本發(fā)明涉及放射治療的，更具體地，涉及一種基于腫瘤靶區(qū)距離權(quán)重的體表配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在傳統(tǒng)的放射治療中，患者定位依賴于靜態(tài)的定位標(biāo)記（例如紋身標(biāo)記）和治療前獲取的ct或mri影像數(shù)據(jù)。然而，治療過(guò)程中患者的細(xì)微位移，包括呼吸引起的運(yùn)動(dòng)、膀胱充盈狀態(tài)的改變及器官的自然移動(dòng)，均可能引起腫瘤位置的偏移，從而影響治療的精確度。體表引導(dǎo)放射治療（sgrt，surface-guided?radiation?therapy）運(yùn)用高精度的光學(xué)攝像頭系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉患者體表的三維圖像，通過(guò)比對(duì)治療前后的圖像，能夠監(jiān)測(cè)并即時(shí)糾正治療過(guò)程中患者體表的微小移動(dòng)，確保腫瘤始終處于精確的照射范圍內(nèi)，這種智能化的治療方式能夠克服傳統(tǒng)放射治療的精度缺陷。但目前的sgrt產(chǎn)品多采用剛性配準(zhǔn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)體表的配準(zhǔn)，這種方法在處理頭部等剛性體表區(qū)域的腫瘤治療時(shí)表現(xiàn)良好，體表的配準(zhǔn)誤差可直接反映腫瘤位置的偏移，但在處理胸腹部等易受呼吸運(yùn)動(dòng)影響的軟組織區(qū)域時(shí)，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致體表形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，而剛性配準(zhǔn)算法無(wú)法準(zhǔn)確捕捉與腫瘤鄰近體表區(qū)域的細(xì)微位移，進(jìn)而無(wú)法精確反映腫瘤的實(shí)際位置變動(dòng)，從而對(duì)放射治療的精確度和治療效果產(chǎn)生不良影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中剛性配準(zhǔn)算法無(wú)法精確反映腫瘤的實(shí)際位置變動(dòng)的不足，提供一種基于腫瘤靶區(qū)距離權(quán)重的體表配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，可準(zhǔn)確捕捉與腫瘤臨近體表區(qū)域的細(xì)微位移，精確反映腫瘤的實(shí)際位置變動(dòng)，提升放射治療的精確度，減少對(duì)健康組織的不必要輻射，提升治療效果和患者的生活質(zhì)量。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種基于腫瘤靶區(qū)距離權(quán)重的體表配準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

4、步驟s100.?獲取實(shí)時(shí)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云，進(jìn)行粗配準(zhǔn)得到第一變換矩陣；其中，實(shí)時(shí)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云位于同一坐標(biāo)系；

5、步驟s200.?根據(jù)步驟s100中所述第一變換矩陣，對(duì)所述實(shí)時(shí)點(diǎn)云進(jìn)行第一次矩陣變換，得到變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云；

6、步驟s300.?遍歷步驟s200中所述變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云中每個(gè)實(shí)時(shí)點(diǎn)，在參考點(diǎn)云的參考點(diǎn)中搜索找到最近點(diǎn)，若實(shí)時(shí)點(diǎn)與搜索到的最近點(diǎn)之間的距離在閾值范圍內(nèi)，則該實(shí)時(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)配為點(diǎn)對(duì)，多組點(diǎn)對(duì)構(gòu)成點(diǎn)對(duì)集合；

7、步驟s400.?計(jì)算步驟s300所述點(diǎn)對(duì)集合的點(diǎn)對(duì)中實(shí)時(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)的重疊度f(wàn)itness和均方誤差inlier_rmse，判斷重疊度f(wàn)itness是否小于設(shè)定的重疊度閾值、且均方誤差inlier_rmse是否小于設(shè)定的均方誤差均值；

8、步驟s500.?若重疊度f(wàn)itness小于設(shè)定的重疊度閾值且均方誤差inlier_rmse小于設(shè)定的均方誤差均值，則停止迭代完成配準(zhǔn)；

9、若重疊度f(wàn)itness不小于設(shè)定的重疊度閾值、或均方誤差inlier_rmse不小于設(shè)定的均方誤差均值，則根據(jù)步驟s300中所述的點(diǎn)對(duì)集合計(jì)算更新矩陣，并采用更新矩陣更新步驟s100中第一變換矩陣得到第二變換矩陣，并根據(jù)第二變換矩陣對(duì)變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云進(jìn)行第二次矩陣變換，重復(fù)步驟s200~步驟s500；

10、其中，所述更新矩陣按下式獲得：

11、

12、式中，為基于腫瘤靶區(qū)距離梯度加權(quán)的雅可比矩陣，為基于腫瘤靶區(qū)距離梯度加權(quán)的殘差向量。

13、優(yōu)選地，步驟s100中所述第一變換矩陣和步驟s500中所述第二變換矩陣均為4x4矩陣，表示為：

14、

15、其中，為3x3三維旋轉(zhuǎn)矩陣，為三維平移矩陣；

16、步驟s200中所述第一次矩陣變換、步驟s500中所述第二次矩陣變換均為旋轉(zhuǎn)平移變換。

17、優(yōu)選地，步驟s500中，所述第二變換矩陣由下式得到：

18、。

19、優(yōu)選地，基于腫瘤靶區(qū)距離梯度加權(quán)的雅可比矩陣按下式獲得：

20、

21、基于腫瘤靶區(qū)距離梯度加權(quán)的殘差向量按下式獲得：

22、

23、式中，為第對(duì)點(diǎn)對(duì)的雅可比向量，為第對(duì)點(diǎn)對(duì)的殘差，為第對(duì)點(diǎn)對(duì)的雅可比向量的轉(zhuǎn)置向量，為權(quán)重模型，為點(diǎn)對(duì)集合中點(diǎn)對(duì)的數(shù)量。

24、優(yōu)選地，第對(duì)點(diǎn)對(duì)的雅可比向量、第對(duì)點(diǎn)對(duì)的殘差按下式獲得：

25、第對(duì)點(diǎn)對(duì)的雅可比向量的前三行?=?第對(duì)點(diǎn)對(duì)中與實(shí)時(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)的法向量方向的投影；

26、第對(duì)點(diǎn)對(duì)的雅可比向量的后三行?=?第對(duì)點(diǎn)對(duì)中與實(shí)時(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)的法向量；

27、第對(duì)點(diǎn)對(duì)的殘差=第對(duì)點(diǎn)對(duì)中實(shí)時(shí)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)的殘差向量在參考點(diǎn)法向量方向的投影長(zhǎng)度。

28、優(yōu)選地，所述和所述通過(guò)ldlt分解原理，得到六維變換向量；根據(jù)矩陣變換原理，將六維變換向量轉(zhuǎn)換為4x4變換矩陣，4x4變換矩陣即為所述更新矩陣。

29、優(yōu)選地，步驟s500中，點(diǎn)對(duì)的重疊度f(wàn)itness按下式進(jìn)行計(jì)算：

30、

31、式中，是點(diǎn)對(duì)集合中點(diǎn)對(duì)的數(shù)量，是實(shí)時(shí)點(diǎn)云點(diǎn)的數(shù)量。

32、優(yōu)選地，步驟s500中，點(diǎn)對(duì)距離的均方誤差inlier_rmse按下式進(jìn)行計(jì)算：

33、

34、

35、其中，是點(diǎn)對(duì)集合中點(diǎn)對(duì)的數(shù)量，和分別為第i對(duì)點(diǎn)對(duì)分別位于實(shí)時(shí)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云上的三維點(diǎn)；表示第i對(duì)點(diǎn)對(duì)中實(shí)時(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，表示第i對(duì)點(diǎn)對(duì)中參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)，為權(quán)重模型。

36、優(yōu)選地，所述權(quán)重模型由下述步驟得到：

37、利用kdtree算法搜索參考點(diǎn)云上距離等中心點(diǎn)最近的點(diǎn)及最近距離值miu，?并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)差的值；

38、搜索到的點(diǎn)對(duì)中實(shí)時(shí)點(diǎn)云，計(jì)算其到等中心的距離dist；

39、則權(quán)重模型設(shè)置為：

40、

41、其中，表示第i組點(diǎn)對(duì)中的參考點(diǎn)到等中心點(diǎn)的歐式距離，為距離方差。權(quán)重模型的引入使得距離等中心點(diǎn)較近的區(qū)域權(quán)重較大，距離等中心點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域權(quán)重較小，使得距離等中心點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的區(qū)域形變點(diǎn)云對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果影響較小，即等中心點(diǎn)附近區(qū)域?qū)崟r(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)趨于重合，不受遠(yuǎn)離等中心點(diǎn)的點(diǎn)云的影響。

42、本發(fā)明還提供了一種基于腫瘤靶區(qū)距離權(quán)重的體表配準(zhǔn)系統(tǒng)，包括：

43、數(shù)據(jù)獲取模塊：用于獲取實(shí)時(shí)點(diǎn)云和參考點(diǎn)云；

44、粗配準(zhǔn)模塊：用于接收數(shù)據(jù)獲取模塊傳輸?shù)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行粗配準(zhǔn)得到第一變換矩陣；

45、變換模塊：基于粗配準(zhǔn)模塊配準(zhǔn)得到的第一變換矩陣，對(duì)實(shí)時(shí)點(diǎn)云進(jìn)行第一次矩陣變換，得到變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云；

46、遍歷模塊：用于遍歷變換模塊變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云中每個(gè)實(shí)時(shí)點(diǎn)、尋找距離最近的參考點(diǎn)，并將實(shí)時(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)距離在閾值范圍內(nèi)的點(diǎn)配為點(diǎn)對(duì)，基于點(diǎn)對(duì)構(gòu)建點(diǎn)對(duì)集合；

47、計(jì)算模塊：用于計(jì)算所述點(diǎn)對(duì)集合的點(diǎn)對(duì)中實(shí)時(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)的重疊度f(wàn)itness和均方誤差inlier_rmse；以及用于判斷重疊度f(wàn)itness是否小于設(shè)定的重疊度閾值、且均方誤差inlier_rmse是否小于設(shè)定的均方誤差均值；

48、執(zhí)行模塊：用于根據(jù)計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果執(zhí)行步驟s500。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

50、本發(fā)明的基于腫瘤靶區(qū)距離權(quán)重的體表配準(zhǔn)方法以及系統(tǒng)，通過(guò)第一變換矩陣對(duì)實(shí)時(shí)點(diǎn)云進(jìn)行第一次矩陣變換，通過(guò)第二變換矩陣對(duì)第一次變換后的實(shí)時(shí)點(diǎn)云進(jìn)行第二次矩陣變換，多次矩陣變換直至點(diǎn)對(duì)集合中所有點(diǎn)對(duì)的重疊度和點(diǎn)對(duì)的均方誤差均小于設(shè)定值，從而完成實(shí)時(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)的配準(zhǔn)；本發(fā)明在搜索實(shí)時(shí)點(diǎn)云獲得點(diǎn)對(duì)集合的過(guò)程引入權(quán)重模型，使得點(diǎn)對(duì)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離均方誤差更加聚焦在距離等中心點(diǎn)周圍的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差，在變換矩陣的計(jì)算過(guò)程引入權(quán)重模型，使得計(jì)算出來(lái)的矩陣更加能反映靶區(qū)周圍體表點(diǎn)云的剛性變換，距離等中心點(diǎn)較近的區(qū)域權(quán)重較大，距離等中心點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域權(quán)重較小，使得距離等中心點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的區(qū)域形變點(diǎn)云對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果影響較小，即等中心點(diǎn)附近區(qū)域?qū)崟r(shí)點(diǎn)和參考點(diǎn)趨于重合，不受遠(yuǎn)離等中心點(diǎn)的點(diǎn)云的影響。