骨X线透视图像与CT体数据配准方法研究

摘要

2D(two dimensional)／3D(three dimensional)医学图像配准可应用于脊柱手术导航、术后评估和膝关节运动分析。本文的目的是研究脊柱或膝关节2D(X线)／3D(CT)配准方法,评估各算法对配准结果的影响及其实用价值。
　　 本文采用刚性配准方法度量骨组织的刚体运动,针对多个关节联接的骨组织,我们研究了整体配准后再分段配准算法流程。首先,我们对X线透视成像场景进行标定,获得成像设备的参数。然后根据这些参数,我们采用射线跟踪算法从CT体积数据生成仿真透视图像-DRR(Digitally Reconstructed Radiograph)图像,用差值图像的熵、互信息、SLNC(Sum of Local Normalized Correlation)或VLNC(Variance-Weighted Sum of LocalNormalized Correlation)以及在此基础上提出的正交投影相似性测度函数计算相似性测度值,最后用改进粒子群算法在6维解空间内搜索最优解。分段配准算法在配准前手动分割体数据,分段DRR需要经过插值和补齐处理。整体配准后其结果作为分段配准的初值,用Powell算法搜索得到分段配准结果。为验证2D／3D配准方法的正确性,我们采用已知位置的DRR图像作为参考图像进行整体配准测试,结果验证传统单幅参考图像相似性测度方法容易造成误配,采用正交投影相似性测度方法使解空间内极值点减少,可以得到较为精确的配准结果。改进粒子群算法加大解空间搜索范围,使粒子群算法全局和局部优化搜索能力均有所提高,测试配准结果误差控制在平移1.5mm内,旋转1.5°内。用两套相互正交的DR(Digital Radiography)设备拍摄的正交投影X线透视图像作为参考图像进行整体配准和分段配准。
　　 本文以脊柱和膝关节标本各自对应的CT和X线图像进行配准实验,并用三维激光扫描仪得到的点云数据进行3D／3D配准验证2D／3D配准实验结果,得到配准结果误差控制在平移1.5mm内,旋转1.5°内。整体配准时间均消耗约为40分钟,单段配准均消耗时间约为3分钟。从配准结果融合图效果及误差上看,本文算法取得了较好的2D／3D配准效果。对有多个关节连接的脊柱,分段配准可以进一步优化整体配准效果。