导读

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来源： 本文刊登于《中国医疗器械信息》杂志2015年第6期1-5页

作者：赵媛1 程新耀2 徐明2 严斐斐2 周琳婧2 丁明跃1

单位：1 华中科技大学生命科学与技术学院生物医学工程系，图像信息处理与智能控制教育部重点实验室 （ 武汉 430074）

2 武汉大学中南医院心内科 （ 武汉 430071）

内容提要： 采用灰度共生矩阵提取不同超声TIS、MI参数下大白兔非酒精性脂肪肝超声图像的纹理特征，研究了TIS、MI及灰度直方图的变化对其产生的影响。结果表明，TIS、MI变化时，脂肪肝超声图像纹理特征值基本保持稳定，而正常肝的超声图像纹理特征值会出现变化；灰度直方图的改变不影响特征值对脂肪肝和正常肝的区分，也不影响其随TIS、MI变化的趋势。

关 键 词： 非酒精性脂肪肝 纹理分析 灰度共生矩阵 机械指数 软组织热指数

0.引言

非酒精性脂肪肝病(Nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD) 是一种无过量饮酒史 , 以肝实质细胞脂肪变性和脂肪蓄积为特征的临床病理综合征[1]。随着生活水平的提高，非酒精性脂肪肝的检出率显著增加，患病年龄趋于年轻化，已成为全球性问题[2]。肝穿刺活检是诊断脂肪肝的金标准，但因其有创伤性，不易被患者接受，在临床中不作为常规检查。超声成像是目前临床上诊断脂肪肝的一种常用方法，具有简便、廉价、无创伤、无辐射等优点，对于肝脂肪含量达到50% 以上的脂肪肝，敏感度可达90%。

然而，常规检查中，由于超声图像本身的复杂性、诊断人员的水平参差不齐、缺乏统一的准确的量化诊断指标以及成像设备在分辨率、性能等不同，使得对脂肪肝的诊断具有较大的主观性和局限性。

纹理图像分析是机器视觉及模式识别领域的重要技术，上世纪70 年代就开始应用于医学图像。如今，纹理分析已经在医学图像领域得到广泛应用。例如，对细胞图像、乳腺钼靶片、CT 图像、MR 图像、PET 图像、超声图像等进行纹理分析以获得纹理特征[3]。肝脏超声图像的纹理是因为不同的肝脏组织纤维不同，对超声的吸收、反射、衰减不同而形成的。正常肝脏超声图像近场肝实质光斑较大，较为稀疏；随着非酒精性脂肪肝病情的加重，近场光点致密增强[4]。目前运用纹理诊断肝脏弥漫性疾病的研究较多，大量学者使用灰度共生矩阵、神经网络等对其进行分析[5]。

在超声检测中，软组织热指数(Thermal index of soft tissue, TIS) 和机械指数(Mechanical index,MI) 的控制设置由医生确定。不同模式下TIS、MI 的设置要求不同[6]，加上医生临床经验和操作手法不同，在实际诊断中所采用的TIS、MI 的值也不尽相同。本文研究了提取不同TIS、MI 参数下非酒精性脂肪肝超声图像的纹理特征，分析了其对纹理特征的影响，为脂肪肝的识别以及进一步的定量分析提供了参考。

1.动物模型建立及图像数据的采集

1.1 建立家兔非酒精性脂肪肝模型

健康成年新西兰大白兔40 只，兔龄3-5 个月，体重2.0-2.5 公斤，随机分为4 组，基础饲料适应性饲养2 周后，除正常对照组外开始高脂饲料喂养，定期进行血脂测定，至第四周时开始予以药物干预，分为高药物剂量组、低药物剂量组和无药物高脂组，药物干预时间持续8 周。然后处死动物，采取图像供研究使用。在此过程中因为各种原因有14 只兔子死亡，处死时各组动物数量分别为：正常组6 只、高药物剂量组7 只、低药物剂量组7 只，高脂空白组6 只。

1.2 超声图像数据的采集

（1）实验仪器

本实验使用PHILIP iE33 彩色超声多普勒超声心动图系统，L11-3 高频线阵探头。

（2）超声图像采集

麻醉动物，置于实验台，固定四肢，打开腹腔，将探头直接置于肝脏表面，固定仪器条件，仅改变TIS 和MI，获取不同TIS 和MI 下肝脏超声图像。所有图像由同一名具有丰富经验的医生采集完成。图像均以DICOM 格式储存。

2.ROI 区域选取与图像预处理

2.1 ROI 区域选择

获取肝脏超声图像后，需要根据图像特点选取感兴趣区域(ROI) 进行特征提取。本研究中的ROI 区域是在医生的指导下，按照以下几个原则选取：

（1）尽可能多的选取肝实质，尽量避免血管、肝管及声影区的影响；

（2）ROI 区域大小为65×65 像素；

（3）由于组织内脂肪的堆积并不是均匀的，所以每幅图像选取5 个近场R0I，近场的区分按照B 超图像本身的标志进行；如图1 所示。

2.2 图像预处理

超声成像过程中存在散斑噪声，它降低了超声图像的质量，对图像的细节分辨有一定影响。在对超声图像进行纹理分析之前先进行预处理降低噪声影响，以获取更高质量的图像源。传统线性滤波方法在平滑噪声的同时也抑制了图像中的细节信息。本研究中采用峰- 谷滤波对图像进行预处理，这种方法在去噪的同时对图像的灰度值改变很小，能够有效的保留图像信息[7]。文中使用3×3 窗口大小进行滤波，滤波效果如图2。

3.超声诊断仪器的TIS 与MI 参数设置

超声是机械振动能量的传播，在传播过程中会产生热效应和机械效应。在人体组织中传播时，其振动能量不断被吸收转变成热能而使生物组织温度升高，即为热效应；传播过程中使人体细胞或组织发生机械运动，即为机械效应。

热指数(Thermal index, TI) 用来指示超声能量的吸收效应引起人体组织温度的升高，根据人体组织模型的不同，可以分为软组织热指数(TIS)、骨热指数以及颅骨热指数。机械指数(MI) 用来指示可能产生的生物机械效应如空化效应的风险[8]。

在常规超声诊断中，TIS、MI 由设备自动设置，医生也可以通过输出控制按钮进行调整。当TIS、MI 不同时，成像的效果也不相同。图3 所示，为同一兔子不同TIS、MI取值下的部分肝脏超声图像。

4.纹理特征提取方法

肝脏超声图像纹理分析的方法主要有统计法、结构法、模型法和变换法。本研究中采用灰度共生矩阵(Gray Level Co-occurrence Matrix,GLCM) 对肝脏超声图像进行纹理分析。GLCM是通过计算图像中一定距离和一定方向的两点灰度之间的相关性来研究图像中两个像素灰度级的联合分布的统计形式，可以用一联合概率密度函数p(i,j|d,θ) 表示。它对脂肪肝超声图像具有较好的描述能力，不仅包含了灰度统计信息而且能反映出灰度的空间信息[9~10]。

其中灰度为i 的像素点(x1, y1) 与灰度为j 的像素点(x1, y1) 之间的距离为d，连线与水平方向的夹角为θ，# 表示集合中元素的个数。

由灰度共生矩阵派生出的纹理特征参数主要有：角二阶矩(Angular Second Moment, ASM)、熵(Entropy, ENT)、对比度(Contrast, CON)、反差分矩(Inverse Differential Moment, IDM)、相关性(Correlation， COR) 等[11]。本文灰度共生矩阵的计算中，将灰度级压缩为16 位，取d=1, θ 为(0˚，45˚，90˚，135˚) 四个方向。每个ROI 提取四个方向的ASM、ENT、CON、IDM、COR，并计算出各特征参数四个方向的均值，每幅图像的最终纹理特征取5 个ROI 提取特征的均值。

5.实验结果与分析

5.1 四个方向特征值比较

本文中提取了四个方向的ASM、ENT、CON、IDM、COR。从四个组中每组选出3 张图片来分析四个方向的纹理特征值，如图4。

由图4 可以看出，在不同方向上，纹理变化的规律基本上是一致的，但也不排除其他情况，如“ENT”一图中的7 号样本在0˚ 方向上就存在一个突变。其他特征在不同方向上的表现相似。

5.2 TIS、MI 对纹理特征的影响分析

为了方便比较，在每组中选取一只兔子，分析TIS、MI 变化对脂肪肝超声图像纹理特征（以ASM 和ENT 为例）的影响，如图5 所示。从图5 中可以看出，正常组兔子的ASM 和ENT 随着TIS、MI 的变化有相应变化。而其他组兔子随着TIS、MI 的变化，特征值则基本保持稳定，只有当TIS=0.0，MI=0.1 时会出现突变。

通过对实验数据的分析统计，我们发现当TIS=0.0，MI=0.2 时，有部分脂肪肝兔子的纹理特征值也会出现突变。对正常组兔子纹理特征进行统计，发现正常组的每只兔子的纹理特征值都会随着TIS、MI 的变化而出现变化。图6 给出了3 只正常组兔子肝超声图像的ASM 值随TIS、MI的变化，图中水平参考线为脂肪肝图像ASM 的大致取值，可以看出正常组兔子ASM 值的变化趋势大致相同。

从以上的分析中可以看出，随着TIS、MI 值的变化，正常组兔子的肝超声纹理特征值有相应变化。如图5 和图6，如果是对TIS=0.1，MI=0.6时的特征值进行分析，将会很难区分出正常肝与脂肪肝。

5.3 正常肝与非酒精性脂肪肝纹理特征比较

本文中选择TIS ≥ 0.3，MI ≤ 0.9 时提取的肝超声纹理特征进行比较，选取了差别较明显的三个特征值，结果见图7。从图7 中可以看出正常肝和脂肪肝超声图像之间的纹理特征有一定差别，但不同程度的脂肪肝之间的特征值无明显差异。

5.4 灰度直方图的改变对肝脏纹理特征的影响

超声诊断设备在不同模式下，为了方便医生获取主要信息，在图片显示时对图像的预处理不同。本研究中，是将兔子腹腔打开，直接将探头置于肝脏上采集得到图片，所以选用浅表探头，在Arterial 模式下进行。采集到的图片整体灰度值偏大。通过直方图均衡化、直方图拉伸可以改变图像的灰度分布。文中采用直方图线性拉伸改变原图像的灰度分布，如图8。直方图拉伸对于肝脏纹理特征的影响结果见图9。

为了直观比较，图9(a) 中选取的兔子与图5一致。可以看出，改变灰度直方图虽然会改变特征值的大小，但是基本不影响特征值随TIS、MI变化的趋势，对脂肪肝与正常肝的区分也基本无影响。

6.结论

纹理分析在超声图像分析中应用广泛，也取得了一些良好的结果。本研究使用灰度共生矩阵提取了兔子非酒精性脂肪肝超声图像的角二阶矩、熵、对比度、反差分矩、相关性等五个特征值，并分析了TIS、MI 及灰度直方图的改变对这些特征值影响。结果表明：

（1）TIS、MI 变化时，脂肪肝超声图像纹理特征值基本保持稳定，而正常肝超声图像纹理特征值会出现变化，并会与脂肪肝的特征值出现“混淆”；

（2）在适当的TIS、MI 取值范围内，角二阶矩、熵、反差分矩能较好的区分脂肪肝与正常肝，但单一特征不能区分出不同程度的脂肪肝。

（3）改变灰度直方图，并不影响特征值对脂肪肝与非脂肪肝的区分，也不影响特征值随TIS、MI 变化的趋势。

目前，非酒精性脂肪肝已成为一种全球性问题，在我国的患病率也显著上升，已有较多运用纹理特征分析对脂肪肝进行识别以及定量的研究。本文以新西兰大白兔作为研究对象，分析了一些超声诊断过程中的不定因素对肝脏超声图像纹理特征的影响，所得到的结果对脂肪肝的识别以及定量研究有一定的参考价值。

参考文献

略

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