在體肝臟圖像配準(zhǔn)方法及應(yīng)用研究.pdf

1、肝臟是人體重要的消化器官，肝臟疾病直接影響人的健康和生存。隨著醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像學(xué)為臨床診斷提供了多種模式的醫(yī)學(xué)圖像，這些圖像在醫(yī)學(xué)診斷和治療中的作用顯得非常重要。但是單一模式的圖像往往不能提供醫(yī)生所需要的足夠的診斷信息。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，往往需要將不同模式的醫(yī)學(xué)圖像有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，得到更豐富的信息以便了解病變組織或器官的綜合信息，從而做出準(zhǔn)確的診斷或制訂出合適的治療方案，這就首先尋找一種(或一系列)空間

2、變換，使兩幅圖像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致即進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。配準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)使兩幅圖像上所有的解剖點(diǎn)，或至少是所有具有診斷意義的點(diǎn)都達(dá)到匹配。由于在體肝臟圖像是患者在臨床檢查中獲取的，其中包含了患者的個(gè)體特征信息，對(duì)其進(jìn)行處理分析對(duì)臨床診斷具有更加直接的意義。本文以福建省衛(wèi)生教育聯(lián)合攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“數(shù)字化虛擬肝臟及手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)”課題為依托，以肝臟圖像配準(zhǔn)為背景，系統(tǒng)研究了在體肝臟圖像的配準(zhǔn)方法，研究實(shí)現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像配準(zhǔn)

3、方法，肝臟CT與MR圖像配準(zhǔn)方法，肝臟CT與DSA圖像配準(zhǔn)方法，以及肝臟管道系統(tǒng)分支變異與走行分析，為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下五個(gè)方面： 1.提出了一種基于聯(lián)合直方圖的剛性配準(zhǔn)算法，該算法分別對(duì)剛性配準(zhǔn)過(guò)程中的四個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像剛性配準(zhǔn)。分別對(duì)圖像變換方法、圖像插值方法、配準(zhǔn)的相似函數(shù)以及配準(zhǔn)的優(yōu)化搜索方法是剛性配準(zhǔn)過(guò)程中四個(gè)關(guān)鍵步驟，提出了不同的改進(jìn)優(yōu)化

4、算法：1)提出一種圖像剛性變換的快速坐標(biāo)變換方法，大大提高了圖像剛性變換的速度；2)提出一種改進(jìn)的B樣條插值方法，改進(jìn)了B樣條插值函數(shù)的缺陷，提高了圖像插值的效果；3)提出了一種改進(jìn)的基于聯(lián)合直方圖的計(jì)數(shù)函數(shù)作為配準(zhǔn)的相似函數(shù)，大大提高了圖像配準(zhǔn)的速度；4)提出了一種混合優(yōu)化算法，將PSO優(yōu)化算法與Powe11優(yōu)化算法相結(jié)合，克服了Powe11算法的局部最優(yōu)的缺陷。實(shí)現(xiàn)肝臟CT多相期掃描圖像剛性配準(zhǔn)。 2.提出了一種具有自動(dòng)設(shè)定

5、標(biāo)記點(diǎn)的薄板樣條配準(zhǔn)方法，該方法能夠自動(dòng)設(shè)定圖像中的標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)了薄板樣條配準(zhǔn)中存在的空值間隙的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像非剛性配準(zhǔn)。 標(biāo)記點(diǎn)的選取及插值函數(shù)的確定是非剛性配準(zhǔn)方法中最關(guān)鍵的兩步。本文采用薄板樣條函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的非剛性配準(zhǔn)過(guò)程，采用加權(quán)插值方法克服了存在的空值間隙的問(wèn)題。此外，本文提出一種改進(jìn)的SIFT算法，自動(dòng)提取圖像中的感興趣點(diǎn)，有效的提高了配準(zhǔn)的方便性以及配準(zhǔn)的精度。最后利用圖像的小波變換算法將配

6、準(zhǔn)后的肝臟CT多相期掃描圖像進(jìn)行圖像融合。 3.針對(duì)肝臟DSA圖像的特點(diǎn)，提出了一種肝臟血管配準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了肝臟CT圖像與DSA圖像的配準(zhǔn)。 首先將CT圖像進(jìn)行投影處理，把DSA與CT圖像變換到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，將3D/2D的配準(zhǔn)過(guò)程轉(zhuǎn)化為2D/2D的配準(zhǔn)過(guò)程。在對(duì)CT圖像中肝臟管道進(jìn)行血管分割、血管細(xì)化、提取血管骨骼線后，以肝臟內(nèi)血管的結(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將CT內(nèi)的血管切分為若干部分，在最大互信息配準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了肝

7、臟CT圖像與DSA圖像的多模配準(zhǔn)。。 4.提出一種由粗到精的混合配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)了肝臟CT圖像與MR圖像的多模配準(zhǔn)。算法具有較好的收斂速度，且可以避免由于配準(zhǔn)過(guò)程陷入局部極值而引起的錯(cuò)誤。 圖像配準(zhǔn)通常在開(kāi)始時(shí)使用粗略的快速算法，然后使用精確的慢速算法。力矩主軸配準(zhǔn)法是根據(jù)圖像的形狀信息獲得圖像的質(zhì)心、主軸，該方法可以獲得圖像的平移、旋轉(zhuǎn)參數(shù)；基于Fourier-Mellin變換的圖像配準(zhǔn)算法是將圖像變換到頻域上后進(jìn)行基于

8、非特征的圖像配準(zhǔn)。采用以上兩種配準(zhǔn)方法后，圖像自動(dòng)快速大致配準(zhǔn)，進(jìn)一步采用最大互信息法對(duì)圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)。 5.針對(duì)肝臟內(nèi)部管道的特點(diǎn)，提出一種管道分析算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肝臟管道系統(tǒng)分支變異以及管道走行情況分析判斷。 肝臟內(nèi)部的血管包括肝動(dòng)脈，肝靜脈以及門(mén)靜脈系統(tǒng)，根據(jù)解剖學(xué)上的統(tǒng)計(jì)分析以及管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)肝臟內(nèi)部的管道進(jìn)行分析，判斷它們類(lèi)型，在計(jì)算管道直徑、長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，對(duì)肝內(nèi)的肝靜脈、肝動(dòng)脈以及門(mén)靜脈的分支類(lèi)型進(jìn)行