医学图像的配准与融合

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1、第八章医学图像的配准与融合第一节概述一、医学图像配准与融合的应用背景随着计算机技术的飞速发展，与计算机技术密切相关的医学成像技术也是日新月异。但是，各种成像技术和检查方法都有它的优势与不足，并非一种成像技术可以适用于人体所有器官的检查和疾病诊断，也不是一种成像技术能取代另一种成像技术，它们之间是相辅相成、相互补充的。如CT和X线机对骨等密度较高的组织能提供高清晰的图像，MRI对人体软组织的成像具有较高的分辨率，而PET和SPECT则能够提供人体组织或器官的功能性代谢的图像。成像原理的不同造成了某一种成像模式所能提供的图像信息具有一定的局限性，有时单独使用某一类

2、图像难以获得正确的诊断结论。因此，为了提高诊断正确率，需要综合利用患者的各种图像信息。图像配准与融合技术为医学图像的综合利用提供了很好的技术手段。根据医学图像所提供的信息，可将医学图像分为两大类：解剖结构图像（CT、MRI、X线图像等）和功能图像（SPECT，PET等）。这两类图像各有其优缺点：解剖图像以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息，但无法反映脏器的功能情况。功能图像分辨率较差，但它提供的脏器功能代谢信息是解剖图像所不能替代的，这些信息是对疾病特别是肿瘤进行早期诊断的重要依据。目前医学影像学的一个明显的发展趋势是利用信息融合技术，将多种医学图像结合起来

3、，充分利用不同医学图像的特点，在一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息，使人体内部的结构、功能等多方面的状况通过影像反映出来，从而更加直观地提供人体解剖、生理及病理等信息。二、医学图像配准与融合的关系医学图像配准和融合有着密切的关系，特别是对多模态图像而言，配准和融合是密不可分的。待融合的图像往往来自于不同的成像设备，它们的成像方位、角度和分辨率等因子都是不同的，所以这些图像中相应组织的位置、大小等都有差异，若事先不对融合图像进行空间上的对准，那么融合后的图像豪无意义。因此，图像配准是图像融合的先决条件，必须先进行配准变换，才能实现准确地融合。三、医学图像配准

4、和融合在临床中的应用医学图像配准和融合具有很重要的临床应用价值。对使用各种不同或相同的成像手段所获得的医学图像进行配准和融合不仅可以用于医疗诊断，还可用于外科手术计划的制定、放射治疗计划的制定、病理变化的跟踪和治疗效果的评价等各个方面。1、在外科手术中的应用了解病变与周围组织的关系对制定手术方案，决定手术是否成功至关重要。如对脑肿瘤患者，一般是采用外科手术切除肿瘤。患者的生存时间和生活质量与病灶（如肿瘤、血肿等）的切除程度密切相关。如果对病灶过度切除，会造成对病灶周围重要功能区域的损害，而这种损害是不可逆转的，严重影响患者的生活质量；反之如果对病灶切除不够，残

5、余病灶会严重影响患者的生存时间。最大程度地切除病灶，同时使主要的脑功能区域（如视觉、语言和感知运动皮层等）得以保留是神经外科手术的目标。为此，在手术前，一般要利用CT或MRI获取患者的脑肿瘤结构信息，利用PET或fMRI获取患者脑肿瘤周围的脑功能信息，通过对结构成像和功能成像的配准、融合，对脑肿瘤及其周围的功能区进行精确定位，在此基础上制定出外科手术计划，是对患者进行精确手术的基础。2、在放射治疗中的应用大约70%的病人在肿瘤的治疗过程中接受放疗。放疗的目的就是最大限度的把放射能量集中在靶位上，从而使周围的正常组织的损害达到最小。放射治疗中，应用CT和MR图像

6、的配准和融合来制定放疗计划和进行评估，用CT图像精确计算放射剂量，用MR图像描述肿瘤的结构。用PET和SPECT图像对肿瘤的代谢、免疫及其他生理方面进行识别和特性化处理，整合的图像可用于改进放射治疗计划或立体定向活检或手术。此外，放射治疗后扫描的MRI图像中，坏死组织往往表现为亮区，很容易与癌症复发混淆。把MRI图像与PET或SPECT图像进行配准，可区分坏死组织（没有代谢）与肿瘤复发（通常表现为高代谢）。3、在癫痫病治疗中的应用原发癫痫病灶的准确定位一直是困扰影像界的一大难题，许多学者利用配准和融合技术对此做出了富有成效的探索。例如：Pelizzari等人对

7、癫痫病人的MRI、PET图像融合处理后，可观察到病人的脑外伤、炎症、硬化症等的变化，还可看到手术及麻醉前后的区别；Lewis等研究表明，在发作期和发作期间，对癫痫患者分别进行SPECT检查，将两者的图像相减，再分别与MRI图像融合，可使功能损伤的解剖学标记更准确，以SPECT所示的局部脑血流对大脑新皮质的癫痫病灶进行准确定位，从而为手术提供重要依据。第二节医学图像配准技术一、医学图像配准的概念对几幅不同的图像作定量分析，首先要解决这几幅图像的严格对齐问题，这就是我们所说的图像配准（imageregistration）。医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种（

8、或一系列）空间变换，使它与另一幅医学图