一種基於雙x射線成像的2d和3d醫學圖像配準方法
2023-06-20 13:05:36 1
專利名稱：一種基於雙x射線成像的2d和3d醫學圖像配準方法
技術領域：
本發明涉及一種基於雙X射線成像的2D和3D醫學圖像配準方法，用於手術導航 和腫瘤放射治療過程中的醫學圖像配準和擺位驗證。
背景技術：
隨著醫學成像技術的發展，不同性質的圖像能夠提供多種診斷信息，臨床上通常 需要將同一個病人的多種模式的成像結果結合起來進行分析，從而提高醫學診斷和治療的 水平。但是僅依靠醫生的經驗將圖像的信息融合起來是非常困難的，需要用到醫學圖像配 準技術。在圖像引導放療，計算機輔助外科手術，微創外科手術，內窺鏡檢查術等領域，將術 前體數據和術中獲得的病人的影像數據進行配準是讓醫生得到全面有用的信息中至關重 要的一步。而術中的三維圖像不太容易獲取，一般只能得到二維圖像，如X射線圖像，因此 需將X射線圖像與CT等三維體數據進行配準，即2D和3D醫學圖像的配準。常用的兩種方 法是基於數字影像重建(DRR)的降維方法和基於三維重構的升維方法。
目前2D和3D的醫學圖像配準主要是以生成DRR為基礎的方法為主導，只能進行 單幅X線圖像和三維CT體數據的2D和3D配準。不斷地將治療前的CT體數據集在不同的 位置下重建出DRR圖像，並和治療中獲得的X線圖像進行匹配，在處理速度和精度上就會有 所限制，有待進一步提聞。發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術只能基於單幅X射線圖像進行固定角度的 2D和3D配準的不足，提出了一種基於雙X射線成像的2D/3D醫學圖像配準方法和系統，能 夠更快速和精確得到平移和旋轉共六個自由度的配準結果，進一步提高醫學圖像的配準質量。
本發明的技術方案如下一種基於雙X射線成像的2D和3D醫學圖像配準方法， 採用了雙幅X射線圖像與三維體數據進行配準的方法，兩幅X射線圖像間可以成任意角度。 配準算法採用了基於多解析度的雙投影直接配準方法，可以由粗到細對兩幅二維圖像同時 進行配準處理，具體步驟
(I)採集任意角度的兩幅X射線圖像分別為X射線圖像I和X射線圖像2，X射線 圖像的採集參數包括每一幅圖像的成像電壓，成像角度，X射線源與成像物表面的距離，上 述這些參數均能實時保存到系統資料庫中，以備配準時調用；同時還進行實時顯示；
(2)利用步驟(I)中採集得到的兩幅X射線圖像，採用基於多解析度的雙投影直接 配準方法和病人的三維影像數據進行自動配準，在配準過程中對X射線圖像I和X射線圖 像2分別進行多解析度處理，得到各自一序列子圖像；對每一幅X射線圖像，根據其自身分 辨率的範圍從低到高平均分為三個階段，第一個範圍階段為低層解析度子圖像，第二個範 圍階段為中層解析度子圖像，第三個範圍階段為高層解析度子圖像，低層解析度的子圖像 放在上層，高解析度的子圖像放在下層，配準過程由上到下進行；
(3)利用步驟(2)中得到的三層解析度的子圖像，分層循環與病人的三維影像數 據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2 進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像I和2，X射線圖像 I和數字重建影像I作為一組輸入，X射線圖像2和數字重建影像2作為第二組輸入，兩組 輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信 息，作為比較比較圖像相關性的結果，根據測度函數的結果，直接作為優化器的輸入對配準 參數進行優化，得到最終的配準結果。
一種基於雙X射線成像的2D和3D醫學圖像配準系統，包括圖像導入和顯示模 塊，2D和3D圖像配準模塊和數據輸出模塊
圖像導入和顯示模塊，用於從資料庫中導入病人的三維影像數據，採集兩幅任意 角度的X射線圖1和2，保存到資料庫並顯示，供2D和3D圖像配準模塊調用；X射線圖像的 採集參數包括每一幅圖像的成像電壓，成像角度，X射線源與成像物表面的距離；
2D和3D圖像配準模塊，利用圖像導入和顯示模塊得到的病人的三維影像數據和 兩幅X射線圖像I和2，採用基於多解析度的雙投影直接配準方法和病人的三維影像數據進 行自動配準，在配準過程中對X射線圖像I和X射線圖像2分別進行多解析度處理，得到各 自一序列子圖像；對每一幅X射線圖像，根據其自身解析度的範圍從低到高平均分為三個 階段，第一個範圍階段為低層解析度子圖像，第二個範圍階段為中層解析度子圖像，第三個 範圍階段為高層解析度子圖像，低層解析度的子圖像放在上層，高解析度的子圖像放在下 層，配準過程由上到下進行，即將得到的三層解析度的子圖像，分層循環與病人的三維影像 數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和 2進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像I和2，X射線圖 像I和數字重建影像I作為一組輸入，X射線圖像2和數字重建影像2作為第二組輸入，兩 組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互 信息，作為比較比較圖像相關性的結果，根據測度函數的結果，直接作為優化器的輸入對配 準參數進行優化，得到最終的配準結果；
數據輸出模塊，將2D和3D圖像配準模塊得到的配準結果進行輸出到界面，並將配 準後的2D和3D融合圖像可視化，由數據輸出模塊直接回到圖像導入和顯示模塊進行重新 導入圖像和顯示。
本發明與現有技術相比的優點在於本發明採用了雙幅X射線圖像與三維體數 據進行配準的方法，配準用的兩幅X射線圖像間可以成任意角度。配準算法採用了基於多 解析度的雙投影直接配準方法，可以由粗到細對兩幅二維圖像同時進行配準處理，因此能 夠更快速和精確得到平移和旋轉共六個自由度的配準結果，進一步提高醫學圖像的配準質量。
圖1為本發明方法實現流程圖2為本發明系統的組成框圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。
如圖1、2所示，本發明方法及系統實施例實現如下
(I)採用一組疑甲狀腺病人的三維CT數據作為測試用例，大小為512*512*46，由圖像導入和顯示模塊進行保存和顯示，為了使計算和配準結果驗證簡便，現將病人沿X，Y， Z三個方向分別平移5mm，繼而沿X，Y，Z坐標軸的方向各自旋轉3°，4°，2。。對此病人採集兩幅任意角度的X射線圖像，本實例中採集兩幅正負45°的X射線圖像，保存到資料庫供 2D/3D圖像配準模塊調用。
(2)利用步驟(I)中採集得到的兩幅正負45° X射線圖像，採用基於多解析度的雙投影直接配準方法和病人的三維影像數據進行自動配準，在配準過程中對X射線圖像I和 X射線圖像2分別進行多解析度處理，得到各自一序列子圖像；對X射線圖像I，將其分解為解析度為170*170，340*340，510*510的三組子圖像，對X射線圖像2，將其分解為解析度為 170*170，340*340，510*510的三組子圖像，解析度為170*170的子圖像放在上層，解析度為 510*510的子圖像放在下層，首先對170*170解析度的圖像進行配準，配準過程由上到下進行。
(3)利用步驟(2)中得到的三層解析度的子圖像，首先針對低層解析度的子圖像對病人的三維影像數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像 I和2，X射線圖像I和數字重建影像2作為第二組輸入，兩組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信息，作為比較比較圖像相關性的結果，通過基於最大互信息進行比較，根據測度函數的結果，直接作為優化器的輸入對配準參數進行優化；然後針對中層解析度的子圖像對病人的三維影像數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像I和2，Χ射線圖像I和數字重建影像 2作為第二組輸入，兩組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信息，作為比較比較圖像相關性的結果，通過基於最大互信息進行比較，將結果直接作為優化器的輸入對配準參數進行優化；最後針對高層解析度的子圖像對病人的三維影像數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2進行插值，分別生成對應採集 的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像 I和2，X射線圖像I和數字重建影像2作為第二組輸入，兩組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信息，作為比較比較圖像相關性的結果，通過基於最大互信息進行比較，將結果直接作為優化器的輸入對配準參數進行優化，得到最終的配準結果。
(4)通過數據輸出模塊，將2D/3D圖像配準模塊得到的三維空間平移參數，三維空間旋轉參數和配準後的2D/3D融合圖像可視化，輔助醫生進行判斷和選擇。由(I)中的實施例和相關的參數，測試得到的配準後的結果如下
平移參數X=4.96859mm, Υ=5· 01817mm, Ζ=4· 9982mm
旋轉參數Rx=2.96642°，Ry=4. 01252°，Rz=L 9648。
本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
以上所述，僅為本發明部分具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭`露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於雙X射線成像的2D和3D醫學圖像配準方法，其特徵在於包括以下步驟(1)採集任意角度的兩幅X射線圖像分別為X射線圖像I和X射線圖像2，X射線圖像的採集參數包括每一幅圖像的成像電壓，成像角度，X射線源與成像物表面的距離，上述這些參數均能實時保存到系統資料庫中，以備配準時調用；同時還進行實時顯示；(2)利用步驟(I)中採集得到的兩幅X射線圖像，採用基於多解析度的雙投影直接配準方法和病人的三維影像數據進行自動配準，在配準過程中對X射線圖像I和X射線圖像2 分別進行多解析度處理，得到各自一序列子圖像；對每一幅X射線圖像，根據其自身解析度的範圍從低到高平均分為三個階段，第一個範圍階段為低層解析度子圖像，第二個範圍階段為中層解析度子圖像，第三個範圍階段為高層解析度子圖像，低層解析度的子圖像放在上層，高解析度的子圖像放在下層，配準過程由上到下進行；(3)利用步驟(2)中得到的三層解析度的子圖像，分層循環與病人的三維影像數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像I和2，X射線圖像I和數字重建影像I作為一組輸入，X射線圖像2和數字重建影像2作為第二組輸入，兩組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信息，作為比較比較圖像相關性的結果，根據測度函數的結果，直接作為優化器的輸入對配準參數進行優化，得到最終的配準結果。
2.一種實現權利要求1所述方法的系統，其特徵在於包括圖像導入和顯示模塊，2D和 3D圖像配準模塊和數據輸出模塊圖像導入和顯示模塊，用於從資料庫中導入病人的三維影像數據，採集兩幅任意角度的X射線圖1和2，保存到資料庫並顯示，供2D和3D圖像配準模塊調用；X射線圖像的採集參數包括每一幅圖像的成像電壓，成像角度，X射線源與成像物表面的距離；2D和3D圖像配準模塊，利用圖像導入和顯示模塊得到的病人的三維影像數據和兩幅 X射線圖像I和2，採用基於多解析度的雙投影直接配準方法和病人的三維影像數據進行自動配準，在配準過程中對X射線圖像I和X射線圖像2分別進行多解析度處理，得到各自一序列子圖像；對每一幅X射線圖像，根據其自身解析度的範圍從低到高平均分為三個階段，第一個範圍階段為低層解析度子圖像，第二個範圍階段為中層解析度子圖像，第三個範圍階段為高層解析度子圖像，低層解析度的子圖像放在上層，高解析度的子圖像放在下層， 配準過程由上到下進行，即將得到的三層解析度的子圖像，分層循環與病人的三維影像數據進行配準，對病人的三維影像數據，採用光線跟蹤算法，同時經由兩個線性插值器I和2 進行插值，分別生成對應採集的X射線圖像角度下的兩幅數字重建影像I和2，X射線圖像 I和數字重建影像I作為一組輸入，X射線圖像2和數字重建影像2作為第二組輸入，兩組輸入同時作為判斷配準質量的測度函數的輸入，測度函數計算兩組數據中像素之間的互信息，作為比較比較圖像相關性的結果，根據測度函數的結果，直接作為優化器的輸入對配準參數進行優化，得到最終的配準結果；數據輸出模塊，將2D和3D圖像配準模塊得到的配準結果進行輸出到界面，並將配準後的2D和3D融合圖像可視化，由數據輸出模塊直接回到圖像導入和顯示模塊進行重新導入圖像和顯不。
全文摘要
一種基於雙X射線成像的2D和3D醫學圖像配準方法和系統，本發明方法包括採集兩幅成任意角度的X射線圖像，採用基於多解析度的雙投影直接配準方法，實現由粗到細對兩幅二維圖像和三維體數據同時進行配準處理；本發明系統包括圖像導入和顯示模塊，2D和3D圖像配準模塊，數據輸出模塊。本發明能夠更快速和精確得到平移和旋轉共六個自由度的配準結果，進一步提高醫學圖像的配準質量。
文檔編號G06T7/00GK103065322SQ20131000835
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者賈婧, 吳茜, 任強, 吳宜燦 申請人:合肥超安醫療科技有限公司