（生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)論文）mri幾何失真校正的研究.pdfVIP

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t r i f l e ：s t u d yo f c o f f a c t i c mf o rg m 砌c d i s t o r t i o ni nm r i a u t h o r ：y uf a n g t h e s ms u p e r v i s o r ：a s s o c i m ep r o f e o r y uw e a - j m e s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m r ih a sb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e s p r e a di nc l i n i c a la p p l i c a t i o n s m r ih a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c h h i g hr e s o l u t i o nf o rs o f tt i s s u e ，n od i s t u r b a n c ew i t hh o n ef a l s ei m a g e ；b u ti t si n h e r e n tg e o m e t r i cd i s t o r t i o n h a sr e d u c e di t ss p a c ep r e c i s i o n , l i m i t e di t aa p p l i c a t i o ni n p r e c i s ed i a g n o s i sa n dt i l e m p y t h e r e f o r e ，t o a c h i e v eap r e c i s er e s u l ti nd i a g n o s i s du e a t m e n t , t h ec o r r e c t i o nf o rg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm 姒m u s tb e c a r r i e do n c u r r e n t l y , s p e c i f i cd e s i g n e dg e o m e t r i cp h a n t o m sc o m b i n e dw i t hs o f t w a r eh a v eo 仇b e e na d o p t e dt o d e t e c ta n dc o r r e c tt h ed i s t o r t i o nc a u s e db yi m a g i n gs y s t e m ，a n dt h i sm e t h o dh a sb e e nw i d e s p r e a du s e di n c l i n i c a l h o w e v e r , j ts t i r e m a i n ss o m eb i gd i s t o r t i o u s , f u r t h e rn l o m t h i sm e t h o dc a l l tc o r r e c tt h ed i s t o r t i o n c h a n g e dw i t hd i f f e r e n ti m a g i n g 講 a m 種盯sa n dc a u s e db yp a t i e n t s s o ，打b r i n g ss o m ep o t e n t i a lt r o u b l e st o t h ea p p l i c a t i o n sb a s e do i lp r e c i s ei m a g e s ，s u c ha sn e u r a s u r g e r ya n dr a d i o t h e r a p y h e n c e i nt h i sp a p e r , a m e t h o db a s e do ai m a g ep a s t - p r o c e s s i n gi sp r o p o s e dt oc o i t e c tv a r i o u sd i s t o r t i o n si nm r i t h eb a s i ci d e ao f t h i sm e t h o di st om a t c ht h ed i s t o r t e dm r lw i t hc tb yn o n l i n e a ri m a g er e g i s t r a t i o n w h i c hh a st h es a m e a n a t o m i e a is t r u c t u r e 雒m r lb u ta l m o s th a sn og a n r r 、e u i cd i s 協(xié)n l o n a n dt h eg e o m e t r i cp r e c i s i n no fm 附 b ei m p r o v e db yt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r n a lp o i n t sa n dm a x i m i z a t i o no f m u t u a li n f o r m a t i o no f t h et w o i m a g e s i nt h ec o u r s eo fn o n l i n e a r r e g i s t r a t i o nw i t hi n t e r n a lp o i m s - b a s e dm e t h o d , t h ee l a s t i cb o d ys p l i n e t r a i l s f o r mi su s e da n dt h es m o o t hp a r a m e t e rli si n t j l u c e dt or e d u c et h eo r i e n t a t i o no n o ro ft h e c o r r e s p o n d i n gp o i n t s n i sm e t h o dc a no b t a i nap r e f e r a b l eg l o b a l ( s y s t e m - r e l a t e d ) a n dl o c a l ( p a t l e n t - r e l a t e d ) c o r r e c t i o nr e s u l tt o g e t h e r , b u tn e e dm a n u a li n t e r v e n t i o n st oe x t r a c tc o r r e s p o n d i n gp o i n t s hb r i n g ss o m e m a n m a d ee r r o r s ；i nt h ec o u r s eo f1 1 0 1 1 1 i n e a rr e g i s t r a t i o nw i t hm u t u a ii n f o r m a t i o n b a s e dm e t h o d t h e p o l y n o m i a lt r a n s f o r m a t i o nw h i c hc a na p p r o x i m a t e l ys i m u l a t em r i d i s t o r t i o ni sa d o p t e da n dt h en o r m a l i z e d m u t o a li n f o r m a f i o ni ss e l e c t e d 罄t h ec o m p a r a b i l i t yc r i t e r i o no fr e g i s t r a t i o n t h i sm e t h o dd e a s n tn e e d e x u a g tc h a r a c t e r so fi m a g eb u td e a lw i t ht h eg r e yo fi m a g ed i r e c t l y , s oi ti sa u t o m a t i c b u tt h ea b i l i t yf o r p o l y n o m i a lt r a n s f o r m a t i o nt oc o r r e c tl o c a l ( p a f i a n t - r e i n t e d ld i s t o r t i o n i sr e l a t i v e l yl i m i t e d , i tm a i n l y d e s c r i b e st h eg l o b a l ( s y s t e m r e l a t e d ) d i s t o r t i o l l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d sa d o p t e di nt h i sp a p e ra c h i e v es o m ee f f e c t s i tn e e d s e s p e c i a l l yp o i n to u tt h a tt h e s em e t h o d sa r eb a s e do ni m a g er e g i s t r a t i o n ，s ot h e ya r em o r eg e n e r a lt h a no t h e l c o r r e c t i o nm e t h o d s 1 1 l q b ei n t e g r a t e di n t ot h ea p p l i c a t i o n so fc t m r r e g i s t r a t i o n h o w e v e r ，t h e t r a n s f o r m a t i o nm o d e l su s e di nt h i sp a p e ra l es t i l ia na p p r o x i m a t es i m u l a t i o nt om r id i s t o r t i o nf o rt h e r e a s l d n sw h i c hc a u s eg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm r ia r eq u i t ec o m p l e x s oi no r d e rt oa c h i e v eac o m p l e t e l y s a t i s f a c t o r yc o r r e c t i o nr e s u l t , i tn e e d st os e e km o r ee f f e c t i v em o d e l st os i m u l a t et h ec o m p l e xg e o m e t r i c d i s t o r t i o nj nm 陽 k e yw o r d s ：m p j ；g e o m e t r i cd i 如a i n n ；n o n - l i n e a rr e g i s t r a t i o n ；e l a 盤i nb o d ys p l i n em f o m l ：p o l y n o m i a l t r a n s f o r m ；n o r m a l i z e dm u t u a li n f o r m a t i o n 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意 趨l l t 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登 授權(quán)東南大學(xué)研究生 院辦理 聾壘笪日期：咿占 口 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 課題背景 第一章緒論 由l a 咖- r b u r 教授等”o 提出的磁共振成像( m 剛) 技術(shù)，作為繼c r 之后又一新的斷層成像方法 給醫(yī)學(xué)影像學(xué)帶來了一場(chǎng)革命，極大地豐富了臨床醫(yī)學(xué)診斷和治療活動(dòng)磁共振成像技術(shù)利用原子 核在磁場(chǎng)內(nèi)共振所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行斷層圖像重建成像。與c t 相比，m r l 具有無損傷，無電離輻射， 高軟組織分辨率和無骨偽影干擾等優(yōu)點(diǎn)，既能反映組織的形態(tài)，又能反映其功能多參數(shù)成像可獲 得t l w i 、t z w i 和p d w 便于比較對(duì)照，多方位成像可獲得冠狀面、失狀面和橫截面的斷層像，以 適應(yīng)不同的臨床需要目前m 姒已被廣泛用于臨床各系統(tǒng)的檢查診斷和治療b 日 c a ) c t 圖像 圈i - ic t 圖像與m r i ( ”m r i 1 1 1m m 的醫(yī)學(xué)價(jià)值 m r l 的特別價(jià)值在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的檢查上它不傷害這些重要的人體組織和器官，可以 清晰地觀察到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生部位，嚴(yán)重程度，以及治療對(duì)這些疾肩產(chǎn)生的效果，圖i - 1 分別 顯示了大腦同一層面的c t 和m r ! ，m r 比c t 具有更高的歇組織分辨率，能更好地顯示病變發(fā)生 部位 功能磁共振成像不僅能幫助放射科醫(yī)師細(xì)致地查看大腦的解剖圖而且還能幫助他們確定大腦 的哪個(gè)部分正在處理著比如思考、說話、運(yùn)動(dòng)和感覺等關(guān)鍵性的行為這些信息對(duì)外科手術(shù)計(jì)劃、 放射治療、治療中風(fēng)或者治療其它的大腦紊亂性障礙都起著關(guān)鍵性的作用 m 對(duì)癌癥的診斷、治療和治療后的隨訪同樣具有重大價(jià)值。在手術(shù)前知道腫瘤是否浸潤(rùn)到周 圍組織是相當(dāng)重要的，m r l 比其他檢查方式更能精確地判斷組織之間的界限，因此能改進(jìn)手術(shù)質(zhì)量 刪還可區(qū)分腫瘤的發(fā)展程度，這對(duì)選擇治療方式同樣至關(guān)重要比如，m p a 能探清組織中的結(jié)腸 癌到底有多深，是否局部淋巴結(jié)也已受到了影響 - 第一章緒論 m r i 還可以替代以前的侵入性檢查，因而能減輕許多病人的痛苦過去，注射對(duì)比物后用內(nèi)窺 鏡進(jìn)行胰腺和膽道檢查，這種檢查會(huì)在不同程度上導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥?，F(xiàn)在用m r i 不但可隊(duì)獲得相 關(guān)的準(zhǔn)確信息，而且沒有侵入性儀器的介入，感染的危險(xiǎn)也隨之而消失 不僅如此，m r i 還是外科手術(shù)的重要工具。由于m p i 可以產(chǎn)生清晰的三維圖像，所以可以用來 查清受損部位的位置這樣的信息在手術(shù)前彌足珍貴比如，進(jìn)行特定的大腦顯微手術(shù)時(shí)，外科醫(yī) 生需要在m r i 檢查結(jié)果的引導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)，m r i 圖像清晰得足以讓電極置入中樞大腦神經(jīng)核，以治 療劇烈疼痛和帕金森病導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)障礙1 1 1 1 1 - 2 刪的幾何失真及其來源 正因?yàn)閙 r i 的上述突出優(yōu)勢(shì)，越來越多的研究者嘗試使用m r i 進(jìn)行放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，單獨(dú) 應(yīng)用m r l 模擬進(jìn)行放療的研究也在進(jìn)行之中，但是目前m r i 仍未對(duì)c t 構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。主要原因在 于m r 影像存在幾何失真，而c t 顯示的幾何信息卻是正確的聞 放射治療的目的就是要獲得最大的局部腫痛控制率以減少放射反應(yīng)和后遺癥井降低腫痛周 圍正常組織的照射劑量放療醫(yī)生確定腫瘤靶區(qū)的準(zhǔn)確程度依賴于醫(yī)學(xué)影像的空問準(zhǔn)確性。要求醫(yī) 學(xué)影像的幾何誤差控制在l m m 咀內(nèi)但是由于i v l r 影像固有的幾何失真，其精度通常達(dá)不到這個(gè)要 求，比如胸腹部成像時(shí)，其幾何失真最大會(huì)達(dá)到1 0 r a m 左右1 7 l ，因而就不能準(zhǔn)確地定位腫瘤靶區(qū)及 其相鄰正常組織空問位置關(guān)系，影響了放射治療的效果，這是m r i 用于精確放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的一 個(gè)主要問題，因此必須對(duì)所使用的m r 影像存在的幾何變形和變形程度進(jìn)行檢測(cè)及校正 姍的幾何失真主要來源于m r l 掃描系統(tǒng)和患者兩個(gè)方面i s l 。圈l - 2 顯示的是一幅插在環(huán)形塑 料支絮塊上里放射狀捧列的直導(dǎo)營(yíng)的m r 圖像 3 1 可以看到它發(fā)生了圖像失真，圖像中的直導(dǎo)管變 彎曲了。由于成像平面的畸變，系統(tǒng)相關(guān)性失真在a 區(qū)表現(xiàn)為導(dǎo)管的卷曲，在b 區(qū)表現(xiàn)為導(dǎo)管沒有 成像，c 區(qū)塑料支架塊的存在造成磁化率的改變，插入導(dǎo)管的支架塊處表現(xiàn)出了影像的不連續(xù)，這 就是掃描物體( 患者) 引起的失真。 圖i - 2 磁共振圖像的失真 m r l 掃描系統(tǒng)所致影像失真主要由主磁場(chǎng)的不均勻性，磁場(chǎng)梯度的非線性以及開關(guān)機(jī)器時(shí)產(chǎn)生 的渦旋效應(yīng)引起吐m 剛除了主磁場(chǎng)之外，還有3 個(gè)相互垂直的梯度磁場(chǎng)理論上人們希望主磁 2 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 場(chǎng)是完全均勻的而且3 個(gè)梯度磁場(chǎng)也都是線性的但是，實(shí)際上這是不可能做到的，因此系統(tǒng)相 關(guān)的影像失真不可避免在特定的非均一磁場(chǎng)中，系統(tǒng)相關(guān)影像失真與梯度強(qiáng)度成反比唧，并隨著 到磁場(chǎng)中心距離的增加而增加一般而言，視野中距離磁場(chǎng)中心越近的地方其失真越不明顯，而在 越遠(yuǎn)的地方其失真越大，在大視野圖像的邊緣，則失真尤為顯著此外，系統(tǒng)相關(guān)的失真還受到 成像參數(shù)和成像序列的影響，其大小會(huì)繾著成像參數(shù)和成像序列的變化而改變i 系統(tǒng)相關(guān)的失真 可以用如下的公式1 9 1 進(jìn)行描述： a x = b 一( x ，y ，z ) g - + a bo ( x ，y ，三) g r ( i i ) a y = a b o ( x ，y ，z ) g ， ( 1 2 ) z = b ，( 工，y ，z ) l g ，+ 丑o ( 工，y ，z ) l g ( 1 3 ) 其中j 表示頻率編碼方向，) ，表示相位編碼方向，z 表示斷面選擇方向在點(diǎn)o ，弗力處，睜卷 主磁場(chǎng)的不均勻性所產(chǎn)生的磁場(chǎng)偏差風(fēng)和梯度磁場(chǎng)的非線性所產(chǎn)生的磁場(chǎng)偏差日，使得m r 信 號(hào)在成像平面內(nèi)沿著三個(gè)方向上分別產(chǎn)生幾何變形x 、匈一和z ，幾何變形的大小分別與各自方 向上的梯度磁場(chǎng)大小g ，、g ，和g 成反比，而與產(chǎn)生的磁場(chǎng)偏差成正比 對(duì)于系統(tǒng)相關(guān)的失真目前有不少研究者采用體模1 7 , 1 2 - | ”的方法對(duì)其進(jìn)行了定量觀察在以頭部 框架為基礎(chǔ)的體模研究中h i l l 等人o 指出，與顱腦掃描類似大小的視野，在視野周圍失真小于2 m m ， 在視野中心小于l m m m i z o w a k i 等人1 7 l 在其研究中指出距離圖像中心1 2 c m 內(nèi)。多數(shù)失真小于2 n u n 研究者i ”l 還認(rèn)為，對(duì)大多數(shù)接受m r i 立體定向放射治療的顱內(nèi)病變而言，其靶區(qū)的定位精確性n - - j 以 達(dá)到一個(gè)體寨之內(nèi)在這種情況下，視野中心的失真可不進(jìn)行校正，但在視野邊緣，放置的體表標(biāo) 志點(diǎn)的失真則必須加以考慮。而在以盆腔為基礎(chǔ)的體模研究中川，結(jié)果表明m r i 的幾何失真大部分 在3 個(gè)像素之內(nèi)，但隨者時(shí)間的推移，這種失真可能會(huì)變得更大對(duì)于這種具有較大視野的圖像( 通 常大于2 0 c m ) ，其邊緣失真最大可達(dá)到1 0 m m ，這時(shí)失真如不加以校正用于放療計(jì)劃顯然是不合 適的 患者所致影像失真主要源于磁場(chǎng)敏感效應(yīng)和化學(xué)位移效應(yīng)1 3 l ?；瘜W(xué)位移效應(yīng)是由于水和脂肪中 質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境不同，導(dǎo)致共振頻率的位移。脂肪組織相對(duì)于水產(chǎn)生明顯的沿梯度讀取方向的移位， 這種移位可產(chǎn)生圖像失真并降低空間精確度。此變形在高場(chǎng)強(qiáng)磁共振機(jī)上尤甚，并且只出現(xiàn)在頻率 編碼方向。任何物體放于磁場(chǎng)內(nèi)均會(huì)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，這稱之為磁場(chǎng)敏感效應(yīng)1 1 6 1 ，它所引起的影像失 真發(fā)生在結(jié)構(gòu)邊緣特別是在骨與空氣界面，并隨著磁化率差異而有所不同。磁場(chǎng)敏感效應(yīng)導(dǎo)致的幾 何失真與主磁場(chǎng)的大小成正比，而與梯度磁場(chǎng)的大小成反比，通常它可以用下面的公式【1 1 描述： d 缸= 衄要 ( 1 4 ) u 其中，a x 表示磁化率實(shí)驗(yàn)表明i ，在1 0 0 h z 像素的梯度磁場(chǎng)下，當(dāng)主磁場(chǎng)大小為0 2 t 時(shí)，由化 學(xué)位移效應(yīng)所產(chǎn)生的幾何變形達(dá)到o 3 個(gè)像素，而當(dāng)主磁場(chǎng)大小為1 5 t 時(shí)變形大小將會(huì)達(dá)到2 2 個(gè)像素，此時(shí)若將梯度磁場(chǎng)的大小升高為2 0 0 h z 像素。則變形大小縮小為i 1 個(gè)像素對(duì)于磁場(chǎng)簟 第一章緒論 蓐效應(yīng)引發(fā)的幾何變形，在磁化率a z = 9 x l 曠的情況下，當(dāng)梯度磁場(chǎng)大小為i l - l z 像素，主磁場(chǎng)大 小為0 2 1 時(shí)，其大小為0 8 個(gè)像素而當(dāng)主磁場(chǎng)大小改變?yōu)閕 5 t 時(shí)，變形大小將會(huì)達(dá)到5 7 個(gè)像囊， 此時(shí)若將梯度磁場(chǎng)的大小升高為2 0 0 h z 嗷素，則變形大小縮小為2 g 個(gè)像素。體模實(shí)驗(yàn)l l ”還證實(shí) 患者所致影像失真與患者成像部位有關(guān)該失真使得體表標(biāo)志點(diǎn)在梯度讀取方向上漂移了2 - 3 m m ， 當(dāng)同樣標(biāo)志物置于患者盆腔皮膚表面時(shí)，漂移增加到5 r a m ，額外的移位是由皮下脂肪的化學(xué)位移所 致，在頭頸部和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，由于魔肪相對(duì)較少，化學(xué)位移效應(yīng)并不明顯 1 2 課題意義 磁共振圖像早期的臨床應(yīng)用主要是定性的病理學(xué)診斷，要求圖像沒有偽影，有足夠的清晰度， 此時(shí)幾個(gè)毫米的幾何誤差是可以接受的。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ) 的磁共振成像的應(yīng)用擴(kuò)展到新的領(lǐng)域。如對(duì)病變區(qū)域的定量測(cè)量，顱腦表層及結(jié)構(gòu)的三維可視化， 放射治療和外科手術(shù)中的精確定位，大腦功能區(qū)域的定位和測(cè)量，建立顱腦解剖圖集等”人們對(duì) m r 定量分析的要求越來越高，但是其固有的幾何失真降低了影像空問精確性此外，研究表明o ” 為了減少人體運(yùn)動(dòng)偽影的干擾而采用的快速掃描成像方法進(jìn)步加大了m r i 的幾何失真，因此為了 達(dá)到耪確的診斷和治療結(jié)果必須對(duì)其進(jìn)行技正研究者認(rèn)為經(jīng)過很好的校正，以m r i 為基礎(chǔ)的立體 定向系統(tǒng)的空問精確性完全可以與以c t 為基礎(chǔ)的定向系統(tǒng)相比較1 1 3 1 綜上所述，圖像校正對(duì)于m r i 的進(jìn)一步處理，m r i 信息的利用及進(jìn)一步拓展m r i 在臨床和生 命科學(xué)研究領(lǐng)域( 特別是在進(jìn)行精確放射治療和外科手術(shù)導(dǎo)航時(shí)) 里的應(yīng)用至關(guān)重要 1 3 研究現(xiàn)狀 隨著m r 技術(shù)的發(fā)展，m r i 的幾何失真可通過產(chǎn)生磁場(chǎng)的硬件改進(jìn)，掃描序列的優(yōu)化，影像采 集方式的提高以及專用于幾何失真校正的體模應(yīng)用等來降低雖然現(xiàn)在許多磁共振機(jī)上都提供了幾 何失真校正程序但它們通常只能夠校正一階非線性梯度場(chǎng)引起的失真，或者只能校正特定掃描參 數(shù)設(shè)置下的失真，而對(duì)于患者本身引起的失真卻無能為力【6 j 因此，只有這些機(jī)器自帶的校正程序 是不夠的，必須研究出新的校正方法以達(dá)到全面校正的目的 1 3 1 成像系統(tǒng)相關(guān)失真的校正 目前許多m r i 模擬的研究都嘗試通過設(shè)計(jì)特定的幾何體模結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)失真的 檢測(cè)和校正i 蠅8 , 2 捌該方法己廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐。但是患者感應(yīng)的失真卻無法簡(jiǎn)單地用體模進(jìn)行 校正，通常經(jīng)過體模校正后的m r 仍然存在殘余的失真。在f i n n i g a n 等人剮的研究中，可以將9 r a m 的幾何失真校正到i m m 左右，圖l - 3 顯示了幾何體模的磁共振圖像及其校正結(jié)果；d e m i n gw a n g 等 人1 2 。l 還設(shè)h - 出- - 維體模來同時(shí)校正成像平面內(nèi)及成像平面問存在的幾何失真，它能使幾何失真降低 到0 6 r a m 以內(nèi) 4 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)相關(guān)失真與成像參數(shù)和成像序列也有著很大的關(guān)系，因此可以通過優(yōu)化掃描序列的方法來 減少失真2 0 0 3 年，k o c hn 和l i uh h 等人i l ”在他們發(fā)表的文章中指出應(yīng)用不同的m p o 掃描序列 f s e 和f g r e 研究失真的大小，結(jié)果顯示與c t 掃描比較，f g r e 掃描序列在矢狀面和冠狀面產(chǎn)生的 失真臨床上可接受，而f s e 掃描序列產(chǎn)生的失真則超出了臨床可接受范圍，這種方法需要不斷地修 改掃描序列，不適合于臨床應(yīng)用；k r e m p i e nl lc 和s c h u b e r tk 等人口1 新近研究指出采用開放的低 場(chǎng)強(qiáng)并增加接收器帶寬的方法進(jìn)行m r i 掃描也可減少系統(tǒng)相關(guān)的失真，但是低場(chǎng)強(qiáng)的一個(gè)主要問題 是會(huì)導(dǎo)致信噪比和空間分辨力降低，對(duì)影像的質(zhì)量造成影響：此外，k h o o 等人i s 認(rèn)為應(yīng)用屏蔽線圈 和補(bǔ)償梯度可減小渦流效應(yīng)引起的系統(tǒng)失真 ( a ) 幾何體模的磁共振圖像( b ) 體模圖像的校正結(jié)果 圖1 3 幾何體模的磁共振圖像及其校正結(jié)果 l - 3 2 患者相關(guān)失真的校正 患者所致影像失真主要是由磁場(chǎng)敏感效應(yīng)和化學(xué)位移效應(yīng)造成的基于體模評(píng)估的失真校正技 術(shù)不能充分地模擬患者導(dǎo)致的圖像失真，此時(shí)應(yīng)該用增加帶寬的方法來減小m r i 的失真。在低場(chǎng)強(qiáng) 情況下，應(yīng)用基于體模的技正技術(shù)是充分有效的而在高場(chǎng)強(qiáng)情況下，需利用其他技術(shù)進(jìn)行校正 k h o ov s 闈研究表明，在高磁場(chǎng)梯度的情況下應(yīng)用增加帶寬的方法能夠減少化學(xué)位移效應(yīng)造成的影 像失真：c h a n g 等人p 指出，對(duì)正反兩個(gè)方向讀數(shù)梯度下獲取的兩組同一層面成像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理 可減少化學(xué)位移效應(yīng)的影響，它已被成功應(yīng)用于高場(chǎng)強(qiáng)盆骨磁共振成像中，但由于需要獲得兩幅圖 像，進(jìn)行兩次磁共振掃描。延長(zhǎng)了掃描時(shí)問，而且在獲得的校正圖像中容易產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度失真，從 而限制了它在臨床中的應(yīng)用：人體在磁場(chǎng)中會(huì)引發(fā)磁場(chǎng)敏感效應(yīng)為了獲得人體造成的磁場(chǎng)變化， 最好能夠知道此時(shí)的敲場(chǎng)分布情況。因而e r i c s s o n p o 等人采用三維磁場(chǎng)分布映射技術(shù)來梗正組織磁 化率效應(yīng)引起的失真。取得了很大成功此外，這種基丁磁場(chǎng)分布的技術(shù)還能夠校正因梯度磁場(chǎng)非 線性引起的失真 ， 第一章緒論 l 校正過程中存在的闖題及解決方法 上述校正方法均只是從某個(gè)角度出發(fā)的無法做到全面的m r i 影像失真校正于是有人提出應(yīng) 用圖像后處理的方法來同時(shí)校正由上述兩個(gè)原因引起的m r i 影像失真目前采用較多的是圖像配準(zhǔn) i 明的辦法，尤其是搏c t 與m r i 進(jìn)行配準(zhǔn)i 硼由于c t 圖像具有很高的空間分辨宰和幾何精度，因此可 以作為配準(zhǔn)校正的目標(biāo)基準(zhǔn)圖像圖像配準(zhǔn)不僅可以校正病人多次成像問的位置變化，也可以校正 由于成像模式本身導(dǎo)致的畸變，因此本論文將采用與c t 圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的方法來校正m 砌存在的幾何 失真 k r e m p i e n 等4 糯道：在近距離放療中，m r i c t 配準(zhǔn)融合法可以更糟確確定頭頸部腫瘤靶區(qū)和關(guān) 鍵器官，b a h m a n 等”指出采用i v t r i c t 配準(zhǔn)融合法改善了鼻咽癌靶區(qū)的確定，提高t - - 維適形調(diào)強(qiáng) 放療計(jì)劃中靶區(qū)的覆蓋率并保護(hù)了關(guān)鍵的器官1 9 9 4 年，v i c 喀刪人1 應(yīng)用基于圖像外部特征點(diǎn) 的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)方法進(jìn)行m 鼬的失真校正，該方法的優(yōu)點(diǎn)是外部標(biāo)記點(diǎn)易于識(shí)別，通過比較圖像 中標(biāo)記點(diǎn)的位置易于對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行視覺檢測(cè)，它可以使幾何失真降低到l - 2 m ，但是缺點(diǎn)在于 這些標(biāo)記點(diǎn)對(duì)于患者具有傷害性，而且要求患者在掃描裝置內(nèi)嚴(yán)格保持不動(dòng)，通常這是無法做到的， 因此會(huì)影響校正的效果：k o o y 等人阿應(yīng)用c t 和m 砌圖像內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行斜面匹配的方法也取得了 一定的校正效果，但是該方法與基于圖像外部特征點(diǎn)的配準(zhǔn)校正方法一樣，都是基于仿射變抉的， 而m r i 的失真是非剛體、非線性的，單純的線性配準(zhǔn)不能滿足校正的要求”l ，因此，要達(dá)到理想的 校正效果，必須采用非線性配準(zhǔn)校正的方法m 1 在胸腹部，m 剛的非線性失真尤為明顯，因此采用 非線性校正方法較為適合然而，目前大多數(shù)的圖像配準(zhǔn)校正方法均是基于仿射變換的基于非線 性變換的卻很少。非線性配準(zhǔn)的具體變換關(guān)系根據(jù)所采用函數(shù)的不同而不同，用于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的 除了多項(xiàng)式變換函數(shù)，還有薄板樣條函數(shù)、彈性樣條函致1 3 6 1 等。 在m a n ：e lb r e 峭人唧的研究中，他們用多項(xiàng)式來表征m m 存在的非線性變形，并通過設(shè)計(jì) 特定形狀的三維體模來校正m r 的失真多項(xiàng)式變換中的各系數(shù)可以由體摸圖像中的標(biāo)記點(diǎn)與實(shí)際 體模中的標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定將獲得的多項(xiàng)式變換關(guān)系作用于實(shí)際患者的m r i ，便可以實(shí)現(xiàn) 圖像失真校正的目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用三次多項(xiàng)式進(jìn)行校正，可以使平均失真降低到0 2 $ m m ， 最大失真降低到i m m 左右可見，多項(xiàng)式變換具有較好的非線性校正能力，因此本論文第四章在采 用基于灰度互信息1 3 t i 的配準(zhǔn)校正方法時(shí)也用多項(xiàng)式來表征m 砌存在的非線性失真。但是，m a r l b r e e u w e r 等人采用的方法要求體模成像和實(shí)際病人成像時(shí)掃描系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置必須完全相同，而實(shí) 際上這是很難傲到的?，F(xiàn)實(shí)中，通常需要通過修改掃描參數(shù)以獲得更好的成像效果。這樣就使得利 用體模獲得的多項(xiàng)式變換關(guān)系不能正確反映實(shí)際患者的m r i 幾何變形。從而無法獲得理想的校正結(jié) 果：而且這種方法只能校正成像系統(tǒng)本身導(dǎo)致的幾何失真，對(duì)于患者引起的失真卻無能為力所以， 本論文第四章將采用與c t 圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的方法來同時(shí)校正由成像系統(tǒng)和病人引起的失真在此過程 中，用基于灰度互信息的方法來搜索多項(xiàng)式變換的各系數(shù)值，而不是由體模圖像中標(biāo)記點(diǎn)和實(shí)際體 筷中標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定，這樣就不存在掃描參敷設(shè)置的差異目露，而且無須提取特征點(diǎn)，可 6 衷南大學(xué)頎士學(xué)位論文 以達(dá)舅自動(dòng)校正的目的 由b o o k s t e i ”引入的薄板樣條函數(shù)是一種常用于醫(yī)學(xué)圖像非線性配準(zhǔn)的變換函數(shù)它是基于圖 像內(nèi)部特征點(diǎn)的，但是它只是對(duì)人體組織物理變形的一個(gè)粗略的描述它所描述的幾何變形在空間 的三個(gè)坐標(biāo)軸方向上是各自獨(dú)立的，一個(gè)方向上的拉伸并不能使得另一個(gè)方向上產(chǎn)生收縮的效果， 這不符合真實(shí)人體組織的變形情況，而且當(dāng)形變較大對(duì)，其校正能力有限，它只在小變形的情況下 適用 近來，晰i g 等人提出了另外一種基于圖像內(nèi)部特征點(diǎn)的非線性配準(zhǔn)方法，它是直接基于線性 彈性理論的其變換函數(shù)稱之為彈性樣條函數(shù)它克服了薄板樣條函數(shù)的缺陷，比較真實(shí)地反映了 人體組織的變形情況。然而，這種方法也存在著一個(gè)缺陷：它只能反映全局的變形而不能同時(shí)校正 局部的失真，因此不能直接用它進(jìn)行m 砌的失真校正需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本論文第三章將采用改 進(jìn)的彈性樣條函數(shù)進(jìn)行m r i 的失真校正，以使它能同時(shí)校正全局和局部失真 由于引起m j u 圖像失真的原因非常復(fù)雜，因此到目前為止還沒有一種方法可以達(dá)到完全理想的 校正效果基于圖像配準(zhǔn)的校正方法尤其是非線性配準(zhǔn)的方法不少研究證明其較單用m r j 的幾 何精確性更高蚓，但目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還存在著許多制約其發(fā)展的瓶頸問題，比如掃描方 式以及患者擺位差異會(huì)對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，用于配準(zhǔn)的解剖結(jié)構(gòu)通常難以提取等但我們 相信隨著科學(xué)研究的不斷深入，這些困擾圖像配準(zhǔn)校正的技術(shù)難題一定會(huì)迎刃而解與此同時(shí)在 配準(zhǔn)校正的過程中做到謹(jǐn)慎使用，認(rèn)真操作，m 砌幾何失真校正問題就一定能夠得到完滿的解決 1 4 論文研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安捧 1 4 1 研究?jī)?nèi)容和方法 本論文針對(duì)m r ! 存在的幾何失真問履，從圖像后處理的角度出發(fā)，應(yīng)用基于圖像非線性配準(zhǔn)的 方法對(duì)萁進(jìn)行校正本論文選取與m r i 具有共同解剖結(jié)構(gòu)且基本不存在幾何失真的c t 圖像作為配 準(zhǔn)校正的目標(biāo)基準(zhǔn)圖像，主要實(shí)現(xiàn)了基于圖像內(nèi)部特征點(diǎn)和基于灰度互信息的m r i 非線性失真校正， 并對(duì)它們的校正結(jié)果進(jìn)行了分析 在運(yùn)用基于圖像內(nèi)部特征點(diǎn)的方法進(jìn)行非線性配準(zhǔn)校正的過程中，本論文采用彈性樣條函數(shù)作 為校正時(shí)的變換函教，該方法在校正全局形變的同時(shí)可以達(dá)到較好的局部校正效果，但是它需要手 工提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)集帶來了人為誤差，為此本論文通過引入平滑參數(shù)卅來降低標(biāo)記點(diǎn)定位偏差對(duì)配 準(zhǔn)結(jié)果的影響。并通過標(biāo)準(zhǔn)偏差參數(shù)一刪來控制標(biāo)記點(diǎn)對(duì)局部形變的影響 在運(yùn)用基于灰度互信息的方法進(jìn)行非線性配準(zhǔn)的過程中，本論文采用多項(xiàng)式變換函敦作為校正 時(shí)的變換函教，并使用最大歸一化互信息作為配準(zhǔn)校正的相似性測(cè)度，該方法不需要提取圖像特征， 直接對(duì)像素灰度進(jìn)行處理可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的配準(zhǔn)校正，但是多項(xiàng)式變換函數(shù)對(duì)于局部形變的校正 能力比較有限，主要描述的還是全局意義上的變形校正 7 第一章緒論 1 4 2 章節(jié)安捧 本論文共分為五章各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章緒論：主要介紹了m r i 幾何失真校正的課題背景、課題意義和研究現(xiàn)狀t 闡明了本論 文的主要內(nèi)容、研究方法以及章節(jié)安捧 第二章醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)校正方法基礎(chǔ)：主要對(duì)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的基本原理、基本步驟和基本方法 做了簡(jiǎn)要的介紹，為下文基于圖像配準(zhǔn)的校正方法作了鋪墊。 第三章基于圖像內(nèi)部特征點(diǎn)的配準(zhǔn)校正：主要介紹了基于彈性樣條函數(shù)的非線性配準(zhǔn)校正方 法，首先通過模擬同格圖像對(duì)影響配準(zhǔn)校正結(jié)果的兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，然后利用體 模圖像驗(yàn)證彈性樣條函數(shù)的非線性校正效果，最后實(shí)現(xiàn)了實(shí)際m r i 幾何失真的校正 第四章基于灰度互信息的配準(zhǔn)校正；主要介紹了基于多項(xiàng)式變換函數(shù)的非線性配準(zhǔn)校正方法， 首先通過模擬圖像實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證基于灰度互信息的多項(xiàng)式變換校正方法的有效性，并分 別對(duì)二次、三次和四次多項(xiàng)式的配準(zhǔn)校正結(jié)果進(jìn)行分析和比較，然后利用體模圖像實(shí) 驗(yàn)進(jìn)一步分析三次多項(xiàng)式變換的校正效果，最后利用三次多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)了實(shí)際m i l l 幾何 失真的校正此外還簡(jiǎn)要介紹了歸一化互信息的概念多項(xiàng)式參致優(yōu)化算法等內(nèi)容 第五章總結(jié)與展望：總結(jié)論文的研究工作，并提出今后的研究和改進(jìn)方向 1 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 1 1 【2 】 【3 1 【4 】 【5 】 0 3 嘲 【1 0 】 【l l 】 p 3 】 【1 4 1 【l5 1 【1 6 1 【1 7 1 h a p ：w w w f a m i l y d o c t o r c o m c n c l i p # e a d a s p ? i d - - 4 1 4 3 8 付杰，胡超蘇何少琴m r i 模擬研究進(jìn)展中華放射腫癌學(xué)雜志。2 0 0 5 ，1 4 ( 4 ) ：3 1 0 3 1 3 v i n c e n ts k h o o , d a v i dp - d e a m a l e y , d a v i dj f i n n i g a n e ta 1 m a g n e t i cr e s o n a n c el m a g i n g ( m r 0 ： c o n s i d e r a t i o n sa n da p p l i c a t i o n si nr a d i o t h e r a p yt r e a t m e n tp l a n n i n g r a d i o t h e r a p ya n do n c o l o g y , 1 9 9 7 , 4 2 ：l - 1 5 趙建東，蔣國(guó)粱m i u 用于放療計(jì)劃設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀中華放射腫瘤學(xué)雜志，2 0 0 6 ，1 5 ( 3 ) ：1 6 1 1 6 3 刁煥榮用m r i 進(jìn)行立體定向放射治療定位的糟確性國(guó)外醫(yī)學(xué)放射醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)分冊(cè)2 0 0 4 , 2 8 ( 4 ) ：1 6 6 - 1 6 8 f r a n s s o na ，a n d r e op ，p o t t e rr a s p e c t so fm ri m a g ed i s t o r t i o n si nr a d i o t h e r a p yt r e a t m e n t p l a n n i n g s t r a h l e m h e r a p i eo n k o l 。2 0 0 1 ，2 ：5 9 7 3 m i a n w a k it n a d a t ay ，o k a j i m ak e ta 1 r e p r o d u c i b i l i t yo fg e o m e t r i cd i s t o r t i o ni nm a g n e t i c r f s o n a n c ei m a g i n gb a s e do np h a n t o ms t u d i e s r a d i o t h e ro n c o l ，2 0 0 0 ，5 7 ：2 3 7 2 4 2 k h o ov s m r i - m a g i cr a d i o t h e r a p yi m a g i n g 。f o rt r e a t m e n tp l a n n i n g b rjr a d i 0 1 2 0 0 0 , 7 3 ( 8 6 7 ) ：2 2 9 2 3 3 b a k k e rc j gm o e d e n dm 九b h a g w a n d i e nk e ta 1 a n a l y s i so fm a c h i n e - d e p e n d e n ta n d o b j e c t - i n d u c e dg e o m e t r i cd l s t o n i o ni n2 df tm ri m a g i n g m a g nr e s o r tl j t l a 島1 9 9 2 ，1 0 ：5 9 7 - 6 0 8 m a l ld ，s t e c k n e rm ，h l o na ，na 1 m 陽s h n u l e t i o n ：e f f e c to fg r a d i e n td i s t o a i o n so i l t h r e e - d i m e n s i o n a lp r o s t a t ec a n c e rp l a n s i n tjr a d i a to n c o lb i o lp h y s ，2 0 0 2 5 3 ( 3 ) ：7 5 7 - 7 6 5 k o c hn ，l i uh h 。o l s s o nl e ，e la 1 a s s e s s m e n to f g e o m e t r i ca c c u r a c yo f m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g e sf o rr a d i a t i o nt h e r a p yo f l u n gc a l l c c l 3 ja p p lc l i nm e dp | 驢2 0 0 3 ，4 ：3 5 2 - 3 6 4 h i l ld l th a w k e sd j ，g l o o nm j c ta 1 a c c u r a t ef r a m e l e s sr e g i s t r a t i o no f m ra n dc i i m a g e s o f t h eh e a d ：a p p l i c a t i o n si np l a n n i n gs u r g e r ya n dr a d i a t i o nt h e r a p y r a d i o l o g y , 1 9 9 4 ，1 9 1 ：4 4 7 4 5 4 y uc ，a p u z z om l j 。z e ec s ，e ta 1 ap h a n t o ms t u d yo f t h eg e o m e t r i ca c c u r a c yo f c o m p u t e d t o m o g r a p h i ca n dm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g s t e r e o t a c t i cl o c a l i z a t i o nw i t ht h el e k s e l l s t e r e n t a c t i cs y s t e m n e u r o s u r g e r y , 2 0 0 1 ，4 8 ( 5 ) ：1 0 9 2 - 1 0 9 9 b “i n a l - zgd o w r i e sm b ，c o mb w ，e ta 1 1 e v a l u a t i o no ft h es p a t i a la c c u r a c yo fm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g - b a s e ds t e r e o t a c t i ct a r g e tl o c a l i z a t i o nf o rg a m m ak n i f er a d i n s u q e r yo f f u n c t i o n a ld i m m e r s ，n e u r os u r g e r y , 1 9 9 9 ，4 5 ( s ) ：i i5 6 - 11 6 2 m a c ka c z e m p i e lh ，k r e i n e rh j 。e ca 1 q u a l i t ya s s u r a n