CN108056821B - 一种开放式荧光超声融合造影导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，具体包括开放式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块和信息处理模块；所述开放式探测器模块用于获取光学和超声的反馈信息并传至信息处理模块，所述信息处理模块用于对超声数据和荧光数据信息融合处理。与现有技术比较，本方案不仅能实现组织或病变肿瘤的全貌探查，且对生物体或组织无损害无辐射，满足临床应用要求。

Description

一种开放式荧光超声融合造影导航系统

技术领域

本发明涉及一种多模态医学成像技术领域，特别是一种开放式荧光超声融合造影导航系统。

背景技术

用于开放手术的开放式导航系统是医生在手术过程中通过大截面切口将表皮之下的组织展现出来，直接对生物内部组织探测的导航设备。开放式手术虽然创伤面较大，但由于其手术视野广阔、探测结果准确等优点，在外科手术类型中占有较大的比重。

随着医学影像技术的发展，基于光学荧光成像的开放式导航系统设备已成为助力医生在手术过程中的“智能助手”。通过激光激发组织获得具有特异性的荧光成像方式，可以有效判断肿瘤或病变组织轮廓。虽然光学荧光成像导航系统为医生寻找病变组织的位置和浅层边界提供了引导，但由于光学方式获取的像是物体可视区域的二维平面投影，即使部分荧光具有一定无损组织的穿透能力，亦不能满足医生对病变组织或血管的纵深信息勘察。

与荧光成像获得的信息不同，超声成像利用超声在人体组织或血管传播的特异性，通过特定的超声探头，反馈的是组织在纵深方向的断层图像信息。虽然超声能有效获取组织的纵深影像，但却不能为医生寻找兴趣区域(肿瘤、血管等)提供快速导航。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明提出一种开放式荧光超声融合造影系统，结合光学荧光成像与超声成像的优点，以光学方式获取兴趣区域位置和边界的荧光图像，以超声探测方式获取兴趣区域纵深切面的超声图像，完成荧光图像和超声图像的融合造影，形成新型的三维分子影像画面，实现在开放式手术过程中的精准导航。

本发明提供的开放式荧光超声融合造影导航系统包括开放式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块和信息处理模块，其中：

所述多光谱光源激发模块用于发射近红外激光和可见白色光，所述近红外激光用于激发具有特异性组织荧光造影剂；

所述开放式探测器模块包括分布式设置的光学成像探头和超声探头，所述光学成像探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；

所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将所述增强荧光图像发送至显示器进行显示；

根据所显示的病变组织的位置和边界，所述高频超声激发模块用于激发多频率超声，所述超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的所述二维超声图像传送给所述信息处理模块；

所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像；

所述信息处理模块还用于将所述3D超声图像传送至显示器显示，所述增强荧光图像和所述3D超声图像为外科医生提供实时的手术影像导航。

优选的，所述开放式探测器模块还包括多光谱光源照射器，所述光源照射器设置在所述光学成像探头内，用于照射可见光和近红外激光。

优选的，所述光学成像探头为可探测可见光和近红外荧光的双CCD相机。

优选的，还包括传输线，所述传输线连接在所述信息处理模块和所述光学成像探头以及所述信息处理模块和所述超声探头之间。

优选的，还包括多自由度悬臂梁，所述多自由度悬臂梁用于实现多自由度调节开放式设备位姿。

优选的，所述开放式探测器模块还包括合并装置，所述合并装置用于将荧光图像的传输线和二维超声图像的传输线包裹在一起。

优选的，所述光学成像探头和所述超声探头通过连接装置连接到所述合并装置，所述连接装置在外力作用下能够发生形变，撤销外力后能够保持形状不变。

优选的，所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像包括：

荧光图像预处理，对荧光图像进行灰度化，灰度化的荧光图像进行高斯模糊，实现对荧光图像的降噪处理；

荧光图像的增强处理，基于高斯函数变换的图像增强算法，对预处理后的图像进行图像增强；

将增强后的荧光图像映射为彩色荧光图像。

优选的，所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像包括：

对每幅二维超声图像进行预处理，去除图像中的随机噪点，同时在二值化后进行面积去燥，同时将区域面积内的像素值小于设定值的像素点删除；

采用高斯函数变换的图像增强算法实现超声图像的增强，得到增强超声图像；

对每一幅增强超声图像的关键边界特征进行提取，采用高斯边缘提取算法准确提取增强超声图像的关键边界特征；

通过基于特征的匹配算法，以检测到的关键边界特征构成的几何形状为匹配基元，对二维超声图像进行特征的三维配准融合，重构超声图像的3D信息，并增加辅助的立体示意曲线或曲面，为医生提供直观指引。

优选的，所述高斯函数变换的图像增强算法包括：

A:假设高斯分布函数为：G(x)＝1-a*exp[-(x-b)²/c²]，其中a,b,c是可调节参数，决定了高斯分布的形状和位置，b决定高斯直方图主峰的位置，c决定主峰“开口”的大小，a决定主峰的高度，主峰越高，a越大，a为1时，主峰被平滑消隐，x表示以灰度数值为区间的连续自变量，区间为0～255；

B、根据预处理后的图像的直方图分布，统计主峰位置m(k₀)和高度h[m(k₀)]，确定参数b，如公式(1)所示：

其中，k代表直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

C、规定幅值下降为主峰峰值的

处所对应的宽度为带宽，根据h(m(k₀))在直方图中搜索主峰的带宽Δm，确定参数c，如公式(2)所示：

D、根据直方图主峰的高度，确定参数a，当a＝0时，意味着直方图分布较均匀，算法表示为直方图均衡化，如公式(3)所示：

其中，N为灰度图像现有灰度等级的数量，在直方图统计的时候同时得到；

E、确定高斯函数G(x)后，利用公式(4)进行均衡化函数修正；其中H(k)和H_T(k)分别表示预处理后的图像直方图分布函数和修正后的图像直方图分布函数，k表示直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

其中，T值根据组织和器官的成像效果差异，采用自定义阈值方法确定；

F、对修正后的图像直方图进行增强处理，结果函数为F_T(k)，如公式(5)所示：

其中，F_T(k)为增强后的图像直方图函数，j代表0～k范围内的整数，M为最大灰度等级；

G、最后，采用高斯函数G(x)为增强后的图像直方图F_T(k)做平滑处理，如公式(6)所示：

F'_T(k)＝F_T(k)·G(x) (0≤k≤M) 公式(6)

其中F’_T(k)表示平滑处理后直方图函数，式中x表示以灰度数值为区间的连续自变量，k为直方图灰度等级，0～255范围内取整数，实际计算时取x＝k。

与现有技术相比，本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统有如下优点：

1、本发明提供一种开放式荧光超声融合造影导航系统，采用开放式的荧光超声探测器，有效利用光学荧光成像和3D超声成像的特点，通过实时造影反应出全面的组织结构和病理信息；

2、本发明设计了以悬臂梁为载体的开放式荧光超声探测器，可实现多自由度移动无障碍开放式手术操作；

3、本发明所采用的荧光超声融合造影不仅能实现组织或病变肿瘤的全貌探查，且对生物体或组织无损害无辐射，满足临床应用要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统的功能框图；

图2为本发明提供的一种能开放式荧光超声融合造影导航系统部分装置示意图；

图3为本发明提供的一种基于高斯函数变换的图像增强算法。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，为本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统的功能框图。该系统包括开放式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块、信息处理模块和系统包装模块。

开放式探测器模块用于获取光学和超声的反馈信息并传至信息处理模块。该模块包括多光谱光源照射器、超声探头、光学成像探头和安装固定装置。

多光谱光源照射器用于照射可见光和近红外激光；光学成像探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像；超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，具体在微泡超声造影剂的作用下获得组织和病理反射的不同超声回波，经超声控制器转换回波信号为电子信号，完成超声图像采集与传输；安装固定装置用于开放式探测器模块的安装固定。

多光谱光源激发模块用于发射近红外激光和可见白色光，所述近红外激光用于激发具有特异性组织荧光造影剂，多光谱光源激发模块包括多通道激光发射器，优选的，多通道激发射器选用发射白光(波长400nm～650nm)和波长为760nm激光(可激励病变组织处发出波长为810nm～890nm的近红外荧光)的两光谱激光发射器；高频超声激发模块用于激发多频率超声，高频超声激发模块包括多通道高频超声发射器；开关电源控制多光谱光源激发模块和高频超声激发模块的开启和关闭。

信息处理模块用于对超声数据和荧光数据信息融合处理，通过图像处理提高显示影像的对比度、清晰度。信息处理模块包括荧光图像处理和超声图像处理。

系统包装模块用于包装多光谱光源激发模块、高频超声激发模块、开放式探测器模块和信息处理模块。

信息处理模块中的荧光图像处理包括：

荧光图像预处理

对荧光图像进行灰度化，灰度化的荧光图像进行高斯模糊，实现对荧光图像的降噪处理；

荧光图像的增强处理

本申请中使用一种基于高斯函数变换的图像增强算法，对预处理后的图像进行图像增强；

将增强后的荧光图像映射为彩色荧光图像，为医生术中提供清晰，高对比度的病变组织二维信息。

信息处理模块中的超声图像处理流程分为探测点2D超声图像处理、探测点3D超声图像和组织3D超声图像三个步骤，具体细分包括：

对每一幅二维(2D)超声图像进行图像预处理，去除图像中的随机噪点，同时在二值化后进行面积去燥，同时将区域面积内的像素值小于设定值(如5pixels)的像素点删除；

采用一种高斯函数变换的图像增强算法实现超声图像的增强，获得较为清晰和高对比度的二维超声图像；

对增强的二维超声图像的关键边界特征进行提取，采用高斯边缘提取算法准确提取超声图像的关键边界特征；关键边界特征为具有较好边缘的组织(如血管、肿瘤)、较大面积的连接域(如膀胱、肿瘤)；

通过基于特征的匹配算法，以检测到的关键边界特征构成的几何形状为匹配基元，对二维超声图像进行特征的三维配准融合，重构超声图像的3D信息，并增加辅助的立体示意曲线或曲面，为医生提供直观指引。

荧光图像处理和超声图像处理中所用的图像增强算法流程图如图3所示，详细步骤如下:

A:假设高斯分布函数为：G(x)＝1-a*exp[-(x-b)²/c²]，其中a,b,c是可调节参数，决定了高斯分布的形状和位置，b决定高斯直方图主峰的位置，c决定主峰“开口”的大小，a决定主峰的高度，主峰越高，a越大，a为1时，主峰被平滑消隐，x表示以灰度数值为区间的连续自变量，区间为0～255；

B、根据预处理后的图像的直方图分布，统计主峰位置m(k₀)和高度h[m(k₀)]，确定参数b，如公式(1)所示：

其中，k代表直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

C、规定幅值下降为主峰峰值的

处所对应的宽度为带宽，根据h(m(k₀))在直方图中搜索主峰的带宽Δm，确定参数c，如公式(2)所示：

D、根据直方图主峰的高度，确定参数a，当a＝0时，意味着直方图分布较均匀，算法表示为直方图均衡化，如公式(3)所示：

其中，N为灰度图像现有灰度等级的数量，在直方图统计的时候同时得到；

E、确定高斯函数G(x)后，利用公式(4)进行均衡化函数修正；其中H(k)和H_T(k)分别表示预处理后的图像直方图分布函数和修正后的图像直方图分布函数，k表示直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

其中，T值根据组织和器官的成像效果差异，采用自定义阈值方法确定；

F、对修正后的图像直方图进行增强处理，结果函数为F_T(k)，如公式(5)所示：

其中，F_T(k)为增强后的图像直方图函数，j代表0～k范围内的整数，M为最大灰度等级；

G、最后，采用高斯函数G(x)为增强后的图像直方图F_T(k)做平滑处理，如公式(6)所示：

F'_T(k)＝F_T(k)·G(x) (0≤k≤M) 公式(6)

其中F’_T(k)表示平滑处理后直方图函数，式中x表示以灰度数值为区间的连续自变量，k为直方图灰度等级，0～255范围内取整数，实际计算时取x＝k。

利用上述方案所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统在术中对生物体组织的开放式探测造影导航包括以下步骤：

步骤S1：由多光谱光源与激发模块激发近红外激光和可见白色光，为荧光照影提供相应的动力和能量。

步骤S2：通过光学成像探头照射开放生物体的组织，获得特异性的组织部位荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；

步骤S3：信息处理模块对荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将所述增强荧光图像发送至显示器进行显示；

步骤S4根据荧光图像提供的病变组织位置和边界，通过超声探头进行病变组织超声探测，获得病变组织的二维超声图像；

步骤S5：通过信息处理模块对二维超声图像进行处理，对连续的二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声显示；

步骤S6：信息处理模块将3D超声图像传送至显示器显示，显示组织病貌的3D信息，为外科医生提供实时的手术影像导航。

如图2所示，为本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统部分装置结构示意图。该开放式荧光超声融合造影导航系统包括超声探头1、合并装置2、光学成像探头3、光源照射器4、显示器5、多自由度悬臂梁6和传输线(图中未示出)。光学成像探头3与超声探头1通过连接装置连接到合并装置2，合并装置2用于将荧光图像的传输线和二维超声图像的传输线包裹在一起。所述连接装置在外力作用下能够发生形变，撤销外力后能够保持形状不变。光源照射器4设置在光学成像探头3内，用于照射可见光和近红外激光。显示器5用于显示导航的实时影像。多自由度悬臂梁6用于实现多自由度调节开放式设备位姿。合并装置2与显示器5均安装在悬臂梁6的端关节上。传输线设置在连接装置、合并装置2和多自由度悬臂梁6内，用于信息处理模块和光学成像探头3之间、信息处理模块和超声探头1之间和信息处理模块和显示器5之间信息传递。

优选的，光学成像探头3为可探测可见光(400nm～650nm)和近红外荧光(波长为750nm～900nm)的双CCD相机。

优选的，超声探头1可探测的频率7.5MHz。

本发明提供的一种开放式荧光超声融合造影导航系统有如下优点：

1、本发明提供一种开放式荧光超声融合造影导航系统，采用开放式的荧光超声探测器，有效利用光学荧光成像和3D超声成像的特点，通过实时造影反应出全面的组织结构和病理信息；

2、本发明设计了以悬臂梁为载体的开放式荧光超声探测器，可实现多自由度移动无障碍开放式手术操作；

3、本发明所采用的荧光超声融合造影不仅能实现组织或病变肿瘤的全貌探查，且对生物体或组织无损害无辐射，满足临床应用要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，其包括开放式探测器模块、多光谱光源激发模块、高频超声激发模块和信息处理模块，其中：

所述多光谱光源激发模块用于发射近红外激光和可见白色光，所述近红外激光用于激发具有特异性组织荧光造影剂；

所述开放式探测器模块包括分布式设置的光学成像探头和超声探头，所述光学成像探头用于照射开放生物体的组织，获得特异性组织部位的荧光图像，并将所述荧光图像传送至所述信息处理模块；

所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像，并将所述增强荧光图像发送至显示器进行显示；

根据所显示的病变组织的位置和边界，所述高频超声激发模块用于激发多频率超声，所述超声探头用于对病变组织进行超声探测，获得病变组织连续的二维超声图像，并将连续的所述二维超声图像传送给所述信息处理模块；

所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像；

所述信息处理模块还用于将所述3D超声图像传送至显示器显示，所述增强荧光图像和所述3D超声图像为外科医生提供实时的手术影像导航；

所述开放式探测器模块还包括合并装置，所述光学成像探头和所述超声探头通过连接装置连接到所述合并装置，所述连接装置在外力作用下能够发生形变，撤销外力后能够保持形状不变。

2.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述开放式探测器模块还包括光源照射器，所述光源照射器设置在所述光学成像探头内，用于照射可见光和近红外激光。

3.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述光学成像探头为可探测可见光和近红外荧光的双CCD相机。

4.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，还包括传输线，所述传输线连接在所述信息处理模块和所述光学成像探头以及所述信息处理模块和所述超声探头之间。

5.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，还包括多自由度悬臂梁，所述多自由度悬臂梁用于实现多自由度调节开放式设备位姿。

6.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述合并装置用于将荧光图像的传输线和二维超声图像的传输线包裹在一起。

7.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述信息处理模块用于对所述荧光图像进行处理获得包含病变组织的位置和边界的增强荧光图像包括：

荧光图像预处理，对荧光图像进行灰度化，灰度化的荧光图像进行高斯模糊，实现对荧光图像的降噪处理；

荧光图像的增强处理，基于高斯函数变换的图像增强算法，对预处理后的图像进行图像增强；

将增强后的荧光图像映射为彩色荧光图像。

8.根据权利要求1所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述信息处理模块还用于对连续的所述二维超声图像进行3D配准融合，得到病变组织的3D超声图像包括：

对每幅二维超声图像进行预处理，去除图像中的随机噪点，同时在二值化后进行面积去燥，同时将区域面积内的像素值小于设定值的像素点删除；

采用高斯函数变换的图像增强算法实现超声图像的增强，得到增强超声图像；

对每一幅增强超声图像的关键边界特征进行提取，采用高斯边缘提取算法准确提取增强超声图像的关键边界特征；

通过基于特征的匹配算法，以检测到的关键边界特征构成的几何形状为匹配基元，对二维超声图像进行特征的三维配准融合，重构超声图像的3D信息，并增加辅助的立体示意曲线或曲面，为医生提供直观指引。

9.根据权利要求7或8所述的一种开放式荧光超声融合造影导航系统，其特征在于，所述高斯函数变换的图像增强算法包括：

A:假设高斯分布函数为：

其中a,b,c是可调节参数，决定了高斯分布的形状和位置，b决定高斯直方图主峰的位置，c决定主峰“开口”的大小，a决定主峰的高度，主峰越高，a越大，a为1时，主峰被平滑消隐，x表示以灰度数值为区间的连续自变量，区间为0～255；

B、根据预处理后的图像的直方图分布，统计主峰位置m(k₀)和高度h[m(k₀)]，确定参数b，如公式(1)所示：

其中，k代表直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

C、规定幅值下降为主峰峰值的

处所对应的宽度为带宽，根据h(m(k₀))在直方图中搜索主峰的带宽Δm，确定参数c，如公式(2)所示：

D、根据直方图主峰的高度，确定参数a，当a＝0时，意味着直方图分布较均匀，算法表示为直方图均衡化，如公式(3)所示：

其中，N为灰度图像现有灰度等级的数量，在直方图统计的时候同时得到；

E、确定高斯函数G(x)后，利用公式(4)进行均衡化函数修正；其中H(k)和H_T(k)分别表示预处理后的图像直方图分布函数和修正后的图像直方图分布函数，k表示直方图灰度等级，0～255范围内取整数；

其中，T值根据组织和器官的成像效果差异，采用自定义阈值方法确定；

F、对修正后的图像直方图进行增强处理，结果函数为F_T(k)，如公式(5)所示：

其中，F_T(k)为增强后的图像直方图函数，j代表0～k范围内的整数，M为最大灰度等级；

G、最后，采用高斯函数G(x)为增强后的图像直方图F_T(k)做平滑处理，如公式(6)所示：

F’_T(k)＝F_T(k)·G(x) (0≤k≤M) 公式(6)

其中F’_T(k)表示平滑处理后直方图函数，式中x表示以灰度数值为区间的连续自变量，k为直方图灰度等级，0～255范围内取整数，实际计算时取x＝k。

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