用于多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的小動(dòng)物床設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊晶

摘要摘要：隨著醫(yī)學(xué)研究的深入與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單模態(tài)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)科研需求。當(dāng)前，針對(duì)小動(dòng)物領(lǐng)域的多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像配準(zhǔn)技術(shù)研究日趨深入。設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)現(xiàn)多模態(tài)圖像配準(zhǔn)的小動(dòng)物床，該小動(dòng)物床能夠兼容多種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，并配有保溫裝置以及呼吸門(mén)控裝置，床上固定有圖像配準(zhǔn)標(biāo)記裝置，通過(guò)圖像配準(zhǔn)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)圖像配準(zhǔn)及融合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該小動(dòng)物床滿(mǎn)足基本功能要求，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)圖像配準(zhǔn)及融合。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：多模態(tài)成像；小動(dòng)物床；圖像配準(zhǔn)

DOIDOI：10.11907/rjdk.151155

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）004008103

0引言

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在臨床和科研領(lǐng)域具有極為重要的作用。按照成像內(nèi)容不同，臨床和實(shí)驗(yàn)室常用的醫(yī)療成像設(shè)備可以分為解剖結(jié)構(gòu)成像和功能成像兩大類(lèi)[1]。解剖結(jié)構(gòu)成像設(shè)備，如X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像（CT，computed tomography）和核磁共振成像 （MRI，magnetic resonance imaging）等，能提供精確的解剖結(jié)構(gòu)信息；功能成像設(shè)備，如正電子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET，positron emission tomography）和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（SPECT，single photon emission computed tomography）等，在功能成像、代謝以及受體分布等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。然而，隨著生命科學(xué)研究的發(fā)展，單模態(tài)醫(yī)學(xué)影像已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足臨床及科研需求。將兩種及兩種以上模態(tài)圖像融合起來(lái)可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)獲得病變部位的功能代謝信息和組織結(jié)構(gòu)信息[3]。但由于專(zhuān)用小動(dòng)物一體機(jī)價(jià)格高，維護(hù)、操作復(fù)雜，因此制約了其廣泛使用[4]。由于小動(dòng)物體重較輕，本文設(shè)計(jì)一種可以在多系統(tǒng)間自由移動(dòng)的小動(dòng)物床，床上固定有用于確定空間剛體轉(zhuǎn)換矩陣的標(biāo)記物，以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合。為避免小動(dòng)物體溫變化、呼吸運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)圖像造成影響，小動(dòng)物床的設(shè)計(jì)還需增加保溫裝置、呼吸門(mén)控裝置以及麻醉裝置。

1設(shè)備與方法

1.1小動(dòng)物床設(shè)計(jì)

1.1.1小動(dòng)物床及標(biāo)記裝置

本文設(shè)計(jì)一種多系統(tǒng)兼容的小動(dòng)物床，如圖1所示。小動(dòng)物床外觀(guān)呈圓柱體，一端封閉，另一端為固定有插板（圖中陰影部分，用于放置小動(dòng)物）的可活動(dòng)擋板。床體采用亞克力材料，不影響圖像采集重建質(zhì)量。針對(duì)小動(dòng)物體積大小不同，本文設(shè)計(jì)3種型號(hào)的小動(dòng)物床，圓柱底面半徑分別為50mm、60mm、70mm。掃描過(guò)程中，小動(dòng)物床放置在系統(tǒng)掃描平臺(tái)上，并用自制的固定套夾予以固定。

目前，圖像配準(zhǔn)方法主要有：基于圖像內(nèi)部信息和基于標(biāo)記物的匹配[5]?；跇?biāo)記物的匹配又可分為體內(nèi)標(biāo)記和體外標(biāo)記。由于功能成像（如PET、SPECT）圖像分辨率較低，采用基于圖像內(nèi)部信息的配準(zhǔn)方法無(wú)法保證配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度以及精度；而基于體內(nèi)標(biāo)記的方法容易受到小動(dòng)物呼吸的影響，體內(nèi)標(biāo)記會(huì)對(duì)小動(dòng)物疾病模型的研究產(chǎn)生干擾。因此，本文采用基于體外標(biāo)記的方法進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。小動(dòng)物床四周固定4根導(dǎo)管（外徑：2.0mm，內(nèi)徑：1.4mm）作為標(biāo)記裝置，其中3根導(dǎo)管相互平行，另外1根導(dǎo)管彎曲纏繞在小動(dòng)物床上側(cè)?？紤]小動(dòng)物成像區(qū)域的空間信息，標(biāo)記裝置需覆蓋整個(gè)成像視野范圍。4根導(dǎo)管內(nèi)注射多模態(tài)成像設(shè)備混合示蹤劑，即可在多種成像設(shè)備上分別顯像，以此作為標(biāo)記裝置計(jì)算兩種設(shè)備間的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1.1.2麻醉及保溫裝置

為保證圖像融合的準(zhǔn)確度，小動(dòng)物在掃描過(guò)程中必須保持靜止，故小動(dòng)物床配有氣體麻醉裝置?；旌虾蟮漠惙闅怏w與氧氣通過(guò)氣體麻醉接口導(dǎo)入小動(dòng)物呼吸道，以保證小動(dòng)物在掃描過(guò)程中處于麻醉狀態(tài)。在麻醉期間小動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)機(jī)能受到抑制，會(huì)出現(xiàn)體溫下降，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此，小動(dòng)物床還配有氣體保溫裝置。該裝置可以自由設(shè)定溫度，通過(guò)溫度傳感器控制加熱。暖空氣通過(guò)保溫裝置接口持續(xù)通入，在小動(dòng)物床腔體內(nèi)循環(huán)后，經(jīng)通風(fēng)口排出。

1.1.3呼吸門(mén)控裝置

針對(duì)解剖結(jié)構(gòu)成像設(shè)備，小動(dòng)物床還配備有呼吸門(mén)控裝置，以減弱小動(dòng)物呼吸對(duì)圖像造成的影響。本文采用內(nèi)在回顧性呼吸門(mén)控方式與外在回顧性呼吸門(mén)控方式相結(jié)合的方法減弱呼吸對(duì)圖像造成的影響。

內(nèi)在門(mén)控方式指從投影數(shù)據(jù)中獲得門(mén)控信息[6，7]。將每幀投影圖的中間一行像素取出組成一張正弦圖，圖2（a）和（b）分別為未經(jīng)過(guò)內(nèi)在呼吸門(mén)控校正和經(jīng)過(guò)校正的小鼠CT投影圖中平面正弦圖。可以看出，經(jīng)過(guò)校正后，呼吸運(yùn)動(dòng)造成的條狀偽影明顯減弱（白色箭頭所指區(qū)域），圖像變得更加光滑。

外在門(mén)控方式采用傳感器探測(cè)小動(dòng)物呼吸過(guò)程中腹部周期性收縮舒張信號(hào)[8]，本文通過(guò)Graseby 呼吸傳感器及壓差傳感器來(lái)獲取小動(dòng)物的呼吸信號(hào)。圖3為Graseby 呼吸傳感器，將其軟泡沫填充部分用醫(yī)用膠帶固定在小動(dòng)物的胸腹部，并將相應(yīng)管道連接到壓差傳感器的正輸入端（見(jiàn)圖4）。當(dāng)小動(dòng)物呼吸時(shí)，其胸腹部會(huì)有較大的起伏運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)傳感器造成一定的擠壓，造成管道中的氣流變化，管道中氣流變化引起壓差傳感器輸入端的電壓變化，最終通過(guò)壓差傳感器將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

圖5（a）和（b）分別為未經(jīng)呼吸門(mén)控校正與經(jīng)過(guò)校正的小鼠CT斷層圖像。箭頭所指為小鼠的肋骨結(jié)構(gòu)，圓形頭所指為肺部組織與軟組織的邊界，菱形頭所指為氣管?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)呼吸門(mén)控校正過(guò)的圖像更加清晰，圖像質(zhì)量有較大提高。

1.2圖像配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在將小動(dòng)物連同小動(dòng)物床從一種成像設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一種設(shè)備的過(guò)程中，小動(dòng)物處于麻醉狀態(tài)無(wú)法移動(dòng)，兩種設(shè)備采集圖像序列間只發(fā)生了旋轉(zhuǎn)、平移變換，不存在形變。故本文采用基于體外標(biāo)記點(diǎn)匹配的剛體變換模型進(jìn)行圖像匹配。

體外標(biāo)記點(diǎn)在兩組圖像序列斷層平面上顯示為4個(gè)不共線(xiàn)的點(diǎn)，由于三角形穩(wěn)定性高于四邊形，將四邊形對(duì)角線(xiàn)相連接即可確定4個(gè)小三角形，通過(guò)三角形全等匹配即可確定相匹配的斷層，從而確定相匹配的標(biāo)記點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)網(wǎng)格空間建立三維空間直角坐標(biāo)系，以圖像斷層平面為XY平面，軸方向?yàn)閆方向。記設(shè)備1上的某個(gè)標(biāo)記點(diǎn)為P=（x，y，z）t，設(shè)備2上的某個(gè)標(biāo)記點(diǎn)為P′=（x′，y′，z′）t。計(jì)算剛體轉(zhuǎn)換矩陣也即確定P與P' 之間的關(guān)系。該關(guān)系可以用如下多項(xiàng)式方程來(lái)估計(jì)[9]：

通過(guò)高斯-喬丹消去法即可求出A，也即兩種設(shè)備間的轉(zhuǎn)換矩陣。所謂圖像融合及配準(zhǔn)，就是選擇一個(gè)圖像序列作為參考序列，將另一個(gè)圖像序列映射到參考序列空間。為減少圖像映射過(guò)程中信息的損失，通常以分辨率較高的圖像作為參考圖像序列，通過(guò)剛體轉(zhuǎn)換矩陣將低分辨率圖像映射至參考圖像坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)。

2動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證多模態(tài)小動(dòng)物床及配準(zhǔn)技術(shù)的可行性，本文以小動(dòng)物PET和小動(dòng)物CT兩種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備為例，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。以一只體重20g健康小鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，掃描前，向小鼠體內(nèi)注射18F-FDG（18F-fluorodeoxyglucose，18F-氟代脫氧葡萄糖）和生理鹽水混合溶液（15μCi/ml），而后進(jìn)行5分鐘的氣體預(yù)麻醉。同時(shí)，向小動(dòng)物床外側(cè)四根導(dǎo)管內(nèi)注射18F-FDG和生理鹽水混合溶液（10 μCi/ml ）。為不影響PET圖像質(zhì)量，標(biāo)記物內(nèi)放射性含量應(yīng)低于小鼠體內(nèi)注射的示蹤劑含量。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小鼠被固定在小動(dòng)物床上，在PET儀器上進(jìn)行10分鐘掃描；然后將小鼠連同小動(dòng)物床一同平移至CT設(shè)備上，固定好并進(jìn)行第二次掃描（24min）。將掃描后所得的兩組圖像序列導(dǎo)入圖像配準(zhǔn)融合系統(tǒng)，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物PET/CT圖像融合。圖6從左至右分別為獨(dú)立設(shè)備采集到的小動(dòng)物CT圖像、小動(dòng)物PET圖像和配準(zhǔn)后經(jīng)過(guò)偽彩色處理的PET與CT融合圖像；從上至下分別為圖像橫斷面、矢狀面、冠狀面?？梢钥闯觯瑑煞N設(shè)備采集到的標(biāo)記物能夠很好匹配。通過(guò)將二者圖像相結(jié)合，CT圖像能夠?yàn)镻ET圖像提供更豐富的空間分辨信息，從圖中可以精確地判斷感興趣器官或病灶的位置（肝臟、腎臟、膀胱等）。該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)窗寬、窗位調(diào)節(jié)，以突出感興趣組織結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)還具有保存圖像序列、調(diào)節(jié)偽彩色編碼顯示等功能。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備兼容的小動(dòng)物床，小動(dòng)物床配備有圖像配準(zhǔn)融合匹配標(biāo)記裝置、氣體麻醉接口、保溫裝置、呼吸門(mén)控裝置。小動(dòng)物床材料普通易得，可重復(fù)使用；載有小動(dòng)物的床體可以在多種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備間輕松移動(dòng)，操作簡(jiǎn)單方便；小動(dòng)物床具有通用性，可以通過(guò)替換標(biāo)記裝置內(nèi)的混合造影劑實(shí)現(xiàn)兩種及兩種以上醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的圖像配準(zhǔn)及融合。

本文還實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)圖像融合，從橫斷面、矢狀面、冠狀面3個(gè)角度顯示原始圖像以及融合后圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多模態(tài)小動(dòng)物床可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的小動(dòng)物PET和小動(dòng)物CT圖像融合，且具有較高的配準(zhǔn)精度。如何利用該方法實(shí)現(xiàn)兩種以上醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)及融合，是下一步主要研究方向。

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