專利名稱：多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法及基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法
多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法及基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理，尤其涉及一種多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法及基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，國內(nèi)介入導(dǎo)航系統(tǒng)主要針對骨骼和腦科手術(shù)，以及多基于超聲影像的配準(zhǔn)。由于骨骼的剛性特點，使術(shù)前影像和病人之間的配準(zhǔn)比較容易通過骨骼上的標(biāo)志點完成剛性配準(zhǔn)，也能達(dá)到比較好的治療精度。但對于肝臟等軟組織的外科手術(shù)，因為呼吸或手術(shù)器械的作用，無可避免地會造成肝臟的位移和變形。此時，基于特征點的剛性配準(zhǔn)就不再適用了。而且一般的超聲圖像噪聲大和邊緣不清晰，由于超聲圖像的成像技術(shù)局限，基于超聲的高精度圖像配準(zhǔn)方法尚處于研究階段。而且配準(zhǔn)速度是針對肝臟等易變形組織的彈性配準(zhǔn)技術(shù)的技術(shù)重點、難點。因此，目前的介入導(dǎo)航系統(tǒng)在配準(zhǔn)的實時性、提供三維圖像信息、手術(shù)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航精確性等方面均有所欠缺。由于不同的影像設(shè)備采用不同的成像方法采集圖像，每種成像原理只能有效地反映某種器官的信息，例如CT能清晰顯示人體骨骼，而MRI設(shè)備則有利于顯示軟性組織。目前還沒有一種成像技術(shù)能夠全面地獲取人體器官信息，且快速準(zhǔn)確的將各種器官信息的圖像配準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種快速準(zhǔn)確的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法。一種多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，包括以下步驟將參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像；采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)；增大采樣比例重復(fù)上述步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。優(yōu)選地，所述對參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照采樣比例進(jìn)行采樣的步驟具體包括將所述參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化；以采樣比例對256個灰度級進(jìn)行采樣。優(yōu)選地，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I次，其中，根據(jù)參考圖像及待配準(zhǔn)圖像的分辨率設(shè)置第一采樣比例及重復(fù)采樣比例。優(yōu)選地，采樣的方法采用如下方式之一隨機采樣、等間隔采樣以及金字塔分層采樣。優(yōu)選地，針對配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，設(shè)置第一采樣及重復(fù)采樣的搜索步長、收斂條件中的松弛因子、最大迭代次數(shù)、B樣條曲面大小。優(yōu)選地，所述計算配準(zhǔn)測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準(zhǔn)測度。優(yōu)選地，配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時，將所述參考圖像與待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行絕對配準(zhǔn)， 其中在絕對配準(zhǔn)中定義B樣條控制網(wǎng)格。此外，還有必要提供一種快速準(zhǔn)確的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法。一種基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，用于根據(jù)術(shù)前CT圖像建立的三維圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后的手術(shù)導(dǎo)航，包括如下步驟采用數(shù)字影像重建技術(shù)對術(shù)前CT圖像進(jìn)行重建得到DRR(digitally reconstructed radiography,數(shù)字重建圖像)圖像；將DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)并不斷改變DRR圖像在模擬X射線成像設(shè)備中的空間位置參數(shù)，獲得空間位置參數(shù)不同時的配準(zhǔn)測度；通過優(yōu)化算法搜索出配準(zhǔn)測度到達(dá)閾值時的空間位置參數(shù)即為DRR圖像在模擬X 射線的空間定位參數(shù)；獲取DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像相似度最大時的歐拉轉(zhuǎn)換參數(shù)作為將術(shù)前的CT圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到核磁共振圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；根據(jù)所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)結(jié)合所述術(shù)前CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航；其中，所述將DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的步驟包括對DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像；采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)；增大采樣比例重復(fù)上述配準(zhǔn)步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。優(yōu)選地，所述對DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像的步驟具體包括將所述DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化；以所述第一采樣比例對256個灰度級進(jìn)行采樣。優(yōu)選地，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I次，其中，根據(jù)參考圖像及待配準(zhǔn)圖像的分辨率設(shè)置第一采樣比例及重復(fù)采樣比例。優(yōu)選地，針對配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，設(shè)置第一采樣及重復(fù)采樣的搜索步長、收斂條件中的松弛因子、最大迭代次數(shù)、B樣條曲面大小。優(yōu)選地，所述計算配準(zhǔn)測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準(zhǔn)測度。優(yōu)選地，配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時，將所述DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行絕對配準(zhǔn)，其中在絕對配準(zhǔn)中定義B樣條控制網(wǎng)格。優(yōu)選地，所述根據(jù)所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)結(jié)合所述術(shù)前CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航的步驟包括
將相似度最大的術(shù)前的CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像根據(jù)空間匹配關(guān)系進(jìn)行圖像融合，并根據(jù)所述融合后的圖像獲取手術(shù)導(dǎo)航路徑。上述多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，采用多層分辨率圖像配準(zhǔn)實現(xiàn)方法，同時以B樣條曲面作為變形模型，能夠快速準(zhǔn)確的將參考圖像與待配準(zhǔn)圖像找到兩者的配準(zhǔn)測度閾值，實現(xiàn)準(zhǔn)確的圖像配準(zhǔn)。上述基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，采用多層分辨率圖像配準(zhǔn)實現(xiàn)方法， 同時以B樣條曲面作為變形模型，能夠快速準(zhǔn)確的將參考圖像與待配準(zhǔn)圖像找到兩者的配準(zhǔn)測度閾值，實現(xiàn)準(zhǔn)確的圖像配準(zhǔn)，并對配準(zhǔn)后的圖像進(jìn)行融合，可得到多源信道采集的到關(guān)于同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)的各信道中的有利信息。

圖I為多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法的流程圖；圖2為提取感興趣區(qū)域的示意圖；圖3為縮小B樣條網(wǎng)格控制區(qū)域的示意圖；圖4(a)至圖4(c)為多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法實現(xiàn)過程示意圖；圖5為基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法的流程圖。
具體實施方式因為多模態(tài)圖像是取自不同的成像裝置和不同拍攝時間下的圖像。因此參考圖像即術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)中的目標(biāo)圖像與待配準(zhǔn)圖像即術(shù)中的圖像并不相同，例如，兩者不在同一層，或者兩種圖像會有變形或者位置偏移，因此需要適時校正。因此本發(fā)明采用如下的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法。如圖I所示，為一種多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法的流程圖，包括以下步驟步驟S110，將參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像。在本實施例中，步驟SllO中對參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照采樣比例進(jìn)行采樣的步驟具體包括①將所述參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化。②以采樣比例對256個灰度級進(jìn)行采樣。在本實施例中，采樣的方法采用如下方式之一隨機采樣、等間隔采樣以及金字塔分層采樣。優(yōu)選地，采用金字塔分層采樣。圖像配準(zhǔn)是對取自不同時間、不同傳感器或者不同視角的同一場景的多幅圖像匹配的過程。一般來說，CT圖像和MRI的原始圖像分辨率都可以達(dá)到各種高分辨率。因此將圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化，以一定比例對全部256個灰度級的數(shù)據(jù)采樣，并采用采樣子集代替所有像素數(shù)據(jù)計算相似性測度，即每一次的配準(zhǔn)采用不同的圖像分辨率。在本實施例中，在每次采用不同分辨率配準(zhǔn)過程中都采用3次B樣條曲面作為空間轉(zhuǎn)換函數(shù)，且根據(jù)不同尺度的配準(zhǔn)需要，可以在每層的配準(zhǔn)過程中采用大小不同的B樣條曲面作為變形模型。優(yōu)選地，根據(jù)多模態(tài)圖像的實際分辨率采用大小不同的B樣條曲面作為變形模型。
步驟S120，采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)。在本實施例中，計算配準(zhǔn)測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準(zhǔn)測度?；バ畔⑹切畔⒗碚撝械囊粋€基本概念，用于描述兩個系統(tǒng)間的統(tǒng)計相關(guān)性，或者是一個系統(tǒng)中所包含的另一個系統(tǒng)中信息的量。其中，在配準(zhǔn)測度中，由于方差和均方差是測度數(shù)據(jù)變異程度的最重要、最常用的指標(biāo)，因此常采用歸一化的形式。在本實施例中，針對配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，設(shè)置第一采樣及重復(fù)采樣的搜索步長、收斂條件中的松弛因子、最大迭代次數(shù)、B樣條曲面大小。在本實施例中，針對第一采樣的配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，其中搜索步長為10mm、收斂條件中的松弛因子為0. 7、最大迭代次數(shù)為200、采用5X5的B樣條曲面作為形變模型；針對重復(fù)采樣的配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用LBFG算法，其中搜索步長為0. 1_、梯度收斂公差為0. 05，最大迭代次數(shù)為1000次、采用10X10的B樣條曲面作為形變模型。第一配準(zhǔn)參數(shù)包括像素、收縮系數(shù)及振幅長度等。步驟S130，增大采樣比例重復(fù)上述步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。將上一次的配準(zhǔn)參數(shù)作為下一次的初始配準(zhǔn)參數(shù)，能夠提高兩次配準(zhǔn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在本實施例中，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I次，其中，根據(jù)參考圖像及待配準(zhǔn)圖像的分辨率設(shè)置第一采樣比例及重復(fù)采樣比例。在本實施例中，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I次，其中，第一采樣比例為0. 3，重復(fù)采樣比例為0.6。如表I示，為圖像配準(zhǔn)結(jié)果，包括配準(zhǔn)前的互信息值、第一配準(zhǔn)結(jié)果和第二配準(zhǔn)結(jié)果配準(zhǔn)完成后的配準(zhǔn)結(jié)果與參考圖像的互信息的對比。
權(quán)利要求
1.一種多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，包括以下步驟將參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像；采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)；增大采樣比例重復(fù)上述步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述對參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照采樣比例進(jìn)行采樣的步驟具體包括將所述參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化；以采樣比例對256個灰度級進(jìn)行采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I 次，其中，根據(jù)參考圖像及待配準(zhǔn)圖像的分辨率設(shè)置第一采樣比例及重復(fù)采樣比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任意一項所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，采樣的方法采用如下方式之一隨機采樣、等間隔采樣以及金字塔分層采樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，針對配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，設(shè)置第一采樣及重復(fù)采樣的搜索步長、收斂條件中的松弛因子、最大迭代次數(shù)、B樣條曲面大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述計算配準(zhǔn)測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準(zhǔn)測度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時，將所述參考圖像與待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行絕對配準(zhǔn)，其中在絕對配準(zhǔn)中定義B樣條控制網(wǎng)格。
8.一種基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，用于根據(jù)術(shù)前CT圖像建立的三維圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后的手術(shù)導(dǎo)航，包括如下步驟采用數(shù)字影像重建技術(shù)對術(shù)前CT圖像進(jìn)行重建得到DRR圖像；將DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)并不斷改變DRR圖像在模擬X射線成像設(shè)備中的空間位置參數(shù)，獲得空間位置參數(shù)不同時的配準(zhǔn)測度；通過優(yōu)化算法搜索出配準(zhǔn)測度到達(dá)閾值時的空間位置參數(shù)即為DRR圖像在模擬X射線中的空間定位參數(shù)；取DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像相似度最大時的歐拉轉(zhuǎn)換參數(shù)作為將術(shù)前的CT圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到核磁共振圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；根據(jù)所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)結(jié)合所述術(shù)前CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航； 其中，所述將DRR圖像與術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的步驟包括對DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像；采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)；增大采樣比例重復(fù)上述配準(zhǔn)步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，所述對 DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像的步驟具體包括將所述DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像的像素灰度值進(jìn)行歸一化；以所述第一采樣比例對256個灰度級進(jìn)行采樣。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，采樣及配準(zhǔn)的步驟重復(fù)I次，其中，根據(jù)參考圖像及待配準(zhǔn)圖像的分辨率設(shè)置第一采樣比例及重復(fù)采樣比例。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，針對配準(zhǔn)優(yōu)化算法采用梯度下降算法，設(shè)置第一采樣及重復(fù)采樣的搜索步長、收斂條件中的松弛因子、最大迭代次數(shù)、B樣條曲面大小。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，所述計算配準(zhǔn)測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準(zhǔn)測度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時，將所述DRR圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行絕對配準(zhǔn)，其中在絕對配準(zhǔn)中定義B樣條控制網(wǎng)格。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法，其特征在于，所述根據(jù)所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)結(jié)合所述術(shù)前CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航的步驟包括將相似度最大的術(shù)前的CT圖像和術(shù)中的核磁共振圖像根據(jù)空間匹配關(guān)系進(jìn)行圖像融合，并根據(jù)所述融合后的圖像獲取手術(shù)導(dǎo)航路徑。
全文摘要
一種多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法，包括以下步驟將參考圖像和待配準(zhǔn)圖像按照第一采樣比例進(jìn)行采樣獲取具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像；采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的參考圖像和待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、計算配準(zhǔn)測度并獲得第一配準(zhǔn)參數(shù)；增大采樣比例重復(fù)上述步驟直至配準(zhǔn)測度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值；其中，每次增大采樣比例后進(jìn)行配準(zhǔn)時均以上一次的配準(zhǔn)參數(shù)為初始配準(zhǔn)參數(shù)。此外還提供一種基于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的手術(shù)導(dǎo)航方法。
文檔編號G06K9/62GK102592137SQ20111044477
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者孫強, 杜如虛, 林永楷, 謝小輝, 馬翠 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院