多模态“换脑”术
王奎重 博士
临床应用中容易混淆配准与融合两个概念。图像配准（registration）是通过寻找图像间合适的空间变换，对齐两幅或两幅以上的图像。图像融合（fusion）指将不同/相同成像机理的多个图像合成为一个图像。图像融合不是简单的叠加，它产生了新的蕴含更多有价值信息的图像。这里介绍利用3D Slicer医学重建软件的强大配准、分割、融合等功能，实现不同模态影像学上脑部解剖结构互换，以显示头颅不同层次清晰的解剖。
1.打开3D Slicer软件，前景载入患者的MRI图像，背景载入患者的CT薄层扫描图像，设定不透明度为50%，可以看到这两种模态的图像不能重叠。尽管可以通过转化（transform）模块调整图像六个自由度，但很难使两者重叠满意。
2.安装扩展模块elastix①，选择预设值为刚性配准②，使得两者配准，在背景和前景内选择配准后的图像，并调整不透明度为50%③，可以看到MRI和CT两种影像模态配准满意。在对应用要求不高时，到这一步对于绝大多数使用者已经足够了。配准方法很多，也可以采用3D Slicer自带的通用配准模块（BRAINS），但设置略显复杂，这里不赘述。
3.“换脑”关键一步：脑组织影像剥离。采用颅骨剥离模块，获得MRI的脑组织影像。提取其脑组织Mask Label，采用容积剪切模块，获得CT图像的头皮和颅骨影像。
4.“换脑”重要一步：直方图匹配，在相同窗宽/窗位下既能较好显示颅骨，又能较好显示脑组织。采用直方图匹配（histogram matching）模块，把剥离的头皮和颅骨图像灰度直方图与脑组织图像匹配。
5.“换脑”术最后一步：使用容积添加（add scalar volumes）模块,使从CT剥离出来的头皮和颅骨与从MRI剥离出来的脑组织影像相融合。融合后图像在VR模块里动态显示如下。
王奎重博士作品
6.当然可以调整不同的直方图匹配模式，使得显示颅骨的图像与脑组织的图像在一定窗宽/窗位范围内显示满意。尽管3D Slicer里面的直方图匹配（histogram matching）模块简介里介绍该模块主要应用同一身体部位MR之间的直方图匹配，但通过不同模态（CT或MRI）直方图匹配，也能达到不一样的效果，但要注意此时转化后的CT灰度值已经改变，不能再作为CT密度值。其主要数学模型为直方图增强，包括直方图均衡化（histogram equalization, HE）及直方图规定化（histogram specification, HS）等。
7.这些融合后的图像可以通过生成DICOM序列（create a DICOM series）模块，变成其它设备可读标准的DICOM格式图片。导入手术导航系统内辅助术中导航，导入放疗系统内辅助制作放疗计划，导入立体定向系统内辅助穿刺定位等。当然，对于绝大多数应用而言，能够做到第二部精确配准就足够了。
8.第三步剥离出MRI的脑组织和CT的头皮颅骨影像后，也可以通过简单图像运算方法获得以后步骤同样效果。把剥离的图像输出成芒果（mango）软件读取格式（nii），打开芒果软件，运行图像计算器，输入运算公式new=(this-1000)/2+other(1)，点击运行，即可获得新的融合图像。
以上”换脑“方法主要基于逻辑算子的图像融合，其运算方程为I(x,y)=I’(x,y)(1-M(x,y))+I”(x,y)M(x,y)，因涉及步骤太多，这里只介绍了大体流程，具体详细步骤参照论坛有关基础教程。
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