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基于2d/3d配准技术测量颈椎间孔形态学的精度研究

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中国临床解剖学杂志 2016年第5期34卷 495-498页

作者：张鑫涛叶强李鉴轶彭鹏李绍林南方医科大学第三附属医院影像科广州510630 南方医科大学解剖学教研室广东省医学生物力学重点实验室广州510515

目的探讨基于2d/3d配准技术测量离体颈椎标本椎间孔形态学的精度。方法获取16具颈椎离体标本的螺旋CT影像,通过三维重建获得相应标本的三维模型。然后改变标本的体位,再次行CT扫描并分别拍摄各具离体标本正侧位X线平片,采用2d/3d图像配... 详细信息

目的探讨基于2d/3d配准技术测量离体颈椎标本椎间孔形态学的精度。方法获取16具颈椎离体标本的螺旋CT影像,通过三维重建获得相应标本的三维模型。然后改变标本的体位,再次行CT扫描并分别拍摄各具离体标本正侧位X线平片,采用2d/3d图像配准技术还原拍摄平片时颈椎的三维位置。利用Rapidform XOR3软件测量配准前与配准后C_(2/3)至C_(6/7)双侧的椎间孔面积、前后径和上下径。结果共测得椎间孔的面积、前后径和上下径各158个,经配对样本t检验,配准后椎间孔的面积、前后径、上下径与配准前相比较,结果无显著性差异(P>0.05);椎间孔面积的准确度为96.77%、精确度为(1.27±1.16)mm^2,前后径的准确度为94.35%、精确度为(0.30±0.27)mm,上下径的准确度为96.14%、精确度为(0.32±0.28)mm。结论应用2d/3d配准技术测量颈椎间孔的形态学参数具有较高的准确度和精确度。

关键词：颈椎椎间孔 2d/3d配准

利用2d/3d配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究

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中国临床解剖学杂志 2015年第3期33卷 288-290,294页

作者：叶强李鉴轶李鹏孔祥雪李绍林南方医科大学第三附属医院影像科广州510630 南方医科大学人体解剖学教研室广东省医学生物力学重点实验室广州510515

目的探讨利用2d/3d配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究。方法采集7位健康成年志愿者颈椎的CT影像,对其进行三维重建获得颈椎三维模型,并采集同一志愿者保持同一姿势时的颈椎直立正侧位X线平片,在图像处理软件Mimics中... 详细信息

目的探讨利用2d/3d配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究。方法采集7位健康成年志愿者颈椎的CT影像,对其进行三维重建获得颈椎三维模型,并采集同一志愿者保持同一姿势时的颈椎直立正侧位X线平片,在图像处理软件Mimics中建立虚拟X线场景,采用2d/3d图像配准还原摄平片时颈椎的位置,并利用Rapidform XOR3软件测量两种位置的椎间孔面积。结果利用2d/3d图像配准方法,可获得颈椎直立位的三维位置数据,共测得56个椎间孔卧位及直立位两位置椎间孔面积,卧位椎间孔面积为(50.9±14.2)mm2,直立位椎间孔面积为(83.6±23.5)mm2,差异具有统计学意义(t=-8.107,P2d/3d配准技术可获得颈椎直立位椎间孔的形态学参数,直立位与卧位椎间孔有显著差异,但其准确性需要进一步的研究验证。

关键词：颈椎椎间孔 2d/3d配准

基于2d/3d配准技术评估可调式颈托对椎间孔形态学参数的影响及其测试精度的研究

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基于2D/3D配准技术评估可调式颈托对椎间孔形态学参数的影响及其...

作者：张鑫涛南方医科大学

学位级别：硕士

背景神经根型颈椎病的主要病因是椎间孔狭窄压迫脊神经,其发病率约占各型颈椎病总数的50～60%,是临床最常见的颈椎病[1,2]。造成椎间孔狭窄的原因常见于骨赘挤压、急性外伤、小关节错位、慢性劳损及椎体异位等骨性和软组织因素,导致椎... 详细信息

背景神经根型颈椎病的主要病因是椎间孔狭窄压迫脊神经,其发病率约占各型颈椎病总数的50～60%,是临床最常见的颈椎病[1,2]。造成椎间孔狭窄的原因常见于骨赘挤压、急性外伤、小关节错位、慢性劳损及椎体异位等骨性和软组织因素,导致椎间孔变小。从而出现神经根受压的炎症反应,包括水肿和粘连等,进而引发一系列的临床症状。其中,判断椎间孔是否狭窄的一项重要指标就是椎间孔面积的大小。很多颈椎病临床治疗及评价方法均与椎间孔面积变化有很大关联。颈椎牵引技术作为治疗神经根型颈椎病的常用技术,是一种可控制的轴性牵引方法,该方法于1929年就已开始用于临床,是治疗颈椎病的公认方法之一,其疗效确切。颈椎牵引技术是运用机械手段牵拉颈椎,分离关节面,使周围软组织得到牵伸,使其发生相对伸长,同时改变骨性结构之间的角度等,其主要目的之一就是增大椎间孔面积,减少神经根压迫,从而达到相应的治疗效果。然而,对于不同牵引角度对椎间孔面积大小的影响,相关的报道和研究较少,主要原因是局限于颈椎角度模拟以及测量结果不准确等,因而,无法得到确切的形态学参数。对已知的三维结构通过二维平面图像进行位置配准,再现三维结构的位置关系,简称2d/3d配准技术。颈椎斜位X线片检查价格便宜,操作简便,辐射量少,患者也比较容易接受,是目前临床上最常用的检查方法。但是,X线影像仅能显示部分椎间孔,部分椎间孔无法显示,且椎间孔周围有骨质重叠现象,对颈椎间孔显像较差,所测得的椎间孔形态学参数准确度低。而三维CT检查放· 射剂量大,而MR检查存在检查时间长,价格昂贵,病人依从性要求高,且存在一定的禁忌症,同时CT、MRI检查大多采用平卧位,受到体位的限制等不足。而本研究采用2d/3d配准技术进行测量,可以很好的避免上述不足,获得不同位置的颈椎三维模型。叶强[3]等研究表明,2d/3d配准技术可用于获得椎间孔参数的精确数据,但并未对该方法的精度做进一步研究。因此,本实验利用拍摄颈椎标本的X线片,同时拍摄颈椎CT,根据CT数据获得颈椎三维模型,通过2d/3d配准技术将颈椎正侧位X线平片还原至摄片时颈椎的三维形态,进一步探讨基于2d/3d配准技术测量离体标本颈椎间孔形态学的精度。进而以正常人为研究对象,利用可调式颈托调节不同颈椎牵引角度,准确直观的评价不同角度牵引对椎间孔形态学参数的影响,为神经根性颈椎病的牵引治疗提供科学依据,为颈椎牵引技术的改进提供更多的理论依据。目的本实验将验证基于2d/3d配准技术测量离体颈椎标本椎间孔形态学的参数,探讨该方法测量的精准度。同时,结合可调式颈托技术,探讨不同角度牵引对椎间孔形态学参数的影响。方法1.收集16具颈椎防腐标本,其中15具标本为C2-C7椎体,1具标本为C2-C6椎体,进行CT扫描,通过三维重建获得颈椎离体标本的三维模型。改变标本体位并固定,分别拍摄各具离体标本正侧位X线平片,应用2d/3d配准技术还原拍摄平片时颈椎的三维位置,并获得相应的三维模型,保持标本的体位再进行第二次CT扫描,重建获得标本的三维模型作为配准前对照组。利用Rapidform XOR3软件测量配准前与配准后C2/3至C6/7双侧的椎间孔面积、前后径和上下径,两组进行比较,从而验证基于2d/3d配准技术测量离体标本颈椎间孔形态学的精度。2.精度验证完成后,然后测量正常人不同颈椎牵引角度对椎间孔形态学参数的影响。首先,召集健康志愿者7人,进行颈椎CT扫描,利用三维重建软件Mimics将原始数据进行三维重建,获得各节段三维模型(C2-C6)。同时,利用可调式颈托调整颈椎位置:中立位、后伸10°、前屈10°及前屈20°,并拍摄X线,利用2d/3d配准技术,准确还原出颈椎在中立位、后伸10°、前屈10°及前屈20°时的三维模型。基于不同位置的三维模型,分别测量C2/3至C5/6颈椎椎间孔面积、前后径和上下径,并进行相关统计分析。结果1.共测得椎间孔的面积、前后径和上下径各158个,其中,准确度方面,椎间孔面积为96.77%、前后径为94.35%、上下径为96.14%。而精确度方面,椎间孔面积为(1.27土 1.16)mm2,前后径为(0.30±0.27)mm,上下径为(0.32±0.28)mm。椎间孔的面积、前后径、上下径配准后与配准前相比较,采用配对样本t检验,结果无显著性差异(P>0.05)。2.共测得椎间孔的面积、前后径和上下径差值各224个,当颈椎处于前屈20°时,所有颈椎节段的椎间孔面积、前后径的差值及增长率均大于其它牵引角度。采用单因素方差分析,前屈20°与中立位0°比较,差值及增长率的P值均小于0.05,结果具有统计学差异。而上下径方面,前屈20°时所有颈椎节段的差值均大于其它角度,而增长率则无明显差异。经单因素方差分析,各牵引角度的差值及增长率比较,P值均大于0.05,结果无统计

关键词：颈椎椎间孔 2d/3d配准精确度可调式颈托

基于多模态医学图像的2d/3d配准方法研究

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基于多模态医学图像的2D/3D配准方法研究

作者：王俊南华大学

学位级别：硕士

影像导航手术(Image-guided surgery,IGS)在实际临床应用中日益广泛,它的使用能够增强手术视野,从而提升手术的准确性和成功率。2d/3d配准是整个IGS系统中的关键技术,在影像导航中,配准的应用能够让医生更好地观察患者的内部结构,同时... 详细信息

影像导航手术(Image-guided surgery,IGS)在实际临床应用中日益广泛,它的使用能够增强手术视野,从而提升手术的准确性和成功率。2d/3d配准是整个IGS系统中的关键技术,在影像导航中,配准的应用能够让医生更好地观察患者的内部结构,同时在手术的过程中,实时提供探针所处位置周围的信息。所以,如何更好的研究医学图像配准、从那些方面去提升配准的质量是需要重点关注的问题。2d/3d配准问题的本质是一个参数优化问题,其中,相似性度量函数对于整个配准过程至关重要,而优化算法在整个过程是相当于助推力,通过其使得相似性度量函数中的参数进行多次更新。本文从多模态医学图像的2d/3d配准进行探索,为了提升配准的质量,提出改进算法。具体的研究工作如下:(1)研究了2d/3d配准的组成结构和流程,对各部分进行了总结和归纳,重点对基于灰度信息的2d/3d配准展开了研究,同时分析了传统的归一化互信息的优劣性。(2)基于归一化互信息在配准中的缺陷,将结合梯度差分算法作为新的相似性度量函数,增加了算法捕获图像梯度边缘信息的能力,增强算法所能捕捉的信息量。由于互信息计算的是图像的熵,存在计算量较大的问题,通过将多分辨率技术融入所提出的算法,使算法能够更快收敛,减少配准时间。(3)提出了一种基于注意力机制的生成对抗网络的2d/3d配准方法,通过生成器与判别器之间的对抗博弈训练,生成一个配准空间变换参数生成器,通过实验验证算法的有效性。

关键词：影像导航手术 2d/3d配准归一化互信息深度学习

利用光线投射法虚拟X光线图片进行基于灰度的2d/3d配准算法研究

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长春理工大学学报（自然科学版） 2016年第2期39卷 103-106页

作者：陈克寒杨华民长春理工大学计算机科学技术学院长春130022

2d/3d图像配准是一种图像信息融合技术,解决了医学图像领域不同维度的图像存在信息缺失的问题,在临床诊疗和手术导航中都有广泛的应用。所采用的配准方法是基于图像灰度的配准,通过以光线跟踪算法(Ray Casting)为基础的数字影像重建技术... 详细信息

2d/3d图像配准是一种图像信息融合技术,解决了医学图像领域不同维度的图像存在信息缺失的问题,在临床诊疗和手术导航中都有广泛的应用。所采用的配准方法是基于图像灰度的配准,通过以光线跟踪算法(Ray Casting)为基础的数字影像重建技术对CT体数据进行操作,从而生成虚拟X光线图像,使其与待配准的X光线图像进行比较,进行相似性测度的计算,通过优化算法使测度值达到最小。实验结果表明,本算法精度较高,而且当改变曝光强度,添加噪声等条件下,仍能保证很好的精度。

关键词： 2d/3d配准光线投射算法 Powell算法

基于机器学习和几何变换的实时2d/3d脊椎配准

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自动化学报 2018年第7期44卷 1183-1194页

作者：陈智强王作伟方龙伟菅凤增吴毅红李硕何晖光中国科学院自动化研究所类脑智能研究中心中国科学院大学北京医院神经外科首都医科大学宣武医院神经外科中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室加拿大西安大略大学中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

在图像引导的脊柱手术中,实时高效的2d/3d配准是一项重要且具有挑战性的任务.通常的2d/3d配准一般是将三维图像投影到二维平面,然后进行2d/2d的配准.由于投影空间涉及到3个平移以及3个旋转参数,其投影空间的复杂度为O(n6),使得配准很难... 详细信息

在图像引导的脊柱手术中,实时高效的2d/3d配准是一项重要且具有挑战性的任务.通常的2d/3d配准一般是将三维图像投影到二维平面,然后进行2d/2d的配准.由于投影空间涉及到3个平移以及3个旋转参数,其投影空间的复杂度为O(n6),使得配准很难兼具高准确性和高实时性.本文提出了一个结合机器学习与几何变换的2d/3d配准方法,首先,使用统计形状模型对目标脊椎进行建模,并构建了一种新的投影方式,使得6个投影参数中的4个可以使用几何的方法计算出来;接下来利用回归学习的方法学习目标脊椎的形状与投影参数之间的关系;最终,结合学到的关系和几何变换完成配准.本方法的两个姿态参数的平均预测误差为0.84?和0.81?,平均目标配准误差(Mean target registration error,m TRE)为0.87 mm,平均配准时间为0.9 s.实验结果表明本方法具有很好的实时性和准确性.

关键词： 2d/3d配准机器学习几何变换统计形状模型实时

基于双位置图像特征融合的2d/3d单椎体脊柱导航配准方法的精度和效率研究

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中华医学杂志 2024年第37期104卷 3513-3519页

作者：邵明昊徐少康郭延恩吕飞舟马晓生夏新雷王洪立姜建元复旦大学附属华山医院骨科上海上海极睿医疗科技有限公司上海

目的分析基于双位置图像特征融合的脊柱2d/3d单椎体导航配准框架的配准精度和效率。方法回顾性选取2020年1月至2023年12月复旦大学附属华山医院就诊140例腰椎疾病患者的术前CT和术中正(AP)侧(LAT)位X线图像。为了实现临床骨科手术中快... 详细信息

目的分析基于双位置图像特征融合的脊柱2d/3d单椎体导航配准框架的配准精度和效率。方法回顾性选取2020年1月至2023年12月复旦大学附属华山医院就诊140例腰椎疾病患者的术前CT和术中正(AP)侧(LAT)位X线图像。为了实现临床骨科手术中快速高精度的单椎体配准, 通过设计的变换参数特征提取模块, 结合通道和空间注意力的轻量级模块(CBAM)精确提取输入的局部单椎体影像位置特征。继而通过融合回归模块融合正、侧两个位置影像的特征相互补充以提高配准参数回归的精确性, 并通过两个1×1的卷积降低参数计算量, 提高计算效率, 加快术中配准时间。最后, 通过回归模块输出最终的变换参数。使用传统迭代的方法(Opt-MI、Opt-NCC、Opt-C2F)以及基于现有的深度学习的方法卷积神经网络(CNN)作为对照组进行对比实验, 比较各种方法平均再投影距离(mRPd)、配准时间、配准成功率等指标。结果通过在真实的CT数据上实验检验本研究所提出方法的影像导航配准精度, 在mRPd上实现了(0.81±0.41)mm的精度, 旋转角度误差为0.57°±0.24°, 平移误差为(0.41±0.21)mm。通过在主流模型上进行实验对比, 所选取的denseNet配准精度显著优于ResNet以及VGG(均Pd:(2.97±0.99)mm、旋转角度误差:2.64°±0.54°、平移误差:(2.15±0.41)mm、配准时间:(0.03±0.05)s], 在配准精度方面均有显著提高(均P配准成功率达到97%, 单次配准时间仅(0.04±0.02)s, 相较于基于传统迭代的方法[mRPd:(0.78±0.26)mm、旋转角度误差:0.84°±0.57°、平移误差:(1.05±0.28)mm、配准时间:(35.5±10.5)s], 配准效率显著提高(均P配准方法在保证较高配准精度前提下, 大幅缩短了配准时间, 能够完成高效且精确的单椎体配准。

关键词：脊柱单椎体脊柱导航配准单椎体影像 2d/3d配准影像导航卷积注意力模块

脊柱手术导航中分步式2d/3d图像配准方法

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计算机辅助设计与图形学学报 2007年第9期19卷 1154-1158,1165页

作者：张翼王满宁宋志坚复旦大学数字医学研究中心上海200032

为实现微创脊柱手术导航,提出一种将脊柱术前CT与其术中X射线图像配准的方法.首先基于一种最近点迭代法进行快速粗配准;然后提取图像的梯度特征,根据投影变换原理,采用寻找具有CT最大梯度投影位置的方法进行精配准.在模拟数据及临床标... 详细信息

为实现微创脊柱手术导航,提出一种将脊柱术前CT与其术中X射线图像配准的方法.首先基于一种最近点迭代法进行快速粗配准;然后提取图像的梯度特征,根据投影变换原理,采用寻找具有CT最大梯度投影位置的方法进行精配准.在模拟数据及临床标本上进行实验的配准率分别为92%和78%.实验结果表明:该方法鲁棒性强、人工干预少、适合于临床应用.

关键词： 2d/3d配准数字X射线图像计算机断层扫描手术导航

基于主方向傅里叶变换算子的2d/3d分级配准

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机器人 2021年第3期43卷 296-307页

作者：杨克克罗阳赵忆文赵新刚宋国立中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049

目前的2d/3d医学图像配准方法的配准精度和效率存在矛盾,配准捕获范围小.为解决这些问题,本文提出一种基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法.首先,提出平面旋转平移不变性算子——主方向傅里叶变换算子.然后,提出基于主方向傅里叶变... 详细信息

目前的2d/3d医学图像配准方法的配准精度和效率存在矛盾,配准捕获范围小.为解决这些问题,本文提出一种基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法.首先,提出平面旋转平移不变性算子——主方向傅里叶变换算子.然后,提出基于主方向傅里叶变换算子的模板匹配初始化方法,可避免接近真值的初值需求,并显著扩大了捕获范围.最后,提出基于主方向傅里叶变换算子的分级配准框架,将配准搜索空间从O(n6)降到O(n2),在保证配准精度的情况下大幅提高配准效率.在配准实验中,本文方法的配准精度为0.68 mm±0.28 mm,配准时间为16.87 s±3.77 s,捕获范围大于100 mm.因此,所提出的基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法可以满足2d/3d图像配准在相关临床应用中精度、效率及捕获范围的需求.

关键词： 2d/3d配准配准框架主方向傅里叶变换力矩