醫學圖像配準框架的研究進展及展望

摘 要

醫學圖像配準是利用計算機技術實現的參考圖像與浮動圖像對齊，在醫學領域中這一技術的現實應用，更加有助于主治醫師了解患者的病灶位置，具備較高的臨床應用價值。而融合信息技術與圖像技術，在臨床診斷和手術治療中皆可實現更為精準的醫學圖像判斷。為了解析醫學圖像配準的關鍵技術應用模式，本文探究近些年來學圖像配準框架的研究進展，進而以醫學配準維度探索發展前景。

【關鍵詞】醫學圖像 配準框架 研究進展

1 醫學圖像配準的概念

醫學領域中在進行臨床診斷的過程中，校準患者病灶信息是客觀判定病情發展的可靠依據。而通過醫學圖像進行分析，往往需要核對患者在同一時間同一空間內的病癥信息，那么也就需要將患者的醫學圖片進行疊加，進而體現出綜合性更高的原始數據與信息。但是對于多幅圖像進行對準時，同樣需要對重疊圖像進行定量分析，那么必須對所有圖像進行更為嚴謹的對齊，也就是醫學領域中需要圖像配準的現實需求。而醫學圖像的配準框架需要保持一系列圖片中的空間變化不產生位移，達到點對空間的完全一致。這種一致的空間位置可以作為兩組圖像的校準指標。而配準結果便是兩幅圖像中的解剖點，其解剖點的準確性也直接影響到匹配度和臨床價值。90年代醫學圖像配準技術應用于臨床醫學中以來，對于醫學圖像配準的技術研究集中于數據獲取后的配準問題，也就是回顧式配準“retrospective registration”，包括斷層掃描圖像的配準問題，如PET、SPECT、MRI、CT等，以及時序圖像、4D心動圖像、FMRI等圖像的配準框架問題。

2 醫學圖像配準框架的研究進展

在醫學圖像配準框架的研究中，探討其空間變換方式也是實現浮動圖像具備較高參考價值的必要途徑。而針對醫學圖像中的非剛性配準框架，目前存在兩種物理模型的研究方法，分別為偽物理模型和空間變換的方式，以及相似性模型測度等。對于不同物理模型的設計方式，能夠有效提高醫學圖像配準關鍵技術的精準度，進而為臨床醫學提供更為客觀和可靠的數據信息。

2.1 空間變換模擬物理模型

空間變換近似于圖像的變形表現形式，最早使用過多項函數進行分析，利用模擬圖像的形狀變換作為辯證分析的先決條件。雖然這種方式可以簡單解釋圖像本身的判斷標準，但是相對缺乏調整局部變化的方式。后期使用的樣條法極大改善了圖像輸出的變化空間，從參考圖像和浮動圖像中明確一組相對穩定的控制點，以控制點為軸心映射參考變量中的對應值，便可獲悉樣條函數的具體適用范疇。而其適用性與通用性同樣適用于非線性變化，經網格化的圖像信息整合為全圖像的虛擬范圍，便可構造出利于隨時自由變化的圖像空間。而基于樣條模型的整體特征，也會受到少量圖像特征的控制，進而達到區域配準的實際要求。通過模擬局部區域的客觀變化，能夠實現更好的非剛性配準要求，僅需要三次以上的校準，便可獲得相應的樣條函數。此后多數研究提出了基函數法，利用基函數線性組合方式來描述醫學圖像的變形場，更加適用于傅立葉基函數，以及小波基函數的線性區分，為醫學圖像配準框架的校準提供了更為有利的客觀證據。

2.2 偽物理模型方法

醫學圖像配準框架采取的偽物理模型方法，是一種基于對圖像分析的物理變形方式。可以通過假設圖像信息的物理空間存在差異，通過構建模擬物理模型進行分析。其中適用度較高的研究發展成果為光流場模型、粘性流體模型、以及彈性模擬物理模型等。彈性模擬物理模型是通過目標圖像與源圖像的拉伸完成的物理模型構建方式。在這樣的拉伸過程中，其內力與外力同時產生相互制約，外界附加的作用力造成圖像變形，而內部控制力抵消了較大的彈性閾值空間，進而形成相對平衡的變形模式。當外力與內力達到最終平衡的狀態時，其彈性模型便可具備更高的局部變形空間，而且更加適用于相對較小的空間變化需求。基于偽物理模型的實際應用，可以更好的解釋非剛性配準的現實問題，同時提高運算效率，客觀描述圖像變化空間的特點與穩定性。

2.3 相似性模型測度

相似性模型測度是近些年來的研究發現，在參考圖像與浮動圖像之間選取相似度較高的物理模型，能夠有效配置兩幅醫學圖像的匹配值，而在像素相對模糊的情況下盡量索取趨于穩定的幾何特征，便可具備呈現出相似度較高的參考圖像。目前相似性模型測度已經廣泛應用于醫學圖像配準的技術應用中，其中最大互信息測度、最大互相關測度、最小距離測度都可以實現更為廣泛的空間閾值探析。而JS測度與HAUSDORF距離測度也是基于以上理論基礎達成的實踐應用方式，在最小距離的測度范圍中獲取了較高的便捷性。但是由于受限在簡單模態中的灰度差異過高，而最大觀測度的配準要求僅能提供灰度像素值，因此目前其線性規律的研究方向仍然以最小距離測度為主。而交互信息的關聯系統目前并未提出可靠的統計依據，如果從醫學圖像配準精度的發展方向探析，進一步強調兩幅圖像最大化的信息交互也是其發展初衷，而實現相似性模型測度的精準度也是臨床醫學應用的技術發展需求。為此，也需要同時提高梯度信息交互模式的現實應用，以及灰度壓縮的適應性，進而改善圖像信息的精準性與魯棒性。

參考文獻

[1]趙菲，廖琪梅，馬昂昂，張榮，盧虹冰. 基于ITK的多模態醫學圖像非剛性配準研究[J].醫療衛生裝備，2011，32（11）：5-8.

[2]呂曉琪，于荷峰，張傳亭.粒子群與改進的鮑威爾算法相結合的多分辨率三維醫學圖像配準[J].計算機應用研究，2014，31（12）：3898-3901.

作者簡介

宋斐（1970-），女，山東省煙臺市人。寧夏醫科大學，理學碩士，副教授，從事計算機基礎、應用、醫學圖像研究。

作者單位

寧夏醫科大學檔案館 寧夏回族自治區銀川市 750004endprint