一种多模态医学图像配准与可视化方法技术

本发明专利技术涉及一种多模态医学图像配准与可视化方法。该方法基于FLTK、VTK、IRTK技术，提供友好操作界面以及可视化功能，简化复杂的算法参数配置过程，方便配准操作，实现多模态医学图像配准工作；提供图像去燥声预处理，以提高图像质量，减少噪声对配准精度的影响；针对目标图像与源图像存在较大坐标位置差异的情况，提供点集配准方法完成坐标位置粗配准，为后续刚性、仿射以及非线性配准的实施做初始化；支持多种配准方法的级联工作模式，以提高配准效率；采用多线程编程技术，实现配准的中间过程实时动态显示，方便了解和监测配准过程；配准结果自动输出并保存；利用所述配准结果的变换矩阵并加上平滑限制项，可实现微分同胚变换和快速分割功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机应用技术与医学图像配准
，具体涉及一种基于IRTK、VTK和FLTK技术的多模态医学图像配准与可视化方法。
技术介绍
目前，医学图像在医疗诊断、计划治疗、引导治疗以及疾病监测过程中得到了越来越广泛的应用。得益于丰富多样的医学成像模态（如CT、MRI、PET等），现代医疗影像技术正改变着传统医疗的诊断和治疗方式。在医学图像分析时，通常需将这些多模态图像信息综合到一起以便进行疾病分析和诊断，在这一过程中，医学图像配准技术发挥着至关重要的作用，所谓的医学图像配准技术就是通过寻找一个最优的几何变换，通过该变换使得来自不同时间或不同条件下的两幅或多幅医学图像达到空间位置上的一致，这种一致是指人体上的同一解剖点或者具有诊断意义的点在两张或者多张匹配图像上相同的空间位置，目的在于检测和修正患者的摆位误差、靶区和正常组织形状改变、移位或者退缩等变化。例如，在肿瘤分次放疗过程中，由于患者摆位的误差、或因治疗反应，导致靶区和危机器官的形状改变、移位和退缩等因素引起放疗剂量分布发生变化，造成靶区受剂量减少而危机器官的受剂量增加的情况，影响放疗效果，增加并发症发生概率。通过医学图像配准技术综合不同图像上的解剖结构信息，可快速判断放疗过程中解剖学部位的移位、退缩和变形情况，并快速计算和评估解剖结构位置的变化对剂量分布的影响，以决定是否修改和重新制定放疗计划。多年以来，已有大量的文献致力于医学图像配准算法和技术的研究，并取得了丰富的研究成果；伴随着配准技术的发展，一些医学图像配准方法应运而生，应用于临床上或者协助研究人员进行配准算法的研究。ITK和VTK是目前在医学领域中使用较为广泛的两个算法平台，其中ITK提供丰富的医学图像分割和配准算法，但缺乏可视化；VTK则致力于通用数据可视化过程，具有强大的三维图像功能。在临床应用领域，医学图像配准系统具备前沿、优秀的配准技术，并提供友好的图形操作用户界面及图像数据可视化功能显得非常重要。特别对于不熟悉算法参数配置的使用者，通过简单、易交互的图形操作界面便能够完成复杂的配准工作，不仅提高了配准工作效率，而且通过图像数据可视化功能获得直观、丰富的图像信息，极大方便医生根据呈现在屏幕上的图像信息进行疾病预测、诊断、制定治疗计划以及开展教育教学等工作。不少研究人员和软件开发者直接基于ITK和VTK等算法平台进行新平台的开发。经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN104952078A，公开日为2015.09.30，专利名称为：一种基于ITK/VTK和QT技术的图像配准方法，该专利自述为：“公开一种图像配准方法，利用ITK算法对三维图像进行配准，利用VTK进行三维显示，QT负责制作程序界面”。其不足之处是：该方法缺乏对图像数据去噪声预处理；配准过程只显示迭代的数据和最后得到的配准结果，而不能实时动态显示中间配准结果；不能提供目标图像和源图像的多种叠加交互显示。该方法不能完成空间坐标位置差异巨大的多模态医学图像配准；该方法不能提供多种配准方法的级联；无法根据配准结果的变换矩阵，快速完成快速分割以及微分同胚变换（即：通过同一变换参数，实现目标图像到源图像的逆向配准过程）。
技术实现思路
本专利技术的目是提供一种多模态医学图像配准与可视化方法，该方法基于IRTK、VTK和FLTK技术，具备友好的图像配准操作界面及可视化功能，简化了复杂的算法参数配置过程，提高配准效率。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种多模态医学图像配准与可视化方法，包括如下步骤，S1：提供一多模态医学图像配准与可视化系统，包括用户交互控制单元、图像配准单元、三维重建单元、可交互图像数据显示单元和数据结果输出单元；所述用户交互控制单元用于实现图像数据的输入、输出及预处理；所述图像配准单元用于实现图像数据的配准；所述三维重建单元用于将所述用户交互控制单元输入的图像数据或经所述图像配准单元配准后的图像数据进行三维重建，并传输给可交互图像数据显示单元；所述可交互图像数据显示单元用于交互显示实时图像数据；所述数据结果输出单元用于实现图像数据配准结果和配准结果变换矩阵的输出与保存；S2：通过所述用户交互控制单元导入三维体数据，在可交互图像数据显示单元的图像数据显示窗口中分别显示三维体数据的横断面、冠状面、矢状面以及经三维重建后的三维图像；S3：通过用户交互控制单元对导入的目标图像及源图像采用中值滤波法进行去噪声等预处理，减少噪声对配准精度的影响，若图像分辨率超过一预定阈值，还需在去噪声处理之后采用重采样方法，适当降低图像分辨率，减少配准过程的计算量；S4：通过图像配准单元对经步骤S3处理后的图像数据采用包括点集配准、刚性配准、仿射配准、非线性配准中的一种或多种配准方法级联的方式进行配准，并经数据结果输出单元输出图像数据配准结果及配准结果变换矩阵。在本专利技术一实施例中，所述用户交互控制单元通过FLTK实现，具体包括图像数据输入输出模块、去噪重采样模块和图像操作模块，所述图像数据输入输出模块用于实现图像数据的输入、输出，所述去噪重采样模块用于对输入的图像数据进行去噪重采样处理，所述图像操作模块用于对显示于可交互图像数据显示单元的图像进行旋转、平移、缩放及切换视图模式等操作。在本专利技术一实施例中，所述三维重建单元采用VTK完成三维重构，具有面绘制和体绘制功能。在本专利技术一实施例中，所述图像配准单元是基于IRTK技术实现，配准步骤具体如下：（1）导入目标图像和源图像；（2）确定目标图像和源图像的数据大小和类型；（3）确定是否进行图像数据去燥或重采样预处理；（4）确定配准过程中所采用的变换模型，并根据不同的变换模型设置相应的相似性度量方法、插值方法、以及优化方法的算法参数；（5）确定是否采用多种配准方法级联；（6）确定是否定义感兴趣区域；（7）执行图像配准工作，并输出保存配准结果。在本专利技术一实施例中，所述数据结果输出单元能够通过所述配准结果变换矩阵实现微分同胚变换，即通过配准结果的变换矩阵，加上平滑限制项，完成目标图像到源图像的逆向配准；还能够通过所述配准结果变换矩阵实现快速分割，即对源图像进行分割后，加上配准结果变换矩阵即可得到目标图像的分割图像。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术使用了IRTK/VTK和FLTK技术实现多模态医学图像配准与可视化功能，提供了一款界面友好、易交互、可视化的图像配准系统，通过友好的图形用户操作界面以及图像数据的可视化功能，简化复杂的算法参数配置过程，达到方便、快捷地完成复杂配准工作的目的，改变以往算法工具通过命令行进行图像配准；配准前使用图像去燥预处理方法提高配准精度；支持多模态医学图像配准(如CT和MRI、MRI和MRI、CT和CT等医学图像之间的配准)；提供多种配准方法的级联工作模式，提高配准效率；配准的中间过程实时动态显示，提高了视觉效果和既视感，方便了解和监测配准动态；提供目标图像和源图像多种叠加视图模式，方便观察配准的匹配情况；根据源图像映射到目标图像的变换矩阵，可实现微分同胚变换和快速分割功能。附图说明图1为本专利技术系统整体框图。图2为本专利技术配准流程图。图3为本专利技术系统主界面图。图4为本专利技术同一宫颈癌患者的内、外照射MRI三维图像的点集配准与非线性配准结果图。图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模态医学图像配准与可视化方法，其特征在于：包括如下步骤，S1：提供一多模态医学图像配准与可视化系统，包括用户交互控制单元、图像配准单元、三维重建单元、可交互图像数据显示单元和数据结果输出单元；所述用户交互控制单元用于实现图像数据的输入、输出及预处理；所述图像配准单元用于实现图像数据的配准；所述三维重建单元用于将所述用户交互控制单元输入的图像数据或经所述图像配准单元配准后的图像数据进行三维重建，并传输给可交互图像数据显示单元；所述可交互图像数据显示单元用于交互显示实时图像数据；所述数据结果输出单元用于实现图像数据配准结果和配准结果变换矩阵的输出与保存；S2：通过所述用户交互控制单元导入三维体数据，在可交互图像数据显示单元的图像数据显示窗口中分别显示三维体数据的横断面、冠状面、矢状面以及经三维重建后的三维图像；S3：通过用户交互控制单元对导入的目标图像及源图像进行去噪声等预处理，减少噪声对配准精度的影响，若图像分辨率超过一预定阈值，还需在去噪声处理之后采用重采样方法，适当降低图像分辨率，减少配准过程的计算量；S4：通过图像配准单元对经步骤S3处理后的图像数据采用包括点集配准、刚性配准、仿射配准、非线性配准中的一种或多种配准方法级联的方式进行配准，并经数据结果输出单元输出图像数据配准结果及配准结果变换矩阵。...

【技术特征摘要】
1.一种多模态医学图像配准与可视化方法，其特征在于：包括如下步骤，S1：提供一多模态医学图像配准与可视化系统，包括用户交互控制单元、图像配准单元、三维重建单元、可交互图像数据显示单元和数据结果输出单元；所述用户交互控制单元用于实现图像数据的输入、输出及预处理；所述图像配准单元用于实现图像数据的配准；所述三维重建单元用于将所述用户交互控制单元输入的图像数据或经所述图像配准单元配准后的图像数据进行三维重建，并传输给可交互图像数据显示单元；所述可交互图像数据显示单元用于交互显示实时图像数据；所述数据结果输出单元用于实现图像数据配准结果和配准结果变换矩阵的输出与保存；S2：通过所述用户交互控制单元导入三维体数据，在可交互图像数据显示单元的图像数据显示窗口中分别显示三维体数据的横断面、冠状面、矢状面以及经三维重建后的三维图像；S3：通过用户交互控制单元对导入的目标图像及源图像进行去噪声等预处理，减少噪声对配准精度的影响，若图像分辨率超过一预定阈值，还需在去噪声处理之后采用重采样方法，适当降低图像分辨率，减少配准过程的计算量；S4：通过图像配准单元对经步骤S3处理后的图像数据采用包括点集配准、刚性配准、仿射配准、非线性配准中的一种或多种配准方法级联的方式进行配准，并经数据结果输出单元输出图像数据配准结果及配准结果变换矩阵。2.根据权利要求1所述的一种多模态医学图像配准与可视化方法，其特征在于：所述用户交互控制单元通...

【专利技术属性】
技术研发人员：高钦泉，林绍辉，高跃明，杜民，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35