帕金森病深部脑刺激手术中的图像配准问题研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TP391密级：公开UDC：004.9学号：153839帕金森病深部脑刺激手术中的图像配准问题研究研究生姓名：倪杨阳导师姓名：罗守华副教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称生物医学工程论文答辩日期2018年6月6日二级学科名称生物医学工程学位授予日期2018年6月日答辩委员会主席沈启松评阅人沈启松周平2018年6月6日硕士学位论文帕金森病深部脑刺激手术中的图像配准问题研究专业名称：生物医学工程研究生姓名：倪杨阳导师姓名：罗守华副教授本论文受国家重点研发计划（2017YFA0104302）和东南大学苏州纳米技术协同创新中心的

2、支持。RESEARCHONIMAGEREGISTRATIONFORDEEPBRAINSTIMULATIONSURGERYOFPARKINSON'SDISEASEAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYNIYang-yangSupervisedbyProf.LUOShou-huaSchoolofBiologicalScience&MedicalEngineeringSoutheastUniversityMay2018东南大学学位论文独创性声明本人声明

3、所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

4、本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要帕金森病是一种基底神经节功能障碍引起的神经病症。深部脑刺激（DBS）手术是帕金森后期患者治疗的有效手段。该手术通过对患者脑部植入电极，刺激丘脑底核靶点以实现治疗的目的。DBS手术需要对术前术后的靶点和电极位置进行精确定位，但在现有条件下，对患者脑部的成像存在如下问题：首先，丘脑底核作为靶点体积较小，只有在特定的

5、T2WI或SWI加权的MR图像中可见，且靶点在图像中没有明确边界，难以定位；其次，DBS手术会引起患者脑组织的形变，造成靶点位移，加大术后定位难度；此外，植入电极为金属材质，限制了术后MR成像时间，使得图像分辨率较低，图像中只有电极信息而无靶点信息。这些因素导致实际的靶点和电极位置信息分布在不同模态、不同分辨率的图像上，很难对它们在脑中的位置及相互关系进行直观准确地呈现，给DBS手术计划制定及术后治疗带来困难。为解决上述问题，本文基于ICBM-152脑图谱，对手术前后图像进行了配准方法的研究。实际临床数据在手术过程中存在着模态的不同、空间位移的变化，与标准的人脑图谱之

6、间也存在着坐标空间、尺寸、个体生物学局部特性的较大差异，因此很难使用已有的算法对双方进行配准。针对以上问题，本文所设计实现的脑图谱与临床图像的配准方法包括如下几个阶段，首先，针对临床数据与图谱坐标空间不匹配的问题，使用基于K-L距离的脑中膈面识别算法，获得脑中膈面的空间位置信息，将其坐标空间与图谱坐标空间进行标准化；其次，由于图谱在整体尺寸上与临床图像不同，采用FCM聚类算法提取脑皮质标识点，实现大脑分块映射及对应缩放比例的计算,并使用分段仿射配准方法，对图谱与临床图像进行粗配准；最后，为解决粗配准图谱与图像的局部失配问题，通过使用基于B样条函数的非刚性配准方法，并进

7、行多尺度B样条自由形变优化，确定不同网格尺度下的优化参数，对临床数据与脑图谱进行精配准。上述研究结果虽然较好地实现了ICBM-152图谱与MR图像的配准，但实际DBS手术中，由于条件限制，术前T1WI图像为全脑数据，无靶点信息；术前T2WI图像以及术后图像分别包含靶点及电极信息但缺少标识点信息。因此，配准算法所需的信息分散在不同模态、不同图像质量的数据中。为保证对图像信息的有效利用，本文针对DBS手术图像建立了一个完整的数据处理流程管线，应用于帕金森病DBS计划环节时，实现了术前靶点定位；应用于术后效果评估的环节时，实现了术后的靶点和电极定位。上I摘