用于自動(dòng)可變形配準(zhǔn)的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及對(duì)術(shù)前解剖圖像(例如，對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)斷層攝影（"CT"） 掃描或磁共振（"MR"）成像掃描)和對(duì)術(shù)中解剖圖像(例如，解剖結(jié)構(gòu)的超聲（"US"）圖像幀） 的圖像重建，以方便術(shù)前解剖圖像與術(shù)中解剖圖像的可靠配準(zhǔn)。本發(fā)明尤其涉及對(duì)術(shù)前解 剖圖像和術(shù)中解剖圖像的解剖分割的區(qū)域標(biāo)記，用于方便對(duì)解剖圖像的基于強(qiáng)度的可變形 配準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 術(shù)前解剖圖像與術(shù)中解剖圖像的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)已被用于方便圖像引導(dǎo)的介入/手 術(shù)/診斷流程。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的主要目標(biāo)是計(jì)算將相同解剖目標(biāo)在相同或不同成像模態(tài)內(nèi) 的相同或不同視圖對(duì)齊的幾何變換。
[0003] 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)解決的一個(gè)重要問(wèn)題是匹配具有不同模態(tài)的圖像，有時(shí)被稱作多模 態(tài)圖像融合。多模態(tài)圖像融合相當(dāng)富有挑戰(zhàn)，這是因?yàn)槎嗄B(tài)圖像的灰度值之間的關(guān)系并 不總是易于找到，并且甚至在一些情況中，函數(shù)相關(guān)性通常缺失或非常難以識(shí)別。
[0004] 例如，一種周知的情境是高分辨術(shù)前CT或MR掃描與術(shù)中超聲圖像幀的融合。例如， 常規(guī)的二維（"2D"）超聲系統(tǒng)可能配備有位置傳感器(例如，電磁跟蹤傳感器），用于采集器 官的跟蹤2D掃描。使用在圖像采集期間獲得的跟蹤信息，2D掃描US幀關(guān)于參考坐標(biāo)系被對(duì) 齊，以重建器官的三維（"3D"）體積。超聲對(duì)于對(duì)器官的術(shù)中成像是理想的，但具有對(duì)圖像引 導(dǎo)而言差的圖像分辨率。超聲成像與其他高分辨成像模態(tài)(例如，CT或MR)的融合因此已被 用于改善針對(duì)介入/手術(shù)/診斷流程的基于超聲的引導(dǎo)。在圖像融合期間，目標(biāo)器官在術(shù)中 超聲與術(shù)前模態(tài)之間被精確配準(zhǔn)。同時(shí)，許多圖像配準(zhǔn)技術(shù)已被提供用于對(duì)兩種不同模態(tài) 的融合，術(shù)中超聲與任意術(shù)前模態(tài)(例如，CT或MR)的融合因缺乏術(shù)中超聲與術(shù)前模態(tài)之間 的函數(shù)相關(guān)性，而已證明是有挑戰(zhàn)的。
[0005] 尤其地，MR與超聲模態(tài)之間的函數(shù)相關(guān)性的缺乏已使得非常難以利用基于圖像強(qiáng) 度的度量用于對(duì)前列腺圖像的配準(zhǔn)。因此，用于MR到US圖像融合的已有配準(zhǔn)技術(shù)中的大多 數(shù)聚焦在兩種形式中的點(diǎn)匹配技術(shù)。第一種，手動(dòng)/自動(dòng)提取在兩種模態(tài)中都可見(jiàn)的共同界 標(biāo)的集合(例如，尿道的輪廓），并將其用于基于點(diǎn)的配準(zhǔn)。備選地，使用自動(dòng)或手動(dòng)技術(shù)在 兩種模態(tài)內(nèi)分割前列腺的表面。將所提取的表面網(wǎng)格饋送到基于點(diǎn)的配準(zhǔn)架構(gòu)，其嘗試最 小化兩個(gè)點(diǎn)集之間的距離。
[0006] 更特別地，可以實(shí)施基于點(diǎn)的剛性配準(zhǔn)途徑以配準(zhǔn)MR與經(jīng)直腸超聲（"TRUS"）表面 數(shù)據(jù)。前列腺在US和MR圖像兩者中被自動(dòng)分割為表面網(wǎng)格。剛性配準(zhǔn)嘗試尋找使兩個(gè)網(wǎng)格 之間的距離最小化的最佳的平移與旋轉(zhuǎn)參數(shù)的集合。然而，應(yīng)當(dāng)指出，前列腺并非剛性形 狀。前列腺的形狀在這些模態(tài)中的每個(gè)的采集期間可能以不同方式變形。例如，為了提升的 圖像質(zhì)量，MR圖像通常是在直腸內(nèi)線圈（"ERC"）被插入直腸中的同時(shí)來(lái)采集的。另一方面， TRUS成像是徒手執(zhí)行的，并且要求TRUS探頭與毗鄰前列腺的直腸壁直接接觸。該直接接觸 引起前列腺的形狀在圖像采集期間的變形。
[0007] 用于改善在前列腺活檢期間MR到US圖像融合準(zhǔn)確度的一種途徑包括基于非線性 表面的剛性配準(zhǔn)，其假設(shè)變形在整個(gè)前列腺上的均勻性。然而，剛性配準(zhǔn)僅補(bǔ)償MR與US點(diǎn)集 之間的平移和旋轉(zhuǎn)錯(cuò)配，并且因此，作為因 TRUS探頭和ERC引起的變形的結(jié)果，剛性變換對(duì) 于匹配兩個(gè)分割的點(diǎn)集是無(wú)效的。而且，即使基于非線性表面的途徑適合于圖像融合，基于 表面的途徑可能足以在前列腺的表面上匹配兩種模態(tài)，但這樣的從表面到表面的映射并不 提供任何關(guān)于如何匹配前列腺內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。更重要地，考慮到前列腺是由具有非 均勻生物力學(xué)性質(zhì)（例如，剛度）的細(xì)胞類型組成的，在整個(gè)前列腺上的均勻變形的假設(shè)是 不準(zhǔn)確的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明[DWB1]提供一種可變形配置的方法和系統(tǒng)，其引入題為"多區(qū)域圖像"的自 動(dòng)標(biāo)記圖像充當(dāng)可以在術(shù)前解剖圖像與術(shù)中解剖圖像之間共同限定的中間模態(tài)。更具體而 言，基于解剖結(jié)構(gòu)的非均勻生物力學(xué)性質(zhì)(例如，前列腺的剛度)的不同變化，將來(lái)自每種模 態(tài)的解剖圖像分割并標(biāo)記為兩個(gè)或更多個(gè)預(yù)定義的顏色區(qū)域。每個(gè)顏色區(qū)域通過(guò)不同的顏 色性質(zhì)(例如，強(qiáng)度值)區(qū)別于其他顏色區(qū)域。備選地或同時(shí)地，顏色區(qū)域可以基于解剖結(jié)構(gòu) 的不同的生物力學(xué)性質(zhì)，均勻或非均勻的(例如，前列腺的剛度和粘度）。
[0009] 例如，前列腺圖像將在每種模態(tài)中被分割成外圍區(qū)域和中心區(qū)域，以基于前列腺 的非均勻剛度來(lái)重建多區(qū)域圖像。在該情況中，中心區(qū)域具有比外圍區(qū)域更高的剛度，并且 因此中心區(qū)域經(jīng)由不同的強(qiáng)度值被標(biāo)記(例如:背景:0強(qiáng)度值;外圍區(qū)域：127強(qiáng)度值；以及 中心區(qū)域：255強(qiáng)度值）。任意基于強(qiáng)度的可變形配準(zhǔn)技術(shù)然后可以被用于所重建的多區(qū)域 圖像，以由此融合術(shù)前到術(shù)中解剖圖像(例如，針對(duì)MR到US圖像的具有歸一化互相關(guān)圖像相 似性度量的基于B樣條的配準(zhǔn)）。該重建途徑可以在術(shù)前到術(shù)中解剖圖像的實(shí)況配準(zhǔn)期間， 或者在術(shù)前到術(shù)中解剖圖像的訓(xùn)練集中來(lái)執(zhí)行，以建立用于改善術(shù)前到術(shù)中解剖圖像的實(shí) 況配準(zhǔn)的變形的模式。
[0010] 本發(fā)明的一種形式是用于多模態(tài)可變形配準(zhǔn)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)采用術(shù)前工作站 (例如，CT工作站或MRI工作站）、術(shù)中工作站(例如，超聲工作站）以及可變形配準(zhǔn)工作站。在 操作中，所述術(shù)前成像工作站生成術(shù)前解剖圖像并且所述術(shù)中成像工作站生成術(shù)中解剖圖 像。所述可變形配準(zhǔn)工作站將所述術(shù)前解剖圖像重建為包括多個(gè)顏色區(qū)域的術(shù)前多區(qū)域圖 像并將所述術(shù)中解剖圖像重建為包括所述多個(gè)顏色區(qū)域的術(shù)中多區(qū)域圖像。每個(gè)顏色區(qū)域 表示與所述術(shù)前解剖圖像和所述術(shù)中解剖圖像相關(guān)聯(lián)的非均勻生物力學(xué)性質(zhì)的不同變化 或者與所述術(shù)前解剖圖像和所述術(shù)中解剖圖像相關(guān)聯(lián)的不同生物力學(xué)性質(zhì)。
[0011] 本發(fā)明的第二種形式是用于多模態(tài)可變形配準(zhǔn)的模塊化網(wǎng)絡(luò)。所述系統(tǒng)采用術(shù)前 圖像重建器和術(shù)中解剖圖像重建器。在操作中，所述術(shù)前重建器將所述術(shù)前解剖圖像重建 為包括多個(gè)顏色區(qū)域的術(shù)前多區(qū)域圖像，并且所述術(shù)中重建器將所述術(shù)中解剖圖像重建為 包括所述多個(gè)顏色區(qū)域的術(shù)中多區(qū)域圖像。每個(gè)顏色區(qū)域表示與所述術(shù)前解剖圖像和所述 術(shù)中解剖圖像相關(guān)聯(lián)的非均勻生物力學(xué)性質(zhì)的不同變化或者與所述術(shù)前解剖圖像和所述 術(shù)中解剖圖像相關(guān)聯(lián)的不同生物力學(xué)性質(zhì)。
[0012] 本發(fā)明的第三種形式是用于多模態(tài)可變形配準(zhǔn)的方法。所述方法涉及術(shù)前解剖圖 像到包括多個(gè)顏色區(qū)域的術(shù)前多區(qū)域圖像的重建以及術(shù)中解剖圖像到包括對(duì)所述多個(gè)顏 色區(qū)域的術(shù)中多區(qū)域圖像的重建。每個(gè)顏色區(qū)域表示與所述術(shù)前解剖圖像和所述術(shù)中解剖 圖像相關(guān)聯(lián)的非均勻生物力學(xué)性質(zhì)的不同變化或者與所述術(shù)前解剖圖像和所述術(shù)中解剖 圖像相關(guān)聯(lián)的不同生物力學(xué)性質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 本發(fā)明的前述形式和其他形式以及本發(fā)明的各個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下結(jié)合附圖 對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述而變得進(jìn)一步明顯。所述詳細(xì)描述和附圖僅說(shuō)明本發(fā)明 而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)方案限定。
[0014] 圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明重建的多區(qū)域圖像。
[0015] 圖2圖示了表示根據(jù)本發(fā)明的可變形配準(zhǔn)的第一示范性實(shí)施例的流程。
[0016] 圖3圖示了圖2中圖示的流程的示范性實(shí)施方式。
[0017] 圖4圖示了表示根據(jù)本發(fā)明的可變形配準(zhǔn)的第二示范性實(shí)施例的第一階段的流 程。
[0018] 圖5圖示了圖4中圖示的流程的示范性實(shí)施方式。
[0019] 圖6圖示了表示根據(jù)本發(fā)明的可變形配準(zhǔn)的第二示范性實(shí)施例的第二階段的流 程。
[0020] 圖7圖示了圖6