在医学图像中图像分割的应用研究

2024年4月15日发(作者：)

…………………………．　

研美展一　－　

在医学图像中图像分割的应用研究　

北方民族大学电气信息学院　陶然

医学图像进行最优处理，使处理后的图像具有更高的清晰度、更好的可理解性，可以为进一步的图像应用提供更有效的信息。　

【关键词】医学图像；边缘检测；图像处理　

楚栓成　

【摘要】该文介绍了目前较为流行的几种图像边缘检测的方法在医学图像中的应用，详细阐述了这些方法的检测原理，指出这些方法的优势和不足，便于日后对不同的　

１．引言　且得出的边缘也会相应变粗。Ｓｏｂｅｌ算子对　

边缘是图像的最基本特征，它体现了用于识别的有用信息，为人们用作描述、识别目　噪声有平滑作用，能够提供较精确的边缘　

标以及解释图像提供了一个重要的特征参数。边缘检测是图像处理、图像分析和计算机视　方向信息，是一种较为常用的边缘检测方　

觉领域中最经典的研究内容之一，是进行模式识别和图像信息提取的基本手段。医学ｘ射线　法。基于Ｓｏｂｅｌ算子在数字图像的边缘检测　

的图像边缘检测是图像检测的一个重要应用领域，在医疗诊断中起着越来越重要的作用。　方法，存在着许多不足之处，例如在基于　

目前进行主要边缘检测的方法是ｓｏｂｅｌ算子、ｃａｎｎｙ算子、ｐｒｅｗｉｔｔ算子、ｒｏｂｅｒｔｓ算　

子、ＬＯＧ算子检测方法。图像边缘检测必须满足两个条件：（１）能有效地抑制噪声；（２）必　

须尽量精确确定边缘的位置。本文将研究集中常见的算子检测方法对于医学边缘图像的应　

用，以为进一步的图像应用提供依据。　

２．检测方法介绍　

对图像｛ｆ（ｉ，Ｊ）｝的每个像素，考虑它上，下，左，右邻点的灰度的加权差，与之接近　

邻点的权值最大。据此，定义Ｓｏｂｅｌ算子…如下：　

Ｓｏｂｅｌ梯度算子时，其边缘检测虽然说速度　

快，但得到的往往是不连续的、不完整的结　

构信息。这类方法对噪声比较敏感，为了有　

效抑制噪声，一般都首先对原图像进行平　

滑，再进行边缘检测就能成功地检测到真正　

２．２　ｃａｎｎｙ算子检测　

根据对信噪比与定位乘积进行测度，　

Ｉ

）＋２ｆ（ｉ－ｌ，ｊ）　

．

、

＋ｆ（ｉ＋ｌ，ｊ

ｉ）－２

ｆ（ｉ＋ｌ，ｊ）－ｆ（ｉ

－

ｆ（ｉ－ｌ，．卜　）＋２，（ｆ，　－１）　，（ｊ＋１，，－　）一ｆ（ｉ－１，　＋１）－２ｆ（ｉ，，“）－２，（Ｌ　＋１）一，ｏ＋１，　＋１）Ｉ　

　ｌＩ　２　ｌ　　０一Ｉｌ　Ｉ　

Ｌ　儿　Ｊ　

．，．

……

．

＋ｉ，圳ｌ＋　

完对处理　景　。＿二二　．Ｇ　ｓ’ｉａｎ￣＇　

波器进行平滑滤波，然后采用一种称之为　

翟　誊　

卷积算子为：ｌ　０　０　０　ｌ　０—１　Ｉ　“非极值抑制”的技术，对平滑后的图像处　

理，得到最后所需的边缘图像”　。　

△　，　△，ｆ　Ｃａｎｎｙ算子是边缘检测中最具代表的一　

适当取ｆ－１限ＴＨ，作如下判断：Ｓ（ｉ，ｊ）＞ＴＨ，（ｉ，Ｊ）为阶跃边缘点，｛Ｓ（ｉ，ｊ）｝为边缘图　种局部极值边缘检测算子，提取的边缘线型　

像。　连接程度较好，对边缘提取的较完整，边缘　

Ｓｏｂｅｌ算子很容易在空间上实现，Ｓｏｂｅｌ边缘检测不但产生较好的边缘检测效果，而且　线提取很细。Ｃａｎｎｙ算子具有较好的抗噪能　

受噪声影响也比较小。当使用大的邻域时，抗噪声能力会更好，但这样会增加计算量，并　力和较高的边缘定位精度。对于高噪声的模　

［４］李爱民，刘晶，马维纲．Ｓｉｌｖｅｒｌｉｇｈｔ相关技术研究ＵＪ．计算　

够详实地表现出每个图形元素的位置信息以　从图２—４最终系列效果图中可以看出，　

２００９（６）．　

及各图形元素间的位置关联呢？答案是采用　

本系统即实现了对ＣＡＤ文件的兼容，也完全　

机技术与发展，

５］王天宝，王尔琪，卢浩，黄跃峰．基于Ｓｉｌｖｅｒ／ｉｇｈｔ￣ＷｅｂＧＩＳ　

煤矿现场现有的ＣＡＤＳ０图文件作为位置参照　

支持对常用图形内容的矢量化展示，在图形　

［

．地球信息科学学报，２０１０（１）．　

信息源，由于ＣＡＤＳＩＪ图文件能够详实的表现　

展示效果和操作易用性方面都有一定的优　

客户端技术与应用试验ｏ］

６］李华，聂建国．在非ｃＡＤ平台环境下显示ＣＡＤ图形的　

出煤矿生产过程中的相关位置信息，并且会　势。在实际应用过程中可以将该图形系统和　

［

实用技术与方法Ⅱ】计算机工程与应用，２００２（９）．　

随着井下巷道的开采挖掘及时做出相应修　

其他煤矿专业系统结合使用，将煤矿生产过　

魏永乐，晁彩霞．ＤＷＦ格式图形文件的发布和浏览Ⅱ］．　

改，因此在图形系统中直接兼容ＣＡＤＳ￣Ｊ图文　程中的相关数据以图形化的方式进行直观展　

件是一种能够充分利用现有资源，并且时效　示，从而达到丰富煤矿信息的展示方式，使　

【８】崔欣．Ｓｉｌｖｅｒｉｆｇｈｔ技术的发展与应用Ｄ］．电脑知识与技　

性较强的开发手段。　

用户能够获得更加丰富、直观的体验效果的　

术２００９（２２）　

如何在图形系统中实现对ＣＡＤＳ￣Ｊ图文件　

目的。　

的直接兼容是本项目的主要研究内容之一。　５．结语　

由于ＣＡＤＳ￣Ｊ图文件有多种格式、多个版本，　

该系统通过对煤矿已有ＣＡＤ￥１Ｊ图文件的　

因此最大程度的兼容各种格式、各个版本的　兼容，使图形展示功能得到进一步的加强，　

ＣＡＤＳ￣Ｊ图文件是该部分研究的目标之一。另　

从而在本质上改变了模拟图展示功能。在图　

外，考虑到图形系统矢量化操作的需求，如　形展示部分借助于ＣＡＤ制图文件实现了图形　

何实现图形元素和ＣＡＤＳ￣图文件间的同步矢　元素位置信息的表达，另外类似于电子地图　

量化操作也是该部分研究的目标之一。　的整体矢量化缩放功能也将会更进一步提高　

３．２项目拟解决的主要技术难点　

用户的使用体验效果。　

（１）图形ＸＭＬ文件的生成与解析。　

（２）图形动画的高效、稳定实现。　

（３）ＣＡＤＳＵｊ图文件的无缝兼容。　

（４）图形元素和ＣＡＤ￥￣Ｊ图文件的同步矢　

量化操作。　

４．项目应用成果　

兼容ＣＡＤ文件的矢量化图形系统的最终　

效果图如图２－４所示。　

参考文献　

【１】汤志东，葛宇．互联网上矢量图形文件及其浏览机制　

的研究Ⅱ］．工程图学学报，２００４（２】．　

［２］龚雄，赵建军，陈立平．ＯｐｅｎＤＷＧ技术在工程图管理　

中的应用Ⅱ］．工程图学学报，２００５（６）．　

戴海清，刘挂英，罗泉，周睿　ＡｕｔｏＣＡＤＩＮ络图形格式转　

换研究Ⅱ】．广西师范学院学报（自然科学版）２００９（３）．　

煤矿机械，２００９（１１）．　

【１０】肖长健．基于Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的编程和通信新结构——　

ＷＣＦ技术Ⅱ】ｌ信息与电脑（理论版），２００９（１２）．　

【１１］程国雄，胡世清．基于Ｓｉｌｖｅｒｌｉｇｈｔ大文件上传的两种实　

现方案Ⅱ］．微计算机应用，２００９（６）．　

［１　ｚ】黄森，刘丰．基于ＷＣＦ的数据流传输方案研究与应用　

Ⅱ］．计算机安全，２００９（１２）．　

基金项目：科技部院所技术开发专项（２０１２Ｅｆｔ１２２１　

９６）；天地（常州）自动化股份有限公司研发项目　

（１２ＳＹ００５）。　

作者简介：张卫国（１９８２一），男，河南洛阳人，南　

京理工大学硕士研究生，主要从事煤矿系统相关软件　

的设计与研发工作。　

［３］姚涵珍，于海艳，范富才．ＡｕｔｏＣＡＤ图形网络发布技术　

的研究与实现Ⅱ】．天津科技大学学报，２００５（３］．　

／２０１３　０２／嘲子ｌ鹭再　一８５—　

Ｉ　一科研发展………………………

…一　

糊图像，Ｃａｎｎｙ算子在抑制噪声的同时往往错过一些低强度的边缘，而一些高强度噪声被检　

测为边缘。Ｃａｎｎｙ方法则以一阶导数为基础来判断边缘点，它是一阶传统微分中检测阶跃型　

边缘效果最好的算子之一，它ｋＬＲｏｂｅｒｔｓ算子、Ｓｏｂｅｌ算子和Ｐｒｅｗｉｔｔ算子极小值算法的去噪　

算。ｏ　

能力都要强，但它也容易平滑掉一些边缘信息。　

２．３　ｒｏｂｅｒｔｓ算子检测　

ｍ　—　

Ｒｏｂｅｒｔｓ边缘检测算子根据任意一对互相垂直方向上的差分可用来计算梯度的原理，采　

●Ｏ　

用对角线方向相邻两象素之差，即：　

△　ｆ＝ｆ（ｉ，』）一，“＋ｌ，Ｊ＋１）　

Ａ　ｆ＝ｆ（ｉ，Ｊ＋１）一，（ｆ＋１，　）　（１．３．１）　

它们的卷积算子为：Ｉ　三ｆ，ｌ一０。　】　

△　ｆ　△　ｆ　

有了△　，，△，，之后，很容易计算出Ｒｏｂｅｒｔｓ的梯度幅值Ｒ（ｉ，ｊ）　

（ｆ，，）＝Ｉａ．ｆｌ＋ｌａ　ｆｌ　

适当取１＂７￣ＴＨ，作如下判断：Ｒ（ｉ，Ｊ）＞ＴＨ，（ｉ，Ｊ）为阶跃边缘点，｛Ｒ（ｉ，ｊ）｝为边缘图像　］。　

Ｒｏｂｅｒｔｓ算子采用对角线方向相邻两像素之差近似梯度幅值检测边缘。它适合于得到方　

向不同的边缘，对不同方向的边缘都比较敏感，检测水平和万垂直边缘的效果好于斜向边　

缘，定位精度高。但是在进行差分计算的过程中对噪声敏感，即有噪声影响的像素点可能　

被检测为边缘点。Ｒｏｂｅｒｔ　ｓ算子定位比较精确，但由于不包括平滑，所以对于噪声比较敏　

感。　

２．４　ｐｒｅｗｉｔｔ算子检测　

对图像｛ｆ（ｉ，ｊ））的每个像素，考虑它上，下，左，右邻点的灰度之差，据此，定义　

Ｐｒｅｗｉｔｔ算子如下：　

（ｆ，　）＝ｌ△　ｓｌ＋ｌ￣　，Ｉ＝Ｉｆ（ｉ一１，，一１）＋，（ｆ一１，　）＋，（１—１，ｊ＋ｌ＋ｆ（ｉ＋ｌ，，一１）一ｆ（ｉ＋ｌ，　）一ｆ（ｉ＋ｌ，，＋１）ｆ　

＋Ｉｆ（ｉ－１，ｊ－１）＋ｆ（ｉ，ｊ－１）＋ｆ（ｉ＋ｌ，ｊ－１）－ｆ（ｉ－Ｉ，ｊ＋１）－ｆ（ｉ，ｊ＋１）－ｆ（ｉ，　＋１）一ｆ（ｉ＋ｌ，　＋１）　ｌ

适当取门限ＴＨ，作如下判断：Ｐ（ｉ，ｊ）＞ＴＨ，（ｉ，ｊ）为阶跃边缘点。｛Ｐ（ｉ，Ｊ））为边缘图　

像。Ｐｒｅｗｉｔｔ算子是一阶的微分算子，是平均滤波，这对灰度渐变低噪声的图象有较好的检　

测效果，但是对于混合多复杂噪声的图像的处理效果就不理想了。

匿∥一。　一　”＿∥　＝一．一　＾。　一—　一　≯　一　Ｉ

２．５　ＬＯＧ算子检测　

拉普托斯算子是最常用的二阶基于导数的边缘检测算子，它易受噪点影响，为减少对　

噪点敏感度，Ｍａｒｒ和Ｈｉｌｄｒｅｔｈ将高斯滤波和拉普拉斯边缘检测结合在一起，形成了ＬＯＧ算　

子。ＬＯＧ首先进行高斯平滑，然后进行拉普拉斯运算　。　

设原图像为ｆ（ｉ，Ｊ），高斯滤波函数为Ｇ（ｉ，ｊ），两者进行卷积运算，然后利用拉普拉斯　

算子　：实现边缘检测，输出的图像ｈ（ｉ，Ｊ），￣ｒＪＬＯＧ算子如下：　

ｓ　＝＝　ｓ．　

用ＬＯＧ算子处理图像时，是先用Ｇ（ｉ，ｊ）进行平滑处理，然后用ｖ　对图像进行二阶导数　

增强。　

ＬＯＧ算子在进行边缘检测时，能很大程度的抑制噪声。通过将图像原值与ＬＯＧ函数值进　

行比较，发现厂（ｉ，ｊ）＜Ｊ　ＯＧ（ｉ，ｊ）部分由图像上绝大部分噪声组成。它对于噪点不太敏感，因为高　

斯函数减少噪点，并且拉普拉斯模版使检测到假边缘的概率减到最小。通过图像平滑，消　

除了一切尺度小于的　图像强度变化，若用其它算子检测法，需要计算不同方向的微分，　

而它无方向性，所以可以节省计算量。它定位精度高，边缘连续性好，可以提取对比度较　

弱的边缘点。　

３．实验结果与讨论　

未经处理的原始图像见图Ｉ（Ａ），存在一定程度的噪声干扰，在对图像检测之前，对ｘ线　

头影片进行了中值滤波的预处理。图ｌ（Ｂ）、ｉ（Ｃ）、ｌ（Ｄ）、ｌ（Ｅ）、１（Ｆ）依次是应用ｌｏｇ算子、　

ｒｏｂｅｒｔｓ算子、ｓｏｂｅｌ算子、ｃａｎｎｙ算子、ｐｒｅｗｉｔｔ算子检测处理之后的图像结果。　

通过ｍａｔｌａｂ５．Ｏ实验平台得出的实验结果可以看出，Ｃａｎｎｙ算子边缘检测精度比较高并　

且抗噪声性能较强，但是对于ｘ线图像的检测，丢失了很多重要的边缘和区域，因此结果并　

不能令人满意。Ｒｏｂｅｒｔｓ算子采用对角线方向相邻两象素之差近似梯度幅值检测边缘。检测　

水平和垂直边缘的效果好于斜向边缘，定位精度高，对噪声敏感，而且检测图像的细节过　

于丰富，图像中表现出很多并不需要的纹理特征。Ｓｏｂｅｌ算子边缘检测根据象素点上、下、　

左、右各个邻点灰度值加权差，在边缘处达到极值这一现象检测边缘，其对噪声具有平滑　

作用，提供较为精确的边缘方向信息，但是边缘定位精度不够高。Ｐｒｅｗｉｔｔ算子边缘检测利　

一

８６一电子ｔ鲢孽Ｉ／２０１３．０２／　

图１几种检测图像　

用象素点上、下、左、右各个邻点灰度值的　

差，在边缘处达到极值检测边缘，其检测图　

像的边缘出现很多不连续情况，图像不清　

晰。Ｌｏｇ算子边沿检测的边缘无法区分虚实　

线，对于像素的反差大小无法区分，图像边　

缘连贯性好，可以观察到很多细节。　

４．结论　

针对医学图像讨论和比较了几种常用　

的边缘检测算子。ｒｏｂｅｒｔｓ精度不高，只能　

检测出图像大致的轮廓，而对于比较细的　

边缘可能会忽略。Ｐｒｅｗｉｔｔ和Ｓｏｂｅｌ算子比　

Ｒｏｂｅｒｔｓ效果要好一些。ＬＯＧ滤波和Ｃａｎｎｙ算　

子的检测效果优于ｒｏｂｅｒｔｓ算子，能够检测　

出图象较细的边缘部分。不同的医学图像在　

不同的系统，针对不同的环境条件和要求，　

选择合适的算子来对图象进行边缘检测，为　

图像进一步应用具有很重要的作用。　

参考文献　

［１】冈萨雷斯．数字图像处理（第二版）【Ｍ】．电子工业出版　

社，２００３．　

［２］何斌，等．Ⅵｓｕａ１ｃ＋＋数字图像处理［１Ｖｑ．北京：人民邮电　

出版社，２００１，１．　

【３］徐建华．图像处理与分析　北京：科学出版社，１９９２，１．　

【４】Ｃａｎｎｙ　Ｊ．Ａ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔＯ　Ｅｄｇｅ　

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ０］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐａｔｔｅｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　

Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，１９８６，８（６）：６７９—６９８　

［５］袁丽婷，邱力军．基于Ｍａｔｌａｂ￣Ｘ线医学图像增强与直　

方图处理方法Ｕ］．第四军医大学学报，２００７，２８（４）：３７６—３７８　

作者简介：　

陶然（１９８６－－），女，硕士研究生，现就读于北方民　

族大学电气信息学院，研究方向：信号与信息处理。　

楚栓成（１９６３一），男，大学本科，北方民族大学电　

气信患学院通信工程系主任。