医学图像处理的难点与问题课件.ppt

医学图像处理的特点与难题医学图像处理的特点与难题 陈陈 武武 凡凡20032003年年年年1212月月月月7 7日日日日 杭州杭州杭州杭州医学图像处理的难点与问题l l遥感图像处理遥感图像处理 — 应用面窄应用面窄l l医学图像处理医学图像处理 — 应用面宽应用面宽一、视觉信息处理的支撑性一、视觉信息处理的支撑性医学图像处理的难点与问题l l高度复杂的成像机制高度复杂的成像机制l l综合深厚的数学基础综合深厚的数学基础l l精确实用的高新技术精确实用的高新技术l l重大需求的应用前景重大需求的应用前景二、医学图像处理的前瞻性二、医学图像处理的前瞻性医学图像处理的难点与问题l l生理评判的模糊性生理评判的模糊性l l信息生成的随机性信息生成的随机性l l物理求解的病态性物理求解的病态性l l面对应用的实时性面对应用的实时性三、医学图像处理的特殊性三、医学图像处理的特殊性医学图像处理的难点与问题四、医学图像处理的主要问题四、医学图像处理的主要问题 与我们的工作与我们的工作医学图像处理的难点与问题关关于于成成像像重重建建算算法法现现研研究究热热点点集集中中在在MR与与PET成成像像，，而而CT或或螺螺旋旋CT等等的的成成像像研研究究，，大大多多是是针针对对具具体体问问题题（（如如乳乳房房、、心心脏脏））提提出出某某种种特特殊殊技技术术去去解解决，不具普适性。

决，不具普适性1、优质重建、优质重建医学图像处理的难点与问题主要问题主要问题采样密集度的改变常导致图像退化采样密集度的改变常导致图像退化相应对策相应对策K-K-空间中的任意重采样技术空间中的任意重采样技术工作基础工作基础因缺乏成像前数据，我们未开展此类研究因缺乏成像前数据，我们未开展此类研究MRMR图像图像医学图像处理的难点与问题存在问题存在问题图图像像分分辨辨率率低低，，噪噪声声大大，，缺缺少少结结构构信信息息，，无法定位病灶无法定位病灶相应对策相应对策 a.a.前前处处理理：：基基于于小小波波包包门门限限估估计计的的正正则则化抑噪技术化抑噪技术 b.b.后后处处理理：：提提出出各各种种优优化化方方法法，，如如正正则则化方法、最大似然法等滤噪化方法、最大似然法等滤噪PETPET图像图像医学图像处理的难点与问题已有工作已有工作 a.a.前前处处理理：：由由于于缺缺乏乏成成像像前前数数据据，，我我们们未未从从事其研究事其研究 b.b. 后后处处理理：：我我们们提提出出了了正正则则化化参参数数自自适适应应修修改改模模型型与与 迭迭代代快快速速算算法法（（ARCTLSARCTLS）），，并并从从理理论论上上首首次次证证明明了了迭迭代代解解的的存存在在性性与与稳稳定定性性，，重重建建质质量量与与速速度度均均比比国国外外最最近近同同类类算算法（法（RCTLSRCTLS）提高）提高3 3倍以上。

倍以上医学图像处理的难点与问题自自适适应应图图像像重重建建 (a)退化图像退化图像(b)正则化总体最小二乘法重建图像正则化总体最小二乘法重建图像(c)局部线化局部线化D.F.P方法重建图像方法重建图像 (d)自适应正则化总体最小二乘法重建图像自适应正则化总体最小二乘法重建图像 医学图像处理的难点与问题信噪比与计算耗时的比较信噪比与计算耗时的比较RCTLSRCTLSLL-LL-D.F.PD.F.PARCTLSARCTLSSET1SET1ISNRISNR(dB)(dB)1.171.172.502.504.0124.012C. Time C. Time (s)(s)112.6112.654.354.335.535.5注：实验在注：实验在P-II/166 上实现上实现医学图像处理的难点与问题2、伪影校正、伪影校正MRMR成成成成像像像像中中中中，，，，运运运运动动动动伪伪伪伪影影影影几几几几乎乎乎乎无无无无所所所所不不不不在在在在，，，，损损损损害害害害了了了了图像质量图像质量图像质量图像质量主要问题主要问题 现现有有各各种种前前处处理理技技术术（（快快速速扫扫描描、、门门控控扫扫描描、、欠欠扫扫描描、、过过扫扫描描或或可可矫矫正正重重建建模模式式））的的校校正正效效果不理想果不理想相应对策相应对策必必须须提提出出新新的的方方法法，，能能具具普普适适性性，，又又有有优优越越的的校正效果校正效果。

医学图像处理的难点与问题 工作基础工作基础 (1)(1)前前处处理理：：我我们们最最新新提提出出的的逆逆逆逆向向向向迭迭迭迭代代代代修修修修正正正正算算算算法法法法(IIC)(IIC)(IIC)(IIC)对对对对MRMRMRMR图图图图像像像像中中中中的的的的仿仿仿仿真真真真平平平平移移移移运运运运动动动动伪伪伪伪影影影影处处处处理理理理, , , ,比比比比美美美美国国国国最最最最近近近近算算算算法法法法(EF)(EF)(EF)(EF)的的的的信信信信噪噪噪噪比比比比提提提提高高高高约约约约７７７７个个个个dB,dB,dB,dB,计计计计算算算算速速速速度度度度提提提提高高高高一一一一倍倍倍倍以以以以上上上上, , , ,且且且且稳稳稳稳健性好健性好健性好健性好(2)(2)后后处处理理：：目目前前我我们们正正想想从从统统计计学学入入手手来来展展开此类研究开此类研究医学图像处理的难点与问题 a.模板模板原始原始图像像 b.平移平移伪影影图像像 c.能量聚焦法修正能量聚焦法修正结果果 d.逆向迭代修正逆向迭代修正结果果医学图像处理的难点与问题MR平移运动伪影消除平移运动伪影消除a、、e为原始图像；为原始图像；b、、f为模拟伪影图像；为模拟伪影图像；c、、g为能量聚焦法修正的结果；为能量聚焦法修正的结果；d、、h为自动逆向迭代法修正的结果为自动逆向迭代法修正的结果医学图像处理的难点与问题EF和和IIC在信噪比和运行时间上的对比在信噪比和运行时间上的对比 方法方法方法方法模板模板模板模板图像图像图像图像头颅头颅图像图像图像图像腹部腹部腹部腹部图像图像图像图像信噪比信噪比信噪比信噪比（（（（dBdB））））EFEF2.0362.0361.9981.9982.1412.141IICIIC15.71615.7168.6518.6519.1219.121时间时间（（（（minmin））））EFEF12.3012.3013.6513.6515.7115.71IICIIC5.255.256.866.868.438.43注：实验在注：实验在P-III/1G 上实现上实现医学图像处理的难点与问题3、图像配准、图像配准多多多多模模模模态态态态医医医医学学学学图图图图像像像像信信信信息息息息融融融融合合合合是是是是当当当当前前前前研研研研究究究究热热热热点点点点，，，，而前提是配准技术。

而前提是配准技术而前提是配准技术而前提是配准技术主要问题主要问题当当前前国国际际主主流流算算法法的的误误配配率率较较大大，，难难以以实实用相应对策相应对策提提出出模模糊糊或或广广义义模模糊糊相相似似准准则则来来提提高高配配准准精度医学图像处理的难点与问题 工作基础工作基础 (1) (1) 模模糊糊弹弹性性配配准准相相似似性性测测度度方方法法正正在在研研究中究中 (2) (2) 我我们们提提出出的的医医医医学学学学图图图图像像像像刚刚刚刚性性性性配配配配准准准准的的的的模模模模糊糊糊糊相相相相似似似似性性性性测测测测度度度度函函函函数数数数（（（（FSFSFSFS）））），，，，稳稳稳稳健健健健性性性性与与与与计计计计算算算算精精精精度度度度明明明明显显显显优优优优于于于于当当当当前前前前同同同同类类类类研研研研究究究究（（（（MIMIMIMI）））），，，，配准精度提高配准精度提高配准精度提高配准精度提高2 2 2 2倍倍倍倍医学图像处理的难点与问题 实实实实 验验验验 采采采采 用用用用 美美美美 国国国国 VanderbiltVanderbilt大大大大 学学学学Retrospective Retrospective Registration Registration Evaluation Evaluation ProjectProject（（（（RREPRREP））））项项项项目目目目组组组组提提提提供供供供的的的的国国国国际际际际通通通通用用用用刚刚刚刚性性性性配配配配准准准准图图图图像像像像数数数数据据据据，，，，评评评评估估估估方方方方式式式式采采采采用用用用配配配配准准准准获获获获得得得得的的的的结结结结果果果果与与与与项项项项目目目目组组组组已已已已有有有有的的的的金金金金标标标标准准准准进进进进行比较。

行比较医学图像处理的难点与问题基于模糊边缘场的基于模糊边缘场的CT与与MR刚性配准刚性配准医学图像处理的难点与问题FS与与MI配准方法的误配率比较配准方法的误配率比较方法方法方法方法CT-MRCT-MRPET-MRPET-MRMIMI20%20%44%44%FSFS5%5%22%22%医学图像处理的难点与问题4、目标分割、目标分割医医医医学学学学图图图图像像像像目目目目标标标标分分分分割割割割也也也也是是是是当当当当前前前前国国国国际际际际研研研研究究究究热热热热点点点点，，，，是是是是精确量化诊断的重要依据精确量化诊断的重要依据精确量化诊断的重要依据精确量化诊断的重要依据主要问题主要问题分分割割精精度度不不高高，，灰灰度度归归类类算算法法没没有有考考虑虑空空间间特性相应对策相应对策要要提提出出模模糊糊随随机机分分割割模模型型，，以以提提高高分分割割的的效效果医学图像处理的难点与问题工作基础工作基础我我我我们们们们提提提提出出出出的的的的广广广广义义义义模模模模糊糊糊糊GibbsGibbsGibbsGibbs分分分分割割割割算算算算法法法法（（（（FGSFGSFGSFGS））））可可可可自自自自动动动动获获获获取取取取最最最最优优优优分分分分割割割割效效效效果果果果，，，，且且且且算算算算法法法法稳稳稳稳健健健健性性性性优优优优于国外同类算法（于国外同类算法（于国外同类算法（于国外同类算法（MLMLMLML与与与与CGSCGSCGSCGS）。

实实验验数数据据采采用用哈哈佛佛大大学学附附属属医医院院提提供供在在Internet 网网上上的的20幅幅正正常常脑脑部部MR图图像像，，分分割割结结果果与与其其提提供供的的手手动动分分割割结结果果（（即即金金标标准准））进行对比进行对比医学图像处理的难点与问题(a) 原始图像原始图像, (b) ML 分割结果分割结果, (c) CGS 分割结果分割结果, (d) FGS分割结果分割结果 （（a）） （（b））（（c）） （（d））脑部冠状面磁共振图像医学图像处理的难点与问题脑部脑部MR图像的分割算法比较图像的分割算法比较 (a)为白质的重叠率为白质的重叠率 (b)为灰质的重叠率为灰质的重叠率医学图像处理的难点与问题5、运动估计、运动估计心心心心脏脏脏脏序序序序列列列列图图图图像像像像分分分分析析析析中中中中，，，，左左左左心心心心室室室室内内内内壁壁壁壁的的的的廓廓廓廓线线线线运动跟踪是心功能量化评价的重要依据。

运动跟踪是心功能量化评价的重要依据运动跟踪是心功能量化评价的重要依据运动跟踪是心功能量化评价的重要依据主要问题主要问题轮廓跟踪精度低，误差大轮廓跟踪精度低，误差大相应对策相应对策要提出新跟踪算法，解决精度与速度问题要提出新跟踪算法，解决精度与速度问题医学图像处理的难点与问题工作基础工作基础最最新新提提出出的的广广义义模模糊糊粒粒子子滤滤波波（（GFPF））算算法法，，跟跟踪踪效效果果明明显显优优于于当当前前国国际际上上最最好好的的Unscented PF（（UPF）），，跟跟踪踪精精度度提提高高约约一一倍多试试验验数数据据由由美美国国NIH心心肺肺血血液液研研究究所所提提供供，，对对心心脏脏图图像像的的处处理理结结果果与与其其公公布布的的手手工工勾勾画画左心房内壁（即金标准）轮廓进行比较左心房内壁（即金标准）轮廓进行比较医学图像处理的难点与问题心脏ＣＴ序列图像的左心房边缘（心脏ＣＴ序列图像的左心房边缘（NIHNIH金标准）金标准） 上行上行: GFPF的跟踪结果的跟踪结果; 下行下行: UPF的跟踪结果的跟踪结果医学图像处理的难点与问题跟踪结果误差对比跟踪结果误差对比 均方均方均方均方误误差差差差ErrorError（（（（1 1））））ErrorError（（（（3 3））））ErrorError（（（（5 5））））……ErrorError（（（（AverAver））））GFPFGFPF0.29740.29740.29740.29740.30790.30790.30790.30790. 34230. 34230. 34230. 3423……0.31140.31140.31140.3114UPFUPF0.54010.54010.54010.54010.66440.66440.66440.66440.77080.77080.77080.7708……0.68320.68320.68320.6832医学图像处理的难点与问题主要问题主要问题医医医医学学学学序序序序列列列列图图图图像像像像的的的的帧帧帧帧内内内内冗冗冗冗余余余余与与与与帧帧帧帧间间间间冗冗冗冗余余余余度度度度很很很很大大大大，，，，失失失失去去去去一一一一些些些些无无无无关关关关细细细细节节节节不不不不影影影影响响响响诊诊诊诊断断断断，，，，但但但但迄迄迄迄今今今今医医医医学学学学图图图图像像像像的的的的有有有有损损损损压缩没有一个公认的标准。

压缩没有一个公认的标准压缩没有一个公认的标准压缩没有一个公认的标准相应对策相应对策要要要要提提提提出出出出新新新新的的的的有有有有损损损损标标标标准准准准及及及及算算算算法法法法，，，，实实实实现现现现高高高高压压压压缩缩缩缩比比比比下下下下的的的的高高高高信噪比优质解码图像信噪比优质解码图像信噪比优质解码图像信噪比优质解码图像6、图像压缩、图像压缩医学图像处理的难点与问题工作基础工作基础提提提提出出出出了了了了模模模模糊糊糊糊聚聚聚聚类类类类的的的的软软软软分分分分类类类类问问问问题题题题的的的的最最最最优优优优分分分分类类类类测测测测度度度度与与与与算算算算法法法法（（（（OFCOFC）））），，，，自自自自动动动动实实实实现现现现优优优优化化化化分分分分类类类类，，，，且且且且运运运运算算算算速速速速度度度度比比比比国国国国际通用算法（际通用算法（际通用算法（际通用算法（LBGLBG）提高）提高）提高）提高5~65~6倍医学图像处理的难点与问题(a) OFC (b) LBGCT_head 码本大小本大小为980 (c) OFC (d) LBGMR_head 码本大小本大小为970基基于于最最优优模模糊糊矢矢量量量量化化的的图图像像压压缩缩医学图像处理的难点与问题实验结果与分析实验结果与分析图图像像像像 码码本本本本大小大小大小大小OFCOFC（（（（PSNRPSNR））））LBG LBG （（（（PSNRPSNR））））图图像像像像 码码本本本本大小大小大小大小OFC OFC （（（（PSNRPSNR））））LBG LBG （（（（PSNRPSNR））））MRMR97097041.3041.3032.8232.82CTCT1549154941.7841.7831.6431.6452252235.8035.8031.4031.4098098033.4933.4927.9827.9830030032.8832.8829.9629.9668368329.9729.9726.4126.41（在有损压缩比相同条件下）（在有损压缩比相同条件下）医学图像处理的难点与问题基于模糊聚类优化的序列图像分形压缩基于模糊聚类优化的序列图像分形压缩 测测试试图图像像为为标标准准QCIFQCIF格格式式的的运运动动图图像像序序列列，，包包括括由由150150帧帧图图像像(176×144)(176×144) 组组成成的的标标准准序序列列和和2222帧帧医医学学图图像像序序列列（（128×128128×128））。

只只对对亮亮度度信信号号进进行行编编码码，，色度信号的压缩原理完全相同色度信号的压缩原理完全相同 表表 基于基于OFCOFC算法不同运动图像序列实验结果比较算法不同运动图像序列实验结果比较测试图像测试图像ForemanForemanForemanForemanNewsNewsNewsNewsContainerContainerContainerContainerQCIF-CardioQCIF-CardioQCIF-CardioQCIF-Cardio算法算法经典经典经典经典算法算法算法算法OFCOFCOFCOFC经典经典经典经典算法算法算法算法OFCOFCOFCOFC经典经典经典经典算法算法算法算法OFCOFCOFCOFC经典经典经典经典算法算法算法算法OFCOFCOFCOFC平均平均PSNRPSNR（（dBdB））37.1937.1937.1937.1937.1537.1537.1537.1534.5634.5634.5634.5633.2533.2533.2533.2536.8936.8936.8936.8936.7136.7136.7136.7136.0136.0136.0136.0133.4933.4933.4933.49平平 均均 编编 码码 时时 间间（（s s））48.248.248.248.24.24.24.24.215.615.615.615.62.32.32.32.39.339.339.339.332.62.62.62.629.829.829.829.87.67.67.67.6压缩比（倍）压缩比（倍）149.94149.94149.94149.94142.53142.53142.53142.5398.1398.1398.1398.1389.5689.5689.5689.5672.2772.2772.2772.2786.7586.7586.7586.7563.6463.6463.6463.6462.8962.8962.8962.89医学图像处理的难点与问题 两种算法下重建运动图像序列两种算法下重建运动图像序列ForemanForeman的每帧的每帧PSNRPSNR比较比较医学图像处理的难点与问题 1st frame 11th frame医学图像处理的难点与问题 7、边缘检测、边缘检测提出了广义模糊边缘检测算子，是唯一满提出了广义模糊边缘检测算子，是唯一满足国际边缘检测三准则的快速算法足国际边缘检测三准则的快速算法医学图像处理的难点与问题广广义义模模糊糊边边沿沿检检测测对对比比图图（（采采用用国国际际标标准准图图像像测测试试））原图象原图象(带加性噪声带加性噪声)GFO算法边缘检测结果算法边缘检测结果Roberts算法边缘检测结果算法边缘检测结果LOG算法边缘检测结果算法边缘检测结果医学图像处理的难点与问题主要问题主要问题医医医医学学学学MRMR图图图图像像像像由由由由于于于于图图图图像像像像采采采采集集集集过过过过程程程程中中中中射射射射频频频频磁磁磁磁场场场场的的的的非非非非均均均均匀匀匀匀性性性性，，，，造造造造成成成成图图图图像像像像中中中中灰灰灰灰度度度度的的的的非非非非均均均均匀匀匀匀分分分分布布布布，，，，表表表表现现现现为为为为图图图图像像像像中局部过亮与过暗，掩盖了有效的诊断信息。

中局部过亮与过暗，掩盖了有效的诊断信息中局部过亮与过暗，掩盖了有效的诊断信息中局部过亮与过暗，掩盖了有效的诊断信息相应对策相应对策要提出非均匀性校正后处理方法要提出非均匀性校正后处理方法要提出非均匀性校正后处理方法要提出非均匀性校正后处理方法8、、MR非均匀性校正非均匀性校正医学图像处理的难点与问题工作基础工作基础提提出出了了基基于于Gibbs随随机机场场理理论论与与EM算算法法的的MR图像非均匀性校正算法图像非均匀性校正算法医学图像处理的难点与问题MR非均匀性的矫正非均匀性的矫正医学图像处理的难点与问题9、、血管血管重建重建由由由由于于于于DSADSA只只只只能能能能提提提提供供供供2D2D数数数数据据据据，，，，故故故故无无无无法法法法对对对对病病病病灶灶灶灶与与与与介介介介入入入入路路路路径径径径进进进进行行行行空空空空间间间间定定定定位位位位，，，，为为为为患患患患者者者者带带带带来来来来很很很很大大大大痛痛痛痛苦主要问题主要问题仅利用仅利用2D2D信息不能导出信息不能导出3D3D血管空间结构血管空间结构相应对策相应对策国国际际上上缺缺乏乏此此类类研研究究，，我我们们提提出出从从人人体体血血管管标本标本医学图像处理的难点与问题 模模型型出出发发，，建建立立3D3D血血管管网网络络数数字字化化模模型型作作为为知知识识工工程程；；然然后后以以患患者者2D2D（（两两个个以以上上不不同同方方位位））DSADSA图图像像为为引引导导，，采采用用智智能能分分析析与与优优化化路径搜寻策略来重建患者真路径搜寻策略来重建患者真3D3D环境环境。

工作基础工作基础 由于工程较大，我们现正开始研究由于工程较大，我们现正开始研究医学图像处理的难点与问题谢谢 谢谢医学图像处理的难点与问题。