帕金森病深部脑刺激手术中的图像配准问题研究

发布时间：2020-05-28 11:33

【摘要】：帕金森病是一种基底神经节功能障碍引起的神经病症。深部脑刺激(DBS)手术是帕金森后期患者治疗的有效手段。该手术通过对患者脑部植入电极,刺激丘脑底核靶点以实现治疗的目的。DBS手术需要对术前术后的靶点和电极位置进行精确定位,但在现有条件下,对患者脑部的成像存在如下问题:首先,丘脑底核作为靶点体积较小,只有在特定的T2WI或SWI加权的MR图像中可见,且靶点在图像中没有明确边界,难以定位;其次,DBS手术会引起患者脑组织的形变,造成靶点位移,加大术后定位难度;此外,植入电极为金属材质,限制了术后MR成像时间,使得图像分辨率较低,图像中只有电极信息而无靶点信息。这些因素导致实际的靶点和电极位置信息分布在不同模态、不同分辨率的图像上,很难对它们在脑中的位置及相互关系进行直观准确地呈现,给DBS手术计划制定及术后治疗带来困难。为解决上述问题,本文基于ICBM-152脑图谱,对手术前后图像进行了配准方法的研究。实际临床数据在手术过程中存在着模态的不同、空间位移的变化,与标准的人脑图谱之间也存在着坐标空间、尺寸、个体生物学局部特性的较大差异,因此很难使用已有的算法对双方进行配准。针对以上问题,本文所设计实现的脑图谱与临床图像的配准方法包括如下几个阶段,首先,针对临床数据与图谱坐标空间不匹配的问题,使用基于K-L距离的脑中膈面识别算法,获得脑中膈面的空间位置信息,将其坐标空间与图谱坐标空间进行标准化;其次,由于图谱在整体尺寸上与临床图像不同,采用FCM聚类算法提取脑皮质标识点,实现大脑分块映射及对应缩放比例的计算,并使用分段仿射配准方法,对图谱与临床图像进行粗配准;最后,为解决粗配准图谱与图像的局部失配问题,通过使用基于B样条函数的非刚性配准方法,并进行多尺度B样条自由形变优化,确定不同网格尺度下的优化参数,对临床数据与脑图谱进行精配准。上述研究结果虽然较好地实现了ICBM-152图谱与MR图像的配准,但实际DBS手术中,由于条件限制,术前T1WI图像为全脑数据,无靶点信息;术前T2WI图像以及术后图像分别包含靶点及电极信息但缺少标识点信息。因此,配准算法所需的信息分散在不同模态、不同图像质量的数据中。为保证对图像信息的有效利用,本文针对DBS手术图像建立了一个完整的数据处理流程管线,应用于帕金森病DBS计划环节时,实现了术前靶点定位;应用于术后效果评估的环节时,实现了术后的靶点和电极定位。上述算法利用实际数据进行了测试,取得了较好的效果。
【图文】：

示意图,电极,示意图,靶点

图 1-1 Medtronic 3387 以及 3389 型电极示意图[11]前 DBS 系统可以选择不同的手术植入靶点解决相应神经障碍疾病。其中，以球（GPi）作为植入靶点可以治疗肌张力障碍；以丘脑腹侧中间核（Vim）作为可以治疗特发性震颤；本文所探讨帕金森病则通常选择丘脑底核（STN）作为，，其解剖示意图见图 1-2。

示意图,示意图,运动减少,治疗效果

2图 1-2 脑深部核团解剖示意图[12]的疗效通常会与核团损毁术进行对比，核团损毁术的手术靶点。在手术效果上，Vim 核损毁术可以显著改善患者的震颤以及减少症状的治疗效果较差；Gpi 核损毁术对于僵直、运动减少于震颤的治疗效果较差；DBS 对于震颤、僵直以及运动减少效果[13]。从中远期效果来看，双侧 DBS 治疗可以维持 5 年的治疗久稳定，相比损毁术有明显优势。在手术安全性上，DBS 损伤的
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R742.5;TP391.41

【参考文献】