磁性微泡对比剂介导超声与磁共振图像的配准与融合研究

发布时间：2017-10-19 04:22

  本文关键词：磁性微泡对比剂介导超声与磁共振图像的配准与融合研究

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【摘要】：超声成像(ultrasound imaging, US)是一种价格相对低廉、安全性高普及面广的医学成像模式,在医学诊断中有着难以替代的作用。使用超声造影剂一定程度上能够增强超声成像的对比度,提高诊断的准确性。但是超声成像清晰度和分辨率较低,超声成像受气体影响很大。磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)对患者软组织有较好的分辨力,其提供多个成像参数,通过设置成像参数能够获取丰富的诊断信息,对体内代谢和功能的研究更加有效。但是MRI对体动敏感,易产生伪影,同时MRI对钙化不敏感；扫描时间长。各种影像技术在时空分辨率方面各有优缺点,多种成像模式相融合可以实现优势互补。然而不同模态的医学影像分辨率不同,成像原理不同,成像参数不同,因此在进行图像融合前必须进行图像之间的配准。因为上述原因,将超声与其它模态图像进行配准与融合具有重要的实际意义。基于上述需求,本文以医学图像配准理论为基础,借助磁性微泡对比剂提升US和MRI中的目标物的对比度,进行了超声和磁共振影像的配准和融合算法研究。本文在理论研究方面开展了如下4个方面的工作：(1)基于磁性微泡对比剂和仿射变换模型,进行了超声和磁共振影像之间的配准,并对配准结果进行讨论和分析。使用磁性微泡对比剂进行了体模超声和磁共振显影,在此基础上构建了超声图像与磁共振图像之间的空间仿射变换模型。此算法模型既能够体现两幅图像之间的物理空间坐标变换,也能够体现两幅图像之间的强度(包括亮度和对比度)变化；运用多尺度金字塔算法对构建的空间仿射变换模型进行求解,得到的解既能够满足两幅图像之间空间全局变换,也能够满足两幅图像之间的局部细节变化。实验结果表明：上述算法结合磁性微泡对比剂进行超声和磁共振图像的配准可以获得较好的配准效果。(2)基于磁性微泡对比剂,进行了基于光流场的超声与磁共振影像的配准。为了尽可能减少背景噪声对配准结果影响,应用磁性微泡对比剂对US和MRI进行了对比度增强,并对超声影像和磁共振影像运用活动轮廓模型进行了感兴趣区域的半自动分割,基于超声影像感兴趣区域(region of interest, ROI)和磁共振影像ROI构建了健壮的光流模型,通过使用SOR逐次超松驰迭代法能够计算出US和MRI之间的向量场,用获得的向量场对超声影像进行形变。对比实验表明磁性微泡对比剂结合本章提出的改进的光流场算法相对于其他方法可以获得更满意的配准效果。(3)提出了基于动态加权非负矩阵的超声影像和磁共振影像的融合算法。对源图像运用非采样Contourlet变换(nonsubsampled contourlet transform, NSCT)进行分解,然后对低频子带系数采用自适应动态加权非负矩阵分解(dynamic weighted non-negative matrix factorization, DWNMF)结合分割图像进行融合,对各带通方向子带系数采用空间频率激励的脉冲耦合神经网络进行融合,最后进行NSCT逆变换获得融合图像。(4)为了将配准和融合算法用于临床医学肿瘤诊断,进行了基于生物体医学影像的配准与融合。首先选用裸鼠作为动物模型,在裸鼠前肢皮下建立人体肿瘤模型,然后运用超声设备和磁共振设备,分别基于不使用磁性微泡对比剂和使用磁性微泡对比剂两种情况,对建立在裸鼠上的肿瘤模型进行超声和磁共振成像。对比实验表明,配准与融合算法结合磁性微泡对比剂,进行基于生物体的超声和磁共振的配准与融合是可行的。本文提出将磁性微泡对比剂用于图像配准和融合领域。该磁性微泡对比剂可以在一次用药的情况下得到两种成像模式下的诊断结果,起到优势互补的效果,且该对比剂的毒副作用小。另外本文提出的配准算法模型基于影像强度和体素灰度,不依赖使用的相似性测度,适用于其他模态影像之间的配准。
【关键词】：磁性微泡对比剂 图像融合 超声成像 磁共振成像 图像配准
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R445
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 缩写词中英文对照表(Abbreviation)8-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 双模态造影剂在MRI及US中的应用13-16
• 1.3 医学影像配准的研究现状16-29
• 1.3.1 医学影像配准的基本过程16-18
• 1.3.2 几何变换18-22
• 1.3.3 图像插值22-25
• 1.3.4 相似性测度25-27
• 1.3.5 函数优化27-28
• 1.3.6 医学影像配准平台28-29
• 1.4 医学影像融合29-30
• 1.5 本文要解决的问题及研究内容30-32
• 1.6 本文结构32-34
• 第二章 基于仿射变换模型的超声与磁共振影像的配准34-55
• 2.1 配准方法34-40
• 2.1.1 2D仿射变换模型简介35-36
• 2.1.2 基于微分算子的2D仿射变换模型36-38
• 2.1.3 改进的健壮的基于微分算子的2D仿射变换模型38-40
• 2.2 金字塔算法40-41
• 2.3 评价指标41-42
• 2.4 材料、装置及数据采集42-46
• 2.4.1 材料、影像采集装置和实验计算平台42-43
• 2.4.2 影像采集及造影剂有效性验证43-46
• 2.5 配准实验及结果分析46-54
• 2.5.1 基于第一组影像的配准46-50
• 2.5.2 基于第二组影像的配准50-54
• 2.6 本章小结54-55
• 第三章 基于光流场的超声与磁共振影像配准55-78
• 3.1 基于活动轮廓模型的图像感兴趣区域分割55-56
• 3.2 光流模型56-61
• 3.2.1 基于微分法的光流模型(小位移情况)56-57
• 3.2.2 基于微分法的光流模型(大位移情况)57-59
• 3.2.3 改进的健壮的光流场模型59-61
• 3.3 实验61-73
• 3.3.1 超声和磁共振的半自动分割62-64
• 3.3.2 基于光流模型的超声和磁共振的配准64-68
• 3.3.3 本章光流场配准方法与其他配准方法的比较68-71
• 3.3.4 本章光流场算法与第二章改进的仿射变换算法的比较71-73
• 3.4 关于配准算法的精度验证73-76
• 3.4.1 关于第2章仿射变换的配准精度实验73-74
• 3.4.2 关于第3章光流场算法的配准角度误差实验74-76
• 3.5 本章小结76-78
• 第四章 基于磁性微泡对比剂进行超声和磁共振影像融合78-94
• 4.1 图像边缘提取78-80
• 4.1.1 转移概率78-79
• 4.1.2 信息素更新79-80
• 4.2 融合算法80-86
• 4.2.1 动态加权非负矩阵80-83
• 4.2.2 基于图像边缘提取和DWNMF的低频子带系数的融合83-86
• 4.2.3 基于SF-PCNN的各带通方向子带系数的融合86
• 4.3 实验及结果分析86-92
• 4.3.1 融合评价指标86-88
• 4.3.2 不使用磁性微泡对比剂情况下超声影像和磁共振影像之间的融合88-89
• 4.3.3 使用磁性微泡对比剂情况下超声影像和磁共振影像之间的融合89-90
• 4.3.4 实验讨论90-92
• 4.4 本章小结92-94
• 第五章 基于生物体(裸鼠)的超声和磁共振的配准与融合94-108
• 5.1 裸鼠影像采集94-97
• 5.2 配准实验及结果比较97-104
• 5.3 融合实验及结果比较104-107
• 5.4 本章小结107-108
• 第六章 总结与展望108-111
• 6.1 本文工作总结108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 参考文献111-119
• 攻读博士学位期间的研究成果119-120
• 致谢120

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