医学显微图像分割方法研究进展

医学显微图像分割方法研究进展

引言图像分割是图像处理的基本问题，也是计算机视觉领域低层次视觉中的主要问题。图像分割是将整个图像区域分割成若干个互不交叠的非空子区域的过程，每个子区域的内部是连通的，同一区域内部具有相同或相似的特性，这些特性可以是灰度、颜色、纹理等。对于灰度图像来说，区域内部的像素一般具有灰度相似性，而在区域边界上一般具有灰度不连续性。

用集合的概念对图像分割做出定义u o：

定义：令集合尺代表整个图像区域，对尺的分割可看作R分成Ⅳ个满足以下五个条件的非空子集Rl，尺2?，RⅣ：

①所有子区域组成整幅图像；②对所有的i和，，i≠-『，有Ri n R，=垂，即任意两个子区域不存在

公共元素；③对i=1，2，?，Ⅳ，有P(咒)=TRUE；即分割结果中每个子区域都有独特的特性；④对i≠．『，P(R；U Ri)=FLASE；即分割结果中不同的子区域具有不同特性，没有公共元素；⑤对i=1，2，?，Ⅳ，尺i 是连通的区域，即同一子区域内的像素应该是连通的。

医学图像由于其本身的复杂性，尤其是医学显微图像的分割在图像处理过程中是很难取得满意效果的‰3‘。由于通用的分割方法已经有很多文献介绍，故略去此部分，把重点放在近些年出现的一些新方法、新理论上。

医学显微图像分割方法用于显维图像分割的理论和方法主要包括：数学形态学、神经网络、模糊分割、小波分析和变换、遗传算法、统计学方法和特定模型的分割方法等。

1数学形态学方法近年来，数学形态学作为一种新型的图像处理方法和理论已经逐渐受到重视。它的基本思想是：

用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状以达到对图像分析和识别的目的。基本的形态学操作有腐蚀、膨胀、开启和闭合，基于这些基本运算可以推导和组合成各种数学形态学实用算法H。，产生复杂的运算效果，其中结构元素的选取很重要。

数学形态学方法首次被Matheron等人提出。

等把数学形态学方法应用到血液白细胞的分割，使之分割为细胞核、细胞质和背景，该方法的形态学边缘检测算子简单，易于实现，但对噪声敏感，适用于噪声较小的图像。针对噪声较大的显微图像，Vincent 等提出分水岭区域分割算法旧o，算法包括三个步骤：①产生距离图；②计算最终腐蚀的集合；③从种子开始生长回原尺寸但使各个区域不相连。如果把③用连续膨胀代替，就成为聚类快速分割(另一种形态学分割方法)。分水岭算法能很好保持目标的原始形状，在目标间加入的分界比较清晰，但是计算量大；聚类快速分割算法不能很好地保持目标的整体形状，但受错误分离的影响较小。

等把中值滤波和数学形态学方法结合起来进行肿瘤细胞的分割归1，该算法首先利用中值滤波来进行图像平滑，使背景的各个像素灰度密度更加接近。然后用数学形态学方法进行分割，取得了较好的分割效果。虽然这些方法已经成功用于医学显微图像分割，但缺点是需要用户的交互或已知所处理图像结构的先验知识。

2基于神经网络的方法神经网络分割是用训练样本集对神经网络进行训练以确定节点间的连接和权值，再用训练好的神经网络分割新的图像数据。该方法的出发点是将分割问题转化为诸如能量最小化、分类等约束满足问题，并用约束满足神经网络来解决。网络结构的选择是这种分割方法要解决的主要问题。

在医学图像分割中，一般先对原始图像进行特征提取，再对这些特征进行映射来分割图像。

等应用Kohonen自组织网络从显微镜下肿瘤组织中分割血管¨0|，但该方法只适合于较少的组织分割，而且容易引起过分割问题，如果进行全局图像分割，还需要形态学方法来配合才可以达到分割自动化。文献[11]利用无监督Hopfield神经网络进行组织器官的分割，该方法不但收敛速度快，而且对图像的噪声不敏感，分割结果令人满意。为了减少图像分割过程对专家干预的要求，Grigory等用振子神经网络来分割显微细胞¨2|，该模型有两层组成：神经元振子层和符合检测层。利用神经振子网络对感觉信息进行更有效的处理，考虑到被识别对象各局部特征的关系，对多个振子集合行为进行编码，即可完成针对局部特征的分割，该方法不依赖于概率密度分布，在数据严重偏离的情况下也能有效分割。

神经网络中由于存在大量的相互连接，优点是很容易引入空间信息，能较好地解决图像中的噪声和不均匀问题。它的不足是需要大量的训练样本，虽然神经网络法具有平行继承性，但是它的处理过程和标准的串行计算机很类似，这样就降低了它计算方面的潜在优势。该类方法主要适合形态复杂但要分割的目标较少，并且有大量先验样本的显微图像，但易引入过分割问题。

3基于模糊分割的方法基于模糊的分割方法是以模糊数学为基础，可以解决图像中由于信息含糊、矛盾等造成的不确定性问题。模糊聚类就是应用模糊的方法把具有相似的事物区分并分类。模糊技术能很好地处理医学图像内在的模糊性，而且对噪声不敏感。在医学图像分割中应用较多的主要有模糊阈值分割、模糊聚类分割和模糊连接度分割等。近年来，模糊C．均值聚类技术的应用最为广泛。

算法用于图象分割根据图像中像素和个聚类中心的每一个中心的加权隶属度，对目标函数进行迭代优化。FCM是一种非监督模糊聚类后的再标定过程，适于分割有模糊性和不确定性特点的医学图像。该算法的优点在于：①可形成原始图像的细致的特征空间，不会产生偏倚；②无需人工干预，分割过程是完全自动的；

③对噪声敏感度较低。

但该算法收敛速度慢，而且易受初始值设置的影响，不当的初始值可能会使算法陷入局部极小值，得到不准确的分割结果。

国内外很多研究者将模糊理论应用于图象分割及边缘检测中，取得了优于传统图像处理方法的结果。例如，模糊分割和数学形态学结合起来使用来分割细胞核和细胞质，利用模糊C．均值聚类来首先进行分割，然后再利用数学形态学方法进行再分割。为了适应目标与背景区别不大的图像，等¨引用模糊逻辑机来进行细胞分割。对于彩色的显微图像，Lim等¨41在I。I：L空间先用阈值法对彩色显微镜下图像进行粗分割，而后用FCM聚类算法将剩余像素归并到隶属度最大的区域里。该方法可以同时利用所有的颜色信息，有效减少聚类错误率。

由于FCM算法反复递归运算量大，很多学者提出不少改进n5—8|。文献[15]提出基于模糊C分类的最大熵原则来选取图像分割阈值，将模糊测度函数概念引入最大熵原则，该方法有效减小了运算量和存储空间。

Lee等¨61扩充了模糊C均值算法以纠正医学细胞图像中的灰度偏差。为了提高算法的适应能力，文献[17]提出基于特征散度的图像FCM聚类分割，利用特征散度来度量两个样本矢量之间的差异，然后用特征散度取代欧氏距离重构FCM算法，避免了样本数据的空间结构限制。Pham等用另一种改进自适应FCM算法来提高适应能力u8|。

隶属度函数的设计是整个模糊算法的关键所在。FCM具有较好的收敛性，但是对初始参数极为敏感，有时需要人工干预参数的初始化以接近全局最优解，提高分割速度，但是传统的FCM没考虑到空间信息，对噪声和灰度不均匀敏感。对于单特征的医学显微图像，不适合用FCM方法，但可以构造冗余特征图，新特征将充分考虑像素间特征相关性和空间连通性，再利用FCM在二维特征空间来分割。

4基于小波分析和变换的方法小波变换是近年来得到了广泛应用的数学工具，它在时域和频域都具有良好的局部化性质，从时域和频域综合角度来研究信号，被认为是符合人类视觉感知特点的图像分割方法。基于小波分析和变换的图像分割主要包括多尺度边缘检测和多分辨率阈值选取，而且具有抗噪性能。

利用小波分割是利用二进制小波变换将图形直方图分解为不同层次的小波系数，依照给定的分割准则和小波系数选择阈值门限，由粗到细，由尺度进行控制，把不同尺度大小的结构提取出来，并有效控制分割过程，最终提取出目标特征。有文献提到基于小波变换和分水岭的分割方法，使过度分割和噪声问题通过低通滤波得到解决。

也有很多研究把小波与其它技术结合起来使用。例如Yong等∽副把基于小波和形态学的综合分割方法用于尿沉渣图像的分割。首先，用小波变换和形态学来消除离焦影响，得到包含粒子的子图，然后根据子图特征、进行边缘检测和自适应阈值，最后利用分水岭算法进行重叠部分的分割，该方法较好的解决了重叠粒子的分割问题，适合于粒子和背景差别不大的图像，比如尿沉渣图像。

小波变换作为多尺度多通道分析工具，特别适合多尺度边缘检测，典型的有Mallat小波模极大边缘检测算法。文献用Mallat小波变换的原理进行细胞组织的分割，利用细胞组织纹理的空间关系，既加快了分割速度，又取得了较清晰的分割效果。

理论证明以零点为对称点的对称二进小波适合检测屋顶状边缘，而以零点为反对称点的反对称二进小波适合检测阶跃状边缘。由于医学显微图像的纹理较复杂，对于小波方法来说，研究更符合复杂纹理的小波算子将是一个热点。

5基于遗传算法的方法遗传算法基本思想是建立在自然选择和群体遗传学机理基础上的随机、迭代、进化，它采用非遍历寻优搜索策略，是一种简单、适于并行处理和广泛适用性的搜索方法。

此算法搜索过程采用概率的变迁规则来指导搜索方向，而不采用确定性搜索规则，而且对搜索空间没有任何特殊要求(如连通性、凸性等)，只利用适应性信息，不需要导数等其它辅助信息，适应范围广m]。遗传算法擅长于全局搜索，但局部搜索能力不足，故常把遗传算法和其它算法结合起来应用‘圳。

它的最大优点是，不要求复杂的微分方程或平滑搜索空间，只需要简单的评估一个个体相对于其他个体的优良度心。用遗传算法求解，主要考虑染色体编码、个体适应度评价、遗传算子以及遗传参数设置等因素。遗传算法用来确定分割阈值的关键问题包括：①编码和适应度函数的确定；②控制参数的确定；③选择方法确定；④停机准则的确定旧。

与逐步搜索相比，GA的寻优全面，使分割更彻底，但并不增加运算量。Yang等洒。把遗传算法应用到血液红细胞图像分割中，该算法主要利用了边界信息和椭圆细胞形状模型，具有效果好、寻优速度快，极大地减少计算量和存储空间的优点。2003年Nadia等汜刮给出一种改进的有监督的遗传算法对子宫颈细胞图像

进行分割，该方法可以较大提高分割的鲁棒性，有效避免了过分割并提高了分割质量，该算法主要有三个步骤：①找出划分所有类别细胞的阈值；②用GAs进行训练学习；③为找出最终的分割结果进行分类。很多研究把遗传算法与其它方法结合起来使用，取得良好的效果。2?。

对几种遗传算法的优缺点，有学者对遗传算法、随机退火算法(SA、MCA、RCA等)、组合遗传算法(SA2GA、MCA2GA、RCA2GA)等进行了比较研究妇9|。在对背景的不均匀性滤除、对目标轮廓的提取和抗随机噪声能力方面，遗传算法要优于经典动态分割方法，在运算速度上优于传统穷尽搜索算法。

6基于统计学的方法统计学分割的基本思想是：从统计学角度对图像进行建模，把各个像素点的灰度看为具有一定概率分布的随机过程。正确分割图像，就是以最大概率得到图像的物体组合，从贝叶斯定理来看，就是求出具有最大后验概率的分布。统计学方法主要有松弛法、马尔可夫随机场等。

松弛法Ⅲ一32]是一种动态调优的标号方法，包括概率松弛、模糊松弛等。把对应于不同目标的标号分别赋给图形中每个像素，根据相邻像素之间的相容性，通过迭代调整标号，直到收敛。该方法的关键在于标号相容模型和迭代方法的收敛性。

马尔科夫随机场(MRF)是图像分割中最常用的一种统计学方法，其实质是把图像中各个点的灰度值看成是具有一定概率分布的随机变量。使用模型进行图像分割的问题包括临域系统的定义、能量函数的选择及其参数的估计；极小化能量函数从而获得最大后验概率的策略。临域系统一般是事先定义的，关键主要在于后面两个问题的解决。

常与聚类分割结合使用，如C均值、K均值等，以此来提高抗噪性能。Vannary等旧。把基于马尔可夫随机场的聚类方法(MRFC)应用于肺结核下细胞图像的分割，同时考虑了颜色和空间信息。

主要的步骤包括：①计算原型、平均能量和每类的期望；②从原来类中把能量高于平均能量的划分为新类；③把模型转化到颜色空间，使每个像素的能量最小化。MRF模型应用的难点在于选取合适的参数控制空间相关性的强度，分割性能往往取决于参数估计的准确程度。

基本的隐马尔可夫模型(HMM)理论由等b副提出后，经多年发展，HMM已成为在图像分割领域的一种非常有效的统计模型。文献[36]提出用隐马尔可夫场(HMRF)模型来分割电子显微图像，取得了很好的分割效果，对噪声也有较好的抑制。

与文献相比，Huang等b71把老鼠肺部彩色细胞切片分割分为粗分和细分两阶段，即先用尺度空间滤波器(SSF)进行粗分割，然后用MRF进行精细分割。利用SSF和MRF分别对每个颜色分量进行处理，粗分结束后，未分类的像素再利用MRF进行细分，该方法缺点是3个分量分开处理，且MRF只在像素级上使用。

7基于特定模型的分割方法常见的模型主要有动态轮廓(Snakes)模型、组合优化模型、目标几何、物理光学模型和几何光学模型等。最常用的是Snake模型，主要适合比较复杂的显微图像，比如细胞类图像，细胞边缘比较模糊，而且细胞内部和背景比较类似，对比度比较小的图像。

副提出基于Snake模型用于细胞的分割，初始Snake轮廓在白细胞内部被替换，允许生长到适合每个个体的轮廓，然后用轮廓提取来进行白细胞分离。该方法的能量函数采用积分运算，具有较好抗噪性，对目标的局部模糊也不敏感，故适用性很广，缺点是易收敛到局部最优，收敛速度也较慢。

由于Snake模型分割方法容易陷入局部最优，为克服这个问题，文献提出了改进的Snake模型，用一个两层感知机网络来近似所需轮廓点的特征。传统Snake的外部能量直接取自图像梯度，实际图像的目标轮廓两边会出现灰度平坦区域，这些区域梯度为零，若初始轮廓设在这些区域，传统很难收敛，为了增加算法的稳定性，Hu等㈣。