醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)課件

1、 主要內(nèi)容：1整理ppt 主要內(nèi)容：1整理ppt2整理ppt2整理ppt 意義解剖圖像：提供解剖形態(tài)信息，分辨率高功能圖像：提供功能代謝信息，分辨率差二者結(jié)合：在一幅圖像中同時(shí)表達(dá)來自人體多方面的信息，使人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能等狀況能通過影像反映出來，直觀提供人體解剖生理病理信息。于是出現(xiàn)了配準(zhǔn)和融合技術(shù)，配準(zhǔn)是融合的先決條件3整理ppt 意義解剖圖像：提供解剖形態(tài)信息，分辨率高3整理ppt臨床應(yīng)用外科手術(shù) 術(shù)前病灶精確定位放療計(jì)劃 CT圖像精確計(jì)算放射劑量、MR圖像描述腫瘤結(jié)構(gòu)，PET對(duì)代謝、免疫及生理方面進(jìn)行識(shí)別，配準(zhǔn)融合后圖像用于改進(jìn)放療計(jì)劃、立體定向活檢、手術(shù)癲癇病治療 觀察炎癥、腦外傷、

2、硬化癥等變化、病灶精確定位4整理ppt臨床應(yīng)用外科手術(shù)4整理ppt配準(zhǔn)（image registration）的概念醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是指對(duì)于一幅醫(yī)學(xué)圖像尋求一種（或一系列）空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間上的一致。這種一致是指人體上的同一解剖點(diǎn)在兩張匹配圖像上有相同的空間位置（位置一致，角度一致、大小一致）。、目的：將多種成像模式或同一種模式得到的多幅圖像綜合分析，更好的了解組織情況解決的問題：幾幅圖像的嚴(yán)格對(duì)齊5整理ppt配準(zhǔn)（image registration）的概念醫(yī)學(xué)圖幾幅圖像信息綜合的結(jié)果稱作圖像的融合（image fusion）。 利用圖像融合技術(shù)，將多種圖像結(jié)合起來

3、，利用各自的信息優(yōu)勢(shì)，在一幅圖像上同時(shí)表達(dá)來自人體的多方面信息，使人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、功能等多方面的狀況通過影像反映出來，從而更加直觀地提供人體解剖、生理及病理等信息。圖像配準(zhǔn)技術(shù)是圖像融合的先決條件6整理ppt幾幅圖像信息綜合的結(jié)果稱作圖像的融合（image fusio 圖像配準(zhǔn)示意圖配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)過程：1. 獲得特征圖像：不同角度，不同位置，反映某些方面的特征2. 圖像配準(zhǔn)：通過空間變換（移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)），使兩幅圖像對(duì)齊3. 圖像融合：得到整體特征圖像7整理ppt 圖像配準(zhǔn)示意圖配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)過程：7整理ppt8整理ppt8整理ppt 方法分類：9整理ppt 方法分類：9整理ppt剛體變換：指物體內(nèi)部任意兩點(diǎn)

4、間的距離及平行關(guān)系保持 不變（處理人腦圖像，對(duì)不同方向成像的圖像配 準(zhǔn)常使用剛體變換）仿射變換：保持平行性，但距離發(fā)生變化，直線還是直線 （校正成像設(shè)備的誤差產(chǎn)生的畸變）投影變換：直線映射成直線，平行性和兩點(diǎn)間的距離變化 （二維投影圖像與三維圖像的配準(zhǔn)）彎曲變換：直線變成曲線 (解剖圖譜變形擬合圖像數(shù)據(jù))10整理ppt剛體變換：指物體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間的距離及平行關(guān)系保持 圖像配準(zhǔn)原理由上圖可以看出：對(duì)于在不同時(shí)間或/和不同條件下獲取的兩幅圖像 和 的配準(zhǔn)，就是要定義一個(gè)相似性測度并尋找一個(gè)空間變換關(guān)系，使得經(jīng)過該空間變換后兩幅圖像間的相似性達(dá)到最大（或者差異性最?。?。即使圖像A上的每一個(gè)點(diǎn)在圖像

5、B上都有唯一的點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，并且這兩點(diǎn)應(yīng)對(duì)應(yīng)同一解剖位置。用公式表示如下： 式中，S是相似性測度，配準(zhǔn)的過程可歸結(jié)為尋求最佳空間變換的過程。由于空間變換包含多個(gè)參數(shù)，是一個(gè)多參數(shù)最優(yōu)化問題，所以一般由迭代過程實(shí)現(xiàn)：11整理ppt圖像配準(zhǔn)原理由上圖可以看出：對(duì)于在不同時(shí)間或/和不同條件下獲剛體變換 物體內(nèi)部兩點(diǎn)間的距離和角度保持不變醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)在大多數(shù)情況下是采用剛體變換模型。人體的很多組織可以近似為剛體，如骨頭、由顱骨固定的大腦等剛體變換：平移、旋轉(zhuǎn)12整理ppt剛體變換 二維剛體變換：沿x軸平移：（1）（2）13整理ppt二維剛體變換：沿x軸平移：（1）（2）13整理ppt沿y軸平移： 14整

6、理ppt沿y軸平移： 14整理ppt繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)：15整理ppt繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)：15整理ppt復(fù)合變換16整理ppt復(fù)合變換16整理ppt 剛體變換配準(zhǔn)17整理ppt 剛體變換配準(zhǔn)17整理ppt仿射變換對(duì)于同一個(gè)人的圖像配準(zhǔn)，可以在做旋轉(zhuǎn)變換之前做尺度縮放對(duì)于不同人的圖像配準(zhǔn)，可以先旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)圖譜，然后做三個(gè)方向的尺度縮放18整理ppt仿射變換18整理ppt基本的二維仿射變換舉例：19整理ppt基本的二維仿射變換舉例：19整理ppt投影變換20整理ppt投影變換20整理ppt透視變換21整理ppt透視變換21整理ppt非線性變換非線性變換是把直線變換為曲線。它反映的是圖像中組織或器官的嚴(yán)重變形

7、或位移。典型的非線性變換是多項(xiàng)式函數(shù)，如二次、三次函數(shù)及薄板樣條函數(shù)。有時(shí)也使用指數(shù)函數(shù)。非線性變換多用于使解剖圖譜變形來擬合圖像數(shù)據(jù)或?qū)τ腥中孕巫兊男亍⒏共颗K器圖像的配準(zhǔn)。1. 二階多項(xiàng)式變換 基于二階多項(xiàng)式變換的公式如下：22整理ppt非線性變換非線性變換是把直線變換為曲線。它反映的是圖像中組織 薄板樣條變換23整理ppt 薄板樣條變換23整理ppt彎曲變換24整理ppt彎曲變換24整理ppt薄板樣條插值的研究背景薄板樣條插值過程可以形象的描述為一個(gè)金屬板在若干點(diǎn)的約束下扭曲變形，要使金屬板在點(diǎn) 變形大小為vi，并且使得該金屬板具有最小的彎曲能量E扭曲，即在滿足約束條件的 條件下 ，尋求

8、插值函數(shù)f(x,y)最小化扭曲能量E25整理ppt薄板樣條插值的研究背景薄板樣條插值過程可以形象的描述為一個(gè)金定義n個(gè)點(diǎn)p1=(x1,y1),p2=(x2,y2),.,pn=(xn,yn)， 表示點(diǎn)pi和pj的距離，接下來定義矩陣26整理ppt定義n個(gè)點(diǎn)p1=(x1,y1),p2=(x2,y2),.,薄板樣條插值函數(shù)TPS將圖像間的變換分為仿射變換和和非仿射變換兩部分。配準(zhǔn)的幾何變換參數(shù)根據(jù)求解方式可分成兩類，一是根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)用聯(lián)立方程組直接計(jì)算得到的，二是根據(jù)參數(shù)空間的能量函數(shù)最優(yōu)化搜索得到。前者完全限制在基于特征信息的配準(zhǔn)應(yīng)用中。在后者中，所有的配準(zhǔn)都變成一個(gè)能量函數(shù)的極值求解問題。因此圖像配準(zhǔn)問題本質(zhì)上是多參數(shù)優(yōu)化問題，所以優(yōu)化算法的選