CN100380406C - 放射治疗计划系统中获得三维解剖结构投影轮廓线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了放射治疗计划系统中，制作肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线方法，包括以下步骤：a)将用三角片结构表示的肿瘤三维解剖结构，投影到投影平面上建立标记图像；b)将投影平面上得到的每个三角片每条边的投影线段，映射到标记图像上画线，得到具有标记的像素点区域形成二值标记图像；c)在二值标记图像上对像素点按规定的方向进行扫描搜索，确定初始轮廓点后，进行各个轮廓点跟踪，以获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线。本发明的优点是：用画线和轮廓跟踪方法代替了现有技术中对投影线段间的求交、排序、取舍等复杂运算，节省了大量计算时间，具有很高的适用性，为放射治疗计划系统的临床应用提供了便利条件。

Description

放射治疗计划系统中获得三维解剖结构投影轮廓线的方法
技术领域
本发明涉及一种图形处理方法，特别涉及一种在放射治疗计划系统中获取三维解剖结构的投影轮廓线的方法。
背景技术
目前，利用放射性射线杀死或抑制恶性肿瘤是目前治疗癌症患者的基本手段之一，专家估计大约有70％的肿瘤病人需要接受放射治疗。放射治疗的目标是最大限度地将射线集中到病变区内杀灭肿瘤细胞，而使周围正常组织和器官受到最大程度的保护。三维适形放射治疗是通过采用立体定位技术，在治疗机上附加特制形状的铅块或多叶准直器等技术实施非共面不规则野照射，使各照射野的形状在束眼观BEV上与靶区形状一致，使等剂量面在三维空间分布上紧扣靶区。在BEV上靶区形状即为靶区的投影轮廓线。
传统的射野设计的验证是在模拟机Simulator上进行，通过模拟机上得到的胶片，检验射野是否可行。这种模拟过程存在的缺陷是：整个模拟过程，包括机架、病床旋转角度放置，胶片制作等操作很耗时；x射线透视本身存在盲区，如肝、脾等，加上许多肿瘤位于人体内较深处，使得靶区和紧要器官在胶片上难以准确定位，从而影响最优放疗计划的获得。由于CT图像的灰度直接与人体组织密度对应，利用CT图像序列数据，通过复杂的投影算法，可以在计算机上得到传统X光机产生的X胶片图像，完成模拟机的验证过程，这被称为虚模拟，英文为Virtual Simulator。它的输出图像就是DRR，英文为Digitally Reconstructed Radiograph。虚模拟可以实现交互式的射野设计和验证。通常在DRR图像上需要同时显示紧要器官、肿瘤靶区的对应投影，这也需要计算其投影轮廓线。
在放射治疗计划系统中是以由三角片为单位构成的物体表面，来表达三维解剖结构的。将三维解剖结构向投影平面上投影，其投影轮廓线为包围投影区域的最大外轮廓。
人体器官结构复杂，构成器官表面的三角片数量通常很大，而且投影平面、投影方向都具有很大的任意性，因此采用图形学方法来计算投影轮廓线具有相当的复杂性。
发明内容
本发明的目的是：提供一种在放射治疗计划系统中获取肿瘤三维解剖结构投影轮廓线的方法，以实现照射野的适形设计和验证。
放射治疗计划系统中获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线方法，包括以下步骤：
a)将用三角片结构表示的肿瘤三维解剖结构，投影到投影平面上建立标记图像；
b)将投影平面上得到的每个三个片每条边的投影线段，影射到标记图像上画线，得到具有标记的像素点区域形成二值标记图像；
c)在二值标记图像上对像素点按规定的方向进行扫描搜索，确定初始轮廓点后，进行各个轮廓点跟踪，以获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线。
本发明的优点是：用画线和轮廓跟踪方法代替了现有技术中对投影线段间的求交、排序、取舍等复杂运算，因而节省了大量计算时间，具有很高的适用性，为放射治疗计划系统的临床应用提供了便利条件。
附图说明
图1是以三角片为单位构成的肿瘤三维解剖结构
图2是投影坐标系和标记图像；
图3是画投影线段的流程图；
图4是画线后的标记图像；
图5是方向链码示意图；
图6是轮廓跟踪示意图；
图7是投影轮廓线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述在放射治疗计划系统中，获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线方法：
步骤一：将用三角片结构表示的肿瘤三维解剖结构，投影到投影平面上建立标记图像；
图1是以三角片为单位构成的肿瘤三维解剖结构，图2是投影坐标系和标记图像。在图2中，以投影平面为XOY平面，以投影方向即照射野的中心轴为Z轴，建立投影坐标系。将肿瘤三维解剖结构1的包围盒(所述包围盒即是包围肿瘤三维解剖结构的最小长方体)投影到投影坐标系的XOY平面，得到一个最大包围的矩形区域2，建立了与该矩形区域2大小相适应的标记图像，该图像原点(坐标为[0，0]的像素)在矩形区域的左上角3。
步骤二：将投影平面上的每个三个片每条边的投影线段，影射到标记图像上画线得到具有标记的像素点区域，形成二值标记图像；
图3是画投影线段的流程图。图中，按照该画投影线段的流程，将三角片的两个顶点投影到XOY平面，就可以得到投影线段的两个端点。然后将这两个端点映射到标记图像上，并在标记图像上画线，对其所经过的像素点做上标记，得到具体标记的像素点区域，形成二值标记图像。
具体方法是：
第一步ST1：计算所有三角片的顶点在投影坐标系下的坐标，将三角片个数n置于0；
第二步ST2：选取第n个三角片，将条边数m置于0；
第三步ST3：选取当前三角片的第m条边；
第四步ST4：计算该边在标记图像上投影线段的端点的映射坐标并画线；
第五步ST5：判断该三角片还有没有边未画线？如果有m加1，并返回第三步ST3步；如果没有，即m＝3，进入第六步；
第六步ST6：判断还有没有三角片未画线？如果有n加1，并返回第二步ST2步；如果没有，即n等于所有三角片的个数，画投影线段结束。
图4是画线后的标记图像，它是一副标记过的像素点的像素值为1，其它像素点的像素值为0的二值图像。
步骤三：在二值标记图像上对像素点按规定的方向进行扫描搜索，确定初始轮廓点后进行各个轮廓点跟踪，以获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线。
由于构成三维解剖结构的三角片在几何上具有拓扑一致性，在经过画线操作后的标记图像上，涂画标记过的像素所构成的区域，对应于肿瘤三维解剖结构的投影区域，其最外边缘就是投影轮廓线。
在本发明的实施方式中，给出了一个能适应于任意形状区域的轮廓跟踪算法。这种算法是基于方向链码的思想，图5给出了方向链码的示意图。从图中可以看出：对于任一个像素点P，其邻近的8个像素点，可以用方向链码的八个基本方向0、1、2、3、4、5、6、7表示。
设R是二值图像中一个连接区域，且区域上各像素点的灰度即像素值为1，R的边界点定义为R中这样的象素，它的8邻域中至少有一个点为不在R中的像素点，这些边界点的全体集合即构成区域R的轮廓线。
定义：direction为搜索过程中的当前方向。其值范围为0、1、2、3、4、5、6、7，分别对应于图5像素点P的方向链码的8个方向。
图6是轮廓跟踪示意图。跟踪方法如下：
第一步：搜索初始轮廓点；对二值标记图像自上而下，从左到右扫描每个象素点，直到找到一个像素点为轮廓点，将该点作为轮廓跟踪过程的初始点，并规定扫描搜索的方向；
第二步，扫描当前轮廓点的邻域点；以direction为扫描方向，按逆时针方向逐一测试当前轮廓点的邻域像素点，凡扫描得到像素值为0的邻域像素点都不是下一个轮廓点，只有扫描得到像素值为1的邻域像素点才是找到的轮廓点，重复这个跟踪过程可以找到一系列像素的轮廓点Pn；在本例中规定按逆时针行走方向搜索，接下来的扫描方向direction取像素点①的邻近链码5的方向；
第三步：测试得到的该目标区域的轮廓点是否为初始轮廓点①，如果是，该轮廓跟踪过程结束，跟踪得到的所有轮廓点构成轮廓线；如果该轮廓点不是初始轮廓点①，则以该轮廓点作为搜索下一个轮廓点的起始点，重复执行第二步。
以图6为例具体作法如下：
1)对图6自上而下、从左至右扫描每个像素点，直到找到一像素点①为轮廓点，将该点作为轮廓跟踪过程的起始点；
2)按方向链码图5所示，依图6中像素点①为起始，其扫描搜索的方向direction取该像素点①的邻近链码值5的方向，扫描了图6中的对应像素点②，因其像素值为0(未标记过)，像素点②不是轮廓点，予以跳过；
3)接着direction按逆时针依该像素点①的邻近链码值6的方向，扫描图6中的对应像素点③，其像素值为1(标记过)，所以是目标区域点，接受为轮廓点；
4)再将像素点③作为新的轮廓跟踪点，起始扫描方向direction取该像素点③的邻近链码值5的方向，扫描邻近像素点④，因其像素值为0(未标记过)，所以该像素点④不是轮廓点；
5)接着direction按逆时针取该像素点③的邻近链码值6的方向，扫描下一个像素点⑤，其像素值为0，像素点⑤不是轮廓点；
6)direction再按逆时针取该像素点③的邻近链码值7的方向，扫描下一个像素点⑥，其像素值为1，该像索点⑥为轮廓点；
7)direction再按逆时针取该像素点⑥的邻近链码值5的方向，扫描下一个像素点⑦，其像素值为0，该像素点⑦不是轮廓点；
8)direction再按逆时针取该像素点⑥的邻近链码值6的方向，扫描下一个像素点⑧，其像素值为0，该像素点⑧不是轮廓点；
9)direction再按逆时针取该像素点⑥的邻近链码值7的方向，扫描下一个像素点⑨，其像素值为0，该像素点⑨不是轮廓点；
10)direction再按逆时针取像素点⑥的邻近链码值0的方向，扫描下一个像素点⑩，其像素值为1，该像素点⑩是轮廓点；
11)direction再按逆时针取像素点⑩的邻近链码值7的方向，扫描下一个像素点
Figure C20061002271000091
，其像素值为0，该像素点
Figure C20061002271000092
不是轮廓点；
12)direction再按逆时针取像素点⑩的邻近链码值0的方向，扫描下一个像素点，其像素值为0，该像素点
Figure C20061002271000094
不是轮廓点；
13)direction再按逆时针取像素点⑩的邻近链码值1的方向，扫描下一个像素点
Figure C20061002271000095
，其像素值为l，像素点
Figure C20061002271000096
是轮廓点；
14)direction再按逆时针取像素点
Figure C20061002271000097
的邻近链码值7的方向，扫描下一个像素点
Figure C20061002271000098
，其像素值为0，该像素点
Figure C20061002271000099
不是轮廓点；
15)direction再按逆时针取像素点的邻近链码值0的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000911
，其像素值为0，该像素点
Figure C200610022710000912
不是轮廓点；
16)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000913
的邻近链码值1的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000914
，其像素值为0，该像素点不是轮廓点；
17)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000916
的邻近链码值2的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000917
，其像素值为0，该像素点
Figure C200610022710000918
不是轮廓点；
18)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000919
的邻近链码值3的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000920
，其像素值为l，该像素点
Figure C200610022710000921
是轮廓点；
19)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000922
的邻近链码值1的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000923
，其像素值为0，该像素点不是轮廓点；
20)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000925
的邻近链码值2的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000926
，其像素值为0，该像素点
Figure C200610022710000927
不是轮廓点；
21)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000928
的邻近链码值3的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000929
，其像素值为0，该像素虑
Figure C200610022710000930
不是轮廓点；
22)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000931
的邻近链码值4的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000932
，其像素值为1，该像素点
Figure C200610022710000933
是轮廓点；
23)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000934
的邻近链码值3的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000935
，其像素值为0，该像素点
Figure C200610022710000936
不是轮廓点；
24)direction再按逆时针取像素点
Figure C200610022710000937
的邻近链码值4的方向，扫描下一个像素点
Figure C200610022710000938
，其像素值为1，该像素点
Figure C200610022710000939
是轮廓点；由于像素点
Figure C200610022710000940
与像素点①重合为一个像素点，因此由像素点①、像素点③、像素点⑥、像素点⑩、像素点、像素点、像索点
Figure C20061002271000103
各轮廓点，组成了标记图像上的肿瘤结构轮廓线。
从上例可以看出：在标记图像上对像素点进行轮廓跟踪扫描方法，即是对某一个进行搜索的像素点Pn，当确定它是当前轮廓点时，往下的跟踪搜索工作即是按规定的搜索方向，扫描该像素点Pn的周围邻近8个像素点，凡扫描得到像素值为0的像素点都不是下一个轮廓点，只有扫描像素值为l的像素点才是下一个轮廓点，接下去的轮廓跟踪扫描过程，是以新的轮廓点为扫描起点，将其周围邻近的8个像素点作为扫描对象逐一进行测试，通过其测试的像素值来确定下一个轮廓点，重复这个过程，直到搜索出的最后一个轮廓点与初始轮廓点相重合而得到轮廓线。图7是跟踪后得到的投影轮廓线，该投影轮廓线即为靶区的投影轮廓线。

Claims (1)

1.放射治疗计划系统中获得三维解剖结构投影轮廓线的方法，包括以下步骤：
步骤一，将用三角片结构表示的肿瘤三维解剖结构，投影到投影平面上建立标记图像；
步骤二，将投影平面上的每个三个片每条边的投影线段，影射到标记图像上画线得到具有标记的像素点区域，形成二值标记图像；
步骤三，在二值标记图像上对像素点按规定的方向进行扫描搜索，确定初始轮廓点后进行各个轮廓点跟踪，以获取肿瘤三维解剖结构的投影轮廓线；其中步骤一的具体作法是：
首先，制作以三角片为单位构成的肿瘤三维解剖结构；
接着，在投影平面上以投影方向即射野的中心轴为Z轴，建立投影坐标系；
然后，将肿瘤三维解剖结构的包围盒投影到投影坐标系的XOY平面上，得到一个最大包围的矩形区域，从而建立了与该矩形区域大小相适应的标记图像；
步骤二的具体作法是：
第一步ST1：计算所有三角片的顶点在投影坐标系下的坐标，将三角片个数n置于0；
第二步ST2：选取第n个三角片，将条边数m置于0；
第三步ST3：选取当前三角片的第m条边；
第四步ST4：计算该边在标记图像上投影线段的端点的映射坐标并画线；
第五步ST5：判断该三角片还有没有边未画线？如果有m加1，并返回第三步ST3步；如果没有，即m＝3，进入第六步；
第六步ST6：判断还有没有三角片未画线？如果有n加1，并返回第二步ST2步；如果没有，即n等于所有三角片的个数，画投影线段结束；
步骤三的具体作法是：
第一步，搜索初始轮廓点；对二值标记图像自上而下，从左到右扫描每个象素点，直到找到一个像素点为轮廓点，将该点作为轮廓跟踪过程的初始轮廓点，并规定扫描搜索的方向；
第二步，扫描当前轮廓点的邻域点；以direction为扫描方向，按逆时针方向逐一测试当前轮廓点的邻域像素点，凡扫描得到像素值为0的邻域像素点都不是下一个轮廓点，只有扫描像素值为1的邻域像素点才是找到的轮廓点，重复这个跟踪过程可以找到一系列像素的轮廓点Pn；
第三步：测试得到的该目标区域的轮廓点Pn是否为初始轮廓点，如果是，该轮廓跟踪过程结束，跟踪得到的所有轮廓点构成轮廓线；如果该轮廓点Pn不是初始轮廓点，则以该轮廓点Pn作为搜索下一个轮廓点的起始点，重复执行第二步。
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