四邻接点算法用于模拟肝脏超声纹理分析的实验研究
作者：姚炜 赵玉华 王威琪
单位：姚炜 赵玉华(200433 上海长海医院超声科)；王威琪(复旦大学电子工程系)
关键词：四邻接点算法；模拟肝脏；超声纹理
中国超声医学杂志000102 摘 要 目的：为寻找正常肝与异常肝之间纹理变化的定量标准，本文根据肝实质的组织结构特征、应用纹理分析的局部运算原理设计了四邻接点算法。方法：为了验证该算法是否达到了设计要求，本文采用堆积的软性固体丝模拟正常肝实质结构，又用不同浓度的超声耦合剂水溶液渗入模拟肝实质，使模型的不均匀度下降，形成异常肝模型，用四邻接点算法分析模拟肝脏的纹理变化，以检验四邻接点算法计算的不均匀度指标能否反映这种人为控制的不均匀度下降。结果与结论：四邻接点算法计算的相对不均匀度随着超声耦合剂水溶液浓度的增大而明显下降，呈良好的线性关系(相关系数为-0.94，回归方程为：Y＝129-0.16X)，能较好地反映模拟肝脏的纹理变化，为临床应用打下基础。
, http://www.100md.com
The Experimental Study of Ultrasonic Texture Analysis of
Simulated Liver Using Four Neighborhood Pixel Algorithm
Yao Wei,Zhao Yuhua
Dept.Ultrasound,Changhai Hospital,Second Military College Shanghai 200433
Wang Weiqi
Dept.Electronic Engineering,Fudan University,Shanghai
ABSTRACT Objective:It is to find the quantitative criteria of texture changes between normal liver and abnormal liver.Methods：Four neighborhood pixels algorithm(FNPA)was designed based on the tissue structure of normal hepatic parenchyma and the local operation texture analysis principle to verify whether the algorithm can meet the demand of the design.Soft solid shreds were represented the normal liver stucture.Injection of various concentrations ultrasonic jelly solutions to set up abnormal liver with different interfaces.Their texture parameters were calculated by FNPA.Results:The higher concentration of the ultrasonic jelly solution injected,the bigger HSR value peresented with fine linear relationship(the coefficient of correlation,-0.94，the regression equation,Y＝129-0.16X).Conclusion:The HSR value obtained by FNPA can reflect the texture changes of the artifical liver.
, 百拇医药
KEY WORDS Four neighborhood pixels algorithm Simulated liver Ultrasonic texture
在超声诊断领域中，肝脏纹理的粗细一直是凭超声医师的肉眼所见和实践经验判断，缺乏客观的定量标准。为寻找正常肝与病变肝之间纹理变化的定量标准，本文根据肝实质的组织结构特征、应用纹理分析的局部运算原理〔1〕设计了四邻接点算法，运用该算法可以对图像的不均匀度进行检测。
为了验证该算法是否达到了设计要求，本文采用自制的软性固体丝模拟正常肝实质结构，用不同浓度的超声耦合剂水溶液渗入“肝实质”，使肝实质超声图像的不均匀度下降，形成异常肝脏。用四邻接点算法分析模拟肝脏的纹理变化，以检验四邻接点算法计算的不均匀度指标能否反映这种人为控制的不均匀度下降。
资料与方法
, 百拇医药
仪器 超声仪：PHILIPS-800，3.5MHz腹部凸阵探头，仪器使用条件固定。计算机系统：IMB-486微型兼容机，创新(CREATIVE)SE-100图像捕捉卡及自行设计的四邻接点算法软件。
材料
1.软性固体丝制作：将绿豆粉与水按1∶7的比例混合均匀后加热至100℃，凉透成形后在5～10℃的环境中放置2天，再用直径3mm的圆形刨子刨成均匀的丝状物。
2.超声耦合剂水溶液：选用不同量的标准超声耦合剂与静置30分钟以上的自来水(温度20～25℃)搅拌混合成8种500ml的不同浓度水溶液，其浓度分别为0、40、80、120、160、200、240、280ml/L。
3.1000ml烧杯一只，自制纱布囊，布囊内侧底部垫塑料薄膜使布囊底平整光滑。
, 百拇医药 方法
1、制作正常、异常肝膜型及纹理分析取样
软性固体丝的声速测定：将500ml水倒入烧杯，将布囊悬于水中，把不同量的软性固体丝分10次移入布囊内的水中，在超声仪上测定其厚度(图1)，并与其实测厚度配对做t检验。
图1 模拟实验装置示意图
肝模型制作：将500ml浓度为0ml/L的超声耦合剂水溶液倒入烧杯，将布囊悬于水溶液中，把软性固体丝移入布囊中的水溶液中并在超声耦合剂的水溶液中按同一方向堆满整个布囊，制成正常肝模型。依次将500ml浓度为40、80、120、160、200、240、280ml/L的超声耦合剂水溶液倒入烧杯，重复以上操作，制成7个异常肝模型。
, http://www.100md.com 图像捕捉：将探头按声束平面与软性固体丝长轴垂直的方向置于布囊内的水溶液中，切取8个肝模型图像，停帧后经图像捕捉卡模/数转换，存入微机硬盘，每个模型取三幅图像。
取样：回放存盘图像，选择图像中纹理最清晰的一个区域作为取样区，大小为32×32个象素点。
2、纹理分析参数计算
计算取样区平均灰度：将取样区域内的点(象素点)的灰度值累加后求算术平均值。
公式1
MGr为取样区平均灰度，m,n为取样区域的长和宽，m＝n＝32,k为横坐标，l为纵坐标，k＝1,2,…，32，l＝1，2，…，32，x(k,l)为取样区域中，坐标为(k,l)的点的灰度值。
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计算模型平均灰度：以三幅图像取样区平均灰度的算术均数作为模型的平均灰度(MG)。
四邻接点算法计算取样区绝对不均匀度(HS)：将取样区域内各点的灰度值与其上、下、左、右四个邻接点的灰度值相减，将差的绝对值作算术平均后再求和，公式如下：
公式2
HSr为四邻接点算法计算的取样区绝对不均匀度，m＝n＝32，k＝1，2，…32，l＝1，2，…，32。
四邻接点算法计算模型绝对不均匀度：将三幅图像取样区绝对不均匀度的算术均数作为模型的绝对不均匀度(HS)。
四邻接点算法计算相对不均匀度(HSR)：将四邻接点算法计算的绝对不均匀度HS除以平均灰度MG，即HSR＝HS/MG。
, 百拇医药
统计分析 对相对不均匀度与超声耦合剂水溶液浓度之间的关系作相关和直线回归分析。
结果
1、10组软性固体丝厚度的超声测值与其实测值之间差异的比较：
软性固体丝在超声仪上测得的厚度值与其实测厚度值之间的差异很小，差异的均数为0.1cm，标准差为0.1cm(表1)，经t检验无显著差别(P>0.05)。
表1 软性固体丝超声检测厚度与实测值对照 序 号
测 值 (cm)
超 声
实 测
差 异
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1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2.1
3.2
3.5
4.3
, http://www.100md.com
5.0
5.5
6.2
6.3
6.8
7.6
2.3
3.3
3.4
4.4
5.1
5.5
6.0
, 百拇医药
6.2
6.9
7.5
-0.2
-0.1
0.1
-0.1
-0.1
0.0
0.2
0.1
-0.1
0.1
, 百拇医药
2、四邻接点算法计算肝模型的相对不均匀度与超声耦合剂水溶液浓度的对比结果：
随着超声耦合剂水溶液浓度的升高，8个肝模型图像的相对不均匀度值(HSR)呈明显的线性下降趋势，相关系数为-0.94(表2)，图2显示了其分布情况及回归直线，回归方程为：Y＝129-0.16X，其中X为超声耦合剂水溶液的浓度(ml/L)，Y为模型图像的HSR(图2)。
图2 各浓度超声耦合剂水溶液中模型图像的相对不均匀度分布情况及回归直线
表2 8种浓度超声耦合剂水溶液肝模型图像的相对不均匀度值 序 号
浓度(ml/L)
HSR
, 百拇医药
1
2
3
4
5
6
7
8
0
40
80
120
160
200
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240
280
122
120
120
112
113
97
84
79
讨论
本实验研究用堆积的软性固体丝获得了模拟肝的声像图，提供了四邻接点算法测算研究肝脏超声纹理不均匀度的基础。为验证模拟肝脏超声测量的准确性，本文运用超声与实物对比测量的方法进行比较。超声是根据声波返回的时间来测定距离的，这与超声在介质中的传播速度有关，距离＝时间×速度。通常超声在人体软组织中的传播速度接近1500m/s，因此超声仪上即以此值为声速标准来测定距离，软性固体丝在超声仪上测得的厚度与其实测厚度经t检验无显著差别(P>0.05，见表1)，说明声波在本实验设计的介质中的传播速度近似于1500m/s，与人体软组织相近，故软性固体丝可以作为模拟肝脏的良好的声学介质。
, 百拇医药
实测直径0.80cm的钢筋在超声仪上测得的厚度为0.65cm，超声测值明显小于实测值，说明声波在钢铁中的传播速度大于在人体软组织中的传播速度，所以钢铁不能作为模拟人体软组织的材料。
肝小叶为组成肝实质的基本功能单位，每个肝小叶为一个立方棱柱体，近以小球状，肝小叶在肝内的排列相互间呈各向同性。将直径约3mm的软性固体丝按同一方向堆积后，其垂直方向上的断面即为均匀分布的小球形结构，与肝实质的小球形结构断面近似，两者的超声切面图像也类似。据此认为自制的肝模型能模拟地反映正常肝脏的超声纹理图像。
超声耦合剂颗粒弥散到水中，形成比软性固体丝更细小的均匀的点状结构，分布于软性固体丝之间，使肝模型内的声学界面增多，声反射增多，模型的不均匀度下降，其原理和图像与一些异常肝脏类似。本文用同一方向成堆排列的软性固体丝的垂直切面模拟肝实质切面，用均匀弥散在软性固体丝之间的超声耦合剂颗粒使模型的不均匀度下降，模拟异常肝脏，超声耦合剂水溶液的浓度越高，“肝实质”内的声学界面就越多，模型的不均匀度越低(图3、4、5)，因此，模拟实验具有一定的可靠性。
, 百拇医药
图3 正常肝模型(左)与浓度为120ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
图4 正常肝膜型(左)与浓度为200ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
图5 正常肝模型(左)与浓度为280ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
四邻接点算法根据正常肝的超声图像纹理以细小的点状回声为单位，且各单位之间的结构基本相似这一特点而设计，实验证明该算法计算得到的相对不均匀度能够较好地反映图像不均匀度的变化，与实验条件控制的不均匀度下降呈线性相关(见图2)，所得的相对不均匀度与不同浓度的直线回归方程为：Y＝129-0.16X(其中X为超声耦合剂水溶液的浓度，Y为模型图像的HSR)，为四邻接点算法在临床超声诊断上的应用打下了基础。
参考文献
1.Kenneth R.Castleman,Digital Image Processing.1996 by Prentice Hall,Inc.
1999-06-22, 百拇医药
单位：姚炜 赵玉华(200433 上海长海医院超声科)；王威琪(复旦大学电子工程系)
关键词：四邻接点算法；模拟肝脏；超声纹理
中国超声医学杂志000102 摘 要 目的：为寻找正常肝与异常肝之间纹理变化的定量标准，本文根据肝实质的组织结构特征、应用纹理分析的局部运算原理设计了四邻接点算法。方法：为了验证该算法是否达到了设计要求，本文采用堆积的软性固体丝模拟正常肝实质结构，又用不同浓度的超声耦合剂水溶液渗入模拟肝实质，使模型的不均匀度下降，形成异常肝模型，用四邻接点算法分析模拟肝脏的纹理变化，以检验四邻接点算法计算的不均匀度指标能否反映这种人为控制的不均匀度下降。结果与结论：四邻接点算法计算的相对不均匀度随着超声耦合剂水溶液浓度的增大而明显下降，呈良好的线性关系(相关系数为-0.94，回归方程为：Y＝129-0.16X)，能较好地反映模拟肝脏的纹理变化，为临床应用打下基础。
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The Experimental Study of Ultrasonic Texture Analysis of
Simulated Liver Using Four Neighborhood Pixel Algorithm
Yao Wei,Zhao Yuhua
Dept.Ultrasound,Changhai Hospital,Second Military College Shanghai 200433
Wang Weiqi
Dept.Electronic Engineering,Fudan University,Shanghai
ABSTRACT Objective:It is to find the quantitative criteria of texture changes between normal liver and abnormal liver.Methods：Four neighborhood pixels algorithm(FNPA)was designed based on the tissue structure of normal hepatic parenchyma and the local operation texture analysis principle to verify whether the algorithm can meet the demand of the design.Soft solid shreds were represented the normal liver stucture.Injection of various concentrations ultrasonic jelly solutions to set up abnormal liver with different interfaces.Their texture parameters were calculated by FNPA.Results:The higher concentration of the ultrasonic jelly solution injected,the bigger HSR value peresented with fine linear relationship(the coefficient of correlation,-0.94，the regression equation,Y＝129-0.16X).Conclusion:The HSR value obtained by FNPA can reflect the texture changes of the artifical liver.
, 百拇医药
KEY WORDS Four neighborhood pixels algorithm Simulated liver Ultrasonic texture
在超声诊断领域中，肝脏纹理的粗细一直是凭超声医师的肉眼所见和实践经验判断，缺乏客观的定量标准。为寻找正常肝与病变肝之间纹理变化的定量标准，本文根据肝实质的组织结构特征、应用纹理分析的局部运算原理〔1〕设计了四邻接点算法，运用该算法可以对图像的不均匀度进行检测。
为了验证该算法是否达到了设计要求，本文采用自制的软性固体丝模拟正常肝实质结构，用不同浓度的超声耦合剂水溶液渗入“肝实质”，使肝实质超声图像的不均匀度下降，形成异常肝脏。用四邻接点算法分析模拟肝脏的纹理变化，以检验四邻接点算法计算的不均匀度指标能否反映这种人为控制的不均匀度下降。
资料与方法
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仪器 超声仪：PHILIPS-800，3.5MHz腹部凸阵探头，仪器使用条件固定。计算机系统：IMB-486微型兼容机，创新(CREATIVE)SE-100图像捕捉卡及自行设计的四邻接点算法软件。
材料
1.软性固体丝制作：将绿豆粉与水按1∶7的比例混合均匀后加热至100℃，凉透成形后在5～10℃的环境中放置2天，再用直径3mm的圆形刨子刨成均匀的丝状物。
2.超声耦合剂水溶液：选用不同量的标准超声耦合剂与静置30分钟以上的自来水(温度20～25℃)搅拌混合成8种500ml的不同浓度水溶液，其浓度分别为0、40、80、120、160、200、240、280ml/L。
3.1000ml烧杯一只，自制纱布囊，布囊内侧底部垫塑料薄膜使布囊底平整光滑。
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1、制作正常、异常肝膜型及纹理分析取样
软性固体丝的声速测定：将500ml水倒入烧杯，将布囊悬于水中，把不同量的软性固体丝分10次移入布囊内的水中，在超声仪上测定其厚度(图1)，并与其实测厚度配对做t检验。
图1 模拟实验装置示意图
肝模型制作：将500ml浓度为0ml/L的超声耦合剂水溶液倒入烧杯，将布囊悬于水溶液中，把软性固体丝移入布囊中的水溶液中并在超声耦合剂的水溶液中按同一方向堆满整个布囊，制成正常肝模型。依次将500ml浓度为40、80、120、160、200、240、280ml/L的超声耦合剂水溶液倒入烧杯，重复以上操作，制成7个异常肝模型。
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取样：回放存盘图像，选择图像中纹理最清晰的一个区域作为取样区，大小为32×32个象素点。
2、纹理分析参数计算
计算取样区平均灰度：将取样区域内的点(象素点)的灰度值累加后求算术平均值。
公式1
MGr为取样区平均灰度，m,n为取样区域的长和宽，m＝n＝32,k为横坐标，l为纵坐标，k＝1,2,…，32，l＝1，2，…，32，x(k,l)为取样区域中，坐标为(k,l)的点的灰度值。
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计算模型平均灰度：以三幅图像取样区平均灰度的算术均数作为模型的平均灰度(MG)。
四邻接点算法计算取样区绝对不均匀度(HS)：将取样区域内各点的灰度值与其上、下、左、右四个邻接点的灰度值相减，将差的绝对值作算术平均后再求和，公式如下：
公式2
HSr为四邻接点算法计算的取样区绝对不均匀度，m＝n＝32，k＝1，2，…32，l＝1，2，…，32。
四邻接点算法计算模型绝对不均匀度：将三幅图像取样区绝对不均匀度的算术均数作为模型的绝对不均匀度(HS)。
四邻接点算法计算相对不均匀度(HSR)：将四邻接点算法计算的绝对不均匀度HS除以平均灰度MG，即HSR＝HS/MG。
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统计分析 对相对不均匀度与超声耦合剂水溶液浓度之间的关系作相关和直线回归分析。
结果
1、10组软性固体丝厚度的超声测值与其实测值之间差异的比较：
软性固体丝在超声仪上测得的厚度值与其实测厚度值之间的差异很小，差异的均数为0.1cm，标准差为0.1cm(表1)，经t检验无显著差别(P>0.05)。
表1 软性固体丝超声检测厚度与实测值对照 序 号
测 值 (cm)
超 声
实 测
差 异
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2、四邻接点算法计算肝模型的相对不均匀度与超声耦合剂水溶液浓度的对比结果：
随着超声耦合剂水溶液浓度的升高，8个肝模型图像的相对不均匀度值(HSR)呈明显的线性下降趋势，相关系数为-0.94(表2)，图2显示了其分布情况及回归直线，回归方程为：Y＝129-0.16X，其中X为超声耦合剂水溶液的浓度(ml/L)，Y为模型图像的HSR(图2)。
图2 各浓度超声耦合剂水溶液中模型图像的相对不均匀度分布情况及回归直线
表2 8种浓度超声耦合剂水溶液肝模型图像的相对不均匀度值 序 号
浓度(ml/L)
HSR
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160
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讨论
本实验研究用堆积的软性固体丝获得了模拟肝的声像图，提供了四邻接点算法测算研究肝脏超声纹理不均匀度的基础。为验证模拟肝脏超声测量的准确性，本文运用超声与实物对比测量的方法进行比较。超声是根据声波返回的时间来测定距离的，这与超声在介质中的传播速度有关，距离＝时间×速度。通常超声在人体软组织中的传播速度接近1500m/s，因此超声仪上即以此值为声速标准来测定距离，软性固体丝在超声仪上测得的厚度与其实测厚度经t检验无显著差别(P>0.05，见表1)，说明声波在本实验设计的介质中的传播速度近似于1500m/s，与人体软组织相近，故软性固体丝可以作为模拟肝脏的良好的声学介质。
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实测直径0.80cm的钢筋在超声仪上测得的厚度为0.65cm，超声测值明显小于实测值，说明声波在钢铁中的传播速度大于在人体软组织中的传播速度，所以钢铁不能作为模拟人体软组织的材料。
肝小叶为组成肝实质的基本功能单位，每个肝小叶为一个立方棱柱体，近以小球状，肝小叶在肝内的排列相互间呈各向同性。将直径约3mm的软性固体丝按同一方向堆积后，其垂直方向上的断面即为均匀分布的小球形结构，与肝实质的小球形结构断面近似，两者的超声切面图像也类似。据此认为自制的肝模型能模拟地反映正常肝脏的超声纹理图像。
超声耦合剂颗粒弥散到水中，形成比软性固体丝更细小的均匀的点状结构，分布于软性固体丝之间，使肝模型内的声学界面增多，声反射增多，模型的不均匀度下降，其原理和图像与一些异常肝脏类似。本文用同一方向成堆排列的软性固体丝的垂直切面模拟肝实质切面，用均匀弥散在软性固体丝之间的超声耦合剂颗粒使模型的不均匀度下降，模拟异常肝脏，超声耦合剂水溶液的浓度越高，“肝实质”内的声学界面就越多，模型的不均匀度越低(图3、4、5)，因此，模拟实验具有一定的可靠性。
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图3 正常肝模型(左)与浓度为120ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
图4 正常肝膜型(左)与浓度为200ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
图5 正常肝模型(左)与浓度为280ml/L超声耦合剂水溶液中的异常肝模型(右)的超声图像对比
四邻接点算法根据正常肝的超声图像纹理以细小的点状回声为单位，且各单位之间的结构基本相似这一特点而设计，实验证明该算法计算得到的相对不均匀度能够较好地反映图像不均匀度的变化，与实验条件控制的不均匀度下降呈线性相关(见图2)，所得的相对不均匀度与不同浓度的直线回归方程为：Y＝129-0.16X(其中X为超声耦合剂水溶液的浓度，Y为模型图像的HSR)，为四邻接点算法在临床超声诊断上的应用打下了基础。
参考文献
1.Kenneth R.Castleman,Digital Image Processing.1996 by Prentice Hall,Inc.
1999-06-22, 百拇医药