联合弯曲能量和标志点对应约束的非刚性医学图像配准

由于缺乏图像几何空间约束,基于互信息的非刚性医学图像配准常常产生不合理的形变。提出一种联合弯曲能量和标志点对应约束的非刚性医学图像配准方法,在互信息配准目标函数中添加弯曲能量惩罚和对应标志点间欧氏距离2个正则项,约束医学图像软组织不合理形变。脑部MRI、头颈部CT、胸部CBCT影像配准实验结果表明,该方法可有效提高配准质量。     

四维CT肺图像多层次时空一致性配准方法

四维CT肺图像提供了肺部动态信息,可广泛用于肺部疾病诊断和精确放射治疗。提出一种针对四维CT肺图像的多层次时空一致性配准方法。该方法首先从最大吸入相位的图像中提取控制点,利用结构张量跟踪算法对控制点进行跟踪;构建多层时空一致性优化模型,对控制点进行调整,从整图配准角度提高控制点配准精度;每次调整后根据配准的一致性误差,添加新的控制点,进一步降低配准的一致性误差,并对新的控制点集重新进行优化调整。该模型在空间上对形变进行约束,保持形变扭曲的平滑性;在时间上对控制点轨迹进行约束,保持控制点的轨迹平滑性;通过一致性约束,降低了正向和反向形变函数的一致性误差。在测试数据集上的实验结果表明,该方法可以得到平滑、稳定、合理的形变结果,可以用于估计肺部运动模型。     

牙周膜胶原纤维组织切片的显微图像配准

针对牙周膜胶原纤维组织切片在制作过程中对力度和方向非常敏感,极易造成组织变形和空间位移的问题,采用了一种有效的图像配准方法,以便后期对胶原纤维组织空间结构的重建。在Masson染色制成的兔牙周膜石蜡切片的基础上,利用高倍光学显微镜获得了牙周膜的序列切片图像;再采用基于正规步长梯度下降的二维刚性配准和基于对数域对称Demons微分同胚非刚性配准相结合的方法,对牙周膜序列切片图像进行级联配准。实验结果表明,相对于有限元非刚性配准而言,对数域对称Demons微分同胚非刚性配准方法具有较好的优势,其配准每张图片的平均时间为有限元法的3.1%,而配准均方误差平均为有限元法的89%。     

基于多层P样条和稀疏编码的非刚性医学图像配准方法

针对传统相似性测度易受灰度偏移场的影响而造成误配,和单层P样条变换模型中通常无法准确选择初始化网格密度的问题,提出了多层P样条和稀疏编码的非刚性医学图像配准方法。该方法将稀疏编码作为相似性测度,首先把待配准的两幅图像划分图像块,然后使用“K-SVD”算法训练图像块得到分析字典并寻找稀疏系数,采用多层P样条自由变换模型来模拟非刚性几何形变,结合梯度下降法优化目标函数。实验结果表明,与单层P样条几何变换和Sparse-induced、Rank-Induced相似性测度相比,所提方法能够准确选择网格密度并有效克服灰度偏移场对配准的影响,降低了均方根误差,提高了配准的精度和鲁棒性。     

非刚性医学图像配准研究综述

非刚性配准技术是医学图像配准中的一个重要研究课题,是非刚性组织配准,不同个体之间的配准以及个体同图谱配准的基础。该文提出了多项式法、样条函数法等基于空间变换的配准方法,以及弹性模型、粘性流体模型和光流场模型等基于物理模型的配准方法两大类方法。同刚性配准相比,非刚性配准技术还不成熟,计算效率和稳定性还需要进一步提高,仍是一个非常活跃的研究领域。     

子宫肌瘤MRI影像非刚性配准研究

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗和磁共振技术结合(MRI-guided HIFU,MRgHIFU)采用MRI进行目标定位、治疗规划和能量沉积的闭环控制以保障热消融不伤及周围组织,其中图像配准是校正定位误差,实施精确治疗的重要环节。针对三维非刚性配准方法,在子宫肌瘤的治疗计划修正和跟踪方面的应用进行研究。针对前后两个不同时段采集的子宫肌瘤MR影像,分别进行基于自由形变模型(Free-From Deformation,FFD)算法和Demons算法的非刚性配准对比。实验结果表明,该基于FFD的非刚性配准算法,对于形变较小的子宫肌瘤真实数据能够取得较为合适的配准效果,重叠区域的互相关系数(CC)从配准前的0.59提高到配准后的0.74。     

形变医学图像配准方法设计与仿真

利用目前方法对形变医学图像进行配准时，没有提取形变医学图像特征，存在特征点获取结果与实际结果相差大、医学图像配准效果差和医学图像配准时间长的问题。为此提出基于角点检测与SIFT的形变医学图像配准方法。采用角点检测与SIFT相结合的方法对医学图像的特征点进行提取，在图像特征提取前，优先对尺度空间的极值点进行检测，其次生成角点特征，通过检测结果与最终特征点的方向完成医学图像特征点的提取，提升了医学图像配准精度。将提取的特征输入到构建的深度学习模型中，根据提取特征的训练及损失函数的优化实现形变医学图像配准。实验结果表明，通过对上述方法进行特征点获取结果与实际结果对比测试、医学图像配准效果测试和配准时间测试，验证了上述方法的准确性与有效性。     

利用混合特征的多视角遥感图像配准

目的 多视角遥感图像配准是遥感图像处理领域的一项关键技术,其目的是精确获取图像间被测区域发生的几何变换关系。由于航拍视角变化以及地物的空间分布和几何形状的复杂度,多视角遥感图像间会产生非刚性畸变问题,增加了图像配准的难度,为此本文提出一种利用遥感图像SIFT（scale-invariant feature transform）特征点阵的全局和局部几何结构特征进行多视角遥感图像配准的算法。方法 通过增加对SIFT点阵的几何结构特征描述以及利用SIFT点阵间全局与局部几何结构特征的互补关系,提升存在非刚性畸变的多视角遥感图像配准精度。 结果 实验使用谷歌地球的卫星影像数据以及无人机航拍遥感数据对本文算法进行了测试,并与3种同类算法（SIFT、SURF（speeded-up robust features）、CPD（coherent point drift））进行对比实验,本文算法在存在非刚性畸变的多视角遥感图像配准中能够有效地提升SIFT特征点阵的配准精度,从而获得更加准确的多视角遥感图像配准结果。结论 本文实现了一种结合SIFT特征点阵的全局和局部几何结构特征进行多视角遥感图像配准的算法,实验结果表明了该方法对存在非刚性畸变的多视角遥感图像能够有效地进行配准,可适用于同源多视角情况下的遥感图像配准问题。     

基于深度卷积特征光流的形变医学图像配准算法

光流法是一种基于光流场模型的重要而有效的形变配准算法。针对现有光流法所用特征质量不高使得配准结果不够准确的问题，将深度卷积神经网络特征和光流法相结合，提出了基于深度卷积特征光流（DCFOF）的形变医学图像配准算法。首先利用深度卷积神经网络稠密地提取图像中每个像素所在图像块的深度卷积特征，然后基于固定图像和浮动图像间的深度卷积特征差异求解光流场。通过提取图像的更为精确和鲁棒的深度学习特征，使求得的光流场更接近真实形变场，提升了配准精度。实验结果表明，所提算法能够更有效地解决形变医学图像配准问题，其配准精度优于Demons算法、尺度不变特征变换(SIFT) Flow算法以及医学图像专业配准软件Elastix。     

图像配准的复制动力学方法

为了实现高精度图像配准,把单个像素看做参与博弈的局中人,将图像配准视为图像中各个像素与其周边像素的演化博弈过程。为了寻求博弈的均衡点,根据配准问题的特点,对复制方程进行修改,提出基于修改后的复制方程的图像配准方法。新方法是完全基于问题域建立起来的,能实现对任意形变的高精度配准,并且配准精度与分辨率无关。针对刚性形变的遥感图像和非刚性形变的医学图像进行了两组实验,结果表明了新算法的有效性。     

基于肺部组织特征的图像弹性配准研究

图像配准是一种建立两幅图像空间对应关系的过程,它被广泛应用于计算机视觉、遥感数据分析及图像处理中,特别是在影像引导放射治疗领域,图像配准发挥着巨大作用。但由于受呼吸运动的影响,精确的肺部影像配准依然是一个充满挑战的难题。目前,尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)已被用于医学图像配准中,并且取得了较理想的结果。然而,SIFT检测到的仅是图像的块特征,不能有效的反映肺部的运动。文章提出了一种基于Harris和SIFT算子的杂交型特征检测方法,这种方法能有效检测肺部的组织特征,如血管分叉点和肺部边界等。除此之外,为了有效去除特征匹配过程中产生的错配点,还提出了一种基于互相关和组织结构不变性的滤除错配点方法。文章最后采用一系列不同呼吸周期的肺部CT影像来对所提出的算法进行验证。定性和定量的结果表明,该算法较传统的SIFT算法更具优越性。     

残差密集相对平均CGAN的脑部图像配准

目的 针对图像合成配准算法中鲁棒性差及合成图像特征信息不足导致配准精度不高的问题,提出了基于残差密集相对平均条件生成对抗网络（residual dense-relativistic average conditional generative adversarial network,RD-RaCGAN）的多模态脑部图像配准方法。方法 相对平均生成对抗网络中的相对平均鉴别器能够增强模型稳定性,条件生成对抗网络加入条件变量能提高生成数据质量,结合两种网络特点,利用残差密集块充分提取深层网络特征的能力,构建RD-RaCGAN合成模型。然后,待配准的参考CT（computed tomography）和浮动MR（magnetic resonance）图像通过已训练好的RD-RaCGAN合成模型双向合成对应的参考MR和浮动CT图像。采用区域自适应配准算法,从参考CT和浮动CT图像中选取骨骼信息的关键点,从浮动MR和参考MR图像中选取软组织信息的关键点,通过提取的关键点指导形变场的估计。从浮动CT图像到参考CT图像估计一个形变场。类似地,从浮动MR图像到参考MR图像估计一个形变场。另外,采用分层对称的思想进一步优化两个形变场,当两个形变场之间的差异达到最小时,将两个形变场融合得到最终的形变场,并将形变场作用于浮动图像完成配准。结果 实验结果表明,与其他6种图像合成方法相比,本文模型合成的目标图像在视觉效果和客观评价指标上均优于其他方法。对比Powell优化的MI（mutual information）法、ANTs-SyN（advanced normalization toolbox-symmetric normalization）、D.Demons（diffeomorphic demons）、Cue-Aware Net（cue-aware deep regression network）和I-SI（intensity and spatial information）的图像配准方法,归一化互信息分别提高了43.71%、12.87%、10.59%、0.47%、5.59%,均方根误差均值分别下降了39.80%、38.67%、15.68%、4.38%、2.61%。结论 本文提出的多模态脑部图像配准方法具有很强的鲁棒性,能够稳定、准确地完成图像配准任务。     

基于多通道稀疏编码的非刚性多模态医学图像配准

针对稀疏编码相似性测度在非刚性医学图像配准中对灰度偏移场具有较好的鲁棒性,但只适用于单模态医学图像配准的问题,提出基于多通道稀疏编码的非刚性多模态医学图像配准方法。该方法将多模态配准问题视为一个多通道配准问题来解决,每个模态在一个单独的通道下运行;首先对待配准的两幅图像分别进行合成和正则化,然后划分通道和图像块,使用K奇异值分解（K-SVD）算法训练每个通道中的图像块得到分析字典和稀疏系数,并对每个通道进行加权求和,采用多层P样条自由变换模型来模拟非刚性几何形变,结合梯度下降法优化目标函数。实验结果表明,与局部互信息、多通道局部方差和残差复杂性（MCLVRC）、多通道稀疏诱导的相似性测度（MCSISM）、多通道Rank Induced相似性测度（MCRISM）多模态相似性测度相比,均方根误差分别下降了30.86%、22.24%、26.84%和16.49%。所提方法能够有效克服多模态医学图像配准中灰度偏移场对配准的影响,提高配准的精度和鲁棒性。     

基于VoxelMorph的可见光和红外遥感影像配准

由于可见光和红外的成像机理、成像波段不同,获取的遥感影像之间存在复杂的非线性辐射畸变,传统的配准方法难以实现两者的高精度配准。本文提出一种基于VoxelMorph的可见光和红外遥感影像配准方法,利用卷积神经网络对可见光和红外异源图像进行分步的精细化形变场计算,从而实现快速高精度配准。将可见光图像作为参考图像,利用U-Net网络计算待配准红外图像和参考（可见光）图像的形变场,实现全局对齐的仿射变换,然后通过空间转换网络进一步实现更高自由度变形。采用WHU-OPT-SAR数据集的实验结果表明,与基于尺度不变特征变换（SIFT）算法的传统配准方法相比,本文提出的基于VoxelMorph配准方法可以获得更好的配准效果,验证了基于VoxelMorph的配准方法在多源遥感影像领域的有效性。     

基于改进的Zernike矩的局部描述符与图割离散优化的非刚性多模态脑部图像配准

针对脑部图像中存在噪声和强度失真时，基于结构信息的方法不能同时准确提取图像强度信息和边缘、纹理特征，并且连续优化计算复杂度相对较高的问题，根据图像的结构信息，提出了基于改进Zernike距的局部描述符（IZMLD）和图割（GC）离散优化的非刚性多模态脑部图像配准方法。首先，将图像配准问题看成是马尔可夫随机场（MRF）的离散标签问题，并且构造能量函数，两个能量项分别由位移矢量场的像素相似性和平滑性组成。其次，采用变形矢量场的一阶导数作为平滑项，用来惩罚相邻像素间有较大变化的位移标签；用基于IZMLD计算的相似性测度作为数据项，用来表示像素相似性。然后，在局部邻域中用图像块的Zernike矩来分别计算参考图像和浮动图像的自相似性并构造有效的局部描述符，把描述符之间的绝对误差和（SAD）作为相似性测度。最后，将整个能量函数离散化，并且使用GC的扩展优化算法求最小值。实验结果表明，与基于结构表示的熵图像的误差平方和（ESSD）、模态独立邻域描述符（MIND）和随机二阶熵图像（SSOEI）的配准方法相比，所提算法目标配准误差的均值分别下降了18.78%、10.26%和8.89%，并且比连续优化算法缩短了约20 s的配准时间。所提算法实现了在图像存在噪声和强度失真时的高效精确配准。     

一种特征约束的有限元人脑图像配准方法

提出了一种结合图像的解剖标记点和自适应有限元网格进行人脑图像的精确配准方法.首先利用Forstner算子提取对应图像的解剖标记点,并作初始的图像刚性变换.为了使有限元网格能更加准确地刻画图像解剖结构分布特征,本文利用图像的梯度分布建立了自适应的有限元网格剖分,结合标记点作为有限元的形变约束,使得配准的精度和有限元的计算效率得到提高.人脑图像配准的实验结果表明,该方法能有效地解决图像弹性配准问题.     

基于边缘保护尺度空间的形变配准方法及在自适应放疗中的应用

计划CT图像与锥形束CT (Cone beam CT, CBCT)图像的配准是基于CBCT图像引导放射治疗(Image guided radiation therapy, IGRT)系统中实现自适应放疗(Adaptive radiation therapy, ART)的关键部分.边缘保护多尺度空间基于非线性扩散模型,可以为基于互信息的配准提供丰富的空间位置信息.为了提高系统中配准算法性能,本文提出了一种基于边缘保护尺度空间与自由形变模型(Free form deformation, FFD)相结合的多尺度形变配准方法.我们采用了在不同的尺度上根据精细程度选择相应的自由形变控制点数,由粗及精地恢复形变.同时, 提出了自动获取非线性扩散模型中平滑参数λ的方法来实现全自动配准. 实验结果表明,本文提出的方法用于基于CBCT的图像引导放射系统时,可实现日常放疗时的CBCT图像和计划CT图像准确且快速的配准.通过获得的形变域,可实现CBCT图像肿瘤靶区、危及器官(Organ at risk, OR)和等剂量线的自动勾画,从而实现剂量体积直方图(Dose volume histograms, DVH)分析.最终实现了放疗计划从CT到CBCT的自适应转移.     

基于残差融合网络的定量磁敏感图像与T1加权图像配准

医学图像配准对医学图像处理和分析至关重要, 由于定量磁敏感图像 (quantitative susceptibility mapping, QSM) 与T1加权图像的灰度、纹理等信息存在较大的差异, 现有的医学图像配准算法难以高效精确地完成两者配准. 因此, 本文提出了一个基于残差融合的无监督深度学习配准模型RF-RegNet (residual fusion registration network, RF-RegNet). RF-RegNet由编解码器、重采样器以及上下文自相似特征提取器3部分组成. 编解码器用于提取待配准图像对的特征和预测两者的位移矢量场 (displacement vector field, DVF), 重采样器根据估计的DVF对浮动QSM图像重采样, 上下文自相似特征提取器分别用于提取参考T1加权图像和重采样后的QSM图像的上下文自相似特征并计算两者的平均绝对误差 (mean absolute error, MAE) 以驱动卷积神经网络 (convolutional neural network, ConvNet) 学习. 实验结果表明本文提出的方法显著地提高了QSM图像与T1加权图像的配准精度, 满足临床的配准需求.     

一种快速的三维扫描数据自动配准方法

研究了两幅和多幅深度图像的自动配准问题.在配准两幅深度图像时,结合二维纹理图像配准深度图像,具体过程是:首先,从扫描数据中提取纹理图像,特别地,针对不包含纹理图像的扫描数据提出了一种根据深度图像直接生成纹理图像的方法;然后,基于SIFT(scale-invariant feature transform)特征提取纹理图像中的兴趣像素,并通过预过滤和交叉检验兴趣像素等方法从中找出匹配像素对的候选集;之后,使用RANSAC(random sample consensus)算法,根据三维几何信息的约束找出候选集中正确的匹配像素对和相对应的匹配顶点对,并根据这些匹配顶点对计算出两幅深度图像间的刚体置换矩阵;最后,使用改进的ICP(iterative closest point)算法优化这一结果.在配准多幅深度图像时,提出了一种快速构建模型图的方法,可以避免对任意两幅深度图像作配准,提高了配准速度.该方法已成功应用于多种文物的三维逼真建模.