医学图像融合技术及其应用

出更确切的诊断 ;模板融合 :是将病人的 用的基本变换有 : 刚体变换 、仿射变换 、 取大或者灰度取小等操作 , 便可得到一
检查图像与电子图谱或模板图像进行融 投影变换和非线性变换 。在图像融合实 幅融合图像 。这类方法是对图像进行逐
合 ,有助于研究某些疾病的诊断标准 。 践中 ,以上几种方法经常联合使用 ,一般 点处理 ,所以用到的数学原理易于理解 ,
映组织器官的代谢水平和血流状况 , 对 肿瘤病变 呈 现“热 点”, 提 供 人 体 的 功 能 信息 ,但它们的分辨率差 ,很难得到精确 的解剖结构 ,也不易分辨组织 、器官的边 界 。由此可见不同成像技术对人体同一 解剖结构所得到的形态和功能信息是互 为差异 、互为补充的 。
在临床诊断中 , 单一模态的图像往 往不能提供医生所需要的足够信息 , 因 此 ,如果能将不同模态的医学图像进行 适当的融合 ,使解剖信息和功能信息有 机地结合起来 ,在一幅图像上同时表达 来自多种成像源的信息 , 以便医生了解 病变组织或器官的综合情况 , 并做出更 加准确的诊断或制定出更加合适的治疗 方案 ,毫无疑问 ,这必将推动现代医学临 床技术的巨大进步 。
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中国医学影像技术 2005 年第 21 卷第 7 期 Chin J Med Imaging Technol ,2005 ,Vol 21 ,No 7
Medical image f usion and its application
L I Wei , Z H U X ue2f en g 3
( Col le ge of A utom ation S cience an d En gi neeri n g , S out h Chi na U ni versit y of Technolog y , Guan gz hou 510640 , Chi na)
[ Abstract] Medical image f usion technique can be applied to a wide variety of medical fields such as clinic diagno sis and t herapy , co mp uter assistant diagno sis , long2distance medical t reat ment , radiation t herap y and surgery plan design , etc. The current state of t he research of medical image f usio n technique is described in the aspect s of t he significance , co nnotation and classification , main algorit hms and app roaches , application and develop ment sit uation of t he technique. The major technical o bstacles and t he critical p roblems to be solved in t his area are analyzed in detail. Finally , t he medical f usio n technique devel2 op ment t rend is p resented. [ Key words] Multi2modality medical image ; Medical image f usio n ; Image regist ration
[ 作者简介 ] 李伟 ( 1978 - ) ,女 ,吉林九台人 ,在 读博士 (导师 : 朱学峰) 。研究方向 : 智能控制与 模式识别 、多源图像融合 、医学图像处理等 。 E2mail : llewell @163. co m [ 通讯作者 ] 朱学峰 ,华南理工大学自动化科学 与工程学院 ,510640 。 E2mail : xfzhu @scut . edu. cn [ 收稿日期 ] 2005203207 [ 修回日期 ] 2005204226
间融合 、单样本空间融合以及模板融合 。 在多种配准方法 ,文献[3] 对医学图像配 图像的显示两部分来完成 。
单样本时间融合 : 跟踪某一病人在一段 准技术做了详细的归纳和总结 , 配准处
(1) 图像数据融合 : 在当前的研究
时间内对同一脏器所做的同种检查图像 理一般可以分为图像变换和图像定位两 中 ,主要有两类方法 :以像素为基础的方
另外 ,还可以将图像融合分为短期 都由计算机自动完成 ,并可进行一些人 算法实现也比较简单 , 不过实现效果和
图像融合 (如跟踪肿瘤的发展情况时在 1 工的修正 ,从而提高结果的准确性 。
效率都相对较差 ,融合后图像会出现一
～3 个月内做的检查图像进行融合) 与长
(2) 图像定位 : 在实际应用中 , 图像 定程度的模糊 。
(临床上将一周左右的时间视为同时) 对 相同 。确保多源图像对同一脏器在空间 素间灰度值的差异显现出图像中所包含
同一脏器所做几种检查的图像进行融 描述上的一致性 。图像的变 换 包括 平 的结构信息 ,因此简单地把两幅图像对
合 ,有助于综合利用多种信息 ,对病情做 移 、旋转 、定标 、反射等处理 ,医学图像常 应像素点的灰度值进行加权求和 、灰度
根据被融合图像成像方式不同 , 可
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中国医学影像技术 2005 年第 21 卷第 7 期 Chin J Med Imaging Technol ,2005 ,Vol 21 ,No 7
期图像融合 (如治疗效果评估时进行的 分辨率越高 ,图像细节越丰富 ,实现点到
以图像特征为基础的方法 , 要对图
治疗后 2～3 年的图像与治疗后当时的 点意义的对应难度越大 。图 像 的定 位 像进行特征提取 、目标分割等处理 ,用到
图像进行融合) 。
(配准) 方法可大致分为两大类 : 基于外 的算法原理复杂 ,但是实现效果却比较
综上所述 ,依据不同的分类原则 ,医 部定位和基于内部特征的方法 。
理想 ,能够满足诊断的要求 。现有的基
学图像融合有多种方式 ,在实际应用中 ,
基于外部定位的方法有 :定标架法 、 于图像特征的融合方法几乎都是从变换
临床医师还可以根据各种不同的诊断与 面膜法和皮肤标记法等 , 其优点是定位 域上的图像编码和压缩技术延伸来的 ,
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分为同类方式融合和交互方式融合 。同 空间变换 ,使它与另一幅医学图像上的 以利用在低分辨率下的配准参数作为基
类方式融合 ( 也称单模融合 , mono2mo2 对应点达到空间上的一致 。这种一致是 础和引导 ,得到在高分辨率下更为准确
dality) 是指相同成像方式的图像融合 ,如 指人体上的同一解剖点在两幅匹配图像 的结果 ,这种方法有较强的鲁棒性 ,而且
步骤来完成 ,分别是图像预处理 、图像配 位 ,这些体位标志包括解剖标志 、几何标 则在变换域上创建融合图像 ; ④逆变换
随着医学影像工程和计算机技术的 不断发展 ,出现了许多先进的成像设备 , 这为临床诊断提供了多种模态的医学图 像 ,这些图像反映了关于人体脏器和病 变组织的不同信息 。如 : C T 图像具有较 强的空间分辨率和几何特性 , 对骨骼成 像非常清晰 ,它可以为病灶定位提供良 好的参照 ,但是 ,对软组织的对比度则较 低 ;MR 图像可清晰反映软组织 、器官 、血 管等的解剖结构 ,有利于病灶范围确定 , 但对钙化点不敏感 , 且受到磁干扰会发 生几何失真 ;SP EC T 、P ET 能得到人体任 意角度断层面的放射性浓度分布 , 可反
进行融合 ,可用于对比以跟踪病情发展 步 :
法和以图像特征为基础的方法[4] 。
和确定该检查对该疾病的特异性 ; 单样
(1) 图像变换 :其目的在于确保多源
以像素为基础的方法 , 即点对点的
本空间融合 : 将某个病人在同一时间内 图像的像素或体素表达的实际空间区域 方法 。由于像素是图像的基本元素 , 像
过程 ,不同的融合方法有各自具体的操 伤 。
法融合的一般步骤为 : ①将源图像分别
作和处理 , 但是 , 不管应用何种技术方
基于内部特征的方法是从不同成像 变换至一定的变换域上 ; ②在变换域上
法 ,图像融合一般都要经过三大主要的 模式中提取共有特征的体位标志进行定 设计一定的融合规则 ; ③根据选取的规
医学图像融合技术作为信息融合技 术的一个极具特色的应用领域 ,是 90 年 代才发展起来的医学图像后处理技术之 一[1] ,它不但将各种医学影像信息有机 结合 ,同时给现代医学临床诊断开拓了
新思维 、提供了新标准 ,它不仅是近年来 的研究热点 ,也是当代医学图像处理领 域的前沿课题 ,必将对未来医学影像技 术的进步有深远的影响 。 1 医学图像融合技术 1. 1 图像融合的内涵 图像融合是指将 多源图像传感器所采集到的关于同一目 标的图像经过一定的图像处理 , 提取各 自的有用信息 ,最后综合成同一图像以 供观察或进一步处理 。从信息论的角度 讲 ,融合后的图像将比组成它的各个子 图像具有更优越的性能 , 综合整体信息 大于各部分信息之和 ,也就是说 ,融合的 结果应该比任何一个输入信息源包含更 多的有用信息 ,即 1 + 1 > 2 ,这就是图像 信息的融合[2] 。 1. 2 医学图像融合的分类 一个完整的 医学图 像 融 合 系 统 应 该 是 各 种 成 像 设 备 、处理设备与融合软件的总和 。由于 融合图像的应用目的不同 , 决定了医学 图像融合具有各种各样的形式 。
SPEC T 与 MR 图像融合 , PET 与 CT 图 都达到匹配 。图像配准是图像融合的先 1. 3. 3 医学图像融合 医学图像在空间
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
像融合等 。
决条件与关键 ,图像配准精度的高低直 域配准之后 ,就可以进行融合了 ,融合图
按融合对象不同 , 可分为单样本时 接决定着融合结果的质量 。目前 , 已存 像的创建又分为图像数据的融合与融合
医学图像融合技术及其应用
李 伟 综述 ,朱学峰 3 审校
(华南理工大学自动化科学与工程学院 ,广东 广州 510640)
[ 摘 要 ] 医学图像融合技术在临床诊断和治疗 、计算机辅助诊断 、远程医疗 、放射治疗及制定手术计划等方面有着广泛 的应用前景 ,本文详细介绍了医学图像融合的意义 、融合技术的内涵 、分类 、主要方法和步骤以及应用发展概况 ,并在此基 础上分析了医学图像融合的技术难点和目前亟需解决的问题 ,最后对医学图像融合技术的发展前景作了展望 。 [ 关键词 ] 多模态医学图像 ; 医学图像融合 ; 图像配准 [ 中图分类号 ] TP14 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100323289 (2005) 0721126204
SPEC T 图像间融合 ,MR 图像间融合等 ; 上有相同的空间位置 ,配准的结果应使 可以加快配准时间 。此外 , 基于一定数
交互方式融合 (也成多模融合 ,multi2mo2 两幅图像上所有的解剖点 , 或至少是所 学物理模型的非线形配准也是近年研究
dality) 是指不同成像方式的图像融合 ,如 有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点 的热点 。
治疗目的不断设计出更多的融合方式 。 简单 ,精度高 (一般都可达到像素级的精 有 Laplacian 金字塔法[5] 、Gaussian 金字
1. 3 医学图像融合的主要技术方法与步 度) ,缺点是这些方法仅限于刚体变换 , 塔法[6] 、比率低通金字塔法[7] 、多分辨率
骤 医学图像融合的过程是一个渐进的 而且有时会对人体产生 一定 程度的损 形态滤波法[8] 和小波变换法[9] 等 ,这类方