深部脑刺激（DBS）电极植入的准确性直接决定着帕金森病患者深部脑刺激最终治疗效果。由于丘脑底核体积较小、边界不明显，术中核磁共振影像（MRI）分辨率低、电极伪迹大，而丘脑底核区域三维空间结构可视化将为医生提供直观和精准的定位信息。本文在标准脑图谱空间下对双侧丘脑底核刺激治疗的患者术前高分辨率和术中低分辨率核磁共振扫描影像进行配准融合，用阈值法自动确定横断面影像上的电极位置，并利用冠状面影像校验触点位置，重建完整深部脑刺激电极路径。利用标准图谱灰度信息分割丘脑底核及其附近重要核团，实现深部脑刺激电极植入路径重建与丘脑底核及其附近区域神经核团三维空间结构的可视化，为深部脑刺激术中定位提供定量直观信息，提高电极植入精度，并为术后程控刺激参数设置提供指导。
引用本文： 张芷齐, 耿馨佚, 徐欣, 凌志培, 唐玉国, 王守岩. 丘脑底核深部脑刺激三维空间结构可视化. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(3): 405-412. doi: 10.7507/1001-5515.20160069 复制
引言
深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)手术是目前治疗有严重运动障碍症状疾病的一种非常有效的办法，如帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、肌张力障碍、特发性震颤等。已有多项研究证明DBS手术可以改善症状，提高患者的生活质量[1-2]。DBS手术成功的关键在于电极植入位置的准确性，电极在颅内的微小偏差不仅会导致治疗效果的显著降低，而且可能会引发语音障碍、认知障碍、情绪改变等副作用[3]。同时，植入电极触点位置的准确判断也关系到术后程控刺激参数的选择，进而影响手术的治疗效果。因此，准确判断术中电极植入位置是目前临床上迫切需要解决的问题。
目前，临床上通过术中、术后的核磁共振影像(magnetic resonance imaging,MRI)或电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)影像来获取电极植入信息。为了能够统一描述核团位置，通常采用前连合(anterior commissure,AC)-后连合(posterior commissure,PC)空间坐标来表示核团位置，DBS手术目标靶点之一的丘脑底核(subthalamic nucleus,STN)位于AC-PC中点旁开12 mm，AC-PC平面下2~3 mm[4]。由于植入的电极材质是金属，不能用高分辨率的MRI设备来采集植入电极后的影像，因此无法清楚地直接从术中、术后影像分辨出核团位置，而且金属材料亦会造成电极影像伪影较大，给术中影像定位带来很大麻烦。现在临床采用的办法通常是利用图谱数据找到核团位置，然后显示在术后的MRI上，从轴向图、冠状图、矢状图三个方向来确认电极植入的位置。先手动分析电极的终端位置，计算出电极触点大致位置，再在二维的切片影像上手动寻找电极触点，以此来确定电极触点的实际位置[5]。这种方法通常很耗时，不适用于术中应用，并且有很强的主观差异性，会带来一些误差。
本文旨在实现DBS手术电极植入后STN区域三维空间结构的可视化，为术中电极位置确认提供更丰富的信息。研究引入术前高分辨率影像，将术前、术中两种分辨率影像和脑图谱配准，解决目前术中影像分辨率较低无法清晰显示核团位置的问题。现有术中电极影像伪迹大，难以确认电极位置，本文使用阈值模板不仅可以自动寻找电极影像，还可以重建电极植入路径，得到电极的三维空间结构。进而在标准脑图谱空间分割STN及其附近一些重要的神经核团，重建出以STN为靶点区域的DBS电极植入后的完整结构。在三维可视化图像上直观显示电极路径和电极触点与核团位置的关系，弥补了二维影像无法直接显示空间位置关系的缺陷，解决目前电极植入位置以及触点位置确认的难题，还可以对术后程控参数的选择提供指导。
1 材料与方法
1.1 试验对象
受试者为10名帕金森病患者，在中国人民解放军总医院完成双侧丘脑底核深部脑刺激(STN-DBS)手术。植入的电极是美国美敦力(Medtronic)公司3389电极，电极直径为1.27 mm，四个触点，各电极触点间距0.5 mm，触点长度1.5 mm。手术前，采用德国西门子公司(Siemens)3.0 T MRI系统，在快速自旋回波序列T2相重复时间(time of repetition,TR)为5 010 ms，回波时间(time of echo,TE)为66 ms，可视范围(field of view,FOV)240 mm×240 mm，像素512×512，层厚3 mm条件下，无间隔连续扫描，扫描时间约20 min。在进行DBS电极植入手术中，电极植入以后，采用Siemens 1.5 T MRI系统TR 1 650 ms、TE 3 ms、可视范围260 mm×260 mm，像素256×256，层厚1 mm条件下再次扫描，获得带有电极影像的MRI影像，如图 1所示。
图1
DBS手术患者MRI
Figure1.
MRI of patients in DBS surgery
本文采用基于152个人脑绘制的蒙特利尔神经科学研究所标准立体空间(Montreal Neurologic Institute Space,MNI-152) 标准图谱，该图谱已得到国际人脑图谱协会(International Consortium of Brain Mapping,ICBM)的认可，目前被广泛采用作为标准人脑图谱[6]。
本文实验算法设计以及实验过程均是在Matlab软件上完成的，并添加了统计参数图 (statistical parametric mapping,SPM)软件包以及柏林夏里特医科大学神经科学院运动障碍组(Department of Neurology,Movement Disorders Unit,Charité-University Medicine)开发的toolbox[7]，以实现图像的预处理。其中SPM是惠康基金会神经影像中心(Wellcome Trust Center for Neuroimaging)开发的用于脑组织影像的分析的Matlab工具包[8]。
1.2 图像预处理
首先，对患者的MRI行标准化处理，利用SPM软件包在标准图谱空间里采用三步线性变换算法[9]对术前和术中影像进行配准。先对术前和术中的轴向图像序列进行配准；然后把术前轴向图像和图谱空间进行全局线性配准；最后对包含靶点核团区域的术前和术中影像再进行一次线性配准。这三步均采用线性变换，因此在标准化后的影像里，电极触点仍然在一条直线上。
其次，对MRI进行高斯平滑。预先手动设定一个包含主要靶点核团的立方区域，两个对角顶点的MNI空间坐标分别为[-55,45,9.5]和[55,-65,-25.0] mm，通过插值算法得到一个高分辨率的轴向序列图，插值后的体素大小为0.216 mm×0.126 mm×0.216 mm。再采用3 mm×3 mm×3 mm的高斯函数对两幅图像进行平滑处理。
最后，将图谱融合在术前和术中影像上面，如图 2所示，分别是标准化后的术前影像和标准化后的术中影像和图谱融合的情况。通过标准化后的MRI和图谱之间的匹配程度判断标准化的准确程度，若相差较大，则再进行一次标准化过程。
图2
标准化后的MRI
Figure2.
Normalized MRI
1.3 电极重建
电极重建过程包括两部分，第一部分是重建DBS电极植入路径，构建一条在三维空间中穿过脑组织的直线模型；第二部分是在电极路径上找到电极触点，再通过冠状MRI影像精确调整触点位置。
1.3.1 DBS电极植入路径重建
从最背侧的轴向MRI开始，如图 3所示，通过阈值模板寻找每一层的电极影像。对第一层的影像，要选用一个足够大的阈值模板，能够包含电极影像，故阈值模板的四个顶点的MNI空间坐标选定为[+/-7.2,12.9,9.5]和[+/-39.6,-19.5,9.5] mm。然后设定灰度阈值筛选出这一层图像中的电极影像。由式(1) 计算阈值大小，其中Threshold为阈值大小，Std(mask)是模板像素灰度值的标准差，是模板内所有像素灰度值的均值[7]。
| $\begin{align} & Threshold=a+M \\ & a=0.9\times Std(mask); \\ \end{align}$ |
图3
搜索DBS电极影像
Figure3.
Searching for artifacts of DBS electrodes
将灰度值高于阈值的区域筛选出来，得到这一层的电极影像，如图 3所示。如果得不到任何影像，就说明所有的灰度值都比阈值要低，可适当减小a的值。然后计算得到的结果影像区域的中心点作为电极路径的起始点。
从第二层影像开始采用一个较小的阈值模板，大小为20×20像素，置于第一层找到的电极影像区域的下方，开始寻找这一层的电极影像。从第三层开始，每一层都要先通过前两层的电极影像计算出这一层电极影像的大致位置，让模板涵盖这个位置的坐标点，利用阈值模板，搜索电极影像。若发现两个或两个以上影像区域，选择距离计算出的坐标点附近的区域作为结果影像区域，将结果区域的中心作为这一层的电极位置。再搜索下一层的电极影像，直到没有任何电极影像或者是当Z轴的坐标低于-15.5 mm时，停止搜索。因为通常当Z轴坐标小于-15.5 mm时，没有电极影像。以此方法重建出DBS电极的植入路径。
1.3.2 电极触点位置确认
先制作一个电极尖端四触点的匹配模型。选用3位患者标准化的术后MRI，截出电极尖端和电极垂直的立方区域，根据Medtronic 3389电极的大小选取 11×11×23个体素，将三组体素灰度图取均值，作为电极尖端触点匹配模型。
然后沿着电极路径自动确定每个电极触点的高度。以电极路径为中心选择11×11×n个体素大小的区域，n为电极路径长度，对其中每一个1×1×n体素和匹配模板相对应位置1×1×23的像素体做互相关，把得到的11组互相关系数取一个平均值。平均互相关系数最大的位置就是电极触点位置。
最后，在冠状图上检测自动选定的触点位置是否准确，再进一步精确调整电极触点的位置，如图 4所示，其中R代表脑右侧，L代表脑左侧，P代表脑后侧。如果电极触点位置有偏差，就沿电极路径上下调整触点位置，从而得到包含电极触点位置的完整电极植入信息。所有触点都是同时移动的，保证了电极触点间距相等。
图4
根据术中冠状影像调整电极触点位置
Figure4.
Adjustment of contacts location according to the coronary intra-operative MRI
1.4 DBS术中结构可视化
二维图像无法同时显示完整空间位置关系，为了得到更加直观的图像信息，对图谱数据进行三维重建，最后将电极和脑组织结构融合，实现三维可视化。
首先，获取图谱数据灰度值非零的体素空间位置，把邻近灰度值相同的区域分割出来作为各个脑组织核团区域。其次，根据空间位置筛选出STN以及附近主要神经核团，将灰度图转换为二值图像。将核团区域灰度值变成1，其余位置都置零，然后转换为RGB图像，对不同的区域赋值，显示为不同的颜色。最后将脑组织可视化图像与电极的三维图像融合在一起。
2 结果
以10位帕金森病患者DBS手术术前影像和术中影像作为试验对象，应用Matlab软件实现整个三维可视化算法。
用三步线性算法将术前和术中影像标准化到标准图谱空间，将术前、术中影像和标准图谱融合来检测标准化结果的准确性，如图 2所示。由于整个三维可视化的过程都是基于标准化术中影像进行的，因此标准化结果的准确性尤为重要。为消除融合图谱检测结果带来的主观误差，本文选用16个影像上对比度清晰的全脑范围参考点[10-11]，如图 5所示，其中ac为前连合、pc为后连合、acn为两侧尾状核切面前顶点、pcn为两侧尾状核后顶点、ap为两侧壳前极、pp为两侧壳后极、mp为苍白球内侧核内极、arn为两侧红核前极、mb为两侧乳头体。用SPM软件包计算10位患者影像和图谱的参考点均方误差，结果如表 1所示。16个参考点的平均均方根误差为1.29 mm，标准差为0.71 mm，全脑范围误差很小。而用于判断STN位置的红核前极[12]均方根误差为0.94 mm、0.89 mm，术中扫描影像分辨率约为1 mm/pixel，STN大小为5~8 mm[12]，因此标准化结果用于判断STN位置具有较好的准确度。
图5
校验标准化算法的预设参考点
Figure5.
Reference points used to check the normalization results
表1
16个预设参考点的均方根误差和标准差
Table1.
Root-mean-square difference errors and standard deviations of 16 reference points
在标准化术中影像的基础上，自动重建电极植入路径，用术中的冠状图像校验重建的电极路径，如图 4所示，可以精确调整路径方向，以及电极触点位置。
本文同时将标准化的术中MRI与图谱数据进行融合，用以从二维影像上判断电极植入位置，如图 6所示。
图6
融合图谱数据的术中影像
Figure6.
Intra-operative MRI with atlas
将电极和STN及其附近核团融合在一张三维图上，如图 7所示。可以清晰看到电极和靶点核团的空间位置关系，还可以从多个角度确认电极触点位置。
图7
三维可视化结果图
Figure7.
Three-dimensional visualization results
观察电极位置是否在目标核团区域内，与图 6的二维结果图作对比，可以校验三维可视化结果。最后由医生进行比对判别，10名患者数据结果一致。此外，从图 7中所得到的三维图像上可以直观地判定电极相对于目标靶点核团的位置，相比于二维影像，三维可视化结果提供了更多的空间位置信息。
3 讨论
3.1 直线电极重建模型的优势
传统判断电极位置的方法，通常是用二维切片软件的方式实现的，通过在MRI切片上显示金属电极的影像来判断触点位置，用图形的中心代表电极触点的位置。这种方法不是很精确，不能确保相邻触点间距相同，亦不能保证所有触点在一条直线上，而本文所采用的三步线性算法以及重建算法克服了这一问题。通过直线拟合，把搜索到的电极影像约束在一条直线上，通过制作电极触点匹配模板保证重建触点之间等距。此外，在自动重建电极路径之后，还可进一步精确调整触点位置。同一电极上的四个触点是同时移动的，若调整电极路径，四个触点也会随之同时调整，从而保证最后得到的电极触点位置的精确性。
3.2 在MNI空间三维重建的优势
在MNI空间，可以通过已有的脑图谱数据，准确找到目标区域，例如苍白球内侧核、苍白球外侧核、STN等。这些结构在患者电极植入后的MRI图像上并不能清晰地显示出来。特别是STN，只能在T2加权成像MRI上看到，并且很小，很容易受到植入电极触点影像的干扰，使得STN的影像被遮挡或者变得更模糊。相比之下，利用脑图谱数据计算出的核团位置更加准确[13]。
然而，在标准空间进行操作最重要的是要保证标准化算法的准确性。本文采用的三步线性变换方法可以保证单个电极触点的影像在配准过程中不会变化，电极路径也不会弯曲。此外，最后一步线性变换只针对包含靶点核团的区域，增加了标准化结果的准确性。
3.3 评价方法
目前，对于DBS手术植入电极位置以及电极触点的确认是临床手术面临的最主要问题。影响准确性的因素有很多，如MRI的畸变以及标准化算法的准确性等[14]。
本文结果的误差仅约为一个像素点，并由医生与二维MRI切片作比较，判定三维可视化方法结果较为准确，临床上可接受。此外还可通过使用组织结构的信息，或者神经电生理记录的方法，进一步提高DBS电极植入位置的准确性。
有研究表明，随着时间的增加，DBS植入电极会发生一些弯曲[15]，并不是完全直的。虽然产生的形变并不是很大，但若应用于长期的治疗，尚会带来一些误差。因此，本文所采用的方法只适用于DBS术中、术后短期电极植入情况和触点位置的判断。
目前临床上一旦发现手术植入电极的位置和规划路径不一样，只能通过加大刺激强度来达到预期治疗效果，这样会加大引发副作用的风险。因此若可以进一步提高算法的实时性，能够把可视化结果在手术中提供给医生，在术中进行电极的调整，将大大减小电极位置偏差过大所带来的副作用。
4 结论
本文在标准脑图谱空间利用三步线性算法成功实现术前高分辨率MRI和术中低分辨率MRI配准融合；进一步利用阈值模板重建电极路径，自动寻找电极触点位置；最后利用图谱数据重建部分脑组织三维影像，成功实现了以STN为靶点区域的DBS手术电极植入后脑组织结构的可视化。本方法有助于医生对于DBS手术电极植入情况的直观判断，可解决目前临床上影像学手段分辨电极位置以及触点位置的困难，为术后程控刺激参数的设置提供依据。
引言
深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)手术是目前治疗有严重运动障碍症状疾病的一种非常有效的办法，如帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、肌张力障碍、特发性震颤等。已有多项研究证明DBS手术可以改善症状，提高患者的生活质量[1-2]。DBS手术成功的关键在于电极植入位置的准确性，电极在颅内的微小偏差不仅会导致治疗效果的显著降低，而且可能会引发语音障碍、认知障碍、情绪改变等副作用[3]。同时，植入电极触点位置的准确判断也关系到术后程控刺激参数的选择，进而影响手术的治疗效果。因此，准确判断术中电极植入位置是目前临床上迫切需要解决的问题。
目前，临床上通过术中、术后的核磁共振影像(magnetic resonance imaging,MRI)或电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)影像来获取电极植入信息。为了能够统一描述核团位置，通常采用前连合(anterior commissure,AC)-后连合(posterior commissure,PC)空间坐标来表示核团位置，DBS手术目标靶点之一的丘脑底核(subthalamic nucleus,STN)位于AC-PC中点旁开12 mm，AC-PC平面下2~3 mm[4]。由于植入的电极材质是金属，不能用高分辨率的MRI设备来采集植入电极后的影像，因此无法清楚地直接从术中、术后影像分辨出核团位置，而且金属材料亦会造成电极影像伪影较大，给术中影像定位带来很大麻烦。现在临床采用的办法通常是利用图谱数据找到核团位置，然后显示在术后的MRI上，从轴向图、冠状图、矢状图三个方向来确认电极植入的位置。先手动分析电极的终端位置，计算出电极触点大致位置，再在二维的切片影像上手动寻找电极触点，以此来确定电极触点的实际位置[5]。这种方法通常很耗时，不适用于术中应用，并且有很强的主观差异性，会带来一些误差。
本文旨在实现DBS手术电极植入后STN区域三维空间结构的可视化，为术中电极位置确认提供更丰富的信息。研究引入术前高分辨率影像，将术前、术中两种分辨率影像和脑图谱配准，解决目前术中影像分辨率较低无法清晰显示核团位置的问题。现有术中电极影像伪迹大，难以确认电极位置，本文使用阈值模板不仅可以自动寻找电极影像，还可以重建电极植入路径，得到电极的三维空间结构。进而在标准脑图谱空间分割STN及其附近一些重要的神经核团，重建出以STN为靶点区域的DBS电极植入后的完整结构。在三维可视化图像上直观显示电极路径和电极触点与核团位置的关系，弥补了二维影像无法直接显示空间位置关系的缺陷，解决目前电极植入位置以及触点位置确认的难题，还可以对术后程控参数的选择提供指导。
1 材料与方法
1.1 试验对象
受试者为10名帕金森病患者，在中国人民解放军总医院完成双侧丘脑底核深部脑刺激(STN-DBS)手术。植入的电极是美国美敦力(Medtronic)公司3389电极，电极直径为1.27 mm，四个触点，各电极触点间距0.5 mm，触点长度1.5 mm。手术前，采用德国西门子公司(Siemens)3.0 T MRI系统，在快速自旋回波序列T2相重复时间(time of repetition,TR)为5 010 ms，回波时间(time of echo,TE)为66 ms，可视范围(field of view,FOV)240 mm×240 mm，像素512×512，层厚3 mm条件下，无间隔连续扫描，扫描时间约20 min。在进行DBS电极植入手术中，电极植入以后，采用Siemens 1.5 T MRI系统TR 1 650 ms、TE 3 ms、可视范围260 mm×260 mm，像素256×256，层厚1 mm条件下再次扫描，获得带有电极影像的MRI影像，如图 1所示。
图1
DBS手术患者MRI
Figure1.
MRI of patients in DBS surgery
本文采用基于152个人脑绘制的蒙特利尔神经科学研究所标准立体空间(Montreal Neurologic Institute Space,MNI-152) 标准图谱，该图谱已得到国际人脑图谱协会(International Consortium of Brain Mapping,ICBM)的认可，目前被广泛采用作为标准人脑图谱[6]。
本文实验算法设计以及实验过程均是在Matlab软件上完成的，并添加了统计参数图 (statistical parametric mapping,SPM)软件包以及柏林夏里特医科大学神经科学院运动障碍组(Department of Neurology,Movement Disorders Unit,Charité-University Medicine)开发的toolbox[7]，以实现图像的预处理。其中SPM是惠康基金会神经影像中心(Wellcome Trust Center for Neuroimaging)开发的用于脑组织影像的分析的Matlab工具包[8]。
1.2 图像预处理
首先，对患者的MRI行标准化处理，利用SPM软件包在标准图谱空间里采用三步线性变换算法[9]对术前和术中影像进行配准。先对术前和术中的轴向图像序列进行配准；然后把术前轴向图像和图谱空间进行全局线性配准；最后对包含靶点核团区域的术前和术中影像再进行一次线性配准。这三步均采用线性变换，因此在标准化后的影像里，电极触点仍然在一条直线上。
其次，对MRI进行高斯平滑。预先手动设定一个包含主要靶点核团的立方区域，两个对角顶点的MNI空间坐标分别为[-55,45,9.5]和[55,-65,-25.0] mm，通过插值算法得到一个高分辨率的轴向序列图，插值后的体素大小为0.216 mm×0.126 mm×0.216 mm。再采用3 mm×3 mm×3 mm的高斯函数对两幅图像进行平滑处理。
最后，将图谱融合在术前和术中影像上面，如图 2所示，分别是标准化后的术前影像和标准化后的术中影像和图谱融合的情况。通过标准化后的MRI和图谱之间的匹配程度判断标准化的准确程度，若相差较大，则再进行一次标准化过程。
图2
标准化后的MRI
Figure2.
Normalized MRI
1.3 电极重建
电极重建过程包括两部分，第一部分是重建DBS电极植入路径，构建一条在三维空间中穿过脑组织的直线模型；第二部分是在电极路径上找到电极触点，再通过冠状MRI影像精确调整触点位置。
1.3.1 DBS电极植入路径重建
从最背侧的轴向MRI开始，如图 3所示，通过阈值模板寻找每一层的电极影像。对第一层的影像，要选用一个足够大的阈值模板，能够包含电极影像，故阈值模板的四个顶点的MNI空间坐标选定为[+/-7.2,12.9,9.5]和[+/-39.6,-19.5,9.5] mm。然后设定灰度阈值筛选出这一层图像中的电极影像。由式(1) 计算阈值大小，其中Threshold为阈值大小，Std(mask)是模板像素灰度值的标准差，是模板内所有像素灰度值的均值[7]。
| $\begin{align} & Threshold=a+M \\ & a=0.9\times Std(mask); \\ \end{align}$ |
图3
搜索DBS电极影像
Figure3.
Searching for artifacts of DBS electrodes
将灰度值高于阈值的区域筛选出来，得到这一层的电极影像，如图 3所示。如果得不到任何影像，就说明所有的灰度值都比阈值要低，可适当减小a的值。然后计算得到的结果影像区域的中心点作为电极路径的起始点。
从第二层影像开始采用一个较小的阈值模板，大小为20×20像素，置于第一层找到的电极影像区域的下方，开始寻找这一层的电极影像。从第三层开始，每一层都要先通过前两层的电极影像计算出这一层电极影像的大致位置，让模板涵盖这个位置的坐标点，利用阈值模板，搜索电极影像。若发现两个或两个以上影像区域，选择距离计算出的坐标点附近的区域作为结果影像区域，将结果区域的中心作为这一层的电极位置。再搜索下一层的电极影像，直到没有任何电极影像或者是当Z轴的坐标低于-15.5 mm时，停止搜索。因为通常当Z轴坐标小于-15.5 mm时，没有电极影像。以此方法重建出DBS电极的植入路径。
1.3.2 电极触点位置确认
先制作一个电极尖端四触点的匹配模型。选用3位患者标准化的术后MRI，截出电极尖端和电极垂直的立方区域，根据Medtronic 3389电极的大小选取 11×11×23个体素，将三组体素灰度图取均值，作为电极尖端触点匹配模型。
然后沿着电极路径自动确定每个电极触点的高度。以电极路径为中心选择11×11×n个体素大小的区域，n为电极路径长度，对其中每一个1×1×n体素和匹配模板相对应位置1×1×23的像素体做互相关，把得到的11组互相关系数取一个平均值。平均互相关系数最大的位置就是电极触点位置。
最后，在冠状图上检测自动选定的触点位置是否准确，再进一步精确调整电极触点的位置，如图 4所示，其中R代表脑右侧，L代表脑左侧，P代表脑后侧。如果电极触点位置有偏差，就沿电极路径上下调整触点位置，从而得到包含电极触点位置的完整电极植入信息。所有触点都是同时移动的，保证了电极触点间距相等。
图4
根据术中冠状影像调整电极触点位置
Figure4.
Adjustment of contacts location according to the coronary intra-operative MRI
1.4 DBS术中结构可视化
二维图像无法同时显示完整空间位置关系，为了得到更加直观的图像信息，对图谱数据进行三维重建，最后将电极和脑组织结构融合，实现三维可视化。
首先，获取图谱数据灰度值非零的体素空间位置，把邻近灰度值相同的区域分割出来作为各个脑组织核团区域。其次，根据空间位置筛选出STN以及附近主要神经核团，将灰度图转换为二值图像。将核团区域灰度值变成1，其余位置都置零，然后转换为RGB图像，对不同的区域赋值，显示为不同的颜色。最后将脑组织可视化图像与电极的三维图像融合在一起。
2 结果
以10位帕金森病患者DBS手术术前影像和术中影像作为试验对象，应用Matlab软件实现整个三维可视化算法。
用三步线性算法将术前和术中影像标准化到标准图谱空间，将术前、术中影像和标准图谱融合来检测标准化结果的准确性，如图 2所示。由于整个三维可视化的过程都是基于标准化术中影像进行的，因此标准化结果的准确性尤为重要。为消除融合图谱检测结果带来的主观误差，本文选用16个影像上对比度清晰的全脑范围参考点[10-11]，如图 5所示，其中ac为前连合、pc为后连合、acn为两侧尾状核切面前顶点、pcn为两侧尾状核后顶点、ap为两侧壳前极、pp为两侧壳后极、mp为苍白球内侧核内极、arn为两侧红核前极、mb为两侧乳头体。用SPM软件包计算10位患者影像和图谱的参考点均方误差，结果如表 1所示。16个参考点的平均均方根误差为1.29 mm，标准差为0.71 mm，全脑范围误差很小。而用于判断STN位置的红核前极[12]均方根误差为0.94 mm、0.89 mm，术中扫描影像分辨率约为1 mm/pixel，STN大小为5~8 mm[12]，因此标准化结果用于判断STN位置具有较好的准确度。
图5
校验标准化算法的预设参考点
Figure5.
Reference points used to check the normalization results
表1
16个预设参考点的均方根误差和标准差
Table1.
Root-mean-square difference errors and standard deviations of 16 reference points
在标准化术中影像的基础上，自动重建电极植入路径，用术中的冠状图像校验重建的电极路径，如图 4所示，可以精确调整路径方向，以及电极触点位置。
本文同时将标准化的术中MRI与图谱数据进行融合，用以从二维影像上判断电极植入位置，如图 6所示。
图6
融合图谱数据的术中影像
Figure6.
Intra-operative MRI with atlas
将电极和STN及其附近核团融合在一张三维图上，如图 7所示。可以清晰看到电极和靶点核团的空间位置关系，还可以从多个角度确认电极触点位置。
图7
三维可视化结果图
Figure7.
Three-dimensional visualization results
观察电极位置是否在目标核团区域内，与图 6的二维结果图作对比，可以校验三维可视化结果。最后由医生进行比对判别，10名患者数据结果一致。此外，从图 7中所得到的三维图像上可以直观地判定电极相对于目标靶点核团的位置，相比于二维影像，三维可视化结果提供了更多的空间位置信息。
3 讨论
3.1 直线电极重建模型的优势
传统判断电极位置的方法，通常是用二维切片软件的方式实现的，通过在MRI切片上显示金属电极的影像来判断触点位置，用图形的中心代表电极触点的位置。这种方法不是很精确，不能确保相邻触点间距相同，亦不能保证所有触点在一条直线上，而本文所采用的三步线性算法以及重建算法克服了这一问题。通过直线拟合，把搜索到的电极影像约束在一条直线上，通过制作电极触点匹配模板保证重建触点之间等距。此外，在自动重建电极路径之后，还可进一步精确调整触点位置。同一电极上的四个触点是同时移动的，若调整电极路径，四个触点也会随之同时调整，从而保证最后得到的电极触点位置的精确性。
3.2 在MNI空间三维重建的优势
在MNI空间，可以通过已有的脑图谱数据，准确找到目标区域，例如苍白球内侧核、苍白球外侧核、STN等。这些结构在患者电极植入后的MRI图像上并不能清晰地显示出来。特别是STN，只能在T2加权成像MRI上看到，并且很小，很容易受到植入电极触点影像的干扰，使得STN的影像被遮挡或者变得更模糊。相比之下，利用脑图谱数据计算出的核团位置更加准确[13]。
然而，在标准空间进行操作最重要的是要保证标准化算法的准确性。本文采用的三步线性变换方法可以保证单个电极触点的影像在配准过程中不会变化，电极路径也不会弯曲。此外，最后一步线性变换只针对包含靶点核团的区域，增加了标准化结果的准确性。
3.3 评价方法
目前，对于DBS手术植入电极位置以及电极触点的确认是临床手术面临的最主要问题。影响准确性的因素有很多，如MRI的畸变以及标准化算法的准确性等[14]。
本文结果的误差仅约为一个像素点，并由医生与二维MRI切片作比较，判定三维可视化方法结果较为准确，临床上可接受。此外还可通过使用组织结构的信息，或者神经电生理记录的方法，进一步提高DBS电极植入位置的准确性。
有研究表明，随着时间的增加，DBS植入电极会发生一些弯曲[15]，并不是完全直的。虽然产生的形变并不是很大，但若应用于长期的治疗，尚会带来一些误差。因此，本文所采用的方法只适用于DBS术中、术后短期电极植入情况和触点位置的判断。
目前临床上一旦发现手术植入电极的位置和规划路径不一样，只能通过加大刺激强度来达到预期治疗效果，这样会加大引发副作用的风险。因此若可以进一步提高算法的实时性，能够把可视化结果在手术中提供给医生，在术中进行电极的调整，将大大减小电极位置偏差过大所带来的副作用。
4 结论
本文在标准脑图谱空间利用三步线性算法成功实现术前高分辨率MRI和术中低分辨率MRI配准融合；进一步利用阈值模板重建电极路径，自动寻找电极触点位置；最后利用图谱数据重建部分脑组织三维影像，成功实现了以STN为靶点区域的DBS手术电极植入后脑组织结构的可视化。本方法有助于医生对于DBS手术电极植入情况的直观判断，可解决目前临床上影像学手段分辨电极位置以及触点位置的困难，为术后程控刺激参数的设置提供依据。
