陸雪松,郭翔宇
(中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,武漢 430074)
多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)在醫(yī)學(xué)圖像處理和分析中具有非常重要的意義.不同模態(tài)的醫(yī)學(xué)圖像在反映人體解剖和功能信息方面具有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),例如計(jì)算機(jī)斷層影像(Computed Tomography, CT)可以提供高分辨率的骨性結(jié)構(gòu)信息,而磁共振(Magnetic Resource,MR)影像在描述軟組織解剖和病理結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢(shì)明顯,單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像(Single-Photon Emission Computed Tomography,SPECT)、正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography,PET)等功能影像能夠從分子水平上揭示病變組織器官的生理和病理變化,提供更有價(jià)值的診斷信息[1].多模態(tài)圖像融合可以結(jié)合不同模態(tài)的圖像信息為疾病的診斷和治療策略提供詳細(xì)而全面的參考依據(jù)[2],精確計(jì)算、建模和量化解剖結(jié)構(gòu)信息能夠輔助醫(yī)生制定更合理的治療方案.多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像分析方法由于可以多維度、多模式地綜合了解疾病動(dòng)態(tài)變化,在指導(dǎo)臨床診斷、放射治療、手術(shù)方案制定等方面存在廣泛的應(yīng)用價(jià)值.
一般地,配準(zhǔn)技術(shù)是多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合分析的基礎(chǔ),相似性測(cè)度方法[3,4]的選擇是決定能否精確配準(zhǔn)的關(guān)鍵因素.傳統(tǒng)的互信息(Mutual Information,MI)方法旨在尋找圖像間的灰度統(tǒng)計(jì)關(guān)系,已被廣泛應(yīng)用于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)過程.但是,它并不是一個(gè)凸函數(shù),容易陷入局部最優(yōu)造成錯(cuò)誤對(duì)齊的風(fēng)險(xiǎn).為了克服上述缺陷,許多研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn).ZHUANG等[5]利用空間位置編碼互信息,用于心臟磁共振圖像的配準(zhǔn).WOO[6]等提出三維Harris算子結(jié)合空間和幾何信息的多模態(tài)配準(zhǔn)方法,用于高低分辨率圖像間的配準(zhǔn),相較于傳統(tǒng)的配準(zhǔn)方法獲得了更好的精度和性能.LIU等[7]提出了一種基于深度全卷積網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)框架,該框架結(jié)合了深度FCN模型和單模態(tài)配準(zhǔn)方法,通過大量可訓(xùn)練的參數(shù)自動(dòng)捕獲不同模態(tài)間的復(fù)雜非線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)健的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn).朱飛[8]提出由自相似性激發(fā)的Zernike矩描述子,用于非剛性多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn).該方法從圖像表征的角度入手,構(gòu)建熵圖表征不同模態(tài)圖像的特征信息參與配準(zhǔn)過程,在準(zhǔn)確性和魯棒性都較目前主流的基于圖像表征的配準(zhǔn)方法有了大幅度的提升. SIMONOVSKY[9]等提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度相似性度量方法,并將該方法用于多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)過程,獲得了優(yōu)于互信息的配準(zhǔn)結(jié)果.
目前,多模態(tài)心臟圖像配準(zhǔn)已經(jīng)被用于心臟結(jié)構(gòu)的量化評(píng)估、心臟病的診斷和手術(shù)中.SHI等[10]對(duì)標(biāo)記和未標(biāo)記MR圖像進(jìn)行非剛性配準(zhǔn),為心臟功能評(píng)價(jià)中的心肌運(yùn)動(dòng)跟蹤提供幫助.ZHUANG等[11]在非剛性配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,采用多尺度信息計(jì)算多模態(tài)圖譜之間的相似性,從而提取心臟子結(jié)構(gòu),輔助心臟病的早期診斷.TAVARD等[12]提出多模態(tài)心臟數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和融合的工作流,對(duì)心臟再同步治療實(shí)施優(yōu)化.最近,日趨成熟的形狀建模技術(shù)也已被用于心臟的分割和配準(zhǔn)中.ZHENG等[13]使用基于B樣條的統(tǒng)計(jì)形變模型編碼目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)信息,利用該先驗(yàn)信息約束2D-3D配準(zhǔn)過程,減少了優(yōu)化所需的參數(shù)數(shù)量.BERENDSEN等[14]提出使用一系列分割好的目標(biāo)形狀訓(xùn)練獲得其統(tǒng)計(jì)形狀信息,并基于該先驗(yàn)信息作為正則項(xiàng)引入到自由形變配準(zhǔn)框架,減少局部極值和錯(cuò)誤對(duì)齊,獲得了更好的配準(zhǔn)質(zhì)量和效果.
本文主要針對(duì)多模態(tài)心臟圖像的配準(zhǔn)問題,提出了一種統(tǒng)計(jì)形狀模型(Statistical Shape Model,SSM)構(gòu)建方法,并將左心室的統(tǒng)計(jì)形狀模型作為先驗(yàn)約束項(xiàng)引導(dǎo)多模態(tài)心臟圖像的配準(zhǔn)過程.本文呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)形狀模型構(gòu)建方法主要通過一系列圖譜標(biāo)簽圖像建立目標(biāo)形狀樣本訓(xùn)練集,利用等值面提取算法獲得特征點(diǎn)代表目標(biāo)形狀,在確立圖譜標(biāo)簽圖像之間的形變關(guān)系基礎(chǔ)上對(duì)齊形狀特征點(diǎn),最終結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得樣本形狀的統(tǒng)計(jì)學(xué)信息.
在臨床上,左心室功能參數(shù)的定量分析對(duì)診斷和治療心臟疾病具有重要的價(jià)值.近些年來,許多新的方法被提出用于獲取左心室功能參數(shù),如形變模型、統(tǒng)計(jì)形狀模型和多圖譜分割等.其中,統(tǒng)計(jì)形狀模型作為一種強(qiáng)先驗(yàn)?zāi)P托Ч浅o@著.作為統(tǒng)計(jì)形狀模型之一的點(diǎn)分布先驗(yàn)?zāi)P?,其主要思想是從?xùn)練集標(biāo)簽圖像中提取一系列特征關(guān)鍵點(diǎn),用其坐標(biāo)構(gòu)成的特征向量來描述目標(biāo)形狀,通過對(duì)樣本形狀訓(xùn)練獲得目標(biāo)形狀的統(tǒng)計(jì)信息,據(jù)此建立坐標(biāo)特征向量表征形狀模型.
假設(shè){xi;i=1,…,n}代表n個(gè)左心室樣本形狀,每個(gè)形狀包含m個(gè)3D坐標(biāo)點(diǎn),{pi=(xi,yi,zi)T;i=1,…,m}表示樣本形狀表面三角剖分的網(wǎng)格頂點(diǎn),則每個(gè)左心室形狀向量xi的大小為3m維,構(gòu)成的坐標(biāo)點(diǎn)集向量為p=(x1,y1,z1,x2,y2,z2,…,xm,ym,zm)T.假定所有形狀的坐標(biāo)點(diǎn)位置統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系下,則訓(xùn)練集中的各個(gè)左心室樣本形狀向量構(gòu)成一個(gè)三維空間分布,該分布可以用一個(gè)線性模型近似表征,表示形式如下:
(1)
(2)
(3)
統(tǒng)計(jì)形狀模型的構(gòu)建源于訓(xùn)練集標(biāo)簽圖像,訓(xùn)練集中的每一幅標(biāo)簽圖像代表一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的形狀實(shí)例.由于訓(xùn)練集樣本標(biāo)簽圖像源于不同灰度圖像對(duì)同一目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的手動(dòng)分割結(jié)果,樣本形狀變化存在很大的任意性,無法滿足建立統(tǒng)計(jì)形狀模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)集的要求.因此,需要去除其非形狀因素的影響,在不改變模型特定形狀的前提下,將訓(xùn)練集樣本形狀統(tǒng)一于同一模板框架下,使得樣本形狀能夠圍繞同一個(gè)中心在特定范圍內(nèi)變化.為了使左心室訓(xùn)練集樣本形狀都處于同一坐標(biāo)空間中,可基于左心室模板圖像建立自然坐標(biāo)系,在該坐標(biāo)系下形變圖譜訓(xùn)練集樣本形狀,最小化不同樣本形狀間的形變影響.建立自然坐標(biāo)系的目的是將樣本形狀對(duì)齊并歸一化于模板形狀所在的自然坐標(biāo)空間中,該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要通過配準(zhǔn)找到模板框架與圖譜圖像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.
理想情況下,可以使用解剖學(xué)特征點(diǎn)描述目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的形狀.然而,由于解剖學(xué)特征點(diǎn)過于稀疏,無法準(zhǔn)確描述其三維形狀,可采用表面特征點(diǎn)來確定其幾何形狀,通過坐標(biāo)向量對(duì)目標(biāo)形狀進(jìn)行表征.為了提取左心室圖譜樣本形狀特征點(diǎn),首先需要對(duì)模板圖像進(jìn)行標(biāo)記,然后再通過非剛性配準(zhǔn)所獲得的變換參數(shù)實(shí)現(xiàn)模板圖像和圖譜圖像間形狀特征點(diǎn)的自動(dòng)傳遞.為了自動(dòng)標(biāo)記左心室模板圖像形狀特征點(diǎn),等值面提取算法(Marching Cube,MC)被選擇用于該過程.等值面算法可生成目標(biāo)形狀表面密集的三角剖分網(wǎng)格,從生成的網(wǎng)格模型中提取其表征形狀模型的坐標(biāo)特征點(diǎn)作為特征描述符.由于該算法應(yīng)用于模板標(biāo)簽圖像后,生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多,選用稀疏抽取技術(shù)降低特征標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量,同時(shí)保留盡可能好的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).左心室形狀特征點(diǎn)的自動(dòng)標(biāo)記框架如圖1所示.
圖1 形狀特征點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)記示意圖Fig.1 The automatic landmark diagram of shape feature points
假定訓(xùn)練集Sn由n個(gè)左心室標(biāo)簽圖像構(gòu)成,訓(xùn)練集中的每個(gè)形狀通過標(biāo)簽圖像的前景像素值描述.為了生成n個(gè)左心室形狀的特征標(biāo)記點(diǎn),應(yīng)選擇一幅標(biāo)簽圖像作為模板標(biāo)簽圖像,提取其形狀特征點(diǎn),并利用該模板標(biāo)簽圖像標(biāo)記的形狀特征點(diǎn)通過訓(xùn)練集配準(zhǔn)框架實(shí)現(xiàn)其余n-1個(gè)左心室形狀的自動(dòng)標(biāo)記,最終結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得目標(biāo)形狀的統(tǒng)計(jì)信息,依據(jù)統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算其均值特征向量和協(xié)方差估計(jì)矩陣完成整個(gè)左心室統(tǒng)計(jì)形狀模型的構(gòu)建.左心室統(tǒng)計(jì)形狀模型的具體構(gòu)建流程如下:
Step1 從給定的訓(xùn)練集Sn中確定一幅標(biāo)簽圖像作為模板標(biāo)簽圖像;
Step2 該模板標(biāo)簽圖像對(duì)應(yīng)的原始灰度圖像作為模板圖像,其余n-1幅標(biāo)簽圖像對(duì)應(yīng)的灰度圖像作為圖譜圖像,通過全局仿射變換將所有圖譜圖像統(tǒng)一于模板圖像所在的自然坐標(biāo)空間中,迭代計(jì)算模板圖像和圖譜圖像間的形變配準(zhǔn)參數(shù);
Step3 將Step2計(jì)算獲得的形變配準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)用于對(duì)應(yīng)的圖譜標(biāo)簽圖像,形變生成其統(tǒng)一于同一自然坐標(biāo)系下的圖譜標(biāo)簽圖像,構(gòu)建圖譜樣本形狀訓(xùn)練集;
Step4 取訓(xùn)練集中的每一幅圖譜標(biāo)簽圖像分別與模板標(biāo)簽圖像做形變配準(zhǔn),配準(zhǔn)的相似性測(cè)度方法選用Kappa統(tǒng)計(jì)系數(shù),使參與配準(zhǔn)的兩幅標(biāo)簽圖像的重疊率最大,迭代該過程計(jì)算其形變配準(zhǔn)參數(shù);
Step5 使用等值面算法對(duì)模板標(biāo)簽圖像形狀實(shí)施自動(dòng)標(biāo)記,提取形狀特征點(diǎn)并生成對(duì)應(yīng)的形狀描述點(diǎn)文件;
Step6 通過Step4計(jì)算得到的形變配準(zhǔn)參數(shù),建立模板形狀和待標(biāo)記(圖譜)形狀間的點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,將Step5獲得的模板圖像形狀標(biāo)記點(diǎn)映射到待標(biāo)記圖像中,提取坐標(biāo)生成相應(yīng)的形狀點(diǎn)描述文件;
Step7 根據(jù)Step6計(jì)算獲得的一系列形狀標(biāo)記點(diǎn)描述文件,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建n-1幅圖像的形狀統(tǒng)計(jì)信息,最后計(jì)算其均值特征向量和協(xié)方差估計(jì)矩陣.
本文以雙源CT采集的300個(gè)心臟三維圖像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集,在該數(shù)據(jù)集上通過手動(dòng)分割左心室結(jié)構(gòu)獲得標(biāo)簽圖像,遵循上述方法和具體流程,構(gòu)建樣本形狀訓(xùn)練集,生成左心室統(tǒng)計(jì)形狀模型.
圖2 不同模式下模型的變化效果Fig.2 The effect of the model in different modes
圖2是利用該CT數(shù)據(jù)集建立的左心室形狀模型在不同模式下的變化效果.
醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)是尋找圖像間的最優(yōu)變換使得其目標(biāo)代價(jià)函數(shù)最小,傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)方法使用互信息作為代價(jià)函數(shù)計(jì)算其最佳變換參數(shù).為獲得高精度的配準(zhǔn)結(jié)果,本文采用統(tǒng)計(jì)形狀模型約束互信息度量引導(dǎo)配準(zhǔn)尋優(yōu)過程,其代價(jià)函數(shù)如下所示:
C=-S+αR,
(4)
式中S互信息測(cè)度函數(shù),R為形狀先驗(yàn)約束項(xiàng),α為平衡代價(jià)函數(shù)中兩項(xiàng)測(cè)度貢獻(xiàn)的權(quán)重因子.
通常情況下,依賴于B樣條的自由形變配準(zhǔn)使用基于梯度下降的方法迭代求解代價(jià)函數(shù)的優(yōu)化問題.類似的,形狀先驗(yàn)約束項(xiàng)R的梯度應(yīng)與形變參數(shù)有關(guān).假設(shè)參考形狀特征向量為Pref,平均形狀向量為Pmean,形狀先驗(yàn)約束項(xiàng)R可通過Pref和Pmean間的馬氏距離表示:
(5)
式中P(μ)為變換后的參考形狀向量與平均形狀向量的差值,可表示為:
P(μ)=Tμ(Pref)-Pmean,
(6)
因此,參考形狀向量和平均形狀向量間的馬氏距離與其配準(zhǔn)變換參數(shù)μ相關(guān).形狀先驗(yàn)約束項(xiàng)相對(duì)于變換參數(shù)的梯度為:
(7)
基于統(tǒng)計(jì)形狀模型約束的多模態(tài)心臟配準(zhǔn)在CT與MR圖像間進(jìn)行,參與配準(zhǔn)的測(cè)度方法使用上述公式(4)定義的目標(biāo)函數(shù),而最優(yōu)空間變換參數(shù)的獲取是通過迭代優(yōu)化的搜索策略計(jì)算其梯度進(jìn)行確定,該值越小,則互信息相似性度量值越大,配準(zhǔn)參數(shù)越接近于最佳值.為了更快、更準(zhǔn)確的達(dá)到最小值完成配準(zhǔn)任務(wù),一般使用梯度下降的方法求解該計(jì)算過程.
為了驗(yàn)證模型構(gòu)建的準(zhǔn)確度和配準(zhǔn)方法的有效性,本文實(shí)驗(yàn)在基于ITK(Insight Toolkit)框架的開源配準(zhǔn)工具包Elastix[15]上實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集選擇雙源CT采集的心臟影像和磁共振采集的心臟MR影像[16],利用該CT數(shù)據(jù)集建立左心室統(tǒng)計(jì)形狀模型,并基于該模型進(jìn)行心臟的多模態(tài)配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.該CT影像數(shù)據(jù)集來自15位病人,每位病人有20幅心動(dòng)周期圖像,圖像的分辨率為512×512×117~265,像素尺寸0.28 mm×0.28 mm×0.5 mm~0.37 mm×0.37 mm×1.0 mm. MR圖像的分辨率為288×288×120~512×512×200,像素尺寸0.78 mm×0.78 mm×0.89 mm~1.11 mm×1.11 mm×1.60 mm.臨床醫(yī)生手動(dòng)分割的左心室結(jié)構(gòu)被看作為金標(biāo)準(zhǔn).
在該15×20幅心臟CT圖像上建立左心室統(tǒng)計(jì)形狀模型,執(zhí)行步驟遵循上述的具體構(gòu)建流程.實(shí)驗(yàn)采用leave-one-out策略共建立15個(gè)左心室形狀模型,每位病人的第一幅心動(dòng)圖像作為模板圖像,剩余14位病人的所有心動(dòng)圖像作為圖譜圖像.完成每個(gè)形狀模型需進(jìn)行14×20次配準(zhǔn),其中先經(jīng)過仿射配準(zhǔn)使圖譜圖像歸一化于模板圖像所在的自然坐標(biāo)空間中,計(jì)算形變圖譜標(biāo)簽圖像,然后采用Kappa統(tǒng)計(jì)作為相似性測(cè)度對(duì)標(biāo)簽圖像進(jìn)行非剛性配準(zhǔn),最后根據(jù)該形變場(chǎng)建立模板形狀和待標(biāo)記形狀的點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系,提取形狀特征點(diǎn)并計(jì)算其均值和協(xié)方差獲得統(tǒng)計(jì)形狀模型.
選擇15組心動(dòng)周期的第一幅CT圖像和MR數(shù)據(jù)集中的20幅圖像進(jìn)行多模態(tài)配準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).其中CT圖像作為模板圖像,MR圖像作為圖譜圖像,共進(jìn)行15×20次配準(zhǔn).為了對(duì)配準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)建立了以傳統(tǒng)的互信息(MI)配準(zhǔn)方法為基線,和引入統(tǒng)計(jì)形狀模型(MI+SSM)的配準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.通過配準(zhǔn)結(jié)果形變場(chǎng),將圖譜圖像的左心室手動(dòng)分割結(jié)果進(jìn)行形變,可作為模板圖像的自動(dòng)分割結(jié)果.配準(zhǔn)結(jié)果的精確性度量選擇模板圖像中左心室自動(dòng)分割結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)之間的體積重疊率(Dice Similarity Coefficient,Dice)系數(shù)進(jìn)行測(cè)量.二者重疊率DSC值在0~1之間,重疊率越高,表明配準(zhǔn)的精度越好.整體配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,分別比較了MI和MI+SSM方法的多模態(tài)配準(zhǔn)精度.
表1 兩種方法配準(zhǔn)結(jié)果重疊率比較
Tab.1 The comparison of overlap rate from registration results using two algorithms
由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,引入統(tǒng)計(jì)形狀模型的配準(zhǔn)方法較傳統(tǒng)的互信息法有了明顯的提高,配準(zhǔn)精度的中值和均值分別提高了0.06176和0.03293.由此可知,引入統(tǒng)計(jì)形狀模型的配準(zhǔn)方法性能較優(yōu),證明了模型構(gòu)建方法的有效性.為了進(jìn)一步對(duì)本文提出的構(gòu)建統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法和建立的模型質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,圖3顯示了三個(gè)病例的左心室自動(dòng)分割結(jié)果和金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比.,圖中第一列紅線框定的區(qū)域?yàn)樽笮氖医Y(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)形狀,第二和第三列框定的區(qū)域分別為互信息和模型約束的配準(zhǔn)方法獲得的左心室配準(zhǔn)結(jié)果,根據(jù)圖示結(jié)果可知,經(jīng)過SSM配準(zhǔn)的結(jié)果相較于MI的方法左心室目標(biāo)形狀的差異較小,更加接近金標(biāo)準(zhǔn).
圖3 兩種方法的左心室實(shí)際配準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 The comparison of registration effect using two methods
統(tǒng)計(jì)形狀模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于訓(xùn)練集樣本形狀的構(gòu)造和坐標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的自動(dòng)提取,模型的表達(dá)通過均值特征向量和協(xié)方差矩陣進(jìn)行描述.本文提出的統(tǒng)計(jì)形狀模型構(gòu)建方法使用仿射和B樣條自由形變模型相結(jié)合的方式構(gòu)建圖譜樣本形狀訓(xùn)練集,利用等值面提取算法完成形狀特征點(diǎn)的自動(dòng)標(biāo)記過程并對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行提取,最終結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算均值特征向量和協(xié)方差矩陣表征形狀模型.為驗(yàn)證本文論述模型構(gòu)建方法的準(zhǔn)確性和有效性,采用CT和MR圖像進(jìn)行多模態(tài)配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,本文所采用的模型增強(qiáng)的方法較傳統(tǒng)互信息方法在多模態(tài)配準(zhǔn)左心室精度上有較大提升,說明了本文提出的統(tǒng)計(jì)形狀模型的構(gòu)建方法具有可操作性和實(shí)際意義.