一種前列腺術彈性配準方法及裝置與流程
2023-04-25 18:28:51 3
本發明屬於醫療儀器領域，具體的涉及一種用於前列腺穿刺術的二維超聲序列和三維磁共振圖像的彈性配準方法。
背景技術：
前列腺癌是男性人群中最常見的癌症之一，並且其致死率在非皮膚癌中排行第二。目前，最為流行的前列腺癌篩查方法是血清前列腺特異性抗原篩查，其次是在實時2d經直腸超聲引導下進行的六次或更多次活檢。作為這一程序的部分，通常將前列腺分為6個等體積的區域。以系統的、但本質上無方向性的方式從這六個區域中的每個獲取一次或多次活檢。這一程序稱為六分儀活檢。
由於六分儀活檢成本低並且相對於檢測前列腺癌的其他方法較為簡單而被廣泛使用。然而，六分儀活檢已經表現出具有嚴重的假陰性率，並且可能關於活檢的真實位置不準確。通常使用前列腺的原始標準圖報告六分儀活檢的結果，在前列腺的原始標準圖上，病理醫師手動地註解活檢結果。這張圖本質上是不準確的，因為進行註解的病理醫師不知道活檢的真實部位。經直腸超聲(trus)引導的系統性穿刺活檢似乎解決了上述的技術難題，因其實時性，成像無輻射，低成本和操作簡單等性能已成為檢查診斷前列腺癌的重要指標。但是，超聲成像速度快，雖然可以在術中實時成像，但由於超聲波圖像的解析度有限，圖像中軟組織間的區分度也不高，雖能實時追蹤採樣導管的位置，卻無法通過圖像對病變組織進行精確定位，導致單純基於超聲的採樣方法，對癌症檢測的靈敏度不高，只有60％至85％。
技術實現要素：
本發明的目的是利用高精度電磁定位儀實時跟蹤超聲換能器和穿刺針引導前列腺穿刺，並提供一種實時二維超聲和術前mri圖像融合引導下的前列腺靶向穿刺，通過多模態醫學圖像配準和融合技術，結合術前mri圖像的診斷優勢與trus圖像的實時引導優勢來提供更高質量的靶向引導穿刺。該方法主要針對現有技術中存在的以下技術問題：
前列腺mri和超聲圖像差異大、前列腺受探頭擠壓產生較大形變以及超聲圖像中可用於配準的特徵較少等原因，前列腺mri-trus圖像的配準都需要臨床醫生花費大量時間對mri和trus數據做手動分割，且分割結果的不穩定對配準效果的影響較大，較具臨床實用性的為xus，krueckerj提出的基於電磁定位器的前列腺靶向穿刺系統，該系統先對術前mri和3dtrus圖像進行手動剛體配準，然後在穿刺過程中利用電磁定位技術進行二維和三維經直腸超聲圖像配準，最後根據術前剛體配準結果計算術中二維超聲圖像與術前mri圖像的空間轉換關係，然而，該系統中使用的3dtrus數據是基於附在超聲探頭上的電磁定位傳感器和系列二維圖像數據重建得到，此方法計算量大、掃描時間長，且重建掃描過程探頭易對前列腺造成不同程度的擠壓、影響重建精度。
本發明基於多模態醫學圖像配準和融合技術，聯合術前mri圖像的診斷優勢和trus圖像的實時引導優勢，開發出質量更高的前列腺靶向穿刺引導系統，開發出質量更高的前列腺靶向穿刺引導裝置，藉助於電磁定位儀準確的定位超聲探頭和穿刺針，通過mri與3dtrus手動剛體配準，利用mri圖像對早期前列腺癌的高特異性，準確選擇定位穿刺區域作為感性興趣區，這種選擇性的穿刺活檢與以往的六分儀活檢方法不同，六分儀活檢通常分別從前列腺頂部、中部和底部、左右兩側平均分成六部分，進行代表性樣品取出，這種隨機的活檢是在沒有準確掌握癌症位置時所進行的預測，無法保證癌症的高檢出率，採用本發明的只對感興趣區域選點穿刺方法，通過術前影像信息完全能提供給醫生清晰地、立體的前列腺病變區域，從而提高前列腺癌的檢出率，而本發明所提出的一種前列腺術彈性配準方法解決了傳統的圖像重建方法計算量大、花費時間長以及重建掃描過程中由超聲探頭擠壓前列腺引起的形變差異導致重建精度低等缺點，提高三維數據的精確性。
本發明的技術方案是：
將穿刺套件插入到位於受檢者的身體中的腔中，所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘內的穿刺針及軟管，所述外鞘的尾端外緣接第一位置傳感器，所述穿刺針有供操作者手持的手柄尾端和接觸受檢部位的遠程前端；位於所述遠程前端部的接觸力傳感器、位於所述遠程前端部的發射器、接收器和超聲換能器，以及位於所述遠程前端部後側的第二位置傳感器；
將所述穿刺針操縱成與位於所述腔的壁中的目標檢測點接觸；
響應於所述接觸力傳感器的讀數來建立所述穿刺針遠程前端前部和所述目標出針點之間的期望的接觸力；以及
根據電磁定位儀感測第二位置傳感器的位置和取向，該電磁定位儀利用生成磁場的線圈，通過以預定的工作容積生成磁場並感測信號；
操作者能夠通過觀察控制臺的響應於上述感測信號的處理器給出的數據，結合受檢者在術前預先獲取的醫學成像模態信號調控手柄尾端的空間位置，所述空間位置由處理電路經過接受、放大、過濾並數位化來自第一位置傳感器的信號所提供。
進一步地，所述外鞘的尾端外緣還接一個角度提示刻度盤，所述角度提示刻度盤為逆時針方向布置，刻度盤中0刻度的方向與人體坐標系的矢狀軸重合。
進一步地，所述醫學成像模態是下列之一，磁共振(mri)成像；計算機斷層攝影(ct)成像；正電子發射光譜(pet)成像；或單光子發射計算機斷層攝影(spect)成像；
進一步地，包括：
第一步，穿刺點勾畫，對受檢者在術前預先獲取醫學成像模態，根據所述成像模態上進行路徑規劃操作，以及利用電磁定位儀記錄第一位置傳感器對應的二維超聲圖像序列在電磁系統坐標系中的坐標；
第二步，採用邊界提取算法分別提取超聲圖像序列(us)以及磁共振圖像(mri)中受檢部位的輪廓邊界，均勻抽取邊界上五分之一的像素點作為點集；
第三步，採用點集彈性配準方法(coherentpointdrift，robustpointmatching，iterativeclosestpoint等)對us點集和mri點集進行配準，獲得mri點集中每個點的位移向量
第四步，定義基於b樣條自由形變模型的表徵mri圖像中前列腺組織形變的形變場δx，即腺體組織每個點的位移量，根據b樣條自由形變模型，圖像中設置間距s＝(sx,sy,sz)的均勻網格；di,j,k為網格u中第i，j，k個節點的位移；
第五步，利用形變場δx對三維mri圖像進行變形，經過插值得到最終與超聲圖像序列配準的磁共振圖像。
進一步地，第三步包括，
δx定義如下
其中u＝x/s-i-1,v＝y/s-i-1,w＝z/s-i-1，b0，b1，b2，b3是4個三次b樣條基函數：b0(t)＝(-t3+3t2-3t+1)/6，b1(t)＝(3t3-6t2+4)/6，b2(t)＝(-3t3+3t2+3t+1)/6，b3(t)＝(t3)/6，其中0≤t＜1，
受檢部位邊界組織的形變情況反映了整個前列腺組織的形變趨勢，因此可利用邊界組織形變情況，擬合出整個前列腺組織的形變量，點集坐標位移向量反映的是受檢部位邊界組織的位移，在受檢部位邊界組織處由b樣條自由形變模型確定的形變量δx應該與相等，即δx到的歐幾裡得距離等於0。
進一步地，第四步包括，
定義點集位移向量與δx的歐氏距離平方和：
將(2)式代入(1)式，使用最優化方法，最小化e(p(x)；δx)，求得節點位移di,j,k，從而確定形變場δx。
作為本發明的一個實施例，還提供一種設備，其特徵在於包括：穿刺套件、電磁定位儀和信息處理單元，
所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘內的穿刺針及軟管，所述外鞘的尾端外緣接第一位置傳感器，所述穿刺針有供操作者手持的手柄尾端和接觸受檢部位的遠程前端；位於所述遠程前端部的接觸力傳感器、位於所述遠程前端部的發射器、接收器和超聲換能器，以及位於所述遠程前端部後側的第二位置傳感器；
響應於所述接觸力傳感器的讀數來建立所述穿刺針遠程前端前部和所述目標出針點之間的期望的接觸力的處理器；以及
響應於所述處理器和所述超聲換能器回波信號建立超聲圖像的信息處理單元，
所述電磁定位儀感測第二位置傳感器的位置和取向，該電磁定位儀利用生成磁場的線圈，通過以預定的工作容積生成磁場並感測信號；
操作者能夠通過觀察控制臺的響應於上述感測信號的處理器給出的數據，結合信號處理電路經過接受、放大、過濾並數位化來自第一位置傳感器的信號，調控手柄尾端。
進一步地，包括，
所述外鞘的尾端外緣還接一個角度提示刻度盤，所述角度提示刻度盤為逆時針方向布置，刻度盤中0刻度的方向與人體坐標系的矢狀軸重合。
進一步地，包括，
所述處理器經由通至所述控制臺的電纜通過位於所述遠程前端部的發射器激活所述超聲換能器導出超聲換能器的三維取向，並且由此導出由超聲換能器發射的波束的方向。
進一步地，包括，
所述處理器經由所述接收器導出由超聲換能器發射的聲脈衝，且通過相對於位置傳感器取向對波束進行校準來改善超聲換能器方向。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明的二維超聲序列-三維磁共振圖像彈性配準方法流程圖。
圖2為本發明的角度刻度盤示意圖裝置的示意圖。
圖3為本發明的超聲圖像與跟蹤系統坐標系校準計算方案流程圖。
圖4為根據本發明的實施方案的穿刺套件的遠程前端的部分正視圖。
具體實施方式
下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。
本發明在二維超聲序列-三維磁共振圖像彈性配準的方面進行的改進還包括作為本發明的另一個實施例的超聲圖像與跟蹤系統坐標系校準計算方案，主要包括兩個方面：
一個是穿刺套件結構改進使得在術中操作時精確提示旋轉角度；另一個是配套地給出一種個性化的旋轉角度計算方法。
1)穿刺套件結構改進
手術操作過程分析：
手術時，病人平躺，介入醫師將經直腸的穿刺套件經過直腸進入前列腺，超聲波經過直腸壁、前列腺、和直腸交界面從前列腺一側進入前列腺，為了保證超聲信號的穿透能力，工作頻率通常在6.5mhz左右，由於術前醫生已經獲得病變區域在醫學成像模態設備中的位置，介入醫生憑經驗選取感興趣區域進行給針，將傳統的對前列腺整體進行六部分均分(前列腺頂部、中部和底部、左右兩側)改進為只對上述感興趣區域的病變組織選點穿刺，分別對所述病變組織的上-下、左-右、前-後六個方向選點，如圖1；由於直腸與前列腺為不連通器官，穿刺針只能在直腸內進行，穿刺套件只能在直腸上下移動，因此如果需要儘可能減少穿刺針進入前列腺的刺點數以及深度的情況下，需對穿刺針前進方向進行調整，即手持穿刺針手柄尾端進行繞手柄所在軸自身旋轉，使得穿刺針在對病變組織一次進針的情況下通過進出和旋轉實現六點取樣。
穿刺套件改進：
為了協助醫生操作，穿刺套件的穿刺針手柄尾端包含向位於控制臺中的處理器提供信號的位置傳感器。處理器可履行如下描述的若干處理功能，在穿刺套件中引入接觸力傳感器和位置傳感器，在穿刺套件外鞘的尾端外緣接一個角度提示刻度盤。角度刻度盤設計如圖2：刻度盤中0刻度的方向與人體坐標系的矢狀軸重合；角度增大的方向為逆時針方向；中央的孔洞為留出孔，用於嵌套在穿刺套件的外鞘上。手術前建立好受檢部位的空間位置，並且根據接觸力傳感器的讀數來建立穿刺針遠程前端前部和目標出針點之間的期望的接觸力，通常情況不同的受檢部位的受力值不同，對於個性化手術導航而言，有經驗的醫生提前會建立起力值和空間位置之間的關係作為輔助，手術時將帶刻度盤的外鞘固定，穿刺針及軟管嵌在外鞘內進出直腸或旋轉操作，穿刺針尾端的箭頭留出在外鞘外，通過讀箭頭在刻度盤的指示和處理器給出的受力參數來實時讀取操作時的旋轉角。
穿刺套件41的接觸受檢部位47的遠程前端如圖4所示：位於所述遠程前端部42的接觸力傳感器43、位於所述遠程前端部42的發射器48、接收器44和超聲換能器45，以及位於所述遠程前端部後側49的第二位置傳感器50；
響應於所述接觸力傳感器43的讀數來建立所述穿刺針40遠程前端前部42和所述目標出針點之間的期望的接觸力的處理器(未示出)；以及
響應於所述處理器和所述超聲換能器45回波信號建立超聲圖像的信息處理單元，
所述電磁定位儀感測第二位置傳感器50的位置和取向，該電磁定位儀利用生成磁場的線圈，通過以預定的工作容積生成磁場並感測信號；
操作者能夠通過觀察控制臺的響應於上述感測信號的處理器給出的數據，結合信號處理電路經過接受、放大、過濾並數位化來自第一位置傳感器的信號，調控手柄尾端。
所述第二位置傳感器50，包括雙螺旋形式的彈簧51，設置在遠程前端部後側49中以及接觸力傳感器43的近側。接觸力傳感器43的近側部分49圍繞縱向軸線52進行設置。當彈簧51撓曲時，縱向軸線52不必與對稱軸線46對準。換句話講，接觸力傳感器53充當末端41和接觸力傳感器43近側的節段之間的接頭。如果末端47上不存在力或者如果力平行於對稱軸線46，則彈簧51的遠側端部和近側端部對準，並且對稱軸線46與導管的遠側部分(位於接觸力傳感器43的近側)的縱向軸線52對準。如果末端47上存在非對稱力，則這兩個軸線不對準。在所有情況下，可計算超聲換能器45以及由超聲換能器45發射的波束的取向；並且可確定這兩個軸線的對準或不對準。
進一步地，包括，
所述處理器經由通至所述控制臺的電纜通過位於所述遠程前端部的發射器48激活所述超聲換能器45導出超聲換能器45的三維取向，並且由此導出由超聲換能器45發射的波束的方向。進一步地，包括，
所述處理器經由所述接收器44導出由超聲換能器45發射的聲脈衝，且通過相對於第二位置傳感器50取向對波束進行校準來改善超聲換能器45方向。
2)個性化的超聲圖像與跟蹤系統坐標系校準的計算
配套的超聲圖像與跟蹤系統坐標系校準計算方案流程圖如圖3：
第一步，醫學成像模態設備有自定義的坐標系，記為所述方法中的跟蹤系統坐標系ct，根據醫學成像模態圖像dicom文件中的體素位置參數、體素大小參數、層距參數，獲得參考點的坐標信息；
第二步，將校準容器內注入水或耦合劑，將穿刺套件放於固定支架上，貼於容器一側並固定，實時採集校準容器內的超聲圖像，記錄此時第二位置傳感器給出的轉換矩陣t2；
第三步，將金屬探針定位器固定於探針夾持支架上，移動金屬探針定位器空間位置，當超聲圖像上出現亮點時，停止移動，此時金屬探針定位器固定，金屬探針針尖位於超聲成像區域內，記錄此時金屬探針定位器在跟蹤系統坐標系ct中的坐標pi，並記錄超聲圖像上此亮點在超聲圖像坐標系cus上的坐標ii；
第四步，重複上述操作n次，得到跟蹤系統坐標系ct中的點集pi(i＝1,2,…,n)，這n個點的坐標均不相同，並得到與這n個點對應的超聲圖像坐標系cus中的點集ii(i＝1,2,…,n)；由坐標關係，pi＝t2·t1·ii，其中pi、ii、t2均為已知，t1待求。
令us坐標系(cus)與跟蹤系統坐標系(ct)之間的轉換矩陣t＝t2·t1，那麼pi＝t·ii；求解t採用下列剛性點集配準方法之一，icp(iterativeclosestpoints)算法、cpr(coherentpointdrift)算法、rp(robustpointmatch)算法；求出t後，t1＝(t2)-1·t。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。