CN108470357B - 耦合呼吸时相的弹性配准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合呼吸时相的弹性配准方法，将治疗过程中X射线图像与4D CT图像进行结合，基于X射线透视成像提取呼吸信号，采用4D CT不同时相图像对应X射线透视图像，将呼吸时相信息耦合到治疗前和治疗过程中的弹性配准当中，根据相似性测度对配准结果进行实时更新，通过金字塔多分辨率配准同时调节邻域灰度范围与配准图像的范围，使配准范围呈缩小态势，能够更快速和精确得到弹性配准结果，使弹性配准达到既快又优，进一步提高医学图像的配准质量。

Description

耦合呼吸时相的弹性配准方法
技术领域
本发明涉及肿瘤放射治疗和手术导航过程中的医学图像配准和摆位验证领域，特别是涉及一种耦合呼吸时相的弹性配准方法。
背景技术
对于胸腹部肿瘤如肺癌、肝癌、胰腺癌等，肿瘤运动会受到呼吸运动的影响而出现位置偏差，特别是在治疗过程中，肿瘤与周围正常组织器官之间的相对位置会发生一定程度的改变，同时还存在解剖结构形变等误差，严重影响了人体内剂量分布，降低了治疗效果，甚至会带来多种放疗并发症的产生。医学图像配准是肿瘤靶区勾画和放射治疗前摆位验证的核心。医学图像配准按照空间变换关系可分为刚性配准与弹性配准两种。刚性配准结果取得的是图像整体平移、旋转或缩放尺度，无法实现器官在配准过程中的局部形变。弹性配准将图像看作是一个弹性物体，在内外力的相互作用下使图像向外拉伸、向内压缩、弯曲或扭转，不断迭代驱动浮动图像发生局部形变最终与参考图像对齐，适用于处理器官在配准过程中的局部形变。
胸腹部器官在治疗过程中受到心脏跳动、肠胃蠕动、呼吸运动等因素影响会产生局部形变。为了降低病人在整个治疗过程中胸腹部呼吸运动及肿瘤形态变化对放射治疗疗效的影响，需要在整个治疗过程中采集病人不同时期或同一时期不同呼吸时相的图像进行精确快速的配准以便快速的确定下一步治疗方案，因此弹性配准的精确性对胸腹部肿瘤的治疗精度具有重要意义。传统CT图像配准大多考虑图像与图像之间的静态配准，而很少考虑到呼吸运动控制场合下图像与图像之间的动态配准，因此亟需提供一种新型的耦合呼吸时相的弹性配准方法来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耦合呼吸时相的弹性配准方法，能够显著提高弹性配准的速度和精确性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种耦合呼吸时相的弹性配准方法，包括以下步骤：
(1)基于X射线透视成像提取呼吸信号，将X射线的图像信息及不同呼吸相位图像的时序信息进行对应；获取并分析4D CT每个时相下不同位置的CT片之间对应关系；
(2)利用步骤(1)中采集得到的X射线透视图像和4D CT中各个时相的CT片之间的对应关系，将放射治疗过程中X射线透视图像与4D CT图像进行结合，利用4D CT提供的呼吸时序信息建立与X射线透视图像中呼吸时序信号的对应规则；
(3)利用步骤(2)中得到的耦合呼吸时相信息的X射线图像和4D CT图像，用于放射治疗前和放射治疗过程中的弹性配准当中，根据相似性测度对配准结果进行实时更新，通过金字塔多分辨率配准同时调节邻域灰度范围与配准图像的范围，确定出肿瘤位置的摆位误差。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤(2)中，4D CT提供的呼吸时序信息与X射线透视图像中呼吸时序信号的对应规则的建立过程为：
对已有的4D CT图像进行图像滤波、图像层间插值，提取图像物理信息和呼吸时相信息；采集全呼吸周期下X射线透视图像得到多个时相的2D X射线图像，基于二维图像中的标记点信息提取呼吸信号，进而通过2D和4D图像的配准，建立4D CT中的呼吸时序信息与X射线图像中的呼吸时序信号的对应规则。
在本发明一个较佳实施例中，在步骤(3)中，进行相似性测度时，当待配准图像的灰度均方误差或梯度均方误差达到最小值时，配准结束并反馈待配准图像对应的呼吸时相，再将待配准图像对应呼吸时相上的图像取出叠加到配准图像上完成配准。
本发明的有益效果是：本发明所述弹性配准方法同时关心X射线的图像信息及不同呼吸相位图像的时序信息与图像信息，将治疗过程中X射线图像与4D CT图像进行结合，基于X射线透视成像提取呼吸信号，采用4D CT不同时相图像对应X射线透视图像，将呼吸时相信息耦合到治疗前和治疗过程中的弹性配准当中，根据相似性测度对配准结果进行实时更新，通过金字塔多分辨率配准同时调节邻域灰度范围与配准图像的范围，使配准范围呈缩小态势，能够更快速和精确得到弹性配准结果，使弹性配准达到既快又优，进一步提高医学图像的配准质量。
附图说明
图1是本发明耦合呼吸时相的弹性配准方法一较佳实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
采用一组肺癌病人在自由深呼吸模式下的4D肺部CT图像作为测试用例，采集到的图像的体积为512×512×640，分辨率为0.97×0.97×0.5mm3。首先采集4D肺部CT图像，同时记录体外标记的三维空间坐标；接着采用距离对应关联法建立4D肺部CT图像与呼吸信号的关系，分析4D CT每个时相下不同位置的CT片之间对应关系，通过标记物相同时间段内在4D肺部CT图像中和呼吸信号中的位移量的比较，确定4D肺部CT图像和呼吸信号的对应关系。
基于X射线透视成像提取呼吸信号，将X射线的图像信息及不同呼吸相位图像的时序信息进行对应；利用基于空间信息与灰度信息的图像弹性配准方法配准4D肺部CT图像与X射线透视图像，获得形变场T{T|i1,2,...,m}，第i时刻配准控制点的形变位移设为D。将位于同一呼吸周期中的4D肺部CT图像与X射线图像进行匹配，在预先构建的序列影像与呼吸信号对应关系的基础上，利用4D肺部CT弹性配准获取每一个配准控制点对于时间的三维形变位移，基于4D CT图像生成一个周期局部控制点的邻域灰度值或邻域梯度值作为模板，建立邻域模板相似性测度函数，将待配准的耦合呼吸时相信息的X射线图像对应局部控制点邻域与4D CT图像的全周期邻域进行相似性匹配，引入邻域模板作为约束，使配准既快又优。当待配准图像的灰度均方误差或梯度均方误差达到最小值时，配准结束并反馈待配准图像对应的呼吸时相，再将待配准图像对应呼吸时相上的图像取出叠加到配准图像上完成配准。
由于参与相似性匹配的计算量较大，使用多分辨率金字塔策略作用于邻域模板，动态调整邻域模板尺寸大小，通过由粗到精的匹配，加速弹性配准的进程。
根据相似性测度对配准结果进行实时更新，通过金字塔多分辨率配准同时调节邻域灰度范围与配准图像的范围，最终确定出肿瘤位置的摆位误差。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种耦合呼吸时相的弹性配准方法，包括以下步骤：
(1)基于X射线透视成像提取呼吸信号，将X射线的图像信息及不同呼吸相位图像的时序信息进行对应，获取并分析4D CT中每个时相下不同位置的CT片之间对应关系得到呼吸时序信息；
(2)利用步骤(1)中采集得到的X射线透视图像和4D CT中各个时相的CT片之间的对应关系，将X射线透视图像与4D CT图像进行结合，利用4D CT提供的呼吸时序信息建立与X射线透视图像中呼吸时序信号的对应规则；
(3)利用步骤(2)中得到的耦合呼吸时相信息的X射线图像和4D CT图像进行弹性配准，根据相似性测度对配准结果进行实时更新，通过金字塔多分辨率配准同时调节邻域灰度范围与配准图像的范围，确定出肿瘤位置的摆位误差。
2.根据权利要求1所述的耦合呼吸时相的弹性配准方法，其特征在于，在步骤(2)中，4DCT提供的呼吸时序信息与X射线透视图像中呼吸时序信号的对应规则的建立过程为：
对已有的4D CT图像进行图像滤波、图像层间插值，提取图像物理信息和呼吸时相信息；采集全呼吸周期下X射线透视图像得到多个时相的2D X射线图像，基于二维图像中的标记点信息提取呼吸信号，进而通过2D和4D图像的配准，建立4D CT中的呼吸时序信息与X射线图像中的呼吸时序信号的对应规则。
3.根据权利要求1所述的耦合呼吸时相的弹性配准方法，其特征在于，在步骤(3)中，进行相似性测度时，当待配准图像的灰度均方误差或梯度均方误差达到最小值时，配准结束并反馈待配准图像对应的呼吸时相，再将待配准图像对应呼吸时相上的图像取出叠加到配准图像上完成配准。
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