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基于Log-Euclidean协方差矩阵描述符的医学图像配准

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计算机学报 2019年第9期42卷 2087-2099页

作者：张莉李彬田联房张鸣生王雷李祥霞刘霜纯华南理工大学自动化科学与工程学院广州510640 广东省人民医院&广东省医学科学院广东省老年医学研究所广州510080 山东理工大学计算机科学与技术学院山东淄博255049

患者随访CT图像之间的配准有助于提高诊断的可靠程度和改善治疗效果,是监测术后康复状况、确定或调整治疗方案等的前提.当前,先进的微分同胚形变配准算法的形变场驱动力仅依靠图像灰度和梯度信息,使得其对复杂形变的配准明显表现出驱动... 详细信息

患者随访CT图像之间的配准有助于提高诊断的可靠程度和改善治疗效果,是监测术后康复状况、确定或调整治疗方案等的前提.当前,先进的微分同胚形变配准算法的形变场驱动力仅依靠图像灰度和梯度信息,使得其对复杂形变的配准明显表现出驱动力不足、形变程度不高、鲁棒性较弱、配准精度低等问题.针对这些问题,该文提出将对数欧拉协方差矩阵(Log-Euclidean Covariance Matrices,LECM)描述符结合于配准模型的目标函数中构建了一种新配准算法模型,称为LECM Demons模型.该算法首先将图像每一像素的灰度信息、位置信息、一阶和二阶梯度范数信息映射为一个特征空间;然后,对特征空间采用积分图像方法快速计算每一像素的协方差矩阵;接着,通过矩阵的对数映射将协方差矩阵映射为Log-Euclidean空间中的特征描述符简称为LECM描述符,其对大的旋转、缩放、照度等变化具有不变性的特点,能够有效地描述图像的结构特性;最后,将待配准两图像对应的LECM描述符的欧氏距离作为一个新的匹配项添加到Log-Demons配准框架的目标函数,为大而复杂形变的图像配准提供了具有结构信息约束的形变场驱动力,同时确保了新目标能量函数的可微性.此外,为了进一步提高配准的收敛速度和精度,在新配准算法实现中采用了多分辨率优化策略.实验结果表明,LECM Demons算法对复杂形变具有较强的鲁棒性,配准精度与先进的形变配准算法相比平均改善50%以上,同时保持了较高的计算效率.

关键词：医学图像配准 Log-Euclidean协方差矩阵 Log-Demons 多分辨率策略鲁棒性

基于平衡系数的Active Demons非刚性配准算法

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自动化学报 2016年第9期42卷 1389-1400页

作者：薛鹏杨佩曹祝楼贾大宇董恩清山东大学(威海)机电与信息工程学院威海264209

经典的Active demons算法利用参考图像和浮动图像的梯度信息作为驱动力,并使用均化系数调节两种驱动力之间的强度.该算法克服了Demons算法单一使用参考图像的梯度信息作为驱动力的缺点,但是Active demons算法中的均化系数无法同时兼顾... 详细信息

经典的Active demons算法利用参考图像和浮动图像的梯度信息作为驱动力,并使用均化系数调节两种驱动力之间的强度.该算法克服了Demons算法单一使用参考图像的梯度信息作为驱动力的缺点,但是Active demons算法中的均化系数无法同时兼顾大形变和小形变区域的准确配准,还会导致配准的收敛速度和精确度相互制约的问题.为此,本文提出一种新的Active demons非刚性配准算法.提出的算法在Active demons扩散方程中引入一个称为平衡系数的新参数,与均化系数联合调整驱动力,不仅可以兼顾图像中同时具有的大形变和小形变区域的准确配准,而且在一定程度上缓和了收敛速度和精确度相互制约的问题.为了进一步提高配准的收敛速度和精确度,避免陷入局部极值,在新的配准算法的实现中引入由粗到细的多分辨率策略.在Checkboard测试图像、自然图像和医学图像上的实验结果表明,提出的算法较经典的Active demons算法收敛速度更快,配准精度平均提高了54.28%,接近最新的TV-L1光流场图像配准算法的配准精度,解决了Active demons算法存在的问题.

关键词：非刚性配准 Active demons算法光流场图像配准驱动力多分辨率策略

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快速数字影像重建的2维/3维医学图像配准

中国图象图形学报 2016年第1期21卷 69-77页

作者：刘坤吕晓琪谷宇于荷峰任国印张明内蒙古科技大学信息工程学院包头014010

目的针对2D/3D医学图像配准过程中数字影像重建技术(DRR)生成图像和相似性程度测量两个步骤计算量大、耗时较长这一问题,提出了一种基于Bresenham直线生成算法改进的模式强度与梯度相结合的混合配准算法。方法首先利用Bresenham直线生... 详细信息

目的针对2D/3D医学图像配准过程中数字影像重建技术(DRR)生成图像和相似性程度测量两个步骤计算量大、耗时较长这一问题,提出了一种基于Bresenham直线生成算法改进的模式强度与梯度相结合的混合配准算法。方法首先利用Bresenham直线生成算法原理改进传统光线投射算法(Ray-Casting),完成DRR图像的生成;其次模式强度与梯度相结合并引入多分辨率策略来降低相似性测度的计算复杂度;最终利用改进的鲍威尔优化算法对参数进行优化,完成整个配准过程。结果实验结果表明,改进的混合配准算法与基于相关系数、互信息和模式强度的配准算法相比,配准效率大幅提升。模拟配准实验和临床配准实验完成时间分别为76.2 s和64.9 s,比传统配准算法效率提升3 6倍。结论提出的算法在保证配准精度和高鲁棒性的前提下,大幅度地提高了2D/3D医学图像配准算法的运算速度,可以满足临床上精确引导手术进行的实时性要求。

关键词： 2D/3D配准光线投射算法 Bresenham直线生成算法改进的模式强度多分辨率策略改进的鲍威尔算法

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基于互信息的颅脑MR影像序列的三维配准

计算机工程与应用 2011年第31期47卷 160-163页

作者：王丽孙丰荣王奕琨刘炜姜威秦通李新彩山东大学信息科学与工程学院济南250100

医学图像配准具有重要的临床应用价值,并一直是医学图像处理领域的热点研究问题。基于互信息的配准方法由于自动化程度高和配准精度高的优点而被广泛应用于三维医学图像配准;但是,也存在着数据量大、计算速度慢的问题。采用归一化互信... 详细信息

医学图像配准具有重要的临床应用价值,并一直是医学图像处理领域的热点研究问题。基于互信息的配准方法由于自动化程度高和配准精度高的优点而被广泛应用于三维医学图像配准;但是,也存在着数据量大、计算速度慢的问题。采用归一化互信息测度,并将一种新的正交优化技术应用于颅脑MR影像序列的三维配准,旨在缩短处理时间。将该方法与使用传统优化算法的配准方法作了比较,实验结果表明,提出的方法能够显著提高配准速度,且不降低配准精度。

关键词：医学图像配准互信息归一化互信息阻尼正交表多分辨率策略

基于互信息的多模态医学图像CT-MRI配准

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基于互信息的多模态医学图像CT-MRI配准

作者：张存利吉林大学

学位级别：硕士

本文课题来源于吉林大学计算机科学与技术学院数据库与智能网络实验室与吉林大学第二医院CT室合作的交叉学科科研项目“基于知识库的医学图像配准模型研究”,主要研究内容为多模态脑图像CT和MRI之间的配准,目的是为以后的图像融合提供... 详细信息

本文课题来源于吉林大学计算机科学与技术学院数据库与智能网络实验室与吉林大学第二医院CT室合作的交叉学科科研项目“基于知识库的医学图像配准模型研究”,主要研究内容为多模态脑图像CT和MRI之间的配准,目的是为以后的图像融合提供基础。医学图像配准可以分为几何变换、相似性测度、图像插值和优化函数四个主要模块,本文主要研究相似性测度模块,研究在多模态领域非常成功的基于最大化信息的相似性测度。最大化互信息将信息论引入图像配准,当待配准图像经过 -定的几何变换达到最佳配准度量时,互信息值达到最大,该方法不依赖人工干预,不需要对图像进行预处理,也不需要任何的假设性先验知识等,是实现配准自动化的一个非常好的选择。使用的优化函数为梯度下降法的一种改进,称为规则的梯度下降法。本文以一个通用的医学图像配准框架为主线,对医学图像配准的流程以及关键技术进行了讨论。我们将配准、融合、以及用户操作接口分别作为独立的子系统构建了一个实验性医学图像配准融合系统,可以进行二维医学图像的配准融合实验。使用开源库ITK设计并实现了配准子系统模块,并使用开源库VTK与MFC实现了数据可视化与用户界面接口。给出了最大化互信息的理论推导,分析了影响配准效果的关键因素,并给出了计算互信息的简单示例。首先针对标准的医学图像进行了基本的实验,目的是找出尽可能理想的参数,使得对大部分的图像都能有好的效果。经过大量实验得到了互信息和优化函数中几个关键参数的取值,然后使用有病变的真实病人CT-MRI图像进行了配准实验,给出了整个配准过程中负互信息值以及浮动图像平移量的曲线图。最后结合多分辨率策略进行实验,讨论了多分辨率的原理并给出了结合多分辨率策略的配准详细流程,同样使用真实病人数据进行了实验。实验结果表明对比较复杂的图像多分辨率策略能明显提高配准精度,但同样会增加配准时间。目前实验还主要是脑图像CT-MRI配准中,对于其它易形变以及有复杂病变的人体组织器官还没有好的结果。以后随着研究的深入,我们还将针对腹部等易形变的组织进行实验,研究更复杂的非刚体变换模型,以及进行3D医学图像配准研究,并针对配准速度问题结合GPU进行辅助加速等。

关键词：多模态医学图像配准配准框架最大化互信息多分辨率策略

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近距离放射粒子植入术中针道识别技术研究

近距离放射粒子植入术中针道识别技术研究

作者：蔡庆武长春理工大学

学位级别：硕士

近距离粒子植入手术作为一种低风险性,且对肿瘤具有高效灭杀能力的手术,越来越受到人们的关注。随着社会科技发展,治疗计划系统越来越活跃在医疗技术方面,尤其是近距离放射粒子植入手术中一些人体内难以观察到的病灶区域,都可以通过治... 详细信息

近距离粒子植入手术作为一种低风险性,且对肿瘤具有高效灭杀能力的手术,越来越受到人们的关注。随着社会科技发展,治疗计划系统越来越活跃在医疗技术方面,尤其是近距离放射粒子植入手术中一些人体内难以观察到的病灶区域,都可以通过治疗计划系统来模拟术前计划达到精确治疗的目的。本文针对肺部近距离放射粒子植入手术流程中术前计划和术中计划不匹配的问题和术中针道偏移问题展开研究。主要研究内容包括:术前和术中医学图像配准技术研究,主流直线段提取算法在医学图像上的性能对比以及术中针道识别技术研究。为了解决目前国内治疗计划系统中的术前计划在术中失效的问题,本文提出一种基于多分辨率策略的术前和术中医学图像配准技术,通过小波变换构成图像金字塔,在提高计算效率的同时,与之搭配出完善的优化策略。并且为了进一步提升图像配准的精度,用单纯形算法对图像金字塔模型高分辨率层进行精配准,构建出一套完善的配准流程。最后通过医学图像配准实验验证了该算法的准确性和高效性。针对术中针道识别技术算法,对目前主流的直线段提取算法展开研究。主要对EDLines算法和LSD算法在医学图像直线段提取效果做出对比,并且在过去的研究发展中主要通过目视判断来比较直线段提取的效果好坏,缺乏一个客观合理的评价体系。本文采用目视判断先进行解译之后用直线匹配算法进行验证的方法,客观地评价了这2种算法的综合性能,同时也为后续针道识别算法实验的准确性和有效性奠定基础。为了解决由于术中肿瘤肿胀出血等因素导致针道偏移的问题,辅助医生获得植入针的实际位置,提出一种术中针道识别技术。该算法在传统的EDLines算法上进行改进,将原有的最小二乘法替换为随机抽样一致性算法,提升了算法的准确性和高效性。用亥姆霍兹原理剔除虚假的直线段,针尖位置是由搜索其周围的灰度变化进行判定。最后通过实际病例验证97%以上的针轴角度偏差小于1.2°,所有针尖位置误差小于0.8mm,完全满足临床手术的精度要求。

关键词：近距离放射粒子手术多分辨率策略直线段匹配针道识别

基于分数阶微分的SIFT算法和微分同胚Demons算法

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基于分数阶微分的SIFT算法和微分同胚Demons算法

作者：陈子恒南昌航空大学

学位级别：硕士

图像配准是医学图像分析和计算机视觉的基础性研究课题,在图像融合、图像拼接、图像重建等方面有着重要的应用。SIFT(Scale Invariant Feature Transform,尺度不变特征转换)算法是经典的基于图像特征的配准方法,传统的基于SIFT的图像配... 详细信息

图像配准是医学图像分析和计算机视觉的基础性研究课题,在图像融合、图像拼接、图像重建等方面有着重要的应用。SIFT(Scale Invariant Feature Transform,尺度不变特征转换)算法是经典的基于图像特征的配准方法,传统的基于SIFT的图像配准方法在特征匹配阶段匹配对数少,配准精度较低,并且传统的欧式距离无法衡量特征向量的几何空间的相关性。微分同胚Log-Demons算法作为Demons算法的重要延伸与发展,主要用来解决图像局部微小的形变问题,并获得了较好的效果,但它与经典的Demons算法存在相同的问题:即在图像灰度均匀分布区域,仅以图像梯度作为驱动力,存在明显的驱动力不足导致无法驱动浮动图像向参考图像变形,且算法易陷入局部最优值。本文针对上述问题,展开的工作如下:(1)提出了基于自适应分数阶的SIFT图像配准方法。首先将自适应分数阶微分应用到基于图像特征的SIFT图像配准算法中,在分数阶微分求解最佳阶次时,通过对图像信息熵值和梯度模值归一化处理,然后再基于该两个局部特征构建分数阶自适应模型,该模型可以计算每个像素点的最佳分数阶阶次,然后基于最佳阶次构造自适应分数阶的掩模模板。在阶次选择上,采用了阶次自适应算法,从而避免了人工选取的费时费力;然后针对在匹配过程中由于欧式距离无法满足特征向量的空间几何约束问题,引入余弦相似性约束,使误匹配的对数得到减少;再通过RANSAC进行精匹配,并以匹配点到变换模型距离的平均值作为阈值,进一步降低误匹配率,在空间变换过程中,采用多项式变换,降低了配准所需的时间。通过对匹配和配准实验结果的分析与讨论,表明本文改进的算法是有效的。(2)提出了结合SIFT特征和改进的Log-Demons的非刚性配准。首先基于SIFT特征对参考图像和浮动图像进行粗配准,然后针对配准后的图像中存在局部微小形变的问题,采用微分同胚的Log-Demons方法实现精配准。结合基于特征和基于灰度的配准方法,可以较好地解决较大形变的图像配准问题。通过用R-L(Riemann-Liouville)分数阶梯度代替原始的微分同胚的Log-Demons算法中的图像梯度来增强图像的细节信息,提升配准的驱动力,避免算法陷入局部最小值,从而使得图像配准的质量得到了提升,同时也减少了配准所需的时间。然后设计了一种基于图像结构张量的各向异性高斯函数,对形变场进行正则化,更好地利用了图像邻域的结构信息,避免在计算过程中出现的梯度信息缺失问题。最后,为了减少配准的时间,通过应用多分辨策略分别将SIFT配准后的图像和参考图像通过下采样分成不同分辨率的三层图像,由低到高逐层配准,从而有效地提升了配准的质量和效率,通过将本文算法和相关算法进行对比分析中可得出,本文改进算法的配准质量和效率均得到有效提高。

关键词： SIFT算法微分同胚Log-Demons算法 R-L分数阶自适应模型结构张量多分辨率策略

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图像配准算法的若干关键问题研究

图像配准算法的若干关键问题研究

作者：庄世勇福州大学

学位级别：硕士

图像配准是图像处理的重要分支,在视频图像分析,遥感图像,医学运动图像和三维场景的特征恢复等领域应用广泛。在最近几年,刚性图像配准的研究工作已取得不少进展,但非刚性图像配准以及三维图像配准这两个关键问题仍需更好的解决。围绕... 详细信息

图像配准是图像处理的重要分支,在视频图像分析,遥感图像,医学运动图像和三维场景的特征恢复等领域应用广泛。在最近几年,刚性图像配准的研究工作已取得不少进展,但非刚性图像配准以及三维图像配准这两个关键问题仍需更好的解决。围绕这两个关键问题,本文首先基于二维光流配准模型,结合两种能量守恒的思想提出新的形变图像配准算法,进而将所提出的图像配准算法推广到三维图像配准。本文研究的主要内容如下:1、针对Active Demons算法的形变驱动力不够完善,模型的抗噪性能不强,本文结合像素守恒和连通区域守恒,提出改进的二维Active Demons算法,并通过多分辨率策略来提高模型的抗噪性能。实验证明本文提出算法能有效的提高图像配准的视觉效果和评价指标。2、对于Additive Demons算法在三维图像配准的运行时间较长和精度不高问题,本文在Additive Demons的能量函数中引入图像的局部标准差守恒项,提出了改进的二维和三维Additive Demons算法。实验对比说明所提出的改进算法比现有算法具有较好的配准效果与较快的运行时间。3、将所提出的配准算法成功地运用到肺部医学图像超分辨率重建。实验结果表明本文提出的配准算法在肺部医学图像超分辨率重建具有较好地应用效果。

关键词：形变配准多分辨率策略局部标准差三维图像配准超分辨率重建

基于Active Demons算法的非刚性图像配准方法研究

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基于Active Demons算法的非刚性图像配准方法研究

作者：杨佩山东大学

学位级别：硕士

Active Demons算法是一种重要的非刚性配准方法,作为Demons算法的改进形式,不仅进一步提高了算法的收敛速度而且可以配准变形较大的图像。但是,其仅依靠均化系数a调节变形驱动力强度,使得图像的变形程度不好控制,无法兼顾大形变和小形... 详细信息

Active Demons算法是一种重要的非刚性配准方法,作为Demons算法的改进形式,不仅进一步提高了算法的收敛速度而且可以配准变形较大的图像。但是,其仅依靠均化系数a调节变形驱动力强度,使得图像的变形程度不好控制,无法兼顾大形变和小形变区域的准确配准,容易造成配准精度不高的弊病。为此,本文提出了一种基于Active Demons算法的非刚性配准方法。该方法在Active Demons算法计算驱动力的公式中引入一个称为平衡系数k的新参数,与均化系数a联合调整驱动力,使得图像的变形程度更灵活、易于控制,不仅可以兼顾图像中大形变和小形变区域的准确配准,而且同时提高了收敛速度和精确度。为了进一步提高配准的收敛速度和精确度以及避免陷入局部极值,在配准算法实现的过程中引入由粗到精的多分辨率策略。经过在合成图像、自然图像以及医学图像上的多次实验表明,该方法较经典的Active Demons方法收敛速度更快,配准精度平均提高了54.40%,解决了Active Demons方法存在的问题。

关键词：非刚性配准 Active Demons算法驱动力多分辨率策略