三维多模态医学图像自动配准方法研究

三维多模态医学图像自动配准方法研究798医学物理与工程学聊中国医学影像技术2005年第21卷第5期CHINJMEDLMAGINGTECHNOL,2005,VOL21,NO5RESEARCHONAUTOMATICREGISTRATIONMETHODFOR3DMULTIMODALMEDICALIMAGESHAIMIAO,SHENYIDEPARTMENTOFCONTROLSCIENCEANDENGINEERING,HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY,HARBIN150001,CHINAEABSTRACTANAUTOMATICALGORITHMWASPRESENTEDBASEDONIMAGESEGMENTATIONANDMUTUALINFORMATIONFORMULTIMODALMEDICALIMAGESIMAGESWEREFIRSTLYPREPROCESSEDUSINGTHRESHOLDMETHODANDMATHEMATICALMORPHOLOGY,SECONDLYSEGMENTEDUSINGKMEANSALGORITHM,ANDTHENREGISTEREDUSINGPOWELLMETHODBASEDONMUTUALINFORMATIONTHEEXPERIMENTALRESULTSOFCLINICALMULTIMODALIMAGESSHOWEDTHATTHEPROPOSEDMEDICALIMAGESREGISTRATIONMETHODWORKSWELLANDEVENFASTERTHANMOSTOFEXISTINGREGISTRATIONMETHODSKEYWORDSMEDICALIMAGESREGISTRATIONIMAGESEGMENTATIONMUTUALINFORMATIONMATHEMATICALMORPHOLOGY三维多模态医学图像自动配准方法研究海淼,沈毅哈尔滨工业大学控制科学与工程系,黑龙江哈尔滨150001摘要提出一种综合应用图像分割与互信息的医学图像自动配准方法首先采用门限法和数学形态学方法进行预处理,再用KMEANS方法进行分割,之后采用基于互信息的POWELL优化方法配准将该方法用于磁共振图像MRI和正电子发射断层扫描PET临床医学图像配准,得到较满意的效果关键词医学图像配准图像分割互信息数学形态学中图分类号R4452R8174文献标识码A文章编号10033289200505079804多模态医学图像配准是医学图像融合的关键技术,只有将不同模态的医学图像进行准确的配准,图像信息的融合才有意义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现在提出的医学图像配准标准一般是使两幅图像的相似性达到最大,有的直接基于原始灰度图像一,有的基于从原始图像提取的特征图像对于相同模态的图像,由于图像特征基本相似,即相同灰度值代表的意义相间,这样直接基于原始灰度图像确定相似性判据即可达到很好的配准效果而对于不同模态的图像,相同组织结构各自有不同的表达模式,图像特征大不相同,这就给配准带来很大的难度近年来一些学者也提出了一些新的设计方法,但是配准时间不尽如人意本文提出的一种解决办法就是先经过图像分割预处理,去除无关和非关键信息,以图像分割后的组织为特征,寻找配准参数,使两幅图像的互信息最大由于先进行预处理减少了无关信息,所以能够实现三维医学图像快速精确配准作者简介海淼1981一,男,辽宁阜新人,硕士研究生研究方向医学图像处理EMAILHAIMIAOHITEDUCN通讯作者沈毅,哈尔滨工业大学控制科学与工程系,150001EMAILSHENHITEDUCN收稿日期200412一O8修回日期200501211图像配准方法本文提出图像分割和互信息7相结合的医学图像自动配准系统的设计方法该方法是首先采用门限法和数学形态学方法进行预处理,再用KMEANS8方法进行分割,之后采用POWELL优化方法通过迭代得到基于互信息的最优配准参数,最后将原始的参考图像和浮动图像相叠加,实现多模态图像的配准11门限法处理先对参考图像进行门限法预处理,主要目的是去除噪声和无关组织本文采用的门限法处理方法是先设置最小或最大灰度值T,然后根据上述灰度值进行直方图处理,假设,Y是一幅图像的灰度直方图,将所有厂,T或/,YT的点视为对象点,否则视为背景点12数学形态学处理利用数学形态学方法对经过门限法处理的参考图像做进一步处理数学形态学是以形态为基础对图像进行分析的数学工具,基本思想是用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状以达到对图像分析,处理和识别的目的膨胀和腐蚀是数学形态学中的两种基本运算利用结构元素G对图像厂的腐蚀定义为,GT一YIGF1其对偶运算是膨胀,定义为,G2一2IBJA2腐蚀能使对象沿边界缩小,膨胀使对象沿边界扩张在图像中国医学影像技术2005年第21卷第5期CHINJMEDIMAGINGTECHNL,VOL211处理过程,总是希望能除去形状小的物体而尽可能保留形状大的物体在这种场合通常使用开运算,即先对图像进行腐蚀运算再进行膨胀运算在处理过程中还要进行填充操作,填充操作用于消除小的空隙,其实现过程如下先将所有非边界背景的点标记为0,再将P点设置为1,然后利用下列方法将整个区域用1填充X一X干BJAK一12,33这里X一P,B是对称结构元素如果X一X,则算法在迭代的第K步结束13采用KMEANS算法进行图像进一步分割经过上面方法处理的图像已经去除非脑组织,下面采用KMEANS算法进一步对已去除非脑组织的图像进行分类人脑主要分为灰质,白质两部分,所以我们进一步对已去除非脑组织的图像分成灰质,白质,脑脊液和背景四类聚类是以自组织的方式将对象特征归成不同的类在人脑MR灰度图像分割中,所利用的特征是图像的灰度值由于分割的类数是事先已知的,所以可选取聚类算法中的KMEANS算法聚类方法是一种优化方案,最常用目标函数为,U,U,X“LL一ULLZ41I1式中X为灰度图像U为X的一个硬C划分分割以后得到F个区域为由聚类中心组成的向量据硬C均值定律HARDMEANSTHEOREM即KMEANS,最,J,化J1U,UX的条件为对所有的I,忌F1LLXKLLLLXKLL一1,2,F一0其他“AT“U一生一“一1614对经过预处理的图像进行配准两组三维多模医学图像的配准,就是考虑在一定的几何刚体变换下,给定了两组图像之间相似性测度,通过在该变换空间下寻求最佳变换丁,来使相似性测度值最大,从而达到配准的目的141刚体变换刚体是指内部任意两点的距离保持不变,刚体变换可以分为旋转和平移一般认为人脑可以近似为刚体,用于人脑配准的几何变换为全局的具有6个自由度T,T,T,的刚体变换其中T,T,T是3个移动自由度,是3个旋转自由度,刚体变换丁的旋转矩阵用任意三维旋转复合矩阵形式表示为1OO1OOOO0T0TF1TO1R11RL2L尺尺IR31R32LOORL1R12R13J尺尺尺IRARLOOO37799其中RLLCOSOCOSO,RL2一一COSOSINO一SINOSINOCOSO,RL3一SINOSINO一COSOSINOCOSO,R2LCOSOSINO,R22一COSOSOSO一SINOSINOSINO,R23一一SINO,COSOCOSOSINO,SINO,R3ISINO,R32一SINOSOSO,R33一COSOXOSO,142采样过程对参考图像和浮动图像,定义一个三维坐标系X轴为行扫描方向,Y轴为列扫描方向,Z轴为从颅顶到颅底的方向两幅图像上的像素灰度值均归一化为256个灰度级0255143插值浮动图像空间采样点通过空间交换后得到的点集的坐标,不一定是整数,需要通过插值方法获得变换点的灰度值,在本系统中使用三线性插值法作为插值方法144相似性测度使用互信息MI为配准的相似性测度“互信息指两个变量的联合概率分布与完全独立时的概率分布的广义距离图像A和B的互信息定义如下HA一一PALOGPA8A,B一HAHB一HA,B一户A,BLOG9式中HA,HB为两幅图像A,B的熵HAB为联合熵,A和B分别是图像A和B上的灰度值PA,6为A,B的联合概率分布,PA,户6分别为边缘概率分布三维医学图像配准中互信息与两个图像的重叠部分多少成正比145配准过程1计算经过图像分割预处理的参考图像A灰度直方图,并把具有相同灰度值的像素划分为一组2初始化配准参数,设定六个参数初始值为零3利用配准参数对浮动图像B进行线性插值产生变化后的浮动图像,对于在迭代过程中映射到参考图像之外的浮动图像上的像素点被赋零值4对于参考图像A,计算它和浮动图像B的最优化配准参数A口一MAX/AB105利用POWELL多参数优化算法估计配准参数,迭代地执行步骤3和4,直到满足1O的收敛准则要求2三维医学图像配准系统配准过程及结果基于上面提出的方法,利用C/C编程语言开发出了LINUX环境下的医学图像配准系统DVDREGISTRATION并且在系统中加入了手动调整浮动图像位置的人机交互功能,利用该功能先进行图像的粗配准,这样可以大幅度减少配准时间,同时可以减少POWELL算法陷入局部极值的可能为检验上面提出的方法在多模医学图像配准中的应用效果,我们用DVDREGISTRATION进行了临床医学图像的配准实验实验中用到的图像数据如下MRNXNY一256,NZ199,PETNXNY一256,NZ一199,其中NX,NY分另目表示图像X,Y轴的像素数,NZ表示图像的切片层数配准实验过程中我们选择MR图像为参考图像,PET图像为待配准11LL“悔FK越FTLL操F1幕境J完【IXI,1NFLL处511J“|MLJJJL仃个越F11JTTTKN址终敏虻处胖行下LT鼎J,_剥处陔世牺埘1,址删和数学肜学址【IF_L艇处掘喜引惮旧从L厅尴择艋小和坡赶1门FTKR,7I址F/,V呆的像卷性拉他TIIN祧也槌盂的丹徙,L埭L冉进LI数志处耐馨J“柙帕悔C引L1LIFI虫膨胀址LL_世仃填处_址IL1RL_荇蚺志学【H很地去脒R轮井IJ刊ILF日旬经F世叠州艟坏分世_R修复2I_利KM“,荫址址F舒制将择M处的孝像摧啦版瓜质腑秆液邗LH饕讣削I2州/,将浮动J傈R纤吐舒驯N譬罔F摊1LII胖舒伦谴119垃井将浮础像L鼢譬哿僳剐“TF左恻硅后FFL】FLJL车_FJMRFIIEI【F_F1帕像地悼肚磐学像J侍多崽I梆I】TL,HJF1I,执搬IT/R“型兮多挂瑟羊1N准的JL1估尚体公认的N敏的111,址T疗0采刑删法检验J螗0J,科IILL删L,院韦艘时跨RII州F水仃眯终骑的家进】_】删坪价I/X,QGL川I1的I戢和J床证川隶故“螗他川的琏J剖蟓仆处结合们1学俘H,水浊诎堋魁L毛全能满足帕需崔目5I姐M“堆,BLTIRTJ杖3结论RJR我捉T种栅ILJ袱卷医学N准系统竹波】L仃,扪艘R传统于舨度的幢足且情法刊P傺什削的玳打业曲梆局我们晌吐汁将矧悔舟制HJ十腰们最七佶,州I台,L刊用像厂削进L|M处九是鲤们FN此堇别【L刊用址大互自,世J1睫,骑拄嵌J法N蛳准叫州EIML剖坶呲J问1M赶种TLJJ川克曲多槲F酣准宵隔医悔拉簿】巷【HALJMDTILLNT2IE,HLIL1JVJIL,参考文献KEOD【1LJ中国分类号IIL,XXIMIZT1ILN1FHLTILUALR,RNIH】N71URACHALCARCINOMACASEREPORT脐尿管癌1例杨蕾粱会泽陈慧于C解艘1期6院特渗科J束LLILI,GRQ,I1V关键词文献标识码1I文章编号IU患行女】辛LQ向叭终术M1十门姚渗主诉1十月山下ILF隐稍,适井肯向叭终术虹什昔砸,急,痈无IVJ艟发热噩声椅脐IJ峙0圮之可弹髓小为1LLL11/15TLLR11勺蜒合包址囊为壁下姚L刖囊肇LQ,IF,计J瑚状川,腔舒隔状结拘L芒ITDFI囊峨内少许流F,1JW可引峨逑动味血流潜随座约TII乜块衍动噬始引辟