膀胱肿瘤MR影像三维厚度特征的初步研究

发布时间：2018-04-15 23:25

  本文选题：膀胱肿瘤 + MRI　； 参考：《第四军医大学》2014年硕士论文

【摘要】：美国癌症协会（American Cancer Society）去年发布的《Cancer factsfigures2013》指出：2013年膀胱肿瘤位居全美恶性肿瘤发病率排行榜第四，致死率则位于恶性肿瘤排行第七位。中华医学会泌尿外科分会编撰的《中国泌尿外科疾病诊断治疗指南（2011版）》指出，中国男性膀胱肿瘤的发病率位居第六，且发病率和致死率逐年增长。统计数据显示，非浸润肌层的膀胱肿瘤患者的五年生存率高达96%，随着肿瘤浸润程度的加深，五年生存率显著下降，因此膀胱肿瘤的早期筛查对于提高患者生存率具有显著意义。更为重要的是，膀胱肿瘤的复发率很高，文献指出约有10-70%的局限于粘膜层的膀胱肿瘤患者在五年内会复发或新发肿瘤；约有50%的非浸润肌层的膀胱肿瘤患者，术后18个月中再次发现膀胱肿瘤，而有7%的膀胱肿瘤浸润肌层的患者在术后5年内仍然有肿瘤复发的现象。为防止膀胱肿瘤的复发，患者每三到六个月必须进行定时随访检查。 现有的膀胱肿瘤检查手段中，膀胱镜检查是金标准。但膀胱镜的局限性在于其有创，侵入性，存在视野盲区，且只能提供膀胱腔内的可视化信息，对膀胱壁壁厚的细微变化和周围软组织器官的变化难以获取，因此在早期筛查与随访中难以广泛应用。综上所述，，快速无创的膀胱肿瘤早期筛查与随访检查技术，对于膀胱癌的防治具有重要意义。 近期多个影像学研究结果表明，膀胱腔内病变可引起膀胱内、外壁的形态特征变化，其中膀胱壁厚度特征的局部变化，被临床公认为是膀胱壁上病变发生的有说服力指标。针对膀胱壁厚度特征的研究与分析对于膀胱壁上病变的检出、正常组织与病变组织的区分是非常有意义的。然而由于不同个体的膀胱形态各不相同，同一个体在不同时刻、不同充盈状态下的膀胱形态也不尽相同，因此难以对膀胱壁厚度特征进行定量分析与比较。 针对以上问题，本论文基于膀胱MRI成像，首先建立了一套完整的膀胱壁厚度特征测量与分析流程，能够对不同患者、同一患者不同状态下的膀胱壁进行分割提取、厚度特征计算及标准化分析。在此基础上，基于志愿者及膀胱肿瘤患者影像数据，对膀胱壁病变组织与壁组织的三维厚度特征进行了实验及分析，实验结果对于了解膀胱壁厚度特征变化及进行膀胱壁病变检测有较高应用价值。 本研究的工作主要分为以下两大部分： 第一部分，膀胱壁三维厚度测量与分析流程的建立。该流程主要包括以下关键环节：MR成像序列选择与数据采集；膀胱内外壁信息的提取；膀胱壁三维厚度的计算；厚度数值标准化，膀胱形态标准化等。具体算法及步骤如下： 1、MR成像序列选择与数据采集：获得清晰的膀胱内外壁MR影像是后续分析的数据基础。根据成像是否快速高效、膀胱内外壁的成像效果是否清晰、与周围尿液或软组织是否有较好的对比度为原则，选取了T2加权快速回波序列作为基本采集序列。 2、膀胱内外壁的分割提取：若要对膀胱壁三维厚度进行计算分析，首先需要准确获取膀胱内外壁的完整轮廓。论文采用课题组前期提出的针对T2加权序列图像的coupled directional level-set膀胱内外壁自动分割算法，对获得的MRI数据膀胱内外壁进行自动分割。对个别自动分割结果不准确的区域，由放射科医师检查并进行适当的手工调整。 3、膀胱壁三维厚度的计算：在得到准确的膀胱内外壁信息后，采用三维拉普拉斯偏微分方程法对膀胱壁三维厚度进行定义与计算，以得到更准确一致的厚度估计。 4、厚度数值标准化：由于三维厚度特征值的变化受到膀胱个体差异的影响，难以定量比较，本研究采用均值比标准化、极差标准化、Z-Score标准化等数值标准化方法对三维壁厚的计算结果进行数值标准化。 5、膀胱形态标准化：在对三维厚度特征进行了数值标准化后，为了克服不同膀胱形态差异的影响，利用课题组前期提出的Free-Form Deformation(FFD)参数模型对膀胱形态进行标准化，并将三维厚度特征映射到标准化模型上，实现了不同形状膀胱壁厚的定量比较。提出的形态标准化方法，亦可用于其他特征如灰度、纹理特征的映射比较。 第二部分，膀胱壁厚度变化的影像实验分析。采集膀胱MR影像数据共20例，其中患者与志愿者数据各10例，每套数据约85-90层，两组人员不存在年龄的统计学差异。基于提出的三维厚度特征测量与分析流程，本研究对正常壁组织及膀胱壁病变组织的三维厚度特征进行了实验与分析。主要包括以下五个实验： 1、测量与分析流程中关键算法性能的验证：对coupled directional level-set膀胱内外壁自动分割算法、基于拉普拉斯偏微分方程的三维厚度计算方法、FFD参数模型变形与特征映射算法进行了模型与临床数据验证。结果表明三种算法均适用于本研究建立的膀胱壁三维厚度测量与分析流程。 2、志愿者组与患者组间膀胱壁三维厚度特征的显著性差异分析：为了研究志愿者组与患者组间的厚度特征是否存在差异，计算出患者组与志愿者组共20例数据的膀胱壁三维厚度值，并进行两组厚度样本的双边t检验。结果显示志愿者数据与患者数据的膀胱壁三维厚度值存在统计学上的显著差异，患者组均值高于志愿者组均值。 3、膀胱壁三维厚度特征数值标准化分析：为了消除个体差异对壁厚分析的影响，本研究分别采用均值比标准化（NBWT）和极差标准化（SBWT）对膀胱壁三维厚度值进行数值标准化，并对两组间的差异进行分析。 (1)用NBWT=1.5作为阈值对肿瘤和壁组织进行区分，可筛选出肿瘤组织的主体部分，但肿瘤组织与壁组织的过渡区域没有被准确筛选出。 (2)对志愿者组与患者组的SBWT值进行双边t检验，检验结果显示，志愿者组与患者组的SBWT值存在统计学上的显著性差异，患者组均值低于志愿者组均值。 (3)为分析尿液会否引起膀胱壁上下厚度的变化，对志愿者组数据顶部与底部厚度样本进行双边t检验，结果显示志愿者数据顶部与底部厚度无统计学上的显著性差异。 4、膀胱形态标准化、特征映射及正常膀胱标准化厚度模板的建立：膀胱形态的较大差异使得不同膀胱间的定量比较难以进行。通过采用FFD参数模型进行膀胱形态标准化，并将三维厚度特征映射到标准模型上，可有效解决该问题。 (1)将10组志愿者膀胱数据分别标准化为椭球体，再进行尺度变化、球心平移后，将对应位置体素的厚度值进行平均，建立了一个正常膀胱的标准化厚度模板。此模板形状为标准椭球体，反映了正常膀胱的厚度特征分布，可用作壁厚分析的标准模板。 (2)为了进一步研究正常膀胱顶部与底部的厚度特征是否存在差异，对正常膀胱标准化厚度模板分为顶部体素和底部体素两组，两组间体素厚度进行双边t检验，检验结果显示模板顶部与底部的厚度特征不存在统计学上的显著差异。 (3)利用正常膀胱标准化厚度模板与患者膀胱数据做Z-Score分析。对10例肿瘤数据的Z-Score分析结果表明，阈值范围在[2,2.5]间时，可从壁组织中有效筛选出肿瘤组织。 5、膀胱充盈程度与三维厚度变化的分析： (1)为研究患者组与志愿者组间的膀胱容积特征是否因三维厚度特征的显著性差异而存在差异，对两组间的容积值进行双边t检验。检验结果表明，两者不存在显著性差异。 (2)为研究志愿者组内容积与壁厚的关系，对10例志愿者膀胱容积与膀胱壁三维厚度均值行相关性分析。分析结果显示，二者不存在显著相关性。 (3)为进一步研究同一个体在不同充盈程度时容积与壁厚的变化关系，对志愿者膀胱充盈动态过程中容积与厚度的变化关系进行了分析。分析结果表明，膀胱壁厚值与容积的立方根呈反向变化关系，并根据已有数据点拟合出厚度与容积立方根的变化关系曲线，得出了厚度与容积立方根变化关系函数。 综上所述，本研究创新建立了一套完整的膀胱壁三维厚度特征测量与分析流程，并在此基础上，对正常壁组织及膀胱壁病变组织的三维厚度特征进行了实验分析，得到了多组统计分析结果。这些结果，不仅为基于厚度特征进行病变部位检测提供了新思路，亦为计算机辅助膀胱肿瘤检测和诊断提供了更多有价值的定量信息。
[Abstract]:In 2013 , the cancer incidence in the urinary bladder of China ranked sixth , and the morbidity and mortality rate increased year by year . The data showed that the five - year survival rate of bladder tumor patients in China was 96 % , and the recurrence rate of bladder tumor was high .
Approximately 50 % of patients with bladder tumor of non - invasive muscular layer found bladder tumor again in 18 months after surgery , while 7 % of patients with bladder tumor invaded the muscular layer still had tumor recurrence within 5 years . In order to prevent the recurrence of bladder tumor , the patient had to perform a scheduled follow - up examination every three to six months .

In the present study of bladder tumor , cystoscopy is the gold standard , but the limitation of cystoscope is that it has invasive , invasive , visual blind area , and can only provide visual information in the bladder cavity , it is difficult to obtain the subtle changes in the wall thickness of the bladder wall and the change of surrounding soft tissue organs , so it is difficult to apply widely in the early screening and follow - up . In conclusion , the rapid and noninvasive technique of early screening and follow - up examination of the bladder tumor is of great significance for the prevention and treatment of bladder cancer .

The results of several imaging studies show that the bladder wall thickness is different from the pathological changes of bladder wall . The study and analysis of the thickness of bladder wall is very important for the detection of bladder wall lesions .

In order to solve the above problems , based on the bladder MRI imaging , a complete set of measurement and analysis procedure of bladder wall thickness is first established , which can be used for the segmentation , extraction , thickness characteristic calculation and standardized analysis of bladder wall under different conditions of different patients and the same patient . Based on this , the three - dimensional thickness characteristics of bladder wall lesion tissues and wall tissues are tested and analyzed . The experimental results are valuable for understanding the changes of bladder wall thickness and detecting bladder wall lesion .

The work of this study is mainly divided into the following two parts :

The first part , the measurement of the three - dimensional thickness of the bladder wall and the establishment of the analytical procedure mainly include the following key links : MR imaging sequence selection and data acquisition ;
extracting internal and external wall information of the bladder ;
Calculation of three - dimensional thickness of bladder wall
Standardization of thickness , standardization of bladder shape , etc . The specific algorithms and procedures are as follows :

1 銆

本文编号：1756299