基于离散小波变换的脑部MR与PET图像融合系统

资 源 简 介

该项目针对医学影像分析中的多模态信息集成需求，开发了一套基于离散小波变换（DWT）的脑部MR与伪彩色PET图像融合方案。项目利用MR图像提供的高分辨率解剖结构信息与PET图像提供的组织功能代谢信息进行互补融合，旨在提升临床诊断的精度。实现过程首先对输入的MR和PET图像进行多级小波分解，提取出反映图像概貌的低频子带和反映纹理细节的高频子带。 在融合规则方面，低频分量采用加权平均算法，能够有效保留图像的整体亮度和背景特征，避免融合后色彩出现剧烈跳变；高频分量则采用基于3*3区域局部标准差的融合准则，该准则通

详 情 说 明

基于小波变换的脑部MR与伪彩色PET医学图像融合系统

项目介绍

本项目实现了一套用于脑部多模态医学图像融合的软件系统。通过结合磁共振（MR）图像的高分辨率解剖结构信息与正电子发射断层扫描（PET）图像的组织功能代谢信息，生成一张既具备清晰骨骼、血管轮廓，又保留了病灶代谢特征的融合图像。系统旨在辅助医生更准确地对病变区域进行定位和定性分析，提升临床诊断的科学性。

功能特性

• 多尺度离散小波变换：采用db4小波基开展二级分解，能够精准分离图像的概貌特征与细节特征。
• 空间色彩保持：利用YCbCr色彩空间转换技术，仅对亮度通道进行融合，完美保留了PET图像原有的伪彩色代谢分布信息。
• 自适应高频融合规则：引入3x3区域局部标准差算法，自动筛选图像中活跃度更高、对比度更强的细节特征。
• 全自动化模拟与评估：内置模拟数据生成模块，可直接运行验证，并提供PSNR、MSE、信息熵等专业量化评价指标。

系统逻辑结构

整个系统按照数据准备、色彩转换、小波分解、特征融合、图像重构和结果评估六个阶段执行：

1. 数据初始化与模拟：

系统模拟生成一组已空间配准的256x256图像。MR图像模拟了脑部组织的层次结构。PET图像模拟了局部高代谢区域，并应用jet色标映射为伪彩色RGB图像。

1. 色彩空间解耦：

为了避免彩色PET图像在融合过程中出现色彩畸变，系统将RGB格式的PET图像转换为YCbCr空间。提取其中的Y（亮度）分量与灰度化的MR图像进行融合，而Cb和Cr色度分量予以保留，待后期合成。

1. 多级小波分解：

对MR灰度图和PET亮度图分别进行二级离散小波分解（DWT）。分解后产生一个低频近似子带（CA）和两层共六个高频细节子带（水平CH、垂直CV、对角CD）。

1. 特征层级融合：

* 低频部分：采用加权平均算法（权重各占0.5），确保融合图像的整体亮度平滑，背景信息得以稳定过渡。 * 高频部分：采用基于区域局部标准差的选取规则。通过3x3滑动窗口计算每个像素点周围的活跃程度，实时选择标准差较大（即信息量较丰富）的源图像像素点作为融合输出。

1. 逆反变换与合成：

将融合后的低频与高频系数进行重构，通过逆离散小波变换（IDWT）恢复出融合后的亮度分量。随后将其与PET原始的色度分量合并，并转回RGB色彩空间。

1. 可视化与量化指标计算：

系统自动生成对比图组，展示源图像、融合结果以及小波系数分布。同时计算峰值信噪比（PSNR）、均方误差（MSE）、信息熵（Entropy）及互信息（MI），从结构和能量角度评估融合质量。

关键函数与算法说明

1. 二级离散小波分解与重构算法 系统利用Daubechies小波（db4）对图像进行多尺度分解。低频系数代表了图像的背景和轮廓，而高频系数捕获了边缘、噪点和纹理细节。通过这种方式，系统可以在不同频率尺度上分别处理结构信息和代谢信息。

2. 区域局部标准差滤波器 这是一个自定义的空间特征提取函数。它通过padarray对图像进行边缘填充，确保边界像素也能参与计算。使用3x3窗口在系数矩阵上滑动，计算窗口内像素的样本标准差。标准差越大，代表该区域的像素变化越剧烈，包含的边缘细节越多。

3. 跨通道融合策略 系统通过appcoef2和detcoef2提取不同层级的系数。在高频融合函数中，系统逐像素比对MR和PET对应位置的局部标准差，决策权归属于特征表现更突出的那一方，从而有效解决了传统平均法导致的图像模糊问题。

使用方法

1. 启动MATLAB软件（建议R2016b或更高版本）。
2. 将包含系统脚本的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入入口函数名称并回车。
4. 系统将自动生成模拟图像并执行融合算法，随后弹出包含源图对比、分解示意图、直方图以及评价指标的综合结果窗口。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b, R2018a/b, R2020a/b 及更新版本。
• 所需工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）, Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）, Wavelet Toolbox（小波工具箱）。
• 硬件要求：标准桌面电脑配置，内存4GB以上即可流畅运行。