探析图像增强技术在数字X射线医学影像中的应用

朱学云 庞凤国

【摘要】目的：探析图像增强技术在数字X射线医学影像中的应用。方法：选取2019年1月至2020年12月期间我院放射科行X射线摄影120张摄影图片为研究对象，选择瑞柯双桥（E volution plus）和飞利浦双板DR（Digital Diagonost c50 65型）进行图像处理。将2019年1月-12月期间患者的X射线摄影图像设置为对照组，共60张，将2020年1月-12月期间患者的X射线摄影图像设置为观察组，共60张。对照组使用原片入组，观察组将图片进行增强处理，观察两组图片的清晰度和对比度。结果：观察组图片的清晰度和对比度较对照组优（P<0.05）。结论：将高频加强滤波和直方图均衡技术进行结合，不仅可以增强图像灰度值范围内的对比度，还能清晰地对其细节进行显示，对于临床判定病灶的大小、形状和周围环境情况有着重要的意义。此外，通过增强图像，可以为临床医学图像处理提供一个新的技术平台其适用范围不仅局限于数字 X 射线影响，而对于超声、MRI 等也有着重要的参考意义。

【关键词】图像增强技术;数字X摄像;医学影像;诊断准确率;应用情况

【中图分类号】R814 【文献标识码】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射线发源于19世纪，是德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中偶然发现的，经过了半个世纪，科技水平的不断进步发展了超声波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，被广泛应用于医疗健康领域中来。X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物質区分开来。正是利用这一原理，X射线影像学成为了临床诊断的重要依据。一旦X射线成像模糊不清或灰度分布不均匀，会对临床诊断有效率和准确率造成严重的影响，出现漏诊、误诊情况，使患者贻误治疗时机，威胁着患者的生命健康。图像增强是采用一系列技术对用户感兴趣的某些特征对图像作强调或锐化的增强处理，从而使用户感兴趣的图像区域更加清晰直观的显现出来。因此若将图像增强技术应用于数字X射线医学影像学中，则可显著提高正常区域和病变区域的对比度，使成像清晰度提高，便于临床对病变有直观的认知，对于提高临床诊断性和工作效率大有裨益。基于此，本文将以医学X射线成像原理为切入点，分析图像增强技术在数字X射线医学影像中的具体应用情况，旨在提高X射线医学影像的清晰度和对比度，从而提升临床诊出率，为提高医院工作效率，助力医疗健康事业健康发展提供强大推力。

1 资料和方法

1.1基础资料

选取2019年1月至2020年12月期间我院放射科X射线摄影的120张图片为研究对象，选择瑞柯双桥（E volution plus）和飞利浦双板DR（Digital diagnost）。将2019年1月至12月期間患者的X射线摄影图像设置为对照组，共60张，将2020年1月至12月期间患者的X射线摄影图像设置为观察组，共60张。其中观察组图片中胸部X照射22例;腹部X照射19例;脑补X照射19例;对照组图片中胸部X射线照射19例，腹部X射线照射20例，脑部X照射21例，经对比，两组X射线照射摄影的图像在数量、照射部位等基础资料对比中，差异没有统计学意义（P>0.05），可以展开对比研究。

1.2方法

1.2.1对照组

本组患者X射线不进行操作，就以原始图片纳入使用。

1.2.2观察组

对本组摄像的60张图片采用多种互补的图像增强处理。其主要做法有：（1）高频加强滤波。高频加强滤波是图像增强技术中的一种。一般情况下， 一个图像的高频分量主要对应边缘纹理等细节信息，而低频分表现背景，但其中图像的信息量多体现于边缘纹理之中。为此，应用高频加强滤波是非常必要的。图像增强即对图像细节进行增强，但若要实现这一目的，首先需要做的是将边缘细节和背景进行分离，即图像锐化而实现这一目标 则需要借助高频加强滤波器。（2）直方图均衡化。直方图均衡化是图像处理领域中利用图像直方图对对比度进行调整的方法之一。一般情况下，直方图均衡化常用于增加多个图像的全局对比度特别是当图像的有用数据的对比度相当接近的时候，采用直方图均衡化可以将其亮度更高地展示在直方图上。以此增强局部对比度但不会对整体对比度产生影响。直方图均衡化对于背景，或前景太亮或者太的图像都非常好用。既往有学者将其应用于骨骼 X 光图像中发现，采用直方图均衡化可以更高地显示骨骼结构和曝光度过度以及曝光度不足的细节之处。其最大的优点是具备直观的技术且为可逆操作。

1.3观察指标

对比两组图片的对比度、清晰度。

2  结果

与X射线医学影像原图的对照组对比，综合互补图像增强技术下观察组医学影像对比度较高，分析结果显示，若滤波器半径适当且频率接近傅立叶数变换后的原定，则高通滤波不会对参数产生过度敏感，而其滤波后的图像无明显特征，但也会部分显示微弱的主要图像边缘。而经过高频加滤波处理后，且设置参数a=0.5，b=2.0，图像质量明显优于传统的高通滤波，虽然图片的清晰度欠佳，但灰度色调并未在低频分量下丢失，而体现在图像率过后的边缘信息非常详细。

经直方图均衡处理器处理过的X射线原图，结果显示直方图更适合增强对比度较低的图像，此外，在直方图均衡的图像显示中，图像的内部细节显示更多，清晰度较高，直方图均衡器处理后，图像的灰度信息更为完整且未出现较大的色调反差，视觉效果更趋于柔和，原图向内部组织轮廓清晰，对比原图锐化效果较好。两组图片在图片质量、对比度、清晰度等组间对比中，差异明显，有统计学意义（P<0.05）。

3  讨论

所谓图像增强，就是指通过强调图像中边缘、轮廓、对比度等特征，使用户能够对图像中所感兴趣的内容进行准确的观察和分析。X射线医学影像中，空域增强和频域增强是常用的图像增强技术。其中空域增强是直接在空域上改变像素灰度值，使图像增强，主要采取灰度变换和直方图变化两种类型。频域增强是对图像进行傅立叶转换，在频域范围内对图像进行滤波处理，并加以逆变换，从而实现图像增强。在X射线医学影像中单独使用一种增强方式并不能达到良好的增强效果，因此，需要结合多种增强技术，切实提高X射线医学影像的清晰度、对比度。

以X射线医学影像的实际应用分析，其灰度动态范围较窄，噪声较高，造成图像增强难以实现。实际应用时通常采用拉普拉斯突出图像细节，突出图像边缘则利用梯度法，已平滑后的梯度图像进行掩盖，对图像进行锐化，扩大灰度动态范围，从而实现图像增强。

本次实验结果中将数字X射线摄片作为对比原图，通过传统高通滤过和高频加强滤过的图像对比，以及分别将直方图均衡化于数字 X 射线和高频加强滤过中显示，将高频加强滤波和直方图均衡技术进行结合，不仅可以增强图像灰度值范围内的对比度，还能清晰地对其细节进行显示，对于临床判定病灶的大小、形状和周围环境情况有着重要的意义。

3.1图像增强技术的算法思想

以往的X射线医学影像中灰度动态范围较窄，通常进行图像增强时对原片进行锐化处理、平滑处理以及掩蔽和提升滤波。

3.1.1锐化处理

图像的高频分量对应于边缘文理等细节信息，图像的低频分量对应于背景。X射线医学影像中的主要信息主要体现在边缘纹理中。因此图像增强技术主要是对图像细节的增强，实现这一目标首先应将边缘细节与背景分离，这种处理技术即为图像锐化。对医学X射线进行锐化处理主要目的是突出图像中灰度的过度部分，通常以微分方式进行。随着微分算子强度的增加，其操作图像的突变程度也随之增加，从而有利于医生直观的对图像边缘和噪声等突变进行观察。拉普拉斯算子作为一种微分算子，应用于X射线医学影像中使图像中的灰度突变更为明显，将原图与拉普拉斯图像进行有序叠加，图像的背景特性恢复较为明显，获得锐化效果较为优质的清晰图像。相关研究证实，经拉普拉斯增强处理后的图像，清晰度得到显著提升。

3.1.2平滑处理

采用中值滤波和均值滤波等平滑方式对图像进行平滑处理是解决X射线医学影像都有一定程度的轻微模糊和噪声的有利途径。在实际应用过程中中值滤波主要对噪声、噪声护理垫和图像扫描噪声进行滤除，并保留图像边缘，但其对高斯噪声的处理效果欠佳。将中值滤波应用于X射线医学影时，选定一个奇数点滑动窗U，待进行窗口扫描后，按照灰度级将像素点按一定的顺序排列，以中间位置素点灰度值代替窗U中素点灰度值。中值滤波主要是以非线性增强方式改变图像性质，但是该类处理方法并未应用于医学图像处理中，因此，选用均值滤波处理图像平滑噪声。均值滤波在实际应用中能够根据用户的注重突出使用者需要观察的图像细节，降低图像噪声，但同时也会导致图像边缘模糊，因此在使用过程中应根据自己的实际需要慎重选择。

3.1.3掩蔽和高提升滤波

在模板操作中应用最为广泛的技术是图像乘法，因其可以将图像中的某些部分遮蔽掉，因此又称之为感兴趣区域（ROI）操作。设置一个模板图像，对原图像需要保留处的图像设置模板值为 1，对原图像中需要需要抑制的地方设置模板图像的值为 0，用模板图像乘以原图像就会得到自己想要了解的图像信息，从而将部分无用信息遮蔽掉，掩蔽和高提升滤波正是应用了这个原理。上述提到拉普拉斯算子是二阶微分算子，在图像处理中可以对图像的细节进行增强，但是也会产生多于梯度操作的噪声，这些噪声在平滑区域尤为明显。梯度操作在灰度变化区域的平均响应强于拉普拉斯操作的平均响应。而梯度操作对噪声和小细节的响应弱于拉普拉斯操作的响应，并且通过均值滤波器对梯度操作后的图像进行平滑处理进一步降低噪声。因此，掩蔽和高提升滤波对梯度图像平滑处理后，再用拉普拉斯图像与它相乘。把平滑后的梯度图像看成是模板图像。乘积保留灰度变化强烈的区域的细节，降低灰度变化相对平坦的区域的噪声，这样就可以将梯度操作和拉普拉斯操作的优 点相结合，最后通过高提升滤波，即将结果图像乘以一个大于 1 的权重系数，然后和原图像相加，得到最终的锐化图像。

4   结论

X射线医学影像中灰度动态范围较窄，噪声较高，图像增强算法正是考虑了这一特点，对原图像采用了拉普拉斯法进行锐化，再以中值滤波和均值滤波突出了边缘，以掩蔽和高提升濾波法将图像中所需要的信息从而得到最终的锐化图像。增强后的图像细节更加清晰，使医生对所检查部位的细节一目了然，从而为诊疗提供参考。因此将图像增强技术应用于X射线医学影像中，可以为临床医学图像处理提供一个新的技术平台，其适用范围不仅局限于数字 X 射线影响，而对于超声、MRI 等也有着重要的参考意义。

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*通讯作者：庞凤国，济南市第四人民医院放射科。