（测试计量技术及仪器专业论文）肿瘤感应热疗计划系统中数字影像处理与建模.pdf

摘要 摘要 肿瘤磁感应加温治疗是目前肿瘤治疗的研究热点，其中磁感应加温治疗计划系 统是研究的重要内容。它涉及到医疗影像标准、图像处理、计算机图形学、可视化、 生物医学、软件工程等多个领域的相关理论和技术。 本课题来源于广东工业大学承担的2 0 0 4 年国家自然科学基金项目“交变磁场中 金属粒子诱导肿瘤热疗新方法的研究”。针对已研制的磁感应热疗样机设备，在处于 研发阶段的热疗计划系统的平台上，综合应用数字图像处理技术、计算机图形学技 术以及医学等领域的相关知识，主要从医学影像处理、三维重建算法、小鼠c t 图像 的三维重建和显示、影像数据的三维几何建模等几个关键问题展开研究。 本文分别从算法理论和实际应用的角度，对肿瘤热疗计划系统中医学影像的处 理与建模的相关技术难点进行了深入分析。主要研究内容如下： 从国内外医学图像可视化的研究现状及应用范围出发，对医学c t 图像三维重建 的关键技术进行研究：包括图像的预处理，组织和器官的分割与提取，三维重建算 法的基本原理和特点。 采用f o u r i e r 变换重建算法来讨论c t 重建算法，运用m a t l a b 工具软件与a m i r a 应用软件相结合的方法，编写程序，实现对小鼠肺部c t 图像的三维重建，为后续试 验的进行提供了方法和依据。 应用a m i r a 软件对肿瘤患者的c t 图像进行了三维立体建模，得到某些组织或器 官的表面绘制，网格表面绘制，体表面绘制等三维可视化模型。根据这些三维可视 化模型，不但可以从外形上判断组织或器官因病变而凹凸的情况，以及病变体大小 形状，还能够得到实体的内部情况，取得较理想的建模效果。 通过a m i r a 软件系统中的仿真软件包，对患者模型进行三维有限元仿真模拟， 构造高仿真3 d 模型。同时，通过多通道显示技术来实现仿真模型的温度区域划分， 指导医生可以用肉眼看到被治疗区域参数设定是否合适，更重要的是可以进行邻域 鉴定，以避免重要的正常组织被影响，同时为热疗计划系统中的立体穿刺功能奠定 了坚实的基础。 在写论文的过程中，本人曾在清华大学工程物理系医学物理研究所从事磁感应 广东上业大学工学硕士学位论文 热疗计划系统医学影像处理与效果模拟研究的相关工作，并参与了清华同方威视股 份有限公司磁感应热疗计划系统研发工作。 关键词：磁感应热疗；热疗计划系统；图像分割；三维重建；三维可视化 i i a b s t r a c t a bs t r a c t a tt h ep r e s e n t t h es t u d yo nt u m o rm a g n e t i c i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i ai sv e r yh o t ，a n d t h a tm a g n e t i c i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i at r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e mi si m p o r t a n tc o n t e n t ，i t s t h e o r ya n dt e c h n o l o g yi n c l u d i n gm e d i c a li m a g es t a n d a r d ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e r g r a p h i c s ，v i s u a l i z a t i o n , b i o m e d i c i n e ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n d s oo n t h es u b j e c tb e l o n g st og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y “r e s e a r c h i n go nt h e n e wm e t h o do ft r e a t i n gt u m o rw i t hh y p e r t h e r m i ai n d u c e db ym e t a ls e e d si nt h e i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d ”，w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e 如n di n2 0 0 4 t h i sp a p e ra i m sa tt u m o rm a g n e t i c - i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i as y s t e m o nt h e p l a t f o r mo ft h et r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e m , i ts y n t h e t i c a l l yu s e st e c h n o l o g yo fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g y , m e d i c i n ee t c r e l a t e dk n o w l e d g e ， m a i n l ys t u d y i n gi ns o m ek e yp r o b l e m ss u c ha sm e d i c i n ei m a g ep r o c e s s ，t h r e e - d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m , m o u s ec ti m a g et h r e ed i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o na n d d e m o n s t r a t i o n , i m a g ed a t at h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e l i n ge t c t h ep a p e rd e e pa n a l y z e st h er e l a t i v et e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e so fm e d i c i n ei m a g e p r o c e s s i n ga n dm o d e l i n go ft u m o rt h e r m o t h e r a p yp l a ns y s t e mf r o ma l g o r i t h mt h e o r ya n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , i t sm a i nc o n t e n t sa sf o l l o w s ： t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ep r e s e n ts t a t u s ，b o t hd o m e s t i ca n da b r o a d ，o fm e d i c a l i m a g ev i s u a l i z a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ek e yt e c h n o l o g i e so f3 dr e c o n s t r u c t i o nf r o m m e d i c a lc ta r es t u d i e d ，a n ds o m ec o n c e r n e dp r i n c i p l e sa n da l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d ， i n c l u d i n gi m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s e g m e n t a t i o na n de x t r a c t i o no fh u m a n t i s s u e so ro r g a n s ， 3 dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n di t sb a s i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s u s i n gt h ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o nr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m t od i s c u s st h ec t r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n di th a sr e a l i z e dt ot h em o u s el u n ga n dt h et u m o rp a t i e n t sc t i m a g e3 dr e c o n s t r u c t i o nb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r et o o l sa n da m i r as o f t w a r e i t h a s p r o v i d e dt h em e t h o da n dt h eb a s i sf o ra f t e r w a r de x p e r i m e n t s h a sc a r r i e do nt h e3 dm o d e l i n gu s i n gt h ea m i r as o f t w a r et ot h et u m o rp a t i e n t sc t i m a g ea n do b t a i n e dc e r t a i nt i s s u e so ro r g a n ss u r f a c em a p p i n g ，g r i ds u r f a c em a p p i n g ，b o d y i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 s u r f a c em a p p i n ge t c a c c o r d i n gt ot h e s et h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nm o d e l ，n o to n l y m a yo b t a i nc e r t a i n t i s s u e so ro r g a n ss u r f a c em a p p i n g ，b u ta l s oo b t a i nt h ei n t e r n a ls i t u a t i o n o f t h ee n t i t y , h a sm a d et h em e a le f f e c to fm o d e l i n gr e c o n s t r u c t i o n t h r o u g ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g eo fa m i r as o t t w a r es y s t e m , i th a sc a r r i e do n t h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n st ot h ep a t i e n tm o d e la n dc o n s t r u c t e dt h e h i g hs i m u l a t i o n3 dm o d e l a tt h es a m et i m e ，i th a sr e a l i z e dt h es i m u l a t i o n m o d e l t e m p e r a t u r ep r o v i n c ed i v i s i o nt h r o u g hm u l t i - c h a n n e ld i s p l a yt e c h n ol o g y , w h i c hc o u l dh e i n s t r u c t e dd o c t o rt os e ep a r a m e t e r so ft h et r e a t e dr e g i o n s a n di tm a yc a r r yo nt h e n e i g h b o r h o o da p p r a i s a lm o r ei m p o r t a n t l y , w h i c hc a na v o i dt h ei m p o r t a n tn o r m a lt i s s u e a f f e c t i n g i th a sl a i dt h es o l i df o u n d a t i o nf o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lp u n c t u r ef u n c t i o n a l m o d u l eo f t h eh t p s i nt h ec o u r s eo fw r i t i n gt h i sp a p e r , io n c ee n g a g e di nr e s e a r c hw o r ko nm e d i c a li m a g e p r o c e s s i n ga n ds i m u l a t i o nr e s u l t sf o rm a g n e t i c i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i aa tm e d i c a lp h y s i c s a n de n g i n e e r i n gg r a d u a t es c h o o li nt s i n g h u au n i v e r s i t y , a n dt o o kp a r ti nt h ed e v e l o p m e n t o fm a g n e t i c - i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i at r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e mi nn u c t e c hc o m p a n y l i m i t e d k e yw o r d s ：m a g n e t i c - i n d u c t i o nh y p e r t h e r m i a ；h y p e r t h e r m i at r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e m ； i m a g es e g m e n t a t i o n ；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 ；t h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n 广东工业大学工学硕七学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 5 8 指导教师签字： 论文作者签字： 俐菇手 d 衅夕月娜 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 1 。1 。l 肿瘤热疗的发展历史和方向 肿瘤，也就是平时所说的癌症，已经逐渐成为威胁人类健康的一大杀手。每 年全世界都有数以千万计的人被肿瘤夺去生命。为了攻克这一世界性难题，挽救 患者的生命，多年来研究人员和广大医务人员与肿瘤的斗争从未停止，取得了很 多重大的成就，特别是近几十年，更是获得了一些重大突破。 在传统肿瘤治疗方面，传统上主要采用的是手术、放射治疗和化学药物治疗 三种。可以说这三种疗法挽救了大量的患者生命，但仍然存在一些缺陷，对于部 分肿瘤，采用传统的治疗仍然无能为力。研究人员一直在不断的努力寻找别的治 疗手段，经过数年的研究终于在肿瘤其它治疗方法方面取得了令人振奋的成果， 尤其在肿瘤热疗方面的成果最为显著。采用交变磁场感应加热治疗技术有望克服 局部治疗肿瘤存在的一些缺陷。当前在肿瘤局部热疗方面，无论是对热疗理论的 研究，还是在技术和热疗设备的发展方面，发展都相当的快，因其独特的治疗特 点和良好的治疗效果，以及具有创伤小、可多次重复治疗等优势，使其在肿瘤治 疗领域占据了一席之地。 肿瘤热疗，也就是肿瘤加温治疗，是采用物理加温的方法，使肿瘤组织局部 温度升高，从而杀死肿瘤组织和肿瘤细胞。现代生物学已充分表明：肿瘤细胞 对热高度敏感，4 1 - 4 2 以上的温度就可以有效杀伤肿瘤细胞，使肿瘤细胞内许 多结构和酶蛋白发生改变，影响肿瘤细胞的生长和分化，导致细胞凋亡或直接死 亡。 肿瘤加温治疗根据治疗区域的不同分为全身热疗和局部热疗。全身热疗是对 机体整体加热，在治疗肿瘤的同时对正常组织也造成了不同程度的损伤，因此， 现在已经很少使用。目前，局部加热治疗是热疗研究的主要方向。肿瘤的局部热 广东上业大学i ：学硕士学位论文 疗主要是对肿瘤病变组织进行加热，而对j 下常组织不予加热。从而避免了在治疗 肿瘤的同时对正常组织产生损伤。局部加温治疗根据治疗时温度的不同大致可以 分为两大类：一种是传统加温治疗，即温热疗法，是将肿瘤组织加温到4 2 4 6 。c ， 并持续一段时间，是基于肿瘤细胞比正常细胞对热更加敏感等机理阻，一般用来 增强肿瘤组织对放疗、化疗的敏感性。另一种是热切除( t h e r m a la b l a t i o n ) ，即直接 用热破坏组织，其温度高于7 0 ，对肿瘤细胞以及正常细胞都有非常强的细胞毒 作用，可以使肿瘤组织发生广泛的凝固、炭化( 取决于温度) 。 根据现代热生物学理论，采用中频交变磁场感应方法，将铁磁热籽植入肿瘤 组织内，在受控定向的交变磁场作用下，铁磁热籽产生热效应，使肿瘤组织发热， 杀死肿瘤细胞，有效控制肿瘤与j 下常组织的温升，减少副作用。同时加温疗法作 为一种物理疗法，同化疗、放疗相比，毒副作用小，这使得加温治疗可以多次重 复，而不用像化疗、放疗那样考虑毒性副作用在体内的积累，因而被认为是治疗 肿瘤的“绿色疗法”，在肿瘤治疗中具有良好的应用前景。 1 1 2 热疗计划系统及相关技术的研究现状 在肿瘤加温治疗过程中，需要对肿瘤组织及邻近正常组织进行温度监控i 。 肿瘤组织温度过低，将出现冷点，达不到治疗目的，温度过高，易产生热斑，危 及正常组织。体内温度的监控目前还没有合适的测温方法，临床上现多为有损测 温，测量点有限，不能满足加温治疗的需要。另外，根据不同病人肿瘤大小、形 状、时期、位置等不同的要求，需要给出不同的处方剂量和实施治疗的方案。基 于上述原因，人们在肿瘤热疗中引进了热疗计划。热疗计划通过软件模拟加热升 温过程，显示稳定以后的温度分布，通过选择合适的加温频率，治疗时间等治疗 参数，获取理想的治疗温度，达到治疗癌症的目的。热疗计划英文名称一般为 h y p e r t h e r m i at r e a t m e n tp l a n n i n g ，简称h t p 。做热疗计划的平台，称为热疗计划 系统，简称为h t p s 。目前，在对病人实施治疗前给病人做治疗计划已经成为医 院的惯例，在法律上制定的计划具有法律效力。 肿瘤热疗计划系统相关研究已经有几十年的历史了，早在七十年代，人们对 肿瘤热疗、治疗计划和磁感应加温相关的问题已有研究r 伸，研究内容涉及电磁场 加热，温度测量方法，血流和体表对加热组织的影响等。到八十年代，肿瘤热疗 第一章绪论 及治疗计划系统开始变成了人们研究的热点，研究内容已包括了治疗计划系统方 方面面，从治疗计划的整个过程到临床应用阳r n ”，从早期的微波热疗计划到射频、 超声热疗计划“ “”，从热疗计划的理论研究到计算机软件和设备的研发、系统的 集成等等n “。九十年代，理论研究已经相当成熟，人们开始侧重热疗设备和软 件治疗计划系统的开发，到目前为止，斯坦福大学开发了微波热疗计划系统 s 3 d h t p ，由于软件依赖于特定的计算机平台，移植性差，柏林治疗计划系统对 s 3 d h t p 作了改进和扩展”。另外，在磁感应热疗方面，德国柏林m a g f o r e e 公司 已研制出m f h 3 0 0 型磁感应热疗机，目前在对脑胶质瘤和前列腺癌进行临床实验。 在国内东南大学已试制了小型磁感应热疗设备，用于肿瘤热疗的基础研究， 上海交通大学也对用于磁感应热疗的热籽材料等进行了研究；实验室课题组与清 华大学工程物理系合作，已经成功研制出第一代中频交变磁场热疗样机系统，并 针对设备进行了各种生物学效应等实验n 引n ”。为了早日将热疗设备应用于临床， 课题组正参与加紧第二、三代中频交变磁场热疗设备的研发工作。 总之，热疗作为肿瘤综合治疗的一个重要手段，在临床上越来越引起人们的 重视。关于热疗的研究，特别是其热疗计划系统中医学图像方面的研究，己成为 研究的关键。医学图像处理是计算机网络技术与图像处理技术在临床医学中高度 融合的产物，它将医学图像资料转化为计算机能够识别的数字信息，通过计算机 和网络通讯设备对医学图像资料( 图形和文字) 进行采集、存储、处理及重构等， 使医学图像资源发挥最大功用。在手术规划中，医生可观察病变体、敏感组织、 重要组织的形状、空间位置，确定科学的手术方案。在热疗过程中，根据重建组 织的几何描述，进行热籽剂量的安排，使热疗时不伤害正常组织或对正常组织伤 害尽量小，从而制定最优的治疗方案。因此，医学图像的处理尤其是图像的三维 重建，将直接影响整个热疗治疗的效果，是热疗计划系统中必不可少的一部分。 1 1 3 医学图像可视化技术的发展 英国科学家h o u s f i e l d 因使用x 射线实现了断层扫描技术( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，简称c t ) 在医学中的应用获得了1 9 7 9 年的诺贝尔医学奖。随着c t 技术在医学临床中的成功应用，开创了影像医学的新纪元，到了八十年代，核磁 共振图像( m ) 、正电子发射型计算机断层显像( p e t ) 、单光子发射计算机断层 广东工业大学： 学硕十学位论文 显像( s p e c t ) 等先进的影像技术在医学临床上的成功应用更使得影像医学得以迅 速发展。 科学计算可视化是通过研制计算机工具技术和系统，把实验或数值计算获得 的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而进行数据 探索和分析。医学可视化是科学计算可视化技术的一个分支，它可以从c t 、m r i 等组织切片图像中重构出三维的人体结构，并在计算机上显示出来。 医学数据的可视化，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。由 于近代非侵入诊断技术如c t 、m r i 和正电子放射断层扫描( p e t ) 的发展，医生 已经可以较易获得病人有关部位的一组二维断层图像，。c t 打破传统的胶片感 光成像模式，通过计算机重构人体器官或组织的图像，使医学图像从二维走向三 维，使人们从人体外部可以看到内部。p e t 把核技术与计算机技术结合起来，经 核素标记的示踪剂注入人体后，核素衰变过程中产生的正电子湮灭通过电子检测 和计算机重构成像，使我们可以得到人体代谢或功能图像。在此基础上，利用可 视化软件，对上述多种模念的图像进行图像融合，可以准确地确定病变体的空间位 置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊 断疾病担“。 随着现代医院各种影像信息的大量涌现，各种类型的医学图像信息的处理、 管理、存档问题日益突出，医学图像信息的交换，传递也亟待解决。计算机网络 技术和多媒体技术的迅速发展，为医学信息可视化实现“无片化管理 开辟了广 阔的应用前景。利用计算机图像处理软件包，通过影像工作站，依靠不同接口的 电路采集到不同诊断设备的电子图像，包括模拟视频图像和数字图像，并针对不 同影像的特点及要求进行不同的后处理。医学影像经过存储及数字化转换后，滤 去图像中的干扰信号，通过平滑、锐化、增强、伪彩、放大等图像变幻和处理， 传输到网络服务器。经过医学影像工作站，尤其是i n t e r n e t 上的虚拟现实技术的 远程交换，通过特定的浏览器，便可实现人机交互，获得可视化医学信息共享心”。 1 1 4 医学图像的广泛应用 利用计算机图像处理技术对二维切片图像进行分析和处理，实现对人体器官、 软组织和病变体的分割提取、三维重建和三维显示，可以辅助医生对病变体及其 4 第章绪论 它感兴趣的区域进行定性和定量的分析n ”，其过程如图1 1 所示。 图1 1c t 数据三维重建示意图 f i g 1 - 1c t d a t at 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 nc h a r t 医学图像三维重建及可视化已广泛应用于医学诊断、整形与假肢外科手术、 矫正手术、辐射治疗中z “。以上应用中的核心技术是由一系列二维图像重构出 三维形体，将过去看不见的人体器官以三维的形式在计算机上显示出来。它主要 应用于以下几个方面： 1 医疗诊断 。 利用三维重建技术通过c t 、m r i 二维断层图像来构建人体器官的三维模型并 进行三维显示，对重建模型从不同方向进行观察、剖切，可以辅助医生对病变体 和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性。 2 三维放射治疗 做脑部肿瘤放射治疗时，在重建出的人体内部结构三维图像的基础上，对颅 骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置和等剂量线等进行计算机模拟，使射线 照射肿瘤时不穿过敏感组织和重要组织，不妨害正常组织或对正常组织伤害尽量 小，设计并选择出最佳方案。 3 整形与假肢外科演练 整形外科中的假肢造型，如在做髓骨手术前，根据c t 图像重构髓骨的精确三 维模型，在计算机上进行模拟，设计所需髓骨假肢的外形，并从各个不同角度观 察效果，使之能与病人的个体特征相吻合，最后由医生选择出最佳实施方案，从 而大大提高矫形手术的质量。 4 医学教学与训练 用具有三维重建功能的医学软件，进行医学教学与训练，学生可以不受时间 和条件的限制，大大提高教学质量，也避免了用人或动物尸体心”。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 本文的研究目标与主要内容 1 2 1 研究目标 本文的研究目标是为肿瘤磁感应热疗计划系统中医学影像方面的研究提供方 法依据，完成热疗过程中所获取的医学影像的预处理及三维重建，为肿瘤定位、 粒子布源、剂量计算及计划评估等工作，提供可靠的三维可视化图像数据。拟研 发的热疗计划系统中的图像处理模块能够基本满足磁感应热疗实验和临床试验的 需要，为新一代磁感应热疗计划系统的研发和加温治疗计划系统的建立提供参考 依据和实验条件。 1 2 2 研究的主要内容 本文的课题内容来源于国家自然基金项目“交变磁场中金属粒子诱导肿瘤热 疗新方法的研究 ，主要针对肿瘤磁感应加温治疗计划系统中的医学影像处理及效 果模拟进行了研究。研究的主要内容如下： 1 对磁感应热疗计划系统的设计原则和系统的构成，以及计划系统对影像 处理的要求进行了研究分析，并对基于热疗计划系统的医学图像模块的功能做出 了合理的设计。 2 对面向h t p s 医学影像的研究，内容包括医学影像的获取、影像的预处 理、三维重建和显示技术等，重点是基于磁感应热疗计划系统的影像预处理及三 维重建。( 在数字图像处理技术的基础上，实现了医学影像数据的预处理，包括图 像增强，图像边缘提取等。) 3 在原有工作的基础上，实现小鼠肺部c t 图像及肿瘤患者c t 图像的三维 重构及可视化；应用a m i r a 软件实现医学图像的三维建模及可视化，并在其平台 上实现了热疗计划的相关功能，重点是三维体表和纹理重建，以及三维仿真模型 的建立及显示。 6 第二章肿瘤热疗计划系统及对影像处理的要求 第二章肿瘤热疗计划系统及对影像处理的要求 磁感应热疗计划系统的设计思想来源于磁感应热疗设备，针对课题组研制的 磁感应热疗系统样机，研发其配套的热疗计划系统具有重要的意义。课题组在放 疗及其它热疗计划系统的基础上，根据磁感应热疗样机和临床实验的要求，设计 了磁感应热疗计划系统。本章将介绍磁感应热疗计划系统的总体设计原则及系统 主要模块的功能，并详细介绍热疗计划系统中医学影像模块的功能设计。 2 1 计划系统的总体设计原则 1 整体规划，分步实施 磁感应肿瘤热疗计划系统最终要与肿瘤热疗设备一起在医院中推广使用，而 医院的信息化建设牵涉的范围比较大，涉及的功能也比较完善，所以整个系统必 须要进行“整体规划”，这样才能真j 下实现项目的效益。系统在进行设计的时候 要有一个整体的观念，要能够服从整体的需要。同时，进行了整体规划以后，才 能避免与其他部门出现数据不一致的情况。另外，进行整体规划还可以降低整个 系统的投资，避免资源浪费。 “整体规划 主要是指正确规划整个系统的逻辑结构和物理结构，确定现阶段 的软件和硬件建设目标，制定符合医院业务流程的信息流向，达到信息资源的充 分共享。 “分步实施”主要是根据医院业务流程和医院管理的实际状况确定系统实施 的步骤，后一步骤应以前一步骤提供的软件、硬件基础作更大范围的扩展和应用， 这样系统的建设就可以逐级提炼，实现从低级到高级的平滑过渡2 8 。 2 可靠性和高效性 系统的稳定运行是可靠性的最终衡量尺度，由于本系统涉及患者的医学图像、 医疗信息及医疗证据等重要信息，任何失误都可能造成极其重大的后果。所以整 个系统的长期可靠的运行，对保证医院日常业务和管理工作的正常运转，具有非 常重大的意义。因此，系统准确、不间断的运行变的十分重要。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 高效性体现在多个方面：如图像的读取、传输响应时间；病人信息查询的效 率；病人信息登记方式是否符合医生工作习惯，支持大批量信息输入；人机界面 是否简洁、实用；图像处理各个功能点性能等。 3 安全性 系统的安全性至关重要，系统的安全体系必须有完备的安全防范措施，能够 严格有效地防止外来非法用户入侵，能够避免遭受攻击。因此在系统的网络设计 中，采用硬件技术与软件技术相结合的方式，全面系统地维护系统的安全与可靠 地运行。 在系统内部，应能够提供一套完整的安全防范措施，防止由于操作人员的误 操作以及系统中的某些故障而造成数据被破坏或系统的误动作。系统设计过程中， 对每一个操作人员及系统功能都进行了严格的功能权限划分，引入日志系统，可 以对每一个人的操作都进行记录，每个操作人员都按照严格的权限分配用户名、 口令、功能设置等，提高系统的安全性。 4 灵活性和可扩展性 由于医院的设备会不断的增加，随着系统的不断发展和完善，越来越多临床 科室会依赖于系统提供的诊断结果，系统中的数据量也会越来越大，规模和要求 越来越大，所以在软件结构上、硬件容量上要符合今后系统扩充的要求。 5 满足应用需求 一个系统的设计，关键还是在应用，要考虑到目前的实际需求和将来的发展。 系统不能盲目的要求先进和最好，必须是在能够满足目前的需求的情况下充分考 虑到将来的发展和升级等方面，才能更好的利用资金，并且提高系统的利用率。 2 2 计划系统的构成 磁感应热疗计划系统的设计可以分成三大部分：人机交互界面设计、管理支 持模块设计和主要功能模块设计。人机交互界面设计包括治疗计划系统主界面、 管理支持模块界面、主要功能模块界面的设计，设计的界面尽量简洁美观，符合 人性化的特点：管理支持模块负责协调整个系统的工作流程，包括主要功能模块 内部之间的通信，数据库的管理，热疗方案的管理、用户验证等；主要功能模块 由医学图像导入、二维图像预处理、器官轮廓勾画、介质布源、三维重建、计划 第二章肿瘤热疗计划系统及对影像处理的要求 设计、计划评估、报告输出八大模块组成。系统的功能模块结构如图2 1 。 图图轮介计计报 医 像像廓质维划划 匕 控 口 制 学 导 预勾 布 重 设评输 系 影 入处圆 源建 计 估 出 统 像 模理模模模模模模 块模块块块块块块 块 图2 1 系统的功能模块结构图 f i g 2 - 1f u n c t i o nm o d u l e ss t r u c t u r eo fs y s t e m 2 3 放疗计划系统对医学影像的要求 目前，肿瘤的治疗主要仍然依靠手术、放疗、热疗和化疗等手段。根据数据 统计，除手术外，放射治疗是肿瘤局部治疗的最有效手段。治疗计划系统是辅助 物理师和医生做出治疗规划的计算机辅助软件系统，这一系统的研究是与图像处 理和医学图像可视化密切相关的。系统所涉及到的关键技术主要是图形图像处理 技术。医学图像的三维重建就是研究由医疗成像设备获取的二维序列图像构建组 织或器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上“真实 的绘制与显示。在放疗计 划系统中，对医学影像三维重建的要求包括对输入图像的预处理、图像分割和表 面重建三部分主要内容。 1 图像预处理 在医学图像数据的获取过程中，影像设备中各电子器件的随机扰动不可避免 地会产生噪声。预处理的目的就是对其进行滤波或平滑，抑制噪声，增强图像特 征，提高信噪比。由于医学图像断层之间的间距往往远大于断层图像象素间距， 9 广东： 业大学一f ：学硕十学位论文 通常还需要进行断层图像间的插值。 2 。 图像分割 目前，医学图像分割的研究多数是针对m 和c t 图像的。由于医学图像分 割的数据量很大，分割要求比较高，全自动的分割方法或者全手工的分割方法都 是不适宜的。因此，现在通用的方法是采用半自动的交互分割方法，如主动轮廓 法、l i v ew i r e 分割算法协町讳”等。分割的医学图像，可以直接用于进一步的测量、 辅助诊断；另一方面，可以用来重建精确的三维形体n ”。 3 表面重建 医学图像的三维重建就是根据输入的断层图像序列，经分割和提取后，构建 出待建组织的三维几何表示。这种三维几何表示的模型最常用的就是表面模型。 表面模型一般以平面片特别是三角面片来逼近表示，对于封闭的表面，构成多面 体模型。早期切片间距较大，因此早期的主要研究工作集中在轮廓连接或称从平 面轮廓重建形体。 放疗计划系统是对图像进行表面绘制，而计划系统是对图像进行体绘制，并 且重建方法与现有的重建方法均有不同。针对计划系统自身的特点和需求，应用 m a t l a b 与a m i r a 软件相结合的方法来对图像进行三维重建及显示，简便快捷，适 于广泛推广和使用。 目前，市场上已有商品化的c t 三维重建软件，但是国内外各c t 厂家的图 像数据格式不同，并且格式不公开；另外文件格式经过加密处理，图像格式转换 极为困难。西方主要发达国家的c t 、m 砌等医学成像设备和医学处理软件远远 超过了我国。除了通用电气、西门子、东芝等医学成像设备制造商开发的配套软 件产品外，比较成熟的医学图像处理软件还包括美国宾州大学开发3 d v i e w n i x 系统、美国生物动力学研究中心开发的a n a l y s e 系统和德国汉堡大学开发的 v o x e l - - m a n 系统等。这些系统各有长短，但大都在u n i x 工作站上开发，其设备 价格昂贵，不适合中国国情，并且其模型无法根据手术需要进行编辑，进而无法 开展进一步手术计划和模拟等。目前，在我国各大医院以进口c t 机型为主，而 在软件的使用上，受到定的限制。 针对以上情况，需研制自己的三维重建软件，目的是建立功能齐全、实时便 捷、廉价的三维医学图像数据分析与显示系统，并为进一步的分析诊断、手术预 测和模拟服务，具有一定的学术价值和实用意义。 l o 第二章肿瘤热疗计划系统及对影像处理的要求 2 4 计划系统对影像处理的要求 医学影像处理的研究在肿瘤热疗计划系统中是至关重要的一部分。热疗计划 系统( h t p s ) 需要对医学图像进行处理，以便得到体表、病灶及周围组织的清晰轮 廓，然后在此基础上进行三维重建得到相关解剖结构的三维模型。医学图像的处 理精度直接影响肿瘤热疗的治疗效果，这就给计划系统中医学影像部分的设计提 出了更高的要求。综合各方面的要求，将计划系统中医学影像处理部分设计为以 下几个模块。 2 4 1 医学影像的输入模块 一个新计划的开始，要先进行患者医学影像的采集。计划系统中影像输入模 块支持多种图像输入方式：c t m r t 电子数据、视频信号、胶片的c c d 摄像机或 扫描仪高分辨数据采集；还可以从扫描仪、网络或本地硬盘上获得患者图像数据。 另外，影像输入模块还包括以下功能： 1 ) 提供患者详细资料和治疗医生等信息的输入； 2 ) 提供必要的定位信息输入，对患者图像进行合法性检查，保证其有效性； 3 ) 能进行c t m 融合； 4 ) 直接获得d i c o m 3 o 数据的有用数据信息等； 5 ) 必要时重新调入患者档案，进行修改和删除。 2 4 2 图像预处理模块 本模块主要是针对病灶进行图像的预处理，包括对病灶和重要器官的轮廓勾 画。图像预处理模块包括了以下功能： 1 ) 提供所有图像的缩略索引图： 2 ) 用户可对任意图像进行缩放查看，方便的在各层图像上进行切换； 3 ) 提供窗宽窗位的调整功能，能看到更细致的图像信息，如血管骨骼等； 4 ) 可用鼠标手工勾画轮廓，有逐点勾画等多种手工勾画模式可供选择； 5 ) 提供自动提取轮廓功能，这一方法主要是依据不同解剖结构显示灰度的 广东一i ：业大学1 ：学硕十学位论文 差别自动生成解剖轮廓； 6 ) 对已完成勾画的轮廓可重新调入并修改； 7 ) 具有边缘增强、特征增强、图像锐化等工具； 8 ) 对处理的任何一步可打印输出。 2 4 3 图像重建可视化模块 图像重建可视化包括对患者图像进行数字化重建及三维重建等，使得医务工 作者在制定治疗计划时能多方位地观察人体解剖结构的三维显示、积极地参与计 算机的操作。此模块的主要功能如下： 1 ) 可进行矢状面、冠状面、横截面及任意切面的图像重建显示； 2 ) 对勾画出的轮廓进行三维重建，三维重建后的组织模型具有实体、轮廓 线、透明、网格等显示方式；重建的各个器官具有显示的开关设置，各 器官的颜色可选。 2 4 4 打印输出模块 计划系统还需要打印一份患者完整的图像数据供医生或患者查看。输出的主 要内容包括： 1 ) 患者的详细图像数据资料； 2 ) 治疗方案及热疗治疗的参数设定报告； 3 ) 肿瘤中心层、冠状面、矢状面分布图及设定的温度分布图； 4 ) 输出设定的热籽植入位置和数量报告； 5 ) 输出完整的电子治疗文档。 2 5 本章小结 本章主要是对磁感应热疗计划系统做简单的阐述。主要介绍了计划系统的基 本设计原则和构成，并且重点介绍了磁感应热疗计划系统对医学影像处理部分的 要求和设计。计划系统作为磁感应热疗的核心部分，对治疗的成败起着关键的作 第二章肿瘤热疗计划系统及对影像处理的要求 用。随着研究的深入，仍需要对计划系统加以不断的完善。 广东下业大学t 学硕七学位论文 第三章医学影像数据处理与三维重建的理论基础 肿瘤磁感应热疗计划系统( h t p s ) 中医学影像的处理包括：医学图像的获取与 相关的预处理，图像分割，三维重建与显示等。下面将详细介绍本文中对医学影 像数据处理所采用的方法和理论。 3 1 医学影像数据的获取 在热疗计划系统( h t p s ) 中，对医学影像处理而言，具有良好的输入接口设备， 能够高质量地输入图像数据是至关重要的。为了提高系统的兼容性，对医学影像 数据的获取方式有以下几点要求：能够方便地与基于数字接口的影像设备连接， 并以交互方式交换数据；对原始图像的无损压缩、传输和处理；能够提供其它非 图像的录入方式，如局域网互连方式；对已经输出的胶片图像，在允许的信息损 失范围内，以尽可能高的质量扫描输入数据。目前h t p s 医学影像数据的获取主 要有以下三种方式： 1 d l c o m 3 0 标准的输入 d i c o m 3 0 ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n ei i i ) ，是由美国 放射学会和美国电气制造商协会在1 9 9 3 年推出的医学数字成像和通信标准。其主 要目的是为了在各种医疗图像产品之间提供一致的接口，以便更有效地在医学图 像设备之间传输和交换数字图像，允许所产生的诊断资料库能广泛地经由不同地 方的设备来访问。目前，d i c o m 3 0 已成为医学数字成像及传输的国际工业标准。 从c t 机数据接口处获取的d i c o m 标准的医学图像，由于受噪声影响较少，因 此图像质量较好。 2 局域网互连的输入 对于不是标准图像的c t 、m r i 等设备，可以采用局域网互联方式，将数据 采集工作站与医学成像设备的服务器相连并进行数据传输，得到原始图像数据， 这种方式可以有效地利用医院已有的投资。 3 胶片扫描方式 第三章医学影像数据处理与三维重建的理论基础 对于已经输出