CN101584574A - 一种晶状体图像分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属医学图像处理及应用领域，涉及眼科晶状体密度的图像分析方法。本发明采用裂隙灯数字图像处理系统，通过图像获取和图像分析，进行以分析区域灰度为基础的晶状体密度分析。本方法在固定背景亮度、裂隙宽度和高度、裂隙角度、放大倍率及分析对象的头位等图像获取条件后，用前房灰度为参照，选取特定前房灰度参考范围内的图像，选择形态、大小和位置合适的分析区域进行晶状体密度图像分析。结合裂隙灯的观察可对晶状体的状况做出合理的评价。本方法操作简便，快速，适合对各种类型的晶状体改变同时做出客观的定性和定量分析。

Description

一种晶状体图像分析方法

技术领域

本发明属医学图像处理及应用领域，涉及一种晶状体图像分析方法，具体涉及一种眼科晶状体密度的图像分析方法。

背景技术

眼科晶状体密度的分析是决定白内障手术时机、手术方法和预后的重要依据。

目前主要有两类方法可以对晶状体密度进行分析，一类是主观分级，进一步又分为两种：一种是在裂隙灯下直接进行观察评级，如张家萍等提出的观察法分五级：I：晶体无混浊；II：晶体轻度混浊，周边出现空泡；III：晶体中度混浊，周边空泡向中心扩展，中心核出现雾状混浊；IV：晶体高度混浊，空泡扩展到核区，中心核雾状混浊加重；V：晶体核混浊，白内障成熟。另一种是基于一套标准照片，把通过特殊照相方法摄取晶状体后反光和矢状切面裂隙图像与之比较，获得评级，代表性的有LOCS法(lens opacities classification system)，此外还有参照Emery和Little的晶状体核硬度评级标准，也是建立在裂隙灯观察的基础之上。这一大类方法应用广泛，但其最大的缺陷是评级仅仅建立在观察比对的基础上，容易受主观因素影响，且不能准确的定量分析。

另一类评估方法相对客观，是由仪器测量后给出一个密度的相对值，目前市场上有基于Scheimpflug原理研制的Pentacam和EAS-1000型眼前节图像分析系统，都是用裂隙光源或弥散光获得晶状体的切面或平面图像，依据混浊部位反光增强，非混浊部位反光强度低，通过图像采集冻结“画面”，并对画面按反光强度进行计算机灰度分析，定量反映晶状体的混浊部位和程度。这种方法的缺陷主要有两个：一、所采集图像的分辨率低，仅可得到黑白图像，因此与裂隙灯观察结果的对应性较差；二、计算机数据的分析相对繁琐，且只能测量选定点的密度，无法直接得到平均密度。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的缺陷，提供一种晶状体密度的客观图像分析方法。本发明具备以下优点：一、只要选定分析区域，即可迅速获得该区域晶状体密度的最高值、平均值和最低值，结果客观；二、在图像获取和图像分析条件统一的前提下，可以实现各种横向和纵向比较；三、能够得到清晰度和立体感俱佳的彩色图像，与裂隙灯的观察能较好的结合。

本发明采用裂隙灯数字图像处理系统，通过图像获取和图像分析，进行以分析区域灰度为基础的晶状体密度分析。

本发明以裂隙灯数字图像处理系统(型号：DLX-60-C5，编号：0707-15)为平台，所述的裂隙灯数字图像处理系统为裂隙灯显微镜加装光学分光器和视频接口，连接摄像机以及图像处理系统主机，实现对眼科裂隙灯检查过程全程的观察及图像记录存储。

所述的裂隙灯数字图像处理系统的标准配置包括裂隙灯(2)、专用分光器及接口、800线专业3CCD彩色摄像机(1)、裂隙灯数字图像处理系统主机(4)(含医用CCD图像采集/编辑控制器、医用视频处理卡、无线多功能控制器、视频图像记录备份器)、图像采集脚踏控制开关、专用3M视频传输连接线、医用数字图像处理系统软件包(含图像采集及存储功能、图像分析测量对比处理功能、病人病历及图像的数据库管理功能和网络数字化医疗功能等)、超高分辨率LCD显示器(3)和高分辨率彩色照片打印机。

本发明晶状体的图像分析方法主要包括图像获取和图像分析两个步骤，为了使结果具有可比性，所述步骤都是在固定条件参数的情况下进行。

1、所述的图像获取步骤：其中，

获取图像的条件参数包括：

背景亮度(即黑暗环境)，裂隙宽度1-10mm，优选1-4mm，和高度1-10mm，优选6-10mm，裂隙角度0°-180°，优选30°或45°，放大倍率：目镜倍率：×10，×16；物镜倍率：×1，×1.6；优选目镜×10物镜×1的组合，及分析对象的头位，一般分析对象的头位为置于下巴托架上，面向分析者。

在分析对象已经扩瞳的情况下，一旦图像获取的条件固定，即可根据不同的分析要求，选择合适的裂隙切面，然后踩下脚踏控制开关，获取一系列合适的眼前节彩色图像。

2、图像分析

根据上述设定的图像获取条件，得到一组前房灰度接近的图像；根据所需测量精度，设定前房灰度参照范围。选择前房灰度在该设定范围内的一组图像，选择特定形态、大小和位置的分析区后，得所选区域的最高灰度、平均灰度和最低灰度的软件界面。

上述的特定形态为椭圆或矩形，一般为拟合晶状体形状，优选椭圆分析区；所述的选择大小是根据分析目的设定面积和周长进行；所述的选择位置包括前顶点距和上顶点距，前顶点距为分析区前顶点与晶状体切缘前顶点的距离；上顶点距为分析区上顶点与晶状体切缘上顶点的距离。

由于图像获取瞬间，分析对象头位的轻微变化会造成所获图像基础灰度的轻微波动，而数字图像处理系统软件是基于图像的灰度进行分析，这一波动会导致误差的产生。本发明基于眼球的前房在正常情况下是透明的情况，以前房灰度为参照明显有利于标准化的图像分析，选择前房灰度在可比范围内的图像，能消除头位改变造成的影响。

本发明采用年龄相关性白内障的晶状体图像为例，进行了年龄相关性白内障的晶状体图像分析。根据晶状体开始混浊的部位，年龄相关性白内障分为三种类型：皮质性、核性及后囊下性，尤其以前两种常见。针对单纯的年龄相关性白内障，固定条件下获取图像后，以前房灰度为参照，选择前房灰度在可比范围内的图像，选取形态、位置和大小固定的竖椭圆形分析区域，同时包含晶状体的核和皮质。图像分析结果显示，由于晶状体核的密度高于皮质，而分析结果中包含了灰度的最高、平均和最低值，因此可以用最高值的变化评估核的变化，最低值的变化评估皮质的变化，同时还能得到晶状体的平均灰度。如果年龄相关性白内障合并了其他的晶状体改变，同样可以在上述分析的基础上结合裂隙灯的观察，对图像分析结果做出合理的解释。

此外，本发明方法对于不同类型的晶状体改变，设定相应的图像获取和分析的条件参数，并结合裂隙灯观察，能进行个性化分析。如对于先天性白内障和外伤性白内障等其他类型的白内障，同样可以在固定图像获取条件和前房灰度范围后进行分析，具体方案是：用区域选择工具选择特定的病变部位分析灰度，同时再选择晶状体内正常的区域分析灰度，然后把病变区域和正常区域的灰度进行比较分析，结合裂隙灯的观察，解释分析结果。

本发明实施灵活，具有多种变换组合分析模式，并不局限于上述具体的分析方法。总之，本发明的保护范围是针对本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型等，如简单改变各种图像获取参数设定和分析模式组合等。

附图说明

图1是裂隙灯数字图像处理系统整体主要部件外观图，

其中1.CCD(电荷藕合器件图像传感器)，2.裂隙灯，3.LCD显示器，4.裂隙灯数字图像处理系统主机。

图2是图像分析界面，

其中，1：矩形分析区域选择工具，2：椭圆形分析区域选择工具，

3：伪影消除工具，4：顶点距测量工具，5：选区面积，6：选区周长，

7：平均灰度，8：最高灰度，9：最低灰度，10：上顶点距，

11：前顶点矩，12：前房区域，13：分析区域。

具体实施方式

本发明晶状体图像分析方法主要包括图像获取和图像分析两步，为了使结果具有可比性，两个步骤都在相应条件参数固定的情况下进行。

实例1正常晶状体图像分析，以正常大鼠晶状体为例.

图像获取：分析对象扩瞳后，在设定背景亮度(黑暗环境)、裂隙宽度(2mm)和高度(10mm)、裂隙角度(30°)、放大倍率(目镜×10物镜×1的组合)及分析对象头位(置于下巴托架上，面向分析者)的前提下，移动裂隙灯进行观察，选择合适的裂隙切面后使对焦清晰，踩下脚踏，依次获取一组彩色图像。

图像分析：进入数字图像处理系统软件界面，打开图像，根据软件提供的前房灰度值，选择一组前房灰度在设定范围内(55-65)的图像；分别用伪影消除工具选择伪影区域(表现为高亮白色光斑)，消除伪影图层，余下图层与周边色调一致；点击椭圆形分析区域选择工具，选择固定大小(面积10mm²，周长12mm)和位置(上顶点距＝2.5mm，前顶点距＝1.5mm)的椭圆形区域(可与正常情况下核区的大小拟合)，测量核区的灰度，软件会自动计算该区域的最高灰度、平均灰度和最低灰度；再先后在核区的上、下、前、后皮质区域选择大小、形态相同的四个分析区(即对周边皮质、前皮质和后皮质进行分析)，软件同样会自动提供这些区域的最高灰度、平均灰度和最低灰度。然后把四个方位皮质区域的灰度与核区的灰度进行比较(此时一般采用平均值)。为进一步提高准确性，可以把一组图像的分析结果取平均值。

最后根据软件分析结果结合裂隙灯观察，对晶状体核和皮质的状况分别作出解释。只要选择图像获取参数固定(这些一旦设定，一般不作改变)，前房灰度在可比范围内，以及皮质和核分析区域的形状、大小和位置分别相同的一组图像，即能进行各种横向和纵向比较，尤其适合分析年龄对正常晶状体变化的影响。

实施例2：单纯的年龄相关性白内障(以年龄相关性白内障模型大鼠为例)

图像获取：分析对象扩瞳后，在设定背景亮度(黑暗环境)、裂隙宽度(2mm)和高度(10mm)、裂隙角度(30°)、放大倍率(目镜×10物镜×1的组合)及分析对象头位(置于下巴托架上，面向分析者)的前提下，移动裂隙灯进行晶状体观察，选择合适的裂隙切面后使对焦清晰，踩下脚踏，依次获取一组彩色图像。

图像分析：进入数字图像处理系统软件界面，打开图像，根据软件提供的前房灰度值，选择一组前房灰度在设定范围内(55-65)的图像；分别用伪影消除工具选择伪影区域(表现为高亮白色光斑)，消除伪影图层，余下图层与周边色调一致；点击椭圆形分析区域选择工具，选择固定大小(面积20mm²，周长18mm)和位置(上顶点距＝1.5mm，前顶点距＝1.5mm)的竖椭圆形(包含核和皮质部分)，软件便会自动计算该区域的最高灰度、平均灰度和最低灰度；用最高灰度代表核区灰度，最低灰度代表皮质区域灰度。为进一步提高准确性，可以把一组图像的分析结果取平均值。

最后根据软件分析结果结合裂隙灯观察，对晶状体核和皮质的改变作出解释。只要选择图像获取条件参数固定(这些一旦设定，一般不作改变)，前房灰度在可比范围内，及分析区域形状、大小和位置相同的一组图像，即能进行各种横向和纵向比较。

实例3晶状体局限性混浊

图像获取：分析对象扩瞳后，在设定背景亮度为黑暗环境、裂隙宽度2mm和高度10mm、裂隙角度30°、放大倍率：目镜×10物镜×1的组合及分析对象头位置于下巴托架上，面向分析者的前提下，移动裂隙灯进行观察，选择混浊所在区域的裂隙切面后使对焦清晰，踩下脚踏，依次获取一组彩色图像。

图像分析：进入数字图像处理系统软件界面，打开图像，根据软件提供的前房灰度值，选择一组前房灰度在设定范围内(大鼠：55-65，人：15-25)的图像；分别用伪影消除工具选择伪影区域(表现为高亮白色光斑)，消除伪影图层，余下图层与周边色调一致；点击椭圆形分析区域选择工具，在局限性混浊的中央选择1/2-1/3混浊面积的分析区域，软件便会自动计算该区域的最高灰度、平均灰度和最低灰度，然后根据混浊部位位于核区还是皮质区，在与混浊部位同一区域的正常晶状体区域内进行测量，然后比较正常和异常区域的平均灰度。为进一步提高准确性，可以把一组图像的分析结果取平均值。

最后根据软件分析结果结合裂隙灯观察，对晶状体的局限性混浊作出分析，为进一步深入研究与分析提供有价值的参考数据。

Claims (8)

1、一种晶状体图像分析方法，其特征是采用裂隙灯数字图像处理系统，通过图像获取和图像分析，进行以分析区域灰度为基础的晶状体密度分析。

2、按权利要求1所述的晶状体图像分析方法，其特征是所述的裂隙灯数字图像处理系统的配置包括裂隙灯(2)、专用分光器及接口、800线专业3CCD彩色摄像机(1)、裂隙灯数字图像处理系统主机(4)、图像采集脚踏控制开关、超高分辨率LCD显示器(3)和医用数字图像处理系统软件包。

3、根据权利要求1所述的晶状体图像分析方法，其特征在于所述的图像获取条件包括：背景亮度、裂隙宽度和高度、裂隙角度、放大倍率及分析对象的头位；所述的背景亮度为黑暗环境，裂隙宽度为1-10mm，高度为1-10mm，裂隙角度为0°-180°；放大倍率其中目镜倍率为×10或×16，物镜倍率为×1或×1.6；分析对象的头位置于下巴托架上，面向分析者。

4、根据权利要求4所述的晶状体图像分析方法，其特征在于所述的裂隙宽度为1-4mm，高度为6-10mm、裂隙角度为30°或45°、放大倍率为目镜×10物镜×1。

5、根据权利要求1所述的晶状体图像分析方法，其特征在于所述的图像分析是：以前房灰度为参照，选定分析图像，其前房灰度在所述参照前房灰度可比的范围内；选择所述的选定分析图像中特定形态、大小和位置的分析区进行晶状体密度分析。

6、根据权利要求5所述的晶状体图像分析方法，其特征在于所述的选定分析图像中的特定形态为椭圆或矩形；所述的选定分析图像大小是根据分析目设定面积和周长；所述的选择位置包括前顶点距和上顶点距；所述前顶点距为分析区前顶点与晶状体切缘前顶点的距离，上顶点距为分析区上顶点与晶状体切缘上顶点的距离。

7、根据权利要求1所述的晶状体图像分析方法，其特征在于所述的晶状体图像分析中包括横向比较或纵向比较，其图像获取和分析的条件固定。

8、根据权利要求1所述的晶状体图像分析方法，其特征在于晶状体图像分析与裂隙灯观察结果相互支持。

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