医学图像配准讲义ppt课件.ppt
没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任第八章第八章 医学图像配准医学图像配准 配准的概念配准的概念配准的概念配准的概念对几幅不同的图像作定量分析，首先要解决这几幅图像的严格对齐问题，这就是我们所说的图像的配准图像的配准（image registration）。医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种（或一系列）空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置（位置一致，角度一致、大小一致）。几幅图像信息综合的结果称作图像的融合图像的融合（image fusion）。1没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任利用图像融合技术，将多种图像结合起来，利用各自的信息优势，在一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息，使人体内部的结构、功能等多方面的状况通过影像反映出来，从而更加直观地提供人体解剖、生理及病理等信息。图像配准技术是图像融合的关键2没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任医学图像配准的目的与意义医学影像设备在最近十年中得到迅速的发展，并广泛应用于临床诊断和治疗中。由于成像的原理和设备不同，存在有多种成像模式（解剖成像、功能成像）。对人脑可用多种模式成像配准的目的：将多种成像模式或同一种模式得到的多幅图像综合分析，更好的了解组织情况。解决的问题：几幅图像的严格对齐3没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任本章的主要内容本章的主要内容：配准的基本概念 医学图像基本变换 配准的类型基本空间变换模型主要的配准方法 配准的评估主要掌握主要掌握：配准的基本概念以及刚体变换4没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像配准示意图（从不同角度，不同位置拍摄的照片，每张图像配准示意图（从不同角度，不同位置拍摄的照片，每张照片反映某些方面的特征）照片反映某些方面的特征）：配准实现过程：1.获得特征图像：不同角度、不同条件2.图像配准：通过空间变换（移动和旋转），使两幅图像对齐3.图像融合：得到整体特征图像5没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任实例实例：6没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任7没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任几何变换的种类几何变换的种类：刚体变换 仿射变换 投影变换 弯曲变换8没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任刚体变换刚体变换：指物体内部任意两点间的距离及平行关系保持 不变（处理人脑图像，对不同方向成像的图像配准常 使用刚体变换）仿射变换仿射变换：保持平行性，但距离发生变化，直线还是直线 （校正成像设备的误差产生的畸变）投影变换投影变换：直线映射成直线，平行性和两点间的距离变化 （二维投影图像与三维图像的配准）弯曲变换弯曲变换：直线变成曲线 (解剖图谱变形拟合图像数据)9没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任配准的类型配准的类型配准的类型配准的类型根据成像模式的不同，以及配准对像间的关系等，医学图像配准可有多种不同的分类方法：10没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任1.同一对象的图像配准同一对象的图像配准单模图像配准单模图像配准：相同的成像设备，不同角度或 时间或不同成像条件多模图像配准多模图像配准：不同的成像设备11没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任单模配准的典型应用：单模配准的典型应用：（1）不同MR加权像间的配准T1 加权像T2 加权像质子密度加权像不同组织表现不同强度信息互补（2）电镜图像序列的配准不同时间采集的多幅图像（时间序列图像）粒子移动，形态变化研究生长现象12没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任单模配准的典型应用：单模配准的典型应用：（3）fMRI图像序列的配准（4）胸腹部脏器的图像配准不同时刻的三维脏器图像四维图像分析时间序列图像，大脑活动会产生氧摄取量和血流间的不平衡MRI图像测得信号的改变解决：参考点位置确定（定位问题）运动过程中的局部变形和噪声问题13没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任多模医学图像配准：多模医学图像配准：待配准的两幅图像来源于不同的成像设备。解剖图像：CT：对密度差异较大的组织效果好MRI：可识别软组织较高的空间分辨率较高的空间分辨率功能图像：SPECT/PET：能反映人体的功能和代谢信息空间分辨率差空间分辨率差一般临床上的应用：CT（或MRI）和SPECT（或PET）的综合分析，同时提供功能和解剖信息14没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任多模医学图像配准：多模医学图像配准：人脑MR/PET图像配准上排：轴向图；中间：矢状图；下排：冠壮图左：PET图像；中：MRI图像；右：融合图像难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图像间并不存难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图像间并不存难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图像间并不存难点：由于扫描设备的原理不同，两种断层图像间并不存 在简单的一一对应关系在简单的一一对应关系在简单的一一对应关系在简单的一一对应关系15没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任2.不同对象的图像配准不同对象的图像配准被试图像典型正常图像疾病的典型图像对比是否出现异常是否属于同类难点：不同对象形状、大小、位置差异方法：1）确定一个共同的标准。要求有一个详细标记人体各个解剖位置的计算机化标准图谱，如Talairach标准空间，把两幅图像分别映射到图谱，再比较16没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任Talairach人脑图谱 对两个病人的PET或MR图象进行比较，首先把二者的图像都映射到这个共同的参考空间，然后再比较不同对象的图像配准方法：胼胝体17没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任用非线性变换法配准不同人脑表面沟回2）非线性形变法 将三维图像逐渐变形，最终较好的与另一个三维图像匹配不同对象的图像配准方法：18没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任3.图像与图谱配准或与物理空间配准图像与图谱配准或与物理空间配准在手术导航系统中解决图像像素与实际物理空间的位置配准图像空间立体定向装置、人体实体空间坐标变换实现方法：19没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任第二节第二节 几何变换几何变换每一幅待配准的图像都与定义图像空间的坐标系有关。一般情况下，图像配准都是基于几何变换的，即寻找一幅图像空间X中的点（用列向量x表示）与另一幅图像空间Y中的点（用列向量y表示）之间的映射。X经T变换后得到点x，即：x=T(x)如果y与x是对应点，则成功的配准应该使得x等于或近似等于y，若两者之间的差值T(x)-y 非零，则说明存在配准误差。根据空间变换T的形式不同，可将其分为刚体变换和非刚体变换两种形式。20没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像的变换模型：刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换）全局尺度变换 仿射变换（9参数仿射变换、一般仿射变换）透视变换*非线性空间变换*21没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任医学图像配准在大多数情况下是采用刚体变换模型。人体的很多组织可以近似为刚体，如骨头、由颅骨固定的大脑等刚体变换：平移、旋转（1）刚体变换物体内部两点间的距离和角度保持不变物体内部两点间的距离和角度保持不变物体内部两点间的距离和角度保持不变物体内部两点间的距离和角度保持不变22没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任 二维刚体变换：沿二维刚体变换：沿x轴平移：轴平移：向右平移p为正向左平移p为负矩阵公式：变换公式：其中x与y是平移后的结果从（x,y)变到新坐标系（x,y)23没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任沿沿y轴平移：轴平移：向上平移q为正向下平移q为负矩阵公式：变换公式：其中x与y是平移后的结果24没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任绕坐标原点旋转：绕坐标原点旋转：矩阵公式：变换公式：25没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任复合变换：复合变换：不同顺序的变换得到的结果是不同。不同顺序的变换得到的结果是不同。先沿x轴平移，再沿y轴平移，最后绕原点旋转先绕原点旋转，再沿y轴平移，最后沿x轴平移26没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任举例：设刚体变换先绕坐标原点旋转10，再沿x轴平移4个单位，然后沿y轴平移9个单位设刚体变换先沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移9个单位，然后绕坐标原点旋转1027没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径先沿X轴平移2.3764个单位再沿Y轴平移9，5579个单位最后绕坐标原点旋转10度28没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任 三维刚体变换：沿三维刚体变换：沿x轴平移轴平移向右平移p为正向左平移p为负矩阵公式：变换公式：其中x,y,z是平移后的结果29没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任沿沿y轴平移：轴平移：向上平移q为正向下平移q为负矩阵公式：变换公式：其中x,y,z是平移后的结果30没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任沿沿z轴平移：轴平移：向前平移r为正向后平移r为负矩阵公式：变换公式：其中x,y,z是平移后的结果31没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任绕坐标轴旋转：绕坐标轴旋转：绕x轴旋转：绕y轴旋转：绕z轴旋转：32没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任复合变换：复合变换：结合先旋转、后平移，及先平移后旋转，共有12种不同的组合顺序。对于先旋转后平移有：与二维复合变换相同，不同顺序的变换得到的结果是不同与二维复合变换相同，不同顺序的变换得到的结果是不同;对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径对于一个给定的变换结果，可以有许多不同的变换途径33没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像的变换模型：刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换）全局尺度变换 仿射变换（9参数仿射变换、一般仿射变换）透视变换*非线性空间变换*34没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（2）全局尺度变换在刚体变换基础上增加一个新参数m，使图像全局缩放m倍注：尺度变换与平移变换的顺序有影响，但与旋转变换顺注：尺度变换与平移变换的顺序有影响，但与旋转变换顺序无关。序无关。35没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像的变换模型：刚体变换（二维刚体变换、三维刚体变换）全局尺度变换 仿射变换（9参数仿射变换、一般仿射变换）透视变换*非线性空间变换*36没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（3）仿射变换9参数仿射变换各方向上尺度变换系数不同，1）对于同一个人的图像配准，可以在做旋转变换之前做尺）对于同一个人的图像配准，可以在做旋转变换之前做尺度缩放度缩放2）对于不同人的图像配准，可以先旋转对准图谱，然后做）对于不同人的图像配准，可以先旋转对准图谱，然后做三个方向的尺度缩放三个方向的尺度缩放37没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任基本的二维仿射变换举例：沿X轴整体旋转沿Y轴沿X扩大整体扩大/缩小沿Y扩大原图不改变面积改变面积38没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任 一般仿射变换二维仿射变换：三维仿射变换：无需计算正弦和余弦，由变换参数决定变换结果无需计算正弦和余弦，由变换参数决定变换结果39没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（4）透视变换直线经变换后还是直线，但平行的直线经变换后可能相交。40没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（5）非线性变换无线性约束，一般用于校正图像获取过程中由仪器设备引入的畸变41没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任主要配准方法主要配准方法主要配准方法主要配准方法 点法 曲线法 表面法 矩和主轴法 相关法 最大互信息配准方法 图谱法 非线性变换42没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（1）点法先寻找两幅图像之间的标志点（相同的点），然后通过对对应点集的刚体变换，将标志点对准，实现图像配准标志点可以分为：内部点和外部点两种内部点：是从与病人相关的图像性质中 得到解剖标志点，如耳蜗尖端 拐角、血管分叉或拐角处等 内部点寻找困难、费时外部点：采集图像前，在病人的特定部位添加标记，使 得两幅图像都能检测到标记点，如螺钉、记号 外部点容易识别，但受试者需要严格保持不动 43没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像1图像2确定标志点几何变换配准图像寻找对应点确定对应关系44没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（2）曲线法用人工的方法寻找两幅图像对应的开曲线，在两条曲线对应最佳的线段找出一组对应点，再用点法配准ridge lines（脊线）45没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任“帽子帽子”从一幅图像轮廓提取的点集从一幅图像轮廓提取的点集头表面模型头表面模型另一幅图像表面另一幅图像表面（3）表面法配准原则：寻找到的几何变换使得点与表面间的距离平 均平方值最小46没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（4）矩和主轴法计算两幅图像像素点的质心和主轴，通过平移和旋转使质心和主轴对齐，实现配准缺点：1.对数据的缺失敏感，整个物体必须完整的出现在 两幅图像中2.对准效果不是很好，只能做前期配准，减少后续 主要配准方法的搜索步骤47没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任（5）相关法适用于同一个物体由于图像获取条件的差异或物体自身发生的微小变化而产生的图像序列的配准，从而发现物体的改变采用使图像间相似性最大化的原理，估计变换参数，利用刚体的平移与旋转，实现配准缺点：每种变换参数可能的取值都要计算相似性，相关法计算代价十分庞大相似性：相关函数、相关系数、差值的平方、差的绝对值等48没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任配准实例（1）：点法脑部冠状图像49没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任脑部3D解剖图像传统的解剖图像配准实例（2）：相关性50没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任1）图像中心对准2）表面法配准51没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任图像信息融合技术图像信息融合技术图像信息融合技术图像信息融合技术将几幅图像的信息融合到一幅图像中，并可视化显示的过程将几幅图像的信息融合到一幅图像中，并可视化显示的过程将几幅图像的信息融合到一幅图像中，并可视化显示的过程将几幅图像的信息融合到一幅图像中，并可视化显示的过程前提：图像已经较好的配准融合的图像可能有以下性质：在一副图象中出现的特征，在另一幅中没有 感兴趣物体在两幅图像中具有相同信息，但不同的对比度 两幅图像的动态范围不同，或分辨率不同 图像存在噪声或局部信息丢失 要求融合的图像视觉效果好，看上去自然52没有明确的价值取向和人生目标，实现自我人生价值就无从谈起。人生价值就是人生目标，就是人生责任。每承担一次责任2.融合方法：1）基于分割的图像融合 从一幅图像中分割出感兴趣部分，嵌入到另一幅图像中2）加权平均 将一幅图像对应的像素乘上一个系数，加到另一幅图像3）Toet法*4）灰度调制法*5）小波变换融合法*53
