【毕业学位论文】（Word原稿）三维CT图像和超声图像的配准-医学影像

三维 像和超声图像的配准 三维 像和超声图像的配准 摘要 关键词： 三维 像和超声图像的配准 F T ey 三维 像和超声图像的配准 目 录 第一章 绪论 学图像配准的研究意 义 学图像配准的发展现状 维 像和超声图像 超声 其他医学图像 章小结 二章 医疗辅助系统环境配置和简要说明 境配置说明 统环境的配置 选择说明 编译和安装 编译和安装 编译和安装 设置 疗辅助系统 架构简介 章小结 三章 医学图像配准 言 学图像配准技术概述 图像配准的原理 图像配准的分类 图像配准的流程 图像配准的空间变换 图像配准的相似性测度函数 图像配准的优化策略 图像配准的插值方法 图像配准的主流算法 章小结 四章 相似性测度 言 种相似性测度的介绍 于法向量的相似性测度 法向量的理论基础 基于法向量相似性测度的计算 三维 像和超声图像的配准 于法向量相似性测度的特点 于互信息的相似性测度 关于信息论 互信息的理论基础 基于互信息相似性测度的计算 于法向量和基于互信息的相似性测度的对比 章小结 五章 三维 像和超声图像的配准 像的前期处理 于法向量的配准算法 于互信息的配准算法 值方法 章小结 六 章 实验及 结论 考文献 辞 三维 像和超声图像的配准 第 1 页 共 7 页 第一章 绪论 随着生物医学工程和计算机技术的发展，医学影像学为临床诊断提供了多 种模态的医学图像。在当今的临床领域中，这些医学图像正扮演着越来越重要的角色。不仅应用于医疗诊断，还可用于手术计划的制定、放射治疗计划的制定、病理变化的跟踪和治疗效果的评价等各个方面。 医学图像配准就是通过寻找一种（或一系列）空间变换，使两幅图像的对应点到达空间位置和解剖结构上的完全一致。配准结果应使两幅图向上的所有解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点都达到匹配 1。 学图像配准的研究意义 常见的医学图像诸有 X 线断层影像）、 声成像）、 共振成像）、 能性核磁共振成像） 、 光子发射体层摄影术）、 电子发射计算机断层显像）、 字减影血管造影）、脑磁图等。不同的医学影像可以提供人体相关脏器和组织的不同信息。如 有较高的空间分辨率，有利于定位病灶 ;眼于详尽的观察与分析 ,捕捉各种特征，实时性强。 软组织成像清晰，有利于确定病灶的范围；而 却提供了脏器的功能和代谢信息。 各种医学图像成像技术的出现使临床诊断学发生了的革命性的变化。准确化、精密化、动态化、微量化、自动化、无创化己成为现代临床诊断的特点。临床 医生们迫切希望对不同图像信息进行适当的集成，综合利用各种成像技术的特点，然而不同模态的医学图像成像原理不同，分辨率不同，成像参数等不同，在图像融合前必须进行图像配准。 在医学图像配准技术飞速发展的同时，我们不应忽视医学图像配准的最终目的是帮助医生提高诊断、监护和治疗水平，因此它的发展方向应该是向着快速、准确、稳定、无创、简单易用的方向发展：快速是为了使其有实际应用的价值；准确是配准的基本要求；稳定则可以使配准方法有较广泛的实用性；无创使得其对病人友好，减轻病人的痛苦；简单易用则方便了医生的操作与诊断。 由于 其重要的临床应用价值，医学图像配准今年来已经成为医学图像研究领域的热门专题之一。 学图像配准的发展现状 关于医学图像配准的研究和实验早已在上世纪九十年代中期就有大量的文献报道，如在 1993 年 A 在综述中总共引用了 125 篇相关文献 2。尽管医学图像配准技术发展迅速但是随着医学成像设备的日益改进和计算机技术的迅猛发展以及人们对健康、医疗的日益重视，医学图像配准技术的发展仍有相当长的路要走。到目前为止已经有很多配准方法提出，但是适用于临床领域中的报道并不多，大部分只是对少数 的几个或几十个病例的研究结果。目前的医学图像配准方法发展中中存在以下几个主要问题： (1） 由于配准采用的多幅图像基本上都是在不同条件、不同时间所获得的所以没有绝对的评价标准 3，这使得配准方法之间的优劣评价有一定的困难。一般采用标记点的配准结果作为“金标准”，但这种评价使用操作烦琐且本身就存在变形等因素引起的误差。M 等就基于点的方法推导出了目标配准误差和标记点配准误差的关系 三维 像和超声图像的配准 第 2 页 共 7 页 式，而 D 则扩展了评价标准的含义，认为配准方法的好坏不仅包括准确性还包括稳健性、易用性及计算 机要求，因此寻求统一的配准评价标准也是一个需要解决的问题。 (2） 到目前为止的大部分配准方法只是对刚体的配准，涉及到软组织变形或位移的图像配准方法很少。事实上即使像脑部这样比较固定的部位，软组织的变形或位移也是存在的，这必然会影响配准的精度。关于非刚体的配准报道只是处于实验研究状态，采用何种形变模型等问题还需要进行大量的深入研究工作。 (3） 目前大部分方法主要集中在 及到 声 )与其它模态的配准工作比较少，而超声图像却是最常见、使用得最多的一种模态的图 像，同时它还具有物美价廉和实时灵活的特性。因此，进行超声与其它模态图像之间的配准具有非常重要的实际意义，这对于实现真正意义上的手术导航有决定性的作用。 维 像和超声图像 T 是电子计算机 根据人体不同组织对 用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像， 发现体内任何部位的细小病变。 映器官和组织对 此，与 影表示低吸收区，即低密度区，如含气体多的肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是 线图像相比， 有高的密度分辨力（ 因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是 以， 脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好 的解剖图像背景上显示出病变的影像。 用的是横断面。为了显示整个器官，需要多个连续的层面图像。通过 可重建冠状面和矢状面的层面图像，可以多角度查看器官和病变的关系。 声 超声成像是利用超声波的声成像。目前的医用超声诊断仪都是利用超声波照射人体，通过接收和处理裁有人体组织或结构性质特征信息的回波，获得人体组织性质与结构的可见图像的方法和技术。它有自己独特的优点，是其他成像所不能代替的。 三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像，动态三维成像由于 把时间的因素加进去，用整体显像法重建感兴趣区域准确实时活动的三维图像（又称四维）。动态三维超声成像原理与静态基本相同 ： (1）表面成像 提取组织结构的表面灰阶信息，然后采取表面拟合的方式进行图像重组。 (2）透明成像 采用透明算法实现三维重建，淡化组织结构的灰阶信息，使之呈透明显示，从而显示实 三维 像和超声图像的配准 第 3 页 共 7 页 质性脏器内部结构的空间位置关系。 自超声技术应用于临床诊断 60多年来，随着临床需求和现代电子技术尤其是计算机技术的发展，使超声影像技术，从应用初期的一维 型超声成像发展到了实时灰阶二维 目前的全数字 能实时回放的三维超声影像系统。超声影像具有无创性，高灵敏度，应用面广，低成本和操作方便等优点，发展速度和普及程度近年已成为医学影像之首。可以预计实时三维（四维）超声成像必将成为二十一世纪医学影像系统临床应用中一项最为有效的诊断工具而造福于人类。 他医学图像 共振成像技术与其它断层成像技术（如 一些共同点，比如它们都可以显示某种物理量（如密度）在空间中的分布；同时也有它自身的特色，磁共振成像可以得到任何方向的断层图像，三维体图像，甚至可以得到空间波谱分布的四维图像。 电子发射型计算机断层显像是目前惟一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，现已广泛用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面。它具有灵敏度高、特异性高、全身显像和安全性好的特点。 血管造影的影像通过数字化处理，把不需要的组织影像删除掉，只保留血管影像，这种技术叫做数字减影技术，其特点是图像清晰，分辨率高，对观察血管病变，血管狭窄的定位测量，诊断及介入治疗提供了真实的立体图像，为各种介入治疗提供了必备条件。主要适用于全身血管性疾病及肿瘤的检查 及治疗。 章小结 本章的前部分介绍了医学图像配准技术的研究意义以及发展现状，后部分重点介绍了子计算机 和 声 成像原理、应用领域以及各自的特点和发展现状，在最后我们简要介绍了目前比较流行的三种比较有代表性的成像技术：课题致力于三维 三维 像和超声图像的配准 第 1 页 共 7 页 第二章 医疗辅助系统环境配置和简要说明 境配置说明 本课题是在医疗辅助系统（ 基础上进行的，故在开展配准技术研究前非常有必要就医疗辅助系统 （ 环境搭建和系统本身进行相关说明，本章着重说明环境搭建中遇到的问题和相应的解决方法，本章后部分也将就医疗辅助系统 (架构和功能做简要说明。 系统的软件开发环境采用了平台无关移植性良好的 言，并辅以 供的类库，均是平台无关的开发语言。在 P 下使用 为 码的 在医学图像可视化平台的开发与实现方面，已经有一些比较成熟的软件开发工具包（ 使用这 些工具包可以避免重复的、不必要的开发工作，极大程度上提高软件开发的效率。在本系统的开发过程中，主要使用了 在一切开始前请先确保 : 安装 运行 将 贝到 安装目录 安装 行 装 安装 行 装 压 安装 解压 在一切都完成之后我们开始我们的环境搭建工作。 统环境的配置 个跨平台的自动化建构系统，它用组态档控制建构过程（ 方式和 似，只是 组态档取名为 不直 接建构出最终的软件，而是产生标准的建构档（如 + 的 然后再依一般的建构方式使用。这使得熟悉某个集成开发环境（ 开发者可以用标准的方式建构他的软件，这种可以使用各平台的原生建构系统的能力是 其他类似系统的区别之处。 以编译源代码、制做程式库、产生适配器（ 还可以用任意的顺序建构执行档。 援 构（二进档 和源代码在同一个目录树中）和 构（二进档在别的目录里），因此可以很容易从同一个源代码目录树中建构出多个二进档。 支援静态与动态程式库的建构。 在环境的搭建过程中我们选择了 所以选择使用这个版本，是因为在编译 鉴于实验室 ,在编译 们选择 三维 像和超声图像的配准 第 2 页 共 7 页 视觉化工具 函式库（ 一个开放源码，跨平台、支援平行处理（ 个 平台为美国 家实验室所有的具 1024 个处理器之大型系统）的图形应用函式库。 因为 系统中我们使用的 。 先将 议在 们使用 005来编译 1)运行 将 择 005，选择 )点击 下值如果是 N： 如下值改为 3)点击 次 以下路径修改为（我的 装目录为E:/： :/)将 路径 (本来是 改为 同的值。 5)再次 有错误提示。然后点击 闭 6)打开 1)中指定的输出目录，找到 件，用 7)将项目由 式改为 后开始 生成”，而不是“重新生成”）。 8)束报错， 1 n 时打开 面 74行改为： * 9)再次 选择 成安装。 一种开源的、跨平台的影像分析扩展软件工具。它是是美国国家卫生院专门开发的用于图像分割与配准的算法平台，专门针对医学影像领域。 现了大部分的分割和配准算法，形成一个算法仓库，避免重复劳动，减少开发者的障碍。 同都是用 c+编写的，无论在什么平台，用什么编译器，你都要告诉编译器该如何去编译这么一个庞然大物。工程文件是工程的一般组织形式，比如在 因为 本的关系，系统使用的 。 编译分为三部分，建议在安装根目录下建立一个 件夹进行相关配置，我们使用 005来编译 先编译的是 1)运行 将 005，选择 三维 像和超声图像的配准 第 3 页 共 7 页 2)点击 含 N：；将如下值改为 3)点击 次 果出现以下路径则将其修改为（我的 :/： :/)再次 有错误提示。然后点击 闭 6)打开 1)中指定的输出目录，找到 7)将项目由 式改为 后开始 生 成”，而不是“重新生成”）。 然后我们开始编译 打开 行编译，为了方便起见可以对文件进行重命名。时对它进行编译。 个主文件夹中新建一个文件夹取名 三个选项我请自行选择 ,建议均选上 个选项选择编译 总目录，跟 复点击 行生成相关的工程，当红色选项都变成白色后点击 行 :/tk/间根据上面选项选择的果选择 N 编译时间则相对较长，生成的库也比较大。这已步很重要编译过程中不能出现错误。完成后可以选择打开 E:/tk/。这一步骤不执行也可以。执行这一步主要的目的在于在这一步骤中编译结果就会安装在 此时 最后我们编译 首 先 为 了 方 便 讲 文 件 夹 新 命 名 为 文件夹中新建文件夹命名为 行 置 与 设置方法类似 项填写解 压后 路 径 ， 项 添 加 在 新 建 立 文 件 夹路径。这里面有一些选项需要注意。首先是 个 选 项 选 择 的 路 径 是 在的路径在这里是咱们的主文件夹 文件路径 ,这个设置路径与 选项的设置方法相同。第二个是 径的设置 这里设置的是 E:/tk/E:/tk/件夹是当编译过 译后在 个主目录下依次寻找就可以找到。 径的设置设置的路径为 E:/tk/照要求填写即可。这些选项都是对链接 间起到一定作用。 个选项填写的依然是 E:/tk/后就是填写 个路径与 写的路径相同 E:/tk/成了这些设置开始点击 一个选项要把 成 时执行 整至 设置。点击 项找出那个提示的选项点成 后 打开 择 设置原来设置好会保存下来，主要看 三维 像和超声图像的配准 第 4 页 共 7 页 几个选项的路径是否跟上面所说的设置保持一致，如不一致调整至上面所说的路径设置。再次 有提示就表示链接已经成功了。运行 开E:/ 时 进 行 编 译 . 然后运行E:/样 安装成功了。可以进行 混合编程。 编译和 安装 如第二章前言所说安装的是将 将其安装在 E:/下。由于+进行开发，故而其无法直接在本文实现的配准系统中使用，需要进行基于包装（ 本系统使用 为 包转实现选择。 身提供两种不同的获得方式，直接二进制目标文件下载和使用源代码直接编译。而 ，不支持 境。因为本系统使用的 而只能选择第二种方 法。同样的由于 本的原因，无法直接从 网上使用最新的 码进行编译。 而是需要使用 的现有集成的 于 行编译。在编译 前，必需先进行 身和 编译，可以通过将 件夹中来使得 为 一个部分而合 在编译过程中检测到 平台编译系统来做到平台无关性。首先打开 本大于 输入完整的 文件目路和目标生成文件目录，点击自动的进行包括编译器检测在内的各种不同的检测，然后在配置框内显示出各种可配置的内容供调整，在完成基本的调整之后，如果没有错误发生，则 点击了 钮之后， 会自动的生成对应的工程文件。接着使用 005 打开生成的工程文件，首先编译对应的目，在编译成功后在编译 目来将编译完成的目标二进制文件提取出来。在完成上述步骤之后，应该会在对应的目录下生成 设置 顺利完成前面的操作后我们将完善环境搭建的最后一步：系统路径的设置。添加以下路径到对应的路径下 (根据相应的安装目录不同而不同 )： E:TKE:TKE:E:E:E:E:E:E:E:E:E:TKE:在所有的工作后启动我们的 ,之所以选择 三维 像和超声图像的配准 第 5 页 共 7 页 将重点转移到项目本身。导入项目源码，现在我们可以在项目中添加修改自己的代码了。 疗辅助系统 构 简介 系统的人机交互界面大量使用了组成模式以及代理模式。在主应用程序中，我们生成一个主窗口，然后在主窗 口中创建相应的状态栏，菜单栏，操作页面等。主窗口分成 5 个子面板分别是：诊断、分割、计划、融合、导航。子面板又包含按钮等界面元素。派发器层负责组装这些元素，但它本身并没有涉及到任何的界面生成操作，而是把实际生成界面的任务派发给低一层的界面代理层，由后者来创建界面。因此，界面派发器层可以通过简单地改变界面生成逻辑来选择安装不同的界面元素，从而能够很容易地修改、扩展软件系统。 系统 在我们的系统中，为了降低各个模块之间的耦合度，我们采用下图所示的树状结构。这样的设计，使我们系统的可维护性有了 较大的提高。各个模块分工也十分明确。代码清晰，易修改，易扩展。 三维可视化 发挥的作用是要做到从数据到知识的转化。无论是二维数据还是三维数据都无法让人们直观地了解人力。要做到这点必须将这些数据可视化，即精确构建二维和三维交互式浏览界面，在经过精确配准后实现二维任意方向剖面及解剖结构三维可视化。 界面设计类图 良好的平台界面设计对可视化的效果有重要的作用。本文讨论的可视化平台界面设计的类图如下所示。 维 像和超声图像的配准 第 6 页 共 7 页 有 4个面板类， 1个 及 3 个对应该三维重建效果的二维面板类 的对象内加入 与 ， 数据进行三维重建计算，并将计算结果交由 的对象进行绘制。是为了增强可视化效果，在三维重建可视化的同 时对三维体进行剖面显示的计算，计算结果同样交由 制，同时在 也得到相应的绘制。 系统界面示意图 (a)计算机辅助诊断面板 (b)融合面板 系统界面如图所示。界面的左边部分是供用户交互的一些控制菜单 ， 右边是显示窗口，而且根据用户需要，我们的显示窗口可以分为 2*2和 1*3两种布局方式。在图 (a)中显示为1*3的布局方式，中间显示的是立体的三维视图，用户可根据需要拖动每一个轴，以清楚的看到每个切片，并可以根据用户需要放大，缩小这一区域。最右边的三个窗口分别显示了轴向图，冠状面以及矢状面上的切片图。图（ b）是融合面板 2*2的布局方式，用户可以对三维体数据进行旋转，放大缩小、平移，并可以对体数据内的任意切片做显示。还可以调节 置透明度等等显示操作。 章小结 本章对系统环境搭 建做了详细的讲解，此外对医疗辅助系统的架构和设计也做了清晰的说明，这为我们的工作开展打下了坚实的基础，在下一章中我们将对医学图像配准进行研究说明。 三维 像和超声图像的配准 第 1 页 共 7 页 第三章 医学图像配准 言 医学图像配准就是通过寻找一种（或一系列）空间变换，使两幅图像的对应点到达空间位置和解剖结构上的完全一致。配准结果应使两幅图向上的所有解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点都达到匹配。随着生物医学工程和计算机技术的发展，医学影像学为临床诊断提供了多种模态的医学图像。在当今的临床领域中，这些医学图像正扮演着越来越重要的角色。不仅 应用于医疗诊断，还可用于手术计划的制定、放射治疗计划的制定、病理变化的跟踪和治疗效果的评价等各个方面。由于其重要的临床应用价值，医学图像配准今年来已经成为医学图像研究领域的热门专题之一。 学图像配准技术概述 像配准的原理 下图是配准的示意图。不同时间、位置或角度拍摄的两张图像，由于拍摄条件或模式不同，每张图像反应的图像信息不同，有的只反应某些方面的特征。要将这两张图像放在一起分析，就要将其中的一张参照另一张做空间位置转换或甚至图像变形，使得它与参照图像对齐。保持不变、作为参照的图像称 为参考图像，变换的图像称为浮动图像。经过变换的浮动图像输出结果图像，可以与参照图像在同一空间坐标系下融合一起作为最终结果。 图像配准示意图 一个完整的医学图像配准框架包含：两张待配准图像，图像的插值方法，空间变换，相似性测度，优化方法和结果输出。对于将要应用空间变换的浮动图像，其经过变换后，它的一些原本在网格上的象素点可能就不再映射到参考图像的网格上。因此，需要插值方法来求得不在网格上的点的象素灰度值。相似性测度就是用于评价两张图像在空间上是否 三维 像和超声图像的配准 第 2 页 共 7 页 位置吻合，或者说它们相似的度量值。优化方法就是根据相似性测度 ，寻找它最优值的过程；它的目标是找到与相似性测度最优值相对应的空间变换；利用这个空间变换对浮动图像进行空间变换，然后输出新的图像。 像配准的分类 根据不同的分类标准，医学图像的分类方法有很多 ,这里我们只就本课题主要应用的分类方法做简单的说明。根据配准图像的维度我们可以将之分为：二维图像的配准 (2D/2D)、二维图像到三维图像的配准 (2D/3D)和三维图像之间的配准 (3D/3D)。根据配准过程中输入的源图像性质又可以分为：单模态配准、多 (异 )模态配准、模态数据与模型的配准和病人与模态数据的实时配 准。在本课题中我们研究的是三维 像和超