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NIRs技术与MRI相结合的立体定向手术导航Monte Carlo和Phantom研究

作　者: 郭丽娜
导　师: 钱志余
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 医学光子学近红外光谱技术磁共振成像前视距离模拟胶蒙特卡罗优化散射系数
分类号: R651.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 21次
引　用: 2次
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内容摘要

立体定向神经外科手术的实施过程中,治疗靶点的确定是手术成功与否的关键性因素。目前的立体定向神经导航系统普遍存在的问题是:无法克服手术中脑脊液流失,脑肿胀等引起的脑组织移位;术中无法实时识别治疗靶点。近红外光谱(Near infrared spectroscopy, NIRs)技术做为一种辅助导航方法,为解决这一问题提供了一种新思路。本文首先通过蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真,研究利用光学方法进行组织识别和定向导航的可行性;然后以模拟胶为研究对象,将近红外光谱技术采集到的光学信号和高分辨率的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)技术采集到的灰度信息相结合,确定二者间的关联性,为近红外技术应用于脑立体定向辅助导航提供依据。本文从以下三个方面开展了创新性研究:1.蒙特卡罗(Monte Carlo)用于理论模拟研究。文中用双层仿真模型模拟脑灰质与脑白质,研究光在脑组织中的传播。仿真结果表明:光学参数优化散射系数(Reducing scattering coefficient,μs’)可以很好的区分不同组织,是进行组织识别的重要参数;定义了“前视距离(Look Ahead Distance,LAD)伪影”的概念,确定层间伪影是影响近红外探针定位的重要因素,得出伪影大小与两层组织间优化散射系数的差值正相关的结论。2.层间“伪影”消除法的提出。通过仿真实验,确定前视距离伪影特点,提出LAD伪影的消除方法――层间“伪影”消除法,用指数函数处理LAD伪影,达到消除伪影不良影响的目的,同时分析了三层模型中间层厚度对测量曲线的影响及“伪影”消除后的效果,在“层分辨率”概念的基础上,提出了依靠“驻点”来判断层分界点的方法,实现探头的准确定位。3. NIRs与MRI相结合的Phantom研究。采用一套专门设计的由微创光纤探头组成的光纤光谱仪生物组织光学参数测试系统,以模拟不同生物组织光学特性的双层Pantom为实验对象,利用100μm探头获取不同组织模型的优化散射系数,将双层模型的磁共振灰度信息与微创探头测试轨迹上的优化散射系数对比,发现而两者在组织结构识别方面存在高度相关性,且LAD伪影仍是影响探头精准定位的因素;用LDA-LAD消除伪影后,NIRs与MRI相关性有所提高,为近红外探针的精准定位提供了依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-19
  1.1 立体定向手术介绍  12-15
    1.1.1 脑立体定向术的历史发展  12-14
    1.1.2 临床应用现状及存在的不足  14-15
  1.2 近红外光谱技术  15-17
    1.2.1 近红外光谱技术理论概述  15-16
    1.2.2 脑外科手术中的应用  16-17
  1.3 研究目的及内容  17-18
    1.3.1 研究目的及内容  17-18
    1.3.2 文章结构  18
  1.4 小结  18-19
第二章生物医学光子学基础理论  19-27
  2.1 生物组织光学参数  19-22
    2.1.1 吸收系数  19-20
    2.1.2 散射系数  20
    2.1.3 各向异性因子  20-21
    2.1.4 优化散射系数  21
    2.1.5 折射率  21-22
  2.2 生物组织血氧和血流动力学参数  22-23
    2.2.1 血红蛋白浓度  22
    2.2.2 血氧饱和度  22-23
    2.2.3 血流量和血容量  23
  2.3 生物组织的光传输理论  23-24
    2.3.1 生物组织的光传输模型理论  23-24
  2.4 蒙特卡罗方法  24-26
    2.4.1 蒙特卡罗方法简介  24
    2.4.2 Monte Carlo 仿真步骤  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章微创光纤探头前视距离研究  27-38
  3.1 微创光纤探头介绍  27-29
    3.1.1 微创光纤探头的设计原理  27
    3.1.2 光纤探头分类  27-29
  3.2 双光纤微创探头前视距离  29-31
    3.2.1 LAD 的定义  29-30
    3.2.2 LAD“伪影”的产生  30-31
  3.3 脑组织光学性质的蒙特卡罗仿真实验  31-37
    3.3.1 上层组织对LAD 的影响  32-34
    3.3.2 下层组织对 LAD 的影响  34-37
    3.3.3 实验结果总结  37
  3.5 本章小结  37-38
第四章 LDA-LAD 算法  38-45
  4.1 LDA-LAD 算法基本思想与实现  38-39
    4.1.1 选择指数函数为修正函数  38
    4.1.2 坐标调整  38-39
    4.1.3 实现层间“伪影”消除  39
  4.2 Monte Carlo 仿真数据的LDA-LAD 算法处理结果  39-42
    4.2.1 上层为变化层Monte Carlo 仿真结果LDA-LAD 算法处理结果  39-41
    4.2.2 下层为变化层Monte Carlo 仿真结果LDA-LAD 算法处理结果  41-42
  4.3 三层模型的LAD 解释  42-44
    4.3.1 三层模型LAD 示意图  42
    4.3.2 三层模型的优化散射系数曲线  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章 NIRs 与MRI 相结合的Phantom 研究  45-62
  5.1 Phantom 实验研究  45-47
    5.1.1 Phantom 实验方法  45-47
    5.1.2 实验系统组成  47
  5.2 Phantom 模型的优化散射系数与深度关系  47-52
    5.2.1 上升组模型优化散射变化规律  48-49
    5.2.2 下降组优化散射系数变化规律  49-50
    5.2.3 LAD“伪影”变化规律  50-52
  5.3 MRI 与NIRS 数据对比  52-56
    5.3.1 上升组NIRs 信号与MRI 信号关系  53-55
    5.3.2 下降组NIRs 信号与MRI 信号关系  55-56
  5.4. LDA-LAD 算法处理后NIRs 与MRI 信号的相关性  56-61
    5.4.1 上升组μs ' ，MRI 灰度值，LDA-LAD 算法处理后μs ' 对比曲线  56-58
    5.4.2 下降组μs ' ，MRI 灰度值，LDA-LAD 算法处理后μs ' 对比曲线  58-61
  5.5 本章小结  61-62
第六章总结与展望  62-65
  6.1 全文小结  62-63
    6.1.1 Monte Carlo 仿真与前视距离伪影研究  62
    6.1.2 LAD 伪影消除算法  62-63
  6.2 本文的创新点  63
  6.3 将来的工作设想  63-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
在学期间的研究成果及发表的学术论文  71-72
附件1：双层模型Monte Carlo 仿真文件  72-81

NIRs技术与MRI相结合的立体定向手术导航Monte Carlo和Phantom研究

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