聚焦超聲治療系統(tǒng)中的圖像非剛性配準(zhǔn)算法研究及應(yīng)用.pdf

1、聚焦超聲治療技術(shù)作為一種治療腫瘤的新手段在臨床應(yīng)用上已經(jīng)開展了十多年，近來發(fā)展非常迅速，相關(guān)基礎(chǔ)研究、設(shè)備制造和臨床實(shí)踐都已積累了大量經(jīng)驗(yàn)。聚焦超聲治療手術(shù)的效果取決于對(duì)病灶區(qū)域精準(zhǔn)的定位，目前臨床多數(shù)設(shè)備采用B超圖像進(jìn)行引導(dǎo)，療效依賴于臨床操作醫(yī)生的業(yè)務(wù)水平和經(jīng)驗(yàn)，在一定程度上制約了超聲熱療技術(shù)向精準(zhǔn)發(fā)展的步伐。追求精確計(jì)劃、精確定位與精確治療成為提高熱療療效的當(dāng)務(wù)之急。理想的手段是采用磁共振成像(MR)裝置進(jìn)行引導(dǎo)和監(jiān)控，但是相對(duì)于

2、超聲設(shè)備價(jià)格昂貴，并且需要與聚焦超聲治療系統(tǒng)一體化的裝配技術(shù)。因此目前基于手術(shù)中的B超成像設(shè)備尋找簡捷、有效的定位與監(jiān)控方法進(jìn)行精確治療是很現(xiàn)實(shí)也很必要的。在圖像引導(dǎo)放射治療(IGRT)先進(jìn)的定位與監(jiān)控技術(shù)的啟發(fā)下，我們以術(shù)中B超成像為基礎(chǔ)，充分利用術(shù)前采集的CT/MR圖像，研究適用于聚焦超聲治療系統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)手術(shù)的精確定位和監(jiān)控。本研究主要內(nèi)容如下： (1)對(duì)聚焦超聲治療系統(tǒng)的發(fā)展及其定位與監(jiān)控技術(shù)的

3、研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。通過聚焦超聲治療與放射治療系統(tǒng)的定位與監(jiān)控策略的對(duì)比與分析，提出適用于聚焦超聲治療系統(tǒng)的非剛性配準(zhǔn)技術(shù)。在現(xiàn)有B超成像設(shè)備的基礎(chǔ)上，充分利用患者術(shù)前采集的CT/MR圖像，實(shí)現(xiàn)聚焦超聲熱療系統(tǒng)的圖像引導(dǎo)定位和監(jiān)控。指出圖像引導(dǎo)定位的關(guān)鍵是術(shù)前三維CT/MR圖像與術(shù)中超聲圖像的配準(zhǔn)融合，圖像引導(dǎo)監(jiān)控的關(guān)鍵在于術(shù)中二維超聲單模態(tài)圖像間的非剛性配準(zhǔn)。 (2)由于自由形變模型(Free-Form Deformation，

4、FFD)在醫(yī)學(xué)中能夠很好地描述待配準(zhǔn)的三維形變體的局部形變，所以本文對(duì)基于B樣條的FFD和基于像素灰度的互信息測(cè)度進(jìn)行研究和分析。針對(duì)傳統(tǒng)插值方法會(huì)給互信息函數(shù)帶來局部極值的問題，提出將Hanning窗Sinc函數(shù)的逼近函數(shù)作為部分體積(Partial Volume，PV)插值法核函數(shù)的新插值算法(稱為HPV插值)。同時(shí)，基于HPV插值方法導(dǎo)出配準(zhǔn)代價(jià)函數(shù)相對(duì)于FFD模型參數(shù)的梯度計(jì)算解析式。這樣本文以B樣條的FFD為形變模型、互信息函

5、數(shù)和平滑約束函數(shù)的組合為度量準(zhǔn)則、HPV算法為插值方法、最陡梯度下降法為優(yōu)化方法形成一種新的非剛性配準(zhǔn)算法，應(yīng)用于術(shù)前三維CT/MR圖像與術(shù)中超聲圖像的配準(zhǔn)融合。通過在CT與MR圖像上的人工形變和真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新算法抑制局部極值的能力。 (3)由于物理模型能夠很好地保持目標(biāo)形變的拓?fù)鋵傩裕⒛芗s束巨大的配準(zhǔn)解空間，所以本文采用物理模型對(duì)術(shù)中超聲圖像的病灶形變進(jìn)行建模，并對(duì)基于物理模型的醫(yī)學(xué)圖像非剛性配準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。驗(yàn)證了

6、當(dāng)物體的形變是小距離的、線性的，可采用彈性模型進(jìn)行配準(zhǔn)且計(jì)算量較小：當(dāng)物體的形變是大距離的、非線性的，需采用流體模型進(jìn)行配準(zhǔn)，此時(shí)的變換為同質(zhì)變換但計(jì)算比較復(fù)雜。為了提高配準(zhǔn)精度，本文還對(duì)目標(biāo)形狀特征點(diǎn)的提取和尺度不變特征(SIFT)提取方法進(jìn)行了分析，針對(duì)圖像中一些小結(jié)構(gòu)特征，提出一種結(jié)合形狀信息和SIFr方法的流體非剛性配準(zhǔn)算法。為應(yīng)用于超聲單模態(tài)圖像間的配準(zhǔn)，該方法在貝葉斯框架下結(jié)合了灰度差度量準(zhǔn)則、代表目標(biāo)形狀的特征點(diǎn)信息和由S

7、IFT方法提取的局部關(guān)鍵點(diǎn)信息。通過在超聲圖像上與傳統(tǒng)流體配準(zhǔn)算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明其能夠提高配準(zhǔn)的精度。 (4)最后，將基于FFD模型與HPV插值的非剛性配準(zhǔn)算法和結(jié)合形狀信息與SIFT方法的非剛性配準(zhǔn)算法分別應(yīng)用到聚焦超聲治療系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)的定位與監(jiān)控功能。在Microsoft Visual C++平臺(tái)下，結(jié)合VTK和OpenGL等軟件工具包，開發(fā)三視圖等人機(jī)交互界面和對(duì)治療靶區(qū)進(jìn)行三維表面重建，建立定位與監(jiān)控軟件系統(tǒng)。