专利名称：基于点的自适应弹性图像配准的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字成像领域。具体地说，本发明涉及一种配准第一图像和第二图像的方法、图像处理装置以及用于配准第一图像和第二图像的软件程序。
图像配准的目标，例如在医学成像应用中，是补偿例如由患者运动、不同的扫描仪形态、解剖中的变化等造成的图像中的差异。全局配准方法、如刚性或仿射变换常常无法处理局部差异。对此的一种解决方案是弹性配准。健壮的医学图像弹性配准是困难的问题，也是当前深入研究的主题。通常可区分三种弹性配准的方法基于点的弹性配准，基于表面的弹性配准，基于体素的弹性配准。
本发明的一个目的是提供健壮的弹性图像配准。
根据在权利要求1中提出的本发明的示范实施例，上面的目的可通过一种配准第一图像和第二图像的方法得到解决，其中假设第一图像是弹性材料的，从而具有弹性。确定第一图像和第二图像之间的相似性。然后，确定力场，将该力场施加于第一图像时增加相似性。换句话说，假设第一图像是弹性的并且将力施加于第一图像的一些点或一些部分，使得第一图像和第二图像中的对应点基本上相互配准。因此，增加了图像间的相似性。
这可有利地实现第一图像和第二图像的健壮自动配准。
根据在权利要求2中提出的本发明的另一个示范实施例，确定力场的至少一个参数，以便使相似性最大。
有利的是，例如，通过优化力场的参数，各个控制点的局部影响得到优化，控制点也就是力场的力作用于力场上的点。与基于地标的内插方案相比，这样的控制点不是相互依赖的。
根据本发明的另一个示范实施例，确定或改变与第一图像的弹性相关的至少一个参数，以便使相似性最大。
根据在权利要求4中提出的本发明的另一个示范实施例，优化力场的至少一个力的力强度、力场的力中的至少一个力的力方向、力场的至少一个力作用于第一图像的至少一个位置、力场的至少一个力的形式、作为力场的力中的至少一个力施加的高斯力的标准偏差以及泊松比其中至少一项，以便使相似性最大。
换句话说，配准问题简化为优化力场的参数的问题。
根据在权利要求5中提出的本发明的另一个示范实施例，提供相似性的非常有效的最大化，这可实现健壮配准。
根据在权利要求6中提出的本发明的另一个示范实施例，该方法从放射治疗计划(自适应RTP)中的追踪研究应用于计算机断层造影切片(CT切片)。
根据在权利要求7中提出的本发明的另一个示范实施例，提供一种图像处理装置，基于力场、例如存在高斯形力在若干点施加于第一图像的假设和这个力场参数的优化，可实现第一图像和第二图像的健壮配准。
根据在权利要求8中提出的本发明的另一个示范实施例，提供一种计算机程序，该程序可实现第一图像和第二图像的改进配准。该计算机程序可采用任何合适的编程语言、如C++来编写，并可被存储在计算机可读装置、如CD-ROM中。然而，根据本发明的计算机程序也可存在于网络、如万维网中，从网络中可将它下载到例如处理器的内部存储器中。
假设源图像是弹性材料的，以及例如高斯形的力的局部分布的力场在若干点施加于源图像，这可看作是本发明的示范实施例的要点。然后，执行力场参数的改变或优化，例如力作用于图像的点和强度，以便增加或最大化第一图像和第二图像之间的相似性。有利的是，通过在图像中同时找到控制点、即力作用于图像的点的最佳位置以及优化各个控制点的局部影响，这可允许改进基于点的配准范例。与基于地标的内插方案相比，根据本发明的示范实施例的控制点不是相互依赖的，这可能会得到计算效率更高的配准方法。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将会变得清晰。
参考下面的图，下面将描述本发明的示范实施例。
图1示出根据本发明的示范实施例的图像处理装置的示意表示，适合执行根据本发明的示范实施例的方法。
图2示出根据本发明的方法的示范实施例的简化流程图。
图3示出根据本发明的方法的示范实施例获得的九个力施加点的配准结果。
图1描绘了根据本发明的图像处理装置的示范实施例，用于执行根据本发明的方法的示范实施例。图1中描绘的图像处理装置包括连接到用于存储第一图像和第二图像、力场的参数、相似值以及例如源图像配准到参考图像所需的形变的存储器2的中央处理器(CPU)或图像处理器1。图像处理器1可被连接到多个输入/输出网络或诊断装置、例如MR装置或CT装置或超声波扫描仪。图像处理器还被连接到用于显示在图像处理器1中被计算或调整的信息或图像的显示装置4(例如计算机监视器)。操作者可通过键盘5和/或其它在图1中没有描绘的输入/输出装置与图像处理器1交互。
尽管事实上下面描述的方法参考医学应用，特别是在自适应放射治疗计划(RTP)中的应用，还是应该指出本发明可应用于需要被配准的任何多维数据集或图像。例如，本发明可应用于产品的质量测试，其中实际产品的图像与参考产品的图像相比较。该方法还可应用于材料测试，例如，用于在一段时间内监测感兴趣对象的变化。
图2示出根据本发明的用于配准第一图像和第二图像的方法的示范实施例的流程图。
如从图1中可看出的，在步骤S1开始之后，在步骤S2中假设源图像是弹性的，具有一定的弹性。然后，在接下来的步骤S3中，确定源图像和参考图像之间的相似性。然后，在接下来的步骤S4中，将力场施加于源图像。随后在接下来的步骤S5中，改变力场的参数，以便使源图像和参考图像之间的相似性最大。然后，在接下来的步骤S6中，根据力场的优化参数确定要被配准到参考图像的源图像所需的形变。然后，方法继续到步骤S7，在那里结束。
下面进一步详细描述上面的方法。
如上面提到的，在步骤S2中，假设源图像为弹性介质。可用于使图像变形的最简单模型由线性弹性方程(Navier方程)控制Δui+11-2v▿(▿·u)=-2(1+v)EFi,i=1,2,3,]]>其中ui和Fi是位移分量和力场分量，v是泊松比，E是杨氏模量。通常，通过有限差分法或有限元法在数值上求解Navier方程。然而，对于一些特殊的力类型，根据本发明的另一个示范实施例，可应用解析解法。基于解析解法的、根据本发明的示范实施例可应用的若干基于样条的配准方法可见于例如M.H.Davis、A.Khotanzad、D.P.Flaming和S.E.Harms，“用于3维图像匹配的基于物理学的坐标变换”，IEEE Transactions on Medical Imaging，16(3)317-328，1997年6月；J.Kohlrausch、K.Rohr和H.S.Stiehl，“一种新类型的用于医学图像的非刚性配准的弹性体样条”，在In Proc.WorkshopBildverarbeitung in der Medizin 2001，164-168页，L″ubeck，德国，2001年3月，这些都通过引用结合于本文中。
根据本发明的示范实施例，高斯形的力在若干点施加于源图像，对于高斯力F(γ)=f(2πσ)3exp(-γ22σ2),γ=|r|=|x12+x22+x32|]]>根据E.Gladiline.Theoretische und experimentelle Untersuchung derlinearelastischen Randelementmethode zur Registrierung medizinischerBilder.毕业论文，Hamburg大学，1999年，给出了Navier方程的解析解法，通过引用结合于本文中为u=1+v8πE(1-v){fΦf+eγ(eγ·f)Φγ},]]>其中Φf=2σ{(3-4v)erf(ξ)2ξ+erf(ξ)4ξ3+erf(-ξ2)2πξ2},]]>Φγ=2σ{(3-4v)erf(ξ)2ξ+erf(ξ)4ξ3+erf(-ξ2)2πξ2},ξ=γ2σ,]]>er是沿半径向量r的方向的单位向量。
根据本发明的示范实施例，确定使源图像和参考图像之间的某种相似性量度最大的力场。本发明的一个应用场景，例如象上文已经提到的，是自适应放射治疗计划(RTP)，其中拍摄同一病人的若干CT扫描，以便跟踪治疗期间的解剖变化。对这样的案例，图像之间的差的平方是合适的相似性量度。然而，差的平方或还有其它相似性量度，例如互信息或互相关，可用于其它应用场景。
假设以图像之间的差的平方作为相似性量度，下面的式子允许参数最小化，这使图像之间的相似性量度M最大argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>其中V是图像域，It和T(Is)表示目标图像和被变换的源图像的强度，p是施加高斯力所在的点向量。σ是标准偏差，v是泊松比，x是坐标。
根据本发明的示范实施例，力采用所选控制点的位移ur＝0定义，如下面的等式所表达的f=3(2π)3σE(1-v)(5-6v)(1+v)u|γ=0.]]>因此，根据上述本发明的示范实施例，优化问题可被阐述为搜索源图像中给定的一组控制点pi的最佳位置以及它们的最佳位移。而且，根据本发明的这个示范实施例的一个变体，施加在第i控制点pi的高斯力的标准偏差σi和泊松比v作为附加参数。根据本发明的这个示范实施例的进一步变体，杨氏模量E可被认为是力和位移之间的比例系数。
上面描述的方法可允许每个控制点pi的局部影响的自适应控制，以及针对源图像的弹性使用优化弹性材料特性。如上文提到的，上面阐述的优化问题可采用标准数值优化技术来解决，例如，在J.A.Nelder和R.Mead.A simplex method for function minimization，Computer Journal，(7)308-313，1965中描述的下山单纯形法，通过引用结合于本文中。
在图3中，示出从追踪RTP研究中应用上述方法到CT切片的示范图像。为了初始化，在源图像中任意放置9个力施加点。在图3的底端行，示出未配准和配准的差异图像。底端行的左边示出未配准的差异图像，底端行的右边示出配准的图像。顶端行在左边示出源图像，在右边示出目标图像。如从配准的差异图像(底端行右边的图像)可看出的，可获得好的配准结果。
有利的是，如上所述的本发明通过同时找到图像中控制点的最佳位置以及优化各个控制点的局部影响，改进了基于点的配准范例。与基于地标的内插方案相比，根据本发明的方法中的控制点不是相互依赖的，有可能产生计算效率更高的配准方法。本配准概念有可能采用备选的物理模型、诸如流体动力学来实现。
应该指出，尽管事实上以上发明是参照CT图像来描述的，本发明也可应用于磁共振图像(MRI)、正电子发射断层造影图像(PET)、单光子发射计算机断层造影图像(SPECT)或超声波形态(US)。也可使用其它数据集。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.配准第一图像和第二图像的方法，所述方法包括以下步骤假设第一图像是弹性材料的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性；其中所述力场是根据解析式来确定的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤确定所述力场的至少一个第一参数以使所述相似性最大。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤确定与第一图像的弹性相关的至少一个第二参数以使所述相似性最大。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个第一参数包括所述力场的至少一个力的力强度、所述力场的力中的至少一个力的力方向、所述力场的至少一个力作用于第一图像所在的至少一个位置、所述力场的至少一个力的形式、作为所述力场的力中的至少一个力施加的高斯力的标准偏差以及泊松比其中的至少一项。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过使下式最小化来优化所述力场的至少一个参数argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>M是相似性量度，It和T(Is)表示第一图像和第二图像的强度，p表示施加高斯力f(p)所在的点向量，σ表示高斯力的标准偏差，v表示泊松比，x表示坐标。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于与RTP、MRI、SPECT、PET和US其中之一相关的数据集。
7.图像处理装置，包括
用于存储第一图像和第二图像的存储器；以及用于配准第一图像和第二图像的图像处理器，其中所述图像处理器适合执行以下操作假设第一图像是弹性的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性；其中所述力场是根据解析式来确定的。
8.用于配准第一图像和第二图像的软件程序，其中，当在处理器上执行所述软件程序时，所述软件程序使所述处理器执行以下操作假设第一图像是弹性的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性；其中所述力场是根据解析式来确定的。
权利要求
1.配准第一图像和第二图像的方法，所述方法包括以下步骤假设第一图像是弹性材料的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤确定所述力场的至少一个第一参数以使所述相似性最大。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤确定与第一图像的弹性相关的至少一个第二参数以使所述相似性最大。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个第一参数包括所述力场的至少一个力的力强度、所述力场的力中的至少一个力的力方向、所述力场的至少一个力作用于第一图像所在的至少一个位置、所述力场的至少一个力的形式、作为所述力场的力中的至少一个力施加的高斯力的标准偏差以及泊松比其中的至少一项。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过使下式最小化来优化所述力场的至少一个参数argmaxp,f(p),σ(p),vM(It(x),T(p,f(p),σ(p),v)(Is(x)))]]>M是相似性量度，It和T(Is)表示第一图像和第二图像的强度，p表示施加高斯力f(p)所在的点向量，□表示高斯力的标准偏差，v表示泊松比，x表示坐标。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于与RTP、MRI、SPECT、PET和US其中之一相关的数据集。
7.图像处理装置，包括用于存储第一图像和第二图像的存储器；以及用于配准第一图像和第二图像的图像处理器，其中所述图像处理器适合执行以下操作假设第一图像是弹性的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性。
8.用于配准第一图像和第二图像的软件程序，其中，当在处理器上执行所述软件程序时，所述软件程序使所述处理器执行以下操作假设第一图像是弹性的，以致于它具有弹性；确定第一图像和第二图像之间的相似性；以及确定力场，所述力场施加于第一图像时增加所述相似性。
全文摘要
本发明旨在改进基于点的弹性配准范例。根据本发明，将例如具有高斯形的力的力场在若干点施加于图像使之变形。在该例中，不需要地标对应并自动找到力施加点的最佳位置，这使源图像和目标图像之间的差异最小。这可有利地允许控制各个控制点的局部影响。
文档编号G06T7/00GK1890693SQ200480036065
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月8日 优先权日2003年12月8日
发明者V·佩卡, D·拜斯特罗夫, M·考斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司