一種4d-ct不同時(shí)相序列圖像的重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，通過建立邊緣保護(hù)多尺度空間，對治療日自由呼吸狀態(tài)下的3D-CT圖像進(jìn)行多尺度分解，基于最大相似性測度準(zhǔn)則確定最佳時(shí)相，并使用基于B樣條的自由形變模型實(shí)現(xiàn)與計(jì)劃日4D-CT不同時(shí)相圖像的形變配準(zhǔn)，基于計(jì)劃日的4D-CT和治療日的3D-CT圖像重建治療日的4D-CT；本發(fā)明有益效果：通過使用計(jì)劃日的4D-CT和治療日的3D-CT圖像來重建治療日的4D-CT圖像，從而獲取患者治療日腫瘤和危及器官的運(yùn)動變化規(guī)律，有效避免了患者再次接受大量X射線輻射對身體造成的傷害。
【專利說明】-種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 臨床4D-CT圖像在實(shí)施過程中給患者帶來較大的X射線輻射，且腫瘤和軟組動對 腫瘤和危及器官的影響，但基于計(jì)劃日（癌癥患者治療前物理師和臨床醫(yī)生為患者利用其 4D-CT圖像數(shù)據(jù)做的放療計(jì)劃）4D_CT的放療計(jì)劃距離治療日（癌癥患者放療過程中）圖像 數(shù)據(jù)獲取大約有1至2周的時(shí)間間隔，腫瘤或其它組織可能發(fā)生較大變化。假如在每個(gè)治 療日重新掃描4D-CT，患者將再次接受大量X射線輻射。
[0003] 目前在治療日，容易獲取3D-CT或CBCT (Cone beam CT)圖像，這些圖像是在患者 自由呼吸狀態(tài)下獲取的。盡管4D-CT技術(shù)可以有效分析呼吸運(yùn)動對腫瘤靶區(qū)和危及器官的 影響，但4D-CT往往在計(jì)劃日獲取，而患者的腫瘤或其它身體特征可能在治療日發(fā)生較大 的變化，現(xiàn)有的方法是在治療日獲取患者自由呼吸狀態(tài)下的3D-CT或者CBCT圖像進(jìn)行指導(dǎo) 擺位，由于患者呼吸運(yùn)動或擺位等造成腫瘤照射部位的運(yùn)動致使指導(dǎo)擺位有誤差，進(jìn)而影 響對腫瘤的邊界和運(yùn)動規(guī)律的有效判定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重 建方法，該方法使用計(jì)劃日的4D-CT和治療日的3D-CT圖像來重建治療日的4D-CT圖像，從 而獲取患者治療日腫瘤和危及器官的運(yùn)動變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對腫瘤和危及器官的運(yùn)動變化規(guī) 律及邊界的定量分析。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，包括以下步驟：
[0007] 第一步：去除計(jì)劃日4D-CT圖像治療床偽影，并去除圖像中的噪聲或其他震蕩成 分；
[0008] 第二步：對圖像進(jìn)行基于TV-L1邊緣保護(hù)多尺度空間的多尺度分解，通過使用不 同的平滑參數(shù)λ，得到不同呼吸時(shí)相的包含信息量多少不同的平滑圖像；
[0009] 第三步：對上述不同呼吸時(shí)相的平滑圖像進(jìn)行聯(lián)合時(shí)空域信息形變配準(zhǔn)，將形變 配準(zhǔn)后的平滑圖像定義為目標(biāo)圖像；
[0010] 第四步：去除治療日獲取的自由呼吸狀態(tài)下的3D-CT圖像的噪聲或其他震蕩成 分；
[0011] 第五步：通過TV-L1邊緣保護(hù)多尺度空間對3D-CT圖像進(jìn)行多尺度分解，并且通過 相似性測度確定最優(yōu)時(shí)相，標(biāo)記為不完整的治療日4D-CT，并將不完整的治療日4D-CT定義 為參考圖像；
[0012] 第六步：使用基于Β樣條的自由形變模型分別將不同時(shí)相的目標(biāo)圖像配準(zhǔn)到參考 圖像中的對應(yīng)時(shí)相中；配準(zhǔn)結(jié)束后的圖像即為重建的治療日4D-CT圖像。
[0013] 所述第三步中，對一系列不同呼吸時(shí)相的平滑圖像進(jìn)行聯(lián)合時(shí)空域信息形變配準(zhǔn) 的具體方法為：
[0014] 將所述平滑圖像用一個(gè)強(qiáng)度函數(shù)F(i，k)來表示，其中，i和k分別是N(-般取10 個(gè)）個(gè)呼吸時(shí)相的空域和時(shí)域樣本；采用基于B樣條的周期時(shí)域模型來描述序列圖像時(shí)域 上的相關(guān)性，將腫瘤的運(yùn)動軌跡建模為基于B樣條的時(shí)域平滑函數(shù)；同時(shí)考慮呼吸運(yùn)動中 吸氣末至呼氣始時(shí)刻器官運(yùn)動方向的快速反向轉(zhuǎn)換，建立分段約束函數(shù)，保證整個(gè)呼吸運(yùn) 動軌跡平滑的同時(shí)，保持呼吸軌跡在吸氣末處運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性；
[0015] 采用雙樹復(fù)小波變換來表達(dá)4D-CT不同時(shí)相的呼吸運(yùn)動相關(guān)序列圖像的形變域， 將形變域建模為小波系數(shù)的函數(shù)；通過Navier偏微分方程來建立形變能量函數(shù)，由粗及精 地估計(jì)表示空間域形變特征的最優(yōu)小波系數(shù)，將所述小波系數(shù)代入目標(biāo)圖像變換模型對目 標(biāo)圖像進(jìn)行形變變換。最終利用基于B樣條的周期時(shí)域模型（平滑軌跡模型和分段光滑的 軌跡模型）與雙樹復(fù)小波變換形變模型耦合建立的一種聯(lián)合時(shí)域和空域信息的全局的方 法作用于樣本數(shù)據(jù)。
[0016] 所述將腫瘤的運(yùn)動軌跡建模為基于B樣條的時(shí)域平滑函數(shù)具體為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，包括以下步驟： 第一步：去除計(jì)劃日4D-CT圖像治療床偽影，并去除圖像中的噪聲或其他震蕩成分； 第二步：對圖像進(jìn)行基于TV-L1邊緣保護(hù)多尺度空間的多尺度分解，通過使用不同的 平滑參數(shù)λ，得到不同呼吸時(shí)相的包含信息量多少不同的平滑圖像； 第三步：對上述不同呼吸時(shí)相的平滑圖像進(jìn)行聯(lián)合時(shí)空域信息形變配準(zhǔn)，將形變配準(zhǔn) 后的平滑圖像定義為目標(biāo)圖像； 第四步：去除治療日獲取的自由呼吸狀態(tài)下的3D-CT圖像的噪聲或其他震蕩成分； 第五步：通過TV-L1邊緣保護(hù)多尺度空間對3D-CT圖像進(jìn)行多尺度分解，并且通過相似 性測度確定最優(yōu)時(shí)相，標(biāo)記為不完整的治療日4D-CT，并將不完整的治療日4D-CT定義為參 考圖像； 第六步：使用基于Β樣條的自由形變模型分別將不同時(shí)相的目標(biāo)圖像配準(zhǔn)到參考圖像 中的對應(yīng)時(shí)相中；配準(zhǔn)結(jié)束后的圖像即為重建的治療日4D-CT圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述第三 步中，對一系列不同呼吸時(shí)相的平滑圖像進(jìn)行聯(lián)合時(shí)空域信息形變配準(zhǔn)的具體方法為： 將所述平滑圖像用一個(gè)強(qiáng)度函數(shù)F(i，k)來表示，其中，i和k分別是Ν個(gè)呼吸時(shí)相的 空域和時(shí)域樣本；采用基于B樣條的周期時(shí)域模型來描述序列圖像時(shí)域上的相關(guān)性，將腫 瘤的運(yùn)動軌跡建模為基于B樣條的時(shí)域平滑函數(shù)；同時(shí)考慮呼吸運(yùn)動中吸氣末至呼氣始時(shí) 刻器官運(yùn)動方向的快速反向轉(zhuǎn)換，建立分段約束函數(shù)，保證整個(gè)呼吸運(yùn)動軌跡平滑的同時(shí)， 保持呼吸軌跡在吸氣末處運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性； 采用雙樹復(fù)小波變換來表達(dá)4D-CT不同時(shí)相的呼吸運(yùn)動相關(guān)序列圖像的形變域，將形 變域建模為小波系數(shù)的函數(shù)；通過Navier偏微分方程來建立形變能量函數(shù)，由粗及精地估 計(jì)表示空間域形變特征的最優(yōu)小波系數(shù)，將所述小波系數(shù)代入目標(biāo)圖像變換模型對目標(biāo)圖 像進(jìn)行形變變換。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述將腫 瘤的運(yùn)動軌跡建模為基于B樣條的時(shí)域平滑函數(shù)具體為： Jl{xj) = x + Y_ibly/I{l) 其中，Tt (x，t)表示ty時(shí)刻的時(shí)相圖像在參考時(shí)間ty且位置x處的運(yùn)動軌跡，是關(guān)于 時(shí)間t的連續(xù)平滑函數(shù)，ty表示七的7時(shí)刻，Ψια) = i3m(t/s-l)，seR為時(shí)間的控制點(diǎn) 間隔九e R3為m階B樣條基函數(shù)的系數(shù)；β m為m階B樣條基函數(shù)，β為B樣條基函數(shù)節(jié) 點(diǎn)，1為Β樣條基函數(shù)計(jì)數(shù)變量； Β樣條周期時(shí)域模型的整體平滑軌跡模型為： 夕7；(二0) c-T(xjt,) ---=-----,Z = [(),...,/72-1] dr dr 其中，Tt(x，0)表示0時(shí)刻時(shí)相圖像在x處的運(yùn)動軌跡；Tt(x，t e)表示t的e時(shí)刻的時(shí) 相圖像在X處的運(yùn)動軌跡。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述建立 的分段約束函數(shù)具體為： Tt*(x,0) = T；(x,te) 其中，Tt#(x，0)表示0時(shí)刻時(shí)相圖像在x處的分段平滑軌跡，Tt #(x，te)表示t的e時(shí)刻 的時(shí)相圖像在X處的分段平滑軌跡； I?為分段平滑軌跡，假設(shè)吸氣末對應(yīng)t = 0,可設(shè)置單一約束條件應(yīng)用在吸氣末。
5. 如權(quán)利要求2所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述將形 變域建模為小波系數(shù)的函數(shù)具體為： X' = χ+u1 (X，y，z ;c) f = y+u2 (x, y, z ；c) z，= z+u3(x, y, z ；c) 其中，（x，y，z)表示參考圖像的空間坐標(biāo)系，（x'，y'，z')表示目標(biāo)圖像的空間坐 標(biāo)系，形變域u = (u1，u2, u3), C為小波系數(shù),形變域U為小波系數(shù)C的函數(shù)。
6. 如權(quán)利要求2所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述通過 Navier偏微分方程來建立形變能量函數(shù)具體為： E(c) = inter (c)+exter (c) 其中，w是加權(quán)常數(shù)，實(shí)驗(yàn)中采用w為常數(shù)1，inter (c)表示內(nèi)力約束函數(shù)，exter(c)表 示外力約束函數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種4D-CT不同時(shí)相序列圖像的重建方法，其特征是，所述第五 步中，通過相似性測度確定3D-CT圖像的最優(yōu)時(shí)相的方法是：將3D-CT圖像與計(jì)劃日4D-CT 中的N個(gè)時(shí)相圖像進(jìn)行相似性測度評估，相應(yīng)選出與計(jì)劃日4D-CT最接近的N個(gè)時(shí)相圖像。
【文檔編號】G06T11/00GK104268914SQ201410579543
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】李登旺, 譚淑慧, 陳進(jìn)琥, 李洪升, 尹勇 申請人:山東師范大學(xué)