非刚性医学图像配准研究综述

非刚性配准技术是医学图像配准中的一个重要研究课题,是非刚性组织配准,不同个体之间的配准以及个体同图谱配准的基础。该文提出了多项式法、样条函数法等基于空间变换的配准方法,以及弹性模型、粘性流体模型和光流场模型等基于物理模型的配准方法两大类方法。同刚性配准相比,非刚性配准技术还不成熟,计算效率和稳定性还需要进一步提高,仍是一个非常活跃的研究领域。     

非刚性医学图像配准与融合

非刚性医学图像的突出特点是不同图像间可能存在着较大的形态差异,因此非刚性医学图像的配准与融合是一项极富挑战性的研究工作.本文重点对现有的非刚性医学图像配准与融合的方法进行了归纳、总结和整理,并根据作者自己的研究体会,对这一领域内的发展方向做出了展望.     

基于非刚性配准的交互式医学图像序列分割

提出了一种新的交互式医学图像序列分割算法,该算法将非刚性配准技术和解剖先验知识相结合把图像分割问题转化为图像配准问题。首先采用Demons算法进行图像配准,用光流法计算瞬时位移,设计了一个新的停止准则使其能自适应地确定迭代次数,并将它在金字塔型的多尺度框架下实现。然后用配准得到的形变域对已精确分割的图像进行形变就能自动地获得未分割目标图像的分割结果。扩展上述过程就可实现整个图像序列分割。试验结果表明该算法用户干预少、分割速度快、分割结果准确。     

基于全局与局部相似性测度的非刚性点集配准

非刚性点集配准算法中，能否找到正确的对应关系对配准结果起着至关重要的作用，而通常两个点集中的对应点除了距离比较接近之外还具有相似的邻域结构，因此提出基于全局与局部相似性测度的非刚性点集配准算法。首先，使用一致性点漂移（CPD）算法作为配准框架，采用高斯混合模型对点集进行建模。然后，对全局局部混合距离进行改进，形成全局与局部相似性测度准则。最后，采用期望最大化（EM）算法迭代地求解对应关系和变换公式：在迭代初期局部相似性所占比重较大，从而能够尽快地找到正确的对应关系；随着迭代的进展全局相似性比重逐渐增大，从而确保得到较小的配准误差。实验结果表明，与薄板样条鲁棒点匹配（TPS-RPM）算法、高斯混合模型点集配准（GMMREG）算法、基于L₂E估计的鲁棒点匹配算法（RPM-L2E）、基于全局局部混合距离与薄板样条的点集配准算法（GLMDTPS）和CPD算法相比，所提算法的均方根误差（RMSE）分别下降了39.93%、42.45%、32.51%、22.36%和11.76%，说明该算法具有较好的配准效果。     

基于平衡系数的Active Demons非刚性配准算法

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.     

联合弯曲能量和标志点对应约束的非刚性医学图像配准

由于缺乏图像几何空间约束,基于互信息的非刚性医学图像配准常常产生不合理的形变。提出一种联合弯曲能量和标志点对应约束的非刚性医学图像配准方法,在互信息配准目标函数中添加弯曲能量惩罚和对应标志点间欧氏距离2个正则项,约束医学图像软组织不合理形变。脑部MRI、头颈部CT、胸部CBCT影像配准实验结果表明,该方法可有效提高配准质量。     

图像非刚性配准技术及并行策略研究

图像非刚性配准是近几年配准方法的一个研究热点,由于其计算复杂度很高,它的并行化问题成为近几年来的研究热点。本文首先给出了图像非刚性配准的数学模型,并给出了形式化定义;其次分类总结了近年来图像非刚性配准串行算法研究的新进展,从而在此基础上重点讨论了相应的并行化策略。本文还详细分析了设计并行图像非刚性配准算算法需要考虑的几个问题;并比较评价了现有并行算法的性能特点,得出了一些结论;最后提出了有待进一步研究的问题。     

基于兴趣边缘优化的壁画影像与激光扫描数据非刚性配准

将壁画影像与激光扫描数据配准,并进行定位和纠正在壁画的数字化保护中有非常重要的意义.本文以激光扫描数据强度信息为中介,提出了一种基于兴趣边缘优化的壁画影像与激光扫描数据的非刚性配准方法:由激光扫描数据生成强度影像,以壁画彩色影像的兴趣边缘和强度影像的梯度场作为配准基元,在影像刚性配准基础上,对每条兴趣边缘进行优化配准,然后以优化后边缘的特征点为控制点,构造影像之间的非刚性变换模型,完成壁画影像与激光扫描数据的配准.实验结果表明本方法在不同数据中都能获得较高的配准精度.     

心肌灌注核磁共振图像的非刚性配准

心肌灌注核磁共振图像中心脏的位置和形状会随着病人的呼吸和心跳而发生改变.同时,灌注图像的灰度也会随着造影剂在心腔中的流动而不断变化.这使得传统单纯依靠互信息、互相关等信息的配准算法很难在心肌灌注核磁共振图像中得到应用.使用马尔可夫随机场(M RF)模型对图像进行非刚性配准.在马尔可夫能量函数中对图像块进行归一化,以消除两幅图像的灰度差异对配准的影响.为了消除序列图像配准中产生的积累误差,对心肌灌注MR序列中的每幅图像计算对应的伪真实(PGT)图像,并将这幅伪真实图像作为配准模板.通过将心肌灌注MR序列中的每幅图像与其对应的伪真实图像进行配准,避免了序列图像配准中积累误差的产生.实验结果表明,该方法有效地矫正了心肌灌注MR图像中心脏的位移和弹性形变.     

Demons非刚性配准算法拓扑保持性的研究

在基于配准的图像分割应用中, 拓扑保持性是非刚性图像配准算法的一个重要约束. 本文从矢量场特性出发, 分析了Demons非刚性图像配准算法导致目标拓扑改变时变形场的特点. 根据变形场特点与其雅可比行列式之间的关系, 给出了校正该算法拓扑保持性的方法. 实验表明, 改进后的变形场具有了拓扑保持性.     

基于B样条插值函数的人脑MR图像非刚体配准方法

提出了一种B样条插值函数结合图像特征标记的人脑MR图像非刚体配准方法。图像的特征标记选取图像的内外部轮廓来描述,目标和源特征之间的对应关系通过距离图来自动获得。形变过程采用B样条曲面函数插值来完成。通过多级B样条插值方法,即先全局计算后局部细化的方法来逐步优化形变结果。实验表明,该算法在不失准确度的前提下,具备较快的计算速度。     

基于迭代的非刚性点阵配准算法

提出的非刚性点阵配准算法把一种鲁棒性全局和局部多特征用于对应关系评估,并结合高斯混合模型进行空间变换更新。首先,定义两个距离特征,分别测定两个点阵间的全局和局部几何结构差异,这两个特征形成了一种基于能量优化方程的多特征,通过最小化此多特征,可以灵活地评估点阵间的对应关系。其次,设计一种基于高斯混合模型的空间变换能量方程,同时借助L-2距离最小化方法将其最小化,以此改善空间变换更新。最后,采用轮廓配准和图像特征点配准测试了算法的性能,并与其他4种先进方法进行了对比,该算法在大部分实验中展现了最好的配准效果。     

基于改进Demons算法的乳腺X线摄片非刚性配准

Demons算法是一种基于灰度信息的全自动非刚性配准方法,其配准结果容易受图像之间灰度不一致的影响,且迭代收敛速度较慢.针对这两个问题,提出了一种基于多项式最小二乘拟合的灰度归一化方法对灰度进行匹配,并在迭代过程中自适应调整浮动图像所受作用力以加快收敛速度.用改进后的算法与原算法及其他改进算法分别对乳腺X线摄片进行配准实验,对比结果表明,本文的改进方法能够更快地产生更精确的配准结果,配准后的图像增强了乳腺组织的真实变化,有利于乳腺癌的早期诊断.     

基于混合特征的非刚性点阵配准算法

提出一种基于混合特征的非刚性点阵配准算法.该算法包含了对应关系评估与空间变换更新两个相互交替的步骤.首先定义了两个特征描述法用于描述两个点阵之间的全局和局部几何结构特征差异,随后合并这两个特征描述法建立一个基于混合特征的能量优化方程.该能量优化方程可以利用线性分配技术进行求解,同时可以灵活地选择使用最小化全局结构特征差异或最小化局部结构特征差异来评估两个点阵之间的对应关系.为了增强前述两个步骤之间的协调性,我们利用能量权重调节在整个配准过程中控制能量优化从最小化局部结构特征差异逐步转变为最小化全局结构特征差异,同时控制用于空间变换的薄板样条函数（Thin plate spline）的更新从刚性变换逐步转变为非刚性变换.我们在二维轮廓配准、三维轮廓配准、序列图像配准和图像特征点配准下对本文算法进行了各项性能测试,同时也与当前8种流行算法进行了性能比较.本文算法展现了卓越的非刚性配准性能,并在大部分实验中超越了当前的相关算法.     

基于自适应分数阶的医学图像非刚性配准

现有的医学图像配准算法对于灰度均匀、弱边缘以及弱纹理图像易陷入局部最优从而导致配准精度低下、收敛速度缓慢. 分数阶主动Demons (Fractional active Demons, FAD)算法是解决该问题的有效方法, 并且适用于图像的非刚性配准. 但FAD中的最佳分数阶阶次是人工交互选取, 并且对整幅图像都是固定不变的. 为了解决该问题, 提出一种阶次自适应的主动Demons算法并将其应用到医学图像的非刚性配准中. 算法首先根据图像的局部特征建立分数阶阶次自适应的数学模型, 并逐像素计算最优阶次, 基于该阶次构造Riemann-Liouvill (R-L)分数阶微分动态模板; 然后将自适应R-L分数阶微分引入到Active Demons算法, 在一定程度上缓解了图像配准在弱边缘和弱纹理区域易陷入局部最优问题, 从而提高了配准精度. 通过在两个医学图像库上进行实验验证, 实验结果表明该方法可以处理灰度均匀、弱纹理和弱边缘的医学图像非刚性配准, 配准精度得到较大提升.     

医学影像非刚性配准的并行加速及优化

三次B样条函数拟合小形变需要大量控制点,且非刚性配准的迭代算法和归一化互信息计算量巨大,使得非刚性配准缓慢.为了提高配准速度,提出基于B样条函数的二级并行算法,其中对归一化互信息使用数据并行算法;对梯度下降流使用任务并行算法,并将数据并行算法嵌入到任务并行算法中.为减少计算量,提出图像多层次局部熵提取自由形变场活动控制点的算法,使活动控制点仅分布于待配准的目标之上,并使用B样条系数的快速算法进一步减少计算量;对由于控制点分布优化造成的各线程块并行计算量不平衡的问题,使用类似于Greedy算法的计算平衡算法使各线程块的计算量均衡.实验结果表明,使用B样条系数快速算法可以减少约50％的B样条系数计算量;与串行算法相比,使用二级并行算法以及控制点分布优化算法可以达到60～80倍的加速效果;比现有的数据并行配准算法可提速约6倍.