东海科学第五卷:4354 92 年 7 月
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乳房超音波影像肿瘤轮廓切割
黄育仁* 吴晓雯 郭明怡 郭芳甄 摘 要 曾怡真 赵富雄
在众多类型的乳癌诊断程序中,超音波诊断是一种最为人接受且不会对人体产生副作用的科技, 而且由於超音波扫描仪的低价位,便利性,广泛性,及时性,使得超音波肿瘤影像成为临床上医生初 次诊断乳癌的利器.然而,由於超音波影像中常含有大量的斑点,杂讯及组织纹理,容易因为操作超 音波扫描仪的医师训练程度不同而产生不同的结果.所以在本论文中,利用超音波肿瘤影像的特性, 采用分水岭转换(watershed transform)进行影像的切割,将肿瘤影像分割成不同属性的区域,再利用区域 影像属性之差异,将相同属性的区域加以整并,准确切割出肿瘤的轮廓,使找到的轮廓可以近似经验 丰富的医师所认定的轮廓,由实验结果得知,此方法描绘出的肿瘤轮廓与医生手绘的肿瘤轮廓近似程 度相当高. 关键词:分水岭转换,乳房超音波,肿瘤轮廓近似,医学影像,影像切割
一,前
言
近年来因逐渐西化的饮食习惯,日益严重的环境污染,生活习惯的改变等因素,妇女乳癌 的发生率快速地上升,在已开发国家与开发中国家,乳癌已分别成为妇女癌症死因的第一位与 第二位. 根据 1993 年发表在 International Journal of Cancer 期刊中的文章指出,欧美先进国家 每八个妇女人就有一人罹患乳癌[1] ,美国癌症协会(American Cancer Society)更在 1999 年指出 乳癌是已开发国家中妇女死因的第一位[2],医界亦指出,早期治疗这个疾病是减少乳癌致死的 最好方法.但是早期治疗取决於早期诊断,早期诊断需要一个精确和可靠的诊断程序.在众多 类型的乳癌诊断程序中,超音波诊断为一种"公认为接受度最高"且不会对人体产生副作用的检 验,由於超音波扫描仪的低价位,便利性,广泛性,及时性,使之成为大小医疗院所必备的诊 断工具,所以超音波扫瞄成为临床上医生初次诊断乳癌的利器.然而,超音波影像常含有大量 的斑点,杂讯及组织纹理,容易因为操作超音波扫描仪的医师训练程度不同而产生不同的结果,
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东海大学资讯工程与科学系
44 对超音波影像诊断方法的精确度产生争议,事实上,并非所有医师均可以使用目测超音波肿瘤 影像来判断肿瘤的良恶性,因此可能产生误诊的状况,轻则使病人白挨一刀,严重的话更会导 致延误病情导致情况恶化.因此,为了增加医师在初期判断肿瘤特性的正确率,本论文提出此 一电脑医学肿瘤轮廓切割法,主要的功能即是利用肿瘤的影像特性-肿瘤平均色阶与色阶变异 数,将乳房超音波影像中的肿瘤自动定位,医师可透过本系统取得肿瘤的轮廓,进而载入电脑 辅助诊断系统 (CAD) [3-6]来分析肿瘤之良恶性. 於以下章节详述此系统之方法,第二节介绍使用影像前处理技巧除去超音波影像中的斑点 及杂讯,第三节叙述完成前处理之影像切割方法,第四节介绍过小的切割区域合并法,以便得 到精确的肿瘤轮廓,实验结果显示於第五节,最后,第六节为此论文之结论.
二,超音波影像前处理
一般而言,超音波影像中常常充斥许多杂讯与斑点,若直接对肿瘤影像进行切割,常因为 超音波影像中之杂讯过多而产生过於碎裂之切割 (over-segmentation),如图一所示.因此本论 文使用低通滤波模糊法来减少影像中的杂点,处理后的影像在使用分水岭切割法产生较完整的 区域,近似肿瘤真实的轮廓.
(a)
(b)
图一,(a)肿瘤原图; (b)过於碎裂之切割结果,较亮之点为杂讯所造成的切割区域.
朝阳科技大学资讯管理系
45 此论文采用三种常用且快速之影像低通滤波器(Low-pass filter)配合不同之 window 大小来 降低杂讯之影响,分别为平均数,中位数,高斯滤波[7],本论文测试此三种滤波器后,结果显 示高斯低通滤波能够去除最多非必要的杂讯,有利分水岭影像切割之进行,其中图二为图一(a) 使用此三种低通滤波器之处理结果.
(a)
(b)
(c)
图二,(a)平均数滤波,(b)中位数滤波,(c)高斯滤波.
三,肿瘤轮廓切割
本论文中,我们采用效果良好的分水岭转换(Watershed Transform)来切割肿瘤轮廓[8-10], 此法使用地理学的观点,将数位影像视为一个地形表面,影像灰阶值的变化定义为地形的高低 起伏,灰阶值最高的像素点便是地形上的最高点,灰阶值变动得越剧烈,地势也就越陡峭.一 般而言,分水岭转换分为 Immersion 与 Rain falling (flooding) 两种.其中以 Immersion 方法较 常被用来找寻影像区域的轮廓,本论文主要目标在於寻找肿瘤影像的轮廓,因此采用 Immersion 的方式寻找肿瘤影像中的分水岭,亦就是插绘出区域的轮廓线.Immersion 方式的分水岭转换 可以归类为是以不同区域(Region)为基础的影像分割方法,所谓的区域就好像是地形中的低洼 地区所形成的蓄水池 (Catchment basins),由最低点慢慢填满山谷,直到两个不同蓄水池的水 将混和在一起的那一点,便开始建水坝以隔开不同蓄水池.水会一直淹到地表的最高点才会停 止.最后地表会被水坝分割成很多的区域,而这些将水隔开的水坝,便是我们所称做的分水岭, 影像中的分水岭亦就是被分割区域的边界. 为了分辨这些不同的蓄水池,这些蓄水池必须分别标上不同的记号,因蓄水池是像素的集 合,所以这个记号也就等於蓄水池当中所有像素点的标签,虽然像素点分布在图中不同的位置,

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