CN104517293A - 小动物多模态医学影像配准及融合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小动物多模态医学影像配准及融合系统。该系统包括用于两种及两种以上医学影像设备间传输的小动物床，其特征在于所述小动物床外侧设置有多种医学影像设备同时显像的装置；所述系统还包括基于软件的图像自动配准融合，其特征在于采用基于空间点刚体配准的融合方法。该系统可以实现小动物多模态医学影像的配准及融合，为独立的医学影像设备采集到的图像提供更丰富的信息。

Description

小动物多模态医学影像配准及融合系统

技术领域

本发明属于多模态医学设备图像配准及融合技术领域，具体涉及独立的临床或实验小动物多模态医学影像配准及图像融合系统。

背景技术

目前，多模态医学成像在临床工作中主要用于肿瘤、心血管系统、神经系统等方面的疾病中，而在科学家对某种疾病的认识和研究过程中，动物模型的建立对于了解疾病相关发病机制、演变过程及治疗领域的新药研发和疗效监测等都具有不可替代的重要作用，因此多模态医学成像在小动物领域的研究也逐步展开。

但专用小动物多模态医学成像设备价格不菲，且在操作和维护上较为复杂，因此限制了多模态医学影像设备在小动物临床和科研上的大范围应用。解决方案是采用独立的小动物医学影像设备，将采集的图像进行融合。目前，独立的医学影像设备间图像融合的解决方案主要分为以下两种：一、基于硬件的改造。二、基于软件的图像融合，该方法主要基于标记物的空间匹配来实现不同设备间图像的融合。标记方法又可以分为体内标记(有创)和体外标记(无创)。

目前常用的医学影像设备按成像内容可以分为解剖结构成像和功能性成像两大类。解剖结构成像设备主要对组织结构进行成像，主要包括：超声、X线、计算机断层成像(CT)、核磁共振成像、数字减影等；功能性成像主要对组织代谢信息进行成像，主要包括：单光子发射成像(SPECT)、正电子发射断层成像(PET)、功能磁共振成像(fMRI)等。不同成像手段各有所长。如CT对于骨骼成像清晰，MRI对于软组织成像更为清晰等。由于科研需求，一种独立的显像设备并不能为动物疾病模型提供足够精确、全面的信息。如小动物PET成像系统获取的PET图像不能够为动物模型提供更精确的空间定位，而CT图像对骨骼进行清晰的成像，为小动物PET提供更为精确的空间定位，所以需要引进一台小动物活体CT，并将活体CT系统采集到的小动物图像和PET图像进行融合。由于硬件的改造成本高，风险大，且针对小动物疾病模型的研究不宜采用有创标记。又由于传统的体外点标记的方法在点源的制作标记方面较为复杂，操作带来的误差较大，故本文提出一种新的解决方案，基于简单的体外标记(无创)、空间配准的软件融合方法，将分离的医学影像设备所采集到的图像进行融合，使得小动物多模态图像融合获得理想的结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小动物多模态医学影像配准及图像融合系统，解决了现有技术中存在的体外标记点难以标记制作，操作过程要求较高，融合效果不理想等缺陷。

为了解决现有技术中的存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

一种小动物多模态医学影像配准及图像融合系统，所述系统包括用于两种及两种以上医学影像设备间传输的小动物床，所述小动物床外侧设置有多种医学影像设备同时显像的装置。具体包括以下内容：

1、小动物床的设计制作，按照实验动物的不同大小，设计不同尺寸的小动物床；

2、小动物床具有兼容性，能够安装固定在多种小动物成像设备上进行扫描，且小动物床本身不影响扫描效果；

3、小动物床附有配套固定装置，能够固定在扫描设备载物台上的固定位置，以保证在扫描过程中不会出现位置移动；

4、小动物床配有呼吸门控装置接口，以减小小动物呼吸对于扫描图像的影响；

5、小动物床还配有气体麻醉接口，保证小动物在扫描拍摄过程中处于麻醉状态，保持原有位置不变；

6、小动物床还配有保温装置，能够保证在长时间扫描拍摄状态下体温保持恒定，以确保拍摄图像质量；

7、小动物床外侧(上、左、右、下)固定有4根PVC材料管子，管子内部可注射不同显像设备的混合造影剂，管子长度上可覆盖整个成像视野范围；

8、小动物多模态图像融合部分。带有标记的小动物床和小动物在两种或两种以上设备上同时显像。断层图像中4根PVC材料管子所确定的点即为用于计算扫描设备空间刚体转换矩阵的标记点，以标记点的质心位置作为点的标记位置。记设备1断层图像上四个标记点分别为A，B，C，D，两点之间的距离为r1，r2，r3，r4，r5，r6。同理记设备2断层图像上四个标记点分别为A’，B’，C’，D’，两点之间的距离为r1’，r2’，r3’，r4’，r5’，r6’。固定设备1图像某一层Z，通过变换设备2图像的层数，来计算寻找ERR值最小的设备2的层数记为Z’。

由于小动物床在摆放的过程中，小动物床重新摆放过程中会存在一定角度的偏转。这导致对应点的位置并不一定在图像序列的同一帧，这就需要在确定了对应层对应点之后，二次扭转进行找点。

9、小动物多模态图像显示部分。包括：以灰度显示独立设备所采集到的需融合的小动物横断面、失状面、冠状面图像；融合图像中将不同设备采集到的图像按照不同的颜色编码叠加显示，以方便区分；融合图像中某种设备所述功能图像中大于所选功能活动最低阈值、小于所选择功能活动最高阈值的部分进行颜色编码；多种设备间图像按设定的比例叠加。

一种小动物多模态医学影像配准及图像融合系统优点在于将不同医学影像设备图像信息进行整合，如结构信息和功能信息整合，为小动物疾病模型的建立和诊断提供信息更丰富、定位更精确的多模态图像显示。

一种小动物多模态医学影像配准及图像融合系统另一个优点在于简化了标记点的制备，降低了操作过程的复杂度。融合过程中无需人工干涉，减少了人为因素带来的误差。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是小动物床在载物台上的固定方法；

图2是小动物床结构设计示意图；

图3是一种独立的小动物PET/CT的图像融合系统算法流程图；

图4是独立的小动物PET/CT的图像融合系统示意图；小动物床在设备间扫描(1)获得的CT断层图示意图(2)及PET断层示意图(3)；

图5是独立的小动物PET/CT的图像融合系统融合实例图像。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来说明技术效果；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例

本发明的技术方案是一种小动物多模态医学影像配准及图像融合系统，可以实现两种及两种以上医学影像设备的图像融合。本实例选择具有代表性的小动物PET/CT图像融合做为实施例。具体实施方案可分为小动物床的设计，实验操作过程，图像融合算法及融合图像显示方法。

小动物床在载物台上的固定方案如图1。载物台为碳纤维材料(长900mm,弧度R59)，该载物台可以在小动物PET和小动物CT间轻松地自由移动。小动物床底部有两个螺纹孔，可以与载物台底部固定在一起。又采用两个金属套夹，以便进一步保证小动物床与载物台之间的相对稳定性。

小动物床的设计方案如图2。小动物床整体为圆柱形，一侧密封，另一侧采用3mm厚亚克力材料板子构成一个密封空间，并在该板子上开有数个通风孔，保证小动物床内空气流通。该3mm厚亚克力材料板子上还保留有豹纹装置接口、呼吸门控接口以及气体麻醉接口。在小动物床的上、左、右、下部分别固定有四根PVC材料的管子(外径：2.0mm，内径：1.4mm)，左侧、右侧以及下侧的管子绑定方向沿着小动物床Z轴方向，为三条相互平行的直线，上侧的管子为一条倾斜的弧线。PVC材料管子绑定位置需要覆盖整个成像范围以便保证标记点可以覆盖整个成像范围，减少计算空间转换矩阵的误差。

实验操作过程如下：由于PVC材料导管在小动物CT设备上显像为亮白色圆环，故只需将小动物床上固定的四根PVC材料管子注射小动物PET显像剂(18F氟脱氧葡萄糖(15uci/ml))，在PET断层图像中显示为一个亮斑；将预麻醉的小动物固定在气体麻醉呼吸套嘴上，推入小动物床内部；进行15-20min小动物PET(成像视野范围：横断面100mm×100mm，轴向127mm；各向分辨率：X、Y方向0.776383mm×0.776383mm，Z方向0.796mm)扫描；将扫描后的小动物床连同载物台一同移动到距离小动物PET1米左右的小动物CT(成像视野范围可自调；各向分辨率：X、Y方向0.07624mm×0.07624mm，Z方向0.22872mm)上，固定好小动物载物台；继续进行小动物CT扫描；收集采集重建好的小动物PET和小动物CT图像。

图像融合算法(如图3)具体步骤可以分述为：

第一步：读取采集到的PET和CT断层图像。由于PET图像的各向分辨率低于CT图像，故对PET图像各向插值，使其分辨率与CT图像相同。

第二步：遍历CT和PET序列，找到每帧断层图像上的四个标记点(如图4)，记CT断层图像上四个标记点分别为A，B，C，D，同理记PET断层图像上四个标记点分别为A’，B’，C’，D’。计算两点之间的距离，记为r1，r2，r3，r4，r5，r6。相应的记PET图像上两点之间的距离为r1’，r2’，r3’，r4’，r5’，r6’。

第三步：以CT图像为基准图像，取CT图像的第一帧，遍历PET断层图像来寻找与CT图像上四个标记点相对应的PET上的四个点，通过计算ERR＝(1-r1/r1’)^2+(1-r2/r2’)^2+(1-r3/r3’)^2+(1-r4/r4’)^2+(1-r5/r5’)^2+(1-r6/r6’)^2来检验对应点的精确度。记所选取的CT图像为第Z帧，通过计算ERR寻找到误差值最小的PET的某一帧，记为Z’。

第四步：由于小动物床在摆放的过程中，两种设备间会存在一定角度的偏转。这导致与CT图像某一层上的四个点相对应的PET上的四个点并不一定在PET图像的同一帧上，经反复实验操作，平均偏转角度约在10°以内。这就需要在确定了与CT的第Z层四个点对应的PET的第Z’层上的四个点之后，继续扭转进行找点。本实施例选择的扭转层数为14层，在Z’层的前后14层内继续寻找与CT第Z层上四个标记点相对应的PET上的四个标记点，通过计算ERR，寻找到某四个点使ERR小于第三步寻找的ERR，并记录新的ERR。找到第一组对应标记点之后，需要重复第三步、第四步，以CT图像的第二帧作为基准，寻找与CT第二帧图像上四个标记点对应的PET上的四个标记点，依此类推，直至寻找到所有CT层上标记点对应的PET图像上的标记点。

第五步：寻找到与CT所有层上四个标记点相对应的PET上的标记点之后，记所有标记点组的最小误差为ERR_min。对应点组的误差ERR>3×ERR_min的标记点被排除在外，保留误差小于3×ERR_min的标记点组。按照CT的层数顺序进行排列，然后等间隔的选取20组对应标记点组。这样保证计算的转换矩阵考虑了图像不同位置的信息。

第六步：找到了20组相对应的标记点(80对相应点)之后，即可计算出小动物PET和小动物CT设备之间的空间转换矩阵。记CT设备上的某个标记点为P＝(x,y,z)^t，PET设备上的某个标记点为P'＝(x',y',z')^t，CT上的标记点和PET上的标记点关系可以用如下多项式方程表示：

x'＝a₀₀+a₀₁x+a₀₂y+a₀₃z+a₀₄xy+a₀₅xz+a₀₆yz

y'＝a₁₀+a₁₁x+a₁₂y+a₁₃z+a₁₄xy+a₁₅xz+a₁₆yz

z'＝a₂₀+a₂₁x+a₂₂y+a₂₃z+a₂₄xy+a₂₅xz+a₂₆yz

矩阵表示即为XA＝g，其中

$X=\left[\begin{array}{ccccc}n& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i& ...& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& & ...\\ ...& ...& ...& & ...\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i{z}_i& & ...& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2{z}_i^2\end{array}\right]g=\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i^{\′}\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{x}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{z}_i^{\′}\\ ...& ...& ...\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i{x}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i{y}_i^{\′}& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i{z}_i^{\′}\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{00}& a_{10}& a_{20}\\ a_{01}& a_{11}& a_{21}\\ ...& ...& ...\\ a_{06}& a_{16}& a_{26}\end{array}\right].$ 通过高斯-乔丹消去法即可求出A，也就是本实例中所需计算的转换矩阵。

第七步：确定了小动物PET和小动物CT两种设备间的转换矩阵之后，就可以将小动物PET和小动物CT图像进行融合。图5即为本实例中小动物PET和小动物CT的融合结果。通过融合结果可以清晰的定位小动物肿瘤的位置在膀胱，这也与小动物疾病模型的建立相吻合。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，包括用于两种及两种以上医学影像设备间传输的小动物床，其特征在于所述小动物床外侧设置有多种医学影像设备同时显像的装置。

2.根据权利要求1所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床具有不同型号，适应不同大小的实验动物。

3.根据权利要求1所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床具有兼容性且能够在多种医学影像设备间传输。

4.根据权利要求2所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床配有机械装置固定在不同医学影像设备的载物平台上。

5.根据权利要求2所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床配有小动物呼吸门控装置。

6.根据权利要求2所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床配有腔体保温装置。

7.根据权利要求2所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于小动物床配有气体麻醉接口装置。

8.根据权利要求1所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述小动物床外侧固定有4根管子，管子材料不影响医学影像设备图像的采集，管子内注射有所需采集图像的医学影像设备的混合造影剂，同时在不同医学影像设备上显像。

9.根据权利要求1所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于图像显示方法中以灰度显示独立设备所采集到的需融合的小动物横断面、失状面、冠状面图像；融合图像中将不同设备采集到的图像按照不同的颜色编码叠加显示，以方便区分。

10.根据权利要求10所述的一种小动物多模态医学影像配准及融合系统，其特征在于所述颜色编码包括：融合图像中某种设备所述功能图像中大于所选功能活动最低阈值、小于所选择功能活动最高阈值的部分进行颜色编码。

11.根据权利要求1所述的一种小动物多模态医学影响配准及融合系统，其特征在于系统配准部分采用基于点匹配的空间刚体配准。