专利名称：一种观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法
技术领域：
本发明涉及X射线辐射的测量，具体涉及用于评估子宫肿瘤放疗辐射剂量的图像的生成方法。
背景技术：
常规的放射治疗是以第一次获取的病人计算机断层图像(CT，ComputedTomography)作为计划图像,并只以该计划CT图像生成治疗计划,对病人实施治疗。但实际上，在每一次分次治疗中，病人的内部解剖结构都会发生改变，如技师摆位的误差，病人内部脏器的蠕动，肿瘤随着放疗的进行体积会缩小等，如果仍基于首次计划实施放疗，必将带来严重的剂量误差，并有可能使正常组织卷入高剂量区域。自适应放射治疗(ART，AdaptiveRadiotherapy)技术可以解决上述问题。ART技术在治疗分次中获取当次治疗的病人CT图像，并基于该图像重新设计计划，对病人实施治疗。而图像变形配准技术(DIR，ImageDeformable Registration)是ART的一项关键技术,它主要用于将计划CT图像上的轮廓线推衍至当前CT图像，避免物理师重新勾画轮廓线的麻烦；另一方面，变形配准可以将各分次的剂量分布变形到同一解剖空间后进行叠加，从而评价病人所受的总剂量照射。图像变形配准本质上是要寻找一种点对点的空间变换，将一幅图像(浮动图像)的解剖结构变形到另一幅图像(参考图像)上。目前变形配准算法可分为基于物理模型变形配准算法:如基于线性弹性模型的，基于流体力学模型的，基于光流场模型的；也有基于数学函数的变形配准算法:如基于小波变换的，基于薄板样条函数或B样条函数的，基于调和函数的等等。但几乎所有这些算法都 基于这样一个假设:两幅图像上点是一一对应的，即一幅图像上的点，总能在另一幅图像上找到。如果在一副图像上出现了另一副图像并不存在的结构，一般常规的变形配准算法无法有效解决这类问题。在宫颈癌放射治疗中，很多病人需要同时接受高剂量率近距离放射治疗(high-dose-rate brachytherapy, HDR)以及调强放射治疗(Intensity ModulatedRadiation Therapy, IMRT)0在进行HDR内照射的时候，需要先在病人阴道中放置一个施源器，然后将放射源通过施源器输送至阴道内临近肿瘤的区域进行照射，因此，进行HDR内照射放疗时获取的计划CT图像含有施源器。而常规的IMRT属于外照射放疗，病人并不需要放置施源器，因此获取的计划CT图像不包含施源器。如果要评价该病人受照的总剂量，需要对IMRT和HDR的CT图像进行图像变形配准，得到变形场，然后利用该变形场将剂量矩阵映射到同一空间(例如，将IMRT的剂量矩阵变换到HDR的剂量矩阵空间，或相反)，最后再进行剂量的叠加。对于这样的图像配准问题，显然违背了一般变形配准算法的基本假设，因为施源器在两幅图像上并不同时存在。因此，如果直接对頂RT CT和HDR CT图像进行变形配准，必然会产生严重的配准误差，从而导致剂量叠加的不准确。Christensen G E等2001年公开了一种包含施源器的图像与不包含施源器的图像之间的变形配准方法(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)，该方法由以下步骤组成:(1)将浮动图像和参考图像中膀胱、直肠、阴道和子宫(包括施源器)三组感兴趣区域分别勾画分割出来，并生成对应的二值掩模图像；
(2)在浮动图像和参考图像中手动选择标记点，利用标记点进行初始化配准；(3)在步骤
(2)的初始化配准的基础上，利用粘滞性流体力学算法对三组掩模图像进行配准，得到三组变形场；(4)将步骤(3)中得到的配准变形场进行叠加，得到总的变形场，然后对浮动图像进行变形。上述方法尽管也能得到配准结果，且该配准结果可应用于放疗辐射剂量的评估，但是由于该方法是直接用含施源器的图像进行配准，因此如果将其所得到的图像用于放疗辐射剂量评估，显然不准确。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法，该方法所生成的图像可准确地评价宫肿瘤病人受照的总剂量。本发明解决上述问题的技术解决方案是:一种用于观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法，该方法由以下步骤组成:(I)读取含施源器的盆腔HDR CT图像、盆腔HDR剂量分布图像、不含施源器的盆腔IMRT CT图像和盆腔IMRT剂量分布图像；(2)根据图像中每个像素点CT值大小的不同，采用区域生长的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT图像中的施源 器区域，并赋予所分割出的施源器区域像素值为0，得到施源器区域像素值为O的盆腔CT图像，然后将施源器区域像素值为O的盆腔CT图像中的施源器区域用I表示，其他区域用O表示，得到掩膜图像；(3)利用变形场将掩膜图像进行收缩变形，该收缩变形的具体步骤如下:在三维直角坐标系中，令收缩变形力F在X和y方向上的收缩变形力为掩膜图像在X和y方向上的梯度，收缩变形力F在z方向上的收缩变形力为0，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收缩的变形场u和收缩变形的掩膜图像，V 2V+ V ( V.v) +F=O (I)上式(I )中，▽为梯度，V 2为拉普拉斯算子，V为变形场的速度，F为收缩变形力；(4)用步骤(3)所得的变形场u分别对施源器区域像素值为O的盆腔HDR CT图像进行收缩形变，得到收缩变形的盆腔HDR CT图像；然后搜索出收缩变形的盆腔HDR CT图像中对应于收缩变形的掩膜图像中像素值不等于O的点，并对所述不等于O的点进行线性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT图像；(5)以不含施源器的盆腔MRT CT图像为浮动图像，以去除施源器后的盆腔HDR CT图像为参考图像进行变形配准，同时得到配准变形场r和变形配准后的盆腔IMRT CT图像；(6)用步骤(5)得到的配准变形场r对盆腔IMRT剂量分布图像进行变形，得到变形配准后的盆腔MRT剂量分布图像；(7)分别搜索变形配准后的盆腔MRT CT图像和变形配准后的盆腔MRT剂量分布图像中对应于收缩变形的掩膜图像中像素值不等于O的点，并将搜到的点的像素值赋予O，得到变形配准后阴道内部像素值为O的盆腔IMRT CT图像和变形配准后阴道内部像素值为O的剂量分布图像；(8)以变形配准后阴道内部像素值为O的盆腔IMRT CT图像作为浮动图像，施源器区域像素值为O的盆腔CT图像为参考图像进行变形配准，同时得到配准变形场q和变形配准后阴道区域扩大的盆腔MRT图像；(9)用步骤(8)得到的配准变形场q对变形配准后阴道内部剂量值为O的剂量分布图像进行变形，得到变形配准后阴道区域扩大的盆腔MRT剂量分布图像；(10)将变形配准后阴道区域扩大的盆腔IMRT剂量分布图像与盆腔HDR剂量分布图像进行叠加，再把叠加结果与含施源器的盆腔HDR CT图像进行图像融合，得到具有人体解剖结构的辐射总剂量的分布图像。上述方案中，求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法可以是常规的迭代方法、网格方法或算子分裂方法等，本发明人推荐采用迭代方法，该方法的步骤如下所述:(A)采用下式(II)进行卷积运算，V (k) = <J)s*F(k) (II)式(II)中，V为变形场的速度，为三维高斯核函数，F为收缩变形力，k为迭代循环次数的序号；(B)采用下式(III)计算变形场的增量
权利要求
1.一种观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法，该方法由以下步骤组成: (1)读取含施源器的盆腔HDRCT图像、盆腔HDR剂量分布图像、不含施源器的盆腔MRTCT图像和盆腔IMRT剂量分布图像； (2)根据图像中像素点CT值大小的不同，采用区域生长的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT图像中的施源器区域，并赋予所分割出的施源器区域像素值为O，得到施源器区域像素值为O的盆腔CT图像，然后将施源器区域像素值为O的盆腔CT图像中的施源器区域用I表示，其他区域用O表示，得到掩膜图像； (3)利用变形场将掩膜图像进行收缩变形，该收缩变形的具体步骤如下: 在三维直角坐标系中，令收缩变形力F在X和y方向上的收缩变形力为掩膜图像在X和I方向上的梯度，收缩变形力F在z方向上的收缩变形力为O，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收缩的变形场u和收缩变形的掩膜图像，V2V+ V ( V.v) +F=O ( I ) 上式(I )中，▽为梯度，V 2为拉普拉斯算子，V为变形场的速度，F为收缩变形力； (4)用步骤(3)所得的变形场u分别对施源器区域像素值为O的盆腔HDRCT图像进行收缩形变，得到收缩变形的盆腔HDR CT图像；然后搜索出收缩变形的盆腔HDR CT图像中对应于收缩变形的掩膜图像中像素值不等于O的点，并对所述不等于O的点进行线性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT图像； (5)以不含施源器的盆腔IMRTCT图像为浮动图像，以去除施源器后的盆腔HDR CT图像为参考图像进行变形配准，同时得到配准变形场r和变形配准后的盆腔IMRT CT图像； (6)用步骤(5)得到的配 准变形场r对盆腔IMRT剂量分布图像进行变形，得到变形配准后的盆腔MRT剂量分布图像； (7)分别搜索变形配准后的盆腔IMRTCT图像和变形配准后的盆腔IMRT剂量分布图像中对应于收缩变形的掩膜图像中像素值不等于O的点，并将搜到的点的像素值赋予0，得到变形配准后阴道内部像素值为O的IMRT CT图像和变形配准后阴道内部像素值为O的剂量分布图像； (8)以变形配准后阴道内部像素值为O的盆腔IMRTCT图像作为浮动图像，施源器区域像素值为O的盆腔HDR CT图像为参考图像进行变形配准，同时得到配准变形场q和变形配准后阴道区域扩大的盆腔IMRT图像； (9)用步骤(8)得到的配准变形场q对变形配准后阴道内部像素值为O的剂量分布图像进行变形，得到变形配准后阴道区域扩大的盆腔MRT剂量分布图像； (10)将变形配准后阴道区域扩大的盆腔IMRT剂量分布图像与盆腔HDR剂量分布图像进行叠加，再把叠加结果与含施源器的盆腔HDR CT图像进行图像融合，得到具有人体解剖结构的辐射总剂量的分布图像。
2.根据权利要求1所述的一种用于观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法，其特征在于，所述求解式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法为迭代的方法，该方法的由以下步骤组成: (A)采用下式(II)进行卷积运算， v(k)=(]5s*F(k) (II) 式(II)中，V为变形场的速度，为三维高斯核函数，F为收缩变形力，k为迭代循环次数的序号；
全文摘要
本发明涉及X射线辐射的测量，具体涉及一种观察子宫肿瘤放疗总剂量的分布图像的生成方法，该方法由以下步骤组成先分割出含施源器HDR CT图像的施源器区域，得到二值掩膜图像；利用掩膜图像对HDR CT图像做收缩变形及插值处理后，作为参考图像，以不含施源器的IMRT CT图像为浮动图像进行配准，用该变形场，对IMRT CT图像和IMRT剂量分布图像进行变形；再对变形后的IMRT CT图像的阴道区域进行扩大，作为浮动图像，以施源器区域为空气CT值的HDR CT图像为参考图像进行配准；用该变形场，对阴道区域经扩大的IMRT剂量分布图像进行变形；最后，将该变形结果与HDR剂量分布图像进行叠加并与HDR CT图像进行融合。本方法所生成的图像可准确地评价子宫肿瘤病人受照的总剂量。
文档编号A61B6/03GK103226837SQ20131019051
公开日2013年7月31日 申请日期2013年5月21日 优先权日2013年5月21日
发明者甄鑫, 周凌宏, 陈海斌, 王琳婧, 胡洁, 肖阳 申请人:南方医科大学