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多模态医学图像配准研究与实现

孙滕  
【摘要】:医学图像配准技术是医学图像分析与处理领域的一项经典研究内容。现代医疗诊断离不开各种医学图像的支持,而且对图像的质量和所含信息有更高要求。将采自不同环境下的医学图像通过配准解决因成像本身和组织位移、形变造成的空间位置变化问题,使其重新达到几何位置的完全对应,对临床疾病预防、观察和病理监测有着重要意义。为得到全面丰富的病人信息,需要将多种模态的医学图像信息融合,而医学图像配准是医学图像融合的基础和关键技术。借助信息化手段建立医学影像应用软件平台,将医学影像处理过程与结果进行直观展示,通过计算定量分析和信息反馈有助于提高诊疗水平。论文针对多种模态医学图像配准方法进行研究,对互信息方法存在的性能和效率问题进行分析和改进,并提供一种互信息驱动的有限元配准方法,最后在算法基础上,设计实现了医学图像配准可视化平台系统。主要完成了以下工作: 首先,对图像配准技术的现状进行了总结回顾。主要围绕适用于多模态医学图像配准的互信息算法,分析了图像互信息的计算方法和过程,重点对互信息方法的鲁棒性和配准效率方面进行探讨。对最大互信息配准方法依赖图像重叠程度和忽略空间信息的问题进行了分析,采用归一化互信息代替最大互信息,通过其高阶形式将计算区域扩展至当前像素点的邻域范围。为解决互信息配准计算量大耗时长的问题,研究了多分辨率分析在图像配准优化搜索过程中的应用,采用小波金字塔对图像进行多分辨率分解,实现了互信息配准的加速算法,并通过实验确认更加合理的多分辨率策略。 其次,在医学软组织图像非刚性配准方面,对目前比较热点的基于B样条的自由形变模型配准技术进行了实验和分析;基于物理模型和图像灰度信息结合的思想,以有限元分析求解应力问题为基础,提供一种互信息驱动的有限元医学图像配准方法,离散化的有限单元模拟物理形变,以互信息作为能量驱动函数,根据最小势能原理构造总体刚度方程,使算法不仅可以精确模拟形变区域而且较好的适应刚性位移。 最后研究了图像配准算法的可视化实现。依据各种配准方法的特点和共性,以重离子放疗计划软件平台为背景,使用ITK为算法框架并重新组织封装、VTK为可视化工具、FLTK用于界面设计,参照已有的医学图像处理与可视化软件,设计实现了一个可以进行医学图像三维显示、预处理和配准的医学图像配准可视化平台。


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