一种基于图像配准的磁共振成像自动定位方法及系统与流程

1.本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种基于图像配准的磁共振成像自动定位方法及系统。


背景技术：

2.磁共振成像技术(简称mri)是指用相应的射频脉冲对置于静磁场中的被检体的氢原子核(质子)进行激励，采集随之产生的磁共振信号经计算机处理重建得到图像。由于磁共振成像技术具有无电离辐射伤害、软组织对比度高、图像分辨率高、成像参数与扫描方位选择灵活、无需造影剂即可显示血管等优点，因而广泛应用于临床医学诊断，其应用和发展前景十分广阔。
3.在临床应用及科学研究中，通常要求扫描获得的磁共振图像具有准确且一致空间定位，这就需要在开始正式的磁共振成像序列扫描时，预先进行扫描定位。但在临床或者科研的磁共振扫描中通常依赖于操作者(比如影像科医生、科研人员等)在开始扫描过程前进行手动定位，即首先采集一组定位像，由操作者识别其中的特征结构，并以此为依据进行定位。然而，这一方法依赖于操作者的经验，容易受操作者主观因素的干扰，也不利于加快扫描流程。
4.现有技术中，有研究者利用人体解剖结构的左右方向对称性来进行磁共振成像扫描的自动定位，然而在存在器质性病变或者严重畸形时，人体解剖结构对称性较低；而腹部的对称性也不够高。也有许多研究者开发了自动定位算法，可以通过先自动识别出成像部位的特定结构，然后再确定定位参数。然而，特定结构在组织存在器质性病变的情况下，与正常情况下的对应结构存在显著差异。在此种情况下，或者难以准确地识别出特定结构，或者所识别出的特定结构无法用于获取准确的定位参数。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于图像配准的磁共振成像自动定位方法，包括：
6.步骤s1，采用磁共振扫描得到一待成像部位的磁共振三维图像，将所述磁共振三维图像分别与预先生成的多个磁共振三维模板图像进行图像配准得到配准图像以及对应的第一配准参数，并将每个所述配准图像、对应的所述磁共振三维模板图像以及所述配准参数分别加入一数据集合中；
7.步骤s2，针对每个所述数据集合，分别计算所述配准图像与所述磁共振三维模板图像之间的相似度，并根据各所述相似度以及对应的所述数据集合中的所述第一配准参数处理得到一第二配准参数；
8.步骤s3，根据所述第二配准参数和预先获取的所述待成像部位关联的一标准定位参数处理得到自动定位参数，作为当前磁共振扫描的磁共振成像自动定位结果。
9.优选的，执行所述步骤s1之前，还包括所述标准定位参数的获取过程，包括：
10.步骤a1，分别采集所述待成像部位的至少一横断面磁共振图像、一矢状面磁共振图像和一冠状面磁共振图像，并分别进行特征结构标注得到横断面标注图像、矢状面标注图像和冠状面标注图像；
11.步骤a2，根据所述横断面标注图像、所述矢状面标注图像和所述冠状面标注图像处理得到所述标准定位参数。
12.优选的，所述磁共振三维图像和各所述磁共振三维模板图像具有一第一分辨率，所述横断面磁共振图像、所述矢状面磁共振图像和所述冠状面磁共振图像具有一第二分辨率，且所述第一分辨率小于所述第二分辨率。
13.优选的，所述步骤s2包括：
14.步骤s21a，针对每个所述数据集合，分别计算所述配准图像与所述磁共振三维模板图像之间的所述相似度；
15.步骤s22a，提取各所述相似度中的最大值对应的所述数据集合中的所述第一配准参数，并将所述第一配准参数作为所述第二配准参数。
16.优选的，所述步骤s2包括：
17.步骤s21b，针对每个所述数据集合，分别计算所述配准图像与所述磁共振三维模板图像之间的所述相似度，并将各所述相似度按照从大到小的顺序排列得到一相似度序列；
18.步骤s22b，由所述相似度序列中依次提取排序靠前的预设数量的所述相似度对应的所述数据集合中的所述第一配准参数，并对各所述第一配准参数进行加权平均处理得到所述第二配准参数。
19.优选的，所述第二配准参数包括由三个配准平移参数和三个配准旋转参数形成的配准矩阵，所述标准定位参数包括由三个标准平移参数和三个标准旋转参数形成的标准定位矩阵；
20.则所述步骤s3中，将所述配准矩阵和所述标准定位矩阵相乘得到一自动定位矩阵，并由所述自动定位矩阵中提取出三个定位平移参数和三个定位旋转参数作为所述自动定位参数。
21.优选的，各所述磁共振三维模板图像关联有对应的被扫查者的第一基本信息，采用磁共振扫描得到所述磁共振三维图像关联有对应的被扫查者的第二基本信息；
22.则所述步骤s1中，还包括提取与所述第一基本信息相匹配的各所述第二基本信息对应的各所述磁共振三维模板图像，随后将所述磁共振三维图像分别与提取得到的各所述磁共振三维模板图像进行图像配准得到所述配准图像以及对应的所述第一配准参数。
23.优选的，所述第一基本信息和所述第二基本信息包括所述被扫查者的所述待成像部位，和/或年龄段。
24.优选的，所述步骤s1中，图像配准的方式为仿射变换方式，或刚体变换方式，或非线性变换方式。
25.本发明还提供一种基于图像配准的磁共振成像自动定位系统，应用上述的磁共振成像自动定位方法，所述磁共振成像自动定位系统包括：
26.图像配准模块，用于将采用磁共振扫描得到的一待成像部位的磁共振三维图像分别与与预先生成的多个磁共振三维模板图像进行图像配准，得到配准图像以及对应的第一
配准参数，并将每个所述配准图像、对应的所述磁共振三维模板图像以及所述配准参数分别加入一数据集合中；
27.图像处理模块，连接所述图像配准模块，用于针对每个所述数据集合，分别计算所述配准图像与所述磁共振三维模板图像之间的相似度，并根据各所述相似度以及对应的所述数据集合中的所述第一配准参数处理得到一第二配准参数；
28.自动定位模块，连接所述图像处理模块，用于根据所述第二配准参数和预先获取的所述待成像部位关联的一标准定位参数处理得到自动定位参数，作为当前磁共振扫描的磁共振成像自动定位结果。
29.上述技术方案具有如下优点或有益效果：采用图像配准的方式进行磁共振成像自动定位，考虑待成像部位的全局信息，而非特定结构的定位方法，因而更具稳定性，有效提高磁共振成像工作流程的效率，减少操作者人为因素带来的不确定性。
附图说明
30.图1为本发明的较佳的实施例中，一种基于图像配准的磁共振成像自动定位方法的流程示意图；
31.图2为本发明的较佳的实施例中，标准定位参数的获取过程的流程示意图；
32.图3为本发明的较佳的实施例中，处理得到第二配准参数的流程示意图；
33.图4为本发明的较佳的实施例中，处理得到第二配准参数的流程示意图；
34.图5为本发明的较佳的实施例中，一种基于图像配准的磁共振成像自动定位系统的结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
36.本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于图像配准的磁共振成像自动定位方法，如图1所示，包括：
37.步骤s1，采用磁共振扫描得到一待成像部位的磁共振三维图像，将磁共振三维图像分别与预先生成的多个磁共振三维模板图像进行图像配准得到配准图像以及对应的第一配准参数，并将每个配准图像、对应的磁共振三维模板图像以及配准参数分别加入一数据集合中；
38.步骤s2，针对每个数据集合，分别计算配准图像与磁共振三维模板图像之间的相似度，并根据各相似度以及对应的数据集合中的第一配准参数处理得到一第二配准参数；
39.步骤s3，根据第二配准参数和预先获取的待成像部位关联的一标准定位参数处理得到自动定位参数，作为当前磁共振扫描的磁共振成像自动定位结果。
40.具体地，本实施例中，在进行磁共振成像自动定位之前，可以预先构建一个模板库，用于保存预先获取的多个磁共振三维模板图像以及标准定位参数。其中，上述磁共振三维模板图像可以是各个方向分辨率一致的低分辨率的三维数据进行图像重建得到，如8
×8×
8mm3的空间分辨率，优选采用三维梯度回波(gradient echo，gre)成像获得的t1加权(t1 weighted)的图像。使用t1加权或者质子密度加权(proton density weighted)的图像可以
右方向x，前-后方向y，以及头-脚方向z；三个标准旋转参数则分别定义为以x，y，z三个方向坐标轴的旋转，借用航空航天领域的习惯，可以分别被称为俯仰角(pitch)，偏航角(yaw)及翻滚角(roll),并记为θx，θy，及θz。
48.在预先获取各磁共振三维模板图像以及标准定位参数之后，在正式进行磁共振成像之前，首先对待成像部位进行磁共振扫描得到相应的磁共振三维图像，进而将磁共振三维图像分别与各磁共振三维模板图像进行图像配准得到配准图像以及对应的第一配准参数，并将每个配准图像、对应的磁共振三维模板图像以及配准参数分别加入同一个数据集合中。以磁共振图像为图像a，各磁共振三维模板图像分别为图像b1、图像b2和图像b3为例，图像a分别与图像b1、图像b2和图像b3进行图像配置并对应得到配准图像c1及第一配准参数d1，配准图像c2及第一配准参数d2，配准图像c3及第一配准参数d3，则对应的数据集合包括以下三个：{c1,b1,d1}、{c2,b2,d2}、{c3,b3,d3}，进而针对每个数据集合，分别计算图像c1与b1之间的相似度，图像c2与b2之间的相似度，图像c3与b3之间的相似度，随后根据各相似度以及对应的数据集合中的第一配准参数处理得到第二配准参数。
49.优选的上述处理到的第二配准参数的方式有两种，第一种可以是直接选取相似度最大的数据集合中的第一配准参数作为第二配准参数，具体地，如图3所示，步骤s2包括：
50.步骤s21a，针对每个数据集合，分别计算配准图像与磁共振三维模板图像之间的相似度；
51.步骤s22a，提取各相似度中的最大值对应的数据集合中的第一配准参数，并将第一配准参数作为第二配准参数。
52.第二种是选取多个相似度较高的第一配准参数进行加权平均得到，具体地，如图4所示，步骤s2包括：
53.步骤s21b，针对每个数据集合，分别计算配准图像与磁共振三维模板图像之间的相似度，并将各相似度按照从大到小的顺序排列得到一相似度序列；
54.步骤s22b，由相似度序列中依次提取排序靠前的预设数量的相似度对应的数据集合中的第一配准参数，并对各第一配准参数进行加权平均处理得到第二配准参数。
55.本实施例中，上述预设数量可以是大于1的任意数，具体可以根据需求进行配置，且排序越靠前的相似度，其进行加权平均运算时对应配置的权重越大。
56.上述相似度可以采用包括但不限于相关系数(correlation coefficient)，结构相似性(structural similarity，ssim)，互信息等进行衡量。
57.进一步具体地，第二配准参数包括由三个配准平移参数和三个配准旋转参数形成的配准矩阵，标准定位参数包括由三个标准平移参数和三个标准旋转参数形成的标准定位矩阵；
58.则步骤s3中，将配准矩阵和标准定位矩阵相乘得到一自动定位矩阵，并由自动定位矩阵中提取出三个定位平移参数和三个定位旋转参数作为自动定位参数。
59.本实施例中，采用如下公式计算得到自动定位矩阵：
60.m＝m1×
m261.其中，m用于表示自动定位矩阵，m1用于表示配准矩阵，m2用于表示标准定位矩阵。
62.本发明的较佳的实施例中，各磁共振三维模板图像关联有对应的被扫查者的第一基本信息，采用磁共振扫描得到磁共振三维图像关联有对应的被扫查者的第二基本信息；
63.则步骤s1中，还包括提取与第一基本信息相匹配的各第二基本信息对应的各磁共振三维模板图像，随后将磁共振三维图像分别与提取得到的各磁共振三维模板图像进行图像配准得到配准图像以及对应的第一配准参数。
64.本发明的较佳的实施例中，第一基本信息和第二基本信息包括被扫查者的待成像部位，和/或年龄段。
65.具体地，本实施例中，考虑到不同患者的年龄存在显著差异时，其待成像部位的大小和形状也存在差异；而存在器质性病变时，待成像部位的解剖结构也会存在差异。在这些情况下，使用单一模板难以满足临产中可能遇到的多种情况的需求，而使用多个模板则可以有效地解决这一难题。进一步地，在进行图像配准时，可以在各磁共振三维模板图像中筛选对应的待成像部位以及对应的年龄段的磁共振三维模板图像进行图像配准，以有效减少运算量。
66.本发明的较佳的实施例中，步骤s1中，图像配准的方式为仿射变换方式，或刚体变换方式，或非线性变换方式。
67.具体地，本实施例中，优选可以根据不同的待成像部位配置不同的图像配准方式。其中，仿射变换方式充分考虑到了图像的旋转(rotation)、平移(translation)、缩放(scale)、以及剪切(shear)。在获得仿射变换矩阵后，可以从中提取出旋转及平移的参数，具体可以通过将仿射变换矩阵分解为平移、旋转、缩放、及剪切矩阵来实现。仿射变换矩阵可以进行如下分解：
[0068][0069]
其中，其中，
[0070][0071]
其中，t(t
x
,ty,tz)为平移矩阵，r(θ
x
)，r(θy)，r(θz)分别为沿x，y，z三个方向的旋转矩阵，s(s
x
,sy,sz)为缩放矩阵，h(h
x
,hy,hz)为剪切矩阵。求解上述方程便可以提取出平移参数tx，ty，tz和旋转参数θx，θy，及θz。
[0072]
其中，可以使用刚体变换方式进行图像配准，具体来说，可以通过傅里叶-梅林变换(fourier-mellin transformation)来进行旋转参数的估计，通过频域的相位匹配分析来进行平移参数的估计，具体计算过程此处不再赘述。
[0073]
而对于腹部成像，可以考虑非线性变换，估计出扭曲场(warp field)，也叫形变场(deformation field)，再从中提取出平移及旋转参数。在具体实施时，非线性变换的目标函数可以为均方误差(mse，mean square error)，即图像差值平方的平均值；也可以为最大化互信息(mutual information)等。
[0074]
本发明还提供一种基于图像配准的磁共振成像自动定位系统，应用上述的磁共振成像自动定位方法，如图5所示，磁共振成像自动定位系统包括：
[0075]
图像配准模块1，用于将采用磁共振扫描得到的一待成像部位的磁共振三维图像分别与与预先生成的多个磁共振三维模板图像进行图像配准，得到配准图像以及对应的第一配准参数，并将每个配准图像、对应的磁共振三维模板图像以及配准参数分别加入一数据集合中；
[0076]
图像处理模块2，连接图像配准模块1，用于针对每个数据集合，分别计算配准图像与磁共振三维模板图像之间的相似度，并根据各相似度以及对应的数据集合中的第一配准参数处理得到一第二配准参数；
[0077]
自动定位模块3，连接图像处理模块2，用于根据第二配准参数和预先获取的待成像部位关联的一标准定位参数处理得到自动定位参数，作为当前磁共振扫描的磁共振成像自动定位结果。
[0078]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。