基于18F-FDG PET/CT圖像的配準方法研究

張瑞 胡文 嚴瑞 鄭凱林

（深圳信息職業技術學院 廣東省深圳市 518055）

1 背景

PET/CT（Positron Emission Tomography /Computed Tomography）全稱為正電子發射斷層顯像 /X 射線計算機體層成像儀，是目前公認的用于確診癌癥及復雜病灶的最有效的方式之一。目前已經有充分的證據說明傳統人工閱片方法對病灶檢測和診斷的缺陷。有必要借助于人工智能技術處理海量圖像數據[1]。對圖像進行快速有效的配準是利用人工智能算法實現智能病灶診斷的基礎。在PET/CT 成像中有兩種情況的配準最為常見：雙時相PET 掃描中的原圖像與延遲掃描圖像的配準，及PET/CT 大腦成像中的傾斜校正配準。

2 雙時相PET/CT掃描配準方法

雙時相18F-FDG PET/CT 顯像，即在注射顯像劑后早期（常規一次顯像時間在注射顯像劑后1h左右）及延時期（注射顯像劑后1.5h或2h 或3h）兩個時相分別進行顯像，計算早期與延時顯像標準攝取值的變化即滯留指數。由于延遲掃描是針對必要的部位進行掃描，兩次掃描時，肢體的位置存在差異；像素分辨率存在差異；被掃描者的姿勢也注定會存在差異。因此先實現對兩種圖像的配準才能利用算法實現對病灶的診斷。本文提出了一種簡單易行的配準算法。首先用線性差值方法實現圖像間的尺度調整；之后再利用重心計算對軸狀面進行配準；再利用最小差值對比法實現原圖像和延遲掃描圖像在冠狀面上的配準。

2.1 從軸狀面上進行原圖像和延遲掃描圖像的配準（橫向）

對延遲掃描圖像進行線性差值調整過尺度后，計算原圖像和和延遲掃描圖像的重心。計算公式如下：

根據兩組圖像的重心差值對延遲掃描圖像在軸狀面上的位置（即橫方向）進行調整。如圖1 所示。此步驟可以使原圖像和掃描圖像在軸狀面上配準[2]。

圖1：PET 原圖與延遲掃描圖像根據重心進行位置調整

圖2：延遲掃描與原圖像在冠狀面即縱方向的位置物理配準

圖3：軸平面（Axial plane）傾斜角β。中圖為CT 圖像，右圖為PET 圖像

2.2 從冠狀面上進行原圖像與延遲掃描圖像的配準（縱向）

將延遲掃描圖像在軸狀面上的位置（即橫方向）進行調整后，就要對延遲掃描圖像在冠狀面（縱向）上參照原掃描進行配準，如圖2 所示。采用兩組圖像的所有像素和的最小差值來進行配準。

3 PET/CT掃描大腦成像配準方法

圖4：冠狀面（Coronal plane）傾斜角α。中圖為CT 圖像，右圖為PET 圖像

圖5：縱向配準實驗結果

圖6：原CT 圖及鏡反CT 圖

對于PET/CT 大腦成像，其病灶確診的重要依據是左右大腦在PET/CT 掃描中對稱性判斷。因此對大腦成像圖片的傾斜矯正是進行病灶確診的基礎。傾斜矯正的本質是大腦原圖與其鏡反圖像的配準。本文提出了一種針對大腦圖像配準的算法。首先提取大腦正中矢狀面面，之后使用遺傳優化算法對大腦原圖和其鏡反圖片基于正中矢狀面進行優化調整，最終得到最優解實現矯正。

3.1 大腦正中矢狀面提取算法設計及實現

主要研究如何將正中矢狀面用數學模型表示出來，以及軸狀面上正中矢狀面與垂線的夾角計算算法和冠狀面上正中矢狀面與垂線的夾角計算算法。夾角示意圖如圖3 和4 所示。

利用大腦圖像進行頭部傾斜校正的關鍵步驟是計算大腦的正中矢狀面。以圖3 和圖4 中的α 和 β 為參數， 利用三維平面坐標系的平面定義將大腦正中矢狀面用數學公式表達。在一個三維的坐標系中，如圖5 所示，如果用f 和π 來代表一個人體頭部圖像和它的對稱面，那么對稱面的方程是可以由下面的式子表示的：

在這個方程中，參數A，B，和 C 是可以用夾角α 和 β 來表示的：

因此，圖像中大腦正中矢狀面可以利用數學形式在算法中表達出來，并以數學公式為基礎計算傾斜夾角。

3.2 優化算法的設計及實現

計算α 和β 夾角就是對大腦圖像f 和它的反射圖像r 基于正中矢狀面進行相似性測量的過程。擬采用normalized sum of the squared intensity difference 作為相似性測量公式：

當μ 值達到最大時，圖像f 和其反射圖像r 的相似度達到最大，那么正中矢狀面也就可以確定。采用最有效的優化方法計算參數α及β 是該步驟的重點和難點。本研究采用遺傳算法計算α 和β 夾角。

4 實驗結果和分析

PET 原圖像與延遲掃描圖像的物理配準包括兩個方面：軸狀面的位置配準（橫向）及冠狀面高度的配準（縱向）。本文對2 例雙時相掃描病例進行了實驗，圖6 所示。實驗結果表明，該方法在縱向配準的平均誤差為0.32cm，即在1 個slice 內，每例平均配準時間為53 秒。

對于大腦圖像配準的方法，本文對PET 和CT 大腦成像圖像各10 例進行了實驗驗證，其中頭部病變病例各5 例，正常大腦圖片各5 例。對于PET 圖像，由于其成像特點為功能成像，并且其對病灶顯像非常敏感，實驗結果表明，PET 圖像不適用于大腦圖像配準。CT 圖像適用于大腦圖像的配準，該方法在CT 圖像的大腦圖像配準實驗中，可以實現配準夾角誤差在0.034 弧度內，即2 角度內，配準時間在60 秒內。

5 結束語

在本文中，對基于18F-FDG PET/CT 圖像的配準方法進行了系統的研究，提出了基于PET/CT 圖像的配準方法：大腦PET/CT 成像的圖像快速配準方法和基于PET 原圖像和延遲掃描圖像的快速配準方法。本論文提出的基于PET/CT 成像的圖像配準方法可以輔助醫生進行圖片的分析診斷并且提供有效的輔助診斷信息，是下一步的智能病灶分割及分類的有效基礎。