潘國兵 劉傳才 田宏宇

隨著功能神經(jīng)外科的發(fā)展，腦立體定向手術(shù)廣泛應(yīng)用于治療精神分裂癥、帕金森病及癲癇等，并取得了較好的治療效果。雖然目前尚未完全掌握人腦的功能定位，但對(duì)某些特定的區(qū)域功能已經(jīng)有較為確切的了解。建立在功能神經(jīng)外科基礎(chǔ)上的立體定向手術(shù)，對(duì)于功能區(qū)的把握顯得尤為重要。只有很好的顯示人腦結(jié)構(gòu)，清楚的區(qū)分顱腦的溝回和功能核團(tuán)，方能進(jìn)行有效的立體定向手術(shù)治療，及其探索性的研究[1]。

MRI與CT相比MRI的優(yōu)勢為密度分辨率高，對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)顯示較好，組織對(duì)比明顯優(yōu)于CT。MRI與CT相比其主要不足之處包括：掃描時(shí)信號(hào)采集較慢，成像耗時(shí)較長。目前1.5T磁共振作一次64個(gè)斷層面的顱腦成像需要3～4 min；MRI的空間分辨率較低，通常層厚和(或)層間距為2 mm，活動(dòng)時(shí)的分辨率更低，由于金屬的磁場反應(yīng)，使體內(nèi)安裝有心臟起搏器的患者以及植入金屬器械的部位無法進(jìn)行核磁共振的檢查，檢查費(fèi)用遠(yuǎn)高于CT，且不能攜帶監(jiān)護(hù)設(shè)備(如心電圖機(jī)等)。因此，采用圖像匹配和圖像融合可使兩種不同的圖像能夠在解剖結(jié)構(gòu)上相對(duì)應(yīng)。

圖像融合就是將用不同方法獲得的同一景物圖像(或用同一方法在不同時(shí)刻獲得的圖像)采取某種算法進(jìn)行綜合處理，得到一個(gè)新的、滿足要求的圖像。圖像融合分為同機(jī)融合(異源圖像的掃描同時(shí)發(fā)生在同一臺(tái)影像設(shè)備上)和異機(jī)融合(異源圖像的掃描在不同時(shí)段而且發(fā)生在不同的影像設(shè)備上)兩種方式[2-3]。

1 西瓜模擬實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料和設(shè)備

使用西門子SYPHONY P 1.5TMR機(jī)；GE64排VCT；CT/MR立體定位儀；直徑為20 cm×25 cm的西瓜1個(gè)，魚肝油丸5粒。

1.2 掃描前準(zhǔn)備

將西瓜對(duì)等切開，5粒直徑為5 mm的魚肝油丸放置于西瓜不同深淺的位置，然后將西瓜放置于頭架上，并用沙袋塞緊固定好放置于MR頭線圈內(nèi)，西瓜的切開面和床面垂直，按頭顱標(biāo)準(zhǔn)定位(在CT機(jī)掃描時(shí)相同)。

1.3 MR掃描模式及參數(shù)

采用GRE序列其層厚和層間距為2 mm，TR10，TE3.39，兩次激發(fā)采集64層，激勵(lì)角度為12o，F(xiàn)OV 200 mm分別采集軸位，冠狀位及失狀位(如圖1所示)。

圖1 西瓜模擬人腦在CT機(jī)上進(jìn)行定位掃描

1.4 CT掃描模式及參數(shù)

按照頭顱掃描的標(biāo)準(zhǔn)模式，機(jī)架不傾斜，掃描的層厚和層間距為1.0 mm連續(xù)掃描，F(xiàn)OV200×200，從定位儀的起始點(diǎn)向頂點(diǎn)掃描直至西瓜掃描完畢(如圖2所示)。

2 利用MED3D1.0軟件進(jìn)行圖像融合

圖2 西瓜模擬人腦在MR上進(jìn)行定位掃描

使用南京理工大學(xué)開發(fā)的MED3D1.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將圖像數(shù)據(jù)DICOM格式轉(zhuǎn)換成為相匹配的數(shù)據(jù)，分別裝載CT和MR的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合。圖像融合方法：①采取模糊匹配和剛性匹配相結(jié)合的方法進(jìn)行圖像融合，其目的是使得CT/MR兩圖像在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的完全匹配；②建立MR坐標(biāo)系，MR坐標(biāo)系是通過映射CT坐標(biāo)的模式，XY面為切開的西瓜面，坐標(biāo)原點(diǎn)為圖像的左下角定點(diǎn)，Z軸為層面的疊加方向。兩個(gè)坐標(biāo)系通過映射的方法使原點(diǎn)取在同一空間位置，使兩個(gè)坐標(biāo)系測得的每一坐標(biāo)點(diǎn)具有可比性(如圖3所示)。

圖3 CT與MR匹配圖例

圖3顯示，MR點(diǎn)為右側(cè)選擇的感興趣點(diǎn)，CT點(diǎn)為CT圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，基點(diǎn)在左側(cè)選擇的基點(diǎn)，距離為各個(gè)方向CT點(diǎn)坐標(biāo)減去基點(diǎn)坐標(biāo)所得，在顯示圖像的窗口內(nèi)按下shift+P將右下角顯示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)，可在CT圖片上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置，觀察到CT與MR大致在同一位置。

3 坐標(biāo)的測量與坐標(biāo)值比較

分別測量每個(gè)切面魚肝油丸的MR指示坐標(biāo)，CT實(shí)際測量坐標(biāo)。測量點(diǎn)選擇魚肝油丸顯示尺寸最大的層面(如圖3所示)，測量結(jié)果見表1。

表1 感興趣點(diǎn)的測量坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)

圖像融合質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)2種。主觀評(píng)價(jià)是通過視覺效果來衡量，具有直觀、簡單、方便及快捷等優(yōu)點(diǎn)，人眼對(duì)融合圖像的感覺能夠鑒別融合圖像的質(zhì)量，融合圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)中的視覺評(píng)價(jià)必不可少，但主觀評(píng)價(jià)帶有一定的主觀性。客觀評(píng)價(jià)能夠克服主觀性，對(duì)圖像的融合質(zhì)量能夠進(jìn)行穩(wěn)定、定量和較全面的評(píng)價(jià)[4]。本實(shí)驗(yàn)研究主要通過誤差計(jì)算的方法評(píng)價(jià)融合效果。

4.1 誤差的測量和計(jì)算

本研究使用絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)合的方法來統(tǒng)計(jì)誤差，設(shè)MR點(diǎn)(X1，Y1，Z1)，CT點(diǎn)(X2，Y2，Z2)每一點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)方向的絕對(duì)誤差計(jì)算方法為標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算表示為公式1：

σ均＜2 mm，符合臨床手術(shù)要求(見表1)。

4.2 誤差產(chǎn)生的原因分析

系統(tǒng)誤差是不可避免的：①該軟件實(shí)行的是剛性匹配；②可能是由于設(shè)計(jì)使用的魚肝油丸直徑為5 mm，圖像層厚為2 mm的原因；③部分容積效應(yīng)也可能會(huì)產(chǎn)生誤差，可以通過更小的實(shí)驗(yàn)材料減少誤差；④測量誤差是由于不同的人測量而產(chǎn)生的偶然誤差。

5 討論

5.1 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是醫(yī)學(xué)圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)

通過尋找一種空間變換，使兩幅圖像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間位置和解剖位置完全一致。常用配準(zhǔn)技術(shù)包括傅里葉變換、互信息等方法。目前互信息配準(zhǔn)方法非常流行，能夠準(zhǔn)確配準(zhǔn)多模醫(yī)學(xué)圖像，而不需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。然而此方法計(jì)算復(fù)雜、費(fèi)時(shí)及效率低下。為解決此問題ANN被廣泛用于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)中，其中較為成熟的是對(duì)大腦CT和MRI的配準(zhǔn)[5-7]。

5.2 應(yīng)用前景

圖像融合具有很重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。對(duì)各種使用不同或相同設(shè)備所獲得的圖像進(jìn)行融合，不僅可用于醫(yī)療診斷，還可用于手術(shù)計(jì)劃的制定、病理變化的跟蹤、治療效果的評(píng)價(jià)等方面[8-10]。在國外，利用MRI/CT進(jìn)行立體定向已經(jīng)廣泛使用，而在國內(nèi)尚不普遍，其原因是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)值的依賴，一種基于某種特定人種顱腦區(qū)域特定功能的認(rèn)知；另外，有些精神病、戒毒及癲癇等]微創(chuàng)精神外科尚在摸索階段，對(duì)于腦功能的定位區(qū)域的功能認(rèn)識(shí)仍然較為粗淺[11-13]。實(shí)驗(yàn)研究顯示，該方法可以給微創(chuàng)精神外科提供一種可視化的手術(shù)方法[14]，同時(shí)也可通過復(fù)查來檢查當(dāng)時(shí)手術(shù)定位的準(zhǔn)確性，并對(duì)手術(shù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

6 結(jié)論

目前開發(fā)的圖像匹配系統(tǒng)已基本符合臨床的要求，并開始進(jìn)入臨床應(yīng)用。然而，該系統(tǒng)仍有許多需要改進(jìn)的地方，如在CT/MR聯(lián)合定位掃描時(shí)掃描范圍較大，而單獨(dú)CT定位手術(shù)只掃描選擇需要手術(shù)的部位，減少掃描范圍和輻射劑量等有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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