基于MATLAB的眼底血管造影成像處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張華偉，徐路釗，秦航，吳書銘，蔣紅兵

南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院 醫(yī)療設備處，江蘇 南京 210006

引言

眼底熒光血管造影是眼底疾病檢查的重要方式之一，對眼底疾病的診斷、鑒別，以及指導治療和預測、預后疾病等方面極有幫助，是眼科領域的一項不可缺少的檢查手段[1]。為了改善圖像的可視性，我們需要采取相應措施對圖像進行處理，以得出滿足臨床醫(yī)生做出合理診斷要求的圖像[2-4]。而應用計算機技術進行數(shù)字化眼底血管造影成像也就應運而生，可以通過對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割及提取特征等處理，將眼底血管的動態(tài)情況在醫(yī)生電腦上完整的顯示出來，從而使醫(yī)生更好的掌握視網(wǎng)膜動靜脈阻塞、視網(wǎng)膜脫離、黃斑病變、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、眼內(nèi)血管瘤、眼內(nèi)腫瘤等眼底疾病的病變情況[5]，以提高眼科醫(yī)生對病情分析的準確性，減輕眼科醫(yī)生的工作壓力[6-7]。

在數(shù)字圖像處理技術中，MATLAB是一款商業(yè)數(shù)學軟件，功能強大、函數(shù)庫豐富、簡單易學，在矩陣運算和圖像處理領域有著廣泛而有效的應用[8]，能支持多種圖像文件格式的讀寫與顯示，包含圖像變換、圖像壓縮、圖像增強、圖像恢復、圖像分割、邊緣檢測等功能，是一款高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，并且MATLAB軟件提供交互式GUI向?qū)гO計控件，通過GUI向?qū)Э丶梢愿憬萦行У脑O計圖形用戶界面，本文正是利用MATLAB 軟件的數(shù)字圖像處理功能和交互式GUI向?qū)Э丶O計MATLAB的眼底血管造影成像處理系統(tǒng)。

1　眼底血管造影圖像處理系統(tǒng)的設計原則

本系統(tǒng)設計的主要原則遵循簡單性、一致性和習常性：簡單性要求簡潔、直接、清晰地體現(xiàn)出界面的功能和特征，盡可能刪除無關緊要的功能，以保持界面的清潔；一致性要求自己開發(fā)的界面風格盡量一致，且與其他已有的界面風格不要截然相左；習常性要求設計界面時，應盡量使用人們所熟悉的標志和符號。通過界面設計的可視化，用戶可以根據(jù)需求短時間內(nèi)熟悉操作。

2　眼底血管造影成像處理系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)

本系統(tǒng)（圖1）涉及的模塊主要有文件、患者信息、編輯、添加噪聲、圖像濾波、圖像增強、圖像分割等，圖像濾波包括中值濾波、自適應濾波、平滑濾波，圖像增強包括圖像灰度化、直方圖統(tǒng)計、直方圖均衡化、直方圖規(guī)定化，圖像分割包括邊緣檢測、霍夫變換及閾值分割等[9]，其中圖像增強模塊和圖像分割模塊是本系統(tǒng)研究的重點，圖像增強模塊主要研究灰度變換法、直方圖統(tǒng)計、直方圖均衡化、直方圖規(guī)定化，圖像分割模塊主要研究圖像邊緣檢測算法。

圖1　眼科血管造影圖像成像處理系統(tǒng)

2.1　圖像增強模塊

2.1.1灰度變換法

灰度變換是一種簡單而實用的方法，是圖像增強的重要手段之一，主要通過對圖像像素灰度值進行修正，使圖像灰度值動態(tài)范圍加大，對比度擴展，成像均勻清晰，達到改善圖像質(zhì)量的目的[10]。它可以分為比例線性變換、分段線性變換、非線性灰度變換。在MATLAB圖像處理工具箱中常用rgb2gray()函數(shù)和Imadjust()函數(shù)得以實現(xiàn)。

2.1.2直方圖均衡化

直方圖均衡化是一種使輸出圖像直方圖近似服從均勻分布的算法[11]，通過直方圖均衡化可以將原圖像集中的灰度盡可能拉開以使灰度均勻分布，從而增加灰度動態(tài)范圍，使圖像的細節(jié)清晰，提高對比度，以達到增強圖像的目的，其本質(zhì)是一個直方圖的變換，即將輸入圖像的直方圖映射成一個最大平展的直方圖[12]。若圖像尺寸為M行、N列，量化水平共有P個分級。具體的做法是首先從圖像的灰度直方圖計算歸一化累加直方圖，計算方法見式(1)。

具有最均勻直方圖的增強圖像可由公式(2)計算：

在MATLAB圖像處理工具箱中提供了直方圖函數(shù)imhist()和直方圖均衡化函數(shù)histeq()，通過直方圖函數(shù)imhist()和直方圖均衡化函數(shù)histeq()將圖像灰度集中的區(qū)域拉開，從而使圖像灰度均勻分布，增加了圖像的動態(tài)范圍（圖2）。由圖可見，圖2c比圖2a細節(jié)更清晰，圖2d比圖2b的灰度分析更加均勻，增加了灰度的動態(tài)范疇。

圖2　MATLAB圖像處理結果

2.1.3直方圖規(guī)定化

直方圖均衡化生成了自適應的變換函數(shù)，是對圖像灰度整體的均勻分布，但不能完全凸出臨床指定的特殊區(qū)域，而在臨床診斷中很多情況下需要對局部組織細節(jié)進行診斷分析，直方圖規(guī)定化正是對直方圖均衡化的一種擴展，將原圖像的灰度直方圖變成指定形狀的直方圖，能根據(jù)實際需要增強某個灰度值范圍內(nèi)的對比度，使得暗處的紋理顯現(xiàn)出來，以方便臨床醫(yī)生的診斷。在MATLAB圖像處理工具箱中使用函數(shù)histeq()的如下形式實現(xiàn)直方圖規(guī)定化：

其中，f為輸入圖像；hspec為指定的直方圖；g為輸出圖像。

2.2　圖像分割模塊

邊緣指圖像局部亮度變化最顯著的部分，基于邊緣的圖像分割是一種常見的圖像分割方法，利用圖像不同區(qū)域間像素灰度的不連續(xù)性來檢測出區(qū)域間的邊緣，從而實現(xiàn)圖像分割的方法，是圖像預處理的關鍵一步。邊緣檢測常常借助空間微分算子進行，空間微分算子主要包括梯度算子、拉普拉斯算子和Canny算子，其中常用的梯度算子主要有Roberts算子，Prewitt算子和Sobel算子。在MATLAB圖像處理工具箱中應用edge() 函數(shù)對圖像進行邊緣檢測，edge()函數(shù)的基本調(diào)用格式如下：

其中，f表示輸入圖像，type表示使用的算子類型，parameter則是與具體算子有關的參數(shù)。在輸出中，g是一個邏輯值，在f中檢測到邊緣位置為1，在其他位置為0；參數(shù)t可選，通過t給出edge()函數(shù)的閾值，以確定邊緣點。

3　討論

在顧洋菲等[13]的研究中，灰度變換法可以用Imadjust()函數(shù)有選擇地指定輸入值和輸出值的范圍，通過指定映射比例的變化來改變圖像的對比度。本系統(tǒng)正是利用Imadjust()函數(shù)來改變圖像的對比度，臨床醫(yī)生通過增加對比度來改善圖像質(zhì)量。

在楊曉鵬等[14]的研究中，直方圖均衡化分為全局直方圖均衡化和局部直方圖均衡化兩大類，其中全局直方圖均衡化是通過擴展整幅圖像的動態(tài)范圍來提升圖像的對比度，對全局對比度有較好的增強效果，但對局部細節(jié)增強效果較弱。為了解決這一問題，本文提出直方圖規(guī)定化，可以使局部組織細節(jié)得到充分增強。

在眼底血管造影圖像的邊緣檢測中，本系統(tǒng)利用edge()函數(shù)中5種不同的邊緣檢測算子處理同一幅圖像，處理結果，見圖3。

圖3　5種不同的邊緣檢測算子處理同一幅圖像的結果

從處理結果可以看出，邊緣檢測算子參數(shù)的選擇也直接影響到邊緣定位能力和噪聲抑制能力，每種算子都有各自的優(yōu)點[15]：Roberts算子利用局部差分算子尋找邊緣，定位比較準確，但對噪聲敏感，容易丟失一大部分邊緣；Prewitt算子有方向性，可以平滑噪聲，但是間斷點較多；Sobel算子對噪聲有一定的抑制能力，但檢測出的邊緣容易出現(xiàn)多像素寬度；拉普拉斯算子是一種二階導數(shù)算子，受雙倍噪聲的影響，常產(chǎn)生雙像素寬的邊緣，邊緣方向信息的檢測不準確，很少直接用于邊緣檢測[16]；Canny算子比Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子的極小值算法的去噪能力都要強，能夠在噪聲和邊緣檢測中取得較好平衡，能檢測到真正的弱邊緣[17]，在圖像分割邊緣檢測中應用較多。

在楊明等[18]的研究中，Canny算子選擇的閾值梯度不同所對應的圖像細節(jié)會有所不同，如圖3e Canny算子的閾值梯度為0.25，既保持了邊緣的連續(xù)性，又保證了邊緣圖像的簡潔性。

4　結語

眼底血管造影成像由于受光照射的不均勻性、眼底照相機的成像效果以及成像過程中的噪聲干擾等因素的影響，通常會造成眼底圖像中目標和背景的對比度很低、噪聲干擾嚴重和圖像模糊等問題[19]，本文正是運用MATLAB軟件圖像處理工具箱和交互式GUI控件，并結合眼底血管造影成像的實際應用設計了眼底血管造影成像處理系統(tǒng)，在臨床診斷中提高圖像對比度、降低噪聲干擾，將眼底血管造影圖像完整的展現(xiàn)在臨床醫(yī)生面前，為眼科醫(yī)生的臨床診斷提供有效的參考依據(jù)，使眼底疾病的病變情況更加清晰明了，提高其工作效率。

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