專利名稱：基于點(diǎn)的自適應(yīng)彈性圖像配準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字成像領(lǐng)域。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的方法、圖像處理裝置以及用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的軟件程序。
圖像配準(zhǔn)的目標(biāo)，例如在醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中，是補(bǔ)償例如由患者運(yùn)動(dòng)、不同的掃描儀形態(tài)、解剖中的變化等造成的圖像中的差異。全局配準(zhǔn)方法、如剛性或仿射變換常常無(wú)法處理局部差異。對(duì)此的一種解決方案是彈性配準(zhǔn)。健壯的醫(yī)學(xué)圖像彈性配準(zhǔn)是困難的問(wèn)題，也是當(dāng)前深入研究的主題。通?？蓞^(qū)分三種彈性配準(zhǔn)的方法基于點(diǎn)的彈性配準(zhǔn)，基于表面的彈性配準(zhǔn)，基于體素的彈性配準(zhǔn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供健壯的彈性圖像配準(zhǔn)。
根據(jù)在權(quán)利要求1中提出的本發(fā)明的示范實(shí)施例，上面的目的可通過(guò)一種配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的方法得到解決，其中假設(shè)第一圖像是彈性材料的，從而具有彈性。確定第一圖像和第二圖像之間的相似性。然后，確定力場(chǎng)，將該力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加相似性。換句話說(shuō)，假設(shè)第一圖像是彈性的并且將力施加于第一圖像的一些點(diǎn)或一些部分，使得第一圖像和第二圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)基本上相互配準(zhǔn)。因此，增加了圖像間的相似性。
這可有利地實(shí)現(xiàn)第一圖像和第二圖像的健壯自動(dòng)配準(zhǔn)。
根據(jù)在權(quán)利要求2中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，確定力場(chǎng)的至少一個(gè)參數(shù)，以便使相似性最大。
有利的是，例如，通過(guò)優(yōu)化力場(chǎng)的參數(shù)，各個(gè)控制點(diǎn)的局部影響得到優(yōu)化，控制點(diǎn)也就是力場(chǎng)的力作用于力場(chǎng)上的點(diǎn)。與基于地標(biāo)的內(nèi)插方案相比，這樣的控制點(diǎn)不是相互依賴的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，確定或改變與第一圖像的彈性相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，以便使相似性最大。
根據(jù)在權(quán)利要求4中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，優(yōu)化力場(chǎng)的至少一個(gè)力的力強(qiáng)度、力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力的力方向、力場(chǎng)的至少一個(gè)力作用于第一圖像的至少一個(gè)位置、力場(chǎng)的至少一個(gè)力的形式、作為力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力施加的高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及泊松比其中至少一項(xiàng)，以便使相似性最大。
換句話說(shuō)，配準(zhǔn)問(wèn)題簡(jiǎn)化為優(yōu)化力場(chǎng)的參數(shù)的問(wèn)題。
根據(jù)在權(quán)利要求5中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，提供相似性的非常有效的最大化，這可實(shí)現(xiàn)健壯配準(zhǔn)。
根據(jù)在權(quán)利要求6中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，該方法從放射治療計(jì)劃(自適應(yīng)RTP)中的追蹤研究應(yīng)用于計(jì)算機(jī)斷層造影切片(CT切片)。
根據(jù)在權(quán)利要求7中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，提供一種圖像處理裝置，基于力場(chǎng)、例如存在高斯形力在若干點(diǎn)施加于第一圖像的假設(shè)和這個(gè)力場(chǎng)參數(shù)的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)第一圖像和第二圖像的健壯配準(zhǔn)。
根據(jù)在權(quán)利要求8中提出的本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，提供一種計(jì)算機(jī)程序，該程序可實(shí)現(xiàn)第一圖像和第二圖像的改進(jìn)配準(zhǔn)。該計(jì)算機(jī)程序可采用任何合適的編程語(yǔ)言、如C++來(lái)編寫，并可被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀裝置、如CD-ROM中。然而，根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序也可存在于網(wǎng)絡(luò)、如萬(wàn)維網(wǎng)中，從網(wǎng)絡(luò)中可將它下載到例如處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。
假設(shè)源圖像是彈性材料的，以及例如高斯形的力的局部分布的力場(chǎng)在若干點(diǎn)施加于源圖像，這可看作是本發(fā)明的示范實(shí)施例的要點(diǎn)。然后，執(zhí)行力場(chǎng)參數(shù)的改變或優(yōu)化，例如力作用于圖像的點(diǎn)和強(qiáng)度，以便增加或最大化第一圖像和第二圖像之間的相似性。有利的是，通過(guò)在圖像中同時(shí)找到控制點(diǎn)、即力作用于圖像的點(diǎn)的最佳位置以及優(yōu)化各個(gè)控制點(diǎn)的局部影響，這可允許改進(jìn)基于點(diǎn)的配準(zhǔn)范例。與基于地標(biāo)的內(nèi)插方案相比，根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的控制點(diǎn)不是相互依賴的，這可能會(huì)得到計(jì)算效率更高的配準(zhǔn)方法。
參考下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將會(huì)變得清晰。
參考下面的圖，下面將描述本發(fā)明的示范實(shí)施例。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的圖像處理裝置的示意表示，適合執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的方法。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的方法的示范實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的方法的示范實(shí)施例獲得的九個(gè)力施加點(diǎn)的配準(zhǔn)結(jié)果。
圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的圖像處理裝置的示范實(shí)施例，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的示范實(shí)施例。圖1中描繪的圖像處理裝置包括連接到用于存儲(chǔ)第一圖像和第二圖像、力場(chǎng)的參數(shù)、相似值以及例如源圖像配準(zhǔn)到參考圖像所需的形變的存儲(chǔ)器2的中央處理器(CPU)或圖像處理器1。圖像處理器1可被連接到多個(gè)輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)或診斷裝置、例如MR裝置或CT裝置或超聲波掃描儀。圖像處理器還被連接到用于顯示在圖像處理器1中被計(jì)算或調(diào)整的信息或圖像的顯示裝置4(例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器)。操作者可通過(guò)鍵盤5和/或其它在圖1中沒(méi)有描繪的輸入/輸出裝置與圖像處理器1交互。
盡管事實(shí)上下面描述的方法參考醫(yī)學(xué)應(yīng)用，特別是在自適應(yīng)放射治療計(jì)劃(RTP)中的應(yīng)用，還是應(yīng)該指出本發(fā)明可應(yīng)用于需要被配準(zhǔn)的任何多維數(shù)據(jù)集或圖像。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于產(chǎn)品的質(zhì)量測(cè)試，其中實(shí)際產(chǎn)品的圖像與參考產(chǎn)品的圖像相比較。該方法還可應(yīng)用于材料測(cè)試，例如，用于在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)感興趣對(duì)象的變化。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的方法的示范實(shí)施例的流程圖。
如從圖1中可看出的，在步驟S1開始之后，在步驟S2中假設(shè)源圖像是彈性的，具有一定的彈性。然后，在接下來(lái)的步驟S3中，確定源圖像和參考圖像之間的相似性。然后，在接下來(lái)的步驟S4中，將力場(chǎng)施加于源圖像。隨后在接下來(lái)的步驟S5中，改變力場(chǎng)的參數(shù)，以便使源圖像和參考圖像之間的相似性最大。然后，在接下來(lái)的步驟S6中，根據(jù)力場(chǎng)的優(yōu)化參數(shù)確定要被配準(zhǔn)到參考圖像的源圖像所需的形變。然后，方法繼續(xù)到步驟S7，在那里結(jié)束。
下面進(jìn)一步詳細(xì)描述上面的方法。
如上面提到的，在步驟S2中，假設(shè)源圖像為彈性介質(zhì)?？捎糜谑箞D像變形的最簡(jiǎn)單模型由線性彈性方程(Navier方程)控制Δui+11-2v▿(▿·u)=-2(1+v)EFi,i=1,2,3,]]>其中ui和Fi是位移分量和力場(chǎng)分量，v是泊松比，E是楊氏模量。通常，通過(guò)有限差分法或有限元法在數(shù)值上求解Navier方程。然而，對(duì)于一些特殊的力類型，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，可應(yīng)用解析解法?；诮馕鼋夥ǖ摹⒏鶕?jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例可應(yīng)用的若干基于樣條的配準(zhǔn)方法可見于例如M.H.Davis、A.Khotanzad、D.P.Flaming和S.E.Harms，“用于3維圖像匹配的基于物理學(xué)的坐標(biāo)變換”，IEEE Transactions on Medical Imaging，16(3)317-328，1997年6月；J.Kohlrausch、K.Rohr和H.S.Stiehl，“一種新類型的用于醫(yī)學(xué)圖像的非剛性配準(zhǔn)的彈性體樣條”，在In Proc.WorkshopBildverarbeitung in der Medizin 2001，164-168頁(yè)，L″ubeck，德國(guó)，2001年3月，這些都通過(guò)引用結(jié)合于本文中。
根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例，高斯形的力在若干點(diǎn)施加于源圖像，對(duì)于高斯力F(γ)=f(2πσ)3exp(-γ22σ2),γ=|r|=|x12+x22+x32|]]>根據(jù)E.Gladiline.Theoretische und experimentelle Untersuchung derlinearelastischen Randelementmethode zur Registrierung medizinischerBilder.畢業(yè)論文，Hamburg大學(xué)，1999年，給出了Navier方程的解析解法，通過(guò)引用結(jié)合于本文中為u=1+v8πE(1-v){fΦf+eγ(eγ·f)Φγ},]]>其中Φf=2σ{(3-4v)erf(ξ)2ξ+erf(ξ)4ξ3+erf(-ξ2)2πξ2},]]>Φγ=2σ{(3-4v)erf(ξ)2ξ+erf(ξ)4ξ3+erf(-ξ2)2πξ2},ξ=γ2σ,]]>er是沿半徑向量r的方向的單位向量。
根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例，確定使源圖像和參考圖像之間的某種相似性量度最大的力場(chǎng)。本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，例如象上文已經(jīng)提到的，是自適應(yīng)放射治療計(jì)劃(RTP)，其中拍攝同一病人的若干CT掃描，以便跟蹤治療期間的解剖變化。對(duì)這樣的案例，圖像之間的差的平方是合適的相似性量度。然而，差的平方或還有其它相似性量度，例如互信息或互相關(guān)，可用于其它應(yīng)用場(chǎng)景。
假設(shè)以圖像之間的差的平方作為相似性量度，下面的式子允許參數(shù)最小化，這使圖像之間的相似性量度M最大argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>其中V是圖像域，It和T(Is)表示目標(biāo)圖像和被變換的源圖像的強(qiáng)度，p是施加高斯力所在的點(diǎn)向量。σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差，v是泊松比，x是坐標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例，力采用所選控制點(diǎn)的位移ur＝0定義，如下面的等式所表達(dá)的f=3(2π)3σE(1-v)(5-6v)(1+v)u|γ=0.]]>因此，根據(jù)上述本發(fā)明的示范實(shí)施例，優(yōu)化問(wèn)題可被闡述為搜索源圖像中給定的一組控制點(diǎn)pi的最佳位置以及它們的最佳位移。而且，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例的一個(gè)變體，施加在第i控制點(diǎn)pi的高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差σi和泊松比v作為附加參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例的進(jìn)一步變體，楊氏模量E可被認(rèn)為是力和位移之間的比例系數(shù)。
上面描述的方法可允許每個(gè)控制點(diǎn)pi的局部影響的自適應(yīng)控制，以及針對(duì)源圖像的彈性使用優(yōu)化彈性材料特性。如上文提到的，上面闡述的優(yōu)化問(wèn)題可采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值優(yōu)化技術(shù)來(lái)解決，例如，在J.A.Nelder和R.Mead.A simplex method for function minimization，Computer Journal，(7)308-313，1965中描述的下山單純形法，通過(guò)引用結(jié)合于本文中。
在圖3中，示出從追蹤RTP研究中應(yīng)用上述方法到CT切片的示范圖像。為了初始化，在源圖像中任意放置9個(gè)力施加點(diǎn)。在圖3的底端行，示出未配準(zhǔn)和配準(zhǔn)的差異圖像。底端行的左邊示出未配準(zhǔn)的差異圖像，底端行的右邊示出配準(zhǔn)的圖像。頂端行在左邊示出源圖像，在右邊示出目標(biāo)圖像。如從配準(zhǔn)的差異圖像(底端行右邊的圖像)可看出的，可獲得好的配準(zhǔn)結(jié)果。
有利的是，如上所述的本發(fā)明通過(guò)同時(shí)找到圖像中控制點(diǎn)的最佳位置以及優(yōu)化各個(gè)控制點(diǎn)的局部影響，改進(jìn)了基于點(diǎn)的配準(zhǔn)范例。與基于地標(biāo)的內(nèi)插方案相比，根據(jù)本發(fā)明的方法中的控制點(diǎn)不是相互依賴的，有可能產(chǎn)生計(jì)算效率更高的配準(zhǔn)方法。本配準(zhǔn)概念有可能采用備選的物理模型、諸如流體動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該指出，盡管事實(shí)上以上發(fā)明是參照CT圖像來(lái)描述的，本發(fā)明也可應(yīng)用于磁共振圖像(MRI)、正電子發(fā)射斷層造影圖像(PET)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層造影圖像(SPECT)或超聲波形態(tài)(US)。也可使用其它數(shù)據(jù)集。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的方法，所述方法包括以下步驟假設(shè)第一圖像是彈性材料的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性；其中所述力場(chǎng)是根據(jù)解析式來(lái)確定的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定所述力場(chǎng)的至少一個(gè)第一參數(shù)以使所述相似性最大。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定與第一圖像的彈性相關(guān)的至少一個(gè)第二參數(shù)以使所述相似性最大。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)第一參數(shù)包括所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力的力強(qiáng)度、所述力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力的力方向、所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力作用于第一圖像所在的至少一個(gè)位置、所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力的形式、作為所述力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力施加的高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及泊松比其中的至少一項(xiàng)。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過(guò)使下式最小化來(lái)優(yōu)化所述力場(chǎng)的至少一個(gè)參數(shù)argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>M是相似性量度，It和T(Is)表示第一圖像和第二圖像的強(qiáng)度，p表示施加高斯力f(p)所在的點(diǎn)向量，σ表示高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，v表示泊松比，x表示坐標(biāo)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法應(yīng)用于與RTP、MRI、SPECT、PET和US其中之一相關(guān)的數(shù)據(jù)集。
7.圖像處理裝置，包括
用于存儲(chǔ)第一圖像和第二圖像的存儲(chǔ)器；以及用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的圖像處理器，其中所述圖像處理器適合執(zhí)行以下操作假設(shè)第一圖像是彈性的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性；其中所述力場(chǎng)是根據(jù)解析式來(lái)確定的。
8.用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的軟件程序，其中，當(dāng)在處理器上執(zhí)行所述軟件程序時(shí)，所述軟件程序使所述處理器執(zhí)行以下操作假設(shè)第一圖像是彈性的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性；其中所述力場(chǎng)是根據(jù)解析式來(lái)確定的。
權(quán)利要求
1.配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的方法，所述方法包括以下步驟假設(shè)第一圖像是彈性材料的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定所述力場(chǎng)的至少一個(gè)第一參數(shù)以使所述相似性最大。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定與第一圖像的彈性相關(guān)的至少一個(gè)第二參數(shù)以使所述相似性最大。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)第一參數(shù)包括所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力的力強(qiáng)度、所述力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力的力方向、所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力作用于第一圖像所在的至少一個(gè)位置、所述力場(chǎng)的至少一個(gè)力的形式、作為所述力場(chǎng)的力中的至少一個(gè)力施加的高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及泊松比其中的至少一項(xiàng)。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過(guò)使下式最小化來(lái)優(yōu)化所述力場(chǎng)的至少一個(gè)參數(shù)argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>M是相似性量度，It和T(Is)表示第一圖像和第二圖像的強(qiáng)度，p表示施加高斯力f(p)所在的點(diǎn)向量，□表示高斯力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，v表示泊松比，x表示坐標(biāo)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法應(yīng)用于與RTP、MRI、SPECT、PET和US其中之一相關(guān)的數(shù)據(jù)集。
7.圖像處理裝置，包括用于存儲(chǔ)第一圖像和第二圖像的存儲(chǔ)器；以及用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的圖像處理器，其中所述圖像處理器適合執(zhí)行以下操作假設(shè)第一圖像是彈性的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性。
8.用于配準(zhǔn)第一圖像和第二圖像的軟件程序，其中，當(dāng)在處理器上執(zhí)行所述軟件程序時(shí)，所述軟件程序使所述處理器執(zhí)行以下操作假設(shè)第一圖像是彈性的，以致于它具有彈性；確定第一圖像和第二圖像之間的相似性；以及確定力場(chǎng)，所述力場(chǎng)施加于第一圖像時(shí)增加所述相似性。
全文摘要
本發(fā)明旨在改進(jìn)基于點(diǎn)的彈性配準(zhǔn)范例。根據(jù)本發(fā)明，將例如具有高斯形的力的力場(chǎng)在若干點(diǎn)施加于圖像使之變形。在該例中，不需要地標(biāo)對(duì)應(yīng)并自動(dòng)找到力施加點(diǎn)的最佳位置，這使源圖像和目標(biāo)圖像之間的差異最小。這可有利地允許控制各個(gè)控制點(diǎn)的局部影響。
文檔編號(hào)G06T7/00GK1890693SQ200480036065
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者V·佩卡, D·拜斯特羅夫, M·考斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司