基于图像配准的CT定位像床板影校正
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
X 光穿过床板和人体的衰减系数 .
( 5) | CO ′ | = | BO ′ | h / h0 由式 ( 5 ) 可知 , 以放射源在成像面的垂直投影为
中心 , 以 h / h0 为拉伸系数 , 对床板影进行仿射变换 , 可 得高度 h0 上的空床板影 , 即 Ih ( x ) = I xh / h0
2. 2 精确配准
( 6)
通过仿射变换 , 基本消除了床板高度变化对床板 影的影响 , 但是若直接利用式 ( 6 ) 计算得到的图像进 行校正 , 由于在重力作用下床板弯曲 、 形变或者床板定 位精度等原因 , 会在图像中形成伪轮廓 , 故需根据图像 特征对两幅图像进行精确配准 .
2. 2. 1 特征提取
[ 3 —6 ]
3 收稿日期 : 2005 211 201; 修回日期 : 2006 207 205. 作者简介 : 张力新 ( 1963 — ) ,男 ,教授 , lxzhang@ tju. edu. cn. 联 系 人 : 曹玉珍 , yzcao@ tju. edu. cn.
・1376・
当床板高度由 h 上升到 h0 时 , 点 A 的成像点从点 B 移至点 C, 床板影向两侧伸展 . 由三角形相似性原 理 , BO ′ /R = x / h, CO ′ /R = x / h0 , 可得
2006 年 11 月 张力新等 : 基于图像配准的 CT定位像床板影校正
σ M SD ( i, j) = 或者平均绝对差为
x =1 y =1
∑∑ [ I
M N
2
( x, y ) 2
I1 ( x + i, y + j) ]
( 7)
σ MAD ( i, j) =
x =1 y =1
∑∑ | I
2
( x, y ) ( 8)
I1 ( x + i, y + j) |
[1]
图像配准技术近年来获得飞速发展 . 将预先 得到的一幅或少数几幅空床板图像 , 通过图像配准技 术 ,使其和临床扫描后的图像达到像素级的配准 ,将其 作为校正参数 ,对图像进行校正 . 但是扫描过程中除因 床板高度变化产生的床板投影变化外 , 负重条件下床 板的弯曲 、 偏移等因素都会导致床板投影变化 ,为配准 工作带来困难 . 笔者提出一种基于图像配准的数字减影方法 , 自 动配准校正定位像中的床板影 , 该方法方便 、 快捷 , 很 好地满足了临床对床板影校正的要求 .
2
1
(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院 , 天津 300072; 2. 航卫通用电气医疗系统有限公司 , 北京 100176)
摘 要 : 针对计算机断层成像中床板非均匀性制约定位像质量给临床扫描带来的问题 ,提出基于图像配准的数字 减影方法 . 该方法先通过仿射变换将空床板扫描图像投射到与待校正图像相同高度的平面上 ,再采用单向 Sobel算 子提取出两幅图像中的床板纵向特征并对齐 ,最终对经过块匹配精确配准的两幅图像进行数字减影 ,消除待校正 定位像中的床板影 . 仿真试验证明了该方法的有效性 . 关键词 : 定位像 ; 仿射变换 ; 图像配准 ; 床板影校正 中图分类号 : R318. 6 文献标志码 : A 文章编号 : 0493 22137 (2006) 11 2 1375 2 04
622精确配准通过仿射变换基本消除了床板高度变化对床板影的影响但是若直接利用式6计算得到的图像进行校正由于在重力作用下床板弯曲形变或者床板定位精度等原因会在图像中形成伪轮廓故需根据图像特征对两幅图像进行精确配犯221特征提取ct定位像可视为人体投影像和床板投影像的线性叠加两者在灰度值和变化频率等方面都很接近很难利用阈值法或者频域分析法单独将人体特征和床板特征直接区分
计算机断层 ( computer tomography, CT) 扫描定位 像中包含床板投影 ,由于床板在制造和使用过程中会 产生局部缺陷 ,床板影的非均匀性必然会影响医生的 使用 . 目前 ,改进床板伪影的措施主要是在制造床板的 过程中改善床板的均匀性 ,受其加工工艺 及成本的 限制 ,改善效果并不理想 . 文献 [ 2 ]提出在使用过程中 将检查部位放置在使床板形变小的位置 , 或在床板上 增加用于定位的附件 , 用来配准 , 以减小床板伪影 , 但 是这些方法步骤繁琐 . 直接对定位像采用数字减影技 术 ,需要在每次扫描时都预先扫描空床板 ,不但增加了 工作量 ,也会影响球管的使用寿命 .
天 津 大 学 学 报 第 39 卷 第 11 期
1 床板影校正的原理
在床板高度固定的情况下 ,分别扫描空床板 、 人体 和床板 . 假设 I0 ( x, y ) 为在点 ( x, y ) 上 X 光的入射强 度 ; It + b ( x, y ) 为 X 光穿过人体及床板后的强度 ; It ( x, y ) 为 X 光单独穿过床板后的强度 ; Ib ( x, y ) 是待求的 X 光单独穿过人体后的强度 ;μt ( x, y ) 和 μ b ( x, y ) 分别是
在搜索范围内寻找到某一块使其与被匹配块的均 方差或者平均绝对差达到最小 , 就可以认为子块已经 配准完毕 . 图像分块后的子块尺寸越大 , 匹配后的局部精度 越差 ,尺寸越小 , 搜索越不稳定 . 由于 CT 定位像的数 据是分行采集的 ,故在分区也采用以像素行为单位 ,并 用像素行分段的办法 ,将二维信号简化为一维 ,既加快
图 1 定位像扫描床板成像示意 ( 0 ° 扫描 )
) F ig. 1 Cradle i m age in scout scan ( scanning at 0 °
配准速度 ,同时保障了配准精度 . 对像素行分段采用弹 性分段原则 , 针对不同高度下的图像 , 根据式 ( 6 ) , 对 分段区间也进行相应的变换 , 保证床板影能较均匀地 分布在各个子段区间内 , 从而解决局部精度和搜索稳 定性的矛盾 . 在建立搜索方程时 , 床板的弯曲形变与偏移映射
( 4)
单独将人体特
由式 ( 4 )可知 ,床板影和人体影线性叠加 ,若已知 相同情况下的空床板透视像 ,就可以通过减影方法 ,得 到人体单独的透视像 .
征和床板特征直接区分 . 床板影的特点是以垂直线为主 , 故采用只对垂直 边缘响应灵敏的单向 Sobel 算子 , 对图像中的纵向特 征进行加强 ,可以达到提取床板特征的目的 .
Abstract: In scout scan of computer tomography ( CT) , the lim ited cradle quality imposes a lim it on the clini2 cal CT scan. For this reason, a digital subtraction method based on image registration technology was p resen2 ted. First, the cradle only image was p rojected to the p lane at the height of object image through affine transfor2 mation. Second, the vertical characteristics of cradle in both cradle only and cradle with patient images were ex2 tracted by using Sobel operator and then registrated. Finally, the cradle image was subtracted from the cradle with patient images . The results of simulation demonstrate the efficiency of this method. Keywords: scout scan; affine transformation; im age registration; cradle im age correction
1 1 1 2 1
(1. School of Precision Instruments and Op to 2Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. GE Hangwei M edical System Co. , L td. Beijing 100176, China )
・1377・
在图像上就表现为图像伸缩和偏移 , 故需要将空床板 的特征图像在进行刚性偏移的同时 , 增加一定范围内 的拉伸变换 ,才能快速准确地寻找到最佳的运动矢量 , 变换公式为 ( x, y ) = I ( m ax + nb, y ) ( 9) I′ 式中 : a 为拉伸松弛因子 ; b为位移松弛因子 ; m 、 n 分别 为运动矢量中的伸缩 、 偏移参数 . 为了得到亚像素级的 位移精度 , 经实验取 a 为 0. 001, b为 0. 05; 为找到最佳 的配准参数 , 对局部图像进行线性插值 , 提高局部配准 的精度 . 建立搜索方程后 , 采用均方差准则 , 选取相关 系数最大的运动矢量即为该子块的最佳运动矢量 ( p) = p ( I′ ( x, y ) , I ( x, y ) ) ( 10 ) max (
由 X 光的传播性质 , 可知 It ( x, y ) = I0 ( x, y ) exp [ - μt ( x, y ) ] It + b ( x, y ) = I0 ( x, y ) exp [ - μt ( x, y ) μ b ( x, y ) ] ( ) ( Ib x, y = I0 x, y ) exp [ - μ b ( x, y ) ] 由式 ( 1 ) ～ 式 ( 3 ) 可得
Cradle I mage Correction M ethod for CT Scout Scan Ba sed on I mage Reg istra tion
ZHANG L i2xin , AN Hui2xia , L I N M in , X I N G Zhan 2feng , CAO Yu 2zhen
2. 2. 2 图像自动配准
2 基于图像配准的床板影校正算法
2. 1 粗配准
图像自动配准可以看作是一个估计相对运动的问 [9] 题 . 为提高配准效率 , 采用局部配准代替全局配准 . 目前多采用块匹配法
[5]
. 该方法把图像分为若干子块
[9 ]
图像 ,设两帧图像强度分别为 I1 ( x, y ) 和 I2 ( x, y ) 在
I1 ( x, y ) 的搜索窗口中进行搜索 , 计算均方差
M N
根据获得图像时床板所处的不同高度 , 对已有的 空床板图像进行一次仿射变换 , 将其投射到与待校正 图像相同高度的平面上 ,达到粗配准的目的 . 假设距放射源 O 高度为 h 时的床板影强度为 I ( x ) , 在定位像扫描中 (以 0 ° 定位像为例 , 90 ° 相同 ) , 床板上任意一点 A 的成像位置 , 可由放射源与该点的 连线在成像面上的交点确定 . 几何简化如图 1 所示 , R 为放射源至成像面的距离 ; x 为 A 点至 OO ′ 的距离 .
It + b ( x, y ) μ b ( x, y ) = - ln I0 ( x, y ) It ( x, y ) - ln I0 ( x, y )
( 1) ( 2) ( 3)
CT定位像可视为人体投影像和床板投影像的线 性叠加
[7]
, 两者在灰度值和变化频率等方面都很接
[8]
近 ,很难利用阈值法或者频域分析法
第 39 卷 第 11 期 2006 年 11 月
天 津 大 学 学 报 Journa l of T ian jin Un iversity
Vol . 39 No. 11 Nov . 2006
基于图像配准的 CT定位像床板影校正 3
张力新 , 安会霞 , 林
1 1 1
, 邢占峰 , 曹玉珍
( 5) | CO ′ | = | BO ′ | h / h0 由式 ( 5 ) 可知 , 以放射源在成像面的垂直投影为
中心 , 以 h / h0 为拉伸系数 , 对床板影进行仿射变换 , 可 得高度 h0 上的空床板影 , 即 Ih ( x ) = I xh / h0
2. 2 精确配准
( 6)
通过仿射变换 , 基本消除了床板高度变化对床板 影的影响 , 但是若直接利用式 ( 6 ) 计算得到的图像进 行校正 , 由于在重力作用下床板弯曲 、 形变或者床板定 位精度等原因 , 会在图像中形成伪轮廓 , 故需根据图像 特征对两幅图像进行精确配准 .
2. 2. 1 特征提取
[ 3 —6 ]
3 收稿日期 : 2005 211 201; 修回日期 : 2006 207 205. 作者简介 : 张力新 ( 1963 — ) ,男 ,教授 , lxzhang@ tju. edu. cn. 联 系 人 : 曹玉珍 , yzcao@ tju. edu. cn.
・1376・
当床板高度由 h 上升到 h0 时 , 点 A 的成像点从点 B 移至点 C, 床板影向两侧伸展 . 由三角形相似性原 理 , BO ′ /R = x / h, CO ′ /R = x / h0 , 可得
2006 年 11 月 张力新等 : 基于图像配准的 CT定位像床板影校正
σ M SD ( i, j) = 或者平均绝对差为
x =1 y =1
∑∑ [ I
M N
2
( x, y ) 2
I1 ( x + i, y + j) ]
( 7)
σ MAD ( i, j) =
x =1 y =1
∑∑ | I
2
( x, y ) ( 8)
I1 ( x + i, y + j) |
[1]
图像配准技术近年来获得飞速发展 . 将预先 得到的一幅或少数几幅空床板图像 , 通过图像配准技 术 ,使其和临床扫描后的图像达到像素级的配准 ,将其 作为校正参数 ,对图像进行校正 . 但是扫描过程中除因 床板高度变化产生的床板投影变化外 , 负重条件下床 板的弯曲 、 偏移等因素都会导致床板投影变化 ,为配准 工作带来困难 . 笔者提出一种基于图像配准的数字减影方法 , 自 动配准校正定位像中的床板影 , 该方法方便 、 快捷 , 很 好地满足了临床对床板影校正的要求 .
2
1
(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院 , 天津 300072; 2. 航卫通用电气医疗系统有限公司 , 北京 100176)
摘 要 : 针对计算机断层成像中床板非均匀性制约定位像质量给临床扫描带来的问题 ,提出基于图像配准的数字 减影方法 . 该方法先通过仿射变换将空床板扫描图像投射到与待校正图像相同高度的平面上 ,再采用单向 Sobel算 子提取出两幅图像中的床板纵向特征并对齐 ,最终对经过块匹配精确配准的两幅图像进行数字减影 ,消除待校正 定位像中的床板影 . 仿真试验证明了该方法的有效性 . 关键词 : 定位像 ; 仿射变换 ; 图像配准 ; 床板影校正 中图分类号 : R318. 6 文献标志码 : A 文章编号 : 0493 22137 (2006) 11 2 1375 2 04
622精确配准通过仿射变换基本消除了床板高度变化对床板影的影响但是若直接利用式6计算得到的图像进行校正由于在重力作用下床板弯曲形变或者床板定位精度等原因会在图像中形成伪轮廓故需根据图像特征对两幅图像进行精确配犯221特征提取ct定位像可视为人体投影像和床板投影像的线性叠加两者在灰度值和变化频率等方面都很接近很难利用阈值法或者频域分析法单独将人体特征和床板特征直接区分
计算机断层 ( computer tomography, CT) 扫描定位 像中包含床板投影 ,由于床板在制造和使用过程中会 产生局部缺陷 ,床板影的非均匀性必然会影响医生的 使用 . 目前 ,改进床板伪影的措施主要是在制造床板的 过程中改善床板的均匀性 ,受其加工工艺 及成本的 限制 ,改善效果并不理想 . 文献 [ 2 ]提出在使用过程中 将检查部位放置在使床板形变小的位置 , 或在床板上 增加用于定位的附件 , 用来配准 , 以减小床板伪影 , 但 是这些方法步骤繁琐 . 直接对定位像采用数字减影技 术 ,需要在每次扫描时都预先扫描空床板 ,不但增加了 工作量 ,也会影响球管的使用寿命 .
天 津 大 学 学 报 第 39 卷 第 11 期
1 床板影校正的原理
在床板高度固定的情况下 ,分别扫描空床板 、 人体 和床板 . 假设 I0 ( x, y ) 为在点 ( x, y ) 上 X 光的入射强 度 ; It + b ( x, y ) 为 X 光穿过人体及床板后的强度 ; It ( x, y ) 为 X 光单独穿过床板后的强度 ; Ib ( x, y ) 是待求的 X 光单独穿过人体后的强度 ;μt ( x, y ) 和 μ b ( x, y ) 分别是
在搜索范围内寻找到某一块使其与被匹配块的均 方差或者平均绝对差达到最小 , 就可以认为子块已经 配准完毕 . 图像分块后的子块尺寸越大 , 匹配后的局部精度 越差 ,尺寸越小 , 搜索越不稳定 . 由于 CT 定位像的数 据是分行采集的 ,故在分区也采用以像素行为单位 ,并 用像素行分段的办法 ,将二维信号简化为一维 ,既加快
图 1 定位像扫描床板成像示意 ( 0 ° 扫描 )
) F ig. 1 Cradle i m age in scout scan ( scanning at 0 °
配准速度 ,同时保障了配准精度 . 对像素行分段采用弹 性分段原则 , 针对不同高度下的图像 , 根据式 ( 6 ) , 对 分段区间也进行相应的变换 , 保证床板影能较均匀地 分布在各个子段区间内 , 从而解决局部精度和搜索稳 定性的矛盾 . 在建立搜索方程时 , 床板的弯曲形变与偏移映射
( 4)
单独将人体特
由式 ( 4 )可知 ,床板影和人体影线性叠加 ,若已知 相同情况下的空床板透视像 ,就可以通过减影方法 ,得 到人体单独的透视像 .
征和床板特征直接区分 . 床板影的特点是以垂直线为主 , 故采用只对垂直 边缘响应灵敏的单向 Sobel 算子 , 对图像中的纵向特 征进行加强 ,可以达到提取床板特征的目的 .
Abstract: In scout scan of computer tomography ( CT) , the lim ited cradle quality imposes a lim it on the clini2 cal CT scan. For this reason, a digital subtraction method based on image registration technology was p resen2 ted. First, the cradle only image was p rojected to the p lane at the height of object image through affine transfor2 mation. Second, the vertical characteristics of cradle in both cradle only and cradle with patient images were ex2 tracted by using Sobel operator and then registrated. Finally, the cradle image was subtracted from the cradle with patient images . The results of simulation demonstrate the efficiency of this method. Keywords: scout scan; affine transformation; im age registration; cradle im age correction
1 1 1 2 1
(1. School of Precision Instruments and Op to 2Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. GE Hangwei M edical System Co. , L td. Beijing 100176, China )
・1377・
在图像上就表现为图像伸缩和偏移 , 故需要将空床板 的特征图像在进行刚性偏移的同时 , 增加一定范围内 的拉伸变换 ,才能快速准确地寻找到最佳的运动矢量 , 变换公式为 ( x, y ) = I ( m ax + nb, y ) ( 9) I′ 式中 : a 为拉伸松弛因子 ; b为位移松弛因子 ; m 、 n 分别 为运动矢量中的伸缩 、 偏移参数 . 为了得到亚像素级的 位移精度 , 经实验取 a 为 0. 001, b为 0. 05; 为找到最佳 的配准参数 , 对局部图像进行线性插值 , 提高局部配准 的精度 . 建立搜索方程后 , 采用均方差准则 , 选取相关 系数最大的运动矢量即为该子块的最佳运动矢量 ( p) = p ( I′ ( x, y ) , I ( x, y ) ) ( 10 ) max (
由 X 光的传播性质 , 可知 It ( x, y ) = I0 ( x, y ) exp [ - μt ( x, y ) ] It + b ( x, y ) = I0 ( x, y ) exp [ - μt ( x, y ) μ b ( x, y ) ] ( ) ( Ib x, y = I0 x, y ) exp [ - μ b ( x, y ) ] 由式 ( 1 ) ～ 式 ( 3 ) 可得
Cradle I mage Correction M ethod for CT Scout Scan Ba sed on I mage Reg istra tion
ZHANG L i2xin , AN Hui2xia , L I N M in , X I N G Zhan 2feng , CAO Yu 2zhen
2. 2. 2 图像自动配准
2 基于图像配准的床板影校正算法
2. 1 粗配准
图像自动配准可以看作是一个估计相对运动的问 [9] 题 . 为提高配准效率 , 采用局部配准代替全局配准 . 目前多采用块匹配法
[5]
. 该方法把图像分为若干子块
[9 ]
图像 ,设两帧图像强度分别为 I1 ( x, y ) 和 I2 ( x, y ) 在
I1 ( x, y ) 的搜索窗口中进行搜索 , 计算均方差
M N
根据获得图像时床板所处的不同高度 , 对已有的 空床板图像进行一次仿射变换 , 将其投射到与待校正 图像相同高度的平面上 ,达到粗配准的目的 . 假设距放射源 O 高度为 h 时的床板影强度为 I ( x ) , 在定位像扫描中 (以 0 ° 定位像为例 , 90 ° 相同 ) , 床板上任意一点 A 的成像位置 , 可由放射源与该点的 连线在成像面上的交点确定 . 几何简化如图 1 所示 , R 为放射源至成像面的距离 ; x 为 A 点至 OO ′ 的距离 .
It + b ( x, y ) μ b ( x, y ) = - ln I0 ( x, y ) It ( x, y ) - ln I0 ( x, y )
( 1) ( 2) ( 3)
CT定位像可视为人体投影像和床板投影像的线 性叠加
[7]
, 两者在灰度值和变化频率等方面都很接
[8]
近 ,很难利用阈值法或者频域分析法
第 39 卷 第 11 期 2006 年 11 月
天 津 大 学 学 报 Journa l of T ian jin Un iversity
Vol . 39 No. 11 Nov . 2006
基于图像配准的 CT定位像床板影校正 3
张力新 , 安会霞 , 林
1 1 1
, 邢占峰 , 曹玉珍