针对脑卒中后治疗高效靶肌超声定位与重建方法

Stroke is the third leading cause of death in the world. Spasticity is one of the disorders that often occur in the aftermath of a stroke. The intramuscular application of botulinum toxin type A (BTX-A) has emerged to be an established treatment to reduce muscular hyperactivity due to spasticity. Two-dimensional ultrasound (US) is a promising localization method for image-guided percutaneous puncture. However, US has not been widely applied to BTX-A injection due to limitations: difficulty to interpret images, inability to localize motor endplates, and two-dimensional imaging. As a solution to this we plan to propose an efficient method to localize and reconstruct target muscles based on US images. It can be implemented by analyzing images of passive movement of target muscles, locating motor endplate based on images of passive movement regions, proposing an algorithm for segmentation of active region in US images, and efficient reconstruction methods. The aims of this project are to investigate the localizations of motor endplates in movement parts of target muscles, and provide principles and efficient solutions to target muscle reconstructions and intervention navigation systems.

脑卒中是人类死亡三大原因之一，造成患者不同程度的痉挛。痉挛肌的药物注射治疗严重依赖运动终板的定位，通常需要穿刺辅助设备。超声图像能在无辐射、无痛和可视前提下辅助穿刺。然而，超声由于图像识读困难、无法定位运动终板、以及二维成像方式，造成未能广泛应用于肉毒毒素的肌肉穿刺。为此，本课题提出一种高效靶肌定位及三维重建方法。具体内容包括：分析靶肌被动运动产生的图像特性变化，确立基于肌肉被动运动强度分布的运动终板预测模型，设计超声图像靶肌活动区域的分割算法，建立高效靶肌重建方法。本课题旨在揭示运动终板在肌肉活动区域内分布规律，为解决超声精确定位运动终板难题和研制高效靶肌重建及穿刺导航系统奠定理论和技术基础。

本课题针对超声图像下肌肉被动运动引起超声图像特性变化进行了深入研究。通过特定的外部牵拉肢体方式使得超声图像上靶肌发生运动，并设计了针对超声图像运动进行识别的方法，实现了图像活动区域的准确分割。经过对若干个肌肉断面进行扫描分割后，将多个肌肉断面的中心点连成空间曲线，形成靶肌的三维模型及空间位置，并用于指导肌肉穿刺。此外，针对肌肉活动强度分布分析，能够确立肌肉活动强度与运动终板间的位置关系，从而为有效指导肉毒素注射提供有力的证据。.经过人体试验和动物尸体试验，我们发现在超声下对相关肢体进行外部牵拉能产生显著的图像变化区域，通过变分光流能很好地识别超声图像下运动区域，借助光学定位仪构建自由臂超声后，可以通过多个肌肉断面对靶肌进行三维重建和定位，这些断面的中点连线可以作为肉毒素注射的目标区域。我们通过变化区域计算其中心点位置，自动分割方法与手动方法的中心点位置间精度为1.13 mm。通过注射后对动物靶肌的解剖确认，我们发现靶肌注射点位置与靶肌断实际面中心点间误差为1.6mm，表明该系统精度满足临床要求。而整个穿刺过程仅花费7-8分钟实际，时间上满足临床使用要求。.以上研究及实验结果表面该方法能够针对超声引导肉毒素穿刺注射在保证不延长时间基础上提高精度，从而使用更少的计量获得较高的治疗效果。同时该方法也同样适合其他肌肉穿刺的应用。