CN107028626B - 一种前列腺术弹性配准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的是利用高精度电磁定位仪实时跟踪超声换能器和穿刺针引导前列腺穿刺，并提供一种实时二维超声和术前MRI图像融合引导下的前列腺靶向穿刺，通过多模态医学图像配准和融合技术，结合术前MRI图像的诊断优势与TRUS图像的实时引导优势来提供更高质量的靶向引导穿刺。

Description

一种前列腺术弹性配准方法及装置

技术领域

本发明属于医疗仪器领域，具体的涉及一种用于前列腺穿刺术的二维超声序列和三维磁共振图像的弹性配准方法。

背景技术

前列腺癌是男性人群中最常见的癌症之一，并且其致死率在非皮肤癌中排行第二。目前，最为流行的前列腺癌筛查方法是血清前列腺特异性抗原筛查，其次是在实时2D经直肠超声引导下进行的六次或更多次活检。作为这一程序的部分，通常将前列腺分为6个等体积的区域。以系统的、但本质上无方向性的方式从这六个区域中的每个获取一次或多次活检。这一程序称为六分仪活检。

由于六分仪活检成本低并且相对于检测前列腺癌的其他方法较为简单而被广泛使用。然而，六分仪活检已经表现出具有严重的假阴性率，并且可能关于活检的真实位置不准确。通常使用前列腺的原始标准图报告六分仪活检的结果，在前列腺的原始标准图上，病理医师手动地注解活检结果。这张图本质上是不准确的，因为进行注解的病理医师不知道活检的真实部位。经直肠超声(TRUS)引导的系统性穿刺活检似乎解决了上述的技术难题，因其实时性，成像无辐射，低成本和操作简单等性能已成为检查诊断前列腺癌的重要指标。但是，超声成像速度快，虽然可以在术中实时成像，但由于超声波图像的分辨率有限，图像中软组织间的区分度也不高，虽能实时追踪采样导管的位置，却无法通过图像对病变组织进行精确定位，导致单纯基于超声的采样方法，对癌症检测的灵敏度不高，只有60％至85％。

发明内容

本发明的目的是利用高精度电磁定位仪实时跟踪超声换能器和穿刺针引导前列腺穿刺，并提供一种实时二维超声和术前MRI图像融合引导下的前列腺靶向穿刺，通过多模态医学图像配准和融合技术，结合术前MRI图像的诊断优势与TRUS图像的实时引导优势来提供更高质量的靶向引导穿刺。该方法主要针对现有技术中存在的以下技术问题：

前列腺MRI和超声图像差异大、前列腺受探头挤压产生较大形变以及超声图像中可用于配准的特征较少等原因，前列腺MRI-TRUS图像的配准都需要临床医生花费大量时间对MRI和TRUS数据做手动分割，且分割结果的不稳定对配准效果的影响较大，较具临床实用性的为Xu S，Kruecker J提出的基于电磁定位器的前列腺靶向穿刺系统，该系统先对术前MRI和3D TRUS图像进行手动刚体配准，然后在穿刺过程中利用电磁定位技术进行二维和三维经直肠超声图像配准，最后根据术前刚体配准结果计算术中二维超声图像与术前MRI图像的空间转换关系，然而，该系统中使用的3D TRUS数据是基于附在超声探头上的电磁定位传感器和系列二维图像数据重建得到，此方法计算量大、扫描时间长，且重建扫描过程探头易对前列腺造成不同程度的挤压、影响重建精度。

本发明基于多模态医学图像配准和融合技术，联合术前MRI图像的诊断优势和TRUS图像的实时引导优势，开发出质量更高的前列腺靶向穿刺引导系统，开发出质量更高的前列腺靶向穿刺引导装置，借助于电磁定位仪准确的定位超声探头和穿刺针，通过MRI与3D TRUS手动刚体配准，利用MRI图像对早期前列腺癌的高特异性，准确选择定位穿刺区域作为感性兴趣区，这种选择性的穿刺活检与以往的六分仪活检方法不同，六分仪活检通常分别从前列腺顶部、中部和底部、左右两侧平均分成六部分，进行代表性样品取出，这种随机的活检是在没有准确掌握癌症位置时所进行的预测，无法保证癌症的高检出率，采用本发明的只对感兴趣区域选点穿刺方法，通过术前影像信息完全能提供给医生清晰地、立体的前列腺病变区域，从而提高前列腺癌的检出率，而本发明所提出的一种前列腺术弹性配准方法解决了传统的图像重建方法计算量大、花费时间长以及重建扫描过程中由超声探头挤压前列腺引起的形变差异导致重建精度低等缺点，提高三维数据的精确性。

本发明的技术方案是：

将穿刺套件插入到位于受检者的身体中的腔中，所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

将所述穿刺针操纵成与位于所述腔的壁中的目标检测点接触；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端前部和所述目标出针点之间的期望的接触力；以及

根据电磁定位仪感测第二位置传感器的位置和取向，该电磁定位仪利用生成磁场的线圈，通过以预定的工作容积生成磁场并感测信号；

操作者能够通过观察控制台的响应于上述感测信号的处理器给出的数据，结合受检者在术前预先获取的医学成像模态信号调控手柄尾端的空间位置，所述空间位置由处理电路经过接受、放大、过滤并数字化来自第一位置传感器的信号所提供。

进一步地，所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

进一步地，所述医学成像模态是下列之一，磁共振(MRI)成像；计算机断层摄影(CT)成像；正电子发射光谱(PET)成像；或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像；

进一步地，包括：

第一步，穿刺点勾画，对受检者在术前预先获取医学成像模态，根据所述成像模态上进行路径规划操作，以及利用电磁定位仪记录第一位置传感器对应的二维超声图像序列在电磁系统坐标系中的坐标；

第二步，采用边界提取算法分别提取超声图像序列(US)以及磁共振图像(MRI)中受检部位的轮廓边界，均匀抽取边界上五分之一的像素点作为点集；

第三步，采用点集弹性配准方法(Coherent Point Drift，Robust PointMatching，Iterative closest Point等)对US点集和MRI点集进行配准，获得MRI点集中每个点的位移向量

第四步，定义基于B样条自由形变模型的表征MRI图像中前列腺组织形变的形变场Δx，即腺体组织每个点的位移量，根据B样条自由形变模型，图像中设置间距s＝(s_x,s_y,s_z)的均匀网格；d_i,j,k为网格u中第i，j，k个节点的位移；

第五步，利用形变场Δx对三维MRI图像进行变形，经过插值得到最终与超声图像序列配准的磁共振图像。

进一步地，第三步包括，

Δx定义如下

其中

u＝x/s-i-1,v＝y/s-i-1,w＝z/s-i-1，B₀，B₁，B₂，B₃是4个三次B样条基函数：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，

受检部位边界组织的形变情况反映了整个前列腺组织的形变趋势，因此可利用边界组织形变情况，拟合出整个前列腺组织的形变量，点集坐标位移向量

反映的是受检部位边界组织的位移，在受检部位边界组织处由B样条自由形变模型确定的形变量Δx应该与

相等，即Δx到/>

的欧几里得距离等于0。

进一步地，第四步包括，

定义点集位移向量

与Δx的欧氏距离平方和：

将(2)式代入(1)式，使用最优化方法，最小化E(P(x)；Δx)，求得节点位移d_i,j,k，从而确定形变场Δx。

作为本发明的一个实施例，还提供一种设备，其特征在于包括：穿刺套件、电磁定位仪和信息处理单元，

所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端前部和所述目标出针点之间的期望的接触力的处理器；以及

响应于所述处理器和所述超声换能器回波信号建立超声图像的信息处理单元，

所述电磁定位仪感测第二位置传感器的位置和取向，该电磁定位仪利用生成磁场的线圈，通过以预定的工作容积生成磁场并感测信号；

操作者能够通过观察控制台的响应于上述感测信号的处理器给出的数据，结合信号处理电路经过接受、放大、过滤并数字化来自第一位置传感器的信号，调控手柄尾端。

进一步地，包括，

所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

进一步地，包括，

所述处理器经由通至所述控制台的电缆通过位于所述远程前端部的发射器激活所述超声换能器导出超声换能器的三维取向，并且由此导出由超声换能器发射的波束的方向。

进一步地，包括，

所述处理器经由所述接收器导出由超声换能器发射的声脉冲，且通过相对于位置传感器取向对波束进行校准来改善超声换能器方向。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的二维超声序列-三维磁共振图像弹性配准方法流程图。

图2为本发明的角度刻度盘示意图装置的示意图。

图3为本发明的超声图像与跟踪系统坐标系校准计算方案流程图。

图4为根据本发明的实施方案的穿刺套件的远程前端的部分正视图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明在二维超声序列-三维磁共振图像弹性配准的方面进行的改进还包括作为本发明的另一个实施例的超声图像与跟踪系统坐标系校准计算方案，主要包括两个方面：

一个是穿刺套件结构改进使得在术中操作时精确提示旋转角度；另一个是配套地给出一种个性化的旋转角度计算方法。

1)穿刺套件结构改进

手术操作过程分析：

手术时，病人平躺，介入医师将经直肠的穿刺套件经过直肠进入前列腺，超声波经过直肠壁、前列腺、和直肠交界面从前列腺一侧进入前列腺，为了保证超声信号的穿透能力，工作频率通常在6.5MHz左右，由于术前医生已经获得病变区域在医学成像模态设备中的位置，介入医生凭经验选取感兴趣区域进行给针，将传统的对前列腺整体进行六部分均分(前列腺顶部、中部和底部、左右两侧)改进为只对上述感兴趣区域的病变组织选点穿刺，分别对所述病变组织的上-下、左-右、前-后六个方向选点，如图1；由于直肠与前列腺为不连通器官，穿刺针只能在直肠内进行，穿刺套件只能在直肠上下移动，因此如果需要尽可能减少穿刺针进入前列腺的刺点数以及深度的情况下，需对穿刺针前进方向进行调整，即手持穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴自身旋转，使得穿刺针在对病变组织一次进针的情况下通过进出和旋转实现六点取样。

穿刺套件改进：

为了协助医生操作，穿刺套件的穿刺针手柄尾端包含向位于控制台中的处理器提供信号的位置传感器。处理器可履行如下描述的若干处理功能，在穿刺套件中引入接触力传感器和位置传感器，在穿刺套件外鞘的尾端外缘接一个角度提示刻度盘。角度刻度盘设计如图2：刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合；角度增大的方向为逆时针方向；中央的孔洞为留出孔，用于嵌套在穿刺套件的外鞘上。手术前建立好受检部位的空间位置，并且根据接触力传感器的读数来建立穿刺针远程前端前部和目标出针点之间的期望的接触力，通常情况不同的受检部位的受力值不同，对于个性化手术导航而言，有经验的医生提前会建立起力值和空间位置之间的关系作为辅助，手术时将带刻度盘的外鞘固定，穿刺针及软管嵌在外鞘内进出直肠或旋转操作，穿刺针尾端的箭头留出在外鞘外，通过读箭头在刻度盘的指示和处理器给出的受力参数来实时读取操作时的旋转角。

穿刺套件41的接触受检部位47的远程前端如图4所示：位于所述远程前端部42的接触力传感器43、位于所述远程前端部42的发射器48、接收器44和超声换能器45，以及位于所述远程前端部后侧49的第二位置传感器50；

响应于所述接触力传感器43的读数来建立所述穿刺针40远程前端前部42和所述目标出针点之间的期望的接触力的处理器(未示出)；以及

响应于所述处理器和所述超声换能器45回波信号建立超声图像的信息处理单元，

所述电磁定位仪感测第二位置传感器50的位置和取向，该电磁定位仪利用生成磁场的线圈，通过以预定的工作容积生成磁场并感测信号；

操作者能够通过观察控制台的响应于上述感测信号的处理器给出的数据，结合信号处理电路经过接受、放大、过滤并数字化来自第一位置传感器的信号，调控手柄尾端。

所述第二位置传感器50，包括双螺旋形式的弹簧51，设置在远程前端部后侧49中以及接触力传感器43的近侧。接触力传感器43的近侧部分49围绕纵向轴线52进行设置。当弹簧51挠曲时，纵向轴线52不必与对称轴线46对准。换句话讲，接触力传感器53充当末端41和接触力传感器43近侧的节段之间的接头。如果末端47上不存在力或者如果力平行于对称轴线46，则弹簧51的远侧端部和近侧端部对准，并且对称轴线46与导管的远侧部分(位于接触力传感器43的近侧)的纵向轴线52对准。如果末端47上存在非对称力，则这两个轴线不对准。在所有情况下，可计算超声换能器45以及由超声换能器45发射的波束的取向；并且可确定这两个轴线的对准或不对准。

进一步地，包括，

所述处理器经由通至所述控制台的电缆通过位于所述远程前端部的发射器48激活所述超声换能器45导出超声换能器45的三维取向，并且由此导出由超声换能器45发射的波束的方向。进一步地，包括，

所述处理器经由所述接收器44导出由超声换能器45发射的声脉冲，且通过相对于第二位置传感器50取向对波束进行校准来改善超声换能器45方向。

2)个性化的超声图像与跟踪系统坐标系校准的计算

配套的超声图像与跟踪系统坐标系校准计算方案流程图如图3：

第一步，医学成像模态设备有自定义的坐标系，记为所述方法中的跟踪系统坐标系C_T，根据医学成像模态图像DICOM文件中的体素位置参数、体素大小参数、层距参数，获得参考点的坐标信息；

第二步，将校准容器内注入水或耦合剂，将穿刺套件放于固定支架上，贴于容器一侧并固定，实时采集校准容器内的超声图像，记录此时第二位置传感器给出的转换矩阵T2；

第三步，将金属探针定位器固定于探针夹持支架上，移动金属探针定位器空间位置，当超声图像上出现亮点时，停止移动，此时金属探针定位器固定，金属探针针尖位于超声成像区域内，记录此时金属探针定位器在跟踪系统坐标系C_T中的坐标P_i，并记录超声图像上此亮点在超声图像坐标系Cus上的坐标I_i；

第四步，重复上述操作n次，得到跟踪系统坐标系C_T中的点集P_i(i＝1,2,…,n)，这n个点的坐标均不相同，并得到与这n个点对应的超声图像坐标系Cus中的点集I_i(i＝1,2,…,n)；由坐标关系，P_i＝T2·T1·I_i，其中P_i、I_i、T2均为已知，T1待求。

令US坐标系(Cus)与跟踪系统坐标系(C_T)之间的转换矩阵T＝T2·T1，那么Pi＝T·Ii；求解T采用下列刚性点集配准方法之一，ICP(Iterative Closest Points)算法、CPR(coherent point drift)算法、RP(robust point match)算法；求出T后，T1＝(T2)-1·T。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种前列腺穿刺术活检取出装置，其特征在于包括：穿刺套件、电磁定位仪和信息处理单元，

所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端部；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端部和目标出针点之间的期望的接触力的处理器；以及

响应于所述处理器和所述超声换能器回波信号建立超声图像的信息处理单元，

所述电磁定位仪感测第二位置传感器的位置和取向，该电磁定位仪利用生成磁场的线圈，通过以预定的工作容积生成磁场并感测信号；

操作者能够通过观察控制台的响应于上述感测信号的处理器给出的数据，结合受检者在术前预先获取的医学成像模态信号调控手柄尾端的空间位置，所述空间位置由处理电路经过接受、放大、过滤并数字化来自第一位置传感器的信号所提供。

2.根据权利要求1所述的一种前列腺穿刺术活检取出装置，其特征在于包括，

所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

3.根据权利要求2所述的一种前列腺穿刺术活检取出装置，其特征在于包括，

所述处理器经由通至所述控制台的电缆通过位于所述远程前端部的发射器激活所述超声换能器导出超声换能器的三维取向，并且由此导出由超声换能器发射的波束的方向。

4.根据权利要求3所述的一种前列腺穿刺术活检取出装置，其特征在于包括，

所述处理器经由所述接收器导出由超声换能器发射的声脉冲，且通过相对于第二位置传感器取向对波束进行校准来改善超声换能器方向。

Images