探析圖像增強技術在數字X射線醫學影像中的應用

朱學云 龐鳳國

【摘要】目的：探析圖像增強技術在數字X射線醫學影像中的應用。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象，選擇瑞柯雙橋（E volution plus）和飛利浦雙板DR（Digital Diagonost c50 65型）進行圖像處理。將2019年1月-12月期間患者的X射線攝影圖像設置為對照組，共60張，將2020年1月-12月期間患者的X射線攝影圖像設置為觀察組，共60張。對照組使用原片入組，觀察組將圖片進行增強處理，觀察兩組圖片的清晰度和對比度。結果：觀察組圖片的清晰度和對比度較對照組優（P<0.05）。結論：將高頻加強濾波和直方圖均衡技術進行結合，不僅可以增強圖像灰度值范圍內的對比度，還能清晰地對其細節進行顯示，對于臨床判定病灶的大小、形狀和周圍環境情況有著重要的意義。此外，通過增強圖像，可以為臨床醫學圖像處理提供一個新的技術平臺其適用范圍不僅局限于數字 X 射線影響，而對于超聲、MRI 等也有著重要的參考意義。

【關鍵詞】圖像增強技術;數字X攝像;醫學影像;診斷準確率;應用情況

【中圖分類號】R814 【文獻標識碼】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射線發源于19世紀，是德國物理學家倫琴在研究陰極射線管的過程中偶然發現的，經過了半個世紀，科技水平的不斷進步發展了超聲波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，被廣泛應用于醫療健康領域中來。X射線因其波長短，能量大，照在物質上時，僅一部分被物質所吸收，大部分經由原子間隙而透過，表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關，X射線的波長越短，光子的能量越大，穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關，利用差別吸收這種性質可以把密度不同的物質區分開來。正是利用這一原理，X射線影像學成為了臨床診斷的重要依據。一旦X射線成像模糊不清或灰度分布不均勻，會對臨床診斷有效率和準確率造成嚴重的影響，出現漏診、誤診情況，使患者貽誤治療時機，威脅著患者的生命健康。圖像增強是采用一系列技術對用戶感興趣的某些特征對圖像作強調或銳化的增強處理，從而使用戶感興趣的圖像區域更加清晰直觀的顯現出來。因此若將圖像增強技術應用于數字X射線醫學影像學中，則可顯著提高正常區域和病變區域的對比度，使成像清晰度提高，便于臨床對病變有直觀的認知，對于提高臨床診斷性和工作效率大有裨益?；诖?，本文將以醫學X射線成像原理為切入點，分析圖像增強技術在數字X射線醫學影像中的具體應用情況，旨在提高X射線醫學影像的清晰度和對比度，從而提升臨床診出率，為提高醫院工作效率，助力醫療健康事業健康發展提供強大推力。

1 資料和方法

1.1基礎資料

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射線攝影圖像設置為對照組，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X照射19例;對照組圖片中胸部X射線照射19例，腹部X射線照射20例，腦部X照射21例，經對比，兩組X射線照射攝影的圖像在數量、照射部位等基礎資料對比中，差異沒有統計學意義（P>0.05），可以展開對比研究。

1.2方法

1.2.1對照組

本組患者X射線不進行操作，就以原始圖片納入使用。

1.2.2觀察組

對本組攝像的60張圖片采用多種互補的圖像增強處理。其主要做法有：（1）高頻加強濾波。高頻加強濾波是圖像增強技術中的一種。一般情況下， 一個圖像的高頻分量主要對應邊緣紋理等細節信息，而低頻分表現背景，但其中圖像的信息量多體現于邊緣紋理之中。為此，應用高頻加強濾波是非常必要的。圖像增強即對圖像細節進行增強，但若要實現這一目的，首先需要做的是將邊緣細節和背景進行分離，即圖像銳化而實現這一目標 則需要借助高頻加強濾波器。（2）直方圖均衡化。直方圖均衡化是圖像處理領域中利用圖像直方圖對對比度進行調整的方法之一。一般情況下，直方圖均衡化常用于增加多個圖像的全局對比度特別是當圖像的有用數據的對比度相當接近的時候，采用直方圖均衡化可以將其亮度更高地展示在直方圖上。以此增強局部對比度但不會對整體對比度產生影響。直方圖均衡化對于背景，或前景太亮或者太的圖像都非常好用。既往有學者將其應用于骨骼 X 光圖像中發現，采用直方圖均衡化可以更高地顯示骨骼結構和曝光度過度以及曝光度不足的細節之處。其最大的優點是具備直觀的技術且為可逆操作。

1.3觀察指標

對比兩組圖片的對比度、清晰度。

2? 結果

與X射線醫學影像原圖的對照組對比，綜合互補圖像增強技術下觀察組醫學影像對比度較高，分析結果顯示，若濾波器半徑適當且頻率接近傅立葉數變換后的原定，則高通濾波不會對參數產生過度敏感，而其濾波后的圖像無明顯特征，但也會部分顯示微弱的主要圖像邊緣。而經過高頻加濾波處理后，且設置參數a=0.5，b=2.0，圖像質量明顯優于傳統的高通濾波，雖然圖片的清晰度欠佳，但灰度色調并未在低頻分量下丟失，而體現在圖像率過后的邊緣信息非常詳細。

經直方圖均衡處理器處理過的X射線原圖，結果顯示直方圖更適合增強對比度較低的圖像，此外，在直方圖均衡的圖像顯示中，圖像的內部細節顯示更多，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較大的色調反差，視覺效果更趨于柔和，原圖向內部組織輪廓清晰，對比原圖銳化效果較好。兩組圖片在圖片質量、對比度、清晰度等組間對比中，差異明顯，有統計學意義（P<0.05）。

3? 討論

所謂圖像增強，就是指通過強調圖像中邊緣、輪廓、對比度等特征，使用戶能夠對圖像中所感興趣的內容進行準確的觀察和分析。X射線醫學影像中，空域增強和頻域增強是常用的圖像增強技術。其中空域增強是直接在空域上改變像素灰度值，使圖像增強，主要采取灰度變換和直方圖變化兩種類型。頻域增強是對圖像進行傅立葉轉換，在頻域范圍內對圖像進行濾波處理，并加以逆變換，從而實現圖像增強。在X射線醫學影像中單獨使用一種增強方式并不能達到良好的增強效果，因此，需要結合多種增強技術，切實提高X射線醫學影像的清晰度、對比度。

以X射線醫學影像的實際應用分析，其灰度動態范圍較窄，噪聲較高，造成圖像增強難以實現。實際應用時通常采用拉普拉斯突出圖像細節，突出圖像邊緣則利用梯度法，已平滑后的梯度圖像進行掩蓋，對圖像進行銳化，擴大灰度動態范圍，從而實現圖像增強。

本次實驗結果中將數字X射線攝片作為對比原圖，通過傳統高通濾過和高頻加強濾過的圖像對比，以及分別將直方圖均衡化于數字 X 射線和高頻加強濾過中顯示，將高頻加強濾波和直方圖均衡技術進行結合，不僅可以增強圖像灰度值范圍內的對比度，還能清晰地對其細節進行顯示，對于臨床判定病灶的大小、形狀和周圍環境情況有著重要的意義。

3.1圖像增強技術的算法思想

以往的X射線醫學影像中灰度動態范圍較窄，通常進行圖像增強時對原片進行銳化處理、平滑處理以及掩蔽和提升濾波。

3.1.1銳化處理

圖像的高頻分量對應于邊緣文理等細節信息，圖像的低頻分量對應于背景。X射線醫學影像中的主要信息主要體現在邊緣紋理中。因此圖像增強技術主要是對圖像細節的增強，實現這一目標首先應將邊緣細節與背景分離，這種處理技術即為圖像銳化。對醫學X射線進行銳化處理主要目的是突出圖像中灰度的過度部分，通常以微分方式進行。隨著微分算子強度的增加，其操作圖像的突變程度也隨之增加，從而有利于醫生直觀的對圖像邊緣和噪聲等突變進行觀察。拉普拉斯算子作為一種微分算子，應用于X射線醫學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行有序疊加，圖像的背景特性恢復較為明顯，獲得銳化效果較為優質的清晰圖像。相關研究證實，經拉普拉斯增強處理后的圖像，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圖像進行平滑處理是解決X射線醫學影像都有一定程度的輕微模糊和噪聲的有利途徑。在實際應用過程中中值濾波主要對噪聲、噪聲護理墊和圖像掃描噪聲進行濾除，并保留圖像邊緣，但其對高斯噪聲的處理效果欠佳。將中值濾波應用于X射線醫學影時，選定一個奇數點滑動窗U，待進行窗口掃描后，按照灰度級將像素點按一定的順序排列，以中間位置素點灰度值代替窗U中素點灰度值。中值濾波主要是以非線性增強方式改變圖像性質，但是該類處理方法并未應用于醫學圖像處理中，因此，選用均值濾波處理圖像平滑噪聲。均值濾波在實際應用中能夠根據用戶的注重突出使用者需要觀察的圖像細節，降低圖像噪聲，但同時也會導致圖像邊緣模糊，因此在使用過程中應根據自己的實際需要慎重選擇。

3.1.3掩蔽和高提升濾波

在模板操作中應用最為廣泛的技術是圖像乘法，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域（ROI）操作。設置一個模板圖像，對原圖像需要保留處的圖像設置模板值為 1，對原圖像中需要需要抑制的地方設置模板圖像的值為 0，用模板圖像乘以原圖像就會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用了這個原理。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圖像的細節進行增強，但是也會產生多于梯度操作的噪聲，這些噪聲在平滑區域尤為明顯。梯度操作在灰度變化區域的平均響應強于拉普拉斯操作的平均響應。而梯度操作對噪聲和小細節的響應弱于拉普拉斯操作的響應，并且通過均值濾波器對梯度操作后的圖像進行平滑處理進一步降低噪聲。因此，掩蔽和高提升濾波對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烈的區域的細節，降低灰度變化相對平坦的區域的噪聲，這樣就可以將梯度操作和拉普拉斯操作的優 點相結合，最后通過高提升濾波，即將結果圖像乘以一個大于 1 的權重系數，然后和原圖像相加，得到最終的銳化圖像。

4? ?結論

X射線醫學影像中灰度動態范圍較窄，噪聲較高，圖像增強算法正是考慮了這一特點，對原圖像采用了拉普拉斯法進行銳化，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。增強后的圖像細節更加清晰，使醫生對所檢查部位的細節一目了然，從而為診療提供參考。因此將圖像增強技術應用于X射線醫學影像中，可以為臨床醫學圖像處理提供一個新的技術平臺，其適用范圍不僅局限于數字 X 射線影響，而對于超聲、MRI 等也有著重要的參考意義。

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*通訊作者：龐鳳國，濟南市第四人民醫院放射科。