第6章医学图像配准(6.3-6.6)概要.ppt

6.5.3 多参数最优化算法 基于最大互信息的配准过程实际上是一个多参数的最优化过程，因此，如何选择合适的优化策略直接关系到配准结果的精度和速度。图像空间变换的形式通常可分为四种：刚体变换、仿射变换、投影变换和曲线变换。 人脑可以近似为刚体。通过6个空间变换参数，包括沿着3 个坐标轴的平移量，和分别围绕着3个坐标轴的旋转角度，即可确定两幅图像间的空间位置关系。一经确定了刚体变换的形式，配准过程就转化为寻找6个空间变化参数的优化过程了。 对于每两幅待配准的图像，首先定义一个统一的立体坐标系统：X轴沿着行扫描方向（对病人而言是从右到左），Y轴沿着列扫描方向（从前到后），Z轴沿着层扫描的方向（从颅底到颅顶）。坐标原点定义在图像的灰度重心，即： 其中g(x,y,z)是位于坐标(x,y,z)的像素点的灰度。这样做相当于将两幅图像进行了粗配准，有利于减少后续的优化步骤，而且可以避免那些远离全局最优点的局部极值。 选择其中一幅图像作为浮动图 F， 另一幅图像作为参考图 R。 从浮动图的空间坐标 到参考图的空间坐标 的刚体变换可以用下式描述： 其中 和 为3*3的对角阵，分别代表图像 F和 R的像素大小； 和 分别是两幅图像的中心， 是3*3的旋转矩阵，t是平移向量。 采用Powell多参数优化算法。该算法由于无需计算梯度，可以加快有哪些信誉好的足球投注网站最大互信息的速度。在每一维内使用Brent算法迭代地有哪些信誉好的足球投注网站和估计配准参数，从而使互信息不断增加。 在Powell算法中，令6个参数的初值为零，初始有哪些信誉好的足球投注网站方向为共轭的单位向量。考虑到成像过程中，病人在XY平面的平移和旋转比其它方向的平移和旋转更明显，令优化过程的有哪些信誉好的足球投注网站顺序为 经验证，这种有哪些信誉好的足球投注网站顺序效率最高，精度最高。应当指出，Powell算法容易受到局部极值的干扰。多分辨的金字塔方式可以较好的解决这一问题。在配准过程的初始阶段试用较粗的图像分辨以提高程序运行的速度，而后提高采样率提高配准精度，该方法可以较好地避免局部极值。 6.5.4 配准结果的评估 在医学图像配准问题中，通常没有所谓的“金标准”；但是通过前瞻性的、基于标志点的配准方法可以得到一个近似的标准结果。在Vanderbilt大学医疗中心进行神经外科手术的一些病人，颅骨上被固定定位标记并接受多模医学图像（CT、MR、PET）数据采集。成像后通过配准定位标记点得到用于回顾性算法评估的“金标准”。 配准算法的研究人员使用的是已经擦掉标志点的3D多模图像数据，完成配准工作后，将所得结果提交Vanderbilt大学接受评估。评估之前，一些感兴趣区（Volume of Interest，一般为10个）由医学专家给出，这些区域通常就是神经外科手术中的敏感区。每个感兴趣区被定义在MR图像中，同时计算其中心c；而后应用前瞻性配准算法得到的“金标准”确定其在CT上的对应点cˊ；再用待评估算法的配准结果确定MR中对应cˊ的点c；通过计算每一个原点c与对应点c的距离，作为目标配准误差(Target Registration Error，简称TRE)，并由此统计出相应配准算法的精度。 回顾性图像配准算法评估项目是一种“双盲”性的研究过程。所谓“双盲”，即评估人员不知道被评估的具体算法，而算法的研究人员也不知道“金标准”，直到提交所有的配准结果。这样就使得对算法的评估更加真实、可靠，并且更符合临床实际。 实验所采用的所有图像数据来源于美国田纳西州的Vanderbilt大学的“回顾性图像配准算法评估”项目，该项目受美国NIH支持，编号1 R01 NS33926-01；J. Michael Fitzpatrick 教授是该项目的主要负责人。Vanderbilt大学提供的七个病人的全套CT和MR图像的3D体积数据。 每个病人有1套CT数据和6套MR数据，包括PD、T1、T2和分别矫正过几何失真的PD_rectified、T1_rectified、T2_rectified图像（代号Patient_006的病人没有T1_rectified数据）。 CT图像在XY平面上的分辨率为512*512，在Z轴方向采样28~34层，像素在X、Y、Z三个方向上的大小分别为0.653595mm、0.653595mm、4.0mm。 MR图像在XY平面上的分辨率为256*256，在Z轴方向采样20~26层，像素在X、Y方向的大小为1.25~1.28mm，Z方向的像素大小为4.0mm。以MR图像中的像素对角距作为一个像素大小，即 应用了来自七个病人的CT-MR共41套数据，经Vanderbilt大学评估，所有配准结果与“金标准”相比的误差都小于4mm，全部达到了亚像素级的配准