梯度与曲率变形力相结合的图像配准方法——大形变非刚性图像配准

Active Demons算法是Demons算法的改进形式,其将形变配准视作扩散问题,利用牛顿作用力与反作用力思想,仅依靠梯度信息确定浮动图像的位移,在处理大形变配准问题时存在配准精度不高的弊病。将等照度线曲率作为一个控制形变的驱动力因素引入Active Demons扩散方程,建立了一个具有梯度与曲率双重驱动力相结合的非线性扩散模型（Active G&C model）,并在Active G&C模型应用于大形变图像配准的算法实现过程中加入多分辨率策略,以提高大形变图像的配准精度。实验结果表明,这一模型较经典的Active Demons算法具有更好的配准性能。     

三维医学图像配准在图像引导放疗中的应用

为了确定病人的摆位误差,实现精确放疗,提出一种改进的Demons弹性配准算法。采用FDK算法对锥形束CT(CBCT)图像进行三维重建,利用可视化工具包 (VTK)体绘制法可视化重建结果;在分割与配准工具包 (ITK)基础上实现Demons算法,并基于对称梯度的思想,将参考图像和浮动图像的梯度场信息加入到Demons算法中,给出新的Demons形变力公式。分别使用单模态和多模态医学图像进行配准实验,结果显示改进的Demons算法与原始Demons算法相比,配准速度更快、精度更高。基于对称梯度的Demons算法更适用于图像引导放射治疗中CBCT重建图像与CT计划图像间的配准。     

基于平衡系数的Active Demons非刚性配准算法

经典的Active demons算法利用参考图像和浮动图像的梯度信息作为驱动力,并使用均化系数调节两种驱动力之间的强度.该算法克服了Demons算法单一使用参考图像的梯度信息作为驱动力的缺点,但是Active demons算法中的均化系数无法同时兼顾大形变和小形变区域的准确配准,还会导致配准的收敛速度和精确度相互制约的问题.为此,本文提出一种新的Active demons非刚性配准算法.提出的算法在Active demons扩散方程中引入一个称为平衡系数的新参数,与均化系数联合调整驱动力,不仅可以兼顾图像中同时具有的大形变和小形变区域的准确配准,而且在一定程度上缓和了收敛速度和精确度相互制约的问题.为了进一步提高配准的收敛速度和精确度,避免陷入局部极值,在新的配准算法的实现中引入由粗到细的多分辨率策略.在Checkboard测试图像、自然图像和医学图像上的实验结果表明,提出的算法较经典的Active demons算法收敛速度更快,配准精度平均提高了54.28%,接近最新的TV-L1光流场图像配准算法的配准精度,解决了Active demons算法存在的问题.     

大形变微分同胚图像配准快速算法

本文提出一种研究大形变图像配准算法. 大形变使得图像信息和拓扑结构有较大的改变, 目前该方面的研究仍然是一个难点. 基于严密数学理论的微分同胚Demons算法是图像配准的著名算法, 为解决大形变配准问题提供了重要基础. 基于对微分同胚Demons算法的研究结合流形学习的思想提出一种大形变图像配准的新算法(MRL算法). 新算法通过挖掘图像的局部和全局流形信息改进微分同胚Demons 速度场的更新, 更好地保持图像的拓扑结构. 对比实验结果表明, 本文所提出的算法能够快速高精度地实现大形变图像的配准.     

基于小波变换的脑部医学Demons图像配准

非刚性配准是医学图像处理的一个重要研究方向;针对Demons衍生出的一系列经典的配准算法在医学图像应用上计算复杂、方向信息不足问题进行了研究;基于光流场模型的Demons算法依赖图像灰度梯度使图像发生变形,当缺乏梯度信息时,力不能确定,因而容易造成误差,并且该算法仅适合于单模态图像配准;为此文章提出了一种基于小波变换理论的频域Demons配准处理方法(B-Demons);该方法利用小波变换能够对各个尺度、方向和位置实现较好定位的优势,通过高频、低频的图像变换反映出图像的特征信息;实验结果证明了算法的有效性和鲁棒性。     

基于非刚性配准的交互式医学图像序列分割

提出了一种新的交互式医学图像序列分割算法,该算法将非刚性配准技术和解剖先验知识相结合把图像分割问题转化为图像配准问题。首先采用Demons算法进行图像配准,用光流法计算瞬时位移,设计了一个新的停止准则使其能自适应地确定迭代次数,并将它在金字塔型的多尺度框架下实现。然后用配准得到的形变域对已精确分割的图像进行形变就能自动地获得未分割目标图像的分割结果。扩展上述过程就可实现整个图像序列分割。试验结果表明该算法用户干预少、分割速度快、分割结果准确。     

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。     

基于自适应分数阶的医学图像非刚性配准

现有的医学图像配准算法对于灰度均匀、弱边缘以及弱纹理图像易陷入局部最优从而导致配准精度低下、收敛速度缓慢. 分数阶主动Demons (Fractional active Demons, FAD)算法是解决该问题的有效方法, 并且适用于图像的非刚性配准. 但FAD中的最佳分数阶阶次是人工交互选取, 并且对整幅图像都是固定不变的. 为了解决该问题, 提出一种阶次自适应的主动Demons算法并将其应用到医学图像的非刚性配准中. 算法首先根据图像的局部特征建立分数阶阶次自适应的数学模型, 并逐像素计算最优阶次, 基于该阶次构造Riemann-Liouvill (R-L)分数阶微分动态模板; 然后将自适应R-L分数阶微分引入到Active Demons算法, 在一定程度上缓解了图像配准在弱边缘和弱纹理区域易陷入局部最优问题, 从而提高了配准精度. 通过在两个医学图像库上进行实验验证, 实验结果表明该方法可以处理灰度均匀、弱纹理和弱边缘的医学图像非刚性配准, 配准精度得到较大提升.     

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。     

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。     

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%。     

配准算法对 PCA 单幅投影肺部重建的影响

肺癌放射治疗中,肺部肿瘤位置实成像对于临床意义重大。在一种利用单X射线投影进行成像的实时肺部3D成像算法中,图像配准过程引入的不准确对于PCA模型构建以及重建过程有重大影响。文章分析了光流法、Demons算法、水平集算法三种配准算法对重建效果的影响,并通过定性以及定量实验分析验证。结果表明,光流法配准在配准结果以及模型构建方面有较好的效果。     

图像修复的CDD模型新算法

CDD图像修复模型是在TV模型的基础上引入曲率项来满足视觉的“连接性”原则. 考虑到该模型各参考点梯度模值大小的不同及扩散效率的不足,本文结合退化扩散模型提出了一种新的CDD模型图像修复算法. 该算法利用待修复区域像素点的梯度和等照度线的曲率信息来控制各参考点对破损区域的贡献值,并进一步作加权处理. 最后将该模型的偏微分方程离散化,给出了模型的数值实现方法. 实验结果表明该算法能保证图像边缘的视觉连通性,并在相同迭代次数的情况下,修复效果明显优于CDD算法,是一种有效的新方法.     

Demons非刚性配准算法拓扑保持性的研究

在基于配准的图像分割应用中, 拓扑保持性是非刚性图像配准算法的一个重要约束. 本文从矢量场特性出发, 分析了Demons非刚性图像配准算法导致目标拓扑改变时变形场的特点. 根据变形场特点与其雅可比行列式之间的关系, 给出了校正该算法拓扑保持性的方法. 实验表明, 改进后的变形场具有了拓扑保持性.