醫(yī)學圖像處理綜述

醫(yī)學圖像處理綜述墨南-初夏2010-07-2423:51:56醫(yī)學圖像處理的對象是各種不同成像機理的醫(yī)學影像。廣泛使用的醫(yī)學成像模式主要分為X射線成像(X—CT)，核磁共振成像(MRI)，核醫(yī)學成像(NMI)和超聲波成像(UI)這四類。（1）x射線成像：傳統(tǒng)x射線成像基于人體不同器官和組織密度不同。對x射線的吸收衰減不同形成x射線影像。（例如人體中骨組織密度最大，在圖像上呈白影，肺是軟組織并且含有氣體，密度最低，在照片上的圖像通常是黑影。）常用于對人體骨骼和內(nèi)臟器官的疾病或損傷進行診斷和定位?，F(xiàn)代的x射線斷層成像(x—cT)發(fā)明于20世紀70年代，是傳統(tǒng)影像技術(shù)中最為成熟的成像模式之一，其速度已經(jīng)快到可以對心臟實現(xiàn)動態(tài)成像。其缺點是醫(yī)生要在病人接收劑量和片厚之間進行折衷選擇，空間分辨率和對比度的還需進一步提高。（2）核磁共振成像(MIR)發(fā)展于20世紀70年代，到80年代才進入市場，這種成像設(shè)備具有在任意方向上的多切片成像、多參數(shù)和多核素成像、可實現(xiàn)整個空問的真三維數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)和功能成像，無放射性等優(yōu)點。目前MRI的功能成像(fMRI)是MIR設(shè)備應(yīng)用的前沿領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于大腦功能性疾病的診斷,并為腫瘤等占位性病變提供功能信息。MRI受到世人的廣泛重視，其技術(shù)尚在迅速發(fā)展過程中。（3）核醫(yī)學成像(NMI)，目前以單光子計算機斷層成像(SPECT)和正電子斷層成像(PET)為主，其基本原理是向人體注射放射性核素示蹤劑，使帶有放射性核素的示蹤原子進入人體內(nèi)要成像的臟器或組織通過測量其在人體內(nèi)的分布來成像。NMI不僅可以提供靜態(tài)圖像，而且可提供動態(tài)圖像。（4）超聲波成像(UltrasonicImaging)，屬于非電離輻射的成像模態(tài)，以二維平面成像的功能為主，加上血液流動的彩色杜普勒超聲成像功能在內(nèi)，在市場上已經(jīng)廣泛使用。超聲成像的缺點是圖像對比度差、信噪比不好、圖像的重復(fù)性依賴于操作人員。但是，它的動態(tài)實時成像能力是別的成像模式不可代替的在目前的影像醫(yī)療診斷中，主要是通過觀察一組二維切片圖象去發(fā)現(xiàn)病變體．這往往需要借助醫(yī)生的經(jīng)驗來判定。至于準確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀及與周圍生物組織的空間關(guān)系，僅通過觀察二維切片圖象是很難實現(xiàn)的。因此，利用計算機圖像處理技術(shù)對二維切片圖象進行分析和處理。實現(xiàn)對人體器官，軟組織和病變體的分割提取，三維重建和三維顯示，可以輔助醫(yī)生對病變體及其它感興趣的區(qū)域進行定性甚至定量的分近年來國外在圖像配準方面研究很多，如幾何矩的配準、利用圖像的相關(guān)系數(shù)、樣條插值等多項式變換對圖像進行配準。國內(nèi)研究人員也提出了一些相應(yīng)的算法：對于兩幅圖像共同來估計其正反變換的一種新的圖像配準方法，稱為一致圖像配準方法；采用金字塔式分割，進行多柵格和多分辨率的圖像配準，稱為金字塔式多層次圖像配準方法；為了提高CT、MRI、PEC多模態(tài)醫(yī)學圖像的三維配準、融合的精度，還可以采用基于互信息的方法。不同的醫(yī)學圖像提供了相關(guān)臟器的不同信息，圖像融合的潛力在于綜合處理應(yīng)用這些成像設(shè)備所得信息以獲得新的有助于臨床診斷的信息。利用可視化軟件，對多種模態(tài)的圖像進行圖像融合，可以準確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周圍生物組織之間的空問關(guān)系，從而及時高效地診斷疾病，也可以用在手術(shù)計劃的制定、病理變化的跟蹤、治療效果的評價等方面。在放療中，利用MR圖像勾勒畫出腫瘤的輪廓線，也就是描述腫瘤的大??；利用CT圖像計算出放射劑量的大小以及劑量的分布，以便修正治療方案。在制定手術(shù)方案時，對病變與周圍組織關(guān)系的了解是手術(shù)成功與否的關(guān)鍵，所以CT與MR圖像的融合為外科手術(shù)提供有利的佐證，甚至為進一步研究腫瘤的生長發(fā)育過程及早期診斷提供新的契機。在CT成像中，由于骨組織對x線有較大的吸收系數(shù)，很敏感而在MR成像中，骨組織含有較低的質(zhì)子密度，所以MR對骨組織和鈣化點信號較弱，融合后的圖像對病變的定性、定位有很大的幫助。由于不同醫(yī)學成像設(shè)備的成像機理不同，其圖像質(zhì)量、空間與時間特性有很大差別。因此，實現(xiàn)醫(yī)學圖像的融合、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖像數(shù)據(jù)相關(guān)、圖像數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)理解都是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。2.圖像融合。圖像融合的主要目的是通過對多幅圖像問的冗余數(shù)據(jù)的處理來提高圖像的可讀性．對多幅圖像間的互補信息的處理來提高圖像的清晰度。因為不同的醫(yī)學影像設(shè)備獲取的影像反映了不同側(cè)重點的信息：功能圖像(SPECT、PET等)分辨率較差，但它提供的臟器功能代謝和血液流動信息是解剖圖像所不能替代的；解剖圖像(CT、MRI、B超等)以較高的分辨率提供了臟器的解剖形態(tài)信息，其中CT有利于更致密的組織的探測，而MRI能夠提供軟組織的更多信息。多模態(tài)醫(yī)學圖像的融合把有價值的生理功能信息與精確的解剖結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起．可以為臨床提供更加全面和準確的資料。融合圖像的創(chuàng)建分為圖像數(shù)據(jù)的融合與融合圖像的顯示兩部分來完成。目前，圖像數(shù)據(jù)融合主要有以像素為基礎(chǔ)的方法和以圖像特征為基礎(chǔ)的方法。前者是對圖像進行逐點處理。把兩幅圖像對應(yīng)像素點的灰度值進行加權(quán)求和、灰度取大或者灰度取小等操作。算法比較簡單，不過實現(xiàn)效果和效率都相對較差．融合后圖像會出現(xiàn)一定程度的模糊。以圖像像素為基礎(chǔ)的融合法模型后者要對圖像進行特征提取、目標分割等處理，用到的算法原理復(fù)雜，但是實現(xiàn)效果卻比較理想。圖像融合的步驟一般為：①將源圖像分別變換至一定變換域上；②在變換域上設(shè)計一定特征選擇規(guī)則；③根據(jù)選取的規(guī)則在變換域上刨建融合圖像；④逆變換重建融合圖像。⑤融合圖像的顯示。融合圖像的顯示常用的方法有偽彩色顯示法、斷層顯示法和三維顯示法等。偽彩色顯示一般以某個圖像為基準用灰度色階顯示，將另一幅圖像疊加在基準圖像上，用彩色色階顯示。斷層顯示法常用于某些特定圖像。可以將融合后的三維數(shù)據(jù)以橫斷面、冠狀面和矢狀面斷層圖像同步地顯示。便于觀察者進行診斷。三維顯示法是將融合后數(shù)據(jù)以三維圖像的形式顯示，使觀察者可更直觀地觀察病灶的空問解剖位置。這在外科手術(shù)設(shè)計和放療計劃制定中有重要意義。目前,醫(yī)學圖像融合技術(shù)中還存在較多困難與不足。首先，基本的理論框架和有效的廣義融合模型尚未形成。以致現(xiàn)有的技術(shù)方法還只是針對具體病癥、具體問題發(fā)揮作用，通用性相對較弱。研究的圖像以CT、MRI、核醫(yī)學圖像為主，超聲等成本較低的圖像研究較少,且研究主要集中于大腦、腫瘤成像等；其次由于成像系統(tǒng)的成像原理的差異，其圖像采集方式、格式以及圖像的大小、質(zhì)量、空間與時間特性等差異大，因此研究穩(wěn)定且精度較高的全自動醫(yī)學圖像配準與融合方法是圖像融合技術(shù)的難點之一；最后，缺乏能夠客觀評價不同融合方法融合效果優(yōu)劣的標準，通常用目測的方法比較融合效果。有時還需要利用到醫(yī)生的經(jīng)驗。3紋理分析。一般認為圖像的紋理特征描述物體表面灰度或顏色的變化，這種變化與物體自身屬性有關(guān)，是某種紋理基元的重復(fù)。Sldansky早在1978年給出了一個較為適合于醫(yī)學圖像的紋理定義：“如果圖像的一系列固有的統(tǒng)計特性或其它的特性是穩(wěn)定的、緩慢變化的或者是近似周期的，那么則認為圖像的區(qū)域具有不變的紋理”。紋理的不變性即指紋理圖像的分析結(jié)果不會受到旋轉(zhuǎn)、平移、以及其它幾何處理的影響。紋理是人類視覺的一個重要組成部分，迄今為止還難以適當?shù)貫榧y理建模。有研究針對肝臟疾病難以根除、危害面廣的問題，采用灰度梯度共生矩陣的方法，分別提取纖維化肝組織和正常肝組織的CT圖像的紋理特征，提出了基于灰度梯度共生矩陣的小梯度優(yōu)勢、灰度均方差、灰度熵等參數(shù)作為圖像的紋理特征量。通過選取的紋理參數(shù)，可以看到正常組和異常組之間存在顯著性差異，為纖維化CT圖像臨床診斷提供了依據(jù)。4圖像的偽彩色處理：對一幅黑白圖像，人眼一般只能辨別出4到5比特的灰度級別，而人眼能辨別出上千種不同顏色。針對這一特點，人們往往將黑白圖像經(jīng)過處理變?yōu)椴噬珗D像，充分發(fā)揮人眼對彩色的視覺能力，從而使觀察者能從圖像中取得更多的信息，這就是偽彩色圖像處理技術(shù)的目的。偽彩色處理是醫(yī)學圖像處理中一種常用的方法，是將一副原來沒有色彩的灰度圖像通過某種對應(yīng)關(guān)系，映射到彩色空間，使之形成一副彩色圖像。這樣的彩色并不代表圖像中物體的真正顏色。故將這種為了某種目的經(jīng)過變換形成的彩色圖像稱之為“偽彩色”。醫(yī)學圖像大多是黑白圖像，如X、CT、MRI、B超圖像等。經(jīng)過偽彩色處理技術(shù)，即密度分割技術(shù)，提高了對圖像特征的識別。通過臨床研究對x線圖片、CT圖片、MRI圖片、B超圖片、電鏡圖片均進行了偽彩色技術(shù)的嘗試，取得了良好的效果，部分圖片經(jīng)過處理后可以顯現(xiàn)隱性病灶。例如對X線圖片，在乳腺照影中偽彩色處理能鑒別囊性病、良性和惡性腫瘤，同樣，鋇餐照影圖片和各種x線圖片也得到良好的診斷效果。常用的方法有，灰度分割（也稱亮度分割），灰度到彩色的變換，以及頻域濾波法等。①灰度分割是是偽彩色圖像處理中最簡單的一種，將灰度圖看做一個2-D的亮度函數(shù)，用一個平行于圖像坐標軸的平面來切割亮度函數(shù)，把亮度函數(shù)分為兩個灰度值區(qū)間，并賦予兩種不同的顏色。將其推廣，在不同的灰度級定義的區(qū)域，可對每個灰度值區(qū)間內(nèi)的像素賦予一種顏色，這樣不同灰度值區(qū)域的像素很容易被區(qū)分出來。②灰度到彩色的變換對原始圖像中像素的灰度值用三個獨立的變換（紅，綠，藍三個不同特性的變換器）來處理，從而將不同的灰度映射位不同的顏色。其變換方法是先將黑白灰度圖像送到紅、綠、藍3個變換器，而后再將3個不同輸出分別送到彩色顯像管的紅、綠、藍三槍。即同一灰度由3個變換器實施不同的變換，使得變換器輸出不同的分量，然后在彩色顯像管中合成某一種彩色。這樣的偽彩色變換，不同大小灰度級一定可以合成不同的彩色。取得較好的圖像視覺效果。③頻域濾波法。將輸入圖像的傅立葉變換。其基本的思想是根據(jù)圖像中各區(qū)域中的不同頻率分量給區(qū)域賦予不同的顏色。未得到不同的頻率分量可以分別通過3個不同頻帶的濾波器（紅色高通濾波器，綠色帶通濾波器，藍色低通濾波器）產(chǎn)生不同的頻率分量，將輸出的每個內(nèi)的頻率分量再經(jīng)過傅立葉反變換，其結(jié)果