描相对应； 在回波信号处理与图象处理各环节上，大部分的超都应用了专门的数字计算机控制数字信号的存储与处理以及整个成像系统的运行，使图象质量大为提高。（）型超声诊断仪在超广泛地应用于医疗诊断后，人们希望获得与透视相似的图像，这就是型超声诊断的图像。型与型的成像都是二维图像。但型的成像画面是与超声束垂直的，它与型扫描面相差。型检查肿瘤组织，能显示出肿瘤组织的扩大范围，这在临床诊断中极为重要。（）型超声诊断仪型与型的原理基本相同。只不过型超声仪的延迟电路控制的距离选通门的
16、开启时刻是个可调常数，而型的距离选通时问是随位置变化的函数。这样 ，型的成像画面不是一个平面，而是一个由位置函数决定的曲面。型成像画面可从三维角度去观察体内组织及病变情况。（）型超声波诊断仪型超声诊断仪，又成为称为时间运动型（）超声诊断仪。超与超相比，多出的最主要部分是慢扫描电路，这是与超不同之处当探 头的声束通过心脏时，就可得心脏内各层组织的反射面对于探头表面的距离（即到体表的距离）随时间变化的曲线（回波光迹），这就是所 哈尔滨工程大学硕士学位论文谓的超声心动图。 它的主要特点是能测量运动器官，因此专用于心脏的各类疾病的诊断，如对心血管各部分大小、厚度的测量，心 脏瓣膜运动状况的测量等。另外
17、 还可以研究人体内其他各运动面的活动情况，因此可以用于对胎儿和动脉血管的搏动等的检测 ”（）型超声诊 断仪根据多普勒效应制成的超声诊断仪称为多普勒超声珍断仪（型超声诊断仪）。它在医学临床诊断学中用于心脏、血管、血流和胎儿心率等诊断。在过去的几十年中，超声频谱多普勒探测血流的研究工作已取得很大的成就，彩色多普勒的出现，使之更趋完美。 虽然超声仪多种多样，但应用领域各有不同。在国内目前用于前列腺渗断的是二维型超声 诊断仪，而且我 们在课题中用到的 图像就是从超采集下来的图像，下面我们对型超声诊断仪做进一步的介 绍。超及其成像原理超设备的成像的基本原理是超声脉冲回声检测原型”。如图所示，由时序电路发
18、出的触发脉冲使发射电路产生一个窄脉冲，激励换能器向被测体发射超声脉冲信号，超声脉冲与到人体组织器官界面时将产生反射或散射脉冲信号，即脉冲回声信号。脉冲回声信号到达换 能器后， 换能器将回声信号转变成电信号，这些代表不同深度反射的电信号将按先后次序进入放大器。放大器具有足够的放大量，能将比较弱的反射信号放大到数百毫伏以上，甚至几伏特。此信号经过检波后，就可得到代表反射界面的深度（距反射界面的时间间隔）和特性（反射强度及厚度等）的电信号。检波后的信号做一定的信号处理与视频放大后可按一定的方式显示在显示器上，据此，有经验哈尔滨工程大学硕士学位论文的一生就能方便地做出病情诊断。 图超的原理方框图超诊断
19、 设备根据 扫查方式可以分为：线性扫查、扇形 扫查 、凸 阵扫查等。线性扫查是使超声束在体内做快速直线运动，运动方向和声波行进方向垂直，获取的回波信息做亮度调制处理，在上可得到一幅矩形切面图像。而扇形扫查则是使超声波束在人体内做快速扇形运动，进而在上显示出一幅扇形的切面图像。图给出了扇形扫查的基本原理。 图扇扫成像示意图型实时 成像仪 用于诊断的依据是断层图像的特征，主要由图像形态、 辉哈尔滨工程大学硕士学位论文度、内部结构、边界回声、回声 总体、脏器后方情况以及周围组织表现等，它在临床医学方面主要应用在【：在妇产科中的探测 可以显示胎头、胎体、胎位、胎心、胎盘、 宫外孕、死胎、葡萄胎、无脑儿
20、、盆腔肿块等，也可以根据胎头的大小估计妊娠周数。人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测 如肝、胆、脾、肾、胰和膀胱等外形及其内部结构；区分肿块的性质，如浸润性病变往往无边界回声或边缘不齐，若肿块有膜时其边界有回声且显示平滑；也可显示动态器官，如心脏瓣膜的运动情况等。表浅器官内部组织探测， 如眼睛、甲状腺、乳房等内部结构的探查和线度的测量。前列腺的相关知识前列腺的解剖学基础前列腺是男性生殖泌尿系统中最大的附属腺体，它的形状如一个扁平的栗子，底向上而失向下，包绕尿道前部。前列腺由腺组织及平滑肌构成。其实，前列腺并不是浑然的一个实体，它还分为五个叶。即前叶、中叶、后叶、左侧叶和右侧叶。如图所示：左侧叶
21、前列腺小囊射精管后叶中叶尿道嵴前列腺外膜固有囊右侧叶图前列腺结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文前列腺上部宽大，称为前列腺底，紧贴膀胱又称膀胱面，此面最大，略凹陷，前部接膀胱颈，并由尿道穿入。后部有左右射精管贯穿其中。下端尖细，称为前列腺尖，向前下方。尖与底之间称为前列腺体部，前面凸隆，后面平坦，向后下方。前列腺膀胱面的横径约，由底至尖的垂直高度 为，前后径 约，重量克。前列腺的检查方法通常进行超声检查有直接探测、间接探测、腔内探 测、术 中探测四种探测方式： 直接探测法：常 规检查大多应用这种方法。在受检查部位表面涂以耦合剂后，将探头直接置于其上进行探测。 间 接探 测法，多用于探测浅表部位的病变，如眼、腮腺、甲状腺、乳腺、皮下肿瘤等。 腔内探测 法：特制的超声腔内探 头可直接或 结合内窥镜置入食管、胃、十二指肠、腹腔、膀胱、直肠、阴道及宫腔内进行探测，可获得较体表探测更满意的图象，大大提高了诊断准确率。 术 中探 测法： 应用消毒的手术探头，于手术中将探头直接置于需要探测的脏器表面，对深部小肿瘤或病变进行探测和定位，以得到及时诊断和治疗。 为得到尽可能好的图像，目前对前列腺的检测大多采用腔内超声引导的经直肠活检技术。具体操作如图所示：患者取左 侧屈曲卧位，采用双平面高频（）指状探头，先在探 头尖端涂上适量耦合剂，外套一个避孕
