CN106214272A - 一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，所述方法包含：于开颅手术前，通过功能结构成像获得患者的脑部功能结构融合图像，根据预定成像方案对患者的所述脑部功能结构融合图像进行功能成像，获得待配准功能图像；于开颅手术中，通过光学器材获得患者的脑部光学图像，对患者的脑部光学图像进行区域分割，获得待配准光学图像；将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配，获得光学功能标定图像。

Description

一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法

技术领域

本发明涉及临产医学领域，尤指一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法。

背景技术

临床中(以上海华山医院脑胶质瘤麻醉唤醒功能定位手术为例)，开颅手术切割肿瘤前需要确定肿瘤附近脑皮层功能分布情况，通过脑皮层电生理信号测量与脑皮层直接刺激判断脑功能区域，并贴上标牌标记，从而为医生提供肿瘤手术规划(切除与保护的患者功能区域)提供依据。

现有的方法中脑唤醒手术在开颅后需要在线功能定位，占用了大量的临床手术时间；同时，通过刺激与电生理信号的办法无法获取患者的功能区域的准确信息(空间位置、神经纤维、神经受损等)；而且，定位需要将患者唤醒、麻醉影响为患者与医生带来负担。

发明内容

本发明目的在于克服上述缺陷，提供一种安全有效的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法。

为达到上述目的，本发明提出了一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，所述方法包含：于开颅手术前，通过功能结构成像获得患者的脑部功能结构融合图像，根据预定成像方案对患者的所述脑部功能结构融合图像进行功能成像，获得待配准功能图像；于开颅手术中，通过光学器材获得患者的脑部光学图像，对患者的脑部光学图像进行区域分割，获得待配准光学图像；将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配，获得光学功能标定图像。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配包含：对所述待配准功能图像进行降维处理，将所述待配准光学图像与处理后的所述待配准功能图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述对所述待配准功能图像进行降维处理包含：通过物理定位降维方法对所述待配准功能图像进行降维处理。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述物理定位降维方法包含：通过所述脑部功能结构像及所述脑部光学成像，标定得到在术前功能结构扫描的第一头部姿态，以及在开颅手术中的第二头部姿态；将所述第一姿态信息和所述第二姿态信息的坐标系交换，将所述第一头部姿态所在的第一参照系变换到所述第二姿态信息所在的第二参照系中，在第二坐标系下，得到第一姿态信息的第一映射姿态信息；根据所述第二姿态信息对所述第一映射姿态信息进行调整姿态，获得同一坐标系下相同姿态的朝向第一映射姿态信息和所述第二姿态信息；通过截像的方法获得光学功能标定图像。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述调整姿态包含旋转平移所述第一映射姿态信息。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述通过所述脑部功能结构像及所述脑部光学成像，标定得到在术前功能结构扫描的第一头部姿态，以及在开颅手术中的第二头部姿态包含：通过头盔瞄准具的头部姿态信息测量或基于视觉的头部姿态信息测量或外观模板方法或探测器阵列方法获得所述第一头部姿态和所述第二头部姿态。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述对所述待配准功能图像进行降维处理包含：通过所述待配准光学图像中的患者的脑皮层体表信息于所述待配准功能图像上进行遍历匹配，获得光学功能标定图像。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述通过所述待配准光学图像中的患者的脑皮层体表信息于所述待配准功能图像上进行遍历匹配还包含：根据患者的脑部病体的实际位置确定匹配结果。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配包含：对所述待配准光学图像进行升维处理，将所述待配准功能图像与处理后的所述待配准光学图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像。

在上述开颅手术中可视化脑功能结构定位方法中，优选的，所述对所述待配准光学图像进行升维处理包含：通过复数个光学器材于开颅手术中获得复数张不同角度的脑部光学图像，将所述复数张不同角度的脑部光学图像结合处理为患者的脑部表面结构图；所述脑部表面结构图与所述待配准功能图像进行配准，获得三维功能结构标定图像，根据患者的脑部病体的实际位置调整所述三维功能结构标定图像并进行截图处理，获得光学功能标定图像。

通过本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，在开颅手术术前，胶质瘤患者进行MRI功能成像扫描(功能像与结构像)，在扫描中加入功能刺激(视觉刺激、听觉刺激、语义刺激、嗅觉刺激等)与任务(运动任务、语言任务等)，采集图像后通过fMRI影像功能链接、功能网络确定与刺激、任务对应的功能像，并融合于对应的结构像中，从而得到脑功能区域划分的结构患者的3D脑图像，并根据结构图像计算出大脑在核磁下的姿态信息；在开颅手术中，医生在病灶区域周围进行开颅手术，通过摄像机对开颅部位进行光学成像，获取头部的姿态信息；将图像上传于计算服务器系统中，寻找3D功能图像中与摄像头拍摄开颅病灶的相同姿态对应的脑皮层表面图像；在通过大脑血管、勾回的特征点对应的摄像机拍摄的开颅脑皮层图像与其(该图像)头部姿态与摄像头位置关系对应的3D功能结构图像进行配准，得到形变后的脑皮层图像以及对应的功能标定图。

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，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法流程示意图；

图2为本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法一优选实施例流程示意图；

图3为本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法一优选实施例流程示意图；

图4为本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法一优选实施例流程示意图；

图5为本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法一优选实施例流程示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明提出了一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，该方法具体包含：于开颅手术前，通过功能结构成像获得患者的脑部功能结构融合图像，根据预定成像方案对患者的所述脑部功能结构融合图像进行功能成像，获得待配准功能图像；于开颅手术中，通过光学器材获得患者的脑部光学图像，对患者的脑部光学图像进行区域分割，获得待配准光学图像；将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配，获得光学功能标定图像。

在上述实施例中，本发明提出的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法包含：在开颅手术术前，对胶质瘤患者进行MRI功能成像扫描(功能像与结构像)，在扫描中加入功能刺激(视觉刺激、听觉刺激、语义刺激、嗅觉刺激等)与任务(运动任务、语言任务等)，采集图像后通过fMRI影像功能链接、功能网络确定与刺激、任务对应的功能像，并融合于对应的结构像中，从而得到脑功能区域划分的结构患者的3D脑图像亦即待配准功能图像，同时还可根据结构图像计算出大脑在核磁下的姿态信息；其后，在开颅手术中，医生在病灶区域周围进行开颅手术，通过摄像机对开颅部位进行光学成像亦即待配准光学图像，同时还可获取头部的姿态信息；将图像上传于处理端中，如：计算服务器系统，寻找待配准功能图像(如：3D脑图像)中与摄像头拍摄开颅病灶的相同姿态对应的待配准光学图像(如：脑皮层表面图像)；最后通过大脑血管、勾回的特征点对应的摄像机拍摄的开颅脑皮层表面图像与其头部姿态与摄像头位置关系对应的3D脑图像进行配准，得到光学功能标定图像，即形变后的脑皮层图像以及对应的功能标定图。

为更清楚解释说明上述实施例，以下请参考图1所示，在实际过程中，在脑肿瘤开颅手术术前首先通过功能结构成像，获得患者头部区域功能结构融合图像，在获取功能图像前，根据脑部肿瘤的病理情况、病灶区域位置等信息，指定功能成像方案，包括成像参数，刺激方案、所施加任务流程等，并进行脑部结构成像；然后在开颅手术术中获取开颅脑部光学图像，并在光学图像上有医生进行感兴趣区域分割，得到待配准的光学图像；依据已分割得到的带配准的光学图像，分割得到带配准的功能结构图像；最后将分割好的功能结构图像与分割好的光学图像进行配准，得到光学功能标定图像，用以为医生提供手术规划的参考；该实施例中各步骤处理方法具体可如下所示：

首先由医生根据所切肿瘤在大脑中的位置与附近功能区关联情况判断所施加的刺激与任务态；只能通过刺激脑皮层检测功能环路障碍的办法或监测刺激或任务态中ERP放电情况来估计、推测脑皮层对应的功能区域；因此，在此采用功能成像的办法，以此得到与刺激、任务关联的所有参与的脑功能激活区域位置；其中刺激与任务的设计可由医生根据所涉及相关脑区的功能来设计提供；其次在患者静息状态中，采集患者头部MRI T1像，并保持头部固定状态；融合中首先，不同的刺激与任务得到不同脑区的激活情况，通过脑功能区域对脑区的功能像进行划分，将归一化的功能区域通过T1像指定的标定模板重新投影，得到功能与结构像融合后的MRI图像；

在开颅手术中，开颅后通过摄像机正面拍摄开颅区域并成像，并通过摄像头对头部成像获取头部位置姿态信息；由手术医师确定光学图像中开颅的大脑区域在图像中的位置，并沿着开颅区域勾画出脑开颅内区域的图像，用于与2DMRI功能结构图像的配准；

将3DMRI功能结构图像降至2D功能结构图像，具体通过物理、算法等方案实现从3D图像中找出与光学图像相对应的2D图像；其后根据前述得到的2D功能结构图像亦即待配准脑区图像确定相关带配准区域，该区域的勾画、分割需要参考肿瘤、骨骼等位置计算得到，也可以提前通过预先计划开颅的预期，在术前输入确定，术中进行边缘修正而得；将2DMRI功能定位图像向光学开颅后的脑区图像进行配准；可以通过物理计算颅内压力变化以及血管勾回等特征点办法进行配准，将功能定位2D图像配准到光学待配准图像中来。

在本发明的优选实施例中，将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配还提供对功能结构像降维或对光学图像升维后，将两者进行匹配的两类办法；具体如下所示：

其中对功能结构像降维的方法请参考图2所示，对所述待配准功能图像进行降维处理，将所述待配准光学图像与处理后的所述待配准功能图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像，具体的首先在术前通过预先根据刺激或任务获得患者的脑部功能3D结构像，再于术中获得患者脑部的光学2D图像，然后根据该光学2D图像于术前获得脑部功能3D结构像中确定一致的平面位置(亦即将所述脑部功能3D结构像进行降维处理)，截取该平面工艺的2D功能结构像，最后将该2D功能结构像与光学2D图像配准，获得光学功能标定图像即2D光学功能区标定像；在该方法中通过功能结构像得到的3D图像找到与2D光学图像一致的2D图像得到2D功能结构像，将3D图像降维成2D图像。

在上述实施例中，对所述待配准功能图像进行降维处理的方法有多种降维方法，在本发明的优选实施例中提供了物理定位降维方法和遍历降维两个降维方法，以下先以物理定位降维方法为例做举例说明，请参考图3所示，在对所述待配准功能图像进行降维处理时，主要通过所述脑部功能结构像及所述脑部光学成像，标定得到在术前功能结构扫描的第一头部姿态，以及在开颅手术中的第二头部姿态；将所述第一姿态信息和所述第二姿态信息的坐标系交换，将所述第一头部姿态所在的第一参照系变换到所述第二姿态信息所在的第二参照系中，在第二坐标系下，得到第一姿态信息的第一映射姿态信息；根据所述第二姿态信息对所述第一映射姿态信息进行调整姿态，获得同一坐标系下相同姿态的朝向第一映射姿态信息和所述第二姿态信息；通过截像的方法获得光学功能标定图像；其中，所述调整姿态包含旋转平移所述第一映射姿态信息；而所述头部姿态主要通过头盔瞄准具的头部姿态信息测量或基于视觉的头部姿态信息测量或外观模板方法或探测器阵列方法获得所述第一头部姿态和所述第二头部姿态。

具体的，在实际工作中主要通过功能结构像及光学成像的标定得到在术前功能结构扫描的头部姿态M，以及在开颅手术术中摄像定位中的头部姿态O，并将两姿态信息的坐标系变换，将M所在的参照系L1变换到O所在的参照系L2中，在L2坐标系下，得到M头部姿态信息为M’，将M’调整姿态(旋转平移)到O上，得到同一坐标系下相同姿态的朝向，通过截像的方法得到与光学头部系统对应的2D功能结构图像，即完成降维的过程，该实施例中各步骤处理方法具体可如下所示：

通过T1像确定在功能结构扫描过程中的头部姿态M，并确定该成像系统中图像的坐标系L1。通过图像方式确定头部的姿态有多种方方法：头盔瞄准具的头部姿态信息测量、基于视觉的头部姿态信息测量、外观模板方法、探测器阵列方法等；通过摄像头对开颅后的头部成像，确定其姿态O，并确定该成像系统中图像的坐标系L2；L1坐标系变换到L2坐标系中，将MRI中确定的头部姿态位置信息变换到光学头部成像坐标系下，在相同坐标系下；调整姿态根据光学成像中头部的姿态调整3DMRI到相同的姿态。该步骤实现了3DMRI与摄像头与头部拍摄图片的物理位置关系一致的操作；对调整后的3DMRI图像进行2D截断；根据光学图像中开颅脑区域位置，截取剥开脑骨脑皮层外表面的图像。

在本发明的另一优选实施例中，还可通过遍历降维法对所述待配准功能图像进行降维处理，主要包含：通过所述待配准光学图像中的患者的脑皮层体表信息于所述待配准功能图像上进行遍历匹配，根据患者的脑部病体的实际位置确定匹配结果，由所述匹配结果获得光学功能标定图像。

请参考图4所示，在上述实施例中，主要通过预先知道的患者的相关信息即先验知识的条件，再结合2D光学待配准脑区的图像从3D功能结构像中，根据脑皮层体表信息进行遍历查找，结合肿瘤的实际位置，在查找结果中筛选符合2D影像的图像。

在本发明一优选的实施例中，还包含对光学图像升维后，再将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配的方法，具体请参考图5所示，该方法首先对所述待配准光学图像进行升维处理，将所述待配准功能图像与处理后的所述待配准光学图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像；其中升维处理可包含：通过复数个光学器材于开颅手术中获得复数张不同角度的脑部光学图像，将所述复数张不同角度的脑部光学图像结合处理为患者的脑部表面结构图；所述脑部表面结构图与所述待配准功能图像进行配准，获得三维功能结构标定图像，根据患者的脑部病体的实际位置调整所述三维功能结构标定图像并进行截图处理，获得光学功能标定图像；具体的，在光学成像过程中，通过改变摄像头的位置(或在不同位置设置多个摄像头)拍摄不同角度图像，形成3D表面图像。并将3D功能结构图像转化为脑皮层的3D图像，将光学3D图像与功能结构脑表皮图像进行配准，得到三维功能定位图像，并选取角度进行2D截图，即可得到2D光学功能结构标定图像。

通过本发明所提供的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，在开颅手术术前，胶质瘤患者进行MRI功能成像扫描(功能像与结构像)，在扫描中加入功能刺激(视觉刺激、听觉刺激、语义刺激、嗅觉刺激等)与任务(运动任务、语言任务等)，采集图像后通过fMRI影像功能链接、功能网络确定与刺激、任务对应的功能像，并融合于对应的结构像中，从而得到脑功能区域划分的结构患者的3D脑图像，并根据结构图像计算出大脑在核磁下的姿态信息；在开颅手术中，医生在病灶区域周围进行开颅手术，通过摄像机对开颅部位进行光学成像，获取头部的姿态信息；将图像上传于计算服务器系统中，寻找3D功能图像中与摄像头拍摄开颅病灶的相同姿态对应的脑皮层表面图像；在通过大脑血管、勾回的特征点对应的摄像机拍摄的开颅脑皮层图像与其(该图像)头部姿态与摄像头位置关系对应的3D功能结构图像进行配准，得到形变后的脑皮层图像以及对应的功能标定图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述方法包含：

于开颅手术前，通过功能结构成像获得患者的脑部功能结构融合图像，根据预定成像方案对患者的所述脑部功能结构融合图像进行功能成像，获得待配准功能图像；

于开颅手术中，通过光学器材获得患者的脑部光学图像，对患者的脑部光学图像进行区域分割，获得待配准光学图像；

将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配，获得光学功能标定图像。

2.根据权利要求1所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配包含：对所述待配准功能图像进行降维处理，将所述待配准光学图像与处理后的所述待配准功能图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像。

3.根据权利要求2所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述对所述待配准功能图像进行降维处理包含：通过物理定位降维方法对所述待配准功能图像进行降维处理。

4.根据权利要求3所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述物理定位降维方法包含：

通过所述脑部功能结构像及所述脑部光学成像，标定得到在术前功能结构扫描的第一头部姿态，以及在开颅手术中的第二头部姿态；

将所述第一姿态信息和所述第二姿态信息的坐标系交换，将所述第一头部姿态所在的第一参照系变换到所述第二姿态信息所在的第二参照系中，在第二坐标系下，得到第一姿态信息的第一映射姿态信息；

根据所述第二姿态信息对所述第一映射姿态信息进行调整姿态，获得同一坐标系下相同姿态的朝向第一映射姿态信息和所述第二姿态信息；

通过截像的方法获得光学功能标定图像。

5.根据权利要求4述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述调整姿态包含旋转平移所述第一映射姿态信息。

6.根据权利要求4述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述通过所述脑部功能结构像及所述脑部光学成像，标定得到在术前功能结构扫描的第一头部姿态，以及在开颅手术中的第二头部姿态包含：通过头盔瞄准具的头部姿态信息测量或基于视觉的头部姿态信息测量或外观模板方法或探测器阵列方法获得所述第一头部姿态和所述第二头部姿态。

7.根据权利要求2所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述对所述待配准功能图像进行降维处理包含：通过所述待配准光学图像中的患者的脑皮层体表信息于所述待配准功能图像上进行遍历匹配，获得光学功能标定图像。

8.根据权利要求7所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述通过所述待配准光学图像中的患者的脑皮层体表信息于所述待配准功能图像上进行遍历匹配还包含：根据患者的脑部病体的实际位置确定匹配结果。

9.根据权利要求1所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述将所述待配准功能图像与所述待配准光学图像进行匹配包含：对所述待配准光学图像进行升维处理，将所述待配准功能图像与处理后的所述待配准光学图像匹配，获得标识有患者的脑部各区域功能定义的光学功能标定图像。

10.根据权利要求9所述的开颅手术中可视化脑功能结构定位方法，其特征在于，所述对所述待配准光学图像进行升维处理包含：

通过复数个光学器材于开颅手术中获得复数张不同角度的脑部光学图像，将所述复数张不同角度的脑部光学图像结合处理为患者的脑部表面结构图；

将所述脑部表面结构图与所述待配准功能图像进行配准，获得三维功能结构标定图像，根据患者的脑部病体的实际位置调整所述三维功能结构标定图像并进行截图处理，获得光学功能标定图像。