Image Processing and Analysis_15_Image Registration：A survey of medical image registration——1998...

此主要讨論圖像處理與分析。雖然計算機視覺部分的有些内容比如特 征提取等也可以歸結到圖像分析中來，但鑒于它們與計算機視覺的緊密聯系，以 及它們的出處，沒有把它們納入到圖像處理與分析中來。同樣，這裡面也有一些 也可以劃歸到計算機視覺中去。這都不重要，隻要知道有這麼個方法，能為自己 所用，或者從中得到靈感，這就夠了。

注意：Registration可翻譯為“配準”或“比對”，一般是圖像配準，特征比對（特征點比對）。

15. Image Registration圖像配準最早的應用在醫學圖像上，在圖像融合之前需要對圖像進行配準。在現在的計算機視覺中，配準也是一個需要了解的概念，比如跟蹤，拼接等。在KLT中，也會涉及到配準。這裡主要是綜述文獻。

[1998 MIA] Image matching as a diffusion process

[1992 PAMI] A Method for Registration of 3-D shapes

[1992] a survey of image registration techniques

[1996 MIA] Multi-modal volume registration by maximization of mutual information

[1997 IJCV] Alignment by Maximization of Mutual Information

[1998 MIA] A survey of medical image registration

[2003 IVC] Image registration methods a survey

[2003 TMI] Mutual-Information-Based Registration of Medical Survey

[2011 TIP] Hairis registration

翻譯

醫學圖像配準調查

作者：J. B. Antoine Maintz and Max A. Viergever

摘要 -本文的目的是介紹有關醫學圖像配準技術的最新出版物（于1993年或更晚出版）的調查。 這些出版物将根據基于九個顯着标準的模型進行分類，其主要二分法是外在方法與内在方法。 分類的統計資料顯示了不斷發展的注冊技術的明确趨勢，将對此進行讨論。 目前，大量有趣的内在方法是基于分割的點或曲面，還是基于試圖使用所涉及圖像的全部資訊内容的技術。

關鍵字：比對，注冊

1.引言

在目前的臨床環境中，醫學成像是大量應用程式的重要組成部分。這種應用發生在整個事件的臨床過程中。不僅在診斷範圍内，而且在計劃，執行和評估手術及放射治療程式方面也很突出。所采用的成像方式可以分為兩大類：解剖型和功能型。解剖學模式（即主要描述形态）包括X射線，CT（計算機斷層掃描a），MRI（磁共振成像b），US（超聲c），通過各種導管“顯微鏡”獲得的門圖像和視訊序列，例如通過腹腔鏡或喉鏡檢查。一些傑出的衍生技術與原始模态脫節，以單獨的名稱出現，例如MRA（磁共振血管造影），DSA（數字減影血管造影，源自X射線），CTA（計算機斷層攝影血管造影）和多普勒（源自美國，指所測得的多普勒效應）。功能模式（即主要描述有關基礎解剖結構的代謝的資訊）包括（平面）閃爍顯像，SPECT（單光子發射計算機斷層掃描d），PET（正電子發射斷層掃描e），它們共同構成了核醫學成像模式和fMR1（功能性MRI）。稍加想象，諸如EEG（腦電圖）和MEG（磁腦圖）之類的空間稀疏技術也可以稱為功能成像技術。可以命名更多的功能模式，但這些功能模式要麼很少使用，要麼仍處于臨床前研究階段，例如pMR1（灌注MRI），fCT（功能性CT），EIT（電抗斷層掃描）和MRE（磁共振彈性成像）。

由于從臨床事件軌迹中擷取的兩個圖像中獲得的資訊通常具有互補性，是以通常需要對從單獨的圖像中擷取的有用資料進行适當的整合。內建過程的第一步是将涉及的模式進行空間對齊，此過程稱為配準。注冊後，需要融合步驟以內建顯示所涉及的資料。不幸的是，術語“注冊和融合”以及比對，整合，相關和其他術語在文獻中是多義地出現，指的是一個步驟或整個模态整合過程。在本文中，将僅使用上述定義的配準和融合定義。

在癫痫手術領域可以找到使用不同方式進行注冊的一個突出例子。患者可能會接受各種MR，CT和DSA研究，以提供解剖學參考；發作和發作之間（發作期間和發作之間）SPECT研究； MEG和顱外和/或顱内（硬膜下或深度）腦電圖，以及“ FDG和/或” CFlumazenil PET研究。幾乎任何組合的圖像配準都會使外科醫生受益。第二個示例涉及放射治療，其中可以同時使用CT和MR。需要前者來精确地計算輻射劑量，而後者通常更适合于惡性良性腫瘤組織的描繪。

除了多模式注冊外，單模式注冊中還存在重要的應用領域。執行個體包括通過比較幹預前後的圖像，比較眼部和眼間SPECT圖像以及生長監測（例如生長）來進行治療驗證。在惡性良性腫瘤上使用MR掃描的時間序列，或在特定骨骼上使用X射線時間序列。由于這些圖像之間的高度相似性，通常比多模态應用程式更容易解決配準問題。

本文旨在提供有關醫學圖像配準的最新文獻綜述。由于可利用的論文數量巨大，所提供的材料必然被嚴格壓縮，除了一些有趣的“經典”案例外，1993年之前沒有論文被引用。關于1993年之前的出版物，我們請讀者閱讀van den Elsen等人的論文。 （1993）和Maurer and Fitzpatrick（1993）。據我們所知，除計算機輔助手術領域外，沒有更晚的完整綜述論文（Lavallee，1996）。但是，以這種方式縮小可用出版物的範圍并不妨礙我們實作我們的主要目标，這是對目前醫學圖像配準方法進行全面描述。

2.注冊方法的分類

本文使用的注冊方法分類基于van den Elsen等人（1993）制定的标準。提出了一個大大增強和詳細的版本。使用了九個基本标準，每個标準又細分為一個或兩個級别。九個标準和主要細分為：

I.次元

II. 登記依據的性質

a.外在

b. 固有

c. 非基于圖像

III. 轉型的本質

a. 剛硬

b. 仿射

c. 射影的

d.  彎曲

IV.轉型領域

V. 互動

VI.優化程式

VII. 涉及的方式

a. 單峰的

b.多式聯運

c.模組化方式

d.病人到模态

VIII. 主體

a.主體内

b.主體間

c.地圖集

IX. 客體

注冊過程始終可以分解為三個主要部分：問題陳述，注冊範例和優化過程。問題陳述以及對範式和優化程式的選擇共同根據所提到的九個标準提供了唯一的分類。盡管各部分和标準互相交織并且有許多交叉影響，但是可以說，問題陳述根據标準VII，VIII和IX确定分類，并且直接影響标準I和III。範式最直接影響标準II，III，IV和V，而優化過程則影響标準V和控制VI。記住三個支柱是互相獨立的，這通常是有幫助的，因為許多論文并未如此描述它們，而是經常以複合方式介紹問題陳述，範式和優化過程。

在以下各節中，我們将更詳細地讨論單獨的條件。

3. 尺寸

Ⅰ.次元

  a.僅空間尺寸：

    1. 2-D-2-D

    2. 2-D-3-D

    3. 3-D-3-D

  b.具有空間次元的時間序列（兩個以上的圖像）：

    1. 2-D-2-D

    2. 2-D-3-D

    3. 3-D-3-D

3.1 空間配準方法

這裡主要的劃分是所有次元都是空間次元，還是時間是附加次元。無論哪種情況，都可以根據所涉及的空間次元的數量對問題進行進一步分類。目前大多數論文都集中在兩個圖像的3-D-3-D配準上（不涉及時間）。 3-D-3-D配準通常适用于兩個斷層掃描資料集的配準，或單個斷層圖像對任何空間定義資訊的配準，例如從EEG資料獲得的向量。 2-D-2-D配準可應用于斷層掃描資料或固有的2-D圖像（例如門戶圖像）中的單獨切片。與3-D-3-D配準相比，在涉及參數數量和資料量方面，2-D-2-D配準的複雜度要低得多，是以在許多情況下獲得配準比在3-D-3-D情況下。我們保留2-D-3-D配準，以将空間資料直接對準投影資料（例如，術前CT圖像到術中X射線圖像），或将單個斷層攝影切片與空間資料對準。一些應用程式将多個2-D投影圖像注冊到3-D圖像，但是由于通常的預處理步驟是從2-D投影圖像構造3-D圖像，是以此類應用程式最好分類為3-D-3- D應用程式。由于大多數2-D-3-D應用程式都涉及手術室中的術中手術，是以它們受到時間的限制很大，是以非常重視與範例計算和優化有關的速度問題。手術室和放射治療設定以外的大多數應用程式都可以進行離線注冊，是以僅需解決臨床正常問題即可解決速度問題。

3.2時間序列的注冊