動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，將基于殘差復(fù)雜度相似性度量的非剛性配準(zhǔn)應(yīng)用于核磁共振圖像的檢測中。本發(fā)明方法包括以下步驟：圖像的預(yù)處理、采用B樣條函數(shù)法進(jìn)行圖像插值、計算相似測度、設(shè)置閾值循環(huán)迭代、求差值圖像作為較為精確的圖像區(qū)域顯示圖。本發(fā)明以動態(tài)對比度磁共振圖像為研究對象，和傳統(tǒng)的基于像素點的強度值相似的非剛性配準(zhǔn)方法相比，在相同的實驗條件下，圖像的配準(zhǔn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【專利說明】動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像信息處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像配準(zhǔn)是醫(yī)學(xué)圖像分析中的一種重要技術(shù)，它是獲取醫(yī)學(xué)圖像中的更加準(zhǔn)確信息的重要途徑，在臨床診斷和治療有著重要意義。圖像配準(zhǔn)的目標(biāo)是確定一個或多個待配準(zhǔn)圖像的相應(yīng)位置到一幅參考圖像中的對應(yīng)位置的空間變換或映射，使得待配準(zhǔn)圖像和參考圖像上的對應(yīng)點達(dá)到空間上的一致。根據(jù)圖像的成像模式，放射醫(yī)學(xué)圖像可以大體分為兩大類:第一類是解剖結(jié)構(gòu)圖像(如電子計算機X射線斷層掃描技術(shù)(CO、核磁共振成像(MRI)等)，第二類是功能圖像(如單光子發(fā)射計算機斷層成像術(shù)(SPECT)，正電子發(fā)射斷層成像術(shù)(PET)等)。一般而言，解剖圖像因為分辨率高進(jìn)而能夠提供器官的解剖形態(tài)信息，然而器官的功能情況卻無法反應(yīng)；功能圖像的缺點就是分辨率較差，但是它能夠提供的器官功能信息，這些功能信息是醫(yī)生對疾病進(jìn)行早期診斷的依據(jù)。由于不同模態(tài)圖像分別能夠體現(xiàn)器官不同的信息，通過圖像配準(zhǔn)可以將多種模態(tài)的圖像信息融合成一幅新的圖像，從而為醫(yī)生提供更豐富的信息，使得各種影像設(shè)備在信息表達(dá)上的優(yōu)勢得到互補。對于同一模態(tài)成像方式，同一個器官在不同的時刻、不同的視角的圖像以及采用不同的傳感器所采集擁有共同場景的圖像，通過圖像配準(zhǔn)可以把多幅待配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)到同一個坐標(biāo)系下，從而便于醫(yī)生直接比較，組合及分析感興趣的區(qū)域。
[0003]核磁共振是一種非侵入性醫(yī)療檢測儀器，它根據(jù)核磁共振成像原理，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，繪制成人體內(nèi)的解剖組織和鄰近器官的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖像。核磁共振成像通過構(gòu)建體現(xiàn)三維體內(nèi)的解剖組織高分辨率、高對比度，多角度，多平面二維切片圖像能更客觀更具體地顯示人體內(nèi)的解剖組織及相鄰關(guān)系，對病灶能更好地進(jìn)行定位定性。對全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。與X放射圖像相比，核磁共振圖像可以構(gòu)建人體更為精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大提高了醫(yī)生的診斷和治療的效率，可以避免一些不必要的剖胸或剖腹探查診斷的手術(shù)。
[0004]動態(tài)對比度增強核磁共振成像(DCE-MRI)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于腫瘤灌注和毛細(xì)血管滲漏檢查，該技術(shù)已經(jīng)成為有價值的臨床研究的生物標(biāo)志物。對患者靜脈注射合適的造影劑如Gd-DTPA后，在不同的時間點對體內(nèi)重復(fù)成像，通過分析器官病灶像素級的灰度變化評估器官的功能變化。比如乳腺癌屬血管依賴性疾病，Gd-DTPA注入后病灶的灰度強度明顯增強，但是非病灶區(qū)域卻無變化，通過分析同一個場景不同時間點的DCE-MRI圖像便于醫(yī)生分析病灶。
[0005]到目前為止，人們已經(jīng)提出了基于空間變換和基于物理模型兩個大類的方法。前者采用的圖像的空間變換擬合圖像的形變，后者通基于圖像間的差異由物理變形引起這一假設(shè)，從而建立能夠擬合這種形變的物理模型。
[0006]第一類基于空間變換的方法:[0007]第一種方法是多項式函數(shù)法，該法能夠模擬全局形變，不能調(diào)整局部形變，高多項式次數(shù)可能導(dǎo)致贗像。
[0008]第二種方法是樣條法，該法基于可以在參考圖像和待配準(zhǔn)圖像當(dāng)中確定一組對應(yīng)點即控制點，在變換中將待配準(zhǔn)圖像中的控制點映射到參考圖像中的對應(yīng)點。薄板樣條是目前使用較多的一種樣條配準(zhǔn)法但其缺點是因為控制點對變換具有全局影響，導(dǎo)致難以模擬局部形變。B樣條法函數(shù)由于其僅影響周圍四個控制點，能夠模擬自由形變，可以用來控制局部形變。
[0009]第三種是基函數(shù)法，使用一組基函數(shù)的線性組合來描述形變場，常用的有傅里葉基函數(shù)和小波基函數(shù)的線性組合。
[0010]第二類是物理模型法:
[0011]一種是彈性模型，原理是將源圖像到目標(biāo)圖像的形變過程建模為一個類似于拉伸橡皮這樣的彈性材料的物理過程。該過程由兩種力即外力和內(nèi)力來控制，外力是外界作用于彈性體的力，內(nèi)力是抵消使彈性體從平衡形狀變形的力，當(dāng)內(nèi)力和外力達(dá)到平衡時變形過程結(jié)束。在彈性模型中，因為壓力導(dǎo)致變形能量隨變形強度按比例增加，不能模擬高度的局部變形，但適用于組織變形較小的情形。
[0012]第二種是粘性流體模型，原理是將源圖像建模為粘性流體，該流體在內(nèi)力作用下擬合目標(biāo)圖像。內(nèi)力在圖像隨時間變形的過程中得到釋放，完全釋放后流體停止流動。粘性流體模型能夠模擬高度局部化的變形，也能夠模擬大變形，原則上可以實現(xiàn)任何復(fù)雜的變形。第三種是光流場模型。光流的概念最早出現(xiàn)在計算機視覺中，是為了補償時序圖像的兩幅連續(xù)幀之間物體和視點的相對運動。目前最著名的是Demons算法，它把圖像配準(zhǔn)問題看作物理學(xué)中的擴散問題，把固定圖像中對象的邊界看作半可滲透的薄膜，把浮動圖像看作可形變的網(wǎng)格。網(wǎng)格在位于薄膜中的受動器作用下進(jìn)行擴散。算法判斷出浮動圖像上各個像素點的運動方法，通過對各個像素點的移動來實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的非剛性配準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，該方法采用非剛性配準(zhǔn)方法以及基于殘差復(fù)雜度的相似測度計算方法，來獲得最優(yōu)配準(zhǔn)參數(shù)，并將最后一層配準(zhǔn)結(jié)果作為最終的配準(zhǔn)結(jié)果，實現(xiàn)圖像的局部形變校正以及圖像的灰度校正。
[0014]技術(shù)方案
[0015]動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，包括以下步驟:
[0016]步驟1:對核磁共振圖像的預(yù)處理，包含圖像的大小像素以及灰度值歸一化；
[0017]步驟2:從不同時間段的核磁共振圖像中分別選擇患者不同時刻同一角度的待配準(zhǔn)圖像與參考圖像，通過下采樣的方法將待配準(zhǔn)圖像分為N層，N為大于I的自然數(shù)；
[0018]步驟3、采用B樣條函數(shù)法對待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行第一層插值；
[0019]步驟4、得到配準(zhǔn)后的圖像通過相似測度方法來計算相似測度值；
[0020]步驟5、計算步驟4得到相似測度值是否達(dá)到最優(yōu)化，若是，則直接將配準(zhǔn)參數(shù)送至下一層，執(zhí)行下一驟；若不是，循環(huán)執(zhí)行步驟3-步驟4直到滿足配準(zhǔn)誤差閾值或者最大循環(huán)步數(shù)，得到該層配準(zhǔn)后的結(jié)果圖，并將配準(zhǔn)參數(shù)送至下一層；[0021]步驟6:將送至下一層的配準(zhǔn)參數(shù)作為該層配準(zhǔn)的初始參數(shù)，循環(huán)執(zhí)行步驟3-步
驟5，依此類推得到第二、第三.......第N層配準(zhǔn)結(jié)果，最后把第N層配準(zhǔn)結(jié)果作為最終配
準(zhǔn)結(jié)果；
[0022]步驟7:利用最終配準(zhǔn)結(jié)果圖與參考圖像做差，得出差值，即可以作為檢測圖像結(jié)果圖。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述下采樣的方法為:對于一個樣值序列間隔m個樣值取樣一次，這樣得到新序列就是原序列的下采樣，也就是下采樣后得到的序列信息是原樣值序列信息的一部分，經(jīng)過不同間隔的下采樣抽取，得到不同參數(shù)分辨率的輸出圖像；m取值范圍是大于等于2。
[0023]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，采用的相似測度方法為殘差復(fù)雜度法。
[0024]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的N選取值為3。
[0025]有益效果
[0026]⑴采用非剛性配準(zhǔn)方法，本方法的結(jié)果使圖視覺效果更好，大大減少了圖像含有噪聲或者強度失真對配準(zhǔn)結(jié)果的影響；
[0027]⑵采用下采樣的方法，將圖像分為N層，實現(xiàn)由粗到精搜索變換系數(shù)、可以提高計算的效率、減少時間成本、避免了局部極值、進(jìn)而實現(xiàn)了更加精確的配準(zhǔn)結(jié)果。
[0028]⑶在同樣的實驗條件下，經(jīng)過相同次數(shù)的迭代，由于采用殘差復(fù)雜度的相似性度量方法，使得本發(fā)明方法的配準(zhǔn)準(zhǔn)確率比基于像素的強度方法如SSD的準(zhǔn)確率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法的流程示意圖；
[0030]圖2 (a)至圖2 (e)是基于相似測度為殘差復(fù)雜度乳腺動態(tài)對比度增強核磁共振圖像腫瘤區(qū)域檢測方法的實驗案例圖；其中，
[0031 ] 圖2 (a)為加造影劑Gd-DTPA前乳腺MR圖像G ;
[0032]圖2 (b)為加造影劑Gd-DTPA后乳腺MR圖像F ；
[0033]圖2 (C)為配準(zhǔn)后圖像H ;
[0034]圖2 (d)為配準(zhǔn)前差值圖像G-F ；
[0035]圖2 (e)為配準(zhǔn)后差值圖像G-H ；
[0036]圖3 (a)至圖3 (e)是基于相似測度為差值平方和乳腺動態(tài)對比度增強核磁共振圖像腫瘤區(qū)域檢測方法的實驗案例圖；其中，
[0037]圖3 (a)為加造影劑Gd-DTPA前乳腺MR圖像G ;
[0038]圖3 (b)為加造影劑Gd-DTPA后乳腺MR圖像F ；
[0039]圖3 (C)為配準(zhǔn)后圖像H ;
[0040]圖3 (d)為配準(zhǔn)前差值圖像G-F ；
[0041]圖3(e)為配準(zhǔn)后差值圖像G-H ；
[0042]圖4 (a)至圖4 (e)是基于相似測度為互信息乳腺動態(tài)對比度增強核磁共振圖像腫瘤區(qū)域檢測方法的實驗案例圖；其中，
[0043]圖4 (a)為加造影劑Gd-DTPA前乳腺MR圖像G ;
[0044]圖4 (b)為加造影劑Gd-DTPA后乳腺MR圖像F ；
[0045]圖4 (C)為配準(zhǔn)后圖像H ;[0046]圖4 (d)為配準(zhǔn)前差值圖像G-F ；
[0047]圖4 (e)為配準(zhǔn)后差值圖像G-H。
【具體實施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0049]如圖1所示，為本發(fā)明動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法的流程示意圖。它包括如下步驟:輸入待配準(zhǔn)圖像和參考圖像，都通過下采樣，得到初次采樣圖像，該層圖像像素最低，然后對經(jīng)過采樣的圖像進(jìn)行B樣條法第一次插值計算得到新圖像，并計算相應(yīng)的RC值并判斷是否達(dá)到最值，若不是，繼續(xù)通過B樣條法插值得到新圖像T，進(jìn)行計算新一輪RC值，再次判斷RC值是否達(dá)到最值。如此，循環(huán)直至RC達(dá)到最優(yōu)解，輸出該層配準(zhǔn)優(yōu)化參數(shù)作為第二次下采樣后的圖像的初始參數(shù)，再次經(jīng)過B樣條差值，計算RC值，判斷是否最優(yōu)化，循環(huán)直至得到第二層優(yōu)化層數(shù)，作為第三層初始參數(shù)，如此循環(huán)得到最終配準(zhǔn)后圖像。
[0050]本發(fā)明中使用的DCE-MRI數(shù)據(jù)庫，在美國賓夕法尼亞大學(xué)附屬醫(yī)院采集，數(shù)據(jù)中包括50個病例(30個惡性，20個良性)，數(shù)據(jù)庫中MRI尺寸為512 X 512體素，切片厚度大約為3mm，圖片獲取的時間分辨率最小為90s。
[0051]以乳腺核磁共振為例，本發(fā)明動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，如圖1所示，包括以下步驟:
[0052]步驟1、對乳腺動態(tài)對比度增強核磁共振圖像的預(yù)處理，包含圖像的大小像素以及灰度值歸一化。
[0053]對參考圖像以及待配準(zhǔn)圖像調(diào)整圖像大小相同均為512X512，灰度值歸一化。
[0054]步驟2:從不同時間段的乳腺動態(tài)對比度增強核磁共振圖像中分別選擇患者不同時刻同一角度的待配準(zhǔn)圖像與參考`圖像，通過下采樣的方法將等配準(zhǔn)圖像分為N層，下采樣為:下采樣為:對于一個樣值序列間隔m個樣值取樣一次，這樣得到新序列就是原序列的下采樣，也就是下采樣后得到的序列信息是原樣值序列信息的一部分。下采樣使得抽取后的圖像變得模糊，并且經(jīng)過不同間隔的下采樣抽取，可以得到不同參數(shù)分辨率的輸出圖像。其中m取值為大于等于2。
[0055]根據(jù)【背景技術(shù)】，可知由于我們研究的是動態(tài)對比度增強核磁共振圖像通常分析同一個場景不同時間點的DCE-MRI圖像，所以我們需要圖像的局部發(fā)生形變，采用B樣條函數(shù)法較合適。
[0056]步驟3:采用B樣條函數(shù)法對待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行第一層插值；
[0057]均勻三次B樣條曲線是均勻三次B樣條基函數(shù)的線性加權(quán)和，均勻三次B樣條曲線定義為

η
[0058]/(X)=工 1^β3(Χ)X E [0,1](I)

?=0
【權(quán)利要求】
1.動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:對核磁共振圖像的預(yù)處理，包含圖像的大小像素以及灰度值歸一化； 步驟2:從不同時間段的核磁共振圖像中分別選擇患者不同時刻同一角度的待配準(zhǔn)圖像與參考圖像，通過下采樣的方法將待配準(zhǔn)圖像分為N層，N為大于I的自然數(shù)； 步驟3、采用B樣條函數(shù)法對待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行第一層插值； 步驟4、得到配準(zhǔn)后的圖像通過相似測度方法來計算相似測度值； 步驟5、計算步驟4得到相似測度值是否達(dá)到最優(yōu)化，若是，則直接將配準(zhǔn)參數(shù)送至下一層，執(zhí)行下一驟；若不是，循環(huán)執(zhí)行步驟3-步驟4直到滿足配準(zhǔn)誤差閾值或者最大循環(huán)步數(shù)，得到該層配準(zhǔn)后的結(jié)果圖，并將配準(zhǔn)參數(shù)送至下一層； 步驟6:將送至下一層的配準(zhǔn)參數(shù)作為該層配準(zhǔn)的初始參數(shù)，循環(huán)執(zhí)行步驟3-步驟5，依此類推得到第二、第三.......第N層配準(zhǔn)結(jié)果，最后把第N層配準(zhǔn)結(jié)果作為最終配準(zhǔn)結(jié)果; 步驟7:利用最終配準(zhǔn)結(jié)果圖與參考圖像做差，得出差值，即可以作為檢測圖像結(jié)果圖。
2.如權(quán)利要求1所述動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，其特征在于，所述下采樣的方法為:對于一個樣值序列間隔m個樣值取樣一次，這樣得到新序列就是原序列的下采樣，也就是下采樣后得到的序列信息是原樣值序列信息的一部分，經(jīng)過不同間隔的下采樣抽取，得到不同參數(shù)分辨率的輸出圖像；m取值范圍是大于等于2。
3.如權(quán)利要求1所述動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，其特征在于，采用的相似測度方法為殘差復(fù)雜度法。
4.如權(quán)利要求1所述動態(tài)對比度增強核磁共振圖像檢測方法，其特征在于，所述的N選取值為3。
【文檔編號】G06T7/00GK103514607SQ201310493679
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】徐軍, 張飛云, 王冠皓 申請人:南京信息工程大學(xué)