基于霍特林变换的三维医学图像快速配准算法

提出了一种新的基于霍特林变换的三维医学图像快速配准算法,这是将数据压缩技术用于图像配准的一种创新性尝试。传统的基于灰度的方法需要考虑整个三维数据的灰度信息,计算复杂度大,无法满足临床需要。论文将Otus算法与互信息量技术相结合提出了一种新的图像分割算法,用于提取待配准物体,从而得到物体的向量表示;然后通过霍特林变换的平移和旋转性质完成配准。实验结果表明此方法能准确,快速地处理图像刚性配准问题,特别适用于三维医学图像的配准。     

基于等效子午面与互信息量的医学图像配准

提出了一种新的基于等效子午面和互信息量的三维医学图像快速配准算法--EMP-MI算法.传统的互信息量的方法需要考虑整个三维数据的信息,计算复杂度大,无法满足临床需要.而本算法将三维数据的配准转化为二维数据的配准,在保证精度的前提下,减少了配准所需时间.文中创新点在于利用主成分分析计算出图像的等效子午面并将图像转化到标准坐标系下,从而将质心和等效子午面粗配准,精细配准时只需要对浮动图像进行微小的调整计算等效子午面的互信息量,这就大大提高了配准速度,减少了陷入局部极值的可能.实验结果表明这种先整体后局部的方法能准确、快速地处理图像刚性配准问题,特别适用于三维医学图像的配准.     

一种快速的三维扫描数据自动配准方法

研究了两幅和多幅深度图像的自动配准问题.在配准两幅深度图像时,结合二维纹理图像配准深度图像,具体过程是:首先,从扫描数据中提取纹理图像,特别地,针对不包含纹理图像的扫描数据提出了一种根据深度图像直接生成纹理图像的方法;然后,基于SIFT(scale-invariant feature transform)特征提取纹理图像中的兴趣像素,并通过预过滤和交叉检验兴趣像素等方法从中找出匹配像素对的候选集;之后,使用RANSAC(random sample consensus)算法,根据三维几何信息的约束找出候选集中正确的匹配像素对和相对应的匹配顶点对,并根据这些匹配顶点对计算出两幅深度图像间的刚体置换矩阵;最后,使用改进的ICP(iterative closest point)算法优化这一结果.在配准多幅深度图像时,提出了一种快速构建模型图的方法,可以避免对任意两幅深度图像作配准,提高了配准速度.该方法已成功应用于多种文物的三维逼真建模.     

一种三维物体建模和编码压缩方法

真实物体的三维建模和编码压缩是虚拟现实研究的热点问题.针对三维扫描设备采集的物体表面深度图像数据,文中提出了一种两幅深度图像的自动配准方法,以及基于回路的自动全局配准算法,可以快速、自动地配准全部深度图像,构造出逼真的三维模型.三维模型数据量大,为满足网络条件下的应用需求,文中提出了一种三维网格模型压缩编/解码方法,可编码压缩几何、拓扑和属性数据,压缩比高,并且支持递进传输.研究成果已成功应用在数字博物馆中.     

基于灰度互信息和梯度相似性的医学图像配准及其加速处理

研究基于归一化互信息的医学图像刚性配准算法,提出改进配准速度和改善配准精度的相应措施．配准处理包含3项主要计算处理,即空间变换、互信息计算以及优化搜索．针对不同计算处理分别研究了相应加速策略,提高其计算速度,实现三维体数据的快速配准．并且,针对传统基于互信息测度配准方法未利用图像灰度空间分布信息,提出将灰度变化梯度相似性与互信息相结合的配准方法,从而进一步提高了配准算法的精度和鲁棒性．实验结果表明了算法的有效性．     

子宫肌瘤MRI影像非刚性配准研究

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗和磁共振技术结合(MRI-guided HIFU,MRgHIFU)采用MRI进行目标定位、治疗规划和能量沉积的闭环控制以保障热消融不伤及周围组织,其中图像配准是校正定位误差,实施精确治疗的重要环节。针对三维非刚性配准方法,在子宫肌瘤的治疗计划修正和跟踪方面的应用进行研究。针对前后两个不同时段采集的子宫肌瘤MR影像,分别进行基于自由形变模型(Free-From Deformation,FFD)算法和Demons算法的非刚性配准对比。实验结果表明,该基于FFD的非刚性配准算法,对于形变较小的子宫肌瘤真实数据能够取得较为合适的配准效果,重叠区域的互相关系数(CC)从配准前的0.59提高到配准后的0.74。     

一种融合纹理的三维图像重建快速实现方法

为了得到完整的三维模型,介绍了一种融合纹理的三维图像重建快速实现方法。通过对不同视角的深度图像的手动粗配准、ICP算法精配准以及全局配准得到这些深度图像的旋转平移矩阵。通过vrippack,三维重建出完整的三维图像,用TextureStitcher对得到的三维图像进行纹理映射,从而实现融合纹理的三维图像的快速重建。文中在论述配准算法主要思想和实现步骤的同时,也用实验验证了方法的可行性与通用性。     

基于Demon算法的乳房核磁共振图像配准

为了提高乳房动态核磁共振成像中不同时间点序列图像的配准速度,提出了将快速的Demon非刚性配准算法与图像强度校正相结合的乳房图像配准模型。Demon算法本身基于图像强度变化计算变形参数,因此不适于强度动态增强的图像配准。首先根据乳房组织的信号增强模型应用多项式理论校正待配准图像的强度,再应用Demon算法进行几何变形配准。实验表明该算法在精度上远优于直接使用Demon算法,在与自由形变配准算法具有几乎相同配准精度的前提下,明显提高了配准速度。     

基于图形处理器加速的医学图像配准技术进展

针对目前医学图像配准技术无法满足临床实时性需求问题,对基于图形处理器(GPU)加速的医学图像配准技术进行综述探讨。首先对GPU通用计算进行概述,再以医学图像配准基本框架为主线,对近年来基于GPU加速的医学图像配准技术在国内外发展现状进行深入研究,并针对正电子发射型计算机断层显像(PET)和电子计算机断层扫描(CT)数据的非线性配准问题,分别基于中央处理器(CPU)和GPU平台进行配准实验,通过实验结果的对比,体现GPU加速配准技术的优越性。基于GPU加速的自由形变(FFD)和归一化互信息(NMI)结合的非线性配准方法配准后互信息值略低于CPU平台的配准结果,但其配准速度是CPU平台的12倍。基于GPU加速的配准算法在保持配准精度的基础上,配准速度都得到了很大的提升。     

基于投影图像 SURF 特征提取的三维模型配准

针对传统三维模型配准方法存在对点云初始位置有一定要求、模型配准的精度有 时不高等问题,提出了一种基于三维模型投影图像 SURF 特征提取的三维模型配准方法。首先 通过扫描三维模型数据确定投影图像的范围,判断每个投影图像像素所隶属的模型网格,并求 解从投影图像到纹理图像的映射关系,从而获取二维投影图像;然后对这两幅投影图像分别进 行 SURF 特征点的选取与特征值的计算,并按 SURF 特征值进行特征匹配,再根据投影图像像 素点与三维网格端点的映射关系计算三维特征点对;最后通过匹配的特征点对求取模型变换矩 阵完成三维模型的配准。实验结果表明,该方法在配准时间变化不大的前提下,有效提高了配 准精度,并具有较好的鲁棒性。     

基于改进平衡优化器的医学2D/3D图像快速配准算法

医学三维图像(如CT、MRI等)和二维图像(如X光)的配准技术已经被广泛应用于临床诊断和手术规划中. 医学图像配准的实质为使用优化算法寻找某种空间变换, 使两张图像在空间以及结构上对齐. 配准过程中往往由于优化算法寻优精度不高、易陷入局部极值的问题导致配准质量低. 针对此问题, 提出一种改进的平衡优化器算法(improved equilibrium optimizer based on Logistic-Tent chaos map and Levy flight, LTEO), 首先针对种群初始化容易分布不均匀, 且随机性太高的问题, 引入Logistic-Tent混沌映射对种群进行初始化, 提高种群多样性, 使它们尽可能地分布于搜索空间内; 对迭代函数进行更新, 使得优化算法更注重全局范围的搜索, 提高算法收敛速度并利于找到全局最优解; 引入Levy飞行策略对停滞粒子进行扰动, 防止算法陷入局部极值. 最后将改进的平衡优化器算法用于2D/3D医学图像配准任务, 并对配准过程中数据的频繁传输进行优化, 降低配准耗时. 通过基准函数测试和临床配准实验对算法进行验证, 改进后的平衡优化器可有效提高寻优精度和稳定性, 并提高医学图像配准的质量.     

基于立体视觉的3D地形拼接

为了从月球车上的全景相机所捕获的立体图像对重建月球车周围的3D地形,给地面科学家制定科学探测指令提供一个直观的可视化平台,预先展开了基于立体视觉的3D地形重建的研究,主要介绍了在3D地形拼接方面的研究进展。当恢复出多个局部3D地形模型时,首先基于边缘检测和图像匹配技术提取出相邻局部模型之间的公共数据点,然后采用分离旋转变换和平移矢量的策略拟合出相邻模型之间的坐标转换关系,之后就可以将局部模型统一在同一个坐标系下。通过室内和室外多次实验验证了该拼接方案。     

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.     

快速数字影像重建的2维/3维医学图像配准

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.     

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。     

基于深度学习的医学图像配准技术研究进展

医学图像配准技术对于病灶检测、临床诊断、手术规划,疗效评估等有着广泛的应用价值。系统性地总结了基于深度学习的配准算法,从深度迭代、全监督、弱监督到无监督学习的研究发展趋势,分析了各种方法的优势与局限。总体来看,无论是对数据的要求、配准精度,还是计算效率,无监督学习因其不依赖金标准和解剖标签,采用端到端的网络配准框架就可以自动执行需要的任务等优势成为研究的主流方向。然而,基于无监督学习的医学图像配准方法在医学图像领域的可解释性、跨模态多样性和可重复可扩展性方面同样面临着一些研究难点和挑战,这为将来实现更精准的医学图像配准方法指明了研究方向。     

基于姿态编码器的2D/3D脊椎医学图像实时配准方法

2D/3D医学图像配准是骨科手术三维实时导航中的一项关键技术,然而传统的基于优化迭代的2D/3D配准方法需要经过多次迭代计算,无法满足医生在手术过程中对于实时配准的要求。针对该问题,提出一种基于自编码器的姿态回归网络来通过隐空间解码捕获几何姿态信息,从而快速地回归出术中X射线图像对应的术前脊椎位置的3D姿态,并经过重新投影生成最终的配准图像。通过引入新的损失函数,以“粗细”结合配准的方式对模型进行约束,保证了姿态回归的精确度。在CTSpine1K脊椎数据集中抽取100组CT扫描图像进行10折交叉验证,实验结果表明：所提出的模型所生成的配准结果图像与X射线图像的平均绝对误差（MAE）为0.04,平均目标配准误差（mTRE）为1.16 mm,单帧耗时1.7 s。与基于传统优化的方法相比,该模型配准时间大幅缩短。相较于基于学习的方法,该模型在快速配准的同时,保证了较高的配准精度。可见,所提模型可以满足术中实时高精配准的要求。     

基于轮廓特征匹配的数字人多模态图像配准

医学多模图像配准技术是实现非同源图像的信息融合的前提条件和关键步骤。数字人断层影像学的3种图像数据(彩色切片数据、CT和MRI数据)本质上都是医学图像。基于多模图像信息互补的思路,通过将数字人的两种源图像(彩色切片和MRI图像)进行统一分辨率、维数和去噪等预处理后,提取有效轮廓信息,计算图像的周长、质心和主轴作为配准参数,利用仿射模型实现数字人多模图像的配准,为信息融合工作提供准确的图像信息,解决了关键的技术难题。由实验结果可以看出,配准算法准确,实现处理速度快,图像特征精确,图像配准的目标已达到。