CN105122298B - 图像配准 - Google Patents

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Abstract

一种方法包括：基于强度映射来增大至少两幅图像的第一子范围(410、510)的像素强度值的动态范围，由此创建至少两幅经修改的图像；确定所述至少两幅经修改的图像之间的变形向量场，并且基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。一种图像处理系统(118)包括处理器(120)和编码有至少一个图像配准指令(124)的存储器(122)。所述处理器运行所述至少一个图像配准指令，所述至少一个图像配准指令使所述处理器：基于强度映射来增大至少两幅图像的第一子范围的像素强度值的动态范围，由此创建至少两幅经修改的图像；确定所述两幅经修改的图像之间的变形向量场，并且基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。

Description

图像配准
技术领域
下文总体上涉及图像配准，并且更具体地涉及提高图像配准的准确度，并且利用对计算机断层摄影的具体应用(CT)进行描述。然而，下文也适用于其他成像模态，例如磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射断层摄影(SPECT)、数字放射摄影和/或其他成像模态。
背景技术
CT扫描器通常包括由旋转架支撑的X射线管。旋转架和X射线管绕检查区域旋转，并且X射线管发射贯穿检查区域的辐射。辐射敏感探测器被定位为跨检查区域与X射线管相对并探测贯穿检查区域的辐射。辐射敏感检测器生成指示检测到的辐射的信号。重建器对该信号进行重建，从而生成体积图像数据。图像处理器能够用于处理图像数据并生成(一幅或多幅)图像。
图像配准已经用于确定来自不同图像数据集的图像中的感兴趣组织之间的对应关系。图像配准的应用是广泛的，涵盖动态对比度成像、运动补偿、随访研究中的变化量化等。非刚性图像配准通常被实施为迭代过程，在该迭代过程中，图像相似度项(例如，交互信息、方差和)被最大化，而额外的正则项保持该解决方法在某种程度上为现实的(通常需要得到的变形场的一定的光滑度)。
高对比图像边缘(例如膈膜)比低对比图像边缘(例如肝脏的下边界)更易于检测。因此，配准方案倾向于比低对比图像边缘更好地对准高对比图像边缘。一个缓解方法包括以正则项为代价强调相似度项。遗憾的是，需要正则项以实现生理学上看似合理的结果，并且弱化的正则可能导致骨结构的变形。
另一方法包括使用空间上可变的正则来放松针对低对比图像边缘的正则项。然而，这要求诸如详细的分割的先验知识，这可能增加时间、增加复杂度并且要求用户交互(例如，人工分割)。另一方法包括在低对比图像边缘处使用地标。类似地，这也可能要求人工用户工作量以生成并放置地标。另一方法包括在所有图像中对组织进行分割并对经分割的图像进行配准。该方法例如在对比度低的情况下易于出错。
US2004/0013299提供了一种用于利用复杂多项式插值的对比度增强的配准的方法，其允许保留经配准的图像的信息内容。其将不同点映射到不同点并且将角度保留到图像中。
EP 2535001提供了一种用于对针对相同患者在不同时间取得的诊断图像进行配准的方法，其允许对两幅诊断图像之间的差异进行量化。
发明内容
本文中描述的各方面解决上文提及的问题和其他问题。
下文涉及至少在存在低对比组织界面的情况下通过在配准之前引入强度映射并将所述强度映射应用到低对比组织边缘来改进图像配准的准确度。配准算法不需要被修改，但是能够被修改。
在一个方面中，一种方法包括基于强度映射来增大至少两幅图像的第一子范围的像素强度值的动态范围，由此创建至少两幅经修改的图像；确定所述至少两幅经修改的图像的变形向量场，并且基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
在另一方面中，一种图像处理系统包括处理器和编码有至少一个图像配准指令编码的存储器。所述处理器运行所述至少一个图像配准指令，所述至少一个图像配准指令使所述处理器：基于强度映射来增大至少两幅图像的第一子范围的像素强度值的动态范围，由此创建至少两幅经修改的图像；确定所述至少两幅经修改的图像的变形向量场，并且基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
在另一方面中，一种计算机可读存储介质被编码有计算机可读指令。所述计算机可读的指令当由处理器执行时使所述处理器：获得至少两幅图像以进行配准，识别具有低对比边界的感兴趣组织，获得所述感兴趣组织的强度图，将所述强度映射应用到所述至少两幅图像，其中，所述强度映射增大至少两幅图像的第一子范围的像素强度值的动态范围，由此创建至少两幅经修改的图像；确定所述至少两幅经修改的图像的变形向量场，并且基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的设置以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于说明优选实施例的目的并且不应解释为对本发明的限制。
图1示意性地示出了与包括处理器和具有图像配准指令的存储器的图像处理系统相连的成像系统。
图2示意性地示出了用于实施包括预存储的强度映射的库的图像配准指令的图像配准模块的范例。
图3以图解方式示出了肝脏的高对比边界和肝脏的低对比边界的范例。
图4以图解方式示出了强度映射，在所述强度映射中，第一子范围的像素强度值未受影响，第二子范围的像素强度值被扩展以因此增大动态范围，并且第三子范围的像素强度值基于扩展利用恒定值被移位。
图5以图解方式示出了强度映射，在所述强度映射中，第一子范围的像素强度值未受影响，第二子范围的像素强度值被扩展以因此增大动态范围，第三子范围的像素强度值的第一子集基于扩展利用减小值被移位，并且第三子范围的像素强度值的第二子集不被扩展或移位。
图6示出了用于改进与具有低对比边界的感兴趣组织有关的配准的准确度的范例性方法。
图7示意性地示出了用于实施根据需要生成强度映射的图像配准指令的图像配准模块的另一范例。
具体实施方式
下文描述了用于改进至少关于图像中低对比组织界面或边界的图像的配准的准确度的方法。如下面更详细地讨论，所述方法包括使用强度映射，其在确定用于配准的变形场之前增大针对感兴趣组织的强度间隔的动态范围。
首先参考图1，示出了诸如CT扫描器的成像系统100。在其他实施例中，成像系统100可以额外地或备选地包括MRI扫描器、PET扫描器、SPECT扫描器、X射线扫描器和/或其他成像模态扫描器。
大致固定机架102和旋转机架104，旋转机架104由固定机架102可旋转地支撑并绕检查区域106关于z轴旋转。
诸如卧榻的对象支撑物108将目标或对象支撑在检查区域106中。
例如X射线管的辐射源110由旋转机架104可旋转地支撑并与旋转机架104一起旋转，并且发射贯穿检查区域106的辐射。
辐射敏感检测器阵列112跨检查区域106在角度弧上与辐射源110相对。辐射敏感检测器阵列112检测贯穿检查区域106的辐射并针对每个探测到的光子生成指示所述辐射的信号。
重建器114对投影进行重建，从而生成体积图像数据，所述体积图像数据指示被定位在成像区域106中的对象或目标的被扫描部分。
计算系统或计算机充当操作员控制台116。控制台116包括诸如监视器的人类可读输出设备和诸如键盘、鼠标等的输入设备。驻存在控制台116上的软件允许操作员经由图形用户界面(GUI)或以其他方式与成像系统100交互或操作成像系统100。
图像处理系统118包括至少一个计算机处理器120(例如，微处理器)，至少一个计算机处理器120运行存储在诸如物理存储器122和其他非暂态存储介质的计算机可读存储介质中的至少一个计算机可读指令。至少一个处理器120也可以运行由载波、信号或其他暂态介质承载的(一个或多个)计算机可读指令。在示出的实施例中，(一个或多个)计算机可读指令包括(一个或多个)图像配准指令124。
如下面更详细地描述的，由至少一个计算机处理器120对(一个或多个)图像配准指令124的运行使对强度映射的生成和/或选择应用于图像配准。应当认识到，通过在配准之前引入强度映射，低对比图像边缘被加强并且因此与高对比图形边缘相比被对准得更等同或至少更相似。
强度映射能够基于解剖结构、成像协议、成像模态、成像应用和/或其他信息来确定。这包括生成一种或多种强度映射并且存储所述一种或多种强度映射以供后续使用和/或根据需要生成强度映射。任选地，强度映射能够基于对感兴趣组织的分割来生成。所述分割能够是自动分割、半自动分割、或要求用户交互的人工分割。
图2示意性地示出了用于实施包括预生成的强度映射的(一个或多个)图像配准指令124(图1)的图像配准模块202的范例。
所示出的图像配准模块202接收至少两幅图像作为输入以进行配准并输出变形向量场(也被称为运动向量场和变形图)或经配准的图像中的至少一种。输入图像可以由成像系统100和/或其他成像系统来生成，并且能够从成像系统和/或诸如影像存储传输系统(PACS)、放射信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)和/或其他数据存储库的数据存储库获得。
强度改变器204基于强度映射来改变至少子部分的像素的强度。这包括在具有低对比组织边界的感兴趣组织的边缘处扩展像素的强度。这样的界面包括例如肝脏的低边界。这能够在图3中看到，图3以图解方式示出了高对比肝脏/膈膜边界302和低对比肝脏边界304的范例。本文中也预见到除了肝脏组织以外的组织。
返回到图2，强度映射库206包括一个或多个强度映射((一个或多个)强度映射)208，所述一个或多个强度映射由强度改变器204使用以改变像素强度。通常，像素映射208增大针对对应于特定感兴趣组织的特定范围的像素的动态范围(即，强度水平的数量)。图4和5以图解方式示出了针对肝脏组织的强度映射208的范例。
在图4中，x轴402表示将要被配准的图像的像素强度值，y轴404表示经修改的像素强度值，并且曲线406表示将将要被配准的图像的像素强度值映射到经修改的像素强度值的强度映射。在CT的情况下，像素强度值能够是以亨氏单位(HU)或其他单位为单位。
在该范例中，第一区域408中的所有强度1：1地被映射。即，经修改的像素强度值和要被配准的图像的像素强度值相同。对于表示感兴趣组织的像素强度值的第二区域410，将范围–x到+y映射到–x-C和+y+D，其中x、y、C和D是实数和整数，并且C可以等于或可以不等于D。C和D的值表示针对感兴趣组织的动态范围的扩展。
通过举例的方式，如果x＝50、y＝50、C＝0并且D＝200，则x轴402上的-x值-50和+y值+50映射到y轴404上的–x-C＝50和+y+D＝250使得存在300(50+250＝300)个值表示感兴趣组织的强度而不是100(50+50＝100)个值，从而允许对较低对比组织的更大区分。扩展能够如所示出的为线性扩展，或非线性扩展，例如为指数扩展。
在该范例中，第三区域412中的所有强度基于被应用到区域410的扩展等同地被移位。通过举例的方式，继续上文的范例，将大于50的强度都移位200。例如，x轴值100映射到y轴值300，x轴值250映射到y轴值450，x轴值750映射到y轴值950，等等。
在上文的范例中，感兴趣组织的强度值范围是关于零对称的(-50和+50)。在另一范例中，该范围是关于零不对称的(-25和+50)、全部为正的(例如，50到100)或全部为负的(例如，-50到-25)。在上文的范例中，将感兴趣组织的对称强度值范围(-50和+50)映射到y轴404上的非对称范围(-50和+250)。在另一实例中，将x轴402的对称强度值范围映射到y轴404上关于零的对称范围。
在图5中，x轴502表示要被配准的图像的像素强度值，y轴504表示经修改的像素强度值，并且曲线506表示将要被配准的图像的像素强度值映射到经修改的像素强度值的强度映射。在该范例中，第一区域508中的所有强度1：1地被映射，并且第二区域510中的强度值与图4的第二区域410的映射类似地被映射。
不同于图4的第三区域412，第三区域512被拆分为第一子区域514和第二子区域516。代替通过扩展全部移位，第一子区域514收敛或降低回到1：1映射。所述收敛能够是如所示出的线性收敛，或非线性收敛，例如指数收敛。第二子区域516与图4的第三区域412的映射类似地被映射或1：1地被映射。因此，具有第二子区域516中的像素值的组织保持其原始像素值。
强度映射208能够根据需要来预先确定或生成，并且映射库206能够存储针对多个不同组织和/或组织的组合的强度映射208。对于根据需要生成，针对特定感兴趣组织的像素值范围能够从输入获得和/或预存储在映射库206和/或其他存储设备中。图4和图5的组织映射包括被扩展的单个范围。在另一范例中，组织映射可以扩展多于一个范围。
返回到图2，强度映射选择器210为强度移位器204从强度映射库206选择合适的强度映射208。如所示出的，强度映射选择器210基于输入来实现这一点。所述输入能够是指示感兴趣组织的数据或能够根据其确定感兴趣组织的信息，例如解剖结构、成像协议、成像模态、特定应用和/或其他信息。
变形向量场(DVF)发生器212生成针对经强度移位的图像的变形向量场。在一个非限制性实例中，DVF生成器212采用非刚性(或弹性)图像配准算法。适当的算法包括两个或更多个图像域之间的映射的表示和参数化、将图像相似项和正则项组合的目标函数以及诸如梯度下降、共轭梯度等的优化方案。
表示和参数化能够包括但不限于，B样条控制点的网格或基于图像体素的平移向量。相似度项的范例包括但不限于，交互信息、方差和、强度相关性等。正则项通过例如惩罚映射场的一阶导数和/或二阶导数来确保一定程度的光滑度。图像相似度项和正则项能够例如基于图像模态、应用等而被加权。
配准部件214基于所生成的变形向量场来对输入图像进行配准。再次地，图像配准模块202输出变形向量场或经配准的图像中的至少一种。所述输出能够视觉地被显示、被存储和/或以其他方式被利用。
结合图1中示出的CT扫描器描述了上文的范例。如本文中所讨论的，本文中描述的方法也适用于其他成像模态。下文描述了关于MRI图像的方法。
对此，创建了对感兴趣器官的粗略分割。所述分割不需要是精确的。将距离变换应用到分割的表面。收集具有距离小于给定阈值(例如20mm)的所有体素，M。
评估由M覆盖的图像强度的直方图。直方图的一个峰将属于来自器官的体素(假定器官的边上的均匀强度)，并且其他峰将属于来自邻近感兴趣器官的组织的体素。
选择最显著的峰。定义强度间隔使得由最小峰值，任选地利用增加的负偏移，给出间隔的一个边界，并且由最大峰值，任选地利用增加的正偏移，给出间隔的另一边界。强度间隔用于构建强度映射。
能够如上文结合图2讨论的和/或以其他方式应用强度映射。对于前者，这包括将强度映射应用到图像、执行弹性配准并且将得到的变形向量场应用到原始输入图像。
类似地，图像配准模块202的输出能够视觉地被显示、被存储和/或以其他方式被利用。
图6示出了用于改进与具有低对比边界的感兴趣组织有关的配准的准确度的范例性方法。
应认识到，动作的顺序不是限制性的。因此，本文中预见到其他顺序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。
在602，获得至少两幅图像以进行配准。
在604，识别具有低对比边界的感兴趣组织。
在606，如本文中描述的和/或以其他方式获得针对感兴趣组织的强度映射。
在608，基于强度映射来扩展(对应于感兴趣组织的)至少子部分的像素的像素强度映射。
在610，确定经强度扩展的图像的变形向量场。
在612，基于变形向量场来对原始的至少两幅图像进行配准。
可以通过编码于或嵌入于计算机可读存储介质上的计算机可读指令来实施以上所述，所述计算机可读指令当由(一个或多个)计算机处理器执行时使所述(一个或多个)处理器执行所描述的动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个由信号、载波或其他暂态介质承载。
图7示出了图2的图像配准模块202的变型。在该变型中，图像配准模块202包括强度映射生成器702。在该实施例中，图像配准模块202根据需要来生成强度映射而不是选择预先确定的强度映射。
类似地，所述输入能够包括指示感兴趣组织的输入或能够根据其确定感兴趣组织的信息，例如解剖结构、成像协议、成像模态、特定应用和/或其他信息。所述输入也可以包括要扩展的像素强度值的范围和/或从预存储的范围704获得的范围。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读并理解前述详细描述后可以进行修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围内。

Claims (12)

1.一种用于图像处理的方法，包括：
识别具有低对比度边界的感兴趣组织；
获得针对所述感兴趣组织的强度映射；
在保持至少两幅图像中除第一子范围和第二子范围的像素强度值之外的像素强度值不变的情况下，基于所述强度映射来增大所述至少两幅图像的所述第一子范围(410、510)的像素强度值的动态范围并以以下方式中的一种来将所述至少两幅图像的高于所述第一子范围的像素强度值的所述第二子范围(412、512)的像素强度值移位以创建至少两幅经修改的图像，所述第一子范围(410，510)的像素强度值表示所述感兴趣组织：
将所述第二子范围(412)的像素强度值移位恒定值，所述恒定值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大；以及
将所述第二子范围(512)的像素强度值的第一子集(514)移位减小值，使得所述第一子集的第一个值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大，并且所述第一子集的最后一个值被移位零；
确定所述至少两幅经修改的图像之间的变形向量场；并且
基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
2.根据权利要求1所述的方法，增大所述动态范围的动作包括：
使用所述强度映射来将所述第一子范围的像素强度值映射到更宽子范围的像素强度值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述第二子范围(512)的像素强度值的所述第一子集(514)被移位所述减小值，则所述第二子范围的像素强度值的高于所述第一子集的像素强度值的第二子集(516)不被移位。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述像素强度值的低于所述第一子范围的像素强度值的第三子集(408、508)不被移位。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述动态范围线性地被增大。
6.据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述动态范围非线性地被增大。
7.据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括：
接收识别所述感兴趣组织的输入；并且
基于所述输入来从一组每个对应于不同组织的强度映射中选择所述强度映射。
8.据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括：
接收识别至少所述第一子范围的像素强度值的输入；并且
基于所述输入来生成所述强度映射。
9.据权利要求8所述的方法，其中，所述输入包括以下中的至少一种：感兴趣的解剖结构、成像协议、成像应用或成像模态。
10.据权利要求7所述的方法，其中，所述输入包括以下中的至少一种：感兴趣的解剖结构、成像协议、成像应用或成像模态。
11.一种图像处理系统(118)，包括：
处理器(120)；
存储器(122)，其编码有至少一个图像配准指令(124)，其中，所述处理器运行所述至少一个图像配准指令，所述至少一个图像配准指令使所述处理器：
识别具有低对比度边界的感兴趣组织；
获得针对所述感兴趣组织的强度映射；
在保持至少两幅图像中除第一子范围和第二子范围的像素强度值之外的像素强度值不变的情况下，基于所述强度映射来增大所述至少两幅图像的所述第一子范围的像素强度值的动态范围并以以下方式中的一种来将所述至少两幅图像的高于所述第一子范围的像素强度值的所述第二子范围的像素强度值移位以创建至少两幅经修改的图像，所述第一子范围的像素强度值表示所述感兴趣组织：
将所述第二子范围的像素强度值移位恒定值，所述恒定值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大；以及
将所述第二子范围的像素强度值的第一子集移位减小值，使得所述第一子集的第一个值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大，并且所述第一子集的最后一个值被移位零；
确定所述至少两幅经修改的图像之间的变形向量场，并且
基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
12.一种编码有计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令当其由处理器执行时使所述处理器：
获得至少两幅图像以进行配准；
识别具有低对比边界的感兴趣组织；
获得针对所述感兴趣组织的强度映射；
在保持所述至少两幅图像中除第一子范围和第二子范围的像素强度值之外的像素强度值不变的情况下，将所述强度映射应用于所述至少两幅图像，其中，所述强度映射增大所述至少两幅图像的所述第一子范围的像素强度值的动态范围并以以下方式中的一种来将所述至少两幅图像的高于所述第一子范围的像素强度值的所述第二子范围的像素强度值移位以创建至少两幅经修改的图像，所述第一子范围的像素强度值表示所述感兴趣组织：
将所述第二子范围的像素强度值移位恒定值，所述恒定值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大；以及
将所述第二子范围的像素强度值的第一子集移位减小值，使得所述第一子集的第一个值对应于所述第一子范围的像素强度值的所述动态范围中的所述增大，并且所述第一子集的最后一个值被移位零；
确定所述至少两幅经修改的图像之间的变形向量场；并且
基于所述变形向量场来对所述至少两幅图像进行配准。
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