肿瘤热消融治疗术中导航与超声监测关键技术研究

发布时间：2019-01-21 11:33

【摘要】：肿瘤(微波/射频)热消融治疗是将热消融针(微波天线/射频电极)在医学影像引导下直接插入肿瘤内作为热源,在数分钟内将肿瘤组织加热到较高温度(60℃以上)即刻达到肿瘤的完全性凝固坏死,从而在原位直接杀灭肿瘤。热消融针介入导航与治疗效果的实时评价是肿瘤热消融治疗亟需解决的问题。本文研究肿瘤热消融治疗术中多模态影像导航与超声实时监测关键技术。从超声/CT图像分割、超声组织定征、热消融针穿刺路径计算机辅助规划三方面入手,研究了乳腺肿瘤超声图像半自动分割方法、CT图像肝脏三维半自动分割方法、射频消融超声实时监测方法和热消融针穿刺路径计算机辅助规划技术。主要研究内容如下:(1)乳腺肿瘤超声图像半自动分割方法及应用研究。以乳腺肿瘤超声图像为研究对象,提出了一种基于均值漂移(Mean Shift)和图割(Graph Cuts)算法的超声图像肿瘤快速分割新方法,并开发了相应的系统软件。该方法有效结合了高斯滤波、直方图均衡、均值漂移及图割算法。该方法所需的唯一交互是在输入图像上选择两个对角点,以确定感兴趣区域(ROI)。采用双三次插值对ROI图像缩小2倍,以减少计算时间。对缩小后的图像进行高斯滤波和直方图均衡处理。接着,对直方图均衡后的图像进行金字塔均值漂移滤波,以提高图像的均匀性。在滤波后的图像上自动生成图割算法所需的前景、背景种子点。基于这些种子点,利用图割算法将滤波后的图像分割成包含前景(肿瘤)和背景(非肿瘤)的二值图像。最后,使用双三次插值将二值图像放大2倍,并使用形态学开闭处理来优化肿瘤轮廓。算法采用C++语言和OpenCV在VC++2010中实现,对38幅包含良性肿瘤的乳腺超声图像和31幅包含恶性肿瘤的乳腺超声图像进行分割实验。本方法具有91.7%真阳性率、11.9%假阳性率、85.6%相似度。在英特尔酷睿2.66GHz CPU和4 GB RAM下,算法运行时间为0.49±0.36秒。实验结果表明,本方法可用于乳腺肿瘤超声图像的快速半自动分割。(2)CT图像肝脏三维半自动分割方法及应用研究。以三维CT图像为研究对象,提出了一种基于超体素和三维图割的肝脏快速三维分割方法,并开发了相应的系统软件。现有的全自动和半自动分割算法大都具有运算复杂、计算量大的特点,以致分割时间较长。为此,提出一种快速的CT图像肝脏三维半自动分割算法。通过下采样减少CT图像数据量,随后设置CT图像的窗宽窗位以使16位CT图像转化为8位、并使得肝脏与周边组织对比明显,再采用超体素算法对8位CT图像进行处理。以超体素为节点构建三维图割算法的图结构,通过交互式手段选取图割的前景、背景种子点,使用最大流/最小割算法完成图结构中前景和背景的分割,最后对分割结果进行上采样、二值开运算和中值滤波处理。利用C++语言、VC++2008、ITK、VTK、OpenCV实现本方法。对MICCAI SLIVER07提供的30例三维肝脏图像进行分割实验。实验结果表明,本方法分割效果较好,分割速度明显优于现有的大部分算法。(3)基于超声背向散射信号概率统计模型的射频消融超声实时监测方法及应用研究。以离体猪肝和离体猪里脊肉为研究对象,提出了一种基于超声背向散射信号概率统计模型及频率复合技术的射频消融超声实时监测方法,并开发了相应的系统软件。提出了一种基于频率复合和时域复合的新型Nakagami成像算法,对热凝固区进行增强可视化。将这一算法集成到临床超声扫描仪中,利用C++语言、VC++2010和OpenCV开发了一套射频消融超声实时监测系统。对不同类型组织的射频消融监测效果进行了研究。通过18例离体猪肝和6例离体猪里脊肉的射频消融实验,对射频消融超声实时监测系统的性能进行了验证。实验结果表明:本方法可实时运行于标准的临床超声扫描仪中,从而可对射频消融进行实时监测;射频消融超声实时监测系统可以有效地监测肝组织射频消融引起的消融区(热凝固区),但由于组织性质不同,该系统不能监测肌肉纤维的消融区。(4)热消融针穿刺路径计算机辅助规划研究。热消融针介入路径(穿刺路径)主要包括经皮肤的进针位置(进针点)和目标位置点(肿瘤靶点)。基于患者术前CT序列扫描图像,利用MeVisLab软件设计了穿刺路径长度(穿刺深度)约束条件和穿刺路径与关键结构距离约束条件。基于肝脏、肝血管、肝肿瘤等结构的三维重建和可视化,利用Fit Me开源工具包(基于德国MITK)初步实现了热消融针穿刺路径手动规划系统。
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【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R730.5

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