基于繼承PSO算法的動(dòng)態(tài)腦磁共振圖像配準(zhǔn)

阮定良，楊 凡，高乙文，謝 薇，張 波

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030；2.中國(guó)移動(dòng)重慶分公司，重慶400044）

基于繼承PSO算法的動(dòng)態(tài)腦磁共振圖像配準(zhǔn)

阮定良1，楊 凡1，高乙文2，謝 薇1，張 波1

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030；2.中國(guó)移動(dòng)重慶分公司，重慶400044）

提出了一種用于動(dòng)態(tài)圖像配準(zhǔn)的混合角點(diǎn)繼承PSO算法。該方法采用混合角點(diǎn)檢測(cè)算子來(lái)提取角點(diǎn)，并將繼承最優(yōu)種群的思想引入到PSO優(yōu)化算法中，即對(duì)當(dāng)前圖像配準(zhǔn)得到的最優(yōu)種群進(jìn)行動(dòng)態(tài)繼承與變化后，再用于指導(dǎo)后續(xù)圖像的配準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明：所提出的算法不僅克服了傳統(tǒng)的隨機(jī)重啟方式的腦磁共振圖像配準(zhǔn)算法中隨機(jī)設(shè)定參數(shù)導(dǎo)致配準(zhǔn)速度慢的問(wèn)題，而且提高了圖像的配準(zhǔn)精度和穩(wěn)定性。

腦核磁共振圖像；角點(diǎn)檢測(cè)；粒子群優(yōu)化算法；配準(zhǔn)

1 引 言

在如今的醫(yī)學(xué)診斷中，通常需要同時(shí)參照兩幅或更多的醫(yī)學(xué)圖像，從中提取需要的信息來(lái)進(jìn)行比較分析從而掌握病情。然而，成像位置以及成像時(shí)間的不同，使得醫(yī)學(xué)圖像在形狀和位置上存在差異，從而影響診斷結(jié)果，于是利用多幅圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像配準(zhǔn)就成為了較為有效的解決方案。

2 算法研究

傳統(tǒng)的基于隨機(jī)重啟方式的動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)，在每一幅待配準(zhǔn)圖像經(jīng)過(guò)角點(diǎn)提取、角點(diǎn)匹配點(diǎn)對(duì)的篩選之后，都會(huì)先隨機(jī)初始化PSO（粒子群優(yōu)化算法）的初始種群即初始化種群中粒子的位置x（0）和速度v（0）。

其中c1、c2為學(xué)習(xí)因子，通常c1＝c2＝2；r1，r2為介于［0，1］間的隨機(jī)數(shù)；pbest為個(gè)粒子歷史最好位置；gbest為群體歷史最好位置；w為慣性權(quán)重［1-2］。經(jīng)過(guò)迭代后，搜索變換參數(shù)使得參考圖像中的角點(diǎn)與待配準(zhǔn)圖像上的對(duì)應(yīng)角點(diǎn)經(jīng)過(guò)變換后的歐氏距離之和最小。該方法通常能取得較高的配準(zhǔn)精度，但速度相對(duì)較慢，同時(shí)配準(zhǔn)穩(wěn)定性較差［3，6-7］。

為了優(yōu)化PSO的初始種群中粒子的位置和速度，改進(jìn)的算法用“混合角點(diǎn)檢測(cè)”優(yōu)選Harris、SUSAN的混合角點(diǎn)集，保證了較高的配置精度［4-5］。

為了克服傳統(tǒng)算法配準(zhǔn)速度慢、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，提出“繼承PSO動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)”的思想，即將上一幅圖像變換參數(shù)搜索的最后一代種群作為下一幅圖像變換參數(shù)搜索的初始種群。提出的基于混合角點(diǎn)繼承PSO算法的動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)算法流程如圖1所示。

圖1 基于混合角點(diǎn)繼承PSO算法的動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)算法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

以圖2（a）為參考圖像，在規(guī)定范圍內(nèi)隨機(jī)做20組空間變換得到20幅待配準(zhǔn)圖像中的5幅圖像。

設(shè)置最大迭代次數(shù)為200，種群規(guī)模為80，空間搜索范圍tx，ty，X，Y，θ∈［-10，10］，慣性權(quán)重為w1＝0.9、w2＝0.4，學(xué)習(xí)因子c1＝c2＝2。

分別用兩種方法對(duì)參考圖像做配準(zhǔn)，每幅圖像重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次。兩種方法的配準(zhǔn)結(jié)果見圖2（b）、（c）。表1中，基于混合角點(diǎn)的隨機(jī)重啟方式PSO方法稱為“傳統(tǒng)算法”；提出的基于混合角點(diǎn)繼承PSO算法稱為“改進(jìn)算法”；MI、NMI分別表示最大互信息和歸一化互信息；T代表配準(zhǔn)時(shí)間；mean、std表示平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。基于“傳統(tǒng)算法”得到的1次縱向平移量與真實(shí)值最接近；基于“改進(jìn)算法”得到5次橫向平移量與真實(shí)值最接近；4次縱向平移量與真實(shí)值最接近；5次旋轉(zhuǎn)量θ′與真實(shí)值最接近；5次互信息平均值和歸一化互信息平均值最大。

圖2 兩種算法配準(zhǔn)的圖像對(duì)比

由以上統(tǒng)計(jì)可知，本算法有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）配準(zhǔn)精度高基于“改進(jìn)算法”的5幅腦磁共振圖像動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)中均獲得互信息平均值和歸一化互信息平均值最大值，同時(shí)該算法的搜索參數(shù)與真實(shí)最接近的次數(shù)最多，于是“改進(jìn)算法”得到的搜索參數(shù)與變換真實(shí)值最接近，所以配準(zhǔn)精度最高。

（2）配準(zhǔn)速度快 由于“改進(jìn)算法”在每一幅圖像（除去第一幅圖像）配準(zhǔn)時(shí)都繼承了前一幅圖像的優(yōu)秀種群，從而縮短了其搜索最優(yōu)參數(shù)的時(shí)間，所以配準(zhǔn)速度也優(yōu)于傳統(tǒng)算法。

（3）配準(zhǔn)的穩(wěn)定性好對(duì)待不同的待配準(zhǔn)圖像，“改進(jìn)算法”獲得的互信息值和歸一化互信息值始終最高，說(shuō)明“改進(jìn)算法”配準(zhǔn)精度很穩(wěn)定。

表1 兩種配準(zhǔn)方式下動(dòng)態(tài)圖像配準(zhǔn)效果的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

“改進(jìn)算法”是對(duì)混合角點(diǎn)繼承PSO動(dòng)態(tài)腦核磁共振圖像配準(zhǔn)的深入研究。首先通過(guò)Harris、SUSAN混合角點(diǎn)檢測(cè)算法篩選混合角點(diǎn)集合，并通過(guò)粗匹配和精匹配獲得參考圖像和待配準(zhǔn)圖像間的角點(diǎn)匹配關(guān)系，最后將繼承最優(yōu)種群的思想引入到PSO優(yōu)化算法中搜索最優(yōu)變換參數(shù)，得到最終的配準(zhǔn)圖像。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出：提出的新算法較傳統(tǒng)算法具有配準(zhǔn)精度高、配準(zhǔn)速度快、配準(zhǔn)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

［1］陳寶林.最優(yōu)化理論與算法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1989.

［2］李勇明，高乙文，盧柳伊，等.混合角點(diǎn)檢測(cè)算法用于腦磁共振圖像配準(zhǔn)［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2012（2）：47-50.

［3］Harris C，Stephens M.A combined corner and edge detector［J］.Proceedings of the 4th Alvey Vision Conference，1988：147-151.

［4］Smith SM，Brady JM.SUSAN-a new approach to low level image processing［J］.Intemational Journal of Computer Vision，1997，23（1）：45-78.

［5］梁楓，王平.基于角點(diǎn)特征的高精度圖像配準(zhǔn)算法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24（2）：87-94.

［6］劉貴喜，劉冬梅，劉鳳鵬，周亞平.一種穩(wěn)健的特征點(diǎn)配準(zhǔn)算法［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：454-461.

［7］高乙文.基于混合角點(diǎn)檢測(cè)的腦磁共振圖像配準(zhǔn)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

Dynam ic Brain Magnetic Resonance Image Registration Based on Adopted PSO Algorithm

RUAN Ding-liang1，YANG Fan1，GAO Yi-wen2，XIEWei1，ZHANG Bo1
（1.Chongqing Jinmei Communication Co.，Ltd.，Chongqing 400030，China；2.China Mobile Communication Corporation Chongqing Branch，Chongqing 400044，China）

An algorithm，based on hybrid corner adopted PSO algorithm，is proposed in this paper to achieve dynamic image registration.Itextracts cornerswith amixed corner detection factor and introduces the idea of inheriting the best population to PSO algorithm，i.e.inheriting and changing the best population from current image registered，and then uses it to guide subsequent image registering.The experimental results show that the new method overcomes the disadvantage of long computing time when registering many images continuously caused by the parameter generated randomly by the traditional manner and improves the registration accuracy and stability.

Brain magnetic resonance image；Corner detection；PSO；Registration

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.019

TP391.41

：A

：1002-2279（2014）01-0070-03

阮定良（1971-），男，重慶人，碩士，高級(jí)工程師，主研方向：數(shù)字信號(hào)處理，智能計(jì)算。

2013-06-19