四鄰接點(diǎn)算法分析正常肝與脂肪肝超聲紋理的研究

1、四鄰接點(diǎn)算法分析正常肝與脂肪肝超聲紋理的研究【摘要】目的通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自行設(shè)計(jì)的四鄰接點(diǎn)算法在區(qū)分正常肝與脂肪肝超聲紋理中的價(jià)值。方法選擇正常肝、臨床確診的彌漫性脂肪肝,用 3.5 和 5.0 MHz兩種探頭觀察肋間肝切面聲像,用四鄰接點(diǎn)算法對(duì)比分析其紋理變化,并與直方方法比較。結(jié)果在兩種探頭條件下,四鄰接點(diǎn)算法得到的相對(duì)不均勻度(HSR)在正常肝組和脂肪肝組間都有顯著性差異(P0.01),且差異比直方算法大。結(jié)論四鄰接點(diǎn)算法能較直方算法更準(zhǔn)確地反映肝實(shí)質(zhì)的紋理變化,是一個(gè)較可靠的定量指標(biāo)。【關(guān)鍵詞】超聲檢查;四鄰接點(diǎn)算法;肝;紋理 Clinical experiment of ultras

2、onic texture analysis between normal liver and fatty liver by four neighborhood pixels algorithmYAO Wei,ZHAO Yuhua.（Department of Ultrasonography,Changhai Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China）【Abstract】ObjectiveTo evaluate the value of four neighborhood pixels algori

3、thm designed by our lab,in the distinguishing fatty liver from normal liver.MethodsNormal liver,fatty liver were chosen,and the intercostal cutting surfaces of liver were selected by 3.5 and 5.0 MHz probes respectively.By four-neighborhood pixels algorithm,the changes of their texture were analyzed

4、by contrast each other and the results were compared with those of histogram method.ResultsUnder the both probes,the relative heterogeneity values (HSR) of normal liver and fatty liver parenchyma,which was calculated by four neighborhood pixels algorithm,were significantly different (P0.01).The diff

5、erence was bigger than that of histogram.ConclusionsFour neighborhood pixels algorithm is more accurate than histogram in reflecting the ultrasonic texture change of hepatic parenchyma,and it is quite a reliable quantitative parameter.【Key words】Ultrasonography;Four neighborhood pixels algorithm;Liv

6、er;Texture紋理是規(guī)律性或隨機(jī)性重復(fù)出現(xiàn)的像基元1。許多實(shí)質(zhì)性臟器的二維超聲像都具有鮮明的視覺(jué)紋理,如肝區(qū)點(diǎn)狀回聲的粗與細(xì),肌肉纖維的粗與細(xì)等等。長(zhǎng)期以來(lái),實(shí)質(zhì)性臟器的超聲紋理一直是依靠超聲醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷,缺乏一個(gè)客觀的定量標(biāo)準(zhǔn),這給一些以紋理變化為依據(jù)的疾病帶來(lái)了診斷上的困難。計(jì)算機(jī)紋理分析是一門新興學(xué)科,近年來(lái)不斷有學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)紋理分析的原理和方法進(jìn)行實(shí)質(zhì)性臟器超聲紋理定量的探索2 。本研究運(yùn)用了計(jì)算機(jī)紋理分析中局部運(yùn)算的原理3設(shè)計(jì)了一種肝實(shí)質(zhì)不均勻度的計(jì)算方法,稱為四鄰接點(diǎn)算法。其組織學(xué)依據(jù)為:肝實(shí)質(zhì)由肝小葉組成,每個(gè)肝小葉為一個(gè)立方棱柱體,近似小球狀,肝小葉在肝內(nèi)的排列相互

7、間呈各向同性。因此,肝實(shí)質(zhì)的超聲紋理特征是以細(xì)小點(diǎn)狀回聲為單位,各點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)相似且分布均勻。彌漫性脂肪肝時(shí),脂質(zhì)分布到各個(gè)小葉內(nèi)和小葉間,形成以更細(xì)更密更明亮的點(diǎn)狀回聲為特征的彌漫性脂肪肝的超聲紋理。四鄰接點(diǎn)算法根據(jù)正常肝及彌漫性脂肪肝的超聲像紋理均以小點(diǎn)狀回聲結(jié)構(gòu)為單位,且各單位之間的結(jié)構(gòu)基本相似這一特點(diǎn),在提取不均勻度時(shí)只考慮像素點(diǎn)與鄰近點(diǎn)的灰度差異,而不考慮它與遠(yuǎn)處點(diǎn)的灰度差異。由于脂肪肝的肝實(shí)質(zhì)點(diǎn)狀回聲明顯比正常肝細(xì)密,即脂肪肝的肝實(shí)質(zhì)不均勻度明顯低于正常肝,因此,為了驗(yàn)證四鄰接點(diǎn)算法的設(shè)計(jì)思想,本研究選用脂肪肝實(shí)質(zhì)與正常肝實(shí)質(zhì)作為兩組臨床實(shí)驗(yàn)資料,用四鄰接點(diǎn)算法分析,以檢驗(yàn)四鄰接點(diǎn)

8、算法計(jì)算的不均勻度指標(biāo)能否將這兩組不均勻度有明顯差別的臨床實(shí)驗(yàn)資料區(qū)分開來(lái)。實(shí)驗(yàn)分別用 3.5和 5.0 MHz兩種探頭進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)中將四鄰接點(diǎn)算法與直方算法作了比較。資 料 與 方 法一、儀器應(yīng)用PHILIPS 800型超聲儀,3.5 及 5.0 MHz腹部凸陣探頭,儀器條件固定。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用IBM-486微型兼容機(jī),創(chuàng)新(CREATIVE)SE-100像捕捉卡及自行設(shè)計(jì)的四鄰接點(diǎn)算法和直方算法軟件。二、臨床資料1.正常肝組:正常肝臟94例。3.5 MHz探頭檢查49例,其中男27例,女22例,年齡1176歲;5.0 MHz探頭檢查45例,其中男24例,女21例,年齡776歲。2.脂肪肝組:

9、經(jīng)臨床確診的彌漫性脂肪肝67例。3.5 MHz探頭檢查37例,其中男28例,女9例,年齡3271歲;5.0 MHz探頭檢查30例,其中男20例,女10例,年齡3282歲。三、方法1.像捕捉:囑被檢者左側(cè)臥位,摒氣,顯示右季肋部89肋間肝實(shí)質(zhì)紋理清晰的聲像,停幀后,超聲像經(jīng)像捕捉卡模/數(shù)轉(zhuǎn)換后,存入微機(jī)硬盤。2.取樣:回放存盤像,避開大血管,選擇像中肝實(shí)質(zhì)紋理最清晰的區(qū)域作為取樣區(qū),大小為3232個(gè)像素點(diǎn)。3.計(jì)算平均灰度(MG):將取樣區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度值累加后求算術(shù)平均值。MG為平均灰度;m,n為取樣區(qū)域的長(zhǎng)和寬,m=n=32;k為橫坐標(biāo),k=1,2,32;l為縱坐標(biāo),l1,2,32;x(

10、k,l)為取樣區(qū)域中,坐標(biāo)為(k,l)的點(diǎn)的灰度值4.四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算絕對(duì)不均勻度(HS):將取樣區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的灰度值與其上、下、左、右四個(gè)鄰接點(diǎn)的灰度值相減,將差的絕對(duì)值作算術(shù)平均后再求和。HS為四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算的絕對(duì)不均勻度;m=n=32;k=1,2,32;l=1,2,325.直方算法計(jì)算絕對(duì)不均勻度(HH):將取樣區(qū)的平均灰度與取樣內(nèi)各點(diǎn)灰度值的差取絕對(duì)值后求和。其中HH為用直方算法算得的絕對(duì)不均勻度;m=n=32;k=1,2,32;l=1,2,3226.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:對(duì)兩種絕對(duì)不均勻度與平均灰度之間的關(guān)系作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果一、正常肝組平均灰度與絕對(duì)不均勻度測(cè)值見(jiàn)表1。項(xiàng)目3.5 MHz探頭

11、5.0 MHz探頭平均灰度(MG)719658四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算的絕對(duì)不均勻度(HS)48226444030581直方算法計(jì)算的絕對(duì)不均勻度(HH)8449105974781101 二、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析經(jīng)相關(guān)和直線回歸分析,發(fā)現(xiàn)在兩種探頭的條件下平均灰度與絕對(duì)不均勻度之間都存在著直線相關(guān)關(guān)系(表2)。 表2絕對(duì)不均勻度與平均灰度之間的相關(guān)系數(shù)和直線回歸方程計(jì)算方法3.5 MHz探頭5.0 MHz探頭相關(guān)系數(shù)直線方程相關(guān)系數(shù)直線方程四鄰接點(diǎn)算法0.697,P0.001*Y50X+12900.765,P0.001*Y51X+602直方算法0.843,P0.001Y99X+14270.844,P0.001Y

12、110X+318 注:*Y為四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算的像的絕對(duì)不均勻度,Y為直方計(jì)算的像絕對(duì)不均勻度,X為平均灰度 三、四鄰接點(diǎn)和直方兩種算法計(jì)算相對(duì)不均勻度(HSR,HHR)由于絕對(duì)不均勻度與平均灰度之間存在著直線相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明絕對(duì)不均勻度依然沒(méi)有擺脫灰度的影響,而是隨著灰度的變化而變化。換句話說(shuō),同一個(gè)人肝實(shí)質(zhì)的絕對(duì)不均勻度不是恒定的,而是隨著超聲儀的增益調(diào)節(jié)而變化的,這顯然不能滿足肝紋理定量的要求。為了去除灰度變化對(duì)紋理參數(shù)的影響,需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的紋理參數(shù)。由于統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)證明絕對(duì)不均勻度與平均灰度是一對(duì)線性相關(guān)的變量,而在直線方程中,斜率是不受變量影響的常量,如果用斜率作為肝實(shí)質(zhì)紋理新的參數(shù),那

13、么該參數(shù)將不再象絕對(duì)不均勻度那樣受平均灰度變化的影響,而能很大程度地保持恒定,這將是一個(gè)較理想的紋理參數(shù)。由此可得新的紋理參數(shù)相對(duì)不均勻度的計(jì)算公式為:相對(duì)不均勻度(絕對(duì)不均勻度回歸直線截距)/平均灰度用四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算的相對(duì)不均勻度記為HSR,用直方算法計(jì)算的相對(duì)不均勻度記為HHR,其具體計(jì)算公式見(jiàn)表3。表3相對(duì)不均勻度的計(jì)算公式計(jì)算方法3.5 MHz探頭5.0 MHz探頭四鄰接點(diǎn)算法HSR(HS1290)/MGHSR(HS602)/MG直方算法HSR(HH1427)/MGHHR(HH318)/MG 四、根據(jù)以上公式,計(jì)算正常肝組和脂肪肝組的相對(duì)不均勻度,結(jié)果見(jiàn)表4、5。五、將脂肪肝組與正常

14、肝組相應(yīng)的相對(duì)不均勻度值作t檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表6。 計(jì)算方法3.5 MHz探頭5.0 MHz探頭四鄰接點(diǎn)算法(HSR)506526直方算法(HHR)9981109 計(jì)算方法3.5 MHz探頭5.0 MHz探頭四鄰接點(diǎn)算法(HSR)375306直方算法(HHR)896959 表6脂肪肝組與正常肝組相應(yīng)的相對(duì)不均勻度值t檢驗(yàn)結(jié)果計(jì)算方法3.5 MHz探頭5.0 MHz探頭t值P值t值P值四鄰接點(diǎn)算法(HSR)10.280.00114.430.001直方算法(HHR)6.600.0016.930.001 討論在超聲診斷中肝實(shí)質(zhì)超聲紋理不均勻度缺乏定量指標(biāo),一直是憑眼觀察,由人的主觀判斷決定,準(zhǔn)確性較差。

15、本研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)紋理分析的方法,根據(jù)正常肝實(shí)質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)以及脂肪肝的病理變化,提出四鄰接點(diǎn)算法。經(jīng)臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在使用兩種探頭的條件下,由回歸直線方程得出的相對(duì)不均勻度(HSR)都能較好地反映正常肝與脂肪肝的肝實(shí)質(zhì)不均勻度,t檢驗(yàn)證實(shí)HSR能將不同的臨床資料區(qū)分開來(lái)(P0.01),是一個(gè)反映肝實(shí)質(zhì)紋理粗細(xì)的良好的定量指標(biāo),這也證實(shí)了四鄰接點(diǎn)算法的設(shè)計(jì)思想。通過(guò) 3.5 MHz和 5.0 MHz兩種探頭的研究結(jié)果對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)使用 3.5 MHz探頭時(shí),兩種算法正常肝組與脂肪肝組相對(duì)不均勻度的均值差異比使用 5.0 MHz探頭時(shí)小(表7),這是由于 3.5 MHz探頭的成像分辨力低于 5.0 M

16、Hz探頭造成的。因此,建議在研究如肝實(shí)質(zhì)等細(xì)小單位結(jié)構(gòu)臟器的超聲紋理時(shí),應(yīng)盡可能使用高頻探頭。表7不同探頭正常肝組和脂肪肝組間相對(duì)不均勻度均值差異的比較計(jì)算方法3.5 MHz5.0 MHz四鄰接點(diǎn)算法1322直方算法1015 在以往的超聲像分析中,灰度直方是一個(gè)得到公認(rèn)并被廣泛應(yīng)用的算法,然而灰度直方最大的不足就是不能反映像素點(diǎn)的排列特征。直方的變化與像素點(diǎn)的位置無(wú)關(guān),一旦取樣區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的數(shù)目和灰度值確定,其直方就確定,任意變換取樣區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的位置,雖然可以組成許多不同的紋理或案,但直方卻不能反映這種變化。本研究用直方作為對(duì)照,在兩種方法的取樣人群和取樣點(diǎn)完全相同的條件下,由于四鄰接點(diǎn)算法從肝

17、實(shí)質(zhì)的超聲紋理特征出發(fā),反映了肝實(shí)質(zhì)點(diǎn)狀回聲的排列特征,因而正常肝組與脂肪肝組的相對(duì)不均勻度均值差異較直方明顯(表7),相對(duì)不均勻度的穩(wěn)定性較直方好。雖然直方算法也能大致將正常肝與脂肪肝區(qū)分開來(lái)(P0.01),但從9例典型脂肪肝(5.0 MHz探頭)的計(jì)算中發(fā)現(xiàn),在脂肪肝超聲遠(yuǎn)場(chǎng)明顯衰減的情況下,四鄰接點(diǎn)算法計(jì)算的相對(duì)不均勻度(HSR)明顯下降(9例的HSR均值為 25.5,明顯低于脂肪肝組的均值 30.0),與臨床診斷相符,而直方算法計(jì)算的相對(duì)不均勻度(HHR)則高于超聲遠(yuǎn)場(chǎng)衰減不明顯的患者(9例的HSR均值為 98.0,明顯高于脂肪肝組的均值 95.0),與臨床診斷不符。這從算法上也可解釋

18、:脂肪肝的聲衰減造成了近場(chǎng)亮、遠(yuǎn)場(chǎng)暗的灰度梯度,由于這個(gè)梯度是連續(xù)的,因此取樣區(qū)內(nèi)也存在灰度梯度,即取樣區(qū)內(nèi)靠近探頭的部分亮,遠(yuǎn)離探頭的部分暗;而直方在提取不均勻度時(shí)只是將取樣區(qū)的平均灰度與取樣區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的灰度值相減后取絕對(duì)值,這就將這種由聲衰減造成的灰度梯度混進(jìn)了肝紋理的不均勻度,使相對(duì)不均勻度的值升高;四鄰接點(diǎn)算法是依據(jù)正常肝與脂肪肝的組織結(jié)構(gòu)和超聲紋理特征設(shè)計(jì)的,在提取不均勻度時(shí)只考慮取樣點(diǎn)與鄰接點(diǎn)的灰度差,當(dāng)脂肪肝出現(xiàn)聲衰減時(shí),雖然靠近探頭的取樣點(diǎn)亮,但其鄰接點(diǎn)也較亮;遠(yuǎn)離探頭的取樣點(diǎn)暗,但其鄰接點(diǎn)也較暗。這使取樣點(diǎn)與鄰接點(diǎn)的灰度差不受聲衰減造成的灰度梯度的影響,使四鄰接點(diǎn)算法提取的不均勻度依然能反映肝實(shí)質(zhì)的紋理情況。綜上所述,由于依據(jù)了正常肝與脂肪肝的組織結(jié)構(gòu)和超聲紋理特征,因此四鄰接點(diǎn)算法能比直方算法更準(zhǔn)確地反映肝實(shí)質(zhì)的超聲紋理變化,又因?yàn)樵谥笜?biāo)選取上選用了相對(duì)數(shù),所以指標(biāo)HSR受灰度