專利名稱：一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法
技術領域：
本發明涉及X射線輻射的測量，具體涉及用于評估子宮腫瘤放療輻射劑量的圖像的生成方法。
背景技術：
常規的放射治療是以第一次獲取的病人計算機斷層圖像(CT，ComputedTomography)作為計劃圖像,并只以該計劃CT圖像生成治療計劃,對病人實施治療。但實際上，在每一次分次治療中，病人的內部解剖結構都會發生改變，如技師擺位的誤差，病人內部臟器的蠕動，腫瘤隨著放療的進行體積會縮小等，如果仍基于首次計劃實施放療，必將帶來嚴重的劑量誤差，并有可能使正常組織卷入高劑量區域。自適應放射治療(ART，AdaptiveRadiotherapy)技術可以解決上述問題。ART技術在治療分次中獲取當次治療的病人CT圖像，并基于該圖像重新設計計劃，對病人實施治療。而圖像變形配準技術(DIR，ImageDeformable Registration)是ART的一項關鍵技術,它主要用于將計劃CT圖像上的輪廓線推衍至當前CT圖像，避免物理師重新勾畫輪廓線的麻煩；另一方面，變形配準可以將各分次的劑量分布變形到同一解剖空間后進行疊加，從而評價病人所受的總劑量照射。圖像變形配準本質上是要尋找一種點對點的空間變換，將一幅圖像(浮動圖像)的解剖結構變形到另一幅圖像(參考圖像)上。目前變形配準算法可分為基于物理模型變形配準算法:如基于線性彈性模型的，基于流體力學模型的，基于光流場模型的；也有基于數學函數的變形配準算法:如基于小波變換的，基于薄板樣條函數或B樣條函數的，基于調和函數的等等。但幾乎所有這些算法都 基于這樣一個假設:兩幅圖像上點是一一對應的，即一幅圖像上的點，總能在另一幅圖像上找到。如果在一副圖像上出現了另一副圖像并不存在的結構，一般常規的變形配準算法無法有效解決這類問題。在宮頸癌放射治療中，很多病人需要同時接受高劑量率近距離放射治療(high-dose-rate brachytherapy, HDR)以及調強放射治療(Intensity ModulatedRadiation Therapy, IMRT)0在進行HDR內照射的時候，需要先在病人陰道中放置一個施源器，然后將放射源通過施源器輸送至陰道內臨近腫瘤的區域進行照射，因此，進行HDR內照射放療時獲取的計劃CT圖像含有施源器。而常規的IMRT屬于外照射放療，病人并不需要放置施源器，因此獲取的計劃CT圖像不包含施源器。如果要評價該病人受照的總劑量，需要對IMRT和HDR的CT圖像進行圖像變形配準，得到變形場，然后利用該變形場將劑量矩陣映射到同一空間(例如，將IMRT的劑量矩陣變換到HDR的劑量矩陣空間，或相反)，最后再進行劑量的疊加。對于這樣的圖像配準問題，顯然違背了一般變形配準算法的基本假設，因為施源器在兩幅圖像上并不同時存在。因此，如果直接對頂RT CT和HDR CT圖像進行變形配準，必然會產生嚴重的配準誤差，從而導致劑量疊加的不準確。Christensen G E等2001年公開了一種包含施源器的圖像與不包含施源器的圖像之間的變形配準方法(Christensen G E, Carlson B, Chao K S，Yin P, GrigsbyP Wj Nguyen Kj Dempsey J F，Lerma F A，Bae K Tj Vannier M W and Williamson JF2001Image-based dose planning of intracavitary brachytherapy:registration ofserial-1maging studies using deformable anatomic templates Int J Radiat OncolBiol Phys51227-43)，該方法由以下步驟組成:(1)將浮動圖像和參考圖像中膀胱、直腸、陰道和子宮(包括施源器)三組感興趣區域分別勾畫分割出來，并生成對應的二值掩模圖像；
(2)在浮動圖像和參考圖像中手動選擇標記點，利用標記點進行初始化配準；(3)在步驟
(2)的初始化配準的基礎上，利用粘滯性流體力學算法對三組掩模圖像進行配準，得到三組變形場；(4)將步驟(3)中得到的配準變形場進行疊加，得到總的變形場，然后對浮動圖像進行變形。上述方法盡管也能得到配準結果，且該配準結果可應用于放療輻射劑量的評估，但是由于該方法是直接用含施源器的圖像進行配準，因此如果將其所得到的圖像用于放療輻射劑量評估，顯然不準確。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法所生成的圖像可準確地評價宮腫瘤病人受照的總劑量。本發明解決上述問題的技術解決方案是:一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成:(I)讀取含施源器的盆腔HDR CT圖像、盆腔HDR劑量分布圖像、不含施源器的盆腔IMRT CT圖像和盆腔IMRT劑量分布圖像；(2)根據圖像中每個像素點CT值大小的不同，采用區域生長的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT圖像中的施源 器區域，并賦予所分割出的施源器區域像素值為0，得到施源器區域像素值為O的盆腔CT圖像，然后將施源器區域像素值為O的盆腔CT圖像中的施源器區域用I表示，其他區域用O表示，得到掩膜圖像；(3)利用變形場將掩膜圖像進行收縮變形，該收縮變形的具體步驟如下:在三維直角坐標系中，令收縮變形力F在X和y方向上的收縮變形力為掩膜圖像在X和y方向上的梯度，收縮變形力F在z方向上的收縮變形力為0，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收縮的變形場u和收縮變形的掩膜圖像，V 2V+ V ( V.v) +F=O (I)上式(I )中，▽為梯度，V 2為拉普拉斯算子，V為變形場的速度，F為收縮變形力；(4)用步驟(3)所得的變形場u分別對施源器區域像素值為O的盆腔HDR CT圖像進行收縮形變，得到收縮變形的盆腔HDR CT圖像；然后搜索出收縮變形的盆腔HDR CT圖像中對應于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點，并對所述不等于O的點進行線性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT圖像；(5)以不含施源器的盆腔MRT CT圖像為浮動圖像，以去除施源器后的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進行變形配準，同時得到配準變形場r和變形配準后的盆腔IMRT CT圖像；(6)用步驟(5)得到的配準變形場r對盆腔IMRT劑量分布圖像進行變形，得到變形配準后的盆腔MRT劑量分布圖像；(7)分別搜索變形配準后的盆腔MRT CT圖像和變形配準后的盆腔MRT劑量分布圖像中對應于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點，并將搜到的點的像素值賦予O，得到變形配準后陰道內部像素值為O的盆腔IMRT CT圖像和變形配準后陰道內部像素值為O的劑量分布圖像；(8)以變形配準后陰道內部像素值為O的盆腔IMRT CT圖像作為浮動圖像，施源器區域像素值為O的盆腔CT圖像為參考圖像進行變形配準，同時得到配準變形場q和變形配準后陰道區域擴大的盆腔MRT圖像；(9)用步驟(8)得到的配準變形場q對變形配準后陰道內部劑量值為O的劑量分布圖像進行變形，得到變形配準后陰道區域擴大的盆腔MRT劑量分布圖像；(10)將變形配準后陰道區域擴大的盆腔IMRT劑量分布圖像與盆腔HDR劑量分布圖像進行疊加，再把疊加結果與含施源器的盆腔HDR CT圖像進行圖像融合，得到具有人體解剖結構的輻射總劑量的分布圖像。上述方案中，求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法可以是常規的迭代方法、網格方法或算子分裂方法等，本發明人推薦采用迭代方法，該方法的步驟如下所述:(A)采用下式(II)進行卷積運算，V (k) = <J)s*F(k) (II)式(II)中，V為變形場的速度，為三維高斯核函數，F為收縮變形力，k為迭代循環次數的序號；(B)采用下式(III)計算變形場的增量
權利要求
1.一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成: (1)讀取含施源器的盆腔HDRCT圖像、盆腔HDR劑量分布圖像、不含施源器的盆腔MRTCT圖像和盆腔IMRT劑量分布圖像； (2)根據圖像中像素點CT值大小的不同，采用區域生長的分割法分割出含施源器盆腔HDR CT圖像中的施源器區域，并賦予所分割出的施源器區域像素值為O，得到施源器區域像素值為O的盆腔CT圖像，然后將施源器區域像素值為O的盆腔CT圖像中的施源器區域用I表示，其他區域用O表示，得到掩膜圖像； (3)利用變形場將掩膜圖像進行收縮變形，該收縮變形的具體步驟如下: 在三維直角坐標系中，令收縮變形力F在X和y方向上的收縮變形力為掩膜圖像在X和I方向上的梯度，收縮變形力F在z方向上的收縮變形力為O，然后求解下式(I )所示的Navier-Stokes方程,得到收縮的變形場u和收縮變形的掩膜圖像，V2V+ V ( V.v) +F=O ( I ) 上式(I )中，▽為梯度，V 2為拉普拉斯算子，V為變形場的速度，F為收縮變形力； (4)用步驟(3)所得的變形場u分別對施源器區域像素值為O的盆腔HDRCT圖像進行收縮形變，得到收縮變形的盆腔HDR CT圖像；然后搜索出收縮變形的盆腔HDR CT圖像中對應于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點，并對所述不等于O的點進行線性插值，得到去除施源器后的盆腔HDR CT圖像； (5)以不含施源器的盆腔IMRTCT圖像為浮動圖像，以去除施源器后的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進行變形配準，同時得到配準變形場r和變形配準后的盆腔IMRT CT圖像； (6)用步驟(5)得到的配 準變形場r對盆腔IMRT劑量分布圖像進行變形，得到變形配準后的盆腔MRT劑量分布圖像； (7)分別搜索變形配準后的盆腔IMRTCT圖像和變形配準后的盆腔IMRT劑量分布圖像中對應于收縮變形的掩膜圖像中像素值不等于O的點，并將搜到的點的像素值賦予0，得到變形配準后陰道內部像素值為O的IMRT CT圖像和變形配準后陰道內部像素值為O的劑量分布圖像； (8)以變形配準后陰道內部像素值為O的盆腔IMRTCT圖像作為浮動圖像，施源器區域像素值為O的盆腔HDR CT圖像為參考圖像進行變形配準，同時得到配準變形場q和變形配準后陰道區域擴大的盆腔IMRT圖像； (9)用步驟(8)得到的配準變形場q對變形配準后陰道內部像素值為O的劑量分布圖像進行變形，得到變形配準后陰道區域擴大的盆腔MRT劑量分布圖像； (10)將變形配準后陰道區域擴大的盆腔IMRT劑量分布圖像與盆腔HDR劑量分布圖像進行疊加，再把疊加結果與含施源器的盆腔HDR CT圖像進行圖像融合，得到具有人體解剖結構的輻射總劑量的分布圖像。
2.根據權利要求1所述的一種用于觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，其特征在于，所述求解式(I )所示的Navier-Stokes方程的方法為迭代的方法，該方法的由以下步驟組成: (A)采用下式(II)進行卷積運算， v(k)=(]5s*F(k) (II) 式(II)中，V為變形場的速度，為三維高斯核函數，F為收縮變形力，k為迭代循環次數的序號；
全文摘要
本發明涉及X射線輻射的測量，具體涉及一種觀察子宮腫瘤放療總劑量的分布圖像的生成方法，該方法由以下步驟組成先分割出含施源器HDR CT圖像的施源器區域，得到二值掩膜圖像；利用掩膜圖像對HDR CT圖像做收縮變形及插值處理后，作為參考圖像，以不含施源器的IMRT CT圖像為浮動圖像進行配準，用該變形場，對IMRT CT圖像和IMRT劑量分布圖像進行變形；再對變形后的IMRT CT圖像的陰道區域進行擴大，作為浮動圖像，以施源器區域為空氣CT值的HDR CT圖像為參考圖像進行配準；用該變形場，對陰道區域經擴大的IMRT劑量分布圖像進行變形；最后，將該變形結果與HDR劑量分布圖像進行疊加并與HDR CT圖像進行融合。本方法所生成的圖像可準確地評價子宮腫瘤病人受照的總劑量。
文檔編號A61B6/03GK103226837SQ20131019051
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月21日 優先權日2013年5月21日
發明者甄鑫, 周凌宏, 陳海斌, 王琳婧, 胡潔, 肖陽 申請人:南方醫科大學