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医学图象处理医学图象处理 上海理工大学 医学图象配准医学图象配准 医学影象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 配准的目的：将多中成像模式或同一种模式得到的多幅 图象综合分析，更好的了解组织情况。 解决的问题：几幅图象的严格对齐 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 引言引言 本章的主要内容： 配准的基本概念 医学图象基本变换 配准的类型 基本空间变换模型 主要的配准方法 配准的评估 主要掌握： 配准的基本概念以及刚体变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.1 6.1 配准的概念配准的概念 对几幅不同的图像作定量分析，首先要解决这几幅图像的严 格对齐问题，这就是我们所说的图像的配准（image registration）。 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）。 几幅图象信息综合的结果称作图象的融合（image fusion） 。 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第一节第一节 配准概念配准概念 图象配准示意图（从不同角度，不同位置得拍摄的照片，每 张照片反映某些方面的特征）： 配准实现过程： 1. 获得特征图象：不同角度、不同条件 2. 图象配准：通过空间变换（移动和旋转），使两幅图象对齐 3. 图象融合：得到整体特征图象 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第一节第一节 配准概念配准概念 实例： 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第二节第二节 基本变换基本变换 几何变换的种类： 刚体变换 仿射变换 投影变换 弯曲变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第二节第二节 基本变换基本变换 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 （二维投影图象与三维图象的配准） 弯曲变换：直线变成曲线 (解剖图谱变形拟合图象数据) 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.3 6.3 配准的类型配准的类型 根据成像模式的不同，以及配准对像间的关系等，医学图 像配准可有多种不同的分类方法： 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 1. 同一对象的图象配准 单模图象配准：相同的成像设备，不同角度或 时间或不同成像条件 多模图象配准：不同的成像设备 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 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 见书本p143页 信息互补 （2） 电镜图象序列的配准 不同时间采集的多幅图象 （时间序列图象） 粒子移动，形态变化 研究生长现象 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 单模配准的典型应用： （3） fMRI图象序列的配准 （4） 胸腹部脏器的图象配准 不同时刻的三维脏器图象四维图象分析 时间序列图象，大脑活动会产生氧摄取量和血流间的不平衡 MRI图象测得信号的改变 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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 多模医学图象配准： 待配准的两幅图象来源于不同的成像设备。 解剖图象： 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 功能图象：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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 多模医学图象配准： 人脑MR/PET图象配准 上排：轴向图； 中间：矢状图； 下排：冠壮图 左：PET图象； 中：MRI图象； 右：融合图象 难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图象间并不存难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图象间并不存 在简单的一一对应关系在简单的一一对应关系 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 2. 不同对象的图象配准 被试图象 典型正常图象 疾病的典型图象 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，把两幅图象分别映射到图谱，再 比较 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 Talairach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 象都映射到这个共同的参考空间，然后再比较 不同对象的图象配准方法： 胼胝体 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 用非线性变换法配准不同人脑表面沟回 2）非线性形变法 将三维图象逐渐变形，最终较好的与另一个三维图象匹 配 不同对象的图象配准方法： 3、饮食相关因素：肝癌的发生与生活习惯息息相关。长期进食霉变食物、含亚硝胺食物、微量元素硒缺乏也是促发肝癌的重要因素。黄曲霉毒B1是目前已被证明有明确致癌作用的物质，主要存在于霉变的粮食中，如玉米、花生、大米等。另外当摄食大量的含有亚硝 酸盐的食物，亚硝酸盐在体内蓄积不能及时排出，可以在体内转变成亚硝胺类物质，亚硝酸盐含量较高的食物以烟熏或盐腌的肉制品为著，具有明确的致癌作用。同时肝癌的发生也与遗传因素、寄生虫感染等因素相关。1 临床表现 疾病症状 肝癌的早期表现很不典型，往往容易被忽视。以下症状可供参考： 1、食欲明显减退：腹部闷胀，消化不良，有时出现恶心、呕吐； 2、右上腹隐痛：肝区可有持续性或间歇性疼痛，有时可因体位变动而加重； 3、乏力、消瘦、不明原因的发热及水肿； 4、黄疸、腹水、皮肤瘙痒； 5、常常表现为鼻出血、皮下出血等。 肝癌的一些典型症状只有疾病进展到中晚期时才会发生，而那时往往已经丧失手术机会，因此平时的自我检查非常重要。当感觉疲惫乏力持续不能缓解时，很可能是肝病的预兆；心窝处沉闷感，或是腹部右上方感觉钝痛，有压迫感和不适感等，体重减轻，时有原 因不明的发烧及出现黄疸，应尽早前往医院检查。1-2 诊断鉴别 检查主要包括血清甲胎蛋白（AFP）和肝脏影像学检查。甲胎蛋白是目前常用的，也最简单实用。我国60%以上肝癌病例的血清AFP400 g/L，95%的肝癌患者具有乙肝病毒（HBV）感染的背景，10%有丙肝病毒（HCV）感染背景，还有部分患者HBV和HCV重叠 感染，因此如果在病毒性肝病基础上合并AFP 400 g/L应该高度怀疑肝癌可能，尽早完善影像学相关检查，做到早发现、早诊断、早治疗。 现代医学影像学手段也为肝癌的诊断提供了很大的帮助，为肝癌的定位、定性、定量、定期和制定治疗方案提供了可靠的依据。 1、最常用的是肝脏超声检查，超声检查为非侵入性检查，对人体组织无任何不良影响，其操作简单、直观准确、费用低廉、方便无创、广泛普及，可用于肝癌的普查和治疗后随访。 2、CT已经成为肝癌诊断的重要常规手段。腹部CT增强扫描可清楚地显示肝癌的大小、数目、形态、部位、边界、肿瘤血供丰富程度，以及与肝内管道的关系，对于进一步明确诊断，与其他良性肝脏占位相鉴别，同时明确肝癌的分期分级，对于指导治疗及判断预 后有重要意义。通过影像分析软件还可以对肝脏内各管道进行重建，可以精确到各肝段血管的走行，肿瘤与血管的关系，模拟手术切除平面，测算预切除肿瘤的体积和剩余肝体积，极大的提高手术安全性。 3、肝脏特异性MRI能够提高小肝癌检出率，同时对肝癌与肝脏局灶性增生结节、肝腺瘤等的鉴别有较大帮助，可以作为CT检查的重要补充。 4、PET（正电子发射计算机断层扫描）-CT全身扫描可以了解整体状况和评估肿瘤转移情况，更能全面判断肿瘤分期及预后，但是价格较为昂贵，一般不作为首选检查。 最好的专业文档，免费在线浏览，下载后可 以修改编辑，欢迎下载收藏。 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第三节第三节 配准类型配准类型 3. 图象与图谱配准或与物理空间配准 在手术导航系统中解决图象象素与实际物理空间的位置配准 图象空间立体定向装置、人体实体空间 坐标变换 实现方法： 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.4 6.4 基本空间变换模型基本空间变换模型 医学图像配准采用均匀坐标系统，在二维空间，从坐标 （x,y）到新坐标（x,y）的变换可以表示为： 三维空间变换可以表示为： 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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* 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 医学图象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 （1）刚体变换 物体内部两点间的距离和角度保持不变物体内部两点间的距离和角度保持不变 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 绕坐标原点旋转： 矩阵公式： 变换公式： 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换 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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 绕坐标轴旋转： 绕x轴旋转： 绕y轴旋转： 绕z轴旋转： 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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* 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （2）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 第四节第四节 空间变换空间变换 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。 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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* 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 基本的二维仿射变换举例： 第四节第四节 空间变换空间变换 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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第四节第四节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换 （4）透视变换 直线经变换后还是直线，但平行的直线近变换后可能相交。 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第四节第四节 空间变换空间变换 （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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 配准方法配准方法 6.5 6.5 主要配准方法主要配准方法 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 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （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 第五节第五节 配准方法配准方法 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 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 第五节第五节 配准方法配准方法 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 配准方法配准方法 （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 ridge lines（脊线） 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 “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 第五节第五节 配准方法配准方法 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （4）矩和主轴法 计算两幅图像象素点的质心和主轴，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 第五节第五节 配准方法配准方法 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 （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 第五节第五节 配准方法配准方法 相似性：相关函数、相关系数、差值的平方、差的绝对值等 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 空间变换空间变换 配准实例（1）：点法 脑部冠状图像 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 脑部3D解 剖图像 传统的解 剖图像 配准实例（2）：相关性 第五节第五节 空间变换空间变换 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 第五节第五节 空间变换空间变换 1）图像中心对准 2）表面法配准 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 6.6 6.6 图像信息融合技术图像信息融合技术 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，在另一幅中没有 感兴趣物体在两幅图像中具有相同信息，但不同的对比度 两幅图像的动态范围不同，或分辨率不同 图像存在噪声或局部信息丢失 要求融合的图像视觉效果好，看上去自然 第六章：医学图象配准第六章：医学图象配准 2. 融合方法： 第六节第六节