楊成帥　蔣東升　周輝紅　吳錦陽　宋志堅　張詩雷

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基于光學(xué)定位的超聲與CT圖像融合
——顱頜面軟組織導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及初步應(yīng)用

楊成帥蔣東升周輝紅吳錦陽宋志堅張詩雷

【摘要】目的建立基于光學(xué)定位的超聲與CT圖像融合的技術(shù)路線，旨在解決顱頜面軟組織外科導(dǎo)航的關(guān)鍵問題。方法①獲取超聲圖像的二維空間位置，通過最鄰近差值算法進(jìn)行三維重建，獲取其三維空間位置信息；②將超聲及DICOM格式的CT影像數(shù)據(jù)，運用自主研發(fā)的基于dLDP的圖像融合算法進(jìn)行融合；③超聲與CT圖像融合的臨床驗證，并評價其融合效果。結(jié)果所建立的基于dLDP的圖像融合算法實現(xiàn)了顱頜面部超聲與CT的融合，平均融合誤差1.96 mm。結(jié)論基于dLDP圖像融合算法的精度和圖像顯示效果能基本滿足臨床需求，并且對于自主研究口腔顱頜面軟組織術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】超聲電子計算機(jī)斷層掃描顱頜面軟組織導(dǎo)航圖像融合

作者單位：200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科（楊成帥，吳錦陽，張詩雷）；200032上海市復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心（蔣東升，宋志堅）；200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院超聲科（周輝紅）。

顱頜面外科具有解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和治療目的的特殊性［1-2］。因此，臨床上力求以較小的創(chuàng)傷，安全、精確地完成手術(shù)操作。由于骨骼組織具有剛體結(jié)構(gòu)不形變的特點，所以現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，如虛擬手術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航等，使得顱頜面外科骨性手術(shù)精度大大提高。目前，該技術(shù)在臨床上已得到普遍應(yīng)用，包括顱頜面骨折手術(shù)、顳下頜關(guān)節(jié)成形術(shù)、骨腫瘤切除、輪廓修整等［3-8］。對于顱頜面軟組織而言，因其術(shù)中易發(fā)生形變而造成影像漂移［9-10］，使得術(shù)前圖像不能夠真實和實時地反映術(shù)中軟組織的形態(tài)，術(shù)中無法實時測量病灶及軟組織形變，易產(chǎn)生較大的導(dǎo)航定位誤差，限制了外科導(dǎo)航技術(shù)在軟組織手術(shù)中的應(yīng)用。

因此，我們針對口腔顱頜面軟組織形變而導(dǎo)致術(shù)中導(dǎo)航影像漂移的難題，運用自主研發(fā)的圖像融合算法，建立基于光學(xué)定位的超聲與CT圖像融合的技術(shù)路線，并對其進(jìn)行了臨床驗證及評價，以期解決顱頜面軟組織外科導(dǎo)航的關(guān)鍵問題。

1　材料與方法

1.1實驗設(shè)備

我們采用邁瑞M7 Series便攜式彩色多普勒超聲診斷系統(tǒng)（深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司）來采集二維超聲圖像；使用NDI（Northern Digital Incoporated）Polaris光學(xué)定位儀采集二維超聲圖像的位置與方向信息；CT設(shè)備為荷蘭PHILIPS公司64層CT掃描儀（圖1）。

圖1　系統(tǒng)裝置組成部分Fig. 1 Components of the system

1.2超聲與CT圖像融合過程

超聲與CT圖像融合主要包括以下三大步驟，即數(shù)據(jù)采集、圖像預(yù)處理和圖像配準(zhǔn)融合。

1.2.1數(shù)據(jù)采集

利用NDI公司Polaris光學(xué)定位裝置進(jìn)行超聲探頭的自由式掃描來采集數(shù)據(jù)，該過程能得到具有空間位置信息的二維超聲序列圖像，而定位跟蹤的目標(biāo)就是要把圖像的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，記錄圖像的二維空間位置信息（圖2）；CT掃描范圍為顱頂至舌骨水平，層厚1.25 mm，刻光盤存為DICOM格式。

1.2.2圖像預(yù)處理

①讀取位置向量：讀取每一幅二維圖像的位置向量，讀取的位置向量包括一組四元數(shù)和一組坐標(biāo)軸的平移量；

圖2　定位儀及超聲系統(tǒng)組成的坐標(biāo)系Fig. 2 Coordinate system consisting of positioning device and ultrasonic system

②圖像三維空間變換：將第一幅二維圖像的位置信息作為圖像空間的z=0位置，其他二維圖像根據(jù)其位置向量計算其位于圖像空間中的位置；

③灰度插值：將所有二維圖像都放入圖像空間中，即將超聲、CT各模態(tài)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖像處理軟件MIPAV（Medical Image Processing，Analysis，and Visualization）中，根據(jù)各數(shù)據(jù)的特點分別進(jìn)行圖像預(yù)處理（圖3）。根據(jù)最雙線性插值算法將兩幅二維圖像之間的圖像空間進(jìn)行灰度賦值。

圖3　二維超聲圖像在三維場中的位置關(guān)系Fig. 3 The position of two dimensional ultrasound images in three dimensional field

1.2.3基于dLDP的超聲與CT配準(zhǔn)算法的圖像融合

首先，通過衡量中心體素與鄰域體素不同方向的局部梯度變化，進(jìn)行LDP計算。其次，通過LDP特征提取，將圖像由原始空間轉(zhuǎn)化至特征空間。最后，通過模式識別完成圖像配準(zhǔn)，即可獲得超聲與CT的融合顯示，從而實現(xiàn)多模影像信息的融合。

1.3臨床驗證及評價

為了驗證上述方法及系統(tǒng)的可行性，分別選取面部異物（圖4）及腮腺腫物患者（圖5）進(jìn)行CT及光學(xué)定位的自由式超聲掃描。連接整合后的系統(tǒng)在口腔頜面外科、超聲科醫(yī)生醫(yī)師與工程師的共同現(xiàn)場監(jiān)控下運行正常，并取得了病灶區(qū)域的超聲圖像。

圖4　右面部異物的CT及超聲影像Fig. 4 CT and ultrasound images of right facial foreign body

圖5　左腮腺腫物的CT及超聲影像Fig. 5 CT and ultrasound images of left parotid gland tumor

為檢測圖像融合后的效果，我們將融合后的超聲與CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖像處理軟件MIPAV中，將超聲與CT疊加顯示。由兩名超聲科醫(yī)師和放射科醫(yī)師選取超聲與CT相對應(yīng)層面上的對應(yīng)點，并通過軟件的標(biāo)尺工具測量兩點之間的距離，以評價圖像融合的精度。

2　結(jié)果

圖6　CT與超聲圖像的融合顯示Fig. 6 Overlying display of CT and ultrasound images

連接組裝后的系統(tǒng)運行正常，整個操作過程所需時間（含設(shè)備安裝、初始設(shè)定等操作）小于15 min，基本能滿足在醫(yī)師現(xiàn)場監(jiān)控下臨床應(yīng)用的要求。運用MIPAV圖像處理軟件，對圖像融合精度進(jìn)行了測量，平均誤差為1.96 mm（圖6）。

3　討論

近幾年，實時超聲融合被廣泛研究并完成商業(yè)化。隨著影像技術(shù)和融合技術(shù)的進(jìn)步，多模態(tài)融合已由傳統(tǒng)的實時超聲與CT、MRI的融合，擴(kuò)展為3D超聲、增強(qiáng)超聲與增強(qiáng)CT、增強(qiáng)MRI、功能成像PET等模態(tài)的融合，使多種模態(tài)的圖像在一個屏幕上顯示，理論上增加了診斷的精度。

盡管多模態(tài)融合定位系統(tǒng)已商業(yè)化，但其工作依賴于定位、配準(zhǔn)、標(biāo)定、更新等多個技術(shù)及對應(yīng)設(shè)備的精確配合協(xié)作，而上述技術(shù)設(shè)備自身的不完善帶來的潛在誤差，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的誤差。從融合圖像的種類上，現(xiàn)有的研究大多集中在傳統(tǒng)影像的融合上，對一些新的功能性成像與解剖學(xué)成像的融合研究較少。從融合圖像的數(shù)量上，目前的多模態(tài)融合，大多只實現(xiàn)了兩種模態(tài)的圖像融合。就研究領(lǐng)域而言，目前主要局限于神經(jīng)外科和普外科領(lǐng)域［11-15］。

本研究在基于光學(xué)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超聲與CT圖像融合的算法研究，并進(jìn)行了臨床驗證，取得了較好效果。首先，本研究自主研發(fā)了適用于顱頜面軟組織的超聲與CT圖像融合算法，并搭建了基于光學(xué)定位的超聲與CT圖像融合系統(tǒng)平臺。其次，在采集數(shù)據(jù)方面，我們采用光學(xué)定位裝置進(jìn)行跟蹤定位，避免了使用磁定位裝置時因周圍金屬器具的存在而影響定位精度。第三，在圖像融合效果評價方面，我們參考文獻(xiàn)［16］的臨床醫(yī)師主觀評價方法，制作適用于顱頜面軟組織的融合圖像臨床評價表，由超聲科醫(yī)師和放射科醫(yī)師共同評閱融合圖像，并運用圖像處理軟件，對融合圖像精度進(jìn)行測量，平均誤差為1.96 mm，與Hakime等［17］實驗得到的最小誤差（1.9±1.4 mm）基本相符，說明自主研究的超聲與CT圖像融合算法精度較好。

雖然上述研究取得了較好的臨床效果，但也存在一些問題：①口腔顱頜面部軟組織無相對固定和清晰的解剖標(biāo)志點，尤其是在顱頜面軟組織腫物的圖像配準(zhǔn)時，在超聲與CT的相同層面上較難找到對應(yīng)的標(biāo)志點，造成配準(zhǔn)誤差增大；②進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集時采用手動自由式掃描方法，導(dǎo)致獲取的二維超聲數(shù)據(jù)層厚間隔不一致，三維重建以后的圖像質(zhì)量不清晰；③二維超聲圖像的三維空間位置重建耗時較長。

綜上所述，我們針對口腔顱頜面軟組織易形變而導(dǎo)致術(shù)中導(dǎo)航影像漂移的難題，通過自主研發(fā)的圖像融合算法，實現(xiàn)了基于光學(xué)定位的顱頜面超聲與CT圖像融合技術(shù)方法的建立及初步臨床應(yīng)用，該技術(shù)對口腔顱頜面軟組織導(dǎo)航的研究具有重要的指導(dǎo)意義。但目前所存在的問題還需進(jìn)一步深入研究和完善，在未來臨床中應(yīng)有多中心隨機(jī)的臨床實驗，以研究其他因素對系統(tǒng)精度的影響，并驗證我們自主研發(fā)的超聲與CT多模態(tài)定位系統(tǒng)的臨床可靠性和實用性；進(jìn)一步嘗試融合更多種模態(tài)信息，加大在一些新的功能性成像與解剖學(xué)成像的融合研究的力度，充分利用每一種影像的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，為病變的準(zhǔn)確定位提供保障；簡化系統(tǒng)流程，方便臨床使用。相信隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)有較大的臨床推廣應(yīng)用價值，為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的顱頜面軟組織手術(shù)超聲導(dǎo)航系統(tǒng)奠定前期基礎(chǔ)。

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·論著·

Ultrasound and CT Image Fusion Based on Optical Positioning - The Key Technology Research and Preliminary Application of Craniomaxillofacial Soft Tissue Navigation

YANG Chengshuai1，JIANG Dongsheng2，ZHOU Huihong3，

WU Jinyang1，SONG Zhijian2，ZHANG Shilei1. 1 Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science，Shanghai Ninth People's Hospital，Shanghai Jiaotong University School of Medicine，Shanghai 200011，China；2 Digital Medical Research Center，Shanghai Medical College，F(xiàn)udan University，Shanghai 200032，China；3 Department of Ultrasound，Shanghai Ninth People's Hospital，Shanghai Jiaotong University School of Medicine，Shanghai 200011，China. Corresponding author: ZHANG Shilei（E-mail: leinnymd@hotmail.com）.

【Key words】Ultrasound；Computed tomogrphy；Craniomaxillofacial soft tissue；Navigation；Image fusion

【Abstract】ObjectiveTo establish the technological route of ultrasound and CT image fusion based on optical tracking system and to apply in soft tissue navigation of craniomaxillofacial surgery. Methods（1）To acquire twodimensional ultrasound images and three-dimensional reconstruction through the nearest neighboring difference algorithm；（2）Ultrasound and CT image fusion through the dLDP algorithm independently researched；（3）Clinial verification and evaluation of the effect of image fusion. Results The independently researched image fusion algorithm based on dLDP realized the fusion of craniomaxillofacial ultrasound and CT，the average error was about 1.96 mm. ConclusionThe accuracy and display effect based on the dLDP algorithm can meet the clinical requirements. It has important significance in independent research of craniomaxillofacial soft tissue navigation system.

【中圖分類號】R782

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1673－0364（2016）02－0098－04

基金項目：國家自然科學(xué)基金（81371193）；上海市科委重點項目（15441906000）；上海交通大學(xué)醫(yī)工交叉研究基金青年項目（YG2015QN05）。

通訊作者：張詩雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。

doi：10.3969/j.issn.1673-0364.2016.02.003

收稿日期：（2015年2月2日；修回日期：2015年3月29日）