放射治疗中2D/3D医学图像配准算法研究

论文摘要

随着成像技术和放疗设备的发展,放射治疗已经进入精确放疗时代,其中图像引导放射治疗技术(IGRT)通过最大限度的降低摆位误差和器官位移误差使放疗精度得到有效提高,成为当前放疗技术领域中的研究热点。IGRT中病人摆位的确认和治疗时器官位移的跟踪都取决于图像配准结果的准确性和实时性。2D/3D医学图像配准在保证引导速度的前提下,使得配准结果基于更丰富的信息,成为IGRT的关键技术之一。本文基于医学图像处理工具包构建了医学图像配准平台,在此平台上使用综合配准误差评价方法对三种主流相似性测度组成的配准算法做了研究,通过与图像金字塔算法的融合改善了配准算法在一些情况下的性能。最后实现了基于数字影像重建技术和梯度差分测度的2D/3D医学图像配准算法,讨论了金字塔、二维图像的大小等因素对配准结果的影响,并扩展了配准平台,为IGRT技术的深入研究奠定了基础。本文主要工作如下:首先研究了配准算法的性能及其评价方法。本文着重研究相似性测度对基于灰度的配准的影响,同时对配准算法中各要素之间的相互影响做了探讨。本文基于构建的配准平台,从精度和速度两个方面,研究了三种相似性测度对配准算法性能的影响,并使用本文提出的综合配准误差方法做了评价。我们发现,互信息测度在综合性能上优于另外两种测度,其容易陷入局部极值的缺陷可以通过引入图像金字塔算法的方法加以改善。然后在深入分析2D/3D医学图像配准相关理论的基础上实现了基于数字影像重建技术和梯度差分测度的2D/3D医学图像配准。数字影像重建技术将2D/3D配准问题转化为2D/2D配准问题,本文使用光线投射法完成了CT体数据集和MR图像的数字影像重建。本文将图像金字塔算法融入2D/3D医学图像配准组成新的配准算法,与未使用该策略的配准算法相比,速度有了明显的提升,同时还研究了2D图像的尺寸、图像金字塔等因素对配准结果的影响。最后在Windows平台下将基于灰度的2D/2D医学图像配准和2D/3D医学图像配准以图像用户界面的形式实现,搭建出了可视化的配准算法平台。在该平台中,用户可以根据配准算法的四个部分任意组装出不同的配准算法,极大方便了配准算法的性能研究和比较。其中2D/3D医学图像配准平台将摆位误差的确定以交互式界面的形式表示出来,增强了配准的交互性,也为IGRT软件平台的实现奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 放射治疗
• 1.1.1 放射治疗的发展
• 1.1.2 调强放射治疗和图像引导放射治疗技术
• 1.2 2D/3D 医学图像配准在放射治疗中的应用现状
• 1.2.1 应用领域
• 1.2.2 配准方法的发展
• 1.2.3 配准方法评价标准的发展
• 1.2.4 配准对象的变化
• 1.3 本文内容组织
• 第二章 基于灰度的2D/3D 医学图像配准的相关理论
• 2.1 配准四要素
• 2.1.1 空间变换
• 2.1.2 灰度插值
• 2.1.3 相似性测度
• 2.1.4 参数优化
• 2.2 配准误差评价
• 2.3 基于2D 医学图像配准的实现方法
• 2.3.1 数字影像重建技术
• 2.3.2 基于DRR 的2D/3D 图像配准
• 2.4 基于3D 医学图像配准的实现方法
• 2.4.1 三维重构技术
• 2.4.2 基于三维重构的2D/3D 图像配准
• 2.5 本章小结
• 第三章 2D/2D 医学图像配准算法及性能评价
• 3.1 相似性测度
• 3.1.1 均方测度
• 3.1.2 规一化相关系数测度
• 3.1.3 互信息测度
• 3.2 图像金字塔算法
• 3.2.1 图像金字塔算法原理
• 3.2.2 金字塔算法与配准算法的联合
• 3.2.3 实验与分析
• 3.3 配准算法研究平台的搭建
• 3.3.1 ITK 与VTK
• 3.3.2 ITK 与VTK 的使用
• 3.3.3 基于MFC 的配准算法研究平台
• 3.4 配准算法性能评价
• 3.4.1 评价方法的原理
• 3.4.2 配准算法的实施与评价
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于灰度的2D/3D 医学图像配准算法研究
• 4.1 DRR 技术
• 4.1.1 DRR 技术的理论基础
• 4.1.2 DRR 的实施
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.2 配准对象的获取
• 4.2.1 三维图像的获取
• 4.2.2 二维图像的获取
• 4.3 2D/3D 医学图像配准算法实施与分析
• 4.3.1 梯度差分测度
• 4.3.2 基于DRR 的2D/3D 配准
• 4.3.3 配准算法研究平台的扩充
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 本文完成的主要工作
• 需要完善的工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢