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皮肤纹理

发布时间:2023-06-16 作者:admin 来源:文学

皮肤纹理

皮肤纹理

-

2023年3月19日发(作者:445445)

doi:10.3969/j.issn.10077146.2018.01.003

人体皮肤的双光子图像纹理特征提取方法

刘高强,李吉春,林海洪,余浩天,陈冠楠

(医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建省光子技术重点实验室,福建师范大学,福建福州350007)

摘 要:近年来通过计算机技术对瘢痕实现无损诊断的研究进展迅速,其对瘢痕图像纹理特征的量化分析得

到了很好的诊断效果。在这个过程中出现了很多纹理描述方法,这些方法的提出也促进了纹理研究的发展。

本文在对灰度共生矩阵(GLCM)、局部三值模式(LTP)等统计纹理分析方法进行介绍的情况下,在瘢痕图像上

利用梯度迭代回归树算法给出了不同方法的实验结果,得到了不同方法的回归模型。这些模型的性能体现在

对不同年龄瘢痕的预测能力,其中局部差异局部二值模式(LDLBP)和局部方向三值模式(LOTP)得到的模型预

测能力最好,说明它们是目前对瘢痕图像纹理描述比较准确的方法之一,同时表明统计纹理分析方法适合用于

瘢痕图像的纹理研究。

关键词:皮肤瘢痕;纹理特征;特征量化;局部描述子

中图分类号:Q631

文献标志码:A

文章编号:10077146(2018)01001605

TextureFeatureExtractionofTwophotonImageofHumanSkin

LIUGaoqiang,LIJichun,LINHaihong,YUHaotian,CHENGuannan

(KeyLaboratoryofOptoelectronicScienceandTechnologyforMedicineofMinistryofEducation,FujianProvincialKey

LaboratoryofPhotonicsTechnology,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,Fujian,China)

Abstract:Inrecentyears,therapidprogressofnondestructivediagnosisofscarhasbeenachievedbycomputertech

nology,andthequantitativeanalysisofscarimagetexturehasbeenwelldiagnosed.Inthisprocesstherehavebeen

manytexturedescriptionmethods,theproposedmethodalsocontributedtothedevelopmentoftextureresearch.Inthis

paper,weintroducetheexperimentalresultsofdifferentmethodsonthescarimagebyusingthegradientiterativeregres

siontreealgorithm,andgettheregressionmodelofdifferentmethodsinthecaseofgraylevelcooccurrencematrix(GL

CM)andlocalternarypattern(LTP)statisticalanalysismethods.Theperformanceofthesemodelsisreflectedinthea

bilitytopredictthescarsofdifferentages.Thelocaldifferencelocalbinarypattern(LDLBP)operatorandthelocalori

entationternarypattern(LOTP)operatorhavethebestpredictorsofthemodel,whichshowsthattheyareoneofthemost

accuratemethodsfordescribingthetextureofscarimages.Thestatisticaltextureanalysismethodissuitableforthetex

turestudyofscarimages.

第27卷第1期

2018年2月

激 光 生 物 学 报

ACTA LASER BIOLOGY SINICA

Vol.27No.1

Feb.2018

收稿日期:20170507;修回日期:20171222

基金项目:福建省自然科学基金面上项目(2010J05130);福建省科技创新人才项目(2016B011);国家教育部创新团

队发展计划项目(IRT15R10);福建省科技厅光电传感应用工程技术研究中心开放课题

作者简介:刘高强(1992-),男,汉族,江西省赣州市人,硕士研究生,主要从事数字图像处理研究。(电子邮箱)

1171218915@qq.com

通讯作者:陈冠楠(1980-),男,汉族,福建省福州市人,教授,主要从事医学图像处理研究。(电子邮箱)edado@

fjnu.edu.cn

Keywords:skinscar;texturefeatures;featurequantification;localdescriptor

瘢痕是皮肤组织遭受烧伤、手术、深度割破等较

为严重的损失后,由皮肤组织无法完全正常自行修

复的结果,由此可以看出瘢痕是人类的一种普遍的

病症[1]。有的时候瘢痕会出现在经常裸露在外面的

比较明显的位置,比如脸部或者手部,这样的瘢痕就

很容易影响美观,严重的会对病人的身心健康造成

巨大影响。目前对皮肤瘢痕的研究有很多,不同类

型的瘢痕有不同的治疗方法[2]。传统的治疗方法对

皮肤本身都有损伤并且恢复时间长,容易产生不良

反应,目前利用计算机技术逐渐实现了对瘢痕的无

损诊断方法。利用数字图像处理技术对瘢痕图像进

行处理,得到瘢痕随不同因素变化的特征,增加了医

生对瘢痕的机制了解,然后选择合理的治疗

方式[34]。

双光子二次谐波显微技术拥有独特的成像优

势,可以为生物组织的初期无损诊断提供有效合理

的手段[5]。双光子二次谐波使用了超快激光脉冲和

聚焦焦点中的生物组织互相作用形成倍频的相干辐

射光作为成像信号,能够对探求生物组织长时间的

动态特性提供帮助[68]。目前基于二次谐波显微成

像技术的研究很多没有使用定量的方法,而且医学

图像中又包含了许多与病理相关的复杂信息,所以

利用计算机技术去分析医学显微图像具有重要的价

值。生物医学中计算机技术降低了由工作人员主观

因素带来的干扰,也降低了人力和物力成本,可以提

高诊断的准确率。探究图像的纹理特点可以获得组

织结构之间的区别和联系,便于科研人员对病症进

行诊断以及治疗。本文主要就近年来常用的瘢痕无

损诊断方法进行介绍,其中重点介绍统计纹理分析

方法,得到瘢痕随着年龄的增长具有不同的特征。

1 皮肤的双光子图像

本文使用的人体瘢痕样本都是来自医院的病

人,经过病人同意后用来做科学实验。在人体组织

的研究中,我们严格按照政府的规章制度进行实验。

不同年龄的瘢痕被医生搜集起来,这些瘢痕是来自

剖腹产女性病人的腹部,瘢痕的年龄各有不同,分别

是2年、4年、8年、15年、21年和40年。病人的年龄

也不一样,范围是从25岁到58岁。每一种年龄的

瘢痕生产15张图像,一共提取到90张瘢痕的胶原

二次谐波图像。瘢痕的胶原纹理会随着瘢痕的年龄

和病人的年龄变化而变化,但是瘢痕的年龄对胶原

纹理的影响更为显著。在本文的研究中,瘢痕胶原

纹理的形态学变化主要聚焦于瘢痕的年龄,因为每

个年龄的瘢痕都包含了不同年龄的患者,这样就可

以适当消除病人年龄带来的影响。瘢痕的组织样本

在被搜集之后,马上用零下196度的液态氮冷藏,这

是不破坏样本的组织结构。在成像之前,瘢痕组织

被切割成100厚,并且装于密闭的透明袋子中。

瘢痕的胶原二次谐波图像可以用ZeissLSM510

META显微系统获得,这种系统产于德国,具有作用

于810nm的钛合飞秒激光器。系统主要包括三个

模块,分别是一个激励光源、一个成像探测系统和一

个高透视的嵌入式显微镜,这个显微镜利用双光子

的非线性光学成像。二次谐波图像具有很高的方向

性,因为它涉及到相关干涉原理,所以它拍摄的照片

能比荧光图像更清晰[9]。本文使用的图像来自于样

本的横切面部分,这个部分包含了从表皮到真皮部

分的不同的组织结构。表皮和潜层真皮中可能会包

含有正常的皮肤组织,这会对实验的精确性造成影

响[10]。因此,成像的时候随机选取深层真皮的部分

来进行分析。深层真皮处于表皮以内600以下的地

方,这样可以保证实验的准确率。一张瘢痕胶原二

次谐波图像最后会生产标准的的图像,部分图像如

图1所示,图像的年龄分别为2(a)、4(b)、8(c)、15

(d)、21(e)、40(f)。

图1 不同年龄的瘢痕图像

Fig.1 Scarimagesofdifferentage

2 纹理特征提取方法

纹理是物体表面的一种属性,是人类视觉对物

71

第1期 刘高强等:人体皮肤的双光子图像纹理特征提取方法

体的一种描述和识别[11]。目前纹理并没有一个权

威的定义,但是有很多学者在对如何定义纹理这个

方面在做出大量研究的基础上提出自己的观点[12]。

纹理是复杂的并且具有很多重要的性质,单个像素

是不可能构成纹理的,纹理的多样性是由分布的多

样性构成的。在不同的分辨率或者尺度中纹理都是

可以被感知的,不同尺度下纹理区域的描述是不

同的[13]。

过去多年的图像纹理研究中出现了很多种类的

纹理特征提取算法,不同的历史阶段存在着不同的

分类算法,但是经典并且流行的就是四类分类算法:

统计纹理分析方法、结构纹理分析方法、频谱纹理分

析方法和模型纹理分析方法[14]。在皮肤瘢痕的纹

理研究中主要用到的是统计纹理分析方法,因为此

类方法大部分对纹理的描述都比较精确,并且参数

少,实现简单[15]。

2.1 灰度共生矩阵

灰度共生矩阵(graylevelcooccurrencematrix,

GLCM)是纹理研究中的经典方法,在很多领域的纹

理描述中都有很好的效果。空间中的灰度的重复出

现生成了纹理,所以研究图像空间里的间隔某一距

离的像素对之间的灰度关系,可以得到图像的纹理

特征,这种图像像素的灰度关系就是灰度的空间相

关性。GLCM就是以这种思想为基础应用于分析纹

理特征问题的方法,这一方法描述了图像上像素对

的方向变化的特点。常提取的特征包括能量、逆差

矩、相关度与对比度等等。简单说来就是统计图像

中像素对出现的频率,像素对的选取可以自己定义,

统计完后不同的像素对值得归一化概率组成了最后

的灰度共生矩阵。

2.2 二元梯度轮廓

二元梯度轮廓(binarygradientcontour,BGC)也

是一种纹理描述子,一共有三种不同的编码方式,由

于效果有些差异,所以我们选择效果较好的第一种

BGC1进行介绍[19]。BGC1也是作用于邻域,但是不

考虑中心像素点的影响,只是围绕着中心像素对相

邻像素进行比较,公式如下:

S(x

,x

,t)=

1,x

>x

0,x

x{

(1)

2.3 局部三值模式

局部三值模式(localternarypattern,LTP)是由局

部二值模式(localbinarypattern,LBP)扩展而来,局

部三值模式作为图像局部对比度的互补算法,与局

部对比度一起表征图像局部的空间特征,具有良好

的纹理识别性能[16]。

基本的LTP算子是利用图像上的每个像素的邻

域窗口内的像素来进行纹理描述的。其基本公式如

式1所示:

S(x

,x

,t)=

1,x

+t

0,

-x

<t

-1,x

{-t

i=1,2,…,8

(2)

是邻域的中心像素的灰度值,X

指邻域内除

了中心像素之外的值,t是邻域的阈值,取值视具体

应用而定。

当阈值为5时,邻域窗口内的LTP值得计算方

式如图所示:

图2 LTP算子的计算例子

Fig.2 ExampleofLTPoperatorestimation

为了编码方便需要将标记数变成二进制数,即

生成上模式和下模式。上模式就是将标记数中的-1

变成0,其他数值不变,即11000000。下模式就是将

标记数中的1变成0以及-1变成1,即00001100。最

后上模式与下模式进行按位求“或”运算得到最终的

二进制编码数11001100。二进制数转化成十进制

数,这个就是邻域窗口的中心像素点的LTP值。

2.4 改进局部三值模式

改进局部三值模式(improvedlocalternarypat

terns,ILTP)是在原来LTP算子的基础上改进而来

的[17]。ILTP的区别在于考虑了邻域的中心像素信

息,是对LTP算子信息的补充。具体计算过程就是

用邻域内9个像素值与其均值进行比较,公式如下:

S(x,x

,t)=

1,x

x+t

0,

-x

<t

-1,x

{

x-t

i=1,2,…,9

(3)

x就是对应邻域内的均值,之后的编码方式与

LTP算子类似。

81

激 光 生 物 学 报 第27卷

2.5 局部方向三值模式

局部方向三值模式(localorientationternarypat

tern,LOTP)是最新提出来的纹理描述子,目的就是

更好地描述皮肤瘢痕纹理的特征[18]。LOTP算子弱

化了中心像素的核心作用,增强了邻域像素之间的

差异对纹理特征的影响,更能够保留邻域内的梯度

信息,为特征提取做准备,具体的公式如下:

P(S

,S

,S

,t)=

1,S

+S

-2×S

0,-t<S

+S

-2×S

<t

-1,S

+S

-2×S

{

-t

(4)

其中P(S

,S

,S

,t)是LOTP算子的编码值,t

是阈值,但是它的选取对于最后的结果影响较大。

这样一个邻域就会有6个计算值,通过大量实验得

出阈值取6个计算值均值的绝对值可以达到很好的

纹理描述效果。

2.6 局部差异局部二值模式

局部差异局部二值模式(localdifferencelocalbi

narypattern,LDLBP)增加了对中心与邻域像素灰度

值的局部差异的幅度进行编码[20],公式如下:

LD-LBP=∑p-1

p=0

H(

-g

-t)2p,H(x)=

1,x

0,x<

{

(5)

此时的阈值就是全局阈值,为整个图像的比较

均值。

3 实验分析

本文主要是利用上节介绍的纹理描述方法进行

瘢痕图像的纹理特征提取,主要提取6个Tamura纹

理特征,分别是粗糙度、对比度、方向度、规则度、线

性度和粗略度。粗糙度(coarseness)是最基本的纹理

特征,并且之前有很多科研人员对粗糙度进行了大

量的研究。计算图像固定正方形窗口的像素平均

值,窗口的边长应该是2的幂次,然后每一个点计算

对应于在水平和垂直取向上的点的相对侧上不重叠

邻域对平均值之间的差。取各个方向上最大的值作

为该点的计算值,最后统计整个图像的计算值的平

均值就是粗糙度的值。对比度(contrast)是另外一种

纹理特征,改变图像对比度最简单的方法就是拉伸

或者压缩图像的灰度范围。用图像的方差与图像四

阶矩的四次方根的比值作为图像的对比度。方向度

(directionality)与对比度类似,也是对于给定区域来

说的一种全局属性。方向度的描述包括元素的形状

和分布的规则。用水平算子和垂直算子和图像进行

卷积,分别得到水平和垂直方向的差异值,从梯度统

计直方图中计算方向度的一种方法就是计算直方图

的峰值。如果存在多峰值的情况,常用的方法就是

对波谷与波谷之间的峰值做二阶矩求和作为图像的

方向度。线性度(linelikeness)这个概念的提出主要

是关注纹理元素的形状,但是这需要给出对线性度

更详细的描述。构建一个方向共生矩阵,这个矩阵

的元素被定义为图像中沿着边缘方向看过去,为d

的距离中两个邻域元胞出现的次数。方向共生矩阵

中的值可以统计出图像的线性度。规则度(regulari

ty)是一种变量关于布局规则的属性。对以上四个特

征的标准差进行求和就可以得到图像的规则度。粗

略度(roughness)最开始是用来描述触觉纹理的特

征,而不是视觉纹理特征。广义上的粗略度就是对

粗糙度与对比度进行求和。

梯度迭代回归树(gradientboostregressiontree,

GBRT)是常用的非线性回归算法。利用成百上千颗

决策树对特征数据进行训练生成回归模型,利用当

前树的残差作为下一颗子树的初始值进行学习,最

终的回归结果由每棵子树的投票结果决定,算法的

核心就是在残差减少的梯度方向上建立模型。当达

到终止条件时残差最小,这与传统的Boosting算法对

样本进行加权有着极大的区别。在得到图像的纹理

特征后利用GBRT算法进行回归分析得到图3所示

的结果:

图3 不同方法的回归曲线

Fig.3 Regressioncurveofdifferentmethods

图3是各种方法提取出图像纹理特征后得到的

回归曲线,横坐标是瘢痕的年龄,纵坐标就是模型的

回归年龄。显然回归曲线的斜率越接近1,回归效果

越好。由实验分析可以看出,经典的GLCM算法并

91

第1期 刘高强等:人体皮肤的双光子图像纹理特征提取方法

不能很好的描述瘢痕的纹理特征,随着新算法的不

断提出,LDLBP算子和LOTP算子对瘢痕的描述效

果是比较理想的,并且算法的复杂度较低,运算时间

较短,需要调节的参数也较少,他们强化了图像的纹

理特征,使纹理特征的提取更加简单。

4 小结

本文对常用的纹理描述子进行介绍,并且在皮

肤瘢痕图像上对不同的纹理描述子进行检验,除了

GLCM之外提取6个Tamura纹理特征,最后利用

GBRT算法生成瘢痕图像的回归模型,由模型的性能

得到不同方法的准确率。LDLBP算子和LOTP算子

对瘢痕图像的纹理描述比较准确,突出了瘢痕纹理

的特点,对特征的提取有促进作用。本文介绍的方

法都是效果比较理想的统计纹理分析方法,因此统

计纹理分析方法是对瘢痕图像进行量化分析的一个

重要方向。在对特征提取算子进行改进的同时,还

可以对提取具体的纹理特征进行研究,这样能对瘢

痕图像的量化分析提供更大的帮助。

参考文献

[1] TOPOLBM,LEWISJRVL,BENVENISTEK.Theuseofan

tihistaminetoretardthegrowthoffibroblastsderivedfromhuman

skin,scar,andkeloid[J].PlasticandReconstructiveSurgery,

1981,68(2):227230.

[2] CORRDT,HARTDA.Biomechanicsofscartissueandunin

juredskin[J].AdvancesinWoundCare,2013,2(2):

3743.

[3] WARIST.Innervationofscartissueintheskinoftherat[J].

ScandinavianJournalofPlasticandReconstructiveSurgery,

1978,12(3):173180.

[4] HER,CUID,GAOF.Preparationoffluorescenceethosomes

basedonquantumdotsandtheirskinscarpenetrationproperties

[J].MaterialsLetters,2009,63(20):16621664.

[5] WILLIAMSRM,ZIPFELWR,WEBBWW.Interpretingsec

ondharmonicgenerationimagesofcollagenIfibrils[J].Bio

physicalJournal,2005,88(2):13771386.

[6] MOREAUXL,SANDREO,MERTZJ.Membraneimagingby

secondharmonicgenerationmicroscopy[J].JOSAB,2000,17

(10):16851694.

[7] FREUNDI,DEUTSCHM.Secondharmonicmicroscopyofbio

logicaltissue[J].OpticsLetters,1986,11(2):9496.

[8] BROWNE,MCKEET,PLUENA,etal.Dynamicimagingof

collagenanditsmodulationintumorsinvivousingsecondhar

monicgeneration[J].NatureMedicine,2003,9(6):

796800.

[9] STOLLERP,REISERKM,CELLIERSPM,etal.Polariza

tionmodulatedsecondharmonicgenerationincollagen[J].Bio

physicalJournal,2002,82(6):33303342.

[10] COXG,KABLEE,JONESA,etal.3dimensionalimagingof

collagenusingsecondharmonicgeneration[J].Journalof

StructuralBiology,2003,141(1):5362.

[11] OJALAT,PIETIKAINENM,MAENPAAT.Multiresolution

grayscaleandrotationinvarianttextureclassificationwithlocal

binarypatterns[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisand

MachineIntelligence,2002,24(7):971987.

[12] GRIGORESCUSE,PETKOVN,KRUIZINGAP.Comparison

oftexturefeaturesbasedonGaborfilters[J].IEEETransac

tionsonImageProcessing,2002,11(10):11601167.

[13] ZHANGD,WONGA,INDRAWANM,etal.Contentbased

imageretrievalusingGabortexturefeatures[J].IEEETransac

tionsPAMI,2000:1315.

[14] WUCM,CHENYC,HSIEHKS.Texturefeaturesforclassi

ficationofultrasonicliverimages[J].IEEETransactionson

MedicalImaging,1992,11(2):141152.

[15] HEDC,WANGL.Texturefeaturesbasedontexturespectrum

[J].PatternRecognition,1991,24(5):391399.

[16] RENJ,JIANGX,YUANJ.Relaxedlocalternarypatternfor

facerecognition[C]2014:36803684.

[17] NANNIL,LUMINIA,BRAHNAMS.Localbinarypatterns

variantsastexturedescriptorsformedicalimageanalysis[J].

ArtificialIntelligenceinMedicine,2010,49(2):117125.

[18] CHENG,LIUG,XZHU,etal.Anovelmethodfordescri

bingtextureofscarcollagenusingsecondharmonicgeneration

images[J].IEEEPhotonicsJournal,2017,9(2):

19430655.

[19] FERNáNDEZA,áLVAREZMX,BIANCONIF.Imageclassi

ficationwithbinarygradientcontours[J].OpticsandLasersin

Engineering,2011,49(9):11771184.

[20] LIUY,ZHUX,HUANGZ,etal.Textureanalysisofcollagen

secondharmonicgenerationimagesbasedonlocaldifferencelo

calbinarypatternandwaveletsdifferentiateshumanskinabnor

malscarsfromnormalscars[J].JournalofBiomedicalOptics,

2015,20(1):016021016021.

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激 光 生 物 学 报 第27卷

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