本技术公开了基于双模式MRI和循环卷积神经网络的脑部靶点定位方法。本发明方法既可以单独处理一种模式，也可以同时处理T1和T2两种模式的磁共振成像数据；本发明总体结构采用循环卷积神经网络，可以直接处理图像序列；本发明使用单个神经网络，将分类和定位步骤二合一，进一步提升了计算效率；本发明使用了高分辨率网络结构，提升了计算精度；本发明使用了更完善的数据预处理技术，提高了方法的稳健性。通过这些创新，本发明的方法在前述基于卷积神经网络的方法之上进一步提高了精度、效率和灵活性。
背景技术
原发性震颤(essential tremor，ET)是最常见的运动障碍性疾病之一。其全球发病率约为0.4％-6％[5]。ET首选药物治疗，但只有约一半的患者使用药物后症状能得到明显改善。对于药物治疗无效的ET患者，脑深部电刺激术(deep brain stimulation，DBS)是另一种可能的治疗手段。DBS的基本思路是使用电极对脑内的特定位置进行刺激(见图1)。这些位置称为靶点。靶点的选择对治疗效果起到重要作用。DBS治疗ET的经典靶点区域是丘脑腹内侧核(ventral intermediate nucleus，Vim)，但是临床效果不一，震颤改善率从48％到57％不等[7]。也有学者推荐使用丘脑底核后区(posterior subthalamic area，PSA)作为治疗ET的DBS靶点区域。其症状改善率最高可以达到81％[6]。近期一项随机双盲临床试验针对Vim和PSA靶点治疗效果比较发现，PSA-DBS至少与Vim-DBS一样有效，且可能比Vim-DBS更有效[1]。然而，在不同的研究中，PSA区域内的具体刺激位点差异很大，主要原因在于靶点在磁共振成像(MRI)上不可见，通常是在一个人为规定的范围。目前已有数个团队提出不同的靶点计算方式，但得出的最佳靶点位置有明显差别，且临床症状改善率从55％到81％不等[6,2,8,7]。因此，基于PSA的最佳刺激靶点至今依旧不明。在临床上，多数神经外科医生仍然根据MRI采用目测配合经验的方式来确定靶点位置，但精度层次不齐。
如何在PSA区域内确定最优靶点的位置是当今医学界的一个前沿问题，也是本发明面对的基本问题。该问题目前有以下几种解决方法。
1.目测法；
有经验的医生可以根据MRI图像，通过目测的方式确定靶点的大致位置。
2.DRTT分析；
在扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)研究的基础上，PSA中的小脑齿状核-红核-丘脑纤维(dentato-rubro-thalamic tract，DRTT)被认为是PSA-DBS减轻震颤的解剖学基础[3,4]。不同的研究团队利用MRI的解剖结构定位的最佳刺激靶点被发现均位于DRTT纤维的中心或边缘附近[7]。因此，出现了一种新的高精度靶点定位方法，称为DRTT分析[9]，即先绘制DRTT结构，然后再根据DRTT判定靶点位置。
3.基于卷积神经网络的靶点估计；
在DRTT分析的基础上出现了另一种技术，即利用卷积神经网络根据磁共振成像数据对靶点位置进行估计。这种方法利用机器学习对DRTT分析的结果进行总结，从而获取靶点位置的规律。具体参考中国专利CN202111386383.7《基于磁共振成像和神经网络的脑深部电刺激靶点定位方法》。
背景技术的缺点：
1.目测法；
优点：不需要过多依赖计算机分析，结果具有可解释性。
缺点：依赖于医生的经验和状态，缺少精确度的保证，无法自动实施。
2.DRTT分析；
优点：精度高，结果趋向于最优。
缺点：
1)技术需求：生成DRTT结构除了需要MRI以外，还要使用DTI技术。但DTI技术不同于一般的MRI，不属于常规医学检查手段；
2)人员需求：生成DRTT结构和判定靶点位置涉及若干复杂的数据处理步骤，需要具有医学影像知识的专业人员手动操作；
3)时间需求：整个流程的速度较慢，处理一个病例需要几小时甚至更多。
3.基于卷积神经网络的靶点估计；
优点：
1)定位精度高于目测；
2)速度高于DRTT分析；
3)和DRTT分析相比，使用更方便。
缺点：
1)定位精度低于DRTT分析；
2)只能处理一种磁共振成像模式(例如T1或T2)，无法利用多种模式的数据；
2)总体结构使用了卷积神经网络，只能依次处理单幅图像，无法直接处理图像序列；
3)使用了分两步计算的总体结构，需要利用两个神经网络(分类网络和定位网络)。
综上所述，靶点定位的评价主要考虑精度和效率两方面。目测法既缺乏精度也缺乏效率。DRTT分析技术精度较高，但效率较低，目前仍处在学术阶段，离广泛的临床应用仍然有相当的距离。另一方面，基于卷积神经网络的方法取得了精度和效率的折中，但仍然不够完善，存在较大的改进空间。
参考文献：
[1]M.T.Barbe,P.Reker,S.Hamacher,J.Franklin,D.Kraus,T.A.Dembek,J.Becker,J.K.Steffen,N.Allert,J.Wirths,H.S.Dafsari,J.Voges,G.R.Fink,V.Visser-Vandewalle,and L.Timmermann.DBS of the PSA and the VIM in essential tremor:Arandomized,double-blind,crossover trial.Neurology,91(6):e543–e550,082018.
[2]P.Blomstedt,U.Sandvik,and S.Tisch.Deep brain stimulation in theposterior subthalamic area in the treatment of essential tremor.Mov Disord,25(10):1350–1356,Jul 2010.
[3]V.A.Coenen,N.Allert,and B.Madler.A role of diffusion tensorimaging fiber tracking in deep brain stimulation surgery:DBS of the dentato-rubro-thalamic tract(drt)for the treatment of therapy-refractory tremor.ActaNeurochir(Wien),153(8):1579–1585,Aug 2011.
[4]V.A.Coenen,N.Allert,S.Paus,M.Kronenburger,H.Urbach,andB.Madler.Modulation of the cerebello-thalamo-cortical network in thalamicdeep brain stimulation for tremor:a diffusion tensor imagingstudy.Neurosurgery,75(6):657–669,Dec 2014.
[5]E D Louis.The roles of age and aging in essential tremor:Anepidemiological perspective.Neuroepidemiology,52(1-2):111–118,2019.
[6]J.Murata,M.Kitagawa,H.Uesugi,H.Saito,Y.Iwasaki,S.Kikuchi,K.Tashiro,and Y.Sawamura.Electrical stimulation of the posterior subthalamicarea for the treatment of intractable proximal tremor.J Neurosurg,99(4):708–715,Oct 2003.
[7]A.Nowacki,I.Debove,F.Rossi,J.A.Schlaeppi,K.Petermann,R.Wiest,M.Schupbach,and C.Pollo.Targeting the posterior subthalamic area foressential tremor:proposal for MRI-based anatomical landmarks.J Neurosurg,131(3):820–827,102018.
[8]P.Plaha,S.Javed,D.Agombar,G.O’Farrell,S.Khan,A.Whone,andS.Gill.Bilateral caudal zona incerta nucleus stimulation for essentialtremor:outcome and quality of life.J NeurolNeurosurg Psychiatry,82(8):899–904,Aug 2011.
[9]Juergen R.Schlaier,Anton L.Beer,Rupert Faltermeier,ClaudiaFellner,Kathrin Steib,Max Lange,Mark W.Greenlee,Alexander T.Brawanski,andJudith M.Anthofer.Probabilistic vs.deterministic fiber tracking and theinfluence of different seed regions to delineate cerebellar-thalamic fibersin deep brain stimulation.EuropeanJournalofNeuroscience,45(12):1623–1633,2017.
实现思路