[发明专利]一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法

说明书

本发明属于医学图像处理技术领域，具体为一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法。本发明方法包括：从术前图像中提取目标脑组织并进行三维重建，提取目标脑组织表面点集；通过三维扫描仪获取变形后脑组织表面点集数据以及纹理图像。提取脑组织表面点集的三维沟回点集，提取二维纹理图像上的沟回特征，通过二维沟回特征和对应三维沟回特征的映射关系，得到术中三维沟回点集。使用刚性配准方法，对术中脑组织表面的横向位移进行补偿，通过基于沟回特征增强的非刚体配准方法，获得变形前后脑组织表面三维点集对应关系，并计算脑组织表面点集的位移场。本发明可以用于估计手术中脑组织表面的变形程度，大幅度提高手术导航的精度。

技术领域

本发明属于医学图像处理技术领域，具体涉及一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法。

背景技术

研究显示，脑组织变形常发生于神经外科手术过程当中。以神经外科导航手术例，在打开硬脑膜后，脑组织会因重力、脑脊液丢失、脑组织切除等因素发生变形，导致脑组织结构的术中位置与之前根据术前图像确定的位置不一致。术中脑组织变形会引起导航定位误差，降低导航精度。补偿脑组织变形误差的方法可以分为基于术中成像的方法和基于生物力学模型的方法。基于术中成像的方法借助于术中成像设备(如术中CT、术中MRI和术中超声等)获得脑组织的术中图像，通过非刚性配准方法将术中图像与术前图像配准来补偿术中脑组织变形误差。基于生物力学模型的方法通过有限元生物力学模型模拟术中脑移位，并基于此更新术前图像来补偿术中脑组织变形误差。

采用有限元生物力学模型动态模拟术中脑组织变形，关键在于找到合适的边界条件驱动模型，目前有限元生物力学模型通常采用脑组织表面位移作为边界条件。脑组织表面位移计算方法分为两大类：(1)基于纹理信息的方法；(2)基于几何信息的方法。

基于纹理信息的方法的主要缺陷在于：术前的纹理图像采集或生成存在困难，因此该类方法只能用于估计手术开始之后的两个术中时间点(如切除前后)之间的脑组织表面位移，而无法计算术前与术中这两个时间点之间的脑组织表面位移。基于几何信息的方法，由于只利用点集几何位置的信息，因此能计算手术进程中任意两个时间点之间的脑组织变形，包括术前(即无变形)与术中(变形后)时间点之间的脑组织表面位移，以及手术开始之后的任意两个术中时间点之间的脑组织表面位移。

现有技术公开了基于几何信息的脑组织表面变形估计方法，例如迭代最近点(ICP)算法、漂移点一致的算法(Coherent Point Drift CPD)、TPS-RPM(thin platespline robust point matching)算法、基于子块的变形追踪方法等。这些方法因为缺乏局部关键几何信息配准的约束，难以准确地找到点对之间的对应关系，特别是当脑组织发生较大的变形时，无法准确地跟踪脑组织变形。

因此，本发明拟提供一种基于局部关键几何信息的脑组织表面变形估计方法，能够实现脑组织表面位移高精度估计，继而准确预判术中脑组织变形量，提高导航精度。

参考文献：

[1]T.K.Sinha,B.M.Dawant,V.Duay,D.M.Cash,R.J.Weil and R.C.Thompson,etal.,A method to track cortical surface deformations using a laser rangescanner,IEEE Transactions on Medical Imaging,vol.24,no.6,pp.767-781,2005.

[2]S.Ji,X.Fan,D.W.Roberts,A.Hartov and K.D.Paulsen,Cortical surfaceshift estimation using stereovision and optical flow motion tracking viaprojection image registration,Medical Image Analysis,vol.18,no.7,pp.1169-1183,2014