（模式识别与智能系统专业论文）磁共振弥散张量图像处理与分析.pdf

摘要 磁共振弥散张量成像是磁共振功能成像的重要组成部分。利用磁共振弥散 张量成像，可以提取、描述、以及研究水分子的弥散各向异性，甚至获取组织 微结构的信息。磁共振弥散张量成像可以检测到许多临床疾病的细微病变，如 脑中风、多发性硬化、精神分裂症等等，目前日益成为一种常规的临床诊断方 式。弥散张量成像的最先进的应用是进行脑白质纤维追踪，和血氧合水平依赖 磁共振功能成像一起，开创了脑连接度研究的重要方法。 磁共振弥散张量图像处理与分析涉及多学科领域，包括数学、物理学、医 学及计算机图像处理等多学科知识，是多个学科在医学领域内的交叉。本文的 研究重点是磁共振弥散张量图像处理与分析中的几项关键技术的研究，包括弥 散张量图像脑缺血病灶区的分割、利用弥散张量图像进行纤维追踪、以及弥散 张量场的规整化研究。本文的主要贡献可以概括为以下几点： 第一、提出了一种脑缺血病灶区的自动定位、分割算法。 磁共振弥散张量成像可用于检测脑缺血病灶的位置和大小，而且还可定量 分析病灶区弥散各向异性，这是一种非常重要的临床定性定量诊断方式。但由 于脑缺血病灶区呈高信号，而且由于弥散各向异性的作用，部分脑白质组织也 呈现高信号( 与施加的梯度磁场的方向相关) ，因而在磁共振弥散张量原始图像 上不容易区分出病变区或是各向异性作用所致高信号。因此，临床医生常常需 要通过图像处理获得平均弥散度图像( 消除了弥散各向异性) ，来判断脑缺血病 灶区：由于平均弥散度图像是后处理图像，可能会漏掉一些有价值的信息，因 而最好的方法是应用原始图像数据进行分析，包括对病灶区的定位与分割。目 前国际上学者所提出的自动分割方法由于无法完全克服各向异性的干扰，临床 医生多采用手动分割。我们充分考虑了噪声、弥散各向异性、强度不均匀性和 局部容积效应的影响，提出了一种新的直接针对弥散张量原始图像的脑缺血病 灶区自动分割一基于多尺度统计分类和局部容积分类的自动分割方法。通过在 统计分类模型中加入的各向异性判定，有效的区分出正常的脑白质组织和脑缺 血病灶区。另外，考虑到强度不均匀性的影响，我们采用局部容积体素局部区 域的均值和方差来完成局部容积体素再分类过程，以克服局部容积效应和削弱 强度不均匀性影响。 第二、提出一种自适应的脑白质纤维追踪方法。 磁共振弥散张量成像提供了脑白质纤维的方向信息，可以用来进行纤维路 径追踪。通常认为纤维方向与弥散张量的主特征向量方向一致，这具有不可避 免的局限性，如容易受到噪声等的影响，在多纤维交叉、汇合、以及分叉处容 积造成错误的追踪结果。我们提出了一种自适应的脑白质纤维追踪方法基于 最小追踪代价( m t c ) 模型的脑自质纤维追踪方法。纤维方向由整个弥散张量、 纤维轨迹低曲率先验知识、以及追踪惯性联合决定，而不仅仅由弥散张量的主 特征向量决定。对人工模拟数据的实验表明，m t c 方法，能够较好的克服噪声、 局部容积效应的影响，并且较好的解决纤维交叉的问题。对正常人脑以及病人 的纤维追踪结果显示，m t c 纤维追踪方法具有较平滑的路径，可以重建人脑白质 纤维结构，并且映射脑部疾病与主要纤维路径之间的关系。 第三、提出了一种直接针对弥散张量场去噪( 又称，弥散张量场的规整化) 的新的方法。 弥散张量成像的量化测量参数容易受到噪声的影响。影响这些参数的噪声 包括随机噪声和系统噪声。我们提出一种新的针对向量的非线性各向异性滤波 方法，来进行弥散张量场的规整化。我们采用二阶向量积的形式来解决弥散张 量特征向量方向的不确定性；对于特征值排序以及利用特征值的大小来进行排 序所引入的偏差，我们采用不同体素点弥散张量的特征值特征向量对之间的相 似性计算来解决，提出自己的弥散张量相似度函数；我们提出了新的针对向量 的非线性各向异性滤波方法，来进行弥散张量场的规整化。实验结果证明该方 法可以有效的去除噪声对弥散张量场的影响，是可行的和可重用的。通过弥散 张量场归整化，可以更加精确的进行脑白质纤维追踪，更加准确的分析脑连接 度等等。 关键词：磁共振弥散张量成像、弥散各向异性、图像分割、脑白质纤维追踪、 弥散张量场归整化 l i a b s t r a c t d i f f u s i o nt e n s o rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( d t _ m r i ) i sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n t o f f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c e ( m r ) i m a g i n g w i t hd t _ m r i ，d i f f u s i o na n i s o t r o p ye f f e c t s c a nb ef u l l ye x t r a c t e d c h a r a c t e r i z e d a n de x p l o i t e d ，p r o v i d i n ge v e nm o r e e x q u i s i t ed e t a i l s o nt i s s u em i c r o s t r u c t u r e d t - m r lh a sb e e nu s e dt od e m o n s t r a t es u b t l ea b n o r m a l i t i e si na v a r i e t yo fd i s e a s e s ( i n c l u d i n gs t r o k e ，m u l t i p l es c l e r o s i s s c h i z o p h r e n i a ，e ta 1 ) a n d i s c u r r e n t l yb e c o m i n gp a r to fm a n y r o u t i n ec l i n i c a lp r o t o c o l s t h em o s ta d v a n c e da p p l i c a t i o n i sc e r t a i n l yt h a to ff i b e rt r a c k i n gi nt h eb r a i n w h i c hi nc o m b i n a t i o nw i t hb o l d - f m r i ( b l o o d o x y g e n a t i o nl e v e ld e p e n d a n tf u n c t i o n a lm r i ) ，m i g h to p e naw i n d o wo nt h ei m p o r t a n t i s s u eo fb r a i nc o n n e c t i v i t y d t - m ri m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i si s m u l t i - d i s c i p l i n a r y , t o u c h i n g o nm a n y t e c h n i q u e s i n m a t h e m a t i c s p h y s i c s ，m e d i c i n e ，a n dc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n c e n t r a t e so ns o m ek e yt e c h n i q u e si nd t - m ri m a g ep r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s ，s u c h a s s e g m e n t a t i o n o fi s c h e m i cl e s i o n r e g i o n ，b r a i n w h i t em a t t e r t r a c t o g r a p h ya n dd i f f u s i o nt e n s o rr e g u l a r i z a t i o n t h ec o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a s f o i l o w s ： 1 a nu n s u p e r v i s e dm e t h o df o rs e g m e n t a t i o no fc e r e b r a li s c h e m i cl e s i o nf r o md t - m r i m a g e si sp m p o s e d i ti s v e r yi m p o r t a n t t o e m p l o y t h e t e c h n i q u e s o fd t - m r ii n q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e l yc e r e b r a li s c h e m i ad i a g n o s i s i n c l u d i n ga c c u r a t e l yd e t e c t i n gt h el o c a t i o na n d s i z e o fi s c h e m i cl e s i o n v o l u m e a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z i n gt h ec h a n g e si n w a t e r d i f f u s i o na n i s o t r o p yo fi s c h e m i cl e s i o n i no r i g i n a ld t - m ri m a g e s c e r e b r a li s c h e m i c l e s i o ns h o w su pw i t hh i g hs i g n a li n t e n s i t yw h i l et h ei n t e n s i t yo fn e r v et r a c t si sa l s oh i g h d u et od i f f u s i o na n i s o t r o p y i ti sd i 怖c u l tt od i s t i n g u i s hi s c h e m i ci e s i o nf r o mn e r v et r a c t s 1 n c l i n i c a l d i a g n o s i s ，m e a nd i f f u s i o nw e i g h t e di m a g ei sa c q u i r e d t or e d u c et h ed i f f u s i o n a n i s o t r o p yf o rd i s c e r n i n gt h ei s c h e m i cl e s i o nr e g i o n b u ts o m e u s e f u li n f o r m a t i o nw i l lb e a l s or e d u c e d s ot h eb e s tw a yi st od os o m ea n a l y s i so no r i g i n a l d t - m ri m a g e s ， i n c l u d i n gd e t e c t i n g t h ei o c a t i o na n ds i z eo fl s c h e m i cl e s i o n v o l u m e a u t o m a t i c s e g m e n t a t i o no fi s c h e m i ci e s i o n si nd t - m ri m a g e s i ss t i l iad i f f i c u l ti s s u em a i n l yb e c a u s e o ft h ed i s t u r b a n c eo fd i f f u s i o na n i s o t r o p y , a n dm a n u a lr e g i o nt r a c i n gm e t h o d sa r eu s u a l l y u s e d a c c o u n t i n gf o rn o i s e i n t e n s i t yo v e r l a p p i n g ，i n t e n s i t yi n h o m o g e n e i t y ，a n dp a r t i a l v o l u m ee f f e c t ( p v e ) ，an e w a d a p t i v eu n s u p e r v i s e dm e t h o d f o rs e g m e n t i n gb r a i ni s c h e r n i c l e s i o nf r o md t _ m ri m a g e so fs t r o k ep a t i e n t si sd e v e l o p e db a s e do nm u l t i - s c a l es t a t i s t i c a l c l a s s i f i c a t i o n ( m s s c ) a n dp a r t i a lv o l u m ev o x e lr e c l a s s i f i c a t i o n ( p v v r ) b yi n c o r p o r t i n g d i f f u s i o na n i s o t r o p yi n t om s s cm o d e l ，w ec a ns u c c e s s f u l l yd i s t i n g u i s hi s c h e m i cl e s i o n f r o mn e r v et r a c t s a c c o u n t sf o ri n t e n s i t yi n h o m o g e n e i t i e si np v v r ，p a r t i a lv o l u m ev o x e l s a r er e c l a s s i f i e db a s e du p o nm e a n sa n ds t a n d a r dd e v i a t i o n so fl o c a lr e g i o no t h e r t h a no f i l l t h ew h o l et i s s u e st oe f f e c t i v e l yo v e r c o m ep v ea n dr e d u c et h ed i s t u r b a n c eo fi n t e n s i t y i n h o m o g e n e i t y 2 a na d a p t i v eb r a i nw h i t em a t c e rt r a c t o g r a p h yf r o md t _ m r ii sp r o p o s e d d t m r lp r o v i d e si n f c i r m a t i o na b o u tf i b e rd i r e c t i o ni nb r a i nw h i t em a t f e ra n dc a nb e u s e df o rn e u r o n a lf i b e rp a t h w a y st r a c k i n g c o m m o n l y ，i ti sa s s u m e d t h a tf i b e rd i r e c t i o n s c o i n c i d ew i t ht h e p r i n c i p a l d i r e c t i o no ft h ed i f l u s i o nl e n s o r ，h o w e v e rt h i sm e t h o dj s s e n s i t i v et on o i s ea n dl e a dt oa ne r r o rr e s u l ti nt h er e g i o no ff i b e rc r o s s i n g ，m e r g i n go r f a n n i n ga na d a p t i v eb r a i nw h i t em a t t e rt r a c t o g r a p h y i sp r o p o s e db a s e do nm i n i m i z i n gt h e t r a c i n gc o s tf m t c lm o d e if r o md t m r i t h em o d e ic o m p u t e st h ep o s s i b l ed i r e c t i o n o f t r a c t p r o p a g a t i o n a l l o w i n g ag l o b a l t r a d e o 仟a m o n gt h e e n t i r et e n s o rd a t a ，a p r i o r k n o w l e d g eo fl o wc u r v a t u r e a n dt r a c k i n gi n e r t i a ，i n s t e a do fj u s tt h em a j o re i g e n v e c t o r a n a l y s i so ns i m u l a t e dd a t as h o w e d t h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi m p r o v e st h er o b u s t n e s s o nn o i s ea n dp v e a n dc a no v e r c o m et h ep r o b l e mo ff i b e rc r o s s i n g b r a i nw h i t em a t t e r f i b e rt r a c k i n go nn o r m a lo rt u m o rp a t i e n ts h o w st h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hc a ng e tf i b e r t r a c t sw i t hi o wc u r v a t u r e a n di s p r o m i s i n gf o rm a p p i n gt h eo r g a n i z a t i o n a lp a t t e r n s o f w h i t em a f f e ri nt h eh u m a nb r a i na sw e l la sm a p p i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a j o rf i b e r t r a j e c t o r i e sa n d t h el o c a t i o na n de x t e n to fb r a i nf e s i o n s 3 an e wm e t h o do fd i f l u s i o nt e n s o rf i e l dr e g u l a r i z a t i o ni sp r o p o s e d d t m r jm e a s u r e m e n t sa r es e n s i t i v et on o i s e 。i n c l u d i n gr a n d o mn o i s ea n ds y s t e m n o i s ew e p r e s e n t e dan e wr e g u l a r i z a t i o np r o c e s s f o rd t - m r i m a g e st h a tr e s t o r e st h e w h o l et e n s o ru s i n gn o n l i n e a ra n i s o t r o p i cd i f f u s i o ns c h e m e f i r s t l y ，w er e p r e s e n te a c h e i g e n v e c t o ra s as e c o n d o r d e rd y a d i ct e n s o rt o r e s o l v et h ei n d e t e r m i n a t e s i g n o f e i g e n v e c t o r s e c o n d l y s o r t i n g e i g e n v a l u e sb ym a g n i t u d e a n d m a g n i t u d es o r t i n g i n t r o d u c eas i g n i f i c a n tb i a s ，s ow er e s o l v e dt h ep r o b l e mb yc a l c u l a t i n gt h es i m i l a r i t yo f e i g e n v a l u e e i g e n v e c t o rp a i r sb e t w e e nd i f f e r e n tt e n s o r a n dp r o p o s e do u ro w nm e a s u r e e q u a t i o no fd i f f u s i o ns i m i l a r i t y t h i r d l y ，an e wn o n l i n e a ra n i s o t r o p i cf i l t e rd i r e c t l yo nt h e t e n s o ri sp r o p o s e df or e g u l a r i z et h ed i f f u s i o nf e n s o rf i e l d r e s u l t sd e m o n s t m f ef h a tt h e m e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h en o i s e i sf e a s i b l ea n dr e p r o d u c i b l e t e n s o rf i l e d r e g u l a r i z a t i o ni sp r o m i s i n g f o ri m p r o v et h ea c c u r a t e n e s so ff i b e rt r a c k i n ga n dc o n n e c t i v i t y a n a l y s i s k e y w o r d s ：d i f f u s i o nt e n s o rm ri m a g i n g ；d i f f u s i o na n i s o t r o p y ；i m a g es e g m e n t a t i o n b r a i nw h i t em a t t e rt r a c t o g r a p h y ；d i f f u s i o nt e n s o rf i e l dr e g u l a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所成交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 签名：签整日期： 如争，7 、营 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院自动化研究所有关保留、使用学位论文的规定， 即：中国科学院自动化研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅：可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名：舷日期：盟 第一章引言 1 1 医学影像学的发展 第一章引言 自 8 9 5 年伦琴发现x 线以后，人们便应用x 线来检查人体，进行疾病诊断， 因而形成了放射诊断学( d i a g n o s t i cr a d i o l o g y ) ，并奠定了医学影像学的基础。 5 0 年代到6 0 年代应用超声与核素扫描进行人体检查，出现了超声成像 ( u l t r a s o n o g r a p h y ，u s g ) 和y 闪烁成像( y s c i n t i g r a p h y ) 。7 0 年代和8 0 年代又相继出现了x 线计算机体层成像( x - r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h y ， c t ) 、 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 、数字血管减影( d i g i t a l s u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ，d s a ) ，单光子发射体层成像( s i n g l ep h o t o n e m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 与正电子体层成像( p o s i t r o ne m i s s i o n t o m o g r a p h y ，p e t ) 等新的成像技术。这样在i 0 0 年的时间内，就形成了包括x 线诊断的医学影像学。这些技术对人体损害非常轻微或者根本无害，但却可以 查出体内微小病变，开创了无创诊断的历史新纪元。磁共振成像不仅无创而且 对人体无伤害。而7 0 年代以来迅速兴起的介入放射学( i n t e r v e n t i o n a l r a d i o l o g y ) ，即在影像监视下采集标本或在影像诊断的基础上，对某些疾病进 行治疗，使影像诊断学发展为集诊断和治疗为一体的现代医学影像学。医学影 像学不仅扩大了人体的检查范围，提高了诊断水平，而且可以对某些疾病进行 治疗，成为医疗工作中的重要支柱。近十几年，随着医学生物工程、计算机、 微电子技术及信息科学的进步，医学影像学有了迅猛的发展。 1 2 磁共振功能成像与磁共振弥散张量成像 i 2 i 磁共振功能成像 二十世纪8 0 至9 0 年代出现的功能成像是医学影像学界的一场革命。这是 因为通过某种技术，可以将传统的形态影像转化为功能影像。因而这就更具有 划时代意义。传统的医学影像学是通过单纯的形态结构的改变来对疾病进行诊 断，但其存在一定的局限性。比如急性缺血性脑血管病患者，诊断治疗的越早， 磁共振弥散张量图像处理! j 分析 恢复的效果越好，但是常规c t 、m r i 检查不能发现病变。此外，一些疾病通过 常规c t 、m r i 等检查手段也不容易鉴别。功能医学影像学给传统的医学影像学 带来了革命，它改变了传统医学的诊断、治疗模式，将功能融合至形态结构之 中；此外，功能成像对于一些疾病的诊断和鉴别诊断也非常重要：还有通过功 能成像进行病变区的定位与功能区定位研究，以及进行放疗及手术治疗规划和 图形引导手术等等。 2 0 0 2 年北美放射年会全体大会上，b r u c er o s e n 以“时、空间的脑功能成 像”为题，报告了l o 年来功能成像的迅猛发展及其医学应用。他指出，过去的 1 0 年中已经看到了我们在研究脑如何工作方面的能力突飞猛进。分子生物学、 神经化学和电生理学这些工具继续在分子、突触和细胞水平对神经元情况提供 相关信息，新一代非侵入性的成像方法能够使我们将研究领域从细胞扩展到系 统水平，从动物扩展到人类。这种方法就是磁共振功能成像，或者简写为f m r i 。 该技术目前已经在各个领域，如研究人类视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉与运 动，记忆、注意以及人类特有的机能如语言等神经机制方面：感觉运动皮质的 术前成像用于神经变性疾病、癫痫、中风、中风恢复等临床方面以及人类特有 的精神分裂症、抑郁症、孤独症等精神疾患。 磁共振功能成像或功能性磁共振成像是指应用磁共振成像技术对人体( 或 动物体) 的功能进行研究和检测，它有狭义和广义之分。通常我们提及的应用 血氧合水平依赖( b l o o do x y g e n a t i o nl e v e ld e p e n d a n t ，b o l d ) 法进行的人体 功能研究( 脑功能研究) ，被称为狭义的磁共振功能成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，f m r i ) 或者叫做b o l d f m r i ，这里以小写f 表示；而广义 的磁共振功能成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，f m r i ) ，我们 则用大写的f 来表示，以示和b o l d - f m r i 的区别；广义概念则包括：应用血氧 合水平依赖( b o l d ) 法测量血氧水平而进行的人脑功能研究；应用磁共振弥散 成像( d i f f u s i o nw e i g h t e dm ri m a g i n g ，d w m r i 或d w i ) 和磁共振灌注成像 ( p e r f u s i o nw e i g h t e dm ri m a g i n g ，p w - r r i 或p w i ) 测量水分子的随机运动 和区域脑血流进行的人体功能研究；应用磁共振弥散张量成像( d i f f u s i o n t e n s o rm ri m a g i n g ，d t m r i 或d t i ) 对脑内白质包括纤维走行的研究；此外， 还有应用磁共振波谱成像( m a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o s c o p y ，m r s ) 非侵入 性地测量一些脑内代谢产物，进行的有关化学成分的研究以及应用一些药物进 第一章引言 行药理学方面的研究，称作药物磁共振成像( p h a r m a c o l o g i c a lm r i ，p h m r i ) 。 此外，任何其它能与磁共振功能成像紧密结合的研究方式，可命名为“? m r i ” 研究，这里的问号表示可以用任何能形成功能成像的方法字头来代替。 磁共振功能成像技术为医学影像学提供了一个强有力的工具，同时，也为 其它一些学科如神经科学、心理学等以及为跨世纪的脑科学研究提供了无创伤 性的研究手段，因而是目前研究的热点之一。该技术涉及多学科领域，包括数 学、物理学、医学及其计算机图像处理等多学科知识，其中在医学领域，就涉 及到解剖、生理、病理生理、医学影像以及一些临床学科如神经内、外科，肿 瘤学科等。因此，研究磁共振功能成像技术就需要了解各方面的相关知识。 1 2 2 磁共振弥散张量成像 磁共振弥散张量成像是磁共振功能成像的一个重要组成部分。磁共振弥散 加权成像是一种测量自旋质子的微观随机位移运动的较新技术，目前在活体中 主要是测量水分子的运动，其图像对比度主要关系与水分子的位移运动而并非 水的内容物。它通常是在标准m r i 序列上再加上对弥散敏感的低度脉冲来获得。 人体水分子的弥散具有各向异性。水分子向三维空间各个方向的弥散运动 不仅受细胞本身特征的影响，而且受阻碍水自由运动的细胞结构的影响，因此 一个方向比另一个方向的弥散可能受到更多的限制。例如，水分子在有髓鞘白 质中垂直纤维方向的弥散受到的限制远大于沿着纤维方向的弥散。这种有很强 的方向依赖性的弥散就是弥散的各向异性。 弥散张量是指“水分子弥散的各向异性、不均匀性组织弥散特征”。水分 子弥散的各向异性可以用来追踪纤维走行，评估组织结构完整性和连通性。要 评估弥散的各向异性，首先要确定整体弥散张量，这就要求至少在6 个非共线方 向上连续应用弥散梯度，来获得一组弥散加权图像。组织的生化特性( 粘滞性 和温度) 、组织结构( 大分子、膜和细胞内的细胞器等) 能够从根本上影响水 的弥散能力，因此组织纤维结构的病理状态既影响水的弥散性，又影响水的各 向异性弥散特征。 1 2 3 磁共振功能成像的临床应用 辅助医生进行诊断与鉴别诊断 磁共振弥散张量图像处理与分析 在l 临床上，一些疾病的诊断要求越早越好，如同急性缺血性脑血管病的超 早期，就是耽搁几分钟都是很危险的，时间就是生命在这里得到了很好的证明。 因此，快速准确的诊断非常必要。遗憾的是，常规c t 、m r i 检查不能做出明确 诊断，而且常常漏诊。d w i 、p w i 、d t i 及其图像处理与分析就使得该疾病的诊断 变得很容易。此外，对于一些其它疾病，如脑出血，多发性硬化等亦可明确诊 断。在疾病的鉴剐诊断方面，如脑肿瘤与脑脓肿，放疗、化疗后的脑组织坏死 还是肿瘤复发等的鉴别诊断，同样可以准确的进行鉴别。 治疗评估 通过计算机技术获得动态图像，同时对病变区体积进行测量，主要用来观 察药物、放射或其它疗法的治疗期间局部病变体积的大小变化，对疗效进行估 计，并根据此评估结果有效调整治疗方案。 结构和功能研究 通过对多模式的影像数据进行融合，实现形态学和功能性资料的精确对比， 为多种疾病的发病机理及特征的研究提供了有力工具。这方面最典型的研究工 作是脑功能和结构研究。在脑科学实验中，我们需要观察大脑在某- - n 激下的 某些区域的变化情况，借助磁共振功能成像技术，可以成功地观察到刺激所致 的大脑皮质的功能活动，从而实现真正的无损伤检测活体人脑工作的过程。同 时，应用d t i 技术，跟踪大脑纤维走行情况，揭示相关的脑功能区的纤维联系。 另外，还可以与所患疾病联系起来，如研究神经纤维与肿瘤的关系。将脑功能 和结构研究应用于临床工作中，有助于对疾病进行早诊断和早治疗，促进患者 早日康复，这在我国趋于老龄化社会的今天更具有重要意义。 图像引导手术 随着医学技术手段的不断进步，外科手术正向着微创化的方向发展。功能 成像技术和计算机技术的迅速发展使得解决上述问题成为可能。计算机引导手 术( c o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，简称c a s ) 作为正在发展起来的研究方向，是集 医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、 机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。 4 第一章引言 一套完整的计算机引导手术系统包括数据获取及处理、手术规划、手术导 航和术中的反馈与更新功能。数据获取及处理包括从c t 、m r 、超声等医疗设备 中获取医学图像，然后进行图像分析、分割、配准、融合和三维显示，其中包 括脑功能的处理过程。这一过程中，包括了大量的医学图像处理算法。手术规 划主要是利用三维重建后的图像，医生在手术部位的三维结构上进行虚拟切割、 最优路径的设计等过程。手术导航要综合利用术前和术中获得的图像，经过配 准后重建出三维信息，显示给外科医生，同时将探针等手术仪器的位置信息叠 加显示在图像上，引导医生更精确地完成手术过程。利用b o l df l r i 可将人脑 功能活动区在脑的三维图像上明确地标记出来，d t i 将人脑主要神经纤维进行重 建显示，医生可在术中避开这些功能区和主要神经纤维，使手术更加安全、准 确，尽量避免破坏人的神经功能。 放射治疗 肿瘤放射治疗是利用放射线如放射性同位素产生的a 、b 、y 射线和各类 x 射线治疗机或加速器产生的x 射线、电子线、中子束、质子束及其它粒子束等 治疗恶性肿瘤的一种方法。医生在病人手术前，可以用放射治疗来皱缩肿瘤， 使之易于切除；手术后，用放射治疗来抑制残存癌细胞的生长。在这个领域中 计算机技术主要用于精确的病灶定位，设计放射治疗方案，包括剂量计算，射 束方位角的计算和病灶周围潜在危险组织的隔离等，以及整个治疗方案的模拟。 这对放射手术方案的绝对有效及安全可靠是至关重要的。利用f m r i 进行功能区 的标记，以避免在放疗时受到损伤，这同外科手术时所作的手术前计划一样。 1 3 医学图像处理与分析 c t 和m r 等成像技术能够获得人体某一断层的影像数据，然后医生通过胶片 进行诊断或者通过显示屏幕进行观察。但是无论是胶片还是屏幕显示，医务人 员所观察到的仍然是二维图像，并且只能以固定方式对图像进行观察，所得到 的诊断结果带有医生的主观判断，这在很大程度上取决于医生的临床经验。计 算机技术的应用可以改变这种状况。通过图像图形技术，可以对影像数据进行 多种处理，如放缩、旋转、窗宽窗位调整、兴趣区分割、三维重建等，使得医 磁共振弥散张量图像处理与分析 务工作者可以从多方位、多层次的观察角度对局部或整体的影像数据进行详细 的观察，从而辅助医生对病变体及其它感兴趣的区域进行定性直至准确的定量 分析，这无疑对提高影像数据的利用价值有深远的意义，而且对提高临床诊断 的准确性和正确性也大有裨益。近年来，借助于图形和图像技术，增强医学影 像的质量，改善医学影像的显示方法，分割医学影像的病变区域，从而辅助医 生进行诊断和治疗一直是国内外学者研究和应用的热点，也逐渐的形成了具有 特色的一门学科一医学影像处理与分析。 医学影像处理与分析的主要研究方向有图像形成，图像获取，图像预处理， 图像分割，图像校准( r e g i s t r a t i o n ) ，图像分析，医学影像的三维可视化，以 及临床应用等多方面。医学影像处理与分析为医学的研究与发展提供坚实的基 础，具有十分广阔的发展前景和无可估量的应用价值。 医学图像处理与分析是门新兴的交叉学科，它是随着计算机科学的迅猛 发展，将计算机图形学、模式识别、人工智能、虚拟现实及计算机网络等技术 与医学影像学密切结合所形成了一门交叉学科。该学科发展也就有二十几年的 历史，发展势头非常强劲。由于它在保证人类健康和在疾病的预防、诊断、治 疗和康复等方面的巨大作用，已经成为医疗保健的重要基础和支柱，因而许多 国家都将其列为高新技术领域。美国n i h 于2 0 0 0 年1 2 月专门成立了n i b i b ( n a t i o n a li n s t i t u t ef o rb i o m e d i c a li m a g i n ga n db i o e n g i n e e r i n g ) ，可 见其对生物医学图像这个交叉学科的重视。医学影像处理与分析的发展可分为 四个阶段 d u n c a n2 0 0 0 ： ( 1 )1 9 8 0 年前到1 9 8 4 年： 这个时期，是二维图像的模式识别分析年代。当时，“医学影像分析”这个 词汇并没有得到普遍的应用，但是相当一部分国际会议已经包括涉及到医学影 像分析这方面的工作。例如，1 9 8 2 年在德国m u n i c h 举行的医学影像和图像解释 的国际研讨会上就包括下面三个主题：图像增强和重构；特殊的图像处理硬件 的开发；特征提取，图像分割以及结构和统计模式识别。这三个主题和现在的 “医学影像分析”非常相关。总体来说，这个时期大部分工作的显著特点是处 理和分析二维的图像数据集，其中一部分工作和想法超越了那个时代，例如设 计一个完全的三维边缘检测算子 z u c k e r1 9 8 1 ，图像数据和地图集的刚性配准 等 b a j c s y1 9 8 3 。 第一章引言 ( 2 )1 9 8 5 年到1 9 9 1 年： 这个时期基于知识的方法占据了主导地位，同时，随着医学成像设备的发 展，m r 设备成为越来越重要的数据源。在图像处理，模式识别和计算机视觉这 个领域，从方法上来说，将高级的推理规则引入识别系统和由下至上的图像处 理和模式识别方法成为主流。医学影像分析借鉴了这种思想，将特别的区域信 息引入知识模型，发展了许多面向具体的医学背景的策略和方法：包括计算机 辅助诊断( c a d ) ，图像分割，图像配准和运动分析等，其中的一些工作成果奠定 了现在工作的坚实基础。 ( 3 )1 9 9 2 年到1 9 9 8 年： 随着图像成像设备的发展，出现了高质量的三维m r 图像，不仅可以更好地 表现软组织信息而且具有更高的三维空间分辨率。其他成像设备也得以发展， 如螺旋c t ，3 d 超声波，3 ds p e c t 和p e t 。医学影像处理与分析中的问题越来越 复杂。1 9 9 4 年，由美国人工智能协会a a a i ( a m e r i c a na s s o c i a t i o nf o r a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 主办，致力于临床应用的医学影像处理与分析的研 究人员与主流计算机视觉和模式识别领域的研究人员第一次聚集在一起，在斯 坦福大学召开了第一次医学影像处理和分析会议。另外，c v r m e d ( c o m p u t e r v i s i o n ，v i s u a l i z a t i o n ，a n dr o b o t i c si n