基于空间平滑的乳腺超声波图像去噪研究.doc
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1、目录 学校代码: 学 号:XXXXXXXXX毕 业 论 文 论文题目:基于空间平滑的乳腺超声波图像去噪研究Based on spatial smoothing of breast ultrasound image denoising research学院(系部):XXX专 业:XXXXXX (XXXXXX)姓 名:XXXX 指导教师:XXXX 职 称:XXXX研究起止日期:XXXX年XX月-XXXX年X月交稿日期:XX年XX月XX日XXXXXXX教务处制目录摘 要1ABSTRCT2基于空间平滑的乳腺超声波图像去噪研究31. 绪论31.1. 引言31.2. 乳腺超声图像的特点与成像机理31.2.
2、1. 乳腺超声图像的特点31.2.2. 乳腺超声图像的成像机理61.3. 乳腺超声图像噪声分析71.3.1. 超声图像斑点产生原理71.3.2. 乳腺超声图像去噪技术的性能性能评价指标81.4. 乳腺超声诊断和去噪方法的研究现状91.5. 乳腺超声图像去噪的意义121.6. 课题的主要研究内容132. 空域平滑方法理论142.1. 空域平滑142.2. 空间平滑方法152.2.1. 邻域平均滤波152.2.2. 中值滤波162.2.3. 自适应滤波182.2.4. 总结193. 基于空域平滑的乳腺超声图像去噪方法203.1. 基于阈值的平滑滤波203.1.1. 基本原理203.1.2. 算法程
3、序213.1.3. 实验结果223.1.4. 结果分析和评价233.2. 基于卷积的平滑滤波243.2.1. 基本原理243.2.2. 算法程序263.2.3. 实验结果263.2.4. 实验分析及评价273.3. 自适应中值滤波283.3.1. 基本原理283.3.2. 算法程序303.3.3. 实验结果313.3.4. 结果分析和评价333.3.5. 总结334. 参考文献345. 综述376. 致谢387. 附录:39基于空间平滑的乳腺超声波图像去噪研究摘 要本论文主要以乳腺超声波图像为对象,研究空间平滑去噪。近年来,乳腺疾病在妇女中的发病率越来越高,发病年龄也呈逐渐年轻化的趋势,乳腺超
4、声检查诊断显得越来越重要。但由于超声成像的机理,乳腺超声图像常常带有噪声。因此,针对这些噪声的特性,进一步研究如何抑制这种斑点,保留与增强图像边缘和细节特征,对乳腺疾病的诊断有十分重要的意义。 论文首先对乳腺超声图像成像机理,乳腺超声的去噪和去噪方法的研究现状以及去噪的意义做出介绍,然后对邻域平均滤波、中值滤波、自适应三种经典的空域平滑方法进行研究。最后针对三种经典方法的优缺点,研究了基于阈值的平滑、基于卷积和自适应中值滤波去噪效果。实验证明基于阈值的平滑滤波和自适应中值滤波相比基于阈值的平滑滤波的去噪效果更好,但是这三种滤波都能有效的去除乳腺超声图像的噪声,同时自适应中值滤波能很好地保留图像
5、的细节信息。关键词:空域平滑;中值滤波;邻域平均;自适应滤波;自适应中值滤波英文摘要Based on spatial smoothing of breast ultrasound image denoising researchABSTRCT This thesis mainly focuses on the subject of breast ultrasound images, the spatial smoothing denoising. In recent years, mammary gland disease incidence is higher and higher in w
6、omen, is also a trend of gradually younger onset age, breast ultrasound diagnosis is more and more important. However, due to the mechanism of ultrasonic imaging, breast ultrasound images often contain noise. According to the characteristics of the noise, therefore, further study on how to restrain
7、this kind of spots, retain and enhance image edges and details, has the very vital significance to the diagnosis of breast disease. the features of breast ultrasound images, the neighborhood average filtering, median filtering and adaptive filtering for experimental verification and treatment effect
8、 comparison. Finally based on the advantages and disadvantages of median filtering, focuses on the adaptive median filtering denoising effect and smoothing filter based on threshold and convolution. Experiments prove that based on threshold compared to smooth filtering and adaptive median filter bas
9、ed on threshold of smoothing filtering denoising effect is better, but the three filtering can effectively remove the noise of the breast ultrasound image, at the same time the adaptive median filter can well reserve the detail of the image information. Key words:The airspace is smooth;Median filter
10、ing;The average neighborhood;Adaptive filter;The adaptive median filter40绪论基于空间平滑的乳腺超声波图像去噪研究1. 绪论1.1. 引言据统计,女性常见的恶性肿瘤中,乳腺癌占有非常大的比重,并且乳腺癌的发病率和死亡率在女性疾病中占首位1。据来自欧美国家的统计数据显示,美国女性乳腺癌发病率超12.5%,而欧洲国家女性也超过10%。在中国,乳腺癌的发病率也逐年攀升,并且发病年龄趋于年轻化,迄今为止,它高居为恶性肿瘤疾病发病率的第一位2。 对乳腺癌的早期诊断和治疗,能够减少其侵害,有效地提高乳腺癌的治愈率。据统计,早期原位癌的
11、治愈率为 95%,而晚期的乳腺癌则很难治愈3。然而,早期乳腺癌发病时,通常没有任何症状或者明显的症状,主要是靠辅助特殊检查来诊断疾病。乳腺超声检查作为早期诊断的首选方法,更由于其无创无痛,简单快捷,诊断准确,广泛应用到临床中。但是由于受成像设备的影响,超声图像常常具有斑点噪声、低对比度、不同程度的衰减以及浸润效应等,给临床医生在诊断乳腺疾病上造成了很大的干扰,因此,对于乳腺超声图像去噪的研究对于乳腺疾病临床诊断以及乳腺前期的检查有着极其重要的意义。1.2. 乳腺超声图像的特点与成像机理1.2.1. 乳腺超声图像的特点 女性乳腺主要由乳腺、脂肪组织以及导管等组成,如图 1.1所示。乳腺超声图像一
12、般分为正常组织区域和肿瘤区域,如图1.2所示。其中,正常组织区域包括乳腺组织、脂肪组织和肌肉组织等。病理学上,肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两种4。在超声图像上,良性乳腺肿瘤表现为边缘光滑、有包膜、形态规则、后方回声正常或增强、纵横比小于1等。恶性乳腺肿瘤表现为边缘欠光滑、无包膜、形态不规则、后方回声衰减、纵横比大于1等。 图1.1女性乳腺解剖和结构图 与 MRI 图像、CT 图像和 X 线图像等医学图像相比,乳腺超声图像的分辨率与信噪比处于劣势5。乳腺超声图像的特点如下: (1)由于当连续发射源或非连续发射源发射的超声波投射到粗糙(相对于超声波长尺度)介质表面时,会产生一种结构性与破坏性的回波散
13、射信号,它们在超声影像上形成了乘性的相干斑(speckle)噪声6。这使得超声图像的对比度和分辨率低,造成了临床上医生的诊断困扰。 (2)由于超声图像的成像原理7,乳腺肿瘤的大小、形状及位置差异较大,给肿瘤的辨别带来了困难。图1.2给出了几例乳腺肿瘤超声图像。可以看出,囊肿呈圆形或椭圆形,内部均匀无回声。良性肿瘤形态也比较规则、边缘光滑、内部回声均匀、后方回声增强。恶性肿瘤形态不规则、内部回声欠均匀、后方回声衰减。如图1.3(e)所示,后方衰减区域在灰度和纹理变化上都与肿瘤区域非常相似。在肿瘤的大小方面,第二列中的肿瘤比第一列中的肿瘤大,占据图像的绝大部分。 (3) 各乳腺组织间边界不清晰,特
14、别是肿瘤与周围正常组织间缺乏清晰的边界。如图 1.3(e)和(f)所示,恶性乳腺肿瘤的浸润性使得肿瘤向周围组织区域渗透,边界模糊或缺失。 (4) 图1.2是乳腺超声图像中人体组织的不同层次的勾画,如图1.2所示。其中,皮肤层呈较亮的线性回波,位于图像的最上层。脂肪层通常位于皮肤层的下面。乳腺层通过浅筋膜与脂肪层隔离开来。肌肉层位于图像的最下层。由图可知,乳腺肿瘤仅存在于乳腺层中,因此,处理乳腺超声图像中的噪声影响对于乳腺肿瘤诊断及后期肿瘤的图像分割有着极其重要的作用。 图1.2不同肿瘤类型的乳腺超声图像 (a)良性肿瘤 (b)良性肿瘤 (c)恶性肿瘤 (d)恶性肿瘤 图1.3几幅肿瘤类型不同的
15、乳腺超声图像 (a)囊肿 (b)囊肿 c)良性肿瘤 (d)良性肿瘤 (e)恶性肿瘤 (f)恶性肿瘤 1.2.2. 乳腺超声图像的成像机理乳腺超声图像的成像机理是乳腺结构组织在超声诊断仪的成像机理。超声诊断仪由主机和探头构成,包括发射、扫查、接收、信号处理和显示等五个部分。超声探头,其内部有一组超声换能器,是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。这种压电晶体具有特殊的性质,就是在晶体特定方向上加上电压,晶体会发生形变,反过来当晶体发生形变时,对应方向上就会产生电压,实现了电信号与超声波的转换89。超声成像的基本原理是:向人体发射一组超声波,按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间和强弱就可以判
16、断脏器的距离及性质。经过电子电路和计算机的处理,形成了我们见到的超图像。 图 1.4是超声的成像机理图,超声成像的工作过程为:当探头获得激励脉冲后发射超声波(同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦),然后经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号,探头接收回来的回声信号经过滤波、对数放大等信号处理,然后由 DSC 电路进行数字变换形成数字信号,在 CPU 控制下进一步进行图像处理,再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的超声图像。 图1.4超声的成像机理图 乳腺超声图像的成像机理是:受检者充分暴露检查部位,仰卧位,双臂上举。超声探头长轴以乳头为中心,呈放
17、射状从1点12点顺/逆时钟向,连续转动检查整个乳房。从乳腺与周围脂肪分界的边缘开始,延续至乳头。然后由外区向中心,检查乳管长轴或短轴切面10。超声探头作为一个电声换能器,能够把高频电信号通过探头晶体的振动,转换为超声波。当超声波进入乳腺组织后,由于乳腺结构组织非常的复杂,各种组织,包括正常与病理组织,都有其特定的声抗和衰减特性,先由浅表到深处,会经过具有不同声阻抗和衰减特性的组织,从而导致超声波束产生不同的反射和衰减。超声仪将接收到的回波,根据回波的强弱,在屏幕上用明暗不同的光点显示出来,就可以获得乳腺的断面超声图像。由于乳腺表面的被膜与其下方组织的声阻抗差异很大,因此就可以形成好的界面反射和
18、完整而清晰的周边回声,从而显示出乳腺组织的轮廊,通过周边回声,如果有病变,就可以判断出病变的形状和大小。 图1.5乳腺超声图像的成像机理对于正常乳房:皮肤浅筋膜呈强回声亮线,脂肪相对低回声,乳腺表面呈波浪型,实质由导管系统与间质组成,导管呈低回声管腔,边界为相邻间质无管壁。间质含乳腺小叶、少量脂肪和结缔组织,呈不均匀的相对强回声,乳管横切与间质交叉呈强弱不等蜂窝状回声。对于乳腺结构病变的乳房:超声显示病变多发性,回声多样性,病灶多种形态。小叶增生间质有回声增强或降低的结节、团块,边缘不清。囊肿呈液性无回声区,透声好,边界清,后壁有增强。局灶纤维化有较大的结节,斑块状,形态不规整,回声较强而不均
19、匀。纤维腺瘤样增生的回声增强或强弱不等,似有边界,呈不规则圆形团块。1.3. 乳腺超声图像噪声分析1.3.1. 超声图像斑点产生原理实际超声成像系统中,根据人体组织器官所具有的声学特性,换能器发射超声脉冲,通过体内器官、组织的声学界面形成不同的折射和反射波,部分能量返回换能器,换能器将声能转换成电能,经处理后在屏幕上显示脏器形态11。发射的超声波经过介质的散射与反射形成的回波信号,实际上是反向散射信号的连续累加。超声回波反射技术是超声检测中最常用的技术之一,同时,超声成像也是利用超声波反射后的回波进行成像。 图1.6 超声斑点形成过程示意图超声波进入人体组织后的反射和散射波经过超声探头接收和仪
20、器的分析显示就生成了超声图像。临床超声检测过程中,由于人体软组织声阻抗的不均匀性和空间分布的随机性,形成了大量随机分布的散射粒子,散射粒子产生彼此相关的散射波。散射波在空间某一点相遇时,产生相长干涉和相消干涉,散射粒子间的相互干涉产生的回波信号和对超声波的散射叠加起来,使得反射回探头的信号成为一个振幅不定的信号,此信号在超声图像中表现为亮暗不定的斑点,即超声图像的斑点,一般称为超声图像的斑点模式(speckle pattern)或(speckle)12。1.3.2. 乳腺超声图像去噪技术的性能性能评价指标对滤波器去噪效果除了从视觉上判断之外,还可以通过一些客观的指标来评价。一个好的滤波器算法应
21、该能够有效地滤除图像中的噪声,同时能够较好地保留图像的边缘和细节信息,符合人眼的视觉特性。另外,由于超声医学图像实时显像的特点,使得它对计算复杂程度要求比较高。但是到目前为止,除了用人眼对滤波结果直接观察外,还没有一个好的方法对滤波效果进行评价。当今研究者使用较多的性能评价指标有均方误差(MSE)13、峰值信噪比(PSNR)1415和信息熵( Entropy)16等。本文选用以下两个客观指标来衡量去斑算法的质量。 其中,均方误差定义为 公式(1.1)式中,表示原图像像素值,去噪后图像的像素值。表示图像的像素点的总个数,下同。 峰值信噪比定义为 公式(1.2)1.4. 乳腺超声诊断和去噪方法的研
22、究现状乳腺超声诊断始于20世纪50年代,至今已有50多年历史,其间经历了A型、B型和彩色多普勒超声几个重要发展阶段,探头频率从3.5MHZ、5.0MHZ、7.5MHZ发展至13MHZ甚至更高。但乳腺超声能为临床诊断作出卓有成效的贡献还是在探头频率达7.5MHZ以后的最近十来年;通过高分辨率的声像图发现了大量临床门诊阴性和钼靶X线摄像阴性的乳腺肿块,更深入地探讨了乳腺良恶性肿块的诊断和鉴别诊断,诊断的准确性越来越高17。近年来彩色能量图、谐波技术、弹性成像、超声造影、实时三维超声成像等技术亦逐渐地应用在乳腺疾病的诊断上,使乳腺的超声应用有了更广阔的前景。 1、彩色多普勒能量图(color Dop
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