B超图像纹理分析的关键问题探讨

2022-09-20

1 B超仪工作原理

目前临床上使用的B型超声显像仪是采用脉冲回波方式成像。几兆赫兹频率的超声波形成的是球面波, 且超声波束会发生折射现象。可以看成是点声源的超声脉冲形成球面波, 随着时间而逐渐扩散。要想得到具有良好分辨率的图像, 需要发送的超声波脉冲的幅值窄, 超声波束的幅值也窄。发送的超声波频率越高则分辨率也越高。但是, 当频率提高时, 超声波的衰减会加大, 所以需要综合考虑, 常在二者之间取折中。超声波脉冲回波诊断装置, 是由一个诊断用的探头、发送信号单元、接收信号单元以及显示器等几部分组成。

2 图像纹理分析

由B超成像机理可知, 超声图像的纹理为超声脉冲相互作用而形成的。由于不同病理的肝脏组织纤维不同, 使其对超声脉冲的吸收、衰减、反射有差异。所以, 我们可以根据图像的纹理特征来判断不同病理的肝脏图像。

纹理其确切定义为规律性或随机性重复显示的某种图像基元。图像中局部不规则而宏观有规律的特性称之为纹理。纹理分析是指通过一定的图像处理技术抽取出纹理特征, 从而获得纹理的定量或定性描述的处理。它可分为四类:统计方法、构造方法、模型法和谱分析法。统计方法是用图像的统计特性来进行特征描述的, 对木纹、沙地、草地这种完全无法判断结构要素和规则的图像的分析很有效。统计法的主要方法有灰度直方图、灰度共生矩阵、行程长度统计法以及灰度差分统计法等。构造方法则在像纤维、砖墙这种结构要素和规则都明确的情况下适用, 其目的是提取结构要素和描述排列的规则。因为构造法只能描述规则的纹理, 所以在实际应用中有其局限性。模型法是根据一个像素和其相邻区域像素的平均亮度, 为图像中各个像素点建立一个模型, 到目前为止, 应用到脂肪肝分析的纹理分析方法主要有灰度直方图法、差分矩阵法、灰度共生矩阵法以及小波多分辨率方法。

3 图像纹理分析的几种方法及比较

3.1 方法介绍

(1) 灰度直方图。灰度直方图以图形的形式反映了一幅图像中各灰度级像素出现的频率。为了得到一些有关图像的定量描述参数, 从直方图中提取灰度均值M、标准差V、扭曲度S、一致性U、熵H等6个特征量来定量描述图像纹理。 (2) 差分矩阵。灰度差分统计分析方法是通过计算图像中一对像素间灰度差值的直方图来反映图像的纹理特征。设 (x, y) 为图像中的一点, 该点与距它只有微小距离的点 (x+Δx, y+Δy) 的灰度差为gΔ=g (x, y) -g (x+Δx, y+Δy) , gΔ称为灰度差分。令点 (x, y) 在整个画面上移动, 计出gΔ (x, y) 取各个数值的次数, 由此可以做出gΔ (x, y) 的直方图。为了得到图像的定量特征, 从差分矩阵中提取角二阶矩ASM、对比度CON、熵ENT, 均值M等4个特征量, 作为图像纹理分析的依据。 (3) 灰度共生矩阵。灰度共生矩阵对图像的所有像素进行调查统计, 可反映图像的灰度值和灰度分布2个方面的特性, 是一种可同时描述图像灰度的空间分布特性和空间相关性的方法。取图像中任一点 (x, y) , 及偏离它的另一点 (x+a, y+b) , 该点对的灰度值记为 (g1, g2) , 令 (x, y) 在整个RIO上移动, 则会得到各种 (g1, g2) 值。以此法统计图像中相距 (a, b) 的2个像素灰度值出现的联合频数概率P (g1, g2) 。设灰度值的级数为L, 则g1, g2的组合共有L2种, 对整个RIO统计出每一种 (g1, g2) 出现的次数 (此次数即为共生矩阵f (g1, g2) 的第g1行g2列的元素值) , 排列成一个方阵f (g1, g2) , 即得到图像的共生矩阵。将出现次数归一化得到每个点对出现的概率P (g1, g2) 。对同一图像, 灰度量化级不同, 距离差分值a, b取不同的组合, 得到不同的共生矩阵。为了能更直观地以共生矩阵描述纹理状况, 从共生矩阵导出一些反映矩阵状况的特征量能量ASM、对比度CON、相关COR、熵H以及逆差距Hom等5个特征量。 (4) 小波多分辨率分析。采用小波多分辨率分析的方法, 使用Daubechies4小波对RIO进行三层小波分解, 分成10个子带图像, 计算每个子带图像纹理测度能量和方差以此作为描述图像纹理的特征量。

3.2 方法比较

在以上这几种纹理分析方法中, 从灰度直方图提取的均值M、方差V、一致性U、熵H特征量, 灰度差分统计提取的角二阶矩ASM、对比度CON、熵ENT, 均值M特征量, 从灰度共生矩阵提取的能量ASM、对比度CON、熵H以及逆差距Hom特征量和从小波多分辨率分析中提取的二层子带图像的能量和方差ma2、sa2、mh2、sh2以及三层子带图像的能量和方差mv3、sv3、md3、sd3特征量, 效果较好。

在以上3种方法中, 边缘检测法虽然取得一定效果, 但由于其判断脂肪肝是以图像角齿是否锐化为依据的, 比单纯从B超仪采集的图像清晰可辨, 而实际上还是根据肉眼判断, 并没有给出定量标准。光点计算在一定程度上给脂肪肝诊断提供了定量依据。但由于光点个数受设备影响较大, 实际应用时, 重复性较差, 有一定的局限性。图像纹理分析, 采用各种纹理分析的方法, 把图像灰度、对比度、粗糙度、能量等特征量量化, 不同病理肝脏的同一特征值区分明显, 可作为医师诊断的定量依据, 是一种比较好的方法。

摘要：本文从B超仪的工作原理入手, 分析了B超的图像纹理, 最后对图像纹理分析的几种方法做了介绍并进行了比较, 希望对今后的研究提供帮助。

关键词：B超,图像纹理