磁共振-超聲融合的前列腺靶向穿刺導(dǎo)航方法

胡冀蘇，馬 麒，錢旭升，周志勇，戴亞康

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院(蘇州), 江蘇 蘇州 215163；2.中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州 215163；3.蘇州大學(xué) 附屬第二醫(yī)院, 江蘇 蘇州 215000；4.濟(jì)南國(guó)科 醫(yī)工科技發(fā)展有限公司, 山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

經(jīng)直腸超聲(transrectal ultrasound，TRUS)引導(dǎo)的前列腺穿刺活檢目前仍然是臨床確診前列腺癌的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于TRUS空間分辨率低、成像對(duì)比度較差，前列腺癌病灶往往難以識(shí)別甚至不可見，因而臨床通常將前列腺分為等體積的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行10～12針系統(tǒng)性穿刺活檢[1-3]。盡管如此，臨床醫(yī)生仍然很可能錯(cuò)過目標(biāo)病變，造成重復(fù)穿刺，給患者帶來(lái)額外的痛苦和費(fèi)用。另一方面，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)已成為前列腺癌的重要診斷技術(shù)[1-3]。與TRUS相比，MRI具有更高的空間分辨率，提供多種成像對(duì)比度，可以極大地幫助臨床醫(yī)生檢測(cè)目標(biāo)病變并進(jìn)一步判斷其惡性程度。但是MRI成像速度過慢，更重要的是所有活檢設(shè)備必須與高場(chǎng)環(huán)境兼容，從而限制了MRI引導(dǎo)前列腺活檢的推廣應(yīng)用。

為了結(jié)合MRI和TRUS的優(yōu)勢(shì)，將術(shù)前MRI和術(shù)中TRUS融合是目前前列腺靶向穿刺的最通用方法。這方面的研究主要分為MRI-TRUS配準(zhǔn)方法研究[4-7]和靶向穿刺系統(tǒng)構(gòu)建研究[8-11]。TRUS和MRI的圖像灰度差異、前列腺受探頭擠壓形變等問題，一直是前列腺M(fèi)RI-TRUS配準(zhǔn)方法研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。許多學(xué)者[4-6]將形狀統(tǒng)計(jì)模型、生物力學(xué)模型和有限元分析等融入傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法中，實(shí)現(xiàn)了高精度的3D TRUS-MRI彈性配準(zhǔn)，但計(jì)算過程復(fù)雜且耗時(shí)。近年來(lái)，Hu等[7]提出了基于弱監(jiān)督深度學(xué)習(xí)的MRI-3D TRUS配準(zhǔn)方法，基于MRI和3D TRUS中前列腺分割區(qū)域的弱標(biāo)注就可實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的彈性配準(zhǔn)。然而，不管是傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法還是基于深度學(xué)習(xí)的配準(zhǔn)方法，都需要在TRUS和MRI中準(zhǔn)確分割出前列腺區(qū)域。尤其對(duì)于TRUS的前列腺分割問題，TRUS存在的噪聲和偽影會(huì)極大影響分割結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響上述這些配準(zhǔn)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。另一類研究主要關(guān)注靶向穿刺系統(tǒng)構(gòu)建方法，這類研究雖然采用了較為簡(jiǎn)單的配準(zhǔn)方法，但也達(dá)到了較好的靶向穿刺精度，更具臨床應(yīng)用價(jià)值。早在2008年，Xu等[8]就提出了基于電磁定位的靶向穿刺引導(dǎo)系統(tǒng)，通過自由臂三維超聲手動(dòng)掃描二維超聲的三維重建圖像建立術(shù)前MRI與書中實(shí)時(shí)二維超聲的轉(zhuǎn)換關(guān)系，但手動(dòng)掃描二維超聲易影響三維重建精度，從而影響超聲和磁共振圖像的融合精度。為此，許多學(xué)者[9-11]直接選用三維超聲探頭替代自由臂三維超聲，并達(dá)到了較好的穿刺精度。然而，這些方法均使用三維超聲作為中介建立術(shù)前MRI與術(shù)中2D TRUS的關(guān)系，而目前三維超聲探頭僅在少數(shù)高端機(jī)型配備，尚未普及應(yīng)用，因此本研究將直接建立術(shù)前MRI與術(shù)中2D TRUS的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前列腺靶向穿刺引導(dǎo)。

本研究使用電磁定位技術(shù)獲取2D TRUS的空間位姿，在不使用3D TRUS數(shù)據(jù)的情況下，基于互信息測(cè)度對(duì)所選的MRI層面與2D TRUS進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，進(jìn)而建立術(shù)前MRI圖像與術(shù)中2D TRUS圖像的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系。根據(jù)術(shù)中TRUS的實(shí)時(shí)空間位姿對(duì)術(shù)前MRI重切面，通過觀察重切面圖像與術(shù)前規(guī)劃3D可視化模型的相對(duì)位置關(guān)系，并將術(shù)前規(guī)劃病灶區(qū)域映射到TRUS中，從而指導(dǎo)穿刺進(jìn)針，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的前列腺靶向穿刺引導(dǎo)。本研究采用雙平面腔內(nèi)超聲探頭針對(duì)經(jīng)會(huì)陰穿刺方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)靶向穿刺引導(dǎo)流程，并使用前列腺仿體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 方法

本方法直接建立了術(shù)中2D TRUS到術(shù)前MRI圖像的轉(zhuǎn)換關(guān)系m=Tm←wTw←sTs←uu，其中u=[xu,yu,0,1]T和m=[xm,ym,zm,1]T分別為TRUS坐標(biāo)系和MRI坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，Ts←u為TRUS坐標(biāo)系到磁定位傳感器坐標(biāo)系變換矩陣，由超聲探頭標(biāo)定方法計(jì)算得到，Tw←s為磁定位傳感器坐標(biāo)系到磁定位空間坐標(biāo)系變換矩陣，由磁定位傳感器度數(shù)直接獲得，Tm←w為磁定位空間坐標(biāo)系到MRI圖像空間坐標(biāo)系變換矩陣，由本文所提出的半自動(dòng)圖像配準(zhǔn)方法計(jì)算得到。該方法無(wú)需通過3D TRUS建立2D TRUS與MRI之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而是以半自動(dòng)方式通過選擇同平面TRUS和MRI層面進(jìn)行二維配準(zhǔn)直接建立2D TRUS與3D MRI圖像空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。穿刺引導(dǎo)時(shí)將術(shù)前MRI確定的靶區(qū)映射到TRUS中，并根據(jù)TRUS實(shí)時(shí)空間位置對(duì)術(shù)前MRI圖像進(jìn)行重切面，通過觀察前列腺三維模型與實(shí)時(shí)重切面MRI圖像的位置關(guān)系確定超聲成像位置，根據(jù)病灶與超聲探頭的距離在專用穿刺夾具選擇合適的穿刺路徑，實(shí)現(xiàn)前列腺靶向穿刺的引導(dǎo)。

1.1 術(shù)前規(guī)劃

首先根據(jù)術(shù)前MRI圖像分割出前列腺、尿道和病灶區(qū)域，其中前列腺區(qū)域使用預(yù)先訓(xùn)練的Vnet[12]卷積神經(jīng)網(wǎng)路自動(dòng)分割得到，尿道與病灶區(qū)域由手動(dòng)逐層勾畫得到。對(duì)于病人圖像，病灶區(qū)域需要結(jié)合T2W和DWI高b值圖像綜合確定，此時(shí)需在T2W和DWI聯(lián)動(dòng)顯示下對(duì)病灶進(jìn)行勾畫。最后我們根據(jù)分割結(jié)果生成前列腺、尿道和病灶區(qū)域的三維模型，可幫助醫(yī)生觀察病灶在前列腺三維空間中位置。

圖1 前列腺體模的前列腺、病灶、尿道分割區(qū)域以及三維模型

1.2 超聲標(biāo)定

圖2 探頭夾具、標(biāo)定仿體和標(biāo)定原理示意圖

1.3 磁定位空間與MRI圖像空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

為了求解磁定位空間到MRI圖像空間的轉(zhuǎn)換矩陣Tm←w，需要獲取兩個(gè)空間中對(duì)應(yīng)位置的特征點(diǎn)集。因此，我們提出了一種基于選擇同平面MRI和TRUS圖像對(duì)的配準(zhǔn)方法。首先，確定術(shù)前MRI圖像目標(biāo)層面，使用超聲探頭的橫向屏幕模式進(jìn)行掃描，移動(dòng)超聲探頭直至TRUS顯示與所選MRI層面相同的解剖結(jié)構(gòu)，記錄此時(shí)的TRUS圖像和此時(shí)的磁定位傳感器數(shù)據(jù)。其次，對(duì)所選的MRI和TRUS圖像對(duì)進(jìn)行二維剛性配準(zhǔn)：使用歸一化互信息[15]作為配準(zhǔn)測(cè)度，由f(A,B)=(H(A)+H(B))/H(A,B),其中H(A)和H(B)為待配準(zhǔn)圖像A和B的熵，H(A,B)為聯(lián)合熵，設(shè)計(jì)算互信息的灰度級(jí)為32；配準(zhǔn)前對(duì)所選MRI和TRUS進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)術(shù)前MRI前列腺分割區(qū)域?qū)⑺xMRI圖像非前列腺區(qū)域像素置零，在TRUS圖像中截取圖像區(qū)域，去除其他顯示標(biāo)注信息；使用Powell優(yōu)化方法，步長(zhǎng)設(shè)為2，最大迭代次數(shù)設(shè)為100，誤差設(shè)為0.0001，并設(shè)置變換矩陣角度及平移的懲罰系數(shù)為1000和1，放置求解得到的角度參數(shù)過大；這樣可得到TRUS到所選MRI圖像層面的配準(zhǔn)矩陣T2D。最后，在TRUS圖像空間隨機(jī)生成n個(gè)二維坐標(biāo)點(diǎn)，得到點(diǎn)集u′，通過T2D變換到所選MRI層面圖像空間，得到點(diǎn)集m′。將點(diǎn)集u′和m′轉(zhuǎn)換到三維空間得到點(diǎn)集u″和m″，其中u″點(diǎn)集第三個(gè)維度坐標(biāo)值為0，m″ 點(diǎn)集第三個(gè)維度的坐標(biāo)值為所選MRI層面在整個(gè)3D MRI圖像空間層方向的坐標(biāo)。根據(jù)m″=Tm←wTw←sTs←uu″，Tw←s由記錄的磁定位傳感器數(shù)據(jù)得到，Ts←u由超聲探頭標(biāo)定過程得到，則可求得磁定位空間到MRI圖像空間的轉(zhuǎn)換矩陣Tm←w。

圖3 MRI圖像、TRUS圖像及配準(zhǔn)結(jié)果

1.4 穿刺引導(dǎo)

當(dāng)開啟實(shí)時(shí)引導(dǎo)后，將超聲探頭切換至矢狀面掃描模式。在任意時(shí)刻，根據(jù)m=Tm←wTw←sTs←uu將當(dāng)前TRUS成像平面轉(zhuǎn)換到MRI圖像空間，計(jì)算得到與當(dāng)前TRUS對(duì)應(yīng)的MRI重切面圖像。同理，對(duì)MRI圖像病灶分割區(qū)域進(jìn)行重切面，將病灶區(qū)域顯示在MRI重切面圖像上，同時(shí)將病灶區(qū)域反向轉(zhuǎn)換到TRUS圖像空間，在TRUS圖像中進(jìn)行顯示，提示當(dāng)前TRUS圖像中病灶區(qū)域的有無(wú)與位置。此外，為了展示當(dāng)前TRUS圖像平面與術(shù)前規(guī)劃三維模型的相對(duì)位置關(guān)系，將重切面MRI圖像顯示在三維視圖中，可引導(dǎo)使用者更高效地移動(dòng)超聲探頭，使病灶區(qū)域與TRUS圖像屏幕相交。當(dāng)病灶區(qū)域出現(xiàn)在TRUS圖像中，根據(jù)病灶與超聲探頭的距離調(diào)整穿刺架位置，穿刺進(jìn)針。由于穿刺針在TRUS圖像屏幕內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)觀察到穿刺針達(dá)到病灶區(qū)域后，即完成穿刺過程。

圖4 穿刺引導(dǎo)中的MRI重切面圖像、三維模型和TRUS圖像

1.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

靶向穿刺硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、磁定位儀(Patriot, Polhemus)、視頻采集卡、雙平面腔內(nèi)探頭和專用探頭夾具組成。其中視頻采集卡可實(shí)時(shí)截取超聲設(shè)備的屏幕輸出，專用探頭夾具將磁定位傳感器與超聲探頭剛性連接，并集成穿刺架功能。導(dǎo)航軟件使用C++編程語(yǔ)言在Visual Studio 2015開發(fā)，使用了Qt、VTK、ITK及Eigen工具包，其中Qt用于軟件框架搭建，VTK用于醫(yī)學(xué)圖像的二維三維顯示，ITK用于醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)、Eigen用于矩陣計(jì)算。此外，MRI圖像的前列腺自動(dòng)分割模型由PyInstaller工具包打包為可執(zhí)行程序，以便導(dǎo)航軟件術(shù)前規(guī)劃模塊調(diào)用。

圖5 靶向穿刺系統(tǒng)平臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本小節(jié)采用目標(biāo)配準(zhǔn)誤差(target registration error，TRE)評(píng)價(jià)超聲標(biāo)定誤差、所選MRI層面與TRUS二維配準(zhǔn)誤差以及三維配準(zhǔn)誤差。其定義為TRE(p,p′)=|Tp-p′|,其中p和p′ 分別為兩個(gè)坐標(biāo)系下相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，T為兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，‖表示距離。首先給出超聲標(biāo)定的驗(yàn)證過程和標(biāo)定誤差，接著使用前列腺體模驗(yàn)證本文靶向穿刺引導(dǎo)方法，并計(jì)算評(píng)估配準(zhǔn)誤差和穿刺引導(dǎo)誤差，最后分析了本文方法的局限性。

2.1 超聲標(biāo)定

本研究首先通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了超聲標(biāo)定的精度。由于使用了雙平面超聲探頭，需要對(duì)兩個(gè)成像平面分別進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)于每個(gè)成像平面，通過掃描標(biāo)定仿體獲得5組配對(duì)的TRUS圖像與磁定位傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)于每副TRUS圖像，僅使用距探頭最近的3到4條網(wǎng)格點(diǎn)，在軟件中點(diǎn)選網(wǎng)格點(diǎn)在TRUS圖像中的坐標(biāo)。使用90%的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定矩陣計(jì)算，10%的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定矩陣的驗(yàn)證，計(jì)算得到TRUS橫斷面和矢狀面的標(biāo)定誤差分別為1.23 mm和1.68 mm。

圖6 超聲標(biāo)定網(wǎng)格點(diǎn)圖像

2.2 穿刺引導(dǎo)

本研究采取商用前列腺體模(053L, CIRS, Norfolk, USA)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該體模包含模擬的直腸壁、前列腺、尿道和精囊模擬結(jié)構(gòu)以及三個(gè)直徑約1 cm的模擬病灶。使用3T MRI掃描儀(Ingenia，飛利浦醫(yī)療)對(duì)該體模進(jìn)行掃描得到層厚為4 mm的T2W圖像。根據(jù)1.1小節(jié)的方法分割前列腺、尿道和病灶區(qū)域，生成三維模型。將3個(gè)模擬病灶的中心作為計(jì)劃穿刺靶點(diǎn)，并記錄穿刺靶點(diǎn)在MRI圖像空間的坐標(biāo)。根據(jù)3個(gè)病灶在MRI圖像中的最大層面，記錄相應(yīng)的TRUS圖像和磁定位傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)1.3小節(jié)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)。

由于MRI層面與TRUS的二維配準(zhǔn)精度決定了后續(xù)穿刺引導(dǎo)精度，在每組配準(zhǔn)中分別從MRI層面和TRUS中選取病灶或尿道的中心位置，將該位置在TRUS的坐標(biāo)經(jīng)過二維配準(zhǔn)矩陣變換到MRI層面中，與選取的MRI層面中坐標(biāo)計(jì)算差值作為配準(zhǔn)誤差，得到6組配準(zhǔn)平均誤差為(1.91±0.29)mm。

每組圖像對(duì)配準(zhǔn)后，根據(jù)1.4小節(jié)的方法對(duì)三個(gè)模擬病灶進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)，共計(jì)進(jìn)行18次穿刺實(shí)驗(yàn)。每次穿刺時(shí)，保證當(dāng)前TRUS顯示的病灶區(qū)域最大。由于在TRUS矢狀面成像平面中可直接觀察穿刺針行進(jìn)，且穿刺針道位置可調(diào)，可保證穿刺針在當(dāng)前TRUS平面中準(zhǔn)確到位病灶區(qū)域中心。因此，我們記錄下該TRUS圖像病灶中心的TRUS圖像坐標(biāo)，并變換到MRI圖像空間中，與該病灶中心在MRI圖像空間的規(guī)劃坐標(biāo)計(jì)算差值作為當(dāng)前穿刺誤差。穿刺誤差如表1所示，計(jì)劃穿刺點(diǎn)與實(shí)際穿刺點(diǎn)的平均誤差為(1.98±0.28)mm。

表1 配準(zhǔn)誤差與穿刺誤差

2.3 局限性

上述結(jié)果證明，本研究在超聲標(biāo)定和穿刺引導(dǎo)方面均達(dá)到了良好的性能，但也存在一些局限性。首先，超聲標(biāo)定的精度有待進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)[9]報(bào)道了標(biāo)定誤差小于1 mm，優(yōu)于本文所展示的結(jié)果。這說(shuō)明，如果能更精確地構(gòu)造標(biāo)定仿體，那么有可能將標(biāo)定誤差控制在1 mm以下，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤差。其次，雖然本文方法無(wú)需經(jīng)由3D TRUS建立術(shù)前MRI與術(shù)中2D TRUS的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，但需人工選擇同平面的MRI與TRUS圖像對(duì)，若所選圖像有明顯偏差則會(huì)導(dǎo)致明顯的穿刺引導(dǎo)誤差，因此需要由專業(yè)臨床醫(yī)生完成圖像對(duì)的選擇。最后，由于實(shí)際臨床應(yīng)用中會(huì)引入更多的形變和運(yùn)動(dòng)干擾，本文方法還需要通過臨床實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證實(shí)際使用效果。

3 結(jié)論

本文提出了一種MRI-TRUS融合的前列腺靶向穿刺導(dǎo)航方法。基于所選的MRI-TRUS圖像對(duì)直接建立術(shù)前MRI與術(shù)中2D TRUS的空間位置關(guān)系，顯示術(shù)前MRI的實(shí)時(shí)重切面圖像以及與術(shù)前規(guī)劃三維模型的實(shí)時(shí)相對(duì)位置關(guān)系，將病灶區(qū)域映射到TRUS中，從而指導(dǎo)前列腺靶向穿刺進(jìn)針。本文通過前列腺體模實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該方法的可行性。未來(lái)我們將在標(biāo)定仿體構(gòu)造、配準(zhǔn)方法、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提升靶向穿刺導(dǎo)航方法的精度與穩(wěn)定性，并在臨床實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。