圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展

中圖分類號：R1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-925X(2011)05-0067-01

摘要：介紹了圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，闡釋了圖像分割、圖像融合和圖像重建技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。提出了圖像處理技術(shù)發(fā)展所面臨的相關(guān)問題及其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：圖像處理技術(shù) 圖像分割 圖像融合 圖像重建

圖像處理技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。近幾十年來，由于大規(guī)模集成電路和計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，以及軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面需求的不斷增長，圖像處理的理論和方法的更加完善，已經(jīng)在宇宙探測、遙感、生物醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、公安、辦公自動化、視頻和多媒體系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科研究的熱點(diǎn)。

圖像處理在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用非常廣泛，無論是病理研究還是臨床診斷都大量采用圖像處理技術(shù)。它因直觀、無創(chuàng)傷、方便安全等優(yōu)點(diǎn)而受到人們青睞。圖像處理首先應(yīng)用于細(xì)胞分類、染色體分類和放射圖像分析等，20世紀(jì)70年代圖像處理在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用有了重大突破，1972年X射線斷層掃描CT得到實用：1977年白血球自動分類儀問世：1980實現(xiàn)了CT的立體重建。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已越來越離不開醫(yī)學(xué)圖像的信息處理，醫(yī)學(xué)圖像在臨床診斷、教學(xué)科研等方面有重要的作用。目前的醫(yī)學(xué)圖像主要包括CT(計算機(jī)斷層掃描)圖像、MRI(核磁共振)圖像、B超掃描圖像、數(shù)字X光機(jī)圖像、X射線透視圖像、各種電子內(nèi)窺鏡圖像、顯微鏡下病理切片圖像等。但由于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的成像機(jī)理、獲取條件和顯示設(shè)備等因素的限制，使得人眼對某些圖像很難直接做出準(zhǔn)確的判斷。計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可以改變這種狀況，通過圖像變換和增強(qiáng)技術(shù)來改善圖像的清晰度，突出重點(diǎn)內(nèi)容，抑制次要內(nèi)容，來適應(yīng)人眼的觀察和機(jī)器的自動分析，這無疑大大提高了醫(yī)生臨床診斷的準(zhǔn)確性和正確性。

一、圖像處理技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

(一)圖像分割

圖像分割就是把圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域分開來，這些區(qū)域使互不相交的每一個區(qū)域都滿足特定區(qū)域的一致性。它是圖像處理與圖像分析中的一個經(jīng)典問題。比如基于三維可視化系統(tǒng)結(jié)合fast marching算法和watershed變換的醫(yī)學(xué)圖像分割方法，能得到快速、準(zhǔn)確的分割結(jié)果。圖像分割同時又是進(jìn)行三維重建的基礎(chǔ)，分割的效果直接影響到三維重建后模型的精確性，分割可以幫助醫(yī)生將感興趣的物體(病變組織等)提取出來，幫助醫(yī)生能夠?qū)Σ∽兘M織進(jìn)行定性及定量的分析，進(jìn)而提高醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。由于解決和分割有關(guān)的基本問題是特定領(lǐng)域中圖像分析實用化的關(guān)鍵一步，因此，將各種方法融合在一起并使用知識來提高處理的可靠性和有效性是圖像分割的研究熱點(diǎn)。

(二)圖像融合

圖像融合的主要目的是通過對多幅圖像間的冗余數(shù)據(jù)的處理來提高圖像的可讀性。對多幅圖像問的互補(bǔ)信息的處理來提高圖像的清晰度。利用可視化軟件對多種模態(tài)的圖像進(jìn)行圖像融合，可以準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀和它與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，從而及時高效地診斷疾病。目前的圖像融合技術(shù)可以分為兩類：一類是以圖像像素為基礎(chǔ)的融合方法：另一類是以圖像特征為基礎(chǔ)的融合方法。以圖像特征為基礎(chǔ)的融合方法原理上不夠直觀且算法復(fù)雜，但是實現(xiàn)效果較好。在圖像融合技術(shù)研究中，不斷有新的方法出現(xiàn)，其中小波變換、基于有限元分析的非線性配準(zhǔn)以及人工智能技術(shù)在圖像融合中的應(yīng)用將是今后圖像融合研究的熱點(diǎn)與方向。隨著三維重建顯示技術(shù)的發(fā)展，三維圖像融合技術(shù)的研究也越來越受到重視。

(三)圖像重建

圖像重建是從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過處理后得到的結(jié)果也是圖像。CT是圖像重建處理的典型應(yīng)用實例。目前，圖像重建與計算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，把多個二維圖像合成為三維圖像，并加以光照模型和各種渲染技術(shù)，能生成各種具有強(qiáng)烈真實感的圖像。

二、圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域未來發(fā)展方向

當(dāng)前，醫(yī)學(xué)圖像處理面臨的主要任務(wù)是研究新的處理方法，構(gòu)造新的處理系統(tǒng)。未來發(fā)展方向大致可歸納為以下幾點(diǎn)：

(一)圖像處理技術(shù)的發(fā)展將圍繞研制高清晰度醫(yī)學(xué)顯示設(shè)備、更先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

(二)圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。

(三)新理論與新算法研究。在圖像處理領(lǐng)域近年來引入了一些新的理論并提出了一些新的算法，如小波分析(Wavelet)、分形幾何(Fraclall、形態(tài)學(xué)(Morphology)、遺傳算法(Genetic A190rithms，GA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Net- works)等。這些理論及建立在其上的算法，將會成為今后圖像處理理論與技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

圖像處理技術(shù)經(jīng)過初創(chuàng)期、發(fā)展期、普及期及廣泛應(yīng)用幾個階段，如今已是醫(yī)學(xué)人士競相研究并在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一門科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及醫(yī)學(xué)界需求的不斷增長，圖像處理科學(xué)無論是在理論上還是實踐上，將會取得更大的發(fā)展。