專利名稱：解剖結(jié)構(gòu)約束的圖像配準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像配準(zhǔn)領(lǐng)域，更具體地涉及圖集圖像與臨床圖像的配準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
對(duì)于許多臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可變形圖像配準(zhǔn)是關(guān)鍵技術(shù)，例如，當(dāng)需要對(duì)病人解剖結(jié) 構(gòu)中的變化監(jiān)測(cè)一段時(shí)間或者當(dāng)需要比較病人解剖結(jié)構(gòu)和解剖結(jié)構(gòu)圖集時(shí)。所有當(dāng)前已知 的可變形配準(zhǔn)方法都有某些限制。J. B. AntoineMetz和Max A. Viergever在名為"A survey of medical image registration "Medical Image Analysis, Vol. 2 (1998)第1-37頁(yè)的文 章中給出了圖像配準(zhǔn)方法的概述。特別是基于標(biāo)準(zhǔn)界標(biāo)的配準(zhǔn)技術(shù)需要在配準(zhǔn)的圖像中明 確的一對(duì)一界標(biāo)對(duì)應(yīng)。界標(biāo)的手動(dòng)設(shè)置是一個(gè)復(fù)雜和冗長(zhǎng)的過(guò)程，尤其在三維(3D)數(shù)據(jù)的 設(shè)置中。另一方面，自動(dòng)界標(biāo)設(shè)置方法大部分是特定應(yīng)用的，并且其設(shè)計(jì)通常需要相當(dāng)大的 工作強(qiáng)度。可替換地，基于強(qiáng)度的可變形配準(zhǔn)方法需要待配準(zhǔn)的圖像中的強(qiáng)度恒定這一強(qiáng) 假設(shè)。而這些假設(shè)常常被違背。

發(fā)明內(nèi)容
獲得一種能夠使目標(biāo)圖像和圖集圖像配準(zhǔn)而不需要明確的界標(biāo)設(shè)置的系統(tǒng)是有 利的。 為了更好解決這一問(wèn)題，在本發(fā)明的一方面中，提供了一種用于使來(lái)自多維圖像 圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 _生成單元，其用于生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；
-變換單元，其用于利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；
-相似性單元，其用于計(jì)算圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng) 的第一區(qū)域之間的相似性度量；-評(píng)估單元，其利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基 于對(duì)所述候選變換的評(píng)估來(lái)確定最優(yōu)變換；-擴(kuò)展單元，其將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像 的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及-配準(zhǔn)單元，其利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所
述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。 —般以如下方式限定所述第一區(qū)域其包括相對(duì)容易與對(duì)應(yīng)的多維圖像特征匹配 的圖集圖像特征。當(dāng)圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域與目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域的相似性 度量滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，例如，當(dāng)該相似性度量基本是用于計(jì)算相似性度量的相似性函數(shù)的 最大值時(shí)，候選變換就成為最優(yōu)變換。第一區(qū)域的所述最優(yōu)變換現(xiàn)在可以被擴(kuò)展到第二區(qū) 域，例如，擴(kuò)展到圖集圖像的面積或體積。配準(zhǔn)單元使用所述最優(yōu)變換的這種擴(kuò)展(即所述 配準(zhǔn)變換)來(lái)使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。有利的是，該系統(tǒng)不需要在所述目標(biāo) 圖像中設(shè)置界標(biāo)位置。該系統(tǒng)的另一優(yōu)勢(shì)是由于相似性度量是在本地計(jì)算的，即在所述圖
4集圖像的第一區(qū)域中計(jì)算，所以配準(zhǔn)快速且因此對(duì)于臨床應(yīng)用更具吸引力。 在該系統(tǒng)的一實(shí)施例中，所述第一區(qū)域包括多個(gè)界標(biāo)。所述界標(biāo)是在目標(biāo)圖像中
容易識(shí)別的圖集圖像特征。 在該系統(tǒng)的一實(shí)施例中，基于多個(gè)訓(xùn)練圖像計(jì)算所述圖集圖像，來(lái)自所述多個(gè)訓(xùn) 練圖像中的每個(gè)訓(xùn)練圖像均包括所述多個(gè)界標(biāo)。例如，可以通過(guò)以下步驟來(lái)計(jì)算所述圖集 圖像基于所述多個(gè)訓(xùn)練圖像中的界標(biāo)位置確定所述圖集圖像中的圖集界標(biāo)位置；使所述 圖集圖像中的界標(biāo)位置和所述多個(gè)訓(xùn)練圖像配準(zhǔn)；以及計(jì)算經(jīng)配準(zhǔn)的多個(gè)訓(xùn)練圖像的平均 值，從而計(jì)算出所述圖集圖像。有利的是，這種圖集圖像通常在界標(biāo)周?chē)乔逦模虼司?有良好限定的圖集圖像特征，盡管如此它遠(yuǎn)離界標(biāo)時(shí)可能是模糊的。所述圖集圖像的所述 第一區(qū)域可以是小而清晰的界標(biāo)鄰域的聯(lián)合，每個(gè)鄰域包括多個(gè)特征中的一個(gè)特征。
在該系統(tǒng)的一實(shí)施例中，所述圖集圖像的所述候選變換是基于由基本變換域限定 的候選變換域生成的，其中每個(gè)基本變換域是根據(jù)在多個(gè)訓(xùn)練圖像的訓(xùn)練圖像中包含的界 標(biāo)相對(duì)于所述圖集界標(biāo)位置的位移來(lái)得到的。這種基本變換域獲取特征位置的典型變化。
在該系統(tǒng)的一實(shí)施例中，每個(gè)基本變換域都基于對(duì)來(lái)自多個(gè)訓(xùn)練圖像的所述訓(xùn)練 圖像中包含的界標(biāo)相對(duì)于所述圖集圖像的位移的主成分分析。利用基于主要分析的基本變 換能夠獲取位移的特征模態(tài)。 在該系統(tǒng)的一實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括圖集單元，其用于構(gòu)建多維圖像圖集。圖集
可包括圖集圖像數(shù)據(jù)和基本變換域。這允許用戶建立用戶化的系統(tǒng)以滿足用戶需求。 在該發(fā)明的另一方面中，將根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括在圖像采集裝置中。 在該發(fā)明的另一方面中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)被包括在工作站中。 在該發(fā)明的另一方面中，提供了一種使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像
配準(zhǔn)的方法，該方法包括-生成步驟，用于生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；
-變換步驟，用于利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；
-相似性步驟，用于計(jì)算圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的 第一區(qū)域之間的相似性度量；-評(píng)估步驟，用于利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且 基于對(duì)所述候選變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換；-擴(kuò)展步驟，用于將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖
像的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及-配準(zhǔn)步驟，用于利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與
所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。 在本發(fā)明的另一方面中，提供了要被計(jì)算機(jī)布置加載的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算 機(jī)程序產(chǎn)品包括用于使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的指令，該計(jì)算機(jī)布 置包括處理單元和存儲(chǔ)器，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在被加載后，為所述處理單元提供執(zhí)行以下 任務(wù)的能力-生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；
-利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；-計(jì)算圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域與所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域之間的相似性度量；-利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基于對(duì)所述候選 變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換；-將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像的第二區(qū)域， 其中所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及-利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像 配準(zhǔn)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，本發(fā)明的上述實(shí)施例、實(shí)現(xiàn)方式和/或各方面中的兩 個(gè)或更多可以任何有用的方式進(jìn)行組合。 與描述的該系統(tǒng)的修改和變化相對(duì)應(yīng)的圖像采集裝置、工作站、方法和/或計(jì)算 機(jī)程序產(chǎn)品的修改和變化可由本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本說(shuō)明書(shū)實(shí)施。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，該方法可被應(yīng)用于由各種采集模態(tài)獲取的多維圖像數(shù) 據(jù)，例如二維、三維或四維圖像，其中各種采集模態(tài)諸如但不限于標(biāo)準(zhǔn)X射線成像、計(jì)算機(jī) 斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、超聲成像(US)、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、單光子發(fā)射 計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)和核醫(yī)學(xué)成像(NM)。


本發(fā)明的這些和其他方面通過(guò)結(jié)合下文描述的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)施例以及參考附圖 會(huì)變得明顯并且得到闡述，其中 圖1示意性示出了該系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的框圖； 圖2示出了可以在一個(gè)示例性圖集圖像中和三個(gè)示例性目標(biāo)圖像中的界標(biāo)位置； 圖3示出了該方法的示例性實(shí)現(xiàn)方式的流程圖； 圖4示意性示出了圖像采集裝置的示例性實(shí)施例；以及 圖5示意性示出了工作站的示例性實(shí)施例。 相同的附圖標(biāo)記用于表示所有附圖中的相似部分。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性示出了系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例的框圖，系統(tǒng)100用于使來(lái)自多維圖 像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)，該系統(tǒng)包括-生成單元105，其用于生成用于變換圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；-變換單元IIO，其用于利用該候選變換來(lái)變換該圖集圖像的第一區(qū)域；-相似性單元120，其用于計(jì)算圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和該目標(biāo)圖像的對(duì)
應(yīng)的的第一區(qū)域之間的相似性度量；-評(píng)估單元130，其利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估該候選變換并且 基于對(duì)該候選變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換；-擴(kuò)展單元140，其將該圖集圖像的第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到該圖集圖像的第 二區(qū)域；其中該第二區(qū)域包括該第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及-配準(zhǔn)單元150，其利用該配準(zhǔn)變換來(lái)變換該第二區(qū)域，從而使該圖集圖像與該目 標(biāo)圖像配準(zhǔn)。
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系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例還包括下列單元-圖集單元155，其用于構(gòu)建多維圖像圖集；-控制單元160，其用于控制系統(tǒng)100內(nèi)的工作流程；-用戶接口 165，其用于與系統(tǒng)100的用戶進(jìn)行通信；以及-存儲(chǔ)器單元170，其用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，存在用于引入數(shù)據(jù)的三個(gè)輸入連接器181U82和183。 將第一輸入連接器181布置為接收來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置諸如但不限 于硬盤(pán)、磁帶、閃存或光盤(pán)。將第二輸入連接器182布置為接收來(lái)自諸如但不限于鼠標(biāo)或觸 摸屏的用戶輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)。將第三輸入連接器183布置為接收來(lái)自諸如鍵盤(pán)的用戶輸入 設(shè)備的數(shù)據(jù)。將輸入連接器181、 182和183連接到輸入控制單元180。
在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，存在用于引出數(shù)據(jù)的兩個(gè)輸出連接器191和192。將第 一輸出連接器191布置為將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，諸如硬盤(pán)、磁帶、閃存或光盤(pán)。將第 二輸出連接器192布置為將數(shù)據(jù)輸出到顯示設(shè)備。輸出連接器191和192經(jīng)由輸出控制單 元190接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，存在多種方式將輸入設(shè)備連接到系統(tǒng)100的輸入連接器 181、 182和183以及存在多種方式將輸出設(shè)備連接到系統(tǒng)100的輸出連接器191和192。這 些方式包括但不限于有線連接和無(wú)線連接、諸如但不限于局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)的 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)和模擬電話網(wǎng)絡(luò)。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，該系統(tǒng)100包括存儲(chǔ)器單元170。將該系統(tǒng)100布置 為經(jīng)由輸入連接器1S1、182和183中的任一個(gè)接收來(lái)自外部設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，并且將所接 收的輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器單元170中。將輸入數(shù)據(jù)加載到存儲(chǔ)器單元170中允許系 統(tǒng)100的各單元快速訪問(wèn)相關(guān)數(shù)據(jù)部分。例如，輸入數(shù)據(jù)可包括目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器單 元170可由以下設(shè)備實(shí)現(xiàn)，諸如但不限于，隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)芯片、只讀存儲(chǔ)器(ROM)芯片 和/或硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和硬盤(pán)。還可將存儲(chǔ)器單元170布置為存儲(chǔ)輸出數(shù)據(jù)。例如，輸出數(shù)據(jù) 可包括與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的圖集圖像。也可將存儲(chǔ)器單元170布置為經(jīng)由存儲(chǔ)器總線175從 系統(tǒng)100的各單元接收數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)100的各單元，其中系統(tǒng)100包括生成單 元105、變換單元110、相似性單元120、評(píng)估單元130、擴(kuò)展單元140、配準(zhǔn)單元150、控制單 元160和用戶接口 165。還將存儲(chǔ)器單元170布置為經(jīng)由輸出連接器191和192中任一個(gè) 使輸出數(shù)據(jù)能夠用于外部設(shè)備。將來(lái)自系統(tǒng)100的各單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元170中 可有利地改善系統(tǒng)100的各單元的性能并且有利地改善將輸出數(shù)據(jù)從系統(tǒng)100的各單元傳 輸?shù)酵獠吭O(shè)備的傳輸速率。 可替代地，系統(tǒng)100可不包括存儲(chǔ)器單元170和存儲(chǔ)器總線175。系統(tǒng)100所用 的輸入數(shù)據(jù)可以通過(guò)至少一個(gè)外部設(shè)備提供，諸如連接到系統(tǒng)100的各單元的外部存儲(chǔ)器 或處理器。同樣，系統(tǒng)IOO產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)可被供應(yīng)到至少一個(gè)外部設(shè)備，諸如連接到系統(tǒng) 100的各單元的外部存儲(chǔ)器或處理器?？蓪⑾到y(tǒng)100的各單元布置為經(jīng)由內(nèi)部連接或經(jīng)由 數(shù)據(jù)總線接收彼此的數(shù)據(jù)。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，系統(tǒng)100包括用于控制系統(tǒng)100內(nèi)的工作流程的控制 單元160。可將控制單元布置為從系統(tǒng)100的各單元接收控制數(shù)據(jù)并且將控制數(shù)據(jù)提供給 系統(tǒng)100的各單元。例如，在生成候選變換后，可將生成單元105布置為將控制數(shù)據(jù)"生成
7了候選變換"傳給控制單元160，并且將控制單元160布置為將控制數(shù)據(jù)"變換第一區(qū)域"提 供給變換單元IIO，從而請(qǐng)求變換單元110變換第一區(qū)域?？商娲?，控制功能可以在系統(tǒng) 100的另一單元中實(shí)現(xiàn)。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，系統(tǒng)100包括用于與系統(tǒng)100的用戶進(jìn)行通信的用戶 接口 165。可將用戶接口 165布置為獲得用戶輸入，例如顯示根據(jù)經(jīng)配準(zhǔn)的圖集圖像計(jì)算得 出的視圖的請(qǐng)求。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解更多功能可有利地在系統(tǒng)100的用戶接口 165中 實(shí)現(xiàn)。 在系統(tǒng)IOO的一實(shí)施例中，圖集圖像包括多個(gè)界標(biāo)。通過(guò)在圖集圖像中出現(xiàn)的結(jié) 構(gòu)中設(shè)置界標(biāo)，可手動(dòng)或自動(dòng)地標(biāo)注圖集圖像。例如，可以在描繪脊柱的圖集圖像中標(biāo)記諸 如椎間盤(pán)的突出結(jié)構(gòu)。在描繪心臟的圖集圖像中的界標(biāo)示例包括但不限于主心動(dòng)脈的節(jié)段 和分支點(diǎn)以及心尖。圖集圖像的第一區(qū)域通常由界標(biāo)的分布來(lái)確定。例如，第一區(qū)域可以 是界標(biāo)的鄰域(例如球形鄰域)的聯(lián)合。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，圖集圖像是基于多個(gè)訓(xùn)練圖像構(gòu)建的。通過(guò)在訓(xùn)練圖 像中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)中設(shè)置界標(biāo)，可以手動(dòng)或自動(dòng)標(biāo)注每個(gè)訓(xùn)練圖像。在系統(tǒng)100的一實(shí)施例 中，通過(guò)采用例如普魯克分析(Procrustes analysis)而對(duì)訓(xùn)練圖像進(jìn)行按比例調(diào)節(jié)并且 對(duì)準(zhǔn)。普魯克分析在I. L. Dryden禾卩K. V. Mardia的名為"Statistical Shape Analysis", John Wiley & Sons ;Chichester，UK， 1998—書(shū)中有描述。基于多個(gè)訓(xùn)練圖像中的界標(biāo)位置 計(jì)算每個(gè)界標(biāo)的平均位置?；谄骄鐦?biāo)位置將訓(xùn)練圖像帶入到共同參考。例如，通過(guò)使用 由訓(xùn)練圖像中的界標(biāo)位置相對(duì)于平均界標(biāo)位置的位移域限定的變換來(lái)變換每個(gè)訓(xùn)練圖像。 訓(xùn)練圖像的變換可以通過(guò)采用位移域的薄板插值被限定。采用稀疏矢量場(chǎng)的薄板樣條插值 構(gòu)建矢量場(chǎng)被描述在F丄Bookstein的名為"Principal warps :Thin-plate splines and the decomposition of deformations，，， IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 11，第567-585頁(yè)，1989的文章中，其在下文被作為參考文件 l引用。經(jīng)變換的訓(xùn)練圖像的均值限定了圖集圖像。如上述構(gòu)建的圖集圖像的強(qiáng)度值可保 證很好地描繪界標(biāo)附近的圖像特征。在其他區(qū)域中，圖像特征可能是模糊的。
將生成單元105布置為生成用于變換圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換。本領(lǐng)域技 術(shù)人員會(huì)意識(shí)到生成單元可采用各種變換，包括剛性變換、仿射變換、分段仿射變換和彈性 變換。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，基于由基本變換域限定的候選變換域來(lái)生成圖集圖 像的候選變換域，其中每個(gè)基本變換域根據(jù)在多個(gè)訓(xùn)練圖像中的某一訓(xùn)練圖像中包含的 界標(biāo)相對(duì)于圖集圖像中的界標(biāo)位置的位移得出。采用對(duì)在多個(gè)訓(xùn)練圖像中的一些訓(xùn)練圖 像中包含的界標(biāo)相對(duì)于圖集界標(biāo)位置的位移的主成分分析，計(jì)算出基本變換域。采用主 成分分析描述界標(biāo)位置的可變性被描述在例如Cristian Lorenz和Nils Krahns記ver的 "Generation ofpoint-based 3D statistical shape models for anatomical objects，，， ComputerVision and Image Understanding 77 (2) ， 2000，第175-191頁(yè)的文章中。
在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，候選變換是基本變換域的線性組合。將變換單元110 布置為采用候選變換來(lái)變換圖集圖像的第一區(qū)域。將相似性單元120布置為計(jì)算圖集圖像 的經(jīng)變換的第一區(qū)域和目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)第一區(qū)域的相似性度量。目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū) 域是其面積或體積由圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域限定的目標(biāo)圖像區(qū)域，并且是其灰度值由目標(biāo)圖像的灰度值限定的目標(biāo)圖像區(qū)域。相似性度量可基于對(duì)經(jīng)變換的圖集圖像與目標(biāo) 圖像進(jìn)行模板匹配，或者對(duì)經(jīng)變換的圖集圖像的體素與目標(biāo)圖像的體素進(jìn)行匹配而實(shí)現(xiàn)， 其中體素是在目標(biāo)圖像的第一區(qū)域(例如在每個(gè)界標(biāo)周?chē)?中隨機(jī)選擇。在下文中術(shù)語(yǔ)體 積是指多維體積，例如2維(即面積)、3維或4維體積。同樣，術(shù)語(yǔ)體素是指多維體素，例 如2維(即像素)、3維或4維體素。圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域與目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第 一區(qū)域的相似性度量取決于候選變換，例如取決于基本域的線性組合的系數(shù)。將評(píng)估單元 130布置為采用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估候選變換并且基于對(duì)候選變換的評(píng) 估確定最優(yōu)變換。該標(biāo)準(zhǔn)可以是相似性度量等于或大于預(yù)定的、系統(tǒng)確定的或用戶確定的 閾值。另一標(biāo)準(zhǔn)可以是相似性度量為參數(shù)空間的最大值，例如在基本域的線性組合的系數(shù) 空間中的最大值。 如果候選變換滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則可成為最優(yōu)變換并且將擴(kuò)展單元140布置為將圖集 圖像的第一區(qū)域的最優(yōu)變化擴(kuò)展到圖集圖像的第二區(qū)域，其中第二區(qū)域包括第一區(qū)域，從 而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換。擴(kuò)展可以基于由基本變換域的線性組合限定的候選變換域的薄板插值， 如參考文件l中所描述。第二區(qū)域可包括圖集圖像的整個(gè)體積。將配準(zhǔn)單元150布置為采 用配準(zhǔn)變換來(lái)變換第二區(qū)域，從而將圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。 如果候選變換不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則將生成單元105布置為生成另一候選轉(zhuǎn)換，用以 由評(píng)估單元130基于相似性單元120計(jì)算的相似性度量進(jìn)行評(píng)估。生成單元105可接收來(lái) 自評(píng)估單元的輸入，從而生成候選變換。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以有許多可能的系統(tǒng)100 的實(shí)施例。可生成單元105、變換單元110、相似性單元120和評(píng)估單元130布置為實(shí)現(xiàn)用 于最優(yōu)化候選變換的算法，即找出最優(yōu)變換的算法。這種算法包括但不限于最陡上升或下 降路徑算法、共軛梯度算法、隨機(jī)查找算法和單純形法算法。 圖2示出了在脊柱的一個(gè)示例性圖集圖像中和三個(gè)示例性目標(biāo)圖片中的示例性 界標(biāo)位置。圖像201示出了脊柱的示例性圖集圖像。黑點(diǎn)指示了示例性圖集圖像中的界標(biāo) 位置。圖像211、212和213示出了帶有由系統(tǒng)100計(jì)算的界標(biāo)位置的脊柱的三個(gè)目標(biāo)圖 像。界標(biāo)位置由沿脊柱的白點(diǎn)表示。圖像221、222和223示出了帶有由醫(yī)學(xué)專家手動(dòng)確定 的界標(biāo)位置的三個(gè)相同目標(biāo)圖像。界標(biāo)位置由沿脊柱的白點(diǎn)表示。圖像對(duì)211和221、212 和222、213和223的對(duì)比圖示說(shuō)明了示例性圖集圖像201與目標(biāo)圖像的配準(zhǔn)能夠產(chǎn)生滿意 效果。 在系統(tǒng)100的一實(shí)施例中，系統(tǒng)100用于解剖結(jié)構(gòu)圖集與三維監(jiān)視圖像的配準(zhǔn)以 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)圖像采集規(guī)劃。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步理解，本文描述的系統(tǒng)100可以是在醫(yī)師工作的很多方 面輔助醫(yī)師的有價(jià)值的工具。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步理解，系統(tǒng)100的其他實(shí)施例也是可能的。除此之外，重 新限定系統(tǒng)的各單元以及重新分配其各自的功能也是可能的。雖然描述的實(shí)施例應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)圖像，但是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之外系統(tǒng)的其他應(yīng)用也是可能的。 系統(tǒng)100的各單元可通過(guò)使用處理器實(shí)現(xiàn)。通常，各單元的功能在軟件程序產(chǎn)品 的控制下執(zhí)行。在執(zhí)行過(guò)程中，軟件程序產(chǎn)品通常被加載到如RAM的存儲(chǔ)器，并從此處執(zhí) 行。程序可從諸如ROM、硬盤(pán)或磁存儲(chǔ)和/或光存儲(chǔ)的背景存儲(chǔ)器加載，或者可以經(jīng)由如因 特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)被加載。任選地，專用集成電路可提供所述的功能性。
圖3示出了使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的方法300的示例性 實(shí)現(xiàn)方式的流程圖。方法300開(kāi)始于生成步驟305，用以生成變換圖集圖像的第一區(qū)域的候 選變換。在生成步驟305之后，方法300繼續(xù)進(jìn)行到變換步驟310，用以采用候選變換來(lái)變 換圖集圖像的第一區(qū)域。變換步驟310之后，方法300繼續(xù)進(jìn)行到相似性步驟320，用于計(jì) 算圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域的相似性度量。相似性步驟 320之后，方法300繼續(xù)進(jìn)行到評(píng)估步驟330，用以采用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái) 評(píng)估候選變換并且基于對(duì)候選變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換。在評(píng)估步驟330后，方法300繼 續(xù)進(jìn)行到擴(kuò)展步驟340，用以將圖集圖像的第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到圖集圖像的第二區(qū) 域，其中第二區(qū)域包括第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換，或者根據(jù)候選變換的評(píng)估結(jié)果繼續(xù)進(jìn) 行到生成步驟305。如果基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)符合要求，則方法300繼續(xù)進(jìn)行到 生成步驟305。否則方法繼續(xù)進(jìn)行到擴(kuò)展步驟340。在擴(kuò)展步驟340之后，方法繼續(xù)進(jìn)行到 配準(zhǔn)步驟350，用以采用配準(zhǔn)變換來(lái)變換第二區(qū)域，從而使圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。在配 準(zhǔn)步驟350后，方法結(jié)束。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可改變一些步驟的順序或者通過(guò)使用線程模型、多處理器系統(tǒng)或 多處理器同時(shí)執(zhí)行一些步驟，而不會(huì)偏離本發(fā)明所要保護(hù)的概念。任選地，可以將本發(fā)明的 方法400的兩個(gè)或更多步驟組合為一個(gè)步驟。任選地，可將本發(fā)明的方法400的一個(gè)步驟 拆分為多個(gè)步驟。 圖4示意性示出了采用系統(tǒng)100的圖像采集裝置400的示例性實(shí)施例，所述圖像 采集裝置400包括經(jīng)由內(nèi)部連接與系統(tǒng)100連接的CT圖像采集單元410、輸入連接器401 和輸出連接器402。這樣的布置有利地增加了圖像采集裝置400的性能，為圖像采集裝置 400提供了系統(tǒng)100的有利性能。 圖5示意性示出了工作站500的示例性實(shí)施例。工作站包括系統(tǒng)總線501。處理 器510、存儲(chǔ)器520、磁盤(pán)輸入/輸出(I/O)適配器530和用戶接口 (UI) 540被可操作地連接 到系統(tǒng)總線501。將磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備531可操作地耦連到磁盤(pán)I/O適配器530。將鍵盤(pán)541、 鼠標(biāo)542和顯示器543可操作地耦連到UI 540。將以計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的本發(fā)明的系統(tǒng)100 存儲(chǔ)在磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備531中。將工作站500布置為將程序和輸入數(shù)據(jù)加載到存儲(chǔ)器520并 且在處理器510執(zhí)行程序。用戶可以使用鍵盤(pán)541和/或鼠標(biāo)542將信息輸入到工作站 500。將工作站布置為將信息輸出到顯示設(shè)備543和/或磁盤(pán)531。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解 存在本領(lǐng)域公知的工作站500的許多其他實(shí)施例，本實(shí)施例出于說(shuō)明本發(fā)明的目的，不應(yīng) 被解釋為將本發(fā)明限制在這個(gè)特定實(shí)施例。 應(yīng)注意到，上述實(shí)施例說(shuō)明而不是限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)可替
代實(shí)施例而不偏離權(quán)利要求的保護(hù)范圍。在權(quán)利要求中，括號(hào)內(nèi)的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)視為
限制權(quán)利要求。詞語(yǔ)"包括"并不排除沒(méi)有列舉在權(quán)利要求或說(shuō)明書(shū)中的元件或方法。元
件前面的詞語(yǔ)"一"或"一個(gè)"不排除存在多個(gè)這樣的元件。本發(fā)明可通過(guò)包含若干不同元
件的硬件的方式和編程的計(jì)算機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。在列舉若干單元的系統(tǒng)權(quán)利要求中，若干個(gè) 這些單元可以通過(guò)一個(gè)和相同條目的硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。詞語(yǔ)第一、第二和第三等的使用
不表示任何順序。這些詞語(yǔ)應(yīng)解釋為指代名稱。
權(quán)利要求
一種用于使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)包括-生成單元(105)，其用于生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；-變換單元(110)，其用于利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；-相似性單元(120)，其用于計(jì)算所述圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域之間的相似性度量；-評(píng)估單元(130)，其利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基于對(duì)所述候選變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換；-擴(kuò)展單元(140)，其將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的所述最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像的第二區(qū)域，其中，所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及-配準(zhǔn)單元(150)，其用于利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，所述第一區(qū)域包括多個(gè)界標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，基于多個(gè)訓(xùn)練圖像計(jì)算所述圖集圖像，來(lái) 自所述多個(gè)訓(xùn)練圖像的每個(gè)訓(xùn)練圖像均包括所述多個(gè)界標(biāo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，基于由基本變換域定義的候選變換域生成 所述圖集圖像的所述候選變換，其中，每個(gè)基本變換域是根據(jù)來(lái)自所述多個(gè)訓(xùn)練圖像的訓(xùn) 練圖像中包含的界標(biāo)相對(duì)于所述圖集圖像中的界標(biāo)位置的位移得出的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，基于對(duì)來(lái)自所述多個(gè)訓(xùn)練圖像的所述訓(xùn) 練圖像中包含的界標(biāo)相對(duì)于圖集界標(biāo)位置的位移的主成分分析，來(lái)計(jì)算所述每個(gè)基本變換 域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)(IOO)，還包括用于構(gòu)建所述多維圖像圖集的圖集單元 (155)。
7. —種圖像采集裝置(400)，其包括如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)。
8. —種工作站(500)，其包括如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)。
9. 一種使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的方法(300)，所述方法包括-生成步驟(305)，其用于生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換； -變換步驟(310)，其用于利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域； -相似性步驟(320)，其用于計(jì)算所述圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域之間的相似性度量；_評(píng)估步驟(330)，其用于利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基于對(duì)所述候選變換的評(píng)估確定最優(yōu)變換；-擴(kuò)展步驟(340)，其用于將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的所述最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像的第二區(qū)域，其中，所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及 -配準(zhǔn)步驟(350)，其用于利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。
10. —種由計(jì)算機(jī)布置加載的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括用于使來(lái)自多維圖像圖集的圖集 圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的指令，所述計(jì)算機(jī)布置包括處理單元和存儲(chǔ)器，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在被加載后為所述處理單元提供執(zhí)行以下任務(wù)的能力 _生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換； _利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；-計(jì)算所述圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域之間的相 似性度量；-利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基于對(duì)所述候選變換 的評(píng)估來(lái)確定最優(yōu)變換；-將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的所述最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像的第二區(qū)域， 其中，所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；以及_利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使來(lái)自多維圖像圖集的圖集圖像與目標(biāo)圖像配準(zhǔn)的系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)包括生成單元(105)，其生成用于變換所述圖集圖像的第一區(qū)域的候選變換；變換單元(110)，其用于利用所述候選變換來(lái)變換所述圖集圖像的所述第一區(qū)域；相似性單元(120)，用于計(jì)算所述圖集圖像的經(jīng)變換的第一區(qū)域和所述目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域之間的相似性度量；評(píng)估單元(130)，其利用基于所計(jì)算的相似性度量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估所述候選變換并且基于對(duì)所述候選變換的評(píng)估來(lái)確定最優(yōu)變換；擴(kuò)展單元(140)，其將所述圖集圖像的所述第一區(qū)域的最優(yōu)變換擴(kuò)展到所述圖集圖像的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域包括所述第一區(qū)域，從而創(chuàng)建配準(zhǔn)變換；和配準(zhǔn)單元(150)，其利用所述配準(zhǔn)變換來(lái)變換所述第二區(qū)域，從而使所述圖集圖像與所述目標(biāo)圖像配準(zhǔn)。有利的是，系統(tǒng)(100)不需要在目標(biāo)圖像中設(shè)置界標(biāo)位置。系統(tǒng)(100)的另一優(yōu)勢(shì)在于由于相似性是在本地計(jì)算的，即基于圖集圖像的第一區(qū)域計(jì)算的，因此配準(zhǔn)快速?gòu)亩鴮?duì)臨床應(yīng)用具有吸引力。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101772784SQ200880101606
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者D·貝斯特羅夫, V·佩卡爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司