醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)課件

1、第6章 醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)： 解決幾幅圖的對齊問題。本章研究內(nèi)容圖像配準(zhǔn)的概述圖像配準(zhǔn)與融合的概念圖像基本空間變換：剛體、仿射、透視、非線性配準(zhǔn)類型：同一對象、不同對象；主要配準(zhǔn)方法：點法、曲線法、表面法、矩和主軸法、相關(guān)法、最大互信息法、圖譜法、非線性變換技術(shù)；圖像基本空間變換模型基于基準(zhǔn)點的配準(zhǔn)法倒角匹配圖像配準(zhǔn)法基于最大互信息的多模醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)法一、圖象配準(zhǔn)概述1.兩種模式的醫(yī)學(xué)圖象各有所長：描述生理形態(tài)的解剖成像描述人體功能或代謝的功能成像X-Ray; DSAX-CTMRI; MRAUltrasoundSPECTPETf MRIEEGMRS圖象配準(zhǔn)必要性：基于多種原因，臨床上通常需要

2、對同一個病人進(jìn)行多種模式或同種模式的多次成像。即同時從幾幅圖像獲得信息，進(jìn)行綜合分析 。2. 對于一個病人群的統(tǒng)計研究，或?qū)τ谀硞€病人不同時期的評估研究的需要。圖象的配準(zhǔn) (image registration)： 對幾幅不同的圖象作定量分析，首先要將圖象轉(zhuǎn)換到一個公共的坐標(biāo)框架內(nèi)研究，解決圖象的嚴(yán)格對齊問題，這就是圖像配準(zhǔn)。圖象的融合(image fusion)： 幾幅圖象信息綜合的結(jié)果。圖象配準(zhǔn)與融合的概念:一、圖象配準(zhǔn)概述1、醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)的概念醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)：對于一幅醫(yī)學(xué)圖象尋求一種(或系列)空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖象上的對應(yīng)點達(dá)到空間上的一致。這種一致是指人體上的同一解剖點在兩張匹配

3、圖象上有相同的空間位置。配準(zhǔn)的結(jié)果應(yīng)使兩幅圖象上所有的解剖點，或至少是所有具有診斷意義的點及手術(shù)感興趣的點都達(dá)到匹配。一、圖象配準(zhǔn)概述2、醫(yī)學(xué)圖象基本變換：剛體、仿射、投影、非線性（1）剛體變換(Rigid body transformation)（2）仿射變換(Affine transformation)一、圖象配準(zhǔn)概述（3）投影變換(Projective transformation)（4）非線性變換(Nonlinear transformation)一、圖象配準(zhǔn)概述2、醫(yī)學(xué)圖象基本變換：剛體、仿射、投影、非線性剛體變換 仿射變換 投影變換 非線性變換全局變換局部變換2、醫(yī)學(xué)圖象基本變換：

4、剛體、仿射、投影、非線性一、圖象配準(zhǔn)概述常用的空間幾何變換的圖示：3、圖象配準(zhǔn)類型（1）同一對象 (intrasubject) 的圖象配準(zhǔn)不同 MR 加權(quán)像間的配準(zhǔn)圖象序列的配準(zhǔn)fMRI圖象序列的配準(zhǔn)胸、腹部臟器的圖象配準(zhǔn) 同一部位，不同時間圖象的配準(zhǔn)單模(monomodality)多模(multimodality) CT和MRI圖象 CT(或MRI)與SPECT(或PET)配準(zhǔn) SPECT/ECT與CT/MRI/DSA配準(zhǔn)CT、MRI速度、C-Arm 與定位裝置的配準(zhǔn)一、圖象配準(zhǔn)概述4、主要配準(zhǔn)方法一、圖象配準(zhǔn)概述點法(Point Method)界標(biāo)配對曲線法(Curve Method) 邊

5、界曲線的匹配表面法(Surface Method)，如“頭帽法”(Head and Hat method)矩和主軸法(Moment and Principal Axes Method) 交叉相關(guān)方法(Correlation Method) 最大互信息配準(zhǔn)法(Maximization of Mutual Information) 圖譜法(Atlos Method)與非線性變換技術(shù) 主要配準(zhǔn)方法點法（Point Method） ：分為內(nèi)部點法與外部點法。標(biāo)志點一旦確定，圖象配準(zhǔn)問題就歸結(jié)為求解對應(yīng)點集的剛體變換；對準(zhǔn)了這些標(biāo)志點，圖象也就配準(zhǔn)內(nèi)部點：解剖標(biāo)志點；耳蝸尖端拐點處；兩個線性結(jié)構(gòu)的交點；

6、血管的分叉或相交處等；優(yōu)點：對受試者友好；缺點：難以識別，需要一定的經(jīng)驗。外部點：在受試著顱骨嵌入的螺釘；在皮膚上作記號；其他在兩幅圖像都可以檢測到的附加標(biāo)記物：如充有硫酸銅的管子、玻璃珠、鉻合金球、明膠球等。優(yōu)點：容易識別；缺點：受試者在掃描裝置內(nèi)要求嚴(yán)格不動；主要配準(zhǔn)方法表面法(Surface Method) ：又稱頭帽法 (Head and Hat method) “頭帽法”（head-hat method）是由Pelizzari和Chen提出的一個典型算法。 從一幅圖像輪廓中提取的點集稱作“帽子”（hat），從另一幅圖像輪廓提取的表面模型叫做“頭”（head），用剛體變換將“帽”的點集

7、變換到“頭”上。 一般用體積較大的病人圖像，或在圖像體積大小差不多時用分辨率較高的圖像來產(chǎn)生頭表面模型。 Powell搜索算法被用來尋求所需的幾何變換，即使帽點和頭表面間的距離平均平方值最小。 許多學(xué)者對該算法做了改進(jìn)，例如用多分辨金字塔技術(shù)克服局部極值問題；用距離變換擬合兩幅圖像的邊緣點等等。主要配準(zhǔn)方法矩和主軸法(Moment and Principal Axes Method) 根據(jù)力學(xué)中物理質(zhì)量分布的概念：先計算兩幅圖象象素點的質(zhì)心和主軸；再通過平移和旋轉(zhuǎn)使兩幅圖象的質(zhì)心和主軸對齊，從而達(dá)到配準(zhǔn)。缺點：對數(shù)據(jù)缺失敏感； 對神經(jīng)醫(yī)生感興趣的某些病案效果不佳。應(yīng)用：粗配準(zhǔn)；初步對齊；主要配

8、準(zhǔn)方法相關(guān)法對圖象序列采用使圖象間相似性最大化的原理進(jìn)行配準(zhǔn)；通過優(yōu)化兩幅圖象間相似性準(zhǔn)則來估計變換參數(shù)，主要是剛體的平移和旋轉(zhuǎn)；主要限于單模圖象的配準(zhǔn)最大互信息配準(zhǔn)法用互信息作為多模醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)的測度，如果兩幅圖象幾何上對齊的話，它們對應(yīng)體素對的強(qiáng)度值的互信息量最大；廣泛應(yīng)用于CT/MR，PET/MR的配準(zhǔn)主要配準(zhǔn)方法圖譜法針對不同人腦的解剖結(jié)構(gòu)的大小與形狀方面具有的共性，使我們有可能構(gòu)造一個解剖圖譜；利用腦圖譜進(jìn)行配準(zhǔn)，就可以利用圖譜所包含的先驗知識對病人或其他人的圖象進(jìn)行自動識別和正確的分割非線性變換基于物理模型的配準(zhǔn)方法基于空間變換的配準(zhǔn)方法二、基本空間變換模型1、剛體變換醫(yī)學(xué)圖象配準(zhǔn)

9、中常采用剛體變換模型，該模型假定圖象內(nèi)部的距離和角度在配準(zhǔn)過程中保持不變。 二維剛體變換 三維剛體變換1、剛體變換（1）二維剛體變換三個變換參數(shù)：兩個方向的平移和繞坐標(biāo)原點的旋轉(zhuǎn)沿x軸方向的平移： 矩陣形式：其中，P是剛體變換參數(shù)。定義x軸為水平方向軸，正方向：從左到右；1、剛體變換（1）二維剛體變換三個變換參數(shù)：兩個方向的平移和繞坐標(biāo)原點的旋轉(zhuǎn)繞坐標(biāo)原點的旋轉(zhuǎn)： 矩陣形式：其中， 是剛體變換參數(shù)；定義 為順時針旋轉(zhuǎn)方向；1、剛體變換（1）二維剛體變換性質(zhì)1：對于變換矩陣，不同的變換順序，其變換結(jié)果也不同。變換順序1：先x軸后y軸再旋轉(zhuǎn)1、剛體變換（1）二維剛體變換性質(zhì)2：給定一個變換結(jié)果，可

10、以有多種不同的變換途徑。同一剛體變換結(jié)果實現(xiàn)的兩種方法：1、先旋轉(zhuǎn)10度，后x軸平移4單位，再y軸平移9單位；2、先x軸平移2.3764單位，后y軸平移9.5579單位，再旋轉(zhuǎn)10度；對于剛體變換無須關(guān)心其實際的旋轉(zhuǎn)與平移順序。1、剛體變換（1）二維剛體變換性質(zhì)3：給定一個變換任務(wù)，總的變換矩陣唯一確定剛體變換結(jié)果。應(yīng)用逆矩陣運算或組合矩陣變換可以很容易地實現(xiàn)多種形式的圖象配準(zhǔn)例：第一幅圖a1,第二幅圖a2,第三幅圖a3;1、 a2=x1*a1;則a1=inv(x1)*a2；2、 a2=x1*a1且a3=x2*a2，則a3=x2*x1*a1;3、 a2=x1*a1且a3=x*a1，則a3= x

11、*inv(x1)*a2;性質(zhì)1：對于變換矩陣，不同的變換順序，其變換結(jié)果也不同。性質(zhì)2：給定一個變換結(jié)果，可以有多種不同的變換途徑。性質(zhì)3：給定一個變換任務(wù)，總的變換矩陣唯一確定剛體變換結(jié)果。性質(zhì)4：二維剛體變換基本矩陣順序改變后僅涉及平移參數(shù)的改變。1、剛體變換（1）二維剛體變換1、剛體變換（1）二維剛體變換：判據(jù)判斷一個二維變換矩陣是否為剛體變換的依據(jù)：1、變換矩陣的左上角2x2子矩陣具有明顯的對稱性；2、變換矩陣的左上角2x2子矩陣行列式的值為1。1、剛體變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)沿x軸方向的平移： 矩陣形式：其中，P

12、是剛體變換參數(shù)。1、剛體變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)沿y軸方向的平移： 矩陣形式：其中，q是剛體變換參數(shù)。1、剛體變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)沿z軸方向的平移： 矩陣形式：其中，r是剛體變換參數(shù)。1、剛體變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)繞x軸的旋轉(zhuǎn)： 矩陣形式：1、剛體變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)繞y軸的旋轉(zhuǎn)： 矩陣形式：1、剛體

13、變換（2）三維剛體變換三維剛體變換涉及到6個變換參數(shù)：沿三個坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)繞z軸的旋轉(zhuǎn)： 矩陣形式：1、剛體變換（2）三維剛體變換性質(zhì)1：對于變換矩陣，不同的變換順序，其變換結(jié)果也不同。性質(zhì)2：給定一個變換結(jié)果，可以有多種不同的變換途徑。性質(zhì)3：給定一個變換任務(wù)，總的變換矩陣唯一確定剛體變換結(jié)果。性質(zhì)4：二維剛體變換基本矩陣順序改變后僅涉及平移參數(shù)的改變，在三維剛體變換中旋轉(zhuǎn)角度也發(fā)生變化。2、全局尺度變換在三維剛體變換基礎(chǔ)上增加一個新參數(shù)m（尺度變換系數(shù)）以描述不同條件下獲取的圖象縮放倍數(shù)全局尺度變換對三個方向的縮放倍數(shù)相同尺度變換的順序也對變換結(jié)果有影響7個參數(shù)：平移

14、x，y，z；旋轉(zhuǎn)x，y，z；全局尺度參數(shù)m3、九參數(shù)仿射變換9參數(shù)仿射變換對三個方向的縮放倍數(shù)都不同，這意味著待配準(zhǔn)的兩幅圖象存在固有的不對稱性9個參數(shù)：平移x，y，z；旋轉(zhuǎn)x，y，z；4、一般仿射變換對于二維，可以通過奇異值分解將任意仿射變換分解為一個變換序列。該序列包括某個適當(dāng)取向的尺度變換，之后是剛體變換。所以，可以看作是待變換的物體在一個特殊的參考框架里做尺度變換，而參考框架自身做剛體變換；二維仿射變換：6個獨立參數(shù)4、一般仿射變換 三維與二維情況類似，可以看作物體沿參考框架中坐標(biāo)軸的各向異性尺度變換，而該參考框架在三維空間內(nèi)繞原點旋轉(zhuǎn)三維仿射變換： 12個獨立參數(shù)5、透視變換（投影變

15、換）線性變換的最一般形式直線經(jīng)變換后仍然為直線，但平行性不再保持6、非線性空間變換非線性空間變換可以用于校正圖象獲取過程中由儀器引起的畸變，也可以用于圖象配準(zhǔn)常用的非線性變換模型有低階多項式變形基于薄板樣條函數(shù)的變換基于B樣條的變換三、基于基準(zhǔn)點的配準(zhǔn)法基于特征的配準(zhǔn)的思路：先從三維圖象中提取一個表面，然后從該表面上提取基準(zhǔn)線，甚至再從這些基準(zhǔn)線上選取基準(zhǔn)點；只要能找出表面上的邊緣脊線，脊線上表面上的軌跡，其主曲率在相應(yīng)的主方向達(dá)到局部最大。脊線可通過計算圖象強(qiáng)度的三階導(dǎo)數(shù)來提取。1、極值線與極值點極值線：定義為極值函數(shù)e的零交叉點的軌跡；極值點：定義為三個隱含表面的交點。這些表面是f=I，e

16、1=0，e2=0。2、極值點的自動提取從三維圖象提取極值點可以首先對圖象中所有體素計算e1、e2，然后單獨考慮每個由8個相鄰體素構(gòu)成的小立方體元具體提取極值點的步驟：提取等值表面提取脊線計算極值點的位置3、極值點的隨機(jī)提取首先選取一些種子單元然后按自動提取的方法依次剔除8個角點f-I值符號相同的單元，同時剔除8個角點e1值符號相同的單元提取脊線和極值點4、基于曲線的剛體配準(zhǔn)通過對兩幅圖象分別提取極值線，再設(shè)法找到兩組極值線之間的關(guān)系，計算出能使這些匹配線段重疊的最佳剛體變換適合于同一對象不同時間采集的單一模式的圖象配準(zhǔn)4、基于曲線的剛體配準(zhǔn)典型的技術(shù)：幾何散列表與Hough變換結(jié)合具體步驟：建

17、立散列表搜尋配對脊線點Hough變換確定候選變換擬合最佳變換5、基于極值點的剛體配準(zhǔn)僅使用脊線上的極值點來進(jìn)行配準(zhǔn)不足：采集位置不同，某些脊線和極值點在兩幅圖象中可能不是同時存在的噪聲的影響形成虛假的脊線和極值點6、基于基準(zhǔn)點的剛體配準(zhǔn)利用人為地加信號，或識別出圖象中明顯的解剖標(biāo)志點來作為基準(zhǔn)點進(jìn)行配準(zhǔn)特點是僅依靠基準(zhǔn)點的空間坐標(biāo)而無須計算復(fù)雜的微分幾何特性適合于各種圖象的配準(zhǔn)四、倒角匹配圖象配準(zhǔn)法倒角匹配是一種對分割特征進(jìn)行匹配的經(jīng)典圖象配準(zhǔn)方法，其基本思想是將線條圖與圖象匹配；倒角匹配包括幾個內(nèi)容：對圖象進(jìn)行分割距離變換代價函數(shù)優(yōu)化算法五、基于最大互信息的多模圖象配準(zhǔn)法互信息作為一種相似性

18、測度應(yīng)用于圖象配準(zhǔn)，主要是因為當(dāng)兩幅圖象空間位置一致時，對應(yīng)象素灰度的互信息最大配準(zhǔn)原理：對于不同的兩幅圖象A和B，需要定義一個相似性測度并尋找一個空間變換關(guān)系，使得經(jīng)過該空間變換后兩幅圖象間的相似性達(dá)到最大。也就是使A中的每一個點在圖象B中都有唯一的點與之對應(yīng)，并且這兩個點對應(yīng)同一個解剖位置關(guān)鍵技術(shù)格點采樣子集從原有數(shù)據(jù)格點中有規(guī)律的每隔幾點選取一點PV插值技術(shù)該算法不通過鄰居點確定插值點的灰度，而是按照周圍8個象素與插值點的空間距離分配權(quán)重出界點策略對于出界點，可令其灰度等于距離其最近的邊界象素點的灰度。這樣做相當(dāng)于擴(kuò)大了參考圖的背景，同時保持優(yōu)化過程中的樣本數(shù)不變，互信息更準(zhǔn)確六、醫(yī)學(xué)圖