医学MRI及CT图像融合 课程设计

1设计目的、意义

综合应用医学影象物理学、医学成像原理、医学图象处理、计算机编程、Matlab 语言等基础与专业知识，通过理论与实践相结合，掌握所学知识的综合应用方法，掌握图象融合的应用方法，培养和提高解决本专业实际工程问题的能力。

课程设计的主要目的：

（1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。（2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

（3）培养学生用maltab处理图像与数据的能力。

2 设计内容

2.1 设计要求：

要求设计出MRI与CT图像融合处理与分析程序。

(1) 处理对象：MRI与CT图像

(2) 内容：对给定图像做图像滤波、增强等预处理；选择相应配准算法进行两图像的配准；选择合理融合方法进行两图像的融合；确定评价参数，定量分析融合效果，采用Matlab编程，实现上述各过程。

(3) 结果：整理所设计资料，提交设计报告

2.2 设计内容：

（1）了解医学MRI和CT图像成像原理，分析MRI和CT图像的特征，确定图像滤波、增强等预处理算法，并编程实现；

（2）确定图像配准处理算法，并编程实现；

（4）确定图像融合处理算法，并编程实现；

（5）确定评价参数，定量分析融合效果。

2.3 实验原理

医学图像融合技术作为图像处理主要的技术已逐渐成为图像处理研究的热点,它的研究将会对未来医学影像技术进步带来深远的影响。

2.31 CT的成像基本原理

电脑断层扫描（Computed Tomography 简称(CT)）:它是用X射线照射人体，由于人体内不同的组织或器官拥有不同的密度与厚度，故其对X射线产生不同程度的衰减作用，从而形成不同组织或器官的灰阶影像对比分布图，进而以病灶的相对位置、形状和大小等改变来判断病情。CT由于有电脑的辅助运算，所以其所呈现的为断层切面且分辨率高的影像。

一般临床所提及的CT，指的是以X光为放射源所建立的断层图像，称为X光CT。事实上，任何足以造成影像，并以计算机建立断层图的系统，均可称之为CT。

CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素（voxel），见图1。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵（digital matrix），数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器（digital/analog converter）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即象素（pixel），并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素的X线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。

图2.31 ct成像原理示意图

CT图像是由一定数目由黑到白不同灰度的象素按矩阵排列所构成。这些象素反映

的是相应体素的X线吸收系数。不同CT装置所得图像的象素大小及数目不同。大小可以是1.0×1.0mm，0.5×0.5mm不等；数目可以是256×256，即65536个，或512×512，即262144个不等。显然，象素越小，数目越多，构成图像越细致，即空间分辨力（spatial resolution）高。CT图像的空间分辨力不如X线图像高。

CT图像是以不同的灰度来表示，反映器官和组织对X线的吸收程度。因此，与X 线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如含气体多的肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是CT与X线图像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力（density resolutiln）。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是CT的突出优点。所以，CT可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。

CT图像是层面图像，常用的是横断面。为了显示整个器官，需要多个连续的层面图像。通过CT设备上图像的重建程序的使用，还可重建冠状面和矢状面的层面图像，可以多角度查看器官和病变的关系。

2.32MRI成像原理

MRI检查技术是在物理学领域发现磁共振现象的基础上，于20世纪70年代继CT之后，借助电子计算机技术和图像重建数学的进展和成果而发展起来的一种新型医学影像检查技术。

MRI是通过对主磁体内静磁场(即外磁场)中的人体施加某种特定频率的射频脉冲(RF脉冲)，使人体组织中的氢核(即质子)受到激励而发生磁共振现象；当终止RF脉冲后，质子在弛豫过程中感应出MR信号；经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，产生出MR图像。MR图像是数字化图像。人体内氢核丰富，而且用它进行MRI的成像效果最好，因此目前MRI常规用氢核来成像。

1.目前设计的磁共振成像扫描仪大多是采用氢质子成像的，因为氢质子是人体内最活跃、最易受外界磁场影响的原子核。

2．氢质子在外加磁场的影响下，产生磁化和进动运动。

3．氢质子在上述磁化运动的基础上，如再使用一个射频脉冲（RF）使其激发并获取能量，当RF终止后，氢质子便会逐渐地释放所获取的能量并恢复至常态。此恢复的过程称为弛豫。

2.33 基于小波包变换的医学图像融合

小波变换用于图像融合具有以下优点:

(1)图像经小波分解后 ,不同分辨率的细节信息互不相关 ,这样可以将不同频率范围内的图像分别组合 ,产生多种具有不同特征的融合图像;

(2)图像在不同分辨率水平上的能量和噪声不会相互干扰;

(3)小波变换具有完善的重构能力 ,能保证图像在分解过程中没有信息损失和信息冗余。

基于小波包运算和自适应算子的图像融合算法实现过程是:先对已配准的两幅或多幅医学图像进行小波包分解 ,然后采用自适应算子对小波系数及分解子图像进行处理 ,最后进行小波包重建 ,从而获得融合图像。

图 2.32 小波变换原理图

3 实验程序与实验结果

图3.1 处理前CT与MRI图像