第7讲-医学图像配准和融合

第七章医学图像配准与融合

MedicalImageregistrationandfusion2021/3/29星期一1主要内容配准融合技术概述医学图像配准技术图像图像融合技术理论方法评估方法评估背景意义2021/3/29星期一2背景医学影像设备在最近十年中得到迅速的发展，并广泛应用于临床诊断和治疗中。由于成像的原理和设备不同，存在有多种成像模式（解剖成像、功能成像）。对人脑可用多种模式成像2021/3/29星期一3意义解剖图像：提供解剖形态信息，分辨率高功能图像：提供功能代谢信息，分辨率差二者结合：在一幅图像中同时表达来自人体多方面的信息，使人体内部结构和功能等状况能通过影像反映出来，直观提供人体解剖生理病理信息。于是出现了配准和融合技术，配准是融合的先决条件2021/3/29星期一4临床应用外科手术

术前病灶精确定位放疗计划

CT图像精确计算放射剂量、MR图像描述肿瘤结构，PET对代谢、免疫及生理方面进行识别，配准融合后图像用于改进放疗计划、立体定向活检、手术癫痫病治疗

观察炎症、脑外伤、硬化症等变化、病灶精确定位2021/3/29星期一5配准（imageregistration）的概念医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种（或一系列）空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置（位置一致，角度一致、大小一致）。、目的：将多种成像模式或同一种模式得到的多幅 图像综合分析，更好的了解组织情况解决的问题：几幅图像的严格对齐2021/3/29星期一6几幅图像信息综合的结果称作图像的融合（imagefusion）。

利用图像融合技术，将多种图像结合起来，利用各自的信息优势，在一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息，使人体内部的结构、功能等多方面的状况通过影像反映出来，从而更加直观地提供人体解剖、生理及病理等信息。图像配准技术是图像融合的先决条件2021/3/29星期一7图像配准示意图配准实现过程：1.获得特征图像：不同角度，不同位置，反映某些方面的特征2.图像配准：通过空间变换（移动和旋转），使两幅图像对齐3.图像融合：得到整体特征图像2021/3/29星期一8实例：2021/3/29星期一9方法分类：1993年VDE7种按维数：2 D、3D按摸态：单、多按变换性质：按用户交互性：自动、半自动、交互按配准所基于图像特征：外、内按变换参数确定的方式：公式、最优解按主体分：同一患者、不同患者、患者与图谱2021/3/29星期一10刚体变换：指物体内部任意两点间的距离及平行关系保持 不变（处理人脑图像，对不同方向成像的图像配

准常使用刚体变换）仿射变换：保持平行性，但距离发生变化，直线还是直线（校正成像设备的误差产生的畸变）投影变换：直线映射成直线，平行性和两点间的距离变化（二维投影图像与三维图像的配准）弯曲变换：直线变成曲线

(解剖图谱变形拟合图像数据)2021/3/29星期一11单模配准的典型应用：（1）不同MR加权像间的配准T1加权像T2加权像质子密度加权像不同组织表现不同强度信息互补（2）电镜图像序列的配准不同时间采集的多幅图像（时间序列图像）粒子移动，形态变化研究生长现象2021/3/29星期一12单模配准的典型应用：（3）fMRI图像序列的配准（4）胸腹部脏器的图像配准不同时刻的三维脏器图像四维图像分析时间序列图像，大脑活动会产生氧摄取量和血流间的不平衡MRI图像测得信号的改变解决：参考点位置确定（定位问题）运动过程中的局部变形和噪声问题2021/3/29星期一13多模医学图像配准：待配准的两幅图像来源于不同的成像设备。解剖图像：CT：对密度差异较大的组织效果好MRI：可识别软组织较高的空间分辨率功能图像：SPECT/PET：能反映人体的功能和代谢信息空间分辨率差一般临床上的应用：

CT（或MRI）和SPECT（或PET）的综合分析，同时提供功能和解剖信息2021/3/29星期一14多模医学图像配准：难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图像间并不存在简单的一一对应关系人脑MR/PET图像配准

上排：轴向图；中间：矢状图；下排：冠壮图

左：PET图像；中：MRI图像；右：融合图像2021/3/29星期一15不同对象的图像配准被试图像典型正常图像疾病的典型图像对比是否出现异常是否属于同类难点：不同对象形状、大小、位置差异方法：1）确定一个共同的标准。要求有一个详细标记人体各个解剖位置的计算机化标准图谱，如Talairach标准空间，把两幅图像分别映射到图谱，再比较2021/3/29星期一16Talairach人脑图谱

对两个病人的PET或MR图象进行比较，首先把二者的图像都映射到这个共同的参考空间，然后再比较不同对象的图像配准方法：胼胝体2021/3/29星期一17用非线性变换法配准不同人脑表面沟回2）非线性形变法将三维图像逐渐变形，最终较好的与另一个三维图像匹配不同对象的图像配准方法：2021/3/29星期一18图像与图谱配准或与物理空间配准在手术导航系统中解决图像像素与实际物理空间的位置配准图像空间立体定向装置、人体实体空间坐标变换实现方法：2021/3/29星期一19配准理论基础

每一幅待配准的图像都与定义图像空间的坐标系有关。一般情况下，图像配准都是基于几何变换的，即寻找一幅图像空间X中的点（用列向量x表示）与另一幅图像空间Y中的点（用列向量y表示）之间的映射。X经T变换后得到点x΄，即：x΄=T(x)如果y与x是对应点，则成功的配准应该使得x΄等于或近似等于y，若两者之间的差值T(x)-y非零，则说明存在配准误差。根据空间变换T的形式不同，可将其分为刚体变换和非刚体变换两种形式。2021/3/29星期一20图像的变换模型：

刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换）全局尺度变换

仿射变换（9参数仿射变换、一般仿射变换）透视变换*非线性空间变换*2021/3/29星期一21医学图像配准在大多数情况下是采用刚体变换模型。人体的很多组织可以近似为刚体，如骨头、由颅骨固定的大脑等刚体变换：平移、旋转刚体变换物体内部两点间的距离和角度保持不变2021/3/29星期一22

二维刚体变换：沿x轴平移：向右平移p为正向左平移p为负矩阵公式：变换公式：

其中x’与y’是平移后的结果从（x,y)变到新坐标系（x’,y’)2021/3/29星期一23沿y轴平移：

向上平移q为正向下平移q为负矩阵公式：变换公式：

其中x’与y’是平移后的结果2021/3/29星期一24绕坐标原点旋转：矩阵公式：变换公式：2021/3/29星期一25复合变换：不同顺序的变换得到的结果是不同。先沿x轴平移，再沿y轴平移，最后绕原点旋转先绕原点旋转，再沿y轴平移，最后沿x轴平移2021/3/29星期一26举例：设刚体变换先绕坐标原点旋转10°，再沿x轴平移4个单位，然后沿y轴平移9个单位设刚体变换先沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移9个单位，然后绕坐标原点旋转10°2021/3/29星期一27对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径先沿X轴平移2.3764个单位再沿Y轴平移9，5579个单位最后绕坐标原点旋转10度2021/3/29星期一28②三维刚体变换：沿x轴平移向右平移p为正向左平移p为负矩阵公式：变换公式：

其中x’,y’,z’是平移后的结果2021/3/29星期一29沿y轴平移：

向上平移q为正向下平移q为负矩阵公式：变换公式：

其中x’,y’,z’是平移后的结果2021/3/29星期一30沿z轴平移：

向前平移r为正向后平移r为负矩阵公式：变换公式：

其中x’,y’,z’是平移后的结果2021/3/29星期一31绕坐标轴旋转：绕x轴旋转：绕y轴旋转：绕z轴旋转：2021/3/29星期一32复合变换：结合先旋转、后平移，及先平移后旋转，共有12种不同的组合顺序。对于先旋转后平移有：与二维复合变换相同，不同顺序的变换得到的结果是不同;对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径2021/3/29星期一33全局尺度变换在刚体变换基础上增加一个新参数m，使图像全局缩放m倍注：尺度变换与平移变换的顺序有影响，但与旋转变换顺序无关。2021/3/29星期一34（3）仿射变换－9参数仿射变换各方向上尺度变换系数不同，1）对于同一个人的图像配准，可以在做旋转变换之前做尺 度缩放2）对于不同人的图像配准，可以先旋转对准图谱，然后做 三个方向的尺度缩放2021/3/29星期一35基本的二维仿射变换举例：沿X轴整体旋转沿Y轴沿X扩大整体扩大/缩小沿Y扩大原图不改变面积改变面积2021/3/29星期一36②一般仿射变换二维仿射变换：三维仿射变换：无需计算正弦和余弦，由变换参数决定变换结果2021/3/29星期一37（4）透视变换直线经变换后还是直线，但平行的直线经变换后可能相交。2021/3/29星期一38（5）非线性变换无线性约束，一般用于校正图像获取过程中由仪器设备引入的畸变2021/3/29星期一39主要配准方法

点法曲线法表面法矩和主轴法相关法最大互信息配准方法图谱法非线性变换2021/3/29星期一40（1）点法先寻找两幅图像之间的标志点（相同的点），然后通过对对应点集的刚体变换，将标志点对准，实现图像配准标志点可以分为：内部点和外部点两种内部点：是从与病人相关的图像性质中 得到解剖标志点，如耳蜗尖端 拐角、血管分叉或拐角处等 内部点寻找困难、费时外部点：采集图像前，在病人的特定部位添加标记，使 得两幅图像都能检测到标记点，如螺钉、记号 外部点容易识别，但受试者需要严格保持不动2021/3/29星期一41图像1图像2确定标志点几何变换配准图像寻找对应点确定对应关系2021/3/29星期一42（2）曲线法用人工的方法寻找两幅图像对应的开曲线，在两条曲线对应最佳的线段找出一组对应点，再用点法配准ridgelines（脊线）2021/3/29星期一43“帽子”——从一幅图像轮廓提取的点集头表面模型——另一幅图像表面（3）表面法配准原则：寻找到的几何变换使得点与表面间的距离平 均平方值最小2021/3/29星期一44（4）矩和主轴法计算两幅图像像素点的质心和主轴，通过平移和旋转使质心和主轴对齐，实现配准缺点：1.对数据的缺失敏感，整个物体必须完整的出现在 两幅图像中

2.对准效果不是很好，只能做前期配准，减少后续 主要配准方法的搜索步骤2021/3/29星期一45（5）相关法适用于同一个物体由于图像获取条件的差异或物体自身发生的微小变化而产生的图像序列的配准，从而发现物体的改变采用使图像间相似性最大化的原理，估计变换参数，利用刚体的平移与旋转，实现配准缺点：每种变换参数可能的取值都要计算相似性，相关法计算代价十分庞大相似性：相关函数、相关系数、差值的平方、差的绝对值等2021/3/29星期一46配准实例（1）：点法脑部冠状图像2021/3/29星期一47脑部3D解剖图像传统的解剖图像配准实例（2）：相关性2021/3/29星期一481）图像中心对准2）表面法配准2021/3/29星期一49图像配准的评估相对标准，与配准目的有关体模---初步准标---人工记号图谱目测检验2021/3/29星期一50图像融合技术将几幅图像的信息融合到一幅图像中，并可视化显示的过程前提：图像已经较好的配准融合的图像可能有以下性质：

在一副图象中出现的特征，