CN115957451B - 一种基于双能锥束ct引导的放射治疗装置及图像矫正算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双能锥束CT的图像矫正算法，包括如下步骤：S1、通过使用两组锥束CT扫描，获得高能和低能的原始投影图p_l/h；S2、对原始投影图p_l/h在时域和空间域上分别进行解卷积，得到正弦图；S3、利用步骤S2得到的正弦图进行滤波反投影重建得到双能锥束CT图，生成去除散射的正弦图q_l/h；S4、对步骤S3得到的正弦图q_l/h的高频噪声进行抑制，获得降噪正弦图S5、对双能重建图μ_l/h进行分解，得到不同基物质的密度图ρ_1/2。双能CT同时出束，经过图像配准等处理，得到患者实时三维影像数据，从而实现实时图像引导的精准定位。

Description

一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置及图像矫正算法

技术领域

本专利申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置及图像矫正算法。

背景技术

肿瘤的放射治疗指的是利用X射线、γ射线或者是放射性同位素产生的各种放射线来对肿瘤进行照射。在利用射线杀伤肿瘤的同时不可避免的也会对正常组织造成损伤，所以肿瘤放射治疗需要在杀伤肿瘤的同时最大限度的保护正常组织。

肿瘤放射治疗的一般流程包括：

1、医师利用定位CT对患者的病灶部位进行模拟定位；

2、放疗物理师利用图像处理软件对患者的不同影像进行配准；

3、医师根据患者的检查结果以及影像信息进行靶区及正常组织的勾画，并确定处方剂量和正常组织的限量；

4、放疗物理师选择合适的技术设计放疗计划；

5、放疗物理师进行患者放疗计划的物理验证；

6、放疗技术员进行放疗计划的执行。

只有确保上述六个步骤都非常精准才能保证患者接受到精准的放疗。治疗前，需要通过影像手段对患者进行正确的摆位。然而在患者的治疗过程中，由于呼吸运动、吞咽或咳嗽、心脏跳动和患者不适等原因都会造成患者的肿瘤病灶以及正常组织的运动，从而导致患者在肿瘤放射治疗的过程中出现肿瘤脱靶和正常组织损伤增加，因此，也需要影像手段实时监测肿瘤运动。

为了解决这一问题，图像引导放射治疗(Image-guided radiotherapy，IGRT)应运而生。它将影像设备与放射治疗装置相结合，利用影像来摆位患者并检测肿瘤的运动，确保精准放疗。IGRT模式中最典型、应用最广泛的影像设备是锥形束CT(CBCT)。不同于常规的断层扫描CT，CBCT使用的是面阵探测器，单圈扫描即可重建出三维CT图像。它具有空间分辨率高、图像采集时间较短、射线利用率更高等优点。

然而，CBCT成像具有以下缺点：1.基于非晶硅的平板探测器具有噪声大，余晖和眩光效应明显的特点，严重影响了数据采集的精度；2.较大的体积覆盖引入了严重的光子散射和射束硬化效应，降低了CT值准确度以及软组织对比度，干扰了临床上对正常组织和病变组织的分辨；3.由于图像质量较差，CBCT图像一般在放射治疗前进行扫描，并与定位CT进行配准使用，一定程度上影响了影像精度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置及图像矫正算法，解决上述现有技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于双能锥束CT的图像矫正算法，包括如下步骤：

S1、通过使用两组锥束CT扫描，每组锥束CT包括X射线球管和X射线平板探测器，两组锥束CT的X射线球管设置在高低两个工作电压下，扫描过程中病人旋转，两个X射线球管交替脉冲出光，随着病人旋转一圈，两个X射线平板探测器分别获得高能和低能的原始投影图p_l/h；

S2、通过对CT模体的单角度多次扫描测量获得空间域点扩散函数和时域点扩散函数，对原始投影图p_l/h在时域和空间域上分别进行解卷积，得到正弦图；

S3、利用步骤S2得到的正弦图进行滤波反投影重建得到双能锥束CT图，将双能锥束CT图分割为肌肉、脂肪、骨组织和空气四部分得到分割图，并用这四种组织在临床上的CT值对分割图进行填充，得到填充图，通过对填充图前向投影得到投影图，并对原始投影图p_l/h作差获取原始散射信号s_l/h；对原始散射信号s_l/h进行挑选并进行局域滤波得到最终散射估计最后生成去除散射的正弦图：/>l_l/h为空场投影图；

S4、对步骤S3得到的正弦图q_l/h的高频噪声进行抑制，获得降噪正弦图

S5、对降噪正弦图进行滤波反投影重建获得双能重建图μ_l/h，对双能重建图μ_l/h进行分解，得到不同基物质的密度图ρ_1/2。

进一步的，所述步骤S3中局域滤波的公式为：

其中，f为二维指示函数，在被挑选出的散射信号处为1，其他地方为0，x,y为图像坐标，σ为卷积核宽度。

进一步的，所述步骤S4中对高频噪声抑制的方法是基于加权最小二乘的降噪算法，降噪算法利用高斯赛德尔迭代求解，其具体公式为：

其中，Σ为协方差矩阵，R为惩罚项，β为惩罚项权重。

一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，包括如上述所述的基于双能锥束CT的图像矫正算法中的锥束CT，还包括可调节方位的治疗椅，所述锥束CT的数量为两组，两组锥束CT呈交叉分布在治疗椅的外周向，锥束CT包括X射线球管和X射线平板探测器，每组锥束CT上的X射线球管和X射线平板探测器的连线交点与治疗椅重叠。

进一步的，所述X射线球管和X射线平板探测器的下端均通过支撑架连接在地面，且X射线球管、X射线平板探测器位于同一水平面上。

进一步的，每组锥束CT上的X射线球管和X射线平板探测器的连线夹角为60°。

进一步的，所述治疗椅包括病人坐靠的座椅主体，座椅主体上安装有用于固定病人位置的头托，座椅主体的下端连接有用于实现座椅主体垂直升降的第一电动升降柱，第一电动升降柱的下端连接有实现座椅主体前后、左右移动的电缸滑台，电缸滑台的下端连接有回转驱动盘，回转驱动盘通过回转驱动电机驱动实现座椅主体的旋转。

进一步的，所述电缸滑台包括连接在第一电动升降柱的下端实现座椅主体前后移动的Y轴电缸滑台，Y轴电缸滑台的下端连接有实现座椅主体左右移动的X轴电缸滑台，X轴电缸滑台的下端连接在回转驱动盘的上端面上。

进一步的，还包括有位于治疗椅后方的控制柜、位于治疗椅后方的高电压发生器以及位于治疗椅前方的加速器，所述高电压发生器通过地下电缆与X射线球管连接，提供高电压，控制柜调节控制高电压发生器输出的电压值以及治疗椅的位置调节。

进一步的，所述加速器包括端部指向治疗椅的加速器机头，加速器机头的端部连接有第一连接臂，第一连接臂的另一端通过第一关节连接有第二连接臂，第二连接臂的另一端通过第二关节连接有第二电动升降柱，第二电动升降柱的下端连接有升降底座，所述第一关节和第二关节均内置有无刷电机，通过控制柜内的驱动器驱动实现加速器机头的位置调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、双能锥束CT的电压和电流可根据需要通过控制柜进行调节，以获得最优化的能量差异，通过物质分解可以更好的区分病变组织和正常组织，有利于加速器治疗时的精准定位；2、用治疗椅取代治疗床，使得患者在治疗的过程中进行旋转，双能CT同时出束，经过图像配准等处理，得到患者实时三维影像数据，从而实现实时图像引导的精准定位。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明治疗椅立体结构示意图；

图3为本发明加速器立体结构示意图；

图4为本发明双能锥束CT矫正对照图；

图5为本发明双能锥束CT分解降噪示例对照图。

附图标号说明：治疗椅1、座椅主体11、头托12、第一电动升降柱13、Y轴电缸滑台14、X轴电缸滑台15、回转驱动盘16、回转驱动电机17、X射线球管2、X射线平板探测器3、控制柜4、高电压发生器5、加速器6、加速器机头61、第一连接臂62、第二连接臂63、第二电动升降柱64、升降底座65。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种基于双能锥束CT的图像矫正算法，包括如下步骤：

S1、通过使用两组锥束CT扫描，每组锥束CT包括X射线球管2和X射线平板探测器3，两组锥束CT的X射线球管2设置在高低两个工作电压下，扫描过程中病人旋转，两个X射线球管2交替脉冲出光，随着病人旋转一圈，两个X射线平板探测器3分别获得高能和低能的原始投影图p_l/h；

S2、通过对CT模体的单角度多次扫描测量获得空间域点扩散函数和时域点扩散函数，对原始投影图p_l/h在时域和空间域上分别进行解卷积，得到正弦图；

S3、利用步骤S2得到的正弦图进行滤波反投影重建得到双能锥束CT图，将双能锥束CT图分割为肌肉、脂肪、骨组织和空气四部分得到分割图，并用这四种组织在临床上的CT值对分割图进行填充，得到填充图，通过对填充图前向投影得到投影图，并对原始投影图p_l/h作差获取原始散射信号s_l/h；对原始散射信号s_l/h进行挑选并进行局域滤波得到最终散射估计最后生成去除散射的正弦图：/>l_l/h为空场投影图；

S4、对步骤S3得到的正弦图q_l/h的高频噪声进行抑制，获得降噪正弦图

S5、对降噪正弦图进行滤波反投影重建获得双能重建图μ_l/h，对双能重建图μ_l/h进行分解，得到不同基物质的密度图ρ_1/2，在双能重建图μ_l/h分解的过程中，通过双能向量化的方法进行低噪声双能分解，增强双能锥束CT对不同物质的分辨能力。

作为本案的优选项，步骤S3中局域滤波的公式为：

其中，f为二维指示函数，在被挑选出的散射信号处为1，其他地方为0，x,y为图像坐标，σ为卷积核宽度。

作为本案的优选项，步骤S4中对高频噪声抑制的方法是基于加权最小二乘的降噪算法，降噪算法利用高斯赛德尔迭代求解，其具体公式为：

其中，Σ为协方差矩阵，R为惩罚项，β为惩罚项权重。

一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，如图1所示，包括锥束CT，还包括可调节方位的治疗椅1，锥束CT的数量为两组，两组锥束CT呈交叉分布在治疗椅1的外周向，锥束CT包括X射线球管2和X射线平板探测器3，两组锥束CT上的X射线球管2和X射线平板探测器3的连线交点与治疗椅1重叠，双能锥束CT用于提高区分正常组织和病变组织的精度，X射线球管2和X射线平板探测器3的下端均通过支撑架连接在地面，且X射线球管2、X射线平板探测器3位于同一水平面上，两组锥束CT上的X射线球管2和X射线平板探测器3的连线夹角为60°。

如图2所示，治疗椅1包括病人坐靠的座椅主体11，座椅主体11上安装有用于固定病人位置的头托12，座椅主体11的下端连接有用于实现座椅主体11垂直升降的第一电动升降柱13，第一电动升降柱13的下端连接有实现座椅主体11前后、左右移动的电缸滑台，电缸滑台的下端连接有回转驱动盘16，回转驱动盘16通过回转驱动电机17驱动实现座椅主体11的旋转。其中，电缸滑台包括连接在第一电动升降柱13的下端实现座椅主体11前后移动的Y轴电缸滑台14，Y轴电缸滑台14的下端连接有实现座椅主体11左右移动的X轴电缸滑台15，X轴电缸滑台15的下端连接在回转驱动盘16的上端面上。

另外，关于电缸滑台，其为现有技术中已实际生产使用的设备，为现有技术已经公开的部件，常用于机床设备中，在本案中将其应用在座椅本体11的下方，实现座椅本体11左右、前后位置的移动调节，因此，对于本领域技术人员属于公开充分的结构部件。

如图1所示，还包括有位于治疗椅1后方的控制柜4、位于治疗椅1后方的高电压发生器5以及位于治疗椅1前方的加速器6，高电压发生器5通过地下电缆与X射线球管2连接，提供高电压，控制柜4调节控制高电压发生器5输出的电压值以及治疗椅1的位置调节。

如图3所示，加速器6包括端部指向治疗椅1的加速器机头61，加速器机头61的端部连接有第一连接臂62，第一连接臂62的另一端通过第一关节连接有第二连接臂63，第二连接臂63的另一端通过第二关节连接有第二电动升降柱64，第二电动升降柱64的下端连接有升降底座65，第一关节和第二关节均内置有无刷电机，通过控制柜4内的驱动器驱动实现加速器机头61的位置调节。

为进一步体现本双能锥束CT的效果，现作出如下实验，通过对原始锥束CT的投影数据、本双能锥束CT的投影数据以及临床计划CT的投影数据进行对比，本双能锥束CT的投影数据经上述矫正算法矫正，得到如图4和图5所示。

如图4所示为双能锥束CT矫正对照图，从左到右依次为原始锥束CT图、经上述算法矫正的双能锥束CT图以及计划CT图，经上述算法矫正的双能锥束CT图，去除了图像低频伪影，提升了软组织对比度，与计划CT的误差降低到了50HU以内。

如图5所示为双能锥束CT分解降噪示例图，图中上下两行分别为利用双能CT分解得到的软组织和骨组织密度图，左右两列分别为现有技术中直接算法和本案上述算法获得的分解图，本案上述矫正算法大大降低了分解图噪声。

双能锥束CT的电压和电流可根据需要通过控制柜4进行调节，以获得最大可能的能量差异，通过物质分解可以更好的区分病变组织和正常组织，有利于加速器6的精准定位；当患者在治疗椅1上进行放射治疗前和治疗时，治疗椅1可进行360°旋转，此时双能锥束CT的两个高压发生器5分别选择不同的高压，从而得到不同能量的X射线，利用高效的低噪声双能分解算法和针对大面积平板探测器的低频伪影矫正算法，得到二维x光影像或重建后的三维影像，对病变组织和正常组织加以区分并进行准确的剂量计算，实时监测肿瘤病灶和正常组织的运动，对放疗过程进行影像引导，实现患者的精准放射治疗。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于双能锥束CT的图像矫正算法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、通过使用两组锥束CT扫描，每组锥束CT包括X射线球管(2)和X射线平板探测器(3)，两组锥束CT的X射线球管(2)设置在高低两个工作电压下，扫描过程中病人旋转，两个X射线球管(2)交替脉冲出光，随着病人旋转一圈，两个X射线平板探测器(3)分别获得高能和低能的原始投影图p_l/h；

S2、通过对CT模体的单角度多次扫描测量获得空间域点扩散函数和时域点扩散函数，对原始投影图p_l/h在时域和空间域上分别进行解卷积，得到正弦图；

S3、利用步骤S2得到的正弦图进行滤波反投影重建得到双能锥束CT图，将双能锥束CT图分割为肌肉、脂肪、骨组织和空气四部分得到分割图，并用这四种组织在临床上的CT值对分割图进行填充，得到填充图，通过对填充图前向投影得到投影图，并对原始投影图p_l/h作差获取原始散射信号s_l/h；对原始散射信号s_l/h进行挑选并进行局域滤波得到最终散射估计

最后生成去除散射的正弦图：l_l/h为空场投影图；

S4、对步骤S3得到的正弦图q_l/h的高频噪声进行抑制，获得降噪正弦图

S5、对降噪正弦图进行滤波反投影重建获得双能重建图μ_l/h，对双能重建图μ_l/h进行分解，得到不同基物质的密度图ρ_1/2；

其中，所述步骤S3中局域滤波的公式为：

其中，f为二维指示函数，在被挑选出的散射信号处为1，其他地方为0，x,y为图像坐标，σ为卷积核宽度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双能锥束CT的图像矫正算法，其特征在于：所述步骤S4中对高频噪声抑制的方法是基于加权最小二乘的降噪算法，降噪算法利用高斯赛德尔迭代求解，其具体公式为：

其中，Σ为协方差矩阵，R为惩罚项，β为惩罚项权重。

3.一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，包括如权利要求1-2任一项所述的基于双能锥束CT的图像矫正算法中的锥束CT，还包括可调节方位的治疗椅(1)，其特征在于，所述锥束CT的数量为两组，两组锥束CT呈交叉分布在治疗椅(1)的外周向，锥束CT包括X射线球管(2)和X射线平板探测器(3)，每组锥束CT上的X射线球管(2)和X射线平板探测器(3)的连线交点与治疗椅(1)重叠。

4.根据权利要求3所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：所述X射线球管(2)和X射线平板探测器(3)的下端均通过支撑架连接在地面，且X射线球管(2)、X射线平板探测器(3)位于同一水平面上。

5.根据权利要求4所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：每组锥束CT上的X射线球管(2)和X射线平板探测器(3)的连线夹角为60°。

6.根据权利要求3所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：所述治疗椅(1)包括病人坐靠的座椅主体(11)，座椅主体(11)上安装有用于固定病人位置的头托(12)，座椅主体(11)的下端连接有用于实现座椅主体(11)垂直升降的第一电动升降柱(13)，第一电动升降柱(13)的下端连接有实现座椅主体(11)前后、左右移动的电缸滑台，电缸滑台的下端连接有回转驱动盘(16)，回转驱动盘(16)通过回转驱动电机(17)驱动实现座椅主体(11)的旋转。

7.根据权利要求6所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：所述电缸滑台包括连接在第一电动升降柱(13)的下端实现座椅主体(11)前后移动的Y轴电缸滑台(14)，Y轴电缸滑台(14)的下端连接有实现座椅主体(11)左右移动的X轴电缸滑台(15)，X轴电缸滑台(15)的下端连接在回转驱动盘(16)的上端面上。

8.根据权利要求3所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：还包括有位于治疗椅(1)后方的控制柜(4)、位于治疗椅(1)后方的高电压发生器(5)以及位于治疗椅(1)前方的加速器(6)，所述高电压发生器(5)通过地下电缆与X射线球管(2)连接，提供高电压，控制柜(4)调节控制高电压发生器(5)输出的电压值以及治疗椅(1)的位置调节。

9.根据权利要求8所述的一种基于双能锥束CT引导的放射治疗装置，其特征在于：所述加速器(6)包括端部指向治疗椅(1)的加速器机头(61)，加速器机头(61)的端部连接有第一连接臂(62)，第一连接臂(62)的另一端通过第一关节连接有第二连接臂(63)，第二连接臂(63)的另一端通过第二关节连接有第二电动升降柱(64)，第二电动升降柱(64)的下端连接有升降底座(65)，所述第一关节和第二关节均内置有无刷电机，通过控制柜(4)内的驱动器驱动实现加速器机头(61)的位置调节。