[论文解读] An Elastic Image Registration Approach for Wireless Capsule Endoscope Localization

Isabel N. Figueiredo, Carlos Leal+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2015

Gastrointestinal Bleeding Diagnosis and Treatment参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种多尺度弹性图像配准方法，通过建模类似刚性运动和由于蠕动引起的非刚性肠道形变，以提高无线胶囊内镜（WCE）的定位精度。该方法在估计WCE速度、位置和方向方面优于仅使用仿射配准的方法，尤其在弹性形变条件下表现更优，合成测试中平均方向误差低于10⁻³，尺度误差低于10⁻⁵，且在真实WCE视频帧上也表现出更优性能。

ABSTRACT

Wireless Capsule Endoscope (WCE) is an innovative imaging device that permits physicians to examine all the areas of the Gastrointestinal (GI) tract. It is especially important for the small intestine, where traditional invasive endoscopies cannot reach. Although WCE represents an extremely important advance in medical imaging, a major drawback that remains unsolved is the WCE precise location in the human body during its operating time. This is mainly due to the complex physiological environment and the inherent capsule effects during its movement. When an abnormality is detected, in the WCE images, medical doctors do not know precisely where this abnormality is located relative to the intestine and therefore they can not proceed efficiently with the appropriate therapy. The primary objective of the present paper is to give a contribution to WCE localization, using image-based methods. The main focus of this work is on the description of a multiscale elastic image registration approach, its experimental application on WCE videos, and comparison with a multiscale affine registration. The proposed approach includes registrations that capture both rigid-like and non-rigid deformations, due respectively to the rigid-like WCE movement and the elastic deformation of the small intestine originated by the GI peristaltic movement. Under this approach a qualitative information about the WCE speed can be obtained, as well as the WCE location and orientation via projective geometry. The results of the experimental tests with real WCE video frames show the good performance of the proposed approach, when elastic deformations of the small intestine are involved in successive frames, and its superiority with respect to a multiscale affine image registration, which accounts for rigid-like deformations only and discards elastic deformations.

研究动机与目标

• 为解决无线胶囊内镜过程中WCE精确定位的严重缺乏问题，该问题阻碍了准确的诊断与治疗规划。
• 在WCE视频序列中建模胶囊的类似刚性运动以及由蠕动引起的非刚性肠道形变。
• 开发一种基于图像的方法，利用弹性图像配准估计WCE的速度、位置和方向。
• 在形变条件下，比较所提出的弹性配准与多尺度仿射配准在精度和鲁棒性方面的表现。
• 提供一种可靠、计算高效且临床实用的工具，仅通过图像数据实现WCE运动追踪。

提出的方法

• 该方法采用多尺度弹性图像配准框架，捕捉连续WCE帧中类似刚性运动和非刚性形变。
• 首先进行仿射预配准以处理全局刚性运动，随后通过多分辨率方法进行非刚性优化。
• 配准使用归一化互相关（NCC）作为相似性度量，并采用归一化差异度量（NDM）评估配准质量。
• 基于针孔相机模型的投影几何模型用于从变换参数估计WCE的位置和方向。
• 该方法使用合成数据（含旋转和缩放）以及临床数据中的真实WCE视频帧进行验证。
• 该方法与一种仅建模类似刚性运动、忽略弹性形变的多尺度参数化（仿射）配准方法进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 多尺度弹性图像配准方法能否在真实WCE视频序列中准确估计WCE运动，包括类似刚性和非刚性形变？
• RQ2 在弹性肠道形变条件下，弹性配准在WCE位置、方向和速度估计方面的性能与仿射配准相比如何？
• RQ3 归一化差异度量（NDM）与配准精度及WCE定位误差的相关性如何？
• RQ4 所提出的方法能否仅从图像数据可靠估计WCE速度和方向，即使在显著图像旋转和缩放条件下？
• RQ5 该方法在广泛范围的合成变换下是否能保持低尺度和方向估计误差，特别是在极端尺度和旋转角度下？

主要发现

• 所提出的弹性配准在旋转角度达40°时，平均方向误差约为10⁻³，仅在45°时显著增加至10⁻¹，优于先前方法。
• 尺度估计误差在大多数尺度因子下保持在10⁻⁵以下，仅在极端尺度下出现适度增加，表现出强鲁棒性。
• 在同时包含旋转和缩放的合成测试中，方法保持了旋转方向平均绝对误差低于1.74，尺度误差低于10⁻⁵，显示出高精度。
• 在真实WCE视频帧上，该方法通过NDM度量提供了定性上有用的WCE速度估计，且NDM与定位精度高度相关。
• 当存在弹性形变时，弹性配准显著优于仅使用仿射的方法，证实了其在真实WCE成像中的必要性。
• 结果表明，NDM比MEIR更能可靠地指示配准质量，因为较低的NDM值对应更小的定位误差。