X线透视图像（2D）与CT体积图像（3D）配准方法研究及其应用

摘要

利用2D/3D医学图像配准技术，可以将二维动态的X线透视图像转化为三维模型的仿真运动，检测膝关节在体静态及动态稳定性，从而准确全面地评价膝关节的运动功能，实现膝关节微损伤的早期诊断。同时，通过术前CT体积图像与X线透视图像的2D/3D配准，对手术刀或导航棒的位置进行实时跟踪，实现计算机辅助下的骨科手术导航。 本文的目的在于研制出2D/3D医学图像配准的系统。因此，针对2D/3D配准中的一系列技术关键点进行了理论分析和实验。 在合理建立坐标系的基础上，利用光线跟踪(Ray Tracing)算法计算DRR(Digitally Reconstructed Radiograph)图像，以SLNC(Sum of Local Normalized Correlation)为相似性测度，结合SimulatedAnnealing算法的全局优化能力强和Powell算法的计算速度快的优点，与实际x线透视图像进行配准。为了提高系统配准效率，同时采用了相应措施，如图像插值、灰度压缩、多分辨率采样。 为了验证系统的准确性和可靠性，用已知位置的DRR图像作为参考图像，对于该配准系统进行准确性测试。从测试的结果看，在一定的视角范围内，配准精度可以满足临床上的需要，即各轴平移量的误差在1mm以内，绕各轴旋转量的误差在1°以内。 将C型臂X线透视机GE-OEC FlexiView8800采集的人体脊椎右前、左前位X线透视参考图像，以及G型臂X线透视机Biplanar 500采集的膝关节正、侧位图像各自与相应的CT体积数据进行了配准。其中，参考图像既有最常见的位图，也有临床专用的DICOM。 最后，用实验结果证实：相互垂直的双幅图像作为参考图像共同参与配准，在一定程度上避免遇到局部极值，进一步改善系统性能。 从配准的结果看，系统实现了2D/3D配准的目标，取得了令人满意的效果。此外，这一配准系统由于无需标记点的植入，不具有侵入性，较低了手术风险；配准不基于图像特征，所以无需对图像分割以提取轮廓线，所以对不会带来人为误差。无疑，它的系统性能优于目前问世的大多数2D/3D配准系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的目的与意义

1.1.1运动员膝关节在体稳定性评价及运动损伤防治的研究

1.1.2计算机辅助下的骨科手术导航

1.2国内外研究现状

1.3本文组织内容

第二章医学图像配准

2.1医学图像配准原理

2.2投影坐标系的建立

2.2.1合理描述虚拟投影设备的平移旋转

2.2.2不同坐标系特点分析比较

2.2.3刚体变换

2.3数字影像重建技术（Digitally Reconstructed Radiograph, DRR）

2.4图像插值

2.4.1最邻近插值(Nearest Neighbor Interpolation)

2.4.2三线性插值(Trilinear Interpolation)

2.5相似性测度的定义

2.5.1基于图像特征(feature-based)的配准算法

2.5.2基于像素密度(intensity-based)的配准算法

2.6多分辨率与灰度压缩

2.6.1多分辨率采样原理

2.6.2灰度压缩策略

2.7多参数优化方法

2.7.1鲍威尔(Powell)收敛算法

2.7.2黄金搜索方法

2.7.3抛物线内插方法

2.7.4一维布伦特(Brent)搜索算法

2.7.5模拟退火(Simulated Annealing，SA)收敛算法

2.7.6Powell与SA收敛算法的结合

第三章建立2D／3D医学图像配准系统

3.1 DRR实验结果及分析

3.2插值实验

3.3相似性测度的性能比较

3.4不同采样率对相似性测度的影响实验以及分析

3.5不同优化方法的性能比较

3.6实现2D／3D医学图像配准系统

3.7系统准确性测试

3.8系统性能分析

3.9 2D／3D医学图像配准系统的改进

3.9.1配准误差分析

3.9.2利用双幅参考图像进行改进

第四章2D／3D医学图像配准技术的临床应用

4.1关节稳定性测试系统

4.1.1可行性方案一

4.1.2可行性方案二

4.2计算机辅助下的骨科手术导航

4.3 2D／3D配准系统对临床数据的配准效果

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢