一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法。該方法基于FLTK、VTK、IRTK技術(shù)，提供友好操作界面以及可視化功能，簡化復(fù)雜的算法參數(shù)配置過程，方便配準操作，實現(xiàn)多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準工作；提供圖像去燥聲預(yù)處理，以提高圖像質(zhì)量，減少噪聲對配準精度的影響；針對目標圖像與源圖像存在較大坐標位置差異的情況，提供點集配準方法完成坐標位置粗配準，為后續(xù)剛性、仿射以及非線性配準的實施做初始化；支持多種配準方法的級聯(lián)工作模式，以提高配準效率；采用多線程編程技術(shù)，實現(xiàn)配準的中間過程實時動態(tài)顯示，方便了解和監(jiān)測配準過程；配準結(jié)果自動輸出并保存；利用所述配準結(jié)果的變換矩陣并加上平滑限制項，可實現(xiàn)微分同胚變換和快速分割功能。
【專利說明】
一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及計算機應(yīng)用技術(shù)與醫(yī)學(xué)圖像配準技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于IRTK、VTK和FLTK技術(shù)的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，醫(yī)學(xué)圖像在醫(yī)療診斷、計劃治療、引導(dǎo)治療以及疾病監(jiān)測過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。得益于豐富多樣的醫(yī)學(xué)成像模態(tài)(如CT、MR1、PET等)，現(xiàn)代醫(yī)療影像技術(shù)正改變著傳統(tǒng)醫(yī)療的診斷和治療方式。在醫(yī)學(xué)圖像分析時，通常需將這些多模態(tài)圖像信息綜合到一起以便進行疾病分析和診斷，在這一過程中，醫(yī)學(xué)圖像配準技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所謂的醫(yī)學(xué)圖像配準技術(shù)就是通過尋找一個最優(yōu)的幾何變換，通過該變換使得來自不同時間或不同條件下的兩幅或多幅醫(yī)學(xué)圖像達到空間位置上的一致，這種一致是指人體上的同一解剖點或者具有診斷意義的點在兩張或者多張匹配圖像上相同的空間位置，目的在于檢測和修正患者的擺位誤差、靶區(qū)和正常組織形狀改變、移位或者退縮等變化。例如，在腫瘤分次放療過程中，由于患者擺位的誤差、或因治療反應(yīng)，導(dǎo)致靶區(qū)和危機器官的形狀改變、移位和退縮等因素引起放療劑量分布發(fā)生變化，造成靶區(qū)受劑量減少而危機器官的受劑量增加的情況，影響放療效果，增加并發(fā)癥發(fā)生概率。通過醫(yī)學(xué)圖像配準技術(shù)綜合不同圖像上的解剖結(jié)構(gòu)信息，可快速判斷放療過程中解剖學(xué)部位的移位、退縮和變形情況，并快速計算和評估解剖結(jié)構(gòu)位置的變化對劑量分布的影響，以決定是否修改和重新制定放療計劃。
[0003]多年以來，已有大量的文獻致力于醫(yī)學(xué)圖像配準算法和技術(shù)的研究，并取得了豐富的研究成果;伴隨著配準技術(shù)的發(fā)展，一些醫(yī)學(xué)圖像配準方法應(yīng)運而生，應(yīng)用于臨床上或者協(xié)助研究人員進行配準算法的研究。ITK和VTK是目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用較為廣泛的兩個算法平臺，其中ITK提供豐富的醫(yī)學(xué)圖像分割和配準算法，但缺乏可視化;VTK則致力于通用數(shù)據(jù)可視化過程，具有強大的三維圖像功能。在臨床應(yīng)用領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)圖像配準系統(tǒng)具備前沿、優(yōu)秀的配準技術(shù)，并提供友好的圖形操作用戶界面及圖像數(shù)據(jù)可視化功能顯得非常重要。特別對于不熟悉算法參數(shù)配置的使用者，通過簡單、易交互的圖形操作界面便能夠完成復(fù)雜的配準工作，不僅提高了配準工作效率，而且通過圖像數(shù)據(jù)可視化功能獲得直觀、豐富的圖像信息，極大方便醫(yī)生根據(jù)呈現(xiàn)在屏幕上的圖像信息進行疾病預(yù)測、診斷、制定治療計劃以及開展教育教學(xué)等工作。不少研究人員和軟件開發(fā)者直接基于ITK和VTK等算法平臺進行新平臺的開發(fā)。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號CNl 0495 2078A，【公開日】為2015.09.30，專利名稱為:一種基于ITK/VTK和QT技術(shù)的圖像配準方法，該專利自述為:“公開一種圖像配準方法，利用ITK算法對三維圖像進行配準，利用VTK進行三維顯示，QT負責(zé)制作程序界面”。其不足之處是:該方法缺乏對圖像數(shù)據(jù)去噪聲預(yù)處理;配準過程只顯示迭代的數(shù)據(jù)和最后得到的配準結(jié)果，而不能實時動態(tài)顯示中間配準結(jié)果;不能提供目標圖像和源圖像的多種疊加交互顯示。該方法不能完成空間坐標位置差異巨大的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準;該方法不能提供多種配準方法的級聯(lián);無法根據(jù)配準結(jié)果的變換矩陣，快速完成快速分割以及微分同胚變換(即:通過同一變換參數(shù)，實現(xiàn)目標圖像到源圖像的逆向配準過程)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目是提供一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，該方法基于IRTK、VTK和FLTK技術(shù)，具備友好的圖像配準操作界面及可視化功能，簡化了復(fù)雜的算法參數(shù)配置過程，提高配準效率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，包括如下步驟，
S1:提供一多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化系統(tǒng)，包括用戶交互控制單元、圖像配準單元、三維重建單元、可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元和數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元;所述用戶交互控制單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出及預(yù)處理;所述圖像配準單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的配準;所述三維重建單元用于將所述用戶交互控制單元輸入的圖像數(shù)據(jù)或經(jīng)所述圖像配準單元配準后的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建，并傳輸給可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元;所述可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元用于交互顯示實時圖像數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果和配準結(jié)果變換矩陣的輸出與保存；
S2:通過所述用戶交互控制單元導(dǎo)入三維體數(shù)據(jù)，在可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像數(shù)據(jù)顯示窗口中分別顯示三維體數(shù)據(jù)的橫斷面、冠狀面、矢狀面以及經(jīng)三維重建后的三維圖像；
S3:通過用戶交互控制單元對導(dǎo)入的目標圖像及源圖像采用中值濾波法進行去噪聲等預(yù)處理，減少噪聲對配準精度的影響，若圖像分辨率超過一預(yù)定閾值，還需在去噪聲處理之后采用重采樣方法，適當(dāng)降低圖像分辨率，減少配準過程的計算量；
S4:通過圖像配準單元對經(jīng)步驟S3處理后的圖像數(shù)據(jù)采用包括點集配準、剛性配準、仿射配準、非線性配準中的一種或多種配準方法級聯(lián)的方式進行配準，并經(jīng)數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元輸出圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果及配準結(jié)果變換矩陣。
[0007]在本發(fā)明一實施例中，所述用戶交互控制單元通過FLTK實現(xiàn)，具體包括圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、去噪重采樣模塊和圖像操作模塊，所述圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出，所述去噪重采樣模塊用于對輸入的圖像數(shù)據(jù)進行去噪重采樣處理，所述圖像操作模塊用于對顯示于可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放及切換視圖模式等操作。
[0008]在本發(fā)明一實施例中，所述三維重建單元采用VTK完成三維重構(gòu)，具有面繪制和體繪制功能。
[0009]在本發(fā)明一實施例中，所述圖像配準單元是基于IRTK技術(shù)實現(xiàn)，配準步驟具體如下:(I)導(dǎo)入目標圖像和源圖像；(2)確定目標圖像和源圖像的數(shù)據(jù)大小和類型；(3)確定是否進行圖像數(shù)據(jù)去燥或重采樣預(yù)處理;(4)確定配準過程中所采用的變換模型，并根據(jù)不同的變換模型設(shè)置相應(yīng)的相似性度量方法、插值方法、以及優(yōu)化方法的算法參數(shù)；(5)確定是否采用多種配準方法級聯(lián)；(6)確定是否定義感興趣區(qū)域;(7)執(zhí)行圖像配準工作，并輸出保存配準結(jié)果。
[0010]在本發(fā)明一實施例中，所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)微分同胚變換，即通過配準結(jié)果的變換矩陣，加上平滑限制項，完成目標圖像到源圖像的逆向配準;還能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)快速分割，即對源圖像進行分割后，加上配準結(jié)果變換矩陣即可得到目標圖像的分割圖像。
[0011 ]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明使用了 IRTK/VTK和FLTK技術(shù)實現(xiàn)多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化功能，提供了一款界面友好、易交互、可視化的圖像配準系統(tǒng)，通過友好的圖形用戶操作界面以及圖像數(shù)據(jù)的可視化功能，簡化復(fù)雜的算法參數(shù)配置過程，達到方便、快捷地完成復(fù)雜配準工作的目的，改變以往算法工具通過命令行進行圖像配準;配準前使用圖像去燥預(yù)處理方法提高配準精度;支持多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(如CT和MR1、MRI和MR1、CT和CT等醫(yī)學(xué)圖像之間的配準)；提供多種配準方法的級聯(lián)工作模式，提高配準效率;配準的中間過程實時動態(tài)顯示，提高了視覺效果和既視感，方便了解和監(jiān)測配準動態(tài);提供目標圖像和源圖像多種疊加視圖模式，方便觀察配準的匹配情況;根據(jù)源圖像映射到目標圖像的變換矩陣，可實現(xiàn)微分同胚變換和快速分割功能。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)整體框圖。
[0013]圖2為本發(fā)明配準流程圖。
[0014]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)主界面圖。
[0015]圖4為本發(fā)明同一宮頸癌患者的內(nèi)、外照射MRI三維圖像的點集配準與非線性配準結(jié)果圖。
[0016]圖5為本發(fā)明同一患者的二維人腦的Tl-weighted MRI和T2_weighted MRI的帶噪聲圖像(上)、去燥聲后的圖像(中)和非線性配準結(jié)果圖像(下)。
[0017]圖6為本發(fā)明同一患者的三維CT圖像和MRI圖像的配準結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，包括如下步驟，
S1:提供一多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化系統(tǒng)，包括用戶交互控制單元、圖像配準單元、三維重建單元、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元和可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元;所述用戶交互控制單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出及預(yù)處理;所述圖像配準單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的配準;所述三維重建單元用于將所述用戶交互控制單元輸入的圖像數(shù)據(jù)或經(jīng)所述圖像配準單元配準后的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建后，并傳輸給可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元;所述可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元用于交互顯示實時圖像數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果和配準結(jié)果變換矩陣的輸出與保存；
S2:通過所述用戶交互控制單元導(dǎo)入三維體數(shù)據(jù)，在可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像數(shù)據(jù)顯示窗口中分別顯示三維體數(shù)據(jù)的橫斷面、冠狀面、矢狀面以及經(jīng)三維重建后的三維圖像；
S3:通過用戶交互控制單元對讀取的目標圖像及源圖像進行去噪聲處理，以減少噪聲對配準精度的影響，若圖像分辨率超過一預(yù)定閾值，還需在去噪聲處理之前采用重采樣方法，降低圖像分辨率；
S4:通過圖像配準單元對經(jīng)步驟S3處理后的圖像數(shù)據(jù)采用包括點集配準、剛性配準、仿射配準、非線性配準中的一種或多種配準方法級聯(lián)的方式進行配準，并經(jīng)數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元輸出圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果及配準結(jié)果變換矩陣。
[0020]所述用戶交互控制單元通過FLTK實現(xiàn)，具體包括圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、去噪重采樣模塊和圖像操作模塊，所述圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出，所述去噪重采樣模塊用于對輸入的圖像數(shù)據(jù)進行去噪重采樣處理，所述圖像操作模塊用于對顯示于可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放及切換視圖模式的操作。所述三維重建單元采用VTK完成三維重構(gòu)，具有面繪制和體繪制功能。所述圖像配準單元是基于IRTK技術(shù)實現(xiàn)，如圖2所示，配準步驟具體如下:(I)導(dǎo)入目標圖像和源圖像;(2)確定目標圖像和源圖像的數(shù)據(jù)大小和類型；(3)確定是否進行圖像數(shù)據(jù)去燥或重采樣預(yù)處理；(4)確定配準過程中所采用的變換模型，并根據(jù)不同的變換模型設(shè)置相應(yīng)的相似性度量方法、插值方法、以及優(yōu)化方法的算法參數(shù)；(5)確定是否采用多種配準方法級聯(lián)；(6)確定是否定義感興趣區(qū)域；(7)執(zhí)行圖像配準工作，并輸出保存配準結(jié)果。所述可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元采用OpenGL實現(xiàn)，用于交互顯示實時圖像數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)微分同胚變換;還能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)快速分割，即對源圖像進行分割后，通過配準結(jié)果變換矩陣即可得到目標圖像的分割圖像。
[0021]以下為本發(fā)明的具體實施過程。
[0022]本發(fā)明的一種基于IRTK、VTK、FLTK技術(shù)多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，首先提供了一圖像配準與可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Windows環(huán)境下采用C++語言進行開發(fā)，并使用CMake跨平臺安裝工具進行編譯，方便系統(tǒng)在不同環(huán)境下移植并穩(wěn)定運行，避免了重復(fù)開發(fā)和資源浪費。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。
[0023]1、圖形用戶交互界面和圖像數(shù)據(jù)顯示(即上述所述用戶交互控制單元和可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元):系統(tǒng)采用FLTK(The Fast Light Toolkit)作為用戶交互圖形界面開發(fā)；FLTK是一款跨平臺、輕量級的GUI開發(fā)庫，與其它許多圖形接口開發(fā)工具包(如MFC、GTK、QT)等相比，F(xiàn)LTK具有體積小、速度快、移植性強等優(yōu)勢，F(xiàn)LTK的界面設(shè)計工具FLUID，提供豐富的GUI構(gòu)件(Widget)每一個GUI構(gòu)件可自定義其形狀、大小和顏色，通過回調(diào)函數(shù)cal lback(Fl_Widget* ,void *data)可完成相應(yīng)控件的事件響應(yīng)。FLTK中的每個界面類都有一個handle(int event)，只要繼承這個函數(shù)，就可以在其中處理自己的事物，如對用戶的錯誤操作進行提示和正確引導(dǎo)，極大提高系統(tǒng)容錯性能。此外，F(xiàn)LTK內(nèi)置有OpenGL強大的圖形庫功能，系統(tǒng)在FLTK搭建的圖形界面下，結(jié)合OpenGL完成圖像數(shù)據(jù)繪制及顯示功能。系統(tǒng)主界面如圖3所示。
[0024]2、三維重建與可視化(即上述所述三維重建單元):采用￥1'1((￥丨81^1丨231:;[011Toolkit)完成三維重構(gòu)。VTK是一款進行數(shù)據(jù)可視化的開發(fā)工具包，具有良好的可移植性。其面向通用可視化領(lǐng)域，提供用于三維計算機圖形學(xué)、圖像處理和可視化的開源代碼和軟件類庫，尤其在三維重建(Marching Cubes:面繪制和體繪制)方面具有強大的功能。與面繪制相比，體繪制能夠更真實的反映物體結(jié)構(gòu)，但其運算量非常巨大而且復(fù)雜，不易實現(xiàn);面繪制則因其具有運算簡單等特點，成為目前醫(yī)學(xué)圖像三維重建的主流算法。面繪制采用了分割技術(shù)對一系列的三維圖像進行輪廓識別、特征提取等操作，利用提取的特征還原出被檢測物體的三維模型，并以表面的方式顯示出來，其基本步驟如下:讀取器-> 提取等值面->數(shù)據(jù)處理-> 映射器-> 實例化角色-> 繪制器-> 繪制窗口->交互器-> 交換方式。
[0025]3、算法參數(shù)選擇和配置(即上述所述圖像配準單元):IRTK是一款專門處理醫(yī)學(xué)圖像配準的算法平臺，由D.Rueckert教授等采用C++語言實現(xiàn)，支持夸平臺，具有良好的可移植性。目前較為流行的ITK中基于B樣條的非線性配準也是基于D.Rueckert等提出的B樣條自由形變模型的思想。本發(fā)明的配準技術(shù)大部分基于IRTK(Image Registrat1n Toolkit)實現(xiàn)，并根據(jù)特定的任務(wù)對配準算法進行修改。提出使用點集配準方法以實現(xiàn)坐標位置粗配準;提出多種配準方法的級聯(lián)工作模式，以提高配準效率和配準精度;采用基于B樣條的自由形變模型，并使用歸一化互信息(匪I)作為相似性度量，實現(xiàn)多模態(tài)圖像的非線性配準。提出并使用多線程編程技術(shù)，通過不同線程來實現(xiàn)圖像配準和可視化過程的并行處理，將配準的中間過程實時動態(tài)顯示，提高配準過程的既視感，方便了解和監(jiān)測配準過程;根據(jù)配準結(jié)果的變換矩陣，實現(xiàn)微分同胚變換和快速分割功能。
[0026]4、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出(即上述所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元):數(shù)據(jù)結(jié)果主要包含兩部分即圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果和配準結(jié)果的變換矩陣，其中配準結(jié)果的變換矩陣是本發(fā)明支持多種方法級聯(lián)的關(guān)鍵。此外該變換矩陣還有許多用途，如實現(xiàn)微分同胚變換和快速分割等?？焖俜指罴磳υ磮D像進行分割后，加上該變換矩陣即可得到目標圖像的分割圖像。因此對數(shù)據(jù)結(jié)果的正確輸出和保存具有重要的意義和價值。
[0027]以下為本發(fā)明的一具體實施例。
[0028]本實施例結(jié)合同一宮頸癌患者的外照射和內(nèi)照射MRI三維圖像數(shù)據(jù)說明本發(fā)明的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配和可視化方法
(I)讀取圖像及其它操作:通過系統(tǒng)的菜單欄或快捷鍵將內(nèi)外照射MRI三維圖像數(shù)據(jù)讀入，外照射MRI輸入為目標圖像，內(nèi)照射MRI輸入為源圖像(也稱為待配準圖像)。導(dǎo)入的圖像數(shù)據(jù)將在圖像數(shù)據(jù)顯示窗口中分別顯示橫斷面、冠狀面、矢狀面以及三維圖像，效果如圖3所示。在視圖控制面板分別顯示有目標圖像和源圖像的文件信息和當(dāng)前光標位置的圖像灰度值，可改變圖像的灰度和圖像的顏色，設(shè)置插值方式，設(shè)置目標圖像和源圖像不同疊加視圖模式等功能。
[0029](2)去燥聲預(yù)處理:對導(dǎo)入的圖像數(shù)據(jù)采用中值濾波法進行去噪聲預(yù)處理，以提高圖像質(zhì)量，減少噪聲對配準精度的影響。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)分辨率過高時，可通過系統(tǒng)提供的重采樣方法，適當(dāng)降低分辨，以減少運算量，在這一過程中用戶可自定義三維圖像XYZ軸方向的體素間距。
[0030](3)點集配準:因內(nèi)外照射MRI圖像由不同的成像設(shè)備獲得，導(dǎo)致這兩幅圖像的坐標位置差異巨大，超出了配準算法的變換域。因此采用點集配準方法，可快速完成坐標位置的預(yù)匹配(若目標圖像和源圖像在同一坐標位置上，則不必采用點集配準，可直接采用剛性、仿射或者非線性配準)。在點集配準方法中，用戶可直接在目標圖像和源圖像上添加、刪除和替換對應(yīng)標記點；也可從外部載入已有的對應(yīng)標記點文件，進行點集配準，文件格式為.vtk。通過點集配準后，原本坐標位置差異巨大的兩幅圖像呈現(xiàn)在同一空間位置上，點集配準結(jié)果如圖4所示(左)。
[0031](4)多種配準方法級聯(lián):本發(fā)明提供多種配準方法級聯(lián)的配準模式，通過不同配準方法的級聯(lián)可提高配準效率。如圖1中的算法參數(shù)配置所示。這里介紹了點集配準與非線性配準的級聯(lián)方法。其他級聯(lián)方法，如點集配準與剛性配準的級聯(lián)，剛性配準與仿射配準的級聯(lián)、仿射配準與非線性配準的級聯(lián)等可采取相同的方式實現(xiàn)。初級配準結(jié)果的變換矩陣用于支持不同配準方法之間的級聯(lián)，即將點集配準結(jié)果的變換矩陣作為非線性配準的初始條件，實現(xiàn)點集和非線性配準方法之間的級聯(lián)。
[0032](5)非線性配準:在算法參數(shù)配置方面，本發(fā)明提供兩種配置模式:即默認參數(shù)和自定義參數(shù)。在第一種模式下，用戶使用系統(tǒng)默認參數(shù)即可完成配準工作，值得注意的是該模式并不適用于所有配準任務(wù)，只適合一般的配準任務(wù);第二種模式，用戶可根據(jù)具體的配準任務(wù)，對部分默認參數(shù)進行修改，如金字塔層數(shù)、相似性度量、優(yōu)化方法等參數(shù);更多參數(shù)設(shè)置如迭代次數(shù)、迭代步長、插值方法等則可在系統(tǒng)提供的默認參數(shù)文件中進行修改和設(shè)置，用于完成特定的配準任務(wù)。然后將參文件導(dǎo)入，以完成參數(shù)配置。此外，還可以設(shè)置非感興趣和感興趣區(qū)域，用于確定配準區(qū)域，減少配準工作量。算法參數(shù)配置完成后，即可執(zhí)行相應(yīng)的配準工作。配準的中間過程實時動態(tài)顯示在可交互圖像顯示窗口。配準結(jié)果和變換參數(shù)自動保存到硬盤上，可以自定義輸出保存路徑。非線性配準結(jié)果如圖4所示(右)。
[0033](6)微分同胚變換:將目標圖像和源圖像導(dǎo)入順序?qū)Q，即將原來的目標圖像變?yōu)樵磮D像，將原來的源圖像變?yōu)槟繕藞D像，利用上述的變換矩陣，計算其可逆矩陣，并加入平滑限制項，即完成目標圖像到源圖像的逆向配準過程。
[0034]為了說明本發(fā)明的其他模態(tài)配準功能，圖5給出了同一患者二維人腦的Tl-weighted MRI和T2_weighted MRI的帶噪聲圖像(上)、去燥聲后的圖像(中)和非線性配準結(jié)果圖像(下)，圖6給出了同一患者的三維CT圖像和MRI圖像的配準結(jié)果。
[0035]以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，其特征在于:包括如下步驟， S1:提供一多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化系統(tǒng)，包括用戶交互控制單元、圖像配準單元、三維重建單元、可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元和數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元;所述用戶交互控制單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出及預(yù)處理;所述圖像配準單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的配準;所述三維重建單元用于將所述用戶交互控制單元輸入的圖像數(shù)據(jù)或經(jīng)所述圖像配準單元配準后的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建，并傳輸給可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元;所述可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元用于交互顯示實時圖像數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果和配準結(jié)果變換矩陣的輸出與保存； S2:通過所述用戶交互控制單元導(dǎo)入三維體數(shù)據(jù)，在可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像數(shù)據(jù)顯示窗口中分別顯示三維體數(shù)據(jù)的橫斷面、冠狀面、矢狀面以及經(jīng)三維重建后的三維圖像； S3:通過用戶交互控制單元對導(dǎo)入的目標圖像及源圖像進行去噪聲等預(yù)處理，減少噪聲對配準精度的影響，若圖像分辨率超過一預(yù)定閾值，還需在去噪聲處理之后采用重采樣方法，適當(dāng)降低圖像分辨率，減少配準過程的計算量； S4:通過圖像配準單元對經(jīng)步驟S3處理后的圖像數(shù)據(jù)采用包括點集配準、剛性配準、仿射配準、非線性配準中的一種或多種配準方法級聯(lián)的方式進行配準，并經(jīng)數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元輸出圖像數(shù)據(jù)配準結(jié)果及配準結(jié)果變換矩陣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，其特征在于:所述用戶交互控制單元通過FLTK實現(xiàn)，具體包括圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、去噪重采樣模塊和圖像操作模塊，所述圖像數(shù)據(jù)輸入輸出模塊用于實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸入、輸出，所述去噪重采樣模塊用于對輸入的圖像數(shù)據(jù)進行去噪重采樣處理，所述圖像操作模塊用于對顯示于可交互圖像數(shù)據(jù)顯示單元的圖像進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放及切換視圖模式等操作。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，其特征在于:所述三維重建單元采用VTK完成三維重構(gòu)，具有面繪制和體繪制功能。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，其特征在于:所述圖像配準單元是基于IRTK技術(shù)實現(xiàn)，配準步驟具體如下:(I)導(dǎo)入目標圖像和源圖像；(2)確定目標圖像和源圖像的數(shù)據(jù)大小和類型；(3)確定是否進行圖像數(shù)據(jù)去燥或重采樣預(yù)處理；(4)確定配準過程中所采用的變換模型，并根據(jù)不同的變換模型設(shè)置相應(yīng)的相似性度量方法、插值方法、以及優(yōu)化方法的算法參數(shù)；(5)確定是否采用多種配準方法級聯(lián)；(6)確定是否定義感興趣區(qū)域;(7)執(zhí)行圖像配準工作，并輸出保存配準結(jié)果。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準與可視化方法，其特征在于:所述數(shù)據(jù)結(jié)果輸出單元能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)微分同胚變換，即通過配準結(jié)果的變換矩陣，加上平滑限制項，完成目標圖像到源圖像的逆向配準;還能夠通過所述配準結(jié)果變換矩陣實現(xiàn)快速分割，即對源圖像進行分割后，加上配準結(jié)果變換矩陣即可得到目標圖像的分割圖像。
【文檔編號】G06T7/00GK106097347SQ201610419404
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610419404.3, CN 106097347 A, CN 106097347A, CN 201610419404, CN-A-106097347, CN106097347 A, CN106097347A, CN201610419404, CN201610419404.3
【發(fā)明人】高欽泉, 林紹輝, 高躍明, 杜民
【申請人】福州大學(xué)