基于混沌理论的医学超声影像处理研究

段亚玲＊，陈军

(甘肃中医药大学定西校区, 甘肃 定西,743000)

基金项目：定西师范高等专科学校 “基于混沌理论的医学影像处理” 项目。

基于混沌理论的医学超声影像处理研究

段亚玲＊，陈军+

(甘肃中医药大学定西校区, 甘肃 定西,743000)

基金项目：定西师范高等专科学校 “基于混沌理论的医学影像处理” 项目。

文章从基于混沌理论的医学超声影像处理研究的意义、国内外研究现状、动态、拟采取的研究方法、技术路线、研究的目、内容、可行性及解决的关键问题等方面进行了探讨研究。

混沌理论：医学影像：图像处理：算法：非线性动力学

神经网络中的混沌现象在医学、生物系统和模式识别等众多领域得到广泛的应用[1-5]。随着新型医疗成像仪器不断涌现，临床诊断中出现超声图像在疾病的诊断及选择治疗方法方面起决定性的作用，现代医学越来越离不开图像提供的信息[6-8]。因此，使用超声医学影像处理技术，快速、准确地将超声医学图像中的病变区域检测出来。该研究对医学图像处理的理论和实践具有重要现实的意义，对辅助医生进行超声医学图像临床诊断具有重要价值。

1 、国内外研究现状及发展动态

国外，自二十世纪六十年代，学者们在非线性系统尤其是混纯方面取得的研究成果是十分可喜的。揭示非线性系统中存在着混纯现象，它存在于反馈控制系统、自适应控制系统、数字控制系统以及神经网络系统中。在生物医学中，混沌流行病学正在形成。如，脑电混沌态、兴奋性神经元的吸引子结构、心脏心室纤维性颤动的混沌、生化中受迫布鲁塞尔振子的混沌，糖酵解中的混沌和蛋白质等生物大分子的混沌等。总之，人体生理中充满了混沌现象[1-4]。

国内，部分学者对混沌信号检测方法的初步研究之后，又利用统计原理对幅值和相位的检测进行研究等表明对混沌医学应用的研究仍处于探索阶段[6-8]。混纯理论揭开了数学、物理学乃至整个现代科学的新篇章，同时它也在确定论与概率论间架起了桥梁。

2 、研究的内容与目标

2.1 研究的内容

图像分割在医学超声图像的定量、定性分析中均扮演着重要的角色，它直接影响到后续的处理与分析工作。针对医学超声图像的特点，结合图像处理技术，在图像分割的基础上研究了医学超声图像的处理技术。首先，介绍B超、超声图像的格式、超声图像的采集、超声图像的特点等医学超声图像的相关知识。其次，应用直方图技术、大尺度中值滤波、自适应中值滤波、局部统计滤波等超声图像预处理方法，对超声图像噪声抑制研究。最后，在分析了大量的医学超声图像和借鉴传统图像处理方法的基础上，研究了医学超声图像处理技术。采用纹理分析、边缘检测、阈值分割、区域生长及活动轮廓模型等方法对医学超声图像进行实验处理研究。并对基于模糊集、神经网络和数学形态学等多学科理论的处理方法进行了有益的探索[9-12]。

2.2 研究的目标

构建基于混沌动力学模型的医学超声图像处理模型；三维医学超声图像可视化系统重建；针对医学超声图像自身的特点，寻找出能够提取更多描述图像内在特征的方法，并结合基于模糊集、神经网络和数学形态学等多学科理论的处理方法对其进行操作，最终构建出能适用于其技术。

3 、拟解决的关键问题

3.1 提高边缘特征区分效果

本研究采用混沌动力学理论解决边缘特征的问题。分割算法对增强后的图像进行了图像分割，并结合模糊C均值聚类分割算法，采用经典的分割图像评价测度对各分割后的图像进行了质量评价，从中获取有用信息，以便进一步用作处理。

3.2 确定最佳模式参量

人工神经网络模式分类在图像识别中有其优越性，图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，再进行特征提取和分割，进而按一定的判据进行判决分类。采用合理算法，通过不断地迭代直到信息收敛，使轮廓过渡自然，阴影纹理比较丰富，具有立体性。

设神经元 i被认为是输入/输出设备，输出V i作 为输入 u i的 函数即是激活函数，则有

通过求能量函数的问题的解

在任一t时刻，能量函数为

这里，惩罚项 Ft( V ) 为

式中，a 和 b 是正的常数P( V, W)是向量 V 和 W 相似程度的度量即相似函数，当V = W 时， P ( V, W )最大。惩罚项中的指数项是为了防止积分增加到无穷大，并且对于已访问过的状态，再次搜索间隔的时间越短，惩罚项的值也越大，则快速脱离局部极小点，可达到选择更好的参量。

4 、研究方案及可行性分析

4.1 研究方法

依据国内外已有影像处理的基础性研究情况，建立非线性动力学方程模型，从对比现有分割算法对增强后的方法入手，针对医学超声图像的特点，对已有的医学超声图像增强算法进行研究，并采用各算法对超声图像进行了实验验证和处理效果比较。针对某些算法的优缺点，探讨基于免疫遗传算法的适配模板滤波处理算法。获得优质的增强图像后，再采用各种现有的分割算法对增强后的图像进行了图像分割处理，确立基于其医学超声影像处理的优化模型。

具体方法为：文献研究法。参考相关文献和有关学术报告，综述而提出观点；信息分析法。对调查取得的资料进行汇总与分析，求同存异；对比分析法。实验与仿真相结合，对比分析结果，解决问题；实验分析法。对总结和修改后的算法进行实验，并分析其特点。

4.2 技术路线

拟采取的技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

4.3 可行性分析

4.3.1 混沌理论在生物学、生理学、心理学、数学、物理学、化学、电子学、信息科学、天文学、气象学、经济学、音乐、艺术等不同领域中得到了应用。在非线性数学建模、数值模拟以及试验研究等方面积累了较为丰富的经验。

4.3.2 神经元混沌的动力学模型描述

本研究所选取的外部正弦激励的禁忌学习神经元模型方程为：

这里，C、R、a 、a 和 b 是都是正常数，I是外部输入量。

4.3.3 计算机内存与外围设备的快速发展推动了计算非线性动力学研究的深广度。在如信息、通信等领域取得了较大的成功。

4.3.4 改进算法与医学超声图像的结合 将改进后的算法与医学超声图像相结，由于基于灰度直方图特征提取方法、基于灰度共生矩阵特征提取方法的部分医学超声图像的全局特征与局部特征体征提取技术均较为成熟，我们可从此类特征提取方法入手，利用相关的降维方法处理后与改进后算法结合，可以取得较为理想的结果，结合其他特征提取手段或降维方法进行改进，使得整个项目在按期顺利完成的同时达到预期的目的。

5 、结语

超声医学影像处理技术，快速、准确地将超声医学图像中的病变区域检测出来。该研究对医学图像处理的理论和实践具有重要现实的意义，对辅助医生进行超声医学图像临床诊断具有重要价值。

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Research of Medical ultrasound Image Processing Based on Chaos Theory

Duan Ya-ling, Chen Jun

( Dingxi Campus,GanSu University of Chinese Medicine, Dingxi Gansu 743000, China)

This paper studies the significance of medical ultrasound image processing based on chaos theory, research status at home and abroad, dynamic, the methods, the research method and technical route, the purpose and content, feasibility and solve the key problems of the research.

chaos theory;medical ultrasound image;image processing;algorithm;nonlinear dynamics

TP391.4

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