基于灰度信息的有刚体约束的非刚体配准

论文摘要

伴随着科学技术的高速发展,高科技医疗影像设备的不断涌现为医疗现代化提供了越来越多的帮助。在X射线断层扫描(CT),核磁共振(MR)等人体解剖结构成像技术日趋完善的同时,功能性核磁共振(fMRI)、正电子放射断层扫描(PET,PositronEmission Tomography)以及单光子放射断层扫描(SPECT,Single Photon EmissionCT)等功能性、代谢性成像技术正逐渐地被人类广泛地采用。它们为临床医疗诊断,计算机辅助手术与治疗等工作提供了高质量的解剖和功能信息支持,大大提高了人类对自身的认知并从而提高了全民医疗健康水平。然而,在医学图像中广泛使用的非刚体配准,通常把所有的组织都当作非刚体对象来处理,而不考虑不同类型组织的刚体性。如果像骨头之类的刚体组织出现在配准过程中,这些算法将不能保留这些刚体对象的刚体性。保留对象的刚体性,不仅对于是刚体的组织是有用的,它在其它案例中也是非常有用的。如果我们配准的两个幅图像中有些组织结果发生了大小的变化,那么保留这些诸如在不同的时间序列图像中的肿瘤生长的图像之间的差异是有用的。传统的非刚体配准是将两幅图像配准到同样大小,没有差别。那么诸如肿瘤变化之类的信息就会被隐藏,但是保留肿瘤对象的刚体性就能阻止这些信息的丢失。本文中,我们提出了一个新的在执行配准过程中保持所需对象刚体性的方法。这个方法是通过灰度信息来确定刚体区域与非刚体区域中间部分的刚体变换和非刚体变换,修改基于B样条的自由模式运动来得到一个刚体约束的。在那之后,这个方法被应用到颈椎配准中。我们使用颈椎的特性,同时将这个方法应用到颈椎配准过程中。本文的主要工作包括下面几个方面:1.首先讨论和比较了各种有刚体约束的非刚体配准方法。有刚体约束的非刚体配准方法被分为两类:通过修改相似度测量的方法和通过修改变换的方法。2.经过前面的方法讨论,我们提出了新的有刚体约束的非刚体配准方法。B样条的控制点能够分为刚体部分控制点和自由运动部分控制点。所有的刚体对象控制点是在一起变换的,这些控制点的位移是通过这些控制点的刚体变换的位移的前后差异得到的。因为,如果对刚体部分的控制点简单向外扩展两个,会扩大刚体运动部分的面积,这里我们在这个方法中也使用了非均匀样条来减少扩大的刚体面积。3.颈椎的特性和刚体约束的非刚体配准算法被用来处理多级的颈椎配准。首先我们从预分割的颈椎骨头中,提取出颈椎的中心点,然后利用灰度信息来给骨头周围的非刚体组织变换确定刚体变换和非刚体变换的比率。然后,分别对各个骨头块分别进行配准,然后用这个结果来给骨头块上的控制点设置初始参数。取得一个初步结果以后,然后采用刚体约束的非刚体配准方法来做进一步配准,直到得到最后的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 医学图像配准背景
• 1.2 医学图像配准的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 目前非刚体配准方法存在的问题
• 1.3.2 本文的组织
• 第二章 医学配准工作概述
• 2.1 医学配准的定义
• 2.2 配准的基本框架
• 2.3 变换方法（Transform）
• 2.3.1 线性变换
• 2.3.2 非线性变换
• 2.4 插值方法（Interpolator）
• 2.5 相似性测度（Metric）
• 2.5.1 归一化互相关（Normalized Cross Correlation）
• 2.5.2 差值图像的熵（Entropy of the Difference Image）
• 2.5.3 互信息（MI,Mutual Information）
• 2.5.4 梯度相关性（Gradient Correlation）
• 2.6 优化策略（Optimizer）
• 2.7 刚体约束非刚体配准的意义
• 2.8 本章小结
• 第三章 当前刚体约束的非刚体配准方法概述
• 3.1 基于B样条变换的非刚体配准
• 3.2 当前刚体约束的非刚体配准
• 3.2.1 现有非刚体配准方法的问题
• 3.2.2 相似性测度约束的方法
• 3.2.3 变换约束的方法
• 3.2.4 现有刚体约束配准算法的问题
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于灰度信息的刚体约束非刚体配准方法及实现
• 4.1 基于灰度信息的刚体约束的非刚体配准方法
• 4.1.1 基于灰度信息的B样条刚体约束变换方法
• 4.1.2 图像分割的方法
• 4.1.3 配准方法
• 4.2 针对颈椎的基于灰度信息的有刚体约束的非刚体配准方法
• 4.2.1 配准方法
• 4.2.2 曲线拟合方法
• 4.2.3 增加相似度约束
• 4.3 本章小结
• 第五章 配准实验
• 5.1 实验背景
• 5.1.1 实验环境
• 5.1.2 实验结果验证及评价
• 5.2 试验一:2D人工图配准实验
• 5.2.1 试验一概述
• 5.2.2 试验一分析与结论
• 5.3 试验二:CT肿瘤配准实验
• 5.3.1 试验二概述
• 5.3.2 试验二分析与结论
• 5.4 试验三:颈椎配准实验
• 5.4.1 试验三概述
• 5.4.2 试验三分析与结论
• 5.5 实验总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果与发表或录用的论文
• 致谢