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(duì)齊問(wèn)題。本章研究?jī)?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(lèi)型：同一對(duì)象、不同對(duì)象；主要配準(zhǔn)方法：點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)：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(duì)同一個(gè)病人進(jìn)行多種模式或同種模式的多次成像。即同時(shí)從幾幅圖像獲得信息，進(jìn)行綜合分析 。2. 對(duì)于一個(gè)病人群的統(tǒng)計(jì)研究，或?qū)τ谀硞€(gè)病人不同時(shí)期的評(píng)估研究的需要。圖象的配準(zhǔn) (image registration)： 對(duì)幾幅不同的圖象作定量分析，首先要將圖象轉(zhuǎn)換到一個(gè)公共的坐標(biāo)框架內(nèi)研究，解決圖象的嚴(yán)格對(duì)齊問(wèn)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(duì)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(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

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(diǎn)，或至少是所有具有診斷意義的點(diǎn)及手術(shù)感興趣的點(diǎn)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(lèi)型（1）同一對(duì)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(shí)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(diǎn)法(Point Method)界標(biāo)配對(duì)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(diǎn)法（Point Method） ：分為內(nèi)部點(diǎn)法與外部點(diǎn)法。標(biāo)志點(diǎn)一旦確定，圖象配準(zhǔn)問(wèn)題就歸結(jié)為求解對(duì)應(yīng)點(diǎn)集的剛體變換；對(duì)準(zhǔn)了這些標(biāo)志點(diǎn)，圖象也就配準(zhǔn)內(nèi)部點(diǎn)：解剖標(biāo)志點(diǎn)；耳蝸尖端拐點(diǎn)處；兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)；

6、血管的分叉或相交處等；優(yōu)點(diǎn)：對(duì)受試者友好；缺點(diǎn)：難以識(shí)別，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。外部點(diǎn)：在受試著顱骨嵌入的螺釘；在皮膚上作記號(hào)；其他在兩幅圖像都可以檢測(cè)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(diǎn)：容易識(shí)別；缺點(diǎn)：受試者在掃描裝置內(nèi)要求嚴(yán)格不動(dòng)；主要配準(zhǔn)方法表面法(Surface Method) ：又稱(chēng)頭帽法 (Head and Hat method) “頭帽法”（head-hat method）是由Pelizzari和Chen提出的一個(gè)典型算法。 從一幅圖像輪廓中提取的點(diǎn)集稱(chēng)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(diǎn)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(shí)用分辨率較高的圖像來(lái)產(chǎn)生頭表面模型。 Powell搜索算法被用來(lái)尋求所需的幾何變換，即使帽點(diǎn)和頭表面間的距離平均平方值最小。 許多學(xué)者對(duì)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(wèn)題；用距離變換擬合兩幅圖像的邊緣點(diǎn)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(jì)算兩幅圖象象素點(diǎn)的質(zhì)心和主軸；再通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)使兩幅圖象的質(zhì)心和主軸對(duì)齊，從而達(dá)到配準(zhǔn)。缺點(diǎn)：對(duì)數(shù)據(jù)缺失敏感； 對(duì)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(duì)齊；主要配

8、準(zhǔn)方法相關(guān)法對(duì)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(guò)優(yōu)化兩幅圖象間相似性準(zhǔn)則來(lái)估計(jì)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(cè)度，如果兩幅圖象幾何上對(duì)齊的話，它們對(duì)應(yīng)體素對(duì)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(duì)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(gè)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(yàn)知識(shí)對(duì)病人或其他人的圖象進(jìn)行自動(dòng)識(shí)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(guò)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(gè)變換參數(shù)：兩個(gè)方向的平移和繞坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)變換參數(shù)：兩個(gè)方向的平移和繞坐標(biāo)原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)： 矩陣形式：其中， 是剛體變換參數(shù)；定義 為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向；1、剛體變換（1）二維剛體變換性質(zhì)1：對(duì)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(gè)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(shí)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(duì)于剛體變換無(wú)須關(guān)心其實(shí)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(gè)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(yùn)算或組合矩陣變換可以很容易地實(shí)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)稱(chēng)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(gè)變換參數(shù)：沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移和繞三個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)三個(gè)方向的縮放倍數(shù)相同尺度變換的順序也對(duì)變換結(jié)果有影響7個(gè)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(duì)三個(gè)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(duì)稱(chēng)性9個(gè)參數(shù)：平移x，y，z；旋轉(zhuǎn)x，y，z；4、一般仿射變換對(duì)于二維，可以通過(guò)奇異值分解將任意仿射變換分解為一個(gè)變換序列。該序列包括某個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)立參數(shù)4、一般仿射變換 三維與二維情況類(lèi)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)三維仿射變換： 12個(gè)獨(dú)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(guò)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(xiàng)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(diǎn)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(gè)表面，然后從該表面上提取基準(zhǔn)線，甚至再?gòu)倪@些基準(zhǔn)線上選取基準(zhǔn)點(diǎn)；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(guò)計(jì)算圖象強(qiáng)度的三階導(dǎo)數(shù)來(lái)提取。1、極值線與極值點(diǎn)極值線：定義為極值函數(shù)e的零交叉點(diǎn)的軌跡；極值點(diǎn)：定義為三個(gè)隱含表面的交點(diǎn)。這些表面是f=I，e

16、1=0，e2=0。2、極值點(diǎn)的自動(dòng)提取從三維圖象提取極值點(diǎn)可以首先對(duì)圖象中所有體素計(jì)算e1、e2，然后單獨(dú)考慮每個(gè)由8個(gè)相鄰體素構(gòu)成的小立方體元具體提取極值點(diǎn)的步驟：提取等值表面提取脊線計(jì)算極值點(diǎn)的位置3、極值點(diǎn)的隨機(jī)提取首先選取一些種子單元然后按自動(dòng)提取的方法依次剔除8個(gè)角點(diǎn)f-I值符號(hào)相同的單元，同時(shí)剔除8個(gè)角點(diǎn)e1值符號(hào)相同的單元提取脊線和極值點(diǎn)4、基于曲線的剛體配準(zhǔn)通過(guò)對(duì)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(jì)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(duì)象不同時(shí)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(duì)脊線點(diǎn)Hough變換確定候選變換擬合最佳變換5、基于極值點(diǎn)的剛體配準(zhǔn)僅使用脊線上的極值點(diǎn)來(lái)進(jìn)行配準(zhǔn)不足：采集位置不同，某些脊線和極值點(diǎn)在兩幅圖象中可能不是同時(shí)存在的噪聲的影響形成虛假的脊線和極值點(diǎn)6、基于基準(zhǔn)點(diǎn)的剛體配準(zhǔn)利用人為地加信號(hào)，或識(shí)別出圖象中明顯的解剖標(biāo)志點(diǎn)來(lái)作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)特點(diǎn)是僅依靠基準(zhǔn)點(diǎn)的空間坐標(biāo)而無(wú)須計(jì)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(duì)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(gè)內(nèi)容：對(duì)圖象進(jìn)行分割距離變換代價(jià)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(cè)度應(yīng)用于圖象配準(zhǔn)，主要是因?yàn)楫?dāng)兩幅圖象空間位置一致時(shí)，對(duì)應(yīng)象素灰度的互信息最大配準(zhǔn)原理：對(duì)于不同的兩幅圖象A和B，需要定義一個(gè)相似性測(cè)度并尋找一個(gè)空間變換關(guān)系，使得經(jīng)過(guò)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(gè)點(diǎn)在圖象B中都有唯一的點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，并且這兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)同一個(gè)解剖位置關(guān)鍵技術(shù)格點(diǎn)采樣子集從原有數(shù)據(jù)格點(diǎn)中有規(guī)律的每隔幾點(diǎn)選取一點(diǎn)PV插值技術(shù)該算法不通過(guò)鄰居點(diǎn)確定插值點(diǎn)的灰度，而是按照周?chē)?個(gè)象素與插值點(diǎn)的空間距離分配權(quán)重出界點(diǎn)策略對(duì)于出界點(diǎn)，可令其灰度等于距離其最近的邊界象素點(diǎn)的灰度。這樣做相當(dāng)于擴(kuò)大了參考圖的背景，同時(shí)保持優(yōu)化過(guò)程中的樣本數(shù)不變，互信息更準(zhǔn)確六、醫(yī)學(xué)圖