基于图像处理技术的医学曲线数字化方法研究及实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.91MB 45 页 15积分

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摘要

常用的医学曲线包括心电图、脑电图、肌电图等，是临床上对于疾病诊断和

病理评估的重要参考指标。心电图更是诊断危害人类健康的第一大杀手——心脑

血管疾病的重要依据，随着计算机技术的疾速发展和医院信息管理系统的普及应

用，有必要把传统图纸形式记录的心电曲线转换成为数字化和数值表达的形式，

以便数字化存储、检索、传输和管理，从而更好地为临床诊疗及教学科研服务。

基于图像处理技术，本论文致力于医学曲线中心电图数字化和数值读取方法

的研究。论文首先探讨了医学曲线数字化的背景和发展现状，接下来提出了心电

波形曲线的提取检测和细化方法，并对扫描图纸的倾斜度校正问题、ECG 二值波

形曲线的数值读取问题和读取曲线数值后的相关处理问题进行了探索性研究，最

后对 ECG 波形数据的标准存储格式进行了介绍。

基于图像处理技术的心电图数字化和数值读取方法能有效地把既有心电图纸

数字化并形成标准的心电存储格式，这具有非常重要的临床实用价值和意义。本

文提出的方法和技术为今后建立高级 ECG 工作站和 ECG 数据库尤其是功能全面

的医学网络信息交流平台和远程医疗系统提供了技术基础。

关键字：心电图曲线数字化图像处理技术高斯模糊 Hough 变换

ABSTRACT

Commonly used medical curves including ECG (electrocardiogram), EEG

(electroencephalogram), and EMG (electromyogram), etc., are the important reference

index for clinical diagnosis and pathologic assessment. ECG takes the role of an

important basis for diagnosis of the biggest killer of human’s health - cardiovascular and

cerebrovascular disease. With the rapid development of computer technology and the

popularity of hospital information management system applications, it is necessary to

convert the ECG curves recorded in traditional forms of drawings into the digital and

numerical expressing form, in order to digitally store, retrieve, transmit and manage,

and to provide better services for clinical treatment teaching and research.

Based on image processing technology, this paper concentrates on researches of

ECG curves digitization and numerical value reading method in medical curves. The

background and the present development of the medical curves digitization are explored

at first, ECG wave detection and thinning methods are proposed next, then problems of

the inclination correction of scanned drawings, the numerical reading of the binary ECG

waveform curves, and related post-processing of the obtained values after numerical

reading are investigated and studied in sequence. Finally, the standard ECG waveform

data storage format is described.

ECG digitization and numerical value reading method based on image processing

technology could effectively digitalize present ECG drawings, and form a standard ECG

store format, which is of very important clinical value and significance. Methods and

techniques presented in this paper provide a technical basis for a future high-level ECG

workstation establishment and ECG databases, especially for full-featured medical

network information communication platform, and telemedicine system.

Keywords: ECG, curves digitization, image processing, gaussian blur,

hough transform

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

1.1 概述 ......................................................... 1

1.2 信息数字化提取的一般原理和技术 ............................... 2

1.3 课题研究内容 ................................................. 3

第二章 ECG 曲线数字化的一般过程及原理 ................................ 5

2.1 引言 ......................................................... 5

2.2 ECG 图纸的图像数字化与位图存储格式 ............................ 6

2.3 ECG 图纸扫描图像的特点及示例 .................................. 7

2.4 本章小结 ..................................................... 9

第三章 ECG 记录曲线的波形图像检测技术 ............................... 10

3.1 基于高斯模糊的波形图像检测 .................................. 10

3.1.1 彩色图和灰度图的转换方法 ............................... 10

3.1.2 高斯模糊 ............................................... 11

3.1.3 图像灰度直方图和 Ostu 二值化 ............................ 11

3.1.4 ECG 曲线提取 ........................................... 12

3.1.5 波形曲线的细化 ......................................... 13

3.1.6 曲线提取实验 ........................................... 15

3.2 HSI 空间曲线检测技术 ......................................... 17

3.2.1 HSI 空间曲线检测原理和算法 ............................. 18

3.2.2 HSI 空间曲线检测算法 ................................... 19

3.2.3 HSI 空间曲线检测实验结果 ............................... 19

3.3 本章小结 .................................................... 21

第四章 ECG 记录曲线数值的数字化读取 ................................. 23

4.1 引言 ........................................................ 23

4.2 ECG 曲线图像倾斜度校正 ....................................... 23

4.2.1 Hough 变换基本原理 ..................................... 23

4.2.2 ECG 曲线图像倾斜校正 ................................... 24

4.3 坐标系选择和 ECG 曲线数值读取 ................................ 27

4.4 ECG 曲线读取后处理 ........................................... 28

4.5 本章小结 .................................................... 29

第五章 ECG 曲线的存储 ............................................... 30

5.1 MIT-BIH 格式以及标准心电数据库 ............................... 30

5.2 SCP-ECG 协议和格式简介 ....................................... 31

5.3 HL7 心电图注释标准 HL7-aECG .................................. 32

5.4 DICOM Waveform 及其文件和数据组织 ............................ 33

5.4.1 DICOM 波形文件结构 ..................................... 34

5.4.2 DICOM Waveform 的显示浏览 .............................. 35

5.4 本章小结 .................................................... 36

第六章总结和展望 ................................................... 37

6.1 本论文工作总结 .............................................. 37

6.2 未来研究展望 ................................................ 37

参考文献 ............................................................ 39

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 42

致谢 ................................................................ 43

第一章绪论

1.1 概述

工程科学中存在各种各样的技术曲线，其中包括医学曲线、工程曲线、气象

曲线、地质曲线等等。他们一般都是二维曲线，且多以纸张形式存储，存在着管

理复杂、存储不方便、不容易进行数字化分析处理等特点。随着计算机和信息技

术的发展，以及在研究和科学分析领域大批量、自动化进行数据处理和分析等客

观需求的推动下，目前对各类工程曲线图像进行数字化以便进行全方位数字化管

理的呼声愈来愈迫切，同时对工程技术曲线的数字化提出了越来越高的要求。

实际上，把一般工程技术曲线数字化既有利于保存和管理，又有利于后期处

理、统计和研究。因此，国内外很多专家在各自所属应用领域都做了不少相关研

究和探索。比如在测井曲线数字化方面，中国石化集团杨运洲设计的测井曲线数

字化软件，已经推广到部分油区使用[1]；青岛海洋地质研究所开发的超高分辨率地

层灰度曲线扫描与处理系统成功实现了对岩心灰度曲线的数字化[2]；余艳梅等基于

图像处理和模式识别等理论设计并开发了一套测井曲线智能数字化系统，提出了

一种基于局部和整体相结合的实线智能识别算法和一种基于形态学预处理和自适

应参数调整的虚线智能识别算法[3]。关于各种曲线信号的数字化工作也引起了许多

研究人员的注意[4,5,6,7] 。

在生物医学领域，心血管疾病是危害人类生命健康的重要疾病之一，心电图

（ECG，Electrocardiogram）、脑电图（EEG，Electroencephalogram）等医学曲线是

当今诊断心脑血管疾病以及其他许多疾病的重要手段。对医学曲线的研究一直是

生理学、病理学以及生物医学工程等学科领域的重要工作。随着互联网技术的发

展和医院信息系统（HIS，Hospital Information System）的广泛应用，临床与医技

各部门之间的联系不仅仅局限于人工分析报告或单一的文字描述，对以文本、声

音、图像等多种形式的数字化多媒体信息的依赖日益增强[8]。目前，为了提高临床

医学信息的管理效率，各种管理数据库已经被大量研究和应用[9,10]。由于以前的医

学曲线多是以纸张为介质并采用“档案式”管理模式，资料容易破损、色彩褪变，

且存在管理繁琐等弊端，难以查询和维护，不便于与医院信息化数据库连接和集

成。为了解决这个问题，有必要对医学曲线进行数字化研究以深化医院数字化、

信息化进程的发展。

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摘要：

摘要常用的医学曲线包括心电图、脑电图、肌电图等，是临床上对于疾病诊断和病理评估的重要参考指标。心电图更是诊断危害人类健康的第一大杀手——心脑血管疾病的重要依据，随着计算机技术的疾速发展和医院信息管理系统的普及应用，有必要把传统图纸形式记录的心电曲线转换成为数字化和数值表达的形式，以便数字化存储、检索、传输和管理，从而更好地为临床诊疗及教学科研服务。基于图像处理技术，本论文致力于医学曲线中心电图数字化和数值读取方法的研究。论文首先探讨了医学曲线数字化的背景和发展现状，接下来提出了心电波形曲线的提取检测和细化方法，并对扫描图纸的倾斜度校正问题、ECG二值波形曲线的数值读取问题和读取曲线数值后的相关...

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