CN109949254B - 穿刺针超声图像增强方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿刺针超声图像增强方法及装置，其中方法包括：获取超声图像；超声图像包括刺入人体的穿刺针；通过与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对超声图像进行滤波处理，得到增强后的超声图像。本发明提供的穿刺针超声图像增强方法及装置，针对穿刺针在超声图像中的特征变化具有一定方向的特点，利用滤波器的滤波角度与图像的特征变化特征的方向敏感的特性，提高了穿刺针在超声图像中的成像清晰程度。

Description

穿刺针超声图像增强方法及装置

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术，尤其涉及一种穿刺针超声图像增强方法及装置。

背景技术

使用计算机对医学影像设备采集到的医学影像进行处理称为医学影像处理技术，它可以辅助对患者医生进行更完善、更准确的诊断和治疗，被广泛应用于医生观察不可直接可见的患者病灶或者身体结构。例如：医生在使用穿刺针对患者的病灶进行穿刺器官、组织取样或者注射药物时，为了使穿刺针准确无误地到达患者的病灶处，需要借助超声穿刺成像技术，以对穿刺针插入患者身体的病灶及其周围的位置进行观察，从而达到辅助医生操作穿刺针的目的。

现有技术中，超声穿刺成像技术基于现有的超声成像基础上，由于人体组织和穿刺针对超声波的反射特性不同的原理，穿刺针和人体组织分别所反射的超声波的强度也不同。则可以向穿刺针插入患者的病灶及其位置周围发射超声波，并在通过探头接收超声波的反射波后，由计算机进行处理生成包含人体组织和穿刺针的超声图像，供医生确定插入患者身体的穿刺针的位置。

但是，采用现有技术，在所获取的包括穿刺针的超声图像中，穿刺针的成像清晰度较差。而如何提高穿刺针在超声图像的成像清晰程度，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种穿刺针超声图像增强方法及装置，能够提高穿刺针在超声图像中的成像清晰程度。

本发明第一方面提供一种穿刺针超声图像增强方法，包括：

获取超声图像；所述超声图像包括刺入人体的穿刺针；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像，包括：

通过多个滤波角度分别对所述超声图像进行滤波处理，得到与所述多个滤波角度一一对应的多个滤波特征；

将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第一方面一实施例中，所述将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像，包括：

将所述多个滤波特征中，符合预设条件的滤波特征相加，得到所述超声图像的加权滤波特征。

在本发明第一方面一实施例中，所述预设条件包括：

所述滤波特征大于第一阈值；或者，所述滤波特征对应的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度之差小于第二阈值。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像，包括：确定所述穿刺针刺入人体的角度；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度相同的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，包括：

通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，其中，所述Gabor滤波器的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度对应。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，包括：

通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重；

通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新；

将对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新后的超声图像作为所述超声图像的滤波特征。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重，包括：

所述Gabor滤波器通过公式

计算每个像素点的加权权重；其中，coh(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的梯度变化大小，通过公式

计算；λ1为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值，λ2为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值；α_low为加权低阈值，α_high为加权高阈值，thresh_low为像素判断低阈值，thresh_hign为像素判断高阈值；

所述通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新，包括：

所述Gabor滤波器通过公式

对应像素点的灰度值进行加权更新；其中，k(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的加权权重；λ为Gabor滤波器的滤波尺度；θ为Gabor滤波器的滤波角度；ψ为调谐函数的相位偏移；γ为Gabor滤波器的形状；σ为Gabor滤波器的带宽。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像之后，还包括：对所述增强后的超声图像进行二值化处理得到二值化图；

将所述二值化图进行形态学操作得到中间图像；

将所述中间图像进行霍夫Hough变换后得到的图像作为处理后的所述超声图像。

在本发明第一方面一实施例中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像之后，还包括：通过所述处理后的超声图像进行拉普拉斯Laplace边缘检测得到所述处理后的超声图像中包括所述穿刺针的目标区域；

对所述目标区域通过同步加权方式进行增强得到增强后的目标区域；

将所述增强后的目标区域与所述目标区域周围的部分进行加权融合得到的超声图像作为处理后的超声图像。

本发明第二方面提供一种穿刺针超声图像增强装置，包括：

获取模块，获取超声图像，所述超声图像包括刺入人体的穿刺针；

滤波模块，用于通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第二方面一实施例中，所述滤波模块具体用于，

通过多个滤波角度分别对所述超声图像进行滤波处理，得到与所述多个滤波角度一一对应的多个滤波特征；

将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第二方面一实施例中，所述滤波模块具体用于，

将所述多个滤波特征中，符合预设条件的滤波特征相加，得到所述超声图像的加权滤波特征。

在本发明第二方面一实施例中，所述预设条件包括：所述滤波特征大于第一阈值；或者，所述滤波特征对应的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度之差小于第二阈值。

在本发明第二方面一实施例中，所述滤波模块具体用于，确定所述穿刺针刺入人体的角度；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度相同的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

在本发明第二方面一实施例中，所述滤波模块具体用于，通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，其中，所述Gabor滤波器的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度对应。

在本发明第二方面一实施例中，所述滤波模块具体用于，通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重；

通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新；

将对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新后的超声图像作为所述超声图像的滤波特征。

所述滤波模块具体用于，

通过公式

计算每个像素点的加权权重；其中，coh(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的梯度变化大小，通过公式

计算；λ1为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值，λ2为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值；α_low为加权低阈值，α_high为加权高阈值，thresh_low为像素判断低阈值，thresh_hign为像素判断高阈值；

通过公式

对应像素点的灰度值进行加权更新；其中，k(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的加权权重；λ为Gabor滤波器的滤波尺度；θ为Gabor滤波器的滤波角度；ψ为调谐函数的相位偏移；γ：为Gabor滤波器的形状；σ为Gabor滤波器的带宽。

在本发明第二方面一实施例中，还包括：处理模块，用于，

对所述增强后的超声图像进行二值化处理得到二值化图；

将所述二值化图进行形态学操作得到中间图像；

将所述中间图像进行霍夫Hough变换后得到的图像作为处理后的所述超声图像。

在本发明第二方面一实施例中，所述处理模块还用于，

通过所述处理后的超声图像进行拉普拉斯Laplace边缘检测得到所述处理后的超声图像中包括所述穿刺针的目标区域；

对所述目标区域通过同步加权方式进行增强得到增强后的目标区域；

将所述增强后的目标区域与所述目标区域周围的部分进行加权融合得到的超声图像作为处理后的超声图像。

本发明第三方面提供一种电子设备，包括：处理器，存储器以及计算机程序；其中，所述计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行如本发明第一方面所述的方法的指令。

本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序使得服务器执行如本发明第一方面所述的方法。

综上，本发明提供一种穿刺针超声图像增强方法及装置，其中方法包括：获取超声图像；超声图像包括刺入人体的穿刺针；通过与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对超声图像进行滤波处理，得到增强后的超声图像。本发明提供的穿刺针超声图像增强方法及装置，针对穿刺针在超声图像中的特征变化具有一定方向的特点，利用滤波器的滤波角度与图像的特征变化特征的方向敏感的特性，通过与穿刺针刺入人体角度对应的滤波角度对包含穿刺针的超声图像进行滤波处理，以对超声图像中的穿刺针进行增强，从而提高了穿刺针在超声图像中的成像清晰程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的超声图像一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的增强前的实测超声图像一实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的Gabor滤波器的滤波角度示意图；

图5为本发明提供的增强后的实测超声图像一实施例的结构示意图；

图6为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图；

图7为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图；

图8为本发明提供的处理后的实测超声图像的结构示意图；

图9为本发明提供的超声图像更新效果示意图；

图10为本发明提供的穿刺针超声图像增强装置一实施例的结构示意图；

图11为本发明提供的穿刺针超声图像增强装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图。如图1所示，本实施例提供的穿刺针超声图像增强方法包括：

S101：获取超声图像，其中，超声图像包括刺入人体的穿刺针。

具体地，本实施例的执行主体可以是任何具有相关数据处理功能的电子设备，例如：手机、平板电脑、笔记本电脑或服务器等。或者，本实施例的执行主体还可以是电子设备中的芯片，例如：CPU或者GPU等。又或者，本实施例的执行主体可以是医疗领域的超声成像装置。在本发明后续实施例中，以电子设备为例进行说明，而非对其进行的限定。

则当需要对超声图像进行增强时，作为本实施例执行主体的电子设备首先获取包括刺入人体的穿刺针的待增强的超声图像，针对现有的超声图像中穿刺针成像不够清晰的问题，对超声图像中的穿刺针进行增强。

例如，图2为本发明提供的超声图像一实施例的结构示意图，在如图2所示的超声图像1中，其应用场景可以是医护人员使用穿刺针对患者的病灶进行穿刺器官、组织取样或者注射药物，穿刺针11刺入人体的部分对于操作穿刺针的医护人员并不可见。因此为了使医护人员操作穿刺针11准确无误地到达患者的病灶12处，医护人员需要借助超声成像技术对穿刺针11刺入人体的过程进行观察与监测。

可选地，本实施例如图2示例中所示的超声图像1可以通过超声成像相关技术或通过超声仪器得到，例如超声仪器可以向穿刺针11插入人体到达病灶12的路径发射超声波，并通过超声探头采集该路径上穿刺针11、病灶12以及路径上的人体组织对超声波的反射，最终根据穿刺针11到达病灶12的路径上不同目标的超声波反射特性得到包括穿刺针的超声图像1，该超声图像1可以通过显示装置实时展示给医护人员，用于观察穿刺针的位置。需要说明的是，本实施例对超声图像1具体的获取方法、超声图像1的种类，超声探头的型号以及获取超声图像时使用的超声波的类型不作具体限定。并且可以理解的是，本实施例也可用作实时超声成像装置中，对连续的超声视频图像中每一帧图像作为本实施例所述的超声图像1进行后续的处理。

图3为本发明提供的增强前的实测超声图像一实施例的结构示意图。如图3所示的超声图像是在如图2所示的超声图像示意图的基础上，采集的实测超声图像。该超声图像包括穿刺针11和病灶12，从图3中可以看出，如果直接使用采集得到的超声图像，超声图像虽然能够为穿刺针11和病灶12提供一定的影像依据，但是穿刺针11的边界并不太清楚。其中，由于穿刺针11的表面通常非常光滑，会对所接收到的超声波产生镜面反射，因此穿刺针11插入人体时倾斜角度越大，探头能够接收到来自穿刺针所反射的超声波越弱。从而会导致穿刺针在插入人体的倾斜角度较大时，来自穿刺针所反射的超声波进行处理后所生成的超声图像中，对穿刺针的成像不够清晰。因此，本实施例中需要对S101中所获取的超声图像根据后续的S102和S103步骤进行进一步处理，以使对超声图像中包括的穿刺针进行增强，从而使得穿刺针在超声图像中的显示更加清晰。

可选地，本实施例S101中所获取的超声图像为大偏角超声波得到的超声图像。在超声成像技术领域，将向人体发出的超声波的角度分为正常角度(小角度)例如：0°，-5°，+5°；以及大角度例如：-30°或-45°。其中，当大角度超声波的发射方向垂直于穿刺针刺入人体的角度时，该大角度超声波所得到超声图像中穿刺针的部分较为清楚。因此，本实施例中，通过S101中获取通过大角度超声波得到的超声图像，并进行后续的进一步处理。

可选地，在本实施例S101中，若所获取超声图像坐标系不是0°坐标系，则还可以进一步对超声图像进行坐标系转换，将所述超声图像转换为0°坐标系后，在0°坐标系下对超声图像进行后续处理。

S102：通过与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对超声图像进行滤波处理，得到增强后的超声图像。

具体地，本实施例提供的超声图像增强方法中，通过S102对S101所获取的超声图像通过与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度进行滤波处理时，穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度可以是一个或多个。可选地，当滤波角度为一个时，本实施例中可以通过一个滤波器以该滤波角度对超声图像进行滤波处理；而当滤波角度为多个时，本实施例中可以通过一个滤波器以多个滤波角度，或者，通过多个滤波器以对应的多个滤波角度分别对超声图像进行滤波处理。

可选地，本实施例所提供的滤波器为可以设置滤波角度的滤波器。在一种可能的实现方式中，本实施例所述的滤波器可以是Gabor滤波器，后续实施例中以Gabor滤波器作为示例性的说明，而非对其进行限定。其中，Gabor滤波器基于图像处理技术中的傅里叶(Fourier)变换，在通过Fourier变换提取图像局部信息时引入窗口函数而得到。Gabor滤波器与人类视觉系统中简单细胞的视觉刺激响应非常相似，并且对于图像中的边缘变化比较敏感，其滤波角度与图像中边缘的梯度变化特征的方向强相关，能够提供良好的方向选择和尺度选择性，因此Gabor滤波器在提取目标的空间和频率信息的局部变化方面具有良好的分析特性。

例如对图像进行滤波的二维Gabor滤波器为一个正弦平面波和高斯核函数的乘积，通过公式1表示为：

其中，

λ为Gabor滤波器的滤波尺度；θ为Gabor滤波器的滤波角度；ψ为调谐函数的相位偏移；γ为Gabor滤波器的形状σ为带宽。对于Gabor滤波器的原理以及具体实现方式未示出之处可参照现有技术，不再赘述。

则图4为本发明提供的Gabor滤波器的滤波角度示意图，如图4示出了不同滤波角度的Gabor滤波器中核函数的效果图。其中，分别示出了Gabor滤波器的滤波角度分别取∠1＝20°、∠2＝45°和∠3＝60°时三种不同核函数的效果图。根据Gabor滤波器对图像特征变化方向相关的特性，假设图4中三种滤波角度分别对如图2所示的超声图像1进行滤波处理，而在如图2所示的超声图像1中，穿刺针11以∠α＝45°的角度插入人体中，则由于穿刺针的反射特性和人体组织反射特性不同，在图2中出现超声图像特征变化较大的方向就是∠α的方向，在该方向上，穿刺针和周围的人体组织的图像特征呈现突变的特性。因此，如图4所示的三个滤波角度对如图2所示的超声图像进行滤波处理时，滤波角度为∠2＝45°的的滤波角度与图2中穿刺针刺入人体的方向相同，则使用该滤波角度对超声图像进行滤波后得到的滤波特征中能够包含最多的穿刺针的特征。而其他滤波角度由于与穿刺针刺入人体的角度不同，对超声图像进行滤波后所得到的滤波特征中穿刺针的特征并不明显，并且滤波角度与穿刺针刺入人体的角度相差越大，得到的滤波特征中穿刺针的特征更不明显。

因此，为了更加有效地利用Gabor滤波器的滤波角度特性对以一定角度穿刺针刺入人体的穿刺针的超声图像进行增强，需要使用与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对超声图像进行处理。下面对穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度是一个和多个时，具体的实现方式进行说明。

则在S102一种可能的实现方式中，所述的穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度是一个，为了便于说明，本实施例将该滤波角度记为第一滤波角度。则根据前述原理，在S102中使用滤波角度与穿刺针刺入人体的角度相同的滤波角度对超声图像进行滤波，以得到包含最多穿刺针特征的滤波特征。具体地，在S102之前，还需要确定第一滤波角度，其中，第一滤波角度与穿刺针刺入人体的角度相同。例如，可以根据S101中所获取的超声图像，以图像识别技术确定其中包括的穿刺针刺入人体的角度∠α＝45°后，将Gabor滤波器的滤波角度设置为45°后通过该Gabor滤波器对超声图像进行滤波处理。具体的设置Gabor滤波器的滤波角度方式可以通过调整上述公式1中的参数θ来实现。随后，当确定了滤波角度与穿刺针刺入人体的角度相同的第一滤波角度，就可以通过第一滤波角度对超声图像进行滤波处理后得到超声图像的滤波特征。或者，由于医护人员会以一定的角度将穿刺针刺入人体，因此，本实施例所述的方法应用于医疗仪器时，可以根据医护人员向医疗仪器输入的数据确认穿刺针刺入人体的角度。

而在S102另一种可能的实现方式中，所述的穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度是多个，为了便于说明，记为N个滤波角度，N≥2。即，在S102中可以使用N个不同滤波角度分别对超声图像进行滤波处理。例如，医护人员可以对穿刺针刺入人体的角度进行估算后，确定其角度大概为45°后输入医疗仪器。则本实施例所述的方法的执行主体可以获取并根据医疗仪器中医护人员估算的角度，在45°上下按照一定的规律设置每间隔5°的滤波角度，形成40°、45°、50°共3个滤波角度。并分别使用3个滤波角度中每个滤波角度对超声图像进行滤波处理，得到3个不同的滤波特征。从而能够使用这些滤波特征中与穿刺针刺入人体角度最为接近的滤波器，能够得到包含穿刺针特征最多的超声图像的滤波特征。

随后，需要对所得到的滤波特征进行加权处理，得到超声图像的加权滤波特征后，根据加权滤波特征对超声图像的穿刺针进行增强。具体地，由于与超声图像中穿刺针刺入人体角度更为接近的滤波器所得到的滤波特征包括更多穿刺针的特征，因此，S103中可以将N个滤波角度分别对超声图像进行滤波得到的N个滤波特征进行加权。而加权的过程中可以对滤波特征进行判断，将满足预设条件的滤波特征进行相加的加权处理。

例如，假设超声图像由M*M个像素点组成，每个像素点的灰度值构成了该超声图像的矩阵。二维Gabor滤波器对该超声图像进行滤波后得到的滤波特征也为M*M的矩阵，则S103中可以将S102中N个滤波角度滤波后得到的N个M*M的矩阵通过相加的方式进行加权，将加权后的M*M矩阵作为更新后的超声图像。或者，S103中可以设置预设的条件，对N个M*M矩阵进行筛选，例如设置一个像素的灰度阈值，对N个矩阵进行遍历，将N个矩阵中超过该灰度阈值的像素点按照对应的位置相加后得到的M*M矩阵作为加权滤波特征，最终将加权滤波特征作为增强后的超声图像。

又或者，若S102中医护人员并不能对穿刺针刺入人体的角度进行估算，则可以例如可以按照一定的规律每间隔5°设置一个滤波角度，形成5°，10°，15°……170°，175°，180°共36个滤波角度。并分别使用36个滤波角度中每个滤波角度对超声图像进行滤波处理，得到36个不同的滤波特征后，由本实施例执行主体的电子设备对穿刺针刺入人体的角度进行识别后，选择与角度更为近似的滤波角度对应的滤波特征进行加权。例如，若识别出穿刺针的刺入人体的角度为43度，则可以将滤波角度为40°和45°的滤波特征进行相加的加权处理。

综上，本实施例提供的穿刺针超声图像增强方法，通过利用滤波器的滤波角度与图像的梯度变化特征的方向敏感的特性，通过不同滤波方向对超声图像进行滤波处理后，以对超声图像中的穿刺针进行增强。而由于滤波角度越接近超声图像中包括穿刺针刺入人体的角度，进行滤波后得到的滤波特征越能够清楚地表示超声图像中穿刺针的特征。因此本实施例能够更加清晰且全面地对包括穿刺针的超声图像中的穿刺针进行更新，从而提高了穿刺针在超声图像中的成像清晰程度。

进一步地，在上述各实施例的基础上，本申请提供的穿刺针超声图像更新方法中，通过不同的滤波角度对超声图像进行滤波处理时，可以通过Gabor滤波器以不同的滤波角度对超声图像进行滤波处理。而实施例还通过基于现有的Gabor滤波器进行更新，使用一种基于超声图像的梯度方向信息加权的Gabor滤波器对超声图像进行滤波，该Gabor滤波器更加适用于对包括穿刺针的超声图像进行图像中穿刺针的增强处理。下面结合公式对本实施例提供的更新后的Gabor滤波器进行介绍。

具体地，本实施例提供的Gabor滤波器在现有的Gabor滤波器中公式1的基础上，其中，针对包含穿刺针的超声图像中，穿刺针所在的区域像素的灰度值变化较大，本实施例中的Gabor滤波器通过如下步骤对图像进行滤波处理：

1、Gabor滤波器根据超声图像每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定具体的像素点(x,y)的加权权重。具体通过公式3计算：

其中，核函数coh(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的梯度变化大小，通过公式4计算：

λ1为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值，λ2为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值。

具体地，对于超声图像中每一个像素点(x,y)，需要首先计算结构张量，用以表示超声图像的方向信息与边缘信息，例如，结构张量可以通过公式5计算：

其中，Ix²＝Ix×Ix，Iy²＝Iy×Iy，Ixy＝Ix×Iy，Ix为像素点(x,y)的灰度值在x方向的一阶导数，Iy为像素点(x,y)的灰度值在y方向的一阶导数。

随后，计公式5中矩阵的Ix²＝a，右上角的Ixy＝b，左下角的Ixy＝c，Iy²＝d。则本实施例引入的根据结构张量计算的像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值通过如下公式计算：

根据结构张量计算的像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值通过如下公式7计算：

则根据公式5-7计算出超声图像中每个像素点的特征值λ1和λ2后，代入公式4中进行梯度变化大小的判定。其中，如公式4所示，若超声图像中的像素点的特征值λ1＝λ2＝0，则说明该像素点的梯度与垂直梯度方向的灰度值无变化，认为在该像素点所在的窗口区域内不存在梯度变化而不存在穿刺针，梯度变化大小coh(x,y)为0；若超声图像的像素点的特征值是在λ1＝λ2＝0的情况之外的取值，则说明该像素点的梯度与垂直梯度方向的灰度值存在变化，则认为该像素点所在的窗口区域内存在明显的梯度变化而是潜在的穿刺针区域，如公式4所示，梯度变化大小可以具体通过公式8计算：

随后，将根据公式4计算出的核函数coh(x,y)代入公式3中，根据梯度变化大小与对于需要加权的核函数，需要对该像素点的灰度值进行加权放大，并根据核函数确定加权权重k(x,y)。其中，加权权重需要根据核函数的大小进行确定，加权权重与核函数是一个线性的对应关系。α_low为加权低阈值，α_high为加权高阈值，thresh_low为像素判断低阈值，thresh_hign为像素判断高阈值；α_low，α_high，thresh_low，thresh_high可以取任意整数且能够根据实际测试的核函数范围的大小进行调整，且需要满足α_low＜α_high且thresh_low＜thresh_high即可，本申请强调根据梯度变化大小确定穿刺针的像素点需要增强，而对其具体增强的取值本申请并不进行限定，只需将像素点的像素值进行加权即可得到增强效果，从而在超声图像中存在穿刺针的像素点进行加权放大，使得穿刺针区域能够得到增强。

2、Gabor滤波器根据每个像素点的加权权重对超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新。

随后，在步骤2中，Gabor滤波器采用步骤1中所确定的加权权重k(x,y)代入公式9中得到用于对图像进行滤波的新的二维Gabor滤波器：

其中，在现有的如公式3所示的Gabor滤波器的滤波函数包括的正弦平面波和高斯核函数的乘积的基础上，加入了与加权权重k(x,y)的乘积，而新的Gabor滤波器的滤波函数由于将超声图像局部区域的梯度变化考虑在内，根据超声图像局部的梯度变化确定加权比例，当局部区域出现与穿刺针相同方向较大的梯度变化时，加权比例增大；当没有变化或变化较小时，加权比例减小。因此，本实施例提供的新的Gabor滤波器不但保留了现有的具有良好的时频局部化特性，还具有了更加优良的空间局部性和方向选择性，能够抓住图像局部区域内多个方向的空间频率(尺度)和局部性结构特征进行某一方向的重点突出。从而可以进一步增大穿刺针方向的灰度值，减弱压低其余方向的灰度值比例，使包含穿刺针的超声图像中的穿刺针部分能够在Gabor滤波器的滤波处理后灰度值更强，进而使得超声图片中的穿刺针能够显示的更加清晰。

例如，图5为本发明提供的增强后的实测超声图像一实施例的结构示意图，如图5示出了图3中的实测超声图像经过上述实施例中通过与穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度进行滤波处理后得到的增强后的超声图像。从图5中可以看出，经过增强处理的超声图像中，穿刺针以及病灶的区域均得到了一定的增强，其灰度值更大从而表现信号强度更大，超声图像中穿刺针更加明显，并且穿刺针的边界更加清晰可见。

进一步地，在上述各实施例的基础上，在对超声图像进行增强处理时，除了设置Gabor滤波器的滤波角度，还可以对Gabor滤波器的滤波尺度进行调整，以对超声图像中的穿刺针部分进行更全面的滤波处理。则具体地，在本实施例S102之前，还包括：确定超声图像中穿刺针对应的第一滤波尺度；并将S102中除了以穿刺针刺入人体角度对应的滤波角度，还需要以第一滤波尺度对超声图像进行处理。

其中，对于Gabor滤波器由于其具有的多尺度的滤波特性，因此可以根据穿刺针的粗细或者在超声图像中包含穿刺针所占比例的大小，对Gabor滤波器的尺度进行调整。当对于不同型号的穿刺针，其粗细不同，则在相同比例的超声图像中的穿刺针所占比例的也就不同。本实施例对Gabor滤波器的滤波尺度参数进行调整时，当穿刺针较粗，在超声图像中所占比例较大的穿刺针的超声图像，可以适当加大滤波尺度参数，从超声图像更大的整体部分出发对穿刺针进行增强；而当穿刺针较细，在超声图像中所占比例较小的穿刺针的超声图像，可以更加精细地对较细的穿刺针的部分进行增强。具体的设置Gabor滤波器的滤波尺度的方式可以通过调整上述公式1中的参数λ来实现。

可选地，在本申请前述各实施例中，经过增强后的超声图像已经得到了增强的基础上，本实施例还提供一种超声图像增强方法的具体应用方法。在该应用方法中，作为执行主体的可以是用于超声成像的医疗仪器，下面结合附图6和图7进行说明。

图6为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图，如图6所示，本实施例提供的穿刺针超声图像增强方法包括：

S201：获取小角度超声图像；

S202：获取大角度超声图像；

其中，本实施例中S201和S202可以由用于超声成像的医疗仪器，分别向穿刺针刺入病灶区域分别发出小角度超声波和大角度超声波，并根据小角度超声波信号的回波得到小角度超声图像、根据大角度超声信号的回波得到大角度超声图像。

可选地，由于大角度超声图像坐标系不是0°坐标系，则还可以进一步将大角度超声图像转换为0°坐标系后，在0°坐标系下对大角度超声图像进行后续处理。

S203：对大角度超声图像中的穿刺针进行粗分割。

具体地，图7为本发明提供的穿刺针超声图像增强方法一实施例的流程示意图。如图7所示实施例具体示出了S203中所示的粗分割的具体实现方式。其中，S301的详细流程可参照如图1所示的S102不再赘述。

进一步地，在本实施例中，在随后的S302中，可以对经过S301得到的增强后的超声图像进行二值化处理，得到的处理后的二值化图。可选地，本实施例中可使用自适应分割的二值化处理方法。其中，图像二值化就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程，图像的二值化使图像中数据量大为减少，从而能凸显出目标的轮廓。对于具体的图像二值化处理过程可参照现有技术，本实施例对于图像二值化处理的算法本身并不做具体限定。

随后在S303中，对S302得到的二值化图进行形态学操作后，得到经过形态学操作处理的二值化图，记为中间图像。其中，考虑到S302中得到的二值化除含有穿刺针信息以外，同时含有部分组织的干扰信息。因此为了有效滤除非直线形状的组织干扰信息，采用自定义模板对二值化图像进行腐蚀操作，自定义模板采用带有方向性的直线型模板，直线型的滤波模板宽度、长度需要依据实验进行设置。其中，在图像处理技术中，有一些的操作会对图像的形态发生改变，这些操作一般称之为形态学操作，包括腐蚀，膨胀，开操作，闭操作等。对于具体的形态学操作处理过程可参照现有技术，本实施例对于形态学操作的算法本身并不做具体限定。

最后，在S304中，将S303中得到的中间图像进行霍夫变换(Hough transform，Hough变换)得到经过粗分割后的超声图像，记为处理后的超声图像。其中，由于经过形态学操作后的图像中信息较为干净、单一，主要包含穿刺针的超声图像信息，此时采用Hough变换可以准确提取到穿刺针所在直线，将超声图像中穿刺针所在直线的每一点进行上下扩展得到粗分割后的穿刺针。Hough变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法之一。其中，Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性，将原始图像空间的给定的曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点。这样就把原始图像中给定曲线的检测问题转化为寻找参数空间中的峰值问题。也即把检测整体特性转化为检测局部特性。比如直线、椭圆、圆、弧线等。对于具体的Hough变换处理过程可参照现有技术，本实施例对于Hough变换的算法本身并不做具体限定。

S203：对大角度超声图像中经过S202粗分割处理后的大角度超声图像的穿刺针进行细分割。

其中，穿刺针的粗分割区域中包含了穿刺针在图像中的所有像素点，为了进一步准确获取穿刺针区域，还需要对此区域进行进一步的细分割，细分割的主要步骤如下：对于穿刺针所在直线的每一点扩展后的穿刺针区域进行Laplace边缘检测，具体操作步骤为：利用方向性Laplace模板对穿刺针粗分割区域进行滤波操作，当滤波后的值大于设定的阈值Laplace_thresh时，得到细分割后穿刺针边界，直线上全部点滤波完成后可以得到完整的穿刺针区域needle_exact。对于具体的Laplace边缘检测过程可参照现有技术，本实施例对于Laplace边缘检测的算法本身并不做具体限定。

S204：对经过S203处理的大角度超声图像的穿刺针进行区域增强。

其中，穿刺针区域细分割后，为了实现穿刺针的自然的淡入淡出，可以采用步进加权的方式，对于穿刺针所在直线上的每一点，将该点所属的穿刺针的上下扩展区域与设置好的高斯加权模板相乘，模板可以根据上下扩展区域的实际点数进行设定，利用加权模板可以实现在大偏角图像穿刺针区域现有像素的基础上进行一定程度的增强，此种增强方式不会使穿刺针与周围组织区域有较大的灰度跳跃，能够更好的实现穿刺针的自然的淡入淡出。对于具体的区域增强过程可参照现有技术，本实施例对于区域增强的算法本身并不做具体限定。

S205：将S201中所获取的小角度超声图像，以及经过S202-S204处理后的大角度超声图像进行区域融合。

其中，由于小角度超声图像中，穿刺针周围组织较为清楚而穿刺针区域显影较弱、而经过处理后的大角度超声图像中，穿刺针区域较为清楚而周围组织显影较弱，因此，在S205中，将经过穿刺针增强处理后的大角度超声图像中的穿刺针部分，与小角度超声图像进行加权融合，实现周围组织与穿刺针区域的自然过渡。对于具体的将大角度超声图像的穿刺针部分融合入小角度超声图像的区域融合过程可参照现有技术，本实施例对于区域融合的算法本身并不做具体限定。

例如，图8为本发明提供的处理后的实测超声图像的结构示意图。如图8所示的处理后的超声图像，为经过上述图6与图7实施例中全部步骤处理后的超声图像，从图8中可以看出，经过图6与图7处理的超声图像中，穿刺针以及病灶的区域除了得到了一定的增强，还使得显示更加清晰，穿刺针、病灶以及其他组织的边界更加清晰，当如图8所示的处理后的超声图像通过显示装置展示给医护人员时，与图3所示的原始超声图像相比，能够为医护人员提供更为精细、准确的参考。

因此，综上，本实施例提供的超声图像增强方法，采用粗提取与细分割相结合的方式，准确提取到图像中的穿刺针区域并进行增强，并能使增强后针体部分与正常组织区域融合时的自然淡入淡出，使超声穿刺图像在前述实施例的基础之上质量进一步得到了提升。

图9为本发明提供的超声图像更新效果示意图。如图9示出了另一实测超声图像使用本实施例提供的超声图像增强方法处理后的效果示意图，以对本实施例的效果进行补充说明。其中，在图9中的超声图像a为上述实施例中S202所获取的大角度超声图像，超声图像b为对超声图像a经过S202-S204增强处理后得到的超声图像。超声图像c为上述实施例中S201所获取的小角度超声图像。随后将超声图像b和超声图像c通过上述实施例中S205进行区域融合后得到超声图像d.如图9所示，超声图像d相比于超声图像a和c，其穿刺针部分得到了增强，穿刺针区域更加明显，超声图像的显示更加清晰。

图10为本发明提供的穿刺针超声图像增强装置一实施例的结构示意图。如图10所示，本实施例提供的穿刺针超声图像增强装置包括：获取模块1001，滤波模块1002。其中，获取模块1001，获取超声图像，所述超声图像包括刺入人体的穿刺针；滤波模块1002，用于通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

本实施例提供的穿刺针超声图像增强装置可用于执行如图1所示的穿刺针超声图像增强方法，其实现方式与原理相同，不再赘述。

可选地，滤波模块1002具体用于，通过多个滤波角度分别对所述超声图像进行滤波处理，得到与所述多个滤波角度一一对应的多个滤波特征；

将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像。

可选地，滤波模块1002具体用于，将所述多个滤波特征中，符合预设条件的滤波特征相加，得到所述超声图像的加权滤波特征。

可选地，所述预设条件包括：所述滤波特征大于第一阈值；或者，所述滤波特征对应的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度之差小于第二阈值。

可选地，滤波模块1002具体用于，确定所述穿刺针刺入人体的角度；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度相同的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

可选地，滤波模块1002具体用于，通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，其中，所述Gabor滤波器的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度对应。

可选地，滤波模块1002具体用于，通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重；

通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新；

将对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新后的超声图像作为所述超声图像的滤波特征。

可选地，滤波模块1002具体用于，通过公式

计算每个像素点的加权权重；其中，coh(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的梯度变化大小，通过公式

计算；λ1为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值，λ2为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值；α_low为加权低阈值，α_high为加权高阈值，thresh_low为像素判断低阈值，thresh_high为像素判断高阈值；

通过公式

对应像素点的灰度值进行加权更新；其中，k(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的加权权重；λ为Gabor滤波器的滤波尺度；θ为Gabor滤波器的滤波角度；ψ为调谐函数的相位偏移；γ：为Gabor滤波器的形状；σ为Gabor滤波器的带宽。

图11为本发明提供的穿刺针超声图像增强装置一实施例的结构示意图。如图11所示的穿刺针在如图10所示实施例基础上，还包括：处理模块1003。其中，处理模块1003还用于，对增强后的超声图像进行二值化处理得到二值化图；

将二值化图进行形态学操作得到中间图像；

将中间图像进行霍夫Hough变换后得到的图像作为处理后的超声图像。

可选地，处理模块1003还用于，通过处理后的超声图像进行拉普拉斯Laplace边缘检测得到处理后的超声图像中包括穿刺针的目标区域；

对目标区域通过同步加权方式进行增强得到增强后的目标区域；

将增强后的目标区域与目标区域周围的部分进行加权融合得到的超声图像作为处理后的超声图像。

本实施例提供的穿刺针超声图像增强装置可用于执行如图7所示的穿刺针超声图像增强方法，其实现方式与原理相同，不再赘述。

本实施例提供的穿刺针超声图像增强装置可用于执行如图6或图7所示的穿刺针超声图像增强方法，其实现方式与原理相同，不再赘述。

本发明还提供一种电子设备，包括：处理器，存储器以及计算机程序；其中，计算机程序被存储在存储器中，并且被配置为由处理器执行，计算机程序包括用于执行如前述实施例中任一项的穿刺针超声图像增强方法的指令。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序使得服务器执行如前述实施例中任一项所述的穿刺针超声图像增强方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种穿刺针超声图像增强方法，其特征在于，包括：

获取超声图像；所述超声图像包括刺入人体的穿刺针；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像；

其中，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像，包括：

通过多个滤波角度分别对所述超声图像进行滤波处理，得到与所述多个滤波角度一一对应的多个滤波特征；

将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像，包括：

将所述多个滤波特征中，符合预设条件的滤波特征相加，得到所述超声图像的加权滤波特征。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括：

所述滤波特征大于第一阈值；

或者，所述滤波特征对应的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度之差小于第二阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像，包括：

确定所述穿刺针刺入人体的角度；

通过与所述穿刺针刺入人体的角度相同的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，包括：

通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，其中，所述Gabor滤波器的滤波角度与所述穿刺针刺入人体的角度对应。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过Gabor滤波器对所述超声图像进行滤波处理，包括：

通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重；

通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新；

将对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新后的超声图像作为所述超声图像的滤波特征。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述通过Gabor滤波器根据所述超声图像中每个像素点的灰度值的梯度变化特征确定每个像素点的加权权重，包括：

所述Gabor滤波器通过公式

计算每个像素点的加权权重；其中，coh(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的梯度变化大小，通过公式

计算；λ1为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在梯度方向的特征值，λ2为超声图像中像素点(x,y)的结构张量在垂直梯度方向的特征值；α_low为加权低阈值，α_high为加权高阈值，thresh_low为像素判断低阈值，thresh _high为像素判断高阈值；

所述通过Gabor滤波器根据所述每个像素点的加权权重对所述超声图像中对应像素点的灰度值进行加权更新，包括：

所述Gabor滤波器通过公式

对应像素点的灰度值进行加权更新；其中，k(x,y)为超声图像中像素点(x,y)的加权权重；λ为Gabor滤波器的滤波尺度；θ为Gabor滤波器的滤波角度；ψ为调谐函数的相位偏移；γ为Gabor滤波器的形状；σ为Gabor滤波器的带宽。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像之后，还包括：

对所述增强后的超声图像进行二值化处理得到二值化图；

将所述二值化图进行形态学操作得到中间图像；

将所述中间图像进行霍夫Hough变换后得到的图像作为处理后的所述超声图像。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像之后，还包括：

通过所述处理后的超声图像进行拉普拉斯Laplace边缘检测得到所述处理后的超声图像中包括所述穿刺针的目标区域；

对所述目标区域通过同步加权方式进行增强得到增强后的目标区域；

将所述增强后的目标区域与所述目标区域周围的部分进行加权融合得到的超声图像作为处理后的超声图像。

10.一种穿刺针超声图像增强装置，其特征在于，包括：

获取模块，获取超声图像，所述超声图像包括刺入人体的穿刺针；

滤波模块，用于通过与所述穿刺针刺入人体的角度对应的滤波角度对所述超声图像进行滤波处理，得到增强后的所述超声图像；

其中，所述滤波模块具体用于，

通过多个滤波角度分别对所述超声图像进行滤波处理，得到与所述多个滤波角度一一对应的多个滤波特征；

将所述多个滤波特征进行加权处理，得到增强后的所述超声图像。

11.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，存储器以及计算机程序；其中，所述计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行如权利要求1-9任一项所述的方法的指令。

12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序使得服务器执行权利要求1-9任一项所述的方法。

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