基于小波变换的医学超声图像去噪方法研究_毕业论文(编辑修改稿)

基于小波变换的医学超声图像去噪方法研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。 其发展速度令人惊叹，目前已成为临床多种疾病诊断的首选方法，并成为一种非常重要的多种参数的系列诊断技术。 超声诊断是结合雷达技术和超声原理在现代电子学反正的基础是应运而生上网临床医学影像诊断方法。 随着电子技术的不断发展，电子计算机技术也应用于超声 诊断， 这样使得超声诊断技术得到快速的提高以及在临床诊断中的广泛的应用。 超声成像原理及特点 超声成像技术主要是利用超声仪器先向人体内发射超声波，利用超声波的 反射、散射、衰减及多普勒效应等物理特性 让人体内部组织产生回声，然后接受这些回声，根据就收的回声信号所携带的有关人体内部组织的信息，进行检测。 放大和处理，最后显示成像。 由于成像方法的不同，超声成像可分为静态成像和动态成像两种。 静态成像展示的范围比较广，而且清晰，但是检查时间长，应用比较少；而动态成像则是临床中应用比较广泛的一种，能在短时间内观察到组 织的动态变换，不过也有其不足的地方，就是图像展示的范围比较小， 清晰度不够好。 人体是一个复杂的传播介质，由于不同的组织或器官有其不同的声阻抗和衰减特性，所以超声波经常这都组织或者器官时就产生了不同的反射和衰减，而这就构成了超声图像的基础。 超声显示仪器根据其接受到强弱不同的回声，运用明暗不同的光点一次显示出来，从而得到人体的超声图像。 人体器官都是被膜所包覆着的，这样就同期下方的组织有了较大的声阻抗差，形西南科技大学本科生毕业论文 5 成了一个良好的发射面，从而得到完整的清晰的边界回声，呈现出器官的轮廓，并且判断其器官的形状及大小。 超声波在 通过人体不同组织时，其反映的声学特性都是不同的，超声诊断就是通过这些不同来区分不同组织的。 超声 波 在人体内传播时，在两种不同组织的界面处产生反射和折射； 而 在同一组织内传播时，由于 其 组织的不均匀性而发生散射。 通过 这些 不同器官和组织对超声 波 产生不同的反射与散射 的 规律， 超声 仪器 则 利用这些反射和散射信号显示出脏器的界面和组织内部的细微结构 ，从而 作为诊断的依据。 超声成像之所以得到广泛应用，是因为有其独特的有点，是其他成像所不能代替的： 1． 有较高的软组织分辨率：组织只要有 1‟声阻抗差异，仪器就能检测并显示出其反射回波。 2． 具有高度的安全性： 无创、无辐射， 当严格控制声强低于安全阈值时超声可能成为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。 3． 实时成像： 它能高速实时成像，可以观察运动的器官，并节省检查时间。 4． 使用便捷，费用较低，用途广泛 超声诊断仪的分类 超声诊断仪 主要 由超声换能器、信号处理显示和记录装置以及电源等部分组成。 超声换能器即探头，主要由压电晶体构成，其作用是完成超声波的发射和接收。 压电晶体受到电脉冲激励发射超声波，使之进入人体组织，然后遇到组织等结构发生散射和反射等现象产生回声，再由压电晶体接收，然后把回声信 号转换成电信号，输入仪器。 压电晶体能将电能转换成声能进行发射，又能把声能接收并转换为电能，所以称之为换能器。 超声诊断仪接收到超声信号，经过适当的电子学处理后，最终将有用信号显示在 CRT上，到现在已开发出的有 A型、 B型、 C型、 D型、 F型和 M型，以下分别从原理和应用领域做一简要对比。 （ 1） A型超声诊断仪 A超 是幅度调制型诊断仪，是国内最早普及的一种超声诊断仪器。 A超 的探头是由单晶片构成的，主要适用于肝、胆、脾、眼及脑等简单结构的检查， 线度的测量以及回波幅度大小和形状的获得，然后通过分析其回波幅度的分布获得组织 的特征信息。 由于 B超 的出现， A超 以及到了淘汰的边缘，但是 A超 在组织的判别和确定、生物测量和生物组织检查方面都有很高的准确性和特异性。 西南科技大学本科生毕业论文 6 （ 2） M型超声诊断仪 M超 与 A超相比，最重要的是多出了慢扫描电路， M超 是采用辉度调制，以亮度反映回声强弱， M型显示体内各层组织对于体表 (探头 )的距离随时间变化的曲线，是反映一维的空间结构，因 M型超声多用来探测心脏，故常称为 M型超声心动图，目前一般作为二维彩色多普勒超声心动图仪的一种显示模式设置于仪器上。 能测量运动器官 是 M超最主要的特点 ，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。 另外还可以研究人体内其它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。 （ 3） B型超声诊断仪 B 型显示是利用 A型和 M型显示技术发展起来的，它将 A型的幅度调制显示改为辉度调制显示，亮度随着回声信号大小而变化，反映人体组织二维切面断层图像。 B型显示的实时切面图像，真实性强，直观性好，容易掌握。 它只有 20多年历史，但发展十分迅速，仪器不断更新换代，近年每年都有改进的新型 B型仪出现， B型仪已成为超声诊断最基本最重要的设备。 目前较常用的 B型超声 显像方式有：扫查方式：线型 (直线 )扫查、扇形扫查、梯形扫查、弧形扫查、径向扫查、圆周扫查、复合扫查；扫查的驱动方式：手动扫查、机械扫查、电子扫查、复合扫查。 （ 4） C型超声诊断仪 虽然有了 B超在医学诊断中的广泛应用，但是人们却还希望能获得与 X透视相似的图像，这样就有了 C型超声诊断仪的出现。 C超和 B超的成像都是二维图像，但是 C超的成像画面与超声是垂直的，它与 B超扫描面相差 90度。 C超在检查肿瘤组织时，能显示出肿瘤组织的扩大范围，这对于临床诊断是非常重要的。 （ 5） F型超声诊断仪 F超与 C超相比，原理上基本相同。 只不过 F超的延迟电路控制的距离选通时间是随位置变化的函数，而 C超的距离选通门的开启时刻是个可调的常数。 因此，F超的成像画面是一个有位置函数决定的曲面，而不是一个平面。 F超成像画面可以从三维角度去观察人体内部组织及病变情况。 （ 6） D型超声诊断仪 D超又称超声多普勒诊断仪，这类诊断仪是利用多普勒效应原理制成的。 D西南科技大学本科生毕业论文 7 超主要应用于对运动的脏器和血流的探查，在诊断血管疾病中要是必不可少的。 目前对用于心血管诊断的超声仪都配有多普勒，分脉冲式多普勒和连续式多普勒。 现在很多课题的研究都离不开多普勒效应原理，如人体内部器官 的血管、外周血管以及新生肿瘤内部的血供探查等，所以 现在在彩超基础上均配备多普勒显示模式。 （ 7） 彩色多普勒血流显像仪 彩色多普勒血流显像仪简称彩超 ，包括两部分二维切面显像和彩色显像。 只有有了满意的黑白结构显像和清晰的彩色血流显像才能有高质量的彩色显示。 有了二维切面显示，再打开“彩色血流显像”开关，彩色血流信号将自动叠加到黑白二维结构显示上，然后根据需求选择速度显示、方差显示或功率显示。 彩色多普勒血流显像即是通过对散射回声多普勒信息作相位检测并经自相关处理，彩色灰阶编码，把平均血流速度分类以彩色显示，它与 B超 图像和 M超心动图相结合，可提供心脏和大血管内血流的时间和空间信息。 可同时显示心脏某一断面上的全部血流束的分布及数目，腔室形态、大小；表现血流途径及方向；辨别层流、湍流或涡流；测量血流束的面积、轮廓长度和宽度；清楚暗示血管结构异常与血流动力学异常的关系。 临床用于心脏瓣膜病，先天性心脏病、心肌病、心脏肿瘤的无创伤诊断，彩色多普勒血流显像直观、相形、快速检测，诊断灵敏和准确率很高。 当然彩色多普勒血流显像也有其局限性，它更多的作为定性诊断的方法，而对血流动力学的定量分析还须借助频谱多普勒。 B 超成像 原理及 应 用 超声脉冲回声检测是 B超设备成像的基本原理。 原理如图 2— 1 所示，首先时序电路发出触发脉冲，使发射电路产生一个窄脉冲，激励换能器向人体发射超声脉冲信号，当超声脉冲遇到人体的组织器官界面时产生反射或散射的回声脉冲信号。 然后换能器接受这些回声信号并 将 之转换成 电信号， 按先后次序输入放大器。 因为放大器有足够的放大量，所以能把比较弱的信号放大到数百毫伏以上，甚至几伏特。 放大后的信号经过检波，就可以得到代表发射界面的深度和特性的电信号，接着这些信号 还要经过一定的信号处理和视频放大，才能按照一定的方式显示出来，根 据显示出来的图像医生就可以对病人的病情做出诊断。 西南科技大学本科生毕业论文 8 图 21 B 超的原理方框图 根据扫描方式的不同， B 超诊断设备可以分为线性扫描、扇形扫描、凸阵扫描等。 实时线性诊断仪是使超声束在人体内部做快速的直线运动，运动方向和声波前进方向垂直，然后对获取的回声信号做亮度调制，这样就可以得到一副矩形切面图。 实时线性诊断仪适用于一般的腹部检查，有多种不同频率的探头，但是探头和人体接触面积较大，检查时需要大的透声窗才能使声束有效的经过检查目标。 而实时扇形诊断仪是使超声波 束在人体内部做快速的扇形运动，因此显示的 是一副扇形切面图像。 实时扇形诊断仪主要应用于心脏的探查，探头小，便于肋间扫查，但是相对的视野就比较小了。 实时凸阵诊断仪则具有比扇形探头近场视野大，又比线阵远场视野广的优点。 断层图像的特征是 B 超图像应用于诊断的依据，如图像形态、灰度、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， B超在临床医学诊断中的应用主要有以下及方面： ① 在产科方面的应用 由于超声诊断具有准确率高、重复性好、方法便捷、安全无副作用等优点，所以在产科妊娠检查中很受欢迎。 B超在妊娠的检查 中可以显示胎位、胎心、胎盘、宫外孕、死胎、盆腔肿块等，同时也可以根据胎头的大小估计妊娠周数。 ② 在人体内部脏器方法探测的应用 这里的脏器包括肝脏、脾脏、泌尿系统、消化系统等， B超都可以对这脏器的外形及其内部结构进行探测，区分肿块的性质，特别是对动物疾病的检测具有很高的准确率。 同时也可显示 动态器官的检测，如心脏瓣膜的运动情况等。 ③ 在表浅器官内部组织探测方面的应用 接受隔离与放大电路 检波 信号处理与视频放大 换能器 TGC 放大电路 时序电路 显示器 时基 触发 西南科技大学本科生毕业论文 9 如眼镜、甲状腺、乳房等内部结构的探查和线度的测量。 B超为灰度调制型显示，将回声信号的强弱以光点强弱的形式显示出来。 随着探头的移动或晶片的交替轮换光点 进行移动扫描。 因为扫描是连续的，所以可以由点、线扫描出脏器的解剖断面，是二维空间显示。 不同组织有不同的回声强度和不同的声衰减，如组织内含水分比较多的，声衰减比较低，图像上就有其明显的暗区显示，就可以比较容易的提取边界； 可是 如果组织内含胶原蛋白比较多，则声衰减比较高， 边界的提取就比较困难。 超声图像的质量相对于 CT、核磁共振等其他医学图像就比较差，这主要是由于超声图像的成像机理造成的。 尤其是超声图像中的斑点噪声，降低了图像的可分辨性，严重影响了图像质量，使得边缘与细节变的模糊，增加了医学诊断与治疗的难度。 因而 ，研究斑点噪声的特性，并且在此基础上进一步研究如何抑制这种噪声，并保留与增强图像边缘和细节特征，对于准确的进行边缘检测、图像识别、分割与定位，以及诊断器官是否有病变都具有十分重要的意义。 西南科技大学本科生毕业论文 10 第三章 超声图像去噪方法 现有的图像去噪处理方法大致可以分为空间域方法和频域方法两种 ： 前一种 方法主要是利用图像的平滑模板对该图像进行卷积，来抑制或者去除噪声；另一种方法则是通过先对图像进行变换，然后选择合适的滤波器进行去噪，最后再进行反变换得到所期望的去噪图像。 均值滤波方法 均值滤波是 典型的线性滤波算法，就是在图像中对目标像素给一个模板，这个模板包括其周围的临近像素（以目标像素作为中心的周围的 8 个像素，构成一个 滤波模板，即去除目标像素本身）。 把原来的像素值用模板中的全体像素的平均值代替。 领域平均法是均值滤波主要采用的方法。 用均值代替原图像中的各个像素值是均值滤波的基本原理，即对要处理的像素点（ x ,y ）选择一个模板，该模板由临近的像素组成，求模板中所有像素的均值，再把该均值赋予像素点（ x ,y ），作为处理后图像在该点的灰度值 u （ x ,y ），即     yxfmyxu ,1, （ 31） m 为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。 这种方法通过把突变点的灰度分散在其 相邻点中来达到平滑的效果，操作起来简单，但是这样的平滑往往造成图像的模糊， 由此可以证明，对图像的均值处理就是相当于让图像通过低通滤波器。 均值滤波的实现效果图 如图 31： 西南科技大学本科生毕业论文 11 图 31 均值滤波效果图 结果表明，当所用的模板尺寸越大时，去噪的噪声效果也越大，但是同时却使得图像更加模糊，细节锐化程度不断减弱。 维纳滤波 方法 维纳滤波是经典的线性滤波，维纳滤波是一种在平稳条件下采用最小均方误差准则得出的最佳滤波准则，这种方法是寻找一个使得均方误差最小的最佳线性滤波器。 其实质就是解维纳 霍夫方程。 维纳滤波首先就要估计出像素的局部矩阵均值和方差： （ 32） 是图像中每个像素 m n 的领域，利用维纳滤波器估计出其灰度值：        2,12,1 2 22 nnannb （ 33） 整幅图像的方差根据图像局部调整滤波的输出，当局部方差较大时，滤波的效果较弱，反之，则滤波的效果较强，这是一种自适应滤波。 维纳滤波的实现效果图 如图 32：    2,1 2,11 nn nnaMN   22,1 22 2,11    nn nnaMN西南科技大学本科生毕业论文 12 图 32 维纳滤波效果图 由结果可以看出，均值 滤波后的图像效果比较差，不仅噪声减少的不明显，而且使得图像模糊度增加。 相比之下，维纳滤波后的图像效果质量则明显好很多，大大减少噪声的影响，使得图像清晰度提高，更有利于图像的识别。 维纳滤波能在较好的保存图像边缘的前提下，较好的消除强脉冲性噪声的影响。 中值滤波方法 中值滤波是一种非线性的信号处理方法，其基本原理是用数字图像或数字序列中某一点领域中各点值的中值代替改点的值。 通俗的讲就是用一个活动的窗口沿着图像移动，然后用窗口内所有象素灰度中值来代替该窗口中心位置的象素灰度。 对于一幅图像的象素矩阵，取以目标 象素为中心的一个子矩阵窗口，这个窗口可以是 3 5 5等，根据不同的需要选择不同的窗口，如方形、圆形、十字形等。 对窗口内的。