最新医学图像处理-第8章-医学图象配准(1)课件PPT.ppt 89页

'进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。　　记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！　　蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。　　蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅医学图像处理-第8章-医学图象配准(1) 基于多种原因，临床上通常需要对同一个病人进行多种模式或同一种模式的多次成像。即同时从几幅图像获得信息，进行综合分析。使用同种成像设备在不同时间成像，可以观察病灶生长，对比手术前后的治疗效果等。当一种成像设备所提供的信息不能满足需要时，可以采用多种模式成像。例如，在CT上观察骨组织，而从MRI上得到软组织信息；或将来源于PET、SPECT的功能信息与来源于CT、MRI的解剖信息结合起来分析。人脑多种模式成像8.1图像配准的概述 8.1.1图象配准的概念对几幅不同的图像作定量分析，首先要解决这几幅图像的严格对齐问题，这就是我们所说的图像的配准（ImageRegistration）。医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种（或一系列）空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。几幅图像信息综合的结果称作图像的融合（ImageFusion）。 刚体变换所谓刚体,是指物体内部任意两点间的距离保持不变。例如可将人脑看作是一个刚体。处理人脑图像,对不同方向成像的图像配准常使用刚体变换。刚体变换可以分解为旋转和平移：是像素的空间位置；A是旋转变换矩阵，b是平移向量。矩阵A满足约束条件：AT是矩阵A的转值，I是单位矩阵。 当约束条件不满足时,方程式描述的是仿射变换。它将直线映射为直线，并保持平行性。具体表现可以是各个方向尺度变换系数一致的均匀尺度变换或变换系数不一致的非均匀尺度变换及剪切变换等。仿射变换 投影变换与仿射变换相似,投影变换将直线映射为直线，但不再保持平行性质。投影变换主要用于二维投影图像与三维体积图像的配准。血管瘤手术计划：三维血管模型与x射线血管造影图像在正交的、前后方向（右图）和侧向（左图）投影配准。 非线性变换非线性变换也称做弯曲变换(CurvedTransformation）,它把直线变换为曲线。使用较多的是多项式函数，如二次、三次函数及薄板样条函数。有时也使用指数函数。非线性变换多用于使解剖图谱变形来拟合图像数据或对有全局性形变的胸、腹部脏器图像的配准。 8.1.3配准的类型 同一对象（Intra-subject）的图像配准a.不同MR加权像间的配准：由于使用的射频脉冲序列以及成像参数的设置不同，磁共振图像会有很大不同。对自旋回波（SpinEcho）脉冲序列主要有三种不同类型的磁共振图像，即T1加权像、T2加权像及质子密度（PD）加权像。人体不同的组织在这些图像上表现为不同的强度。例如，很多肿瘤、炎症及病灶都会增加组织中的自由水成分，在T1加权像中表现为低强度；而骨、纤维及钙化组织均不含自由水，在T2加权像中呈低强度；亚急性出血在T1和T2像中同时表现为高强度等。不同加权MR图像的信息可以互补。临床上，它们的结合可提供更全面的诊断信息。配准后的图像还可用于脑内组织的分类（如白质、灰质及CSF等）。 b.电镜图像序列的配准：在不同时间采集的多幅物体图像，构成沿时间轴的2D/3D图像的集合，称为时间序列图像。生物医学方面，在显微镜下观察组织结构，可分析微生物、细胞和亚细胞粒子的移动及其引起的形态变化，研究它们的生长和变态现像。对系列微循环图像分析还可得到微血流变化的情况。。小鼠乳腺不同时期结构形态（青春期、孕期、哺乳期和萎缩期。） c.fMRI图像序列的配准：fMRI（功能磁共振成像，functionalMRI）也是时间序列图像。大脑活动过程中，会产生氧摄取量与脑血流间的不平衡，这种不平衡必然会引起脑血管周围MRI信号的改变。在对磁场不均匀性很敏感的MRI图像序列中就可以测得这些信号的改变。由于该方法无须对比增强剂，也无辐射剂量，又能反映脑功能，因此在神经科学的认知研究中得到普遍的重视。功能测试要求受试者做出某种反映，很大程度上会引起头部的移动，产生伪像。因此，在fMRI序列图像研究中图像配准是极为重要的。 d.胸、腹部脏器的图像配准：如果被分析的图像本身就是3D图像，这样的图像序列就成为4D图像。例如4D心动图像分析。要进行定量的分析，往往要求确定各幅图像中的公共参考点位置，即要解决图像定位问题。还要解决目标物体处于运动过程可能存在的局部变形和严重的噪声问题，例如在心动周期中的不同时刻，心脏的形状、大小、位置都会发生变化。 多模医学图像配准多模（Multimodality）医学图像配准是指待配准的两幅图像来源于不同的成像设备。例如，CT和MR图像都有较高的空间分辨率，前者对密度差异较大的组织效果较好，后者则可识别软组织；SPECT、PET能反映人体的功能和代谢信息，但空间分辨较差。因此在临床应用中，常需要将CT（或MR）与SPECT（或PET）配准。二者的结合能够同时提供功能的与解剖的信息，具有临床应用价值。由于扫描设备的原理不同，扫描参数条件各异，所以两种断层图像间并不存在着简单的一一对应关系。多模医学图像配准是医学图像配准的重点研究内容之一。MRIPETMRICT 人脑MR/PET图像配准上排：轴向图；中间：矢状图；下排：冠状图左：PET图像；中：MR图像；　右：融合图像 不同对象间（Inter-subject）的图像配准有时要将被试的图像与典型正常人相同部位的图像对比，以确定被试者是否正常。如果异常，也许还要与一些疾病的典型图像对比，确定患者是否属于同类。这都属于不同人间的图像配准。由于不同人在生理上存在差异，同一解剖结构的形状、大小、位置都会很不相同，这就使不同人的图像配准问题成为当今医学图像分析中的难题。 在对比和分析不同人的医学图像时，常见的方法大致有两类：一是借助一个共同的标准来比较。对于不同人很难精确找出对应的解剖信息。这要求有一个详细标记人体各个解剖位置的计算机化的标准图谱，目前使用较多的是Talairach标准空间。例如要对两个病人的PET或MR图像进行比较，首先要把二者的图像都映射到这个共同的参考空间去，然后在此空间中对二者进行比较。 二是非线性形变法，模仿弹性力学方法，将一个人的3D图像逐步变形，使它最终能较好地与另一个人的3D图像最佳匹配。 图像与图谱配准或与物理空间配准在立体定向装置或图像引导的手术导航系统中，需要将图像像素与物理空间中探针、手术器械或实况摄像的位置配准。涉及到图像空间与立体定向装置或人脑实体空间的坐标系统变换。 8.1.4主要配准方法1.点法（PointMethod）点法又分内部点（IntrinsicPoints）及外部点（ExtrinsicPoints）。内部点是从与病人相关的图像性质中得到的，如解剖标志点（AnatomicalLandmarkPoints）。外部点则是在受试者颅骨嵌入的螺钉、在皮肤上做的记号或其他在两幅图像都可检测到的附加标记物。无论内部点还是外部点，一经确定，两图像的配准问题就归结为求解对应点集的刚体变换了。对准了这些标志点，两幅图像也就配准了。2.曲线法（CurveMethod）对二维投影放射照片首先用人工的方法在两幅图像中寻找对应的开曲线，再在两条开曲线局部曲率最佳拟合的线段用相同的采样率找出一组对应点来。以后继续用点法匹配两幅图像。3.表面法（SurfaceMethod）基于表面的配准技术典型的例子是“头帽法”。从一幅图像轮廓提取的点集称作帽子（‘Hat’），从另一幅图像轮廓提取的表面模型叫做头（‘Head’）。一般用体积较大的病人图像，或在图像体积大小差不多时用分辨较高的图像来产生头表面模型。Powell搜索算法被用来寻求所需的几何变换，即使帽点和头表面间的距离平均平方值最小。 4.矩和主轴法（MomentandPrincipalAxesMethod）借用经典力学中物体质量分布的概念，计算两幅图像像素点的质心和主轴，再通过平移和旋转使两幅图像的质心和主轴对齐，从而达到配准的目的。5.相关法（CorrelationMethod）对于同一个物体由于图像获取条件的差异或物体自身发生的小的改变而产生的图像序列，采用使图像间相似性最大化的原理实现图像间的配准。所使用的相似性测度可以是多种多样的，例如相关函数、相关系数、差值的平方和或差的绝对值和等。6．最大互信息配准法（MaximizationofMutualInformation）互信息是信息论的一个基本概念，是两个随机变量统计相关性的测度。用互信息作为多模医学图像的配准的测度。如果两幅图像几何上对齐的话，它们对应体素对的强度值的互信息最大。7．图谱法（AtlasMethod）不同人脑图像的配准远比同一个人的不同模式图像的配准困难得多，这是因为不同人脑的形状、尺寸都有很大的差异。如果我们将脑图像作一定的尺度变换，并对深度内部结构适当取向后，就会发现不同人脑的解剖结构的大小和形状方面还是具有一定的共性的。这就使我们有可能构造一个解剖图谱，其前提是受试者间脑的拓扑结构具有不变性。由于在脑图谱构建过程中有神经解剖学专家直接参与，利用脑图谱进行配准，就可以利用图谱所包含的先验知识来对病人或其他人的图像自动识别和正确的分割。 8．非线性变换技术为了研究器官与组织发生变形或不同人脑之间的图像配准需要使用非线性变换配准技术，主要有基于物理模型的配准方法和基于空间变换的配准方法。（1）弹性力学模型在该模型中，脑被看作是一个弹性物体。在内、外力共同作用下人脑发生弹性形变。当内外力达到平衡时得到变形后的图像。描述弹性形变的偏微分方程可以用有限元方法求解。（2）流体力学模型还可用粘滞流体模型（ViscousFluidModel）控制形变。模板图像被建模为厚的流体。流体在内力作用下流动去拟合待配准的体积图像。经过一段时间后，内力消失，流体停止流动。基于流体力学模型的配准可以用Navier-Stokes偏微分方程描述。（3）光流场模型在光流场模型中，脑的形变被模拟为物体运动，通过估计运动而达到图像配准的目的。光流场模型是一种在计算机视觉领域广泛使用的运动图像分析方法。在该方法中，假设在短时间间隔运动前后特定空间点的图像灰度保持不变。须求解光流约束方程。 8.2基本空间变换模型为了用数学方法描述医学图像的配准,我们采用均匀坐标系统。在该系统中任何二维线性变换可以表示为一个3x3的矩阵，三维线性变换可以用4x4的矩阵表示。在二维空间中，坐标(x,y)表示为向量;从　　　到新坐标　　　的变换可以表示为在三维空间中，坐标(x,y,z)表示为向量　　　　，从　　　　到新坐标的变换可以表示为 8.2.1刚体变换二维刚体变换在二维刚体变换中涉及3个变换参数：沿两个坐标轴方向的平移及绕坐标原点的旋转角。基本变换公式可表示为沿x轴的平移沿y轴的平移绕坐标原点的旋转其中，p，q及θ是刚体变换参数。定义x轴为水平轴，正方向为从左向右；y轴为垂直轴，正方向为从下向上；θ定义为顺时针旋转。 变换的矩阵表示:沿x轴的平移沿y轴的平移绕坐标原点的旋转 变换的结果与这些基本参数的顺序有关。对于相同一组参数p，q及θ，变换过程可以是先沿x轴的平移p，然后沿y轴的平移q，最后再绕坐标原点的旋转θ：也可以是按不同顺序的变换。先绕坐标原点的旋转θ，再沿x轴的平移p，然后沿y轴的平移q：显然，二者的变换结果不同。 数值实例：设一个刚体变换为先绕坐标原点的旋转10，再沿x轴的平移4个单位，然后沿y轴的平移9个单位：该变换矩阵可以分解成原来顺序的三个基本变换矩阵。也可以换个顺序先做平移，然后绕坐标原点的旋转角度大小、方向不变： 这表明先沿x轴的平移2.3764个单位，然后沿y轴的平移9.5579个单位，最后绕坐标原点的旋转10，整个变换得到同样的结果。可以看出，在两种不同顺序的变换中，总的位移距离（9.8489）是不变的。 使用矩阵表示刚体变换的好处是无须关心实际的旋转与平移顺序。因为在实际应用中对于两个真实的生物医学对象（显然是三维物体）只要实现精确配准，变换的具体途径并不很重要。 应用逆矩阵运算或组合矩阵变换应用逆矩阵运算或组合矩阵变换可以很容易实现多种形式的图像配准。例如，有一个刚体变换矩阵M将第一幅图像A配准到第二幅图像B，则简单的逆矩阵会使第二幅图像B配准到原来的第一幅图像A。 类似地，若有一个刚体变换矩阵将第一幅图像A配准到第二幅图像B，又有另一个刚体变换矩阵将第二幅图像B配准到第三幅图像C，则简单的矩阵乘法得到的刚体变换矩阵会使第一幅图像A直接与第三幅图像C配准。 2.三维刚体变换在3D情况，需要6个参数描述一个刚体变换。即沿x轴、y轴及z轴的平移，与绕三个轴的旋转。变换公式如下：沿y轴的平移沿z轴的平移沿x轴的平移其中，p，q，r是沿x轴、y轴及z轴的平移刚体变换参数 绕x轴的旋转绕y轴的旋转绕z轴的旋转其中,θ,,及是绕x轴、y轴及z轴的旋转刚体变换参数。 沿x轴的平移沿y轴的平移沿z轴的平移绕x轴的旋转绕y轴的旋转绕z轴的旋转(6.26)3D变换的矩阵表示 与二维刚体变换类似，旋转与平移的顺序会影响变换的结果，绕不同轴旋转顺序不同，结果也不一样。可能的旋转变换参数的顺序有6种：结合先旋转、后平移，及先平移、后旋转，共有12种不同的组合顺序。 先旋转、后平移 同样的参数，做逆顺序做变换就会得到完全不同的结果： 3D刚体变换数值举例：一个图像先绕x轴旋转7，绕y轴旋转11，再绕z轴旋转13，接着沿x轴平移2单位，沿y轴平移3单位，最后再沿z轴平移5单位。 旋转的过程图示: 从初始位置到终止位置的变换序列不是唯一的。若沿x轴平移2.2045单位，沿y轴平移2.7793单位，再沿z轴平移5.0414单位,旋转顺序也与原来相反,即先绕z轴旋转14.4198，绕y轴旋转9.0397，最后再绕x轴旋转9.4030。这样变换后得到相同的结果。 8.2.2全局尺度变换在3D刚体变换的基础上增加一个新参数m（尺度变换系数）描述不同条件下获取的图像尺度的差异。如果将一幅图像全局缩放m倍的话可用下面的变换：在顺序的基本变换中，尺度变换与平移变换的顺序对变换结果有影响，但与尺度变换与旋转变换顺序无关。 7个参数的变换矩阵: 一个图像先绕x轴旋转7，绕y轴旋转11，再绕z轴旋转13，然后全局放大2倍；接着沿x轴平移2单位，沿y轴平移3单位，最后再沿z轴平移5单位。 8.2.3九参数仿射变换全局尺度变换是三个方向的缩放倍数相同。但有时待配准的两幅图像也可能各方向上尺度变换系数不同，即使用九个参数的仿射变换意味待配准的两幅图像存在固有的不对称性。第一种仿射变换： 对应第二种情况的仿射变换： 8.2.4一般仿射变换一般的形式的二维仿射变换有6个独立的参数，三维仿射变换有12个独立的参数。变换的几何约束是变换前后保持直线的平行性。二维仿射变换：三维仿射变换：由于仿射变换无须计算正弦和余弦，因此对所有变换参数不再有小于1的约束。 8.2.5透视变换主要特点是，直线经变换后仍然是直线，但平行的直线经变换后却可能相交。在二维情况下，有两个控制透视的参数（f和g）。变换矩阵为 8.2.6非线性空间变换1.二阶多项式变形模型涉及30个变换参数2.基于薄板样条函数薄板样条函数变换可以表示为仿射变换与径向基函数的线性组合：3.基于B样条的变换基于三次B样条的自由形变变换可以表示为 化工原理C总复习08环境工程（1-4）8/13/202151 考试时间:2010-12-24（星期五）9:00-11:00考试地点:教5-102—08环工1，2班07环工重修1-4班20人考试地点:教5-104—08环工3，4班8/13/202152 一、填空题（1×30=30）例如：气体的粘度随温度的升高而________，水的粘度随温度的升高_______。二、问答题（5×5=25）例如：换热器的设计中为何常常采用逆流操作？三、计算题（15×3=45）考试题型8/13/202153 单元操作三传一反量纲物料平衡热量平衡（相）平衡关系传递速率绪论—重要概念8/13/202154 第一章流体流动8/13/202155 绝对压力，表压，真空度，流量，流速，连续性方程，流体的机械能（位能，静压能，动能），压头（位压头，静压头，动压头），粘度，摩擦阻力，压头损失，流动类型（滞流，过渡流，湍流），雷诺数，牛顿粘性定律，摩擦系数（影响因素），量纲分析法，范宁公式，当量直径，局部阻力，流量计（类型）重要概念8/13/202156 压力形式能量形式静力学基本方程式8/13/202157 连续性方程式8/13/202158 能量形式或压头形式伯努利方程式8/13/202159 直管阻力8/13/202160 管路计算8/13/202161 连续性方程静力学基本方程式伯努利方程式管路计算计算题型8/13/202162 第二章流体输送机械8/13/202163 泵的类型，离心泵的工作原理，主要部件，主要性能参数，特征曲线，流量调节的方法，管路特征方程，工作点，离心泵的串联与并联，气蚀余量，气缚，汽蚀现象，安装高度，最大允许安装高度，气体输送机械的分类绪论—重要概念8/13/202164 离心泵的主要性能参数1.流量Q，Ｌ/ｓ或m3/ｈ2.扬程Ｈ，米液柱3.轴功率P与有效功率Pe,W8/13/202165 0481216202428320204060801001201012141618202224260246801020304050607080n=2900r/minNHηＱ,l/sm3/s离心泵的特性曲线8/13/202166 1）改变阀门的开度2）改变泵的转速3）改变叶轮的尺寸离心泵的流量调节8/13/202167 第三章沉降与过滤8/13/202168 均相物系，非均相物系，重力沉降，自由沉降速度以及主要影响因素，沉降以及分类停留时间，沉降时间离心分离，离心分离因数，旋风分离器过滤介质，过滤及其方式恒压过滤恒压过滤的特点，过滤方程式，过滤常数，过滤设备绪论—重要概念8/13/202169 过滤方程式与过滤常数的测定8/13/202170 第四章传热71 热量传递的基本方式，传热速率，热流密度，傅立叶定律（导热速率），导热系数，热阻，传热推动力，影响对流传热系数的因素努塞尔准数，普兰特准数，膜状冷凝和滴状冷凝热量衡算式，并流与逆流，传热平均温度差（对数平均温度差）总传热系数，传热计算换热器的分类，管程，壳程，传热过程的强化绪论—重要概念8/13/202172 热传导（平壁）8/13/202173 a—对流传热系数，W/（m2·K）对流传热8/13/202174 准数符号及意义准数名称符号意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu=αl/λ表示对流传热系数的准数雷诺准数（Reynolds）Re=luρ/μ确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cpμ/λ表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=βgΔtl3ρ2/μ2表示自然对流影响的准数75 Q：传热速率，WK：传热系数，w/(m2﹒℃)A：传热面积，m2Dtm：两流体的平均温度差，℃76 热量衡算77 对数平均温度差8/13/202178 平壁与薄壁管的总传热系数计算总传热系数79 传热过程的强化途径增大传热面积A2.增大平均温差Δtm3.增大总传热系数K提高流速及流体的扰动程度采用相变、较大的流体减小壁厚、防止结垢和及时清除垢层重点从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积，如采用螺旋管、波纹管、翅片管等温度一般由生产工艺条件所规定，可调范围有限，尽可能逆流操作8/13/202180 热传导热量衡算传热速率基本方程计算题型8/13/202181 第五章吸收8/13/202182 吸收操作的种类，吸收过程分类，吸收剂的选择平衡溶解度、影响因素、亨利定律、费克定律平衡分压、温度与溶解度的关系、总压对溶解度的关系总传质速率方程，传质推动力，双膜理论（假设），气膜控制与液膜控制，回收率，吸收塔物料衡算，最小液气比的计算，操作线方程，填料层高度，传质单元数，填料类型及选择吸收—重要概念8/13/202183 压力—溶解度摩尔分数—摩尔分数亨利定律8/13/202184 气相液相双膜气相双膜液相k、含界面浓度K、不含界面浓度亨利定律压力（浓度）摩尔分数摩尔比总传质速率方程式8/13/202185 KY气相总传质系数(Y-Y*)为传质推动力KX气相总传质系数(X*-X)为传质推动力传质系数8/13/202186 8/13/202187 亨利定律的应用与计算传质系数的计算最小吸收剂用量物料衡算计算题型8/13/202188 请努力复习祝你顺利！8/13/202189'