CN102222331A - 一种基于双平板的二维-三维医学图像配准方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双平板的二维-三维医学图像配准方法及系统，上述方法包括：生成被成像体的三维图像，并离线生成沿第一和第二成像平面的平面外转角方向的第一和第二DRR图像库；分别在第一和第二成像平面采集被成像体的第一和第二X射线图像；分别以离线生成的第一和第二DRR图像库的DRR图像为基准图像，对第一和第二X射线图像的位置参数进行估算；分别根据第一和第二X射线图像的参数估算结果对三维图像进行调整，在线生成第一和第二DRR图像库；分别以在线生成的第一和第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，对第一和第二X射线图像的位置参数进行估算。采用本发明的方法及系统，可降低图像配准的复杂度，提高配准速度、精度和成功率。

Description

一种基于双平板的二维-三维医学图像配准方法及系统

技术领域

本发明涉及医学图像配准方法及系统，尤其涉及一种基于双平板的2D-3D(二维-三维)医学图像配准方法及系统。

背景技术

图像引导放射治疗(IGRT)是近十年逐步发展起来的肿瘤放射治疗和肿瘤放射外科手术的最新理论和技术，是现代放射治疗的一个里程碑。IGRT通过先进的影像设备及图像处理方法对患者的病灶在治疗前和治疗中进行定位追踪，实现对肿瘤的精确放射治疗，降低对肿瘤周边正常组织的损伤，改善病人的治疗效果。IGRT是所有现代新兴放射治疗技术的基础，如立体定向神经放射外科手术(SRS)、立体定向体部放射治疗(SBRT)、图像引导的调强放射治疗(IG-IMRT)，而图像引导是IGRT的核心技术。

目前IGRT的图像引导主要采用kV级X射线成像技术或机载椎形CT(CBCT)技术。基于X射线成像技术的图像引导技术，是通过单个或多个X射线透视图像和治疗计划CT的2D-3D图像配准，来确定病人或肿瘤的位置，通过在治疗前移动治疗床来调整病人位置、或在治疗中调整治疗射线，实现对肿瘤的精确治疗。而基于CBCT技术的图像引导技术，是通过在线生成的CBCT和治疗计划CT的三维-三维(3D-3D)图像配准来实现治疗前的病人定位。

现有的基于X射线成像技术的图像引导所采用的2D-3D图像配准方法的配准速度、配准精度和配准成功率较低，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可提高配准速度、配准精度和配准成功率基于双平板的二维-三维医学图像配准方法及系统。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于双平板的二维-三维医学图像配准方法，该方法包括：

A：生成被成像体的三维图像，并分别离线生成沿第一成像平面和沿第二成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和第二DRR图像库；

B：分别在第一成像平面和第二成像平面采集被成像体的第一X射线图像和第二X射线图像；

C：以离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，得到第一X射线图像的参数估算结果；并以离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，得到第二X射线图像的参数估算结果；

D：以第一X射线图像的最新参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库；并以第二X射线图像的最新参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库；

F：以最新在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；并以最新在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算。

此外，在所述步骤B和C之间，还包括如下步骤：

B1：以所述离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为参考，对所述第一X射线图像进行图像加强；并以所述离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为参考，对所述第二X射线图像进行图像加强。

此外，在所述步骤F之后还包括如下步骤：

G：判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步骤。

此外，所述步骤G中，如果判定已满足参数估算精度要求，则执行如下步骤：

H：计算参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。

此外，采用如下方式离线生成所述第一DRR图像库：

A01：设定包含M₀₁个不同的平面外转角参数φ_x1和N₀₁个不同的平面外转角参数φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：φ_{x1_L}[0]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[0]，φ_{y1_L}[0]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[0]；

A02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₁×N₀₁个DRR图像的第一DRR图像库；

步骤A01和A02中，i＝1，2，...，M₀₁；j＝1，2，...，N₀₁；M₀₁、N₀₁为大于1的整数；φ_{x1_L}[0]和φ_{x1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[0]和φ_{y1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

采用如下方式离线生成所述第二DRR图像库：

A11：设定包含M₀₂个不同的平面外转角参数φ_x2和N₀₂个不同的平面外转角参数φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[0]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[0]，φ_{y2_L}[0]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[0]；

A12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₂×N₀₂个DRR图像的第二DRR图像库；

步骤A11和A12中，i＝1，2，...，M₀₂；j＝1，2，...，N₀₂；M₀₂、N₀₂为大于1的整数；φ_{x2_L}[0]和φ_{x2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[0]和φ_{y2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

此外，采用如下方式第k次在线生成第一DRR图像库：

D01：设定包含M_k1个不同的平面外转角φ_x1和N_k1个不同的平面外转角φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[k]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[k]，φ_{y1_L}[k]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[k]；

D02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k1×N_k1个DRR图像的第一DRR图像库；

步骤D01和D02中，i＝1，2，...，M_k1；j＝1，2，...，N_k1；M_k1、N_k1为大于1的整数；φ_{x1_L}[k]和φ_{x1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

采用如下方式第k次在线生成第二DRR图像库：

D11：设定包含M_k2个不同的平面外转角φ_x2和N_k2个不同的平面外转角φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[k]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[k]，φ_{y2_L}[k]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[k]；

D12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k2×N_k2个DRR图像的第二DRR图像库；

步骤D11和D12中，i＝1，2，...，M_k2；j＝1，2，...，N_k2；M_k2、N_k2为大于1的整数；φ_{x2_L}[k]和φ_{x2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

此外，φ_{x1_L}[k]、φ_{x1_H}[k]、φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别满足：

φ_{x1_L}[k]＞φ_{x1_L}[k-1]；

φ_{x1_H}[k]＜φ_{x1_H}[k-1]；

φ_{y1_L}[k]＞φ_{y1_L}[k-1]，

φ_{y1_H}[k]＜φ_{y1_H}[k-1]；

φ_{x2_L}[k]、φ_{x2_H}[k]、φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别满足：

φ_{x2_L}[k]＞φ_{x2_L}[k-1]；

φ_{x2_H}[k]＜φ_{x2_H}[k-1]；

φ_{y2_L}[k]＞φ_{y2_L}[k-1]；

φ_{y2_H}[k]＜φ_{y2_H}[k-1]。

此外，离线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[0]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[0]；第k次在线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[k]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[k]；

Δφ_x1[k]和Δφ_y1[k]分别满足：Δφ_x1[k]＜Δφ_x1[k-1]；Δφ_y1[k]＜Δφ_y1[k-1]；

离线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[0]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[0]；第k次在线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[k]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[k]；

Δφ_y2[k]和Δφ_y2[k]分别满足：Δφ_x2[k]＜Δφ_x2[k-1]；Δφ_y2[k]＜Δφ_y2[k-1]。

此外，步骤C中，采用如下方式对第一X射线图像和第二X射线图像的平面内平移参数进行估算：

C01：在DRR图像上确定优化配准窗口；

C02：根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。

此外，采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口：

C011：在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口；

C012：分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；

C013：选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。

此外，步骤G中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求：

方式一：判断在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k＝N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k＜N，则判定未满足参数估算精度要求；

方式二：判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种：第一X射线图像的平面内平移参数，第一X射线图像的平面内转角参数，第一X射线图像的平面外转角参数，第二X射线图像的平面内平移参数，第二X射线图像的平面内转角参数，第二X射线图像的平面外转角参数。

此外，被成像体所对的所述第一成像平面与所述第二成像平面之间的夹角为180°-2α；其中，α大于等于25°且小于等于35°。

本发明还提供一种二维-三维医学图像配准系统，包含：第一X射线图像采集单元，第二X射线图像采集单元，三维图像生成单元，该系统还包含：DRR图像库生成单元，图像配准单元；其中：

所述三维图像生成单元，用于生成被成像体的三维图像，并将其输出至DRR图像库生成单元；

所述DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像分别离线生成沿第一X射线图像采集单元的第一成像平面和沿第二X射线图像采集单元的第二成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和第二DRR图像库，并输出离线生成的第一DRR图像库和第二DRR图像库中包含的DRR图像；

所述第一X射线图像采集单元，用于在第一成像平面采集并输出被成像体的第一X射线图像；

所述第二X射线图像采集单元，用于在第二成像平面采集并输出被成像体的第二X射线图像；

所述图像配准单元，用于将接收到的第一X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述图像配准单元，还用于将接收到的第二X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。

此外，所述系统中还包含图像加强单元；

所述图像加强单元，用于接收所述第一X射线图像采集单元输出的第一X射线图像，并以接收到的离线生成的第一DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第一X射线图像进行图像加强，并将加强后的第一X射线图像输出至所述图像配准单元；

所述图像加强单元，还用于接收所述第二X射线图像采集单元输出的第二X射线图像，并以接收到的离线生成的第二DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第二X射线图像进行图像加强，并将加强后的第二X射线图像输出至所述图像配准单元。

此外，所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求：

所述图像配准单元将第一X射线图像的参数估算结果和第二X射线图像的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；

所述DRR图像库生成单元以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元，并以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述图像配准单元以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；

所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。

此外，所述系统中还包含：质量保证参数检验单元；

所述图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至所述质量保证参数检验单元；

所述质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。

此外，所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成第一DRR图像库：

A01：设定包含M₀₁个不同的平面外转角参数φ_x1和N₀₁个不同的平面外转角参数φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_y1(i)和φ_y1(j)分别满足：φ_{x1_L}[0]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[0]，φ_{y1_L}[0]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[0]；

A02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₁×N₀₁个DRR图像的第一DRR图像库；

A01和A02中，i＝1，2，...，M₀₁；j＝1，2，...，N₀₁；M₀₁、N₀₁为大于1的整数；φ_{x1_L}[0]和φ_{x1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[0]和φ_{y1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成第二DRR图像库：

A11：设定包含M₀₂个不同的平面外转角参数φ_x2和N₀₂个不同的平面外转角参数φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[0]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[0]，φ_{y2_L}[0]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[0]；

A12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₂×N₀₂个DRR图像的第二DRR图像库；

A11和A12中，i＝1，2，...，M₀₂；j＝1，2，...，N₀₂；M₀₂、N₀₂为大于1的整数；φ_{x2_L}[0]和φ_{x2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[0]和φ_{y2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

此外，所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成第一DRR图像库：

D01：设定包含M_k1个不同的平面外转角φ_x1和N_k1个不同的平面外转角φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[k]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[k]，φ_{y1_L}[k]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[k]；

D02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k1×N_k1个DRR图像的第一DRR图像库；

D01和D02中，i＝1，2，...，M_k1；j＝1，2，...，N_k1；M_k1、N_k1为大于1的整数；φ_{x1_L}[k]和φ_{x1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成第二DRR图像库：

D11：设定包含M_k2个不同的平面外转角φ_x2和N_k2个不同的平面外转角φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[k]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[k]，φ_{y2_L}[k]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[k]；

D12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k2×N_k2个DRR图像的第二DRR图像库；

D11和D12中，i＝1，2，...，M_k2；j＝1，2，...，N_k2；M_k2、N_k2为大于1的整数；φ_{x2_ L}[k]和φ_{x2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

此外，φ_{x1_L}[k]、φ_{x1_H}[k]、φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别满足：

φ_{x1_L}[k]＞φ_{x1_L}[k-1]；

φ_{x1_H}[k]＜φ_{x1_H}[k-1]；

φ_{y1_L}[k]＞φ_{y1_L}[k-1]，

φ_{y1_H}[k]＜φ_{y1_H}[k-1]；

φ_{x2_L}[k]、φ_{x2_H}[k]、φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别满足：

φ_{x2_L}[k]＞φ_{x2_L}[k-1]；

φ_{x2_H}[k]＜φ_{x2_H}[k-1]；

φ_{y2_L}[k]＞φ_{y2_L}[k-1]；

φ_{y2_H}[k]＜φ_{y2_H}[k-1]。

此外，所述DRR图像库生成单元离线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[0]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[0]；第k次在线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[k]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[k]；

Δφ_x1[k]和Δφ_y1[k]分别满足：Δφ_x1[k]＜Δφ_x1[k-1]；Δφ_y1[k]＜Δφ_y1[k-1]；

所述DRR图像库生成单元离线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[0]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[0]；第k次在线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[k]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[k]；

Δφ_x2[k]和Δφ_y2[k]分别满足：Δφ_x2[k]＜Δφ_x2[k-1]；Δφ_y2[k]＜Δφ_y2[k-1]。

此外，所述图像配准单元采用如下方式对第一X射线图像和第二X射线图像的平面内平移参数进行估算：

在DRR图像上确定优化配准窗口；

根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。

此外，所述图像配准单元采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口：

在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口；

分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；

选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。

此外，所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求：

方式一：判断在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k＝N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k＜N，则判定未满足参数估算精度要求；

方式二：判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种：第一X射线图像的平面内平移参数，第一X射线图像的平面内转角参数，第一X射线图像的平面外转角参数，第二X射线图像的平面内平移参数，第二X射线图像的平面内转角参数，第二X射线图像的平面外转角参数。

此外，被成像体所对的所述第一成像平面与所述第二成像平面之间的夹角为180°-2α；其中，α大于等于25°且小于等于35°。

综上所述，本发明基于双平板的的医学图像配准方法及系统采用X射线成像技术、基于体内解剖特征进行2D-3D医学图像配准，通过将两个在不同平板实时采集的二维X射线图像分别与离线和在线生成的DRR图像库进行对比，进行位置参数的估算，得到分别与两个平板的成像平面相对应的参数估算结果，并将其转换为一个三维的位置参数估算结果，最终确定病人的病灶在三维扫描时和放射治疗时的位置偏差，从而引导放射治疗系统调整病人位置，达到对肿瘤进行精确地放射治疗的效果。在图像引导放射治疗中，本方法可应用于颅脑、脊椎、肺、肝等部位的肿瘤定位和追踪。

由于本发明基于双平板的医学图像配准方法及系统基于沿平面外转角方向离线和在线生成的DRR图像库分别对平面内平移、平面内转角和平面外转角进行估算，降低了图像配准的复杂度，提高了配准速度、配准精度和配准的成功率。

附图说明

图1描述了采用本发明的二维-三维医学图像配准方法的DR(数字投影)双平板图像引导系统的成像几何及坐标系；

图2描述了DR双平板图像引导系统的一种具体的实现结构；

图3描述了DR双平板图像引导系统中的两个单平板坐标系；

图4是本发明应用于双平板图像引导系统的二维-三维医学图像配准方法流程图；

图5为本发明在基准DRR图像上确定多个优化配准窗口的示意图；

图6为本发明基于双平板的二维-三维医学图像配准系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是，生成沿第一成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和沿第二成像平面的平面外转角方向的第二DRR图像库；以第一成像平面的第一X射线图像作为被配准图像，第一DRR图像库中的DRR图像作为基准图像分别对第一X射线图像的平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数进行估算；以第二成像平面的第二X射线图像作为被配准图像，第二DRR图像库中的DRR图像作为基准图像分别对第二X射线图像的平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数进行估算；根据第一X射线图像和第二X射线图像的各参数估算结果得到图像配准结果。

首先对本发明涉及的X射线成像几何与坐标系，以及DR双平板图像引导系统的具体实现结构进行描述。

图1描述了采用本发明的二维-三维医学图像配准方法的DR双平板图像引导系统的成像几何及坐标系；图2描述了上述DR双平板图像引导系统的一种具体的实现结构；图3描述了上述DR双平板图像引导系统中的两个单平板坐标系。

如图1所示，第一X射线源发射的X射线穿透三维被成像体(病人)，在二维的第一成像平面上产生一个透视图像，该透视图像称为第一X射线图像；第二X射线源发射的X射线穿透三维被成像体(病人)，在二维的第二成像平面上产生一个透视图像，该透视图像称为第二X射线图像。

图1中，O_s1和O_s2分别表示第一X射线源和第二X射线源的中心坐标点，O_p1和O_p2分别表示第一成像平面和第二成像平面的中心；三维坐标系(oxyz)为病人坐标系，病人位置由六个参数来描述，包括三个平移参数(x，y，z)和三个转角参数(φ_x，φ_y，φ_z)。2D-3D图像配准就是使用两个X射线图像和一个三维图像(例如，CT图像)找到病人位置变化的六个参数(x，y，z，φ_x，φ_y，φ_z)。

如图1所示，第一X射线源的中心O_s1到第一成像平面的垂直线与第二X射线源的中心O_s2到第二成像平面的垂直线之间的夹角为2α；也就是说，第一成像平面与第二成像平面之间的夹角(三维被成像体所对的夹角)为180°-2α。

在将本发明应用于针对肺部等器官肿瘤的引导放射治疗时，可以将α值设定为大于等于25°且小于等于35°，以便得到更好的治疗效果；优选地，α＝30°。

图3中虚线的左右两侧分别描述了第一X射线源和第一成像平面所对应的平板1的三维坐标系(o₁x₁y₁z₁)、成像平面二维坐标系(o_p1x_p1y_p1)，以及第二X射线源和第二成像平面所对应的平板2的三维坐标系(o₂x₂y₂z₂)、成像平面二维坐标系(o_p2x_p2y_p2)。在每一个成像平面上，病人位置的变化由五个参数来描述：两个平面内平移参数(x_p，y_p)，平面内转角参数φ_z和两个平面外转角参数(φ_x，φ_y)。

本发明通过分别对平板1和平板2进行单平板2D-3D图像配准(即，使用单个X射线图像和与其对应的由三维CT图像或MRI图像生成的DRR图像库进行图像配准)，分别确定平板1和平板2的五个病人位置变化参数：(x_p1，y_p1，φ_z1，φ_x1，φ_y1)和(x_p2，y_p2，φ_z2，φ_x2，φ_y2)。

(x，y，z，φ_x，φ_y，φ_z)与(x_p1，y_p1，φ_z1，φ_x1，φ_y1)和(φ_p2，y_p2，φ_z2，φ_x2，φ_y2)的关系可以由以下公式确定：

x＝(a₁x_p1-a₂x_p2)/2            (公式1)

y＝(a₁y_p1-a₂y_p2)cosα         (公式2)

z＝(a₁y_p1+a₂y_p2)cosα         (公式3)

φ_x＝(φ_x1+φ_x2)/2            (公式4)

φ_y＝(φ_y1-φ_y2)cosα         (公式5)

φ_z＝(φ_z1+φ_z2)cosα         (公式6)

其中：常数a₁和a₂为成像几何转换系数：

$a_1=\frac{\left|{\mathrm{OO}}_{s1}\right|}{\left|O_{s1}{O}_{p1}\right|},$ $a_2=\frac{\left|{\mathrm{OO}}_{s2}\right|}{\left|O_{s2}{O}_{p2}\right|}.$

根据上述公式，本发明将双平板2D-3D图像配准问题转化为两个单平板投影2D-3D图像配准和二维到三维的几何转换问题。

本发明描述了采用两个X射线数字投影图像(DR双平板)的图像引导技术中的2D-3D图像配准方法，该方法基于骨骼解剖或器官解剖特征，通过比较两个实时采集的二维X射线图像和三维CT或MRI(磁共振成像)图像，来确定病人的病灶在三维扫描时和放射治疗时的位置偏差，从而引导放射治疗系统调整病人位置，达到肿瘤精确放射治疗的效果。

在图像配准过程中，首先对三维的CT图像或MRI图像进行二维透视投影，生成数字重建透视图(Digitally Reconstructed Radiograph，简称DRR)图像库，作为图像配准的基准图像；然后，将实时采集的X射线图像作为被配准图像，用图像相似性测量比较X射线图像和DRR图像库，以探测病人在X射线成像与在CT/MRI扫描之间的位置变化。

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图4是本发明应用于双平板图像引导系统的二维-三维医学图像配准方法流程图。如图4所示，该方法包括如下步骤：

401，生成三维被成像体的三维图像，并分别离线生成沿第一成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和沿第二成像平面的平面外转角方向的第二DRR图像库；

DRR图像是利用CT/MRI扫描影像序列的数字化重建透视，是仿真的X射线透视图，生成DRR图像需要获知成像系统的几何参数，具体地说，需要获知X射线源和X射线探测器在成像系统坐标系中的准确位置以及X射线的投影方向。

上述沿第一成像平面的平面外转角为图3所示三维坐标系(o₁x₁y₁z₁)中绕x₁和y₁坐标轴方向的两个转角。

本步骤中，沿两个平面外转角方向离线生成的第一DRR图像库由不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x1，φ_y1)所对应的多个DRR图像组成。

离线生成第一DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义M₀₁个不同的平面外转角参数φ_x1和N₀₁个不同的平面外转角参数φ_y1，以生成M₀₁×N₀₁个不同的平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；其中，i＝1，2，...，M₀₁；j＝1，2，...，N₀₁。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含M₀₁×N₀₁个DRR图像的第一DRR图像库；M₀₁、N₀₁为大于1的整数。

本步骤中生成的第一DRR图像库中包含在比较大的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x1(i)，φ_y1(j))所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[0]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[0]，φ_{y1_L}[0]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[0]。

其中，φ_{x1_L}[0]和φ_{x1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[0]和φ_{y1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限。

本步骤中，φ_{x1_L}[0]和φ_{y1_L}[0]可以等于-10度；φ_{x1_H}[0]和φ_{y1_H}[0]可以等于+10度，而各φ_x1(i)之间的差值Δφ_x1[0]以及各φ_y1(j)之间的差值Δφ_y1[0](即角度间隔)可以较大(例如，角度间隔为1度)，即可满足初步估算的精度要求。

上述沿第二成像平面的平面外转角为图3所示三维坐标系(o₂x₂y₂z₂)中绕x₂和y₂坐标轴方向的两个转角。

本步骤中，沿两个平面外转角方向离线生成的第二DRR图像库由不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x2，φ_y2)所对应的多个DRR图像组成。

离线生成第二DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义M₀₂个不同的平面外转角参数φ_x2和N₀₂个不同的平面外转角参数φ_y2，以生成M₀₂×N₀₂个不同的平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；其中，i＝1，2，...，M₀₂；j＝1，2，...，N₀₂。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含M₀₂×N₀₂个DRR图像的第二DRR图像库。M₀₂、N₀₂为大于1的整数。

本步骤中生成的第二DRR图像库中包含在比较大的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x2(i)，φ_y2(j))所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：

φ_{x2_L}[0]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[0]，φ_{y2_L}[0]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[0]。

其中，φ_{x2_L}[0]和φ_{x2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[0]和φ_{y2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

本步骤中，φ_{x2_L}[0]和φ_{y2_L}[0]可以等于-10度；φ_{x2_H}[0]和φ_{y2_H}[0]可以等于+10度，而各φ_x2(i)之间的差值Δφ_x2[0]以及各φ_y2(j)之间的差值Δφ_y2[0](即角度间隔)可以较大(例如，角度间隔为1度)，即可满足初步估算的精度要求。

402，在平板1和平板2上分别实时采集三维被成像体的X射线图像，即实时采集第一成像平面的第一X射线图像和第二成像平面的第二X射线图像。

403，分别以离线生成的第一DRR图像库和第二DRR图像库中的基准DRR图像作为参考，对采集的第一X射线图像和第二X射线图像进行图像加强，使加强后的X射线图像与对应的DRR图像库中的DRR图像在视觉上相似，以提高图像配准的精度；

上述基准DRR图像可以是DRR图像库中两个平面外转角都为0度所对应的DRR图像。

本实施例中，可以采用如下方式实现X射线图像的加强：以基准DRR图像的直方图作为参考，调整X射线图像的直方图，使之与基准DRR图像的直方图达到最大限度的相似。当然，也可以采用现有技术中的其它方法实现X射线图像的加强。

本步骤为可选步骤。

404，将第一X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第一DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第一X射线图像的两个平面内平移参数(x_p1，y_p1)的值进行初步估算，得到估算值：(x_p1[0]，y_p1[0])；并将第二X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第二DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第二X射线图像的两个平面内平移参数(x_p2，y_p2)的值进行初步估算，得到估算值：(x_p2[0]，y_p2[0])；

具体地说，本步骤中可以在基准DRR图像上确定优化配准窗口，采用二维(2D)搜索法，在比较大的平移搜索范围内(例如，-40mm～+40mm)，根据优化配准窗口，对平面内平移参数(x_p1，y_p1)、(x_p2，y_p2)的值进行初步估算(即以优化配准窗口内的特征在X射线图像中寻找对应的位置)，分别得到估算值：(x_p1[0]，y_p1[0])和(x_p2[0]，y_p2[0])。

上述2D搜索法是指在规定的二维参数空间范围内，比较被配准图像与基准图像的相似性测量，以确定这两个参数的数值。本步骤中采用2D搜索法确定的参数为：平面内平移参数(x_p1，y_p1)和平面内平移参数(x_p2，y_p2)。

本发明中，相似性测量可以采用现有技术中的归一化相关相似法或互信息相似法，本文不再赘述。

优化配准窗口可以是基准DRR图像的一部分，也可以是整幅基准DRR图像。

本实施例中，可以采用如下方法确定优化配准窗口：在DRR图像感兴趣区内的不同位置，确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口；由于优化配准窗口应当包含更丰富的图像特征，以便提高对两个平面内平移的初步估算结果的精确度和可靠性，因此可以以梯度相加值作为图像特征，分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；然后，按照梯度相加值的大小，对所有配准窗口进行排序，选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口，作为优化配准窗口。

当然，计算图像特征的方法不限于计算图像梯度，也包括计算图像熵等其它方法。

以估算平面内平移参数(x_p1，y_p1)的值为例，如果如图5所示在第一DRR图像库中的基准DRR图像上确定了多个优化配准窗口，则可以针对每个优化配准窗口初步估算平面内平移参数(x_p1，y_p1)的值，再通过中值滤波器在各优化配准窗口所对应的平面内平移参数(x_p1，y_p1)估算值中选择一个估算值(x_p1[0]，y_p1[0])。估算平面内平移参数(x_p2，y_p2)的具体方法类似。

405，将第一X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第一DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第一X射线图像的平面内转角参数φ_z1的值进行初步估算，得到估算值：φ_z1[0]；并且将第二X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第二DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第二X射线图像的平面内转角参数φ_z2的值进行初步估算，得到估算值：φ_z2[0]；

具体地说，本步骤中可以采用一维(1D)搜索法，在比较大的转角搜索范围内(例如，-10度～+10度)，分别对平面内转角参数φ_z1和φ_z2的值进行初步估算，得到估算值：φ_z1[0]和φ_z2[0]。

上述1D搜索法是指在规定的一维参数空间范围内，比较被配准图像与基准图像的相似性测量，以确定这个参数的数值。本步骤中采用1D搜索法确定的参数为：平面内转角参数φ_z1和平面内转角参数φ_z2。

406，将第一X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第一DRR图像库中的所有DRR图像为基准，对第一X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x1，φ_y1)的值进行初步估算，得到估算值：(φ_x1[0]，φ_y1[0])；并且将第二X射线图像作为被配准图像，以离线生成的沿两个平面外转角方向的第二DRR图像库中的所有DRR图像为基准，对第二X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x2，φ_y2)的值进行初步估算，得到估算值：(φ_x2[0]，φ_y2[0])；

具体地说，本步骤中可以采用2D搜索法，在整个离线生成的第一DRR图像库的搜索范围内，对第一X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x1，φ_y1)的值进行初步估算，得到估算值：(φ_x1[0]，φ_y1[0])，在整个离线生成的第二DRR图像库的搜索范围内，对第二X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x2，φ_y2)的值进行初步估算，得到估算值：(φ_x2[0]，φ_y2[0])。

407，使用对第一X射线图像的平面内平移参数(x_p1，y_p1)、平面内转角参数φ_z1、平面外转角参数(φ_x1，φ_y1)的最新估算结果所对应的CT基准位置对三维图像进行调整，沿第一成像平面的两个平面外转角方向在线生成第一DRR图像库；并且使用对第二X射线图像的平面内平移参数(x_p2，y_p2)、平面内转角参数φ_z2、平面外转角参数(φ_x2，φ_y2)的最新估算结果所对应的CT基准位置对三维图像进行调整，沿第二成像平面的两个平面外转角方向在线生成第二DRR图像库；

第1次沿第一成像平面的两个平面外转角方向在线生成第一DRR图像库时，以步骤404～406中对各参数的估算结果：(x_p1[0]，y_p1[0])、φ_z1[0]、以及(φ_x1[0]，φ_y1[0])所对应的基准位置，在线生成第一DRR图像库；第k+1次沿第一成像平面的两个平面外转角方向在线生成第一DRR图像库时，则以步骤408～410中对各参数的估算结果：(x_p1[k]，y_p1[k])、φ_z1[k]、以及(φ_x1[k]，φ_y1[k])为基准位置，在线生成第一DRR图像库；k为沿两个平面外转角方向在线生成第一DRR图像库的次数。

在线生成第一DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义M_k1个不同的平面外转角φ_x1和N_k1个不同的平面外转角φ_y1，以生成M_k1×N_k1个不同的平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；其中，i＝1，2，...，M_k1；j＝1，2，...，N_k1。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含M_k1×N_k1个DRR图像的第一DRR图像库。M_k1、N_k1为大于1的整数。

本步骤中生成的第一DRR图像库包含在比较小的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x1(i)，φ_y1(j))所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[k]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[k]，φ_{y1_L}[k]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[k]。

其中，φ_{x1_L}[k]和φ_{x1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限。

本步骤中，由于需要进行更为精确的计算，φ_{x1_L}[k]和φ_{y1_L}[k]可以大于等于-2度；φ_{x1_H}[k]和φ_{y1_H}[k]可以小于等于+2度，而各φ_x1(i)之间的差值Δφ_x1[k]以及各φ_y1(j)之间的差值Δφ_y1[k](即角度间隔)应当较小，例如，角度间隔小于等于0.1度。

此外，由于可能需要重复执行本步骤，多次在线生成第一DRR图像库，因此，可以令：

φ_{x1_L}[k]＞φ_{x1_L}[k-1]，φ_{x1_H}[k]＜φ_{x1_H}[k-1]，Δφ_x1[k]＜Δφ_x1[k-1]；

φ_{y1_L}[k]＞φ_{y1_L}[k-1]，φ_{y1_H}[k]＜φ_{y1_H}[k-1]，Δφ_y1[k]＜Δφ_y1[k-1]。

第1次沿第二成像平面的两个平面外转角方向在线生成第二DRR图像库时，以步骤404～406中对各参数的估算结果：(x_p2[0]，y_p2[0])、φ_z2[0]、以及(φ_x2[0]，φ_y2[0])所对应的基准位置，在线生成第二DRR图像库；第k+1次沿第二成像平面的两个平面外转角方向在线生成第二DRR图像库时，则以步骤408～410中对各参数的估算结果：(x_p2[k]，y_p2[k])、φ_z2[k]、以及(φ_x2[k]，φ_y2[k])为基准位置，在线生成第二DRR图像库；k为沿两个平面外转角方向在线生成第二DRR图像库的次数。

在线生成第二DRR图像库时，需要在预先设定的角度范围内定义M_k2个不同的平面外转角φ_x2和N_k2个不同的平面外转角φ_y2，以生成M_k2×N_k2个不同的平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；其中，i＝1，2，...，M_k2；j＝1，2，...，N_k2。对每个角度组合生成一个对应于这两个平面外转角的DRR图像，从而生成包含M_k2×N_k2个DRR图像的第二DRR图像库。M_k2、N_k2为大于1的整数。

本步骤中生成的第二DRR图像库包含在比较小的角度范围内定义的不同角度组合的两个平面外转角参数(φ_x2(i)，φ_y2(j))所对应的DRR图像。也就是说，本步骤中，φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：

φ_{x2_L}[k]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[k]，φ_{y2_L}[k]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[k]。

其中，φ_{x2_L}[k]和φ_{x2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

本步骤中，由于需要进行更为精确的计算，φ_{x2_L}[k]和φ_{y2_L}[k]可以大于等于-2度；φ_{x2_H}[k]和φ_{y2_H}[k]可以小于等于+2度，而各φ_x2(i)之间的差值Δφ_x2[k]以及各φ_y2(j)之间的差值Δφ_y2[k](即角度间隔)应当较小，例如，角度间隔小于等于0.1度。

此外，由于可能需要重复执行本步骤，多次在线生成第二DRR图像库，因此，可以令：

φ_{x2_L}[k]＞φ_{x2_L}[k-1]，φ_{x2_H}[k]＜φ_{x2_H}[k-1]，Δφ_x2[k]＜Δφ_x2[k-1]；

φ_{y2_L}[k]＞φ_{y2_L}[k-1]，φ_{y2_H}[k]＜φ_{y2_H}[k-1]，Δφ_y2[k]＜Δφ_y2[k-1]。

408，采用2D搜索法，在比较小的平移搜索范围内(例如，-2mm～+2mm)，将第一X射线图像作为被配准图像，以第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第一DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第一X射线图像的两个平面内平移参数(x_p1，y_p1)的值进一步进行估算，得到估算值：(x_p1[k]，y_p1[k])；并将第二X射线图像作为被配准图像，以第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第二DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第二X射线图像的两个平面内平移参数(x_p2，y_p2)的值进行初步估算，得到估算值：(x_p2[k]，y_p2[k])。

409，采用1D搜索法，在比较小的转角搜索范围内(例如，-2度～+2度)，将第一X射线图像作为被配准图像，以第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第一DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第一X射线图像的平面内转角参数φ_z1的值进一步进行估算，得到估算值：φ_z1[k]；并将第二X射线图像作为被配准图像，以第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第二DRR图像库中的基准DRR图像为基准，对第二X射线图像的平面内转角参数φ_z2的值进一步进行估算，得到估算值：φ_z2[k]。

410，采用2D搜索法，将第一X射线图像作为被配准图像，在第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第一DRR图像库的所有DRR图像的搜索范围内，对第一X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x1，φ_y1)的值进一步进行估算，得到估算值：(φ_x1[k]，φ_y1[k])；并且将第二X射线图像作为被配准图像，在第k次沿两个平面外转角方向在线生成的第二DRR图像库的所有DRR图像的搜索范围内，对第二X射线图像的两个平面外转角参数(φ_x2，φ_y2)的值进一步进行估算，得到估算值：(φ_x2[k]，φ_y2[k])。

411，判断当前是否已满足参数估算精度要求，如果已满足，则执行下一步，如果未满足，则跳转至步骤407；

本步骤中，可以采用如下方式之一判断当前是否已满足参数估算精度要求：

方式一：迭代次数(即在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数)k是否等于预先设定的值N(例如，N＝2)，如果k＝N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k＜N，则判定未满足参数估算精度要求。

方式二：如果本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值的绝对值小于预先设定的参数差值，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；例如，当满足以下一个或多个条件时，判定已满足参数估算精度要求：

(1)|x_p1[k]-x_p1[k-1]|≤Δx_p1，Δx_p1为预先设定的参数x_p1的差值；

(2)|x_p2[k]-x_p2[k-1]|≤Δx_p2，Δx_p2为预先设定的参数x_p2的差值；

(3)|y_p1[k]-y_p1[k-1]|≤Δy_p1，Δy_p1为预先设定的参数y_p1的差值；

(4)|y_p2[k]-y_p2[k-1]|≤Δy_p2，Δy_p2为预先设定的参数y_p2的差值；

(5)|φ_z1[k]-φ_z1[k-1]|≤Δφ_z1，Δφ_z1为预先设定的参数φ_z1的差值；

(6)|φ_z2[k]-φ_z2[k-1]|≤Δφ_z2，Δφ_z2为预先设定的参数φ_z2的差值；

(7)|φ_x1[k]-φ_x1[k-1]|≤Δφ_x1，Δφ_x1为预先设定的参数φ_x1的差值；

(8)|φ_x2[k]-φ_x2[k-1]|≤Δφ_x2，Δφ_x2为预先设定的参数φ_x2的差值；

(9)|φ_y1[k]-φ_y1[k-1]|≤Δφ_y1，Δφ_y1为预先设定的参数φ_y1的差值；

(10)|φ_y2[k]-φ_y2[k-1]|≤Δφ_y2，Δφ_y2为预先设定的参数φ_y2的差值；

其中，k(k≥1)表示在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数，x_p1[k]、y_p1[k]、φ_z1[k]、φ_x1[k]、φ_y1[k]为基于第k次在线生成的第一DRR图像库估算得到的参数；x_p1[0]、y_p1[0]、φ_z1[0]、φ_x1[0]、φ_y1[0]为基于离线生成的第一DRR图像库估算得到的参数；x_p2[k]、y_p2[k]、φ_z2[k]、φ_x2[k]、φ_y2[k]为基于第k次在线生成的第二DRR图像库估算得到的参数；x_p2[0]、y_p2[0]、φ_z2[0]、φ_x2[0]、φ_y2[0]为基于离线生成的第二DRR图像库估算得到的参数。

412，计算图像配准结果的质量保证参数。

413，对计算得到的质量保证参数进行检验，如果检验通过(即图像配准成功)，则执行步骤414，否则执行步骤415；

计算和检验质量保证参数，是图像配准算法对自身配准结果的自身验证，计算及检验图像配准结果的质量保证参数可以采用现有技术中的多种方法实现，例如：

当采用归一化相关相似法作为图像配准的相似性测量法，对平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数的值进行估算时，分别得到对应于平面内平移参数、平面内转角参数和平面外转角参数的归一化相关系数，如果各归一化相关系数大于预先设定的某门限值，则通过质量保证参数的检验。

414，图像配准成功，输出图像配准结果，本流程结束；

图像配准结果可以是对上述参数估算结果并经过公式1～6转换得到的参数(x，y，z，φ_x，φ_y，φ_z)的值，当然也可以将

和

的最终估算值作为配准结果输出。

415，图像配准失败，没有可输出的图像配准结果，本流程结束。

图6为本发明二维-三维医学图像配准系统的结构示意图；如图6所示，该系统包含：第一X射线图像采集单元，第二X射线图像采集单元，三维图像生成单元，DRR图像库生成单元，图像配准单元，图像加强单元，质量保证参数检验单元；其中：

第一X射线图像采集单元，用于在第一成像平面采集并输出被成像体的第一X射线图像；第一X射线图像采集单元的成像平面称为第一成像平面；

第二X射线图像采集单元，用于在第二成像平面采集并输出被成像体的第二X射线图像；第二X射线图像采集单元的成像平面称为第二成像平面；

被成像体所对的第一成像平面与第二成像平面之间的夹角可以为180°-2α；其中，α大于等于25°且小于等于35°。

三维图像生成单元，用于生成被成像体的三维图像，并将其输出至DRR图像库生成单元；

三维图像生成单元可以是CT或MRI；

DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像分别离线生成沿第一X射线图像采集单元的第一成像平面和沿第二X射线图像采集单元的第二成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和第二DRR图像库，并输出离线生成的第一DRR图像库和第二DRR图像库中包含的DRR图像；

图像配准单元，用于将接收到的第一X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

图像配准单元，还用于将接收到的第二X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至图像配准单元；

DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至图像配准单元；

图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。

此外，本发明的二维-三维医学图像配准系统中还可以包含图像加强单元，用于接收第一X射线图像采集单元输出的第一X射线图像，并以接收到的离线生成的第一DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第一X射线图像进行图像加强，并将加强后的第一X射线图像输出至图像配准单元；

图像加强单元还可以用于接收第二X射线图像采集单元输出的第二X射线图像，并以接收到的离线生成的第二DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第二X射线图像进行图像加强，并将加强后的第二X射线图像输出至图像配准单元。

图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则图像配准单元和DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至图像配准单元判定满足参数估算精度要求：

图像配准单元将第一X射线图像的参数估算结果和第二X射线图像的参数估算结果输出至DRR图像库生成单元；DRR图像库生成单元以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至图像配准单元，并以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至图像配准单元；图像配准单元以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。

此外，本发明的二维-三维医学图像配准系统中还可以包含：质量保证参数检验单元；

图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至质量保证参数检验单元；

质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。

上述各单元的具体功能和参数详见图4所示方法流程中的描述。

综上所述，本发明基于双平板的的医学图像配准方法及系统采用X射线成像技术、基于体内解剖特征进行2D-3D医学图像配准，通过将两个在不同平板实时采集的二维X射线图像分别与离线和在线生成的DRR图像库进行对比，进行位置参数的估算，得到分别与两个平板的成像平面相对应的参数估算结果，并将其转换为一个三维的位置参数估算结果，最终确定病人的病灶在三维扫描时和放射治疗时的位置偏差，从而引导放射治疗系统调整病人位置，达到对肿瘤进行精确地放射治疗的效果。在图像引导放射治疗中，本方法可应用于颅脑、脊椎、肺、肝等部位的肿瘤定位和追踪。

由于本发明基于双平板的医学图像配准方法及系统基于沿平面外转角方向离线和在线生成的DRR图像库分别对平面内平移、平面内转角和平面外转角进行估算，降低了图像配准的复杂度，提高了配准速度、配准精度和配准的成功率。

Claims (24)

1.一种二维-三维医学图像配准方法，其特征在于，该方法包括：

A：生成被成像体的三维图像，并分别离线生成沿第一成像平面和沿第二成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和第二DRR图像库；

B：分别在第一成像平面和第二成像平面采集被成像体的第一X射线图像和第二X射线图像；

C：以离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，得到第一X射线图像的参数估算结果；并以离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，得到第二X射线图像的参数估算结果；

D：以第一X射线图像的最新参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库；并以第二X射线图像的最新参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库；

F：以最新在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；并以最新在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述步骤B和C之间，还包括如下步骤：

B1：以所述离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为参考，对所述第一X射线图像进行图像加强；并以所述离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为参考，对所述第二X射线图像进行图像加强。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述步骤F之后还包括如下步骤：

G：判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则重复执行步骤D及后续步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述步骤G中，如果判定已满足参数估算精度要求，则执行如下步骤：

H：计算参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。

5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，

采用如下方式离线生成所述第一DRR图像库：

A01：设定包含M₀₁个不同的平面外转角参数φ_x1和N₀₁个不同的平面外转角参数φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：φ_{x1_L}[0]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[0]，φ_{y1_L}[0]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[0]；

A02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₁×N₀₁个DRR图像的第一DRR图像库；

步骤A01和A02中，i＝1，2，...，M₀₁；j＝1，2，...，N₀₁；M₀₁、N₀₁为大于1的整数；φ_{x1_L}[0]和φ_{x1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[0]和φ_{y1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

采用如下方式离线生成所述第二DRR图像库：

A11：设定包含M₀₂个不同的平面外转角参数φ_x2和N₀₂个不同的平面外转角参数φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[0]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[0]，φ_{y2_L}[0]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[0]；

A12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₂×N₀₂个DRR图像的第二DRR图像库；

步骤A11和A12中，i＝1，2，...，M₀₂；j＝1，2，...，N₀₂；M₀₂、N₀₂为大于1的整数；φ_{x2_L}[0]和φ_{x2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[0]和φ_{y2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

采用如下方式第k次在线生成第一DRR图像库：

D01：设定包含M_k1个不同的平面外转角φ_x1和N_k1个不同的平面外转角φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[k]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[k]，φ_{y1_L}[k]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[k]；

D02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k1×N_k1个DRR图像的第一DRR图像库；

步骤D01和D02中，i＝1，2，...，M_k1；j＝1，2，...，N_k1；M_k1、N_k1为大于1的整数；φ_{x1_L}[k]和φ_{x1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

采用如下方式第k次在线生成第二DRR图像库：

D11：设定包含M_k2个不同的平面外转角φ_x2和N_k2个不同的平面外转角φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[k]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[k]，φ_{y2_L}[k]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[k]；

D12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k2×N_k2个DRR图像的第二DRR图像库；

步骤D11和D12中，i＝1，2，...，M_k2；j＝1，2，...，N_k2；M_k2、N_k2为大于1的整数；φ_{x2_L}[k]和φ_{x2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

φ_{x1_L}[k]、φ_{x1_H}[k]、φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别满足：

φ_{x1_L}[k]＞φ_{x1_L}[k-1]；

φ_{x1_H}[k]＜φ_{x1_H}[k-1]；

φ_{y1_L}[k]＞φ_{y1_L}[k-1]，

φ_{y1_H}[k]＜φ_{y1_H}[k-1]；

φ_{x2_L}[k]、φ_{x2_H}[k]、φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别满足：

φ_{x2_L}[k]＞φ_{x2_L}[k-1]；

φ_{x2_H}[k]＜φ_{x2_H}[k-1]；

φ_{y2_L}[k]＞φ_{y2_L}[k-1]；

φ_{y2_H}[k]＜φ_{y2_H}[k-1]。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

离线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[0]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[0]；第k次在线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[k]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[k]；

Δφ_x1[k]和Δφ_y1[k]分别满足：Δφ_x1[k]＜Δφ_x1[k-1]；Δφ_y1[k]＜Δφ_y1[k-1]；

离线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[0]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[0]；第k次在线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[k]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[k]；

Δφ_x2[k]和Δφ_y2[k]分别满足：Δφ_x2[k]＜Δφ_x2[k-1]；Δφ_y2[k]＜Δφ_y2[k-1]。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤C中，采用如下方式对第一X射线图像和第二X射线图像的平面内平移参数进行估算：

C01：在DRR图像上确定优化配准窗口；

C02：根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口：

C011：在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口；

C012：分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；

C013：选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

步骤G中，采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求：

方式一：判断在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k＝N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k＜N，则判定未满足参数估算精度要求；

方式二：判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种：第一X射线图像的平面内平移参数，第一X射线图像的平面内转角参数，第一X射线图像的平面外转角参数，第二X射线图像的平面内平移参数，第二X射线图像的平面内转角参数，第二X射线图像的平面外转角参数。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

被成像体所对的所述第一成像平面与所述第二成像平面之间的夹角为180°-2α；其中，α大于等于25°且小于等于35°。

13.一种二维-三维医学图像配准系统，包含：第一X射线图像采集单元，第二X射线图像采集单元，三维图像生成单元，其特征在于，该系统还包含：DRR图像库生成单元，图像配准单元；其中：

所述三维图像生成单元，用于生成被成像体的三维图像，并将其输出至DRR图像库生成单元；

所述DRR图像库生成单元，用于根据接收到的三维图像分别离线生成沿第一X射线图像采集单元的第一成像平面和沿第二X射线图像采集单元的第二成像平面的平面外转角方向的第一DRR图像库和第二DRR图像库，并输出离线生成的第一DRR图像库和第二DRR图像库中包含的DRR图像；

所述第一X射线图像采集单元，用于在第一成像平面采集并输出被成像体的第一X射线图像；

所述第二X射线图像采集单元，用于在第二成像平面采集并输出被成像体的第二X射线图像；

所述图像配准单元，用于将接收到的第一X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述图像配准单元，还用于将接收到的第二X射线图像作为被配准图像，以接收到的离线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述DRR图像库生成单元，还用于以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果；

所述图像配准单元，还用于以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并输出参数估算结果。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，

所述系统中还包含图像加强单元；

所述图像加强单元，用于接收所述第一X射线图像采集单元输出的第一X射线图像，并以接收到的离线生成的第一DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第一X射线图像进行图像加强，并将加强后的第一X射线图像输出至所述图像配准单元；

所述图像加强单元，还用于接收所述第二X射线图像采集单元输出的第二X射线图像，并以接收到的离线生成的第二DRR图像库中包含的DRR图像为参考，对第二X射线图像进行图像加强，并将加强后的第二X射线图像输出至所述图像配准单元。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，

所述图像配准单元，还用于判断是否已满足参数估算精度要求，如果未满足，则所述图像配准单元和所述DRR图像库生成单元重复执行如下操作，直至所述图像配准单元判定满足参数估算精度要求：

所述图像配准单元将第一X射线图像的参数估算结果和第二X射线图像的参数估算结果输出至所述DRR图像库生成单元；

所述DRR图像库生成单元以接收到的第一X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第一成像平面的两个平面外转角方向的第一DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元，并以接收到的第二X射线图像的参数估算结果作为基准位置对三维图像进行调整，在线生成沿第二成像平面的两个平面外转角方向的第二DRR图像库，并将其中包含的DRR图像输出至所述图像配准单元；

所述图像配准单元以接收到的在线生成的第一DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第一X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算，并以接收到的在线生成的第二DRR图像库中的DRR图像为基准图像，分别对第二X射线图像的平面内平移参数、和/或平面内转角参数、和/或平面外转角参数的值进行估算；

所述图像配准单元判断是否已满足参数估算精度要求。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，

所述系统中还包含：质量保证参数检验单元；

所述图像配准单元在判定已满足参数估算精度要求后，还用于将参数估算结果输出至所述质量保证参数检验单元；

所述质量保证参数检验单元，用于计算接收到的参数估算结果所对应的质量保证参数，并对其进行检验，如果检验通过，则输出图像配准结果。

17.如权利要求13或15所述的系统，其特征在于，

所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成第一DRR图像库：

A01：设定包含M₀₁个不同的平面外转角参数φ_x1和N₀₁个不同的平面外转角参数φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：φ_{x1_L}[0]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[0]，φ_{y1_L}[0]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[0]；

A02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₁×N₀₁个DRR图像的第一DRR图像库；

A01和A02中，i＝1，2，...，M₀₁；j＝1，2，...，N₀₁；M₀₁、N₀₁为大于1的整数；φ_{x1_L}[0]和φ_{x1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[0]和φ_{y1_H}[0]分别表示离线生成第一DRR图像库时平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

所述DRR图像库生成单元采用如下方式离线生成第二DRR图像库：

A11：设定包含M₀₂个不同的平面外转角参数φ_x2和N₀₂个不同的平面外转角参数φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[0]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[0]，φ_{y2_L}[0]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[0]；

A12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M₀₂×N₀₂个DRR图像的第二DRR图像库；

A11和A12中，i＝1，2，...，M₀₂；j＝1，2，...，N₀₂；M₀₂、N₀₂为大于1的整数；φ_{x2_L}[0]和φ_{x2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[0]和φ_{y2_H}[0]分别表示离线生成第二DRR图像库时平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，

所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成第一DRR图像库：

D01：设定包含M_k1个不同的平面外转角φ_x1和N_k1个不同的平面外转角φ_y1的不同平面外转角参数组合(φ_x1(i)，φ_y1(j))；φ_x1(i)和φ_y1(j)分别满足：

φ_{x1_L}[k]≤φ_x1(i)≤φ_{x1_H}[k]，φ_{y1_L}[k]≤φ_y1(j)≤φ_{y1_H}[k]；

D02：对每一(φ_x1(i)，φ_y1(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k1×N_k1个DRR图像的第一DRR图像库；

D01和D02中，i＝1，2，...，M_k1；j＝1，2，...，N_k1；M_k1、N_k1为大于1的整数；φ_{x1_L}[k]和φ_{x1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_x1(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别表示第k次在线生成第一DRR图像库时，平面外转角参数φ_y1(j)的取值范围的下限和上限；

所述DRR图像库生成单元采用如下方式第k次在线生成第二DRR图像库：

D11：设定包含M_k2个不同的平面外转角φ_x2和N_k2个不同的平面外转角φ_y2的不同平面外转角参数组合(φ_x2(i)，φ_y2(j))；φ_x2(i)和φ_y2(j)分别满足：φ_{x2_L}[k]≤φ_x2(i)≤φ_{x2_H}[k]，φ_{y2_L}[k]≤φ_y2(j)≤φ_{y2_H}[k]；

D12：对每一(φ_x2(i)，φ_y2(j))生成一个对应的DRR图像，从而生成包含M_k2×N_k2个DRR图像的第二DRR图像库；

D11和D12中，i＝1，2，...，M_k2；j＝1，2，...，N_k2；M_k2、N_k2为大于1的整数；φ_{x2_L}[k]和φ_{x2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_x2(i)的取值范围的下限和上限；φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别表示第k次在线生成第二DRR图像库时，平面外转角参数φ_y2(j)的取值范围的下限和上限。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，

φ_{x1_L}[k]、φ_{x1_H}[k]、φ_{y1_L}[k]和φ_{y1_H}[k]分别满足：

φ_{x1_L}[k]＞φ_{x1_L}[k-1]；

φ_{x1_H}[k]＜φ_{x1_H}[k-1]；

φ_{y1_L}[k]＞φ_{y1_L}[k-1]，

φ_{y1_H}[k]＜φ_{y1_H}[k-1]；

φ_{x2_L}[k]、φ_{x2_H}[k]、φ_{y2_L}[k]和φ_{y2_H}[k]分别满足：

φ_{x2_L}[k]＞φ_{x2_L}[k-1]；

φ_{x2_H}[k]＜φ_{x2_H}[k-1]；

φ_{y2_L}[k]＞φ_{y2_L}[k-1]；

φ_{y2_H}[k]＜φ_{y2_H}[k-1]。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，

所述DRR图像库生成单元离线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[0]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[0]；第k次在线生成第一DRR图像库时，各φ_x1(i)之间的差值为Δφ_x1[k]，各φ_y1(j)之间的差值为Δφ_y1[k]；

Δφ_x1[k]和Δφ_y1[k]分别满足：Δφ_x1[k]＜Δφ_x1[k-1]；Δφ_y1[k]＜Δφ_y1[k-1]；

所述DRR图像库生成单元离线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[0]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[0]；第k次在线生成第二DRR图像库时，各φ_x2(i)之间的差值为Δφ_x2[k]，各φ_y2(j)之间的差值为Δφ_y2[k]；

Δφ_x2[k]和Δφ_y2[k]分别满足：Δφ_x2[k]＜Δφ_x2[k-1]；Δφ_y2[k]＜Δφ_y2[k-1]。

21.如权利要求13所述的系统，其特征在于，

所述图像配准单元采用如下方式对第一X射线图像和第二X射线图像的平面内平移参数进行估算：

在DRR图像上确定优化配准窗口；

根据确定的优化配准窗口对平面内平移参数进行估算。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，

所述图像配准单元采用如下方式在DRR图像上确定优化配准窗口：

在DRR图像的感兴趣区内的不同位置确定多个尺寸小于感兴趣区的配准窗口；

分别计算多个配准窗口内图像的梯度值并相加，得到各配准窗口的梯度相加值；

选取梯度相加值大的一个或多个配准窗口作为优化配准窗口。

23.如权利要求15所述的系统，其特征在于，

所述图像配准单元采用如下方式之一判断是否已满足参数估算精度要求：

方式一：判断在线生成第一DRR图像库和第二DRR图像库的次数k是否等于预先设定的值N，如果k＝N，则判定已满足参数估算精度要求；如果k＜N，则判定未满足参数估算精度要求；

方式二：判断本次估算的参数值与上一次估算的相应参数值的差值是否小于预先设定的参数差值，如果小于，则判定已满足参数估算精度要求；否则，判定未满足参数估算精度要求；所述参数值包括以下一种或多种：第一X射线图像的平面内平移参数，第一X射线图像的平面内转角参数，第一X射线图像的平面外转角参数，第二X射线图像的平面内平移参数，第二X射线图像的平面内转角参数，第二X射线图像的平面外转角参数。

24.如权利要求13所述的系统，其特征在于，

被成像体所对的所述第一成像平面与所述第二成像平面之间的夹角为180°-2α；其中，α大于等于25°且小于等于35°。

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