（通信与信息系统专业论文）立体定向手术计划系统软件的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着计算机和医学影像技术的传播和发展，立体定向手术在国内很多医院 都能做，这类的医疗器械我国也能生产，但是与之配套的软件却多数来自国外， 因此研究和开发具有我国自主知识产权的医学算法平台和配套软件显得尤为迫 切。而在立体定向手术领域，结构图像、功能图像、脑图谱、纤维束成像等多 模态图像的配准和融合是一种重要的发展趋势。 本系统主要由图像显示、图像控制和数据管理三大模块组成。其中，图像 显示模块包括图像预处理、二维图像显示、三维图像重建等；图像控制模块包 括图像的层次选择、二维图像的缩放、三维图像的平移和旋转等；数据管理模 块包括扫描图像的存储和装入、d i c o m 图像的格式转换、计划图像的保存和打 印等。本系统所包含的两大关键技术为手术空间和图像空间的自动配准和脑图 谱和功能图像的配准和融合。 文章的主要内容是数据和图像的预处理、图像的空间配准、脑图谱的配准 和融合以及图像的三维重建。该系统的主要创新点为两个方面：实现了手术 空间和图像空间的自动配准；实现t a l a i r a c h 脑图谱和m 鼬图像的配准和融合。 基于以上的研究和分析，我们用v c + + 和o p e n o l 编写一个手术计划系统，实现 了上面提及的所有功能，并对改进的空间配准方法用实验进行了验证，实验结 果表明我们提出的方法能够提高靶点的计算精度和速度。 关键字：立体定向手术；空间配准；脑图谱；三维重建 l i a b s t r a c t a b s t r a c t w 池t h ep r o p a g a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm e d c i a li m a g i n g t e c h n o l o g y ，s t e r e o t a c t i cs u r g e r yc a nb ed o n ei nm a n yh o s p i t a l si no u rc o u n t r ya n d t h i st y p eo fm e d i c a le q u i p m e n t sa r ea l s oa b l et ob ep r o d u c e di nc h i n a h o w e r e r ，m o s t o ft h es u p p o r t i n gs o f t w a r ei sf r o ma b r o a d r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm e d i c a l a l g o r i t h m sp l a t f o r m sa n ds u p p o r t i n gs o f t w a r ew i t l lo u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t si sp a r t i c u l a r l yu r g e n t i nt h ef i e l do fs t e r e o t a c t i cs u r g e r y ，m u l t i - m o d a li m a g e r e g i s t r a t i o na n df u s i o n s u c ha ss t r u c t u r a l i m a g e s ，f u n c t i o n a li m a g e s ，b r a i na t l a s ， t r a c t o g r a p h yi sa l li m p o r t a n tt r e n d t h es y s t e mm a i n l yc o n t a i n st h r e em o d u l e s ，w h i c ha r ei m a g ed i s p l a y ，i m a g e c o n t r o la n dd a t am a n a g e m e n t i m a g ed i s p l a ym o d u l ei n c l u d e si m a g ep r e - p r o c e s s i n g ， t w o - d i m e n s i o n a li m a g ed i s p l a y ，t h r e e d i m e n s i o n a li m a g er e c o n s t r u c t i o n , e t c a n d i m a g ec o n t r o lm o d u l ei n c l u d e sc h o i c eo fi m a g el e v e l ，t w o - d i m e n s i o n a li m a g es c a l i n g ， t r a n s l a t i o na n dr o t a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e ，e t c m e a n w h i l e ，d a t am a n a g e m e n t m o d u l ei n c l u d e ss t o r a g ea n dl o a d i n go fs c a n n i n gi m a g e ，f o r m a tc o n v e r s i o no f d i c o mi m a g ea n dp r e s e r v a t i o na n dp r i n t i n go ft h ep l a n e di m a g e t h es y s t e m c o n t a i n st h r e ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c ha r ea u t o m a t i cr e g i s t r a t i o no fs u r g i c a ls p a c ea n d i m a g es p a c ea n dr e g i s t r a t i o na n d f u s i o no fb r a i na t l a sa n df u n c t i o n a li m a g e t h ep a p e rc o m p r i s e sd a t aa n di m a g ep r e p m c e s s i n g ，t h es p a t i a lr e g i s t r a t i o no f t h ei m a g e ，b r a i na t l a sr e g i s t r a t i o na n df u s i o n , a sw e l la st h et h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e r e c o n s t r u c t i o n t h ep r i n c i p a li n n o v a t i o n o ft h es y s t e mc o n t a i n st w oa s p e c t so f a u t o m a t i cr e g i s t r a t i o no ft h es u r g i c a ls p a c ea n di m a g es p a c ea sw e l la sr e g i s t r a t i o n a n df u s i o no ft a l a i r a c hb r a i na t l a sa n dm f u n c t i o n a li m a g e b a s e do nt h er e s e a r c h a n da n a l y s i sa b o v e ，w ed e s i g n e das u r g i c a lp l a n n i n gs y s t e mw i t hv c + + a n do p e n g l t or e a l i z ea l lo ft h ef e a t u r e sm e n t i o n e da b o v ea n dt h ei m p r o v e dm e t h o do fs p a c e r e g i s t r a t i o nh a db e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h e n e wm e t h o dc a ni m p r o v et h ec a l c u l a t i o na c c u r a c ya n ds p e e do ft a r g e t s k e yw o r d s ：s t e r e o t a c t i cs u r g e r y ；s p a c er e g i s t r a t i o n ；b r a i na t l a s ；3 dr e c o n s t r u c t i o n i i i 擘位论文独翎性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得照昌太堂藏其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 教 签字日期： 矽| 矿年 1 月 l ，e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解煎昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权煎墨太堂可潋将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫接等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密盾适用本授权书) 学位做作者签名( 徇：蠹， 蕊吸 签字日期：7 , o 1 年f 月ii 固 第 搴绪论 第1 章绪论 量1 课题来源 课题属于深圳职业技术学院科技发展基金重点项目。 1 2 课题研究的目的和必要性 1 2 1 研究目的和意义 立体定向技术是利用空间一点的立体定位原理，求出脑内某一解剖坐标和 病症在颅腔内的位置，再用立体定向仪将专用的医疗器械达到目标点，对该结 构或病症部位进行外科处理，进行生理研究、诊断或治疗脑部疾病。与立体定 目仪配套的是立体定向手术计划系统，该系统以c t 或m r i 等图像作为源图像， 经过影像学处理后，比如重要部位分割，加载脑图谱，或者将纤维柬成像、脑 壶管造影和解剖图像融合，再设计不同手术路径，并对霹时的视图反馈信息进 行研究。它还可提供脑内任何靶点的体积和结构的术前演示，计划并且评估不 同的手术入路，便于乡 科医生选择最佳路径，有助于提高临床效果。 随着改革开放的深化和综合豳力的不断提高，我国进豳了越来越多的高精 密的医疗设备，然而，国内一般使用的都是国外公司随机器附带的软件，这使 得我该技术领域的研发速度很缓慢 l 。露前以硬件设备为主的医疗器械都必须配 套相应的计算机软件，软件成本和开支将逐步超过硬件。虽然目前我国也逐步 具备了医疗器械的生产熊力，餐是高质量的配套软件仍然相当缺乏。研究和开 发具有我国自主知识产权的高质量医学影像软件，对促进我因医学科学研究和 高档医疗仪器设备生产，具有重大意义。本课题具体的意义为以下几个方面： ( 1 ) 解决当前国内自主开发的计划软件中脑图谱加载方面没有实现或者实 现效果不佳的问题； ( 2 ) 有助于改善我国计算机辅助立体定向手术系统中关键技术和总体设计 方案研究较少的现状。 立体定向手术计划系统软件可以：提供立体直观的藕入瘸送图像，使医 生可以对病情有更全面的了解；提供精确的测量工具，使医生对手术中将要 第1 章绪论 利用的绌节掌握得更加准确；提供手术路径规划工具及手术模拟功能，使手 术的成功率大大提高。 1 。2 2 研究的必要性 ( 1 ) 当前，国内的手术计划系统在图像配准和融合方面的算法有待于优化， 软件外观设计和人工参与度方面还有很多欠缺地方； ( 2 ) 国内的手术计划系统功能太少，自动分割和确定靶点方面显得不足， 脑图谱加载很难实现或者效果太差； 国外的软件如l e k s e us u r g i p l a n 和3 ds l i c e r 在这方面就达到很好效果，如何 开发出一套具有完全自主知识产权、多功能和高精度的手术计划软件显得很迫 切。 1 3 立体定向技术的发展历程 ( 1 ) 第一阶段 h o r s l e y 和c l a r k e 于1 9 0 8 年创始三维脑立体定向技术，1 9 4 5 年美圈学者 s p i e g e l 和w y c i s 完成有史以来第一次入赫立体定向手术，1 9 4 9 年，瑞典科学家 l e k s e l l 首先提出放射外科学的构想，利用立体定向定位技术，使用大剂量聚焦 的g a m m a 射束一次性摧毁需治疗的病灶【2 】。而后德国的r i e c h e r t 、法国的 t a l a i r a c h 、美国的c o o p e r 、日本的杉田等人p 】对立体定向手术的发展都作出了重 要贡献。此阶段主要利用x 射线进行脑室造影定位，主要用于治疗功能性疾病。 这一时期的研究焦点为破坏脑内某一结构，改善药物治疗无效的临床症状。5 0 、 6 0 年代，国际立体定向神经外科掀起了高潮，许多学者争相寻找出脑内新靶点， 如丘脑腹外侧核、苍白球及纹状体袢区等，并治疗了大量病例。 ( 2 ) 第二阶段 1 9 7 2 年c t 问世，为现代医学影像学奠定了基础。8 0 年代初，m 成像技 术的逐步兴起照为立体定向手术打开了一个新领域。c t 、m r i 扫描可以直接显 示颅内病变及其靶点，避免了脑室造影闻接定位的不够精确、并发症较多的缺 点，使得立体定向手术更加安全可靠，开创了立体定向神经外科的溉纪元。先 进的立体定向仪借助c t 、m r i 引导，手术精度已达0 3 - 一0 5m m 【4 】。现代立体 定向手术从此进入了一个以c t 、m 引导为代表的、能治疗多种疾病的崭新阶 段。 2 第1 章绪论 成立于1 9 6 1 年的国际立体定向学会推动了国际立体定向技术的不断发展。 1 9 9 6 年中华医学会神经外科学会正式成立了立体定向和功能神经外科专业委员 会，促进了该项技术在国内的发展。立体定向规划系统中使用的l e k s e l l 伽玛刀 是瑞典医科达公司2 0 0 6 年推出的产品，目前在全球各地3 0 多处投入临床使用【5 1 。 此外还出现了脑血管造影定向技术，电阻抗监测，内窥镜立体定向技术切除颅内 深部肿瘤或活检，辅助脑立体定向等技术【6 】。在国内，立体定向技术主要应用于 c t 及m 引导下的立体定向神经外科，立体定向放射外科神经外科导航系统 和机器人辅助立体定向神经外科，立体定向内窥镜以及立体定向神经细胞移植 术等f 7 】。 1 4 本课题当前国内外的研究现状及发展趋势 1 4 1 当前国内外的手术计划系统研究现状 目前，结合医学图像分割、配准、融合和三维重建技术，出现了很多成熟的手 术计划软件，比如l e k s e l ls u r g i p l a n 和3 ds l i c e r 。l e k s e l ls u r g i p l a n 是专门为 l e k s e l ls t e r e o t a c f i cs y s t e m 设计的基于图像的神经外科手术计划软件【8 】。它能够 提供强大的可视化和分析病人图像的功能，并且计划和估计不同的手术路径。 l e k s e l ls u r g i p l a n 的主要功能模块是图像融合和脑图谱的加载。图像融合是术前 计划的一个重要部分，l e k s e l ls u r g i p l a n 支持用l e k s e l l 坐标框架扫描的图像和其 他扫描的图像匹配。该软件的图像融合不但支持m r , c t 图像，并且可以配准和 显示彩色p e t 图像。1 9 9 8 年，s l i c e r 产生于伯明翰女子医院的手术计划实验室 和麻省理工学院人工智能实验室的一个硕士论文项目，后来该软件被很多人下 载使用并且伴随有很多出版物的发行。随着发展，s l i c e r 由于其在三维可视化方 面的卓越表现而逐渐成为3 ds l i c e r ，它包括大概5 5 万行源代码，大部分为c + + ， 并支持大多数标准图像格式( n e t c d ei - i d eb m ed i c o m ，d i b ，j p gp i c t , t i f f 、 c l p 、e p s 、w m f ) 等p j ，它是由美国国家卫生院( n a t i o n a lh e a l t h yi n s t i t u t e ) 、 手术计划实验室( s u r g i c hp l a n n i n gl a b ) 和哈佛医学院( h a r v a r dm e d i c hs c h 0 0 1 ) 等单位联合开发的。 3 d s l i c e r 作为一套图像引导手术系统软件包含了术前规划和手术引导两大 块，其中术前规划的过程是“读入数据 分割数据 建立3 d 模型 测量- 规划 ， 术中引导的过程是通过网络控制医学扫描设备进行扫描( 扫描的位置与手术器械 3 第l 章绪论 的坐标相关) 得到病人手术中的实时图像，再通过跟踪器得到手术器械的坐标， 并把它们分别与术前图像及显示屏上的手术器械图像进行配准从而实现手术 过程中的引导作削。图11 给出了应用3 d s l i c e r 的手术引导系统的模型。 学描议备 r1 r 毒一 位w ”寸m i 目 、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ 一 一一二， - t h 惺 宴时拦悖竹 雪霎萎 】描控制音 酗i13 d s l i c e r 手术引导系统 在国内，医学影像算法研究较早的有首都医科大学罗述谦教授【l “，他出版 了专著和举办了一系列讲座将国外先进技术介绍给国内，并开发出互信息配准 系统，取得了显著成果。第一军医大学李树祥教授领导的课题组较早使用 o p e n g l 进行颅脑可视化显示，在三维可视化方面取得丰硕成果】。东南大学罗 市民教授领导的课题组为上海东影医疗设备影像公司开发出放射治疗软件系统 和新型神经外科手术导航系统i 1 ”。基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统是 北京航空航天大学机器人研究所开发的套机器人手术系统i0 3 1 。该系统利用可 视化技术重构了患者脑部的详细模型，可以为医生进行手术规划提供完整的信 息，井利用机械臂进行手术导航，是一套基于机械臂的立体定向手术系统。该 系统的另外一个重要功能就是为医生提供虚拟手术环境结合虚拟现实设备对 医生进行培训和教学。 14 2 手术计划系统发展趋势 在就定定向手术中，手术计划系统是一个重要的辅助工具。当前手术计划 一一 第1 章绪论 系统发展集中在解剖图像和功能图像的精确配准和融合、纤维束跟踪、血管造 影以及脑图谱叠加等。解剖图像和功能图像的配准和融合方面就加入了纤维束 跟踪，后者作为功能区的联系通路也是手术中要避免伤害的对象。在纤维束跟 踪方面有很多研究集中在如何获取高的分辨率的弥散张量图像。血管造影提供 脑部血管分布和脑血室信息，是一种传统的成像技术。而在脑图谱方面国际上 通用的t a l a i r a c h 脑图谱存在细节显示不详细的问题，目前国内外出现了新的脑 图谱或者是基于传统图谱结合本国国民来制作标准脑图谱，比如哈工大、哈医 大与新加坡生物信息研究所开展的中国人脑数字化立体定向图谱合作研究 国际合作项目1 1 4 。在立体定向外科手术领域出现了一些新发展动向，比如将机 器人结合虚拟现实技术、脑磁图分析、利用干细胞移植来治疗脑损伤和脑卒中 以及术中唤醒术来切除脑功能区肿瘤等。在应用方面也有新进展，比如用于药 物依赖症的戒断。在医学图像的处理方面也有很多新理论新方法提出，在此基 础上形成了很多成熟的商业和非商业与手术计划相关的软件。 伴随计算机技术、现代影像学及分子生物学进一步发展，立体定向手术领域 将出现如下发展趋势：术前手术者将图像资料输入到机器人的计算机工作站， 来确立手术靶点和避开重要组织，手术路径全部实现自动化，机器人不仅能精 确地导航定位，还能模拟人的思维模式进行智能化操作，切除病灶，妥善处理术中 出现的紧急情况，并可通过网络完成远程手术：虚拟现实技术是计算机将c t 、 m 砒、d s a 等图像配准融合为一体并进行三维重建，建立一个虚拟的病灶图像， 进行术前的全程手术模拟，实现真正的微创；基因治疗和细胞移植的临床应 用在进一步尝试和探索之后，立体定向神经外科实施基因治疗导入将成为安全有 效的方法。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 主要的研究内容 ( 1 ) 分析立体定向手术计划系统的功能，利用软件工程的理论与方法，设 计软件的结构； ( 2 ) 对立体定向手术计划系统中若干关键技术进行研究，包括d i c o m 数据 的读取、二维图像配准、三维图像重建、脑图谱融合； ( 3 ) 编程实现立体定向手术计划系统软件，对图像空间和手术空间配准方 第1 章绪论 法提出改进，并对该方法设计验 正实验。 1 5 2 主要创新之处 ( 1 ) 实现囱动确定和标记六个标志点，实现手术空闻和图像空闻的囱动配 准，并在此基础上实现靶点的定位和计算； ( 2 ) 在手术计划系统中实现t a l a i r a c h 脑图谱和m r i 功能像的配准和融合。 1 6 论文的维织结构 论文的组织遵循重点突出，难点突破的原则，在讲述课题的研究背景之后， 阐述系统的总体设计，随即进入本论文的主要内容，即软件系统设计中涉及的 两大关键技术空间配准变换和脑图谱融合，最后给出软件的设计结果并对 本课题总结和展望。 本文的第一章主要讲述立体定向岁 科手术的发展历史和手术计划系统的发 展现状和趋势，并简要介绍了本文的研究内容。第二章主要介绍立体定向手术 计划系统的研究和设计方案，包括立体定向手术涉及到的硬件组成和软件需求， 再介绍了立体定向手术计划系统的工作原理和过程。 接下来的鼹章是本论文的重点和难点所在，即本课题软件设计中的鼹大关 键技术。第三章是空间映射配准，这是靶点定位和计算的关键所在，包括手术 空间和图像空间的配准变换及图像空间和脑空间的映射配准，后者是计算和定 位功能靶点( 又名不可视靶点) 的基础。第圈章为脑图谱和功能像的配准和融 合，本论文采用t a l a i r a c h 脑图谱，其为国际通用的脑图谱之一，在配准之前需 要了解t a l a i r a c h 坐标系统，配准是采用仿射变换实现的。第五章介绍了系统的 实现，同时详细介绍了利用o p e n g l 实现三维重建。 基予以上技术，我们采用v c 州o 编写了一个手术计划软 孛，逐步实现7 上蕊提及的各种功能，并将结果截图。本课题针对传统的空间配准和标志点识 别方法做了改进，并用本软件做了功能靶点的测量和理论计算对比试验，实验 结果表确改进的方法速度快、精度嵩、可靠性强，基本实现了计划系统的空间 配准自动化和靶点计算的自动化。文章末尾对本课题进行了总结和展望。 6 第l 章绪论 1 7 本章小结 论文的第一章主要介绍了本课题的研究背景、研究现状以及研究趋势。立 体定向脑外科包括三个部分：赢体定向神经外科、立体定向放射外科和立体定 向辅助显微外科，而这三种手术都需要借助立定定向仪来完成。立体定向仪是 一种定位手术器械的装置，需要安装在患者头部，再经过扫描得到c t 或m r i 图像。手术计划系统具有对这些图像进行配准、融合和三维重建和设计并评估 手术路径功能。当前的手术计划系统发展集中在解剖图像和功能图像的精确配 准和融合、纤维柬跟踪、血管造影以及脑图谱融合掣1 5 , 1 6 】。随着计算机和医学影 像技术的发展，计算机与虚拟现实技术结合和机器人自动化手术是重要的发展 趋势。 7 第2 章芷体定向手术计划系统的殴计方案 第2 章立体定向手术计划系统的设计方案 2 1 与系统相关的硬件结构 2 1 1 立体定向仪的结构组成 图2 1 ( a ) 为框架坐标示意图，在实际应用中般以脑袋的右上方为坐标起 点，定位为( 1 0 0 ，1 0 0 1 0 0 ) ，红线近似表示所戴的框架黑色的截面分别是横 断面，矢状面和冠状面其中a ，s ，r 分别表示前、上、右3 个方向。图2 1 ( b ) 为弓形架和托板结构示意图，框架和弓形架和托板是以冠状距离调节器连 接起来的。在手术时要考虑大脑的内部重要组织结构，如图中的脑血管，绿色 部分为虚拟的目标靶点。国内的定向仪产品的原理大致和l e k s e l l 定向仪相同。 乒意 目 i 私s ( a ) 框架坐标示意圈( b 1 弓形架和托板示意图 图21 立体定向仪的结构示意| 芏| 2 1 2 立体定向仪的工作原理 瑞典著名科学家l a r sl e k s e l l 于1 9 4 9 年首次提出放射外科的构想并利用赢体 定向定位技术使用大剂量聚焦的g 锄m 射束一次性摧毁需治疗的病灶口】。l e k s e l l s t e r e o t a c t i cs y s t e n l 系统 8 1 名称就来源于l e 虹e l l ，该系统是世界上使用广泛的定向 仪之一，其基本部分为笛卡尔坐标框架和半圆弓形架。它可与所有类型影像设 备适配，利用c t 、m r i 、x - r a y 、数字减影血管造影( d s a ) 、正电子发射计算机 断层扫描( p e d 定位可以按任何顺序在同一头架上进行。定位和靶点坐标的确定 快速而简便，系统提供独立定位计算方法，标准的扫描软件，此； h l c k s c i l 靠体定 = 第2 牵立体定向手术计巅系统的殴计方案 向系统( l e k s e l ls t e r e o t a c t i cs y s t e m ) 使藤计划软件差，呔s e l ls u r g i p l a n 。系统 一般先在脑上定出三个基准平陋和三条基准轴线，虽口将前连合后缘( a cp o s t e r i o r m a r g i n ) 至后连合下缘( p ci n f e r i o re d g e ) 的连线定为连合间径( f l o a c p c 线) ， 通过它 乍横断面，通过前连合后缘和中矢面的一点做垂直与横断面的冠状面， 加上脑的中矢面，就构成了三个基准平面。通过原点前嚣方向的轴为矢状轴， 定为y 轴；通过原点的上下方向与y 轴垂直的垂直轴定为z 轴；与通过原点左右 方向并与y 轴垂直相交的冠状轴定为x 轴。应用这些平面和轴线，即可描画出入 脑各个结构的三维空闯坐标来。 2 2 系统的软件设计 2 2 1 软件模块设计 图2 2 为软件模块设计图，立体定向手术计划软件可以按照功能分为图像显 示、控制和数据管理三大类模块。显示类模块负责图像的显示与输入参数的转 换和传递，按照其显示的内容不同，霹以分为二维显示模块，三维显示模块、 局部放大显示和脑图谱、血管造影和纤维束跟踪显示模块。控制类模块根据显 示窗口、控制界面上传来的消息及传感器参数，对图像数据进行处理。按照其 控制的内容不同，可以分为二维显示控制模块，三维显示控制模块，图像分割 控制模块，脑图谱翻纤维束跟踪加载控制模块。数据管理模块主要负责数据的 读取、储存、分类，它是系统的数据中心，其它各个模块所要用到的数据都由 它提供。所涉及的数据包含图像体数据、病人信息数据、二维显示数据、图像 分割数据、三维模型数据、测量结粱数据、手术规划数据和进度控制数据。 9 第2 章立体定向手术计划系统的i 殳计方案 图2 2 软孛l ：模块设计圈 2 2 2 图像处理流程图 图2 - 3 为软件中涉及到的图像处理部分流程图，依次为图像装库、读取、预 处理、配准和融含、三维重建、计算和定位靶点、设计手术路径和保存计划图 像。 图图图 图图靶设保 像像像像像维 占 诗 存 装 读 _ 预 - - t , 配 - - t ,融 重 - - - 4 , 确 手 啼 计 摩取处准合建定 术划 理 路 径 图2 3 巨像处理部分流程圈 1 0 厂，0、l厂，；，、；，匕厂，；，l 1 ， ，j r - i j 至 三 巫 i i i 搴一 一类一 一理一 一显一 一副一 一管一 一傣一 一挖一 一据一 一匿一 一 一 一数一 厂，j、；，l =：傩定裔学术计埘较终羰统一 第2 章立体定向手术计划系统的设计方案 2 2 3 手术计划系统的工作过程 一般的手术计划系统工作流程如图2 4 所示，病人头戴立体定向仪进行c t 或 m 扫描，有时候根据需要会做f m 扫描成像，或者磁共振d t i 弥散张量成像， 之后将相关数据存储到数据库中，这里涉及到医学图像的压缩与解压，在远程 医疗中显得尤其重要，之后的计划过程如下：根据需要查找数据库中的病人图 像并调入系统中，一般会进行预处理，计划系统提供了窗宽窗位调节功能，用 户也可以任意清晰查看感兴趣的局部区域信息。如果需要观察三维立体图像， 需要对病人图像进行三维重建，三维重建方法有面绘制和体绘制，之后可以选 择透明、半透明和正交面显示关键区域和病症。然后选择病人做定向手术使用 的定向仪并按照一定的顺序进行标志点标定，这一步实现了手术空间和图像空间 的配准。接下来根据需要加载系列的图像，并且做好图像的融合和显示。国 内的手术计划系统一般还没有纤维束跟踪和脑血管造影融合( 框图中虚线部 分) 。确定靶点时采用的是三个正交面上进行，在确定靶点的时候有两种情况， 对于可视靶点，如脑瘤，颅内异物等，直接在三个正交面图像上用鼠标指示靶 点几何中心位置即可得到其定向仪坐标，这里可以通过参考不同横断面，冠状 面，矢状面的图像来确定。对于脑坐标功能靶点，如深部核团电刺激( d e e pb r a i n s t i m u l a t i o n ，d b s ) ，这种不可见的病灶，需要进行脑空间坐标系的确定，先确定 中矢面，中矢面的确定依据是几何学中的不全在一条直线上的三点可以确定一 个面的原则，然后在中矢面上确定a c 、p c 点，而a c p c 线是指前连合后缘与后 连合下缘的连线，这有赖于医生的主观判断来确定。而国外的软件如l e k s e u s u r g i p l a n 就能自动确定中矢面和a c p c 线【1 7 】，并且不要求框架一定要和该线平 行。在确定中矢面和a c 、p c 点后，这样就确定了脑空间坐标系，再输入功能靶 第2 章立体定向手术计划系统的设计方案 病人进行c t 或m r 扫描，f m r i ，d t i 和d s a 成傲选做) 三维重建立体脑部 结构，包括脑部的 透明和半透明显示 将相关的数据存储 到数据库中 解剖图像和功能图 像配准和袖合 根据需要调出图像 ( 至少有解剞固僚 和功能图像) 图像的预处理 ( 调节窗宽，窗位 或者自动分割) 鹰科丁燕斗一| ：l 据需求选择) iilil ： 确定脑坐标和框架 坐标的关系( 中矢 面，a c p c 线) 输入不可视靶点在 脑坐标中位置坐标 ( 参考脑图谱) 靶点坐标确定( 先 确定可视靶点，再 确定不可视靶点) 选择入颅点和手术 路径( 避开血管， 功铯区及萁通路) 融合所有图像 ( 功能，图谱，纤 维柬和脑血管) 评估手术计划并保 存计划图像 图2 4 立体定向手术计划系统j 二作流程图 点脑坐标，即可得到其定向仪坐标。靶点确定后，可以改变弓型架和拖板的角 度或者在头颅上选一点来确定合适的手术路径，其中弓形架用来改变矢状面角 度，而托板用来改变冠状面的角度。有时候适当改变二者的角度可以实现一次 两靶，甚至是一次多靶，大大缩短患者的手术时间和减轻患者的痛苦。 2 3 本章小结 本章主要介绍了立体定向手术中涉及到的硬件和软件，本课题重点在软件 的设计和实现。定向仪主要由弓形架和托板及其附件组成，它是基于笛卡尔坐 标系原理而设计的。系统软件的图像处理部分主要分三部分，分别是图像预处 理、图像配准和融合以及图像的三维显示。使用计划系统的主要目的是在通过 1 2 第2 章立体定向手术计划系统的设计方案 术前的扫描图像，确定病灶在人脑中的位置，并用三维重建技术显示出来，供 医生观察和分析病情，并参考了功能图像、脑图谱和纤维束成像来设计最佳的 手术路径，最后再根据所设计的手术路径用定向仪来实施手术。本章在末尾给 出了手术计划系统的般工作过程。 1 3 第3 章图像的空间配准 第3 章图像的空间配准 3 1 医学图像配准算法概述 3 1 1 医学图像配准的概念 2 0 世纪以来，医学成像技术经历了一个从静态到动态、从形态到功能、从 平面到立体的发展过程，尤其在计算机技术高度发达之后，医学成像技术的发 展给临床医学提供了x 射线、超声、计算机断层成像( c t ) 、数字减影血管造影 ( d s a ) 、单光子发射断层成像( s p e c t ) 、磁共振成像( m r ) 、数字荧光造影( d f ) 、 正电子发射断层成像( p e t ) 等形态和功能的影像信息【1 8 】。根据医学图像所提供的 信息内涵，可将这些图像分为两大类：解剖结构图像( c t 、m 、b 超等) 和功 能图像( s p e c t ，f e t 等) 。这两类图像各有其优缺点：功能图像能够提供脏器功 能代谢信息；解剖图像能够提供脏器的解剖形态信息。如果单独使用某一类图 像的效果并不理想。解决这个问题的最有效方法就是多模态图像配准和融合技 术。 医学图像配准【1 9 】是将来源于不同医学成像设备的图像进行配准。它是指对 一幅医学图像寻求一种( 或一系列) 空间变换，使它与另一幅医学图像上的对 应点达到空间上的一致【2 0 2 1 】。图像配准得到的是在某种配准原则下的最优结果。 3 1 2 。医学图像配准的分类 ( 1 ) 根据配准所基于的几何特征分类 基于几何特征的配准可分为基于外部特征和基于内部特征两大类【1 8 】。基于 外部特征是指在患者的头上贴8 - , 1 2 个标志点，根据这种标志点在两个空间中的 不同坐标值，使用最& - - 乘法将两个空间的坐标变换矩阵求出来1 2 2 , 2 3 1 。后者是指 根据图像相同特征之间的几何关系来确定配准参数。 ( 2 ) 根据变换模型分类 根据变换的模型可分为刚性变换、仿射变换、比例缩放、投影变换和曲线 变换五种。下面详细讲解这几种变换模型。 刚体变换 刚体变换是指变换前后的两个平面中，任意两点间的距离保持不变的一种 1 4 第3 章图像的空间配准 坐标变换方法，包括平移和旋转。它适用于外形相对稳定的图像配准。在二维 情况下，该变换关系可以表示为： 峭“c o s n o 秒兰瑚+ - ， 其中，汐表示旋转角度， ( f 。，f ，) 表示平移向量。从式( 3 1 ) 中可以看出， 它包含了3 个变换参数：2 个平移变量t 。、f 。和一个旋转变量口。而在三维刚体变 换中，则包含6 个参数：三个平移参数f 。、t t 和三个坐标轴旋转变量伊。、矽一 日，。我们的系统中的空间配准部分采用的是刚体变换。 仿射变换 ： 仿射变换是指变换前后的平面中，直线在变换后仍然保持为直线，且任意 两条直线的平行关系保持不变。在二维的情况下，该变换关系可以表示为： ( ；： = ( 乏：口o ：, 2 2 八l f y x l + ( 乏 c 3 2 ， 其中f 口1 1 q 2l 为任意实数矩阵。从式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可以看出，刚体变 换是仿射变换的特例，仿射变换是刚体变换的一般化形式。 比例缩放 比例缩放是最简单的非刚体变换，表示为x = r s x + t 或x r = s r x + t ，其中， 庐d i a g ( 勘s z ) 为对角矩阵，它的元素表示沿着坐标轴的缩放因子。因为r 卜般 不等于艘，所以两个方程代表不同的变换方法；这种变换需要补偿图像获取系 统的校准误差。 对各个方向尺度变换系数一致的均匀尺度变换，则有x = s r x + t ，其中s 是 一个标量。对于图像获取过程中发生形变的两幅图像的配准，将比例缩放和刚 体变换两种方法结合起来使用非常有效。我们的系统中关于三维模型的操作中 涉及到比例缩放问题。而图谱配准部分采用的是仿射变换和比例缩放。 投影变换【2 4 1 投影变换是指变换前的直线在变换后仍保持为直线，但相互之间的平行关 系并不保证。这种变换反映了从不同距离对目标进行成像时在成像系统中所引 起的形变。在二维情况下，该变换关系可以表示为： 1 5 第3 章图像的空间配准 ( x i l ：( u w 眺撼蠹 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 我们的系统在三维模型操作和二维图像显示之间存在投影变换问题。 f h l 线变换 f h l 线变换则可以把直线映射成一条曲线，它一般用多项式变换来表示。在 二维情况下，该变换可以表示为： b ，v 。) = f b ，y ) ( 3 5 ) f 表示坐标的变换关系，最常用的为多项式函数： r 一 jx = c 0 0 + a l o x + 口0 1 ) ，+ g 2 0 x + 口l i x y + a 0 2 y + ， 1y = 6 0 0 + 6 l o x + 6 0 1 y + 6 2 0 x 2 + 砂+ 6 b 2 y 2 + 。石 ( 3 ) 根据医学图像模态分类 基于模态的医学图像配准方法主要分为两大类【2 5 】： 单模图像之间的配准，这种配准一般应用在生长监控、减影成伤方面： 多模图像之间的配准，它应用最多，主要应用在诊断方面，可分为结构 像和结构像的配准以及结构像和功能像的配准两大类