（生物医学工程专业论文）相控HIFU治疗计划中若干关键技术的研究——图像分割及体视化.pdf

上海交通大学博士学位论文 为了从体数据场中提取出感兴趣目标，本文提出了一个基于改进h o p f i e l d 神经网络 ( m o d i f i e dh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ，m h p n n ) 的目标轮廓提取新方法。通过最小化一个基于 形变模型的能量函数，目标轮廓提取问题被描述为一个寻找边缘点的晟优化过程。文中设计了 一个改进的二维h o p f i e l d 神经网络来实现这个最优化过程，对如何由形变模型参数求解出该神 经网络中各神经元间的连接权值作了详细的推导，并分析了此网络的收敛性。由于h o p f i e l d 神 经网络具有集体计算和能量收敛的能力，m h p n n 算法执行速度较快。 本文的另一主要工作是提出了一个三维旋转绘制( 3 dr o t a t i o n a lr e n d e r i n g ，r r ) 法快速实 现医学图像体数据场的可视化。针对传统体绘制算法中体素分类这一难点，设计了一个从体索 灰度到体素透明度的连续映射公式，实现了由体素灰度到体素透明度的直接转换，由于不需要 对体素进行分类处理，体绘制算法得到大大简化。为了使显示更加灵活，将体数据灰度梯度也 引入透明度映射公式中，通过调整透明度灰度权值和透明度梯度权值，实现了体数据中不同组 织、不同频率成分的过滤显示。由源衰减模型，朗伯漫反射余弦定律和p h o n g 镜面反射模型， 推导出了计算数据场中每一点明暗度的计算公式，通过旋转光源和视点，来自不同观察方向的 感兴趣结构的体绘图能被满意地生成，从而避免了对内存中整个体数据的旋转。通过对人体头 部c t 图像数据场进行三维旋转绘制，实验结果表明该方法具有较好的实用性。 最后，将m h p n n 分割算法应用到人体病灶和软组织器官的m r 图像分割上，分别进行了 序列脑瘤m r 图像、序列肝脏m r 图像和序列胆囊m r 图像的分割实验，并对分割结果进行了 体视化，实验结果令人满意。 关键词：h i f u ，非线性滤波，三维重建，图像分割，体视化，h o p f i e l d 神经网络。形变模型 i i 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo ns e v e r a lk e yt e c h n i q u e si np h a s e d h i f ut r e a t m e n tp l a n n i n g ：i m a g es e ( 讯伍l 琢a t i o n a n dv o l i 瓜4 e s u a l i z a t i o n a b s t r a c t u s i n gt h eu l t r a s o u n dp e c u l i a rc a p a b i l i t yo fp e n e t r a t i o n ，o r i e n t a t i o na n df o c u s i n g , p h a s e dh i f uc a l l b u i l dh i i g hi n t e n s i t yf o c u si nd e e pt i s s u ea n dc a u s ea c u t ec e l ld e a t hb yf o c u s i n gu l t r a s o u n db e a m s s ot h e p h a s e dh i f ut e c h n i q u eh a sb e c o m eah o t s p o to ft h e r a p e u t i cu l t r a s o u n d a so n ep a r to ft h ec o m p u t e r i n t e g r a t e ds y s t e m ，t r e a t m e n tp l a n n i n gp l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i nt h ep h a s e dh i f us u r g e r y b u t o b r a i n i n gt h ei n f o r m a t i o no f t h ef o c u sl o c a t i o ns u c ha sat u m o ri sak e ys t e pt om a k eac o r r e c tt r e a t m e n t p l a n n i n g t op r o t e c tn o r m a lt i s s u e sa n di n c r e a s et h et r e a t m e n te f f i c i e n c y ，w em u s th a v eab e a e r t m d e r s t a n d i n go ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls h a p eo fh u m a no r g a n sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o r m a l t i s s u e sa n dp a t h o l o g i c a ll e s i o n sa n dp r o v i d et h ea c c u r a t el o c a t i o no ft h ef o c u st ot h et r e a t m e n ts y s t e m s ot h e r ee x i s t sag r o w i n gd e m a n dt os e g m e n ts t r u c t u r e sb fi n t e r e s tf r o ms e q u e n t i a li m a g e sa n d d i s p l a y t h e s et i s s u e sa st h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c t so nt h es c r e e no f ar e s t e r - s c a nd e v i c e t h u s ，t h i sp a p e ra i m st 。 d om o r er e s e a r c hi nt h i sa r e a , a n de x p e c tt oa p p l ys o m ea d v a n c e ds e g m e n t a t i o na n dv o l u m e v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi np r a c t i c e i n t h i sp a p e r ，t h es t e p so ft h et h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o nf r o mas e r i a lo fm e d i c a la r o s s s e c t i o n a li m a g e sa r ef i r s t l yi n 仃o d u c e d t oi m p r o v em e d i c a li m a g eq u a l i t ya n de n h a n c es i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ，am o d i f i e dn o n l i n e a ra n i s o g o p i cd i f f u s i v es m o o t h i n ga l g o r i t h mi sd e s c r i b e d h e r e ，f i l t e r i n gi sa n i t e r a f i v ed i f f u s i v ep r o c e s s b ya u t o m a t i c a l l ys e l e c t i n gt h eo p t i m a ld i f f u s i o nc o n s t a n ta n di t e r a t i v e n u m b e r , t h ef i l t e r i n gp r o c e s si st o t a l l ya u t o m a t i ca n dd o e sn o tr e q u i r ea n yo p e r a t o ra s s i s t a n c ea n dt h e d i f f u s i o ni ss u p p r e s s e do rs t o p p e da tb o u n d a r i e sa n de d g e sa n ds m a l ls t r n c t u r e sa r er e t a i n e dat h r e e d i m e n s i o n a li m a g ei sf o r m e db ys t a c k i n gac o n t i g u o u ss e q u e n c eo ft w o - d i m e u s i o n a lc r o s s s e c t i o n a l i m a g e s ，o rs l i c e s t y p i c a l l y , t h es p a c i n gb e t w e e nk n o w ns l i c e si sg r e a t e rt h a nt h es p a c i n gb e t w e e n k n o w np o i n t so nas l i c e ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n , a n dd o s ec a l c u l a t i o ni nu l t r a s o u n ds u r g e r y , h o w e v e r , u s u a l l yr e q u i r et h et h r e e d i m e n s i o n a li m a g et oh a v ee q u a ls a m p l es p a c i n gi na l ld i r e c t i o n s t o m e e tt h i s r e q u i r e m e n t ，o n eu s u a l l yu s e sd i r e c t l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o d u n f o r t u n a t e l y , l i n e a r i n t e r p o l a t i o nm a k e st h ei m a g e sb l u r r e do ne d g e s t h e n ，w ea p p l ya ni n t e r p o l a t i o nm e t h o db a s e do n i i l 上海交通大学博士学位论文 p o i n tm a t c h i n g ，i nw i n c ht h ec o r r e s p o n d i n gi se s t a b l i s h e db e t w e e np o i n t si nn e i g h b o r i n gs l i c e s ，a n dt h i s c o r r e s p o n d e n c ei su s e dt oe s t i m a t ed a t ab e t w e e nt h es l i c e sb yl i n e a ri n t e r p o l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ei n t e r p o l a t i o nt e c h n i q u eb a s e dp o i n tm a t c h i n gc a l lp r o d u c em o r ea c c u r a t er e s u l t st h a n d i r e c tl i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，e s p e c i a l l yw h e ni n t e r s l i c ed i s t a n c ei sm u c hl a r g e rt h a ni n t e r p i x e l d i s t a n c e i na d d i t i o n w et r yt of i n dt h ew a yt or e g i s t e rs e r i a lc r o s s s e c t i o n a li m a g e sb yu s i n gt h e i n f o r m a t i o ni ni t s e l f - t h r o u g hu s i n gm o m e n to p e r a t i o n ，w ef i n dt h ec e n t e ra n dm a i na x i so fe a c hs l i c e t h e nt w ot y p e so fr i g i db o d yt r a n s f o r m a t i o na sl a a n s l a t i o na n dr o t a t i o nm eu s e df o rc o r r e c t i n gc h a n g e s i np a t i e n tb e d yp o s i t i o nc a u s e db ym o t i o nd u r i n gs e r i a lm ro rc ts c a n s t os e g m e n to b j e c t so fi n t e r e s tf r o mv o l u m ed a t as e t s ，w ep r e s e n tan e wa p p r o a c hf o rd e t e c t i o no f o b j e c tb o u n d a r i e si nm e d i c a li m a g e su s i n gam o d i f i e dh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ( 【 邛小心i ) t h e b o u n d a r yd e t e c t i o np r o b l e mi sf o r m u l a t e da sa l lo p t i m i z a t i o np r o c e s st h a ts e e k st h eb o u n d a r yp o i n t st o m i n i m i z ea ne n e r g yf u n c t i o n a lb a s e do na na c t i v ec o n t o u rm o d e l am o d i f i e dh o p f i e l dn e t w o r ki s c o n s t r u c t e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m w ef i r s td i s c u s sh o wt om a pt h eb o u n d a r yd e t e c t i o n p r o b l e mi n t oan e t w o r ks u c ht h a tt h en e t w o r ko u t p u tc a r lb eu s e dt or e p r e s e n tt h es o l u t i o nt ot h e b o u n d a r yd e t e c t i o na l g o r i t h m t h e nw ea n a l y z et h ee x p r e s s i o n so ft h ec o s tf u n c t i o no ft h ea c t i v e c o n t o u rt od e r i v et h ef r e ep a r a m e t e r so f t h eh o p f i e l dn e t w o r k t h ed e r i v a t i o no f t h ef r e ep a r a m e t e r so f t h en e t w o r ki sg i v e na n dt h ec o n v e r g e n c eo f t h em o d i f i e dn e t w o r ki sa n a l y z e d t a k i n ga d v a n t a g eo f t h e c o l l e c t i v ec o m p u t a t i o n a la b i l i t ya n de n e r g yc o n v e r g e n c ec a p a b i l i t yo ft h eh o p f i e l dn e t w o r k , t h e m h p n na l g o r i t h mr e q u i r e sl e s sc o m p u t i n gt i m e a n o t h e rp a r to f w o r ki nt h i sp a p e ri st oe x p l o r eu s e f u lv o l u m ev i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u ei nt h ep h a s e d h i f us u r g e r y w ep r o p o s ea l le f f i c i e n tt h r e e d i m e n s i o n a lr o t a t i o n a lr e n d e r i n g ( r r ) m e t h o df o r v i s u a l i z i n gt h ev o l u m e t r i cd a t as e t a l t h o u g ht h ev o l u m er e n d e r i n gb a s e do nc l a s s i f i c a t i o nb e c o m e st h e c l a s s i c a lm e t h o di nm e d i c a li m a g i n g t h e r ei sa l s ot h ed i s a d v a n t a g e c o r r e “c l a s s i f i c a t i o nd e m a n d s p r i o r ii n f o r m a t i o na b o u tt h ev o l u m e ，a n du pt on o wt h e r ei ss t i l ln oa u t o m a t i ca l g o r i t h mw h i c hc a nb e u s e df o rc l a s s i f i c a t i o no fa l lk i n d so fm e d i c a li m a g e s i nf a c t , t h ei n t r o d u c t i o no fc l a s s i f i c a t i o ni n t o v o l u m er e n d e r i n gm a k e st h ea l g o r i t h mm o r ec o m p l e x ，t h e nac o n t i n u o u sm a p p i n gf r o md e n s i t yt o v o x e lo p a c i t ya sw e l la saw e i g h to f g r a d i e n ti si n t r o d u c e d ，a n dw ed e s i g nav a r i a b l e - w e i g h t e dm a p p i n g f o r m u l af o rv o x e lo p a c i t yc o m p u t i n g b ya d j u s t i n gt h ew e i g h t , d i f f e r e n tc o m p o n e n ti nt h ev o l u m ec a n b ef i l t e r e do u t a c c o r d i n gt ot h es o u r c e - a t t e n u a t i o nm o d e l ，l a m b e r t sc o s i n el a wo fd i f f u s er e f l e c t i o n a n dp h o n gs p e c u l a r - r e f l e c t i o nm o d e l ，t w oe q u a t i o n su s e dt oc a l c u a t et h ei n t e n s i t yo f e v e r yv o x e li nt h e v o l u m ed a t aa r eo b t a i n e d u s i n gt h i sm e t h o d ，b yr o t a t i n gt h el i g h ts o u r c ea n dt h eo b s e r v e re y e p o i n t ，t h e 上海交通大学博士学位论文 v i v i dp r o j e c t i o ni m a g e so fs t r u c t u r e so fi n t e r e s tf r o md i f f e r e n tv i e w i n gd i r e c t i o n sc a nb ep r o d u c e d w i t h o u tt h ec l a s s i f i c a t i o na n dr o t a t i o n a lt r a n s f o r m a t i o no ft h ew h o l ed a t as e t ，t h er ra l g o r i t h mh a s a d v a n t a g e so fl e s sc o m p u t i n gt i m e ，l e s ss t o r a g er e q u i r e m e n ta n dh i g hi m a g i n gq u a l i t y , a n di sa9 0 0 d m e t h o do fm e d i c a lv o l u m ev i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e di ns e r i a lb r a i nt u m o rm r i m a g e s ， s e r i a ll i v e rm ri m a g e sa sw e l la sg a l l b l a d d e rm ri m a g e s ，a n dp r o v es a t i s f y i n gr e s u l t sv i av o l u m e r e n d e r i n g c o n c l u s i o na n ds u g g e s t i o nf o rf u t u r ew o r k sa r ea l s oi n c l u d e da tt h ee n do f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：h i f u ，n o n l i n e a rf i l t e r i n g ，t h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ， v o l u m ev i s u a l i z a t i o n , h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ，d e f o r m a b l em o d e l v 上海交通大学博士学位论文 主要符号说明 符号 名称 散布常数或流常数 二维离散图像函数f ( x ，y ) 的( f + ，) 阶矩 体素 体素中材料f 所占的百分比 体素材料f 有强度值，的概率 第f 种材料的不透明度系数 体素的不透明度 体素的颜色 体素v ( x ，y ，z ) 处灰度梯度向量的模 灰度不透明度参数 梯度不透明度参数 光源强度 漫反射系数 镜面反射系数 表面光洁度的因子 体素v ( x ，y ，z ) 至观察者的距离 光源方向的单位法向量 观察方向的单位向量 体素v ( x ，y ，z ) 处的表面单位法向量 弹性能量项权系数 弯啦能量项权系数 梯度能量项权系数 距离能量项权系数 神经元( ，t ) 的输出 神经元( f ，) 和神经元( ，) 间的连接权值 输入到神经元( f ，k ) 本身的一个偏移量 神经元( f ， ) 的状态 v i 力 d d ” h 力 力 弘 ， 疋颤k 吁 弘 儿 孝毒!n w q吡姒陬州局墨g啦l v喇黝mk 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密匝扩在竺年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：吕i 扛松 日期：叫年- 7 月7 f t 指导教师签名： e t 期：。，年 i 如牡 u 7 月，日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吕l f 乙私 上海交通大学学位论文答辩决议书 l 寿扦“一k 松 肛i 九：学荆r 筝x 。r l * 、 ， 物扭学l $ v 沦支趔盯箱控川r u 胃f ，i _ 划，p 符。f ，：键投术的五f 宄一- - 缘分别成体褫化 答辩1 _ | j 吣- 1 】7 一 l 目粹自；地-k 玛受j 、浩然j ：坎h 搂会议z 替蛳釜员龛成必 j ：f t j i l l 务辨耙职张所在。1 休荦他 嫩遗鹏 教投j 埔寝人蹦像所 委员倪养华 教授j i 鞋| ：f 受火电信。院 委员 币智教授j ，海。：- l k 人 黉员求贻盛 教授 + 海交天生踞系 委员 王成道教授华师大信息学院 委员陈亚珠 教投j 二海变大生医所 委员j 飞b 泉教授同济大学生艇系 一 。7j，_ _、 评浯和决议： 一t ；缮铂善乏2谤铂乒毒乏 之 赡瑟爱抟j 匕礴 i 。 蔷矗一 无 尢 见 兜 无 屯 无 攀锑讼十 名) 日 基 ， 本td l p 磊驴 、q 移凇 ， 荔9 一 鬻7 于黧汐 髯一 上海交通大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1相控 f u 治疗技术的发展及论文背景 所谓超声，是指频率超过了人耳听觉范围的声波，即频率超过2 0 k h z 的机械波。超声波既 是一种波动形式，又是一种能量形式。在医学领域，由于超声对人体具有无损、无刨、无电离 辐射等优点，在对内脏器官疾病诊断和治疗方面，它越来越发挥着重要的作用。 从应用角度，医学超声可分为：诊断超声和治疗超声。诊断超声是超声波以高频低能量形 式应用于医学领域，而治疗超声是以低频高能量形式作用于生物组织。根据所用强度不同，治 疗超声又分为理疗超声、热疗超声和高强度聚焦超声。理疗超声使用的能量较低，其目的是在 超声辐照的组织内产生有益的、通常是可逆的变化，从而促进组织伤口愈台或激发某类活性细 胞使肌体恢复正常功能；热疗超声通常采用高于理疗超声的声强度，将大块组织加温至 4 3 。c 一4 5 。c ，加热时间至少为3 0 分钟，使放加热组织中某些病变组织( 如肿瘤) 由于其组 织的结构特点导致死亡，而正常组织由于血流散热等影响在超声辐照后一段时间内自行恢复其 生理功能而基本不受影响；高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d h f u ) 技术利用超 声波特有的深穿透能力、强方向性和可聚焦性，通过一定的聚焦方式，实现超声能量在人体深 部组织的高强度会聚，使聚焦区声强达到上百瓦或更高，在极短时间( 约o 。1 一】0 秒) 内，就可 使组织温度达到60 80 0 c ij 】，细胞蛋白质在如此的高温下发生急性凝固坏死，造成病变组织的 急性热损伤，达到治疗目的。 在二十世纪4 0 年代，h i f u 技术被应用于神经外科手术【“，到了五、六十年代该项技术有 较大的发展，但是限于当时工程技术的局限，该项技术并没有能够迅速发展完善起来。进入8 0 年代，随着许多相关技术问题逐步得到解决，该项技术又引起了众多工程技术人员和医学工作 者的极大关注。到了9 0 年代，h i f u 技术成为肿瘤热疗和治疗超声领域的新研究热点【3 】。h i f u 手术克服了传统热疗对组织血运情况的依赖，提高了治疗效率和精度。与传统的热疗相比，h i f u 治疗具有治疗部位深、治疗时间短、治疗焦斑小和治疗效率高等诸多优点。治疗时为了使超声 到达人体深部病灶区，且使正常组织不受到损伤，同时为了在治疗区域得到高的超声能量密度， 聚焦措施是必不可少的，目前主要采用的聚焦方式有曲面聚焦、声透镜聚焦和相控阵列聚焦。 相控h i f u 阵列是实现超声声束聚焦和扫描控制的理想手段，它通过控制每个换能器阵元激励信 号的相位进行电子扫描和相控聚焦来实现对超声束的旋转，替代曲面自聚焦换能器和声透镜换 上海交通大学博士学位论文 能器采用的传统机械扫描方式，易于实现计算机的精确控制。因而相控阵列可以更加准确、灵 活、快速地进行声束聚焦、定位和位置切换；形成更加灵活的单焦点和多焦点治疗声场模式， 可快速地对位于人体深部的大体积病灶进行加热，从而大大地缩短治疗时间，使得临床治疗中 对病灶进行的非入侵聚焦超声手术更易实现 4 ：可对声柬传播路径进行灵活控制从而避免骨骼 等正常组织受到伤害 5 ；并可对因组织不均匀性和治疗目标移动引起的声束聚焦和定位偏差及 时进行电子校正和补偿，最终实现相控h i f u 对肿瘤高效适形的治疗 6 。随着医学领域高精度成 像技术的飞速发展，各种医学成像模式，如螺旋c t 、磁共振成像( m r l ) 、超声成像、p e t 等， 为疾病的确认提供了更加可靠的诊断数据。在外科手术领域，如何更充分地利用c t 、m p d 、u s 、 p e t 、d s a 等提供的图像信息，更好地利用图像处理和图形学技术，发挥计算机在高精度测量 计算方面的优势，在显示方面直观显示人肉眼不能看到的体内脏器和病灶，并结合立体定位技 术和h i f u 技术进行复杂精细的非侵入式的无刨或微创手术，这些需求导致了在生物医学工程 领域计算机集成手术领域中超声手术( u l t r a s o u n ds u r g e r y ) 7 1 研究方向的形成。 图1 1 ，计算机集成相控h i f u 治疗系统示意图 f i g1 - 1 c o m p m e ri n t e g r a t e dp h a s e d _ h i f ut r e m m e ms y n e m 作为一种计算机集成手术( c o m p m e ri n t e g r a t e ds u r g e r y , c i s ) 【”，超声手术就是研究和开发 一种人机协作系统，通过合理、定量地利用图像数据和定位系统，进行外科手术的计划、治疗 和评价。如图1 - 1 所示，一个完整的计算机集成相控h i f u 治疗系统( c o m p m e ri n t e g r a t e d p h a s e d h i f ut r e a t m e n ts y s t e m ) 包括病人和医生、接口设备、计算机和网络、相控h i f u 聚焦 2 上海交通大学博士学位论文 装置( 如图1 - 2 所示) 、医学影像仪( c t 、m r i 、u s ) 和定位传感器、病人图像数据和治疗计 划、治疗记录和结果数据等七大部分。计算机和网络是整个系统的控制中心，通过接口设备， 将医生的命令、病人图像和其它传感器数据传递给计算机，计算机处理数据并发出控制指令给 相控h i f u 聚焦装置，相控阵列根据控制指令在指定治疗部位产生所需剂量的聚焦超声。整个 治疗过程分为手术前，手术中和手术后三个阶段。在“手术前”阶段，根据病人图像数据建立 针对病人的3 d 模型，制定手术计划。在“手术中”阶段，根据实时获得的图像和定位传感器 数据及时更新病人模型、更新手术计划，通过计算机控制手术的进行。在“手术后”阶段，重 新采集病人图像，对治疗效果进行评估。超声手术是多学科尖端技术的结晶，它集中了计算机 科学、数学、自动控制、机械学、外科、内科及生物医学工程等领域的科学家利工程技术人员， 把图像图形处理、科学可视化、空间立体定位、精密机械和外科医生有机地结合在一起，形成 的一个新研究方向。相控h i f u 手术将先进的诊断、治疗设备和外科医生有机地结合起来，充 分地利用诊断设备提供的信息，它延伸了外科医生有限的视角范围，突破了传统外科手术的界 限，更新了外科手术和外科手术器械的概念，它对于提高病灶定位精度、减少手术损伤、缩短 病人术后康复期等具有重要的意义。 图1 2 相控h i f u 聚焦装置实物图 f i g 1 2 p h o t o g r a p ho f t h ep h a s e dh i f ue q u i p m e n t 在国外，高强度聚焦超声已经被证明可以应用于脑、眼1 、心脏 、肝脏 1 2 3 、肾脏1 “、 胰脏 、直肠n 5 1 、前列腺m 3 等部位的肿瘤和疾病的治疗。国内在这方面的研究起步较晚，上 海交通大学医学超声研究室是开展高强度聚焦超声技术研究较早的单位，在王鸿樟教授的带领 下取得了很多研究成果m 讲”1 。重庆医科大学医学超声研究所也是进行该项技术研究较早的 上海交通大学博士学位论文 单位，他们在动物实验和临床研究方面取得了丰富的成果“0 2 “。上海交通大学生物医学仪器研 究所在陈亚珠院士的带领下，也在积极开展该项技术的研究，致力于相控阵列超声治疗系统的 研制和开发 2 2 2 3 2 “，研制的相控型h i f u 系统( 如图1 - 2 所示) 己进入实验阶段。 虽然h i f u 治疗不象超声温热治疗那样对温度有特别精确的要求。但是对h i f u 治疗温度场 和声场的研究以及病灶空间位置信息的获取却是超声治疗计划的一个关键步骤。而超声治疗计 划是临床超声治疗的一个很重要的组成部分，是治疗成败的关键，是近年来随着超声治疗技术 的发展应运而生的一个新研究方向口”。超声治疗计划的研究目的在于提高超声治疗的治愈成功 率和治疗效率，同时阻止治疗负面效应的产生。其内容涉及三个方面：声场的分析。包括超 声焦点声强、焦点分布、加热指标、加热方法和扫描路线等方案的确定。温度场的分析。包 括治疗区域比吸收率( s p e c i f i e da b s o r p t i o nr a t e s a r ) 及温度分布计算；热区计算结果与预定 加热指标的比较和加热方法的修订。医学图像分析与可视化研究。高强度聚焦超声靶点小、 强度高，而人体内有很多重要器官，为了避免损伤正常组织和提高治疗效率，需要对病变侵润 的范围、病灶的大小、形状、空间位置和病灶与周围组织结构之间的解剖关系有一准确的认识。 因此需要将病灶的序列断层图像以三维的形式显示出来，并对治疗目标进行分割和空间定位。 治疗计划中的图像分析与可视化就是完成将医学影像仪采集来的病灶图像进行分析处理，配合 定位传感器提供的目标空间坐标，确定治疗目标的精确位置，并将器官及病灶的序列断层图像 进行可视化，使病灶或感兴趣部位有明确的可视性。由于m r i 和c t 成像质量高，国外常用m r i 禾ic t 引导手术治疗过程、监测治疗部位的温度。目口7 】 2 。随着医学图像模式的发展，极大地帮 助了对人体内部结构的非侵入式研究，将来的最小入侵式治疗在很大程度上依靠治疗系统对目 标的准确定位和瞄准治疗。为了保证手术的成功，对目标的序列断层图像进行精确分割及可视 化就成为整个治疗系统的关键技术之一。正是在这样的背景下，本文重点对相控h i f u 治疗系 统中副示图像( c t 、m r i ) 的分割及体视化技术进行研究，以确保手术朝着正常组织受到最小 损伤而病灶得到最大消融的方向进行。 1 - 2 相控h i f u 治疗计划中的图像分割技术 当今，医学领域不断发展的各种先进成像模式，如磁共振成像( m r i ) 、螺旋c t 、x 射线数 字减影装置( d s a ) 、超声成像等等，在对疾病的诊断方面，发挥越来越重要的作用。这些成像 模式提供了一种非侵入式的映射方法，能将体内各种脏器以图像形式清晰地显示出来，使得医 生可直观了解到正常组织和病变组织的解剖结构或功能信息，为诊断、治疗提供科学的依据。 随着医学图像体积和数量的急剧增加，如何充分利用高速计算机在高精度测量计算方面的 优势来帮助医生处理和分析这些海量数据，成了国内外研究人员亟待解决的任务，而感兴趣目 4 上海交通大学博士学位论文 标结构的分割是自动或半自动实现放射诊断和治疗任务的关键。各种图像分割算法在组织大小 的测量w 、诊断c 3 0 、瘸灶定位3 ”、解剖结构的研究啪1 、治疗计划的确定 、功能成像数据中 部分体元校正 3 4 1 以及计算机集成手术矧中有着举足轻重的作用。 一幅图像是二维或三维空间的一组测量值。对于医学图像来说，这些测量值( 图像灰度) 可能是x 射线成像的射线衰减值，超声成像的声压值。或是磁共振成像的r f 信号幅值。如果图 像的每一位置上仅有一个测量值，称这幅图像为标量图像；如果多于一个测量值( 如双回声磁 共振成像，d u a l e c h o 脉i ) ，这幅图像就被称为矢量或多通道( m u l t i c h a n n e l ) 图像。图像在 采集时可以连续的形式获取( 如用x 光胶卷拍摄) ，也可以离散的形式得到( 如磁共振成像) 。 对二维离散图像来说，每一测量值所对应的位置称为一个像素( p i x e l ) ，对三维图像来说，称 为体素( v o x e l ) 。本文仅对二维离散标量图像进行分割研究。图像分割就是把图像分割成若干 个按照一个或几个特征( 如灰度、纹理等) 均匀分布的互不重叠的连续区域，令i 代表一幅图 像。图像分割就是将图像分割成满足式( 1 - 1 ) 的k 个互不相交的非空子集中，o ，m x ， r 1 = u s ( 1 1 ) 女；】 这里，如果尼，那么n s ，= 中，而且每个瓯是一个单连通区域。在理想的情况下，一 次分割得到的子集对应着图像上特征各异的解剖结构或感兴趣区域。 1 2 1常用的医学图像分割技术 实现分割的方法根据具体的应用、成像模式和其它因素的不同而不同，例如，适合大脑分 割的算法却不能将肝脏很好地分割出来。常见的成像伪迹，如噪声、部分体元效应和运动对分 割效果也有着严重的影响，而且每一种成像模式各有特点。目前，还没有一种分割算法能对所 有的医学图像都能产生可接受的分割结果。虽然确实存在一些通用的分割算法能用于不同的图 像数据，但是，根据具体的应用要求，充分利用先验知识而研究出来的算法，常常具有较好的 分割效果。有关医学图像分割研究的文献报道很多，在参阅了大量文献的基础上，本文对近期 文献中常用的医学图像分割方法进行了归纳，并总结如下： ( 1 ) 门限化( t h m s h o l d i a g ) 分割法 门限化分割法是通过对图像的灰度进行二值划分来实现像素分类的，分割过程就是将图像 中灰度值大于门限值的像素归为一类，而把小于或等于门限值的像素归为另一类。门限值的正 确选择对于正确检测目标是十分重要的，灰度直方图可以作为选择门限的依据。虽然门限值的 自动选取算法 3 6 1 确实存在，但由于门限化操作可以实时进行，对于医学图像而言，操作者常通 过对分割结果的视角估计来交互式地确定门限值。门限化是一种简单而有效的分割方法，常被 上海交通大学博士学位论文 用作一序列图像处理操作的初始步骤。该方法的主要缺点在于：它仅能将图像内容分为两类， 故不能分割矢量图像：另外，它没有考虑图像的空间属性，这使得该算法对噪声和灰度分布不 均性( 这种情况可在m r