基于18F-FDG PET/CT图像的配准方法研究

张瑞 胡文 严瑞 郑凯林

（深圳信息职业技术学院 广东省深圳市 518055）

1 背景

PET/CT（Positron Emission Tomography /Computed Tomography）全称为正电子发射断层显像 /X 射线计算机体层成像仪，是目前公认的用于确诊癌症及复杂病灶的最有效的方式之一。目前已经有充分的证据说明传统人工阅片方法对病灶检测和诊断的缺陷。有必要借助于人工智能技术处理海量图像数据[1]。对图像进行快速有效的配准是利用人工智能算法实现智能病灶诊断的基础。在PET/CT 成像中有两种情况的配准最为常见：双时相PET 扫描中的原图像与延迟扫描图像的配准，及PET/CT 大脑成像中的倾斜校正配准。

2 双时相PET/CT扫描配准方法

双时相18F-FDG PET/CT 显像，即在注射显像剂后早期（常规一次显像时间在注射显像剂后1h左右）及延时期（注射显像剂后1.5h或2h 或3h）两个时相分别进行显像，计算早期与延时显像标准摄取值的变化即滞留指数。由于延迟扫描是针对必要的部位进行扫描，两次扫描时，肢体的位置存在差异；像素分辨率存在差异；被扫描者的姿势也注定会存在差异。因此先实现对两种图像的配准才能利用算法实现对病灶的诊断。本文提出了一种简单易行的配准算法。首先用线性差值方法实现图像间的尺度调整；之后再利用重心计算对轴状面进行配准；再利用最小差值对比法实现原图像和延迟扫描图像在冠状面上的配准。

2.1 从轴状面上进行原图像和延迟扫描图像的配准（横向）

对延迟扫描图像进行线性差值调整过尺度后，计算原图像和和延迟扫描图像的重心。计算公式如下：

根据两组图像的重心差值对延迟扫描图像在轴状面上的位置（即横方向）进行调整。如图1 所示。此步骤可以使原图像和扫描图像在轴状面上配准[2]。

图1：PET 原图与延迟扫描图像根据重心进行位置调整

图2：延迟扫描与原图像在冠状面即纵方向的位置物理配准

图3：轴平面（Axial plane）倾斜角β。中图为CT 图像，右图为PET 图像

2.2 从冠状面上进行原图像与延迟扫描图像的配准（纵向）

将延迟扫描图像在轴状面上的位置（即横方向）进行调整后，就要对延迟扫描图像在冠状面（纵向）上参照原扫描进行配准，如图2 所示。采用两组图像的所有像素和的最小差值来进行配准。

3 PET/CT扫描大脑成像配准方法

图4：冠状面（Coronal plane）倾斜角α。中图为CT 图像，右图为PET 图像

图5：纵向配准实验结果

图6：原CT 图及镜反CT 图

对于PET/CT 大脑成像，其病灶确诊的重要依据是左右大脑在PET/CT 扫描中对称性判断。因此对大脑成像图片的倾斜矫正是进行病灶确诊的基础。倾斜矫正的本质是大脑原图与其镜反图像的配准。本文提出了一种针对大脑图像配准的算法。首先提取大脑正中矢状面面，之后使用遗传优化算法对大脑原图和其镜反图片基于正中矢状面进行优化调整，最终得到最优解实现矫正。

3.1 大脑正中矢状面提取算法设计及实现

主要研究如何将正中矢状面用数学模型表示出来，以及轴状面上正中矢状面与垂线的夹角计算算法和冠状面上正中矢状面与垂线的夹角计算算法。夹角示意图如图3 和4 所示。

利用大脑图像进行头部倾斜校正的关键步骤是计算大脑的正中矢状面。以图3 和图4 中的α 和 β 为参数， 利用三维平面坐标系的平面定义将大脑正中矢状面用数学公式表达。在一个三维的坐标系中，如图5 所示，如果用f 和π 来代表一个人体头部图像和它的对称面，那么对称面的方程是可以由下面的式子表示的：

在这个方程中，参数A，B，和 C 是可以用夹角α 和 β 来表示的：

因此，图像中大脑正中矢状面可以利用数学形式在算法中表达出来，并以数学公式为基础计算倾斜夹角。

3.2 优化算法的设计及实现

计算α 和β 夹角就是对大脑图像f 和它的反射图像r 基于正中矢状面进行相似性测量的过程。拟采用normalized sum of the squared intensity difference 作为相似性测量公式：

当μ 值达到最大时，图像f 和其反射图像r 的相似度达到最大，那么正中矢状面也就可以确定。采用最有效的优化方法计算参数α及β 是该步骤的重点和难点。本研究采用遗传算法计算α 和β 夹角。

4 实验结果和分析

PET 原图像与延迟扫描图像的物理配准包括两个方面：轴状面的位置配准（横向）及冠状面高度的配准（纵向）。本文对2 例双时相扫描病例进行了实验，图6 所示。实验结果表明，该方法在纵向配准的平均误差为0.32cm，即在1 个slice 内，每例平均配准时间为53 秒。

对于大脑图像配准的方法，本文对PET 和CT 大脑成像图像各10 例进行了实验验证，其中头部病变病例各5 例，正常大脑图片各5 例。对于PET 图像，由于其成像特点为功能成像，并且其对病灶显像非常敏感，实验结果表明，PET 图像不适用于大脑图像配准。CT 图像适用于大脑图像的配准，该方法在CT 图像的大脑图像配准实验中，可以实现配准夹角误差在0.034 弧度内，即2 角度内，配准时间在60 秒内。

5 结束语

在本文中，对基于18F-FDG PET/CT 图像的配准方法进行了系统的研究，提出了基于PET/CT 图像的配准方法：大脑PET/CT 成像的图像快速配准方法和基于PET 原图像和延迟扫描图像的快速配准方法。本论文提出的基于PET/CT 成像的图像配准方法可以辅助医生进行图片的分析诊断并且提供有效的辅助诊断信息，是下一步的智能病灶分割及分类的有效基础。