医学图像自动配准及融合算法的研究

【摘要】近年来，图像已经成为医学研究、临床诊断等领域的一种重要的信息传送和存储的工具。针对图像的处理技术对于图像视觉效果的增强，图像质量的改善，以及对图像进行的某些特殊处理等问题提供了强大的支撑。其中，图像配准技术和图像融合技术是图像处理和分析中的十分重要的研究内容。图像配准是实现图像（信息）融合中必不可少的预处理技术，图像融合可以有效地提高图像信息的利用率，增强图像的可靠性。本文根据医学图像的特点，探讨设计高效的图像配准、融合算法。主要工作及创新点包括：（1）总结了图像配准和图像融合算法的研究现状，并分析了经典算法。通过对这些算法的综述，寻找问题的瓶颈所在。（2）在本文中，作者提出了针对脑部医学图像的刚体图像配准的新框架。该配准算法的特点在于它的简便性和高效性。同时，它也可以看作是非刚性图像配准的一种预处理算法。考虑到在医学图像配准中主要针对图像中的组织部分进行研究，我们使用图像分割方法，将待配准的参考图像和浮动图像分别分成两部分：组织部分和背景部分。之后，在两幅图像的组织区域中分别进行距离变换，找出两幅图像中组织区域的中心点，从而确定位移系数。接着，对两幅组织区域图像进行边缘检测，分别找出它们的最长半径，并通过这两个最长半径来确定浮动图像的旋转角度。最终，通过位移系数和旋转角度，对浮动图像进行变换，以得到配准图像。我们在数十组医学图像上测试了该配准算法，实验结果证明了该算法针对医学图像配准可行性及简便高效性。（3）对于图像融合模型，本文提出了一种新的基于形态学成分分析（MCA）的彩色-灰度图像融合算法。形态成分分析是一种基于稀疏表示的信号和图像的分解（分离）方法，该方法的主要思想是利用图像（信号）组成成分的形态差异性（可以由不同的字典稀疏表示），对图像（信号）进行分离。利用形态成分分析可以将图像分解成平滑部分和纹理部分。纹理部分已被证实为最显著的视觉功能之一。它包含了物体表面结构组织及其与周围环境相关的重要信息。我们可以从纹理部分获得非常丰富的视觉信息，并通过纹理分析方法完成计算机视觉和图像理解研究领域的任务。基于形态成分分析的彩色-灰度图像融合算法具体步骤如下：首先，将待融合的彩色原始图像转化为灰度图像。然后，利用形态成分分析方法分别将两幅灰度图像分解为平滑部分和纹理部分，并将两幅平滑部分图像进行融合，两幅纹理部分图像进行融合。最后，将融合后的平滑部分和融合后的纹理部分进行融合，从而得到灰度融合图像，并在此基础上得到最终的彩色融合图像。本文给出的图像融合算法的特点在于它保持图像纹理信息的能力。我们在医学图像和生物学图像上进行了测试，实验结果验证了该融合算法的优越性。同时，将在以下几个方面进一步研究：图像配准方面：a）提取更有代表性的特征。针对多模态图像，如何提取参考图像和浮动图像的特征，使同一器官在不同模态图像中所呈现的特征尽量相似，不同器官在不同模态图像中所呈现的特征尽量不同是需要解决的问题。b）优化相似度测量指标。需要设计更加合理的相似性测量指标以提升配准精确度。c）寻找更高效的智能寻优算法。图像配准问题实质上是参数寻优的问题。所以，配准算法能否实现实时性最终依赖于寻优算法的运行效率。图像融合方面：a）对噪音不敏感，具有偏移不变性、旋转不变性的融合方法。b）具备实时性特点。解决该问题可以从硬件与软件两方面入手：硬件方面是指设计图像融合的专门电路，但造价昂贵；软件方面是优化融合模型，避免大计算量的数据操作。c）充分利用神经网络等智能工具。图像融合规则可以认为是参数选取问题，而这正是神经网络的优势所在。d）研究与人类视觉特性相结合的客观评价指标。结合人类视觉生理学、心理学和图像处理领域的知识，建立更加高效、准确的评估模型是图像处理领域的一个重要课题。e）对客观评价指标进行验证。可以通过主观法或客观法进行。V.Petrovic最先提出主观法验证法，实验中他利用一个由120组图像组成的图像集和主观评价结果对现有客观评价指标进行验证，与客观结果越接近，则说明客观评价指标性能越好。但该方法时间开销大，如何使用客观法对指标进行验证是未来需要解决的课题之一。
【作者】冯云丛；
【导师】李雄飞；
【作者基本信息】吉林大学，计算机软件与理论，2014，硕士
【关键词】医学图像处理；图像配准；图像融合；刚体变换；形态成分分析；

【参考文献】
[1]黄郁芳.柞蚕茧丝及丝腺体中金属元素定量分析方法研究[D].复旦大学,材料工程,2012,硕士.
[2]祖英.校园一卡通的银校转账系统的设计与实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[3]叶婷.魔芋胶基胃漂浮控释系统的构建与调控[D].华中农业大学,农产品加工及贮藏工程,2014,硕士.
[4]冯蕾.AZ中国公司营运资金管理研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[5]韦闯.ATP优秀选手三种场地类型发球特征与效果研究[D].沈阳师范大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[6]邹晶.火龙果色素结构特征及其抗氧动力学研究[D].重庆大学,食品科学,2014,硕士.
[7]贺敏.布鲁默学习测验（BLT）的再修订与应用研究[D].华东师范大学,发展与教育心理学,2004,硕士.
[8]蔡艳妮.行动导向法在高职信息技术教学中的应用研究[D].广东技术师范学院,职业技术教育学,2014,硕士.
[9]陈静静.人咽缩肌细胞体外培养及下咽生物支架的构建[D].宁波大学,外科学,2013,硕士.
[10]吴海艺.基于模糊模型的网络控制系统的H_∞滤波[D].杭州电子科技大学,控制工程,2014,硕士.
[11]陶其华.光影中的述说与关照[D].西南大学,传播学,2014,硕士.
[12]张鹏.崆峒山道教研究[D].兰州大学,历史文献学,2013,硕士.
[13]华骁飞.GUI软件的测试用例优化算法研究[D].安徽大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[14]张帆.杭州市经济适用房供给体系及其运作绩效评价研究[D].浙江工业大学,2009.
[15]甄亚钦.多沙唑嗪手性及非手性液相分析方法的建立和应用研究[D].河北医科大学,药理学,2014,硕士.
[16]陈灵萍.从功能目的论角度研究美剧《迷失》中文字幕误译现象[D].福建师范大学,英语笔译（专业学位）,2012,硕士.
[17]秦元璇.向指导和培育《冶金自动化》茁壮成长的良师益友致谢[J].冶金自动化,2009,01:71.
[18]曹孝玉.说话人识别中的特征参数提取研究[D].湖南大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[19]尚书林,杜清秀,卢汉清,唐小军.视频转码技术研究现状与最新进展[J].自动化学报,2007,12:1233-1241.
[20]赵国永.W公司的绩效考核改革研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[21]朱婕.《欧亚大陆的中国和俄罗斯》（前言和第一章）翻译报告[D].四川外国语大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[22]刘玉照,杜言,刘建准.面向企业信息集成的竞争情报系统[J].情报科学,2005,04:573-576.
[23]彭鑫.金融深化与外向型加工制造业非均衡发展研究[D].华东师范大学,区域经济学,2013,硕士.
[24]柴振昇.分层次教学在普通高校网球选项课中的实验研究[D].北京体育大学,体育教学,2013,硕士.
[25]丁艳蕊.双面辐射供冷供暖室内热环境及躺卧人体的热舒适实验研究[D].重庆大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2014,硕士.
[26]陈琴春,翁意意,李坚军.新型5-芳基-2-氯-3-取代吡啶衍生物的合成[J].合成化学,2014,02:188-191+199.
[27]黄碧君.新型城镇化背景下江西省农业结构与农地利用的关系及系统仿真研究[D].南昌大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[28]蒋楠.销售代理商对产品品牌的影响[D].上海外国语大学,工商管理,2013,硕士.
[29]王军营.LD泵浦全固态瓦级473nm蓝光激光器[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,光学工程,2004,硕士.
[30]王好盛.聚合物/全硫化超细橡胶粒子/碳纳米管三元复合材料的制备及结构与性能研究[D].北京化工大学,2011.
[31]刘兵.我国农村消防安全保障法律制度研究[D].西南政法大学,经济法学（专业学位）,2012,硕士.
[32]吴杰.Cu掺杂铌铟镁酸铅-钛酸铅陶瓷的低温烧结及电学性能研究[D].哈尔滨工业大学,凝聚态物理,2014,硕士.
[33]胡月敏.社会资本视角下的中小企业社会责任与企业竞争力关系研究[D].石家庄经济学院,企业管理,2012,硕士.
[34]樊秀霞.水稻不同品种组培再生和转基因频率研究[D].杭州师范大学,植物学,2013,硕士.
[35]熊雄.基于N455运动控制器的折弯机数控系统关键技术研究[D].厦门大学,机械工程,2014,硕士.
[36]刘海江.渭河流域水沙演变情势分析[D].西安理工大学,水利工程,2003,硕士.
[37]李鹏飞.基于元胞自动机的公交线路建模与优化研究[D].北京交通大学,2014.
[38]李靖.晃荡和内孤立波水动力学问题的数值研究[D].大连理工大学,船舶与海洋结构物设计制造,2013,硕士.
[39]王玉娇.农村初中生人际关系对心理健康影响的实证研究[D].宁夏大学,教育（专业学位）,2014,硕士.
[40]付明岩.上市公司股权性质、政府补助与会计稳健性研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2014,硕士.
[41]吴柏猷.自动钢坯修磨机的电控[J].冶金自动化,1985,04:60-61.
[42]穆蕊萍.里斯表示定理的形成过程[D].西北大学,科学技术史,2014,硕士.
[43]李奇警.上市公司管理层股权激励对盈余管理的影响研究[D].西南大学,会计学,2014,硕士.
[44]王秀秀.境外公司境内上市信息披露制度研究[D].西南政法大学,国际法学,2012,硕士.
[45]魏玉琪.海上货物运输保险利益研究[D].华侨大学,法律,2014,硕士.
[46]何正友,钱清泉.电力系统暂态信号分析中小波基的选择原则[J].电力系统自动化,2003,10:45-48+76.
[47]张浩军.高校教学质量测评系统的设计与实现[J].现代计算机(专业版),2001,11:57-60.
[48]高小博.除虫链霉菌DNA降解基因簇add的定位及生物学功能的初探[D].华中农业大学,生物化学及分子生物学,2001,硕士.
[49]程秀丽.普契尼歌剧《图兰朵》的剧本分析[D].东北师范大学,音乐学,2012,硕士.
[50]孙頔.考虑风电不确定性的电力系统调频能力分析[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2013,硕士.