醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架的研究進(jìn)展及展望

摘 要

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的參考圖像與浮動(dòng)圖像對(duì)齊，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中這一技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，更加有助于主治醫(yī)師了解患者的病灶位置，具備較高的臨床應(yīng)用價(jià)值。而融合信息技術(shù)與圖像技術(shù)，在臨床診斷和手術(shù)治療中皆可實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像判斷。為了解析醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用模式，本文探究近些年來(lái)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架的研究進(jìn)展，進(jìn)而以醫(yī)學(xué)配準(zhǔn)維度探索發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學(xué)圖像 配準(zhǔn)框架 研究進(jìn)展

1 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的概念

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中在進(jìn)行臨床診斷的過(guò)程中，校準(zhǔn)患者病灶信息是客觀判定病情發(fā)展的可靠依據(jù)。而通過(guò)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析，往往需要核對(duì)患者在同一時(shí)間同一空間內(nèi)的病癥信息，那么也就需要將患者的醫(yī)學(xué)圖片進(jìn)行疊加，進(jìn)而體現(xiàn)出綜合性更高的原始數(shù)據(jù)與信息。但是對(duì)于多幅圖像進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)時(shí)，同樣需要對(duì)重疊圖像進(jìn)行定量分析，那么必須對(duì)所有圖像進(jìn)行更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)齊，也就是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中需要圖像配準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)需求。而醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)框架需要保持一系列圖片中的空間變化不產(chǎn)生位移，達(dá)到點(diǎn)對(duì)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(zhǔn)指標(biāo)。而配準(zhǔn)結(jié)果便是兩幅圖像中的解剖點(diǎn)，其解剖點(diǎn)的準(zhǔn)確性也直接影響到匹配度和臨床價(jià)值。90年代醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)中以來(lái)，對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的技術(shù)研究集中于數(shù)據(jù)獲取后的配準(zhǔn)問(wèn)題，也就是回顧式配準(zhǔn)“retrospective registration”，包括斷層掃描圖像的配準(zhǔn)問(wèn)題，如PET、SPECT、MRI、CT等，以及時(shí)序圖像、4D心動(dòng)圖像、FMRI等圖像的配準(zhǔn)框架問(wèn)題。

2 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架的研究進(jìn)展

在醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架的研究中，探討其空間變換方式也是實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)圖像具備較高參考價(jià)值的必要途徑。而針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像中的非剛性配準(zhǔn)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(cè)度等。對(duì)于不同物理模型的設(shè)計(jì)方式，能夠有效提高醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)的精準(zhǔn)度，進(jìn)而為臨床醫(yī)學(xué)提供更為客觀和可靠的數(shù)據(jù)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(xiàn)形式，最早使用過(guò)多項(xiàng)函數(shù)進(jìn)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(jiǎn)單解釋圖像本身的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)缺乏調(diào)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(dòng)圖像中明確一組相對(duì)穩(wěn)定的控制點(diǎn)，以控制點(diǎn)為軸心映射參考變量中的對(duì)應(yīng)值，便可獲悉樣條函數(shù)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(jīng)網(wǎng)格化的圖像信息整合為全圖像的虛擬范圍，便可構(gòu)造出利于隨時(shí)自由變化的圖像空間。而基于樣條模型的整體特征，也會(huì)受到少量圖像特征的控制，進(jìn)而達(dá)到區(qū)域配準(zhǔn)的實(shí)際要求。通過(guò)模擬局部區(qū)域的客觀變化，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的非剛性配準(zhǔn)要求，僅需要三次以上的校準(zhǔn)，便可獲得相應(yīng)的樣條函數(shù)。此后多數(shù)研究提出了基函數(shù)法，利用基函數(shù)線性組合方式來(lái)描述醫(yī)學(xué)圖像的變形場(chǎng)，更加適用于傅立葉基函數(shù)，以及小波基函數(shù)的線性區(qū)分，為醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架的校準(zhǔn)提供了更為有利的客觀證據(jù)。

2.2 偽物理模型方法

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)框架采取的偽物理模型方法，是一種基于對(duì)圖像分析的物理變形方式。可以通過(guò)假設(shè)圖像信息的物理空間存在差異，通過(guò)構(gòu)建模擬物理模型進(jìn)行分析。其中適用度較高的研究發(fā)展成果為光流場(chǎng)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(guò)目標(biāo)圖像與源圖像的拉伸完成的物理模型構(gòu)建方式。在這樣的拉伸過(guò)程中，其內(nèi)力與外力同時(shí)產(chǎn)生相互制約，外界附加的作用力造成圖像變形，而內(nèi)部控制力抵消了較大的彈性閾值空間，進(jìn)而形成相對(duì)平衡的變形模式。當(dāng)外力與內(nèi)力達(dá)到最終平衡的狀態(tài)時(shí)，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(duì)較小的空間變化需求?；趥挝锢砟Ｐ偷膶?shí)際應(yīng)用，可以更好的解釋非剛性配準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)提高運(yùn)算效率，客觀描述圖像變化空間的特點(diǎn)與穩(wěn)定性。

2.3 相似性模型測(cè)度

相似性模型測(cè)度是近些年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，在參考圖像與浮動(dòng)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(yī)學(xué)圖像的匹配值，而在像素相對(duì)模糊的情況下盡量索取趨于穩(wěn)定的幾何特征，便可具備呈現(xiàn)出相似度較高的參考圖像。目前相似性模型測(cè)度已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的技術(shù)應(yīng)用中，其中最大互信息測(cè)度、最大互相關(guān)測(cè)度、最小距離測(cè)度都可以實(shí)現(xiàn)更為廣泛的空間閾值探析。而JS測(cè)度與HAUSDORF距離測(cè)度也是基于以上理論基礎(chǔ)達(dá)成的實(shí)踐應(yīng)用方式，在最小距離的測(cè)度范圍中獲取了較高的便捷性。但是由于受限在簡(jiǎn)單模態(tài)中的灰度差異過(guò)高，而最大觀測(cè)度的配準(zhǔn)要求僅能提供灰度像素值，因此目前其線性規(guī)律的研究方向仍然以最小距離測(cè)度為主。而交互信息的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)目前并未提出可靠的統(tǒng)計(jì)依據(jù)，如果從醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)精度的發(fā)展方向探析，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)兩幅圖像最大化的信息交互也是其發(fā)展初衷，而實(shí)現(xiàn)相似性模型測(cè)度的精準(zhǔn)度也是臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展需求。為此，也需要同時(shí)提高梯度信息交互模式的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，以及灰度壓縮的適應(yīng)性，進(jìn)而改善圖像信息的精準(zhǔn)性與魯棒性。

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作者簡(jiǎn)介

宋斐（1970-），女，山東省煙臺(tái)市人。寧夏醫(yī)科大學(xué)，理學(xué)碩士，副教授，從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、應(yīng)用、醫(yī)學(xué)圖像研究。

作者單位

寧夏醫(yī)科大學(xué)檔案館 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750004endprint