【正文】 ........................................ 1 超聲圖像去噪的意義及目的 1 超聲圖像去噪的現(xiàn)狀 2 本文研究工作及概況 3 第二章 超聲成像的機(jī)理及其噪聲特性 .......................................................... 4 超聲成像原理及特點(diǎn) 4 超聲診斷儀的分類 7 第三章 超聲圖像去噪方法 .................................................................................10 均值濾波方法 11 中值濾波方法 13 第四章 小波變換在圖像去噪中的理論基礎(chǔ) ................................................15 基于小波去噪的發(fā)展及現(xiàn)狀 16 人眼視覺特性 23 小波閾值 24 小波閾值法 26 結(jié)論 .............................................................................................................................28 致謝 .............................................................................................................................29 主要參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................30 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 超聲圖像去噪的意義 及目的 超聲 診斷作為 醫(yī)學(xué)診斷中 的一種診斷技術(shù)得以應(yīng)用 是從 1972年灰階超聲的問世開始的 ，特別是近幾年來，由于其 廉價(jià)、簡(jiǎn)便、迅速、安全性高、可連續(xù)動(dòng)態(tài)及重復(fù)掃描等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)學(xué)臨床診斷中運(yùn)用廣泛，因此醫(yī)學(xué)影像學(xué)飛速發(fā)展，同時(shí)其研究的范圍也越來 越廣 。由于各種組織的界面形態(tài)、組織器官的運(yùn)動(dòng)狀況和對(duì)超聲的吸收程度不同，其回聲有一定的共性和某些特性，結(jié)合生理、病理解剖知識(shí)與臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分析、總結(jié)這些不同的反射規(guī)律，可對(duì)患病的部位、性質(zhì)或 功能障礙程度做出判斷。 但是， 由于成像機(jī)制的限制，超聲圖像 無法避免的有 質(zhì)量較差 這一主要缺點(diǎn) ，特別是由于所 要觀察的 器官或組織 在結(jié)構(gòu)上 存在其 不均勻性， 有 一些微小的結(jié)構(gòu) 超聲無法 識(shí)別 。 為了圖像后期的分析識(shí)別和重構(gòu)等工作的順利進(jìn)行，超聲圖像的去噪就有其進(jìn)行的必要。 從 理論上 講信號(hào)的 分布 主要存在于低頻部分．而噪聲的 分布主要存在 于高頻部分， 濾除噪聲 成分就是 濾除信號(hào)的高頻部分。 超聲圖像去噪的現(xiàn)狀 目前對(duì)于超聲圖像斑點(diǎn)的認(rèn)識(shí)有著兩種不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為圖像中的斑點(diǎn)是一種噪聲，它影響超聲圖像的質(zhì)量和清晰度，所以要盡量去除或者抑制其斑點(diǎn)噪聲；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為斑點(diǎn)也是圖像信息的一種，它也代表體內(nèi)某種組織或器官的機(jī)能情況，正?；蛘卟徽?，是否病變。 本文則是在第一種觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的， 因此研究對(duì)于斑點(diǎn)噪聲的去除是本文的主要任務(wù)。因?yàn)槠鋽?shù)學(xué)原理 簡(jiǎn)單，而且 能夠很有效的去除加性噪聲 ，所以很受歡迎；但是這些濾波 方法 會(huì)模糊圖像細(xì)節(jié)， 并 且不能去除類似椒鹽噪聲的各種長(zhǎng)尾噪聲，更不能去除與信號(hào)密切相關(guān)的乘性噪聲。 在過去的 20多年中 ， 超聲圖像去噪一直是醫(yī)學(xué)圖像處理 中 的熱點(diǎn)問題 ， 為此 出現(xiàn)了許多超聲圖像斑 點(diǎn)去噪的方法 。 這樣 構(gòu)造一種既能夠有效消除相干斑噪聲 ，同時(shí)又能夠 有效保持圖像細(xì)節(jié)的去噪方法 則是 當(dāng)前超聲圖像處理的研究目標(biāo) 。 Donoho提出的通過對(duì)小波變換系數(shù)按閾值進(jìn)行收縮的去噪方法具有運(yùn)算量小、自適應(yīng)、可有效保留細(xì)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上， 涌現(xiàn) 出 各種去噪算法 ，使得小波域 去噪研究成為一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。一般來說圖像的去噪和圖像的增強(qiáng)是一個(gè)矛盾的過程，既要去除圖像中的噪聲又要保留圖像中的細(xì)節(jié)，因此如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程將是本文所要解決的問題。 首先把原始醫(yī)學(xué)超聲圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，然后選擇合適的小波和小波分解層數(shù)對(duì) 變換后的圖像進(jìn)行小波分解，隨后對(duì)高頻系數(shù)進(jìn)行閾值量化，對(duì)每層選擇一個(gè)閾值對(duì)其高頻系數(shù)進(jìn)行軟閾值化處理，最后利用小波重構(gòu)，得到去噪后的圖像，并進(jìn)行指數(shù)變換得到所需圖像。 第二章介紹了超聲成像的機(jī)理，相關(guān)理論知識(shí)及其噪聲特性，以便后面的研究。 第四章著重介紹了小波變換在圖像去噪中的基本理論知識(shí)， 包括連續(xù)小波變換、二進(jìn)制小波變換、多分辨率分析等， 掌握小波變換在圖像去噪中的應(yīng)用。 最后則是對(duì)本文的總結(jié)。特別是近三十年來，成像技術(shù)越來越豐富， 研究的范圍越來越廣泛， 使得 在影像學(xué)的密度、時(shí)間和空間分辨率 等 方面 都 有了空前的突破， 從而 臨床影像學(xué)發(fā)生了質(zhì)的變化 ， 醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù) 也 發(fā)生了一次又一次革命性的飛躍 。其發(fā)展速度令人驚嘆，目前已成為臨床多種疾病診斷的首選方法，并成為一種非常重要的多種參數(shù)的系列診斷技術(shù)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)也應(yīng)用于超聲 診斷， 這樣使得超聲診斷技術(shù)得到快速的提高以及在臨床診斷中的廣泛的應(yīng)用。放大和處理，最后顯示成像。靜態(tài)成像展示的范圍比較廣，而且清晰，但是檢查時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)用比較少；而動(dòng)態(tài)成像則是臨床中應(yīng)用比較廣泛的一種，能在短時(shí)間內(nèi)觀察到組 織的動(dòng)態(tài)變換，不過也有其不足的地方，就是圖像展示的范圍比較小， 清晰度不夠好。超聲顯示儀器根據(jù)其接受到強(qiáng)弱不同的回聲，運(yùn)用明暗不同的光點(diǎn)一次顯示出來，從而得到人體的超聲圖像。超聲波在 通過人體不同組織時(shí)，其反映的聲學(xué)特性都是不同的，超聲診斷就是通過這些不同來區(qū)分不同組織的 。通過 這些 不同器官和組織對(duì)超聲 波 產(chǎn)生不同的反射與散射 的 規(guī)律， 超聲 儀器 則 利用這些反射和散射信號(hào)顯示出臟器的界面和組織內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu) ，從而 作為診斷的依據(jù)。 2． 具有高度的安全性： 無創(chuàng)、無輻射， 當(dāng)嚴(yán)格控制聲強(qiáng)低于安全閾值時(shí)超聲可能成為一種無損傷的診斷技術(shù)，對(duì)醫(yī)務(wù)人員更是十分安全。 4． 使用便捷，費(fèi)用較低，用途廣泛 超聲診斷儀的分類 超聲診斷儀 主要 由超聲換能器、信號(hào)處理顯示和記錄裝置以及電源等部分組成 。 壓電晶體受到電脈沖激勵(lì)發(fā)射超聲波，使之進(jìn)入人體組織，然后遇到組織等結(jié)構(gòu)發(fā)生散射和反射等現(xiàn)象產(chǎn)生回聲，再由壓電晶體接收，然后把回聲信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入儀器 。 超聲診斷儀接收到超聲信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娮訉W(xué)處理后，最終將有用信號(hào)顯示在 CRT上，到現(xiàn)在已開發(fā)出的有 A型、 B型、 C型、 D型、 F型和 M型，以下分別從原理和應(yīng)用領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要對(duì)比 。 A超 的探頭是由單晶片構(gòu)成的，主要適用于肝、膽、脾、眼及腦等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的檢查， 線度的測(cè)量以及回波幅度大小和形狀的獲得，然后通過分析其回波幅度的分布獲得組織 的特征信息。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 （ 2） M型超聲診斷儀 M超 與 A超相比，最重要的是多出了慢掃描電路， M超 是采用輝度調(diào)制，以亮度反映回聲強(qiáng)弱， M型顯示體內(nèi)各層組織對(duì)于體表 (探頭 )的距離隨時(shí)間變化的曲線，是反映一維的空間結(jié)構(gòu)，因 M型超聲多用來探測(cè)心臟，故常稱為 M型超聲心動(dòng)圖，目前一般作為二維彩色多普勒超聲心動(dòng)圖儀的一種顯示模式設(shè)置于儀器上。另外還可以研究人體內(nèi)其它各運(yùn)動(dòng)面的活動(dòng)情況，因此可以用于對(duì)胎兒和動(dòng)脈血管的搏動(dòng)等的檢測(cè)。 B型顯示的實(shí)時(shí)切面圖像，真實(shí)性強(qiáng)，直觀性好，容易掌握。目前較常用的 B型超聲 顯像方式有：掃查方式：線型 (直線 )掃查、扇形掃查、梯形掃查、弧形掃查、徑向掃查、圓周掃查、復(fù)合掃查；掃查的驅(qū)動(dòng)方式：手動(dòng)掃查、機(jī)械掃查、電子掃查、復(fù)合掃查。 C超和 B超的成像都是二維圖像，但是 C超的成像畫面與超聲是垂直的，它與 B超掃描面相差 90度。 （ 5） F型超聲診斷儀 F超與 C超相比，原理上基本相同 。因此，F(xiàn)超的成像畫面是一個(gè)有位置函數(shù)決定的曲面，而不是一個(gè)平面。 （ 6） D型超聲診斷儀 D超又稱超聲多普勒診斷儀，這類診斷儀是利用多普勒效應(yīng)原理制成的。目前對(duì)用于心血管診斷的超聲儀都配有多普勒，分脈沖式多普勒和連續(xù)式多普勒。 （ 7） 彩色多普勒血流顯像儀 彩色多普勒血流顯像儀簡(jiǎn)稱彩超 ，包括兩部分二維切面顯像和彩色顯像。有了二維切面顯示，再打開“彩色血流顯像”開關(guān)，彩色血流信號(hào)將自動(dòng)疊加到黑白二維結(jié)構(gòu)顯示上，然后根據(jù)需求選擇速度顯示、方差顯示或功率顯示?？赏瑫r(shí)顯示心臟某一斷面上的全部血流束的分布及數(shù)目，腔室形態(tài)、大??；表現(xiàn)血流途徑及方向；辨別層流、湍流或渦流；測(cè)量血流束的面積、輪廓長(zhǎng)度和寬度；清楚暗示血管結(jié)構(gòu)異常與血流動(dòng)力學(xué)異常的關(guān)系。當(dāng)然彩色多普勒血流顯像也有其局限性，它更多的作為定性診斷的方法，而對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的定量分析還須借助頻譜多普勒。原理如圖 2— 1 所示，首先時(shí)序電路發(fā)出觸發(fā)脈沖，使發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，激勵(lì)換能器向人體發(fā)射超聲脈沖信號(hào)，當(dāng)超聲脈沖遇到人體的組織器官界面時(shí)產(chǎn)生反射或散射的回聲脈沖信號(hào)。因?yàn)榉糯笃饔凶銐虻姆糯罅?，所以能把比較弱的信號(hào)放大到數(shù)百毫伏以上，甚至幾伏特。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 圖 21 B 超的原理方框圖 根據(jù)掃描方式的不同， B 超診斷設(shè)備可以分為線性掃描、扇形掃描、凸陣掃描等。實(shí)時(shí)線性診斷儀適用于一般的腹部檢查，有多種不同頻率的探頭，但是探頭和人體接觸面積較大，檢查時(shí)需要大的透聲窗才能使聲束有效的經(jīng)過檢查目標(biāo)。實(shí)時(shí)扇形診斷儀主要應(yīng)用于心臟的探查，探頭小，便于肋間掃查，但是相對(duì)的視野就比較小了。 斷層圖像的特征是 B 超圖像應(yīng)用于診斷的依據(jù)，如圖像形態(tài)、灰度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界回聲、回聲總體、臟器后方情況以及周圍組織表現(xiàn)等， B超在臨床醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用主要有以下及方面： ① 在產(chǎn)科方面的應(yīng)用 由于超聲診斷具有準(zhǔn)確率高、重復(fù)性好、方法便捷、安全無副作用等優(yōu)點(diǎn)，所以在產(chǎn)科妊娠檢查中很受歡迎。 ② 在人體內(nèi)部臟器方法探測(cè)的應(yīng)用 這里的臟器包括肝臟、脾臟、泌尿系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等， B超都可以對(duì)這臟器的外形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，區(qū)分腫塊的性質(zhì)，特別是對(duì)動(dòng)物疾病的檢測(cè)具有很高的準(zhǔn)確率。 ③ 在表淺器官內(nèi)部組織探測(cè)方面的應(yīng)用 接受隔離與放大電路 檢波 信號(hào)處理與視頻放大 換能器 TGC 放大電路 時(shí)序電路 顯示器 時(shí)基 觸發(fā) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 如眼鏡、甲狀腺、乳房等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探查和線度的測(cè)量。隨著探頭的移動(dòng)或晶片的交替輪換光點(diǎn) 進(jìn)行移動(dòng)掃描。不同組織有不同的回聲強(qiáng)度和不同的聲衰減，如組織內(nèi)含水分比較多的，聲衰減比較低，圖像上就有其明顯的暗區(qū)顯示，就可以比較容易的提取邊界； 可是 如果組織內(nèi)含膠原蛋白比較多，則聲衰減比較高， 邊界的提取就比較困難。尤其是超聲圖像中的斑點(diǎn)噪聲，降低了圖像的可分辨性，嚴(yán)重影響了圖像質(zhì)量，使得邊緣與細(xì)節(jié)變的模糊，增加了醫(yī)學(xué)診斷與治療的難度。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 第三章 超聲圖像去噪方法 現(xiàn)有的圖像去噪處理方法大致可以分為空間域方法和頻域方法兩種 ： 前一種 方法主要是利用圖像的平滑模板對(duì)該圖像進(jìn)行卷積，來抑制或者去除噪聲；另一種方法則是通過先對(duì)圖像進(jìn)行變換，然后選擇合適的濾波器進(jìn)行去噪，最后再進(jìn)行反變換得到所期望的去噪圖像。把原來的像素值用模板中的全體像素的平均值代替。 用均值代替原圖像中的各個(gè)像素值是均值濾波的基本原理，即對(duì)要處理的像素點(diǎn)（ x ,y ）選擇一個(gè)模板，該模板由臨近的像素組成，求模板中所有像素的均值，再把該均值賦予像素點(diǎn)（ x ,y ），作為處理后圖像在該點(diǎn)的灰度值 u （ x ,y ），即 ? ? ? ??? yxfmyxu ,1, （ 31） m 為該模板中包含當(dāng)前像素在內(nèi)的像素總個(gè)數(shù)。 均值濾波的實(shí)現(xiàn)效果圖 如圖 31： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖 31 均值濾波效果圖 結(jié)果表明，當(dāng)所用的模板尺寸越大時(shí)，去噪的噪聲效果也越大，但是同時(shí)卻使得圖像更加模糊，細(xì)節(jié)銳化程度不斷減弱。其實(shí)質(zhì)就是解維納 霍夫方程。 維納濾波的實(shí)現(xiàn)效果圖 如圖 32：