CN105405105B - 针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统及方法，其包括：按键模块、ARM模块、上位机、与ARM模块和上位机的输出均相连的FPGA模块、和与FPGA模块输出相连的显示面板，其中上位机先捕获当前显示的乳腺图像，接着对图像特征进行分析，再计算优化的灰阶校正曲线，而ARM模块将灰阶校正曲线通过串行通信协议写入FPGA模块中；FPGA模块对输入图像的像素值进行两次灰阶映射，并对乳腺钼靶图像增强显示。本发明与一般的DICOM校正曲线相比，将乳腺钼靶X线图像的特征列入优化的考虑范围，能够更加突出显示可能存在病灶的部分，操作方便，且该操作不占用上位机资源，保证运行流畅。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统及方法，尤其涉及一种针对乳腺钼靶X光片自身的图像特征，利用上位机和显示器进行灰度曲线校正处理，并最终实现乳腺钼靶图像显示效果增强的显示器灰度曲线校正系统及方法。
背景技术
随着科学技术及医疗行业的不断发展，为了提高医学诊断的效率及准确率，医生对医学图像的显示效果要求越来越高，专业医用显示器的应用也越来越普及。专业医用显示器相比普通显示器一般使用DICOM曲线进行灰度校正，使得实现出的灰阶效果符合灰阶标准显示函数（GSDF），从而令人眼有能力辨识每一个灰阶变化。
但是，DICOM曲线只考虑到了人眼对灰阶变化的辨识能力，没有将待显示的图像自身特性列入考虑范围。所以对于某些特定领域的医学图像，如乳腺钼靶X光片，DICOM曲线无法做到有目的的增强显示可能存在病灶的组织部位。
本方法在DICOM曲线的基础上进行了改进，对乳腺钼靶X光图像进行了分析，针对乳腺钼靶X光图像的特征进行灰阶曲线优化，使得乳腺钼靶图像中可能存在病灶的灰阶段得到突出显示，使得潜在的病灶更容易辨识，进一步提高了医生对病灶的诊断效率及准确率。另外，该方法的灰阶曲线校正操作在显示器板载的FPGA中实时进行，不会占用上位机的资源来校正分辨率极高的乳腺钼靶图像，使得系统运行流畅。
发明内容
本发明针对专业医学显示器的现有特性及现有技术中的不足，提供一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统及方法。
为实现本发明目的，本发明提供第一技术方案：一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统，其包括：提供信号输入的按键模块、接收按键模块触发指令的ARM模块、与ARM模块双向连接的上位机、与ARM模块和上位机的输出均相连的FPGA模块、和与FPGA模块输出相连的显示面板，其中上位机先捕获当前显示的乳腺图像，接着对图像特征进行分析，再计算优化的灰阶校正曲线，而ARM模块将灰阶校正曲线通过串行通信协议写入FPGA模块中；FPGA模块根据接收到的灰阶校正曲线和传统DICOM曲线，对输入图像的像素值进行两次灰阶映射，并对乳腺钼靶图像增强显示，其中串行通信协议优选为SPI或I2C协议。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
所述上位机对图像特征进行分析的过程中忽略“乳腺钼靶图像中皮肤与背景的过渡带的低灰阶像素点”和“亮度最大的一定百分比的像素点”两部分低效用信息，并进行灰阶拉伸操作。
所述上位机根据乳腺的类型不同分别设计两种优化方案，且在灰阶变换校正过程中，分别增强显示图像中高灰阶的腺体组织和低灰阶的纤维小梁组织。
所述上位机通过插入特征点的方法对灰阶校正曲线进行定位，随后对特征点分段插值的方法来获取整条曲线，其中由上位机执行的分段插值算法同时使用了线性插值和三阶厄尔米特插值两种算法。
所述 FPGA模块具有两个以上的查找表，并进行两次灰阶映射对目标图像灰阶进行灰阶校正，分别使用上位机分段插值算法得到的曲线以及DICOM曲线。
本发明提供第二技术方案：一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正方法，其包括：
S1：当ARM模块检测到按键模块的触发指令，则发送触发指令给上位机；
S2：接着上位机接受到触发指令后，捕获当前显示的乳腺图像，对图像特征进行分析，计算优化的灰阶校正曲线，将其传输给ARM模块；
S3：ARM模块将校正曲线通过相关协议写入FPGA模块中；
S4：FPGA模块根据接收到的优化曲线和传统DICOM曲线，对输入图像的像素值进行两次灰阶映射，再输出校正后的像素灰度值到显示面板至结束。
其中所述步骤S2中图像中的对诊断无关和相关性较小的灰阶像素点进行忽略。
其中所述步骤S2中针对乳腺的特点，对曲线的采用了不同的优化方案：对于脂肪型的乳腺，设计的曲线优化弱化高灰阶部分的显示效果，且增强低灰阶部分的纹理特征；而对于腺体多量型的致密乳腺弱化低灰阶部分的显示效果，且增强高灰阶部分的腺体层次。
所述步骤2中上位机将捕获当前的乳腺钼靶X光图像，并对基于目标图像的灰阶直方图进行特征分析，记为
代表显示器的灰阶输出位数，Z代表正整数集合，通过分析将输出2个特征点：和，为满足的最大正整数，定义为的最小的极小值；为满足的最大正整数，定义为画面总像素点的0.002%；
然后上位机根据和的坐标计算、和的坐标，、和来自于对大量乳腺钼靶图像灰阶曲线的统计数据，包含了乳腺图像共性的特征。
本方案的曲线计算主要进行两方面的优化和校正：
其一是针对不同的拍摄条件引起的图像个性差异进行补偿，根据图像的直方图分布情况，通过灰阶拉伸的方式使得目标图像的灰阶分布能够充分的利用显示器能够的全部灰阶值。在不影响观察效果的前提下，还把图像中的对诊断无关和相关性较小的灰阶像素点进行了忽略：把乳腺皮肤与背景的过渡带部分的像素点忽略；对图像亮度最大的0.002%的像素点进行了忽略。这项处理主要是忽略了一部分乳腺图像中的低效用信息，增加兴趣区可以使用的灰阶范围。
其二是针对乳腺的特点（Bi-RADS规定的乳腺形态），对曲线的采用了不同的优化方案。对于脂肪型的乳腺（Bi-RADS中的A/B型），设计的曲线优化方案弱化了高灰阶部分的显示效果，而注重增强低灰阶部分的纹理特征。对于腺体多量型的致密乳腺（Bi-RADS中的C/D型），设计的曲线优化方案则弱化了低灰阶部分的显示效果，更加强调高灰阶部分的腺体层次，帮助医生更加容易发现可能存在的被致密腺体组织掩盖的肿块、结节。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）与一般的DICOM校正曲线相比，将乳腺钼靶X线图像的特征列入优化的考虑范围，能够更加突出显示可能存在病灶的部分。
2）曲线优化的过程中不仅考虑到了乳腺钼靶图像共有的统计特征，也对拍摄条件差异引起的图片个性差异进行了补偿。
3）内置两种优化后的曲线，分别适合Bi-RADS中规定的A/B类型乳腺(腺体较少、脂肪多)和C/D类型乳腺（腺体多量、致密）。
4）通过显示器的按键切换普通DICOM曲线和本方法提供的乳腺优化曲线，操作方便。
5）采用显示器板载的FPGA进行灰阶映射操作，该操作不占用上位机资源，保证运行流畅。
附图说明
图1为本发明的硬件框架图。
图2为本发明的工作流程图。
图3为本发明的实现效果图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统的具体实施例，其包括提供信号输入的按键模块、接收按键模块触发指令的ARM模块、与ARM模块双向连接的上位机、与ARM模块和上位机的输出均相连的FPGA模块、和与FPGA模块输出相连的显示面板，其中上位机先捕获当前显示的乳腺图像，接着对图像特征进行分析，再计算优化的灰阶校正曲线，而ARM模块将灰阶校正曲线通过串行通信协议写入FPGA模块中；FPGA模块根据接收到的灰阶校正曲线和传统DICOM曲线，对输入图像的像素值进行两次灰阶映射，并对乳腺钼靶图像增强显示，其中串行通信协议优选为SPI或I2C协议。
本发明还提供第二技术方案：一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正方法，其包括：
S1：当ARM模块检测到按键模块的触发指令，则发送触发指令给上位机；
S2：接着上位机接受到触发指令后，捕获当前显示的乳腺图像，对图像特征进行分析，计算优化的灰阶校正曲线，将其传输给ARM模块；
S3：ARM模块将校正曲线通过相关协议写入FPGA模块中；
S4：FPGA模块根据接收到的优化曲线和传统DICOM曲线，对输入图像的像素值进行两次灰阶映射，再输出校正后的像素灰度值到显示面板至结束。
由此当显示器的ARM模块检测按键模块的操作。若检测到曲线校正的触发操作以后，ARM模块向上位机发出触发指令。上位机将捕获当前的乳腺钼靶X光图像，并对其进行特征分析，分析主要基于目标图像的灰阶直方图，记为
代表显示器的灰阶输出位数，Z代表正整数集合。通过分析将输出2个特征点：和，这两个参数点主要用于补偿由于拍摄条件差异引起的图像个性差异，其中
为满足的最大正整数，代表皮肤组织与乳腺组织的分界点。定义为的最小的一个极小值，实际上表示的是皮肤组织的大致灰阶数值；表示的是区分皮肤组织和其他部分组织的阈值系数，经过对大量乳腺图片的重复性试验，结果发现取值为2时分割效果较好，该取值为经验数值；
为满足的最大正整数，代表画面中灰度最大的一部分像素点的分界点，定义为画面总像素点数目的百分比，经过对大量乳腺图片的重复性试验，结果发现取值为0.002%时优化效果较为良好，该取值为经验数值；
最后上位机根据和的坐标计算、和的坐标，、和来自于对大量乳腺钼靶图像灰阶曲线的统计数据，包含了乳腺图像共性的特征。
由于本发明包含两种增强方案，两种方案共用、的坐标，但是、和的坐标存在差异。
方案一（适合Bi-RADS中规定的A/B类型乳腺）：
方案二（适合Bi-RADS中规定的C/D类型乳腺）：
最后在再增加2个固定的特征点：和。这样就一共获取了曲线上的7个特征点。通过插值算法可以得到完整的灰阶调整曲线，插值运算仅仅在的定义域中进行。插值算法分段进行，在和以及和之间使用线性插值，在其他的特征点之间使用分段三阶厄尔米特插值算法。
计算得到曲线通过ARM模块传输到FPGA模块中，FPGA模块中通过两个查找表（FUT）进行两次灰阶映射操作，第一次根据进行灰阶映射，第二次根据DICOM标准规定GSDF函数曲线进行灰阶映射，最后用映射得到数值来驱动液晶面板，完成图像的显示。
本发明在DICOM曲线的基础上进行了改进，增加了对乳腺图像本身特征的考虑，使得乳腺钼靶图像中可能存在病灶的灰阶段得到突出显示，使得潜在的病灶更容易辨识。曲线的调整主要针对两个方面，其一是补偿了由于拍摄条件不同引起的图像差异性；其二是乳腺钼靶X光图像中可能存在病灶的组织灰阶分布，并且针对不同乳腺类型设计了2种优化方案供选择。本发明具有以下优点： 1、与一般的DICOM校正曲线相比，将乳腺钼靶X线图像的特征列入优化的考虑范围，能够更加突出显示可能存在病灶的部分。2、曲线优化的过程中不仅考虑到了乳腺钼靶图像共有的统计特征，也对拍摄条件差异引起的图片个性差异进行了补偿。3、内置两种优化后的曲线，分别适合Bi-RADS中规定的A/B类型乳腺(腺体较少、脂肪多)和C/D类型乳腺（腺体多量、致密）。4、通过显示器的按键切换普通DICOM曲线，本方法提供的乳腺优化曲线，操作方便。5、采用显示器板载的FPGA进行灰阶映射操作，该操作不占用上位机资源，保证运行流畅。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内 。
Claims (8)
1.一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正系统，其特征在于其包括：提供信号输入的按键模块、接收按键模块触发指令的ARM模块、与ARM模块双向连接的上位机、与ARM模块和上位机的输出均相连的FPGA模块、和与FPGA模块输出相连的显示面板，其中上位机先捕获当前显示的乳腺钼靶图像，接着对乳腺钼靶图像特征进行分析，最后计算优化的灰阶校正曲线，而ARM模块将优化的灰阶校正曲线通过串行通信协议写入FPGA模块中；FPGA模块根据接收到优化的灰阶校正曲线和传统DICOM曲线，对输入乳腺钼靶图像的像素值进行两次灰阶映射，并对乳腺钼靶图像增强显示，其中所述FPGA模块具有两个以上的查找表，并进行两次灰阶映射对乳腺钼靶目标图像灰阶进行灰阶校正，分别使用上位机分段插值算法得到的优化的灰阶校正曲线以及传统DICOM曲线。
2.根据权利要求1所述的显示器灰度曲线校正系统，其特征在于，所述上位机对乳腺钼靶图像特征进行分析的过程中忽略“乳腺钼靶图像中皮肤与背景的过渡带的低灰阶像素点”和“亮度最大的一定百分比的像素点”两部分信息，再进行灰阶拉伸操作。
3.根据权利要求2所述的显示器灰度曲线校正系统，其特征在于，所述上位机根据乳腺的类型不同分别设计，且在优化灰阶校正过程中，分别增强显示图像中高灰阶的腺体组织和低灰阶的纤维小梁组织。
4.根据权利要求2所述的显示器灰度曲线校正系统，其特征在于，所述上位机通过插入特征点的方法对优化的灰阶校正曲线进行定位，随后由上位机对特征点分段插值的方法来获取整条优化的灰阶校正曲线，其中分段插值算法同时使用了线性插值和三阶厄尔米特插值两种算法。
5.一种针对乳腺钼靶图像的显示器灰度曲线校正方法，其特征在于其包括：
S1：当ARM模块检测到按键模块的触发指令，则发送触发指令给上位机；
S2：接着上位机接受到触发指令后，先捕获当前显示的乳腺钼靶图像，再对乳腺钼靶图像特征进行分析，接着计算优化的灰阶校正曲线，最后将其传输给ARM模块；
S3：ARM模块将优化的灰阶校正曲线通过相关协议写入FPGA模块中；
S4：FPGA模块根据接收到的优化的灰阶校正曲线和传统DICOM曲线，对输入乳腺钼靶图像的像素值进行两次灰阶映射，再输出校正后的像素灰度值到显示面板至结束，其中所述FPGA模块具有两个以上的查找表，并进行两次灰阶 映射对乳腺钼靶目标图像灰阶进行灰阶校正，分别使用上位机分段插值算法得到的优化的灰阶校正曲线以及传统DICOM曲线。
6.根据权利要求5所述的显示器灰度曲线校正方法，其特征在于，所述步骤S2中乳腺钼靶图像中的对“乳腺钼靶图像中皮肤与背景的过渡带的低灰阶像素点”和“亮度最大的一定百分比的像素点”进行忽略。
7.根据权利要求5所述的显示器灰度曲线校正方法，其特征在于，所述步骤S2中针对乳腺的特点，对曲线的采用了不同的优化方案：对于脂肪型的乳腺，设计的曲线优化弱化高灰阶部分的显示效果，且增强低灰阶部分的纹理特征；而对于腺体多量型的致密乳腺弱化低灰阶部分的显示效果，且增强高灰阶部分的腺体层次。
8.根据权利要求5所述的显示器灰度曲线校正方法，其特征在于，所述步骤2中上位机将捕获当前的乳腺钼靶图像，并对基于乳腺钼靶目标图像的灰阶直方图进行特征分析，记为
y＝f(x)，(0≤x≤2b-1，x∈Z)
b代表显示器的灰阶输出位数，Z代表正整数集合，通过分析将输出2个特征点：P0(x0，0）和P1(x1，2b-1)，x0为满足f(x1)＜2·T1的最大正整数，T1定义为y的最小的极小值；
x1为满足的最小正整数，T2定义为画面总像素点的0.002％；
然后上位机根据P0和P1的坐标计算P2、P3和P4的坐标，P2、P3和P4来自于对乳腺钼靶图像灰阶曲线的统计数据，包含乳腺图像共性的特征。
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