一种基于模式控制自由变形的非刚性医学图像配准算法

目的 对手术前MRI／CT图像和手术中超声图像两种模态下都可见的血管结构进行配准。方法 提出一种基于自由变形模型的多模态医学图像的非刚性配准的方法。当两个图像对准时，一种图像中的血管中心点就会对应着另一种图像下灰度脊点。对于全局变换采用刚性变换，而对于局部的形变，采用一种基于模式控制B样条的自由变形模型（FFD）来描述。配准算法采用遗传算法和共轭梯度法结合的优化策略来最小化目标函数。结果 我们设计了两个实验，分别应用于体模和临床数据来评价我们的算法。这种方法是连续而且准确的。最后的变换参数的均方差值是亚像素、亚毫米级的，在0．010弧度以内的。结论 实验结果显示本方法从配准精度和收敛速度上都得到了良好的效果。可以有效地应用于超声图像导航手术系统。     

三维非刚性配准提高肝脏动态增强MR测量可重复性的初步研究

目的 探讨三维非刚性配准在提高肝脏动态增强MR应用中的可重复性.方法 前瞻性分析18例行动态增强MRI检查的肝硬化背景肝细胞肝癌患者的资料.使用Omni Kinetics软件对获得的图像进行三维非刚性配准,采用Extended Tofts双输入模型对配准前、后的图像进行计算.由两位观测者采用盲法测量配准前、后同层面病灶、肝脏及竖脊肌的Ktrans、Kep值,并对测量值的变异度、一致性进行组间(两位观测者之间)及组内(一位观测者间隔一周测量两次)比较,并使用Bland-Ahman Plot对组间和组内测量值的可重复性进行分析.结果 18例三维非刚性配准后同层不同期两幅图像有差异,像素均值为32761±13575,小于配准前(43202±20884),差异有统计学意义(t=2.637,P＜0.05).相对差值百分比箱图显示组间及组内病灶、肝脏、竖脊肌Ktrans、Kep均数配准后差异均小于配准前,离群值及极值减少或消肖失;配准后组内竖脊肌Ktrans和Kep的四分位间距稍增大,余四分位间距均变小;配准后组间四分位间距均变小.配准后组内、组间病灶、肝脏、竖脊肌Ktrans、Kep可重复性均提高,均值差变小.结论 三维非刚性配准可提高病灶、肝脏及竖脊肌Ktrans、Kep的可重复性.     

同体呼气相和吸气相肺部高分辨率CT体积图像的配准

目的 实现同一个体屏住呼吸状态下呼气相与吸气相的肺部高分辨率CT体积图像配准.方法 采集3个被试者两个屏住呼吸状态下的胸部高分辨率CT序列,共3对.利用序列分割算法提取肺组织,并分开存储左右两肺.对单侧肺的呼气与吸气图像进行配准.首先,基于解剖标志面寻找全局仿射变换参数,用此变换重采样呼气相体积图像;其次,利用"Demons"算法对两体积图像进行非刚性配准.结果 两肺的轮廓及内部结构均获得较好的配准效果.配准前,两图像的平均体积重合度为0.7982,经全局仿射变换后提高到0.8936,经"Demons"非刚性配准后增至0.9544.均方根误差值平均下降率为:19.83%(全局仿射变换之后),49.43%(Demons非刚性配准之后).结论 本文所采用的同体肺部图像的配准方法可以有效地配准两个大形变肺部体积图像,为进一步分析肺的呼吸功能奠定了良好的基础.     

宫颈癌图像引导放疗技术在不同图像配准方法的应用价值

目的 探讨将不同图像配准方法用于宫颈癌图像引导放疗技术中的应用价值。方法 选取经病理确诊为宫颈癌患者150例,均经图像引导放射治疗（IGRT）,利用机载锥形束CT(CBCT)XVI系统对患者进行治疗前摆位扫描、在线调整后扫描和治疗结束后扫描。对重建中获得的CBCT图像和治疗计划系统的CT图像行手动、骨性和灰度三种配准方法,分析X（左右）、Y（头脚）、Z（前后）轴水平方向和GX、GY、GZ旋转方向的不同误差,比较这三种配准方法之间的差异性。结果 灰度配准在X水平方向的摆位误差低于手动配准和骨性配准,差异有统计学意义（P<0.05）,配准值高于手动配准和骨性配准,差异有统计学意义（P<0.05）,三种图像配准方法在Y和Z水平方向的摆位误差和配准值比较差异无统计学意义（P>0.05）;三种图像配准方法在GX、GY、GZ轴旋转方向的摆位误差和配准值比较均差异无统计学意义（P>0.05）。结论 宫颈癌图像引导放疗技术中骨性和灰度配准方法均可选用,建议首选骨性配准,必要的情况下再应用灰度配准辅之。     

一种基于互信息的三级医学图像配准策略

目的进一步解决基于互信息的配准算法在配准精度、速度和误配率之间的相互制约问题。方法提出一种新的配准参数搜索策略——三级配准,将平移、旋转参数分开搜索;在分析互信息配准的优点和局限性的基础上,将模糊理论中的欧几里德贴近度引入三级配准过程中。结果实验结果表明,本文提出的配准策略在保持基于互信息配准精度不变的情况下,迭代步数、配准时间和误配率均有明显改善。结论三级配准是一种能够有效协调配准精度、速度和误配率的配准策略。     

基于块图像内容自适应选择的数字减影血管造影术的图像配准法

目的 研究一种实用性强、精度高、鲁棒性好的数字减影图像配准方法.方法 提出一种基于块图像内容而自适应选择相似性测度的配准方法.在数字减影图像配准过程中,根据血流特性对块图像进行分类,对不同内容的块图像采用不同的相似性测度.结果 分析和实验结果表明提出的方法可有效地减小血管成分、图像模糊等对配准精度造成的影响.结论 该方法可有效地提高DSA图像整体配准的鲁棒性和精确度,实用性强.     

医学X线图像配准技术研究进展及其存在的问题

医学X线图像受到探测器面积大小的限制,成像范围有限,对较大器官的扫描无法一次完成.在观察病变部位时,医生需要结合多幅图像来进行诊断或治疗,因此需要对多张影像进行拼接处理.作为图像拼接技术的核心,图像配准技术已被广泛应用于医学成像中,将那些从扫描中获得的多类型信息进行配准从而得到更详细的信息.首先,本文重点综述了目前面向X线图像的比较主流和新兴的配准技术,如基于互信息的配准法,基于特征的配准法和基于变换域的配准法.其次,指出了X线图像配准中存在的影像漂移问题、拍摄角度的限制、非刚性配准仍未成熟、没有绝对的配准评价标准等问题.最后,总结了基于FPGA等硬件的医学图像配准、采用超分辨率重建技术以获取更高质量的待配准图像从而提高图像配准的精度和速度等发展趋势与研究前景.     

基于VoxelMorph无监督缺失图像配准的无标记射束方向观肿瘤跟踪算法

目的 基于机器学习提出可应用于低图像质量、多叶准直器(MLC)遮挡和非刚性变形兆伏级(MV)图像的无标记射束方向观(BEV)肿瘤放疗跟踪算法。方法 采用窗口模板匹配法和Voxelmorph端到端无监督网络,处理MV图像中的配准问题。使用动态胸部模体,验证肿瘤跟踪算法的准确性。将模体质量保证(QA)计划在加速器上手动设置治疗偏移后执行,收集治疗过程中的682幅电子射野影像系统(EPID)图像作为固定图像;同时采集计划系统中对应射野角度的数字影像重建(DRR)图作为浮动图像,进行靶区跟踪研究。收集21例肺部肿瘤放疗的533对EPID和DRR图像进行肿瘤跟踪研究,提供治疗过程中肿瘤位置变化定量结果。图像相似度用于算法的第三方验证。结果 算法可应对不同程度(10%~80%)的图像缺失,且对数据缺失图像的非刚性配准表现较好。模体验证中86.8%的跟踪误差<3 mm,<2 mm的比例约80%作用。配准后标准化互信息(NMI)由1.18±0.02提高到1.20±0.02(t=-6.78,P=0.001)。临床病例肿瘤运动以平移为主,平均位移3.78 mm,最大位移可达7.46 mm。配准结果显示存在非刚性形变,配准后NMI由1.21±0.03增至到1.22±0.03(t=-2.91,P=0.001)。结论 肿瘤跟踪算法跟踪精度可靠且鲁棒性好,可用于无创、实时、无额外设备和辐射剂量的肿瘤跟踪。     

基于体素灰度三维多模医学图像配准中相似性测度的选取

目的：在基于体素灰度医学图像配准领域，找出最适合于临床应用的多模医学图像配准相似性测度。方法：在极端的刚体配准条件下，检验出互相关系数，互信息和相关比相似性测度为适合的相似性测度。同时进一步解释了基于互信息相似性测度的医学图像配准易于陷入局部最优，而基于相关比相似性测度的方法易于保证配准得到全局最优，最后，利用加速的多分辨率配准方案和Powell‘s优化算法，对临床医学图像进行了基于相关比相似性测度的多模图像配准试验。结果：通过临床医学专家的判断，利用相关比相似性测度进行多模医学图像配准，安全能满足临床的要求，进行MR／CT，MR／PET三维多模医学图像配准时效果非常理想，结论：相比于其他相似性测度，互相关比相似性测度在基于体素灰度，三维多模医学图像配准领域，是一个更为适宜和准确的相似性测度。     

全局异常信号环境下基于体素灰度多模医学图像配准研究

目的 在全局异常信号环境下,找出适合于临床应用的、满足精度和鲁棒性要求的基于体素灰度多模医学图像配准相似性测度。方法 结合对各种相似性测度的分析,对无异常信号的实际医学图像,和分别加了随机噪声及全局异常信号的多模医学图像进行配准精度的分析。结果 对各种已有成熟的相似性测度进行理论分析和实验对比研究的基础上,归一化互信息在全局异常信号环境下对多模医学图像进行配准,它们的配准精度和鲁棒性表现都令人满意,能得到准确的配准结果。而基于相关比和互信息的配准方法,不能准确地配准加了全局异常信号的多模医学图像。结论 相比于其他相似性测度,归一化互信息在全局异常信号环境下,是一个能满足配准精度和鲁棒性要求的合适相似性测度。     

基于梯度矢量流与粒子群优化算法的多模态医学图像配准

目的研究用梯度矢量流与粒子群优化算法实现多模态医学图像配准,提高配准的精度。方法算法对图像配准的特征空间、相似性测度、搜索策略3个方面进行改进：先由原始图像产生梯度矢量流场,作为配准的特征空间;然后提出并计算3种基于梯度矢量流场的相似性测度;最后使用结合了遗传算法交叉机制的粒子群优化算法找到两幅图像的最优变换。结果对仿真及实际医学图像的54次配准实验,表明该方法配准精度优于基于像素的粒子群优化方法和Walsh变换法。结论基于梯度矢量流与粒子群优化算法的图像配准方法能有效地实现多模态医学图像的配准。     

图像处理中利用线段表描述和存储图像的方法研究

目的改进二维图像的描述和存储方式。材料和方法用基于边界点链码的数据结构(线段表)来描述和存储二维图像。结果利用改进后的二维图像的存储形式可快速确定图像的位置、中心点和主轴等几何参数,进而完成配准、融合等图像处理工作。结论本文提出的这种数据结构不仅可用于脑二维图像的配准,而且对其它二维图像的定量形态学计算也有效,并可大大降低存储空间和计算时间。     

基于信号互相关函数与神经网络的全自动图像配准算法

目的对多模态非刚性变换序列图像进行配准。方法将一种新的信号处理的概念引入配准过程，以两组具有时延特性的随机信号分别描述待配准的两幅医学图像的边缘特性，继而提出一种以信号互相关函数为性能指标，通过利用神经网络的泛化能力对轮廓特征点样本进行训练以得到最优变换参数的头部断层扫描图像自动配准算法。结果仿真结果表明该算法配准误差可达到亚象素级以下，且比之其他基于形状信息的配准算法具有寻优参数少，配准时间短，自动化程度高的特点。最后该算法被成功地应用到了做过开颅手术病人的CT—MRI图像融合上。结论该方法为多模态医学图像配准提供了一种新的有效手段。     

基于体表定位的PET/CT/MRI"二机三维"图像融合的数字化对照

目的:尝试一种基于体表定位的二维图像配准方法,逐一实现PET、MRI和CT异机图像之间的精确三维融合.方法:输入PET/CT/MRI原始数据后采用数字化格式转换,设计"9点3面"立体定位法进行配准,在实时工作站Mimics按照信息交互自动融合模式,通过讯号叠加技术完成图像融合.结果:以肺癌患者的头、胸、膝为实例交叉试验CT+MRI、PET+MRI和PET+CT立体图像的异机融合,生成了分辨软、硬组织病变性质和位置的清晰互补影像.结论:这种先进的数字化融合算法对提高早期诊断和鉴别诊断具有临床意义,虽然异机融合工序目前尚未像PET+CT的同机融合那样完全成熟,但这一实验将为医学成像厂家进一步研制CT+MRI或PET+MRI同机融合设备提供经验借鉴.     

The Effect of Registration Surrogate and Patient Factors on the Interobserver Variability of Electronic Portal Image Guidance During Prostate Radiotherapy

Intraprostatic fiducial markers (IPM) and electronic portal imaging (EPI) are commonly used to identify and correct for prostate motion during radiotherapy. However, little data is available on the precision of this image-guidance technique. This study quantified impact of different registration surrogates and patient factors on the interobserver variability of manual EPI alignment during prostate radiotherapy. For 50 prostate radiotherapy patients previously implanted with 3 IPM, five observers manually aligned 150 pairs of orthogonal EPI to the reference digital reconstructed radiograph using Varian Vision EPI analysis software. Images were aligned using: Bony anatomy (BA), single mid-prostate IPM (SM); and 2 strategies using 3 IPM: center of mass (COM) and rotate & translate (R&T). Intraclass correlation coefficients (ICCs) were calculated to quantify interobserver variability. The absolute displacements measured using SM and R&T were compared with those using COM. The impact of patients' pelvic diameter and adjuvant hormone therapy on interobserver variability were also evaluated. Twelve thousand displacement values were collected for analysis. The maximum discrepancy between the 5 observers was >2 mm in 47% of measurements using BA, 5% using SM, 4% using R&T, and 3% using COM. Both of the 3 IPM alignment strategies demonstrated lower interobserver variability than the single IPM strategy (ICC 0.94–0.97 vs. 0.82–0.94). BA had the highest interobserver variability (ICC = 0.43–0.90). Pelvic diameter and hormone therapy had no discernible impact on interobserver variability. Compared with COM, the absolute displacements measured using the other IPM strategies were statistically different (p < 0.001), but 95% of the absolute magnitude of differences between the strategies were ≤1 mm. The high reproducibility among the observers demonstrated the precision of prostate localization using multiple IPM and EPI, which was not influenced by the patient factors studied. Bony anatomy displayed the highest interobserver variability of the 4 alignment, likely because of the limited EPI field-of-view. Alignment using more than one IPM is recommended to minimize interobserver variability.