近年来,现代大型医疗设备成像技术有了飞速发展,新的成像方法不断涌现。例如,扩散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)技术在磁共振技术的基础上,通过对双极磁场梯度脉冲来对水分子的扩散运动效应进行编码,得到了扩散加权磁共振图像(Diffusion Weighted Image,DWI)。从多个方向(至少6个方向)获取扩散加权图像,得到每一个像素的扩散张量(Diffusion Tensor,DT)的成像过程,称为扩散张量成像。作为一种非标量医学图像,DT图像利用水分子扩散运动的各向异性进行成像,它能够反映活体组织的空间组成信息及病理状态下各组织之间水分子的交换状况。大脑灰质区和白质区的水分子扩散分别表现出显著的各向同性和各向异性,因而DTI技术在显示白质神经纤维和功能束的走行方向以及三维形态等方面具有极大的优越性,从而对研究脑解剖与诊断白质病变具有重要的意义。作为非侵入性的分析大脑内部结构的重要工具,DTI已经在神经生理学、神经解剖学、神经外科学以及浮肿、多发性硬化症和其他一些脑部肿瘤的研究和诊断中发挥了重要的作用。医学图像配准是指对不同时间、不同视场、不同成像模式的两幅或多幅图像进行空间几何变换,以使代表相同解剖结构的体素或像素在空间上能够对应起来。众所周知,标量图像配准是一项成熟的图像处理技术,关于标量图像配准的算法也日臻完善,然而由于张量图像每一个像素都对应于一个二阶张量,数据复杂,使得配准技术在DT图像方面的应用屈指可数。之所以造成这种现象,不仅是由于用于标量图像配准的相似性测度不能简单地直接应用于张量图像配准,更主要的是因为,就张量图像而言,图像数据所包含的方向信息和结构信息,与成像组织的解剖结构密切相连,要确保两者之间的一致性,对张量图像进行空间变换后还必须对每个像素的张量进行必要的空间变换,而这是标量图像配准所不需的。本文介绍了DTI的基本原理、DT及其各向异性测度的定义及计算方法,阐述了DT图像配准方法的分类,重点介绍了张量重定向的原理及方法,分析了近年来扩散张量图像配准的相似性测度和优化方法。DT图像配准是医学图像配准的一个崭新的领域,不能简单的套用常规的标量图像配准方法,本文主要做了以下3个方面的工作:1、实现了从DICOM数据采集到DT及其各向异性测度的计算。2、提出了一种快速DT图像配准方法:基于FA(Fractional Anisotropy)的扩散张量图像配准。虽然DT图像的每一个像素都是一个二阶张量,但是扩散张量的各向异性测度(anisotropy)图像却是标量图像,从而可以借助这些标量图像的配准来实现DT图像的空间变换及图像中每一个像素的张量重定向,从而实现DT图像配准。这种方法计算简单迅速,易于实现,其缺点是未能充分利用张量数据中包含的丰富的方向信息,配准后张量方向信息部分丢失,适用于对计算速度要求较高,而对于精度要求较低的应用。3、提出了一种显式优化张量重定向的DT图像配准方法,此方法充分考虑到张量数据的特点和物理意义,将张量方向信息融入目标函数,通过显式优化张量重定向从而对张量图像进行配准,在求解时变形场时借助于混合优化算法,成功解决了局部极值的困扰。实验结果表明,该算法稳定性良好,在对扩散张量图像进行配准的同时,能有效保持扩散张量主特征方向与纤维走向的一致性,是一种实用的扩散张量图像配准方法。