神經(jīng)導(dǎo)航中磁共振彌散張量圖像處理技術(shù)的研究.pdf

1、神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(Image Guided Neurosurgery System，IGNS)整合了醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)空間定位技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，在提高手術(shù)可靠性，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等方面發(fā)揮了重要作用。隨著IGNS在臨床中的廣泛應(yīng)用，在導(dǎo)航精度以及導(dǎo)航信息等方面均提出了更高要求。由于磁共振功能成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)可提供更多的組織功能信息，使得IGNS發(fā)展到

2、了一個(gè)新的起點(diǎn)。
　　 磁共振彌散張量成像(Diffusion Tensor Imaging，DTI)作為一種fMRI，它可以清晰地分辨腦灰質(zhì)和白質(zhì)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的腦白質(zhì)纖維束追蹤方法(Fiber Tracking or Fiber Tractorgraphy，F(xiàn)T)也是迄今為止臨床中唯一能夠無創(chuàng)地顯示活體腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束的技術(shù)。
　　 神經(jīng)外科手術(shù)過程中如果損傷神經(jīng)傳導(dǎo)束，則可能引起不可逆的偏癱等嚴(yán)重并發(fā)癥，因而

3、保護(hù)神經(jīng)傳導(dǎo)束尤為重要。由于基于DTI-FT能夠三維(ThreeDimensional，3D)直觀地觀察病變與周圍神經(jīng)纖維的關(guān)系，可給臨床手術(shù)提供直接的幫助，為此DTI圖像在IGNS中的應(yīng)用研究引起了人們廣泛關(guān)注。
　　 目前，DTI圖像應(yīng)用到IGNS中存在著兩個(gè)主要問題，第一個(gè)問題是DTI圖像的畸變與幾何失真，第二個(gè)問題是DTI-FT算法的實(shí)現(xiàn)。為了解決上述問題，本文進(jìn)行了相關(guān)研究：
　　 一、DTI多序列圖像變形糾正

4、DTI由于渦流(Eddy Current，EC)以及組織磁敏感性偽影(MagneticSusceptibility Artifact，MSA)的影響，容易導(dǎo)致圖像發(fā)生幾何畸變?；兊奶攸c(diǎn)一般是在相位編碼方向上變形顯著，而在頻率編碼上則可認(rèn)為變形不存在?；儾粌H使圖像中的腦組織輪廓發(fā)生了改變，而且也導(dǎo)致了腦內(nèi)神經(jīng)纖維束發(fā)生位移，最終使得基于DTI原始圖像的FT不可避免產(chǎn)生誤差，從而影響導(dǎo)航精度。為此，基于DTI圖像導(dǎo)航時(shí)必須進(jìn)行幾何畸變糾

5、正。
　　 針對(duì)DTI圖像的變形糾正，提出了各種不同的方法。因硬件和序列方法均在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多不便，故我們提出了一種將變形圖像與未變形的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行可變形配準(zhǔn)的方法。本方法首先從基準(zhǔn)圖像和DTI圖像中分割出腦組織；然后采用3D多分辨力B樣條變形配準(zhǔn)的方法將DTI圖像中的腦組織與基準(zhǔn)圖像中的腦組織配準(zhǔn)，得出最佳空間變換關(guān)系；最后利用最佳空間變換對(duì)多序列DTI圖像進(jìn)行糾正。本文提出的方法與經(jīng)典的B樣條方法比較時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果證明了提

6、出的雙B樣條變形配準(zhǔn)能夠糾正多序列DTI圖像變形，明顯優(yōu)于B樣條方法；具有強(qiáng)魯棒性，能夠滿足臨床手術(shù)計(jì)劃的需求。
　　 二、DTI-FT的研究DTI-FT最常用的方法為確定線性和概率追蹤兩種方法。兩者相比，由于確定線性方法能夠提供直觀的臨床信息，所以在臨床中應(yīng)用更為廣泛。確定線性方法中以連續(xù)示蹤纖維分配算法(Fiber Assignment by Continuous Tracking，F(xiàn)ACT)最為多見。FACT方法的優(yōu)點(diǎn)在于

7、計(jì)算簡(jiǎn)單，方便快捷，可以實(shí)時(shí)顯示；缺點(diǎn)在于難以顯示交叉的纖維束。
　　 鑒于FACT方法的優(yōu)點(diǎn)，本文初步將FACT方法與IGNS進(jìn)行融合；后為了解決纖維束的交叉問題，本文提出了改進(jìn)的FT方法。由于DTI成像分辨率的限制，很多含有交叉纖維束的體素為扁平體素。改進(jìn)方法在雙張量模型的基礎(chǔ)上，對(duì)于扁平體素的張量進(jìn)行分解，分解后的兩個(gè)張量經(jīng)過計(jì)算得到的主特征向量表示交叉纖維束方向；追蹤過程中采用了改進(jìn)的追蹤策略。本方法與FACT與擴(kuò)展流線