CN105816196A - 用于4dct成像的标记带及4dct成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法，在4DCT成像方法中采用在待成像物体的活动区域上粘附标记带，根据采集待成像物体的活动区域的投影图像，投影图像中至少具有一组标记物；提取并识别投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使投影图像中的标记物与标记带上的标记物彼此对应；计算标记物的位置；以及根据所述标记物的位置信息获得所述活动区域的活动曲线。由于各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，从而较好的表征不同时刻扫描标记带的位置，根据标记物的位置从而获得活动区域的活动曲线，提高了计算结果的精准度，简化了医生的操作流程，加快了运算速度，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法。
背景技术
近年来，以通过照射各种放射线而使肿瘤细胞坏死为目的的放射线治疗逐渐普及。作为所使用的放射线，不仅最普遍使用的X射线，使用以质子为代表的粒子线的治疗也开始普及。
放射线治疗需要相对于照射放射线的位置、患部的状态事先制定详细的计划，以利用治疗计划装置事先得到向患部及患部周围的期望的剂量分布的方式决定照射量、照射位置。在事先计划时确认患者体内的肿瘤分布的方法普遍是X射线CT图像(以下称为CT图像)。患部位置的指定、基于患部位置的指定的体内的剂量分布计算也普遍使用CT图像进行。
在照射时也期望按计划进行照射，但实际上由各种原因引起的误差会产生影响。该误差主要原因除了装置自身的误差、定位时的误差，还列举由呼吸、心跳引起的照射中的患部的运动。呼吸、心跳之类的患部的运动根据患者、目标部位而不同，因此难以评价。
以定量地评价患部的运动对剂量分布带来的影响的目的，考虑预测在CT图像上具有时间变动的信息的患部周围的器官的运动，提出了四维计算机断层扫描(4DCT)，也就是具有时间信息的四维(4D)CT图像，4DCT的信息允许放射肿瘤学家计划用于移动肿瘤的准确治疗，在呼吸周期内在预定特定间隔内传送放射线，并且较大的降低了治疗相关的副作用的风险。
例如，就呼吸的运动而言，通常从呼吸的CT图像得到吸气的状态、或呼气的状态的周期中的某个时间点的3DCT图像。CT重建人体的胸腹部，由于呼吸会引发重建图像的运动伪影，扭曲器官的形状，从而影响放疗计划时肿瘤靶区的精确勾画，不利于肿瘤的精准定位。
为了获得包含器官运动信息的三维CT图像(即4DCT成像)，现有的4DCT成像系统中，一类方法如专利号为US7443946B2所披露的，通过引入外置呼吸监控装置(例如普遍使用的装置如呼吸带或呼吸肌力测试仪(RPM))，在CT扫描患者的过程中同时记录患者呼吸波形，但是该方法基于呼吸监控装置获得呼吸波形，随着硬件的进步，对于测量精度也要求更高。但是现存的问题是满足测量精度的需求下，需要增加医生的操作流程(给患者安装等操作步骤)，增加了操作复杂度，此外，由于获得的呼吸曲线是平均值，不能反映胸腹不同部位的运动不同步。另一类方法如专利号为US8989472B2所披露的，不引入外置呼吸监控装置，而是通过处理算法得到4DCT序列，但是该方法存在的不足是处理算法较为复杂，运算耗时较久。
针对4DCT成像系统存在的上述问题，本领域技术人员一直在寻找满足这一需求的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法，以解决采用现有4DCT成像的方法由于依赖外置装置，导致成本较高、医生操作流程复杂及运算耗时较久的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于4DCT成像的标记带，所述标记带包括：带本体以及布置在所述带本体上的多个标记物，所述多个标记物组合成标记物数量均相同的多组，每组标记物包括至少一个或者至少两个依次排列的标记物，其中，各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，并且至少一组标记物在单次计算机断层扫描中被扫描到。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述标记物与所述带本体相比由更透X光的材料制成。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述带本体由低原子序数的材料制成。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述带本体由低密度材料制成。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，在一组标记物中，至少具有一个材料与其他标记物不同的标记物。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，在一组标记物中，至少具有一个标记物的材料的密度比其他标记物中至少一个标记物更大。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，在一组标记物中，至少具有一个体积与其他标记物不同的标记物。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，在一组标记物中，任意两个标记物的投影直径相差的尺寸至少超过探测器的成像晶元尺寸。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述多个标记物大致沿所述带本体的长度方向排列。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述每组的标记物的数量为3个。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述一组标记物沿支撑台的纵向方向的总长度不大于计算机断层扫描装置的准直器在等中心平面限定的宽度。
可选的，在所述的4DCT成像系统中，所述每组标记物的成像式样由各个标记物的成像几何特征和各个标记物成像的灰度值中的至少其中之一和所有标记物的成像排列顺序决定。
本发明还提供一种4DCT成像方法，所述4DCT成像方法包括：
将所述标记带贴附在待成像物体的活动区域上；
采集所述待成像物体的活动区域的投影图像，所述投影图像中至少具有一组标记物；
提取并识别所述投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使所述投影图像中的标记物与标记带上的标记物彼此对应；
计算所述标记物的位置；以及
根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线。
可选的，在所述成像方法中，还包括基于所述活动曲线获得活动区域的活动参数信息。
可选的，在所述成像方法中，所述活动参数信息包括周期、相位和幅值中的至少一种。
可选的，在所述成像方法中，在所述提取并识别所述投影图像中的标记物信息的步骤中，所述提取是通过图像分割算法实现的。
可选的，在所述成像方法中，在所述提取并识别所述投影图像中的标记物信息的步骤中，所述识别是通过几何特征和/或灰度特征识别实现的。
可选的，在所述成像方法中，所述计算所述标记物的位置是根据标记物在投影图像中的像素位置和投影图形对应的机架角度确定的。
可选的，在所述成像方法中，根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线是通过拟合所述标记物随时间而变化的位置来实现的。
可选的，在所述成像方法中，在采集所述待成像物体的活动区域的投影图像的步骤中，使用与所述活动区域的最大活动方向呈80-100度或者260-280度的角度的投影信息。
可选的，在所述成像方法中，所述待成像物体为人体，所述活动区域为胸腹区域。
在本发明所提供的用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法中，在4DCT成像方法中采用在待成像物体的活动区域上粘附标记带，根据采集待成像物体的活动区域的投影图像，投影图像中至少具有一组标记物；提取并识别投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使投影图像中的标记物与标记带上的标记物彼此对应；计算标记物的位置；以及根据所述标记物的位置信息获得所述活动区域的活动曲线。由于各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，从而较好的表征不同时刻扫描标记带的位置，根据标记物的位置从而获得活动区域的活动曲线，提高了计算结果的精准度，简化了医生的操作流程，加快了运算速度，降低了成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中标记带用于4DCT成像时的结构示意图；
图2是本发明另一实施例中的4DCT成像方法的流程图；
图3是本发明另一实施例中活动曲线的示意图。
图1中：球管-1；扇形束-2；带本体-30；标记物-31；待成像物体-4；探测器-5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
请参考图1，其为本发明的标记带用于4DCT成像时的结构示意图。所述标记带3包括：带本体30以及布置在所述带本体上的多个标记物31，所述多个标记物31组合成标记物数量均相同的多组，每组标记物31包括至少一个或者至少两个依次排列的标记物31，其中，各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，并且至少一组标记物在单次计算机断层扫描中被扫描到。
其中，所述标记物与所述带本体相比由更透X光的材料制成，从而在扫描后可以较为清楚的感测到标记物的成像，利于后续对标记物的位置的计算。所述带本体由低原子序数的材料制成，例如低密度材料，优选的，如PMMA或PVC。此外，也可以采用橡胶制成。
本实施例中，在一组标记物中，至少具有一个材料与其他标记物不同的标记物，例如，至少具有一个标记物的材料的密度比其他标记物中至少一个标记物更大，至少具有一个体积与其他标记物不同的标记物。
为了确保扫描时探测器可以探测出扫描范围内的标记物，要求每组标记物中，任意两个标记物的投影直径相差的尺寸至少超过探测器的成像晶元尺寸，优选的相差尺寸为1mm。
如图1所示，带本体30上的多个标记物31大致沿带本体30的长度方向排列，包括多个标记物沿带本体30的长度方向排列为一行的情况或者多个标记物中标记物穿插排列，多个标记物的整体沿带本体30的长度方向排列。优选的，所述一组标记物沿支撑台的纵向方向的总长度不大于计算机断层扫描设备(如CT)的准直器在等中心平面限定的宽度。典型地，对于16排CT而言，该宽度通常为19.2mm，对于64排CT而言，该宽度通常为40mm。
其中，所述每组标记物的成像式样由各个标记物的成像几何特征和各个标记物成像的灰度值中的至少其中之一和所有标记物的成像排列顺序决定。例如，图1中带本体上具有9个标记物，带本体上的标记物包括A、B、C三种，标记物A、B由铝制成，标记物C由铁制成，标记物A、C的直径为3mm，标记物B的直径为1.5mm。标记物A与标记物B的不同之处在于成像尺寸，即，成像的几何特征，标记物C与标记物B的不同之处在于成像尺寸和成像的灰度值，标记物A与标记物C的不同之处在于成像的灰度值。以每组标记物有3个标记物从左往右分组，第一组为：A-B-C，第二组为：A-B-A，第三组为：A-B-B。然而，可以理解，B-C-A、B-A-A、C-A-B、A-A-B等都属于不同的式样，即，任选一组的成像式样均是唯一的。其中，带本体上相邻两个标记物31的间距范围可以为2mm～5mm，所述间距为两个标记物31的质心之间的间距。本实施例中，带本体上单次计算机断层扫描中被扫描到的标记物为五个半标记，包括第一组的所有标记物和第二组的部分标记物。
本领域普通技术人员应当可以理解，为了使前述实施例中的成像几何特征更明显地予以区别化，可以将标记物A制成球状，将标记物B制成三角形状，将标记物C制成正方体状。
本领域普通技术人员应当可以理解，在一种简化的实施例中，可以将每组的标记物设置成一个，且仅以成像几何特征来区别成像式样，例如，可以包括三个组，且分别代表三个组的三个标记物的大小在成像中差异明显。
本领域普通技术人员应当可以理解，在一种简化的实施例中，可以将每组的标记物设置成一个，且仅以成像灰度特征来区别成像式样，例如，可以包括三个组，且分别代表三个组的三个标记物的灰度在成像中差异明显，这是可以通过选择不同的制造材料来实现的。
实施例二
本实施例提供了一种4DCT成像方法，采用实施例一中所述的4DCT成像系统。下面参考图1及图2详细说明本实施例所述4DCT成像方法。
首先，执行步骤S1，将实施例一中所述的标记带3贴附在待成像物体4的活动区域上。具体的，在CT机工作前，准备工作为：在CT机上选择扫描协议和扫描参数，将标记带3设置于待成像物体4需要4D成像的位置(即活动区域)，例如，所述被测成像物体为人体时，所述活动区域为胸腹区域。
接着，执行步骤S2，获取所述待成像物体4的活动区域的投影图像，所述投影图像中至少具有一组标记物。具体的，所述CT机扫描时CT机的球管1发出扇形束2，扇形束2的覆盖范围(即CT机的扫描范围)覆盖带本体30上至少3个标记物31，由CT机的探测器5接收球管1发出的扇形束2，以采集获得投影图像，选择性地，可以在与所述活动区域的最大活动方向呈80-100度或者260-280度的角度进行至少一次投影。
接着，执行步骤S3，提取并识别所述投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使所述投影图像中的标记物与标记带3上的标记物彼此对应；优选的，通过图像分割算法提取所述投影图像中的标记物信息。优选地，通过成像几何特征和/或灰度特征来识别所述投影图像中的标记物信息。具体地，在执行该步骤时，可以先提取投影图像的标记物信息，然后，根据成像几何特征和/或成像灰度特征识别出投影图像的标记物信息，接着，可以采用例如线性查找方法遍历预存储的标记物的组别和成像特征之间的对应信息并确定成像的标记物的组别。在一种例子中，如果特定标记物与人体的特定位置的对应关系已经给定，则当标记物在投影图像中的成像式样与预存的特定成像式样匹配后即可得知投影图像中的标记物所对应的人体位置。在另一种例子中，特定标记物与人体的特定位置的对应关系没有被特定化，而且在后续的计算中，也无需知悉该对应关系，这是因为人体的胸腹部任一处的活动曲线基本相似且均能反映呼吸曲线或者说个体呼吸的特性，即使为了更精确地算出呼吸曲线，也可以通过算各点的诸如幅值的平均值来实现，而计算平均值是无需知悉各点与人体位置的对应情况的。在另一种例子中，如果特定标记物与人体的特定位置的对应关系没有被特定化，则可以根据图像重建的方式确定前述对应关系，后文会述及。
接着，执行步骤S4，计算所述标记物的位置；
具体的，所述计算所述标记物的位置可以根据标记物在投影图像中的像素位置来确定。
接着，执行步骤S5，根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线。优选的，根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线是通过拟合所述标记物随时间而变化的位置来实现的。当活动区域为胸腹区域时，此时活动曲线即为呼吸曲线。具体获得活动曲线步骤如下：
将投影角度为90度相邻的预定角度投影图中标记物的位置转换成相对于90度的位置，基于投影角度为90度相邻的预定角度转换后的每个标记物的位置拟合时间与位置的周期函数；和/或，将投影角度为270度相邻的预定角度投影图中标记物的位置转换成相对于270度的位置，基于投影角度为270度相邻的预定角度转换后的每个标记物的位置拟合时间与位置的周期函数；由于CT机在90度和270度位置时标记物在投影图像中能显示出较大位移量，因此选取90度和270度位置相邻的预定角度(比如80度、100度、260度、280度，解决数据量不够的问题)所在的投影图像。本实施例中通过三角余弦关系进行位置的转换。这里，基于投影角度为90度相邻的预定角度或投影角度为270度相邻的预定角度转换后的每个标记物的位置拟合时间与位置的周期函数(即活动曲线)。具体请参考图3，图3中“o”表示标记物初始位置，“*”表示标记物转换后位置”。
接着，执行步骤S6，基于所述活动曲线获得活动区域的活动参数信息。其中，所述活动参数信息包括周期、相位和幅值中的至少一种。如图3所示，本领域普通技术人员可以理解，在一种非限制性的实施例中，图3可以以表征，其中A表示振幅，B表示当t为0时在幅值坐标上的偏移量，其中，A、B、ω可以通过函数拟合得出，再根据ω＝2π/T，可以算得T。
较优选的，可以根据活动参数信息进行4D图像的重建，通常选用回顾式方法，对于时相的重建，需要利用活动曲线中的波峰或波谷对应的时间信息，对于幅值重建，需要利用活动曲线中的波峰和波谷及其对应的时间和幅值信息。
综上，在本发明所提供的用于4DCT成像的标记带及4DCT成像方法中，在4DCT成像方法中采用在待成像物体的活动区域上粘附标记带，根据采集待成像物体的活动区域的投影图像，投影图像中至少具有一组标记物；提取并识别投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使投影图像中的标记物与标记带上的标记物彼此对应；计算标记物的位置；以及根据所述标记物的位置信息获得所述活动区域的活动曲线。由于各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，从而较好的表征不同时刻扫描标记带的位置，根据标记物的位置从而获得活动区域的活动曲线，提高了计算结果的精准度，简化了医生的操作流程，加快了运算速度，降低了成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (21)
1.一种用于4DCT成像的标记带，包括带本体以及布置在所述带本体上的多个标记物，所述多个标记物组合成标记物数量均相同的多组，每组标记物包括至少一个或者至少两个依次排列的标记物，其中，各组标记物被配置的被计算机断层扫描的成像式样各不相同，并且至少一组标记物在单次计算机断层扫描中被扫描到。
2.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，所述标记物与所述带本体相比由更透X光的材料制成。
3.如权利要求2所述的标记带，其特征在于，所述带本体由低原子序数的材料制成。
4.如权利要求3所述的标记带，其特征在于，所述带本体由低密度材料制成。
5.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，在一组标记物中，至少具有一个材料与其他标记物不同的标记物。
6.如权利要求5所述的标记带，其特征在于，在一组标记物中，至少具有一个标记物的材料的密度比其他标记物中至少一个标记物更大。
7.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，在一组标记物中，至少具有一个体积与其他标记物不同的标记物。
8.如权利要求7所述的标记带，其特征在于，在一组标记物中，任意两个标记物的投影直径相差的尺寸至少超过探测器的成像晶元尺寸。
9.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，所述多个标记物大致沿所述带本体的长度方向排列。
10.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，所述每组的标记物的数量为3个。
11.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，所述一组标记物沿支撑台的纵向方向的总长度不大于计算机断层扫描装置的准直器在等中心平面限定的宽度。
12.如权利要求1所述的标记带，其特征在于，所述每组标记物的成像式样由各个标记物的成像几何特征和各个标记物成像的灰度值中的至少其中之一和所有标记物的成像排列顺序决定。
13.一种4DCT成像方法，采用如权利要求1至12中任一项所述的标记带，包括：
将所述标记带贴附在待成像物体的活动区域上；
采集所述待成像物体的活动区域的投影图像，所述投影图像中至少具有一组标记物；
提取并识别所述投影图像中的标记物信息并与预存储的所有标记物的成像式样的一组相匹配以使所述投影图像中的标记物与标记带上的标记物彼此对应；
计算所述标记物的位置；以及
根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线。
14.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，还包括基于所述活动曲线获得活动区域的活动参数信息。
15.如权利要求14所述的成像方法，其特征在于，所述活动参数信息包括周期、相位和幅值中的至少一种。
16.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，在所述提取并识别所述投影图像中的标记物信息的步骤中，所述提取是通过图像分割算法实现的。
17.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，在所述提取并识别所述投影图像中的标记物信息的步骤中，所述识别是通过识别几何特征和/或灰度特征实现的。
18.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，所述计算所述标记物的位置是根据标记物在投影图像中的像素位置和投影图形对应的机架角度确定的。
19.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，根据所述标记物的位置获得所述活动区域的活动曲线是通过拟合所述标记物随时间而变化的位置来实现的。
20.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，在采集所述待成像物体的活动区域的投影图像的步骤中，使用与所述活动区域的最大活动方向呈80-100度或者260-280度的角度的投影信息。
21.如权利要求13所述的成像方法，其特征在于，所述待成像物体为人体，所述活动区域为胸腹区域。
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