10第10章医学图像处理软件与医学图像应用

1、第10章医学图像处理软件与医学图像应用2011.3医学成像及处理技术教学目标通过本章的学习，了解国内外医学图像处理软件的种类和特点，常用的医学图像处理软件，我国在此领域内的成就。了解医学图像的应用在国内外外科手术的仿真与规划、手术计划与导航的发展最新成果。了解医学图像处理在中医舌诊和中医肤色诊断上的应用。 教学重点和难点 医学图像处理与分析软件 医学图像的医学临床应用 医学图像的中医临床应用 医学图像的临床应用展望 10.1医学图像处理与分析软件 医学图像处理与分析算法方面的研究主要包括医学图像分割处理、医学图像配准以及三维可视化处理，目前已经有了非常多的成熟的算法，并且新的算法还在源源不断地

2、涌现。 10.1医学图像处理与分析软件近年来国内外的一些医学图像研究组和公司为了更好地利用现有的医学图像处理与分析算法，避免重复劳动，设计开发了许多医学图像处理与分析的软件平台。利用这些平台来开发自己的应用系统，或直接应用这些平台完成自己的研究工作，大大缩短了研究成果和实际应用之间的周期。国际上，人们对研发高质量的医学图像处理与分析软件平台也非常重视。目前，医学图像处理与分析软件平台的设计与实现已经成为医学影像领域的一个研究新热点。 10.1.1 医学图像处理与分析软件的分类 目前的国内外医学图像处理与分析软件平台总体可以分为两种类型：一种是封装了各种医学图像处理与分析算法的算法平台（通常还称

3、作为算法工具包Algorithm Toolkit），为医学图像软件的开发提供丰富的算法库；而另一种是封装了各种医学图像处理与分析功能，并且具有友好用户界面的应用平台（通常也称作为应用系统Application System），能为科学研究和临床诊断等提供了功能强大的计算机辅助研究和诊断。 10.1医学图像处理与分析软件ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit） 和VTK（Visualization Toolkit）是目前在医学图像研究人员使用最广泛的两个算法平台，其他的一些算法平台如3DVIEWNIX、Analyze，应用也非常广泛。为

4、了加快医学图像算法平台和应用平台的研发速度，很多研究机构都直接基于VTK 和ITK 等算法平台作为新平台的底层，如德国肿瘤研究中心GCRC（German Cancer Research Center）开发的医学影像交互平台Medical Imaging Interaction Toolkit，和Kitware 公司开发的VolView。另外还有一些的被广泛应用的软件如VG Studio，AVS/Express等等。 10.1.2国外医学图像处理与分析算法平台 1.可视化算法平台VTK VTK（Visualization Toolkit） 是一个主要进行数据可视化的开放源码（Open Sourc

5、e）的算法平台，目前由美国Kitware 公司负责维护。早在1993 年12 月由美国GE 公司研发部门的Schroeder 和Martin 首次发布，当时只是作为“The Visualization Toolkit ：An Object Oriented Approach to 3D Graphics”这本书的配套软件使用。目前这本书已经发行到了第5版，而且使用VTK 的人数也在不断增加 。10.1.2国外医学图像处理与分析算法平台VTK功能非常强大，提供了超过300 个C+类，并且可以支持跨平台开发，支持Windows、Unix、Linux 等多种平台。必须说明的是，VTK 并不是专门针对

6、医学图像领域开发的算法平台，它的主要目标是通用可视化领域，但是它在医学图像处理领域得到了广泛的应用。 10.1.2国外医学图像处理与分析算法平台它是从事可视化应用程序开发的研究人员的强大的技术工具，以方便性和灵活性为主要原则，它的主要特点如下：（1）强大的三维图形功能。 （2）VTK 的体系结构使得其具有非常好的流和高速缓存的能力；（3）能够很好地支持基于网络的工具如Java 和VRML；（4）具有丰富的数据类型，支持对多种数据类型进行处理；（5）VTK 的代码具有良好的可移植性。 VTK 已经成为通用可视化领域内最著名的算法平台，也在医学图像处理领域发挥着非常重要的作用。 10.1.2国外医

7、学图像处理与分析算法平台2 分割与配准算法平台ITK ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit） 的主要目的是提供一个医学图像分割与配准的算法平台，它起源于美国的可视人体项目。由美国NIH（国家卫生院）下属的NLM（国立医学图书馆）发起开发一个分割与配准的算法平台，对可视人体项目得到的数据进行处理与分析，最终由多所高校和公司合作开发 。10.1.2国外医学图像处理与分析算法平台ITK 也支持跨平台开发，支持Windows、Unix、Linux 等多种平台，目前也采用Open Source 的形式发行，以保证最大限度地推广它。经过多年的开

8、发，目前可以提供几乎所有主流的医学图像分割与配准算法，并且现在还一直在持续地发展，它将继续为医学图像处理领域内的研究人员提供一个分割与配准的算法平台。 10.1.2国外医学图像处理与分析算法平台3 医学影像交互平台Medical Imaging Interaction Toolkit 医学影像交互平台Medical Imaging Interaction Toolkit 首次亮相于SPIE Medical Imaging 的2004 年会上，是由德国肿瘤研究中心（GCRC）开发的，它封装了VTK 中的可视化算法和ITK 中的分割与配准算法，并加入了很多交互的算法，使交互、数据处理和显示有机地结

9、合在一起，从而构成了一个使用方便的交互式医学图像处理与分析的算法平台。算法平台的设计继承了VTK 和ITK 的风格，并使用了CMake、doxygen和cvs等作为处理软件。Medical Imaging Interaction Toolkit同样采用了Open Source 的形式发行，极大地方便了医学图像处理与分析算法平台在临床中的应用与推广 。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台1 3DVIEWNIX 系统 3DVIEWNIX 系统是由美国宾州大学放射系医学图像处理小组开发的，提供了医学图像的预处理、二维和三维的可视化、图像分析等功能，它是在Unix 下使用C 语言开发的，利用X

10、-Window系统提供用户界面。3DVIEWNIX 系统的特色之处就是提供了很多图像分割工具，包括域值分割、基于模糊连接度的分割、Livewire 分割等等，简化了图像分割的工作量，非常有价值。由于其应用平台并不是一个免费软件，且其只能在Unix 环境下运行，用户界面比较复杂，所以应用范围和用户受到限制。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台2 Analyze 系统 Analyze系统是由美国著名的Mayo 医学中心（Mayo Clinic）的生物医学影像实验室BIR（Biomedical Imaging Resource）先后经历了25 年时间研发的可视化图像处理与分析系统，提供对CT

11、、MR 和PET 等多种模态的生物医学图像进行多维显示、数据处理、分割、配准以及测量等功能。Analyze系统最初是基于Unix 开发的，不过为了满足用户的需求，BIR 于1996 年对Analyze 进行了重新设计以支持其它操作系统。 目前Analyze系统完全基于软件开发包AVW 来实现各种功能，并采用Tcl/Tk来设计用户界面。Analyze系统现在可以支持4 种UNIX系统，4 种Windows 系统，3 种Linux 系统和2 种Mac系统，同时各种功能的计算性能也比原来强大得多。不过Analyze 系统是一个商业软件，由AnalyzeDirect 公司负责公开发行，但用户可以到申请

12、免费试用。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台图10-1 Analyze系统10.0的主界面 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台3 VolView系统 VolView 系统是由美国Kitware公司开发的，其主要功能是提供一个易于使用的、交互式的可视化图像处理工具。VolView系统虽然也是一个商业软件，但Kitware公司负责开发并维护着两个非常著名的开放源码的医学影像处理开发包VTK 和ITK，有非常浓厚的科研背景。 VolView 也是基于VTK 和ITK 开发出来的，提供免费的试用下载，读者可以到/products/volview.html网页去申请免费试用。 10

13、.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台在2.0 版本之后，使用基于ITK 这一强大的分割与配准算法平台，提供了比较多的分割功能，且提供了一些等值面生成（Isosurface Generation）的算法来支持面绘制。VolView系统现在主要提供Windows系统下使用，在Linux 系统下也有提供，不过版本比较低。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台图10-2 VolView的主界面10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台4 VGStudio MAX 系统VGStudio MAX系统是由德国VG 公司开发的CT 三维可视化图像处理与测量的商业化软件，也是业内具有领导地位的vo

14、xel 数据可视化与分析系统，带来了处理大量voxel 数据的概念。它主要应用于样品内部瑕疵分析、样品内部厚度分析、样品分解、样品内部几何形状测量、样品内外部逆向工程设计等等。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台它具有以下的一些优势：高精度、海量数据处理的功能，MRI与CT图像融合功能，多种图像过滤能力，多物体一场景功能，优化的STL 抽取能力，以及特有的三维影片制作能力与任意视角观察能力。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台5 3D Doctor 系统3D Doctor是美国Able Software 公司开发完成的一个商业化医用三维图形建模系统，适用于X 光透视成像、显微

15、镜成像、MRI、CT、科学计算和工业用3D 图像处理程序。它功能包括三维图像分割、三维表面渲染、体积渲染、三维图像处理、反卷积、图像配准、自动队列、测量等。系统能够根据2D 的横截面图像实时渲染成3D 模型，并可将模型输出为STL、DXF、IGES、3DS、OBJ、XYZ 等文件格式，供其他程序进行定量分析。有关3D Doctor 的使用和说明读者可以到/3d-doctor去查看。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台图10-3 3D Doctor的主界面 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台6 MIMICS 系统MIMICS系统是比利时的Materialise公司的交互式医学影

16、像控制系统，即为Materialises interactive medical image control system，它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。它的基础模块有：图像导入、图像分割、图像可视化、图像配准和图像测量，可选模块有：快速成型（RP）切片模块、MedCAD模块、仿真模块、STL+模块等。MIMICS系统是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它输入多种格式的扫描数据（CT，MRI等），转化为3D 模型进行编辑，且能输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析）、RP（快速成型）格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。10.

17、1.3 国外医学图像处理与分析应用平台MIMICS系统还可应用到如考古学，生物学等。与工业CT 结合，还可以做到逆向工程、无损探伤等方面的应用。有关MIMICS的使用和说明读者可以到/mimics去查看，并可以下载试用。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台图10-4 MIMICS的界面10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台7 3D Slicer 系统3D Slicer项目是由波士顿布里格姆妇女医院手术计划实验室和麻省理工学院的人工智能实验室在1998 年联合发起的，其目的是开发一个易于使用的可视化图像图像处理和分析的软件，3D Slicer是一个开放源码免费的可视化和图像分析的

18、软件，其基于VTK、ITK、KWWidgets、Teem 等开源软件，并且支持多操作系统，如Windows、Linux、Mac Os X，可到www. S下载。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台其结构采用Plug-in 机制，包含了医学图像的分割、配准、可视化，方便进行扩展。目前主要针对于神经科学、图像引导治疗等医学领域，其中还有许多部分需要完善。有关3D Slicer 的使用和说明读者可以到：去查看，并可以下载试用。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台图10-5 3D Slicer为其应用界面10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台8 AVS/ExpressAVS（Ad

19、vanced Visual Systems Inc.）成立于1991 年，在数据可视化领域，AVS 被普遍认为是世界领导者。该公司的AVS/Express 高级可视化系统是世界领先的多维可视化开发平台。AVS/Express 是一个可在各种操作系统下开发可视化应用程序的平台，使用它可以快速建立具有交互式可视化和图形功能的科学和商业应用程序。利用面向对象的可视化编程环境，开发者可以快速地进行交互式图形应用，以便在开放和可扩充的环境中处理大量数据问题。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台其优点是：大大缩短了编程的时间，提高了工作效率；对海量数据的处理功能强大，使得海量数据变得形象、直观；

20、AVS/Express 是目前市场上功能最强的可视化开发工具。除医学上应用外，AVS/Express还广泛应用于工程分析、航空航天、石油工业、地理信息系统、气象、遥感、环境、有限元分析、流体力学计算、电信、金融、国防等领域。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台9 国外现有平台的不足VTK 是一个面向通用的可视化领域的一个开发平台，并不是专门针对医学影像领域的。VTK 的规模相当庞大，里面的算法也很多，使得它的复杂度大大增加。同时因为要照顾到各个领域，在设计VTK 的时候，主要目标是一个通用的、灵活的框架，并没有对某一个特定的算法进行优化，因此VTK 的速度较慢。 10.1.3 国外医

21、学图像处理与分析应用平台ITK 并不提供可视化处理的能力，一般要与VTK联合起来使用才能构成一个比较完整的医学影像的处理与分析系统。先使用ITK 进行影像的配准、分割处理，然后再使用VTK 进行三维可视化处理，这样就极大地增加了复杂度。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台由于历史原因，VTK 和ITK 所使用的编程风格和方法完全不同，导致了同时使用VTK 和ITK 时，必须学习两套规模都相当庞大的开发平台，对使用者造成了一定的学习难度。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台VTK 虽然它所提供的某些算法已经具备处理Out-of-Core数据的能力（由具体算法的特点所决定），但是

22、这种支持只是停留在个别具体算法上，并不具有普遍性和通用性；而ITK 由于还是专门针对图像处理类算法的开发包，在框架结构上并没有特别提供对Out-of-Core 数据的支持，虽然通过对其相关模板类进行一定程度的扩展可以实现海量数据支持，但是这种框架结构上的扩展对普通算法研究者或使用者来说存在很大困难。 10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台Medical Imaging Interaction Toolkit 和VolView都是基于VTK 和ITK 设计和实现的，但由于VTK 和ITK 的缺陷以及这两个平台对VTK 和ITK 的相互依赖，使得Medical Imaging Interac

23、tion Toolkit 和VolView的发展受到了极大的束缚。虽然3DVIEWNIX、Analyze、VGStudio MAX、MIMICS 和AVS/Express 等软件的功能都非常强大，但由于其都是商业软件，而且价格还是比较昂贵的，不利于在医学影像处理领域的普遍应用 。10.1.3 国外医学图像处理与分析应用平台10.1.4 国内医学图像处理与分析软件针对国际上现有平台的缺陷，国内一些研究机构提出了自己的解决方案。它主要包括以下模块：（1）二维系统功能模块，图像显示、图像处理、测量和标注，图像的几何变换、滤波处理等；（2）三维数据处理模块，通过分割处理可将原始数据分成物体、背景、骨骼

24、、软组织等多种类型，并将感兴趣的区域（如病灶）提取出来；（3）切片重组模块；（4）三维重建及可视化模块10.1.4 国内医学图像处理与分析软件国内医学图像处理软件系统，主要功能包括：（1）常用的文件操作；（2）基本处理功能；（3）灰度工具；（4）形态学变换；（5）图像分析；（6）扩展插件系统;（7）自带一个小型的插件管理系统，将所有注册的插件集成到系统菜单中；（8）集成化的特殊应用程序包；（9）版权说明，必要的帮助信息等。10.1.4 国内医学图像处理与分析软件中国科学院自动化研究所的医学影像研究室所提出的有关医学图像处理与分析软件平台的解决方案为例: 该医学图像处理与分析软件平台包括算法层和

25、应用层。算法层是一个集成化的医学影像处理与分析算法研发平台MITK（Medical Imaging ToolKit），该MITK 在一个统一的框架里面实现了医学影像分割、配准、三维可视化等算法。 10.1.4 国内医学图像处理与分析软件在应用层，则是由一个三维医学影像处理与分析平台3DMed（Three-Dimensional Medical Image Processing and Analyzing System）和一个Plugin SDK组成，是一个专门面向用户的应用系统。3DMed的核心功能来自MITK中的算法，目的是将应用层和算法层分离，提高了整个平台的研发效率。 10.1.4 国内

26、医学图像处理与分析软件图10-8 3DMed的主界面 10.2 医学图像的医学临床应用 随着计算机科学的进步和医学成像技术的发展，图学图像的质量也越来越高，医学图像在中、西医临床诊断与治疗中得到了广泛的应用。如：外科仿真与规划、手术计划与导航等。 10.2.1外科仿真与规划 计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。10.2.

27、1外科仿真与规划仿真技术应用在医学中只有十多年的历史，从上个世纪90年代人们对医学三维成像系统的研究开始的，不同于其它领域的仿真的是，医学仿真是建立在三维图像的基础上的，而三维图像又是来源于真实人的基础上的，利用三维图像进行外科仿真手术与规划近几年在国内外都取得了突飞猛进的发展，广泛地应用于骨外科、神经外科、胸腹外科、整形外科等领域。 10.2.1外科仿真与规划“中国数字人之父”著称的中国工程院钟世镇院士为顾问、南方医科大学珠江医院方驰华教授领衔的一项国家高科技研究发展(863)计划项目医学图像三维重建可视化仿真手术系统(MIPS)，于2008年已经面世了。 10.2.1外科仿真与规划该项目研

28、究组历时2年多时间，对240余位正常人和300余例腹部实质脏器肿瘤患者，通过64排螺旋CT对其腹部进行薄层扫描并采集数据，并输入自主研发的医学图像处理系统。系统再对数据进行快速自动分割和三维重建，重建后的三维模型与被采集数据者的个体化腹部脏器完全吻合。 10.2.1外科仿真与规划目前该系统实现了肝胆胰外科部分手术的仿真手术，如肝癌肝切除术、肝移植术、肝血管瘤剥除术、胰头十二指肠切除术、胰尾肿瘤切除术、脾切除术、肝内外胆管结石外科治疗等。 10.2.1外科仿真与规划图10-9 术前仿真狭窄胆道整形 图10-10 术中狭窄胆道整形10.2.1外科仿真与规划该系统最值得称道的是，可以对手术前的方案设

29、计、规划进行反复操作和修正，直到既能完全切除病灶，又能尽可能减少对患者的创伤的满意效果为止。该系统对提高手术教学和训练质量、减少术中决策时间、降低手术风险性等有较大帮助，具有非常重要的临床意义。10.2.1外科仿真与规划通过三维重建进行骨科手术的技术目前主要应用于高难度、复杂性的骨科手术。手术之前，专家先利用先进的CT等技术对病患或创伤部位进行了全面数据扫描，然后在计算机上建立精确到毫米级虚拟骨骼三维立体图像，通过三维成像，专家可以清晰的观察到患处每一细节部位的状况，大大提高了对患者病情的认知，同时专家就可以在计算机软件上进行模拟仿真手术操作。建立三维图像之后，还可以利用仪器塑造出比例为1比1

30、的三维立体实体模型。这种实体模型的原材料可采用聚酯乙烯粉，通过激光烧结，凝固成三维物体 10.2.1外科仿真与规划图10-11 一例脊柱侧弯患者的实体模型 10.2.1外科仿真与规划专家将在手术前对如何卡位、敲定螺钉位置、如何稳固等进行反复模拟仿真演练，最大限度确保手术安全和一次性成功。并且这种实体模型可以经过高温消毒带进手术室，在手术过程中，医生可以一边观察模型了解患者发病部位的全局状况，从而确保手术的精确度。 10.2.1外科仿真与规划颅面外科也是医学仿真与手术规划应用最多的临床医学领域之一,三维重建CT 影像能够再现人体组织、器官的形态特征及其与毗邻结构的空间关系,可在计算机屏幕上对头颅

31、进行“无损伤的活体电子解剖”。中山医科大学临床医学博士后杨斌在黄洪章教授指导下,在国内首先研制出颅颌面CT 图像三维重建,立体结构三维测量和颅颌面整形手术模拟系统软件3DCMFCAS。 10.2.2 手术计划与导航 手术导航系统的设计来自太空定位概念手术导航系统是包括有一个工具侦察仪、导航工具和电脑工作站三个主要部分结合的高科技产物，计算机辅助手术计划与导航系统是先在计算机屏幕上，将手术患者的病灶部位进行三维可视化，医生先规划好仿真软件，进行手术方案的设计和模拟、仿真操作；在此基础上，“真刀真枪”地进行手术时，医生操作就更加熟练、更加胸有成竹，手术也更加安全了；手术中，一些非常精确、费力的手术

32、动作也可以通过计算机规划好的手术指令，由机器人来进行。10.2.2 手术计划与导航计算机辅助导航手术可缩短手术时间，减轻了患者痛苦；计算机导航技术还简化了手术操作，缩短了手术和麻醉时间，减轻了患者痛苦；高龄患者术后不用再长期卧床，缩短了手术后的康复时间，患者住院时间和医疗费用也都相应减少；一些以往不能治疗或治疗困难的患者现在也可以得到治愈。 10.2.2 手术计划与导航1.骨科手术中的应用 传统的骨科手术，医生是在自己的头脑中确定手术方案，但方案质量的高低，往往依赖于医生的外科经验与技能。而用计算机代替医生进行手术方案的三维构思，则更加客观、定量、精确，且其信息可供整个手术组的每一位成员共享。

33、10.2.2 手术计划与导航原来许多创伤骨科手术都需要进行术中X射线影像扫描，由机器人进行手术则可以有效地降低医生和患者术中X射线辐射的时间；骨折内固定手术和关节置换手术较复杂，骨科医生必须像安装工人一样费力地进行截骨、翻修、测量尺寸和角度，但却不能像工人那样有精密的机床来辅助装配。采用计算机导航技术后，可以制造出同患者真实骨骼尺寸相符的人工关节，这种“特制”的个体化人工关节同人体完全匹配，并由机器人进行准确的安装。 10.2.2 手术计划与导航2.神经外科手术中的应用 神经外科手术导航系统，其操作主要分为四个阶段： 术前准备、系统设定、术中导航和术后记录。10.2.2 手术计划与导航在手术前

34、，导航系统可以帮助临床医生完成病人颅脑等病灶部位的三维图象重建，该三维模型是做导航手术时给医生提供病人的立体解剖图像，方便医生准确判断，切除肿瘤时不会触及其它组织。并可重建模型包括人头模型、肿瘤模型、血管模型、脑室模型等的三维图像，实现对病变的毫米级精度的准确定位，从而有利于制定精确的手术计划。在手术中，导航系统能够引导手术显微镜自动寻找病变位置，随时动态反馈手术的进程，在完成切除病变的同时，对正常神经血管结构做到损伤尽可能小或几乎没有损伤 。10.2.2 手术计划与导航图10-12 一种神经外科手术导航系统外观图 10.2.2 手术计划与导航3.脊柱手术中的应用 脊柱手术要求绝对的精准，做脊

35、柱手术的医生要有丰富的经验和娴熟的技术。 脊柱手术导航系统是一个由立体定向、计算机影像学、红外线信号追踪和机器人自动化技术结合的高科技产物。由于脊柱外科手术要求高度精准的特点，这项技术很快被应用到脊柱手术中，即脊柱导航手术。 10.2.2 手术计划与导航脊柱导航的基本原理：首先为患者拍摄、等，将这些影像数据输入计算机，再由计算机制作成患病局部的三维立体图像，然后医生就可以根据这个立体图像了解患处的细部特征，进而制定详细的手术计划。最后再通过红外线信号引导手术者准确地找到病变组织甚至直接切除病变。10.2.2 手术计划与导航图10-13 利用脊柱手术导航系统做手术10.2.2 手术计划与导航目前

36、常用的脊柱导航手术包括两种方式：一种就是我们上面提到的在影像基础上进行的脊柱导航，我们称之为脊柱导航；另一种是在术中射线扫描，我们称之为型臂脊柱导航。当然也可以将这两种影像结合在一起进行导航。 10.2.2 手术计划与导航脊柱导航手术可以应用在几乎所有的脊柱脊髓手术中，如脊柱外伤、畸形、滑脱、椎间盘突出、椎管狭窄、脊柱脊髓肿瘤等等。特别是在内固定如椎弓根钉植入手术中，它可以随时显示螺钉的位置深度和角度及其周围重要的血管神经结构，明显降低了手术中损伤重要神经血管导致严重并发症的危险性，这一点在颈部手术中尤其重要。在脊柱脊髓肿瘤手术中，导航系统可以达到毫米级的精确定位，把手术创伤减少到最低的程度。

37、10.2.2 手术计划与导航4.磁共振成像导航介入治疗系统“磁共振成像导航介入治疗系统”通过将手术导航系统结合到磁共振扫描机上，借助计算机的处理，把手术器械（如穿刺针）的影像及虚拟的进针路线投射到MRI实时成像的解剖图像上，以达到准确定位和实时监控。 10.2.2 手术计划与导航图10-14 一种数字平板磁导航血管造影系统 10.2.2 手术计划与导航利用计算机辅助导航系统对各种手术进行手术计划和导航正在广泛地应用在各种外科手术中，正在影响和改变着传统手术方法和效果，它也必将带来一场现代医学手术的革命。 10.3 医学图像的中医临床应用中医诊病以医生的主观诊断为主，很大程度上缺乏客观诊断方法与

38、标准，阻碍了中医的发展。中医诊断客观化、标准化研究具有十分重要意义。在中医客观化诊断中，中医舌诊和中医肤色诊断研究中取得了一定的成功。医学图像的中医临床应用在中医舌诊图像分析和中医肤色图像分析中得到了充分体现。中医舌诊图像分析 中医肤色图像分析1. 中医舌诊简介中医四诊“望”、“闻”、“问”、“切”中，“望”为先。舌诊是望诊的重要组成部分，是辩证论治的主要客观依据,现已成为中医诊察疾病的一种常规诊断方法。 10.3.1 中医舌诊图像分析10.3.1 中医舌诊图像分析望舌一般从望舌、望苔、望舌下络脉等角度出发，望舌顺序一般先看舌尖，其次看舌中、舌侧，最后看舌根部，同时看舌体(舌质)的色质和舌苔的

39、厚薄、颜色等。舌象包括舌质和舌苔各种表现。舌质是舌的肌肉脉络组织，舌质的颜色可以分为淡红、淡自、红色、绛红和紫色，正常舌质淡红且鲜明润泽，柔软灵活，运动自如，胖瘦老嫩大小适中，未见异常形态；舌苔是舌面上附着的一层苔状物。舌苔分为苔色和苔质，苔色包括白苔、黄苔、灰苔和黑苔。苔质通常指苔的有无、厚薄、腐腻和润燥等。正常舌苔薄白，颗粒均匀，干湿适中，不粘不腻，其下有根。舌质和舌苔的异常变化则构成病理舌象。舌诊主要观察舌象特征，如舌神、舌质的颜色、舌苔的颜色、舌苔的厚薄、湿度、质地、舌形、舌态和舌底脉络等。颜色是舌诊的重要依据，舌质和舌苔的颜色基本没有重叠。 2. 中医舌诊图像分析技术通常情况下，中医

40、舌诊图像分析包括：舌图像采集，舌图像预处理，舌图像色彩校正，边缘检测，区域分割，舌象提取，舌质和舌苔分离，舌质、舌苔和舌形等特征信息定性和定量分析，模式识别等，并给出诊断结果。其基本算法流程如图所示。 (1) 舌图像采集舌图像的采集是中医舌诊客观化研究的关键之一，近年来已成为国内外进行舌诊客观化研究的重点内容之一。目前，舌图像的采集还没有建立一套统一的客观标准。舌诊图像采集主要考虑：采集环境、光源、采集硬件、采集软件、颜色重现和图像存储等方面。（2）舌图像预处理 舌图像的预处理主要包括通用的彩色图像处理算法，例如RGB 颜色调整、亮度及对比度调整、色调及饱和度调整、颜色位数转换、旋转和缩放等几

41、何变换、亚采样、特效（包括模糊、滤波、图像平滑、锐化和边缘增强等）等。经过这些处理，可以完成舌图像的颜色调整、几何校正、去噪和滤波等功能。10.3.1 中医舌诊图像分析（3）舌图像色彩校正 由于舌象采集设备得到的舌图像，可能出现舌体颜色相比存在一定失真，经过图像预处理，还无法满足舌象采集对颜色精度的要求。因此，舌象的彩色校正和颜色重现是非常必要的。目前，颜色校正和彩色重现的方法有许多，比如：矩阵法、三维查找表法、神经网络法、有限维反射模型法等常规的颜色校正方法。还有针对性强的多项式回归的颜色校正方法、支撑向量机的回归颜色校正方法、偏最小二乘回归的颜色校正方法、基于ICC标准的颜色校正方法、基于

42、有限维模型的颜色校正方法等。10.3.1 中医舌诊图像分析（4）舌图像边缘检测 图像边缘检测是图像处理中的关键技术之一。图像分析和理解的首先就是边缘检测。边缘检测就是要减少不必要的处理数据，得到关于边界有用的结构信息，很多图像处理和识别算法都以边缘检测为重要基础。边缘主要存在于图像目标与目标、目标与背景、区域与区域(包括不同色彩)之间，是图像分割、特征提取等图像分析的重要基础。 10.3.1 中医舌诊图像分析（5）舌图像分割舌图像分割是计算机辅助舌诊的一个关键步骤，是后续特征提取、舌病诊断的前提和基础。舌图像为彩色图像，背景主要有色标、人脸、唇、齿、咽等组织器官，有时部分边缘还伴有阴影。 10

43、.3.1 中医舌诊图像分析（6）舌体的提取近年来，致力于舌体提取研究成功方法有许多，比如：基于数学形态学和HIS模型的彩色图像分割方法；基于边缘检测的方法进行舌象提取；综合半自动分割方法、梯度插值、最小二乘曲线拟合等得到分割结果；利用YCbCr空间的色度、饱和度信息、2D Gabord小波系数能量分布特征实现了舌体从原始图中的分离；基于亮度信息和形态特征的舌图像自动分割方法；基于先验知识的舌体分割方法；在HSV色度空间中用Snake模型，使得曲线收敛到舌体边缘，并结合动态轮廓模型提取舌体；用极性边缘检测与动态轮廓模型相结合分割舌象；舌体边缘检测和梯度矢量流动态轮廓线相结合的全自动舌体分割方法；

44、基于RGB空间的直方图统计信息的自动阈值选取算法；用分水岭变换与动态轮廓模型结合提取舌象的方法；基于双椭圆可交模型与双椭圆动态轮廓模型相结合的舌体自动提取方法；基于超光谱图像的舌体分割算法；用超光谱图像和支持向量机提取舌体等等。10.3.1 中医舌诊图像分析（7）舌质与舌苔的分离舌象包括舌质和舌苔两部分，舌质和舌苔的分离目的是为了进一步进行颜色、纹理分析。经过对舌质、舌苔特征分析发现，舌质、舌苔在图像特征区别最大的是颜色，舌色以红色为主，在视觉表现上舌色主要表现为淡白、淡红、红绛(深红)、青紫四种颜色，苔色则主要表现为自色、黄色、灰色和黑色等颜色。因此，舌色与苔色分别具有不同的颜色属性和量值范

45、围，这为颜色区域划分来判断区分舌质和舌苔提供了重要依据，也是舌诊定性和定量化研究的重要依据。10.3.1 中医舌诊图像分析（8）舌诊特征信息定性和定量分析 传统中医望舌是以肉眼观察为主，正确程度往往受限于医生的经验和当时的环境因素，缺乏统一的客观标准，难以达到研究上的可重复性，也可能因各种因素而造成对舌象的判断失误，制约了舌诊科研、教学、临床的发展和交流。定量化研究为舌诊提供一个客观的依据，对促进中医现代化进程具有重要意义。舌诊定量分析研究可从以下方面着手：几何特征分析，颜色特征分析，纹理特征分析，直方图特征分析，其他特征分析等。舌诊定性和定量分析有时也称为舌诊模式识别。10.3.1 中医舌诊

46、图像分析10.3.2 中医肤色图像分析在望诊中，望面色是其中重要内容。中医肤色图像分析在中医客观化诊断中起到非常重要作用。10.3.2 中医肤色图像分析1. 中医肤色研究简介在彩色空间中，皮肤颜色的分布相对集中，可较好地区分其他景物颜色，可以用模型描述或对样本进行学习的方法加以判别。在图像肤色检测中侧重考虑色度信息，就可以减少光照的影响，使肤色的分布更趋集中，达到肤色识别效果。中医肤色研究一个重要应用在于望诊中的基于肤色模型的人脸检测，如田巍等的基于HSV色彩空间的自适应肤色检测，毛红朝等的面向中医面诊的诊断信息提取关键算法研究与实现和面向中医望诊的人脸图像配准，杨大生等的面向中医望诊的人脸多特征点定位等。10.3.2 中医肤色图像分析2. 中医肤色图像分析技术中医肤色研究一个重要应用在于望诊中的基于肤色模型的人脸检测，而中医肤色图像分析技术主要体现在肤色分割和肤色模型的建立。10.3.2 中医肤色图像分析（1）肤色分割肤色是人脸面部最为显著的特征之一，在人脸检测和识别等研究