[發(fā)明專利]基于CT-MRI融合的介入計劃導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910620772.8
• 申請日: 2019-07-10
• 公開（公告）號: CN110464459B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 紀(jì)建松;戴亞康;胡冀蘇;周志勇;趙中偉
• 申請（專利權(quán)）人: 麗水市中心醫(yī)院;中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20;A61B34/10;A61B17/34;G06N3/08;G06T7/11;G06T7/168;G06T7/30
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)大卓悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11369
• 代理人: 韓飛

1.一種基于CT-MRI融合的介入計劃導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括：

術(shù)前規(guī)劃模塊，其用于對病人的MRI圖像的進(jìn)行預(yù)處理，然后基于MRI圖像分割出前列腺區(qū)域和尿道，并標(biāo)記可疑病灶區(qū)域，再構(gòu)建前列腺區(qū)域、尿道和可疑病灶區(qū)域三維模型，最后規(guī)劃出最佳穿刺路徑；

空間定位模塊，其用于完成病人的CT圖像和MRI圖像的空間配準(zhǔn)，并獲取磁定位儀空間與CT圖像空間的變換矩陣；

穿刺引導(dǎo)模塊，其用于在所述空間定位模塊的基礎(chǔ)上獲取穿刺針的位置和姿態(tài)，使穿刺針可以實(shí)時模擬顯示在CT圖像空間中，并結(jié)合規(guī)劃出的最佳穿刺路徑，引導(dǎo)穿刺針行進(jìn)；

所述的基于CT-MRI融合的介入計劃導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航方法，包括以下步驟：

1)通過所述術(shù)前規(guī)劃模塊完成基于病人MRI圖像的術(shù)前規(guī)劃；

2)通過所述空間定位模塊完成基于CT-MRI融合的空間定位；

3)通過所述穿刺引導(dǎo)模塊進(jìn)行術(shù)中穿刺針引導(dǎo)；

所述步驟1)具體包括：

1-1)圖像預(yù)處理：導(dǎo)入預(yù)先掃描的待手術(shù)病人的MRI圖像，若圖像為仰臥位，將圖像圍繞病人腳到頭方向軸逆時針旋轉(zhuǎn)180度，所有其余序列圖像以T2W序列圖像為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)；

1-2)前列腺分割：選取T2W序列圖像，使用半自動分割方法分割得到前列腺區(qū)域R1；

1-3)尿道分割：使用手工標(biāo)注方法在T2W圖像上標(biāo)記出尿道區(qū)域R2；

1-4)標(biāo)記病灶：選取一個或多個序列分別標(biāo)記可疑病灶，并對各序列得到的可疑病灶區(qū)域取并集，最終得到可疑病灶區(qū)域R3；

1-5)三維建模：使用Marching Cubes方法計算前列腺體區(qū)域R1、尿道區(qū)域R2和可疑病灶區(qū)域R3的表面模型，并使用三維可視化方法顯示；

1-6)穿刺路徑規(guī)劃：選擇所需的穿刺針長度及直徑，設(shè)置穿刺目標(biāo)靶點(diǎn)，再根據(jù)穿刺目標(biāo)靶點(diǎn)設(shè)置初始的體表入針點(diǎn)，生成穿刺針在二維圖像的投影切面，然后切換二維圖像，觀察投影切面與周圍組織關(guān)系，調(diào)整體表入針點(diǎn)，直到投影切面不經(jīng)過任何重要解剖結(jié)構(gòu)，生成穿刺模擬針道，計算模擬針道到周圍組織的距離，若距離為安全距離，則完成穿刺路徑規(guī)劃；其中周圍組織包括除前列腺外的腹腔盆腔臟器、骨骼、血管、神經(jīng)；

所述步驟3)具體包括：

3-1)穿刺針標(biāo)定：將磁定位儀接收器固定于穿刺針末端，并使磁定位儀接收器中心與穿刺針軸向重合，標(biāo)定穿刺針末端相對于磁定位儀接收器的偏移量p_s＝[x_s,y_s,z_s]^T，從而獲得穿刺針末端的磁定位儀空間位置；

3-2)穿刺針顯示：將穿刺針末端的磁定位儀空間坐標(biāo)和磁定位儀接收器的空間坐標(biāo)根據(jù)變換矩陣T_CT-EM變換到CT圖像空間中，生成模擬穿刺針，當(dāng)移動穿刺針時，模擬穿刺針將實(shí)時動態(tài)顯示更新；

3-3)穿刺針引導(dǎo)：通過移動穿刺針使模擬穿刺針末端與規(guī)劃路徑的體表入針點(diǎn)重合，確定穿刺體表入針點(diǎn)；調(diào)整穿刺針角度，使模擬穿刺針與規(guī)劃路徑方向一致，行進(jìn)穿刺針，直至到達(dá)穿刺靶點(diǎn)區(qū)域；

3-4)穿刺針驗(yàn)證：穿刺針到達(dá)穿刺靶點(diǎn)區(qū)域后進(jìn)行術(shù)中CT掃描；將術(shù)中CT圖像與術(shù)前CT圖像配準(zhǔn)，將穿刺靶點(diǎn)區(qū)域與規(guī)劃路徑顯示在術(shù)中CT圖像空間中，驗(yàn)證穿刺針是否到達(dá)穿刺靶點(diǎn)區(qū)域。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CT-MRI融合的介入計劃導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟1-1)中，所述配準(zhǔn)方法為：將待配準(zhǔn)圖像中心的病人坐標(biāo)系坐標(biāo)與參考圖像中心的病人坐標(biāo)系坐標(biāo)對齊，將待配準(zhǔn)圖像以參考圖像的像素間隔重采樣，最后將待配準(zhǔn)圖像裁剪使其圖像視野與參考圖像視野一致。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CT-MRI融合的介入計劃導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟1-2)中，半自動分割方法為：使用V-net全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割得到初始的前列腺區(qū)域，人工檢視分割結(jié)果，對部分分割邊界使用交互式分割工具進(jìn)行修補(bǔ)；所述V-net的損失函數(shù)為：

其中i∈I為像素個數(shù)，c∈C為標(biāo)簽數(shù)，y為實(shí)際標(biāo)簽，p為預(yù)測標(biāo)簽；所述V-net訓(xùn)練初始學(xué)習(xí)率為0.0005，訓(xùn)練每5000次學(xué)習(xí)率乘以0.5，最大訓(xùn)練次數(shù)為10萬次。