CN106355558A - 基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，先在不相邻的两层影像之上各勾画一个封闭的轮廓，分别定义为上层轮廓和下层轮廓；确定轮廓中心并判断两个几何中心是否分别在上、下层轮廓的内部；然后根据判断几何中心处于轮廓上的位置建立相应的对应点；基于各影像的sliceLocation进行线性插值，求得目标层的轮廓。本发明的有益效果主要体现在：根据几何中心所在位置的不同，使用不同的算法，既能克服基于角度建立对应点算法的不能处理凹形轮廓以及点不在轮廓内部的情况，也能解决基于距离最小值建立对应点算法当轮廓的差异较大时，无法得出较为合理的结果的难题。

Description

基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种插值方法，尤其是涉及一种基于插值方法，由几何中心位置判断层间轮廓线的方法。

背景技术

化疗、手术和放射治疗是当前肿瘤治疗的三大手段，治疗计划系统是放射治疗的重要组成部分。

放射治疗计划的主要目的是尽可能的对靶区实行高剂量同时使正常的组织所受影响最小，所以靶区的准确勾画对提高放疗疗效和减少不良反应具有重要的意义。随着对治疗的精度要求越来越高，扫描的层厚也越来越薄，这就导致了往往一个靶器官占据多层的影像，当需要去勾画轮廓时，需要医生对每层轮廓都去进行勾画，导致大量重复性的工作。当医生在影像上层创建一个轮廓，而在不相邻轮廓上的同一器官创建了另外一个轮廓，系统内查出较为精确的轮廓便显得尤为重要了，需要达到减少医生修改的次数且应与上下两层保持较高的相似度。

现有的一般采用邓小英等基于角度建立断层之间匹配点的线性插值算法，但当几何中心不在轮廓内部时，无法处理；而於文雪等提出的基于面积缩放的层间插值算法计算量大，实现复杂。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供了一种基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其具体包括如下步骤：

S1、勾画轮廓，在不相邻的两层影像之上各勾画一个封闭的轮廓，分别定义为上层轮廓和下层轮廓；

S2、确定轮廓中心，分别计算确定上、下两层轮廓的几何中心；

S3、判断中心，判断两个几何中心是否分别在上、下层轮廓的内部；

S4、建立对应点，根据判断几何中心处于轮廓上的位置建立相应的对应点；

S5、根据对应点求得目标层轮廓，基于各影像的slice Location进行线性插值，求得目标层的轮廓。

优选地，所述S4中建立对应点包括如下步骤：

S41、当上、下两层轮廓的几何中心均在轮廓内部时，在几何中心的基础上基于角度建立对应点；

S42、当存在几何中心不在轮廓内部时，平移使两轮廓的几何中心重合后，基于轮廓点的位置建立对应点。

优选地，所述S5中通过平移建立对应点后根据相似度的大小，选取不同组的对应点，再基于各影像的slice Location进行线性插值，求得目标层的轮廓。

优选地，所述S4建立对应点的方法为，当几何中心在轮廓的内部，基于几何中心将圆周等分，建立若干条直线，求得直线与轮廓的交点，找出轮廓上距该点最近的点作为对应点；对于起始层与终止层同一角度的直线，按上述方法选取的点作为对应点。

优选地，所述S5中基于各影像的sliceLocation进行线性插值具体步骤为，记起始层的sliceLocation为S_B，终止层的sliceLocation为S_E，目标层slice Location为S_G，则相似系数ω_BG和ω_EG的表达式为：目标层的轮廓可表示为：C_G＝ω_BGC_B+ω_EGC_E，其中C_G为目标层轮廓，C_B起始层轮廓，C_E终止层轮廓，所述影像的slice Location代表轮廓所在的位置，可由该参数求得目标层Goal与起始层Begin和终止层End的相似度ω_BG和ω_EG。

优选地，所述S4中基于轮廓点建立对应点的方法具体步骤为，当几何中心不在轮廓内部的时候，先通过平移使上、下两层的几何中心重合，然后先求得上层的某个点A与下层所有点的距离，选择距离最近的两个点B、C，然后在线段BC上线性插值D作为对应点，使得为起始层轮廓的所有点在下层轮廓上插值找到对应点；

同理，求得下层上某点A₁到上层所有点的距离，选择距离最小的两个点B₁、C₁，然后在线段B₁C₁上线性插值出点D₁作为对应点，使得为终止层轮廓的所有点在起始层轮廓上插值找到对应点。

优选地，当0＜ω_BG≤0.5时，选取起始层所有点的集合B与终止层插值计算出的点的集合E_B作为对应点，则目标层C_G可表示为：C_G＝ω_BGB+ω_EGE_B；当0.5＜ω_BG＜1，选取终止层所有点的集合E与起始层插值计算出的点的集合B_E作为对应点，则目标层C_G可表示为：C_G＝ω_BGB_E+ω_EGE。

本发明的有益效果主要体现在：根据几何中心所在位置的不同，使用不同的算法，既能克服基于角度建立对应点算法的不能处理凹形轮廓以及点不在轮廓内部的情况，也能解决基于距离最小值建立对应点算法当轮廓的差异较大时，无法得出较为合理的结果的难题。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的主要流程图。

图2：本发明在应用时的实物示意图。

具体实施方式

本发明揭示了一种基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，结合图1所示，具体包括如下步骤，

步骤一、在不相邻的两层影像上勾画轮廓，起始层轮廓Begin和终止层轮廓End；计算出起始层轮廓的面积S_B和终止层的面积S_E，具体计算方式为:所述x、y为射线和轮廓交点坐标，所述i是交点的序号，所述N为交点个数。

步骤二、计算起始层轮廓Begin和终止层轮廓End的几何中心。具体计算过方式为：

$G_x=\frac{1}{6S}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_i+x_{i+1}\right)\left(x_i{y}_{i+1}-x_{i+1}{y}_i\right),G_y=\frac{1}{6S}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(y_i+y_{i+1}\right)\left(x_i{y}_{i+1}-x_{i+1}{y}_i\right).$

步骤三、判断几何中心是否在勾画出的轮廓内，具体的，使用引射线法判断几何中心是否在轮廓的内部，从几何中心出发引一条射线，计算射线与多边形交点的数量。如果有奇数个交点，则说明点在内部，如果有偶数个交点，则说明在外部。

具体的，可以分别过Begin层几何中心G_B和End层几何中心G_E作一条斜率为0的直线，则上下两层过几何中心的直线方程l₁和l₂分别为：

l₁:y_B＝G_B.y，l₂:y_E＝G_E.y；

直线l₁与Begin层的交点构成集合A＝{A₁,A₂,A₃…}，直线l₂与End层的交点。构成集合B＝{B₁,B₂,B₃…},计算出集合A中点的横坐标小于等于G_B横坐标的点的数量m，集合B中点的横坐标小于等于G_E横坐标的点的数量n。若m，n均为奇数，则表示几何中心在轮廓内，反之表示几何中心在轮廓外部。

步骤四、当起始层轮廓Begin与终止层轮廓End的几何中心均在轮廓内部的时候，基于几何中心将圆周分为180等份，直线与X轴正方向的夹角α在0°～178°之间，每2°建立一条直线，则过几何中心的直线共有90条，与轮廓共有180个交点。

若直线采用其他斜率，则Begin层直线的斜率可表示k_B＝tan(α)，直线的截距可表示b_B＝G_B.y-tan(α)G_B.x，直线的方程可表示为l_B:y＝k_Bx+b_B，End层直线的斜率可表示k_E＝tan(α)，直线的截距可表示b_E＝G_E.y-tan(α)G_E.x，直线的方程可表示为l_E:y＝k_Ex+b_E。

对于斜率为tan(α)的直线l_B与Begin层的交点A₁,A₂，直线l_E与End层的交点为B₁,B₂，求出Begin层上距A₁,A₂距离最近的点C₁,C₂，End层上距B₁,B₂最近的点D₁,D₂。比较A₁,A₂与B₁,B₂两组点各自纵坐标的大小(若纵坐标相等，则对比横坐标)，若有A₁＞A₂，B₁＞B₂，则C₁,D₁为一组对应点，C₂,D₂C2，D2为一组对应点。依次将α角从0°变化到178°度，按上述法则，从Begin层上选取到180个点构成集合C，从End层上选取180个点构成集合D，作为匹配对应点。

具体计算交点的方法为在该步骤中，若过几何中心斜率为1的直线，与起始层轮廓Begin交于A₁、A₂两点和与终止层轮廓End交于B₁、B₂两点。找出起始层轮廓Begin上距A₁、A₂最近的两点A₁₁,A₂₂，终止层轮廓End上距B₁、B₂，最近的两个点B₁₁,B₂₂，并将A₁、A₂按纵坐标的大小进行排序(若纵坐标相等，则按横坐标大小进行排序)，B₁、B₂也按纵坐标大小进行排序(若纵坐标相等，则按横坐标大小进行排序)，假设结果为A₁＞A₂，B₁＞B₂，则将(A₁₁,B₁₁),(A₂₂,B₂₂)作为一组对应点存储。

步骤五、线性插值计算出中间层的轮廓点，记起始层的轮廓Begin为C_B，终止层的轮廓End为C_E，目标层轮廓Goal为C_G，为了描述目标层与起始层和终止层的相似程度，引入相似系数ω_BG和ω_EG，ω_BG表示目标层与起始层轮廓的相似度，ω_EG为表示目标层与终止层的相似度，二者的关系为：ω_BG+ω_EG＝1，这样目标层轮廓线C_G可表示为：C_G＝ω_BGC_B+ω_EGC_E，ω_BG和ω_EG由影像的sliceLocation来决定，根据DICOM协议，每组影像中的任意一张影像拥有一个sliceLocation，表示各层的位置，记起始层的slice Location为S_B，终止层的sliceLocation为S_E，目标层sliceLocation为S_G，则ω_BG和ω_EG的值由下式可得：

由集合C＝{C₀,C₁,C₂,…,C₁₇₉}与集合D＝{D₀,D₁,D₂,…,D₁₇₉}可以在目标层中插值计算出180个点构成集合G＝{G₀,G₁,G₂,…,G₁₇₉}，对集合G中的任意一点G_i(x_G,y_G)，可以由集合C中的点C_i(x_C,y_C)和集合D的点D_i(x_D,y_D)表示为：x_G＝ω_BGx_C+ω_EGx_D,y_G＝ω_BGy_C+ω_EGy_D。

由上式可以看出，目标层C_G离起始层C_B越近，ω_BG越大，就越相似于起始层C_B，反之，就越相似与终止层C_E。

步骤六、当几何中心不在轮廓内部的时候，先通过平移使起始层与终止层的几何中心重合，假设Begin有m个点，构成集合B(A₀,A₁,A₂,…,A_m-1)，End有n个点，构成集合E(B₀,B₁,B₂,…,B_n-1)，从A₀开始，找集合E中与其距离最近的两个点B₁和B₂，在线段B₁B₂上线性插值出点B₁₁作为对应点，使得：然后依次为集合B中的点在集合E中找到对应点B_i，构成集合E_B＝{B_i|i＝0,1,…,m-1}；从B₀开始，找集合B中与其距离最近的两个点A₁和A₂,在线段A₁A₂上线性插值出点A₁₁作为对应点，使得：然后依次为集合E中的点在集合B中找到对应点E_i，构成集合B_E＝{A_i|i＝0,1,…,n-1}。

记起始层的sliceLocation为S_B，终止层的sliceLocation为S_E，目标层sliceLocation为S_G，则相似系数ω_BG和ω_EG的表达式为：对于相似系数ω_BG，当0＜ω_BG≤0.5时，由集合B(A₀,A₁,A₂,…,A_m-1)与集合E_B＝{B_i|i＝0,1,…,m-}1在目标层共插值计算出m个点，构成集合G(G₀,G₁,G₂,…,G_m-1)，对于集合对集合G中的任意一点G_i(x_G,y_G)，可以由集合B中的点A_i(x_B,y_B)和集合E_B的点表示为：当0.5＜ω_BG＜1时，由集合E(B₀,B₁,B₂,…,B_n-1)与集合B_E＝{A_i|i＝0…,n-1},在目,标层1共插值计算出n个点，构成集合G(G₀,G₁,G₂,…,G_n-1)，对于集合对集合G中的任意一点G_i(x_G,y_G)，可以由集合E中的点B_i(x_E,y_E)和集合B_E中的点表示为：

把求得的匹配点反平移复原到原位置。

由步骤六中计算出来的对应点，若把集合B与集合E_B中对应的m个点作为匹配的对应点，按照步骤五中的方法进行层间插值，则目标层一定与Begin轮廓线相似。同理，如果把集合E和集合B_E中对应的n个点作为赢点点进行插值，其目标层一定与End层相似。所以分别从两个方向进行插值，其中：

${\mathrm{\&omega;}}_{BG}=\frac{S_G-S_E}{S_B-S_E},{\mathrm{\&omega;}}_{EG}=\frac{S_B-S_G}{S_B-S_E},C_G=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{BG}B+{\mathrm{\&omega;}}_{EG}{E}_B......0<{\mathrm{\&omega;}}_{BG}\&le;0.5\\ {\mathrm{\&omega;}}_{BG}{B}_E+{\mathrm{\&omega;}}_{EG}E......0.5<{\mathrm{\&omega;}}_{BG}<1\end{array}\right..$

为了更形象的展示本方法的有益效果，图2为具体对于人体肺部的勾画，第一张和最后一张为勾画出来的轮廓，中间层为插值计算出来的轮廓。由此表明，插值效果较好，轮廓的相似度较高。医生只需对个别区域进行修改即可。

本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：

S1、勾画轮廓，在不相邻的两层影像之上各勾画一个封闭的轮廓，分别定义为上层轮廓和下层轮廓；

S2、确定轮廓中心，分别计算确定上、下两层轮廓的几何中心；

S3、判断中心，判断两个几何中心是否分别在上、下层轮廓的内部；

S4、建立对应点，根据判断几何中心处于轮廓上的位置建立相应的对应点；

S5、根据对应点求得目标层轮廓，基于各影像的sliceLocation进行线性插值，求得目标层的轮廓。

2.根据权利要求1所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：所述S4中建立对应点包括如下步骤：

S41、当上、下两层轮廓的几何中心均在轮廓内部时，在几何中心的基础上基于角度建立对应点；

S42、当存在几何中心不在轮廓内部时，平移使两轮廓的几何中心重合后，基于轮廓点的位置建立对应点。

3.根据权利要求2所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：所述S5中通过平移建立对应点后根据相似度的大小，选取不同组的对应点，再基于各影像的sliceLocation进行线性插值，求得目标层的轮廓。

4.根据权利要求1所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：所述S4建立对应点的方法为，当几何中心在轮廓的内部，基于几何中心将圆周等分，建立若干条直线，求得直线与轮廓的交点，找出轮廓上距该点最近的点作为对应点；对于起始层与终止层同一角度的直线，按上述方法选取的点作为对应点。

5.根据权利要求1所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：所述S5中基于各影像的sliceLocation进行线性插值具体步骤为，记起始层的sliceLocation为S_B，终止层的sliceLocation为S_E，目标层sliceLocation为S_G，则相似系数ω_BG和ω_EG的表达式为：目标层的轮廓可表示为：C_G＝ω_BGC_B+ω_EGC_E，其中C_G为目标层轮廓，C_B起始层轮廓，C_E终止层轮廓，所述影像的sliceLocation代表轮廓所在的位置，可由该参数求得目标层Goal与起始层Begin和终止层End的相似度ω_BG和ω_EG。

6.根据权利要求1所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：所述S4中基于轮廓点建立对应点的方法具体步骤为，当几何中心不在轮廓内部的时候，先通过平移使上、下两层的几何中心重合，然后先求得上层的某个点A与下层所有点的距离，选择距离最近的两个点B、C，然后在线段BC上线性插值D作为对应点，使得为起始层轮廓的所有点在下层轮廓上插值找到对应点；

同理，求得下层上某点A₁到上层所有点的距离，选择距离最小的两个点B₁、C₁，然后在线段B₁C₁上线性插值出点D₁作为对应点，使得为终止层轮廓的所有点在起始层轮廓上插值找到对应点。

7.根据权利要求5所述的基于插值方法由几何中心位置判断层间轮廓线的方法，其特征在于：当0＜ω_BG≤0.5时，选取起始层所有点的集合B与终止层插值计算出的点的集合E_B作为对应点，则目标层C_G可表示为：C_G＝ω_BGB+ω_EGE_B；当0.5＜ω_BG＜1，选取终止层所有点的集合E与起始层插值计算出的点的集合B_E作为对应点，则目标层C_G可表示为：C_G＝ω_BGB_E+ω_EGE。