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一 原创性声明 fiiilll1llfllfl h i i i f lrliiliillill111111fillilliii l l l y 17 9 2 0 6 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：苫61 焦 日 期：金2 ! ：生兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 符号说明。 目录 3 第一章绪论7 1 1 c b c t 图像去噪一7 1 1 1 研究背景及意义一7 1 1 2 国内外研究现状8 1 2c b c t 图像与计划c t 图像配准1 0 1 2 1 研究背景及意义1o 1 2 2 国内外研究现状一1 l 1 3 本论文的研究工作和内容安排1 3 第二章医学图像去噪l6 2 1 引言16 2 2 医学图像去噪的意义1 6 2 3 常用医学图像噪声分析及去噪方法1 7 2 3 1 c t 图像l7 2 3 2 磁共振图像18 2 3 3 超声图像19 2 3 4p e t 图像2 0 2 4 c b c t 图像的去噪。2 l 2 4 1c b c t 成像原理及噪声分析2 l 2 4 2c b c t 图像去噪方法2 3 2 5 本章小结2 4 第三章医学图像多模配准2 5 3 1 引言2 5 山东大学硕士学位论文 3 2 医学图像多模配准的意义2 5 3 3医学图像多模配准的原理2 6 3 4医学图像多模配准的框架2 7 3 5 医学图像配准方法2 9 3 6 本章小结3 l 第四章基于系数分类的c b c t 图像去噪新方法3 2 4 1 引言3 2 4 2 基本理论3 4 4 2 1过完备二进小波变换3 4 4 2 2 系数分类3 6 4 2 3 维纳滤波3 7 4 3 基于系数分类的去噪算法3 8 4 3 1二进小波域噪声分布特点3 8 4 3 2 噪声方差估计3 9 4 3 3 滤波窗口大小及方向的选取4 0 4 3 4 基于系数分类的去噪算法步骤4 l 4 4 实验结果及分析4 2 4 4 1噪声方差估计方案比较4 3 4 4 2 测试图像去噪方案比较4 4 4 4 3临床c b c t 图像去噪方案比较4 6 4 5 本章小结4 7 第五章基于特征向量的c b c t 与计划c t 的弹性配准4 8 5 1 引言4 8 5 2 改进的h a m m e r 算法一4 8 5 2 1多分辨率框架4 9 5 2 2 特征向量的组成5 l 5 2 3 特征点的选取5 5 5 2 4 相似性测度5 6 n 山东大学硕士学位论文 5 2 5 形变机制5 6 5 3 基于特征向量的c b c t 与计划c t 的弹性配准5 8 5 3 1 特征向量的组成分析5 8 5 3 2 特征点的自适应选取5 9 5 3 3 特征向量的权重6 0 5 4 实验结果及分析6 0 5 4 1边缘特征选取方案比较6 l 5 4 2 特征点选取方案比较6 3 5 4 3 特征向量及权重选取方案比较6 4 5 4 4 基于特征向量的c b c t 图像配准方案比较6 6 5 5 本章小结6 9 第六章总结与展望 6 1本论文主要工作的总结7 0 6 2 将来研究工作的展望7 l 参考文献 致谢 攻读学位期间发表和已投稿的论文。 h i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 3 s y m b o l sa n d a b b r e v i a t i o n s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 7 1 1c b c ti m a g ed e n o i s i n g 7 1 1 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 7 1 1 2r e c e n tp r o g r e s so f r e s e a r c h 8 1 2c b c ta n dp l a n n i n gc t r e g i s t r a t i o n 1 0 1 2 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 0 1 2 2r e c e n tp r o g r e s so fr e s e a r c h 11 1 3i n n o v a t i o n sa n dt h ec o n t e n t so ft h et h e s i s 13 c h a p t e r2 m e d i a li m a g ed e n o i s i n g 16 2 1i n t r o d u c t i o n 16 2 2 s i g n i f i c a n c eo f m e d i c a li m a g ed e n o i s i n g 1 6 2 3c l a s s i c a lm e d i c a li m a g en o i s ea n a l y s i sa n dd e n o i s i n g 17 2 3 1c ti m a g e 17 2 3 2m r i m a g e 18 2 3 3u l t r a s o u n di m a g e 19 2 3 4p e ti m a g e 2 0 2 4c b c ti m a g ed e n o i s i n g 2 1 2 4 1 p r i n c i p l eo f c b c ti m a g ea n dn o i s ea n a l y s i s 2 1 2 4 2c b c t i m a g ed e n o i s i n g 2 3 2 5c o n c l u s i c ，n 2 4 c h a p t e r 3 m u i t i - m o d a l i t ym e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n i v 2 5 3 1i n t r o d u c t i o n 2 5 4 1 1 山东大学硕士学位论文 3 2 s i g n i f i c a n c eo f m u l t i - m o d a l i t ym e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n 2 5 3 3 p r i n c i p l ea n dc o n c e p t o fm u l t i m o d a l i t ym e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n 2 6 3 4f r a m e w o r ko f m e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n 2 7 3 5m e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n 2 9 3 6c o n c l u s i o n 31 c h a p t e r 4an o v e lc b c ti m a g ed e n o i s i n gm e t h o db a s e do nc o e f f i c i e n t c l a s s i f i c a t i o n 3 2 4 1i n t r o d u c t i o n 3 2 4 2 b a s i st h e o r y 3 4 4 2 1 d y a d i cw a v e l e tt r a n s f o r m 3 4 4 2 2c o e f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o n 3 6 4 2 3w i e n e rf i l t e r 3 7 4 3 d e n o i s i n gm e t h o db a s e d o nc o e f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o n 3 8 4 3 1 d y a d i cw a v e l e td o m a i nn o i s e d i s t r i b u t i o n 3 8 4 3 2n o i s ev a r i a n c ee s t i m a t i o n 3 9 4 3 3s e l e c t i o no ff i l t e rw i n d o ws i z ea n dd i r e c t i o n 4 0 4 3 4 d e n o i s i n gp r o c e s s 4 1 4 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 2 4 4 1 c o m p a r i s o no f n o i s ev a r i a n c ee s t i m a t i o ns c h e m e s 4 3 4 4 2 c o m p a r i s o no f d e n o i s i n gs c h e m e s o nt e s ti m a g e 4 4 4 4 3 c o m p a r i s o no fd e n o i s i n gs c h e m e s o nc l i n i c a li m a g e 4 6 4 5c o n c l u s i o n 4 7 c h a p t e r 5c b c ta n dp l a n n i n gc te l a s t i cr e g i s t r a t i o nb a s e do na t t r i b u t e v e c t o r 5 1i n t r o d u c t i o n 4 8 5 2m o d i f i e dh a m m e ra l g o r i t h m 4 8 5 2 1m u l t i r e s o l u t i o nf r a m e w o r k 4 9 5 2 2e l e m e n t so f a t t r i b u t ev e c t o r 5 1 v 山东大学硕士学位论文 5 2 3s e l e c t i o no f f e a t u r ep o i n t s 5 5 5 2 4 s i m i l a r i t yc r i t e r i o n 5 6 5 2 5d e f o r m a t i o nm a c h i n s m 5 6 5 3c b c ta n dp l a n n i n gc te l a s t i cr e g i s t r a t i o nb a s e do na t t r i b u t ev e c t o r 5 8 5 3 1 a n a l y s i so f a t t r i b u t ev e c t o re l e m e n t s 5 8 5 3 2 a d a p a t a t i v es e l e c t i o no f f e a t u r ep o i n t s 5 9 5 3 3 w e i g h t so f a t t r i b u t ev e c t o r 6 0 5 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d d i s c u s s i o n 6 0 5 4 1 c o m p a r i s o no f e d g ed e t e c t i o ns c h e m e s 6 1 5 4 2 c o m p a r i s o no f f e a t u r ep o i n t ss e l e c t i o ns c h e m e s 6 3 5 4 3 c o m p a r i s o no f t h es e l e c t i o ns c h e m e so f a t t r i b u t e 6 4 5 4 4 c o m p a r i s o no fc b c t a n dp l a n n i n gc t r e g i s t r a t i o nb a s e do na t t r i b u t e v e c t o r 6 6 5 5 c o n c l u s i o n 6 9 c h a p t e r6s u m m a r ya n df u t u r ew o r k 7 0 6 1 s u m m a r yo fm a i nw o r k s 7 0 6 2f u t u r ew o r k 7 1 r e f e r e n c e s 7 ： a c k n o w l e d g m e n t s 7 9 p u b l i c a t i o n sa n ds u b m i s s i o n s v i 山东大学硕士学位论文 摘要 随着物理学与生物科学理论的不断完善以及放射治疗技术的快速发展，放射 治疗已成为治疗肿瘤的主要手段之一。目前，基于锥形束c t ( c o n e b e a mc t ， c b c t ) 成像系统的图像引导放射治疗( i m a g eg u i d e dr a d i ot h e r a p y ，i g r t ) 可以 达到提高放疗精度的目的。通常，c b c t 兼具实时性好、灵敏度高、使用方便等优 点，与计划c t 图像配准融合后可更加充分地发挥上述优势。但是，c b c t 图像的 弱边缘由于受噪声的严重影响而变得不清晰，并且图像低对比度区域的分辨率较 差，这增加了诊断难度。同时，现阶段临床c b c t 图像与计划c t 图像的配准多是 由医技人员手动完成，这必然会在一定程度上降低放疗精度。 本文在分析比较现有的医学图像去噪及多模配准方法的基础上，提出了基于 系数分类的c b c t 图像去噪算法和基于特征向量的c b c t 图像与计划c t 图像的 弹性配准方法。本文在这两方面的主要工作和创新点如下： 1 基于系数分类的c b c t 图像去噪 ( 1 ) 根据c b c t 图像的成像原理及噪声分饰特点，在小波模极大去噪理论的 基础上，提出了一种快速且易实现的基于系数分类的c b c t 图像去噪方法。对测 试图像与临床c b c t 图像的去噪结果表明，该算法能够在保留重要诊断细节的同 时有效地抑制c b c t 图像中的噪声。此外，该算法无需对i g r t 设备做任何改进， 降低了临床推广的难度。 ( 2 ) 对二进小波的噪声分布特点进行了研究，推导出二维二进小波尺度间噪 声标准差关系公式，并提出了c b c t 图像的噪声方差估计公式。实验证明，使用 该公式可以增强去噪算法的边缘保护效果，与d o n o h o 提出的经典稳健中位数法相 比，本文提出的噪声方差估计公式去噪效果更优。 ( 3 ) 针对二进小波细节子带方向性明确的特点，提出了基于方向窗的维纳滤 波方法，对不同类别的小波系数使用不同参数的维纳滤波。该方法可以有效地保 留c b c t 图像中的边缘信息，减少去噪伪影，并能得到更高的峰值信噪比，进而 有更好的视觉效果。 山东大学硕士学位论文 2 基于特征向量的c b c t 图像与计划c t 图像的多模弹性配准 ( 1 ) c b c t 图像中的噪声是影响c b c t 图像与计划c t 图像配准结果准确性的 主要因素之一。对现有的基于特征向量的图像配准算法( 改进的h a m m e r 算法) 的不足进行了分析，使用边缘检测和定位性能较好的c a n n y 算子替代对噪声较为 敏感的梯度幅值，与狄度值和l o g 算子组合成新的特征向量。实验结果表明，与 梯度幅值相比，c a n n y 算子可以更好地辨别c b c t 图像中的强边缘，有效地避免 了散射线所带来的噪声干扰，进而使用改进后的特征向量可以提高配准算法精度。 ( 2 ) 提出了一种莺要特征点自适应选取的方法，该方法可以自适应地选取最 重要的特征点，从而减少了配准所需的重要特征点数目，降低了计算冗余度。同 时，可以根据期望得到的配准效果选取配准参数，快速准确稳定地实现c b c t 图 像与计划c t 图像的多模弹忭配准。 ( 3 ) 给出了特征向量权重选取的准则，即提高强边缘特征在特征向量中的比 重。实验结果表明，利用该准则可以提高定位c b c t 图像边缘特征点的准确性， 使配准后的两幅图像具有更高的：互信息值。 关键词：c b c t 图像；图像去噪；系数分类；维纳滤波；多模弹性配准；特征向量； 改进的h a m m e r 算法 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dp r o g r e s s i np h y s i c sa n db i o l o g i c a l t h e o r y , r a d i a t i o nt h e r a p y t e c h n o l o g yh a su n d e r g o n eg r e a td e v e l o p m e n ta n db e c o m eo n eo ft h et h r e em a j o rt u m o r t r e a t m e n tm e t h o d s t h ec b c t ( c o n e b e a mc t ) b a s e di g r t ( i m a g eg u i d e dr a d i o t h e r a p y ) i m a g i n gs y s t e mc a nr e a c ht h eg o a lo fi m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h e r a d i o t h e r a p y c b c ti m a g e sh a v et h ea d v a n t a g e so fg o o dr e a l t i m e ，h i g hs e n s i t i v i t y , a n d c o n v e n i e n c e t h e i rs u p e r i o r i t yi sm o r ep r o m i n e n tw h e nt h e ya r er e g i s t e r e da n df u s e d w i t h p l a n n i n gc ti m a g e s h o w e v e r , a s t h ec b c ti m a g e ss u f f e r sf r o mt h e d i s a d v a n t a n g e so f w e a ke d g e sc o n t a m i n a t e db yn o i s e sa n dg r e a tr e s o l u t i o nd e g r a d a t i o n i nl o w d e n s i t yr e g i o n s ，t h ed i f f i c u l t yo fd i a g n o s i si si n c r e a s e d m e a n w h i l e ，t h ec l i n i c a l r e g i s t r a t i o nb e t w e e nc b c ti m a g e sa n dp l a n n i n gc ti m a g e si sc a r r i e do u tm a n u a l l y , w h i c hi n e v i t a b l yr e d u c e sr a d i a t i o na c c u r a c yt os o m ee x t e n t b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n gm e d i c a li m a g ed e n o i s i n ga n d m u l t i - m o d a l i t yr e g i s t r a t i o nm e t h o d s ，w ep r o p o s e dt w oi m p r o v e m e n tm e t h o d s o n ei sa o n e wc b c ti m a g e sd e n o i s i n gm e t h o db a s e do nc o e f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o n a n dt h eo t h e r i san o v e lc b c ta n dp l a n n i n gc te l a s t i cr e g i s t r a t i o nm e t h o db a s e do na t t r i b u t ev e c t o r t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 c b c ti m a g e sd e n o i s i n gb a s e do nc o e f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o n ( 1 ) a c c o r d i n gt op r i n c i p l e o fc b c ti m a g i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so fn o i s e d i s t r i b u t i o n ，w ep r o p o s e saf a s tc b c td e n o i s i n gm e t h o db a s e do nc o e f f i c i e n t c l a s s i f i c a t i o nw h i c hr e l i e so nt h ew a v e l e tm o d u l u sm a x i m ad e n o i s i n gt h e o r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s f o rat e s t i m a g ea n dc l i n i c a l c b c ti m a g e ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mc a ns u p p r e s sn o i s ei nc b c ti m a g e se f f e c t i v e l yw i t hi m p o r t a n ts t r u c t u r e d e t a i l sp r e s e r v e d i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e dm e t h o dd o e s n tn e e da n yi m p r o v e m e n t so f c l i n i c a le q u i p m e n t s ，w h i c hi n c r e a s e st h ef e a s i b i l i t yo fc l i n i c a la p p l i c a t i o n ( 2 ) a f t e rw ea n a l y s et h en o i s ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd y a d i cw a v e l e t ，t h e e q u a t i o nf o rn o i s es t a n d a r dd e v i a t i o nr e l a t i o n s h i pa c r o s ss c a l e2 - dd y a d i cw a v e l e t 3 山东大学硕士学位论文 t r a n s f o r mi sd e d u c e da n dt h e nt h en o i s ev a r i a n c ee s t i m a t i o ne q u a t i o nf o rt h ec b c t i m a g ei sp r o p o s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e df o r m u l ac a ne f f i c i e n t l y i m p r o v e st h ee d g ep r o t e c t i o ne f f e c to fd e n o i s i n ga l g o r i t h m ，a n di ss u p e r i o rt ot h e m e d i a na b s o l u t ed e v i a t i o no fw a v e l e tc o e f f i c i e n t sm e t h o dp r o p o s e db yd o n o h o ( 3 ) a c c o r d i n gt os p e c i f i cd i r e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd e t a i lb a n d so fd y a d i c w a v e l e t ，d i f f e r e n tw i e n e rf i l t e r sa r ea d o p t e da ta l ll e v e l sb a s e do nd i r e c t i o nw i n d o wf o r d i f f e r e n tc o e f f i c i e n tt y p e s t h i sm e t h o dc a np r e s e r v et h ee d g e si n f o r m a t i o no fc b c t i m a g e s ，r e d u c et h ed e n o i s i n ga r t i f a c t s ，a c h i e v eh i g h e rp s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s e r a t i o ) ，a n dp r o v i d ea b e t t e rv i s i o ne f f e c t 2 c b c ta n dp l a n n i n gc te l a s t i cr e g i s t r a t i o nb a s e do na t t r i b u t ev e c t o r ( 1 ) t h ee x i s t e n c ea n dc o r r u p t i o no fn o i s e si nc b c ti m a g e si so n eo ft h em a i n i n t e r f e r i n gf a c t o r sf o rt h ea c c u r a c yo fr e g i s t r a t i o n w ea n a l y s et h es h o r t a g eo fm o d i f i e d h a m m e r ，a n dp r o p o s ean e ws t r u c t u r eo fa t t r i b u t ev e c t o r , i nw h i c hw eu s ec a n n y o p e r a t o rw h i c hh a sb e t t e re d g ed e t e c t i o na n dp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c et or e p l a c et h e n o i s e s e n s i t i v eg r a d i e n ta m p l i t u d e t h e r e f o r e ，an e wa t t r i b u t ev e c t o rc o n s i s t e do ft h e i n t e n s i t y , t h es e c o n do r d e rd e r i v a t i v ea n dc a n n yo p e r a t o ri sg e n e r a t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hg r a d i e n ta m p l i t u d e ，c a n n yo p e r a t o ri ss u p e r i o rt o i d e n t i f yt h es t r o n ge d g e sa n da v o i dt h en o i s ei n t e r f e r e n c er e s u l t e df r o ms c a t t e r i n gl i n e s ， w h i c hl e a d st h ei m p r o v e da t t r i b u t ev e c t o rt oa c h i e v eh i g h e rr e g i s t r a t i o na c c u r a c y ( 2 ) w ep r e s e n ta na d a p t i v ef e a t u r e - p o i n ts e l e c t i o nm e t h o d ，w h i c hc a nc h o o s et h e 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c b c ti m a g e ；i m a g ed e n o i s i n g ；c o e f f i c i e n tc l a s s i f i c a t i o n ；w i e n e r f i l t e r ；m u l t i - m o d a l i t ye l a s t i cr e g i s t r a t i o n ；a t t r i b u t ev e c t o r ；m o d i f i e d h a m m e r 5 山东大学硕士学位论文 符号说明 3 d c r t3d i m e n s i o n a lc o n f o r m a lr a d i ot h e r a p y 三维适形放射治疗 c b c tc o n e b e a mc t锥形束计算机断层扫描技术 c o ic o n eo fi n f l u e n c e锥形影响域 c s fc e r e b r os p i n a lf l u i d脑脊液 c t c o m p u t e dt o m o g r a p h y计算机断层扫描技术 d s a d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y数字减影血管造影 d t id i f f u s i o nt e n s o ri m a g i n g弥散张量成像 g m g r a ym a t t e r脑灰质 g m ig e o m e t r i cm o m e n ti n v a r i a n t s几何不变矩 h a m m e rh i e r a r c h i c a la t t r i b u t em a t c h i n gm e c h a n i s mf o re l a s t i cr e g i s t r a t i o n 基于分层属性匹配机制的弹性配准 i g r t i m a g eg u i d e dr a d i a t i o nt h e r a p y 图像引导放射治疗 i m r t i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y 调强放射治疗 l o g m i m l u p e t p s n r s p e c t w m x 6 l a p l a c i a no f g a u s s i a n 高斯型的拉普拉斯算子 m u m a li n f o r m a t i o n互信息值 m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g磁共振成像 p o s i t r o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y 正电子发射断层技术 p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o峰值信噪比 s i n # e - p h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y 纬仍i t em a t t e r x - r a yv o l u m e t r i ci m a g e s 单光子发射计算机断层成像术 脑白质 x 线容积成像 山东大学硕士学位论文 1 1c