多模态图像配准究及其在超声热导向药物靶向治疗中的应用.pdf

A Thesis Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master Degree of Engineering INVESTIGATION ON MEDICAL IMAGE REGISTRATION AND APPLICATION IN HEAT-TRIGGERED DRUG TARGETING USING ULTRASOUND PHASED ARRAY Author: Bo Ye Advisor: Prof. Ya-zhu Chen Specialty: Biomedical Engineering College: Life Science Biotechnology Shanghai Jiao Tong University Feb.2007 多模态图像配准研究及其在超声热导向 药物靶向治疗中的应用 摘 要 超声热导向药物靶向治疗是将化疗药物封装在热敏脂质体内并递送 至肿瘤位置，再用相控聚焦超声将靶区温度升高，打开脂质体壳体，实 现其装载药物的定点释放。这一技术不但增加了药物的局部浓度，提高 了对病灶部位肿瘤细胞的杀伤力，而且避免了全身给药对人体带来的伤 害，同时，热对释放出的药物还可起到增敏效果。为了避免伤及正常组 织和提高治疗效率，必须对病灶的治疗区域的空间位置进行精确定位。 而现有的超声成像技术很难单独完成这个任务。因此，需要设计基于多 模态刚性图像配准的图像定位系统。 本文首先研究了基于多模态刚性图像配准的图像定位系统的有关设 计和实现。该系统在分辨率较高的术前CT 图像中进行肿瘤轮廓提取，然 后将CT 图像与术中超声图像进行配准，术前CT 图像中的肿瘤区域位置信 息被自动、精确地映射到术中超声图像中，从而引导换能器阵列的焦点 对准肿瘤部位进行治疗。 其次，软组织器官在术中会产生形变，而这种形变仅仅用刚性变换 来描述是不够的。为此，本文进一步研究了基于互信息的非刚性图像配 准算法。基于互信息的图像配准不需要对不同成像模式下的图像灰度间 的关系作任何假设, 也不需要对图像进行分割或提取等预处理, 所以被 广泛地用于医学图像配准处理。在讨论基于互信息的图像配准算法和配 准中常用的插值算法的基础上，研究了互信息图像配准中的局部极值现 象及其产生原因，并提出一种新的基于Hanning 窗的部分体积插值算法 （Partial Volume Interpolation ）。二维刚性图像配准实验证明，该插值算 法可以有效抑制互信息目标函数的局部极值，防止优化有哪些信誉好的足球投注网站陷入局部最 优。 本文将此插值算法应用到三维非刚性图像配准中，改进了基于互信 息和自由变形模型的非刚性图像配准算法。在配准过程中，增加了平滑 约束项，进一步抑制局部极值。配准算法采用梯度下降法最小化目标函 数。设计了两个实验对配准方法进行评价, 从实验结果看这种方法在配 准精度上优于经典算法。 关键词：药物靶向治疗，多模态医学图像配准，互信息，插值，自 由变形模型 INVESTIGATION ON MEDICAL IMAGE REGISTRATION AND APPLICATION IN HEAT-TRIGGERED DRUG TARGETING USING ULTRASOUND PHASED ARRAY ABSTRACT In heat-triggered drug targeting using ultrasound ，Chemotherapeutic agents is encapsulated in