圖像引導(dǎo)HIFU治療中的圖像分割與配準(zhǔn)技術(shù)的研究.pdf

1、近年來(lái)，高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU——HighIntensityFocusedUltrasound)技術(shù)成為腫瘤治療領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。HIFU腫瘤治療技術(shù)利用超聲波特有的深穿透能力、強(qiáng)方向性和可聚焦性，實(shí)現(xiàn)超聲能量在人體內(nèi)部組織的高強(qiáng)度會(huì)聚，短時(shí)間內(nèi)造成病變組織的急性熱損傷而不傷及周圍的正常組織，成為最小損傷治療腫瘤的一種有效方法。HIFU治療手術(shù)的成敗往往取決于是否有完備的手術(shù)前治療計(jì)劃和手術(shù)中腫瘤目標(biāo)的準(zhǔn)確定位系統(tǒng)，這也構(gòu)成了一

2、個(gè)HIFU治療的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。在手術(shù)治療計(jì)劃系統(tǒng)中，需要對(duì)病人的病灶部位及器官進(jìn)行三維CT或MRI圖像掃描，以獲得足夠多的病理和位置信息，還需要對(duì)病灶目標(biāo)和相關(guān)聯(lián)的組織，如血管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割和三維重建。更重要的是需要由醫(yī)生標(biāo)記出腫瘤目標(biāo)的PTV、GTV和CTV輪廓，并制定HIFU焦點(diǎn)的合理治療路徑。在手術(shù)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)的成像設(shè)備來(lái)鎖定病灶目標(biāo)，引導(dǎo)HIFU治療探頭進(jìn)行治療。血管結(jié)構(gòu)的提取需要特殊的圖像分割算法，而圖像配準(zhǔn)技術(shù)就是將手術(shù)前

3、的圖像與手術(shù)中的圖像融合在一起，將手術(shù)前的治療計(jì)劃，目標(biāo)輪廓和治療路徑都映射到治療坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)精確的治療。本研究正是針對(duì)圖像引導(dǎo)HIFU治療中的血管分割技術(shù)和圖像配準(zhǔn)技術(shù)，進(jìn)行了理論研究和算法設(shè)計(jì)。 ●本文研究了一種基于多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)的HIFU治療系統(tǒng)的圖像定位方法。它包括對(duì)手術(shù)前三維CT或MRI圖像中病灶目標(biāo)的分割和血管結(jié)構(gòu)模型的提?。恍g(shù)中超聲圖像進(jìn)行采集，處理和血管結(jié)構(gòu)的提??；以及基于血管結(jié)構(gòu)特征的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像配

4、準(zhǔn)。 ●然后詳細(xì)闡述了基于圖像灰度脊點(diǎn)的血管結(jié)構(gòu)半自動(dòng)分割方法?；诩裹c(diǎn)的血管分割方法，可以快速獲得圖像中的血管結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)軌跡以及各個(gè)中心點(diǎn)位置上的血管半徑估計(jì)，這樣不但可以快速對(duì)血管結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，而且為圖像配準(zhǔn)方法提供了參考的特征點(diǎn)坐標(biāo)。本文研究了快速行進(jìn)的脊點(diǎn)提取方法，在速度和準(zhǔn)確性上與以往脊點(diǎn)分割方法有了進(jìn)一步的提高。 ●在圖像配準(zhǔn)的方法中，我們研究了一種基于術(shù)前和術(shù)中兩種模態(tài)圖像中的血管中心點(diǎn)的解剖特征的配準(zhǔn)方

5、法。這種方法基于經(jīng)典的迭代最近點(diǎn)算法(ICP——IterativeClosestPoint)，將手術(shù)前提取的中心點(diǎn)集與手術(shù)中提取的中心點(diǎn)集進(jìn)行剛性配準(zhǔn)。采用隨機(jī)初始化點(diǎn)來(lái)避免局部最優(yōu)，利用圖像中的不變特征量來(lái)加速收斂。然后在多級(jí)B樣條的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了非剛性的配準(zhǔn)方法的研究。 ●我們還研究了一種基于模型的圖像配準(zhǔn)方法。它利用手術(shù)前三維CT或者M(jìn)RI圖像分割的血管結(jié)構(gòu)模型與手術(shù)中的三維超聲圖像直接配準(zhǔn)，而無(wú)需再對(duì)術(shù)中圖像進(jìn)行特征提取

6、。這種方法簡(jiǎn)化了配準(zhǔn)的過(guò)程，提高了配準(zhǔn)速度，而且在配準(zhǔn)精度上也有一定的提高。為了解決呼吸等運(yùn)動(dòng)對(duì)配準(zhǔn)造成的影響，我們進(jìn)一步采用模式控制的自由變形模型(FFD——FreeFormDeformation)和B樣條的結(jié)合，對(duì)血管結(jié)構(gòu)在手術(shù)治療過(guò)程中所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)及變形進(jìn)行建模。所謂模式控制是指目標(biāo)物體按照某些特定的非線性函數(shù)的控制方式所運(yùn)動(dòng)，這樣就大幅度的減少了運(yùn)動(dòng)模型的自由度參數(shù)。為了提高配準(zhǔn)方法的收斂速度，我們采用遺傳算法和加速梯度算法相結(jié)