楊晶

摘要摘要：隨著醫(yī)學(xué)研究的深入與計算機技術(shù)的發(fā)展，單模態(tài)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)已經(jīng)無法滿足相關(guān)科研需求。當(dāng)前，針對小動物領(lǐng)域的多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像配準技術(shù)研究日趨深入。設(shè)計了一種用于實現(xiàn)多模態(tài)圖像配準的小動物床，該小動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控裝置，床上固定有圖像配準標記裝置，通過圖像配準軟件技術(shù)實現(xiàn)多模態(tài)圖像配準及融合。實驗結(jié)果表明，該小動物床滿足基本功能要求，可以實現(xiàn)多模態(tài)圖像配準及融合。

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

DOIDOI：10.11907/rjdk.151155

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：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，臨床和實驗室常用的醫(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[1]。解剖結(jié)構(gòu)成像設(shè)備，如X射線計算機斷層成像（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)射型電子計算機斷層顯像（PET，positron emission tomography）和單光子發(fā)射計算機斷層成像（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[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)無法滿足臨床及科研需求。將兩種及兩種以上模態(tài)圖像融合起來可以優(yōu)勢互補，同時獲得病變部位的功能代謝信息和組織結(jié)構(gòu)信息[3]。但由于專用小動物一體機價格高，維護、操作復(fù)雜，因此制約了其廣泛使用[4]。由于小動物體重較輕，本文設(shè)計一種可以在多系統(tǒng)間自由移動的小動物床，床上固定有用于確定空間剛體轉(zhuǎn)換矩陣的標記物，以實現(xiàn)多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合。為避免小動物體溫變化、呼吸運動等因素對圖像造成影響，小動物床的設(shè)計還需增加保溫裝置、呼吸門控裝置以及麻醉裝置。

1設(shè)備與方法

1.1小動物床設(shè)計

1.1.1小動物床及標記裝置

本文設(shè)計一種多系統(tǒng)兼容的小動物床，如圖1所示。小動物床外觀呈圓柱體，一端封閉，另一端為固定有插板（圖中陰影部分，用于放置小動物）的可活動擋板。床體采用亞克力材料，不影響圖像采集重建質(zhì)量。針對小動物體積大小不同，本文設(shè)計3種型號的小動物床，圓柱底面半徑分別為50mm、60mm、70mm。掃描過程中，小動物床放置在系統(tǒng)掃描平臺上，并用自制的固定套夾予以固定。

目前，圖像配準方法主要有：基于圖像內(nèi)部信息和基于標記物的匹配[5]?；跇擞浳锏钠ヅ溆挚煞譃轶w內(nèi)標記和體外標記。由于功能成像（如PET、SPECT）圖像分辨率較低，采用基于圖像內(nèi)部信息的配準方法無法保證配準的準確度以及精度；而基于體內(nèi)標記的方法容易受到小動物呼吸的影響，體內(nèi)標記會對小動物疾病模型的研究產(chǎn)生干擾。因此，本文采用基于體外標記的方法進行圖像配準。小動物床四周固定4根導(dǎo)管（外徑：2.0mm，內(nèi)徑：1.4mm）作為標記裝置，其中3根導(dǎo)管相互平行，另外1根導(dǎo)管彎曲纏繞在小動物床上側(cè)?？紤]小動物成像區(qū)域的空間信息，標記裝置需覆蓋整個成像視野范圍。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，以此作為標記裝置計算兩種設(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確度，小動物在掃描過程中必須保持靜止，故小動物床配有氣體麻醉裝置。混合后的異氟烷氣體與氧氣通過氣體麻醉接口導(dǎo)入小動物呼吸道，以保證小動物在掃描過程中處于麻醉狀態(tài)。在麻醉期間小動物的體溫調(diào)節(jié)機能受到抑制，會出現(xiàn)體溫下降，影響實驗結(jié)果。為此，小動物床還配有氣體保溫裝置。該裝置可以自由設(shè)定溫度，通過溫度傳感器控制加熱。暖空氣通過保溫裝置接口持續(xù)通入，在小動物床腔體內(nèi)循環(huán)后，經(jīng)通風(fēng)口排出。

1.1.3呼吸門控裝置

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

內(nèi)在門控方式指從投影數(shù)據(jù)中獲得門控信息[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)過內(nèi)在呼吸門控校正和經(jīng)過校正的小鼠CT投影圖中平面正弦圖?？梢钥闯觯?jīng)過校正后，呼吸運動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。

外在門控方式采用傳感器探測小動物呼吸過程中腹部周期性收縮舒張信號[8]，本文通過Graseby 呼吸傳感器及壓差傳感器來獲取小動物的呼吸信號。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（見圖4）。當(dāng)小動物呼吸時，其胸腹部會有較大的起伏運動，從而對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，最終通過壓差傳感器將壓差信號轉(zhuǎn)化為電流信號。

圖5（a）和（b）分別為未經(jīng)呼吸門控校正與經(jīng)過校正的小鼠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)過呼吸門控校正過的圖像更加清晰，圖像質(zhì)量有較大提高。

1.2圖像配準技術(shù)實現(xiàn)

在將小動物連同小動物床從一種成像設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一種設(shè)備的過程中，小動物處于麻醉狀態(tài)無法移動，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記點匹配的剛體變換模型進行圖像匹配。

體外標記點在兩組圖像序列斷層平面上顯示為4個不共線的點，由于三角形穩(wěn)定性高于四邊形，將四邊形對角線相連接即可確定4個小三角形，通過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記點。

在數(shù)據(jù)網(wǎng)格空間建立三維空間直角坐標系，以圖像斷層平面為XY平面，軸方向為Z方向。記設(shè)備1上的某個標記點為P=（x，y，z）t，設(shè)備2上的某個標記點為P′=（x′，y′，z′）t。計算剛體轉(zhuǎn)換矩陣也即確定P與P' 之間的關(guān)系。該關(guān)系可以用如下多項式方程來估計[9]：

通過高斯-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，就是選擇一個圖像序列作為參考序列，將另一個圖像序列映射到參考序列空間。為減少圖像映射過程中信息的損失，通常以分辨率較高的圖像作為參考圖像序列，通過剛體轉(zhuǎn)換矩陣將低分辨率圖像映射至參考圖像坐標系，實現(xiàn)圖像配準。

2動物實驗結(jié)果

為驗證多模態(tài)小動物床及配準技術(shù)的可行性，本文以小動物PET和小動物CT兩種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備為例，進行圖像配準實驗。以一只體重20g健康小鼠作為實驗對象，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），而后進行5分鐘的氣體預(yù)麻醉。同時，向小動物床外側(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)過預(yù)處理的小鼠被固定在小動物床上，在PET儀器上進行10分鐘掃描；然后將小鼠連同小動物床一同平移至CT設(shè)備上，固定好并進行第二次掃描（24min）。將掃描后所得的兩組圖像序列導(dǎo)入圖像配準融合系統(tǒng)，即可自動實現(xiàn)小動物PET/CT圖像融合。圖6從左至右分別為獨立設(shè)備采集到的小動物CT圖像、小動物PET圖像和配準后經(jīng)過偽彩色處理的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?，兩種設(shè)備采集到的標記物能夠很好匹配。通過將二者圖像相結(jié)合，CT圖像能夠為PET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

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

本文還實現(xiàn)了軟件自動圖像融合，從橫斷面、矢狀面、冠狀面3個角度顯示原始圖像以及融合后圖像。實驗結(jié)果表明：多模態(tài)小動物床可以實現(xiàn)獨立的小動物PET和小動物CT圖像融合，且具有較高的配準精度。如何利用該方法實現(xiàn)兩種以上醫(yī)學(xué)圖像的配準及融合，是下一步主要研究方向。

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