一种基于双X射线成像的2D和3D医学图像配准方法

摘要

一种基于双X射线成像的2D和3D医学图像配准方法和系统，本发明方法包括：采集两幅成任意角度的X射线图像，采用基于多分辨率的双投影直接配准方法，实现由粗到细对两幅二维图像和三维体数据同时进行配准处理；本发明系统包括：图像导入和显示模块，2D和3D图像配准模块，数据输出模块。本发明能够更快速和精确得到平移和旋转共六个自由度的配准结果，进一步提高医学图像的配准质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双X射线成像的2D和3D医学图像配准方法，用于手术导航和肿 瘤放射治疗过程中的医学图像配准和摆位验证。

背景技术

随着医学成像技术的发展，不同性质的图像能够提供多种诊断信息，临床上通常需要将 同一个病人的多种模式的成像结果结合起来进行分析，从而提高医学诊断和治疗的水平。但 是仅依靠医生的经验将图像的信息融合起来是非常困难的，需要用到医学图像配准技术。在 图像引导放疗，计算机辅助外科手术，微创外科手术，内窥镜检查术等领域，将术前体数据 和术中获得的病人的影像数据进行配准是让医生得到全面有用的信息中至关重要的一步。而 术中的三维图像不太容易获取，一般只能得到二维图像，如X射线图像，因此需将X射线 图像与CT等三维体数据进行配准，即2D和3D医学图像的配准。常用的两种方法是基于数 字影像重建（DRR）的降维方法和基于三维重构的升维方法。

目前2D和3D的医学图像配准主要是以生成DRR为基础的方法为主导，只能进行单幅 X线图像和三维CT体数据的2D和3D配准。不断地将治疗前的CT体数据集在不同的位置 下重建出DRR图像，并和治疗中获得的X线图像进行匹配，在处理速度和精度上就会有所 限制，有待进一步提高。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术只能基于单幅X射线图像进行固定角度的2D和3D 配准的不足，提出了一种基于双X射线成像的2D/3D医学图像配准方法和系统，能够更快 速和精确得到平移和旋转共六个自由度的配准结果，进一步提高医学图像的配准质量。

本发明的技术方案如下：一种基于双X射线成像的2D和3D医学图像配准方法，采用 了双幅X射线图像与三维体数据进行配准的方法，两幅X射线图像间可以成任意角度。配 准算法采用了基于多分辨率的双投影直接配准方法，可以由粗到细对两幅二维图像同时进行 配准处理，具体步骤：

（1）采集任意角度的两幅X射线图像分别为X射线图像1和X射线图像2，X射线 图像的采集参数包括每一幅图像的成像电压，成像角度，X射线源与成像物表面的距离，上 述这些参数均能实时保存到系统数据库中，以备配准时调用；同时还进行实时显示；

（2）利用步骤（1）中采集得到的两幅X射线图像，采用基于多分辨率的双投影直接配 准方法和病人的三维影像数据进行自动配准，在配准过程中对X射线图像1和X射线图像2 分别进行多分辨率处理，得到各自一序列子图像；对每一幅X射线图像，根据其自身分辨率 的范围从低到高平均分为三个阶段，第一个范围阶段为低层分辨率子图像，第二个范围阶段 为中层分辨率子图像，第三个范围阶段为高层分辨率子图像，低层分辨率的子图像放在上层， 高分辨率的子图像放在下层，配准过程由上到下进行；

（3）利用步骤（2）中得到的三层分辨率的子图像，分层循环与病人的三维影像数据进 行配准，对病人的三维影像数据，采用光线跟踪算法，同时经由两个线性插值器1和2进行 插值，分别生成对应采集的X射线图像角度下的两幅数字重建影像1和2，X射线图像1 和数字重建影像1作为一组输入，X射线图像2和数字重建影像2作为第二组输入，两组输 入同时作为判断配准质量的测度函数的输入，测度函数计算两组数据中像素之间的互信息， 作为比较比较图像相关性的结果，根据测度函数的结果，直接作为优化器的输入对配准参数 进行优化，得到最终的配准结果。

一种基于双X射线成像的2D和3D医学图像配准系统，包括：图像导入和显示模块， 2D和3D图像配准模块和数据输出模块：

图像导入和显示模块，用于从数据库中导入病人的三维影像数据，采集两幅任 意角度的X射线图1和2，保存到数据库并显示，供2D和3D图像配准模块调用；X射线 图像的采集参数包括每一幅图像的成像电压，成像角度，X射线源与成像物表面的距离；

2D和3D图像配准模块，利用图像导入和显示模块得到的病人的三维影像数据和两幅X 射线图像1和2，采用基于多分辨率的双投影直接配准方法和病人的三维影像数据进行自动 配准，在配准过程中对X射线图像1和X射线图像2分别进行多分辨率处理，得到各自一 序列子图像；对每一幅X射线图像，根据其自身分辨率的范围从低到高平均分为三个阶段， 第一个范围阶段为低层分辨率子图像，第二个范围阶段为中层分辨率子图像，第三个范围阶 段为高层分辨率子图像，低层分辨率的子图像放在上层，高分辨率的子图像放在下层，配准 过程由上到下进行，即将得到的三层分辨率的子图像，分层循环与病人的三维影像数据进行 配准，对病人的三维影像数据，采用光线跟踪算法，同时经由两个线性插值器1和2进行插 值，分别生成对应采集的X射线图像角度下的两幅数字重建影像1和2，X射线图像1和 数字重建影像1作为一组输入，X射线图像2和数字重建影像2作为第二组输入，两组输入 同时作为判断配准质量的测度函数的输入，测度函数计算两组数据中像素之间的互信息，作 为比较比较图像相关性的结果，根据测度函数的结果，直接作为优化器的输入对配准参数进 行优化，得到最终的配准结果；

数据输出模块，将2D和3D图像配准模块得到的配准结果进行输出到界面，并 将配准后的2D和3D融合图像可视化，由数据输出模块直接回到图像导入和显示模块进行 重新导入图像和显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用了双幅X射线图像与三维体数据进行配 准的方法，配准用的两幅X射线图像间可以成任意角度。配准算法采用了基于多分辨率的双 投影直接配准方法，可以由粗到细对两幅二维图像同时进行配准处理，因此能够更快速和精 确得到平移和旋转共六个自由度的配准结果，进一步提高医学图像的配准质量。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，本发明方法及系统实施例实现如下：

（1）采用一组疑甲状腺病人的三维CT数据作为测试用例，大小为512*512*46，由图 像导入和显示模块进行保存和显示，为了使计算和配准结果验证简便，现将病人沿X，Y， Z三个方向分别平移5mm，继而沿X，Y，Z坐标轴的方向各自旋转3°，4°，2°。对此 病人采集两幅任意角度的X射线图像，本实例中采集两幅正负45°的X射线图像，保存到 数据库供2D/3D图像配准模块调用。

（2）利用步骤（1）中采集得到的两幅正负45°X射线图像，采用基于多分辨率的双投 影直接配准方法和病人的三维影像数据进行自动配准，在配准过程中对X射线图像1和X 射线图像2分别进行多分辨率处理，得到各自一序列子图像；对X射线图像1，将其分解为 分辨率为170*170，340*340，510*510的三组子图像，对X射线图像2，将其分解为分辨率 为170*170，340*340，510*510的三组子图像，分辨率为170*170的子图像放在上层，分辨 率为510*510的子图像放在下层，首先对170*170分辨率的图像进行配准，配准过程由上到 下进行。

（3）利用步骤（2）中得到的三层分辨率的子图像，首先针对低层分辨率的子图像对病 人的三维影像数据进行配准，对病人的三维影像数据，采用光线跟踪算法，同时经由两个线 性插值器1和2进行插值，分别生成对应采集的X射线图像角度下的两幅数字重建影像1 和2，X射线图像1和数字重建影像2作为第二组输入，两组输入同时作为判断配准质量的 测度函数的输入，测度函数计算两组数据中像素之间的互信息，作为比较比较图像相关性的 结果，通过基于最大互信息进行比较，根据测度函数的结果，直接作为优化器的输入对配准 参数进行优化；然后针对中层分辨率的子图像对病人的三维影像数据进行配准，对病人的三 维影像数据，采用光线跟踪算法，同时经由两个线性插值器1和2进行插值，分别生成对应 采集的X射线图像角度下的两幅数字重建影像1和2，X射线图像1和数字重建影像2作 为第二组输入，两组输入同时作为判断配准质量的测度函数的输入，测度函数计算两组数据 中像素之间的互信息，作为比较比较图像相关性的结果，通过基于最大互信息进行比较，将 结果直接作为优化器的输入对配准参数进行优化；最后针对高层分辨率的子图像对病人的三 维影像数据进行配准，对病人的三维影像数据，采用光线跟踪算法，同时经由两个线性插值 器1和2进行插值，分别生成对应采集的X射线图像角度下的两幅数字重建影像1和2，X 射线图像1和数字重建影像2作为第二组输入，两组输入同时作为判断配准质量的测度函数 的输入，测度函数计算两组数据中像素之间的互信息，作为比较比较图像相关性的结果，通 过基于最大互信息进行比较，将结果直接作为优化器的输入对配准参数进行优化，得到最终 的配准结果。

（4）通过数据输出模块，将2D/3D图像配准模块得到的三维空间平移参数，三维空间 旋转参数和配准后的2D/3D融合图像可视化，辅助医生进行判断和选择。由（1）中的实施 例和相关的参数，测试得到的配准后的结果如下：

平移参数：X=4.96859mm，Y=5.01817mm，Z=4.9982mm

旋转参数：Rx=2.96642°，Ry=4.01252°，Rz=1.9648°

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。