联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法
【专利摘要】本发明公开了一种联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法，本方法自动分割危及器官及胸腹部肿瘤区域，采用形变配准算法，将CBCT图像与计划CT图像进行多模态配准，通过计算出的形变域将计划CT上的信息自动转移到CBCT上。本发明在计划CT与CBCT图像刚体配准后，为补偿不能恢复的形变范围，采用基于正交小波基函数的形变配准算法，通过计算出的形变域，实现危及器官与肿瘤的轮廓以及放疗计划从计划CT到CBCT的转移，精确定位靶区位置。
【专利说明】联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法。
【背景技术】
[0002] 临床精确放射治疗的目标是在最大可能地提高肿瘤靶区射线吸收剂量的同时尽 可能地降低危及器官的射线接收剂量。针对胸腹部肿瘤，目前临床上通常的做法是先CT定 位，再按制定的放疗计划实施逐次照射。但在放疗过程中，由于器官运动和变形或各种客观 因素使肿瘤和危及器官（主要是肝脏）偏离射野，导致肿瘤欠剂量照射而危及器官却过剂 量。
[0003] 利用近些年发展起来的图像引导放疗（Imageguidedradiationtherapy,IGRT) 技术，可对肿瘤靶区和危及器官进行实时监控，根据器官位置的变化调整治疗条件达到使 照射野跟踪靶区的目的。临床上主要采用基于CBCT(ConebeamCT)的图像引导放疗技术， 但目前该技术仅限用于调整摆位误差，即将计划CT与放疗前获取的KV级CBCT进行基于骨 形的刚体配准，再通过计算放疗肿瘤靶区的位置偏移量来指导摆位；同时，目前的放疗计划 也仅仅基于静态的计划CT，并未做到真正意义上的"自适应"。此外，计划CT上的危及器官 及肿瘤也均由医生手工勾画，费时费力，具有主观性。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述问题，提出了一种联合图像分割与形变配准技术的自适应目 标区域转换方法，本方法自动分割危及器官及胸腹部肿瘤区域，采用形变配准算法，将CBCT 图像与计划CT图像进行多模态配准，通过计算出的形变域将计划CT上的信息自动转移到 CBCT上。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法，包括以下步骤：
[0007] (1)采用基于图谱的自动分割方法，对采集的N组CT图像去除伪影、噪声成分，采 用梯度矢量流（Gradientvectorflow,GVF)进行胸肋骨自动提取；
[0008] (2)在N组图像中随机选取一组作为参考图像，其余作为目标图像，将得到的肝脏 训练集和胸肋骨分别进行肝脏图谱和胸肋骨图谱的创建；
[0009] (3)输入患者当前计划CT图像，采用GVF进行胸肋骨自动提取，将胸肋骨图谱作为 参考图像，患者计划CT图像作为目标图像，以胸肋骨为特征，采用仿射配准算法与胸肋骨 图谱进行刚体配准，得到患者计划CT图像中肝脏区域的初始值；
[0010] (4)使用基于正交小波基函数的形变配准算法对得到的肝脏区域与肝脏图谱进行 形变配准，使肝脏边界更为精准，通过基于图谱的分割方法在患者计划CT上自动分割出肝 脏区域；
[0011] (5)结合水平集模型与似然函数模型在计划CT上自动分割胸腹部肿瘤区域；
[0012] (6)以胸肋骨为特征，通过仿射变换将最新CBCT图像与计划CT图像进行刚体配 准，为补偿刚体配准时不能恢复的形变范围，使用基于正交小波基函数的形变配准算法，计 算出CBCT与计划CT的形变域，将计划CT中的危及器官和肿瘤的轮廓以及等剂量线信息自 动转移到CBCT上。
[0013] 所述步骤（2)中，具体方法为：
[0014] 在N组满足条件的CT中随机选取一组作为参考图像，将其与其余的目标图像采用 仿射变换进行配准，所有的图像对齐后，统计空间中每个像素存在的概率；N组图像数据配 准后，得到一个概率图谱；采用多次循环迭代，以提高所建图谱的可靠性；
[0015] 建立概率图谱后，根据具体应用环境选取合适的阈值，按照灰度值随图谱概率增 大而增大的准则，把图谱从概率空间转化到灰度空间。
[0016] 所述步骤（5)中，具体方法为：
[0017] 采用似然函数与水平集函数相结合的能量函数，在患者计划CT图像上自动获取 胸腹部肿瘤信息；似然能量函数Ep(ct)由感兴趣区域能量函数％〇〇和背景区域能量函数eB(x)两部分构成；用似然函数的有限高斯模型估计感兴趣肿瘤区域密度分布，似然函数的 高斯混合模型估计胸腹部背景区域密度分布，通过以上似然函数的估计来划分图像概率密 度；水平集函数用于获得边缘轮廓信息，防止肿瘤边界泄漏。
[0018] 所述步骤（5)中，肿瘤区域的密度分布采用有限高斯模型估计，具体的表达式为：
【权利要求】
1. 一种联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法，其特征是：包括以 下步骤： (1) 采用基于图谱的自动分割方法，对采集的N组CT图像去除伪影、噪声成分，采用梯 度矢量流进行胸肋骨自动提取； (2) 在N组图像中随机选取一组作为参考图像，其余作为目标图像，将得到的肝脏训练 集和胸肋骨分别进行肝脏图谱和胸肋骨图谱的创建； (3) 输入患者当前计划CT图像，采用GVF进行胸肋骨自动提取，将胸肋骨图谱作为参考 图像，患者计划CT图像作为目标图像，以胸肋骨为特征，采用仿射配准算法与胸肋骨图谱 进行刚体配准，得到患者计划CT图像中肝脏区域的初始值； (4) 使用基于正交小波基函数的形变配准算法对得到的肝脏区域与肝脏图谱进行形变 配准，使肝脏边界更为精准，通过基于图谱的分割方法在患者计划CT上自动分割出肝脏区 域； (5) 结合水平集模型与似然函数模型在计划CT上自动分割胸腹部肿瘤区域； (6) 以胸肋骨为特征，通过仿射变换将最新CBCT图像与计划CT图像进行刚体配准，为 补偿刚体配准时不能恢复的形变范围，使用基于正交小波基函数的形变配准算法，计算出 CBCT与计划CT的形变域，将计划CT中的危及器官和肿瘤的轮廓以及等剂量线信息自动转 移到CBCT上。
2. 如权利要求1所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述步骤（2)中，具体方 法为： 在N组满足条件的CT中随机选取一组作为参考图像，将其与其余的目标图像采用仿射 变换进行配准，所有的图像对齐后，统计空间每个像素存在的概率；N组图像数据配准后， 得到一个概率图谱；采用多次循环迭代，以提高所建图谱的可靠性； 建立概率图谱后，根据具体应用环境选取合适的阈值，按照灰度值随图谱概率增大而 增大的准则，把图谱从概率空间转化到灰度空间。
3. 如权利要求1所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述步骤（5)中，其具体 方法为： 采用似然函数与水平集函数相结合的能量函数，在患者计划CT图像上自动获取胸腹 部肿瘤信息；似然能量函数Ep(ct)由感兴趣区域能量函数％〇〇和背景区域能量函数eB(x) 两部分构成；用似然函数的有限高斯模型估计感兴趣肿瘤区域密度分布，似然函数的高斯 混合模型估计胸腹部背景区域密度分布，通过以上似然函数的估计来划分图像概率密度； 水平集函数用于获得边缘轮廓信息，防止肿瘤边界泄漏。
4. 如权利要求3所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述步骤（5)中，所述肿 瘤区域的密度分布采用有限高斯模型估计，具体的表达式为：
其中，
》为肿瘤区域，P(X)为肿瘤区域像素 的概率，UT为高斯函数均值，〇T为标准差，ujx)为患者CT图像； 背景区域密度分布采用高斯混合模型估计，具体的表达式为：
其中，
，为背景区域，P(x)为背景区域像素 的概率，^和分别为高斯模型的均值和标准差，K为背景区域的分类个数，<为分类的 混合系数； 似然函数具体表达式为：
* 距离正则化水平集模型能量函数的具体表达式为： Ee(4>) =uRp(4)) +ALg(<i)) +aAg(<i))=
其中：
U、入、a分别是正则化项、长度项、面积 项的权重系数，
当似然能量函数与水平集能量函数最小时，水平集函数演化曲线收敛到感兴趣区域边 界，水平集函数演化表达式为：
其中，
，div(〇为散度算子。
5.如权利要求1所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述步骤（6)中，其具体 方法为： 将已导入加速器的计划CT作为目标图像，CBCT图像作为参考图像，采用GVF对CBCT图像进行胸肋骨自动提取，以胸肋骨为特征，利用仿射配准算法与患者计划CT进行刚体配 准；为补偿刚体配准时不能恢复的形变范围，使用基于正交小波基函数的形变配准算法，获 得形变域，将形变域三维小波分解后，使小波系数的初始值为0 ;采用非线性最小二乘LM优 化算法，寻找合适的小波系数，根据所需精度控制在某个尺度上收敛；由估计到的小波系数 得到参考图像与目标图像之间的形变域；将计划CT中的危及器官和肿瘤的轮廓以及等剂 量线信息自动转移到CBCT上，进而实现剂量体积直方图分析。
6. 如权利要求1所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述步骤（6)中，在形变 配准中，使用Navier偏微分方程描述发生形变的各向同性物质的平衡状态，通过Navier偏 微分方程来建立形变能量函数，将形变域建模为小波系数的函数，其具体表达式为：
其中，（x，y，z)表示参考图像的空间坐标系，（x'，y'，z')表示目标图像的空间坐 标系，U表示形变域，C表示小波系数，U是C的函数。
7. 如权利要求6所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述Navier偏微分方程 的外力具体表达式为：
H(X)是图像X的香农熵。
8. 如权利要求6所述的自适应目标区域转换方法，其特征是：所述Navier偏微分方程 的内力方程具体表达式为：
其中，X和]i是Lame系数； 形变能量函数具体表达式为： E(c) =inter(c)+w*exter(c) 其中，w是加权常数，本发明w为常数1，inter(c)表示内力约束函数，exter(c)表示 外力约束函数。
【文档编号】G06T7/00GK104408734SQ201410764128
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】李登旺, 石雪, 陈进琥, 李洪升, 尹勇 申请人:山东师范大学