CN107067366A - 小动物医学影像多段配准及拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小动物医学影像多段配准及拼接方法，属于图像处理领域。该方法采用两根相对固定，非常直且不平行的玻璃模体，将其作为不同空间段的参考坐标系O_Ref，在计划CT图像空间中提前测定得到不同空间段之间重建图像拼接的空间转换矩阵，获得多个不同段的重建图像之后，根据不同段的空间位置信息找到相对应的空间转换矩阵进行重建图像拼接。拼接过程为非人工干预。该方法在拼接多段医学影像应用中简单有效，实现锥形束小动物CT重建图像的无缝拼接，扩展了小动物CT扫描宽度，保证了小动物CT重建图像评价区域器官的完整性，连续性。

Description

小动物医学影像多段配准及拼接方法

技术领域

本发明涉及一种医学影像多段配准及拼接方法，特别涉及一种小动物医学影像多段配准及拼接方法，属于CT成像图形处理技术领域。

背景技术

医学图像配准是当前医学图像研究领域的研究热点和研究难点，在临床诊断和治疗方面具有重要的意义。医学图像配准是指对一幅医学图像寻找一种（或一系列）的空间的变换，使它与另一幅医学图像上的对应点在空间坐标中达到一致。很多学者已经提出了很多医学图像配准算法，它们大体上可分为基于灰度驱动的图像配准算法、基于模型驱动的图像配准算法和综合算法。

在医学成像过程中，往往有着被检查部位远远大于图像探测器面积的矛盾，需要将该部位分为几次拍摄，再按照一定的规则拼接起来，这就是医学图像拼接。医学图像拼接在医学领域有着广泛的应用前景。可以解决医学图像获取过程中由于视野的限制而无法得到完整的图像的问题，为诊断提供更好的依据。

随着医学影像技术、计算机科学技术的不断发展，医学图像的计算机智能化诊断是医学图像处理与分析研究的最重要的目标之一。要实现计算机智能化诊断或计算机辅助诊断，信息的可对比性和完整性是至关重要的，而其中涉及到的技术就是图像的配准技术和图像的拼接技术。

由于锥形束CT的扫描范围有限，单次扫描往往得不到完整的观察范围，获得不了所需要的全部图像。理论上可以通过多次拍摄拼接重建图获得更大范围的观察范围，由于实际使用中小动物床的空间平移不完全平稳，空间平移一定长度之后重建图像总会发生一定程度的旋转和平移。传统的方法通过特征点提取等进行图像配准以及拼接，处理速度缓慢过程复杂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种小动物医学影像多段配准及拼接方法，基于简单的模体配准的软件拼接方法，通过提前获取转换矩阵，将多段的医学影像所采集到的图像进行直接拼接，使得图像拼接获得理想的结果，解决了现有技术中存在的处理速度缓慢过程复杂，拼接计算量大等缺陷。

本发明解决以上技术问题的技术方案：提供一种小动物医学影像图像配准及拼接方法，包括以下步骤：

第一步、实验模体的设计，本方法采用两根绝对准直，不接触且不平行的玻璃棒作为模体，玻璃棒的CT值较高，也适合后续的重建图像的分割处理，计算质心位置等操作；

第二步、分别获取相等步长间距不同位置Z1，Z2，Z3……Zn的序列P1，P2，P3……Pn；

第三步、遍历序列P1，P2，P3……Pn，确定模体分别在每帧断层图像上的位置，所述位置用质心表示，针对所采集到的所有点，进行直线拟合，得到两条玻璃棒在序列P1，P2，P3……Pn相等步长间距不同位置处原始坐标系下的直线方程；

第四步、在序列P1，P2，P3……Pn中，通过提前实验，用模体确定的两条直线，在各自序列中以这两条拟合直线确定参考坐标系；比如建立P1图像序列的从的参考坐标系：选择一条直线记为l1，并选定与另一条直线记为l2，相交的反方向作为新坐标系的Z方向(ZRef)；在P1图像序列中l2上任取一点P，过该点做直线l1的垂线，记垂足为ORef,计算点P和ORef的距离并记为d, ORefP所指方向为新坐标系的X方向(XRef);同理，在其他P2，P3……Pn序列中，在l2上确定点P，使得点P到直线l1的距离等于d，记垂足为ORef；确定ORef P所指方向为新坐标系的X方向(XRef)；

第五步、计算不同位置Z1，Z2，Z3……Zn每一段从原始坐标系转换到参考坐标系的转换矩阵；P1序列中参考坐标系的单位坐标轴矢量XRef, YRef, ZRef和原点ORef均由P1图像序列的成分如下表示(其中e1x , e2x , e3x为原始坐标系XYZ方向单位向量，x0 , y0 , z0为ORef在原始坐标系下坐标)：

XRef =(e1x , e2x , e3x ) T ,

YRef =(e1y , e2y , e3y ) T ,

ZRef =(e1z , e2z , e3z ) T ,

ORef = (x0 , y0 , z0 ) T；

则可以确定新坐标和原始坐标系之间的转换关系H；

其中M如下：

第六步、确定原始坐标系下不同位置Z1，Z2，Z3……Zn的序列P1，P2，P3……Pn中像素点在参考坐标系下的坐标值；比如序列P1：设点A在P1图像序列中坐标为A1=(x, y, z)T，在参考坐标系下为ARef=(x'',y'',z'')T；则二者坐标关系为ARef= H1* A1；

第七步、确定原始坐标系下两个不同图像序列中像素点在对方坐标系下的坐标值，比如序列P1与P2之间：设P1序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H1，点A在p1图像序列中坐标为A1=(x, y, z)T，在参考坐标系下为ARef=(x'',y'',z'')T，则二者坐标关系为：

ARef= H1* A1；

设P2序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H2，点A'在p2图像序列中坐标为A2=(x', y', z')T，在参考坐标系下为ARef=(x'',y'',z'')T,则二者坐标关系为：

ARef= H2* A2；

可得P1序列装换到P2序列像素点坐标关系为

A2= H2-1* H1* A1；

即可实现图像配准以及接段。

本发明的有益效果：本发明的方法解决医学图像获取过程中由于视野的限制而无法得到完整的图像的问题,为诊断提供更好的依据；同时简化了配准过程的特征点操作等过程，降低了计算的复杂度，拼接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

图1为本发明玻璃棒实验模体示意图。

图2为本发明算法流程示意图。

图3-图4为本发明不同序列之间的断层图像原始坐标系示意图。

图5-图8为本发明的图像接段方法融合实例过程图像。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种小动物医学影像图像配准及拼接方法，可以实现拼接同一台机器的多段医学影像，实现多段CT重建图像的无缝拼接。本实例选择具有代表性的小动物CT图像接段做为实施例。具体实施方案可分为小动物床的设计，模体实验操作过程以及图像接段算法方法。

本实施例的小动物床在载物台上的固定方案如图1所示，载物台为碳纤维材料，长900mm,弧度R59。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。一般而言，与重建图像平行的方向（设为XY面）图像无需接段，需要接段操作的是与重建图像垂直的方向（设为Z轴），比如小动物身体不同段，比如胸部，腹部两次扫描之间需要接段。

模体实验操作过程如下：将足够长的模体固定地放置在跟小动物床一致的平移台上，模体采用两根绝对准直，不接触且不平行的玻璃棒作为模体，玻璃棒的CT值较高，确保模体能够覆盖到Z轴的常用范围a~b。在这段范围内按照一定步长，拍摄几段模体图像序列P₁，P₂，P_3……P_n。

图像接段算法，如图2所示，具体步骤可以分述为：

第一步、分别获取相等步长间距不同位置Z₁，Z₂，Z_3……Z_n的序列P₁，P₂，P_3……P_n。

第二步、遍历序列P₁，P₂，P_3……P_n，确定模体分别在每帧断层图像上的位置，所述位置用质心表示，针对所采集到的所有点，进行直线拟合，得到两条玻璃棒在序列P₁，P₂，P_3……P_n相等步长间距不同位置处原始坐标系下的直线方程。

第三步、在序列P₁，P₂，P_3……P_n中，通过提前实验，用模体确定的两条直线，在各自序列中以这两条拟合直线确定参考坐标系。比如建立P₁图像序列的从的参考坐标系：选择一条直线记为l₁，并选定与另一条直线记为l₂，相交的反方向作为新坐标系的Z方向(Z_Ref)。在P₁图像序列中l₂上任取一点P，过该点做直线l₁的垂线，记垂足为O_Ref,计算点P和O_Ref的距离并记为d, O_RefP所指方向为新坐标系的X方向(X_Ref);同理，在其他P₂，P_3……P_n序列中，在l₂上确定点P，使得点P到直线l₁的距离等于d，记垂足为O_Ref。确定O_Ref P所指方向为新坐标系的X方向(X_Ref)。

第四步、计算不同位置Z₁，Z₂，Z_3……Z_n每一段从原始坐标系转换到参考坐标系的转换矩阵。P₁序列中参考坐标系的单位坐标轴矢量X_Ref, Y_Ref, Z_Ref和原点O_Ref均由P₁图像序列的成分如下表示(其中e₁ ^x , e₂ ^x , e₃ ^x为原始坐标系XYZ方向单位向量，x₀ , y₀ , z₀为O_Ref在原始坐标系下坐标)：

X_Ref =(e₁ ^x , e₂ ^x , e₃ ^x ) ^T ,

Y_Ref =(e₁ ^y , e₂ ^y , e₃ ^y ) ^T ,

Z_Ref =(e₁ ^z , e₂ ^z , e₃ ^z ) ^T ,

O_Ref = (x₀ , y₀ , z₀ ) ^T。

则可以确定新坐标和原始坐标系之间的转换关系H。

其中M如下：

第五步、确定原始坐标系下不同位置Z₁，Z₂，Z_3……Z_n的序列P₁，P₂，P_3……P_n中像素点在参考坐标系下的坐标值。比如序列P₁：设点A在P₁图像序列中坐标为A₁=(x, y, z)^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T。则二者坐标关系为A_Ref= H₁* A₁；

第六步、确定原始坐标系下两个不同图像序列中像素点在对方坐标系下的坐标值，比如序列P₁与P₂之间：设P₁序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H₁，点A在p₁图像序列中坐标为A₁=(x, y, z)^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T，则二者坐标关系为：

A_Ref= H₁* A₁；

设P₂序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H₂，点A'在p₂图像序列中坐标为A₂=(x', y', z')^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T,则二者坐标关系为：

A_Ref= H₂* A₂；

可得P₁序列装换到P₂序列像素点坐标关系为

A₂= H₂ ^-1* H₁* A₁；

即可实现图像配准以及接段。

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 (2)

1.小动物医学影像多段配准及拼接方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、设计实验模体，该模体采用两根绝对准直，不接触且不平行的玻璃棒作为标准模体；

S2、采用标准模体进行拍摄，分别获取相等步长间距不同位置的序列P₁，P₂，P_3……P_n；

S3、遍历序列P₁，P₂，P_3……P_n，确定模体分别在每帧断层图像上的位置，所述位置用质心表示，针对所采集到的所有点，进行直线拟合，得到两条玻璃棒在序列P₁，P₂，P_3……P_n下相等步长间距不同位置处原始坐标系下的直线方程；

S4、在序列P₁，P₂，P_3……P_n中，通过模体所确定的两条直线，在各自序列中确定参考坐标系，比如建立P₁图像序列的从的参考坐标系：选择一条直线记为l₁，并选定与另一条直线记为l₂，相交的反方向作为新坐标系的Z方向(Z_Ref)；在P₁图像序列中l₂上任取一点P，过该点做直线l₁的垂线，记垂足为O_Ref，计算点P和O_Ref的距离并记为d, O_RefP所指方向为新坐标系的X方向(X_Ref);同理，在其他P₂，P_3……P_n序列中，在l₂上确定点P，使得点P到直线l₁的距离等于d，记垂足为O_Ref；确定O_Ref P所指方向为新坐标系的X方向(X_Ref)；

S5、确定原始坐标系下不同位置Z₁，Z₂，Z_3……Z_n的序列P₁，P₂，P_3……P_n中像素点在参考坐标系下的坐标值；比如序列P₁：设点A在P₁图像序列中坐标为A₁=(x, y, z)^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T；

则二者坐标关系为A_Ref= H₁* A₁；

S6、确定原始坐标系下两个不同图像序列中像素点在对方坐标系下的坐标值，比如序列P₁与P₂之间：设P₁序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H₁，点A在p₁图像序列中坐标为A₁=(x, y, z)^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T，则二者坐标关系为：

A_Ref= H₁* A₁；

设P₂序列中参考坐标系和原始坐标系之间的转换关系为H₂，点A'在p₂图像序列中坐标为A₂=(x', y', z')^T，在参考坐标系下为A_Ref=(x'',y'',z'')^T,则二者坐标关系为：

A_Ref= H₂* A₂；

可得P₁序列装换到P₂序列像素点坐标关系为

A₂= H₂ ^-1* H₁* A₁；

即可实现图像配准以及接段。

2.根据权利要求1所述的小动物医学影像多段配准及拼接方法，其特征在于：P₁序列中参考坐标系的单位坐标轴矢量X_Ref, Y_Ref, Z_Ref和原点O_Ref均由P₁图像序列的成分如下表示：

X_Ref =(e₁ ^x , e₂ ^x , e₃ ^x ) ^T ，

Y_Ref =(e₁ ^y , e₂ ^y , e₃ ^y ) ^T ，

Z_Ref =(e₁ ^z , e₂ ^z , e₃ ^z ) ^T，

O_Ref = (x₀ , y₀ , z₀ ) ^T；

则可以确定新坐标和原始坐标系之间的转换关系H：

其中M如下：

其中e₁ ^x , e₂ ^x , e₃ ^x为原始坐标系XYZ方向单位向量，x₀ , y₀ , z₀为O_Ref在原始坐标系下坐标。