基于B样条自由形变模型医学图像非刚性配准算法探究

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1、基于B样条自由形变模型医学图像非刚性配准算法探究摘要：在放疗临床应用中，病人器官组织的蠕动变形经常使得计划的靶区与实际放疗不符。非刚性配准技术作为解决这一问题的有效手段，已成为目前医学图像处理领域的研究热点和难点。本文针对乳腺癌治疗中MR图像肿瘤病变区的定位，研究了基于：B样条的自由形变模型进行图像非刚性配准，并采用有限记忆L-BFGS优化算法对代价函数进行优化,降低了计算量和存储量，缩短了优化时间。实验结果表明，该算法不仅效率高，而且配准效果好。关键词：医学图像；非刚性配准；B样条；L-BFGS优化中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(20

2、12)07-1573-03Non-rigidRegistrationAlgorithmBasedonB-splineFreeMedicalImagesoftheDeformationModelANLv-bo,XIAOMeng-qiang(LanzhouJiaotongUniversity,SchoolofElectronicandInformationEngineering,Lanzhou730070,China)Abstract：Intheclinicalapplicationofradiationtherapy,thepatient，sdeformationofo

3、rganorganizationoftenmakeplannedtargetsectionnotagreewithactualradiationtherapy.Non-rigidregistrationtechnologyastheeffectivesolutiontotheproblem,hasbecomethehotanddifficultpointofmedicalimageprocessingfield・ThispaperaimatlocationofMRimagelesionsareainbreastcancertreatment,usefreeformde

4、formationmodelbasedontheB-splinetoimplementimagenon-rigidregistration.ThismethodutilizeslimitedmemoryL-BFGStooptimizethecostfunction,whichreducescomputationalcomplexityandmemorycapacitance,andshortentheoptimizationtime・Theexperimentalresultsshowthatthismethodisnotonlyofhighefficiency,bu

5、talsoofgoodeffectinregistration.Keywords：medicalimage；non-rigidregistration；B-spline；L-BFGSoptimalmethod放射治疗一般采用分次放疗的方式。然而在患者接受分次放疗的过程中，由于重复摆位误差以及因病人的呼吸、脏器蠕动和体位变动而产生的软组织器官的形变，使得放疗中病人靶区以及正常组织的位置及大小形状等几何信息与疗前计划制定用图像相比发生变化，并进而使得计划的靶区、射野以及剂量与实际放疗不符，从而引起较大的治疗误差[llo目前资料显示，放疗中的器官移动和变形所造成的靶区不确定

6、性是影响放疗计划准确实施的最主要因素［2］。随着图像处理技术与放疗计划系统的结合，图像引导放疗已可以有效的解决这一问题。在图像引导放疗技术中，对图像进行精确的配准是基础。对于产生形变图像的配准，单纯使用刚性配准不足以满足要求，因为其只适用于不存在变形或刚性体的配准，因此需要研究适合的非刚性配准算法。非刚性配准算法主要有基于空间变换和基于物理模型两大类方法［3］。基于空间变换的非刚性配准方法，采用图像的空间变换来拟合图像的变形，常用方法有多项式法、基函数法、样条函数法等。基于物理模型的配准方法中，不同图像之间的差异被认为是由一种物理变形引起的，该方法就是要构造能够拟合这

7、种形变的物理模型。主要的模型有弹性模型、粘性流体模型和光流场模型等。任何非刚性配准方法都包含三个主要部分：源图像与目标图像的空间变换；测量源图像与目标图像相似程度的相似性测度；确定最优变换参数的优化方法。1基于B样条的自由形变模型(FFD)样条配准的技术是假设在浮动图像和固定图像上已经存在一组称为控制点的对应点，利用样条函数描述从浮动图像到固定图像对应点所需的位移，并且在控制点之间，样条提供了一个平滑的形变位移域。常用的样条函数有薄板样条(Thin-Plate-Splines)和B样条。目前基于B样条的自由形变模型方法是非刚性配准的重要手段，自由形式