医疗影像处理综述PPT课件.pptx

-1-医学医学图像像处理理综述述二二0一四年十月一四年十月-2-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-3-医学医学图像像处理背景理背景l医学医学图像像处理是一理是一门综合了数学、合了数学、计算机科学、医学影像学等多个学科的算机科学、医学影像学等多个学科的交叉科学，是利用数学的方法和交叉科学，是利用数学的方法和计算机算机这一一现代化的信息代化的信息处理工具，理工具，对由由不同的医学影像不同的医学影像设备产生的生的图像按照像按照实际需要需要进行行处理和加工的技理和加工的技术。医。医学学图像像处理的理的对象主要是象主要是X射射线图像，像，CT(Computerized Tomography)图像，像，MRI(Magnetic Resonance Imaging)图像，超声像，超声(Ultrasonic)图像，像，PET(Positron emission tomography)图像和像和SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)图像等像等。l 医学医学图像像处理理过程一般包括：程一般包括：图像采集、像采集、图像像预处理、理、图像分析、像分析、图像像理解以及控制决策等理解以及控制决策等环节。-4-医学医学图像像处理理过程程-5-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-6-l 含含义图像像预处理是理是对输入入的的图像像进行特征抽取、分割行特征抽取、分割及配准前及配准前所所进行的行的处理理。图像像预处理技理技术分分为两大方面，即两大方面，即图像增像增强和和图像复原技像复原技术。l 必要性必要性图像在像在传输过程和存程和存储过程中程中难免会受到某种程度的破坏和各种各免会受到某种程度的破坏和各种各样的噪声的的噪声的污染，染，导致致图片片丧失了本失了本质或者偏离了人或者偏离了人们的的需求需求。这就需要一系列的就需要一系列的预处理操作来消除理操作来消除图像受到的影响像受到的影响。进行行图像像预处理主要目的是理主要目的是为了消除了消除图像中无关像中无关紧要的信息，恢复要的信息，恢复有用的真有用的真实的信息，增的信息，增强相关信息的可相关信息的可检测性和最大限度地性和最大限度地简化我化我们需要的数据，从而增加特征抽取、需要的数据，从而增加特征抽取、图像分割像分割、配准和、配准和识别等后等后续图像像处理步理步骤的可靠性。的可靠性。医学医学图像像的的预处理理-7-l 图像增像增强增增强图像中的有用信息，它可以是一个像中的有用信息，它可以是一个失真的失真的过程，其目的是要改善程，其目的是要改善图像的像的视觉效果，效果，针对给定定图像的像的应用用场合，有目的地合，有目的地强调图像的整体或局部特性，像的整体或局部特性，将原来不清晰的将原来不清晰的图像像变得清晰或得清晰或强调某些感某些感兴趣的特征，趣的特征，扩大大图像中不同物像中不同物体特征之体特征之间的差的差别，抑制不感，抑制不感兴趣的特征，使之改善趣的特征，使之改善图像像质量、丰富信息量，量、丰富信息量，加加强图像判像判读和和识别效果，效果，满足某些特殊分析的需要足某些特殊分析的需要。l图像增像增强技技术图像增像增强技技术主要有两种方法：空主要有两种方法：空间域和域和频率域法。率域法。空空间域法域法则主原始主原始图像像 图像像预处理理 图像理解像理解 特征分析特征分析，直接在空，直接在空间域内域内对图像像进行运算行运算处理，包括理，包括图像灰度像灰度变换、直方、直方图修正、局部修正、局部统计法、法、图像像平滑和平滑和图像像锐化等几个方面。化等几个方面。频率域法率域法则只在只在图像的某种像的某种变换域里域里对图像的像的变换值进行运算，行运算，比如比如对图像像进行傅立叶行傅立叶变换，然后在，然后在变换域里域里对图像的像的频谱进行某种行某种计算，最后把算，最后把计算算后的后的图像逆像逆变换到空到空间域。域。医学医学图像像的的预处理理-图像增像增强-8-医学医学图像像的的预处理理-图像增像增强方法方法空间域空间域图像增强图像增强频率域频率域灰度变换灰度变换空域滤波空域滤波直接灰度变换直接灰度变换直方图修正法直方图修正法图像的代数运算图像的代数运算直方图均衡化直方图均衡化直方图规定化直方图规定化图像平滑图像平滑图像锐化图像锐化高通滤波高通滤波低通滤波低通滤波带通、带阻滤波带通、带阻滤波 -9-医学医学图像像的的图像增像增强-直方直方图均衡均衡灰度直方灰度直方图：数字数字图像中每一灰度像中每一灰度级与它出与它出现的的频率之率之间的的统计，可以理解，可以理解为描述描述各个灰度各个灰度级的像素出的像素出现多少的多少的统计图示。若用示。若用横坐横坐标表示灰度表示灰度级，纵坐坐标表示表示频率，就可以率，就可以看出看出图像中灰度的分布像中灰度的分布情况情况.四种典型灰度图像的直方图特征：(a)暗图像；(b)亮图像；(c)低对照度图像；(e)高对照度图像-10-医学医学图像像的的图像增像增强-图像像锐化化图像像锐化化目目的的：图像像经转换或或传输后后，质量量可可能能下下降降，难免免有有些些模模糊糊。通通过锐化化，加加强图像像轮廓廓，使使图像像看看起起来来比比较清晰。清晰。方法：方法：空空间频率愈高，幅率愈高，幅度增加就愈大。度增加就愈大。这表明微表明微分是可以加分是可以加强高高频成分的，成分的，从而使从而使图像像轮廓廓变清晰清晰。最最常用常用的的锐化方法化方法是梯度是梯度法和法和拉普拉斯算子。拉普拉斯算子。-11-医学医学图像像的的图像增像增强-伪彩色增彩色增强l伪彩彩色色加加强：人人眼眼只只能能区区分分40多多种种不不同同等等级的的灰灰度度，却却能能区区分分几几千千种种不不同同色色度度、不不同同亮亮度度的的色色彩彩。伪彩彩色色处理理就就是是把把黑黑白白图象象的的灰灰度度值映射成相映射成相应的彩色。的彩色。人人脑图像像伪彩色增彩色增强心心脏图像像伪彩色增彩色增强-12-医学医学图像像的的图像增像增强-图像去噪像去噪l图像像去去噪噪：现实中中的的数数字字图像像在在数数字字化化和和传输过程程中中，常常受受到到成成像像设备与与外外部部环境境噪噪声声干干扰等等影影响响，成成为含含噪噪图像像。完完全全去去除除或或减减少少数数字字图像中的噪声称像中的噪声称为图像去噪技像去噪技术。l 必必要要性性：大大多多数数的的现实医医学学图像像都都是是含含噪噪图像像，医医学学图像像噪噪声声对医医学学图像像分分析析、医医学学图像像压缩的的影影响响很很大大，因因此此医医学学图像像去去噪噪是是医医学学图像像预处理理阶段段最最重重要要的的任任务之之一一。医医学学图像像去去噪噪是是图像像预处理理中中一一项被被广广泛泛应用用的的技技术，其其作作用用是是提提高高医医学学图像像的的信信噪噪比比，突突出出医医学学图像像期期望望特特征。因此，具体重要的征。因此，具体重要的应用价用价值。l 关于关于图像去噪的像去噪的详细内容将在之后的章内容将在之后的章节进行介行介绍。-13-l图像像复原技复原技术需要知道需要知道图像的降像的降质缘由，根据由，根据图像降像降质的的现眼知眼知识，恢复并重构原来的恢复并重构原来的图像。像。图像像复原复原和和图像增像增强的的目的是不一目的是不一样的，的，图像增像增强的目的是的目的是为了改善了改善图像像视觉效果，便于效果，便于观察和分析人察和分析人们所所感感兴趣的趣的东西，而把那些不重要的地方西，而把那些不重要的地方给清除出去，不清除出去，不仅如此，如此，图像增像增强还便于人工或者机器便于人工或者机器对图像的像的进一步一步处理。而理。而图像复原不像复原不仅仅是是对图像像进行行预处理理还要恢复至原来的面貌，它需要建立模型依要恢复至原来的面貌，它需要建立模型依此此为依据依据进行复原行复原。l关于关于图像复原的像复原的详细内容将在之后的章内容将在之后的章节进行介行介绍。医学医学图像像的的预处理理-图像复原像复原-14-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-15-医学医学图像像去噪方法去噪方法l 含含义：医学：医学图像在像在采集、采集、数字化和数字化和传输过程中，常受到成像程中，常受到成像设备与外部与外部环境噪声干境噪声干扰等影响，成等影响，成为含噪含噪图像。完全去除或减像。完全去除或减少数字少数字图像中的噪声称像中的噪声称为图像去噪技像去噪技术。l 必要性：医学成像必要性：医学成像过程中由于成像机制的影响程中由于成像机制的影响,不可避免的引入不可避免的引入噪声噪声,图像中的噪声会大大降低像中的噪声会大大降低图像的像的质量量,使使组织边界模糊界模糊,细微微结构构难以辨以辨认,影响医学影响医学诊断。因此在医学断。因此在医学图像去噪中像去噪中,有效的去有效的去除噪声的同除噪声的同时很好的保留很好的保留边界和界和结构信息是十分重要的。构信息是十分重要的。-16-医学医学图像像去噪方法去噪方法-空域法空域法l 空域法空域法:采用各种采用各种图像平滑模板像平滑模板对图像像进行卷行卷积处理，达到抑制理，达到抑制或消除噪声的目的。或消除噪声的目的。高斯高斯滤波：高斯波：高斯滤波是波是经典的典的图像像滤波的算法，能波的算法，能够在一定程度上抑制噪声。很在一定程度上抑制噪声。很多算法都拿高斯多算法都拿高斯滤波做波做预处理，例如理，例如canny边缘检测算子。然而高斯算子。然而高斯滤波在模糊波在模糊图像的同像的同时，也模糊了，也模糊了图像的像的边缘信息。信息。均均值滤波：波：均均值滤波的方法是波的方法是对将将处理的当前像素，理的当前像素，选择一个模板，一个模板，该模板模板为其其邻近的若干像素近的若干像素组成，用模板中像素的均成，用模板中像素的均值来替代原像素的来替代原像素的值。均。均值滤波是一种波是一种线性性滤波器，但是模糊效波器，但是模糊效应比比较严重，去噪的同重，去噪的同时会引起会引起细节信息的信息的丢失。失。中中值滤波波:是一种常用的非是一种常用的非线性平滑性平滑滤波方法，其基本原理是把数字波方法，其基本原理是把数字图像或数字序像或数字序列中一点的列中一点的值用用该点的一个点的一个邻域中各点域中各点值的中的中值代代换。中。中值滤波的主要作用是将波的主要作用是将那些与周那些与周围像素灰度像素灰度值的差比的差比较大的像素改取与周大的像素改取与周围的像素的像素值接近的接近的值，从而可，从而可以消除孤立的噪声点，所以中以消除孤立的噪声点，所以中值滤波波对于于滤除除图像的椒像的椒盐噪声非常有效。中噪声非常有效。中值滤波波优于均于均值滤波之波之处在于它不在于它不仅像均像均值滤波一波一样可以抑制噪声，而且可以使可以抑制噪声，而且可以使边缘模糊效模糊效应大大降低。大大降低。-17-医学医学图像像去噪方法去噪方法-空域法空域法举例例a,含椒含椒盐噪声的大噪声的大脑医学医学图像像b,均均值滤波效果波效果,均均值滤波波：方法是方法是对将将处理的当前像理的当前像素，素，选择一个模板，一个模板，该模板模板为其其邻近的近的若干像素若干像素组成，用成，用模板中像素的均模板中像素的均值来替代原像素的来替代原像素的值。c,中中值滤波效果波效果,中中值滤波波：基本原理基本原理是把数字是把数字图像或数字像或数字序列中一点的序列中一点的值用用该点的一个点的一个邻域中各点域中各点值的中的中值代代换。-18-医学医学图像像去噪方法去噪方法-频率域法率域法l频率域法：通率域法：通过对图像像进行行变换以后，以后，选用适当的用适当的频率率带通通滤波波器器进行行滤波，波，经反反变换后后获得去噪声得去噪声图像。像。小波方法小波方法:主要是主要是针对图像信号与噪声信号像信号与噪声信号经小波小波变换后再不同的分辨率呈后再不同的分辨率呈现不同不同的的规律，在不同的分辨率下，律，在不同的分辨率下，设定定阈值门限，限，调整小波系数整小波系数带到到图像去噪目的。如像去噪目的。如果果阈值太小，太小，处理后的信号仍有噪声存在，理后的信号仍有噪声存在，阈值太大，重要的太大，重要的图像特征将被像特征将被滤掉，掉，引起偏差。利用小波去噪，只有当引起偏差。利用小波去噪，只有当阈值选择合适才能使达到比合适才能使达到比较好的去噪效果。好的去噪效果。基于稀疏基于稀疏变换去噪：将去噪：将图像有用信息部分作像有用信息部分作为图像中稀疏成分，而将像中稀疏成分，而将图像中的噪声像中的噪声作作为图像（去除其中稀疏成分后得到）残差，以此作像（去除其中稀疏成分后得到）残差，以此作为图像去噪像去噪处理的基理的基础。相。相比于空域方法，基于稀疏比于空域方法，基于稀疏变换的方法可以有效保留的方法可以有效保留图像原有高像原有高频信息的基信息的基础上去除上去除噪声高噪声高频分量。分量。-19-医学医学图像像去噪方法去噪方法-频域法域法举例例利用小波变换对机械部件图像去噪效果对比图,有效的保留了图像的高频分量。-20-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-21-l 医学医学图像的退化像的退化 图像在形成、像在形成、记录、处理和理和传输过程中，由于成像系程中，由于成像系统、记录设备、传输介介质和和处理方法的不完善，从而理方法的不完善，从而导致的致的图像像质量下降。量下降。l医学医学图像的复原像的复原试图利用退化利用退化过程的先程的先验知知识，去恢复已被退化，去恢复已被退化图像的本来面目像的本来面目。复原的复原的过程是沿着程是沿着质量降量降质（退化）的逆（退化）的逆过程来重程来重现原始原始图像。像。医学医学图像像的退化与复原的退化与复原-22-医学医学图像像的复原的复原-基本思路基本思路退化了的图像图像退化图像复原因果关系研究退化模型高质量图像复原的图像-23-l图像退化像退化典型原因及表典型原因及表现：成像系成像系统的像差、畸的像差、畸变、有限、有限带宽等造成的等造成的图像像失真。失真。模模拟图像在数字化的像在数字化的过程中，由于会程中，由于会损失掉部分失掉部分细节，因而造成，因而造成图像像质量下降。量下降。拍拍摄时，相机与景物之，相机与景物之间的相的相对运运动产生的运生的运动模糊模糊l医学医学图像的复原方法像的复原方法根据根据图像退化的先像退化的先验知知识建立一个退化模型，以此模型建立一个退化模型，以此模型为基基础，采，采用各种逆退化用各种逆退化处理方法理方法进行恢复，使行恢复，使图像像质量得到改善量得到改善。图像复原的关像复原的关键在于建立在于建立图像退化模型。像退化模型。这个退化模型个退化模型应该能能够反反映映图像退化的原因。通常将退化原因作像退化的原因。通常将退化原因作为线性系性系统退化的一个因素退化的一个因素来来对待，从而建立系待，从而建立系统退化模型来近似描述退化模型来近似描述图像函数的退化。像函数的退化。医学医学图像像的退化与复原的退化与复原-24-l图像复原像复原方法：方法：退化函数估退化函数估计：运：运动矩矩阵H的估的估计，噪声（，噪声（n）的估）的估计。图像去噪：可以使用空像去噪：可以使用空间域或域或频率域率域滤波器波器实现。因因为不同原因不同原因产生的生的噪音的分布是不同，可以通噪音的分布是不同，可以通过分析分析图片中噪音的分布得到片中噪音的分布得到产生生这些噪音些噪音的参数，然后的参数，然后进行逆运算行逆运算进行行图像复原像复原。逆逆滤波：波：有有约束的最小二乘法容易通束的最小二乘法容易通过计算机的算机的简单程序程序实现，对图像像进行逆行逆滤波来波来实现反卷反卷积的方法方便快捷，无需循的方法方便快捷，无需循环或迭代，直接可以或迭代，直接可以得到反卷得到反卷积结果果。维纳滤波：波：由由Wiener首先提出的，首先提出的，应用于一用于一维信号信号处理，取得了很好的理，取得了很好的效果。之后，效果。之后，维纳滤波法被用于二波法被用于二维信号信号处理，也取得了不理，也取得了不错的效果，的效果，尤其在尤其在图像复原像复原领域，由于域，由于维纳滤波波计算量小，复原效果好，从而得到算量小，复原效果好，从而得到了广泛的了广泛的应用和用和发展展。医学医学图像像的复原方法的复原方法-25-医学医学图像像的复原方法的复原方法-去噪声去噪声(a)原图像(b)被正弦噪声干扰的图像(c)滤波效果图复原复原受正弦噪声干受正弦噪声干扰的的图像像 -26-医学医学图像像的复原方法的复原方法-维纳滤波去运波去运动模糊模糊(a)原图像(b)运动模糊图像(c)滤波效果图利用利用维纳滤波复原含运波复原含运动模糊的模糊的图像像-27-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-28-医学医学图像分割像分割l 医学医学图像分割是一个根据像分割是一个根据图像像区域区域间的相似或不同把的相似或不同把图像分割像分割成若干区域的成若干区域的过程程。这些区域是互相不交叉的，每一个区域都些区域是互相不交叉的，每一个区域都满足特定区域的一致性。足特定区域的一致性。l 必要性：必要性：图像分割是像分割是图像分析像分析环节的关的关键技技术，是提取影像，是提取影像图像中特殊像中特殊组织的定量信息的不可缺少的手段，同的定量信息的不可缺少的手段，同时也是可也是可视化化实现的的预处理步理步骤和前提。分割后的和前提。分割后的图像正被广泛像正被广泛应用于各种用于各种场合，如合，如组织容容积的定量分析，的定量分析，诊断，病断，病变组织的定位，解剖的定位，解剖结构的学构的学习，治，治疗规划，功能成像数据的局部体效划，功能成像数据的局部体效应校正和校正和计算机指算机指导手手术。由于医学。由于医学图像的复像的复杂性和多性和多样性，医学性，医学图像分像分割至今仍然是个科学割至今仍然是个科学难题。-29-医学医学图像分割像分割-技技术实现方法方法l基于区域的分割方法基于区域的分割方法：利用同一区域内的特征相似性：利用同一区域内的特征相似性识别图像不同区域的方像不同区域的方法。法。阈值法法 区域生区域生长和分裂合并和分裂合并 分分类器和聚器和聚类方法方法基于随机基于随机场的方法的方法其他其他统计方法方法 l 边缘分割方法：区域分割方法：区域边缘上的像素灰度上的像素灰度值的的变化往往比化往往比较剧烈，烈，检测不同区不同区域域间的的边缘来解决来解决图像分割像分割问题。并行微分算子并行微分算子基于曲面基于曲面拟合的方法合的方法基于基于边界曲界曲线拟合的方法合的方法串行串行边界界查找找-30-医学医学图像分割像分割-阈值法法举例例脑部部CT切片的切片的CT值范范围为0-4095,灰度灰度级别为4096,采用多采用多阈值方法将改方法将改图分分为四个部分：背景、表皮、四个部分：背景、表皮、软组织和骨骼。和骨骼。阈值分分别为175、977和和1502.阈值方法：如果只用方法：如果只用选取一个取一个阈值称称为单阈值分割，它将分割，它将图像分像分为目目标和和背景；如果需用多个背景；如果需用多个阈值则称称为多多阈值方法，方法，图像将被分割像将被分割为多个目多个目标区区域和背景，域和背景，为区分目区分目标，还需要需要对各各个区域个区域进行行标记。阈值分割方法基于分割方法基于对灰度灰度图像的一种假像的一种假设：目：目标或背景或背景内的相内的相邻像素像素间的灰度的灰度值是相似的，是相似的，但不同目但不同目标或背景的像素在灰度上有或背景的像素在灰度上有差异，反映在差异，反映在图像直方像直方图上就是不同上就是不同目目标和背景和背景对应不同的峰。不同的峰。选取的取的阈值应位于两个峰之位于两个峰之间的谷，从而将各的谷，从而将各个峰分开。个峰分开。-31-阈值法的法的优缺点缺点l 优点点简单对于不同于不同类的物体灰度的物体灰度值或其他特征或其他特征值相差很大相差很大时，它能很有效的，它能很有效的对图像像进行分割。行分割。阈值分割通常作分割通常作为预处理，在其后理，在其后应用其他一系列分割方法用其他一系列分割方法进行行处理，它理，它常被用于常被用于CT图像中皮肤、骨骼的分割。像中皮肤、骨骼的分割。l 缺点缺点 不适用于多通道不适用于多通道图像和特征像和特征值相差不大的相差不大的图像，像，对于于图像中不存在明像中不存在明显的的灰度差异或各物体的灰度灰度差异或各物体的灰度值范范围有有较大重叠的大重叠的图像分割像分割问题难以得到准确以得到准确的的结果。果。它它仅仅考考虑了了图像的灰度信息而不考像的灰度信息而不考虑图像的空像的空间信息，信息，阈值分割分割对噪声噪声和灰度不均匀很敏感。和灰度不均匀很敏感。-32-医学医学图像分割像分割-并行微分算子方法并行微分算子方法举例例l并行微分算子法并行微分算子法对图像中灰度的像中灰度的变化化进行行检测，通，通过求一求一阶导数极数极值点或二点或二阶导数数过零点来零点来检测边缘。常用的一。常用的一阶导数算子有梯度算子、数算子有梯度算子、Prewitt算子和算子和Sobel算子，二算子，二阶导数算子有数算子有Laplacian算子，算子，还有有Kirsch算子和算子和Wallis算子等非算子等非线性算子。梯度算性算子。梯度算子不子不仅对边缘信息敏感，而且信息敏感，而且对于像素点也很敏感。于像素点也很敏感。-33-医学医学图像分割像分割-并行微分算子法的并行微分算子法的优缺点缺点l 优点点对于高于高质量量图像，像，检测精度高。精度高。l 缺点缺点 对噪声敏感，由于梯度算子具有高通特性，噪声通常也是高噪声敏感，由于梯度算子具有高通特性，噪声通常也是高频的，因此可的，因此可能造成一些能造成一些错误边缘像素的像素的检测。-34-l区域生区域生长和分裂和分裂 优点：点：计算算简单,特特别适用于分割小的适用于分割小的结构如构如肿瘤和瘤和伤疤。疤。缺点：需要人工交互以缺点：需要人工交互以获得种子点，得种子点，这样使用者必使用者必须在每个需要抽取出的在每个需要抽取出的区域中植入一个种子点。区域中植入一个种子点。对噪声敏感，噪声敏感，导致抽取出的区域有空洞或者在局部致抽取出的区域有空洞或者在局部体效体效应的情况下将原本分开的区域的情况下将原本分开的区域连接起来。接起来。l形形变模型模型 优点：能点：能够直接直接产生生闭合的曲合的曲线或者曲面，或者曲面，对噪声和噪声和伪边界有很界有很强的的鲁棒棒性性.缺点：缺点：对初始初始边界位置敏感，需要人工交互干界位置敏感，需要人工交互干预。其他方法，限于篇幅不再其他方法，限于篇幅不再赘述。述。医学医学图像分割像分割-其他方法的其他方法的优缺点缺点-35-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-36-l含含义：利用：利用计算机算机对医学医学图像像进行自行自动处理、特征抽取和分理、特征抽取和分类的技的技术。实现医学医学图像自像自动识别是是计算机和医学交叉算机和医学交叉领域域的研究的研究热点，而影响点，而影响识别效果的因素主要是特征提取和效果的因素主要是特征提取和识别方法两个方面。方法两个方面。医学医学图像像的的识别-37-l 颜色特征提取色特征提取 优点：提取方便点：提取方便缺点：缺少空缺点：缺少空间分布信息分布信息l 纹理特征提取理特征提取 优点：可以反映点：可以反映图像像素点某像像素点某邻域内灰度域内灰度级或或颜色的某种色的某种变化，化，进而反映局部而反映局部结构化特征。构化特征。缺点：缺少全局信息。缺点：缺少全局信息。l形状特征提取形状特征提取 优点：可以很好的表示点：可以很好的表示图像可像可视化特征。化特征。缺点：需要缺点：需要图像分割，像分割，图像分割好坏决定着特征提取的效果。像分割好坏决定着特征提取的效果。医学医学图像像的的识别-特征提取方法的特征提取方法的优缺点缺点-38-l 神神经网网络是主流的医学是主流的医学图像像识别方法。方法。l 优点点 自适自适应性性强 学学习能力能力强 鲁棒性和容棒性和容错能力能力强l缺点缺点 对于于处理多理多维特征特征图像，像，单个分个分类器器识别率不高率不高 使用多个神使用多个神经网网络分分类器复器复杂度高度高医学医学图像像的的识别-神神经网网络识别方法方法-39-医学医学图像像的的识别举例例-乳腺病乳腺病变位置的确定位置的确定a.原始图像b.阈值分割得到的乳腺组织和脂肪组织c.利用区域生长方法得到病理影像d.增加了针状物特征之后的病理提取情况在特征提取的基在特征提取的基础上上进行模式分行模式分类是基于乳腺影像的是基于乳腺影像的计算机算机辅助助诊断的重要步断的重要步骤。如上。如上图所示，所示，对原始数据原始数据进行行处理的理的过程中得到病灶的一系列特征，以及程中得到病灶的一系列特征，以及用用这些特征表达的模式。正是些特征表达的模式。正是这些特征或特征的些特征或特征的组合形成的模式可以用于自合形成的模式可以用于自动的分的分类分析。分析。-40-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-41-医学医学图像像刚性配准与柔性配准的含性配准与柔性配准的含义l医学医学图像配准是指将来自不同形式的探像配准是指将来自不同形式的探测器器(如如MRI,CT,PET,SPECT等等)的医学的医学图像，利用像，利用计算机技算机技术实现对于一幅医学于一幅医学图像像寻求一种或者一系列的空求一种或者一系列的空间变换，使它与另一幅医学，使它与另一幅医学图像上的像上的对应点达到空点达到空间上的上的一致。其中，一致。其中，刚性配准的空性配准的空间变换为刚性性变换，柔性，柔性配准的空配准的空间变换为非非线性性变换。-42-医学医学图像配准的必要性像配准的必要性l必要性：医学必要性：医学图像大致可分像大致可分为解剖解剖图像像(如如CT,MRI)和功能和功能图像像(如如PET,fMRI,SPECT)。解剖。解剖图像能清晰地提供像能清晰地提供脏器的解器的解剖剖结构信息构信息,但不具但不具备功能功能显示示;功能功能图像能像能够显示人体的新示人体的新陈代代谢的功能的功能变化化,但分辨率但分辨率较低低,无法清晰地描无法清晰地描绘出器官或出器官或病灶的解剖病灶的解剖细节。若。若单独使用某一种模独使用某一种模态的成像技的成像技术,效果效果都不理想。因而我都不理想。因而我们需要利用需要利用图像配准技像配准技术来使多次成像或来使多次成像或多种模式成像的信息得到多种模式成像的信息得到综合利用。合利用。-43-医学医学图像配准的一般流程像配准的一般流程-44-医学医学图像配准像配准-刚性性变换与非与非线性性变换刚体变换仿射变换投影变换非线性变换刚性变换用一句用一句话来来说刚性性变换后直后直线仍然是直仍然是直线，非，非线性性变换后后直直线可能会可能会变成曲成曲线。-45-医学医学图像配准像配准-刚性性变换l刚体体变换：指在：指在变换前后能前后能够保持待配准保持待配准图像中任意两点像中任意两点间距离不距离不变的的变换方法方法,包括平移和旋包括平移和旋转两部分。两部分。l仿射仿射变换：变换前后能前后能够将待配准将待配准图像中的直像中的直线仍旧映射仍旧映射为直直线,且任意且任意两直两直线之之间的平行关系保持不的平行关系保持不变。它包括平移，旋。它包括平移，旋转和和缩放。放。l投影投影变换：变换前后的平行直前后的平行直线仍旧是直仍旧是直线,但不保但不保证它它们间的平行关系的平行关系仍旧成立。投影仍旧成立。投影变换反映的是目反映的是目标在不同距离成像在不同距离成像时,成像系成像系统中中发生的生的变形。形。-46-医学医学图像配准像配准-柔性柔性变换主要方法主要方法l弹性体模型：根据物理学中的性体模型：根据物理学中的弹性力学的运性力学的运动抽象出来的模型抽象出来的模型,它主要研它主要研究究弹性物体在外力作用和内外性物体在外力作用和内外环境境变化化时产生的生的应变、应力以及位移的力以及位移的大小和位置。大小和位置。l粘性流体理粘性流体理论：在配准：在配准过程中程中,源源图像被像被视作粘性流体作粘性流体,流体在内力的作流体在内力的作用下流用下流动去去拟合目合目标图像。一段像。一段时间后后,内力消失内力消失,流体停止流流体停止流动。图像像中的内力在形中的内力在形变的的过程中随着程中随着时间消逝而消逝而释放放,使它具有模使它具有模拟高度局部化高度局部化形形变的能力。的能力。l样条函数法：常用的条函数法：常用的样条函数有薄板条函数有薄板样条、条、B 样条等。采用条等。采用样条函数的条函数的配准方法的原理是配准方法的原理是:假假设在参考在参考图像和目像和目标图像中存在某些确定的像中存在某些确定的对应点点(也称也称为控制点控制点),将目将目标图像中的控制点映射到参考像中的控制点映射到参考图像的像的对应点点,在控制在控制点之点之间,求取它求取它们之之间存在的最存在的最优光滑位移光滑位移场。-47-医学医学图像配准像配准-技技术实现方法方法基于灰度的基于灰度的图像配准技像配准技术l基于灰度的方法是通基于灰度的方法是通过寻找两幅找两幅图像重叠部分中相似的灰度信息来像重叠部分中相似的灰度信息来寻找找图像的配准位置像的配准位置,使用灰度信息相似性最大或最小使用灰度信息相似性最大或最小值点来判断两个区域是点来判断两个区域是否相似。常用的算法有灰度比否相似。常用的算法有灰度比值、区域匹配法、最大互信息法等。其中、区域匹配法、最大互信息法等。其中互信息是最常用的相似互信息是最常用的相似测度函数度函数,并已取得了巨大成功。并已取得了巨大成功。l优点：只与点：只与图像的灰度相关，与像的灰度相关，与图像的像的颜色无关，并且互信息法已色无关，并且互信息法已经广广泛泛应用于医学用于医学图像配准当中。像配准当中。l缺点：运算量大，配准缺点：运算量大，配准时间长。-48-医学医学图像配准像配准-技技术实现方法方法基于特征的基于特征的图像配准技像配准技术l基于特征的方法是通基于特征的方法是通过提取待配准提取待配准图像和参考像和参考图像的相像的相应特征特征,以数学方以数学方法建立特征之法建立特征之间的几何的几何变换关系匹配。关系匹配。这些些图像特征包括点像特征包括点,线,边缘、轮廓等。特征的提取算法可以分廓等。特征的提取算法可以分为点特征提取算子点特征提取算子,例如例如Harris,SUSAN,还有有轮廓特征算子廓特征算子,例如例如Canny,梯度算子等。梯度算子等。l优点：速度快、点：速度快、计算量小、拼接精度高。算量小、拼接精度高。l缺点：拼接的精度缺点：拼接的精度较大程度上取决于特征的提取，使用大程度上取决于特征的提取，使用该方法运用方法运用时通通常需要半人工常需要半人工选取特征。取特征。-49-医学医学图像配准像配准举例例 MR肝脏图CT肝脏图 基于基于B样条的柔性配准条的柔性配准基于仿射基于仿射变换的的刚性配准性配准-50-医学医学图像像刚性配准性配准举例例（a)参考参考图像像(b)待配准待配准图像像 (c)配准后配准后图像像-51-目目录1.1.医学医学图像像处理背景理背景2.2.医学医学图像像预处理理3.3.医学医学图像去噪像去噪4.4.医学医学图像复原像复原5.5.医学医学图像分割像分割6.6.医学医学图像像识别7.7.医学医学图像配准像配准8.8.医学医学图像的像的拼接拼接9.9.医学医学图像在像在临床的床的应用用10.10.医学医学图像像处理技理技术在科研中的在科研中的应用用-52-医学医学图像拼接像拼接l含含义：将不同成像：将不同成像设备或同一成像或同一成像设备不同不同时间获得的含有重叠区域的多幅得的含有重叠区域的多幅医学医学图像像综合成一幅大型的高分辨率无合成一幅大型的高分辨率无缝医学医学图像的像的图像像处理技理技术。l必要性：由于必要性：由于现有的成像有的成像设备限制限制,要要获得完整的医学得完整的医学图像常常需要多次拍像常常需要多次拍摄,医生需要将多次拍医生需要将多次拍摄的具有相互重叠的的具有相互重叠的图像拼接像拼接,全局全局观察病人情况。察病人情况。过去去临床上医生常使用手工拼接和网格拼接的方法。手床上医生常使用手工拼接和网格拼接的方法。手动的方法的方法虽然直接然直接,但但误差相差相对较大大,速度慢速度慢,而网格拼接方法而网格拼接方法,需要需要专门设备,并且拍并且拍摄的的图像像带有网有网格格,影响影响临床床诊断。通断。通过医学医学图像拼接技像拼接技术来来获取全景的医学取全景的医学图像像,可以可以说是是一种便捷、高效、高性价比的解决途径。一种便捷、高效、高性价比的解决途径。-53-医学医学图像拼接像拼接-关关键步步骤l医学医学图像拼接主要分像拼接主要分为两步：两步：图像配准与像配准与图像融合。像融合。l图像配准：像配准：该步步骤在上一章在上一章节已描述。已描述。l图像融合：由于在不同像融合：由于在不同时刻刻获得的得的图像像,在光照、在光照、设备参数和周参数和周围环境的境的影响下影响下,图像的像素很像的像素很难保持不保持不变,在拼接在拼接时就会出就会出现缝隙隙,不便于不便于观察。察。因此需要采用融合技因此需要采用融合技术对重叠区域重叠区域进行融合行融合,进而消除拼接而消除拼接缝隙隙线。-54-医学医学图像融合像融合-带有有缝隙隙线的拼接的拼接图像像-55-医学医学图像拼接像拼接-以像素以像素为基基础的融合的融合l以像素以像素为基基础的的 方法：由于像素是方法：由于像素是图像的基本元素像的基本元素,像素像素间灰度灰度值的差的差异异显现出出图像中所包含的像中所包含的结构信息构信息,因此因此简单地把两幅地把两幅图像像对应像素点像素点的灰度的灰度值进行加行加权求和、求和、灰度取大或者灰度取小等操作灰度取大或者灰度取小等操作,便可得到一幅便可得到一幅融合融合图像。像。l优点：数学原理易于理解点：数学原理易于理解,算法算法实现简单。l缺点：缺点：实现效果和效率相效果和效率相对较差差,融合后融合后图像会出像会出现一定程度的模糊。一定程度的模糊。-56