專利名稱：一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線輻射的測(cè)量，具體涉及用于評(píng)估子宮腫瘤放療輻射劑量的圖像的生成方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的放射治療是以第一次獲取的病人計(jì)算機(jī)斷層圖像(CT，ComputedTomography)作為計(jì)劃圖像,并只以該計(jì)劃CT圖像生成治療計(jì)劃,對(duì)病人實(shí)施治療。但實(shí)際上，在每一次分次治療中，病人的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生改變，如技師擺位的誤差，病人內(nèi)部臟器的蠕動(dòng)，腫瘤隨著放療的進(jìn)行體積會(huì)縮小等，如果仍基于首次計(jì)劃實(shí)施放療，必將帶來嚴(yán)重的劑量誤差，并有可能使正常組織卷入高劑量區(qū)域。自適應(yīng)放射治療(ART，AdaptiveRadiotherapy)技術(shù)可以解決上述問題。ART技術(shù)在治療分次中獲取當(dāng)次治療的病人CT圖像，并基于該圖像重新設(shè)計(jì)計(jì)劃，對(duì)病人實(shí)施治療。而圖像變形配準(zhǔn)技術(shù)(DIR，ImageDeformable Registration)是ART的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),它主要用于將計(jì)劃CT圖像上的輪廓線推衍至當(dāng)前CT圖像，避免物理師重新勾畫輪廓線的麻煩；另一方面，變形配準(zhǔn)可以將各分次的劑量分布變形到同一解剖空間后進(jìn)行疊加，從而評(píng)價(jià)病人所受的總劑量照射。圖像變形配準(zhǔn)本質(zhì)上是要尋找一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的空間變換，將一幅圖像(浮動(dòng)圖像)的解剖結(jié)構(gòu)變形到另一幅圖像(參考圖像)上。目前變形配準(zhǔn)算法可分為基于物理模型變形配準(zhǔn)算法:如基于線性彈性模型的，基于流體力學(xué)模型的，基于光流場(chǎng)模型的；也有基于數(shù)學(xué)函數(shù)的變形配準(zhǔn)算法:如基于小波變換的，基于薄板樣條函數(shù)或B樣條函數(shù)的，基于調(diào)和函數(shù)的等等。但幾乎所有這些算法都 基于這樣一個(gè)假設(shè):兩幅圖像上點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，即一幅圖像上的點(diǎn)，總能在另一幅圖像上找到。如果在一副圖像上出現(xiàn)了另一副圖像并不存在的結(jié)構(gòu)，一般常規(guī)的變形配準(zhǔn)算法無法有效解決這類問題。在宮頸癌放射治療中，很多病人需要同時(shí)接受高劑量率近距離放射治療(high-dose-rate brachytherapy, HDR)以及調(diào)強(qiáng)放射治療(Intensity ModulatedRadiation Therapy, IMRT)0在進(jìn)行HDR內(nèi)照射的時(shí)候，需要先在病人陰道中放置一個(gè)施源器，然后將放射源通過施源器輸送至陰道內(nèi)臨近腫瘤的區(qū)域進(jìn)行照射，因此，進(jìn)行HDR內(nèi)照射放療時(shí)獲取的計(jì)劃CT圖像含有施源器。而常規(guī)的IMRT屬于外照射放療，病人并不需要放置施源器，因此獲取的計(jì)劃CT圖像不包含施源器。如果要評(píng)價(jià)該病人受照的總劑量，需要對(duì)IMRT和HDR的CT圖像進(jìn)行圖像變形配準(zhǔn)，得到變形場(chǎng)，然后利用該變形場(chǎng)將劑量矩陣映射到同一空間(例如，將IMRT的劑量矩陣變換到HDR的劑量矩陣空間，或相反)，最后再進(jìn)行劑量的疊加。對(duì)于這樣的圖像配準(zhǔn)問題，顯然違背了一般變形配準(zhǔn)算法的基本假設(shè)，因?yàn)槭┰雌髟趦煞鶊D像上并不同時(shí)存在。因此，如果直接對(duì)頂RT CT和HDR CT圖像進(jìn)行變形配準(zhǔn)，必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的配準(zhǔn)誤差，從而導(dǎo)致劑量疊加的不準(zhǔn)確。Christensen G E等2001年公開了一種包含施源器的圖像與不包含施源器的圖像之間的變形配準(zhǔn)方法(Christensen G E, Carlson B, Chao K S，Yin P, GrigsbyP Wj Nguyen Kj Dempsey J F，Lerma F A，Bae K Tj Vannier M W and Williamson JF2001Image-based dose planning of intracavitary brachytherapy:registration ofserial-1maging studies using deformable anatomic templates Int J Radiat OncolBiol Phys51227-43)，該方法由以下步驟組成:(1)將浮動(dòng)圖像和參考圖像中膀胱、直腸、陰道和子宮(包括施源器)三組感興趣區(qū)域分別勾畫分割出來，并生成對(duì)應(yīng)的二值掩模圖像；
(2)在浮動(dòng)圖像和參考圖像中手動(dòng)選擇標(biāo)記點(diǎn)，利用標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行初始化配準(zhǔn)；(3)在步驟
(2)的初始化配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用粘滯性流體力學(xué)算法對(duì)三組掩模圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，得到三組變形場(chǎng)；(4)將步驟(3)中得到的配準(zhǔn)變形場(chǎng)進(jìn)行疊加，得到總的變形場(chǎng)，然后對(duì)浮動(dòng)圖像進(jìn)行變形。上述方法盡管也能得到配準(zhǔn)結(jié)果，且該配準(zhǔn)結(jié)果可應(yīng)用于放療輻射劑量的評(píng)估，但是由于該方法是直接用含施源器的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，因此如果將其所得到的圖像用于放療輻射劑量評(píng)估，顯然不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法所生成的圖像可準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)宮腫瘤病人受照的總劑量。本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)解決方案是:一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成:(I)讀取含施源器的盆腔HDR CT圖像、盆腔HDR劑量分布圖像、不含施源器的盆腔IMRT CT圖像和盆腔IMRT劑量分布圖像；(2)根據(jù)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)CT值大小的不同，采用區(qū)域生長(zhǎng)的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT圖像中的施源 器區(qū)域，并賦予所分割出的施源器區(qū)域像素值為0，得到施源器區(qū)域像素值為O的盆腔CT圖像，然后將施源器區(qū)域像素值為O的盆腔CT圖像中的施源器區(qū)域用I表示，其他區(qū)域用O表示，得到掩膜圖像；(3)利用變形場(chǎng)將掩膜圖像進(jìn)行收縮變形，該收縮變形的具體步驟如下:在三維直角坐標(biāo)系中，令收縮變形力F在X和y方向上的收縮變形力為掩膜圖像在X和y方向上的梯度，收縮變形力F在z方向上的收縮變形力為0，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收縮的變形場(chǎng)u和收縮變形的掩膜圖像，V 2V+ V ( V.v) +F=O (I)上式(I )中，▽為梯度，V 2為拉普拉斯算子，V為變形場(chǎng)的速度，F(xiàn)為收縮變形力；(4)用步驟(3)所得的變形場(chǎng)u分別對(duì)施源器區(qū)域像素值為O的盆腔HDR CT圖像進(jìn)行收縮形變，得到收縮變形的盆腔HDR CT圖像；然后搜索出收縮變形的盆腔HDR CT圖像中對(duì)應(yīng)于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點(diǎn)，并對(duì)所述不等于O的點(diǎn)進(jìn)行線性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT圖像；(5)以不含施源器的盆腔MRT CT圖像為浮動(dòng)圖像，以去除施源器后的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進(jìn)行變形配準(zhǔn)，同時(shí)得到配準(zhǔn)變形場(chǎng)r和變形配準(zhǔn)后的盆腔IMRT CT圖像；(6)用步驟(5)得到的配準(zhǔn)變形場(chǎng)r對(duì)盆腔IMRT劑量分布圖像進(jìn)行變形，得到變形配準(zhǔn)后的盆腔MRT劑量分布圖像；(7)分別搜索變形配準(zhǔn)后的盆腔MRT CT圖像和變形配準(zhǔn)后的盆腔MRT劑量分布圖像中對(duì)應(yīng)于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點(diǎn)，并將搜到的點(diǎn)的像素值賦予O，得到變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的盆腔IMRT CT圖像和變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的劑量分布圖像；(8)以變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的盆腔IMRT CT圖像作為浮動(dòng)圖像，施源器區(qū)域像素值為O的盆腔CT圖像為參考圖像進(jìn)行變形配準(zhǔn)，同時(shí)得到配準(zhǔn)變形場(chǎng)q和變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔MRT圖像；(9)用步驟(8)得到的配準(zhǔn)變形場(chǎng)q對(duì)變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部劑量值為O的劑量分布圖像進(jìn)行變形，得到變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔MRT劑量分布圖像；(10)將變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔IMRT劑量分布圖像與盆腔HDR劑量分布圖像進(jìn)行疊加，再把疊加結(jié)果與含施源器的盆腔HDR CT圖像進(jìn)行圖像融合，得到具有人體解剖結(jié)構(gòu)的輻射總劑量的分布圖像。上述方案中，求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法可以是常規(guī)的迭代方法、網(wǎng)格方法或算子分裂方法等，本發(fā)明人推薦采用迭代方法，該方法的步驟如下所述:(A)采用下式(II)進(jìn)行卷積運(yùn)算，V (k) = <J)s*F(k) (II)式(II)中，V為變形場(chǎng)的速度，為三維高斯核函數(shù)，F(xiàn)為收縮變形力，k為迭代循環(huán)次數(shù)的序號(hào)；(B)采用下式(III)計(jì)算變形場(chǎng)的增量
權(quán)利要求
1.一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成: (1)讀取含施源器的盆腔HDRCT圖像、盆腔HDR劑量分布圖像、不含施源器的盆腔MRTCT圖像和盆腔IMRT劑量分布圖像； (2)根據(jù)圖像中像素點(diǎn)CT值大小的不同，采用區(qū)域生長(zhǎng)的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT圖像中的施源器區(qū)域，并賦予所分割出的施源器區(qū)域像素值為O，得到施源器區(qū)域像素值為O的盆腔CT圖像，然后將施源器區(qū)域像素值為O的盆腔CT圖像中的施源器區(qū)域用I表示，其他區(qū)域用O表示，得到掩膜圖像； (3)利用變形場(chǎng)將掩膜圖像進(jìn)行收縮變形，該收縮變形的具體步驟如下: 在三維直角坐標(biāo)系中，令收縮變形力F在X和y方向上的收縮變形力為掩膜圖像在X和I方向上的梯度，收縮變形力F在z方向上的收縮變形力為O，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收縮的變形場(chǎng)u和收縮變形的掩膜圖像，V2V+ V ( V.v) +F=O ( I ) 上式(I )中，▽為梯度，V 2為拉普拉斯算子，V為變形場(chǎng)的速度，F(xiàn)為收縮變形力； (4)用步驟(3)所得的變形場(chǎng)u分別對(duì)施源器區(qū)域像素值為O的盆腔HDRCT圖像進(jìn)行收縮形變，得到收縮變形的盆腔HDR CT圖像；然后搜索出收縮變形的盆腔HDR CT圖像中對(duì)應(yīng)于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點(diǎn)，并對(duì)所述不等于O的點(diǎn)進(jìn)行線性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT圖像； (5)以不含施源器的盆腔IMRTCT圖像為浮動(dòng)圖像，以去除施源器后的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進(jìn)行變形配準(zhǔn)，同時(shí)得到配準(zhǔn)變形場(chǎng)r和變形配準(zhǔn)后的盆腔IMRT CT圖像； (6)用步驟(5)得到的配 準(zhǔn)變形場(chǎng)r對(duì)盆腔IMRT劑量分布圖像進(jìn)行變形，得到變形配準(zhǔn)后的盆腔MRT劑量分布圖像； (7)分別搜索變形配準(zhǔn)后的盆腔IMRTCT圖像和變形配準(zhǔn)后的盆腔IMRT劑量分布圖像中對(duì)應(yīng)于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點(diǎn)，并將搜到的點(diǎn)的像素值賦予0，得到變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的IMRT CT圖像和變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的劑量分布圖像； (8)以變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的盆腔IMRTCT圖像作為浮動(dòng)圖像，施源器區(qū)域像素值為O的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進(jìn)行變形配準(zhǔn)，同時(shí)得到配準(zhǔn)變形場(chǎng)q和變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔IMRT圖像； (9)用步驟(8)得到的配準(zhǔn)變形場(chǎng)q對(duì)變形配準(zhǔn)后陰道內(nèi)部像素值為O的劑量分布圖像進(jìn)行變形，得到變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔MRT劑量分布圖像； (10)將變形配準(zhǔn)后陰道區(qū)域擴(kuò)大的盆腔IMRT劑量分布圖像與盆腔HDR劑量分布圖像進(jìn)行疊加，再把疊加結(jié)果與含施源器的盆腔HDR CT圖像進(jìn)行圖像融合，得到具有人體解剖結(jié)構(gòu)的輻射總劑量的分布圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，其特征在于，所述求解式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法為迭代的方法，該方法的由以下步驟組成: (A)采用下式(II)進(jìn)行卷積運(yùn)算， v(k)=(]5s*F(k) (II) 式(II)中，V為變形場(chǎng)的速度，為三維高斯核函數(shù)，F(xiàn)為收縮變形力，k為迭代循環(huán)次數(shù)的序號(hào)；
全文摘要
本發(fā)明涉及X射線輻射的測(cè)量，具體涉及一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成先分割出含施源器HDR CT圖像的施源器區(qū)域，得到二值掩膜圖像；利用掩膜圖像對(duì)HDR CT圖像做收縮變形及插值處理后，作為參考圖像，以不含施源器的IMRT CT圖像為浮動(dòng)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，用該變形場(chǎng)，對(duì)IMRT CT圖像和IMRT劑量分布圖像進(jìn)行變形；再對(duì)變形后的IMRT CT圖像的陰道區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大，作為浮動(dòng)圖像，以施源器區(qū)域?yàn)榭諝釩T值的HDR CT圖像為參考圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；用該變形場(chǎng)，對(duì)陰道區(qū)域經(jīng)擴(kuò)大的IMRT劑量分布圖像進(jìn)行變形；最后，將該變形結(jié)果與HDR劑量分布圖像進(jìn)行疊加并與HDR CT圖像進(jìn)行融合。本方法所生成的圖像可準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)子宮腫瘤病人受照的總劑量。
文檔編號(hào)A61B6/03GK103226837SQ20131019051
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月21日
發(fā)明者甄鑫, 周凌宏, 陳海斌, 王琳婧, 胡潔, 肖陽 申請(qǐng)人:南方醫(yī)科大學(xué)