柳 俊徐利建顧力栩詹維偉

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肝臟二維超聲與CT配準(zhǔn)技術(shù)的臨床可行性研究

柳 俊1徐利建2顧力栩2詹維偉1

【摘要】目的：探討肝臟二維超聲與CT配準(zhǔn)技術(shù)的臨床可行性。方法：5例肝臟二維超聲圖像與CT圖像進行配準(zhǔn)，包括超聲探頭的標(biāo)定、標(biāo)記點配準(zhǔn)、圖像預(yù)處理、仿真實驗，通過定性定量評價比較超聲與CT之間配準(zhǔn)的精確性與穩(wěn)定性。結(jié)果：二維超聲與CT之間能夠100%進行配準(zhǔn)。本文方法所得到的兩者圖像的相似性測度較好。計算所得超聲與CT配準(zhǔn)后目標(biāo)點之間的平均誤差為4.13±0.44mm。結(jié)論：二維超聲與CT之間配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較好，臨床上可能有很大的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】超聲；X線計算機，體層攝影術(shù)；配準(zhǔn)

目前肝臟常見的超聲引導(dǎo)手術(shù)如射頻消融等主要通過術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中的二維超聲引導(dǎo)，手術(shù)期間需要其他醫(yī)學(xué)影像的輔助，操作上尤為不便。同時由于成像原理的不同，有時一些病灶在超聲上無法顯示或無法清晰顯示，但在CT上則可清晰顯示［1］。在這幾種情況下，術(shù)前CT和術(shù)中超聲圖像的配準(zhǔn)十分有必要，它可用于改善超聲導(dǎo)航的精確度，幫助醫(yī)護人員降低手術(shù)風(fēng)險和手術(shù)時間，最終提高手術(shù)的成功率［2-3］。本文通過肝臟的二維超聲與CT配準(zhǔn)技術(shù)的定性定量評估，闡明其在臨床上應(yīng)用的可行性。

方 法

1.一般資料

本研究經(jīng)過倫理委員會同意并取得患者知情同意權(quán)。選取2013年4月間上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院肝占位性病灶患者5名，男性3名，女性2名，年齡26～48歲，平均年齡39±5.62歲。病灶大小7.56～4.24cm，平均5.63±1.32cm。所有患者均需首先進行上腹部CT增強檢查，之后進行超聲檢查。

2.儀器與方法

2.1. 儀器：超聲儀器選用GE E9，百勝MyLab 90，Aloka 4000，凸陣探頭，探頭頻率3.5Hz。計算機斷層掃描（CT）儀器選用GE 64排128層螺旋CT（Lightspeed VCT）。配準(zhǔn)軟件及儀器由上海交通大學(xué)生物工程學(xué)院自主研發(fā)。該系統(tǒng)使用了電磁追蹤設(shè)備，超聲探頭上綁定了一個6D傳感器用于將超聲圖像導(dǎo)入系統(tǒng)。軟件用Python 語言和Visualization Toolkit（VTK） 實 現(xiàn)，Compute Unified Device Architecture（CUDA）用于加速核心的算法。導(dǎo)航軟件在Dell Precision （Intel Core i5 CPU 2.67GHz， RAM 2.96GB，NVIDIA GeForce GTX 260 graphics card， Microsoft Windows XP Professional 版本2002 Service Pack 3）運行，從GE E9得到的超聲圖像通過視頻采集卡導(dǎo)入計算機中。電磁導(dǎo)航系統(tǒng)（NDI，Northern Digital，Canada）包括場生成器（FG）、空中接口單元（CIU）和四個傳感器接口單元（SIU）。

2.2 配準(zhǔn)前準(zhǔn)備

（1）超聲探頭的標(biāo)定： 超聲探頭的標(biāo)定通過計算超聲圖像坐標(biāo)系和傳感器坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換矩陣將超聲圖像融入軟件系統(tǒng)中。我們?yōu)槌晿?biāo)定制作了一個包含了標(biāo)定面板的水箱。面板有25個半徑為1.5mm、高1mm，且可在超聲中清晰成像的圓柱體。超聲標(biāo)定主要分三步：首先，一個6個自由度的傳感器固定在超聲探頭上用于獲得探頭的空間位置和角度，標(biāo)定的水箱注滿水用于超聲成像；然后，調(diào)整超聲探頭將超聲圖像與標(biāo)定面板對齊，通過在系統(tǒng)中鼠標(biāo)和導(dǎo)航針分別在超聲圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中獲取圓柱體的中心位置。最后對兩組點計算一個剛體變換使得兩者的歐式距離最小。

（2）標(biāo)記點配準(zhǔn)：從CT中分割得到了肝靜脈和門靜脈，這提供了直觀的信息來幫助完成配準(zhǔn)過程。我們在CT和超聲圖像中選取肝臟中若干個相關(guān)的血管分叉點作為解剖標(biāo)記點。此系統(tǒng)支持半自動化地選取標(biāo)記點，所有的血管分叉點提前從CT圖像中計算得到。我們需要交互地從超聲圖像中識別標(biāo)記點，完成超聲標(biāo)定和標(biāo)記點配準(zhǔn)，超聲圖像整合到了系統(tǒng)中，標(biāo)記點配準(zhǔn)得到的初始變換為接下來的圖像配準(zhǔn)做準(zhǔn)備。

（3） 圖像預(yù)處理：肝臟是實質(zhì)器官，大量顆粒，需要做平滑處理；同時在超聲圖像中處理噪聲［4］，在去噪的同時還能保留邊界信息。

（4）仿真實驗：從CT圖像仿真超聲特性是基于超聲物理學(xué)的原理，我們建立了一個只考慮超聲反射和衰減特性的超聲束模型。仿真的過程分兩個步驟：首先，根據(jù)超聲探頭上綁定的6D傳感器獲取探頭的空間位置和角度，得到二維CT重采樣的面數(shù)據(jù)；然后計算仿真超聲束上的每個像素值、插值后的值以及梯度值，迭代更新得到最終值。我們建立了有物理學(xué)意義的準(zhǔn)確仿真系統(tǒng)，仿真過程中可任意交互改變虛擬探頭的參數(shù)，包括探頭類型（線性或扇形）、探頭位置（空間位置和角度）、超聲束的初始強度、超聲束的頻率、視場、穿透深度和斑點噪聲。由于超聲波的反射特性，組織邊界增強；同時骨組織由于表面的高反射率被消減。仿真的結(jié)果將作為中間圖像用于接下來的圖像配準(zhǔn)。

2.3 配準(zhǔn)及配準(zhǔn)后定性定量評估：通過在CT和超聲圖像中選取標(biāo)記點和目標(biāo)點，我們建立了自己的金標(biāo)準(zhǔn)。4個血管分叉點作為基準(zhǔn)點，病灶中心點作為目標(biāo)點。一旦CT和超聲圖像的基準(zhǔn)點選擇完畢，并通過計算機計入系統(tǒng)后，系統(tǒng)可自動匹配兩者之間的圖像，即配準(zhǔn)過程完成。我們可以將配準(zhǔn)好的CT圖像和超聲圖像旋轉(zhuǎn)-20°～20°以及在X、Y坐標(biāo)上平移-20～20個像素來初步顯示配準(zhǔn)的相似性測度作為定性評價。5例患者圖像配準(zhǔn)后逐一計算超聲圖像目標(biāo)點與CT圖像目標(biāo)點之間的誤差值，并計算誤差平均值（AVG）和標(biāo)準(zhǔn)差（SD），了解配準(zhǔn)后的準(zhǔn)確性和離散度（即穩(wěn)定性）。

結(jié) 果

5例患者均能實現(xiàn)二維超聲圖像與CT之間的配準(zhǔn)，完成率100%。通過本文方法得到的CT體數(shù)據(jù)和超聲切面的融合效果圖，圖1數(shù)字箭頭1、2、3 標(biāo)記的解剖結(jié)構(gòu)分別為皮下軟組織、脊椎和肝臟，可以看到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)已基本匹配。

圖2數(shù)字1、2、3標(biāo)記的箭頭分別表示肝葉輪廓、肝臟血管和肝血管瘤，圖2A、B顯示的特征信息包括腫瘤和血管。本文的配準(zhǔn)方法基本匹配所有的特征結(jié)構(gòu)（圖2C）。初步的定性實驗說明本文提出的配準(zhǔn)方法準(zhǔn)確性較好。5例患者目標(biāo)點之間的誤差值見表1，平均誤差值4.13±0.44mm。

圖1 CT數(shù)據(jù)和超聲切面的融合圖。1、2、3箭頭標(biāo)記的解剖結(jié)構(gòu)分別為皮下軟組織、脊椎和肝臟。

圖2 CT切面和超聲切面的融合圖。1、2、3標(biāo)記的箭頭分別表示肝葉輪廓、肝臟血管和肝血管瘤。A、B.顯示的特征信息包括腫瘤和血管。 C.匹配了所有的特征結(jié)構(gòu)。

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表1 5例患者超聲圖像與CT圖像目標(biāo)點之間的誤差值（單位：mm）

討 論

CT和超聲圖像的成像原理完全不同，導(dǎo)致灰階不匹配，圖像差異很大，要在這兩種成像模態(tài)間建立一個理想的相似性測度并不容易。超聲圖像中，軟組織的邊界被增強，骨組織被屏蔽，這與CT圖像中是很不一樣的，而且超聲的圖像質(zhì)量不好（對比度低、噪聲高以及偽影）使CT和超聲之間的配準(zhǔn)更加困難，任何能使這兩類圖像更相似的辦法都可以改善配準(zhǔn)的精度［4］。

CT和超聲圖像由于成像原理不一致很難建立有效的相似性測度，同時由于超聲圖像對比度和信噪比低，且有斑點噪聲，使常見的配準(zhǔn)算法無法應(yīng)用于超聲圖像的配準(zhǔn)。本文提出的CT和超聲圖像的配準(zhǔn)框架針對CT和超聲圖像本身的成像特性，建立一種結(jié)合了灰度信息和幾何信息的新相似性測度，這是本文的主要創(chuàng)新點［5］。整個算法框架首先對CT和超聲圖像預(yù)處理來增強兩種模態(tài)的相似性，超聲圖像中的斑點被消除，同時保留邊界信息。然后建立超聲的仿真模型，從CT圖像中仿真超聲的反射和衰減特性，以及從CT圖像中仿真超聲特性能增加兩種模態(tài)的相似性，這是為進一步的配準(zhǔn)做準(zhǔn)備。仿真后，由于超聲的反射特性組織邊界增強，骨組織因為組織界面間的高反射率完全消除，仿真得到的這些特性和真實超聲是一致的［6-7］。最后，本文提出了一種整合了圖像空間信息和灰度信息的相似性測度來配準(zhǔn)從CT仿真得到的超聲和真實的超聲，新的測度對圖像的灰度和空間信息的結(jié)合方式完全不同于以往提出的方法。初步的實驗結(jié)果顯示新的測度相比于只利用圖像灰度信息的測度具有更高的精度，尤其是對于低分辨率的超聲圖像，本文提出的測度具有更高的準(zhǔn)確度［5］。

CT和二維超聲圖像的自動化配準(zhǔn)仍然是一個開放的問題，據(jù)我們所知，很少有完全自動化的CT和超聲圖像的工作流程應(yīng)用于臨床的肝臟病例上。準(zhǔn)確的配準(zhǔn)依賴于一個良好的初始變換，這就需要臨床醫(yī)生在患者皮膚或圖像上選擇基準(zhǔn)點。本文結(jié)合了基準(zhǔn)點配準(zhǔn)與圖像配準(zhǔn)方法來提高配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性?；鶞?zhǔn)點配準(zhǔn)的計算效率高，但是穩(wěn)定性差［8-9］；圖像配準(zhǔn)能避免過多的人工操作，且能進一步提高配準(zhǔn)的精度，它的缺點在于參數(shù)尋優(yōu)過程中容易陷入局部最小點導(dǎo)致配準(zhǔn)失?。?0-11］。結(jié)合以上兩種配準(zhǔn)方法較好地平衡了整個配準(zhǔn)過程的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。本文提出配準(zhǔn)后的定量評估的平均誤差值為4.13±0.44mm，說明其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都是很好的，這樣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性可以適用于臨床診斷及介入治療。

通過CT和超聲圖像的融合，臨床介入治療的導(dǎo)航系統(tǒng)可以被建立，由于目標(biāo)區(qū)域復(fù)雜和超聲圖像質(zhì)量差，在一些病例中，只把超聲圖像用于實時導(dǎo)航的傳統(tǒng)方法往往并不能有效幫助臨床醫(yī)生來確定手術(shù)的目標(biāo)區(qū)域，我們的系統(tǒng)使用電磁導(dǎo)航和CT、超聲的融合圖像可以更有效地幫助臨床醫(yī)生準(zhǔn)確地確定手術(shù)目標(biāo)區(qū)域［5］。

綜上所述，本文提出的二維超聲與CT配準(zhǔn)技術(shù)的臨床應(yīng)用是可行的。但是由于CT和超聲這兩種醫(yī)學(xué)圖像差異很大，很難建立這兩種模態(tài)的理想的相似性測度，并且本文的病例數(shù)較少，因此需要做更多的臨床實驗來驗證本文提出的方法。

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1 Department of Ultrasonic Diagnosis， Ruijin Hospital， Shanghai Jiao Tong University School of Medicine.

2 Institute of biomedical engineering， Shanghai Jiao Tong University ，

Address： 197 Ruijin NO. 2 Road， Shanghai， 200025， P.R.C

Address Correspondence to ZHAN Wei-wei （E-mail： shanghairuijin@126. com）

中圖分類號：R814.42

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-5741（2016）-03-0265-04

收稿時間：（2016.01.20 ；修回時間：2016.02.22）

作者單位：1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院超聲診斷科2 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

通信地址：上海市黃浦區(qū)瑞金二路197號 ， 上海市200025 The Projects of Medicine Combined with Engineering （Science） of Shanghai Jiaotong University （YG2012ZD06）

通信作者：詹維偉（電子郵箱：shanghairuijin@126.com）

基金項目：上海交通大學(xué)“醫(yī)工（理）交叉研究基金”項目（YG2012ZD06）

The Clinical Feasibility of 2-D Ultrasound and CT Registration Technology About Liver

LIU Jun1， XU Li-jian2， GU Li-xu2， ZHAN Wei-wei1

【Abstract】Purpose： To discuss the clinical feasibility of 2-D ultrasound and CT registration technology about liver. Methods： 2D ultrasound images and CT images of 5 cases liver were registered. The accuracy and stability between the two imaging according to the qualitative and quantitative results were assessed， the process included ultrasonic probe calibration， marks registration， image preprocessing and the simulation experiment. Result： It can be 100% registered between 2-D ultrasound and CT. The imaging similarity was better according to our methods. After registration， the mean and standard deviation of the target error was 4.13 and 0.44 between ultrasound and CT respectively， so the accuracy and stability was good. Conclusion： It can be 100% registered between 2-D ultrasound and CT. Although there were some errors， but it still has a great prospect in the clinic application in the future.

【Key words】Ultrasound， CT， registration