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1、第七章第七章 医学图像的配准与融合医学图像的配准与融合 7.1 配准与融合的应用背景介绍配准与融合的应用背景介绍 7.2 医学图像配准概述医学图像配准概述 7.3 图像配准的理论基础图像配准的理论基础 7.4 常用的医学图像配准方法常用的医学图像配准方法 7.5 图像配准的评估图像配准的评估第七章第七章 医学图像的配准与融合医学图像的配准与融合 7.6 图像融合概述图像融合概述 7.7 常用的图像融合方法常用的图像融合方法 7.8 图像融合效果的评价图像融合效果的评价 随着计算机技术的高速发展，医学成像技术日随着计算机技术的高速发展，医学成像技术日新月异，新月异，为临床医学提供了各种形态和功能
2、的影像为临床医学提供了各种形态和功能的影像信息。信息。但是各种成像技术和检查方法都有它的优势与但是各种成像技术和检查方法都有它的优势与不足，并非一种成像技术可以适用于人体所有器官不足，并非一种成像技术可以适用于人体所有器官的检查和疾病诊断，也不是一种成像技术能取代另的检查和疾病诊断，也不是一种成像技术能取代另一种成像技术，而是相辅相成、相互补充。一种成像技术，而是相辅相成、相互补充。7.1 7.1 应用背景介绍应用背景介绍根据医学图像所提供的信息内涵，分为两大类：根据医学图像所提供的信息内涵，分为两大类：l 解剖结构图像（解剖结构图像（CTCT、MRIMRI、B B超等）超等）l 功能图像（功
3、能图像（SPECTSPECT、PETPET等）等）解剖图像以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息（功能解剖图像以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息（功能图像无法提供脏器或病灶的解剖细节），但无法反映脏器的图像无法提供脏器或病灶的解剖细节），但无法反映脏器的功能情况。功能情况。功能图像分辨率较差，但它提供的脏器功能代谢信息是解剖功能图像分辨率较差，但它提供的脏器功能代谢信息是解剖图像所不能替代的；图像所不能替代的；7.1 7.1 应用背景介绍应用背景介绍n 目前这两类成像设备的研究都已取得了很大的进步，图像的目前这两类成像设备的研究都已取得了很大的进步，图像的空间分辨率和图像质量有很大的提高，
4、但由于成像原理不同所空间分辨率和图像质量有很大的提高，但由于成像原理不同所造成的图像信息局限性造成的图像信息局限性,使得单独使用某一类图像的效果并不理使得单独使用某一类图像的效果并不理想。想。n 因此，为了提高诊断正确率，需要综合利用患者的各种图像因此，为了提高诊断正确率，需要综合利用患者的各种图像信息。信息。7.1 7.1 应用背景介绍应用背景介绍n 最有效的解决方法：以医学图像配准技术为基础，利用信息最有效的解决方法：以医学图像配准技术为基础，利用信息融合技术，将这两种图像结合起来，利用各自的信息优势，在融合技术，将这两种图像结合起来，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
5、面信息。一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息。n 更加直观地提供了人体解剖、生理及病理等信息。其中配准更加直观地提供了人体解剖、生理及病理等信息。其中配准技术是图像融合的关键和难点。技术是图像融合的关键和难点。7.1 7.1 应用背景介绍应用背景介绍7.2 7.2 医学图像配准概述医学图像配准概述一、医学图像配准的概念一、医学图像配准的概念 二、医学图像配准在临床上的应用二、医学图像配准在临床上的应用 三、医学图像配准的基本过程三、医学图像配准的基本过程 四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类 一、医学图像配准的概念一、医学图像配准的概念 医医学学图图像像配配准准是是指指对对于
6、于一一幅幅医医学学图图像像寻寻求求一一种种（或或一一系系列列）空空间间变变换换，使使它它与与另另一一幅幅医医学学图图像像上上的的对对应应点点达达到到空空间间上上的的一一致致。这这种种一一致致是是指指人人体体上上的的同同一一解解剖剖点点在在两两张张匹匹配配图图像像上上有有相相同同的的空空间间位位置置（位位置置一一致致，角角度度一一致致、大大小一致）。小一致）。配配准准的的结结果果应应使使两两幅幅图图像像上上所所有有的的解解剖剖点点，或或至至少少是是所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。医学图像配准示意图医学图像配准示意图一、医学图像配准的
7、概念一、医学图像配准的概念二、医学图像配准在临床上的应用二、医学图像配准在临床上的应用 医医学学图图像像配配准准具具有有很很重重要要的的临临床床应应用用价价值值。对对使使用用各各种种不不同同或或相相同同的的成成像像手手段段所所获获得得的的医医学学图图像像进进行行配配准准不不仅仅可可以以用用于于医医疗疗诊诊断断，还还可可用用于于手手术术计计划划的的制制定定、放放射射治治疗疗计计划划的的制制定定、病病理理变变化化的的跟跟踪踪和和治治疗疗效效果果的的评评价价等等各各个个方方面。面。临床应用举例临床应用举例 1 1、计计算算机机辅辅助助手手术术中中，外外科科医医生生根根据据配配准准的的CT/MR/DS
8、ACT/MR/DSA图图像像精精确确定定位位病病灶灶及及周周围围相相关关的的解解剖剖结结构构信信息息，设设计计出出缜缜密密的的手手术术计计划划。在在手手术术过过程程中中，利利用用三三维维空空间间定定位位系系统统使使术术前前计计划划的的虚虚拟拟病病人人、手手术术台台上上的的真真实实病病人人和和手手术术器器械械三三者者精确联系起来进行手术跟踪。精确联系起来进行手术跟踪。二、医学图像配准在临床上的应用二、医学图像配准在临床上的应用临床应用举例临床应用举例 2 2、在在癫癫痫痫病病的的治治疗疗中中，一一方方面面需需要要通通过过CTCT，MRIMRI等等图图像像获获得得病病人人的的解解剖剖信信息息，另另
9、一一方方面面又又需需要要通通过过SPECTSPECT或或PETPET等等得得到到病病人人的的功功能能信信息息，这这两两方方面面的的结结合合将将有有助助于于对对病病人人的的精确治疗。精确治疗。二、医学图像配准在临床上的应用二、医学图像配准在临床上的应用临床应用举例临床应用举例 3 3、放放射射治治疗疗中中，应应用用CTCT和和MRMR图图像像的的配配准准和和融融合合来来制制定定放放疗疗计计划划和和进进行行评评估估，用用CTCT图图像像精精确确计计算算放放射射剂剂量量，用用MRMR图图像像描描述述肿肿瘤瘤的的结结构构，用用PETPET和和SPECTSPECT图图像像对对肿肿瘤瘤的的代代谢谢、免免疫
10、疫及及其其他他生生理理方方面面进进行行识识别别和和特特性性化化处处理理，整整合合的的图图像像可可用于改进放射治疗计划或立体定向活检或手术。用于改进放射治疗计划或立体定向活检或手术。二、医学图像配准在临床上的应用二、医学图像配准在临床上的应用三、医学图像配准的基本过程三、医学图像配准的基本过程 1 1、根据待配准图像（浮动图像）、根据待配准图像（浮动图像）I I2 2与参考图像（基准图与参考图像（基准图像）像）I I1 1，提取出图像的特征信息组成特征空间；，提取出图像的特征信息组成特征空间；2 2、根据提取出的特征空间确定出一种空间变换，使待配、根据提取出的特征空间确定出一种空间变换，使待配准
11、图像准图像I I2 2经过该变换后与参考图像经过该变换后与参考图像I I1 1能够达到所定义的能够达到所定义的相似性测度；相似性测度；3 3、在确定变换的过程中，还需采取一定的搜索策略也就、在确定变换的过程中，还需采取一定的搜索策略也就是优化措施以使相似性测度更快更好地达到最优值。是优化措施以使相似性测度更快更好地达到最优值。NY待配准图像I2几何变换T变换后的图像I*=T(I2)相似性测度评价T最优？最优T更新T初始变换T参考图像I1图像配准的流程图图像配准的流程图三、医学图像配准的基本过程三、医学图像配准的基本过程四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类 到到目目前前为为止止，
12、图图像像配配准准方方法法的的分分类类始始终终没没有有一一个个统统一一的的说说法法。目目前前比比较较流流行行的的是是19931993年年Van Van den den ElsenElsen等等人人对医学图像配准进行的分类，归纳了七种分类标准。对医学图像配准进行的分类，归纳了七种分类标准。（一）按图像维数分类（一）按图像维数分类 按图像维数分为按图像维数分为2D/2D2D/2D，2D/3D2D/3D，以及，以及3D/3D3D/3D配准。配准。2D/2D2D/2D配准通常指两个断层面间的配准；配准通常指两个断层面间的配准；2D/3D2D/3D配准通常配准通常指空间图像和投影图像（或者是单独的一个层面
13、）间的指空间图像和投影图像（或者是单独的一个层面）间的直接配准；直接配准；3D/3D3D/3D配准指配准指2 2幅三维空间图像间的配准。幅三维空间图像间的配准。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（二）根据医学图像的模态分类（二）根据医学图像的模态分类 单模态医学图像配准：是指待配准的两幅图像是用同一单模态医学图像配准：是指待配准的两幅图像是用同一种成像设备获取的。一般用在生长监控、减影成像等。种成像设备获取的。一般用在生长监控、减影成像等。多模态图像配准：是指待配准的两幅图像来源于不同的多模态图像配准：是指待配准的两幅图像来源于不同的成像设备，主要应用于神经外科的诊断、手术定
14、位及放成像设备，主要应用于神经外科的诊断、手术定位及放疗计划设计等。疗计划设计等。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（三）根据变换性质分类（三）根据变换性质分类 刚性变换：只包括平移和旋转。刚性变换：只包括平移和旋转。仿射变换：将平行线变换为平行线。仿射变换：将平行线变换为平行线。投影变换：将直线映射为直线。投影变换：将直线映射为直线。曲线变换：将直线映射为曲线曲线变换：将直线映射为曲线。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（四）根据用户交互性的多少分类（四）根据用户交互性的多少分类 自动配准：用户只需提供相应的算法和图像数据。自动配准：用户只需提供相应的算法
15、和图像数据。半自动配准：用户需初始化算法或指导算法半自动配准：用户需初始化算法或指导算法(如拒绝或接如拒绝或接受配准假设受配准假设)；交互配准：用户在软件的帮助下进行配准交互配准：用户在软件的帮助下进行配准 四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（五）根据配准所基于的图像特征分类（五）根据配准所基于的图像特征分类 基于外部特征的图像配准：是指在研究对象上设置一些基于外部特征的图像配准：是指在研究对象上设置一些 标志点，使这些标记点能在不同的影像模式中标志点，使这些标记点能在不同的影像模式中 显示，然后再用自动、半自动或交互式的方法显示，然后再用自动、半自动或交互式的方法 用标记将
16、图像配准。用标记将图像配准。基于内部特征的配准：主要包括三个方面：基于标记的基于内部特征的配准：主要包括三个方面：基于标记的 配准方法、基于分割的配准方法、基于像素特配准方法、基于分割的配准方法、基于像素特 性的配准性的配准。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（六）根据配准过程中变换参数确定的方式分类（六）根据配准过程中变换参数确定的方式分类 1 1、通过直接计算公式得到变换参数的配准：限制在基于特征信息、通过直接计算公式得到变换参数的配准：限制在基于特征信息(例如小数目的特征点集、二维曲线、三维表面例如小数目的特征点集、二维曲线、三维表面)的配准应用中。的配准应用中。2 2
17、、通过在参数空间中寻求某个函数的最优解得到变换参数的配准：、通过在参数空间中寻求某个函数的最优解得到变换参数的配准：所有的配准都变成一个能量函数的极值求解问题。所有的配准都变成一个能量函数的极值求解问题。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类（七）根据主体分类（七）根据主体分类 1 1、同一患者、同一患者(IntrasubjectIntrasubject)的的 配准：指将来自同一个病配准：指将来自同一个病人的待配准图像，用于任何种类的诊断中；人的待配准图像，用于任何种类的诊断中；2 2、不同患者、不同患者(IntersubjectIntersubject)的配准：指待配准图像来自
18、的配准：指待配准图像来自不同病人，主要用在三维头部图像不同病人，主要用在三维头部图像(MR(MR、CT)CT)的配准中的配准中 3 3、患者与图谱的患者与图谱的(Atlas)(Atlas)图像配准。是指待配准图像一幅图像配准。是指待配准图像一幅来自病人，一幅来自图谱。来自病人，一幅来自图谱。四、医学图像配准方法的分类四、医学图像配准方法的分类7.3 图像配准的理论基础图像配准的理论基础一、图像配准原理一、图像配准原理 二、空间变换二、空间变换 三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索 四、插值方法四、插值方法 五、相似性测度五、相似性测度 一、图像配准原理一、图像配准原理 对于在不同时间或对于在不
19、同时间或/和不同条件下获取的两幅图像和不同条件下获取的两幅图像A(xA(x)和和B(xB(x)的配准，就是要定义一个相似性测度并寻找的配准，就是要定义一个相似性测度并寻找一个空间变换关系，使得经过该空间变换后两幅图像间一个空间变换关系，使得经过该空间变换后两幅图像间的相似性达到最大（或者差异性最小）。即使图像的相似性达到最大（或者差异性最小）。即使图像A A上的上的每一个点在图像每一个点在图像B B上都有唯一的点与之对应，并且这两点上都有唯一的点与之对应，并且这两点应对应同一解剖位置。应对应同一解剖位置。S S是相似性测度，配准的过程归结为寻求最佳空间变换的过程。是相似性测度，配准的过程归结为
20、寻求最佳空间变换的过程。公式表示公式表示:由于空间变换包含多个参数，是一个多参数最优化问题，一由于空间变换包含多个参数，是一个多参数最优化问题，一般由迭代过程实现：般由迭代过程实现：一、图像配准原理一、图像配准原理二、空间变换二、空间变换 图像图像A A和和B B的配准就是寻找一种映射关系的配准就是寻找一种映射关系T T：X XAAX XB B，使得使得X XA A上的每一点在上的每一点在X XB B上都有唯一的点与之对应。上都有唯一的点与之对应。这种映射关系表现为一组连续的空间变换，如整幅图像这种映射关系表现为一组连续的空间变换，如整幅图像应用相同的空间变换，则称之为全局变换（应用相同的空间
21、变换，则称之为全局变换（global global transformationtransformation），否则，称之为局部变换（），否则，称之为局部变换（local local transformationtransformation）。）。图像配准的基本变换图像配准的基本变换二、空间变换二、空间变换二、空间变换二、空间变换刚体变换刚体变换 刚体：刚体：是指物体内部任意两点间的距离保持不变。是指物体内部任意两点间的距离保持不变。刚体变换：刚体变换：使得一幅图像中任意两点间的距离在变换前使得一幅图像中任意两点间的距离在变换前 后保持不变。后保持不变。例如：人体的头部由坚硬的颅骨支撑，在处理
22、时通常忽例如：人体的头部由坚硬的颅骨支撑，在处理时通常忽 略头部皮肤的微小变形，将整个人脑看作是一个略头部皮肤的微小变形，将整个人脑看作是一个 刚体。刚体。两幅图像之间的刚体变换可由一个刚体模型描述：两幅图像之间的刚体变换可由一个刚体模型描述：s s是比例变换因子是比例变换因子。是图像之间沿是图像之间沿x x，y y，z z方向上的平移量。方向上的平移量。R R是是3 33 3的旋转矩阵，满足约束条件：的旋转矩阵，满足约束条件：二、空间变换二、空间变换刚体变换刚体变换相对笛卡尔坐标系的三个坐标轴，相对笛卡尔坐标系的三个坐标轴，R R有三种不同的形式：有三种不同的形式：分别表示围绕分别表示围绕坐
23、标轴的旋转角度坐标轴的旋转角度 二、空间变换二、空间变换刚体变换刚体变换二、空间变换二、空间变换-仿射变换仿射变换仿射变换：仿射变换：将直线映射为直线，并保持平行性。将直线映射为直线，并保持平行性。不满足：不满足：在笛卡儿坐标系下，二维仿射变换的旋转矩阵在笛卡儿坐标系下，二维仿射变换的旋转矩阵R R表示为：表示为：三维：三维：二、空间变换二、空间变换-仿射变换仿射变换二、空间变换二、空间变换投影变换投影变换投影变换：投影变换：将直线映射为直线，但不保持平行性质。将直线映射为直线，但不保持平行性质。投影变换主要用于二维投影图像与三维体积图像的配准。投影变换主要用于二维投影图像与三维体积图像的配准
24、。二维投影变换按照下式将图像二维投影变换按照下式将图像映射至图像映射至图像：是依赖于图像本身的常数。是依赖于图像本身的常数。二、空间变换二、空间变换非线性变换非线性变换非线性变换是把直线变换为曲线。它反映的是图像中组织非线性变换是把直线变换为曲线。它反映的是图像中组织或器官的严重变形或位移。典型的非线性变换是多项式函或器官的严重变形或位移。典型的非线性变换是多项式函数，如二次、三次函数及薄板样条函数。有时也使用指数数，如二次、三次函数及薄板样条函数。有时也使用指数函数。非线性变换多用于使解剖图谱变形来拟合图像数据函数。非线性变换多用于使解剖图谱变形来拟合图像数据或对有全局性形变的胸、腹部脏器图
25、像的配准。或对有全局性形变的胸、腹部脏器图像的配准。二、空间变换二、空间变换非线性变换非线性变换1.1.二阶多项式变换二阶多项式变换 2.2.薄板样条变换薄板样条变换 其中：其中：X X是坐标向量，是坐标向量，A A与与B B定义一个仿射变换，定义一个仿射变换，U U是径向基函数。是径向基函数。可以表示为仿射变换与径向基函数的线性组合：可以表示为仿射变换与径向基函数的线性组合：二、空间变换二、空间变换非线性变换非线性变换在二维图像配准中：在二维图像配准中：在三维图像配准中：在三维图像配准中：二、空间变换二、空间变换非线性变换非线性变换三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索配准的几何变换参数根据求
26、解方式可分成两类：配准的几何变换参数根据求解方式可分成两类：一、根据获得的数据用联立方程组直接计算得到的，这一一、根据获得的数据用联立方程组直接计算得到的，这一 类完全限制在基于特征信息的配准应用中。类完全限制在基于特征信息的配准应用中。二、根据参数空间的能量函数最优化搜索得到。在这一类二、根据参数空间的能量函数最优化搜索得到。在这一类 中所有的配准都变成一个能量函数的极值求解问题。中所有的配准都变成一个能量函数的极值求解问题。因此图像配准问题本质上是多参数优化问题，优化算法的因此图像配准问题本质上是多参数优化问题，优化算法的选择至关重要。选择至关重要。常用的优化算法常用的优化算法:Powel
27、l Powell法、梯度下降法、法、梯度下降法、遗传算法、模拟退火法、遗传算法、模拟退火法、下山单纯形法、下山单纯形法、Levenberg-MarquadrtLevenberg-Marquadrt法等。法等。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索(一一)Powell)Powell法法PowellPowell法是一种传统的确定性优化方法，又称为方向加速法是一种传统的确定性优化方法，又称为方向加速法，由法，由M.J.D.PowellM.J.D.Powell于于19641964年首先提出。年首先提出。基本含义是基本含义是:对于对于n n维极值问题，首先沿着维极值问题，首先沿着n n个坐标方向求个坐标方
28、向求极小，经多极小，经多n n次之后得到次之后得到n n个共轭方向，然后沿个共轭方向，然后沿n n个共轭方个共轭方向求极小，经过多次迭代后便可求得极小值。向求极小，经过多次迭代后便可求得极小值。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索PowellPowell法的原理：法的原理：对于某一问题，将其归结为求取某一目标函数对于某一问题，将其归结为求取某一目标函数的极小值。其中的极小值。其中Y Y为一个向量：为一个向量：。设置一个满秩的步长矩阵：设置一个满秩的步长矩阵：三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索对于某一初始值对于某一初始值,迭代过程如下：迭代过程如下：1.首先在首先在方向上搜索，求方向上搜索，求
29、，使，使为为极小，极小，并令：并令：2.依次求依次求，使，使为为极小，并令极小，并令，如此下去，如此下去.3.最后求最后求，使，使为为极小，并令极小，并令，4.令令,在新的在新的方向上在搜索一方向上在搜索一 次，即求次，即求,使使为为极小，并令新的极小，并令新的为为至此，完成了第一轮至此，完成了第一轮n+1次的搜索。接下去进行下一轮的搜索，次的搜索。接下去进行下一轮的搜索，直至性能指标满意或满足某种停止条件为止。直至性能指标满意或满足某种停止条件为止。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索(二二)梯度下降法梯度下降法 该算法在求最小化过程中直接利用梯度信息，沿着该算法在求最小化过程中直接利用梯度
30、信息，沿着起始点梯度方向的反方向，求出最小值点，然后移动到起始点梯度方向的反方向，求出最小值点，然后移动到最小值点，再重复上面的过程，直到前后点的函数值的最小值点，再重复上面的过程，直到前后点的函数值的差小于给定的误差值，则结束迭代过程。差小于给定的误差值，则结束迭代过程。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索(三三)遗传算法遗传算法 遗传算法（遗传算法（Genetic AlgorithmGenetic Algorithm）是模拟达尔文的遗）是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是由
31、美国通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是由美国MichiganMichigan大学大学J.HollandJ.Holland教授于教授于19751975年首先提出来的。年首先提出来的。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索(三三)遗传算法遗传算法 在求解优化问题时，遗传算法将优化问题当作一个生存在求解优化问题时，遗传算法将优化问题当作一个生存环境，问题的一个解当作生存环境中的一个个体，以目标函环境，问题的一个解当作生存环境中的一个个体，以目标函数值或其变化形式来评价个体对环境的适应能力，模拟由数值或其变化形式来评价个体对环境的适应能力，模拟由一定数量个体所组成的群体的进化过程，优胜劣汰，最终
32、一定数量个体所组成的群体的进化过程，优胜劣汰，最终获得最好的个体，即问题的最优解。获得最好的个体，即问题的最优解。三、参数的优化搜索三、参数的优化搜索四、插值方法四、插值方法 在图像配准中，空间坐标变换后得到的像素坐标位置在图像配准中，空间坐标变换后得到的像素坐标位置可能不在整数像素上，因此需要用灰度插值的方法对像素可能不在整数像素上，因此需要用灰度插值的方法对像素值进行估计。值进行估计。常用的插值方法有常用的插值方法有:最近邻插值法、双线性插值法和部最近邻插值法、双线性插值法和部分体积分布法等。分体积分布法等。(1)(1)最近邻插值（最近邻插值（NNNN）图8-4 最近邻插值示意图计算计算n
33、 n和邻近四个点之间的距离，并将与该点距离最小的点和邻近四个点之间的距离，并将与该点距离最小的点的灰度值赋给的灰度值赋给n n。(2)(2)双线性插值（双线性插值（BIBI）双线性插值法又称为一阶插值算法，它是用线性插值来求双线性插值法又称为一阶插值算法，它是用线性插值来求像素灰度的一种方法。具体计算方法为先沿着一个坐标轴像素灰度的一种方法。具体计算方法为先沿着一个坐标轴方向使用线性插值方法求出两点的插值灰度，然后沿另一方向使用线性插值方法求出两点的插值灰度，然后沿另一个坐标轴，利用这两个点对目标点进行线性插值来求灰度个坐标轴，利用这两个点对目标点进行线性插值来求灰度。灰度值灰度值,各相邻点的
34、权重，与它们到各相邻点的权重，与它们到n n的距离成反比。的距离成反比。(2)(2)双线性插值（双线性插值（BIBI）(四四)部分体积插值法（部分体积插值法（PVPV）部分体积分布法是部分体积分布法是F.MaesF.Maes等人提出来的，是对双线性等人提出来的，是对双线性插值方法的一个改进。主要是为了克服双线性插值方法在图插值方法的一个改进。主要是为了克服双线性插值方法在图像中会产生新的灰度值而引起图像灰度分布发生变化的缺像中会产生新的灰度值而引起图像灰度分布发生变化的缺点，以便得到比较光滑的目标函数，有利于优化搜索。点，以便得到比较光滑的目标函数，有利于优化搜索。PV PV根据线性插值的权重
35、分配原则，将每对像素对联合直根据线性插值的权重分配原则，将每对像素对联合直方图的贡献分散到联合直方图中与之相邻的各个像素对上，方图的贡献分散到联合直方图中与之相邻的各个像素对上，这样联合直方图上各个像素对的频度值以小数增加，因此这样联合直方图上各个像素对的频度值以小数增加，因此不会出现新的灰度值而破坏目标函数值分布的光滑性。不会出现新的灰度值而破坏目标函数值分布的光滑性。具体的计算公式为具体的计算公式为:为权重，其取值同为权重，其取值同BIBI法。法。(四四)部分体积插值法（部分体积插值法（PVPV）五、五、相似性测度相似性测度 配配准准过过程程在在得得到到几几何何变变换换后后，进进一一步步的
36、的工工作作就就是是要要找找到到一一种种合合适适、最最优优的的描描述述量量，用用以以表表征征相相似似或或者者差差异异，称称这种描述量为相似性测度。这种描述量为相似性测度。（一）灰度均方差（一）灰度均方差设设 和和 分别表示参考图像和浮动图像中的数据，分别表示参考图像和浮动图像中的数据，两幅图像像素值的均方差可以表示为两幅图像像素值的均方差可以表示为:其中，其中，V V表示参与计算的图像区域，表示参与计算的图像区域，表示参与计算的像素总量，表示参与计算的像素总量，表示对图像数据的变换。表示对图像数据的变换。灰度均方差作为相似性测度适用于单模医学图像的配准。灰度均方差作为相似性测度适用于单模医学图像
37、的配准。（二）（二）归一化互相关归一化互相关分别是参考图和浮动图在分别是参考图和浮动图在区域内的区域内的像素灰度平均值，像素灰度平均值，R R为相关系数。为相关系数。（三）（三）互信息互信息 相似测度形式多样，在基于全图像信息的图像配准中，相似测度形式多样，在基于全图像信息的图像配准中，以互信息量作为相似测度的方法以其计算复杂度低、鲁棒以互信息量作为相似测度的方法以其计算复杂度低、鲁棒性好等特性逐渐成为当前研究的热点。性好等特性逐渐成为当前研究的热点。下一节对基于互信息量的图像配准方法做详细的介绍。下一节对基于互信息量的图像配准方法做详细的介绍。7.4 7.4 图像配准的主要方法图像配准的主要
38、方法 图像配准的方法有多种，目前主要的配准方法大体上可图像配准的方法有多种，目前主要的配准方法大体上可以分为两类以分为两类:基于特征的配准方法基于特征的配准方法 基于灰度的配准方法。基于灰度的配准方法。一、基于特征的配准方法一、基于特征的配准方法 配准过程：配准过程：首首先先对对待待配配准准图图像像进进行行特特征征提提取取，常常用用到到的的图图像像特特征征有有:点点、直直线线段段、边边缘缘、轮轮廓廓、闭闭合合区区域域、特特征征结结构构以以及及统统计特征如矩不变量、重心等等。计特征如矩不变量、重心等等。然后利用提取到的特征完成两幅图像特征之间的匹配。然后利用提取到的特征完成两幅图像特征之间的匹配
39、。（一）、基于点特征的配准（一）、基于点特征的配准 点点特特征征是是图图像像配配准准中中最最为为常常用用的的图图像像特特征征之之一一，分分为为外部特征点与内部特征点两种。外部特征点与内部特征点两种。外外部部特特征征点点：是是成成像像时时固固定定在在患患者者身身体体上上的的标标记记物物。这种方法的配准变换被限制为刚性变换。这种方法的配准变换被限制为刚性变换。侵入性标记物侵入性标记物 非侵入性标记物非侵入性标记物（一）基于点特征的配准（一）基于点特征的配准 内内部部特特征征点点：是是一一些些有有限限的的可可明明显显识识别别的的点点集集，可可以以是是解解剖剖点点(一一般般由由用用户户识识别别出出)，
40、也也可可以以是是几几何何点点(包包括括边边缘缘点点、角角点点、灰灰度度的的极极值值点点、曲曲率率的的极极值值点点、两两个个线线性性结结构构的的交点或某一封闭区域的质心等交点或某一封闭区域的质心等)。这这种种方方法法主主要要求求解解刚刚体体或或仿仿射射变变换换，如如果果标标记记点点数数目目足足 够多，也能用来更复杂的非刚体变换。够多，也能用来更复杂的非刚体变换。（二）基于直线特征的配准（二）基于直线特征的配准 线段是图像中另一个易于提取的特征。一般利用线段是图像中另一个易于提取的特征。一般利用HoughHough变变 换提取图像中的直线。换提取图像中的直线。建立两幅图像中分别提取的直线段的对应关
41、系。建立两幅图像中分别提取的直线段的对应关系。利用直线段的斜率和端点的位置关系，可以构造一个这些利用直线段的斜率和端点的位置关系，可以构造一个这些信息指标的直方图，并通过寻找直方图的聚集束达到直线信息指标的直方图，并通过寻找直方图的聚集束达到直线段的匹配。段的匹配。（三）基于轮廓与曲线特征的配准（三）基于轮廓与曲线特征的配准 近年来，随着图像分割、边缘检测等技术的发展，近年来，随着图像分割、边缘检测等技术的发展，基于边缘、轮廓的图像配准方法逐渐成为配准领域的基于边缘、轮廓的图像配准方法逐渐成为配准领域的研究热点。研究热点。分割和边缘检测技术是这类方法的基础，目前已分割和边缘检测技术是这类方法的
42、基础，目前已报道的有很多图像分割方法可以用来做图像配准需要报道的有很多图像分割方法可以用来做图像配准需要的边缘轮廓和区域的检测，比如的边缘轮廓和区域的检测，比如CannyCanny边缘提取算子，边缘提取算子，拉普拉斯拉普拉斯-高斯算子高斯算子(LoGLoG)，动态阈值技术，区域增长等。，动态阈值技术，区域增长等。（三）基于轮廓与曲线特征的配准（三）基于轮廓与曲线特征的配准在特征提取的基础上，很多学者针对轮廓、边缘等进行了配在特征提取的基础上，很多学者针对轮廓、边缘等进行了配准研究。准研究。1 1、GovinduGovindu等采用轮廓上点的切线斜率来表示物体轮廓，等采用轮廓上点的切线斜率来表示
43、物体轮廓，通过比较轮廓边缘的分布确定变换参数。通过比较轮廓边缘的分布确定变换参数。2 2、DavatzikosDavatzikos等提出了一种二阶段大脑图像配准算法，等提出了一种二阶段大脑图像配准算法，在第一阶段使用活动轮廓算法建立一一影射，第二阶段在第一阶段使用活动轮廓算法建立一一影射，第二阶段 采用弹性变换函数确定轮廓的最佳变换。采用弹性变换函数确定轮廓的最佳变换。（三）基于轮廓与曲线特征的配准（三）基于轮廓与曲线特征的配准 3 3、李登高等提出了一种对部分重叠的图像进行快速配准的、李登高等提出了一种对部分重叠的图像进行快速配准的 方法，该方法是基于轮廓特征的随机匹配算法。通过提方法，该方
44、法是基于轮廓特征的随机匹配算法。通过提 取轮廓上的取轮廓上的“关键点关键点”作为特征点，随机选择若干特征点作为特征点，随机选择若干特征点 对得到候选变换，随后的投票阶段对其变换参数进行检对得到候选变换，随后的投票阶段对其变换参数进行检 验和求精。验和求精。4 4、赵训坡等提出一种基于证据积累的图像曲线粗匹配方法，、赵训坡等提出一种基于证据积累的图像曲线粗匹配方法，比较有效地解决了将图像中提取的一条曲线比较有效地解决了将图像中提取的一条曲线(较短较短)与一与一 条参考曲线条参考曲线(较长较长)相匹配的问题。相匹配的问题。（四）基于面特征的配准（四）基于面特征的配准基于面的配准方法中最典型的算法是
45、由基于面的配准方法中最典型的算法是由PelizzariPelizzari和和 ChenChen提出的提出的“头帽法头帽法”（Head-Hat MethodHead-Hat Method）。）。从一幅图像中提取一个表面模型称为从一幅图像中提取一个表面模型称为“头头”(Head)(Head)，从另外一幅图，从另外一幅图像轮廓上提取的点集称为像轮廓上提取的点集称为“帽子帽子”(Hat)(Hat)。用刚体变换或选择性的仿。用刚体变换或选择性的仿射变换将射变换将“帽子帽子”的点集变换到的点集变换到“头头”上，然后采用优化算法使得上，然后采用优化算法使得“帽帽子子”的各点到的各点到“头头”表面的均方根距离
46、最小。表面的均方根距离最小。（四）基于面特征的配准（四）基于面特征的配准 头帽法最初用于头部的头帽法最初用于头部的SPECTSPECT和和CT(CT(或或MRI)MRI)配准，参考配准，参考特征是头部的皮肤表面；然后用于头部的特征是头部的皮肤表面；然后用于头部的SPECTSPECT图像之间的图像之间的配准，参考特征是头颅骨表面和大脑表面。配准，参考特征是头颅骨表面和大脑表面。优化算法目前一般用优化算法目前一般用PowellPowell法。均方距离是六个待求法。均方距离是六个待求刚体变换参数的函数，其最小时可得刚体变换参数。刚体变换参数的函数，其最小时可得刚体变换参数。（四）基于面特征的配准（四
47、）基于面特征的配准 比较常用的配准方法还有迭代最近点算法比较常用的配准方法还有迭代最近点算法(ICP)(ICP)。迭代最近点（。迭代最近点（ICPICP）配准算法由配准算法由BeslBesl和和MckayMckay提出的，它将一般的非线性最小化问题归结为基提出的，它将一般的非线性最小化问题归结为基于点的迭代配准问题。于点的迭代配准问题。迭代最近点算法迭代最近点算法(ICP)(ICP)中必须先采样出图像结构上的特征点，然后用中必须先采样出图像结构上的特征点，然后用迭代的方法不断求出一幅图中相对于另一幅图中所有采样点的最近点，直迭代的方法不断求出一幅图中相对于另一幅图中所有采样点的最近点，直到两个
48、点集的均方差低于设定阈值，这时可得到匹配变换参数。到两个点集的均方差低于设定阈值，这时可得到匹配变换参数。二、基于灰度的配准方法二、基于灰度的配准方法n基于灰度的配准方法是目前研究得较多的一种方法，它直接利用图像基于灰度的配准方法是目前研究得较多的一种方法，它直接利用图像的灰度信息进行配准，从而避免了因分割带来的误差，因而具有精度的灰度信息进行配准，从而避免了因分割带来的误差，因而具有精度较高、稳健性强、不需要预处理而能实现自动配准的特点。较高、稳健性强、不需要预处理而能实现自动配准的特点。n 基于灰度的配准有两类主要的方法，一类是通过图像灰度直接计算出基于灰度的配准有两类主要的方法，一类是通
49、过图像灰度直接计算出代表性的比例和方向等要素；另一类是配准过程中使用全部的灰度信代表性的比例和方向等要素；另一类是配准过程中使用全部的灰度信息。息。n第一种方法以力矩和主轴法为代表，第二种方法一般称为体素相似性。第一种方法以力矩和主轴法为代表，第二种方法一般称为体素相似性。（一）（一）力矩和主轴法力矩和主轴法 力矩和主轴法是指先用经典力学物体质量分布的原理计力矩和主轴法是指先用经典力学物体质量分布的原理计算出两幅图像的质心和主轴，再通过平移和旋转变换使两幅算出两幅图像的质心和主轴，再通过平移和旋转变换使两幅图像达到配准。利用此方法，图像可以模型化为椭圆形区域图像达到配准。利用此方法，图像可以模
50、型化为椭圆形区域的点分布。这样的分布可以用这些点的位置的一阶和二阶矩的点分布。这样的分布可以用这些点的位置的一阶和二阶矩描述。描述。（一）（一）力矩和主轴法力矩和主轴法缺点：缺点：该方法对数据的缺失较敏感，要求整个物体必须完整该方法对数据的缺失较敏感，要求整个物体必须完整 地出现在两幅图像中。从整体上来说，配准精度较差，地出现在两幅图像中。从整体上来说，配准精度较差，所以目前它更多地用来进行粗配准，使两幅图像初步所以目前它更多地用来进行粗配准，使两幅图像初步 对齐，以减少后续主要配准方法的搜索步骤。对齐，以减少后续主要配准方法的搜索步骤。（二）（二）体素相似性法：体素相似性法：体素相似性法是目