基于圖像匹配的腫瘤熱療方案的設(shè)計(jì)

桑路路

（南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院 理學(xué)部，江蘇 連云港 222000）

關(guān)鍵字：微波熱療；圖像匹配；熱療天線

0 引言

目前，微波熱療已經(jīng)被普遍用于乳腺癌、皮膚癌等多種疾病的治療。腫瘤細(xì)胞相比正常組織在吸收微波的能力上更強(qiáng)，且在腫瘤組織中血流不暢，導(dǎo)致其在治療過(guò)程中散熱慢，在正常細(xì)胞受到影響前達(dá)到腫瘤細(xì)胞消融溫度，就能起到治療癌癥的目的。但在實(shí)際應(yīng)用中若不進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，在熱療過(guò)程中就很難保證正常組織不受損傷，故需要盡量將加熱區(qū)域控制在最小范圍內(nèi)以減小對(duì)正常組織的影響。由于腫瘤組織的不規(guī)則性，在進(jìn)行微波熱療時(shí)需要對(duì)熱療的范圍進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

1 熱療天線的SAR[1]（specific absorption rate）圖采集

本文對(duì)多個(gè)熱療天線[2-3]在不同條件下的輻射SAR圖進(jìn)行采集，如不同功率、頻率、相位、加熱時(shí)間等，形成一個(gè)擁有大量SAR圖的圖庫(kù)，以便于腫瘤的搜索匹配[4]。由于原始采集得到的SAR圖是彩色的，為了更方便進(jìn)行下一步的搜索、覆蓋，需要通過(guò)基于直方圖閾值的邊緣檢測(cè)來(lái)提取圖像并轉(zhuǎn)換為二值化圖。

在物體與背景差別很大的圖像中，其直方圖會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)峰值是由物體產(chǎn)生的，另一個(gè)峰值是由背景產(chǎn)生的，邊緣附近在兩個(gè)峰值之間的

灰度級(jí)的像素?cái)?shù)相對(duì)較少，從而在兩峰之間出現(xiàn)谷，谷所對(duì)應(yīng)的值就是我們要找的閾值。通過(guò)閾值得出圖像邊緣，然后將邊緣內(nèi)外圖形進(jìn)行二值化，即可得到所需要的黑白二值圖。

2 搜索匹配用的算法

本文通過(guò)尺度不變特征變換（Scale-invariant feature transform，SIFT）匹配[5]的方式，對(duì)腫瘤圖像進(jìn)行多次搜索匹配覆蓋。SIFT算法是一種提取局部特征的算法，SIFT特征是圖像的局部特征，其對(duì)旋轉(zhuǎn)、尺度縮放、亮度變化保持不變性，對(duì)視角變化、仿射變換、噪聲也保持一定程度的穩(wěn)定性； 其區(qū)分性（Distinctiveness）好，信息量豐富，適用于在海量特征數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的匹配；其也具有多量性，即使少數(shù)的幾個(gè)物體也可以產(chǎn)生大量的SIFT特征向量。這樣在搜索圖像時(shí)能夠找出與腫瘤圖像最相近的SAR圖。

3 熱療過(guò)程設(shè)計(jì)

首先將腫瘤圖像（如圖1）放入熱療天線SAR圖庫(kù)中進(jìn)行搜索匹配，搜索出與腫瘤圖像較為相近的SAR圖片（如圖 2左、圖 3右）；然后，將圖片進(jìn)行初步處理，將搜索出的SAR圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的角度調(diào)整，后與腫瘤圖進(jìn)行匹配覆蓋。但如果用圖2進(jìn)行匹配覆蓋，則會(huì)余出部分腫瘤組織沒(méi)有被熱療天線覆蓋到（如圖2右）；相似的，如果用圖3進(jìn)行匹配覆蓋，也會(huì)有少部分腫瘤組織沒(méi)有在熱療區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為表1所示。

表1 未被覆蓋的腫瘤組織

圖1 經(jīng)過(guò)處理的腫瘤圖

圖2 熱療天線1的SAR圖及其覆蓋后的剩余組織

所以，為了能夠完全覆蓋腫瘤組織區(qū)域，需要先運(yùn)用圖2來(lái)源的天線進(jìn)行輻射加熱，然后再運(yùn)用圖3來(lái)源的熱療天線進(jìn)行加熱。這樣就能夠在最理想的加熱區(qū)域內(nèi)全面覆蓋腫瘤組織，并且對(duì)正常組織的損傷最少。通過(guò)這一過(guò)程，我們可以得到產(chǎn)生這兩幅圖的天線，圖2的SAR圖是由一個(gè)頻率為2145MHz的微帶貼片天線產(chǎn)生的，而圖3的SAR圖是由一個(gè)頻率為915MHz的微帶螺旋天線產(chǎn)生的，其功率均為5W，加熱時(shí)長(zhǎng)為5min。

圖3 熱療天線2的SAR圖及其覆蓋后剩余的腫瘤組織

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)多個(gè)熱療天線在不同狀態(tài)下生成的多幅SAR分布圖進(jìn)行處理并建立圖像庫(kù)，通過(guò)移位、覆蓋等方式使得熱療區(qū)域能夠在完全覆蓋腫瘤組織的同時(shí)，將覆蓋到的正常組織部分最小化。然后通過(guò)SAR圖的標(biāo)注，找出對(duì)應(yīng)的熱療天線，來(lái)確定熱療時(shí)采用的天線及其工作頻率、功率等數(shù)據(jù)，并根據(jù)覆蓋時(shí)所產(chǎn)生的縮小、移位數(shù)據(jù)對(duì)天線進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終達(dá)到治療目的。