（6）Elastix图像配准：可视化配准工具

文章目录

  • 前言
  • 一、配准工具
    • 1.1、基于Elastix的可视化配准工具
      • 1.1.1、elastix-napari：基于napari的Elastix图像配准
      • 1.1.2、SlicerElastix：基于3D slice的Elastix图像配准
      • 1.1.3、BIRDS：基于ImageJ的Elastix双通道图像配准
    • 1.2、基于ITK开发的配准工具
  • 二、可视化工具
    • 2.0、基于ITK开发的可视化工具
    • 2.1、Fiji（适用于科学图像处理和分析）
      • 2.1.1、Fiji - ImageJ：Web应用程序
      • 2.1.2、Fiji - labkit：用于显微镜 2D 或 3D 图像的手动和自动分割
    • 2.2、Imaris（适用于生物学和医学研究）
    • 2.3、Amira（适用于多学科的科学研究）
  • 基础知识
    • 1、光镜（Light Microscope，光学显微镜）
    • 2、电镜（Electron Microscope，电子显微镜）

前言

（1）Elastix图像配准：原理 + 源码（详解）
（2）Elastix图像配准：参数文件（配准精度的关键）
（3）Elastix图像配准：2D图像
（4）Elastix图像配准：3D图像
（5）Elastix图像配准：点集配准（局部区域的精度微调）

一、配准工具

介绍了几款基于ITK + Elastix开发的可视化配准工具，可以当成是界面化的SimpleElastix。

优点：操作简单，使用方便
缺点：
（1）仅支持rigid、affine、bspline三个参数文件
（2）仅支持单次运行一个参数文件 + 支持加载自定义的三个参数文件
（3）仅支持部分参数可调；
（4）图形化显示有内存限制；

1.1、基于Elastix的可视化配准工具

1.1.1、elastix-napari：基于napari的Elastix图像配准

  • 源码下载：elastix-napari
  • 安装
    （1）pip安装：pip install elastix-napari
    （2）打开napari：Plugin + elastix-napari + elastix + transformix

在这里插入图片描述

1.1.2、SlicerElastix：基于3D slice的Elastix图像配准

3D Slicer：一个免费开源的，用于医学图像处理、可视化和数据分析的工具。
官网链接：3D Slicer
配准文档：Registration Documentation

3D Slicer工具的安装教程：
（1）3D Slicer工具下载
（2）启动工具：View + Extensions Manager + Registration category + SlicerElastix + Install
（3）安装后重启：Modules + Registration + General Registration（Elastix）
（4）配准教程（源码下载）：SlicerElastix
在这里插入图片描述

1.1.3、BIRDS：基于ImageJ的Elastix双通道图像配准

期刊论文：《Bi-channel image registration and deep-learning segmentation (BIRDS) for efficient, versatile 3D mapping of mouse brain》
中文翻译：双通道图像配准和深度学习分割 (BIRDS)，用于高效、多功能的小鼠大脑 3D 映射
源码下载：birds_reg
测试图像：YH298.tif + YH285.tif + out.pd

下载BIRDS压缩包，然后将其配置在Fiji中，最后Fiji-Plugin-BIRDS调用。

BIRDS工具的安装教程：
配准文档（BIRDS_plugin）：（1）软件下载 + 环境配置 + 插件安装（2）使用教程
视频教程（哔哩哔哩）：脑区配准 + 细胞计数 + 神经元追踪
（1）脑区配准：与ImageJ软件联动，基于Elastix开发的双通道图像配准。
（2）细胞计数：与Imaris软件联动，对3D图像中的细胞进行半自动计数。
（3）神经元追踪：与Imaris软件联动，对3D图像中的神经元进行半自动分割。
在这里插入图片描述

1.2、基于ITK开发的配准工具

工具简介功能模块配准可视化
MeVisLab可视化、分割和配准工具包的集成ITK and VTK Integration√√
VV：4D Slicer免费开源跨平台图像查看器。专用于图像配准和变形场可视化。√√
ANTs基于ITK的医学图像配准和分割工具√√
Greedy免费开源多平台。基于cpu的快速并行配准工具Your first registration√√

二、可视化工具

2.0、基于ITK开发的可视化工具

工具简介功能模块配准可视化
ITK-SNAP免费开源多平台。交互式3D医学图像查看器和分割工具ITK-SNAP Screenshots❌√
ParaView免费开源多平台。用于科学数据分析的可视化工具。ParaView Documentation❌√
NITRC免费开源多平台。神经影像工具和资源合作实验室预配置了流行的神经影像软件工具。如：AFNI、ANTS、FreeSurfer、FSL等❌√

2.1、Fiji（适用于科学图像处理和分析）

在这里插入图片描述

Fiji 软件下载（免费）：https://fiji.sc/
imageJ 源码下载（免费）：https://github.com/imagej

  • ImageJ：用于处理和分析科学图像的开源软件。
  • Fiji（Fiji is just imageJ）：基于 imageJ 的免费开源图像处理软件。
    • Fiji 基于 Java 编程语言开发的，且允许用户通过 Fiji-Plugins 插件来添加 .jar 以扩展其功能，还提供了与其他科学图像处理软件和库的集成（如：OpenCV、Bio-Formats等）。
    • 特点： 具有广泛的图像处理和分析功能，包括调整对比度、滤波、测量、细胞计数等。拥有大量的插件，可以通过插件扩展功能。
    • 用户群体： 面向科学研究人员和生物医学领域的专业人员。对于需要快速而强大的图像处理的任务非常适用。

2.1.1、Fiji - ImageJ：Web应用程序

Fiji - ImageJ：Web应用程序
在这里插入图片描述

基础功能：

  • Fiji：File + Import + TIFF Virtual Stack（加载大尺寸图像）
  • Fiji：File + Save as + Image Sequence（保存序列图像）
  • Fiji：Image + Stacks + Reslice + Start at（设置不同的角度，重新可视化图像）
  • Fiji：Image + Type（设置图像的数据类型）
  • Fiji：Image + Adjust + Brightness / Contrast（调整图像的亮度 / 对比度）
  • Fiji：Process + Math + Gamma（调整图像的gamma值）
  • Fiji：Process + Noise（添加噪声）
  • Fiji：Process + Subtract Background（去除背景Rolling ball）
  • Fiji：Analyze + Tools + Synchronize Windows + 选择多张图像（同步操作）
  • Fiji：选中图像 + 鼠标右键 + 绘制矩形框 + Duplicat + Range（生成指定范围图像）
  • Fiji：选中图像 + Ctrl + Shift + H（查看3D视图）

2.1.2、Fiji - labkit：用于显微镜 2D 或 3D 图像的手动和自动分割

Fiji - labkit：用于显微镜 2D 或 3D 图像的手动和自动分割
在这里插入图片描述

2.2、Imaris（适用于生物学和医学研究）

定位：专注于图像分析（较少的可调参数）

Imaris官网：https://imaris.oxinst.com/
Imaris官网（免费下载）：【Imaris】 + 【Imaris File Converter】 + 【Imaris Viewer】 + 【Imaris Stitcher】
Imaris官网（视频教学）：https://space.bilibili.com/512602011

  • 类型： Imaris是由Bitplane（Oxford Instruments Company的一部分）开发的商业图像分析软件。
  • 特点： Imaris专注于三维和四维图像分析，尤其在细胞动力学和多通道图像处理方面表现出色。具有直观的用户界面和强大的三维可视化功能。
  • 用户群体： 主要面向生命科学研究和生物医学领域的专业人员，特别是那些需要高级三维图像分析的用户。
  • 商业性： Imaris是商业软件，需要购买许可证。它提供了高级的功能和技术支持。

在这里插入图片描述

2.3、Amira（适用于多学科的科学研究）

定位：跨尺度多模态 + 专注于图像处理（更多的可调参数）

Amira官网（收费）：3d-vis/amira-software/pre-clinical-research.html

  • 类型： Amira是由Thermo Fisher Scientific公司开发的商业可视化和分析软件。
  • 特点： Amira广泛用于科学和工程领域，具有强大的三维和四维图像处理、可视化、建模和分析功能。支持各种不同的图像和数据类型。
  • 用户群体： 面向多个领域的专业用户，包括生命科学、地质学、材料科学等。
  • 商业性： Amira是商业软件，需要购买许可证。它提供了高度可定制的工作流程和专业的支持。

基础知识

显微呈像技术：利用显微镜来观察和记录微小尺度的物体和结构的过程。显微镜是一种重要的工具，能够将细小的样本放大并展示其细节，从而帮助科学家、医生和研究人员更好地理解和研究微观世界。

  • 1米 = 103毫米mm = 106微米μm = 109纳米nm
  • micron 是微米（micrometer）的缩写，符号为（μm）。即1micron = 1μm。

1、光镜（Light Microscope，光学显微镜）

  • 原理：使用可见光来观察样本。光从光源通过样本，然后通过物镜（objective lens）和眼镜（eyepiece）进入观察者的眼睛，形成放大的图像。
  • 分辨率：微米级别，约为0.2微米（μm），限制了它对细小结构的分辨能力。
  • 应用：光镜广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域，用于观察细胞、组织、微生物、晶体等。

2、电镜（Electron Microscope，电子显微镜）

  • 原理：使用电子束来观察样本。通过将电子束聚焦到极小的尺寸并照射到样本上，通过样本的散射和透射产生图像。
  • 分辨率：纳米级别，约为0.1纳米（nm），因此能够观察更小的细节和结构。
  • 应用：电镜广泛应用于生物学、材料科学、纳米科学等领域，用于观察纳米级别的细胞结构、晶体结构、材料纤维等。

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