一种二维-三维医学图像配准方法及系统的制作方法

专利名称：一种二维-三维医学图像配准方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学图像配准方法及系统，尤其涉及2D-3D ( 二维-三维)医学图像配准方法及系统。
背景技术：
图像引导放射治疗(IGRT)是近十年逐步发展起来的肿瘤放射治疗和肿瘤放射外科手术的最新理论和技术，是现代放射治疗的一个里程碑。IGRT通过先进的影像设备及图像处理方法对患者的病灶在治疗前和治疗中进行定位追踪，实现对肿瘤的精确放射治疗， 降低对肿瘤周边正常组织的损伤，改善病人的治疗效果。IGRT是所有现代新兴放射治疗技术的基础，如立体定向神经放射外科手术(SRS)、立体定向体部放射治疗(SBRT)、图像引导的调强放射治疗(IG-IMRT)，而图像引导是IGRT的核心技术。目前IGRT的图像引导主要采用kV级X射线成像技术或机载椎形CT(CBCT)技术。 基于X射线成像技术的图像引导技术，是通过单个或多个X射线透视图像和治疗计划CT的 2D-3D图像配准，来确定病人或肿瘤的位置，通过在治疗前移动治疗床来调整病人位置、或在治疗中调整治疗射线，实现对肿瘤的精确治疗。而基于CBCT技术的图像引导技术，是通过在线生成的CBCT和治疗计划CT的三维-三维(3D-3D)图像配准来实现治疗前的病人定位。现有的基于X射线成像技术的图像引导所采用的2D-3D图像配准方法的配准速度、配准精度和配准成功率较低，需要改进。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可提高配准速度、 配准精度和配准成功率的二维-三维医学图像配准方法及系统。为了解决上述问题，本发明提供一种二维-三维医学图像配准方法，该方法包括A 生成三维被成像体的三维图像，并离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库；B 采集所述三维被成像体的X射线图像；C 将所述X射线图像作为被配准图像，以所述离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、 和/或平面外转角参数的值进行估算；D 以对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的最新参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的 DRR图像库；F 将所述X射线图像作为被配准图像，以最新在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、 和/或平面外转角参数的值进行估算。
此外，在所述步骤B和C之间，还包括如下步骤Bl 以所述离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为参考， 对所述X射线图像进行图像加强。此外，在所述步骤F之后还包括如下步骤G 将步骤F的最新参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库；H:将所述X射线图像作为被配准图像，以最新在线生成的沿平面外平移方向的 DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算。此外，在所述步骤F之后还包括如下步骤I 判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步
马聚ο此外，在所述步骤H之后还包括如下步骤I 判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步
马聚ο此外，所述步骤I中，如果判定已满足参数估算精度要求，则执行如下步骤J 计算参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。此外，采用如下方式离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库AOl 设定包含Mtl个不同的平面外转角Qj^PNtl个不同的平面外转角9y的不同平面外转角参数组合(θχ(υ，ey(j)) ； θχ( )和ey(j)分别满足θ X L
彡 θ χ ⑴彡 θ Χ Η
，θ y L
彡 θ y(j)彡 θ y Η
；Α02 对每一(ex(i)，θ y(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MciXNtl个 DRR图像的DRR图像库；其中，θ x_L
和θ χ Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数θ x(i) 的取值范围的下限和上限；θ y L
和θ y Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限；i = 1,2, . . . ,M0 ;j = 1，2，...，Nq5Mc^Nq 为大于 1 的整数。此外，采用如下方式第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库DOl 设定包含Mk个不同的平面外转角个不同的平面外转角ey的不同平面外转角参数组合(θχ(υ，ey(j)) ； θχ( )和ey(j)分别满足θ x_L[k]彡 θ x ⑴彡 θ x H[k]，θ y_L[k]彡 θ y(j)彡 θ y H[k]；D02 :对每一(ex(i)，θ y(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MkXNk个 DRR图像的DRR图像库；其中，θ x_L[k]和θ χ H[k]分别表示第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR 图像库时，平面外转角参数θχ(υ的取值范围的下限和上限；9y Jk]和eyH[k]分别表示第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，平面外转角参数ey(j)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，···，Mk;j = 1，2，...，Nk;Mk、Nk为大于 1 的整数；k 为大于 0 的整数。此外，θx_L[k]、θ χ H[k]、θ y_L[k]和 θ y H[k]分别满足
θx_L[k] >θx_L[k"-1]；
θXj [k] <θXj [k--1]；
θy_L[k] >θ-1]；
θyJ[k] <θyj[k"-ι]。此外，离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各9x(i)之间的差值为 Δ θχ[ο]，各ey(j)之间的差值为δ ey
；第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各9x(i)之间的差值为 δ ex[k]，各ey(j)之间的差值为δ ey[k]；Δ θ x[k]和 Δ θ y[k]分别满足Δ 0x[k] < Δ 0x[k-l] ； Δ 0y[k] < Δ 0y[k-l]o此外，采用如下方式第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库GOl 设定化个不同的平面外平移值ζ (i) ；z(i)满足zL[h] ^ z(i) ^ zH[h]；G02 对每一 z(i)值生成一个对应的DRR图像，从而生成包含AfDRR图像的DRR
图像库；其中，ZL[h]和^[1!]分别表示第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时平面外平移参数z(i)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，...，％;%为大于1的整数；1!为大于0的整数。此外，zL[h+l]>、&]，且 ^[h+l] < zH[h] ο此外，第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时，各ζ (i)之间的差值为Az[h]；且满足Az[h+1] < AzCh]。此外，步骤C中，采用如下方式对平面内平移参数进行估算COl 在DRR图像上确定优化配准窗口 ；C02 根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。此外，采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口 COll 在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗 Π ；C012 分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；C013 选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。此外，步骤I中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数。
或者，步骤I中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数，平面外平移参数。本发明还提供一种二维-三维医学图像配准系统，包含X射线图像采集单元，三维图像生成单元，该系统还包含DRR图像库生成单元，图像配准单元；其中所述三维图像生成单元，用于生成三维被成像体的三维图像，并将其输出至DRR 图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并输出该DRR图像库中包含的DRR图像；所述X射线图像采集单元，用于采集并输出所述三维被成像体的X射线图像；所述图像配准单元，用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述离线生成的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。此外，所述系统中还包含图像加强单元；所述图像加强单元，用于接收所述X射线图像采集单元输出的X射线图像，并接收所述离线生成的DRR图像库中包含的DRR图像，并以接收到的DRR图像为参考，对所述X射线图像进行图像加强，并将加强后的X射线图像输出至所述图像配准单元。此外，所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算，并输出参数估算结果。此外，所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求所述图像配准单元将所述对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的 DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、 和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。此外，所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求所述图像配准单元将所述对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数、和/或平面外平移参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的 DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、 和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并将估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算；所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。此外，所述系统中还包含质量保证参数检验单元；所述图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至所述质量保证参数检验单元；所述质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。此外，所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成沿两个平面外转角方向的 DRR图像库设定包含Mtl个不同的平面外转角Qj^PNci个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(θχ(υ，ey(j)) ； θχ( )和ey(j)分别满足θ χ L
彡 θ χ ⑴彡 θ χ Η
，θ y L
彡 θ y(j)彡 θ y Η
；对每一(ex(i)，ey(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MqXNq个DRR图像的DRR图像库；
其中，θ χ—L
和θ χ—Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数θχ( ) 的取值范围的下限和上限；θ y L
和θ y Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限；i = 1,2, . . . ,M0 ;j = 1，2，...，队；厘。、队为大于1 的整数。此外，所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库设定包含Mk个不同的平面外转角Qj^PNk个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(θχ(υ，ey(j)) ； θχ( )和ey(j)分别满足θ x_L[k]彡 θ x(i)彡 θ X H[k]，θ y_L[k]彡 θ y(j)彡 θ y H[k]；对每一(ex(i)，0y(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MkXNk个DRR图像的DRR图像库；其中，θ x_L[k]和θ χ H[k]分别表示第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR 图像库时，平面外转角参数θχ(υ的取值范围的下限和上限；9y Jk]和eyH[k]分别表示第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，平面外转角参数ey(j)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，···，Mk;j = 1，2，...，Nk;Mk、Nk 为大于 1 的整数；k 为大于 0 的整数。此外，θx_L[k]、θ χ H[k]、θ y_L[k]和 θ y H[k]分别满足0x L[k] > 0x L[k-l]；ex H[k] < ex H[k-i]；ey_L[k] > ey_L[k-i]；ey H[k] < ey H[k-i]0此外，所述DRR图像库生成单元离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时， 各9x(i)之间的差值为Δ θχ[ο]，各ey(j)之间的差值为Δ ey
；所述DRR图像库生成单元第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各ex(i)之间的差值为δ ex[k]，各ey(j)之间的差值为δ ey[k]；Δ 0x[k]和 δ 0y[k]分别满足Δ 0x[k] < Δ 0x[k-l] ； Δ ey[k] < Δ 0y[k-l]o此外，所述DRR图像库生成单元采用如下方式第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库设定化个不同的平面外平移值ζ (i) ；z(i)满足zL[h] ^ z(i) ^ zH[h]；对每一 z(i)值生成一个对应的DRR图像，从而生成包含IfDRR图像的DRR图
像库；其中，zjh]和^[1!]分别表示第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时平面外平移参数z(i)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，...，％;%为大于1的整数；1!为大于0的整数。此外，zL[h+l]>、&]，且 ^[h+l] < zH[h] ο此外，所述DRR图像库生成单元第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时，各z(i)之间的差值为Az[h]；且满足
Az[h+1] < Δ ζ [h] ο此外，所述图像配准单元采用如下方式对平面内平移参数进行估算在DRR图像上确定优化配准窗口 ；根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。此外，所述图像配准单元采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口 在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口 ；分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。此外，所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数。或者，所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数，平面外平移参数。综上所述，本发明的医学图像配准方法及系统采用X射线成像技术、基于体内解剖特征进行2D-3D医学图像配准。本方法可以采用单个X射线图像，也可应用于有两个或者多个X射线图像的成像系统。在图像引导放射治疗中，本方法可应用于颅脑、脊椎、肺、肝等部位的肿瘤定位和追踪。由于本发明的医学图像配准方法及系统基于沿平面外转角方向生成的DRR图像库分别对平面内平移、平面内转角和平面外转角进行估算，并且还可以进一步基于沿平面外平移方向生成的DRR图像库对平面外平移进行估算，降低了图像配准的复杂度，提高了配准速度、配准精度和配准的成功率。


图1为X射线成像几何及坐标系的示意图；图2是本发明单平板二维-三维医学图像配准方法流程图；图3为在基准DRR图像上确定多个优化配准窗口的示意图；图4为本发明二维-三维医学图像配准系统的结构示意图。
具体实施例方式本发明的核心是，基于沿平面外转角方向生成的DRR图像库分别对平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数进行估算，并且还可以进一步基于沿平面外平移方向生成的DRR图像库对平面外平移参数进行估算。首先对本发明涉及的X射线成像几何与坐标系进行描述。图1描述了 X射线成像几何及坐标系。如图1所示，X射线源发射的X射线穿透三维被成像体(病人)，在二维成像平面上产生一个透视图像，该透视图像称为X射线图像。 图1中，s和Op分别表示X射线源中心和成像平面中心。图1中，三维坐标系(oxyz)为病人坐标系，病人位置由六个参数来描述，包括三个平移参数(X，1’ ζ)和三个转角参数(θ χ，θ y，θ Z)。二维坐标系(cycpyp)为成像平面坐标系，病人位置由六个参数来描述两个平面内平移参数Ov yp)、平面内转角参数θζ、一个平面外平移参数ζ和两个平面外转角参数(θ χ，θ y)。在三维病人坐标系和二维成像平面坐标系之间，平面外平移参数ζ和三个转角参数(θ χ，θ y，θ z)有直接的对应关系，而另外两个平移参数可通过简单的几何放大关系互相转换
SOxp = ax, yp = ay ；其中，常数α = 一i为成像几何的放大系数。
SO图像配准就是通过确定成像平面坐标系中的六个参数(xp，yp,z, θ χ，θ y，θ ζ)，来确定病人坐标系中用于表示病人位置变化的六个参数(x，y，z，θχ，0y, θζ)。本发明的2D-3D图像配准是根据图像之间骨骼解剖或器官组织的相似性，通过比较单个或多个实时采集的二维X射线图像和预先产生的三维CT或MRI (磁共振成像)图像， 来确定病人在扫描时和放射治疗时的位置变化。在配准过程中，首先对三维的CT图像或MRI图像进行二维透视投影，生成数字重建透视图(Digitally Reconstructed !Radiograph，简称DRR)图像库，作为图像配准的基准图像；然后，将实时采集的X射线图像作为被配准图像，用图像相似性测量比较X射线图像和DRR图像库，以探测病人在X射线成像与在CT扫描之间的位置变化。下面将结合附图和实施例对本发明进行详细描述。图2是本发明单平板二维-三维医学图像配准方法流程图。如图2所示，该方法包括如下步骤201，生成三维被成像体的三维图像，沿两个平面外转角方向离线生成DRR图像库；上述两个平面外转角方向分别指图1中的绕χ和y坐标轴方向的转角方向。DRR图像是利用CT扫描影像序列的数字化重建透视，是仿真的X射线透视图。生成DRR图像需要获知成像系统的几何参数，具体地说，需要获知X射线源和X射线探测器在成像系统坐标系中的准确位置以及X射线的投影方向。基于二维X射线图像和三维CT图像(或MRI图像)的2D-3D图像配准，首先要根据病人的三维CT图像(或MRI图像)和成像系统的几何参数生成二维DRR图像，把2D-3D图像配准转化为对二维X射线图像和二维 DRR图像的2D-2D图像配准。
在本发明的2D-3D图像配准算法中，两个平面外转角和平面外平移不能直接从 2D-2D图像配准获得，而需要从由多个DRR图像组成的图像库中搜索。计算两个平面外转角和平面外平移需要分别生成两个不同的DRR图像库。本步骤中，沿两个平面外转角方向生成的DRR图像库由不同角度组合的两个平面外转角参数(θ χ，θ y)所对应的多个DRR图像组成。本步骤中，离线生成DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义Mtl个不同的平面外转角QjJPNtl个不同的平面外转角θ y，以生成MtlXNtl个不同的平面外转角参数组合(9x(i)，0y(j))；其中，i = 1,2, ... ,M0；j = 1,2, ... , N。。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含MqXNq个DRR图像的DRR图像库。M。、 N。为大于1的整数。本步骤中生成的DRR图像库中包含在比较大的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(9x(i)，θ y(j))所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，ex(i) 和9y(j)分别满足exL
彡 θχ( ) ^ θχΗ[ο]，0y_L[o]彡 ey(j)彡 eyH[o]。其中，θχ—L
和θχ Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数θχ( ) 的取值范围的下限和上限；θ y L
和θ y Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限。本步骤中，θχ ,[ο]和可以等于- ο度；θχΗ[ο]和ey H[o]可以等于+ ο 度，而各θ x⑴之间的差值δ θχ[ο]以及各ey(j)之间的差值δ ey[o](即角度间隔)可以较大(例如，角度间隔为ι度)，即可满足初步估算的精度要求。202，实时采集三维被成像体的X射线图像。203，以离线生成的DRR图像库中的基准DRR图像作为参考，对采集的X射线图像进行图像加强，使加强后的X射线图像与DRR图像在视觉上相似，以提高图像配准的精度；上述基准DRR图像是指DRR图像库中两个平面外转角都为0度所对应的DRR图像。本实施例中，可以采用如下方式实现X射线图像的加强以基准DRR图像的直方图作为参考，调整X射线图像的直方图，使之与基准DRR图像的直方图达到最大限度的相似。 当然，也可以采用现有技术中的其他方法实现X射线图像的加强。本步骤为可选步骤。204，将X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR 图像库中的基准DRR图像为基准，对两个平面内平移参数(xp，yp)的值进行初步估算，得到估算值oao]，yPw])；具体地说，本步骤中可以在基准DRR图像上确定优化配准窗口，采用二维OD)搜索法，在比较大的平移搜索范围内(例如，-40mm +40mm)，根据优化配准窗口，对两个平面内平移参数Ov yp)的值进行初步估算(即以优化配准窗口内的特征在X射线图像中寻找对应的位置)，得到估算值oao]，yPw])；上述2D搜索法是指在规定的二维参数空间范围内，比较被配准图像与基准图像的相似性测量，以确定这两个参数的数值。本步骤中采用2D搜索法确定的两个参数为平面内平移参数(xp，yp)。相似性测量可以采用现有技术中的归一化相关相似法或互信息相似法，本文不再赘述。优化配准窗口可以是基准DRR图像的一部分，也可以是整幅基准DRR图像。本实施例中，可以采用如下方法确定优化配准窗口 在DRR图像感兴趣区内的不同位置，确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口 ；由于优化配准窗口应当包含更丰富的图像特征，以便提高对两个平面内平移的初步估算结果的精确度和可靠性，因此可以以梯度相加值作为图像特征，分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；然后，按照梯度相加值的大小，对所有配准窗口进行排序，选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口，作为优化配准窗口。当然，计算图像特征的方法不限于计算图像梯度，也包括计算图像熵等其它方法。本步骤中，如果如图3所示在基准DRR图像上确定了多个优化配准窗口，则可以针对每个优化配准窗口初步估算平面内平移参数Ov yp)的值，再通过中值滤波器在各优化配准窗口所对应的平面内平移参数Up，yp)估算值中选择一个估算值UpW]，yp
)。205，将X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR 图像库中的基准DRR图像为基准，对平面内转角参数θ ζ的值进行初步估算，得到估算值 θζ
；具体地说，本步骤中可以采用一维(ID)搜索法，在比较大的转角搜索范围内(例如，-10度 +10度)，对平面内转角参数θ ζ的值进行初步估算，得到估算值θ Ζ
。上述ID搜索法是指在规定的一维参数空间范围内，比较被配准图像与基准图像的相似性测量，以确定这个参数的数值。本步骤中采用ID搜索法确定的参数为平面内转角参数θζ。206，将X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR 图像库中的所有DRR图像为基准，对两个平面外转角参数(θχ，0y)的值进行初步估算，得到估算值(θχ
，6y
)；具体地说，本步骤中可以采用2D搜索法，在整个离线生成的DRR图像库的搜索范围内，对两个平面外转角参数(θ x，ey)的值进行初步估算，得到估算值(θ x
，6y
)o207，将对平面内平移参数(xp，yp)、平面内转角参数θ z、以及平面外转角参数 (θχ，0y)的最新估算结果作为CT基准位置对三维图像进行调整，沿两个平面外转角方向在线生成DRR图像库；第1次沿两个平面外转角方向在线生成DRR图像库时，以步骤204 206中对各参数的估算结果Oao]，ypW])、θζ
、以及(θχ
，θ y
)为基准位置，在线生成DRR 图像库；第k+Ι次沿两个平面外转角方向在线生成DRR图像库时，则以步骤208 210中对各参数的估算结果0ak]，yp[k])、θζ&]、以及(θ Jk]，0y[k])为基准位置，在线生成 DRR图像库；k为沿两个平面外转角方向在线生成DRR图像库的次数。本步骤中，在线生成DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义Mk个不同的平面外转角QjJPNk个不同的平面外转角Θ y，以生成MkXNk个不同的平面外转角参数组合(9x(i)，0y(j))；其中，i = 1,2, ... ,Mk；j = 1,2, ... , Nk。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含MkXNk个DRR图像的DRR图像库。Mk、Nk为大于1的整数。本步骤中生成的DRR图像库包含在比较小的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(θ x，9y)所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，ex(i)和0y(j) 分别满足0x_L[k] ^ θχ( ) ^ 0xJI[k], 0y_L[k] ^ ey(j) ^ 0yJ[k]o其中，和exH[k]分别表示第k次在线生成DRR图像库时平面外转角参数 θχ( )的取值范围的下限和上限；9y Jk]和eyH[k]分别表示第k次在线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限。本步骤中，由于需要进行更为精确的计算，e“[k]和ey Jk]可以大于等于-2 度；θχ—H[k]和θyH[k]可以大于等于+2度，而各θx⑴之间的差值Δ ex[k]以及各ey(j) 之间的差值Δ ey[k](即角度间隔)应当较小，例如，角度间隔小于等于0.1度。此外，由于可能需要重复执行本步骤，多次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR 图像库，因此，可以令0x_L[k] > ex_L[k-i], ex H[k] < ex H[k-i], δ ex[k] < δ ex[k-i]；ey_L[k] > ey_L[k-i], eyH[k] < eyJI[k-i], δ ey[k] < δ 0y[k-i]o208，采用2D搜索法，在比较小的平移搜索范围内(例如，_2mm +2mm)，将X射线图像作为被配准图像，基于第k次沿两个平面外转角方向生成的DRR图像库中的基准DRR 图像为基准，对两个平面内平移参数(xp，yp)的值进一步进行估算，得到估算值UpDO， yjk])。209，采用ID搜索法，在比较小的转角搜索范围内(例如，_2度 +2度)，将X射线图像作为被配准图像，基于第k次沿两个平面外转角方向生成的DRR图像库中的基准DRR 图像为基准，对平面内转角参数θ ζ的值进一步进行估算，得到估算值θ Jk]。210，采用2D搜索法，将X射线图像作为被配准图像，在第k次沿两个平面外转角方向生成的所有DRR图像库的搜索范围内，对两个平面外转角参数(θ x，0y)的值进一步进行估算，得到估算值(θ Jk]，0y[k])o211，将步骤208 210的最新估算结果作为CT基准位置对三维图像进行调整，沿平面外平移方向在线生成DRR图像库。平面外平移方向指ζ坐标轴方向。沿平面外平移方向在线生成的DRR图像库由沿ζ坐标轴方向不同平移位置所对应的多个DRR图像组成。在预先设定的平移位置范围内定义％个不同的平移位置ζ (i)；其中，i = 1，2，...，011，生成包含％个不同2(丨)所对应的DRR图像的DRR图像库。本步骤中生成的DRR图像库包含不同平面外平移参数ζ值所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，ζ (i)满足zL[h] ^ z(i) ^ zH[h] 其中，zjh]和^昍分别表示第h次在线生成DRR图像库时平面外平移参数ζ (i) 的取值范围的下限和上限。初次执行本步骤时(h = 1时)，需要在比较大的位置范围内定义多个不同平移，例如，令zL[l] = -50mm, zH[l] =+50mm ；而各ζ⑴之间的差值(即位置间隔)ΔΖ[1]可以较大，例如，令Δ z[l] = 5mm。后续重复执行本步骤时(h > 1时)，用前次迭代的结果作为基准，在比较小的平移范围内定义多个不同平移，例如，zjh]彡-5mm，zH[h]彡+5mm，而各ζ⑴之间的差值Az[h](即位置间隔)可以较小，例如，Δ ζ [h]可以小于等于0.5mm。并且，可以令zL[h+l] > zL[h], zH[h+l] < zH[h], Az[h+1] < Δ ζ [h] 212，采用ID搜索法，在第h次沿平面外平移方向在线生成的DRR图像库的搜索范围内，对平面外平移参数ζ的值进行估算，得到估算值z[h]；h为沿平面外平移方向在线生成DRR图像库的次数，1彡h彡k。需要注意的是，步骤211和212为可选步骤。213，判断当前是否已满足参数估算精度要求，如果已满足，则执行下一步，如果未满足，则跳转至步骤207;本步骤中，可以采用如下方式之一判断当前是否已满足参数估算精度要求方式一迭代次数(即在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数)k是否等于预先设定的值N(例如，N = 2)，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果 k < N，则判定未满足参数估算精度要求。方式二 如果本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值小于预先设定的参数差值，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；例如，当满足以下一个或多个条件时，判定已满足参数估算精度要求(1) |xp[k]-xp[k-l] ( Δ χρ,八\为预先设定的参数^)的差值；(2) |yp[k]-yp[k-l] ( Ayp，Δ yp 为预先设定的参数 yp 的差值；(3) I θ z[k]-6 z[k-l] I彡Δ θ ζ，Δ θ z为预先设定的参数θ ζ的差值(4) I θ x[k]_ θ x[k-l] I彡Δ θ χ，Δ θ χ为预先设定的参数θ χ的差值(5) I θ y[k]_ θ y[k-l] I彡Δ θ y，Δ θ y为预先设定的参数θ y的差值(6) |z[h]-z[h-l] ^ Δζ, Δ z为预先设定的参数z的差值；其中，k(k彡1)表示沿两个平面外转角方向在线生成DRR图像库的次数，xp[k], yp[k], ez[k]、ex[k]、ey[k]为基于第k次沿两个平面外转角方向在线生成的DRR图像库估算得到的参数口1^0]、71^0]、θζ
、ΘΧ
、ey
为基于沿两个平面外转角方向离线生成的DRR图像库估算得到的参数。h表示沿平面外平移方向在线生成DRR图像库的次数，z[h]为基于第h次沿两个平面外平移方向在线生成的DRR图像库估算得到的参数。214，计算图像配准结果(即参数估算结果)的质量保证参数。215，对计算得到的质量保证参数进行检验，如果检验通过(即图像配准成功)，则执行步骤216，否则执行步骤217 ；计算和检验质量保证参数，是图像配准算法对自身配准结果的自身验证，计算及检验图像配准结果的质量保证参数可以采用现有技术中的多种方法实现，例如当采用归一化相关相似法作为图像配准的相似性测量法，对平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数的值进行估算时，分别得到对应于平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数的归一化相关系数，如果各归一化相关系数大于预先设定的某门限值，则通过质量保证参数的检验。216，图像配准成功，输出图像配准结果，本流程结束；如果执行了步骤211和212，则输出的图像配准结果为三个平移参数和三个转角参数，S卩(x，y，z，ΘΧ，0y, θζ)；如果没有执行步骤211和212，则输出的图像配准结果为两个平面内平移参数和三个转角参数，即(x，y，θχ, ey, θζ)。217，图像配准失败，没有可输出的图像配准结果，本流程结束。图4为本发明二维-三维医学图像配准系统的结构示意图；如图4所示，该系统包含-X射线图像采集单元，三维图像生成单元，DRR图像库生成单元，图像配准单元，图像加强单元，质量保证参数检验单元；其中三维图像生成单元，用于生成三维被成像体的三维图像，并将其输出至DRR图像库生成单元；三维图像生成单元可以是CT或MRI ；DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并输出该DRR图像库中包含的DRR图像；X射线图像采集单元，用于采集并输出三维被成像体的X射线图像；X射线图像采集单元可以是单平板X光机，或双平板X光机；图像配准单元，用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR 图像输出至图像配准单元；图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。图像加强单元，用于接收X射线图像采集单元输出的X射线图像，并接收离线生成的DRR图像库中包含的DRR图像，并以接收到的DRR图像为参考，对X射线图像进行图像加强，并将加强后的X射线图像输出至图像配准单元。此外，DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR 图像输出至图像配准单元；图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算，并输出参数估算结果。图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则图像配准单元和DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至图像配准单元判定满足参数估算精度要求图像配准单元将对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至DRR图像库生成单元；DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至图像配准单元；图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的 DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/ 或平面外转角参数的值进行估算；图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。或者
图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则图像配准单元和DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至图像配准单元判定满足参数估算精度要求图像配准单元将对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数、和/或平面外平移参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至DRR图像库生成单元； DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至图像配准单元；图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和 /或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并将估算得到的参数估算结果输出至DRR图像库生成单元；DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至图像配准单元；图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算；图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至质量保证参数检验单元；质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。上述各单元的具体功能和参数详见图2所示方法流程中的描述。综上所述，本发明的医学图像配准方法及系统采用X射线成像技术、基于体内解剖特征进行2D-3D医学图像配准。本方法可以采用单个X射线图像，也可应用于有两个或者多个X射线图像的成像系统。在图像引导放射治疗中，本方法可应用于颅脑、脊椎、肺、肝等部位的肿瘤定位和追踪。由于本发明的医学图像配准方法及系统基于沿平面外转角方向生成的DRR图像库分别对平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数进行估算，并且还可以进一步基于沿平面外平移方向生成的DRR图像库对平面外平移参数进行估算，降低了图像配准的复杂度，提高了配准速度、配准精度和配准的成功率。
权利要求
1.一种二维-三维医学图像配准方法，其特征在于，该方法包括A 生成三维被成像体的三维图像，并离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库； B 采集所述三维被成像体的X射线图像；C 将所述X射线图像作为被配准图像，以所述离线生成的沿两个平面外转角方向的 DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/ 或平面外转角参数的值进行估算；D 以对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的最新参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库；F:将所述X射线图像作为被配准图像，以最新在线生成的沿两个平面外转角方向的 DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/ 或平面外转角参数的值进行估算。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤B和C之间，还包括如下步骤Bl 以所述离线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为参考，对所述X射线图像进行图像加强。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤F之后还包括如下步骤G 将步骤F的最新参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库；H 将所述X射线图像作为被配准图像，以最新在线生成的沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 在所述步骤F之后还包括如下步骤I 判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于， 在所述步骤H之后还包括如下步骤I 判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步骤。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤I中，如果判定已满足参数估算精度要求，则执行如下步骤 J 计算参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。
7.如权利要求1或4或5所述的方法，其特征在于，采用如下方式离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库 AOl 设定包含Mtl个不同的平面外转角Qj^PNci个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(9x(i)，0y(j)) ； θχ( )和0y(j)分别满足 ex_L
( θχ( ) ( Θχ—H
，ey_L
( ey(j) ( eyJI
；A02:对每一(ex(i)，ey(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MqXNq个DRR 图像的DRR图像库；其中，θχ—J0]和θχ Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9x(i)的取值范围的下限和上限；9y—Jo]和ey H
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，···，M0;j = 1，2，...，队爲、队为大于1的整数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用如下方式第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库 DOl 设定包含Mk个不同的平面外转角Qj^PNk个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(9x(i)，0y(j)) ； θχ( )和0y(j)分别满足
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，θ x—L[k]、θ χ—H[k]、θ y_L[k]和 θ y—H[k]分别满足
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各9x(i)之间的差值为Δ θχ
, 各9y(j)之间的差值为Δ 6y
；第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各9x(i)之间的差值为 δ ex[k]，各ey(j)之间的差值为δ ey[k]； δ ex[k]和δ ey[k]分别满足
11.如权利要求3或5所述的方法，其特征在于，采用如下方式第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库 GOl 设定化个不同的平面外平移值ζ (i) ；z(i)满足
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，zL[h+l] >、&]，且 ^[h+l] < zH[h] ο
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时，各ζ (i)之间的差值为 Az[h]；且满足Az[h+1] < Δ ζ [h] ο
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，采用如下方式对平面内平移参数进行估算COl 在DRR图像上确定优化配准窗口 ；C02 根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口 COll 在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口 ； C012 分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；C013 选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。
16.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤I中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求 方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数。
17.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤I中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求 方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N，则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数，平面外平移参数。
18.一种二维-三维医学图像配准系统，包含X射线图像采集单元，三维图像生成单元，其特征在于，该系统还包含DRR图像库生成单元，图像配准单元；其中所述三维图像生成单元，用于生成三维被成像体的三维图像，并将其输出至DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并输出该DRR图像库中包含的DRR图像；所述X射线图像采集单元，用于采集并输出所述三维被成像体的X射线图像； 所述图像配准单元，用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述离线生成的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的 DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于， 所述系统中还包含图像加强单元；所述图像加强单元，用于接收所述X射线图像采集单元输出的X射线图像，并接收所述离线生成的DRR图像库中包含的DRR图像，并以接收到的DRR图像为参考，对所述X射线图像进行图像加强，并将加强后的X射线图像输出至所述图像配准单元。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR 图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元，还用于将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算，并输出参数估算结果。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求所述图像配准单元将所述对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/ 或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算； 所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求所述图像配准单元将所述对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数、和/或平面外平移参数的值进行估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/ 或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并将估算得到的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；所述DRR图像库生成单元以接收到的参数估算结果作为基准位置对所述三维图像进行调整，在线生成沿平面外平移方向的DRR图像库，并将该DRR图像库中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；所述图像配准单元将接收到的X射线图像作为被配准图像，以接收到的所述沿平面外平移方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对平面外平移参数的值进行估算； 所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。
23.如权利要求21或22所述的系统，其特征在于， 所述系统中还包含质量保证参数检验单元；所述图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至所述质量保证参数检验单元；所述质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。
24.如权利要求18或21或22所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库设定包含Mtl个不同的平面外转角Qj^PNci个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(θ x⑴，θ y (j)) ; θ χ⑴和θ y (j)分别满足0X_L[O] ( θχ( ) ( θχ—H
，0y_L[O] ( ey(j) ( 0yJI[O]； 对每一(9x(i)，0y(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MqXNq个DRR图像的DRR图像库；其中，θχ—J0]和θχ Η
分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9x(i)的取值范围的下限和上限；9y—J0]和0y H[O]分别表示离线生成DRR图像库时平面外转角参数9y(j)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，···，M0;j = 1，2，...，队爲、队为大于1的整数。
25.如权利要求M所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR 图像库设定包含Mk个不同的平面外转角Qj^PNk个不同的平面外转角θ y的不同平面外转角参数组合(θ x⑴，θ y (j)) ; θ χ⑴和θ y (j)分别满足θx_L[k] ( θχ( ) ( θxH[k], θy_L[k] ( ey(j) ( eyJI[k]； 对每一(9x(i)，0y(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含MkXNk个DRR图像的DRR图像库；其中，θχ—Jk]和0x H[k]分别表示第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，平面外转角参数ex(i)的取值范围的下限和上限；ey Jk]和eyH[k]分别表示第k 次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，平面外转角参数ey(j)的取值范围的下限和上限；i = 1，2，···，Mk;j = 1，2，...，队愧、队为大于1的整数；k为大于0的整数。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，θ x—L[k]、θ χ—H[k]、θ y_L[k]和 θ y—H[k]分别满足θ x_L[k] > ex_L[k-l]； θχ—H[k] < exJI[k-i]； θ y_L[k] > ey—L[k-1]；0yJ[k] < eyJ[k-l]o
27.如权利要求沈所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元离线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各θ x(i) 之间的差值为Δ θχ
，各0y(j)之间的差值为Δ 6y
；所述DRR图像库生成单元第k次在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库时，各 θχ( )之间的差值为Δ θ Jk]，各0y(j)之间的差值为Δ 0y[k]； Δ ex[k]和δ ey[k]分别满足 Δ 6x[k] < Δ 0x[k-l] ； Δ ey[k] < Δ 0y[k-l]o
28.如权利要求20或22所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元采用如下方式第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR 图像库设定化个不同的平面外平移值ζ (i) ；z(i)满足ZL [h] ^ z(i) ^ ZH [h]；对每一 z (i)值生成一个对应的DRR图像，从而生成包含％个DRR图像的DRR图像库； 其中，zjh]和^[h]分别表示第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时平面外平移参数z(i)的取值范围的下限和上限；i = 1,2,..., Qh5Qh为大于1的整数；h为大于0的整数。
29.如权利要求观所述的系统，其特征在于， zL[h+l] >、&]，且 h[h+l] < ZH[h] O
30.如权利要求四所述的系统，其特征在于，所述DRR图像库生成单元第h次在线生成沿两个平面外平移方向的DRR图像库时，各 z(i)之间的差值为Az[h]；且满足: Az[h+1] < Δ ζ [h] ο
31.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元采用如下方式对平面内平移参数进行估算 在DRR图像上确定优化配准窗口 ；根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口 在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口 ；分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。
33.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数。
34.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求方式一判断在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k = N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k < N,则判定未满足参数估算精度要求；方式二 判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种平面内平移参数，平面内转角参数，平面外转角参数，平面外平移参数。
全文摘要
一种二维-三维医学图像配准方法及系统，该方法包括生成三维被成像体的三维图像，并离线生成沿平面外转角方向的DRR图像库；采集三维被成像体的X射线图像；将X射线图像作为被配准图像，以离线生成的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；以最新参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿两个平面外转角方向的DRR图像库；将X射线图像作为被配准图像，以最新在线生成的沿两个平面外转角方向的DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算。
文档编号G06T3/00GK102222330SQ20111012537
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者付东山 申请人:付东山