第7講 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)和融合

第七章醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)與融合

MedicalImageregistrationandfusion1主要內(nèi)容配準(zhǔn)融合技術(shù)概述醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)圖像圖像融合技術(shù)理論方法評估方法評估背景意義背景醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在最近十年中得到迅速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于臨床診斷和治療中。由于成像的原理和設(shè)備不同，存在有多種成像模式（解剖成像、功能成像）。對人腦可用多種模式成像3意義解剖圖像：提供解剖形態(tài)信息，分辨率高功能圖像：提供功能代謝信息，分辨率差二者結(jié)合：在一幅圖像中同時表達(dá)來自人體多方面的信息，使人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能等狀況能通過影像反映出來，直觀提供人體解剖生理病理信息。于是出現(xiàn)了配準(zhǔn)和融合技術(shù)，配準(zhǔn)是融合的先決條件4臨床應(yīng)用外科手術(shù)

術(shù)前病灶精確定位放療計劃

CT圖像精確計算放射劑量、MR圖像描述腫瘤結(jié)構(gòu)，PET對代謝、免疫及生理方面進(jìn)行識別，配準(zhǔn)融合后圖像用于改進(jìn)放療計劃、立體定向活檢、手術(shù)癲癇病治療

觀察炎癥、腦外傷、硬化癥等變化、病灶精確定位5配準(zhǔn)（imageregistration）的概念醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是指對于一幅醫(yī)學(xué)圖像尋求一種（或一系列）空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對應(yīng)點達(dá)到空間上的一致。這種一致是指人體上的同一解剖點在兩張匹配圖像上有相同的空間位置（位置一致，角度一致、大小一致）。、目的：將多種成像模式或同一種模式得到的多幅 圖像綜合分析，更好的了解組織情況解決的問題：幾幅圖像的嚴(yán)格對齊6幾幅圖像信息綜合的結(jié)果稱作圖像的融合（imagefusion）。

利用圖像融合技術(shù)，將多種圖像結(jié)合起來，利用各自的信息優(yōu)勢，在一幅圖像上同時表達(dá)來自人體的多方面信息，使人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、功能等多方面的狀況通過影像反映出來，從而更加直觀地提供人體解剖、生理及病理等信息。圖像配準(zhǔn)技術(shù)是圖像融合的先決條件7圖像配準(zhǔn)示意圖配準(zhǔn)實現(xiàn)過程：1.獲得特征圖像：不同角度，不同位置，反映某些方面的特征2.圖像配準(zhǔn)：通過空間變換（移動和旋轉(zhuǎn)），使兩幅圖像對齊3.圖像融合：得到整體特征圖像8實例：9方法分類：1993年VDE7種按維數(shù)：2 D、3D按摸態(tài)：單、多按變換性質(zhì)：按用戶交互性：自動、半自動、交互按配準(zhǔn)所基于圖像特征：外、內(nèi)按變換參數(shù)確定的方式：公式、最優(yōu)解按主體分：同一患者、不同患者、患者與圖譜10剛體變換：指物體內(nèi)部任意兩點間的距離及平行關(guān)系保持 不變（處理人腦圖像，對不同方向成像的圖像配

準(zhǔn)常使用剛體變換）仿射變換：保持平行性，但距離發(fā)生變化，直線還是直線（校正成像設(shè)備的誤差產(chǎn)生的畸變）投影變換：直線映射成直線，平行性和兩點間的距離變化（二維投影圖像與三維圖像的配準(zhǔn)）彎曲變換：直線變成曲線

(解剖圖譜變形擬合圖像數(shù)據(jù))11單模配準(zhǔn)的典型應(yīng)用：（1）不同MR加權(quán)像間的配準(zhǔn)T1加權(quán)像T2加權(quán)像質(zhì)子密度加權(quán)像不同組織表現(xiàn)不同強(qiáng)度信息互補(bǔ)（2）電鏡圖像序列的配準(zhǔn)不同時間采集的多幅圖像（時間序列圖像）粒子移動，形態(tài)變化研究生長現(xiàn)象12單模配準(zhǔn)的典型應(yīng)用：（3）fMRI圖像序列的配準(zhǔn)（4）胸腹部臟器的圖像配準(zhǔn)不同時刻的三維臟器圖像四維圖像分析時間序列圖像，大腦活動會產(chǎn)生氧攝取量和血流間的不平衡MRI圖像測得信號的改變解決：參考點位置確定（定位問題）運動過程中的局部變形和噪聲問題13多模醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)：待配準(zhǔn)的兩幅圖像來源于不同的成像設(shè)備。解剖圖像：CT：對密度差異較大的組織效果好MRI：可識別軟組織較高的空間分辨率功能圖像：SPECT/PET：能反映人體的功能和代謝信息空間分辨率差一般臨床上的應(yīng)用：

CT（或MRI）和SPECT（或PET）的綜合分析，同時提供功能和解剖信息14多模醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)：難點：由于掃描設(shè)備的原理不同，兩種斷層圖像間并不存在簡單的一一對應(yīng)關(guān)系人腦MR/PET圖像配準(zhǔn)

上排：軸向圖；中間：矢狀圖；下排：冠壯圖

左：PET圖像；中：MRI圖像；右：融合圖像15不同對象的圖像配準(zhǔn)被試圖像典型正常圖像疾病的典型圖像對比是否出現(xiàn)異常是否屬于同類難點：不同對象形狀、大小、位置差異方法：1）確定一個共同的標(biāo)準(zhǔn)。要求有一個詳細(xì)標(biāo)記人體各個解剖位置的計算機(jī)化標(biāo)準(zhǔn)圖譜，如Talairach標(biāo)準(zhǔn)空間，把兩幅圖像分別映射到圖譜，再比較16Talairach人腦圖譜

對兩個病人的PET或MR圖象進(jìn)行比較，首先把二者的圖像都映射到這個共同的參考空間，然后再比較不同對象的圖像配準(zhǔn)方法：胼胝體17用非線性變換法配準(zhǔn)不同人腦表面溝回2）非線性形變法將三維圖像逐漸變形，最終較好的與另一個三維圖像匹配不同對象的圖像配準(zhǔn)方法：18圖像與圖譜配準(zhǔn)或與物理空間配準(zhǔn)在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中解決圖像像素與實際物理空間的位置配準(zhǔn)圖像空間立體定向裝置、人體實體空間坐標(biāo)變換實現(xiàn)方法：19配準(zhǔn)理論基礎(chǔ)

每一幅待配準(zhǔn)的圖像都與定義圖像空間的坐標(biāo)系有關(guān)。一般情況下，圖像配準(zhǔn)都是基于幾何變換的，即尋找一幅圖像空間X中的點（用列向量x表示）與另一幅圖像空間Y中的點（用列向量y表示）之間的映射。X經(jīng)T變換后得到點x?，即：x?=T(x)如果y與x是對應(yīng)點，則成功的配準(zhǔn)應(yīng)該使得x?等于或近似等于y，若兩者之間的差值T(x)-y非零，則說明存在配準(zhǔn)誤差。根據(jù)空間變換T的形式不同，可將其分為剛體變換和非剛體變換兩種形式。20圖像的變換模型：

剛體變換（二維剛體變換、三維剛體變換）全局尺度變換

仿射變換（9參數(shù)仿射變換、一般仿射變換）透視變換*非線性空間變換*21醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)在大多數(shù)情況下是采用剛體變換模型。人體的很多組織可以近似為剛體，如骨頭、由顱骨固定的大腦等剛體變換：平移、旋轉(zhuǎn)剛體變換物體內(nèi)部兩點間的距離和角度保持不變22

二維剛體變換：沿x軸平移：向右平移p為正向左平移p為負(fù)矩陣公式：變換公式：

其中x’與y’是平移后的結(jié)果從（x,y)變到新坐標(biāo)系（x’,y’)23沿y軸平移：

向上平移q為正向下平移q為負(fù)矩陣公式：變換公式：

其中x’與y’是平移后的結(jié)果24繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)：矩陣公式：變換公式：25復(fù)合變換：不同順序的變換得到的結(jié)果是不同。先沿x軸平移，再沿y軸平移，最后繞原點旋轉(zhuǎn)先繞原點旋轉(zhuǎn)，再沿y軸平移，最后沿x軸平移26舉例：設(shè)剛體變換先繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)10°，再沿x軸平移4個單位，然后沿y軸平移9個單位設(shè)剛體變換先沿x軸平移4個單位，再沿y軸平移9個單位，然后繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)10°27對于一個給定的變換結(jié)果，可以有許多不同的變換途徑先沿X軸平移2.3764個單位再沿Y軸平移9，5579個單位最后繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)10度28②三維剛體變換：沿x軸平移向右平移p為正向左平移p為負(fù)矩陣公式：變換公式：

其中x’,y’,z’是平移后的結(jié)果29沿y軸平移：

向上平移q為正向下平移q為負(fù)矩陣公式：變換公式：

其中x’,y’,z’是平移后的結(jié)果30沿z軸平移：

向前平移r為正向后平移r為負(fù)矩陣公式：變