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腹部医学图像配准方法的研究

作　者: 翟可
导　师: 朱志良
学　校: 东北大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 图像配准腹部医学图像增强CT图像 B样条自由形变拟牛顿方法 L-BFGS算法
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着人民生活水平的不断提高,生活习惯也在不断发生改变。与此同时,一些疾病的发病率呈上升趋势,尤其是一些肝部疾病。多时期增强肝部CT扫描是当前肝部疾病诊断中的一种实践标准,其利用了在动脉和门脉时期输送到肝部的增强剂的时间差异。在增强的两个或三个时期的CT扫描的过程中,根据对比剂到达肝部动脉、门脉和静脉的时间差异,在不同的时间点进行两次或者三次图像获取。虽然多时期图像已经显著地改善了医疗诊断的过程,但由于病人在图像获取期间会有呼吸运动,因此肝部的位置和形状难以被准确的重现,这会增大多时期图像配准的难度,从而使其成为了一个临床研究的热点。本文从二维腹部多阶段增强CT图像的配准出发,研究了基于B样条自由形变变换的图像配准方法。自由形变变换(FFD,Free-Form Deformation)是一种对固体进行几何建模的方法,其核心思想是:形变操作不直接作用于物体,而是作用于物体所嵌入的变形空间;如果形变空间被改变了,则嵌入其中的物体自然随之改变。当时用在图像变换的时候,FFD引入一个覆盖在二维图像上的控制点网格,当调整控制点的位置时,物体形状也会发生变化,网格之外的点使用B样条插值得到。除此之外,本文还详细研究了适用于高维最优化搜索的拟牛顿方法,其中主要研究的是L-BFGS方法。L-BFGS方法通过迭代更新来估计拟海森矩阵,以提高搜索速度。为了提高配准的精度,本文通过研究和分析传统的两阶段配准过程,提出了交替迭代的配准过程,通过多阶段配准来将全局配准和自由形变变换配准更好的相互影响,在基于自由形变的配准后修正全局配准的参数,之后再继续进行自由形变配准。与此同时,本文使用了坐标映射矩阵来保留变换前后坐标的映射关系,避免保留大量的变换参数。这种方法既节省了空间,又极大的降低了由于反复插值导致的精度损失。在理论研究的基础上,本文在MATLAB下实现了腹部医学图像自动配准的算法,并对本文的配准方法进行了较为详细和可靠的评估。评估结果表明,本文提出的交替迭代配准过程能够完成腹部医学图像配准,而且明显的提高了配准算法的精度并有很好的鲁棒性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究概况和发展趋势  11-15
    1.2.1 图像配准的研究现状  11-13
    1.2.2 医学图像配准的研究现状  13-15
    1.2.3 腹部医学图像配准的研究现状  15
  1.3 本文研究内容和组织结构  15-16
第2章医学图像配准理论和基本方法  16-34
  2.1 图像配准概述  16-18
    2.1.1 图像配准分类  16
    2.1.2 图像配准组成  16-18
  2.2 基于像素灰度的配准的基本原理及框架  18
  2.3 图像变换  18-20
  2.4 图像插值  20-24
  2.5 相似性测度  24-28
  2.6 最优化算法  28-34
第3章基于交替迭代的自由形变配准  34-56
  3.1 图像预处理  34-40
    3.1.1 腹部医学图像  34-36
    3.1.2 DICOM数据和灰度图像  36-37
    3.1.3 图像平滑与去噪  37-40
  3.2 基于自由形变变换的两阶段配准  40-48
    3.2.1 基于B样条自由形变变换的配准  40-47
    3.2.2 基于仿射变换的预配准  47-48
  3.3 基于交替迭代的配准  48-51
    3.3.1 交替迭代过程描述  48-50
    3.3.2 精度保持方法的研究  50-51
    3.3.3 搜索过程的设计  51
  3.4 多分辨率方法  51-56
    3.4.1 多分辨率重采样方法  52-53
    3.4.2 B样条网格细化  53-56
第4章腹部医学图像配准算法的实验研究  56-68
  4.1 配准算法的实现  56-60
    4.1.1 实现方法概述  56-57
    4.1.2 算法各模块描述  57-60
  4.2 实验与分析  60-67
    4.2.1 基于交替迭代的自由形变配准结果  61-62
    4.2.2 算法鲁棒性分析  62-64
    4.2.3 算法精度分析  64-67
  4.3 实验小结  67-68
第5章结论  68-70
参考文献  70-76
致谢  76

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