（通信与信息系统专业论文）图像引导手术系统的研究与开发应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步和生活水平的提高，人类对于健康也越来越重视，疾病仍是 困扰和阻碍健康的主要因素，在信息技术在军事、科技、安全等领域带给人类便 利的同时，人类也越来越意识刮将信息技术应用于医疗的重要性。本文所要研究 的图像引导手术系统就是结合计算机技术、空间定位技术以及图像处理技术为主 的技术在外科手术中的应用。 本文的研究工作结合实际的项目，在对传统的肾结石激光碎石手术的研究的 基础上，提出了一套针对肾结石手术的以超声为图像引导和以光学定位设备 p o l a r i so p t i c a lt r a c k e r ( n d i 公司生产) 为空间定位的手术导航系统，旨在应用 于肾结石手术中并取代传统的激光碎石手术体系。 本文的前半部分的研究主要以理论研究为主，深入的探讨了在本项目中要引 入并改进的技术。本文首先对最常用于外科手术体系的几种成像系统和图像进行 了原理性的分析，旨在为后文将要研究的基于超声的经皮肾穿手术导航系统做铺 垫，然后对手术导航系统的图像分割和图像配准技术进行了研究并做了部分验证 性的实验，最后对手术导航系统中的最为关键的定位模块和空间变换技术进行了 仔细的研究，这部分的内容也是后文的应用重点。 本文的后半部分的研究则立足于实际，提出并设计了一套基于超声的图像引 导手术导航系统。以人体模型替代病人，以实际的实验为基础，将图像分割、图 像配准、空间定位和空间变换技术应用到导航系统中。本手术导航系统的设计思 路是基于前半部分的理论研究，由于磁共振的成像清晰等特点，术前以磁共振图 像为参考进行病理分析和手术方案规划，并以此为基础设计了实际的术前图像读 取和分析的软件，术中以具备实时成像特性的超声为术中的手术图像引导，应用 图像配准技术，将术前的磁共振和术中的超声进行配准，使术前规划的方案在术 中得以对应，由于导航系统中定位模块的空间定位和空间变换技术的应用，手术 中的各种设备和手术器械都能得到定位和空间坐标系的统一，将这些定位数据传 送给图像工作站进行三维空间重建，将手术中的所有坐标系以虚拟的三维图像的 形式进行呈现，实现术中的可视化操作，保证了手术的安全而精确的进行。 关键字：信息技术；手术导航；空间定位；空间变换 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hs o c i a lp r o g r e s sa n di m p r o v e m e n to fl i v i n g s t a n d a r d s ，m o t ea n dm o r e a t t e n t i o na l ep a i dt oh u m a nh e a l t h ，t h ed i s e a s ei s s t i l lam a j o rf a c t o ri nt h ed i s t r e s s a n dh i n d e rh e a l t h y i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yb r i n g sh u m a nc o n v e n i e n c ei nt h em i l i t a r y , t e c h n o l o g i c a l ，s e c u r i t ya n do t h e rf i e l d s ，a n dh u m a nb e i n g sa l ei n c r e a s i n g l ya w a r e o ft h ei m p o r t a n c eo fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi nh e a l t h c a r e s t u d y b a s e do n i m a g e g u i d e ds u r g e r ys y s t e mi nt h i sp a p e ri sac o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s p a c ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n di t sa p p l i c a t i o ni n s u r g e r y t h i sr e s e a r c hw o r k sw i t ha na c t u a lp r o je c to nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lk i d n e y s t o n e sl a s e rl i t h o t r i p s ys u r g e r y , a n dw e p r o p o s e as u r g e r ys u r g i c a ln a v i g a t i o ns y s t e m b a s e do n s p a t i a l l o c a t i o nw i t h o p t i c a lp o s i t i o n i n ge q u i p m e n tp o l a r i so p t i c a l t r a c k e r ( p r o d u c e db yn d ic o r p o r a t i o n ) f o rk i d n e ys t o n es u r g e r yt or e p l a c et h e t r a d i t i o n a ll a s e rl i t h o t r i p s ys u r g e r ya n dk i d n e ys t o n es u r g e r y t h er e s e a r c hi nt h ef i r s th a l fo ft h ea r t i c l ei sm a i n l yt h e o r e t i c a l a n dw ed i s c u s s t e c h n o l o g i e si nt h i sp r o j e c tt h a ta l et oi n t r o d u c e da n di m p r o v e di nd e t a i l f i r s t l y , w e a n a l y z e s e v e r a li m a g i n g s y s t e m s a n d i m a g e sc o m m o m l yu s e d i nm e d i c a l f i e l df o ru l t r a s o u n d - b a s e d p e r c u t a n e o u s n e p h r o l i t h o t o m y t h e n ，t h es u r g i c a l n a v i g a t i o ns y s t e m ，i m a g es e g m e n t a t i o na n di m a g er e g i s t r a t i o nt e c h n i q u e sa les t u d i e d a n dw em a d eal o to f e x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h es u r g i c a ln a v i g a t i o ns y s t e mi nt h em o s t c r i t i c a lp o s i t i o n i n gm o d u l ea n ds p a c et r a n s f o r m a t i o nt e c h n i q u ef o rt h ec a r e f u ls t u d y o ft h ea p p l i e df o c u st h i sp a r to ft h ec o n t e n ti sl a t e r t h es e c o n dh a l fo ft h i sa r t i c l ei sb a s e do na c t u a lp r o j e c t ，w h e r ew ep r o p o s e d a n dd e s i g n e das e to fu l t r a s o u n d b a s e di m a g e - g u i d e ds u r g i c a ln a v i g a t i o ns y s t e m w e a p p l i e di m a g es e g m e n t a t i o n ，i m a g er e g i s t r a t i o n ，s p a t i a lo r i e n t a t i o na n ds p a t i a l t r a n s f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e st ot h en a v i g a t i o n s y s t e mb a s e do np h a n t o m d e s i g n i d e a sf o r t h es u r g i c a ln a v i g a t i o ns y s t e mi sb a s e do nt h em s th a l fo ft h et h e o r e t i c a l r e s e a l c h ，d u et ot h ec l e a r i m a g i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i c r e s o n a n c e ，w e s e tp r e o p e r a t i v em a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e sa sar e f e r e n c e ，a n db a s e do nt h e s e ，w e d e s i g n a na c t u a lp r e o p e r a t i v ei m a g e r e a d i n ga n d a n a l y s i ss o f t w a r e ， s e tr e a l - t i m eu l t r a s o n i ci m a g i n g 嬲i n t r a o p e r a t i v es u r g i c a li m a g e g u i d a n c e w i t h t h ea p p l i c a t i o no fi m a g er e g i s t r a t i o nt e c h n i q u e s ，p r e o p e r a t i v em a g n e t i cr e s o n a n c ea l e i i 武汉理工大学硕士学位论文 r e g i s t r a t e d w i t hi n t r a o p e r a t i v eu l t l l l s o 吼d w i t ht h eu s eo fs p a t i a lo r i e n t a t i o na n d s p a t i a l t r a n s f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nn a v i g a t i o ns y s t e m ，av a r i e t yo fd e v i c e sa n d s u r g i c a li n s t r u m e n t si nt h es u r g e r y c a l lg e tt h ep o s i t i o na n dt h e 眦l i 够o ft i l es p a c e c o o r d i n a t e s ，t h e s ep o s i t i o n i n gd a t at h e nt r a n s m i t t e dt ot h ei m a g ew o r k s t a t i o n f o r r e c o n s t r u c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e ，t h es u r g e r yi n t h e c o o r d i n a t es y s t e m s h o w i n g t h ef o r mo fav i r t u a lt h r e e d i m e n s i o n a l i m a g e s ，a n d i n t r a o p e r a t i v e v i s u a l i z a t i o no p e r a t i o n s ，t oe n s u r et h es a f e t yo fs u r g e r ya n da c c u r a c y k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nt e c l l r l o l o g y ；s u r g i c a ln a v i g a t i o n ：s p a t i a ll o c a t i o n ；s p a t i a l t r a n s f c l l t i i i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 课题来源：中国科学院深圳先进技术研究院医工所医疗机器人中心中国博士 后科学基金项目( n o 2 010 0 4 8 0 4 7 7 ) 病痛和各种意外伤害是阻碍人类健康的两大主要因素，从古至今，人类一直 在与病痛和各类意外伤害做斗争，外科手术是其中最为关键的一个方法，经历了 这么多年的发展，各类外科手术已经相当成熟了，为人类解决了很多病痛，但是 它也有它的局限性，可视度是决定手术效率和成功率的重要因素，传统的外科手 术是借助于内窥镜实现体内部位可视化的，这种低安全性的外科手术为整个手术 过程带来了很多安全隐患，因为医生在很大程度上必须要依靠经验来判断手术部 位的空间位置，这样做往往会造成误差，轻微的误差对病人的危害不大，但严重 的时候可能会造成医疗事故，而且会明显降低手术的效掣。 随着社会信息技术和各种计算机技术的进步，以及在各个领域中的广泛而成 功的应用，而人类对于自己的健康的关注也在与日俱增，信息技术在医疗领域中 的应用似乎也是必然的趋势。在这种形势下，图像引导手术系统应运而生。为了 提高手术导航系统诊断的准确性和治疗的高质量，科研工作者和研究人员在手术 导航系统的各个设备和技术方面进行了改进，随着现代信息技术、精密仪器等相 关技术的发展，手术导航系统的研究也越来越多和越来越先进。手术导航系统作 为计算机辅助手术系统的应用，在治愈效果上，不仅可以很好的满足传统手术治 愈之后不复发等的要求，而且在进行外科手术时，帮助医生将手术器械通过一些 小的创口进入病理组织进行治疗，手术导航系统的这种优点能使外科手术的实施 更加快捷，手术的方案更加安全高效，在手术的可操作性上，也大大降低医生进 行手术的难度。这些改进是传统的外科手术体系所无法达到的，这也是目前亟待 发展手术导航系统的根源所在。正是在目前需求大，无论是病人还是外科医生的 前提下，而图像引导手术系统巨大的潜力及其广阔的市场需求，使得越来越多的 科研人员和企业投精力和资金到导航系统的研究和设备的开发上。相信以后的手 术导航系统会越来越完善和高效。 手术导航系统的设计融合了很多医学成像技术、医学图像分割、医学图像配 准和定位等技术，它可以帮助外科医生在术前进行病理分析和方案规划，使术中 尽可能的高效，这样这类患者就可以享受到更高质量的治疗，而外科医生也无需 武汉理工大学硕士学位论文 过多的考虑手术的安全性等因素。图像引导手术导航系统的导航是通过定位设备 的空间定位数据以三维重建的方式将虚拟描绘的空间模型融合到外科医生在手 术时的真实空间中。手术导航技术能带给外科医生更准确和更直观的手术操作， 精确的对病理部位实施手术。 应用计算机辅助图像引导( c o m p u t e r - a s s i s t e di m a g e g u i d e d ) 技术，外科大 夫在手术之前就能获得手术部位的三维信息，根据病灶部位的清晰的磁共振图像 或者c t 扫描图像，获取病灶部位的基本信息，然后结合图像分割技术，获取完 整的病灶三维信息，来制定术前规划和手术方案 2 1 。比如在肝脏切除手术中，通 过磁共振切片判断需要切除的部分，在三维分割图像中判它的空间位置，然后制 定具体的规划和方案。在手术中，借助于超声( u l t r a s o u n d ) 的实时影像，通过 图像配准技术，将术前的m r 图像和术中实时超声影像融合在一起，这样，依照 于术前规划的方案，我们就能很容易的从术中的超声影像中找到对应的切除点和 路径，通过定位设备( 在本文中，定位设备采用n d i 公司的光学定位设备p o l a r i s o p t i c a lt r a c k e r ) ，实时跟踪手术器械的空间位置信息，来准确的进行判断和引导 手术的进行，尽可能少的动手术刀、尽可能准确的找到全部病理部位并尽可能避 开重要的功能区、神经以及血管选择安全的路径，还能在病灶切除时，对切除边 缘定位，以确认病灶是否切除干净。从而使外科手术创伤减少，手术时间缩短， 手术质量提高。 1 2 国内外研究现状 随着医学图像处理技术的进步和医疗设备的发展，疾病的诊断已越来越向 数字化方向发展。在1 9 8 6 年，美国的r o b e r t s 发明了世界上的第一台手术导航 系统，他设计的思想是将c t 影像和显微镜相结合，将超声诊断技术和空间的定 位技术用于导航系统，这种设计取得了很大的成功，并在临床上得到了应用。在 随后的几年里，瑞典和日本也都发展了各自的手术导航系统。近些年来，手术导 航系统由于其良好的发展前景得到欧美国家和日本等地的重视，他们积极的投 入，研发出各类手术导航系统，并将这些导航系统迅速转化为市场产品，形成了 以手术导航产品为主的医疗器械产业。随着时间的推移，国外开始涌现出了很多 想关的研究机构，其中，作为研究有代表性的科研机构和大学包括麻省理工、汉 堡大学、芬兰大学等，而企业方面，则以通用医疗电子、飞利浦、西门子、美敦 力、b r a i l l l a b ，东芝、柯达等主要的医疗器械产商为主【3 】。 中国已经开始意识到，在医疗条件不够好但是医疗需求量却是极高的中国， 对于医疗方面的科技投入是非常的必要，而且市场前景也是相当之好。虽然在手 术导航方面的研究，我国处于相对落后的状况，这也是由于研究条件和技术的限 2 武汉理工大学硕士学位论文 制。但是我国对这方面的研究却是非常的重视，尤其是在近些年来，在中国涌现 出了一大批投入到手术导航系统的设备和产品的研究上来的科研机构和企业，这 其中，以东南大学，复旦大学等的国内知名的大学和深圳安可公司等等知名企业 为主，都投入了相当大的精力在手术导航系统上。经过很多的努力，也取得了不 小的进展，但是和欧美以及日本的那些先进的手术导航系统和技术相比，仍有很 长的路要走。 图像引导手术系统的发展经历了一系列的改进和变化，从最初的机械臂跟踪 系统发展到了如今的光学跟踪系统。无论是机械臂跟踪系统还是光学定位系统， 它的主要功能都是用来确定目标的空间位置，确定在手术导航系统中的手术器械 和仪器的空间三维坐标。它的定位数据直接会影响到手术导航系统中的图像重建 和分割等功能，它是实现从虚拟图像坐标系到现实空间的转换媒介，它的精度直 接关系到手术导航系统的成败。根据手术导航中采用的跟踪和定位系统的不同， 大致的可以分为机械跟踪法、超声波跟踪法、电磁跟踪法和光学跟踪法四种图像 引导手术系统【5 一，以下以图文结合的方式对这四种手术导航系统进行简单的介 绍。 i ) 机械跟踪法 最开始的机械臂跟踪法是以被动式的机械臂为主来实现定位功能的，而后， 随着定位技术的发展，这种以机械臂为定位的方法逐渐被淘汰。具体的应用如 c a s r - 2 无框架脑立体定向仪的机器人辅助脑外科微创手术导航系统，如图1 1 所示的手术导航系统。 厂霉 缪。； 图1 1c a s r 2 无框架脑立体定向仪 2 ) 超声波跟踪法 武汉理工大学硕士学位论文 基于超声的跟踪法，主要是应用超声波的成像和测量特性应用到手术导航系 统中而产生的。图1 2 为从患者空间到图像空间的超声配准图。 图l 一2 从患者空间到图像空间的超声配准图 3 ) 电磁跟踪法 电磁跟踪法主要是利用电磁场的特性来实现跟踪的，具体的应用有目前比较 流行的用电磁定位设备来实现定位的手术导航系统。 4 ) 光学跟踪法 光学跟踪方法是目前精度最高的跟踪方法。它通过摄像机观察目标，并重建 出目标的空间位置。瑞士b e r n 大学开发的一种基于光学跟踪法的b e m e s e 图像 引导系统【4 1 。 1 3 论文的结构与安排 本文主要研究的是图像引导手术系统，主要是介绍如何将计算机技术、定位 技术、图像处理技术和空间变换技术等应用于外科手术中，以及和传统外科手术 相比所具有的一些优势和改进。本文的大体研究框架分为理论分析和实际方案和 实验两大部分，理论分析部分以实际的项目为依据，分析其中的各项技术细节， 并以实验结合为参考。实际方案和实验部分则是以具体的方案设计和实际的软件 和各种仪器设备为实验依据来具体展示图像引导手术系统的各项特性。具体的研 究内容如下： ( 1 ) 介绍了图像引导手术系统这个课题的研究意义和目的，以及国内外一 些研究成果。 ( 2 ) 从课题和项目本身出发，来实际的对图像引导手术系统中的各项技术 4 武汉理工大学硕士学位论文 细节进行研究，具体技术为导航系统中的图像特性及选用、定位的原理及应用、 图像分割和图像配准技术的探究以及空间变换技术的研究。 ( 3 ) 以具体的项目方案和实验来进行实际的数据分析，通过各种软件及设 备的实验为依据，将实际的图像处理技术、定位技术、空间变换技术等等应用于 析导航系统的术前规划、术中导航及可视化、术中定位和超声标定等过程中，并 在体模上进行了成功的实验。在系统提出并经过实验验证后，对其进行了一定的 误差分析。 ( 4 ) 在进行一些列的原理分析与设计之后，以程序设计的形式进行了实际 的软件设计与系统调试。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章导航系统中关键技术的研究 2 1 导航系统中成像技术的研究与图像选取 2 1 1c t 的图像特性及适应范围 英文全称：c o m p u t e dt o m o g r a p h y 。它是一种三维重建的成像方式，它利用 被测物体对单一轴面的射线穿透的时候，被测物体由于对这种穿透的射线的透过 率和吸收率等特性的差异，对被测物体断层扫面图进行分析并有计算机采集透过 射线来进行重建而获得三维断层影影像的扫描方式。 c t 的成像是先通过x 线束对人体需要扫描的部位进行一定厚度的断层扫描 之后，再由探测器检测并接收到透过该层面的x 线束，通过转换，变为可以直接 识别的可见光之后，再由光电转换设备将其转换变为电信号，最后再由经模拟 数字转换器( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) 变为数字信号，将采集的数字信号进行处 理。而将图像进行处理，如将选定的层面分割为若干相同的长方体，这个长方体 称之为体素( v o x e l ) 。扫描所得的信息经过一定的计算而得到的体素x 线的吸 收系数，再将处理过的信息排成为矩阵的形式，即称之为数字矩阵( d i g i t a l m a t r i x ) ，数字矩阵信息可以存储到硬盘或光盘之中。经数字模拟信号转换器 ( d i g i t a l a n a l o g c o n v e r t e r ) 把数字矩阵中的每个数字信息转换为由黑到白不等的 灰度的小方块，即像素( p i x e l ) ，并按矩阵的形式进行排列，这样就形成了c t 影像。所以，c t 图像是一种重建的图像。上述的每个体素的x 线吸收系数是可 以通过不同的数学方法进行计算的。 临床应用：c t 因为它的特殊成像原理，目前已经在各种医疗诊断中得到广 泛的应用。但c t 也有一些缺点，设备本身比较昂贵，检查所需的费用较高，而 且某些部位的检查，尤其是一些定性诊断，还存在一定的限制，所以c t 检查并 不是通用的常规诊断手段，应在了解其特性和优势的基础上，合理的选用。 2 1 2m 砒图像的特征 m r i 也就是磁共振成像，英文全称是：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g 。 磁共振成像原理：由于原子核带有正电荷，大部分的元素原子核都会进行自 旋运动。一般情况下，原子核的自旋轴的空间分布是没有规律的，但是有外加磁 场时，这种无规律和无序的自旋运动就会变得有序。这样的话，自旋的原子核同 6 武汉理工大学硕士学位论文 时也会以自旋轴的方向和外加磁场的向量方向的空间夹角而绕外加磁场的向量 方向旋进，这种旋进称之为拉莫尔旋进，就像旋转着的陀螺在地球的重力作用下 的转动。自旋系统的磁化矢量将由零逐渐增长直至系统达到平衡时，磁化强度达 到相对的稳定值。如果在此时，原子核自旋系统受到了外界的作用力，如以一定 频率的射频来激发原子核就会引起共振效应。这样，自旋核还会在射频的方向上 旋进，这种叠加的旋进状态称之为章动。在射频脉冲停止运动后，游自旋系统激 化的原子核并不能稳定的维持这种状态，就会回复到磁场中原来的那种排列状 态，同时也会释放出微弱的能量，这些能量转变成电信号，把这些存在的电信号 检出来，并使它们能进行空间分辨，就能得到运动中原子核的空间分布图像。原 子核从激化的状态回复到平衡的状态，这个过程称为弛豫过程。这个过程所需要 的时间称为弛豫时间。弛豫时间分为两种：t l 和1 2 ，t 1 点阵或纵向驰豫时间， t 2 为自旋或横向弛豫时间。 2 1 3 超声图像的特性 超声诊断应用于医疗是医疗领域的一大重大进步，它的成像是基于超声的反 射、在物体中的散射和衰减光学特性以及多普勒效应等特性，利用了物体的物理 性质的差异和不同物理参数来完成成像的。在诊断时，将特定的超声波信号发送 到需要扫描的部位，当它在人体部位内部传播时，由身体各部位的结构和组织的 差异性，利用超声的散射和反射等光学特性，将反射的信号接收到之后，进行一 些波形的处理，就形成超声图像。 2 2 导航系统中定位模块的研究与设计 手术跟踪定位是图像引导手术系统中最重要的一部分，所有的图像引导手术 都需要这中跟踪定位装置，这种设备在手术导航系统中是用于确定手术器械的空 间位置和角度信息和病人病灶位置的。 目前比较成熟的定位设备主要是基于光学定位和电磁定位的设备，本课题在 做实验的时候，对两种设备进行理论的论证是实际的实验对比过，以下是两种设 备的主要特性。 ( 1 ) 光学定位设备 7 武汉理工大学硕士学位论文 暴崎纛! 鬻戆 图2 1 主动式的红外跟踪仪器 图2 1 是主动式的红外定位设备，它是利用会发光的红外二极管，通过它们 发出的光，反馈到装有相机的装置，得到反馈的装置然后计算绑有发光二极管的 仪器和病人的位置，实现空间定位【7 】o 图2 2 被动式的光学定位工具 图2 2 所展示的是被动式的光学定位设备的绑有m a r k e r s ( 具有可反射性的 光学刚性球) 的定位工具，通过空间定位设备t r a c k e r 发射的红外光，m a r k e r s 接 收到红外光之后反射到t r a c k e r 上，来确定手术仪器的空间坐标和角度信息。一 般需要3 个以上的可反射的光学反射球才能确定仪器的位置。 ( 2 ) 电磁学定位设备 电磁学的定位跟踪设备则呈现出另一种类型的空间定位设备，虽然它所采用 的是原理和技术都是很早就有的，但是在目前它仍然是广泛运用于很多导航系 统。最初，这种系统比较容易收到金属的影响，而且，随着使用，它的精度会降 低。但是，近些年来的一些技术上的改进使得一些更小更为精确的感应装置被开 发出来，也在很大程度上减少了金属对它的影响。目前市场上比较成熟的商用电 武汉理工大学硕士学位论文 磁跟踪定位仪器主要是f l j n o r t h e md i g i t a l ，a s c e n s i o nt e c h n o l o g y ( b u r l i n g t o n ， v e r m o n t ) ，和b i o s e n s ew e b s t e r ( d i a m o n db a r , c a l i f o r n i a ) 这几家公司生产的，它们 都是主动式的，在跟踪系统和定位仪器上的感应装置之间必须用电线连接起来。 当然也有被动式的电磁学跟踪定位设备，也有用无线的【8 , 9 1 。 2 3 导航系统中图像分割方法研究 图像分割技术是通过图像信息中的部分特征和特性来将图像分成各自不同 的区域，并利用这些特性来提取图像中需要或者感兴趣的目标区域的过程。像素 的颜色、纹理特性以及灰度值等因素都可以被选做为图像的特性，目标区域也不 仅局限于单个的区域限制，它可以对应多个区域，只要选好图像特征。而目标的 表达、特征值的提取、高层的图像分析和各类参数的测量等工作的进行的都是建 立在正确的对图像进行分割的基础之_ e 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 图像的分割是实现由图像处理的过程到进行图像分析的至关重要的步骤。 目前广泛的应用和成熟的图像分割的方法主要可以分为下面几类：基于边缘的分 割方法、基于区域的分割方法、以及基于一些特定理论的分割方法等。近一些年 来，从事图像处理领域的一些科研人员经过不懈的努力，在改进原有的一些比较 好的图像分割的方法的基础上，并融合其他学科的一些先进的可以引用的好的方 法，应用于图像分割上之后，提出并改进了不少新的、比较实用的图像分割的方 法。以下是一些常用于医学图像分割的方法，前面几种主要的方法都已经在本课 题后面要介绍的经皮肾穿导航系统中应用过，因此在这里重点介绍一下。 ( 1 ) 基于区域的图像分割方法 ( a ) 区域生长 区域生长算法经过实验证实是一个行之有效、适用范围广的图像分割方法 【1 3 】。其算法的特点是将图像分割过程细分为多个顺序连续的小的步骤，而其中 后续的一些分割步骤并不是单独进行的，它需要根据前面的分割过程的结果进行 分析和判定来确定。其算法的基本思路和方法是先找到在被用来分割的对象里的 一个被用来作为种子的区域( 这个区域通常表现为单个的像素点或多个像素点) 的区域里开始，然后再在被选做种子区域的相邻像素点继续检测和寻找与种子像 素的特性相似或者相同的多个像素点，最后，这些重新选出来的多个像素点将和 原来的种子像素点一样进行合并处理，重复这个过程多次，每次都是将这些新选 出来的像素点作为新的种子区域和后面选出来的像素点进行合并操作i l4 。区域 生长算法的性能和效率的关键之处在于：选好开始时的种子区域的像素标准、用 来检测和寻找相邻像素点的联通性类型以及这种相邻的像素点之间的访问方法 和策略等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( b ) 阈值分割 闽值分割方法也是一种在图像处理领域里使用得非常广泛的一种方法，它的 实现过程也很简单，这是它的优点所在，尤其是在不同的图像或物体的像素组成 有非常大的差异时，这种有点体现得更为明显，分割的效果也很理想。但它也有 一些比较明显的缺点，当图像的像素组成或是灰度值的差异不大的时候，这种方 法就不能达到很好的效果。而且，这种分割方法它只考虑像素点自身的灰度值或 其他特性，其图像的其他特性一般都不考虑，这样的话，会很容易受噪声影响 【1 5 。1 6 】 o ( c ) 基于分水岭的分割 基于分水岭的分割方法是对图像的特征使用梯度下降法和沿区域边界分析 弱点( w e a k p o i n t s ) 的方法来将像素分类为不同的区域。这就好比是在一个有水 流动的拓扑结构地形中，水由于重力的原因会流向地势比较低的低洼中。而随着 水的不断流动和增加，势必会淹没点原来的小洼而会自然的溢出向旁边的水洼 中，这样就会形成更大的水洼，而覆盖掉原来的小水洼。这种方法是利用局部的 像素特征或是集合特性来形成区域，在图像处理的领域中会使用一些梯度处理和 边界的一些特征中的局部区域的极值来将小的区域连接起来，形成大的区域【l 。 ( 3 ) 其他应用得比较广泛的图像分割方, 法 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】 聚类法：是一种根据像素灰度来判定的分割方法，先将像素的灰度值按照一 些特定的方法或者规则映射到根据特定的准则划分的几个区域里面，在进行划 分。 基于边缘检测的分割方法：通过检测相邻像素特征值的突变性来获得不同 区域之间的边缘。 基于模糊聚类的医学图像分割：它是一种利用逻辑值来描述的分割方法，其 分割原理是将数学里面的二值逻辑转换成连续的多值逻辑的过程，这种方法的分 割效果比较理想。 基于遗传算法的方法：它是一种相对简单而且可用于并行处理的搜索方法， 具有很好的鲁棒性。它的原理是借助于生物学里面的自然选择原理和种群的遗传 学的原理之上的随机、进化、迭代以及广泛性，采用的策略是非遍历寻优搜索方 法。遗传算法的应用通常都是和他其的算法一起应用的，因为它虽然能较为快速 的进行全局搜索，但是局部搜索的性能较差。 基于小波变换的方法：其原理是利用二进制小波变换的方法，将图像像素的 直方图进行分解，得到一些不同层次的小波系数。再根据特定的分割规则以及得 到的小波系数来选择阂值门限，有大到小进行分解和处理。利用小波变换，可以 把图像中的不一样的结构依据尺度的大小进行划分和提取，并通过有效的控制分 l o 武汉理工大学硕士学位论文 割规则，提取出相应的特征。 基于分形的分割方法：用分形维数这一度量概念来描述自然现象的不规则 程度，分形分割方法的基本思想是任何图像都可以看作是由某种纹理构成，大多 数纹理图像都可以用分形模型进行描述，分形集的特征具有自相似性，属于同一 分形集的像素应该有相同的分形维数。 2 4 图像的配准 如图2 3 中所描述的是图像配准的框架以及配准过程中的因素之间的关系。 配准的过程是通过两幅图片，也就是两个输入的图像数据，其中一个是参考图像 f ( x ) ，而另一个则是待配准的图像m ( x ) 。其中，x 代表的是在n 维空间中的一 个空间的位置坐标。配准的过程可以描述为一个简单的过程：找到一个关系式， 使得待配准的图像数据映射到参考图像数据是最优的。而这个映射关系是也就是 传递函数t ( ) ( ) ，利用传递函数，可以将待配准的图像上的点映射到参考图像上 的点。还有用来评估配准效果的校队机制，公有制的成分s ( m t ) 贝j j 是一种衡量 配准过程的配准程度的机制。这种衡量机制已经形成了在数量上的标准，这种标 准可以被优化器通过寻找被传递的参数定义的空间去达到最优化【2 2 】。 图2 3 配准框架图 配准中最基本的部分是两幅输入图像、一个转换、一个差补器和一个优化器。 图像配准的方式在广义上可以分为相对配准方式和绝对配准两种方式。其中 相对配准的方式是在多个图像中选择一张为配准过程的参考图像，而将其他的相 关的图像和被选为参考图像的图像进行配准，坐标系可以随意选择。绝对配准的 方式则相对严格，它在配准过程中的坐标系的选择不是任意，而是要先定义好一 个规定的控制网格，所有的带配准图像都要对应于它来进行图像配准，也是一个 实现各个分量图像的统一来完成配准过程的坐标系的统一。 ( 1 ) 常用三维图像配准方法 目前，在医疗领域，医学图像配准的方法有很多中，一般可分为前瞻性和回 顾性两种【2 4 】。前瞻性配准方法是通过事先在病人的病灶部位附近固定特定的定 武汉理工大学硕士学位论文 位框架或标志点，配准的时候则是将固定定位框架或标志点之后的图像和固定之 前的图像进行配准。而回顾性的配准算法则不需要像前瞻性的方法中那样进行一 些处理，它主要是通过一些算法来找到待配准图像和参考图像之间的映射关系。 通常来说，前瞻性算法是一种更为实际的方法，也更为准确，但它毕竟会给病人 带来不便和痛苦，而且操作过程比较复杂。回顾性的配准方法的配准精度不好控 制，它所受的条件限制比较多，根据物体或这图像表面的特征点提取的精度相关， 应用面也较为广泛，但是很难控制。 ( 2 ) 常用空间配准方法 在最初的手术导航系统中，实现定位的方法比较单一和麻烦，病人需要在病 灶部位带一个特定的固定框架，这样的话，在进行磁共振或c t 扫描时，通过磁 共振或c t 图像能辨认出固定的框架的空间位置。在实际的手术中，就通过这些 框架和病灶的空间关系，来确立空间变换关系，这样的话，在进行导航的时候， 计算出穿刺针在固定的框架上的空间坐标系中的位置，就可以通过空间变化映射 到磁共振或c t 图像中。但是这种方法有很大的弊端，它需要病人在整个手术过 程中一直带着固定的框架，而且金属框架也比较笨重，对病人的伤害非常之大， 这样反而起不到跟传统外科手术相比的改进的效果，因此，这种方法并不常用， 多以无框架的定位方法来实现定位导航。在无框架的定位方法中，关键的步骤在 于选择内部或外部特征点来实现定位和配准的。外部特征点的方法很容易实现， 只需要在病人的皮肤上或骨组织上贴以用于标记的点即可，这些点在成像的时候 能比较容易的识别出来，在配准的时候，通过标记点的空间位置，来实现配准。 内部特征点的方法相对来说比较复杂，但是精确度却非常高，它需要在病人体内 植入标记点，操作难度较大。 2 5 空间变换技术的研究 2 5 1 空间变换技术的原理及应用 空间变换技术的应用非常广，在本文的手术导航系统中也是一个非常关键的 技术，它是实现手术导航系统中各个空间坐标系统一的关键技术。一方面，它在 空间图像配准技术中的应用，能提供手术导航系统的术中可视化的部分功能，使 术中的超声和术前的磁共振图像能有机的结合起来。而另一方面，由于它的实现 空间坐标系的统一的特性，能将空间中可变的坐标系变换和向世界坐标系转换， 这样就可以实现手术导航系统中的各坐标系的随意移动。随着空间变换技术在手 术导航系统中的不断的应用和改进，在以后的手术导航系统中，空间变换技术一 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 定能越来越多的被广泛应用1 2 引。 空间变换技术，通俗的来说，就是把空间不同的坐标系统之间的空间位置和 空间方向进行一些变换，以实现不同的坐标系之间的统一。最初的手术导航系统 中并没有引入空间变换技术，因为在以前的导航系统中，由于设备的笨重和体积 大等特点，在放置好位置之后，并不能和需要随意的移动，因此各个设备的空间 坐标系相对固定 2 6 。2 7 】。但是，随着手术导航系统不停的发展，各种设备的改进和 小型化之后，对于空间位置的精确性和系统的灵活性都有了越来越高的要求。在 手术导航系统中，医生需要在不断的移动各种仪器和设备的同时，导航系统还能 精确的进行空间位置的定位，因此空间变换技术越来越得到重视和应用。 2 5 2 变换坐标系选取 手术导航系统的空间变换技术主要涉及到三个不同的参考坐标系之间的相 互变换，分别是世界坐标系、定位设备和仪器坐标系和图像工作站中设定的虚拟 图像空间坐标系。 ( 1 ) 世界坐标系 世界坐标系的选择和设定非常重要，因为根据空间空间变换技术，在进行空 间坐标系的统一的过程中，需要一个用来参考的参考坐标系，也就是世界坐标系。 这个坐标系的选取一般是手工设定，在本文的图像引导系统中，我们所选择和设 定的世界坐标系的首要位置是放置在手术台的四个角落里，因为在这四个角落， 位置相对固定，也可以更好的用作其他坐标系的参考，当然选择并不唯一，还要 看具体情况。 ( 2 ) 定位参考坐标系 定位参考坐标系是固定在手术设备和仪器上的空间坐标系，它是用来测量穿 刺针和超声探头等仪器设备的空间坐标系，在本文的手术导航系统中，它是用具 有可反射红外光特性的刚性球( m a r k e r ) 来实现定位的，它和手术器械和设备是 固定在一起的，通过空间定位和空间变换技术，可以将它统一到世界坐标系中。 ( 3 ) 虚拟图像空间坐标系 虚拟图像空间坐标系是图像工作站中建立的虚拟坐标系，它是通过空间定位 数据来虚拟建立的，旨在将现实世界中的空间位置关系反应到虚拟的坐标系中。 这个坐标系除了要显示出经过三维重建的病人病灶三维图像之外，还要能显示外 科医生的手术器械和设备的空间位置和坐标。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章对图像引导手术系统中的几大关键技术进行了研究和讨论，主要涉及到 术前和术中图像的特性和选用依据，介绍了在本文后面的导航系统中要用到的两 种定位设备，并简单介绍了一下各自的特性，在本章后面部分对手术导航系统中 所用到的图像分割、图像配准、定位和空间变换技术进行了研究。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于超声的经皮肾穿导航系统的设计 3 1 系统的整体设计 3 1 1 导航系统的设计总思路 基于之前所研究的一些图像引导手术系统中的一些技术细节，和传统的肾结 石激光碎石的手术的一些实际研究和探讨，我们希望能通过各种医学图像的特 性、医学图像的配准、分割、空间定位技术和空间变换技术等技术来建立一套基 于超声的图像引导手术系统，借此系统来解决一些传统外科手术中的一些安全隐 患，并提高手术的效率。 3 1 2 系统设计框图 我们设计的系统在术中所参照的图像是超声，术前用磁共振扫出清晰的图像 做为手术前的方案规划，再以配准和图像分割以及超声的标定来达到术中的可视 化。 图3 1 经皮肾穿导航系统的整体设计框图 我们设计的经皮肾穿导航系统，从手术过程上来说，主要分为术前、术中和 术后三个大的过程。图3 2 为导航系统的详细过程框图。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 术前 术中 7 了赫 图3 2 手术导航系统详细结构图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 术前图像分析与方案规划设计 3 2 1 病理分析与路径设计 在术前