基于2D/3D可形变配准技术的病灶动态影像定位

Core idea of image-guided therapy is lesion localization and tracking using medical imaging. 2D/3D registration is widely used in lesion localization because it combines real-time acquisition of 2D image and spatial information of 3D image. However, registration speed should reach the temporal resolution of displacement of a dynamic lesion if 2D/3D registration is used for localization and tracking of a lesion in the thorax and abdomen, which suffers from motion due to breathing and heartbeat. Because of huge amounts of data and computational complexity, achieving real-time registration has been bottlenecked and is the main difficulty of the issue. The project's aim is to build a new gold standard data set and evaluation methods for the validation of 2D/3D deformable registration algorithms and propose a marker-less real-time 2D/3D deformable registration with multi-level strategy combining point sets and intensity by using rigid anatomical structure and elastic organ surface through rigid and elastic transformation model. In addition, we will investigate factors affecting accuracy of 2D/3D registration: the number of 2D views, the angle between views and the view angle relative to anatomical objects, and develop a real time lesion localization strategy using dynamic imaging based on 2D/3D deformable registration. The results will offer great inspiration for localization and tracking of dynamic lesions in image-guided intervention and radiotherapy, which could significantly improve the technical ability of image-guided diagnosis and treatment.

利用医学影像技术对病灶精确定位追踪是影像引导治疗的核心思想。2D/3D图像配准综合利用了2D图像的实时性和3D图像的空间信息，因此在病灶定位中得到广泛应用。然而借助2D/3D配准技术对胸腹腔受呼吸心跳影响的动态病灶进行追踪，必须提高形变配准速度达到动态病灶位移的时间分辨率。由于数据计算量极大，如何快速配准已成为解决问题的瓶颈和难点。本课题拟构建一套无标记点2D/3D可形变配准的标准化评价方法；利用刚性解剖结构、弹性器官表面等信息，借助刚性和弹性变换模型，提出一种结合点集与灰度信息的多级配准策略的无标记实时2D/3D可形变配准方法；深入测试2D成像个数、2D成像夹角和2D图像与3D解剖结构的视角等因素对所提算法精度的影响；在此基础上，开发出一种基于2D/3D配准的病灶动态影像定位策略。本研究有望为影像引导的介入手术及放疗中动态病灶定位追踪提供新的解决方案，大幅提升影像引导诊疗领域的技术水平。

利用医学影像技术对病灶精确定位追踪是影像引导治疗的核心思想。2D/3D图像配准综合利用了2D图像的实时性和3D图像的空间信息，因此在病灶定位中得到广泛应用。然而借助2D/3D配准技术对胸腹腔受呼吸心跳影响的动态病灶进行追踪，必须提高形变配准速度达到动态病灶位移的时间分辨率。由于数据计算量极大，如何快速配准已成为解决问题的瓶颈和难点。.针对2D/3D可形变配准技术，利用塑化可充气的猪肺作为成像对象，通过对猪肺注入不同体积的氧气以模拟不同呼吸状态下的肺部形变。在每个呼吸状态下，分别获取3D-CT、2D-CT定位像及2D-X射线图像。构建了一套肺部无标记点的评价标准（数据集和金标准）。采用B 样条形变方法建立3D形变模型，通过构建术前3D图像中重要解剖点的形变量和术前3D图像的数字重建影像相似性测度之间的函数关系，提出一种实时2D/3D可形变配准算法，实现术中2D 图像对术前3D 图像形变的追踪。最终采用我们提出的数据集和评价标准定量评估算法性能。.针对2D/3D弹性配准方法，国际上缺少一种公开客观评判其配准效果的数据集和金标准，这不利于各种新的弹性配准方法之间的直接比较，从而制约该技术的发展。为此，我们首次构建了一套2D/3D弹性配准图像数据集，给出了配准结果量化评价指标与标准评估流程，为广大科研工作者提供了一个横向量化评价工作的平台。目前该数据已经被国际同行下载440次。为此我们委托中科院武汉科技查新资讯检索中心进行查新检索，查新报告显示我们是世界上首次提出一套2D/3D弹性配准图像数据集和一种弹性配准方法评价标准。我们所提出的2D/3D弹性配准方法，确保配准对象外部及内部重要解剖点的弹性形变，同时极大降低配准时间，使其具有临床应用特性和前景。.我们按照原定计划开展研究，并取得了良好的研究成果，已全面完成预期考核指标。迄今为止，本项目发表研究论文全文18篇，其中SCI收录12篇。在国际和国内学术会议专题报告6人次。培养博士研究生1名，硕士研究生5名（4名已经毕业）。