一種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，通過(guò)構(gòu)建所述前列腺磁共振圖像的有限元模型，并將超聲彈性成像獲取的所述前列腺的生物力學(xué)信息融入到所述有限元模型中，再根據(jù)所述有限元模型，采用主成分分析構(gòu)建所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型后實(shí)現(xiàn)所述前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。本發(fā)明提供的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，將超聲彈性成像獲取的所述前列腺的生物力學(xué)信息融入到所述有限元模型中，從而使所述有限元模型更加準(zhǔn)確，對(duì)所述前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)更為精確，適合臨床應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)圖像處理，尤其涉及一種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法。 一種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法 【【背景技術(shù)】】
[0002] 前列腺癌是男性人群中最常見(jiàn)的非皮膚癌，并且其致死率在非皮膚癌中排行第 二。目前，經(jīng)直腸超聲（TRUS)引導(dǎo)的系統(tǒng)性穿刺活檢因其實(shí)時(shí)性，成像無(wú)輻射，低成本和操 作簡(jiǎn)單等性能已成為檢查診斷前列腺癌的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于TRUS圖像分辨率低及無(wú)法清 楚顯示早期前列腺癌，導(dǎo)致假陰性率高達(dá)30%。而磁共振成像（MRI)具有較高的圖像質(zhì)量， 嘗試融合預(yù)先獲取的MRI圖像與實(shí)時(shí)TRUS圖像來(lái)提供更高質(zhì)量的引導(dǎo)，這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是 前列腺穿刺活檢發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。
[0003] 然而，由于兩種模態(tài)下圖像表現(xiàn)的差異性、TRUS探頭插入引起的前列腺形變以及 前列腺，TRUS探頭和周邊組織的相互作用，導(dǎo)致有效、準(zhǔn)確的MRI-TRUS圖像配準(zhǔn)富有挑戰(zhàn) 性。近年來(lái)，大多采用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)預(yù)測(cè)估算前列腺形變及配準(zhǔn)MRI和TRUS圖像。
[0004] Mohamed等提出了一種組合統(tǒng)計(jì)模型來(lái)估算由TRUS探頭引起的前列腺形變，但忽 略了組織的統(tǒng)計(jì)屬性；Dam等使用分割真實(shí)的病人數(shù)據(jù)替代生物力學(xué)模型來(lái)訓(xùn)練前列腺形 狀模型，但是，收集分析足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是非常具有挑戰(zhàn)性和費(fèi)時(shí)的；Hu等人利用術(shù)前磁 共振圖像構(gòu)建有限元模型來(lái)模擬前列腺運(yùn)動(dòng)以建立一個(gè)個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型（SMM)，這種 方法在前列腺的MRI和TRUS圖像間的非剛體配準(zhǔn)中引入了生物力學(xué)模型，在模擬過(guò)程中， 組織的屬性和邊界條件都是在理論范圍內(nèi)隨機(jī)采樣得到，但是，不同病人的前列腺有著不 同的生物力學(xué)屬性，尤其是對(duì)于帶有癌細(xì)胞的前列腺，其楊氏模量比正常的明顯大得多。由 于不同的生物力學(xué)屬性會(huì)導(dǎo)致完全不同的形變結(jié)果，該方法可以減少各個(gè)患者的形變特異 性并因此限制了其實(shí)際應(yīng)用性。此外，該模型的邊界條件并沒(méi)有充分考慮活檢介入時(shí)各個(gè) 部位的相互作用。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法 精確度低、缺乏臨床應(yīng)用的缺陷，提供一種準(zhǔn)確、可應(yīng)用于臨床的超聲與磁共振圖像融合配 準(zhǔn)方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，包括下述步驟：
[0008] 獲取前列腺磁共振圖像；
[0009] 構(gòu)建所述前列腺磁共振圖像的有限元模型；
[0010] 將超聲彈性成像獲取的所述前列腺的生物力學(xué)信息融入到所述有限元模型中；
[0011] 根據(jù)所述有限元模型，采用主成分分析構(gòu)建所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型；及
[0012] 根據(jù)所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)所述前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng) 直腸超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。
[0013] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，其中，構(gòu)建所述前列腺磁共振圖像的有限元模型， 還包括下述步驟：
[0014] 對(duì)所述前列腺磁共振圖像進(jìn)行分割；
[0015] 采用等值面提取算法將分割后的前列腺轉(zhuǎn)換成三角表面網(wǎng)格；
[0016] 將所述三角表面網(wǎng)格的表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到商用有限元分析軟件包中，完成所述前列 腺磁共振圖像的有限元模型的構(gòu)建。
[0017] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，所述前列腺的生物力學(xué)信息包括楊氏模量和泊松 比。
[0018] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，其中，將超聲彈性成像獲取的所述前列腺的生物 力學(xué)信息融入到所述有限元模型中，包括下述步驟：
[0019] 根據(jù)膀胱與所述前列腺的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系，在商用有限元分析軟件包中構(gòu)建膀胱模 型；
[0020] 根據(jù)三維經(jīng)直腸超聲圖像探頭的姿勢(shì)和位移，在商用有限元分析軟件包中構(gòu)建三 維經(jīng)直腸超聲圖像探頭模型；
[0021] 將所述膀胱模型和所述三維經(jīng)直腸超聲圖像探頭模型，作為所述前列腺的形變邊 界條件，并將所述邊界條件融入到所述有限元模型中。
[0022] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，其中，根據(jù)所述有限元模型，采用主成分分析構(gòu)建 所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型，包括下述步驟：
[0023] 根據(jù)所述有限元模型計(jì)算所述前列腺N個(gè)表面節(jié)點(diǎn)位移的X，y，z分量組成一個(gè) 3N xl的位移向量d ;
[0024] 利用主成分分析計(jì)算所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型m，
[0025]
【權(quán)利要求】
1. 一種超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括下述步驟： 獲取前列腺磁共振圖像； 構(gòu)建所述前列腺磁共振圖像的有限元模型； 將超聲彈性成像獲取的所述前列腺的生物力學(xué)信息融入到所述有限元模型中； 根據(jù)所述有限元模型，采用主成分分析構(gòu)建所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型；及 根據(jù)所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)所述前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng)直腸 超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，其中，構(gòu)建所 述前列腺磁共振圖像的有限元模型，還包括下述步驟： 對(duì)所述前列腺磁共振圖像進(jìn)行分割； 采用等值面提取算法將分割后的前列腺轉(zhuǎn)換成三角表面網(wǎng)格； 將所述三角表面網(wǎng)格的表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到商用有限元分析軟件包中，完成所述前列腺磁 共振圖像的有限元模型的構(gòu)建。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述前列腺 的生物力學(xué)信息包括楊氏模量和泊松比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，其中，將超聲 彈性成像獲取的所述前列腺的生物力學(xué)信息融入到所述有限元模型中，包括下述步驟： 根據(jù)膀胱與所述前列腺的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系，在商用有限元分析軟件包中構(gòu)建膀胱模型； 根據(jù)三維經(jīng)直腸超聲圖像探頭的姿勢(shì)和位移，在商用有限元分析軟件包中構(gòu)建三維經(jīng) 直腸超聲圖像探頭模型； 將所述膀胱模型和所述三維經(jīng)直腸超聲圖像探頭模型，作為所述前列腺的形變邊界條 件，并將所述邊界條件融入到所述有限元模型中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，其中，根據(jù)所 述有限元模型，采用主成分分析構(gòu)建所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型，包括下述步驟： 根據(jù)所述有限元模型計(jì)算所述前列腺N個(gè)表面節(jié)點(diǎn)位移的X，y，z分量組成一個(gè)3N xl 的位移向量d ; 利用主成分分析計(jì)算所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型m，
其中，1?為前列腺的起始位置
為平均表面節(jié)點(diǎn)位移向量，ei是訓(xùn)練數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣 的第i個(gè)特征向量，Ci是決定前列腺模型形變形狀的權(quán)重，L是統(tǒng)計(jì)模型中主成分的個(gè)數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，其中，根據(jù)所 述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)所述前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù) 據(jù)配準(zhǔn)，包括下述步驟： 將所述三維經(jīng)直腸超聲圖像進(jìn)行分割； 將分割后的三維經(jīng)直腸超聲圖像均勻分布的橫切面和冠狀面生成的交叉點(diǎn)作為用來(lái) 配準(zhǔn)的表面點(diǎn)； 使所述表面點(diǎn)與所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型之間的距離最小，將所述前列腺個(gè)性 化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型與所述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)； 根據(jù)所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型與所述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)所述 前列腺磁共振圖像與上述三維經(jīng)直腸超聲圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲與磁共振圖像融合配準(zhǔn)方法，其特征在于，通過(guò)非線(xiàn)性 最小二乘方法優(yōu)化權(quán)重，使所述表面點(diǎn)與所述前列腺個(gè)性化統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)模型之間的距離最 小。
【文檔編號(hào)】A61B5/055GK104055536SQ201410171606
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】倪東, 王毅, 汪天富, 陳思平 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)