在體肝臟圖像配準方法及應用研究.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、計算機技術及生物醫(yī)學工程技術的發(fā)展，醫(yī)學影像學為臨床診斷提供了多種模式的醫(yī)學圖像，這些圖像在醫(yī)學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。在實際臨床應用中，往往需要將不同模式的醫(yī)學圖像有機地結(jié)合起來，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，使兩幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結(jié)構上的完全一致即進行圖像配準。配準結(jié)果應使兩幅圖像上所有的解剖點，或至少是所有具有診斷意義的點都達到匹配。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體特征信息，對其進行處理分析對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)合攻關計劃項目“數(shù)字化虛擬肝臟及手術計劃系統(tǒng)”課題為依托，以肝臟圖像配準為背景，系統(tǒng)研究了在體肝臟圖像的配準方法，研究實現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像配準

3、方法，肝臟CT與MR圖像配準方法，肝臟CT與DSA圖像配準方法，以及肝臟管道系統(tǒng)分支變異與走行分析，為進一步的研究和應用奠定基礎。 本文研究的創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下五個方面： 1.提出了一種基于聯(lián)合直方圖的剛性配準算法，該算法分別對剛性配準過程中的四個關鍵步驟進行了改進，實現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像剛性配準。分別對圖像變換方法、圖像插值方法、配準的相似函數(shù)以及配準的優(yōu)化搜索方法是剛性配準過程中四個關鍵步驟，提出了不同的改進優(yōu)化

4、算法：1)提出一種圖像剛性變換的快速坐標變換方法，大大提高了圖像剛性變換的速度；2)提出一種改進的B樣條插值方法，改進了B樣條插值函數(shù)的缺陷，提高了圖像插值的效果；3)提出了一種改進的基于聯(lián)合直方圖的計數(shù)函數(shù)作為配準的相似函數(shù)，大大提高了圖像配準的速度；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。實現(xiàn)肝臟CT多相期掃描圖像剛性配準。 2.提出了一種具有自動設定

5、標記點的薄板樣條配準方法，該方法能夠自動設定圖像中的標記點，同時改進了薄板樣條配準中存在的空值間隙的問題，實現(xiàn)了肝臟CT多相期掃描圖像非剛性配準。 標記點的選取及插值函數(shù)的確定是非剛性配準方法中最關鍵的兩步。本文采用薄板樣條函數(shù)實現(xiàn)圖像的非剛性配準過程，采用加權插值方法克服了存在的空值間隙的問題。此外，本文提出一種改進的SIFT算法，自動提取圖像中的感興趣點，有效的提高了配準的方便性以及配準的精度。最后利用圖像的小波變換算法將配

6、準后的肝臟CT多相期掃描圖像進行圖像融合。 3.針對肝臟DSA圖像的特點，提出了一種肝臟血管配準方法，實現(xiàn)了肝臟CT圖像與DSA圖像的配準。 首先將CT圖像進行投影處理，把DSA與CT圖像變換到一個統(tǒng)一的坐標系中，將3D/2D的配準過程轉(zhuǎn)化為2D/2D的配準過程。在對CT圖像中肝臟管道進行血管分割、血管細化、提取血管骨骼線后，以肝臟內(nèi)血管的結(jié)點為基準點，將CT內(nèi)的血管切分為若干部分，在最大互信息配準算法的基礎上，實現(xiàn)了肝

7、臟CT圖像與DSA圖像的多模配準。。 4.提出一種由粗到精的混合配準算法，實現(xiàn)了肝臟CT圖像與MR圖像的多模配準。算法具有較好的收斂速度，且可以避免由于配準過程陷入局部極值而引起的錯誤。 圖像配準通常在開始時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變換的圖像配準算法是將圖像變換到頻域上后進行基于

8、非特征的圖像配準。采用以上兩種配準方法后，圖像自動快速大致配準，進一步采用最大互信息法對圖像進行精確配準。 5.針對肝臟內(nèi)部管道的特點，提出一種管道分析算法，實現(xiàn)了對肝臟管道系統(tǒng)分支變異以及管道走行情況分析判斷。 肝臟內(nèi)部的血管包括肝動脈，肝靜脈以及門靜脈系統(tǒng)，根據(jù)解剖學上的統(tǒng)計分析以及管道拓撲結(jié)構的特點，對肝臟內(nèi)部的管道進行分析，判斷它們類型，在計算管道直徑、長度的基礎上，對肝內(nèi)的肝靜脈、肝動脈以及門靜脈的分支類型進行