基于模糊聚类脑磁共振图像分割技术的研究

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1、Ph．D．DissertationResearchonBrainMRimageSegmentationwithFuzzyClusteringBasedModel一1．●ZexuanJlSupervisedbyPr吐OuansenSunNanjingUniversityofScience&TechnologyApril，2012声明尸明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机

2、构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：立雌励胆年么月仫日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。·研究生签名：—丝雌2。坦年6月慢日博士论文基于模糊聚类的脑磁共振图像分割技术研究摘要磁共振成像(MagneticResonanceIm

3、aging，MRI)技术以其非介入性、非损伤性、很少受目标物体运动影响等特点，成为脑疾病临床诊断的重要辅助手段。脑MR图像的精确分割对生物医学研究和I临床应用具有重要的指导意义。然而，在实际应用中，脑MR图像中存在灰度不均匀性、噪声、脑组织的部分容积效应以及低对比度等缺陷，使脑MR图像的精确分割变得十分困难。为此，本文针对脑MR图像分割问题，采用模糊聚类模型，从目标函数的改进和数据不确定性描述两方面，深入研究了基于模糊聚类模型及其扩展模型的脑MR图像分割算法。本文所做的主要工作与创新性成果如下：

4、(1)提出了一种各向异性权重的模糊C均值聚类算法。深入探讨了含噪声脑MR图像的分割策略，分析了传统模糊聚类算法的主要缺陷以及现有改进算法的空间信息构造思路，通过引入新的邻域窗口权重的计算方法，使中心点邻域内各点具有各向异性的权重，有效地克服图像中噪声对于分割的影响，并使用基于灰度级的快速算法，达到精确分割带噪图像的目的。(2)提出了一种基于局部和全局信息的概率模糊C均值聚类算法。通过探讨含偏移场脑MR图像的分割策略，给出了模糊聚类算法中估计偏移场的一般思路，综合利用了全局和局部的灰度拟合信息，使

5、分割目标受到局部信息约束力和全局信息约束力两种力量的驱动。该算法在估计偏移场的同时，进一步提高了分割精度。(3)提出了一个基于模糊C均值聚类的模型框架。该框架改进了算法聚类中心的初始化方法，有效地克服了噪声、偏移场等对图像的污染；利用局部空间邻域信息的处理，克服噪声保留更多图像细节信息；引入基函数估计偏移场，自动估计各控制参数，并有效克服了部分容积效应对于分割结果的影响；通过基于直方图统计的加速算法，最终达到快速精确分割脑MR图像的目的。该框架具有较强的实用性。(4)为了进一步增强对于图像数据中

6、不确定性的描述，在模糊聚类模型中分别引入粗糙集和二型模糊集，提出了广义的基于粗糙模糊集的聚类模型与基于区间二型模T摘要博士论文糊集的概率模糊C均值聚类模型。前一种模型能够根据图像数据自身内容自动确定各聚类类别的粗糙模糊集，通过多项式基函数拟合灰度不均匀性，自动确定上近似集合与下近似集合对于聚类中心的影响权重值，且该算法对于聚类中心的初始化十分鲁棒；后一种模型首次将区间二型模糊集引入到概率模糊C均值算法中，针对描述不确定性的模糊隶属度和概率典型性同时进行处理，提供了不确定性轨迹的构造，降型和去模糊

7、化的处理，实验结果表明这两种算法各具优势，能够得到较精确的分割结果。(5)针对脑MR图像中存在的低对比度的缺陷，提出了两种脑MR图像分割模型：将局部高斯概率模型引入到模糊聚类的目标函数中，提出了模糊局部高斯概率模型的聚类分割算法。该方法引入了二阶统计量局部方差，算法中局部均值和方差随着空间的改变而变化，并严格推导出相应的更新公式，因此该算法具有较强的自适应性。进一步，对图像中各像素点对应的邻域尺度进行自动估计，提出了自适应尺度模糊局部高斯概率模型的聚类分割算法，提高了模型的鲁棒性，达到精确分割的

8、目的。关键词：图像分割，模糊聚类模型，脑磁共振图像，各向异性权重，灰度不均匀性，低对比度，粗糙集，区间二型模糊集，局部高斯概率模型Ⅱ博士论文基于模糊聚类的脑磁共振图像分割技术研究AbstractMagneticresonanceimaging(MRI)hasseveraladvantagesoverothermedicalimagingmodalities，includinghighcontrastamongdifferentsofttissues，relativelyhighspatialre