基于配准的肺4d-ct图像呼气过程中间相位图像的重建方法
【专利摘要】本发明公开了基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的重建方法，包括步骤(1)由肺4D-CT图像数据获得吸气末和呼气末两个相位的肺3D-CT图像；(2)选定吸气末相位的肺3D-CT图像作为参考图像，呼气末相位的肺3D-CT图像作为浮动图像，对两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场；(3)以步骤(2)得到的运动变形场为基础，重建出肺4D-CT图像呼气过程的中间相位图像。本发明利用已知的两个特殊相位图像，就可重建肺4D-CT图像呼气过程的中间相位图像，避免了肺4D-CT数据因采集相位多，扫描时间长，导致病人吸收剂量高的缺点。
【专利说明】基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的重建方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学图像处理【技术领域】，具体涉及一种基于配准的肺4D-CT图像呼气 过程中间相位图像的重建方法。
【背景技术】
[0002] 4D-CT是近年来出现的一种评价肿瘤和器官运动的一项新技术。与传统的3D-CT 相比，4D-CT加入了时间轴，它动态的采集了病人呼吸时的CT图像，然后通过图像的重建和 重新排列得到病人在不同呼吸相位的3D-CT图像。肺4D-CT真实地再现了肿瘤和器官的空 间结构及运动情况，较好的解决了运动伪影和呼吸运动导致的剂量误差，成为放射治疗中 目标精确定位的关键。
[0003] 然而，肺4D-CT数据的获取通常要采集多个相位的3D-CT图像，这使得扫描时间 长，需要包含整个呼吸周期，导致病人将接受高于常规CT扫描几倍的剂量。其次，最终获取 的一组4D-CT数据就包括1000?3000张图片，每一组数据就要占去上百兆的空间。另外， 实时相位处理系统（RPM)与扫描设备是否准确同步，也会对获取的CT图像质量有较大影 响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的 重建方法，该方法利用已知的两个特殊相位图像，就可重建肺4D-CT图像呼气过程的中间 相位图像，避免了肺4D-CT数据因采集相位多，扫描时间长，导致病人吸收剂量高的缺点。
[0005] 本发明的目的可以通过以下的技术措施来实现：基于配准的肺4D-CT图像呼气过 程中间相位图像的重建方法，该方法包括如下步骤：
[0006] (1)由肺4D-CT图像数据获得吸气末和呼气末两个相位的肺3D-CT图像；
[0007] (2)选定吸气末相位的肺3D-CT图像作为参考图像，呼气末相位的肺3D-CT图像作 为浮动图像，对两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场；
[0008] (3)以步骤⑵得到的运动变形场为基础，重建出肺4D-CT图像呼气过程的中间相 位图像。
[0009] 本发明中，所述步骤（2)采用Active Demons配准方法对参考图像和浮动图像这 两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场，具体过程如下：
[0010] (2. l)Active Demons配准方法是在光流场理论基础上提出的一种弹性配准方法， 该理论的前提假设是呼吸运动过程中肺部图像的灰度值不变，即：
[0011] I (x(t), y (t), z (t), t) = C......式（1)
[0012] 式中，I表示肺部图像的灰度值，t为时间，（x，y，z)表示坐标，C为一常量；
[0013] (2. 2)根据⑴式得到驱动力：
【权利要求】
1. 基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的重建方法，该方法包括如下步 骤： (1) 由肺4D-CT图像数据获得吸气末和呼气末两个相位的肺3D-CT图像； (2) 选定吸气末相位的肺3D-CT图像作为参考图像，呼气末相位的肺3D-CT图像作为浮 动图像，对两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场； (3) 以步骤（2)得到的运动变形场为基础，重建出肺4D-CT图像呼气过程的中间相位图 像。
2. 根据权利要求1所述的基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的重建方 法，其特征在于：所述步骤（2)采用Active Demons配准方法对参考图像和浮动图像这两个 相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场，具体过程如下： (2. l)Active Demons配准方法是在光流场理论基础上提出的一种弹性配准方法，该理 论的前提假设是呼吸运动过程中肺部图像的灰度值不变，即： I (x(t), y (t), z (t), t) = C ......式⑴ 式中，I表示肺部图像的灰度值，t为时间，（X，y，z)表示坐标，C为一常量； (2. 2)根据（1)式得到驱动力：
其中，下标为r的代表参考图像的参数，下标为f的代表浮动图像的参数，V表示任一 点从If到仁所需的偏移量，仁和If分别代表参考图像和浮动图像的灰度值，▽/,.是参考图 像的灰度梯度矢量； (2. 3)当参考图像梯度信息不足时会引起配准误差，故引入浮动图像的灰度梯度信息 作为新作用力，得到Active Demons算法的驱动力：
其中，a为均化系数，Vif是浮动图像在（x，y，z)处的灰度梯度； (2. 4)根据式（3)估计吸气末相位的肺3D-CT图像和呼气末相位的肺3D-CT图像之间 的运动变形场。
3. 根据权利要求2所述的基于配准的肺4D-CT图像呼气过程中间相位图像的重建方 法，其特征在于：所述步骤（3)具体是根据呼吸运动过程的线性假设求出浮动图像到中间 相位图像的运动位移，继而重建出肺4D-CT图像呼气过程的中间相位图像，具体过程如下： (3. 1)肺4D-CT图像呼气过程的中间相位的重建方法是基于呼吸运动过程的线性假 设，即假设呼气过程中肺部图像的运动位移是线性变化的； (3. 2)根据呼吸运动过程的线性假设，浮动图像到中间相位图像的运动位移表示为 Tp = SpT, p = I, 2L n ......式⑷ 其中，T是用Active Demons配准方法得到的吸气末相位的肺3D-CT图像和呼气末相 位的肺3D-CT图像之间的运动位移，n为插值中间图像个数，TP为第p个插值相位图像相对 于浮动图像的位移场，sp为插值系数，Sp e [0, 1]; (3.3)由⑷式得出呼气末相位的肺3D-CT图像到中间相位图像的运动位移Tp后，对 浮动图像进行线性插值，即可得到重建的肺4D-CT图像呼气过程的中间相位图像。
【文档编号】A61B6/03GK104361568SQ201410478450
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】张煜, 耿丹丹 申请人:南方医科大学