CN108053428A

CN108053428A - 一种医学图像的配准方法、装置及设备

Info

Publication number: CN108053428A
Application number: CN201711456880.3A
Authority: CN
Inventors: 黎维娟; 马杰延
Original assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Current assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-05-18

Abstract

本发明实施例公开了一种医学图像的配准方法、装置及设备。该方法包括：获取第一功能图像与第一解剖图像，将第一功能图像配准到第一解剖图像的解剖位置上；获取第二功能图像与第二解剖图像，将第二功能图像配准到第二解剖图像的解剖位置上；对第二解剖图像与第一解剖图像进行配准，将第二解剖图像配准到第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系；采用配准变换关系对配准到第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像。本发明实施例实现了不同时间点获取的第一功能图像与第二功能图像之间的配准。

Description

一种医学图像的配准方法、装置及设备

技术领域

本发明实施例涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种医学图像的配准方法、装置及设备。

背景技术

PET(Positron Emission Tomography,正电子发射计算机断层扫描)/CT(Computed Ttomography,CT)双模式成像可以获得具有功能信息的PET图像和具有精细解剖结构信息的CT图像，两种图像融合可以精确定位病灶位置，提高疾病诊断精确度。

通常PET探测器和CT探测器安装在同一机器上，并共有同一扫描床，对扫描对象快速的进行CT扫描后，进行PET扫描。然而，在不同时间点对扫描对象进行扫描时，扫描对象位于扫描区域中的位置很难保持不变，由于扫描对象移动，或者病床下沉等原因，必然引起在不同位置获取的不同PET图像的空间位置的不匹配。因而，对不同PET图像进行配准是十分必要的。

发明内容

本发明实施例提供一种医学图像的配准方法、装置及设备，实现了对不同功能图像的配准。

第一方面，本发明实施例提供了一种医学图像的配准方法，包括：

获取第一功能图像与第一解剖图像，将所述第一功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上；

获取第二功能图像与第二解剖图像，将所述第二功能图像配准到所述第二解剖图像的解剖位置上；

对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系；

采用所述配准变换关系对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像。

第二方面，本发明实施例提供了一种医学图像的配准装置，包括：

第一配准模块，用于获取第一功能图像与第一解剖图像，将所述第一功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上；

第二配准模块，用于获取第二功能图像与第二解剖图像，将所述第二功能图像配准到所述第二解剖图像的解剖位置上；

第三配准模块，用于对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系；

图像变换模块，用于采用所述配准变换关系对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像。

第三方面，本发明实施例提供了一种设备，该设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现第一方面中任一所述的医学图像的配准方法。

本发明实施例的技术方案，通过将第二功能图像配准到第二解剖图像上，将第二解剖图像配准到第一解剖图像上得到第二解剖图像到第一解剖图像的解剖位置上的配准变换关系，采用配准变换关系对第二功能图像进行配准，将第二功能图像配准到第一解剖图像的解剖位置上，并且也将第一功能图像配准到第一解剖图像的解剖位置上。该方案通过第一功能图像与第二功能图像均配准到第一解剖图像上，实现了不同时间点获取的第一功能图像与第二功能图像之间的配准。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种医学图像的配准方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的图像配准过程的示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种医学图像的配准方法的流程图；

图4为本发明实施例三提供的一种医学图像的配准装置的结构图；

图5为本发明实施例四提供的一种设备的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种医学图像的配准方法的流程图，图2为本发明实施例一提供的图像配准过程的示意图，图2中以功能图像是PET图像，解剖图像是CT图像为例，该方法可以由本发明实施例提供的医学图像的配准装置/设备来执行。结合图1和图2，该方法具体包括：

步骤11、获取第一功能图像与第一解剖图像，将所述第一功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上。

步骤12、获取第二功能图像与第二解剖图像，将所述第二功能图像配准到所述第二解剖图像的解剖位置上。

步骤13、对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系。

步骤14、采用所述配准变换关系对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像。

本实施例通过将第一功能图像配准到第一解剖图像上，将第二功能图像配准到第二解剖图像上，将第二解剖图像配准到第一解剖图像上得到第二解剖图像到第一解剖图像的配准变换关系，再用配准变换关系将配准到第二解剖图像上的第二功能图像再次配准到第一解剖图像上，即从功能图像配准到解剖图像，从解剖图像配准到解剖图像，从解剖图像配准到功能图像，通过配准传递实现了不同时间点获取的功能图像的配准。

在本实施例中，功能图像可以是PET图像或SPET(Single Photon EmissionTomography，单光子发射体层摄影术)图像等，解剖图像可以是CT图像或者MRI(MagneticResonance Imaging，磁共振成像)图像等。

由于功能图像是功能代谢显像，用于提供解剖组织详尽的功能与代谢等分子信息在成像过程中由于受康普顿效应、散射、偶然符合事件、死时间等衰减因素的影响，采集的数据与实际情况并不一致，图像质量有一定失真，解剖图像是解剖结构显像，提供解剖结构的精确定位，因此实现第二解剖图像与第一解剖图像之间配准，相比于实现第二功能图像与第一功能图像之间配准的成功率以及准确度均明显提高，相应地，本实施例中通过配准传递实现不同功能图像之间的配准相比于直接实现不同功能图像之间的配准，可以提高配准成功率以及准确度。

本实施例中，第一解剖图像和第二解剖图像是在不同时间点下，对同一个扫描对象进行扫描获取的解剖图像；同理，第一功能图像与第二功能图像是在在不同时间点下，对同一个扫描对象进行扫描获取的功能图像。具体的，在第一时间进行第一次功能/解剖扫描，并依据扫描到的数据进行图像重建得到第一功能图像和第一解剖图像，在第二时间进行第二次功能/解剖扫描，并依据扫描到的数据进行图像重建得到第二功能图像和第二解剖图像。

在进行刚性配准过程中，通过将第一图像作为参考图像，第二图像作为浮动图像，可以将第二图像配准到第一图像上并得到刚性配准的旋转矩阵和平移向量。相应地，在步骤11中，通过以第一解剖图像为参考图像，第一功能图像为浮动图像进行刚性配准，将第一功能图像配准到第一解剖图像的解剖位置上，在步骤12中，通过以第二解剖图像为参考图像，第二功能图像为浮动图像进行刚性配准，将第二功能图像配准到第二解剖图像的解剖位置上。

为了便于理解，以下对三维图像刚性配准的原理进行介绍：

三维刚体配准可以看作是绕空间某一轴旋转与沿同一轴平移的结合，其中三维空间旋转是采用四元数(Quaternion)模型。四元数一般定义如下式：

其中w,x,y,z是实数，同时有i²＝j²＝k²＝ijk＝-1。(x,y,z)是矢量，但不能简单理解为三维空间的矢量，它是四维空间中的矢量，也是不容易想象的。通俗地讲，一个四元数描述了一个旋转轴和绕该旋转轴旋转的角度α。为旋转轴的单位矢量。配准中涉及到的关于四元数的运算有以下几个场景：

I一般用单位化的四元数描述旋转，即

若四元数q′不是单位化的，那么四元数的单位化与矢量是类似的，即

II当给定一个旋转轴和一个旋转角度，就可以根据公式推出w,x,y,z的值。见下面的例子

假设绕轴旋转120°的旋转f用四元数q表示为：

III反之，当已知x,y,z时，可推出对应的单位四元数：

当且仅当x²+y²+z²≤1

IV若是三维坐标空间的任意向量，则是绕旋转轴旋转α角得到的和向量，见如下公式：

可以用一个正交矩阵表示绕单位四元数的旋转，该矩阵形式见如下公式：

所以三维刚体变换的参数有6个，其中四元数模型即旋转矩阵占据3个参数，即x,y,z；平移向量占据另外3个参数。

由于空间变换模型包含多个参数，这是一个多参数最优化问题，一般由迭代过程实现。

T′＝T+ΔT

优化算法可选择最速下降法(Steepest Descent Method)，又称梯度下降法(Gradient Descent Method)。在梯度下降法中，求某函数极大值时，沿着梯度方向走，可以最快达到极大点；沿着负梯度方向走，则最快地达到极小点。本设计的是求目标函数的极小值。

i表示迭代次数，从μ_i点出发，沿着梯度方向走一步，步长为ρ_i，得到新点μ_i+1，表示为：

其中：

算法步骤如下：

1)对目标函数求梯度，

2)向梯度相反方向移动μ_i，其中：

3)循环迭代第2步，直至目标函数在两次迭代之间差值足够小。

4)输出μ_i，即为使目标函数取最小值的j最佳变换参数值。

在步骤13中，由于人体的器官组织具有非刚性特征和刚性特征，第二解剖图像与第一解剖图像的配准过程可以通过刚性配准和/或弹性形变配准实现。在刚性配准过程中，确定将第二解剖图像配准到第一解剖图像的刚性配准矩阵，在弹性形变过程中，确定第二解剖图像与第一解剖图像之间图像空间的运动场，即形变场，相应地，刚性配准矩阵和/或形变场构成第二解剖图像到第一解剖图像的配准变换关系。

在步骤S14中，采用所述配准变换关系对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第一功能图像。

在本实施例的一种具体实施方式中，所述第一解剖图像，第二解剖图像、第一功能图像与第二功能图像之间的图像配准是针对解剖位置的配准。针对解剖位置的配准可以根据具体器官或具备一定解剖信息的组织如肝脏、肾脏、脾脏、骨头组织等进行针对性的配准。例如针对具体解剖组织的区域内相对应地增大相似性侧度的权值或对权值进行重点优化。在功能图像与功能图像的融合中，针对特定器官和组织的精准匹配是十分重要的，可以利用上述方案提高局部受关注器官的不同时间点功能图像的局部对应关系，从而更好地解决有呼吸或其他因素引起的非刚性的运动差异。

在本实施例的一种具体实施方式中，将第二功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上之后，还可以包括：对配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第一功能图像以及配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行融合对比，统计不同时间扫描剂量不同对同一位置标准摄取值的影响。

本实施例的技术方案，利用功能与解剖同床同时扫描的特点，通过将第一时间的功能图像与解剖图像刚性配准，两个不同时间的解剖与解剖图像的刚性和/或非刚性配准，以及第二个时间的功能图像与解剖图像刚性配准，获取的配准传递实现了将两个不同时间的功能图像进行非刚性配准，并矫正后一个时间的功能图像，与第一个时间的功能图像解剖位置对齐。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的一种医学图像的配准方法的流程图，在本实施例中通过刚性配准和弹性形变配准相结合的方式对不同解剖图像进行配准。参考图3，该方法具体包括：

步骤21、获取第一功能图像与第一解剖图像，将所述第一功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上。

具体的，可以以第一解剖图像为参考图像，第一功能图像为浮动图像，将第一功能图像刚性配准到第一解剖图像上，得到第一刚性配准矩阵A1。

步骤22、获取第二功能图像与第二解剖图像，将所述第二功能图像配准到所述第二解剖图像的解剖位置上。

具体的，可以以第二解剖图像为参考图像，第二功能图像为浮动图像，将第二功能图像刚性配准到第二解剖图像上，得到第三刚性配准矩阵A3。

步骤23、对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行刚性配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到刚性配准矩阵。

具体的，以第一解剖图像为参考图像，第二解剖图像为浮动图像，将第二解剖图像刚性配准到第一解剖图像上，得到第二刚性配准矩阵A2。

步骤24、将配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像弹性形变配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到形变场。

在本实施例的一种具体实施方式中，可以采用光流法确定配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像与所述第一解剖图像之间图像空间的形变场D。例如采用Demons算法利用光流场模型，将浮动图像与参考图像借助瞬时位移推动像素点进行形变。对于已知点P，m是浮动图像上的灰度，f是配准图像上的灰度，光流场方程可以表示为：

则P点的形变向量为：

由于配准图像的梯度趋近于0时，会产生较大的形变量，导致方程不稳定。方程可修改为：

其中，是配准图像的梯度，作为内力，(m-f)作为驱动形变的外力。Demons图像配准方法就是获取一个能够驱动该浮动图像上的每个点，并计算出所有浮动图像上的偏移量，从而达到浮动图像到参考图像的配准。

在本实施例的另一种具体实施方式中，可以采用最大化交互信息量法确定配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像与所述第一解剖图像之间图像空间的形变场D。

以下通过计算图像A和图像B之间的运动场为例进行说明。图像A和图像B的交互信息量可以用如下公式表示：

p_A(a)表示边缘概率密度函数。

两个系统的联合熵定义为：

p_AB(a,b)表示联合概率密度函数。

两个系统的互信息定义为：

I(A,B)＝H(A)+H(B)-H(A,B)

又可写成

配准的过程可归结为寻求最佳空间变换

或

步骤25、采用刚性配准矩阵和形变场对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像解剖位置上的第二功能图像。

具体的，采用第二刚性配准矩阵A2和形变场D对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换计算，得到新的第二功能图像，该第二功能图像以第一解剖图像为参考图像。

需要说明的是，本实施例中也可以依据第一刚性配准矩阵A1、第二刚性配准矩阵A2、第三刚性配准矩阵A3和形变场D计算复合配准矩阵与形变场，再用复合配准矩阵和形变场校正第二功能图像。在本实施例的一种具体实施方式中，针对最终功能和功能图像的复合形变场的结合中所有的刚性形变场均由配准矩阵的乘积来结合，而非刚性形变场与刚性形变场的结合则通过首先利用刚性形变矩阵映射出刚性形变场在图像上每个点的位移，然后直接叠加上非刚性形变场的位移得到。

本实施例中，通过对两组不同时间扫描的功能/解剖图像，通过解剖-解剖之间的配准把两个不同时间的功能图像进行非刚性配准，使用配准输出的形变场进行功能图像校准，进一步提高了不同功能图像的配准成功率。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的一种医学图像的配准装置的结构图，该装置可执行本发明任意实施例所提供的医学图像的配准方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。如图4所示，该装置可以包括：

第一配准模块31，用于获取第一功能图像与第一解剖图像，将所述第一功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上；

第二配准模块32，用于获取第二功能图像与第二解剖图像，将所述第二功能图像配准到所述第二解剖图像的解剖位置上；

第三配准模块33，用于对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系；

图像变换模块34，用于采用所述配准变换关系对配准到所述第二解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行变换得到配准到第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像。

示例性的，所述第三配准模块33可以包括：

第一刚性配准单元，用于对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行刚性配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到刚性配准矩阵；

第三弹性配准单元，用于将配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像弹性形变配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到形变场。

示例性的，所述第三弹性配准单元具体可以用于：

采用光流法和/或最大化交互信息量法确定配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像与所述第一解剖图像之间图像空间的形变场。

示例性的，上述装置还可以包括：

统计模块，用于在将第二功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上之后，对配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第一功能图像以及配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行融合对比，统计不同时间的解剖位置上的标准摄取值。

实施例四

图5为本发明实施例四提供的一种设备的结构示意图。图5示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性设备412的框图。图5显示的设备412仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，设备412以通用计算设备的形式表现。设备412的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器416，系统存储器428，连接不同系统组件(包括系统存储器428和处理器416)的总线418。

总线418表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器416或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

设备412典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被设备412访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器428可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)430和/或高速缓存存储器432。设备412可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统434可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线418相连。存储器428可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块442的程序/实用工具440，可以存储在例如存储器428中，这样的程序模块442包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块442通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

设备412也可以与一个或多个外部设备414(例如键盘、指向设备、显示器424等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该设备412交互的设备通信，和/或与使得该设备412能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口422进行。并且，设备412还可以通过网络适配器420与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器420通过总线418与设备412的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合设备412使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理器416通过运行存储在系统存储器428中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的医学图像的配准方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种医学图像的配准方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到配准变换关系，包括：

对所述第二解剖图像与所述第一解剖图像进行刚性配准，将所述第二解剖图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到刚性配准矩阵；

将配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像弹性形变配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到形变场。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二解剖图像弹性形变配准到所述第一解剖图像的解剖位置上，得到形变场，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将第二功能图像配准到所述第一解剖图像的解剖位置上之后，还包括：

对配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第一功能图像以及配准到所述第一解剖图像的解剖位置上的第二功能图像进行融合对比，统计不同时间的解剖位置上的标准摄取值。

5.一种医学图像的配准装置，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三配准模块包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三弹性配准单元具体用于：

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

9.一种设备，其特征在于，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4中任一所述的医学图像的配准方法。