CN103462606A - 应用于神经外科手术的成像方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于神经外科手术的成像方法，包括如下步骤：利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果；利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位；利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图；及将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。上述应用于神经外科手术的成像方法将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，能够明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况。另外，还提供了一种应用于神经外科手术的成像系统。

Description

应用于神经外科手术的成像方法及其系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种应用于神经外科手术的成像方法及其系统。
背景技术
脑肿瘤发病率高，是严重危害人类健康的致死、致残性疾病，且恶性脑肿瘤具有发病率、复发率、死亡率高和治愈率低等“三高一低”的特点。一直以来，医学界首选的针对肿瘤的有效手段是对肿瘤组织进行有效、彻底的手术切除。近年随着影像学诊断技术的进步和显微神经外科技术的应用，脑肿瘤的诊断和治疗总体上取得了显著进步。然而，对恶性脑肿瘤（如脑胶质瘤等）患者的治疗并没有取得突破性进展。因为在肿瘤切除手术中，尽管在精确的图像引导下已经彻底切除了肿瘤组织，但由于周围的功能区域或者脑白质纤维束的损伤，有可能使大脑某些功能丧失。已有研究表明，在肿瘤手术后，即使大脑皮层没有损伤，也会出现某些功能丧失的情况。这是因为，连接某些相关联的功能区域的白质纤维束受到损坏。因此，在手术前，必须同时对大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布有明确、直观的认识。
磁共振弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）技术是利用水分子弥散的各向异性进行成像，是目前唯一无创伤地反映活体组织水分子交换功能状况的检查方法，它可以从细胞及分子水平研究疾病病理改变情况。利用磁共振弥散张量成像技术，可以实现对脑白质纤维束的跟踪。
功能核磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技术反映外周刺激或任务状态（如扣指运动等）下神经元活动所引起的脑功能皮质区的激活情况，主要反映刺激与皮质激活之间的相关关系，并将fMRI的激活图叠加在常规高分辨的解剖图像上，以观察刺激部位或动作部位在大脑功能区的定位。
灌注磁共振成像技术（perfusion Magnetic Resonance Imaging,pMRI）通过静脉注入能使质子弛豫时间缩短的顺磁性造影剂，以获得MRI造影增强图像。
在目前的研究中，通常只是对DTI、fMRI和PMRI技术的单独应用。即利用fMRI技术对大脑皮层的功能区域进行标示，利用DTI技术跟踪白质纤维束的走向，利用pMRI获得造影增强图像。但是单独应用DTI、fMRI和PMRI技术获得的图像还是不能明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况的应用于神经外科手术的成像方法及其系统。
一种应用于神经外科手术的成像方法，包括如下步骤：
利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果；
利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位；
利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图；及
将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。
在其中一个实施例中，所述利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的步骤包括：
测量弥散信号强度；
根据弥散信号强度计算弥散张量；
计算弥散张量的特征值及特征向量；及
根据弥散张量的特征值及特征向量得到弥散张量的主特征值及主特征值对应的特征向量。
在其中一个实施例中，所述计算弥散张量的步骤使用如下公式：
S＝S0·e-bD；
其中，S是测量得到的弥散信号强度，S0是没有弥散梯度时的信号强度，b是取决于弥散梯度脉冲的参数，D是弥散张量。
在其中一个实施例中，所述弥散张量是一个3*3的正定对称矩阵。
在其中一个实施例中，在所述利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的步骤中，脑白质纤维束的走向与弥散张量的主特征值对应的特征向量的方向一致。
在其中一个实施例中，在所述利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位的步骤中，对大脑功能区域进行定位采用不同的颜色标识。
在其中一个实施例中，在将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中的步骤之后，还包括如下步骤：
对新的脑组织T1加权图进行3D重建并显示。
同时还提供了一种应用于神经外科手术的成像系统，包括采集单元和处理单元，所述采集单元连接于处理单元，所述采集单元利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果，且所述采集单元利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位，并利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图，所述处理单元将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。
在其中一个实施例中，所述应用于神经外科手术的成像系统还包括用于对新的脑组织T1加权图进行3D重建的3D重建单元，所述3D重建单元连接于所述处理单元。
在其中一个实施例中，所述应用于神经外科手术的成像系统还包括用于显示重建之后的新的脑组织T1加权图的显示单元，所述显示单元连接于所述3D重建单元。
上述应用于神经外科手术的成像方法，将DTI、fMRI和PMRI技术有机地结合了起来，将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，能够明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况，从而帮助医生更好地实施手术。另外，还提供了一种运用上述应用于神经外科手术的成像方法得到的应用于神经外科手术的成像系统，该应用于神经外科手术的成像系统可以辅助医生更好地实施手术。
附图说明
图1为一个实施例的应用于神经外科手术的成像方法的流程图；
图2为一个实施例的利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的流程图；
图3为一个实施例的测量弥散信号强度使用的时序图；
图4为一个实施例的用弥散张量D表达不同方向上弥散率的示意图；
图5为一个实施例的应用于神经外科手术的成像系统的模块图。
具体实施方式
为了解决目前单独应用DTI、fMRI和PMRI技术获得的图像不能明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况的问题，本实施方式提供了一种应用于神经外科手术的成像方法及其系统。下面结合具体的实施例，对应用于神经外科手术的成像方法及其系统进行具体的描述。
请参考图1，本实施方式提供的应用于神经外科手术的成像方法，包括如下步骤：
步骤S110：利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果。请参考图2，在本步骤中，利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的步骤包括：
步骤S112：测量弥散信号强度。在本实施方式中，计算弥散张量的步骤使用如下公式：
S＝S0·e-bD    （1）；
其中，S是测量得到的弥散信号强度，S0是没有弥散梯度时的信号强度，b是取决于弥散梯度脉冲的参数，D是弥散张量。
具体地，b是取决于弥散梯度脉冲的强度、宽度以及时间间隔。其计算方法如下：
b=γ2G2δ2（Δ-δ/3）    （2）；
这里γ是质子旋磁比（为42MHz/T），G为弥散梯度脉冲的强度，δ为弥散梯度脉冲的宽度，Δ为弥散梯度脉冲间的时间间隔。
步骤S114：根据弥散信号强度计算弥散张量。请结合图3（测量弥散信号强度使用的时序图），本实施方式采用Stejskal和Tanner等人在1965年提出的测量弥散的梯度自旋回波序列的时序图测量得到弥散信号强度S。然后根据公式（1）可以计算出弥散张量D，计算方法如下：
D=﹣（1/b）ln（S/S0）    （3）；
请参考图4，在本实施方式中，弥散张量D可以表示成一个3*3的正定对称矩阵，该矩阵表达了不同方向（空间X、Y、Z轴方向）上的弥散率。
步骤S116：计算弥散张量的特征值及特征向量。本步骤亦即基于线性代数相关知识计算出3*3的正定对称矩阵的特征值及特征向量。
步骤S118：根据弥散张量的特征值及特征向量得到弥散张量的主特征值及主特征值对应的特征向量。将步骤S116中得到的所有特征值进行比较，选出模最大的特征值作为主特征值，并且将模最大的特征值对应的特征向量作为主特征值对应的特征向量。而脑白质纤维束的走向是与弥散张量的主特征值对应的特征向量的方向一致的。因此根据弥散张量的主特征值所对应的特征向量的方向即可实现对纤维束的跟踪。
步骤S120：利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位。本步骤采用静止、运动、静止、运动、静止、运动三个周期，一共六个时相的采集模式获得fMRI图像；然后对fMRI图像进行格式转换（将DICOM标准格式转换为分析格式）后，对各功能区域进行定位并用不同颜色标识该病例的相关功能区域。
步骤S130：利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图。本步骤一般通过静脉注入能使质子弛豫时间缩短的顺磁性造影剂，以获得MRI造影增强图像。
步骤S140：将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。本步骤通过将步骤S110和步骤S120得到的脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到步骤S130得到的脑组织T1加权图中，可以在新的脑组织T1加权图上同时显示大脑各功能区域和连接各功能区域的白质纤维束的分布，从而精确地描述肿瘤的边界。外科医生就可以在这样的图像中标记出需要避免损伤的大脑功能区和相关纤维连接区。在切除肿瘤的过程中，避免切除大脑皮层功能区，同时避免误伤与功能区相关联的纤维束。故利用上述技术，外科医生就可以根据肿瘤压迫造成的大脑功能区与相关的连接纤维束移位情况来谨慎地确定手术方案，避免在没有损伤功能区的情况下由于对白质纤维束的误伤造成的功能丧失。
步骤S150：对新的脑组织T1加权图进行3D重建并显示。为了方便医生更直观地观察新的脑组织T1加权图，可以对新的脑组织T1加权图进行3D重建并显示出来。
上述应用于神经外科手术的成像方法，将DTI、fMRI和PMRI技术有机地结合了起来，将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，能够明确、直观地反映大脑各功能区和连接各功能区域的白质纤维束的分布情况，从而帮助医生更好地实施手术。
另外，请参考图5，本实施方式还提供了一种应用于神经外科手术的成像系统，该应用于神经外科手术的成像系统包括采集单元410和处理单元420。采集单元410连接于处理单元420。
采集单元410利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果；且采集单元410利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位；并利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图。
处理单元420用于将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。同时，在上述应用于神经外科手术的成像方法中，步骤S110中各步骤涉及的计算工作也都是通过处理单元420实现的。
此外，应用于神经外科手术的成像系统还包括用于对新的脑组织T1加权图进行3D重建的3D重建单元430以及用于显示重建之后的新的脑组织T1加权图的显示单元440，3D重建单元430连接于处理单元420，显示单元440连接于3D重建单元430。
该应用于神经外科手术的成像系统可以运用前述应用于神经外科手术的成像方法得到。医生借助该应用于神经外科手术的成像系统可以更好地实施手术。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用于神经外科手术的成像方法，包括如下步骤：
利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果；
利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位；
利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图；及
将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。
2.根据权利要求1所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，所述利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的步骤包括：
测量弥散信号强度；
根据弥散信号强度计算弥散张量；
计算弥散张量的特征值及特征向量；及
根据弥散张量的特征值及特征向量得到弥散张量的主特征值及主特征值对应的特征向量。
3.根据权利要求2所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，所述计算弥散张量的步骤使用如下公式：
S＝S0·e-bD；
其中，S是测量得到的弥散信号强度，S0是没有弥散梯度时的信号强度，b是取决于弥散梯度脉冲的参数，D是弥散张量。
4.根据权利要求2或3所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，所述弥散张量是一个3*3的正定对称矩阵。
5.根据权利要求2所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，在所述利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向的步骤中，脑白质纤维束的走向与弥散张量的主特征值对应的特征向量的方向一致。
6.根据权利要求1所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，在所述利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位的步骤中，对大脑功能区域进行定位采用不同的颜色标识。
7.根据权利要求1所述的应用于神经外科手术的成像方法，其特征在于，在将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中的步骤之后，还包括如下步骤：
对新的脑组织T1加权图进行3D重建并显示。
8.一种应用于神经外科手术的成像系统，其特征在于，包括采集单元和处理单元，所述采集单元连接于处理单元，所述采集单元利用弥散张量成像技术跟踪脑白质纤维束的走向，并在脑组织结构图中三维显示跟踪结果，且所述采集单元利用功能磁共振技术提取大脑功能区域的BOLD信号，对大脑功能区域进行定位，并利用灌注磁共振成像技术获得造影增强的脑组织T1加权图，所述处理单元将脑白质纤维束的跟踪结果和对大脑功能区域定位结果同时映射到同一幅脑组织T1加权图中，得到新的脑组织T1加权图。
9.根据权利要求8所述的应用于神经外科手术的成像系统，其特征在于，所述应用于神经外科手术的成像系统还包括用于对新的脑组织T1加权图进行3D重建的3D重建单元，所述3D重建单元连接于所述处理单元。
10.根据权利要求9所述的应用于神经外科手术的成像系统，其特征在于，所述应用于神经外科手术的成像系统还包括用于显示重建之后的新的脑组织T1加权图的显示单元，所述显示单元连接于所述3D重建单元。
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