應用於神經外科手術的成像方法及其系統的製作方法
2023-05-03 18:24:46
應用於神經外科手術的成像方法及其系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種應用於神經外科手術的成像方法，包括如下步驟：利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果；利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位；利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織T1加權圖；及將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織T1加權圖中，得到新的腦組織T1加權圖。上述應用於神經外科手術的成像方法將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織T1加權圖中，能夠明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況。另外，還提供了一種應用於神經外科手術的成像系統。
【專利說明】應用於神經外科手術的成像方法及其系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像處理【技術領域】，特別是涉及一種應用於神經外科手術的成像方法及其系統。
【背景技術】
[0002]腦腫瘤發病率高，是嚴重危害人類健康的致死、致殘性疾病，且惡性腦腫瘤具有發病率、復發率、死亡率高和治癒率低等「三高一低」的特點。一直以來，醫學界首選的針對腫瘤的有效手段是對腫瘤組織進行有效、徹底的手術切除。近年隨著影像學診斷技術的進步和顯微神經外科技術的應用，腦腫瘤的診斷和治療總體上取得了顯著進步。然而，對惡性腦腫瘤(如腦膠質瘤等)患者的治療並沒有取得突破性進展。因為在腫瘤切除手術中，儘管在精確的圖像引導下已經徹底切除了腫瘤組織，但由於周圍的功能區域或者腦白質纖維束的損傷，有可能使大腦某些功能喪失。已有研究表明，在腫瘤手術後，即使大腦皮層沒有損傷，也會出現某些功能喪失的情況。這是因為，連接某些相關聯的功能區域的白質纖維束受到損壞。因此，在手術前，必須同時對大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布有明確、直觀的認識。
[0003]磁共振彌散張量成像(Diffusion Tensor Imaging, DTI)技術是利用水分子彌散的各向異性進行成像，是目前唯一無創傷地反映活體組織水分子交換功能狀況的檢查方法，它可以從細胞及分子水平研究疾病病理改變情況。利用磁共振彌散張量成像技術，可以實現對腦白質纖維束的跟蹤。
[0004]功能核磁共振成像(functionalMagnetic Resonance Imaging, fMRI)技術反映外周刺激或任務狀態(如扣指運動等)下神經元活動所引起的腦功能皮質區的激活情況，主要反映刺激與皮質激活之間的相關關係，並將fMRI的激活圖疊加在常規高分辨的解剖圖像上，以觀察刺激部位或動作部位在大腦功能區的定位。
[0005]灌注磁共振成像技術(perfusionMagnetic Resonance Imaging, pMRI)通過靜脈注入能使質子弛豫時間縮短的順 磁性造影劑，以獲得MRI造影增強圖像。
[0006]在目前的研究中，通常只是對DT1、fMRI和PMRI技術的單獨應用。即利用fMRI技術對大腦皮層的功能區域進行標示，利用DTI技術跟蹤白質纖維束的走向，利用pMRI獲得造影增強圖像。但是單獨應用DT1、fMRI和PMRI技術獲得的圖像還是不能明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況。
【發明內容】
[0007]基於此，有必要提供一種能夠明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況的應用於神經外科手術的成像方法及其系統。
[0008]一種應用於神經外科手術的成像方法，包括如下步驟:
[0009]利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果；[0010]利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位；
[0011]利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖；及
[0012]將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。
[0013]在其中一個實施例中，所述利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的步驟包括:
[0014]測量彌散信號強度；
[0015]根據彌散信號強度計算彌散張量；
[0016]計算彌散張量的特徵值及特徵向量；及
[0017]根據彌散張量的特徵值及特徵向量得到彌散張量的主特徵值及主特徵值對應的特徵向量。
[0018]在其中一個實施例中，所述計算彌散張量的步驟使用如下公式:
[0019]S = S0.e.;
[0020]其中，S是測量得到的彌散信號強度，S0是沒有彌散梯度時的信號強度，b是取決於彌散梯度脈衝的參數，D是彌散張量。
[0021]在其中一個實施例中，所述彌散張量是一個3*3的正定對稱矩陣。
[0022]在其中一個實施例中，在所述利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的步驟中，腦白質纖維束的走向 與彌散張量的主特徵值對應的特徵向量的方向一致。
[0023]在其中一個實施例中，在所述利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位的步驟中，對大腦功能區域進行定位採用不同的顏色標識。
[0024]在其中一個實施例中，在將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中的步驟之後，還包括如下步驟:
[0025]對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建並顯示。
[0026]同時還提供了一種應用於神經外科手術的成像系統，包括採集單元和處理單元，所述採集單元連接於處理單元，所述採集單元利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果，且所述採集單元利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位，並利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖，所述處理單元將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。
[0027]在其中一個實施例中，所述應用於神經外科手術的成像系統還包括用於對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建的3D重建單元，所述3D重建單元連接於所述處理單元。
[0028]在其中一個實施例中，所述應用於神經外科手術的成像系統還包括用於顯示重建之後的新的腦組織Tl加權圖的顯示單元,所述顯示單元連接於所述3D重建單元。
[0029]上述應用於神經外科手術的成像方法，將DT1、fMRI和PMRI技術有機地結合了起來，將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，能夠明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況，從而幫助醫生更好地實施手術。另外，還提供了一種運用上述應用於神經外科手術的成像方法得到的應用於神經外科手術的成像系統，該應用於神經外科手術的成像系統可以輔助醫生更好地實施手術。【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為一個實施例的應用於神經外科手術的成像方法的流程圖；
[0031]圖2為一個實施例的利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的流程圖；
[0032]圖3為一個實施例的測量彌散信號強度使用的時序圖；
[0033]圖4為一個實施例的用彌散張量D表達不同方向上彌散率的不意圖；
[0034]圖5為一個實施例的應用於神經外科手術的成像系統的模塊圖。
【具體實施方式】
[0035]為了解決目前單獨應用DT1、fMRI和PMRI技術獲得的圖像不能明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況的問題，本實施方式提供了一種應用於神經外科手術的成像方法及其系統。下面結合具體的實施例，對應用於神經外科手術的成像方法及其系統進行具體的描述。
[0036]請參考圖1，本實施方式提供的應用於神經外科手術的成像方法，包括如下步驟:
[0037]步驟SllO:利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果。請參考圖2，在本步驟中，利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的步驟包括:
[0038]步驟S112:測量彌散信號強度。在本實施方式中，計算彌散張量的步驟使用如下公式:
[0039]S = S0.e_bD (I)；
[0040]其中，S是測量 得到的彌散信號強度，SO是沒有彌散梯度時的信號強度，b是取決於彌散梯度脈衝的參數，D是彌散張量。
[0041]具體地，b是取決於彌散梯度脈衝的強度、寬度以及時間間隔。其計算方法如下:
[0042]b= Y 2G2S 2 (Δ-δ/3) (2)；
[0043]這裡Υ是質子旋磁比(為42MHz/T)，G為彌散梯度脈衝的強度，δ為彌散梯度脈衝的寬度，Λ為彌散梯度脈衝間的時間間隔。
[0044]步驟S114:根據彌散信號強度計算彌散張量。請結合圖3 (測量彌散信號強度使用的時序圖)，本實施方式採用Stejskal和Tanner等人在1965年提出的測量彌散的梯度自旋迴波序列的時序圖測量得到彌散信號強度S。然後根據公式(I)可以計算出彌散張量D，計算方法如下:
[0045]D= - (1/b) In (S/S0) (3)；
[0046]請參考圖4，在本實施方式中，彌散張量D可以表示成一個3*3的正定對稱矩陣，該矩陣表達了不同方向(空間X、Y、Z軸方向)上的彌散率。
[0047]步驟S116:計算彌散張量的特徵值及特徵向量。本步驟亦即基於線性代數相關知識計算出3*3的正定對稱矩陣的特徵值及特徵向量。
[0048]步驟S118:根據彌散張量的特徵值及特徵向量得到彌散張量的主特徵值及主特徵值對應的特徵向量。將步驟S116中得到的所有特徵值進行比較，選出模最大的特徵值作為主特徵值，並且將模最大的特徵值對應的特徵向量作為主特徵值對應的特徵向量。而腦白質纖維束的走向是與彌散張量的主特徵值對應的特徵向量的方向一致的。因此根據彌散張量的主特徵值所對應的特徵向量的方向即可實現對纖維束的跟蹤。
[0049]步驟S120:利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位。本步驟採用靜止、運動、靜止、運動、靜止、運動三個周期，一共六個時相的採集模式獲得fMRI圖像；然後對fMRI圖像進行格式轉換(將DICOM標準格式轉換為分析格式)後，對各功能區域進行定位並用不同顏色標識該病例的相關功能區域。
[0050]步驟S130:利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖。本步驟一般通過靜脈注入能使質子弛豫時間縮短的順磁性造影劑，以獲得MRI造影增強圖像。
[0051]步驟S140:將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。本步驟通過將步驟SllO和步驟S120得到的腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到步驟S130得到的腦組織Tl加權圖中，可以在新的腦組織Tl加權圖上同時顯示大腦各功能區域和連接各功能區域的白質纖維束的分布，從而精確地描述腫瘤的邊界。外科醫生就可以在這樣的圖像中標記出需要避免損傷的大腦功能區和相關纖維連接區。在切除腫瘤的過程中，避免切除大腦皮層功能區，同時避免誤傷與功能區相關聯的纖維束。故利用上述技術，外科醫生就可以根據腫瘤壓迫造成的大腦功能區與相關的連接纖維束移位情況來謹慎地確定手術方案，避免在沒有損傷功能區的情況下由於對白質纖維束的誤傷造成的功能喪失。
[0052]步驟S150:對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建並顯示。為了方便醫生更直觀地觀察新的腦組織Tl加權圖，可以對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建並顯示出來。
[0053]上述應用於神經外科手術的成像方法，將DT1、fMRI和PMRI技術有機地結合了起來，將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，能夠明確、直觀地反映大腦各功能區和連接各功能區域的白質纖維束的分布情況，從而幫助醫生更好地實施手術。
[0054]另外，請參考圖5，本實施方式還提供了一種應用於神經外科手術的成像系統，該應用於神經外科手術的成像 系統包括採集單元410和處理單元420。採集單元410連接於處理單元420。
[0055]採集單元410利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果；且採集單元410利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位；並利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖。
[0056]處理單元420用於將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。同時，在上述應用於神經外科手術的成像方法中，步驟SllO中各步驟涉及的計算工作也都是通過處理單元420實現的。
[0057]此外，應用於神經外科手術的成像系統還包括用於對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建的3D重建單元430以及用於顯示重建之後的新的腦組織Tl加權圖的顯示單元440，3D重建單元430連接於處理單元420，顯示單元440連接於3D重建單元430。
[0058]該應用於神經外科手術的成像系統可以運用前述應用於神經外科手術的成像方法得到。醫生藉助該應用於神經外科手術的成像系統可以更好地實施手術。
[0059]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此， 本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種應用於神經外科手術的成像方法，包括如下步驟: 利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果; 利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位； 利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖；及 將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。
2.根據權利要求1所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，所述利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的步驟包括: 測量彌散信號強度； 根據彌散信號強度計算彌散張量； 計算彌散張量的特徵值及特徵向量；及 根據彌散張量的特徵值及特徵向量得到彌散張量的主特徵值及主特徵值對應的特徵向量。
3.根據權利要求2所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，所述計算彌散張量的步驟使用如下公式:
S = S0.e_bD ； 其中，S是測量得到的彌散信號強度，SO是沒有彌散梯度時的信號強度，b是取決於彌散梯度脈衝的參數，D是彌散張量。
4.根據權利要求2或3所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，所述彌散張量是一個3*3的正定對稱矩陣。
5.根據權利要求2所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，在所述利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向的步驟中，腦白質纖維束的走向與彌散張量的主特徵值對應的特徵向量的方向一致。
6.根據權利要求1所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，在所述利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位的步驟中，對大腦功能區域進行定位採用不同的顏色標識。
7.根據權利要求1所述的應用於神經外科手術的成像方法，其特徵在於，在將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中的步驟之後，還包括如下步驟: 對新的腦組織Tl加權圖進.行3D重建並顯示。
8.一種應用於神經外科手術的成像系統，其特徵在於，包括採集單元和處理單元，所述採集單元連接於處理單元，所述採集單元利用彌散張量成像技術跟蹤腦白質纖維束的走向，並在腦組織結構圖中三維顯示跟蹤結果，且所述採集單元利用功能磁共振技術提取大腦功能區域的BOLD信號，對大腦功能區域進行定位，並利用灌注磁共振成像技術獲得造影增強的腦組織Tl加權圖，所述處理單元將腦白質纖維束的跟蹤結果和對大腦功能區域定位結果同時映射到同一幅腦組織Tl加權圖中，得到新的腦組織Tl加權圖。
9.根據權利要求8所述的應用於神經外科手術的成像系統，其特徵在於，所述應用於神經外科手術的成像系統還包括用於對新的腦組織Tl加權圖進行3D重建的3D重建單元，所述3D重建單元連接於所述處理單元。
10.根據權利要求9所述的應用於神經外科手術的成像系統，其特徵在於，所述應用於神經外科手術的成像系統還包括用於顯示重建之後的新的腦組織Tl加權圖的顯示單元，所述顯示單元連接於所 述3D重建單元。
【文檔編號】A61B5/055GK103462606SQ201310409624
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】張娜, 劉新, 鍾耀祖, 鄭海榮 申請人:深圳先進技術研究院