专利名称：一种适于超声-ct/mri/pet等融合成像的非侵入性标准配准装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种便于超声与CT图像、核磁共振图像或PET图像等进行图像融合开发及临床应用的非侵入性标准配准装置。
背景技术：
一、图像融合技术简介医学图像融合技术是当今国内外研究的一个热点问题。医学成像包括X射线、超声、计算机断层成像(CT)、磁共振(MRI)单光子发射断层成像(SPECT)、正电子发射断层成像(PET)、红外线、数字减影(DSA)、荧光造影等。各种模态的医学图像从不同角度反映人体信息，单独从某一种图像中无法得到全面的诊断信息。多种图像如果只依靠医生的空间构想和推测去综合判定他们所要的信息，其准确性就会受到主观影响，更可能有些信息被忽视。从上世纪80年代开始，医学图像融合开始逐渐引起临床医学界的关注。医学图像融合是将2个或2个以上医学成像设备获得的同一病灶区域的图像进行匹配和迭合，从而获得互补信息，增加信息量，使临 床诊断和治疗更加准确和完善。医学图像融合的目的是结合各种图像的优势，减少不确定性，使医生对病变部位看得更直接，更清晰，从而有利于作出准确的判断。即出现部分之和大于整体的效果。医学图像融合的基本思想在上世纪80年代提出，并产生了逐像素加权求平均等一些简单算法，但效果并不理想。到了 90年代，医学图像融合开始成为当代医学图像领域的前沿课题，并取得了很大进展，对未来的医学影像发展产生深远影响，如Laplacian、Gaussian金字塔法、多分辨率滤波法、小波变换法等，带来了医学图像融合技术飞速发展。二、图像融合的关键步骤-配准医学图像融合是一个连续渐进过程，不同的融合方法有不同的操作和处理，但其基本流程和主要步骤大致相同(见图4)其中，图像配准的精确度高低直接影响图像融合的质量。由于图像源成像模式不同，成像方位、时间、空间分辨率、空间覆盖域均有差别。故必须首先进行配准。医学图像配准是以误差最小化为原则，将不同图像归一化的过程。对待配准的某幅图像采用一种或几种空间变换，使其与另一幅待配准图像上的对应点达到空间上的高度一致。这种一致是指人体同一解剖点在2幅匹配图像上有相同的空间位置，配准的结果应达到2幅图像上所有解剖点，至少是有诊断意义，或兴趣区的各点都要达到匹配。图像分辨率越高，细节越丰富，实现点对点意义上的对应难度就越大。配准处理一般分成图像变换和图像定位2步。第一步图像变换。其目的是确保多源图像像素或体素表达的实际空间域相同，保证多源图像对同一脏器在空间描画上的一致性。包括平移、旋转、定标、反射等处理。常用的基本变换有刚性变换、仿射变换、投影变换、非线性变换等。一般由计算机自动完成，并可进行部分人工修正以提高准确性。第二步图像定位。其方法大致有2大类，即基于外部定位法和基于内部特征的体位标记法基于图像外部特征的融合外部特征是指为进行图像融合处理，专门特制的、附加于患者身体的各种人造标记。这种体外标记在各种融合方式的图像中均应清晰可见，并能准确检测到。简单易行，也易于计算机处理，适用于各种模式的图像匹配。缺点是外在标记安置要求高，脏器和体表标记间易产生位移误差。按体表标记安置方式又可分成2种(1)侵入性外部基准指固定于患者体内的基准标记物，如立体定位框架、嵌入颅骨的螺丝钉等标记。侵入性标记固定性好，准确性高，但对患者有一定创伤(2)非侵入性外部基准。指固定在患者皮肤表面的基准标记，如头罩、面膜、牙套、背带、框架或框架等，是无创安置。三、超声图像融合配准的技术困境临床上进行图像融合成像的实际操作中，CT与核磁图像之间，或CT与ECT之间的图像融合所依赖的配准处理手段主要依赖于前述的外部定位法和内部特征定位法。但CT、MR1、PET、SPECT等之间的图像配准定位的处理基础相对单纯，这是因为这些图像均是标准的垂直于水平面的躯体某一水平的整体性横断面。在这种标准化的整体性横断面前提下进行的图像配准，实际是使两种成像技术之间具备了统一的断面标准起点。因此在这种标准的横断面条件下无论是对体内某一标准解剖部位的定位配准还是前述体表标记法均只需要单一的计算机图像分析技术就可达到准确的图像配准要求，并且对体外标记的形态无确切严格的要求。实际上，在CT，MRI, ECT, PET, SPECT等标准断面成像技术之间应用到的体表标记物起到目的只是标准定位点，不需要进行面的定位。但是，超声图像融合技术与前述CT、核磁或PET等彼此之间的图像融合技术截然不同，存在更高的技术要求，其区别点在于I)超声图像不是标准的横断面图，其图像随操作者手中探头方向的任意变换而呈万向性； 2)超声图像相对于CT、核磁等的横断标准断面而言缺乏标准性；3)超声断面图像因超声探头声窗的狭小，任一超声图像都只是某个脏器的局部断面而不是像CT或MRI等的任一断面都包含某个脏器所在躯体某一水平的完整的全身横断面(这种完整的解剖横断面不仅包含脏器自身的完整解剖结构也包括周邻脏器完整准确的解剖横断面)。上述区别点的存在，使得超声图像与CT或核磁等成像技术之间的图像融合及配准更为困难。为了解决配准难的问题，发明人结合现有配准技术进行研究，发现超声-CT/MRI/PET等图像融合技术中，存在如下现状或问题A、目前超声与其他成像技术的图像融合都是采用基于内部特征的体位标记法，尚未见采用体表标记安置的外部定位法进行配准的技术或装置；B、应用于CT或核磁的体表标记安置的外部定位法所采用的诸如头罩、面膜、牙套、背带、框架或支架等难以为超声探头全面接触或探测形成有效图像。因为超声成像需要足够的软组织或液性环境包绕才能形成有效回波界面。气体、骨性等结构都会造成超声能量的显著衰减而无法成像。因此上述应用于CT或核磁等的体表固定的头罩、面膜、牙套、背带、框架或框架都无法达成有效的超声图像配准断面；为此，超声需要符合自身物理成像特性的独特的体外配准装置；C、因超声无法穿透骨性组织或气体组织，超声图像融合主要局限于腹部实质性脏器，诸如肝、肾等。其在头颅、或腹部脏器严重病变(诸如大型手术后，严重肝硬化等)或内镜超声或经食道超声等方面的应用，不是缺乏有效的配准装置，就是因为机体内部无有效的配准解剖结构而难以开展；D、因颅骨的遮挡以及颅脑内部脑组织因超声断面的局限性难以形成确切的易于与CT或MRI对应的标准化解剖结构，目前无论是颅脑术前还是颅脑术中尚无法进行有效的颅脑的超声图像融合操作；E、超声融合成像技术都是采用超声断面中的标志性的解剖结构与CT或核磁标准横断面中对应的解剖标志或结构进行人工配准。在实际操作中，这种配准的准确性和便捷快速性因前述超声图像的万向性和缺乏标准固定横断断面以及超声断面的狭窄性而大受影响。一般而言，实施超声图像融合的图像配准定位需要按两步进行，首先是利用电磁跟踪技术对超声探头的位置与CT或核磁图像进行空间匹配。这一步，在先进的电磁跟踪系统及相关传感器的帮助下，已经可以达到准确实现超声探头与CT或核磁等图像数据之间的三维空间匹配的目的。然后，第二步就是图像配准定位，即超声图像与CT或MRI等图像的解剖结构的一一对应。如前述因超声图像没有标准的横断面及超声断面的狭窄性，导致超声与CT或核磁等标准断面之间的配准更为困难和费时。
发明内容
基于上述技术困境，本发明的目的在于提供一种将超声断面标准化，以快速准确进行超声-CT/MRI/PET等融合成像的非侵入性标准配准装置。本发明提供了一种适于超声-CT/MRI/PET等融合成像的非侵入性标准配准装置，载体包外设有体表固定装置；载体包内设有中空柱体，载体包和中空柱体内部充满液体；中空柱体的底部或顶部通过连接杆与球体相连，球体与载体包底部或顶部的球形凹槽一起构成球面副；平面几何框架 固定在中空柱体内壁，并与水平面垂直，平面几何框架与载体包内壁之间保持O.1cm以上的距离；载体包和连接杆均为刚性材质。进一步地，中空柱体内的液体密度小于载体包内液体，中空柱体的底部通过连接杆与球体相连，球体与载体包底部的球形凹槽一起构成球面副；或，中空柱体内的液体密度大于载体包内液体，中空柱体的顶部通过连接杆与球体相连,球体与载体包顶部的球形凹槽一起构成球面副。其中，所述平面几何框架采用非金属材质，其中，平面几何框架边框的直径或厚度大于 O.1mnin其中，所述中空柱体为中空圆柱体或中空矩形柱体。其中，所述载体包呈长方体或锥台；所述平面几何框架为圆形或多边形。其中，中空柱体内设有1-91个平面几何框架，每相邻两个平面几何框架之间呈Γ90°夹角；相隔最远的两个平面几何框架之间的夹角在90°以下；各平面几何框架具有不同形状。每相邻两个平面几何框架之间呈广45°夹角，中空柱体内设有2-46个平面几何框架；相隔最远的两个平面几何框架之间的夹角在45°以下。进一步地，每相邻两个平面几何框架之间呈5-15°夹角，中空柱体内设有4-10个平面几何框架。其中，所述体表固定装置为固定带或卡接装置。进一步地，所述卡接装置包括单面胶布、相适配的卡接头和卡口 ；卡口位于载体包底部外表面，卡接头位于单面胶布无粘性面。进一步地，球体与球形凹槽间还设有锁止装置。本发明配准装置具有如下特点I)采用液性环境包绕平面几何框架的方法，解决了超声无法形成体表标志物图像的技术难题；2)采用浮力或重力的方法，使得平面几何框架始终保持垂直于水平面，形成了标准的横断面，这种情况下形成的平面几何框 架的超声图像必然是一与CT或核磁一样的标准横断面方向。这一创新应用控制了超声探头万向性和断面的不标准性。将使扫查的几何平面框架超声图像与其他CT或核磁等的相应几何平面框架横断面快速配准；同时，本发明在一个装置中还可安装彼此呈不同角度的多个平面几何框架，以补偿本发明装置安装于体表后存在的不同角度的水平误差，更适于标准横断面的形成。3)这一发明装置可贴附于人体头部等骨性部位，从而达到对超声无法形成有效颅内组织影像部位的进行图像配准，为神经外科的手术导航提供更准确而迅速的超声-CT或MRI图像的融合；该装置也可贴附于食道前方的颈部，或胃体前壁前方的腹部，使内窥镜超声或经食道超声从腔内向前扫查形成标准断面，从而形成腔内超声图像与CT或核磁等图像的融合，避免了空腔脏器气体干扰和探查深度不够而不足以形成有效标准图像的技术难题。4)本发明将平面几何框架设置在中空柱体内部，可以避免平面几何框架在活动时与载体包内壁撞击而造成的破损或位置偏移，从而保证该配准装置的准确应用。本发明配准装置，可以使得超声图像中形成与CT或核磁一样的标准横断面方向，控制了超声探头万向性和断面的不标准性；通过该配准装置，可以在保证精确配准的基础上，大幅提升超声与CT、核磁共振或PET图像的融合配准速度，且适用范围宽泛，具有良好的应用前景。
图1本发明的结构示意图；图2本发明卡接装置的结构示意图；图3本发明的俯视结构示意图；图4图像融合配准步骤示意图；其中，1-载体包、2-中空柱体、3-平面几何框架、4-连接杆、5-球体、61-单面胶布、62-卡接头、63-卡口。
具体实施例方式结合图1-3可知，本发明提供了一种便于超声与核磁共振图像融合的非侵入性配准装置，其结构如下载体包I外设有体表固定装置；载体包I内设有中空柱体2，载体包I和中空柱体2内部充满液体；中空柱体2的底部或顶部通过连接杆4与球体5相连，球体5与载体包I底部或顶部的球形凹槽一起构成球面副；平面几何框架3固定在中空柱体2内壁，并与水平面垂直，平面几何框架3与载体包I内壁之间保持O.1cm以上的距离；载体包I和连接杆4均为刚性材质。平面几何框架，可以是任意形状，它设置在中空柱体内，可以避免平面几何框架在活动时与载体包内壁撞击而造成的破损或位置偏移，从而保证该配准装置的准确应用。同时，载体包为刚性材质，可以保证载体包不随温度或液体流动而变形，连接杆为刚性材质，可以保证中空柱体不在水平方向上转动。为了让平面几何框架始终与水平面保持垂直，以便保证检测过程中标准横断面的形成，本发明的结构如下A、中空柱体2内的液体密度小于载体包I内液体，中空柱体2的底部通过连接杆4与球体5相连，球体5与载体包I底部的球形凹槽一起构成球面副；或，B、中空柱体2内的液体密度大于载体包I内液体,中空柱体2的顶部通过连接杆4与球体5相连,球体5与载体包I顶部的球形凹槽一起构成球面副。其中，所述平面几何框架3采用非金属材质，其中，平面几何框架3边框的直径或厚度大于O. 1mm。其中，所述中空柱体2为中空圆柱体或中空矩形柱体。其中，所述载体包I呈长方体或锥台；所述平面几何框架3为圆形或多边形。
由于人体各部位的角度不同，在检测某些部位时，一个平面几何框架有可能配准不佳，为此，本发明中还设置如下结构来弥补这一缺陷中空柱体2内设有2-91个以上的平面几何框架3，每相邻两个平面几何框架3之间呈广90°夹角，相隔最远的两个平面几何框架3之间的夹角在90°以下；各平面几何框架3具有不同的几何形。这种设计的目的在于利用装置内不同角度安放的不同几何框架形状校准因体表固定引起的装置在水平方向上的微小倾斜。上述结构可以确证超声扫查的标准几何图形与CT或MRI等其他影像技术所获取的标准横断面所对应的几何图形一致。若使用本发明装置配准时，平面几何框架与目标平面之间的角度相差较大时，肉眼即可作出判断，因此，为了节省成本，对本发明装置作进一步优选每相邻两个平面几何框架3之间呈f 45°夹角，中空柱体2内设有2-46个平面几何框架3，相隔最远的两个平面几何框架3之间的夹角在45°以下；为了保证配准效率，又能够更进一步节省原材料成本，本发明配准装置中可优选如下设置每相邻两个平面几何框架3之间呈5-15°夹角，中空柱体2内设有4-10个平面几何框架3。本发明中，所述体表固定装置为固定带或卡接装置。两者都可以将配准装置固定在人体各个部位。为了进一步保证配准装置始终固定在某一特定部位，本发明中还优选采用如下设置:所述卡接装置包括单面胶布61、相适配的卡接头62和卡口 63 ;卡口 63位于载体包I底部外表面，卡接头62位于单面胶布61的无粘性面。本发明在球体5与球形凹槽间还设有锁止装置。当载体包在体表固定好以后，为了更稳定的固定平面几何框架的位置，以便达到准确定位，还可以通过锁止装置封闭球面副运动。实施例1脑外科手术导航的快速精确配准一、具体实例患者男45岁，因头痛就诊，MR1:左鞍旁肿瘤，直径3cm。诊断左鞍旁脑膜瘤。为准确进行手术定位，进行超声-MRI融合成像。行MRI扫描前，患者平卧位于前额固定本发明装置(该装置底座是一轻薄3X4cm四方形一面粘性胶布，无粘性一面四角各有一卡夹对应于装置主体下端四角的卡口)。MRI对患者头部及本发明装置进行标准横断面扫查，获取颅内详细图像及前额本发明装置内部各个几何平面框架的详细横断面图像。次日，将该患者MRI DICOM图像数据拷入超声融合成像系统计算机内，在电磁跟踪系统的电磁场内，超声探头上附着电磁场6自由度传感器。感受探头的磁场位置，同时超声融合成像系统匹配探头与MRI图像之间的空间对应关系。之后，对患者原贴附胶布部位重新卡入本发明装置，对此发明装置进行超声扫查，因该装置内部为液性环境，因此快速获得装置内与MRI图像对应的几何平面图像，并与MRI图像进行了图像重合配准。从而在超声无法穿透颅骨的条件下，也得到了超声图像与颅内脑组织相对应的精确对应关系。在超声探头的指引下，确定开颅部位，并做标记，患者进入手术，打开一 2-3cm的颅骨，暴露硬脑膜，超声探头附于硬脑膜，形成实时颅内的脑组织超声图像，此时超声图像与MRI图像融合，在导航系统帮助下，迅速找到脑膜瘤的部位。在超声实时引导下，完成对该脑膜瘤的精确定位和微创切除。
二、本发明装置配合超声-CT/MRI图像融合脑外导航系统与红外线脑外导航系统的20例临床过程对比表1.
权利要求
1.一种适于超声-CT/MRI/PET等融合成像的非侵入性标准配准装置，其特征在于载体包(I)外设有体表固定装置；载体包(I)内设有中空柱体(2 )，载体包(I)和中空柱体(2 )内部充满液体；中空柱体(2)的底部或顶部通过连接杆(4)与球体(5)相连，球体(5)与载体包(I)底部或顶部的球形凹槽一起构成球面副；平面几何框架(3)固定在中空柱体(2)内壁，并与水平面垂直，平面几何框架(3)与载体包(I)内壁之间保持O.1cm以上的距离；载体包(I)和连接杆(4)均为刚性材质。
2.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于中空柱体(2)内的液体密度小于载体包(I)内液体，中空柱体(2)的底部通过连接杆(4)与球体(5)相连，球体(5)与载体包(I)底部的球形凹槽一起构成球面副； 或,中空柱体(2)内的液体密度大于载体包(I)内液体，中空柱体(2)的顶部通过连接杆(4)与球体(5)相连，球体(5)与载体包(I)顶部的球形凹槽一起构成球面副。
3.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于所述平面几何框架(3)采用非金属材质，其中，平面几何框架(3)边框的直径或厚度大于O. 1mm。
4.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于所述载体包(I)呈长方体或锥台；中空柱体(2)为中空圆柱体或中空矩形柱体；平面几何框架(3)为圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于中空柱体(2)内设有1-91个平面几何框架(3)，每相邻两个平面几何框架(3)之间广90°夹角；相隔最远的两个平面几何框架(3)之间的夹角在90°以下；各平面几何框架(3)具有不同形状。
6.根据权利要求5所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于每相邻两个平面几何框架(3)之间广45°夹角，中空柱体(2)内设有2-46个平面几何框架(3);相隔最远的两个平面几何框架(3)之间的夹角在45°以下。
7.根据权利要求6所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于每相邻两个平面几何框架(3)之间呈5-15°夹角，中空柱体(2)内设有4-10个平面几何框架(3)。
8.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于所述体表固定装置为固定带或卡接装置。
9.根据权利要求8所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于所述卡接装置包括单面胶布(61)、相适配的卡接头(62)和卡口(63);卡口(63)位于载体包(I)底部外表面，卡接头(62)位于单面胶布无粘性面。
10.根据权利要求1所述的非侵入性标准配准装置，其特征在于球体(5)与球形凹槽间还设有锁止装置。
全文摘要
本发明提供了一种适于超声-CT/MRI/PET等融合成像的非侵入性标准配准装置。本发明配准装置，可以使得超声图像中的平面几何框架图形与CT或核磁或其他成像中的相应平面几何框架图形保持相同的标准横断面方向，控制了超声探头万向性和断面的不标准性；通过该配准装置，可以在保证精确配准的基础上，大幅提升超声与CT、核磁共振或PET图像的融合配准速度，且适用范围宽泛，具有良好的应用前景。
文档编号A61B19/00GK103054646SQ20121057022
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者周翔 申请人:周翔