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Evaluierung von Registrierungsstrategien zur multimodalen 3D-Rekonstruktion von Rattenhirnschnitten
(2006)
In dieser Arbeit werden drei Strategien zur 3D Stapelung von multimodalen Schnittbildern vorgestellt. Die Strategien werden experimentell anhand von Dualtracer-Autoradiographien evaluiert. Dazu werden neue Maße zur Beschreibung der Konsistenz innerhalb einer Modalität und der Konsistenz der Modalitäten untereinander entwickelt, die auf bekannten Registrierungsmetriken basieren. Gerade bezüglich der Konsistenz der Modalitäten untereinander zeigen zwei Strategien die besten Resultate: (1) abwechselnde multimodale Registrierung (2) monomodale Rekonstruktion einer Modalität und multimodale 2D Registrierung der zweiten Modalität.
Whole-body PET/CT imaging
(2008)
Aim
Combined whole-body (WB) PET/CT imaging provides better overall co-registration compared to separate CT and PET. However, in clinical routine local PET-CT mis-registration cannot be avoided. Thus, the reconstructed PET tracer distribution may be biased when using the misaligned CT transmission data for CT-based attenuation correction (CT-AC). We investigate the feasibility of retrospective co-registration techniques to align CT and PET images prior to CT-AC, thus improving potentially the quality of combined PET/CT imaging in clinical routine.
Methods
First, using a commercial software registration package CT images were aligned to the uncorrected PET data by rigid and non-rigid registration methods. Co-registration accuracy of both alignment approaches was assessed by reviewing the PET tracer uptake patterns (visual, linked cursor display) following attenuation correction based on the original and co-registered CT. Second, we investigated non-rigid registration based on a prototype ITK implementation of the B-spline algorithm on a similar targeted MR-CT registration task, there showing promising results.
Results
Manual rigid, landmark-based co-registration introduced unacceptable misalignment, in particular in peripheral areas of the whole-body images. Manual, non-rigid landmark-based co-registration prior to CT-AC was successful with minor loco-regional distortions. Nevertheless, neither rigid nor non-rigid automatic co-registration based on the Mutual Information image to image metric succeeded in co-registering the CT and noAC-PET images. In contrast to widely available commercial software registration our implementation of an alternative automated, non-rigid B-spline co-registration technique yielded promising results in this setting with MR-CT data.
Conclusion
In clinical PET/CT imaging, retrospective registration of CT and uncorrected PET images may improve the quality of the AC-PET images. As of today no validated and clinically viable commercial registration software is in routine use. This has triggered our efforts in pursuing new approaches to a validated, non-rigid co-registration algorithm applicable to whole-body PET/CT imaging of which first results are presented here. This approach appears suitable for applications in retrospective WB-PET/CT alignment.
Ziel
Kombinierte PET/CT-Bildgebung ermöglicht verbesserte Koregistrierung von PET- und CT-Daten gegenüber separat akquirierten Bildern. Trotzdem entstehen in der klinischen Anwendung lokale Fehlregistrierungen, die zu Fehlern in der rekonstruierten PET- Tracerverteilung führen können, falls die unregistrierten CT-Daten zur Schwächungskorrektur (AC) der Emissionsdaten verwendet werden. Wir untersuchen daher die Anwendung von Bildregistrierungsalgorithmen vor der CT-basierten AC zur Verbesserung der PET-Aufnahmen.
Methoden
Mittels einer kommerziellen Registrierungssoftware wurden die CT-Daten eines PET/CT- Tomographen durch landmarken- und intensitätsbasierte rigide (starre) und nicht-rigide Registrierungsverfahren räumlich an die unkorrigierten PET-Emissionsdaten angepasst und zur AC verwendet. Zur Bewertung wurden die Tracerverteilungen in den PET-Bildern (vor AC, CT-AC, CT-AC nach Koregistrierung) visuell und mit Hilfe korrelierter Fadenkreuze verglichen. Zusätzlich untersuchten wir die ITK-Implementierung der bekannten B-spline basierten, nicht-rigiden Registrierungsansätze im Hinblick auf ihre Verwendbarkeit für die multimodale PET/CT-Ganzkörperregistrierung.
Ergebnisse
Mittels landmarkenbasierter, nicht-rigider Registrierung konnte die Tracerverteilung in den PET-Daten lokal verbessert werden. Landmarkenbasierte rigide Registrierung führte zu starker Fehlregistrierung in entfernten Körperregionen. Automatische rigide und nicht-rigide Registrierung unter Verwendung der Mutual-Information-Ähnlichkeitsmetrik versagte auf allen verwendeten Datensätzen. Die automatische Registrierung mit B-spline-Funktionen zeigte vielversprechende Resultate in der Anwendung auf einem ähnlich gelagerten CT–MR-Registrierungsproblem.
Fazit
Retrospektive, nicht-rigide Registrierung unkorrigierter PET- und CT-Aufnahmen aus kombinierten Aufnahmensystemen vor der AC kann die Qualität von PET-Aufnahmen im klinischen Einsatz verbessern. Trotzdem steht bis heute im klinischen Alltag keine validierte, automatische Registrierungssoftware zur Verfügung. Wir verfolgen dazu Ansätze für validierte, nicht-rigide Bildregistrierung für den klinischen Einsatz und präsentieren erste Ergebnisse.
Fusion of histology and MRI is frequently demanded in biomedical research to study in vitro tissue properties in an in vivo reference space. Distortions and artifacts caused by cutting and staining of histological slices as well as differences in spatial resolution make even the rigid fusion a difficult task. State-of- the-art methods start with a mono-modal restacking yielding a histological pseudo-3D volume. The 3D information of the MRI reference is considered subsequently. However, consistency of the histology volume and consistency due to the corresponding MRI seem to be diametral goals. Therefore, we propose a novel fusion framework optimizing histology/histology and histology/MRI consistency at the same time finding a balance between both goals. Method - Direct slice-to-slice correspondence even in irregularly-spaced cutting sequences is achieved by registration-based interpolation of the MRI. Introducing a weighted multi-image mutual information metric (WI), adjacent histology and corresponding MRI are taken into account at the same time. Therefore, the reconstruction of the histological volume as well as the fusion with the MRI is done in a single step. Results - Based on two data sets with more than 110 single registrations in all, the results are evaluated quantitatively based on Tanimoto overlap measures and qualitatively showing the fused volumes. In comparison to other multi-image metrics, the reconstruction based on WI is significantly improved. We evaluated different parameter settings with emphasis on the weighting term steering the balance between intra- and inter-modality consistency.
Object
The consistency of parametric registration in multi-temporal magnetic resonance (MR) imaging studies was evaluated.
Materials and methods
Serial MRI scans of adult patients with a brain tumor (glioma) were aligned by parametric registration. The performance of low-order spatial alignment (6/9/12 degrees of freedom) of different 3D serial MR-weighted images is evaluated. A registration protocol for the alignment of all images to one reference coordinate system at baseline is presented. Registration results were evaluated for both, multimodal intra-timepoint and mono-modal multi-temporal registration. The latter case might present a challenge to automatic intensity-based registration algorithms due to ill-defined correspondences. The performance of our algorithm was assessed by testing the inverse registration consistency. Four different similarity measures were evaluated to assess consistency.
Results
Careful visual inspection suggests that images are well aligned, but their consistency may be imperfect. Sub-voxel inconsistency within the brain was found for allsimilarity measures used for parametric multi-temporal registration. T1-weighted images were most reliable for establishing spatial correspondence between different timepoints.
Conclusions
The parametric registration algorithm is feasible for use in this application. The sub-voxel resolution mean displacement error of registration transformations demonstrates that the algorithm converges to an almost identical solution for forward and reverse registration.
Reduktion von Rissartefakten durch nicht-lineare Registrierung in histologischen Schnittbildern
(2009)
In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das Rissartefakte, die in histologischen Rattenhirnschnitten vorkommen können, durch nicht-lineare Registrierung reduziert. Um die Optimierung in der Rissregion zu leiten, wird der Curvature Registrierungsansatz um eine Metrik basierend auf der Segmentierung der Bilder erweitert. Dabei erzielten Registrierungen mit der ausschließlichen Segmentierung des Risses bessere Ergebnisse als Registrierungen mit einer Segmentierung des gesamten Hirnschnitts. Insgesamt zeigt sich eine deutliche Verbesserung in der Rissregion, wobei der verbleibende reduzierte Riss auf die Glattheitsbedingungen des Regularisierers zurückzuführen ist.