基于基准点的心脏弥散张量仿射配准算法研究

作     者：唐斌 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨凤

授予年度：2016年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：心脏 刚性 仿射配准 基准点 重定向 三维 弥散张量成像 

摘      要：近年来的统计数据表明心血管疾病已经连续八年成为危害人类身体健康的头号杀手,心脏是人体维持血液循环的动力器官,而许多心血管疾病(如心肌梗塞、心力衰竭等)的产生与心肌纤维的结构密切相关。目前研究心肌纤维的方式有很多,但弥散张量磁共振成像(DT-MRI)是目前唯一可以非侵入性非破坏性地研究活体心肌三维纤维结构的成像方式,其早期应用集中在脑白质的纤维结构研究上,将其应用于心肌纤维结构的研究是近几年来的一个研究热点。不同模态、不同分辨率、不同个体的心脏或同一个体的心脏的搏动都会使得心脏图像呈现较大差别,这对医生诊断心血管疾病时产生了不少的困难。因此,我们需要将心脏弥散张量图像进行配准,使其空间位置对准,以便于医生将其与心脏图谱或者其他心脏进行对比,亦或者将心脏弥散张量图像和其他模态的心脏图像进行配准融合,观察不同模态的图像以获取更多的信息,提高诊断的效率。此外,基于心脏弥散张量图像配准我们可以利用来自不同个体的心脏数据构建人体心脏纤维结构的平均模型,为心脏疾病的病理研究提供更可靠的数据。目前现有的针对弥散张量图像处理的算法大多是针对大脑成像提出来的,无法直接应用于心脏成像。基于心脏的弥散张量配准更为复杂,不同的大脑DT-MRI数据的大小、形状、方向差别不大,不同的心肌纤维,尤其是ex-vivo(体外)的心肌纤维结构的大小、形状及朝向等差别很大,这会导致在心脏三维仿射配准过程中容易陷入局部极值的问题,达不到配准的效果。因此,针对心脏弥散张量图像的特点本文提出了基于基准点的心脏弥散张量仿射配准的算法,利用基准点的几何特性,快速调整心脏的大小和朝向,再以互信息为相似性测度,以三维仿射变换为变换模型,再采用Powell修正算法作为参数优化策略对心脏弥散张量进行配准,最后进行张量重定向,保持张量的主方向与心肌纤维走向的一致性。实验结果表明该算法解决了参数优化时容易出现局部极值的问题,配准效果良好,达到了刚性配准的要求,能为精确度更高的非刚性配准提供理想的初始位置。此外,在调整心脏大小时提出了改进的缩放方法,将单一缩放因子设置为两个缩放因子,分别对横断面和竖轴方向进行缩放,解决了单一缩放因子方法因横断面和竖轴方向尺寸相差太大而不能配准的问题。