多模態醫學圖像配準和融合方法及其臨床應用進展

郝仕嘉

【摘 要】多模態醫學圖像的配準、融合技術的主要目標在于將解剖圖像與功能圖像進行聯合，從而使人體內部結構在圖像方面呈現出來，幫助醫生進行診斷。本文在對醫學圖像技術進行研究后，對多模態醫學圖像的配準方法進行了算法更新，同時依據局部特征實現圖像信息的整合。最后對醫學圖像配準融合在臨床當中的應用進行全面概述。

【關鍵詞】多模態；醫學影像配準；圖像結合；臨床應用發展

現代醫學診斷學的發展，是醫學與計算機技術相互融合的過程，在新階段，人體醫學圖像作為重要的輔助診斷技術，目的在于通過計算機技術進行數學建模，從而實現對影響的處理。通過合理運用計算機輔助系統，可以極大程度提升醫生在進行診斷時的準確率以及診斷速度。而在圖像處理中，系統借助圖像輸入、處理、融合、分類實現診斷過程的可視化，使診斷對象的病理特征更加直觀、具象。

一、多模態醫學圖像配準與融合方法

（一）多模態醫學圖像配準方法

醫學圖像技術之中，圖像的配準過程一般需要進行空間變換、相似測度函數以及優化三個部分。隨著技術發展，多模態醫學圖像的配準相較于傳統單模態圖像而言，難度更高，其配準方法中主要的差別集中在相似測度函數這一方面，以灰度差平方和（SSD）為例，傳統的單模態圖像在進行配準時，其操作方式簡單，計算效率高，魯棒性能優異。但是在多模態圖像配準時，由于配準算法需要對灰度分布進行函數測度，因此存在較大的圖像模態差異，最終導致灰度值以及函數呈現出不穩定狀態，導致配準無法完成。為了解決多模態醫學圖像配準無法完成的問題，現代研究領域提出了通過特征提取算法，來解決配準問題。

在圖像之中，點特征的存在較為普遍，因此在進行特征提取算法設計時，通常依據區域相似策略，對參考圖像當中的待提取點進行設定，再以此點為中心，進行窗口設置。目標圖像需要與之進行對應，形成對應窗口。兩個窗口在進行相似測度函數時，通過最大取值的方式，能夠使中心點完成對應。在完成對應點的提取之后，根據非剛性配準算法中的FFD模型，可以完成圖像特征的配準。其中，通過集合的方式對待配準圖像進行表示，再計算得到圖像中窗口內部的均勻控制網絡，運用坐標的方式，將網格間距在x軸和y軸上表達，FFD模型可以給出一維的樣條張量。在一維網格之上，通過多組控制網格形成各個網格層級，最終完成層級之間的控制定點遞增，使FFD模型能夠形成多層子模型。每一個網格的控制定點與其所在層級之間具有性變函數，通過調用BA算法，能夠使所有層級之間形成終極形變函數。研究人員可以對形變函數開展相似測度函數的分析，是指作為互信息的表達方式，實現梯度優化。這種互信息下的梯度優化在CT、MRI等圖像配準之中應用廣泛，精準度極高。

（二）多模態醫學圖像融合方法

多模態醫學影像融合，是對于醫學影像配準的處理，融合圖像需要對原圖像信息進行保留，但是也需要對圖像信息變化進行反應。在目前的技術研究中，研究人員根據人類觀察過程中的視覺特點，采用了尺度分解變換來完成圖像融合，這種融合方法在多模態醫學圖像處理中需要進行多個步驟的實踐[1]。首先，操作人員需要對原圖像內容進行處理，使其完成分解，分解內容為高頻或低頻的子帶，隨后，根據既定的融合規則，將各個子帶一一匹配，完成融合。最后，采用逆變換設備對融合的結果進行分析，判斷是否存在融合問題和特征出入。這種尺度變換融合方法雖然使目前廣泛采用的處理技術，但是在具體的應用過程中卻受到變化工具的限制，例如在金字塔變換中，操作人員利用變換工具進行變換時，往往只能將圖片層次進行分解，但無法對高頻圖像完成劃分方向。因此在研究領域，研究者希望借助剪切波的變換來解決現存問題。

在剪切波變換中，剪切波的離散化性能能夠解決多尺度分解變換所造成的融合問題，在實際應用中，研究人員在多尺度分解郭恒中，對下采樣操作進行了處理，使其能夠在方向局部化開展時，可以與剪切濾波器相互結合，通過偽極化的方式，實現平移操作，在標準的剪切波下，平移過程具有不變性質。在以往的變換融合中，由于缺少平移不變這一特性，容易使得整個變換過程出現偽吉布斯現象，為了對其進行客服，需要將標準剪切波的離散性能融入到變換過程之中，以金字塔變換為例，下采樣金字塔濾波器在使用時，每一個層級都需要對上一個層級的濾波器進行采樣操作，這種濾波操作能夠使偽極化網絡通過窗函數完成平移不變性質的維持，并在傅里葉變換時直接通過二維卷積完成運算，保證圖像融合的準確性。實現平移不變性質的保持后，圖像的分解內容子帶則具有了垂直、水平以及對角三種性質，在尺度性更加完善的同時也具有了方向性。

二、多模態醫學圖像配準、融合的臨床應用

（一）放射性治療中圖像引導技術的應用

在臨床醫學中，放射性治療的主要目的在于通過放射醫療器材對腫瘤靶區進行放射，從而提高其射線吸收量，并降低危害器官的射線吸收量。在這一過程中，通過運用多模態的醫學圖像系統，能夠針對患者的身體環境進行三維圖像的生成，從而保證腫瘤靶區以及受到威脅器官能夠在圖像技術下得到動態跟蹤和監測。對于臨床醫生來說，通過合理運用圖像配準技術，能夠提升放射治療的精準程度。在先進的圖像系統中，圖像處理平臺還會依據算法對所獲得的影響數據進行處理分析，放射治療的要求下，患者的呼吸運動特征、腫瘤的變化特征、解剖組織的變形情況，都能夠通過圖像系統來完成定量分析，幫助臨床醫生進行精準的控制[2]。以目前廣泛應用于放射科臨床治療中的IGRT系統為例，該系統就是通過運用多模態醫學圖像配準技術，實現了諸多臨床能力。例如放療擺位可以依靠系統的分析進行三維圖像的建立，并在導入了患者CT圖像后，實現剛體配準，最終得到治療床的調節參數。此外，在自適應放療技術中，系統還能夠進行在線的形變配準，從而使放射計劃更具有針對性。

（二）臨床手術中可視化圖像應用

在一些重要的臨床手術中，多模態的醫學圖像技術應用同樣廣泛。以人體假肢的安裝手術為例。在手術開展之前，臨床醫生可以依據多模態醫學圖像技術對人的假肢在正?；顒酉碌氖芰顟B進行分析，再根據CT數據對假肢進行三維建模設計假體，并與力學分析進行融合，形成設計方案。在假肢制作和手術過程中，圖像技術還能夠與RP快速成型技術相互融合，使可視化的假肢制作和假肢植入能夠樹順利完成。在最后通過熔模鑄板，實現硅膠翻模。并依次進行打孔和消毒，保證整個手術流程順利、通常。

三、結論

綜上所述，在現階段的臨床醫學中，臨床醫生對于可視化輔助醫學診斷系統的要求較高。多模態醫學圖像的配準和融合是醫學圖像技術發展的前進方向，在研究領域，研究者希望借助算法的革新和技術的創造，使多模態醫學圖像的配準更為精確，融合也更具效率，最終達到提高診斷效果的目的。

【參考文獻】

[1]王麗芳，成茜，秦品樂等. 基于多層P樣條和稀疏編碼的非剛性醫學圖像配準方法[J/OL]. 計算機應用研究，2018（07）：1-2.

[2]史益新，邱天爽，韓軍等.基于混合互信息和改進粒子群優化算法的醫學圖像配準方法[J].中國生物醫學工程學報，2015，34（01）：1-7.