基于定量定性互信息的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn).pdf

1、綜合利用同一患者在不同時(shí)期或從不同成像設(shè)備獲得的圖像信息是醫(yī)學(xué)圖像分析的一個(gè)基本任務(wù)。為了對(duì)多幅圖像所提供的信息進(jìn)行整合，首先要解決多幅圖像之間的匹配問題，即圖像配準(zhǔn)問題。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是指對(duì)一幅醫(yī)學(xué)圖像尋求一種(或一系列)空間變換，使它與另一幅圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間位置和解剖位置上的完全一致。配準(zhǔn)的結(jié)果應(yīng)使兩幅圖像中所有解剖點(diǎn)、或至少是所有具有診斷意義上的點(diǎn)都達(dá)到匹配。近年來，研究人員提出了許多不同的配準(zhǔn)方法。其中，應(yīng)用最為廣泛的方法當(dāng)

2、屬基于互信息的配準(zhǔn)方法。 目前，所有基于互信息的配準(zhǔn)方法在計(jì)算兩幅圖像的互信息時(shí)均假設(shè)圖像中的像素是獨(dú)立同分布的。但事實(shí)上，不同的像素在圖像中的重要性以及它們對(duì)圖像配準(zhǔn)的效用是不同的。獨(dú)特的像素在圖像配準(zhǔn)中往往具有更高的效用，所以在決定兩幅圖像的變換過程中應(yīng)該起更大的作用。例如，由于匹配靠近大腦皮層的白質(zhì)點(diǎn)比匹配位于大面積白質(zhì)區(qū)域內(nèi)的白質(zhì)點(diǎn)更為有效，因此靠近大腦皮層的白質(zhì)點(diǎn)在計(jì)算兩幅腦圖像的互信息時(shí)應(yīng)該貢獻(xiàn)更多的作用。

3、為了在圖像配準(zhǔn)過程中結(jié)合像素的效用，本文首先從控制論的角度出發(fā)，提出了一種新的信息測(cè)度-定量定性互信息。然后，提出了基于定量定性互信息的配準(zhǔn)方法。為了定義兩幅圖像的定量定性互信息，本文提出使用獨(dú)特性值來表示像素在圖像中的重要性以及它相對(duì)于圖像配準(zhǔn)的效用，并通過綜合兩幅圖像像素的效用來定義圖像亮度對(duì)的聯(lián)合效用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與基于傳統(tǒng)互信息的配準(zhǔn)方法相比，基于定量定性互信息的配準(zhǔn)方法極大的提高了配準(zhǔn)算法的成功率(成功率的提高量約為20％)

4、，從而顯示了所提出方法的魯棒性。 為了確保配準(zhǔn)方法的精確性，本文又提出了基于定量定性互信息的層次化的配準(zhǔn)方法。在層次化的配準(zhǔn)方法中，像素的效用不再是固定不變的，而是隨著配準(zhǔn)的進(jìn)展而不斷地變化，并在配準(zhǔn)的最后階段，使所有的像素對(duì)配準(zhǔn)起相同的貢獻(xiàn)作用。即，在配準(zhǔn)的初始階段，像素的初始效用由獨(dú)特性值決定；隨著圖像配準(zhǔn)的進(jìn)展，像素的效用逐漸變?yōu)?。于是，通過在配準(zhǔn)的初始階段依靠具有較高效用的像素或區(qū)域，配準(zhǔn)方法的魯棒性得到了提高；通過在

5、配準(zhǔn)的最后階段將像素的效用逐漸變?yōu)?，配準(zhǔn)方法得到了與基于傳統(tǒng)互信息的配準(zhǔn)方法類似的配準(zhǔn)精度。 在本文中，基于定量定性互信息的層次化的配準(zhǔn)方法被應(yīng)用于3D臨床數(shù)據(jù)(例如，MR，CT和PET)的剛體配準(zhǔn)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)互信息產(chǎn)生的配準(zhǔn)函數(shù)相比，定量定性互信息產(chǎn)生的配準(zhǔn)函數(shù)不僅更為光滑，而且還擁有更大的收斂范圍。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：層次化的配準(zhǔn)方法不僅提高了配準(zhǔn)方法的魯棒性，還使配準(zhǔn)方法擁有可達(dá)到子體素精度的配準(zhǔn)結(jié)果。

6、 在許多臨床應(yīng)用中，剛體變換并不足以描述圖像間的變形，這時(shí)就需要考慮非剛體配準(zhǔn)，因此本文還研究了一般化的基于定量定性互信息的非剛體配準(zhǔn)方法。另外，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，我們還推導(dǎo)了定量定性互信息相對(duì)于變換參數(shù)的梯度的解析形式，從而使得配準(zhǔn)算法可以采用基于梯度的優(yōu)化方法?；诙慷ㄐ曰バ畔⒌姆莿傮w配準(zhǔn)方法被應(yīng)用于MRbreast序列圖像的運(yùn)動(dòng)校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與層次化的剛體配準(zhǔn)方法相比，基于定量定性互信息的非剛體配準(zhǔn)方法可以有效地減少由