王德兵
(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程系,安徽 淮南 232007)
醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)一直是研究者普遍關(guān)注的問(wèn)題?,F(xiàn)在,已開(kāi)發(fā)出多種方法可用于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)。其中,基于標(biāo)志點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)在現(xiàn)實(shí)中最為常用,如在諸多商業(yè)圖像導(dǎo)航系統(tǒng)中廣泛使用此技術(shù),而基于標(biāo)志點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)涉及不同圖像(或物理空間)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)的確定,以及使用這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)開(kāi)展的幾何變換估計(jì),這些標(biāo)記點(diǎn)可以是內(nèi)在標(biāo)志或外部標(biāo)志。內(nèi)在標(biāo)志一般來(lái)源于自然存在的特征,如解剖標(biāo)志點(diǎn),而外部標(biāo)志則為人工選擇標(biāo)志?;鶞?zhǔn)點(diǎn)是基于標(biāo)記的顱腦圖像配準(zhǔn)中最重要的參考指標(biāo)之一,而顱腦圖像中基準(zhǔn)點(diǎn)位置的估算對(duì)于成功開(kāi)展基于標(biāo)記的圖像配準(zhǔn)十分重要。現(xiàn)有的商業(yè)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)軟件系統(tǒng)要么不具備自動(dòng)定位基準(zhǔn)點(diǎn)的功能,要么聲稱(chēng)具有此功能,但實(shí)際上并非如此。比如,Stealth Station(手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng))就不具備此功能,史塞克(Stryker)在系統(tǒng)界面上設(shè)置“自動(dòng)發(fā)現(xiàn)(Find automatically)”按鍵并聲稱(chēng)具備此功能,然而實(shí)際顯示所有的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能均不能正常工作,史塞克醫(yī)療器械有限公司承認(rèn)確實(shí)不能使用這些功能,這就意味著基準(zhǔn)標(biāo)記仍需用戶(hù)手動(dòng)選擇,用戶(hù)必須觀(guān)察所有圖像切面并使用鼠標(biāo)選擇基準(zhǔn)中心用于配準(zhǔn)。在手動(dòng)選擇配準(zhǔn)過(guò)程中,圖像強(qiáng)度、對(duì)比度、切面間距,甚至是圖像中不完整基準(zhǔn)點(diǎn)均會(huì)使不同用戶(hù)生成不同的鼠標(biāo)定位結(jié)果。因此人工選擇具有較大缺陷,并可能造成誤差。自動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)是圖像配準(zhǔn)的首要步驟,近年來(lái)研究者關(guān)于這一主題已開(kāi)展了一些研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于強(qiáng)度的搜索和分類(lèi)的自動(dòng)標(biāo)記定位技術(shù),然而,這一方法需要關(guān)于標(biāo)記大小和形狀的先驗(yàn)信息,且僅適用于圓柱形標(biāo)記。文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了基于超聲波模塊的方法用于檢測(cè)并定位皮下基準(zhǔn)點(diǎn),但該方法需使用附加硬件設(shè)備才能完成基準(zhǔn)點(diǎn)的定準(zhǔn)。文獻(xiàn)[3]也提出了相應(yīng)的方法,但要求基準(zhǔn)點(diǎn)僅限于最佳尺寸大小。文獻(xiàn)[4]提出了種子和條件膨脹方法,而該方法則需要高清晰圖像。其他技術(shù)需要?jiǎng)t需要增加硬件設(shè)備,如關(guān)節(jié)臂[5-6]、光學(xué)三角系統(tǒng)[7]、磁場(chǎng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器[8]等。本文充分利用圖像空間的強(qiáng)度信息,提出了一種基于模板的基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)算法和決策系統(tǒng),完成基準(zhǔn)點(diǎn)的定準(zhǔn),克服了上述方法的缺陷。
基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程如圖1所示。
圖1 基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程
通常情況下,使用掃描儀器獲取的圖像為軸位圖像切面。切面間距(即兩個(gè)連續(xù)切面間的距離)可根據(jù)模態(tài)和醫(yī)生的要求固定,最常見(jiàn)的切面間距為2mm,一個(gè)圖像序列可含有任意數(shù)目的圖像切面。在大多數(shù)情況下,全腦圖像序列含有75張切面,部分大腦圖像序列含有25或52張切面,集中于腫瘤區(qū)域。一個(gè)圖像序列可創(chuàng)建三維圖像,即三維矩陣M(x,y,z),M(x,y,z)的每個(gè)元素均是切面z中像素(x,y)的強(qiáng)度值。在大多數(shù)情況下,0≤x,y≤255, 0≤z≤25(或者0≤z≤50,0≤z≤75)。從M(x,y,z)中,提取了三種不同的圖像視圖:即軸位、冠狀位和矢狀位視圖。軸位視圖實(shí)際是輸入圖像序列,并對(duì)三個(gè)視圖分別進(jìn)行處理。在這一階段使用圖像處理技術(shù)是為了獲取皮膚和基準(zhǔn)點(diǎn)清晰的輪廓,如果一段輪廓的曲率具有基準(zhǔn)點(diǎn)的特征,這一段輪廓被選為候選基準(zhǔn)點(diǎn)。從三個(gè)視圖中獲取三個(gè)候選集,作為基于模板的決策系統(tǒng)的輸入,再使用該系統(tǒng)測(cè)試軸位視圖中各個(gè)候選基準(zhǔn)點(diǎn),以確定在相同的三維位置是否也有候選基準(zhǔn)點(diǎn)。如果有,認(rèn)為這個(gè)候選點(diǎn)是基準(zhǔn)點(diǎn),否則,這個(gè)候選點(diǎn)是邊緣檢測(cè)的誤差。誤差可能有諸多原因?qū)е拢?,圖像中不完整的基準(zhǔn)點(diǎn),或一段輪廓是從某個(gè)角度看起來(lái)像是基準(zhǔn)點(diǎn)但卻是皮膚的一部分。
本研究關(guān)鍵是提出了從三維空間檢測(cè)基于模板的自動(dòng)檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的算法,作為決策系統(tǒng)的核心,解決了基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)自動(dòng)定準(zhǔn)問(wèn)題。通過(guò)大腦邊緣圖的構(gòu)建,獲取大腦輪廓;根據(jù)大腦輪廓中角點(diǎn)的不同曲率確定候選基準(zhǔn)點(diǎn);根據(jù)上述方法獲取軸位、冠狀位和矢狀位三個(gè)視圖的三個(gè)侯選集,作為決策系統(tǒng)的輸入。本部分分別詳細(xì)介紹了算法中使用到的模板,邊緣檢測(cè)方法,基于曲率的候選基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)方法和決策系統(tǒng)中基于模板的三維空間檢測(cè)算法。
圖2為研究中使用的基準(zhǔn)標(biāo)記模型。如將該模型放在頭骨上進(jìn)行掃描,可得到圖3中所示的9個(gè)剖視圖。基于剖視圖,掃描平面會(huì)切割基準(zhǔn)標(biāo)記。例如,如果剖切面與z軸垂直,可得到剖視圖3(g)。如果剖切面與x或y軸垂直,可分別得到剖視圖3(h)和3(i),其他6個(gè)剖視圖是在剖切面與任一軸均不垂直的情況下獲得的。
圖2 基準(zhǔn)標(biāo)記模型
圖3 剖切面在不同位置時(shí)的剖視圖
將上述9個(gè)視圖分為四類(lèi):視圖(e)、 (f) 和 (g)屬于第0類(lèi),視圖(h)屬于第1類(lèi),視圖(i)屬于第2類(lèi),所余視圖屬于第3類(lèi)。本文方法僅使用第0、1、 2類(lèi)視圖。
對(duì)于圖4中的三維圖像,當(dāng)對(duì)含有完整基準(zhǔn)標(biāo)記的連續(xù)圖像序列開(kāi)展邊緣檢測(cè)時(shí),有以下兩種可能(分別使用以下模板進(jìn)行說(shuō)明)。
圖4 大腦頂部基準(zhǔn)標(biāo)記的多平面視圖
模板1:至少有第0類(lèi)的剖視圖,如圖3中的(a)和(b)。圖4中第一行為基準(zhǔn)標(biāo)記的掃描圖,第二行為所檢測(cè)到的這些標(biāo)記的邊緣。所檢測(cè)到的邊緣為兩個(gè)不被圖像其他邊緣完全包圍的同心圓,這就保證了圖像只能是頭骨上設(shè)置的基準(zhǔn)標(biāo)記。
圖5 基準(zhǔn)標(biāo)記軸位圖及三幅連續(xù)切面中檢測(cè)到的邊緣
模板2:依次至少有一幅第0類(lèi)剖視圖,至少有一幅第2類(lèi)剖視圖和至少有一幅第1類(lèi)剖視圖組成的圖像序列。在此圖像序列前后,均無(wú)基準(zhǔn)標(biāo)記。在第一類(lèi)剖視圖中,邊緣含有單峰,稱(chēng)之為“邊緣類(lèi)型1”;在第2類(lèi)剖視圖中,邊緣含有雙峰,稱(chēng)為“邊緣類(lèi)型2”;另外還有一種情況,邊緣中無(wú)峰,稱(chēng)之為“邊緣類(lèi)型0”。這樣,根據(jù)基準(zhǔn)標(biāo)記圖像序列中邊緣上的峰的數(shù)量,可分別從圖6和圖7中獲得字符串“0111112221000” 和“01122222211100”。對(duì)于連續(xù)的相同數(shù)字,僅保留一個(gè),將多余的都刪除,以此方式可將圖6和圖7的字符串均收縮為“01210”。
圖6 圖3中基準(zhǔn)標(biāo)記的矢狀位視圖,13幅連續(xù)切面中檢測(cè)到的邊緣,以及邊緣上峰的數(shù)目
圖7 圖3中基準(zhǔn)標(biāo)記的冠狀位視圖,14幅連續(xù)切面中檢測(cè)到的邊緣,以及邊緣上峰的數(shù)目
以上模板1和2中,同心圓和峰值均在僅有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行檢測(cè),研究中選擇基準(zhǔn)點(diǎn)最大可能尺寸為12mm。
使用基于比值的閾值法[9]在原始圖像中將前景對(duì)象從背景中分割出來(lái),對(duì)于最佳閾值,兩個(gè)區(qū)域像素?cái)?shù)的比值會(huì)發(fā)生明顯變化。從所定位的潛在閾值集中,可自動(dòng)確定最終閾值的子集,第一個(gè)閾值將用于前景/背景分割。使用比值曲線(xiàn)進(jìn)行分割的步驟如下:
生成直方圖并使用高斯濾波器對(duì)其進(jìn)行平滑處理,以抑制較小的強(qiáng)度變化。
計(jì)算比值曲線(xiàn)的二次倒數(shù),獲得歸一變化率曲線(xiàn),然后將曲線(xiàn)平滑處理,以消除較小的峰值和谷值,所得到的最大和最小值的位置決定了候選閾值的值,示例圖像的分割結(jié)果如圖8所示。
(a) 原始圖
(b) 分割圖圖8 前景/背景分割
在分割后的前景中,使用遞歸形態(tài)侵蝕、膨脹和灰度重建技術(shù)融合較小間隙和消除多余噪聲(常見(jiàn)于病例圖像中),然后使用Canny邊緣檢測(cè)技術(shù)以獲取邊緣[10](圖9a)。
在檢測(cè)到的所有邊緣中,使用射線(xiàn)搜索程序選擇大腦的輪廓:1)對(duì)每個(gè)邊緣目標(biāo)的像素進(jìn)行編號(hào)并選擇上半部分作為候選2)從圖像四個(gè)角向中心設(shè)置四條射線(xiàn)3)與任一射線(xiàn)相交的第一條邊緣即大腦的輪廓。在開(kāi)展此程序前,需使用高斯平滑濾波器消除較小的物體和噪聲(圖9b)。
(a) 初始邊緣圖
(b) 輪廓選擇圖9 輪廓選擇
大腦輪廓識(shí)別后,檢測(cè)輪廓內(nèi)的角點(diǎn)。單尺度特征檢測(cè)不能同時(shí)檢測(cè)細(xì)微和粗略特征,而多尺度特征檢測(cè)[11]可解決這一問(wèn)題。研究中使用自適應(yīng)曲率閾值,而非單一的全局閾值。文中,曲率定義為:
在固定低尺度下計(jì)算曲率,以保留所有真實(shí)角點(diǎn)。曲率的所有局部最大值都被視為候選角點(diǎn),包括錯(cuò)誤角點(diǎn),使用自適應(yīng)局部閾值和角點(diǎn)角度移除初始候選角點(diǎn)中的錯(cuò)誤角點(diǎn)和邊界噪聲。角點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。
圖10 角點(diǎn)檢測(cè)
根據(jù)角點(diǎn)位置,使用K-均值聚類(lèi)將所選擇的角點(diǎn)聚類(lèi)至若干個(gè)類(lèi)別中,再進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,搜索可將數(shù)據(jù)擬合至各個(gè)類(lèi)別的三級(jí)多項(xiàng)式P(x)的系數(shù),繪制各組的擬合曲線(xiàn),如圖11所示。選擇各條曲線(xiàn)的中心點(diǎn),投射至大腦輪廓上,所得到的點(diǎn)即為基準(zhǔn)標(biāo)記的中心(見(jiàn)圖12)。
圖11 曲線(xiàn)擬合
圖12 最終結(jié)果
從三個(gè)視圖獲取三個(gè)候選基準(zhǔn)點(diǎn)集合后,使用決策系統(tǒng)確定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置。本節(jié)給出了決策系統(tǒng)及基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)算法的規(guī)則。對(duì)于從DICOM圖像序列重建的三維圖像“IMG”(包含N切面),令I(lǐng)(a,i),I(s,j),和I(c,k)表示軸位切面圖像i,矢狀位切面圖像j,和冠狀位切面圖像k。
三維空間基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)算法描述如下:
1. 定義Ma,Ms和Mc為與“IMG”具有相同尺寸的矩陣,且所有元素值設(shè)為0。
2. 令i=1。
3. 對(duì)I(a,i)開(kāi)展邊緣檢測(cè)。
4.開(kāi)展基于曲率的候選基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)。如果“模板1”存在,令Ma(x,y)=1,其中 (x,y)是同心圓中心坐標(biāo)。
5.遍歷整個(gè)大腦邊界。對(duì)于所遇到的每個(gè)“邊緣類(lèi)型2”,對(duì)I(a,i-1),I(a,i-2),…, 和I(a,i+1),I(a,i+2)等開(kāi)展邊緣檢測(cè),在此圖像序列中相同大腦邊界位置尋找峰數(shù)字符串,如果有“模板2”,令Ma(x,y)=2,其中 (x,y)是兩個(gè)峰之間谷值坐標(biāo)。
6.如果既沒(méi)有“模板1”也沒(méi)有“模板2”,并且不存在i=N,則令i=i+1,返回第一步。
7. 對(duì)Ms中所有值為1的元素,即Ms(x,y,z)=1,進(jìn)行以下操作:
a) 令j=x,使用I(s,j)替換I(a,i)且使用Ms替換Ma,重復(fù)第3~5步操作;
b)令k=y,使用I(c,j)替換I(a,i)且使用Mc替換Ma,重復(fù)第3~5步操作。
8. 如操作7(a) 和 7(b)中均有“模板2”,則在坐標(biāo)(x,y,z)處有基準(zhǔn)標(biāo)記。
9. 對(duì)Ms中所有值為2的元素,即Ms(x,y,z),=2,開(kāi)展以下操作:
a) 令j=x,使用I(s,j)替換I(a,i)且使用Ms替換Ma,重復(fù)第3~5步操作;
b)令k=y,使用I(c,j)替換I(a,i)且使用Mc替換Ma,重復(fù)第3~5步操作。
10.如操作9(a) 和 9(b)中有“模板1”或“模板2”,則在坐標(biāo)(x,y,z)處有基準(zhǔn)標(biāo)記。
發(fā)現(xiàn)檢測(cè)邊緣以找到“模板2”的峰值并非易事,通過(guò)多種邊緣檢測(cè)濾波器如“Sobel”,“Laplacian”, “Prewiit”, “Zero-cross”, “Canny”等檢測(cè)發(fā)現(xiàn),其中使用“Laplacian”濾波器獲取結(jié)果最優(yōu),所有結(jié)果均是基于此邊緣檢測(cè)算法。同時(shí),盡管“Laplacian”在邊緣檢測(cè)中仍然不夠完善,但通過(guò)考慮連續(xù)圖像序列而非單幅圖像,仍可以成功發(fā)現(xiàn)“模板2”并最終找到基準(zhǔn)標(biāo)記。
盡管模板匹配方法在發(fā)現(xiàn)和定位標(biāo)記中非常有用,但使用該方法時(shí)需將標(biāo)記的基準(zhǔn)點(diǎn)定義為其形心。該方法首先將標(biāo)記從背景中分割出來(lái),然后計(jì)算其強(qiáng)度加權(quán)形心。由于所使用的標(biāo)記在CT和MR圖像中較亮,在空氣背景上無(wú)法成像。因此,分割時(shí)將會(huì)遇到以下問(wèn)題:使用閾值法將圖像分割為標(biāo)記和背景體元,和與區(qū)域生長(zhǎng)相關(guān)的標(biāo)記體元。
因此本研究使用自適應(yīng)閾值法RaBAM[12-13]。Sahoo 和 Glasbey對(duì)現(xiàn)有的閾值算法進(jìn)行評(píng)閱和對(duì)比發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)通常假設(shè)前景和背景體元來(lái)自?xún)蓚€(gè)主要模式。因?yàn)闃?biāo)記的尺寸與圖像切面的厚度在同一數(shù)量級(jí),許多含有標(biāo)記的體元會(huì)遭受部分容積效應(yīng),即這些體元包含標(biāo)記和空氣的混合物。因此,圖像在標(biāo)記周?chē)鷧^(qū)域的強(qiáng)度直方圖并沒(méi)有兩個(gè)主要模式。通常,強(qiáng)度直方圖有一個(gè)對(duì)應(yīng)背景噪聲的主要模式和對(duì)應(yīng)前景標(biāo)記的廣泛分布區(qū)域。如果含有組織或者CT圖中的標(biāo)志桿,背景模式也有可能是分散的。對(duì)于算法的第一部分,我們發(fā)現(xiàn)RaBAM算法可以勝任。
本研究使用六位病人的42套醫(yī)學(xué)圖像(每人一套CT和六套MR圖像,正向和反向讀出梯度T1,PD,T2)開(kāi)發(fā)并測(cè)試了所提出的自動(dòng)定位技術(shù)。每位病人使用4個(gè)標(biāo)記,共計(jì)168幅標(biāo)記圖像,每套CT圖像和MR圖像平均處理時(shí)間分別為87s(時(shí)間范圍82~91s)和18秒(9~48s)。
從24幅CT圖像中識(shí)別出23個(gè)候選基準(zhǔn)點(diǎn),即算法對(duì)CT圖像的標(biāo)記誤判率為4.66%。在144幅MR圖像中選擇具有最高平均強(qiáng)度的四個(gè)標(biāo)記后,從144個(gè)真實(shí)標(biāo)記中識(shí)別出131個(gè),算法對(duì)MR圖像的標(biāo)記誤判率為9%。
在含有45種MR模態(tài)和11種CT模態(tài)的18種案例下測(cè)試了本文的方法。測(cè)試中僅使用常規(guī)MR圖像(切面尺寸:256*256或 512*512像素)和CT圖像(切面尺寸:512*512像素),所有的圖像數(shù)據(jù)表示為DICOM圖像序列,每個(gè)文件均為軸向掃描切面的圖像文件。經(jīng)測(cè)試,得出了理想結(jié)果。因文章篇幅限制,表1給出了兩種案例的具體結(jié)果。
表1 案例圖像信息和基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果
使用CT或MR掃描儀獲取的圖像質(zhì)量的差異,并非所有模態(tài)下的基準(zhǔn)標(biāo)記均是可見(jiàn)的。例如,盡管MR的T1和T2模態(tài)下全部的12個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記均可見(jiàn),但在案例1中的CT模態(tài)下,僅能通過(guò)視覺(jué)識(shí)別出9個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記。
并沒(méi)有對(duì)CT模態(tài)下漏掉的3個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行重建,原因如下:1)認(rèn)為所漏掉的標(biāo)記在CT模態(tài)下并不存在,因?yàn)殛P(guān)于它們并沒(méi)有可用的信息,如像素強(qiáng)度等;2)因?yàn)榛鶞?zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)的目的在于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置而非相反目的,不能使用其他模態(tài)下的基準(zhǔn)標(biāo)記位置信息對(duì)它們進(jìn)行CT模態(tài)重建。
表1中最后一行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在兩個(gè)案例中,本文方法均檢測(cè)出了所有可見(jiàn)基準(zhǔn)標(biāo)記,沒(méi)有基準(zhǔn)標(biāo)記漏檢,檢測(cè)到的標(biāo)記位置均無(wú)誤。
在全部55個(gè)模態(tài)下(MR和CT),共計(jì)430個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(其中107個(gè)在CT圖像中),僅在一個(gè)MR模態(tài)下的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)未能檢測(cè)出來(lái),未檢測(cè)到的基準(zhǔn)點(diǎn)的軸位視圖如圖13所示,該基準(zhǔn)標(biāo)記并沒(méi)有位于圖像的頭骨部分,因此對(duì)此圖像序列的邊緣檢測(cè)沒(méi)有生成任何可識(shí)別模板。
圖13 本文方法未能檢測(cè)到的基準(zhǔn)標(biāo)記
本文提出了一種全新的全自動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)算法,可用于不同的圖像模態(tài)中,經(jīng)18個(gè)案例測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,誤判率很低,這個(gè)方法有助于實(shí)現(xiàn)基于基準(zhǔn)點(diǎn)的全自動(dòng)圖像配準(zhǔn)。該方法和人眼識(shí)別具有相同的性能,不受像素強(qiáng)度值,基準(zhǔn)標(biāo)記位置和方位的影響。后續(xù)關(guān)于基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)的研究將關(guān)注以下方面:將基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)與圖像配準(zhǔn)向結(jié)合; 測(cè)試基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)iMRI圖像的應(yīng)用。