圖像處理技術在醫學領域中的應用及發展

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

摘要：介紹了圖像處理技術在醫學領域的發展，闡釋了圖像分割、圖像融合和圖像重建技術在醫學領域的發展。提出了圖像處理技術發展所面臨的相關問題及其發展方向。

關鍵詞：圖像處理技術 圖像分割 圖像融合 圖像重建

圖像處理技術是20世紀60年代發展起來的一門新興學科。近幾十年來，由于大規模集成電路和計算機科學技術的迅猛發展，離散數學理論的創立和完善，以及軍事、醫學和工業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，已經在宇宙探測、遙感、生物醫學、工農業生產、軍事、公安、辦公自動化、視頻和多媒體系統等領域得到了廣泛的應用，成為計算機科學、信息科學、生物學、醫學等學科研究的熱點。

圖像處理在醫學界的應用非常廣泛，無論是病理研究還是臨床診斷都大量采用圖像處理技術。它因直觀、無創傷、方便安全等優點而受到人們青睞。圖像處理首先應用于細胞分類、染色體分類和放射圖像分析等，20世紀70年代圖像處理在醫學上的應用有了重大突破，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實現了CT的立體重建。隨著科學技術的不斷發展，現代醫學已越來越離不開醫學圖像的信息處理，醫學圖像在臨床診斷、教學科研等方面有重要的作用。目前的醫學圖像主要包括CT(計算機斷層掃描)圖像、MRI(核磁共振)圖像、B超掃描圖像、數字X光機圖像、X射線透視圖像、各種電子內窺鏡圖像、顯微鏡下病理切片圖像等。但由于醫學成像設備的成像機理、獲取條件和顯示設備等因素的限制，使得人眼對某些圖像很難直接做出準確的判斷。計算機技術的應用可以改變這種狀況，通過圖像變換和增強技術來改善圖像的清晰度，突出重點內容，抑制次要內容，來適應人眼的觀察和機器的自動分析，這無疑大大提高了醫生臨床診斷的準確性和正確性。

一、圖像處理技術及其在醫學領域的應用

(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域分開來，這些區域使互不相交的每一個區域都滿足特定區域的一致性。它是圖像處理與圖像分析中的一個經典問題。比如基于三維可視化系統結合fast marching算法和watershed變換的醫學圖像分割方法，能得到快速、準確的分割結果。圖像分割同時又是進行三維重建的基礎，分割的效果直接影響到三維重建后模型的精確性，分割可以幫助醫生將感興趣的物體(病變組織等)提取出來，幫助醫生能夠對病變組織進行定性及定量的分析，進而提高醫生診斷的準確性和科學性。由于解決和分割有關的基本問題是特定領域中圖像分析實用化的關鍵一步，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。

(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據的處理來提高圖像的可讀性。對多幅圖像問的互補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的圖像進行圖像融合，可以準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系，從而及時高效地診斷疾病。目前的圖像融合技術可以分為兩類：一類是以圖像像素為基礎的融合方法：另一類是以圖像特征為基礎的融合方法。以圖像特征為基礎的融合方法原理上不夠直觀且算法復雜，但是實現效果較好。在圖像融合技術研究中，不斷有新的方法出現，其中小波變換、基于有限元分析的非線性配準以及人工智能技術在圖像融合中的應用將是今后圖像融合研究的熱點與方向。隨著三維重建顯示技術的發展，三維圖像融合技術的研究也越來越受到重視。

(三)圖像重建

圖像重建是從數據到圖像的處理，即輸入的是某種數據，而經過處理后得到的結果也是圖像。CT是圖像重建處理的典型應用實例。目前，圖像重建與計算機圖形學相結合，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，能生成各種具有強烈真實感的圖像。

二、圖像處理技術在醫學領域未來發展方向

當前，醫學圖像處理面臨的主要任務是研究新的處理方法，構造新的處理系統。未來發展方向大致可歸納為以下幾點：

(一)圖像處理技術的發展將圍繞研制高清晰度醫學顯示設備、更先進的醫學成像設備，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標準化方向發展。

(二)圖像、圖形相結合，朝著三維成像或多維成像的方向發展。

(三)新理論與新算法研究。在圖像處理領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、形態學(Morphology)、遺傳算法(Genetic A190rithms，GA)、人工神經網絡(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的研究熱點。

圖像處理技術經過初創期、發展期、普及期及廣泛應用幾個階段，如今已是醫學人士競相研究并在醫學領域廣泛應用的一門科學。隨著科學技術的進步以及醫學界需求的不斷增長，圖像處理科學無論是在理論上還是實踐上，將會取得更大的發展。