基于数字化可视人数据集的医学图像配准研究

基于数字化可视人数据集的医学图像配准研究 基于数字化可视人数据集的医学图像配准 研究 ? 6O?军医修学院2006Feb ,27(1)AcadJPPostgradMedSehLA' 基于数字化可视人数据集的医学图像配准研究 谭珂,郭光友,潘新华,张绍祥 (1.解放军总医院教育技术中心,北京100853;2.解放军第三军医大学,重庆400038) [摘要]目的:采用医学图像配准技术,对中国数字化可视人数据集进行准确,高效的 配准.方法:?图像 Lab色度空间变换和二值化;?图像分割和特征量提取;?构造坐标变换矩阵;?图 像序列配准变换.结果:配准 后的图像序列中,人体解剖结构在空间和结构上实现了精确的匹配对应.进行三维 重建后,几何模型外表面具有 较高的光滑度,说明方法有效,可靠.结论:采用特征提取和快速坐标变换的配准方 法可较好地应用于数字化可视 人数据集的图像配准. [关键词]可视人体项目;图像处理;特征量提取;坐标变换 [中圈分类号]R857.14[文献标识码]A[文章编号]1005-1139(2006)01-0060-02 Researchofmedicalimageregistrationbasedondatasetofdigitizedvisiblehuman TAN,GUOGuang—you,?一hua,Z?GShao—xiang(1.EducationalTechnologyCenter,尸LA GeneralHospital,Belting100853,China;2.MilitaryMedicalUniversity,Chongqing40003 8,China) [ABSTRACT]Objective:Weapplymedicalimageregistrationtechnologytotheexactandef ficientregistrationofthefirst datasetofChinesedigitizedvisiblehuman.Methods:(1)Themedicalimagesweretransform edinchromaspaceand2-value. (2)Wesegmentedtheimagesandpicked-uptheireigenveetors.(3yI'l1ecoordinatetransformationmatrixwasbuilt.(4yITIIeimageSO'- queneewasregisteredandtransformed.Results:Accordingtotheregisteredimagesequence,theexactanatomicmatchingin spaceandstructureisrealized.After3Dreconstruction,thesurfaceofgeometricalmodelisofhigherglossy.Itindicatesthatthe methodiseffectiveandcredible.Conclusion:Theregistrationmethodofpicking-upeigenveetorandfastcoordinatetransformation ismoreapplicabletoregisterthedatasetofdigitizedvisiblehuman. [KEYWORDS]visiblehumanproject;imageprocess;picking-upeigenveetor;coordinatetransformation 医学图像配准是指对患者的一幅医学图像寻求 一 种(或一系列)空间变换,使它与同一患者同一器 官的另一幅医学图像上的对应点达到空间上和解剖 结构上的完全一致和匹配l2].该技术在人体组织 器官三维重建j,PACS系统j,放射治疗计划等 方面有重要的应用价值.本研究基于中国首套数字 化可视人体切片数据集,采用图像特征点提取和快 速坐标变换的方法对高分辨率,大容量的数据序列 进行了图像配准. 1对象和方法 1.1对象研究对象为第三军医大学完成的中国 首例,世界第2例女性数字化可视人体数据集. [收稿日期]2005-04.21[修回日期]2005-05-25 [基金项目]国家自然科学基金项目(60371036);"十五"军队医药科 研基金项目(01MA097) [作者简介]谭珂(1973.).男.湖南长沙人,1996年国防科技大学本 科毕业,2004年中国科学院自动化研究所硕士毕业,工程师.发 表论文15篇.电话:(010)66937691 该数字化可视人体为无器质性病变和缺损的中等身 材22岁青年女性,经外形测量,血管灌注后,用5% 明胶包埋,并于四个角与人体平行植入四根定位线, 已备配准使用,如图1所示,可以看到定位线横切后 产生的定位点.再整体置人一3O?冰库中冰冻,然 后在一25?低温实验室中用TK-6350型数控铣床从 头至足逐层铣切.逐层用高清晰度数码相机摄影, 得到人体切片数据集.其数据连续横断面层厚:头 部为0.25mm,其他部位为0.5mm,全身共计3640 个断面.数字化摄影分辨率为6291456(3072× 2048)像素,每个断面图像文件大小为36MB,整个 数据集数据量为131.04GB.由于铣切,旋转和拍摄 的过程中,各层间会产生空间误差,所以需要进行配 准校正. 1.2方法本研究主要采用基于图像特征的配准 算法,其包含了图像Lab色度空间变换和二值化,图 像分割,特征量提取,构造坐标变换矩阵,图像序列 配准变换这几个主要步骤.其中的关键步骤是特征 量提取和坐标变换矩阵构造. 军修学院2006Feb ,27(1)AeadPostgradMedSchjPLA…… 1.2.1图像Lab色度空间变换和二值化'作为特 征量提取的前期工作,为了能够更好的突出图像中 的四个角上的定位点特征量,需要把所有的人体切 片数据序列由原来的RGB色度空间转化为Lab色 度空间,并且进行色度拉伸和图像的灰度二值化. 1.2.2图像分割和特征量提取对于变换完的灰 度图像序列在基于四个角的范围内进行区域图像分 割,然后在这四个子区域内分别对这四个定位点进 行特征量的提取,获得这四个点的坐标.从而得到 整个图像序列的四定位点的集合,保存为一组坐标 向量……,.其中n为图像序列的数量. 1.2.3构造坐标变换矩阵从图像序列定位点坐 标向量组中选取第1张图像坐标向量和第2张图 像坐标向量,构造矩阵方程=A.?,通过矩阵 求逆运算获得坐标变换矩阵A,同理,可以继续构 造第1张图像坐标向量和第i张图像坐标向量 变换方程=A?-一Xi,并获得相应的坐标变换矩阵 Ai,其中i=3,4,5,……n. 1.2.4图像序列配准变换以第1张图像作为基 准图,其他所有图像作为浮动图,把浮动图中每个像 素点坐标均与该浮动图对应的坐标变换矩阵A相 乘,这样浮动图中所有像素点经过坐标变换而映射 到了基准图中. I一?-l图1数字化可视人体切片数据 Fig1Slicedataofdigitizedvisiblehuman(1eft) 图2配准前和配准后两幅重叠图像的对比 Fig2Comparetheimagebeforeregistrationwiththeim- ageafterregistration(middleVSfight) 2结果 通过坐标变换,图像序列所有的图像均被映射 到第1张图像所在的坐标系中.如图2所示,左边为 配准之前,采用半透明的方式重叠显示第1幅和第 2幅图像,可以看到两组定位点之间存在一定的偏 差,且人体组织轮廓也有错位.而配准后,在右边可 以看到两幅图像的四个定位点已经重合了,这样在 图像序列中的人体解剖结构就实现了空间和结构的 精确配准.在配置为P4—1.6G,256M内存,32M显 存的Pc机上,对数字化可视人体切片数据集中的 全身共计3640幅图像(分辨率为600万像素,每幅 容量36MB),进行配准计算.配准计算速度为每幅 图像1O秒,配准误差小于0.8%. ? 6l? 为验证配准后的实际效果,在完成的新数据集 中进行心脏器官和相关血管的轮廓线提取,并对获 得的轮廓线数据集进行三维重建,把重建的三维模 型读人图形显示系统,可以看到,心脏模型和血管模 型逼真,交互流畅,且其外表面具有较高的光滑度, 说明配准方法稳定可靠,完成的图像序列在空间和 解剖结构上完全一致和匹配,能够满足后期进一步 处理和应用的需要. 3讨论 采用人体解剖学和现代影像学方法获取的中国 数字化可视人体数据集自问世以来,在其基础上已 展开了多项综合研究.而本研究采用医学图像 处理技术,能够自动提取数据集中所有定位点坐标, 并通过特征提取和快速坐标变换,对整个数据集进 行了配准计算.经过组织器官的三维重建显示验 证,结果表明采用该方法配准后的数据集可以较好 的满足三维重建等后续研究的需要. 由于该配准方法稳定有效,执行效率较高,我们 可以把它应用于其他切片数据集中,使中国数字化 可视人数据集广泛应用于数字解剖学,放射治疗模 拟,虚拟手术仿真.1叫等医学应用领域. [参考文献] [1]俞亚青,田学隆.医学图像配准方法分类及现状[J].重庆大 学,2003,26(8):114—118. [2]PluimJPW.FitzpatrickJM.Imageregistration[J].IEEETran OilMedImg,2003,22(11):1341—1343. [3]RajivKapoor.AdityaDutta.Fusionforregistrationofmedicalim— ages—Astudy[c].32ndAppliedImageryPatternRecognition Workshop(AIPR),2003.180—185. [4]MaesF.VandermeulenD,SuetensP.Medicalimageregistration usingmutualinformation[J].ProoftheIEEE,2003,91(10): l699.1722+ [5]Ruiz.AlzolaE,SuarezC,Albemla—Lopez.Geostatisticalmedical imageregistration[C].MedicalImageComputingandComputer— assistedIntervention(MICCAI),2003.894-901. [6]张绍祥,王平安,刘正津,等.首套中国男,女数字化可视人 体结构数据的可视化研究[J].第三军医大学,2003,25 (7):563-565. [7]高智勇,徐凯,刘丽荣,等.医学图像配准中的快速坐标变 换方法[J].中国医疗器械杂志,2003,27(2):107—110. [8]张绍祥.刘正津.数字化可视人体研究[J].第三军医大学学 报,2003,25(7):537-539. [9]谭珂,郭光友.虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用 [J].军医进修学院,2002,23(1):77-79. [1O]谭珂,郭光友.适用于虚拟手术的鼻腔模型三维重建[J].军 医进修学院,2004,25(4):288-289.