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专利号: 2020115515237
申请人: 电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于生成对抗网络的2D/3D脊椎CT非刚性配准方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)、获取2D和3D医学图像

获取X射线图像作为配准过程的术中2D参考图像,获取医学3D CT序列作为训练过程的术前3D图像序列;

(2)、搭建生成对抗网络

生成对抗网络包括生成器G和判别器D;

所述生成器G由全连接层网络构成,用于输出相对的形变参数;

生成器G采用3层全连接层结构,具体为:第一层为第一层全连接层,包含12个节点;第二层为第二层全连接层,包含24个节点;第三层为第三层全连接层,包含12个节点;

所述判别器D由卷积神经网络组合而成,输出二分类结果;

卷积神经网络的具体结构为:

第一层为第一卷积层,卷积核大小为3*3*3,输出通道数32,填充方式为same,步长2,输出分辨率为32*32*32;

第二层为第二卷积层,卷积核大小为3*3*3,输出通道数64,填充方式为same,步长2,输出分辨率为16*16*16;

第三层为第三卷积层,卷积核大小为3*3*3,输出通道数128,填充方式为same,步长2,输出分辨率为8*8*8;

第四层为第四卷积层,卷积核大小为3*3*3,输出通道数256,填充方式为same,步长2,输出分辨率为4*4*4;

第五层是全连接层,输出为一个0或1,其中,0代表假,1代表真,激活函数采样sigmoid;

(3)、训练训练生成对抗网络

(3.1)、将随机噪声Z输入至生成器G,输出一个相对形变参数,然后将术前3D图像序列经过相对形变参数的变形,产生形变后的3D图像序列,将其作为负样本序列,将术前3D图像序列作为正样本序列;

(3.2)、将每一组正、负样本一起输入判别器D,通过判别器D判别每个正、负样本中各个关节之间的形变是否符合人体椎骨关节间的约束,如果满足约束,则输出样本标签值1,如果不满足约束,则输出样本标签值0,完成正、负样本的二分类判别;

(3.3)、计算二分类交叉熵LBCE;

其中,yi表示样本i的标签值,Pi表示样本i输出样本标签值为1的概率;

(3.4)、经过多轮训练后,判断二分类交叉熵LBCE是否小于预设阈值,如果小于,则训练结束,得到训练完成的生成对抗网络;否则,继续输入下一组正、负样本,进行下一轮的训练,直至二分类交叉熵LBCE小于预设阈值;

(4)、2D/3D配准

(4.1)、生成配准形变参数;

将随机噪声Z0输入至训练完成的生成对抗网络,通过生成器G生成的相对形变参数T0=(px,py,pz,qx,qy,qz),其中,px表示相对刚体在X轴上的平移参数,py表示在Y轴上的平移参数,pz表示在Z轴上的平移参数,qx表示沿X轴的旋转参数,qy表示沿Y轴的旋转参数,qz表示沿Z轴的旋转参数;

根据经验值设置绝对刚体变换参数初始值R0=(tx,ty,tz,rx,ry,rz),其中,tx表示绝对刚体在X轴上的平移参数,ty表示在Y轴上的平移参数,tz表示在Z轴上的平移参数,rx表示沿X轴的旋转参数,ry表示沿Y轴的旋转参数,rz表示沿Z轴的旋转参数;

将形变参数T0=(px,py,pz,qx,qy,qz)与刚体变换参数R0=(tx,ty,tz,rx,ry,rz)共同构成

2D/3D配准的形变参数T={T0,R0};

(4.2)、利用配准形变参数对术前待配准3D图像进行形变处理,得到形变后的3D图像,然后再通过X射线成像计算模型进行投影,从而生成2D的DRR图像;

(4.3)、将2D的DRR图像作为浮动图像,然后计算浮动图像与术中2D参考图像之间对应像素点的像素差值平方的和,并作为损失值;

(4.4)、判断损失值是否小于预设阈值,如果小于,则迭代停止,得到最优配准形变参数,然后进入步骤(5);否则,重复步骤(4.1)~(4.3),并利用梯度下降算法迭代优化求解,找出一组最优配准形变参数T={T0,R0},然后再进入步骤(5);

(5)、输出术前待配准3D图像经过最优配准形变参数后得到的3D图像,并作为最终的配准结果。