直方图与数字医学影像

zhuzhiyuan

直方图与数字医学影像的初探
zhuzhiyuan  2005.4.25
序言：
今年来，随着电子技术突飞猛进的发展，数字影像已经迅速进入人们的生活。在照相业和医学影像业，数字影像尤其贴近生活。在微机技术的推动下，人们欣然接受了这一进步，并且沉浸于喜悦中。人们正在努力地学习，力图尽快的驾驭这些新鲜事物。对此，照相业的厂商已经提供了用其直方图判断照片质量的要求。在医学影像业，厂商大多提供了其影像的直方图功能。但是，对影像直方图的使用，许多人似乎不甚明确。同时，传统的x线片也未涉及直方图的使用。针对于此，直方图与医学影像之间关系的讨论就显得很有必要。此处的讨论，希望能起到抛砖引玉的作用。
讨论的涉及范围可能比较大，有使用人员和制造人员。在医学影像领域应包括：影像医师，影像技师，设备工程师，软件工程师等。各类技术人员着重关心的问题可能有所侧重，但是最终目标应该是一致的，即更好地发挥医学影像的作用。

一 直方图的概念
直方图（histogram）源于统计频数表（frequency table），是用于研究某群体的数值分布规律的一个统计描述（图表）。直方图的描绘方法：首先找出数值的极值，即最大值和最小值，并计算其极差，最大值与最小值的差。再将极差做适当的分组，组段数与数据的量有关，组的上限与下限的差值称为组距。最后分组统计，以组的代表值为纵坐标，以组频数为横坐标，所列制的表格是频数表；对换两个坐标制成的条形图为直方图。
直方图有集中趋势、分散趋势这两个分布特征，和分布类型等属性。
用途：可以揭示其分布的特征和类型，便于计算指标和统计分析处理，判断某些数值的概率等。

这是直方图的原始概念，由此发展出现图象处理中的灰度直方图概念。

灰度直方图  是数字影像的一种数学统计图表。由于医学数字影像的特殊性，灰度影像居多，影像直方图是由影像每一个亮度（灰度）值与其累计数目描绘出来的象素数—灰度值图形，也称灰度直方图，简称直方图。直方图的横坐标是亮度（灰度）值；纵坐标为频数（百分数或是实际次数），绘制方法同上。
图象处理中指出影像直方图的性质：
1.        直方图只有灰度次数（频数）信息，而没有位置信息。就是只包含了某灰度值出现的概率，不反映其位置的信息。
2.        一幅图象可唯一地计算出对应的直方图，但不同的图象可以由相同的直方图。既图象与直方图之间可以有一种多对一的关系。
3.        图象各个子区的直方图之和等于全图的直方图。
直方图的用途：
1.        图象数字化时选择的参数依据，使图象具有良好的动态范围。
2.        作为图象处理的基础，处理图象。

这个灰度直方图的概念是准确的，在性质和用途方面偏重图象处理，应做适当补充。

影像直方图概念
影像直方图是数字影像的一种数学统计图表，是由影像每一个亮度值与其累计数目描绘出来的象素数—亮度值条形图，简称直方图。绘制方法：直方图的横坐标是亮度（灰度）值；纵坐标为频数（百分数或是实际次数）；分组的依据是数据的总动态范围。彩色影像可分解为三基色，分别处理后合成彩色影像。
其性质包括：
1.        集中趋势、分散趋势和直方图分布类型。
2.        直方图只有亮度次数（频数）信息，而没有位置信息。
3.        一幅影像可唯一地计算出对应的直方图，但不同的影像可以由相同的直方图。
4.        影像各个子区的直方图之和等于全图的直方图。
直方图的用途
1.        利用其分布的特征和类型，便于分析和计算指标等。
2.        影像数字化时选择的参数依据。
3.        利用直方图做影像处理的基础。
4.        用直方图判断某些数值的概率。
5.        利用直方图别做影像显示的基础。

二 直方图的简单识
直方图的形式
直方图有两种绘制形式：一种是实心黑柱排列，结果黑的部分为有记数部分。这种画法真实。另一种画法只绘制其轮廓线，线下是记数面积。这种图形美观一些。通常，直方图与窗宽/窗高一同出现，以帮助影像显示。还可以同时提供还原曲线和灰度对照条。见图1。图1下方黑，白条中间为显示灰度条，总宽度为窗宽，中心点为窗高，可以调整。与直方图交叉的曲线是还原曲线，某些（设备）曲线的线性可以调节。
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图1
窗宽/窗高一般均给出具体数字，并在图下以某种形式标注位置，供使用参考。见图2。最大值与最小值的差值是系统动态范围，超出动态范围的部分无法显示。这种动态范围需要系统硬件作为保证。窗宽，窗高可以直接修改数字，或是经调节按钮变更。
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图2
直方图的识别
在照射区没有被检查物体时，数字影像全部是背景，应为全黑。它的直方图在低亮度一侧出现一个比较狭窄的正态分布的峰柱。其顶部常超出图表，基底两侧有过度区，这是板子暴光影像。每个板子在系统中有一个基本的直方图，随着摄影条件的变化，直方图的位置会有一定的改变；随着检查部位的增大，背景直方图的面积减小，直至消失。见图3。直方图的不对称与采集板边缘暴光不足有关。
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图3
1 肢体影像的直方图
这里所说的肢体影像是指平板被（检查物<

zhuzhiyuan

抱歉：插图顺序反了，而且全放在最后了。可能我的操作有误。

zhuzhiyuan

直方图与摄片条件的实验
zhuhziyuan 2005-5-26
为了对比不同摄影条件对相同物体和设备的大致影响。
设备：安科an6150全功能dr。检查一瓶矿泉水。
方法：dr检测面向上平放，加装活动滤线器。将矿泉水瓶（满）平放于检测面上，使用超低条件，较低条件和较高条件摄片，对摄取的影像进行直方图和影像质量的分析。
结果：
三幅影像4096/2048（w/h）见图1。上图超低条件，下图较高条件。

各部分的直方图见图2。中间为被检查物体，右侧一列图为背景。

局部放大，窗口调整后影像见图3。

1 标准窗位显示（图1）：随着摄片条件增加，影像黑化度增加。
2 直方图显示（图2）：
随着摄片条件增加，直方图整体向高密度方向移动，直方图的动态范围变化不明显；
影像背景峰的形态无明显变化，动态范围变化同样不明显；
被检查物直方图的形态随着摄片条件增加，形态有所改变，动态范围变化同样不明显。
3 局部放大影像显示：
超低条件影像的影像燥声最明显，即颗粒粗糙，小白点多，背景内可见；
较低条件影像的影像燥声明显，即颗粒粗糙，小白点主要位于物体内；
较高条件影像的影像无明显燥声，影像与背景内无明确的斑点，细节清楚。
窗口参数调整后，影像的亮度/对比度可以达到同等水平。

讨论：
随着摄影条件的增加，影像变黑，这是正常的规律。由于数字影像可以在后期调整影像的亮度/对比度，因此不必象平片那样严格要求摄片条件，摄片条件的宽容度要大一些。在一定范围内，影像数据动态范围相对稳定，支持这种宽容度。
超低和较低条件时，影像出现明显的燥声，而较高条件不存在明显的影像燥声。所以，摄片时应避免过低条件，以避免增大燥声。
由于被检查物体的影像，随变化直方图形态有所改变。所以，对数字影像摄影条件的研究，有利于显示被检查物体的特性，应当是使用者研究的主要方向。

maydays

好啊，图像处理是推进影像数字化的最大最有力的支持。
楼主要多多谈谈图处！

maomaotu

[emb10]楼主要多多谈谈图处?

maydays

图处：就是“图像处理”的简称。