（生物医学工程专业论文）基于互信息的医学图像配准算法研究.pdf

a b s t r a c t m e d i c a li m a g e r e g i s t r a t i o n ，d e v e l o p e di n19 9 0 s ，i so n eo f t h ei m p o r t a n tr e s e a r c h o nm e d i c a li m a g ep r o c e s s i n g i m a g ef u s i o ni sb a s e do nm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n i t o v e r c o m e st h el i m i to fo n l yu s i n go n ei m a g e ，e f f e c t i v e l yb r i n g s t o g e t h e rv a r i o u s i n f o r m a t i o na b o u tt h et w oi m a g e st os h o wt h e mo na ni m a g e t h u s ，t h ei n f o r m a t i o n ， i n c l u d i n gh u m a na n a t o m i z a t i o n ，h u m a np h y s i o l o g ya n dh u m a np a t h o l o g y ，c a l la l lb e p r o v i d e dt om a k ef o rt h ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt h et r e a t m e n t i nt h ep a p e r , m e d i c a l i m a g er e g i s t r a t i o na n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yi s s t u d i e d a n dt h ep r i n c i p l ea n d d e t a i l e ds t e p so fm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o ni sd e s c r i b e d t h e nt h ep a p e rd i s c u s st h e m a i nm e t h o d so fm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n ，a n de m p h a s i z eo nt h em e d i c a li m a g e r e g i s t r a t i o nb a s e do nm u t u a li n f o r m a t i o n ，f i n a l l yt h ea l g o r i t h md e s i g na n dr e a l i z a t i o n o f i ta r ea c h i e v e d f i r s t l y , i ti sd e s c r i b e di nt h ep a p e rt h a tt h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta c t u a l i t y a n dc l i n i c a l p r a c t i c e so fm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n t h e nt h ep a p e rd e s c r i b e st h e p r i n c i p l e o fm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n a n dt h ed e t a i l e ds t e p sh o wt of i n i s ht h e r e g i s t r a t i o na l s oa r ea n a l y z e d ，i nw h i c ht h eg e o m e t r yt r a n s f o r m ，t h ei n t e r p o l a t i o n m e t h o d ，t h es i m i l a r i t ym e a s u r e ，t h eo p t i m i z e da l g o r i t h ma n dt h e i re f f e c t so n r e g i s t r a t i o na r et h o r o u g h l yd i s c u s s e d ，m e a n w h i l e ，b o t ht h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e r e g i s t r a t i o nm e t h o da n dt h ec o n c e m e de v a l u a t i o na r es u r v e y e d n e x t ，t h ep a p e r s t u d i e st h em e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o nb a s e do nm u t u a li n f o r m a t i o n ，t h eb a c k g r o u n d a n dt h ef o u n d a t i o nc o n c e p to fi ta r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ed i f f i c u l t i e so ft h i sm e t h o di s c a r d e do nt h ed i s c u s s i o n ，s oa si t sr e s e a r c he m p h a s i s o nt h eb a s eo ft h et h e o r y , t h e f o l l o w i n gp a r ti n t r o d u c e st h es i m i l a r i t ym e a s u r eo fg e n e r a l i z e dm u t u a li n f o r m a t i o n ， e x p a t i a t et h em e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o nu s i n gt h em e a s u r e f i n a l l y , t h er e g i s t r a t i o n e x p e r i m e n t so f m u t u a li n f o r m a t i o na r ed o n eu n d e rm a t l a b 7 0e n v i r o n m e n t ，i nw h i c h t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm e d i c a li m a g e so ft h eh u m a nb r a i na r et a k e na st h et e s t i n gd a t a t h es i m u l a t i o na c h i e v e st h em e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o nb a s e do nm u t u a li n f o r m a t i o n w h i c hr e s u l t sc o n f m nt h ea c c u r a c ya n dt h er o b u s to ft h er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m ，a n d t h er e g i s t r a t i o no fo t h e rt w os i m i l a r i t ym e a s u r ea r ea l s os i m u l a t e d ，w h i c hr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h a to fm u t u a li n f o r m a t i o n ，t h e ns o m ea d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n g r ， e x i s t i n gi nt h em e t i l o do fm u t u a li n f o r m a t i o n ，i ss u m m a r i z e db yt h ec o m p a r ew i t h o t h e rr e g i s t r a t i o nm e t h o d s k e yw o r d s ：m e d i c a li m a g e ，i m a g er e g i s t r a r i o n ，m u t u a li n f o r m a t i o n ，e n t r o p y 1 1 概述 1 1 1 医学影像技术 第一章绪论 随着科学技术的发展，在医学影像币成为临床诊断中不可缺少的重要组成部 分的同时，医学影像技术也已成为医学诊断中最活跃的研究领域之一。 2 0 世纪以来，医学影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，出现了计算机断层成 像( i c p ) 、数字血管造影( d s a ) 、单光子发射断层成像( s p e c t ) ，磁共振成像 ( m r j ) 、数字荧光造影( d p ) 、正电子发射断层成像( p e t ) 等多种成像模式的医学 图像。同时更清晰、更有诊断价值的高质量医学图像正在不断研究和发展中。 根据医学图像所提供的信息内涵，可将目前的医学图像分为两大类：解剖结 构图像( c t ，m l u ，b 超等) 和功能图像( s p e c t ，p e t 等) 。这两类图像各有其 优缺点：功能图像分辨率较差，但它提供的脏器功能代谢信息是解剖图像所不能 替代的；解剖图像以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息，但无法反映脏器 的功能情况。目前这两类成像设备的研究都已取得了很大进展，图像的空间分辨 率和图像质量有很大提高。 1 1 2 医学影像处理 随着可视化技术和计算机体系结构及算法的迅猛发展，图像处理技术”3 己广 泛应用于遥感、工业检测、医学、气象、侦察、通信、智能机器人等众多的科学 与工程领域。自2 0 世纪9 0 年代以来，医学影像处理与分析一直是国内外研究与 应用的热点，已逐渐形成了具有特色的一门交叉学科。 传统的影像技术还只是获得人体某一断层的影像数据，然后医生通过胶片进 行诊断或者通过显示屏幕进行观察，这在很大程度上取决于医生的临床经验。医 些i l 些奎堂堡主童丝丝圣董三塞堑丝 学影像处理作为一个新的研究领域，它自身的特点决定我们不能应用传统的基于 光强度的光学图像的研究方法来处理。因此，必须提出新的、有针对性的理论和 方法来进行研究。另外，医学影像的处理还需要多领域的知识，所以该学科的研 究需要结合医学专家的指导，从这个意义上讲，该学科的研究涉及人机结合的问 题，如何使得医学领域的专家与计算机有机的结合起来也是该领域具有特色的问 题。医学影像的处理技术包括：医学影像数据获取、医学图像分割、医学图像配 准、三维可视化、虚拟现实技术、d i c o m 数据通信技术、p a c s 系统和图像引 导手术。 医学影像处理与分析，借助图形、图像技术的有力手段，使医学影像的质量 和显示方法得到了极大的改善，从而使诊疗水平大大提高。这不仅可以基于现有 的医学影像设备来极大的提高医学临床诊断水平，而且能为医学培训i 、医学研究 与教学、计算机辅助临床外科手术等提供数字实现手段，为医学的研究与发展提 供坚实的基础，具有不可估量的价值。因此，目前世界上也有不少国家的研究机 构开始致力于这个领域的研发工作，并且研究出一些面向临床的、功能简单的医 学影像处理与分析系统。这些系统虽然仅能提供有限的临床所需的功能，但在临 床研究中已经发挥重要的作用。正是由于医学影像处理与分析对临床医学的发展 有着巨大的促进作用，医学影像处理与分析的研究j 下逐步受到世界许多国家的重 视。 1 2 医学图像配准简介 1 2 1 背景介绍 由于成像原理不同所造成的图像信息的局限性，如c t 、m r i 图像主要反映 解剖形态结构，核影像对于人体功能状态非常敏感等等，使得单独使用某种模态 图像的效果并不理想，而多种图像的利用又必须借助医生的空间想象和推测去综 合判定他们所要的信息，其准确性受到主观影响，更重要的是一些信息将可能被 忽视。而且对于同一病人在不同的时间、不同的位置，甚至是不同状态下获得的 医学图像，即使是同一模态的图像也需要进行处理。解决这个问题的最有效方法 就是以医学图像配准技术为基础，利用信息融合技术，将这两种图像结合起来， 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 利用各自的信息优势，在一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息，使人体内 部的结构、功能等多方面的状况通过影像反映出来，从而更加直观的提供人体解 剖、生理及病理等信息。 随着医学影像学的不断发展，医学图像的配准已经成为医学图像研究领域的 热门专题之一。多模态医学图像的配准与融合技术多年来一直是图像处理中的研 究热点，对于发展计算机辅助诊断和治疗系统、虚拟手术、手术导航、远程医疗 等有决定性的作用，对于提高临床的诊断水平和提高国民卫生健康水平有重要的 意义。 1 2 2 图像配准的发展及研究现状 图像配准技术的发展历史大致可分为三个阶段。 2 0 世纪8 0 年代初，图像配准主要应用在d a s ( 数字减影血管造影) 方面。 它采用基于图像灰度的方法，通过检测相关性和灰度值的差异来决定刚性变换的 参数。显然这些工作都是针对二维图像。值得注意的是，这种基于图像灰度的方 法在今天关于三维图像的配准中仍是研究的主要内容。 2 0 世纪8 0 年代中后期到9 0 年代初，临床医生和图像处理领域的专业人员 开始认识到不同模态的图像提供的不同信息应当融合在一起组成一个更加简单 实用的显示与分析平台。要达到这个目的，首先就要将不同时间、不同模态的图 像上的点一一对应起来，也就是进行图像配准。这个阶段提出一些基于边界特征 的配准方法，但主要还是采用刚性变换，范围也主要集中在二维领域。 2 0 世纪9 0 年代，计算机硬件的飞速发展推动了图像配准在三维领域的研究， 主要采用的方法仍然是刚性变换的方法。同时在二维领域内单纯的刚性变换的方 法已经不能满足人们的要求，特别是在不同病人的图像之间的配准，以及病人图 像和图谱图像之间的配准方面更是如此。这些新的要求推动了人们对于非刚性变 换方法的研究。从仿射变换开始，人们陆续推出一些非线性的方法，如样条方法、 弹性形变方法等，并取得了一定的效果。 虽然到目前为止已经有大量的配准方法被提出来，但是在各种医学图像配准 方法中还存在着一些问题。对于基于特征的方法来说，它们往往具有操作简单， 配准速度较快、精度较高等特点。现在临床应用的配准方法基本上都是基于特征 塑i l 三些奎堂堡圭堂堡篁塞篁= 童堑丝 的配准法。但是这类方法也同时给病人带来痛苦和额外的创伤，在“科技以人为 本”的概念大行其道的现代社会，这种方法正在慢慢的减少。而通过图像分割等 技术来确定图像特征也存在较大的问题，因为图像分割的精度和评价标准都还没 有得到很好的解决，所以基于图像分割为特征提取方法的图像配准方法的精度会 受到除算法本身之外的因素的影响。通过医生的干预来提取图像特征则会受到操 作者的水平和主观因素的影响，给配准结果带来更大的不确定性。对于基于狄度 的配准方法来说，对于它们只对圈住的灰度进行处理，可以避免主观因素的影响， 配准结果只依赖配准方法本身，同时可以避免因图像分割而给配准带来额外的误 差，实现自动的配准。但是由于这类方法一般需要对图像所有的像素点进行处理， 因此其计算量较大。这些缺点在一定程度上妨碍了它们在临床上的广泛应用。但 是随着这类方法的改进和计算机技术的发展，这些缺陷会得到较好的克服。 从以上的主要配准方法可以看出，从最初的立体框架定位配准到通过分割图 像做定位标记来进行配准的方法，再到现在的研究热点基于互信息的方法，多模 态医学图像配准技术正在向基于灰度的配准方法发展。从临床应用的角度来说， 基于灰度的配准方法比基于特征的方法更有发展前景。 医学图像配准的最终目的是通过给医生提供全面准确的信息而帮助医生提 高诊断和治疗水平，因此它的发展方向是充分满足临床应用的要求，向着准确、 稳定、快速、无创、简单易用的方向发展。准确、稳定是任何一种配准方法所应 具有的特点。随着成像技术的发展，医学图像的质量在提高，图像的分辨率也在 不断地提高，配准的精度和稳定性也要相应的提高，使得在高配准成功率地条件 下配准误差达到亚像素级或更低。虽然快速配准的要求并不是在所有的临床应用 中都要达到，但是提高图像配准速度无疑可以促进配准技术更广泛的应用，特别 是在日益增多的手术导航系统和虚拟手术系统中，快速配准更是必需的。无创是 临床治疗的更高要求，作为治疗的辅助工具，医学图像配准技术更不应该给病人 增加额外的创伤。简单易用则可以促进该技术更广泛的应用。虽然已经有大量的 配准方法被提出来，但是能达到上述要求的方法还不多，因此对医学图像配准方 法特别是基于互信息的配准方法还需要进行更广泛、更深入的研究，以期能达到 临床应用要求，帮助医生提高诊断和治疗水平。 4 塑i e 三些查耋堡主耋堡篓耋篁三耋丝丝 1 2 3 图像配准的应用 近年来，随着医学成像技术的发展，医学影像技术越来越多地为临床医学提 供各种服务，它的应用不再仅局限于医学诊断设备，更涉及到从手术方案的确定、 手术结果的分析和放射科治疗方案的制订等各个方面。数字化医学影像技术的发 展，进一步丰富了医学图像处理理论，图像配准也在医学图像处理领域中得到越 来越多的应用，其中主要包括以下几个方面： ( 1 ) 信息的综合 医学影像可以分为解剖成像和功能成像。前者主要描述人体形态信息，例如， x 线透射成像、计算机断层扫描成像( c t ) 、核磁共振成像( m r i ) 、超声成像( u s ) ， 以及各类窥镜成像等：后者主要描述人体代谢信息，例如正电子发射断层成像 ( p e t ) 、单光予断层成像( s p e c t ) 、功能磁共振成像( f m r i ) 等。如果能够将多种 模态的图像融合。在一幅图像中，既能了解人体的解剖信息，又能看到人体的功 能信息，将会为诊断和治疗方案的制订提供更加全面的信息。 ( 2 ) 特征比较 在临床应用中，病情的发展情况是非常有价值的信息。无论是对个体病人的 诊断治疗还是对医学经验的积累，知道病情的发展规律都有着极其重要意义。这 种情况下，往往需要准确对不同时期采集的图像进行比较。如观察骨骼、肿瘤的 生长过程，观察手术前后人体的功能特征，也都是图像配准的重要应用。 ( 3 ) 三维重建 传统医学图像的三维重建数据源是断层扫描的图像序列，即通过层面的编号 反映三维信息。这种情况下，扫描的分辨率将直接影响到重建的效果。如果通过 有视角变化的二维图像获得三维信息，则能够通过更少的图像得到较好的重建效 果，如x a ( x 射线造影成像) 、平板c t 等，在该类图像的三维重建中图像配准 技术也起到至关重要的作用。 ( 4 ) 模式识别 模式识别是图像配准在医学诊断中的又一个重要应用，通过将病变个体的图 像与正常个体的图像进行配准，或者通过将患者图像与人造的标准图像模板进行 配准，可以辅助医生进行诊断。 塑i l 三些奎兰堡圭耋堡墼塞篓= 童堑篁 1 3 论文研究意义与主要工作 医学影像学为临床提供了多种模态影像信息。不同的医学影像可以提供人体 相关脏器和组织的不同信息。在实际临床应用中，有必要将不同模态提供的信息 结合起来，从而得到更多的信息，以利于医生诊断。融合信息的第一步就是要使 不同图像在空间中的排列一致，即图像配准。医学图像配准通过寻找某种空问变 换，使两幅图像的对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。要求配准的结 构能使两幅图像上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义以及手术区域的点 都达到匹配。医学图像进行配准不仅可以用于医疗诊断，还可用于手术计划的制 定、放射治疗计划的制定、病理变化的跟踪和治疗效果的评价等各个方面。因此， 医学图像配准具有很重要的临床应用价值。 本文详细介绍了医学图像的配准方法，着重于对基于互信息的配准方法的理 论论述和算法仿真研究。论文具体安排如下； 第1 章简要概述了医学成像技术与医学影像处理技术，介绍了医学图像配 准技术的背景、发展和应用，表明了论文研究的目的和意义。 第2 章介绍了计算机断层扫描成像c t 技术和磁共振成像( m r i ) 技术，详 细介绍了这两种成像方式的成像原理和相关应用。 第3 章介绍了医学图像配准的概念原理，对图像配准的具体步骤做了详细 的分析，并对配准方法的分类、配准的主要方法及配准方法的评估进行了总结和 讨论。 第4 章深入研究了基于互信息的医学图像配准方法。该配准方法用整幅图 像的所有像素共同组成特征空间，根据特征空间确定一种空间变换，使一幅图像 经过该变换后和另一幅图像的互信息最大，最终实现配准。 第5 章详细分析了基于广义互信息的医学图像配准方法。这种配准方法的 特点在于该方法选用的归一化相似性测度是用j e n s e n 差分对r e n y i 熵和t s a l l i s - h a v r d a - c h a r v a t 熵进行归一化得到的。 第6 章通过大量的图像数据仿真，对基于互信息的配准算法进行了实验研 究，验证了这种配准方法的有效性及可行性。 第7 章总结与讨论。 第二章医学影像设备及其成像原理 从2 0 世纪5 0 年代，医学影像技术进入革命性的发展时期，新的成像系统相 继出现“1 。6 0 年代末至7 0 年代初以柬，随着计算机与微电子技术的飞速发展， 一大批全新的影像设备用于医学应用领域，如超声、c t 、d s a 、m r 、s p e c t 、 p e t 等。这些技术不仅极大地丰富了形态学诊断信息的领域和层次、提高了形念 学的诊断水平，同时实现了诊断信息的数字化。所有这些以显示人体结构的形态 学信息为主要目的的成像方法及相应的科学目前均被纳入医学影像技术的范畴。 2 1 医学影像设备概述 一般认为，超声成像尤其以b 超为代表、x 线断层扫描装置( x c t ) 、磁 共振成像装置与核医学影像装置并称为四大医学影像装置。其中c t 和m r i 技 术是当今影像技术中不可缺少的重要手段。 2 1 1 “四大”医学影像设备 x 射线图像占医院中全部影像的8 0 ，是目前医学影像的主要来源。常规x 线成像操作简单、费用低，它一直是临床诊断中的主要成像设备。5 0 年代以前， x 线机的结构简单，图像分辨率也较低。在5 0 年代后，分辨率与清晰度得到了 改善，而病人受照射剂量却减少了。时至今日，各种专用x 线机不断出现，x 光电视设备正在逐步代替常规的x 线透视设备，它不但减轻了医务人员的劳动 强度，降低了病人的x 线剂量，而且为数字图像奠定了基础。 x 线- c t 成像方法完全不同于常规的x 线摄影，它是充分利用了各个方向 上的x 线投影数据，经过高速电子计算机处理后，重建出人体横截面上x 线衰 减系数的真实分布图像。由于它能将衰减系数的o 5 的差异区分出来，所以具 有很高的密度分辨率( 常规的x 线摄影只能区分5 7 的差异) ，从而为诊断 形态变化和密度变化式的病变提供了方便。 垫a e 王些盍堂亟堂焦迨塞筮三霎医堂墅焦选鲞丛基盛堡厦跫 尽管核医学影像( 单光子c t 和正电子c t ) 的图像分辨率低，但它是组织化 学成像，特异性高，对早期诊断十分有用。 与x 线和核素成像相比，超声医学图像诊断的最大优点是对人体的无损伤 性，这使得它在临床中得到了愈来愈广泛的应用，特别是对那些敏感的区域，如 孕妇的腹部以及眼睛等，使用超声尤为合适。 磁共振成像除了能进行解剖学的断层成像外，还能对组织鉴别和对一定组织 的新陈代谢情况进行研究。 显微图像是进行细胞水平研究的最重要方法。不过从成像技术的发展来讲， 目前在临床上最为成熟、应用最广，并且有重要发展前途的技术主要有4 大类： x 线成像技术、核医学成像技术、超声成像技术和核磁共振成像技术。 虽然医学成像系统有许多种类，但其物理系统的共性都是为获得携带有体内 某物理量分布信息的数据，主要包括； ( 1 ) 源 可以是体外的，如x 射线源、超声源、电磁波源等，也可以是体内的、注入 人体的同位素辐射源、人体的热源等。 ( 2 ) 源与物体的相互作用部分 例如x 射线穿过人体时经受衰减，超声在人体中反射并在传播时产生时间延 迟，对于源位于体内的情况，源和源与物体的相互作用部分两部分是合一的。 ( 3 ) 检测器 在体外检测携带有体内信息的信号。一般来说，它的形式与各种源的类型有 对应关系。 ( 4 ) 电子系统 将检测器上获得的信号转变为电信号，并通过复杂的处理和运算，重建出精 确的图像。电子系统中的主要部件是计算机。一些大型、精密的戍像系统在获得 图像后，为了帮助医生进行诊断和分析，往往进行一些相应的图像处理，例如使 图像中模糊的轮廓显示清楚，对图像的某些部分进行面积、周长等的测量等，这 些都是在计算机控制下进行的。 笪至些丕堂亟土堂焦盗塞 笠= 三童匡堂堂堡送堡丞基盛堡蜃堡 2 1 2 立体定向手术与三维医学影像引导技术 现有的各种成像技术都仅能获取人体某一方面的信息，x 线- - c t 对骨头分 辩得最清楚，m 融用于软组织和神经最好，d s a 用于小血管，p e t 用于代谢等。 把各种医学图像提供的信息正确地集成在一起通常称为配准( r e g i s t r a t i o n ) 或融合 ( f u s i o n ) 。 最初，各种医学图像限于帮助医师作诊断；随后，各种医学图像开始用于手 术和治疗的仿真和计划；再迸一步，医学图像被用来引导治疗和手术的进行，即 介入治疗和手术。在诊断方面，医师一般分布观看和分析用有关成像方法获得的 医学图像，如x 线- - c t ，m m ，m r a ，d s a 等，根据医师的知识和经验作出相 应的诊断。这类医学图像直接从成像设备获得。计算机图像处理技术可以帮助医 师的地方主要是在突出或分割出医师感兴趣的区域或物体，对其进行测量。若有 需要也可以把一个序列的二维图像( 如以一定间隔成像的x 线- - c t 图像序列) 以 三维形式显示，包括作任意的旋转和切割，以帮助医师建立病人解剖结构的空间 相互关系。 手术或治疗的仿真和计划则要求把所获得的各种信息，特别是图像信息，加 以综合，根据某种准则寻找一种最优的或可接受的实施方案。 神经外科医师在实施脑手术时，常为可能造成严重的创伤所困扰。外科医师 必须先切开脑皮层，才能发现其下方的病变。探察的靶点如为解剖结构，则直视 下无法加以区别。如果病变很小，位置深，手术直接寻找将十分困难。病变位于 重要功能区，开颅手术也难以避免造成神经损害。 ( 1 ) 立体定向手术 立体定向手术的问世，正是为了解决上述这些棘手的问题。这种手术的主要 特点是定位精确和创伤性小，立体定向( s t e r e ot a x i s ) 一词起源于希腊字( s t e r e o s ， 意思是三维、立体；t a x i s 指排序、定向) 。脑立体定向手术是利用影像学定位和 定向仪引导，将微电极、穿刺针等显微器械置人脑内特定靶点：通过记录电生理、 留取组织标本、产生毁损灶、去除病灶等方法，进行诊断和治疗神经外科的各种 病变。c t 和m r j 体层成像技术为立体定向手术打开了新领域。因为它们扫描可 以直接显示颅内病变及其靶点，避免了脑室造影间接定位不够精确、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新纪元。 9 堕a ! 三些奎冀堡圭耋堡重查堑三塞堕耋重堡堡鱼垄壅堡堡星堡 目前，借助c t 、m r j 引导施行立体定向手术，有两种方法。一种是在c t 室或m r j 室施行手术，利用先进影像技术随时直接观察靶点或利用探针间接定 位靶点。另一种方法是c t 、m i u 扫描定位后，仍回手术室施行手术操作。后一 种方法容易利用其他设备资源( 如脑血管造影、脑电检测、脑超声检测等) 和手术 设施，因而为国际绝大多数神经外科所采用。 立体定向手术可以治疗各种功能性神经外科疾病，也可以诊断、治疗脑内各 种病灶。特别是近年来，在立体定向治疗脑肿瘤方面更有许多进展，如采用立体 定向肿瘤切除术、脑肿瘤内放疗、脑瘤射频治疗等。立体定向手术可以解决不适 合开颅手术的脑内小病灶、深部病灶、多发病灶和位于重要功能区的病灶。就病 变部位而言，无论位于大脑、小脑还是脑干，立体定向手术并无限制。 立体定向的首要任务是给颅内肿瘤精确定位。使用c t 、m r i 和d s a 等成 像装黉并获取病人戴立体定位头架定位标志的断层扫描图像( 三维医学影像) ，用 测量头盔测量病人头形数据，这就构成了治疗计划系统的全部临床定位信息。 ( 2 ) 医学影像引导技术 在手术仿真中一个方案的结果不理想并不会有任何损失，丽在引导介入治疗 中就不允许有引导错误。因为这将造成对病人的损伤。介入治疗系统包含了进行 手术仿真系统的全部要求。 图像引导手术导航系统i g s n s ( i m a g e - g u i d es u r g i c a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，亦称 影像引导神经外科) 是三维医学影像技术的具体运用。利用该系统，当外科医生 用手持探针沿患者头皮表面移动时，实时重建的3 d 图像会显示探针轨迹与脑内 发病区域的相对关系，以及该路径上的脑结构。借助于一些校准标记，可迅速估 计出病灶的深度并计算出点到点的距离。医生就可对多种手术方案进行交互式探 索和比较，从而找出最佳的手术方案。 一般来说，影像引导系统由影像、跟踪系统、手术工具( 机器人) 这几部分组 成，影像引导系统的工作情况是： 1 ) 先将患者头部定位，定位方法各不相同，可以用框架或其他方法；手术 前c t 或m r j 提供解剖信息，p e t 给出功能信息，m r a 和d s a 给出血管信息 等：计算机重建各个层面的三维影像，医师模拟手术入路，制定手术计划。 2 ) 通过影像引导系统将影像、手术工具( 手术显微镜或探针) 及患者的头部 这三者相连，由于瞬间视觉反馈作用，医生在手术过程中随时都可以从屏幕观察 塑i ! 些叁堂堡圭堂堡篁圣 篁三塞匿堂丝堡墼鱼星基些堡堡垄 到探针在人脑中的准备位置，知道探针到发病区域的距离，以及探针周围的脑解 剖结构。 3 ) 影像引导系统按照预定的手术方案引导效应器( 如显微镜、内窥镜、激光 或手术机器人等) 施行手术。这样，手术医生就无法再去探查那些距离较远的组 织，从而保证手术快速并可避免病灶周围的关键结构而进行。 影像引导系统的最终目标是全图像引导手术( f u l li m a g e g u i d e ds u r g e r y ) ，表 2 1 列出了几种可引导手术的图像模式及其特点。 伴随着先进影像学的发展，各种立体定向手术附属设备也在不断创新中得到 逐步改进，不断扩大着立体定向手术范围( 如计算机辅助立体定向手术、机器人 辅助脑立体定向手术) ，可视化、定位化及导航化技术正在同益完善中。 表2 1几种可引导手术的例像模式及其特点 图像模式英文名及缩写提供信息特点 c o m p u t e r i z e d 分辨较好，对人体有 计算机断层扫描像解剖 t o m o g r a p h y ( c t )辐射 m a g n e t i cr e s o n a n c e 分辨较好，对人体无 磁共振成像解剖 i m a g i n g ( m p d ) 辐射 p o s i t r o ne m i s s i o n空间分辨好，须用核 正电子发射断层像功能、代谢 t o m o g r a p h y ( p e t )素示踪迹 d i g i t a ls u b t r a c t i o n 分辩好，有辐射，限 数字减影血管造影术血管 a n g i o g r a p h y f d s a )于投影面显像 m a g n e t i cr e s o n a i l c e 分辩差，无辐射，可 磁共振血管造影术血管 a n g i o g r a p h y ( m r a )全方位观察血管 解剖、手术反馈手术中脑形体变 摄像机摄像v i d e o 场景化及手术器械位置 脑图谱 b r a i na t l a s 解剖标准解剖形态 i n t r a - o p e r a t i v e 术间超声解剖形态改变 u l t r a s o u n d 脑电图e e g解剖形态改变 耍i 占些奎童堡圭堂堡垒壅篁三童匿堂璧堡堡垒星基鏖堡星堡 2 2 计算机断层扫描成像( c t ) 技术 电子计算机断层扫描系统即c t ，是一种对穿透射线( x 线) 所经过的物质断 面进行扫描，并通过计算机技术显示该层面结构的装置，是本世纪7 0 年代出现 的新型放射诊断成像设备，是临床需要与先进技术手段相结合的产物。它是运用 一定的物理技术，以测定x 线在人体内的衰减系数为基础，采用一定的数学方 法，经电子计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，再 应用一定的电子技术把此二维分布矩阵变为图像画面上的灰度分布，从而实现重 新建立断面( 实为断层或切层) 图像的现代医学成像技术。 1 8 9 5 年，德国物理学家伦琴发现了x 射线，并有外科医生首次利用x 射线 观察人体的内部解剖结构，这成功地开创了影像技术的先河。1 9 6 9 年，英国工 程师h o t m s f i e l d 首次设计成功了一台断层摄影装置，并于1 9 7 2 年与英国神经放 射学家a m b r o s e 一道将该技术首次应用于脑部扫描，获得了第一幅脑肿瘤图像。 该摄影装置称为计算机x 射线断层扫描摄影装置，简称计算机层析成像或c t 。 1 9 7 4 年，由l e d l e y 设计成功全身c t 装置，这进步扩大了c t 的检查范围， 从而为c t 进入临床医学领域奠定了基础。 近2 0 年来，由于c t 装置、成像软件及扫描技术的不断更新和改进，出现 了c t 电影、c t 血管造影、超高速c t 、高分辨率c t 、螺旋c t 等技术，使得 c t 技术在临床的许多领域得到应用，提高了诊断的准确度和可信度。 2 2 1 c t 成像的基本原理 当x 射线穿过某种物质时，部分光子被吸收，其强度成指数关系衰减，未 被吸收的光子穿过物体后被检测器接受，经过放大并且转换成电子流，得到模拟 信号，在转换成数字信号输入计算机进行处理，重建图像供诊断使用。检测器接 收到的信号强弱取决于人体横断面内组织的密度，密度高的组织吸收的x 射线 较多，检测器得到的信号较弱，比如人体的骨骼、钙化的组织等：反之，密度较 低的组织吸收的x 射线较少，检测到的信号较强，譬如脂肪等组织。c t 诊断j 下 是利用x 射线穿透人体后的衰减特性作为诊断病变的依据的。 c t 设备克服了线积分的弊病，得到了反映人体组织结构分布的图像。总的 堡i ! 三些奎童堡圭堂堡垒圣 篓兰耋基茎鬓堡堡鱼垄薹垡堡堡垒 来讲，c t 的基本原理是采用准直后的x 射线束对人体的某一层面从不同的角度 进行照射，在射线穿过的另一端利用探测器接收多组原始数据，经过计算机重建 后得到用于显示的二维数据矩阵，通过显示设备显示图像。 c t 经过2 0 多年的迅速发展，按照扫描方式柬划分已经有五代c t 。第代 c t 以h o u n s f i e l d 的第一个头部c t 扫描装置为代表，该c t 采用平行x 射线束 递增扫描方式，要求扫描对象在扫描过程中固定不动，这就使得他的应用受到较 大限制，一般多用于颅脑诊断。第二代c t 采用扇形束递增扫描方式，允许扫描 设备以较大角度旋转( 一般为1 0 度) ，扫描时间较少。第三代c t 采用扇形束旋 转扫描器，在这种扫描设备中检测器成弧形排列，扫描方式仅需要x 射线做一 种运动，但在通道增益不一致、不稳定或未能进行及时校正的情况下，易出现环 形伪影。第四代c t 的扫描原理与第三代c t 相近，检测器排列成圆环状且固定 不动，x 射线源在探测器环内做旋转运动。第五代c t 一般称为锥形半圆柱扫描 c t ，可以获得诸如人体心脏这样快速运动器官的精确影像。 2 2 2c t 扫描方式 c t 扫描方式分为定位平扫及断层扫描两种。 所谓定位平扫是指扫描机架不动，受检者移动通过x 射线的照射区，检测 器接收穿过人体后的x 射线，数据采集系统获得相应的数据并且由计算机进行 图像重建。这种方式得到的图像与普通的x 射线摄影得到的影像是一样的，是 二维重叠的图像，而不是断层图像，这种图像用于定位图像，以确定断层扫描中 的扫描断层位置。 断层扫描是指扫描机架按照一定的扫描方式绕受检对象运动一周，如旋转， 产生一个断层切片。在扫描机架运动过程中x 射线源曝光，检测器检测x 射线， 计算机采集、处理并进行图像重建，这样就得到受检者某一断层位置的切片图像。 选择适当的层厚和层位，经多次扫描就可以获得一系列无重叠的二位图像。 2 3 磁共振成像( m r i ) 技术 2 0 世纪4 0 年代，人类就认识了核磁共振现象。但这一现象在3 0 多年之后 堑些三些奎堂竺圭耋丝堇奎堑三茎里堂矍堡墼垒堡墨堕堡星堡 才得到了广泛应用。1 9 4 6 年，美国学者斯坦福大学的f e l i xb l o c h 和哈佛大学的 e d w a r dp u r c e l l 分别发现了核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 现象，为现代 的磁共振成像技术建立了理论基础。 核磁共振的核是指某些原子的原子核，磁说明必须有外加磁场存在，共振则 是指一种物理现象，有些类似于以同一频率振动的两个音叉，其中一个音又是感 受另一个音叉的声波振动的。这里，共振就是在射频脉冲的作用下，使得原子在 两个能态之间相互变化的现象。核磁共振是在外加磁场的作用下，正在旋进的某 些原子核发出一定频率的电磁波，如果用适当的射频电流从与主磁场向垂直的方 向上对旋进的原子进行激励。则其旋进角度增大；如果撤除激励电流，原子则要 逐渐回到原始状态，并发射出与激励信号频率相同的信号，这一现象称为核磁共 振，简称n m r 。利用这种原理得到的影像，称为核磁共振图像，这种成像技术称 为核磁共振成像。由于“核磁共振成像”名词中的“核”字易误解为与放射性核 素有关，现在医学领域习惯上去掉“核”字，称为“磁共振成像”。 2 3 1m i l l 成像的基本原理 ( 1 ) 微环境与宏观条件 物体的原子是由原子核及围绕原子核运动的电子组成的，原子核由中子和质 子构成，产生核磁共振现象的前提是中子、质子两者必须有一种粒子的数目为奇 数。由于原子核内的质子、中子存在核磁矩，也就是存在着微磁场，这是产生核 磁共振的基本前提。 ( 2 ) 磁共振信号与图像 1 ) 空间定位 根据l a r m o r 定律，在均匀的强磁场中，生物体内质子群的旋进频率有场强 决定，且是一致的。如主磁场中再附加一个线性梯度磁场，则被检体各部位质子 群的旋进频率可以因磁场强度不同而有所区别，这样就可以对被检体某一部分进 行m r 成像。因此，m r i 空间定位靠的是梯度磁场。 2 1 图像重建 二维与三维图像通过傅里叶变换进行重建。为了获得高信噪比的图像，整个 步骤需要重复多次。 1 4 堕! ! 三些奎耋堡主耋堡堡塞箜三耋堕耋鬓堡堡鱼星基堕堡堕堡 ( 3 ) 影响因素 影像核磁共振的因素有很多。图像的空间分辨率、影像对比度、图像的信噪 比及检查条件等均可影响图像质量。 2 3 2m r i 的优点 磁共振成像系统装置是利用核磁共振理论，在现代计算机及微电子技术的基 础上实现的一种成像装置。磁菇振成像所得到的图像有其他成像方式不可比拟的 优越性。 f 1 1 因为b 超对人体的骨骼及空气有强烈的反射，故其成像深度浅。 ( 2 ) x 线- - c t 和y 射线有电离辐射，对人体有害。只有磁共振成像由于其成 像过程是稳定磁场、交变磁场与被成像部位机体组织的原子核的相互作用，而这 些原子核及其生理条件改变其所在位置的磁场强度，对人体组织无损伤，故是目 前最理想的成像诊断装置。 ( 3 ) 磁共振成像时没有机械运动，所以成像清晰而无伪像。同时磁共振成像 还可任意选取成像断面，便于使用。 2 3 3m r 的临床应用 现在，对中枢神经系统，磁共振成像已经成为临床的主要诊断手段，国外一 些医院甚至将其用于胎儿神经系统发育的检查。该技术对脑肿瘤、脑部炎症、脑 血管病、脑发育不良、脑变性病与白质脑病有良好的诊断价值。对颅脑损伤与癫 痫的诊断，可起到辅助诊断作用。对脊柱与椎管内病变，也有重要的诊断意义， 如椎管肿瘤、脊柱炎症病变、脊柱先天畸形、退行性病变、脊柱外伤与手术后改 变等的应用。此外，在其他系统，如对五官、甲状腺、乳腺、心脏、血管与纵隔、 腹部实质性脏器、胆道系统、肾上腺与肾、盆腔、肌肉、骨关节与骨髓疾患等， 均有重要诊断意义。磁共振成像技术对肺、密质骨，如四肢长骨与胃肠道疾病， 目前尚不如x 射线与c t 。 琶i 王些奎耋堡圭耋堡垒茎堑三塞匿堂整堡堡鱼丝基璧堡星堡 2 4 其他影像设备 影像技术除上述介绍的c t ，m r i 技术以外，还有正电子放射断层成像 p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 技术。该技术是研究人体内部组织与器官功 能的最重要的手段。在人体有关部位注入放射性同位素药剂，同位素药剂将被组 织吸收，并且形成某种表示器官功能的分稚。p e t 的物理根据在于组织内的同位