基于LBM的医学影像非刚体配准方法研究

论文摘要

医学影像配准技术是将不同模态的影像、同一模态不同时刻成像的影像信息进行几何变换,建立两组影像在空间位置上的一一对应关系,这样影像中所包含的解剖点就相互对应起来,有利于不同影像之间有用信息的互补,提高影像在临床诊断和治疗上的辅助作用,是生物医学工程领域的重要基础性研究课题。由于医学影像存在复杂形变和噪声,影像之间除了刚体配准,还存在非刚性配准。同刚性配准相比,非刚性配准还不成熟,没有很好的方法能够在模拟复杂形变、配准精度、配准效率和自动化程度上达到理想要求。针对以上问题,本文主要研究工作如下:本文首先概述了医学影像配准的概念和步骤,分析了当前医学影像非刚体配准方法的特点,总结了非刚体配准亟待解决的问题,研究了基于粘滞流体模型的非刚体配准经典方法,深入理解了如何运用流体力学观点解决医学影像配准问题及实际的物理意义,该研究奠定了全文创新性研究工作的技术基础。仿真实验发现,基于粘滞流体模型的非刚体配准方法在求解粘滞流体偏微分方程组时,采用直接离散结合同步超松弛法,具有计算复杂度高的缺点,配准耗时长,算法实用性差。本文利用流体粒子运动可以模拟任意自由复杂形变的特性和LBM(Lattice Boltzmanm Method)模型可以进行大规模并行处理的特点,将医学影像配准问题转化为粘滞流体力学物理问题,提出了一种基于LBM模型的非刚体医学影像流体配准新方法,配准过程是把浮动影像当成粘滞流体,把像素点作为流体粒子,通过两幅影像灰度差产生的外力驱动拟合待配准影像;通过LBM方程模拟像素点在外力作用下的流动,使影像产生位移场、发生形变;利用改进过的雅克比行列式判断医学影像拓扑结构,使得影像拓扑结构在配准过程中得到了更好的保形;待两幅影像接近一致时,外力消失、流体流动停止,影像达到配准。文中完整建立并推导了含外力项粘性可压缩LBM方程并对边界条件、初始条件和速度模值进行了定义。实验结果表明,与同类方法相比,本方法配准效率得到了提升,非常适合大形变配准场合。另外对于遭受一定噪声污染的医学影像,本方法仍能精确配准,与同类方法相比,鲁棒性较强。论文最后对本文研究内容进行了总结,提出了下一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容与章节安排
• 第二章 医学影像非刚体配准常见方法概述
• 2.1 医学影像配准的定义
• 2.2 基于空间变换的非刚体配准方法
• 2.2.1 多项式函数配准
• 2.2.2 样条函数配准
• 2.3 基于物理模型的非刚体配准方法
• 2.3.1 弹性配准
• 2.3.2 流体配准
• 2.3.3 光流场配准
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于粘滞流体的医学影像非刚体配准方法
• 3.1 引言
• 3.2 基于粘滞流体模型的非刚体配准基本原理
• 3.2.1 粘滞流体非刚体配准基础理论
• 3.2.2 基于粘滞流体模型的非刚体配准原理概述
• 3.2.3 算法步骤
• 3.3 实验仿真与分析
• 3.3.1 简单影像的配准
• 3.3.2 医学影像的配准
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于LBM 的医学影像非刚体配准新方法
• 4.1 引言
• 4.2 LBM 方法理论基础
• 4.2.1 Boltzmann 方程
• 4.2.2 LBM 方法原理和离散速度模型
• 4.3 医学影像非刚体配准的LBM 方程
• 4.3.1 建立含外力项的LBM 方程
• 4.3.2 定义边界条件和速度模值
• 4.3.3 算法原理及步骤
• 4.3.4 拓扑结构保形的增强研究
• 4.4 实验与分析
• 4.4.1 简单影像的配准
• 4.4.2 医学影像的配准
• 4.4.3 对噪声的鲁棒性实验
• 4.4.4 拓扑结构的保形实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 未来研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间参加科研情况和研究成果