（生物医学工程专业论文）mri几何失真校正的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r i f l e ：s t u d yo f c o f f a c t i c mf o rg m 砌c d i s t o r t i o ni nm r i a u t h o r ：y uf a n g t h e s ms u p e r v i s o r ：a s s o c i m ep r o f e o r y uw e a - j m e s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m r ih a sb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e s p r e a di nc l i n i c a la p p l i c a t i o n s m r ih a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c h h i g hr e s o l u t i o nf o rs o f tt i s s u e ，n od i s t u r b a n c ew i t hh o n ef a l s ei m a g e ；b u ti t si n h e r e n tg e o m e t r i cd i s t o r t i o n h a sr e d u c e di t ss p a c ep r e c i s i o n , l i m i t e di t aa p p l i c a t i o ni n p r e c i s ed i a g n o s i sa n dt i l e m p y t h e r e f o r e ，t o a c h i e v eap r e c i s er e s u l ti nd i a g n o s i s du e a t m e n t , t h ec o r r e c t i o nf o rg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm 姒m u s tb e c a r r i e do n c u r r e n t l y , s p e c i f i cd e s i g n e dg e o m e t r i cp h a n t o m sc o m b i n e dw i t hs o f t w a r eh a v eo 仇b e e na d o p t e dt o d e t e c ta n dc o r r e c tt h ed i s t o r t i o nc a u s e db yi m a g i n gs y s t e m ，a n dt h i sm e t h o dh a sb e e nw i d e s p r e a du s e di n c l i n i c a l h o w e v e r , j ts t i r e m a i n ss o m eb i gd i s t o r t i o u s , f u r t h e rn l o m t h i sm e t h o dc a l l tc o r r e c tt h ed i s t o r t i o n c h a n g e dw i t hd i f f e r e n ti m a g i n g 讲 a m 种盯sa n dc a u s e db yp a t i e n t s s o ，打b r i n g ss o m ep o t e n t i a lt r o u b l e st o t h ea p p l i c a t i o n sb a s e do i lp r e c i s ei m a g e s ，s u c ha sn e u r a s u r g e r ya n dr a d i o t h e r a p y h e n c e i nt h i sp a p e r , a m e t h o db a s e do ai m a g ep a s t - p r o c e s s i n gi sp r o p o s e dt oc o i t e c tv a r i o u sd i s t o r t i o n si nm r i t h eb a s i ci d e ao f t h i sm e t h o di st om a t c ht h ed i s t o r t e dm r lw i t hc tb yn o n l i n e a ri m a g er e g i s t r a t i o n w h i c hh a st h es a m e a n a t o m i e a is t r u c t u r e 雒m r lb u ta l m o s th a sn og a n r r 、e u i cd i s 协n l o n a n dt h eg e o m e t r i cp r e c i s i n no fm 附 b ei m p r o v e db yt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r n a lp o i n t sa n dm a x i m i z a t i o no f m u t u a li n f o r m a t i o no f t h et w o i m a g e s i nt h ec o u r s eo fn o n l i n e a r r e g i s t r a t i o nw i t hi n t e r n a lp o i m s - b a s e dm e t h o d , t h ee l a s t i cb o d ys p l i n e t r a i l s f o r mi su s e da n dt h es m o o t hp a r a m e t e rli si n t j l u c e dt or e d u c et h eo r i e n t a t i o no n o ro ft h e c o r r e s p o n d i n gp o i n t s n i sm e t h o dc a no b t a i nap r e f e r a b l eg l o b a l ( s y s t e m - r e l a t e d ) a n dl o c a l ( p a t l e n t - r e l a t e d ) c o r r e c t i o nr e s u l tt o g e t h e r , b u tn e e dm a n u a li n t e r v e n t i o n st oe x t r a c tc o r r e s p o n d i n gp o i n t s hb r i n g ss o m e m a n m a d ee r r o r s ；i nt h ec o u r s eo f1 1 0 1 1 1 i n e a rr e g i s t r a t i o nw i t hm u t u a ii n f o r m a t i o n b a s e dm e t h o d t h e p o l y n o m i a lt r a n s f o r m a t i o nw h i c hc a na p p r o x i m a t e l ys i m u l a t em r i d i s t o r t i o ni sa d o p t e da n dt h en o r m a l i z e d m u t o a li n f o r m a f i o ni ss e l e c t e d 罄t h ec o m p a r a b i l i t yc r i t e r i o no fr e g i s t r a t i o n t h i sm e t h o dd e a s n tn e e d e x u a g tc h a r a c t e r so fi m a g eb u td e a lw i t ht h eg r e yo fi m a g ed i r e c t l y , s oi ti sa u t o m a t i c b u tt h ea b i l i t yf o r p o l y n o m i a lt r a n s f o r m a t i o nt oc o r r e c tl o c a l ( p a f i a n t - r e i n t e d ld i s t o r t i o n i sr e l a t i v e l yl i m i t e d , i tm a i n l y d e s c r i b e st h eg l o b a l ( s y s t e m r e l a t e d ) d i s t o r t i o l l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d sa d o p t e di nt h i sp a p e ra c h i e v es o m ee f f e c t s i tn e e d s e s p e c i a l l yp o i n to u tt h a tt h e s em e t h o d sa r eb a s e do ni m a g er e g i s t r a t i o n ，s ot h e ya r em o r eg e n e r a lt h a no t h e l c o r r e c t i o nm e t h o d s 1 1 l q b ei n t e g r a t e di n t ot h ea p p l i c a t i o n so fc t m r r e g i s t r a t i o n h o w e v e r ，t h e t r a n s f o r m a t i o nm o d e l su s e di nt h i sp a p e ra l es t i l ia na p p r o x i m a t es i m u l a t i o nt om r id i s t o r t i o nf o rt h e r e a s l d n sw h i c hc a u s eg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm r ia r eq u i t ec o m p l e x s oi no r d e rt oa c h i e v eac o m p l e t e l y s a t i s f a c t o r yc o r r e c t i o nr e s u l t , i tn e e d st os e e km o r ee f f e c t i v em o d e l st os i m u l a t et h ec o m p l e xg e o m e t r i c d i s t o r t i o nj nm 阳 k e yw o r d s ：m p j ；g e o m e t r i cd i 如a i n n ；n o n - l i n e a rr e g i s t r a t i o n ；e l a 盘i nb o d ys p l i n em f o m l ：p o l y n o m i a l t r a n s f o r m ；n o r m a l i z e dm u t u a li n f o r m a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 趋l l t 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登 授权东南大学研究生 院办理 聋垒笪日期：咿占 口 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 由l a 咖- r b u r 教授等”o 提出的磁共振成像( m 刚) 技术，作为继c r 之后又一新的断层成像方法 给医学影像学带来了一场革命，极大地丰富了临床医学诊断和治疗活动磁共振成像技术利用原子 核在磁场内共振所产生的信号进行断层图像重建成像。与c t 相比，m r l 具有无损伤，无电离辐射， 高软组织分辨率和无骨伪影干扰等优点，既能反映组织的形态，又能反映其功能多参数成像可获 得t l w i 、t z w i 和p d w 便于比较对照，多方位成像可获得冠状面、失状面和横截面的断层像，以 适应不同的临床需要目前m 姒已被广泛用于临床各系统的检查诊断和治疗b 日 c a ) c t 图像 圈i - ic t 图像与m r i ( ”m r i 1 1 1m m 的医学价值 m r l 的特别价值在于中枢神经系统疾病的检查上它不伤害这些重要的人体组织和器官，可以 清晰地观察到神经系统疾病的发生部位，严重程度，以及治疗对这些疾肩产生的效果，图i - 1 分别 显示了大脑同一层面的c t 和m r ! ，m r 比c t 具有更高的歇组织分辨率，能更好地显示病变发生 部位 功能磁共振成像不仅能帮助放射科医师细致地查看大脑的解剖图而且还能帮助他们确定大脑 的哪个部分正在处理着比如思考、说话、运动和感觉等关键性的行为这些信息对外科手术计划、 放射治疗、治疗中风或者治疗其它的大脑紊乱性障碍都起着关键性的作用 m 对癌症的诊断、治疗和治疗后的随访同样具有重大价值。在手术前知道肿瘤是否浸润到周 围组织是相当重要的，m r l 比其他检查方式更能精确地判断组织之间的界限，因此能改进手术质量 删还可区分肿瘤的发展程度，这对选择治疗方式同样至关重要比如，m p a 能探清组织中的结肠 癌到底有多深，是否局部淋巴结也已受到了影响 - 第一章绪论 m r i 还可以替代以前的侵入性检查，因而能减轻许多病人的痛苦过去，注射对比物后用内窥 镜进行胰腺和胆道检查，这种检查会在不同程度上导致严重的并发症。现在用m r i 不但可队获得相 关的准确信息，而且没有侵入性仪器的介入，感染的危险也随之而消失 不仅如此，m r i 还是外科手术的重要工具。由于m p i 可以产生清晰的三维图像，所以可以用来 查清受损部位的位置这样的信息在手术前弥足珍贵比如，进行特定的大脑显微手术时，外科医 生需要在m r i 检查结果的引导下进行手术，m r i 图像清晰得足以让电极置入中枢大脑神经核，以治 疗剧烈疼痛和帕金森病导致的运动障碍1 1 1 1 1 - 2 删的几何失真及其来源 正因为m r i 的上述突出优势，越来越多的研究者尝试使用m r i 进行放射治疗计划设计，单独 应用m r l 模拟进行放疗的研究也在进行之中，但是目前m r i 仍未对c t 构成严重挑战。主要原因在 于m r 影像存在几何失真，而c t 显示的几何信息却是正确的闻 放射治疗的目的就是要获得最大的局部肿痛控制率以减少放射反应和后遗症井降低肿痛周 围正常组织的照射剂量放疗医生确定肿瘤靶区的准确程度依赖于医学影像的空问准确性。要求医 学影像的几何误差控制在l m m 咀内但是由于i v l r 影像固有的几何失真，其精度通常达不到这个要 求，比如胸腹部成像时，其几何失真最大会达到1 0 r a m 左右1 7 l ，因而就不能准确地定位肿瘤靶区及 其相邻正常组织空问位置关系，影响了放射治疗的效果，这是m r i 用于精确放射治疗计划设计的一 个主要问题，因此必须对所使用的m r 影像存在的几何变形和变形程度进行检测及校正 姗的几何失真主要来源于m r l 扫描系统和患者两个方面i s l 。圈l - 2 显示的是一幅插在环形塑 料支絮块上里放射状捧列的直导营的m r 图像 3 1 可以看到它发生了图像失真，图像中的直导管变 弯曲了。由于成像平面的畸变，系统相关性失真在a 区表现为导管的卷曲，在b 区表现为导管没有 成像，c 区塑料支架块的存在造成磁化率的改变，插入导管的支架块处表现出了影像的不连续，这 就是扫描物体( 患者) 引起的失真。 图i - 2 磁共振图像的失真 m r l 扫描系统所致影像失真主要由主磁场的不均匀性，磁场梯度的非线性以及开关机器时产生 的涡旋效应引起吐m 刚除了主磁场之外，还有3 个相互垂直的梯度磁场理论上人们希望主磁 2 东南大学硕士学位论文 场是完全均匀的而且3 个梯度磁场也都是线性的但是，实际上这是不可能做到的，因此系统相 关的影像失真不可避免在特定的非均一磁场中，系统相关影像失真与梯度强度成反比唧，并随着 到磁场中心距离的增加而增加一般而言，视野中距离磁场中心越近的地方其失真越不明显，而在 越远的地方其失真越大，在大视野图像的边缘，则失真尤为显著此外，系统相关的失真还受到 成像参数和成像序列的影响，其大小会缱着成像参数和成像序列的变化而改变i 系统相关的失真 可以用如下的公式1 9 1 进行描述： a x = b 一( x ，y ，z ) g - + a bo ( x ，y ，三) g r ( i i ) a y = a b o ( x ，y ，z ) g ， ( 1 2 ) z = b ，( 工，y ，z ) l g ，+ 丑o ( 工，y ，z ) l g ( 1 3 ) 其中j 表示频率编码方向，) ，表示相位编码方向，z 表示断面选择方向在点o ，弗力处，睁卷 主磁场的不均匀性所产生的磁场偏差风和梯度磁场的非线性所产生的磁场偏差日，使得m r 信 号在成像平面内沿着三个方向上分别产生几何变形x 、匈一和z ，几何变形的大小分别与各自方 向上的梯度磁场大小g ，、g ，和g 成反比，而与产生的磁场偏差成正比 对于系统相关的失真目前有不少研究者采用体模1 7 , 1 2 - | ”的方法对其进行了定量观察在以头部 框架为基础的体模研究中h i l l 等人o 指出，与颅脑扫描类似大小的视野，在视野周围失真小于2 m m ， 在视野中心小于l m m m i z o w a k i 等人1 7 l 在其研究中指出距离图像中心1 2 c m 内。多数失真小于2 n u n 研究者i ”l 还认为，对大多数接受m r i 立体定向放射治疗的颅内病变而言，其靶区的定位精确性n - - j 以 达到一个体寨之内在这种情况下，视野中心的失真可不进行校正，但在视野边缘，放置的体表标 志点的失真则必须加以考虑。而在以盆腔为基础的体模研究中川，结果表明m r i 的几何失真大部分 在3 个像素之内，但随者时间的推移，这种失真可能会变得更大对于这种具有较大视野的图像( 通 常大于2 0 c m ) ，其边缘失真最大可达到1 0 m m ，这时失真如不加以校正用于放疗计划显然是不合 适的 患者所致影像失真主要源于磁场敏感效应和化学位移效应1 3 l 。化学位移效应是由于水和脂肪中 质子的化学环境不同，导致共振频率的位移。脂肪组织相对于水产生明显的沿梯度读取方向的移位， 这种移位可产生图像失真并降低空间精确度。此变形在高场强磁共振机上尤甚，并且只出现在频率 编码方向。任何物体放于磁场内均会改变磁场强度，这称之为磁场敏感效应1 1 6 1 ，它所引起的影像失 真发生在结构边缘特别是在骨与空气界面，并随着磁化率差异而有所不同。磁场敏感效应导致的几 何失真与主磁场的大小成正比，而与梯度磁场的大小成反比，通常它可以用下面的公式【1 1 描述： d 缸= 衄要 ( 1 4 ) u 其中，a x 表示磁化率实验表明i ，在1 0 0 h z 像素的梯度磁场下，当主磁场大小为0 2 t 时，由化 学位移效应所产生的几何变形达到o 3 个像素，而当主磁场大小为1 5 t 时变形大小将会达到2 2 个像素，此时若将梯度磁场的大小升高为2 0 0 h z 像素。则变形大小缩小为i 1 个像素对于磁场簟 第一章绪论 蓐效应引发的几何变形，在磁化率a z = 9 x l 旷的情况下，当梯度磁场大小为i l - l z 像素，主磁场大 小为0 2 1 时，其大小为0 8 个像素而当主磁场大小改变为i 5 t 时，变形大小将会达到5 7 个像囊， 此时若将梯度磁场的大小升高为2 0 0 h z 嗷素，则变形大小缩小为2 g 个像素。体模实验l l ”还证实 患者所致影像失真与患者成像部位有关该失真使得体表标志点在梯度读取方向上漂移了2 - 3 m m ， 当同样标志物置于患者盆腔皮肤表面时，漂移增加到5 r a m ，额外的移位是由皮下脂肪的化学位移所 致，在头颈部和中枢神经系统，由于魔肪相对较少，化学位移效应并不明显 1 2 课题意义 磁共振图像早期的临床应用主要是定性的病理学诊断，要求图像没有伪影，有足够的清晰度， 此时几个毫米的几何误差是可以接受的。但是随着计算机技术和医学科学的发展，以计算机为基础 的磁共振成像的应用扩展到新的领域。如对病变区域的定量测量，颅脑表层及结构的三维可视化， 放射治疗和外科手术中的精确定位，大脑功能区域的定位和测量，建立颅脑解剖图集等”人们对 m r 定量分析的要求越来越高，但是其固有的几何失真降低了影像空问精确性此外，研究表明o ” 为了减少人体运动伪影的干扰而采用的快速扫描成像方法进步加大了m r i 的几何失真，因此为了 达到耪确的诊断和治疗结果必须对其进行技正研究者认为经过很好的校正，以m r i 为基础的立体 定向系统的空问精确性完全可以与以c t 为基础的定向系统相比较1 1 3 1 综上所述，图像校正对于m r i 的进一步处理，m r i 信息的利用及进一步拓展m r i 在临床和生 命科学研究领域( 特别是在进行精确放射治疗和外科手术导航时) 里的应用至关重要 1 3 研究现状 随着m r 技术的发展，m r i 的几何失真可通过产生磁场的硬件改进，扫描序列的优化，影像采 集方式的提高以及专用于几何失真校正的体模应用等来降低虽然现在许多磁共振机上都提供了几 何失真校正程序但它们通常只能够校正一阶非线性梯度场引起的失真，或者只能校正特定扫描参 数设置下的失真，而对于患者本身引起的失真却无能为力【6 j 因此，只有这些机器自带的校正程序 是不够的，必须研究出新的校正方法以达到全面校正的目的 1 3 1 成像系统相关失真的校正 目前许多m r i 模拟的研究都尝试通过设计特定的几何体模结合计算机软件进行系统相关失真的 检测和校正i 蝇8 , 2 捌该方法己广泛应用于临床实践。但是患者感应的失真却无法简单地用体模进行 校正，通常经过体模校正后的m r 仍然存在残余的失真。在f i n n i g a n 等人剐的研究中，可以将9 r a m 的几何失真校正到i m m 左右，图l - 3 显示了几何体模的磁共振图像及其校正结果；d e m i n gw a n g 等 人1 2 。l 还设h - 出- - 维体模来同时校正成像平面内及成像平面问存在的几何失真，它能使几何失真降低 到0 6 r a m 以内 4 东南大学硕士学位论文 系统相关失真与成像参数和成像序列也有着很大的关系，因此可以通过优化扫描序列的方法来 减少失真2 0 0 3 年，k o c hn 和l i uh h 等人i l ”在他们发表的文章中指出应用不同的m p o 扫描序列 f s e 和f g r e 研究失真的大小，结果显示与c t 扫描比较，f g r e 扫描序列在矢状面和冠状面产生的 失真临床上可接受，而f s e 扫描序列产生的失真则超出了临床可接受范围，这种方法需要不断地修 改扫描序列，不适合于临床应用；k r e m p i e nl lc 和s c h u b e r tk 等人口1 新近研究指出采用开放的低 场强并增加接收器带宽的方法进行m r i 扫描也可减少系统相关的失真，但是低场强的一个主要问题 是会导致信噪比和空间分辨力降低，对影像的质量造成影响：此外，k h o o 等人i s 认为应用屏蔽线圈 和补偿梯度可减小涡流效应引起的系统失真 ( a ) 几何体模的磁共振图像( b ) 体模图像的校正结果 图1 3 几何体模的磁共振图像及其校正结果 l - 3 2 患者相关失真的校正 患者所致影像失真主要是由磁场敏感效应和化学位移效应造成的基于体模评估的失真校正技 术不能充分地模拟患者导致的图像失真，此时应该用增加带宽的方法来减小m r i 的失真。在低场强 情况下，应用基于体模的技正技术是充分有效的而在高场强情况下，需利用其他技术进行校正 k h o ov s 闱研究表明，在高磁场梯度的情况下应用增加带宽的方法能够减少化学位移效应造成的影 像失真：c h a n g 等人p 指出，对正反两个方向读数梯度下获取的两组同一层面成像数据进行后处理 可减少化学位移效应的影响，它已被成功应用于高场强盆骨磁共振成像中，但由于需要获得两幅图 像，进行两次磁共振扫描。延长了扫描时问，而且在获得的校正图像中容易产生信号强度失真，从 而限制了它在临床中的应用：人体在磁场中会引发磁场敏感效应为了获得人体造成的磁场变化， 最好能够知道此时的敲场分布情况。因而e r i c s s o n p o 等人采用三维磁场分布映射技术来梗正组织磁 化率效应引起的失真。取得了很大成功此外，这种基丁磁场分布的技术还能够校正因梯度磁场非 线性引起的失真 ， 第一章绪论 l 校正过程中存在的闯题及解决方法 上述校正方法均只是从某个角度出发的无法做到全面的m r i 影像失真校正于是有人提出应 用图像后处理的方法来同时校正由上述两个原因引起的m r i 影像失真目前采用较多的是图像配准 i 明的办法，尤其是搏c t 与m r i 进行配准i 硼由于c t 图像具有很高的空间分辨宰和几何精度，因此可 以作为配准校正的目标基准图像图像配准不仅可以校正病人多次成像问的位置变化，也可以校正 由于成像模式本身导致的畸变，因此本论文将采用与c t 图像进行配准的方法来校正m 砌存在的几何 失真 k r e m p i e n 等4 糯道：在近距离放疗中，m r i c t 配准融合法可以更糟确确定头颈部肿瘤靶区和关 键器官，b a h m a n 等”指出采用i v t r i c t 配准融合法改善了鼻咽癌靶区的确定，提高t - - 维适形调强 放疗计划中靶区的覆盖率并保护了关键的器官1 9 9 4 年，v i c 喀删人1 应用基于图像外部特征点 的多模态图像配准方法进行m 鼬的失真校正，该方法的优点是外部标记点易于识别，通过比较图像 中标记点的位置易于对配准结果进行视觉检测，它可以使几何失真降低到l - 2 m ，但是缺点在于 这些标记点对于患者具有伤害性，而且要求患者在扫描装置内严格保持不动，通常这是无法做到的， 因此会影响校正的效果：k o o y 等人阿应用c t 和m 砌图像内部解剖结构进行斜面匹配的方法也取得了 一定的校正效果，但是该方法与基于图像外部特征点的配准校正方法一样，都是基于仿射变抉的， 而m r i 的失真是非刚体、非线性的，单纯的线性配准不能满足校正的要求”l ，因此，要达到理想的 校正效果，必须采用非线性配准校正的方法m 1 在胸腹部，m 刚的非线性失真尤为明显，因此采用 非线性校正方法较为适合然而，目前大多数的图像配准校正方法均是基于仿射变换的基于非线 性变换的却很少。非线性配准的具体变换关系根据所采用函数的不同而不同，用于医学图像配准的 除了多项式变换函数，还有薄板样条函数、弹性样条函致1 3 6 1 等。 在m a n ：e lb r e 峭人唧的研究中，他们用多项式来表征m m 存在的非线性变形，并通过设计 特定形状的三维体模来校正m r 的失真多项式变换中的各系数可以由体摸图像中的标记点与实际 体模中的标记点的对应关系来确定将获得的多项式变换关系作用于实际患者的m r i ，便可以实现 图像失真校正的目的实验结果表明利用三次多项式进行校正，可以使平均失真降低到0 2 $ m m ， 最大失真降低到i m m 左右可见，多项式变换具有较好的非线性校正能力，因此本论文第四章在采 用基于灰度互信息1 3 t i 的配准校正方法时也用多项式来表征m 砌存在的非线性失真。但是，m a r l b r e e u w e r 等人采用的方法要求体模成像和实际病人成像时扫描系统的参数设置必须完全相同，而实 际上这是很难傲到的。现实中，通常需要通过修改扫描参数以获得更好的成像效果。这样就使得利 用体模获得的多项式变换关系不能正确反映实际患者的m r i 几何变形。从而无法获得理想的校正结 果：而且这种方法只能校正成像系统本身导致的几何失真，对于患者引起的失真却无能为力所以， 本论文第四章将采用与c t 图像进行配准的方法来同时校正由成像系统和病人引起的失真在此过程 中，用基于灰度互信息的方法来搜索多项式变换的各系数值，而不是由体模图像中标记点和实际体 筷中标记点的对应关系来确定，这样就不存在扫描参敷设置的差异目露，而且无须提取特征点，可 6 衷南大学颀士学位论文 以达舅自动校正的目的 由b o o k s t e i ”引入的薄板样条函数是一种常用于医学图像非线性配准的变换函数它是基于图 像内部特征点的，但是它只是对人体组织物理变形的一个粗略的描述它所描述的几何变形在空间 的三个坐标轴方向上是各自独立的，一个方向上的拉伸并不能使得另一个方向上产生收缩的效果， 这不符合真实人体组织的变形情况，而且当形变较大对，其校正能力有限，它只在小变形的情况下 适用 近来，晰i g 等人提出了另外一种基于图像内部特征点的非线性配准方法，它是直接基于线性 弹性理论的其变换函数称之为弹性样条函数它克服了薄板样条函数的缺陷，比较真实地反映了 人体组织的变形情况。然而，这种方法也存在着一个缺陷：它只能反映全局的变形而不能同时校正 局部的失真，因此不能直接用它进行m 砌的失真校正需要对其进行改进。本论文第三章将采用改 进的弹性样条函数进行m r i 的失真校正，以使它能同时校正全局和局部失真 由于引起m j u 图像失真的原因非常复杂，因此到目前为止还没有一种方法可以达到完全理想的 校正效果基于图像配准的校正方法尤其是非线性配准的方法不少研究证明其较单用m r j 的几 何精确性更高蚓，但目前仍停留在实验室阶段，还存在着许多制约其发展的瓶颈问题，比如扫描方 式以及患者摆位差异会对配准结果产生较大的影响，用于配准的解剖结构通常难以提取等但我们 相信随着科学研究的不断深入，这些困扰图像配准校正的技术难题一定会迎刃而解与此同时在 配准校正的过程中做到谨慎使用，认真操作，m 砌几何失真校正问题就一定能够得到完满的解决 1 4 论文研究内容与章节安捧 1 4 1 研究内容和方法 本论文针对m r ! 存在的几何失真问履，从图像后处理的角度出发，应用基于图像非线性配准的 方法对萁进行校正本论文选取与m r i 具有共同解剖结构且基本不存在几何失真的c t 图像作为配 准校正的目标基准图像，主要实现了基于图像内部特征点和基于灰度互信息的m r i 非线性失真校正， 并对它们的校正结果进行了分析 在运用基于图像内部特征点的方法进行非线性配准校正的过程中，本论文采用弹性样条函数作 为校正时的变换函教，该方法在校正全局形变的同时可以达到较好的局部校正效果，但是它需要手 工提取对应点集带来了人为误差，为此本论文通过引入平滑参数卅来降低标记点定位偏差对配 准结果的影响。并通过标准偏差参数一删来控制标记点对局部形变的影响 在运用基于灰度互信息的方法进行非线性配准的过程中，本论文采用多项式变换函敦作为校正 时的变换函教，并使用最大归一化互信息作为配准校正的相似性测度，该方法不需要提取图像特征， 直接对像素灰度进行处理可以实现全自动的配准校正，但是多项式变换函数对于局部形变的校正 能力比较有限，主要描述的还是全局意义上的变形校正 7 第一章绪论 1 4 2 章节安捧 本论文共分为五章各章节内容安排如下： 第一章绪论：主要介绍了m r i 几何失真校正的课题背景、课题意义和研究现状t 阐明了本论 文的主要内容、研究方法以及章节安捧 第二章医学图像配准校正方法基础：主要对医学图像配准的基本原理、基本步骤和基本方法 做了简要的介绍，为下文基于图像配准的校正方法作了铺垫。 第三章基于图像内部特征点的配准校正：主要介绍了基于弹性样条函数的非线性配准校正方 法，首先通过模拟同格图像对影响配准校正结果的两个参数进行了分析，然后利用体 模图像验证弹性样条函数的非线性校正效果，最后实现了实际m r i 几何失真的校正 第四章基于灰度互信息的配准校正；主要介绍了基于多项式变换函数的非线性配准校正方法， 首先通过模拟图像实验来验证基于灰度互信息的多项式变换校正方法的有效性，并分 别对二次、三次和四次多项式的配准校正结果进行分析和比较，然后利用体模图像实 验进一步分析三次多项式变换的校正效果，最后利用三次多项式实现了实际m i l l 几何 失真的校正此外还简要介绍了归一化互信息的概念多项式参致优化算法等内容 第五章总结与展望：总结论文的研究工作，并提出今后的研究和改进方向 1 东南大学硕士学位论文 参考文献 1 1 【2 】 【3 1 【4 】 【5 】 0 3 嘲 【1 0 】 【l l 】 p 3 】 【1 4 1 【l5 1 【1 6 1 【1 7 1 h a p ：w w w f a m i l y d o c t o r c o m c n c l i p # e a d a s p ? i d - - 4 1 4 3 8 付杰，胡超苏何少琴m r i 模拟研究进展中华放射肿癌学杂志。2 0 0 5 ，1 4 ( 4 ) ：3 1 0 3 1 3 v i n c e n ts k h o o , d a v i dp - d e a m a l e y , d a v i dj f i n n i g a n e ta 1 m a g n e t i cr e s o n a n c el m a g i n g ( m r 0 ： c o n s i d e r a t i o n sa n da p p l i c a t i o n si nr a d i o t h e r a p yt r e a t m e n tp l a n n i n g r a d i o t h e r a p ya n do n c o l o g y , 1 9 9 7 , 4 2 ：l - 1 5 赵建东，蒋国粱m i u 用于放疗计划设计研究现状中华放射肿瘤学杂志，2 0 0 6 ，1 5 ( 3 ) ：1 6 1 1 6 3 刁焕荣用m r i 进行立体定向放射治疗定位的糟确性国外医学放射医学核医学分册2 0 0 4 , 2 8 ( 4 ) ：1 6 6 - 1 6 8 f r a n s s o na ，a n d r e op ，p o t t e rr a s p e c t so fm ri m a g ed i s t o r t i o n si nr a d i o t h e r a p yt r e a t m e n t p l a n n i n g s t r a h l e m h e r a p i eo n k o l 。2 0 0 1 ，2 ：5 9 7 3 m i a n w a k it n a d a t ay ，o k a j i m ak e ta 1 r e p r o d u c i b i l i t yo fg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm a g n e t i c r f s o n a n c ei m a g i n gb a s e do np h a n t o ms t u d i e s r a d i o t h e ro n c o l ，2 0 0 0 ，5 7 ：2 3 7 2 4 2 k h o ov s m r i - m a g i cr a d i o t h e r a p yi m a g i n g 。f o rt r e a t m e n tp l a n n i n g b rjr a d i 0 1 2 0 0 0 , 7 3 ( 8 6 7 ) ：2 2 9 2 3 3 b a k k e rc j gm o e d e n dm 九b h a g w a n d i e nk e ta 1 a n a l y s i so fm a c h i n e - d e p e n d e n ta n d o b j e c t - i n d u c e dg e o m e t r i cd l s t o n i o ni n2 df tm ri m a g i n g m a g nr e s o r tl j t l a 岛1 9 9 2 ，1 0 ：5 9 7 - 6 0 8 m a l ld ，s t e c k n e rm ，h l o na ，na 1 m 阳s h n u l e t i o n ：e f f e c to fg r a d i e n td i s t o a i o n so i l t h r e e - d i m e n s i o n a lp r o s t a t ec a n c e rp l a n s i n tjr a d i a to n c o lb i o lp h y s ，2 0 0 2 5 3 ( 3 ) ：7 5 7 - 7 6 5 k o c hn ，l i uh h 。o l s s o nl e ，e la 1 a s s e s s m e n to f g e o m e t r i ca c c u r a c yo f m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g e sf o rr a d i a t i o nt h e r a p yo f l u n gc a l l c c l 3 ja p p lc l i nm e dp | 驴2 0 0 3 ，4 ：3 5 2 - 3 6 4 h i l ld l th a w k e sd j ，g l o o nm j c ta 1 a c c u r a t ef r a m e l e s sr e g i s t r a t i o no f m ra n dc i i m a g e s o f t h eh e a d ：a p p l i c a t i o n si np l a n n i n gs u r g e r ya n dr a d i a t i o nt h e r a p y r a d i o l o g y , 1 9 9 4 ，1 9 1 ：4 4 7 4 5 4 y uc ，a p u z z om l j 。z e ec s ，e ta 1 ap h a n t o ms t u d yo f t h eg e o m e t r i ca c c u r a c yo f c o m p u t e d t o m o g r a p h i ca n dm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g s t e r e o t a c t i cl o c a l i z a t i o nw i t ht h el e k s e l l s t e r e n t a c t i cs y s t e m n e u r o s u r g e r y , 2 0 0 1 ，4 8 ( 5 ) ：1 0 9 2 - 1 0 9 9 b “i n a l - zgd o w r i e sm b ，c o mb w ，e ta 1 1 e v a l u a t i o no ft h es p a t i a la c c u r a c yo fm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g - b a s e ds t e r e o t a c t i ct a r g e tl o c a l i z a t i o nf o rg a m m ak n i f er a d i n s u q e r yo f f u n c t i o n a ld i m m e r s ，n e u r os u r g e r y , 1 9 9 9 ，4 5 ( s ) ：i i5 6 - 11 6 2 m a c ka c z e m p i e lh ，k r e i n e rh j 。e ca 1 q u a l i t ya s s u r a n