图像质量驱动的非刚性图像配准的制作方法

图像质量驱动的非刚性图像配准的制作方法
【专利摘要】一种图像配准装置(118)包括：图像质量驱动的图像配准确定器(202)，其针对图像集确定图像质量驱动的图像配准，以基于非刚性配准(204)和配准操纵因子进行配准，所述非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的优化；以及配准部件(206)，其使用所述图像质量驱动的图像配准来配准所述图像集。一种方法包括：针对图像集确定图像质量驱动的图像配准，以基于非刚性配准和配准操纵因子进行配准，所述非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的优化；并且使用所述保真度驱动的图像配准来配准所述图像集，从而生成经配准的图像集。
【专利说明】图像质量驱动的非刚性图像配准

【技术领域】
[0001] 以下总体上涉及受配准操纵因子操纵的非刚性（弹性）图像配准，所述配准操纵 因子基于已知的成像系统图像质量或对经配准的图像中的至少一幅图像的所确定的图像 质量中的至少一个，并且以下利用对计算机断层摄影（CT)的特定应用进行描述。然而，以 下也适用于其他成像模态。

【背景技术】
[0002] 图像配准是将一幅或多幅图像变换到参考图像的坐标系中的过程。两种公知的变 换模型包括刚性（或仿射）变换和非刚性（或弹性）变换。刚性变换一般是线性变换，所 述刚性变换包括平移变换、旋转变换以及缩放变换。相反，非刚性变换还局部地扭曲图像， 以将图像与参考图像对齐。
[0003] 非刚性图像配准越来越多地被接受为用于建立CT图像之间的对应性的基础技 术。该应用的范围宽广，从而覆盖诸如动态造影成像和在后续研究中的改变量化的频繁应 用。然而，非刚性配准通常基于图像相似度项，所述图像相似度项非常易于受不完美的图像 质量的影响，所述不完美的图像质量是由例如运动、不完美的成像、高对比目标等引起的最 显著的图像伪影。
[0004] 非刚性图像配准一般包括了对包括图像相似度项（共同的信息或平方差之和）和 额外的正则化项的目标函数的迭代优化，其中图像相似度项被最大化，同时额外的正则化 项保持在某种意义上能实现的解（例如，通常在得到的变形场的预定的平滑度之内）。
[0005]遗憾的是，诸如图像伪影的误导性的图像信息能够引起配准结果中的误差，所述 误差难以以自动方式检测到。此外，图像相似度项不能用于检测误差，这是因为图像相似度 项是在配准期间被优化的。鉴于前述内容，存在对于处理这样的误导性图像信息的未解决 的需要。


【发明内容】

[0006]本文描述的各方面解决了上述问题和其他问题。
[0007]在一个方面中，一种图像配准装置包括：图像质量驱动的图像配准确定器，其针对 图像集确定图像质量驱动的图像配准，以基于非刚性配准和配准操纵因子进行配准，所述 非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的优化；以及使用所述图像质量驱动的图像配 准来配准所述图像集的配准部件。
[0008]在另一方面中，一种方法包括：针对图像集确定图像质量驱动的图像配准，以基于 非刚性配准和配准操纵因子进行配准，所述非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的 优化；并且使用保真度驱动的图像配准来配准所述图像集，从而生成经配准的图像集。
[0009]在另一方面中，一种方法包括：通过使非刚性配准对不完美的图像信息较不敏感， 来改善所述非刚性配准的结果，所述使非刚性配准对不完美的图像信息较不敏感的操作是 通过采用利用所述非刚性配准的配准操纵因子来进行的，其中，所述非刚性配准包括对图 像相似度项和正则化项的优化。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附 图仅出于图示优选的实施例的目的，并且不应被说明为对本发明的限制。
[0011] 图1示意性地图示了与变形向量场确定器和被配置为至少配准图像的图像处理 部件相连接的成像系统。
[0012] 图2图示了图像处理部件的范例。
[0013] 图3图示了用于基于已知的成像系统图像质量来确定配准操纵因子的范例方法。
[0014] 图4图示了用于基于对经配准的图像的图像质量的确定来确定配准操纵因子的 范例方法。

【具体实施方式】
[0015] 以下描述了一种图像配准方法，在所述图像配准方法中，图像配准算法根据图像 质量被远离图像相似度项进行操纵，所述图像配准算法包括对具有图像相似度项和正则化 项的目标函数的优化，所述图像质量是通过已知的成像系统图像质量或对先前配准的所确 定的图像质量中的至少一个来确定的。所述配准能够与来自诸如MR、PET、SPECT、US、X射线 的成像模态和/或其他成像模态的图像一起使用；然而，出于说明的目的并且为简要起见， 以下联系CT成像系统和CT图像进行描述。
[0016] 图1示意性地图示了诸如CT扫描器的成像系统100。
[0017] 成像系统100包括一般为固定的机架102和旋转机架104,所述旋转机架104由固 定机架102可旋转地支撑，并且关于z轴围绕检查区域106旋转。诸如X射线管的辐射源 108由旋转机架104可旋转地支撑，与旋转机架104 -起旋转，并且发射穿过检查区域106 的辐射。辐射敏感探测器阵列110对向一角度弧，跨检查区域106与辐射源108相对。探 测器阵列110探测穿过检查区域106的辐射，并且针对每个探测到的光子生成指示其的投 影数据。
[0018] 成像系统100能够用于采集移动目标的4D图像集。如本文所利用的，4D图像集包 括在移动目标在移动目标的运动循环上的3D图像，所述移动目标的运动循环包括完全膨 胀相位、完全收缩相位、在完全膨胀相位与完全收缩相位之间的一个或多个相位，以及在完 全收缩相位与完全膨胀相位之间的一个或多个相位。重建器114重建投影数据，从而生成 指示被定位在成像区域106中的对象或目标的被扫描部分的3D和/或4D图像集。
[0019] 诸如卧榻的对象支撑物112在扫描之前、期间和/或之后，在检查区域106中支撑 目标或对象。通用计算系统或计算机充当操作者控制台116。控制台116包括人类可读的 输出设备（例如，监视器）和输入设备（例如，键盘、鼠标等）。驻留在控制台116上的软件 允许操作者经由用户接口或以其他方式与扫描器1〇〇进行交互和/或操作扫描器1〇〇。这 样的交互包括选择诸如3D、4D或其他成像采集的扫描协议、启动扫描等。
[0020] 图像配准装置118至少配准图像，例如，由成像系统100和/或其他成像系统采集 的3D和/或4D图像集中的图像。图像配准装置118也可以确定在图像集中的经配准的4D 图像之间的变形向量场OVFS)。一般地，DVF包括（一幅或多幅）基线图像的运动相位到 图像集中的其他图像上的映射，从而建立逐个体素的对应性或在移动目标的运动循环上的 映射。图像配准装置118输出经配置的图像、DVFS和/或其他信息中的至少一种。
[0021] 在一个实例中，图像配准装置118采用包括对图像相似度项和正则化项的优化的 非刚性配准。如下文更加详细地描述的，图像配准装置118基于在由所述系统生成的图像 上已知的成像系统图像质量变化或对经配准的图像所确定的图像质量中的至少一个，在体 素或体素区域的基础上，远离图像相似度项（和/或朝向正则化项）操纵非刚性配准。这 样操纵配准允许在局部区域的基础上，减小归因于已知的（一种或多种）成像系统图像质 量限制和/或误导性图像信息（例如，通过减少对图像相似度项对配准的贡献的加权产生 的伪影）的局部配准误差。
[0022] 图像配准装置118能够经由显示器120视觉地呈现经配准的图像、DVF和/或其 他信息中的至少一种。在一个实例中，图像配准装置118在用户交互式图形用户接口（⑶I) 中呈现这样的数据。这样的显示器可以允许用户输入影响配准和/或DVF确定的信息。例 如，交互式显示器可以允许用户提供、选择和/或改变影响图像配准装置118如何操纵非刚 性配准和/或什么数据用于确定操纵的具体算法、所述算法的参数、影响操纵和/或是否应 当执行后续配准的决策阈值等。
[0023] 图像配准装置118也能够为用户视觉地呈现通知和/或推荐。例如，在图像配准 装置118基于决策阈值确定经配准的图像的图像质量满足阈值时，图像配准装置118能够 呈现配准是可接受的通知。然而，在图像配准装置118基于决策阈值确定经配准的图像中 的一个或多个的体素和/或体素的区域的图像质量不满足阈值时，图像配准装置118能够 呈现指示这样的通知和/或执行对所述图像的另一次配准的推荐，从而针对体素和/或体 素的区域远离图像相似度项操纵配准。
[0024] 应当理解，图像配准装置118能够是诸如计算机的计算系统，所述计算系统包括 一个或多个处理器，所述处理器运行被编码、嵌入、存储等在诸如物理存储器和/或其他非 瞬态存储器的计算机可读存储介质上的一个或多个计算机可读指令。额外地或备选地，所 述计算机可读指令中的至少一个能够由信号、载波和/或其他瞬态介质承载。所述计算系 统也可以包括人类可读的输出设备（例如，监视器）和输入设备（例如，键盘、鼠标等）。
[0025] 图2图示了图像配准装置118的范例。
[0026] 在该范例中，图像配准装置118包括图像质量（IQ)驱动的图像配准确定器202,所 述图像质量（I?驱动的图像配准确定器202组合图像配准算法204(其能够被输入和/或 存储在存储器中）与配准操纵因子，以生成图像质量（I?驱动的图像配准。配准部件206 采用IQ驱动的图像配准，以配准输入图像集。范例应用是对4D图像（即，随时间推移采集 的3D图像）的配准，例如，以评估用于辐射治疗规划的区域性体积变化，在辐射治疗规划 中，重要的是识别运作良好的区域，所述区域然后能够免于辐射。
[0027] 图像配准算法204包括非刚性配准，所述非刚性配准优化包括图像相似度项和正 则化项的目标函数。如联系图1所讨论的，能够由用户经由（经由显示器120呈现的）交 互式GUI来选择和/或改变具体算法。图像相似度项能够基于共同的信息、平方差之和、强 度相关性等，并且正则化项一般通过（针对惩罚）惩罚映射场的一阶导数和/或二阶导数 来确保预定的平滑度。能够例如取决于方法学选择、图像模态、应用等对图像相似度项和正 则化项进行加权。优化能够基于诸如梯度下降、共轭梯度和/或其他方法的算法。
[0028]这样的算法的范例在 Kabus等人的 "Fastelasticimageregistration， In：Proc.ofMICCAIWorkshop：MedicalImageAnalysisForTheClinic-AGrand Challenge"（2010年，第81-89页）中得到描述。一般地，Kabus等人描述的算法假设参 考（或固定）图像R00和模板（或移动）图像T(x)。其得到仿射变换p以及变形向量场 OVF)M: 使得移位的模板图像Tu(x) : = T (cHp;x)+u(x))使相似性测度D和正 则化项S两者最小化。这里，映射ct(p;X)描述了体素位置x在由向量p给出的仿射变换 下的变换。
[0029] 在方程1中使用平方差之和示出了合适的相似度项D:
[0030]方程1 :

【权利要求】
1. 一种图像配准装置（118)，包括： 图像质量驱动的图像配准确定器（202)，其针对图像集确定图像质量驱动的图像配准， 以基于非刚性配准（204)和配准操纵因子进行配准，所述非刚性配准包括对图像相似度项 和正则化项的优化；以及 配准部件（206)，其使用所述图像质量驱动的图像配准来配准所述图像集。
2. 如权利要求1所述的图像配准装置，其中，所述配准是对所述图像集的第一次配准。
3. 如权利要求2所述的图像配准装置，还包括： 配准操纵因子确定器（208)，其基于已知的成像系统图像质量来确定所述配准操纵因 子，所述配准操纵因子在所述图像集中的至少一幅图像上变化，所述图像集是由所述成像 系统生成的。
4. 如权利要求3所述的图像配准装置，其中，所述配准操纵因子对根据图像的体素或 体素区域的所述图像质量的针对所述体素或所述体素区域的所述图像相似度项进行下加 权。
5. 如权利要求1所述的图像配准装置，其中，所述配准部件在初始配准中使用所述非 刚性配准来执行，并且所述配准是基于使用所述非刚性配准的配准的结果而对所述图像集 的后续配准。
6. 如权利要求5所述的图像配准装置，还包括： 配准操纵因子确定器（208)，其基于图像质量度量来确定所述配准操纵因子，所述图像 质量度量对应于利用所述非刚性配准而配准的所述图像中的图像的图像质量。
7. 如权利要求6所述的图像配准装置，还包括： 图像质量确定器（212)，其针对利用所述非刚性配准而配准的所述图像来确定变形向 量场；基于所述变形向量场来生成体积曲线；将运动模型拟合到所生成的体积曲线；并且 确定在所拟合的模型与所述体积曲线之间的误差，其中，所述图像质量度量是所述误差，并 且其中，所述误差对于图像的具有较低图像质量的体素区域较大，并且对于所述图像的具 有较高图像质量的体素区域较低。
8. 如权利要求7所述的图像配准装置，还包括： 决策逻辑（214)，其响应于所述图像质量度量满足预定的决策阈值而调用所述后续配 准。
9. 如权利要求1所述的图像配准装置，其中，所述配准操纵因子基于已知的成像系统 图像质量，所述配准操纵因子在所述图像集中的至少一幅图像上变化，所述图像配准部件 使用初始图像质量驱动的图像配准来执行对所述图像集的初始配准，所述初始图像质量驱 动的图像配准基于所述已知的成像系统图像质量，并且所述配准是基于使用所述初始图像 质量驱动的图像配准的配准的结果而对所述图像集的后续配准。
10. 如权利要求9所述的图像配准装置，还包括： 配准操纵因子确定器（208)，其基于图像质量度量来确定所述配准操纵因子，所述图像 质量度量对应于所述初始图像质量驱动的图像配准的图像质量。
11. 如权利要求10所述的图像配准装置，还包括： 图像质量确定器（212)，其针对利用所述初始图像质量驱动的图像配准的所述配准确 定变形向量场；基于所述变形向量场来生成体积曲线；将运动模型拟合到所生成的体积曲 线；并且确定在所拟合的模型与所述体积曲线之间的误差，其中，所述图像质量度量是所述 误差，并且其中，所述误差对于图像的具有较低图像外壳的体素区域较大，并且对于所述图 像的具有较高图像质量的体素区域较低。
12. 如权利要求11所述的图像配准装置，还包括： 决策逻辑（214)，其响应于所述图像质量度量满足预定的决策阈值而调用所述后续配 准。
13. 如权利要求1至12中的任一项所述的图像配准装置，其中，所述配准操纵因子基于 经配准的图像中的至少一幅的图像质量的程度来朝向所述正则化项操纵所述图像质量驱 动的图像配准，其中，所述图像质量越低，所述配准被朝向所述正则化项操纵得越多，并且 所述图像相似度项贡献于所述配准得越少。
14. 一种方法，包括： 针对图像集确定图像质量驱动的图像配准，以基于非刚性配准和配准操纵因子进行配 准，所述非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的优化；并且 使用所述图像质量驱动的图像配准来配准所述图像集，从而生成经配准的图像集。
15. 如权利要求14所述的方法，其中，所述配准是对所述图像集的第一次配准，并且还 包括： 基于已知的成像系统图像质量来确定所述配准操纵因子，所述配准操纵因子在所述图 像集中的至少一幅图像上变化，所述图像集是由所述成像系统生成的。
16. 如权利要求14所述的方法，还包括： 使用所述非刚性配准来初始配准所述图像集，其中，所述配准是基于使用所述非刚性 配准的初始配准的结果而对所述图像集的后续配准。
17. 如权利要求16所述的方法，还包括： 基于图像质量度量来确定所述配准操纵因子，所述图像质量度量对应于利用所述非刚 性配准而配准的图像的图像质量。
18. 如权利要求17所述的方法，还包括： 通过确定针对利用所述非刚性配准而配准的所述图像的变形向量场来确定所述图像 质量度量；基于所述变形向量场来生成体积曲线；将运动模型拟合到所生成的体积曲线； 并且确定在所拟合的模型与所述体积曲线之间的误差，其中，所述图像质量度量是所述误 差。
19. 如权利要求14所述的方法，其中，所述配准操纵因子基于已知的成像系统图像质 量，所述配准操纵因子在所述图像集中的至少一幅图像上变化，并且还包括： 使用初始图像质量驱动的图像配准来执行对所述图像集的初始配准，所述初始图像质 量驱动的图像配准基于所述已知的成像系统图像质量，并且其中，所述配准是基于使用所 述初始图像质量图像配准的配准的结果而对所述图像集的后续配准。
20. 如权利要求19所述的方法，还包括： 基于图像质量度量来确定所述配准操纵因子，所述图像质量度量对应于所述初始图像 质量图像配准的图像质量。
21. 如权利要求20所述的方法，还包括： 通过确定针对利用所述非刚性配准而配准的所述图像的变形向量场来确定所述图像 质量度量；基于所述变形向量场来生成体积曲线；将所述运动模型拟合到所生成的体积曲 线；并且确定在所拟合的模型与所述体积曲线之间的误差，其中，所述图像质量度量是所述 误差。
22. 如权利要求14至21中的任一项所述的方法，其中，所述配准操纵因子基于经配准 的图像的图像质量的程度来朝向所述正则化项操纵所述图像质量驱动的图像配准，其中， 所述图像质量越低，所述配准被朝向所述正则化项操纵得越多，并且所述图像相似度项贡 献于所述配准得越少。
23. 如权利要求14至22中的任一项所述的方法，还包括： 经由交互式用户接口，接收确定所述配准操纵因子的输入。
24. 如权利要求14至22中的任一项所述的方法，还包括： 经由交互式用户接口，视觉地显示经配准的所述图像集。
25. -种方法，包括： 通过使非刚性配准对不完美的图像信息较不敏感来改善所述非刚性配准的结果，所述 使非刚性配准对不完美的图像信息较不敏感的操作是通过采用利用所述非刚性配准的配 准操纵因子来进行的，其中，所述非刚性配准包括对图像相似度项和正则化项的优化。
26. 如权利要求24所述的方法，其中，在较低图像质量的区域中的配准期间的优化的 能量项中，所述配准操纵因子局部地减小图像影响并大增大正则化影响。
【文档编号】G06T3/00GK104412297SQ201380034134
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月18日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】C·洛伦茨, S·卡布斯, T·克林德, J·冯贝格 申请人:皇家飞利浦有限公司