【摘 要】隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的影像設(shè)備應(yīng)用于臨床，而不同設(shè)備采集的圖像參數(shù)往往是不一樣的，因此，要想將病變部位的各種不同情況在一張圖像上體現(xiàn)出來，研究圖像配準(zhǔn)技術(shù)就是相當(dāng)必要的，它能夠?qū)煞鶊D像中的信息綜合起來，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。本文從醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的概念、發(fā)展現(xiàn)狀、分類及應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)；多模態(tài)；醫(yī)學(xué)影像技術(shù)

1.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)概述

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是指將來自不同形式的探測器（如MRI，CT，PET，SPECT等）的醫(yī)學(xué)圖像，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于一幅醫(yī)學(xué)圖像尋求一種或者一系列的空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間上的一致。通俗地講，醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)就是對參考圖像進(jìn)行一系列的空間變換，使得參考圖像和浮動圖像中的對應(yīng)點(diǎn)在空間位置或者解剖位置上達(dá)到一致[1]。主要包含4個(gè)模塊：幾何變換、插值算法、相似性測度和尋優(yōu)算法。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是醫(yī)學(xué)圖像處理的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航、病變跟蹤以及治療后期評估等臨床診斷治療中。

2.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)研究的現(xiàn)實(shí)意義

隨著新型傳感器的不斷涌現(xiàn)，人們獲取圖像的能力迅速提高，不同物理特性的傳感器所產(chǎn)生的圖像也不斷增多。由于成像原理以及成像設(shè)備的不同，造成成像模式的不同，按照不同成像模式提供信息的不同，醫(yī)學(xué)圖像可以分為解剖結(jié)構(gòu)圖像和功能圖像兩大類。單一模態(tài)的圖像往往很難提供足夠的病理信息，讓醫(yī)生作出病理診斷，常常需要將同一病人的多種成像模式的圖片綜合起來進(jìn)行分析，以便獲得病人更全面的信息，如 X 射線斷層掃描（CT，Computed Tomography）對骨骼信息的揭示是其他成像手段所不能比擬的，而要查看軟組織結(jié)構(gòu)信息，則會選擇核磁共振成像（MRI，Magnatic Resonance Imaging）；利用PET、SPECT獲得功能信息，再綜合CT、MRI的解剖信息分析。這種把各種成像模式的圖像信息融合成一種新的影像模式的技術(shù)稱為圖像融合技術(shù)，經(jīng)過融合后的圖像克服了各種單一模式圖像信息存在的不足。而在圖像融合之前首先要經(jīng)過圖像的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)結(jié)果的好壞直接影響圖像融合的質(zhì)量。因此，醫(yī)生要想全面的了解病變組織的情況，必須準(zhǔn)確的對多幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)才能融合，進(jìn)而制定出更加合理的治療方案。因此，以圖像配準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)將多種模態(tài)圖像信息融合起來，充分利用不同模態(tài)圖像的優(yōu)越性，將人體解剖結(jié)構(gòu)信息以及功能代謝信息在同一副圖像中表達(dá)出來，更有利于醫(yī)生做出準(zhǔn)確、可靠的診斷。

3.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖像融合技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代，是指對多幅源圖像的信息進(jìn)行提取。90年代初期，融合技術(shù)逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域。與普通圖像融合相比，醫(yī)學(xué)圖像融合要求更為精確： 首先，必須保證融合后的圖像包含更多準(zhǔn)確的源圖像信息，不能扭曲或者產(chǎn)生新的細(xì)節(jié)，以免出現(xiàn)誤診；其次融合后的圖像滿足人眼識別的要求，便于研究人員觀察組織器官狀態(tài)信息。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者先后提出了如像素加權(quán)求平均、小波變換等多種融合方法，其中小波變換在時(shí)、頻域突出信號局部特征的能力逐漸成為圖像融合領(lǐng)域的主流算法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)以其處理自動化、智能化的特點(diǎn)，也逐步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像融合，這勢必成為一個(gè)新的研究方向。

近20年來，國內(nèi)外專家、學(xué)者在醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)研究方面取得了諸多成果。然而，生物體視學(xué)的興起、成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及臨床實(shí)踐的更高要求都為醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)提出了新的課題、注入了新的研究動力。此外，醫(yī)學(xué)圖像種類繁多，醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的過程又相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，到目前為止，還沒有一種普適的配準(zhǔn)算法被提出?，F(xiàn)有的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有的雖然配準(zhǔn)精度高，但是計(jì)算量大、計(jì)算復(fù)雜度高、耗時(shí)較長；有的雖然配準(zhǔn)速度快，但是容易導(dǎo)致誤匹配；有的則是自動化程度不高，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生或者專家介入才能完成配準(zhǔn)。這些情況都限制了醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)在臨床應(yīng)用中的發(fā)展，因此對現(xiàn)有醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)算法進(jìn)行研究和改進(jìn)，具有理論和實(shí)踐意義。

4.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的分類

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)從不同角度可以分成不同類別。

（1）從人工智能的角度劃分，有人工配準(zhǔn)、半自動配準(zhǔn)和全自動配準(zhǔn)。人工配準(zhǔn)需要人為手動進(jìn)行配準(zhǔn)，限制比較多；全自動配準(zhǔn)是不需要人工參與的，圖像輸入后程序便可以通過圖像處理的一些技術(shù)自動尋找配準(zhǔn)位置，是當(dāng)前主要的研究領(lǐng)域；半自動配準(zhǔn)是結(jié)合了手動與全自動的一種配準(zhǔn)方式，可能圖像需要先用人工進(jìn)行初配準(zhǔn)，然后進(jìn)行自動化的精細(xì)配準(zhǔn)以提高配準(zhǔn)的成功率和穩(wěn)定性。

（2）從輸入圖像的維度來分，有2D-2D配準(zhǔn)和3D-3D配準(zhǔn)，當(dāng)然也有一種特殊的情況就是2D-3D配準(zhǔn)。

（3）按空間變換來分，分為兩大類：線性變換，非線性變換。線性變換保持線性性質(zhì)不變，也即在原圖中是直線的，那么變換好后仍然會是直線，在數(shù)學(xué)上可以由一個(gè)4×4 齊次坐標(biāo)矩陣來表示，而非線性變換則沒有這種約束。而非線性變換由于其特殊性，并不有固定的變換方法。大量研究人員都提出了非線性變換的模型，試圖更接近所應(yīng)用領(lǐng)域的變形實(shí)際。

（4）按醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)測度分類，配準(zhǔn)測度是醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)中最重要的一個(gè)模塊，直接關(guān)系到配準(zhǔn)的精度與穩(wěn)定性。按配準(zhǔn)測度的算法原理，一般可以分為：使用圖像灰度信息的測度、使用圖像幾何信息的測度、結(jié)合了圖像灰度與幾何信息的測度。該三類都有大量的測度存在，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域會有一些取舍。

5.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)發(fā)展幾十年來，在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其中包括：

（1）信息的綜合：前面我們提到醫(yī)學(xué)圖像中有兩種基本的類別：功能圖像（SPECT、PET）和結(jié)構(gòu)圖像（MR、CT）。生理學(xué)上的一些信息可以在功能圖像上顯現(xiàn)出來，但是功能圖像不能夠?yàn)槟[瘤或其它的損害提供足夠精確的解剖位置。因此，為能提供更加全面的信息，需要將兩種醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)結(jié)合起來，為診斷和治療方案提供更加全面可靠的依據(jù)。

（2）特征比較：在臨床實(shí)際中，常常需要對患者病情的發(fā)展情況進(jìn)行跟蹤了解。因此對不同時(shí)期采集的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)比較。如觀察骨骼、腫瘤的生長發(fā)展過程，觀察病人術(shù)前術(shù)后的功能特征。

（3）圖像引導(dǎo)放療：圖像引導(dǎo)放射治療（Image-Guided Radiotherapy，IGRT）將放射治療機(jī)與成像設(shè)備結(jié)合在一起，在患者治療前、治療中利用各種先進(jìn)的影像設(shè)備對腫瘤及正常器官進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)可以匹配治療前和計(jì)劃時(shí)的單?；蚨嗄D像數(shù)據(jù)，根據(jù)病人體位位移調(diào)整病人擺位，是實(shí)現(xiàn)IGRT平臺的關(guān)鍵技術(shù)。而2D/3D 配準(zhǔn)保證圖像在三個(gè)維度位置的一致性，同時(shí)也是是圖像配準(zhǔn)臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。

6.結(jié)束語

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的目的是為給醫(yī)生提供全面準(zhǔn)確的信息，為醫(yī)生作出更準(zhǔn)確、全面的診斷與治療方案提供可靠依據(jù)。在日益增多的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，快速配準(zhǔn)更是必需的。目前的大部分配準(zhǔn)算法集中在MRI、PET和CT間，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，相信醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)技術(shù)一定會得到快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

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