利用 Photoshop进行数字医学图像增强处理的实践

吴雅琴,王晓东,吴晓萍

内蒙古医学院:1计算机信息学院;2第一附属医院超声科,呼和浩特 010059

数字图像处理技术目前在医学领域的应用十分广泛,从临床医学到解剖、病理切片、免疫细胞分析等基础医学领域[1]都涉及到数字图像处理的相关理论及技术。形态学的分析及各种成像技术的不断发展使医学图像处理与分析成为医学科学中的一种重要技术和方法[2]。

数字医学图像处理中常用到的技术包括图像增强、图像分割、边缘检测、纹理分析、图像的配准与融合、图像压缩等。通过数字图像处理,可以提高图像视感质量[3]。其中,图像增强处理是数字医学图像处理中非常重要的部分。医学图像增强主要是为了将图像中感兴趣的特征有选择的突出,具体表现为突出目标物轮廓,增强图像中的细节,提高层次感,滤除各类噪声等[4]。但是,常用的图像增强算法普遍运算量大、算法复杂、处理速度慢。美国 Adobe公司出品的 Photoshop,作为一款功能强大的图像处理软件,在方便读取 D I COM格式医学图像并进行格式转换的同时,也可以方便、快捷地进行常见的医学图像增强处理。文章所用软件版本为 Photoshop CS3 Extended。

1 D I COM医学图像读取及格式转换

1.1 D I COM图像的读取

D I COM(digital Imaging and communication ofmedicine)是由美国放射学会 (American College of Radiology,ACR)和美国电器制造商协会 (National Electrical ManufacturersAssociation,NE MA)组织制定的专门用于医学图像存储和传输的标准名称,D I COM标准的制定,也极大地促进了医院 PACS系统的快速发展[5]。D I COM格式文件可以包含多个“切片”或帧来表示扫描的不同层。日常使用的图像软件与 D ICOM文件并不兼容,而 Photoshop Extended可以打开并处理D I COM文件。选择“文件”菜单的“打开”选项,可以将扫描得到的 D ICOM图像以单帧或多帧的方式导入 Photoshop进行处理 (如图1所示 )。D ICOM文件元数据的类别包括病人数据、检查数据、序列数据、设备数据、图像数据,在导入过程可以利用“文件简介”选项对 D I COM的元数据进行设置。例如:为了在使用图像的过程中不泄露病人的隐私数据而对病人个人资料元数据修改。

图1 导入D I COM格式医学图像

1.2 D I COM图像的格式转换

对于在 Photoshop中读取到的 DCM格式图像,可以将其转换为常见的 BMP、JPEG、TIFF等多种格式,使其更方便地应用于教学、幻灯演示等。例如:将 D I COM文件导出为常见的 JPEG格式,可以在打开 D I COM文件面板中的“导出选项”中选择“导出演示文稿 (JPEG)”选项,即可方便地将 D ICOM格式文件转换为 JPEG格式。

2 医学图像增强处理

图像增强处理是数字图像处理的一个重要分支。为了更好地满足临床医师的诊断需要,对于一些图像对比度较差、亮度很暗的医学影像,通过图像增强技术可以改善图像质量,使原来不清晰的图像变得清晰,强调某些需关注的特征,抑制非关注的特征,从而进一步加强对图像的判读和识别[6]。

Photoshop软件中的工具、调整、滤镜等功能,可以实现对医学影像的增强处理。例如:常用来对医学图像进行增强处理的平滑、锐化、边缘化、伪彩色等操作都可以利用 Photoshop来完成。

2.1 锐化处理

一幅图像的主要信息存在于它的边缘、细节和纹理等特征中。图像特征不但对于增强图像的视觉质量来说意义重大,而且对于图像分割、图像识别和图像理解等图像后续处理任务来说也是非常重要的[7]。但是,在获取图像的过程中,由于设备、操作技术等多种因素都可能导致图像存在一定的噪声,边缘不够清晰。图像锐化就是通过提高像素的对比度,将画面中模糊的部分变得清晰,锐化操作强调色彩的边缘,经过锐化处理的图像其边缘、轮廓线以及图像的细节会变得更加清楚。

利用 Photoshop进行图像锐化处理操作,可选的锐化滤镜包括有锐化、进一步锐化、锐化边缘、US M锐化等 4种。其中,US M锐化是一些相对更成熟的锐化滤镜,通过像素之间的相互比较,对原图建立一个虚化版本,它增强了边缘的清晰度,却不会产生不自然的迹象,也不会消除低对比度区域的层次[8]。对导入 Photoshop中的 D I COM医学图像,选择“滤镜”菜单中的“锐化”选项,根据图像特征提取的需要选择对应的锐化滤镜进行图像增强。

为了更好地强调图像边缘,以“锐化”选项中的“US M锐化”为例进行增强处理。图像实例为 DCM格式,选择 Photoshop CS3 Extended打开,原始图像存在噪声 (如图 2所示)。利用 US M滤镜进行锐化操作,参数设定分别为数量值 279%,半径 9.9像素 ,阈值29色阶 ,锐化结果如图3所示。锐化后的图像其边缘相比原图要清晰许多,并且抑制了图像中原有的部分噪声。其中,参数设定中的“数量”指应用于图像锐化量的大小,以百分比为单位;参数“半径”控制着边界每侧样本点数和光标宽度;“阈值”决定边缘中存在的相临像素间的最小色调差别。

图2 图像锐化前

图3 US M锐化后

2.2 伪彩色处理

在 RGB色彩空间,图像深度与色彩的映射关系主要有真彩色、伪彩色和调配色。在医学影像的显示中常用伪彩色的概念,其对人眼的视觉效果相比不如彩色图像。由于人的眼睛只能区分 40多种不同等级的灰度,却能区分几千种不同色度、不同亮度的色彩[9-10]。因此,把医学影像中那些人眼无法区别的灰度变化,通过伪彩色处理,可以更好地进行病灶组织与正常组织的区分,提高图像区别和识别能力。伪彩色处理的基本原理是将黑白图像或者单色图像的各个灰度级匹配到色彩空间的一点,从而使单色图像映射成彩色图像。对黑白图像中不同灰度级赋予不同的彩色,其基本原则为不同灰阶用不同的彩色显色;相邻灰阶的像素用相邻的色彩显示。

Photoshop中提供的伪彩色处理功能是在一定容差值控制下,通过魔棒工具将医学图像中不同灰度分布的区域进行分别选取,继而对不同灰度区域选择红、绿、蓝进行填充完成伪彩处理。图 4、图 5分别为Photoshop中伪彩色处理前、后的效果对比。经过伪彩色增强处理后,原始图像中不同灰度级别的区域选择用不同色彩替代,图像的识别能力得到提升,可以帮助医师更加方便地进行病灶部位的定位与观察。

图4 伪彩色处理前

图5 伪彩色处理后

2.3 图像堆栈

Photoshop Extended图像堆栈功能同样也可以进行医学图像增强处理。所谓图像堆栈就是将一组参考帧相似、但品质或内容不同的图像组合在一起形成复合图像,通过应用不同的堆栈模式对图像进行处理,以消除不需要的内容或杂色,达到增强图像的目的。在图像堆栈中所包含的图像应具有相同的尺寸和极其相似的内容。

利用图像堆栈功能进行医学图像增强处理,可以选择“文件”→“脚本”→“将文件载入堆栈”选项进行图像组合。将多个图像组合至堆栈后,图像将存储为智能对象,选择“图层”→“智能对象”→“堆栈模式”选项中不同的堆栈模式对图像进行增强处理。图 6、图 7分别为 Photoshop中图像堆栈处理前、后的效果对比,堆栈模式为“最大值”。

图6 堆栈处理前

图7 堆栈处理后

2.4 边缘化处理

对于一些边缘提取不够清晰的医学图片来说,还可以利用 Photoshop软件的“查找边缘”或“照亮边缘”滤镜对图像的边缘进行增强处理,使其轮廓更加清楚。该增强处理是用相对于白色背景的黑色线条勾勒图像的边缘,显著地突出图像边缘,生成图像周围的边界从而达到增强的效果。

Photoshop Extended中打开边缘化处理的原始图像,选择“滤镜”→“风格化”→“查找边缘”/“照亮边缘”选项,进行边缘化增强处理。其中,“照亮边缘”可以通过设置“边缘亮度”、“边缘宽度”、“平滑度”三个参数控制增强效果。图 8、图 9分别为边缘化增强处理前、后的图像对比。

图8 边缘化处理前

图9 照亮边缘处理后

3 讨论

随着图像处理技术的不断发展,其在医学领域的应用也更为广泛,使得医学图像可以揭示更多、更有用的医学信息[11],在临床诊断、辅助治疗等方面发挥了重要的作用。使用 Photoshop软件,通过其滤镜等功能,能很方便地完成图像的平滑、锐化、边缘化、伪彩色等常见图像增强处理,效果直观、明显。Photoshop作为一款在图像处理领域优秀的图像处理软件,对使用者而言,它相对易学习、易掌握;随着软件版本的升级,在医学图像处理方面提供了更多的应用支持,更进一步方便了医务工作者开展常规医学图像的处理工作。

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