TWI737404B - 醫療影像處理系統及方法 - Google Patents

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彭徐鈞
石富元
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臺北醫學大學
長庚醫療財團法人高雄長庚紀念醫院
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Abstract

醫療影像處理系統包含記憶體以及處理器。記憶體儲存指令。處理器存取並執行指令以：獲取受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應受試者腦空間；存取對應特定刺激區域的深腦部刺激術目標圖譜；根據非線性變形演算法，將對應標準腦空間的深腦部刺激術目標圖譜轉換為對應受試者腦空間；根據轉換後的深腦部刺激術目標圖譜於腦部磁振造影影像上標記特定刺激區域中具最強體素值的座標；以及將標記座標的該些腦部磁振造影影像儲存為對應導引裝置的格式，使導引裝置顯示標記有座標的腦部磁振造影影像以導引深腦部刺激術程序。

Description

醫療影像處理系統及方法
本案涉及一種電子系統及方法。詳細而言，本案涉及一種用以處理醫療影像以提供導引功能的電子系統及方法。
深腦部刺激術(Deep brain stimulation, DBS)是利用植入型電極導線將電流導入腦中進行電刺激的治療手術，已證實可用於治療多種疾病。然而，手術精準度對深腦部刺激術的療效有相當大的影響，亦可能引發電刺激併發症。
針對該問題，先前技術除了以微電極進行記錄之外，亦可藉由影像導引技術協助判定刺激點，或於手術中確認電極位置。然而，目前的影像導引系統可能因為病患晃動問題、磁振造影成像問題及電生理訊號不佳等問題導致難以確認最佳刺激位置。
本案的一面向涉及一種醫療影像處理系統。該醫療影像處理系統包含一記憶體以及一處理器，該處理器通訊耦接於該記憶體。該記憶體儲存至少一指令。該處理器用以存取並執行該至少一指令以：獲取一受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應一受試者腦空間；存取對應一特定刺激區域的一深腦部刺激術目標圖譜；根據一非線性變形演算法，將對應於一標準腦空間的該深腦部刺激術目標圖譜轉換為對應於該受試者腦空間；根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜於該些腦部磁振造影影像中標記該特定刺激區域中具有一最強體素值的至少一座標；以及將標記有該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像儲存為對應一導引裝置的一預定格式，使該導引裝置顯示標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像以導引一深腦部刺激術程序。
本案的另一面向涉及一種醫療影像標記方法。該醫療影像標記方法包含：獲取一受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應一受試者腦空間；存取對應一特定刺激區域的一深腦部刺激術目標圖譜；根據一非線性變形演算法，將對應一標準腦空間的該深腦部刺激術目標圖譜轉換至該受試者腦空間；根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜於該些腦部磁振造影影像中標記該特定刺激區域中具有一最強體素值的至少一座標；以及將標記該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像儲存為對應一導引裝置的一預定格式，使該導引裝置顯示標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像以執行導引。
應注意的是，前述的發明內容以及後述的實施方式皆僅係舉例說明而已，其主要目的係為詳細地解釋本案申請專利範圍當中的內容。
以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本案之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本案之實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。
本文之用語只為描述特定實施例，而無意為本案之限制。單數形式如“一”、“這”、“此”、“本”以及“該”，如本文所用，同樣也包含複數形式。
關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。
關於本文中所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在本案之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本案之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本案之描述上額外的引導。
第1圖為根據本案一些實施例繪示的醫療影像標記系統之示意圖。如第1圖所示，在一些實施例中，醫療影像標記系統100可包含記憶體110以及處理器112。
在一些實施例中，記憶體110可為快閃(Flash)記憶體、硬碟(Hard Disk Drive, HDD)、固態硬碟(Solid State drive, SSD)、動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)或靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory, SRAM)。在一些實施例中，記憶體110可儲存指令，其關聯於一種醫療影像標記方法。
在一些實施例中，處理器112包含但不限於單一處理器以及多個微處理器之集成，例如，中央處理器(Central Processing Unit, CPU)或繪圖處理器(Graphic Processing Unit, GPU)等。該處理器(或該些微處理器)電性耦接於記憶體，藉此，處理器112可自記憶體110存取此指令，並依據此指令執行特定應用程序，藉以實施前述醫療影像標記方法。為了更佳地理解此醫療影像標記方法，其詳細步驟將於下面段落中解釋之。
如第1圖所示，在一些實施例中，處理器112可選擇性地通訊耦接於資料庫200。在一些實施例中，資料庫200當中可儲存有複數磁振造影影像，尤為對應於至少一受試者的腦部磁振造影影像。在一些實施例中，資料庫200可實施於醫療影像標記系統100外的伺服器中。在一些實施例中，資料庫200亦可實施於記憶體110。
如第1圖所示，處理器112可選擇性地通訊耦接於磁振造影(MRI)裝置300。在一些實施例中，磁振造影裝置300的運作可產生複數磁振造影影像，尤為對應於至少一受試者的腦部磁振造影影像。在一些實施例中，磁振造影裝置300可儲存該些腦部磁振造影影像，或傳輸該些腦部磁振造影影像至特定儲存裝置儲存。在一些實施例中，磁振造影裝置300亦可替換為可取得腦部內部結構的影像之其他掃描設備。
如第1圖所示，處理器112更可選擇性地通訊耦接於醫療導引裝置400。在一些實施例中，醫療導引裝置400可用以視覺化地提供(或稱顯示)磁振造影影像，尤為對應於至少一受試者的腦部磁振造影影像。在一些實施例中，醫療從業人員(例如：醫師)可藉由醫療導引裝置400瞭解治療程序及於受試者身體部位的何處，尤為應用於侵入性治療上。
應理解，前述的『電性耦接』或『通訊耦接』可指涉實體或非實體之耦接。例如，在一些實施例中，處理器112可藉由實體線路耦接於資料庫200。在又一些實施例中，處理器112可藉由無線通訊標準耦接於磁振造影裝置300以及醫療導引裝置400。然而，本案的耦接方式並不以前述實施例為限。藉由前述耦接方式，處理器112以及資料庫200/磁振造影裝置300/醫療導引裝置400可進行單向的訊息傳輸或雙向的訊息交換。
第2圖為根據本案一些實施例繪示的醫療影像標記方法之步驟流程圖。如第2圖所示，在一些實施例中，此醫療影像標記方法可由第1圖中所示的醫療影像標記系統100所執行。在一些實施例中，此醫療影像標記方法之詳細步驟將於下面段落中敘述。
步驟S1：獲取一受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應一受試者腦空間。
在一些實施例中，磁振造影裝置300可用以掃描特定數量的受試者的腦部，藉以產生對應該些受試者的腦部磁振造影影像。在一些實施例中，磁振造影裝置300可儲存該些腦部磁振造影影像。在一些實施例中，磁振造影裝置300可傳輸該些腦部磁振造影影像至資料庫200，使資料庫200儲存該些腦部磁振造影影像。在一些實施例中，該些腦部磁振造影影像係為解析度較高的腦部磁振造影影像，其格式可為醫療數位影像傳輸協定(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)格式。
應理解，該些受試者可能患有以下疾病或症狀：原發性顫抖症(Essential Tremor, ET)、巴金森氏病(Parkinson’s Disease, PD)、肌張力不全(Dystonia)、強迫症(Obsessive-Compulsive Disorder, OCD)、癲癇(Epilepsy)、阿茲海默症(Alzheimer’s Disease, AD)、難治型憂鬱症(Treatment-Resistant Depression, MD)、妥瑞氏症(Tourette’s Syndrome, TS)、藥物成癮(Addiction, ADD)等。對應於該些疾病或症狀及其進程，該些受試者的腦部磁振造影影像D1可能有相當程度的差異或變化。
在一些實施例中，處理器112可選擇性地耦接至資料庫200或磁振造影裝置300。藉此，處理器112可自資料庫200或磁振造影裝置300存取對應於該些受試者的該些腦部磁振造影影像。
在一些實施例中，該些腦部磁振造影影像呈現為灰階影像，其不同灰階區域分別對應於人腦中的灰質(Gray Matter)、白質(White Matter)與腦脊髓液(Cerebrospinal Fluid, CSF)等組織，惟因應腦部磁振造影的不同斷面，該些影像可能呈現階層性的變化。
步驟S2：存取對應一特定刺激區域的一深腦部刺激術目標圖譜。
在一些實施例中，處理器112可存取至少一深腦部刺激術(Deep Brain Stimulation, DBS)目標圖譜，該至少一深腦部刺激術目標圖譜(DBS Targets Atlas)包含一特定刺激區域(Stimulation Area)。應注意的是，在一些實施例中，該至少一深腦部刺激術目標圖譜係對應於一標準腦空間(Montreal Neurological Institute Space, MNI space)，該標準腦空間係一種由蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute)所使用的經正規化後的腦空間。相對地，深腦部刺激術目標圖譜當中的該特定刺激區域係指正規化後的腦空間當中的特定腦部區域。
應理解，在一些實施例中，該至少一深腦部刺激術目標圖譜可為根據神經圖像(NeuroImage)期刊第150期(Vol. 150)所刊載的由數位研究者於2017年發表的科學文章『神經外科深腦部刺激術電極座標至標準腦空間的機率轉換(Probabilistic conversion of neurosurgical DBS electrode coordinates into MNI space)』之中所使用的深腦部刺激術目標圖譜。該些研究者至少包含於神經圖像期刊中署名的Andreas Horn、Andreas A. Kühn、Angela Merkl、Ludy Shih、Ron Alterman以及Michael Fox等。
根據前述『神經外科深腦部刺激術電極座標至蒙特婁神經學研究機構空間的機率轉換』之研究，於人類腦中的複數個區域應用深腦部刺激術可分別對以下幾種疾病產生助益或療效：原發性顫抖症，可刺激VIM(Ventral Intermediate Nucleus)的區域；巴金森氏病，可刺激STN(Subthalamic Nucleus)的區域；肌張力不全，可刺激GPi(Globus Pallidus Internus)的區域；強迫症，可刺激ALIC(Anterior Limb of the Internal Capsule)的區域；癲癇，可刺激ATN (anterior thalamic nucleus)的區域；阿茲海默症，可刺激FORNIX的區域；難治型憂鬱症，可刺激SCC(Subcallosal Cingulate) 的區域；妥瑞氏症，可刺激CM(Centromedian Nucleus)的區域、Pv(Periventricularis的)區域或者VO(Nucleus Ventro-Oralis Internus)的區域；藥物成癮，可刺激NAc(Nucleus Accumbens)的區域。應理解，前述深腦刺激術可應用之區域係根據研究而歸納出的可行區域之示例，並非用以限制本案。
步驟S3：根據一非線性變形演算法，將對應於一標準腦空間的該深腦部刺激術目標圖譜轉換為對應於該受試者腦空間。
在一些實施例中，處理器112可根據非線性變形(Diffeomorphic Anatomical Registration Through Exponential Lie, DARTEL)演算法正規化該深腦部刺激術目標圖譜(包含該些特定刺激區域)，以使該深腦部刺激術目標圖譜可由標準腦空間(MNI Space)被轉換至受試者腦空間。亦即，非線性變形演算法可用以將該深腦部刺激術目標圖譜及其中的特定刺激區域變形(Deform)為對應至受試者個體差異的特定腦空間(包含受試者腦部的尺寸及形狀等)。
應理解，前述非線性轉換係為了將正規化後的深腦部刺激術目標圖譜映射對應於該受試者腦空間的該些腦部磁振造影影像，藉此，處理器112可正確地標記前述特定刺激區域對應至受試者的腦中的部位。換言之，前述非線性轉換係一種將深腦部刺激術目標圖譜套用至受試者以適應受試者個體差異之轉換程序。
步驟S4：根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜於該些腦部磁振造影影像中標記該特定刺激區域中具有一最強體素值的至少一座標。
在一些實施例中，處理器112可將對應於標準腦空間的深腦部刺激術目標圖譜轉換至受試者所對應的受試者腦空間當中。亦即，處理器112可先獲取該受試者的該些腦部磁振造影影像，以獲取該受試者的受試者腦空間。
進一步地，處理器112可將深腦部刺激術目標圖譜(包含該特定刺激區域)轉換至對應受試者腦空間的形狀及尺寸，使得深腦部刺激術目標圖譜對應於受試者腦空間。進一步地，根據轉換後的深腦部刺激術目標圖譜，處理器112可於受試者的該些腦部磁振造影影像當中標記對應於特定刺激區域的位置。
為了更佳地理解本案的步驟S3以及步驟S4，請一併參照第3圖，其係為根據本案一些實施例繪示的醫療影像之示意圖。
在一些實施例中，處理器112可擷取對應於標準腦空間(MNI Space)的深腦部刺激術目標圖譜，至少為第3圖中最上列所示的四張深腦部刺激術目標圖譜G1~G4。如第3圖所示，每一張深腦部刺激術目標圖譜G1~G4分別對應有局部放大圖GT1~GT4。在局部放大圖GT1~GT4當中，顯示受試者的左半腦以及右半腦各有一白點，該白點係表示前述『神經外科深腦部刺激術電極座標至蒙特婁神經學研究機構空間的機率轉換』之研究中針對巴金森氏病可刺激的STN區域。該STN區域稱作視丘下核，具有一對，分別位於左半腦的下側以及右半腦的下側。因此，該兩白點可分別理解為針對巴金森氏病可刺激的左半腦STN刺激區域以及右半腦STN刺激區域。應注意的是，在本實施例中，該四張深腦部刺激術目標圖譜G1~G4係針對相同的刺激區域，係由於腦部磁振造影可對應不同腦部斷面或對應不同拍攝角度，故以該四張深腦部刺激術目標圖譜G1~G4對應至不同腦部斷面或拍攝角度，藉以於三維地(或稱立體地)描述該刺激區域。
進一步地，處理器112可轉換深腦部刺激術目標圖譜G1~G4至對應受試者腦空間的形狀及尺寸(此為獲取自該受試者的該些腦部磁振造影影像)。如第3圖的第二列所示，該些深腦部刺激術目標圖譜G1~G4被轉換為轉換後的深腦部刺激術目標圖譜P1~P2，局部放大圖GT1~GT4當中的特定刺激區域亦轉換至受試者腦空間當中的相對位置，即如第二列的局部放大圖PT1~PT2所示。其顯示了被映射的腦部磁振造影影像，受試者的左半腦刺激區域以及右半腦刺激區域各被標記為一白點，其即為轉換後的特定刺激區域。轉換後的深腦部刺激術目標圖譜P1~P2可理解為已適應受試者個體差異且針對特定刺激區域的腦部地圖。
應理解，在一些實施例中，處理器112可根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜P1~P2，映射至該受試者的該些腦部磁振造影影像上，並於該些腦部磁振造影影像中擷取體素(Voxel)數值最強(或稱最高)的至少一座標，進而標記影像中體素數值最強的該至少一座標。應理解，根據前述實施例，被映射的腦部磁振造影影像中體素數值最強的座標即對應轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜P1~P2中的特定刺激區域之位置(應位於局部放大圖PT1~PT2當中的該兩白點處)。根據前述實施例所使用的該些深腦部刺激術目標圖譜，該兩白點係『神經外科深腦部刺激術電極座標至蒙特婁神經學研究機構空間的機率轉換』之研究中指出針對巴金森氏病可刺激的STN區域。
步驟S5：將標記有該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像儲存為對應一導引裝置的一預定格式，使該導引裝置顯示標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像以導引一深腦部刺激術程序。
在一些實施例中，處理器112可根據一全腦最大影像強度值強化有標記(即含有特定刺激區域的座標)的該些腦部磁振造影影像，再將具有標記的該些腦部磁振造影影像儲存為可為醫療導引裝置400所存取的預定格式。例如，該預定格式可為醫療數位影像傳輸協定(DICOM)格式。藉此，醫療導引裝置400可正確地讀取並顯示具有標記的該些腦部磁振造影影像，以供醫療從業人員(例如：醫師)為該受試者執行深腦部刺激術(DBS)時可觀看具有標記的該些腦部磁振造影影像。
在一些實施例中，醫療導引裝置400可於顯示器上顯示第3圖最下列的導引影像FR，藉以提供具有標記的該些腦部磁振造影影像予醫療從業人員。醫療導引裝置400顯示導引影像FR可被理解為一種針對該受試者的深腦部刺激術療程的導引程序。應理解，導引影像FR可顯示如第3圖的局部放大圖PT1~PT2中標定的STN區域所對應的座標，醫療從業人員可根據該座標較準確地以深腦部刺激術的植入型電極導線(Implantable Pulse Generator)刺入該受試者腦部的特定刺激區域，使深腦部刺激術的刺激位置更為準確。
依據前述實施例，本案提供了一種醫療影像處理系統及方法，可根據深腦部刺激術目標圖譜於受試者的腦部磁振造影影像中標記特定刺激區域，使醫療導引裝置得以輸出特定刺激區域於受試者腦中對應的座標，有利於醫療從業人員確認特定刺激區域，進而提升深腦部刺激術的治療效果，大幅縮短手術時間，並減少電刺激腦所引發的併發症。
進一步地，若應用於手術機器人領域，本案的醫療影像處理系統及方法可將深腦部刺激術帶入半自動化的手術的領域當中，其亦為本案的可行實施方式。
雖然本案以詳細之實施例揭露如上，然而本案並不排除其他可行之實施態樣。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，而非受於前述實施例之限制。
對本領域技術人員而言，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對本案作各種之更動與潤飾。基於前述實施例，所有對本案所作的更動與潤飾，亦涵蓋於本案之保護範圍內。
100:醫療影像處理系統 110:記憶體 112:處理器 200:資料庫 300:磁振造影裝置 400:醫療導引裝置 S1~S5:步驟流程 G1~G4、P1~P2:深腦部刺激術目標圖譜 GT1~GT4、PT1~PT2:局部放大圖 FR:導引影像
參照後續段落中的實施方式以及下列圖式，當可更佳地理解本案的內容： 第1圖為根據本案一些實施例繪示的醫療影像標記系統之示意圖； 第2圖為根據本案一些實施例繪示的醫療影像標記方法之步驟流程圖；以及 第3圖為根據本案一些實施例繪示的醫療影像之示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:醫療影像處理系統
110:記憶體
112:處理器
200:資料庫
300:磁振造影裝置
400:醫療導引裝置

Claims (10)

  1. 一種醫療影像處理系統，包含：一記憶體，儲存至少一指令；以及一處理器，通訊耦接於該記憶體，其中該處理器用以存取並執行該至少一指令以：獲取一受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應一受試者腦空間；存取對應一特定刺激區域的一深腦部刺激術目標圖譜，該特定刺激區域包含一左半腦刺激區域以及一右半腦刺激區域；根據一非線性變形演算法，將對應於一標準腦空間的該深腦部刺激術目標圖譜轉換為對應於該受試者腦空間；根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜於該些腦部磁振造影影像中標記該特定刺激區域中具有一最強體素(Voxel)值的至少一座標；以及將標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像儲存為對應一導引裝置的一預定格式，使該導引裝置顯示標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像。
  2. 如請求項1所述之醫療影像處理系統，其中該處理器分別於該左半腦刺激區域以及該右半腦刺激區域擷取具有該最強體素的該至少一座標。
  3. 如請求項1所述之醫療影像處理系統，其中該處理器將標記有該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像儲存為對應該導引裝置的該預定格式前，以一全腦磁振造影影像之最強體素強度值加上一影像強度值強化標記該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像。
  4. 如請求項1所述之醫療影像處理系統，其中該預定格式係為一醫療數位影像傳輸協定(DICOM)格式。
  5. 如請求項1所述之醫療影像處理系統，其中該特定刺激區域針對的一疾病或一症狀包含：原發性顫抖症、巴金森氏病、肌張力不全、強迫症、癲癇、阿茲海默症、難治型憂鬱症、妥瑞氏症、藥物成癮。
  6. 一種醫療影像標記方法，包含：獲取一受試者的複數腦部磁振造影影像，該些腦部磁振造影影像對應一受試者腦空間；存取對應一特定刺激區域的一深腦部刺激術目標圖譜，該特定刺激區域包含一左半腦刺激區域以及一右半腦刺激區域；根據一非線性變形演算法，將對應一標準腦空間的該深腦部刺激術目標圖譜轉換至該受試者腦空間；根據轉換後的該深腦部刺激術目標圖譜於該些腦部磁振 造影影像中標記該特定刺激區域中具有一最強體素值的至少一座標；以及將標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像儲存為對應一導引裝置的一預定格式，使該導引裝置顯示標記有該至少一座標的該些腦部磁振造影影像。
  7. 如請求項6所述之醫療影像標記方法，其中標記該特定刺激區域中具有該最強體素的該至少一座標包含分別於該左半腦刺激區域以及該右半腦刺激區域擷取該至少一座標。
  8. 如請求項6所述之醫療影像標記方法，其中將標記有該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像儲存為對應該導引裝置的該預定格式前，以一全腦磁振造影影像之最強體素強度值加上一影像強度值強化標記該至少一座標標記的該些腦部磁振造影影像。
  9. 如請求項6所述之醫療影像標記方法，其中該預定格式係為一醫療數位影像傳輸協定格式。
  10. 如請求項6所述之醫療影像標記方法，其中該特定刺激區域針對的一疾病或一症狀包含：原發性顫抖症、巴金森氏病、肌張力不全、強迫症、癲癇、阿茲海默症、難治型憂鬱症、妥瑞氏症、藥物成癮。
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