利用多组磁共振图像的多变量回归生成准CT图像的方法与流程

本发明涉及一种ct图像的生成。特别是涉及一种利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法。

背景技术：

计算机断层扫描(ct)和磁共振成像(mri)是两种主要的获取三维图像的成像模式。计算机断层扫描成像是传统上用于创建放射治疗计划的成像模式。ct图像能够精确地描述目标者的几何形状，并且ct图像对应的ct值可以直接转换成电子密度以用于计算目标者体内的辐射剂量分布。然而，ct图像对于软组织没有良好的对比度，并且ct还使目标者接受额外的辐射剂量。与ct图像相比，磁共振成像模式由于其优异的软组织对比度也具有广泛用途。磁共振成像不含电离辐射，而且可以提供目标者的新陈代谢等功能信息。

目前磁共振图像主要用于补充ct图像以获得更准确的解剖结构轮廓和肿瘤靶向，所以需要将目标者的磁共振图像与对应的ct图像对准。由于磁共振图像和ct图像通常是在不同的机器上获取，因此磁共振图像和ct图像在重叠时不会完全对准；这是肿瘤靶向定位误差的一个重要来源。磁共振引导放射治疗计划利用磁共振图像而不需要ct图像，所以肿瘤靶向会更准确。由于磁共振强度值不能直接转换为电子密度，因此需要有方法将磁共振图像精确地转换为与电子密度值相对应的图像，即准ct图像，也称为pct图像或衍生ct图像。

edmund和nyholm的期刊文章“areviewofsubstitutectgenerationformri-onlyradiationtherapy”，radiatoncol12:28(2017)，doi:10.1186/s13014-016-0747-y，评论了创建pct所采用的各种方法，包括地图集(atlas)方法和体素(voxel)方法。如dowling等人的期刊文章“anatlas-basedelectrondensitymappingmethodformagneticresonanceimaging(mri)-alonetreatmentplanningandadaptivemri-basedprostateradiationtherapy”，intjradiatoncolbiolphys83,5(2012)，doi:10.1016/j.ijrobp.2011.11.056所述，地图集方法是利用作为参考的预先存在的地图集图像来帮助生成准ct图像。在生成准ct图像的过程中，地图集磁共振图像和地图集ct图像是从新的目标者磁共振图像生成准ct图像的参考。地图集磁共振图像需要与目标者的磁共振图像对准，并且将相同的对准变换应用于把同一位置的地图集ct图像融合成目标者准ct图像的过程中。然而，地图集图像的对准过程以及从地图集磁共振图像到目标者磁共振图像的对准过程都会存在一些误差。体素方法利用从磁共振图像强度值到ct值的转换方法来创建准ct图像，而不需要将目标者和训练者的磁共振图像进行对准。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法，包括如下步骤：

1)从若干个训练者中分别获取多组磁共振图像(mri)和相应的一组ct图像，每个训练者的不同排序组的磁共振图像是使用不同的磁共振参数获取；不同训练者的多组磁共振图像中位于同一排序组的磁共振图像是使用相同的磁共振参数获取；

2)将每个训练者的同一位置的每组磁共振图像中的每个图像与对应的ct图像对准；

3)生成从所有训练者的多组磁共振图像的强度值对应到相同体素ct值的映射函数；

4)从目标者的多组磁共振图像生成目标者准ct图像。

当步骤1)中不同训练者位于同一排序组的磁共振图像是使用不同的扫描机器和/或不同的成像条件获取时，要对所述磁共振图像进行标准化，使所有训练者中位于同一排序组的磁共振图像的平均强度值相同。

步骤3)包括：

(3.1)分别对每一个磁共振图像和ct图像划分人体轮廓；

(3.2)对第一排序组的磁共振图像建立区域分割掩模；

(3.3)将得到的区域分割掩模用于同一位置第一排序组以外的其他排序组的磁共振图像以及ct图像上进行区域分割；

(3.4)从排除区以外的每个区域中的体素提取相应的磁共振图像强度值和ct值；

(3.5)根据多组磁共振图像强度值和具有相同多组磁共振图像强度值的体素的平均ct值使用多变量回归方法确定每个区域的多元高次多项式的映射函数：

其中n是多项式最高项次数,ct(s1，…，sm)为映射函数是因变量，s1是第一组磁共振图像强度值，在映射函数中为自变量，sm是第m组磁共振图像强度值，在映射函数中为自变量，i1是s1的指数，im是sm的指数，是拟合系数。

第(3.1)步所述的划分人体轮廓，是将图像中人体结构与周围空气分开。

第(3.2)步中，当第一排序组的磁共振图像中只有骨骼或软组织时，将所述的磁共振图像作为一个区域；当第一排序组的磁共振图像中同时具有骨骼和软组织时，将所述的磁共振图像分割为骨骼区域，软组织区域，以及混合组织区域，所述的混合组织区域是指骨骼和软组织之间的不确定部分，所述各区域的边界构成区域分割掩模。

第(3.2)步中，将同一位置的多组磁共振图像和ct图像中因器官的日常活动或图像对准不充分而导致解剖结构对不齐的区域，以及人体轮廓以外的区域设定为排除区。

步骤4)包括：

(4.1)使用与训练者同一排序组相同的磁共振参数获取目标者的各组磁共振图像；

(4.2)将目标者同一位置的多组磁共振图像相互对准；

(4.3)当目标者的磁共振图像是使用与训练者不同的扫描机器和/或不同的成像条件获取时，要对目标者的磁共振图像进行标准化，使目标者与所有训练者相同位置的同一排序组的磁共振图像的平均强度值相同；

(4.4)采用步骤3)中第(3.2)、(3.3)步所述的区域分割方式对目标者第一排序组的磁共振图像进行区域分割以及建立区域分割掩模，并获取目标者同一位置第一排序组以外的其他排序组的磁共振图像的区域，其中，目标者的图像不设置排除区；

(4.5)对目标者磁共振图像中的体素提取多组磁共振图像强度值；

(4.6)将目标者每个体素的多组磁共振图像的强度值通过步骤3)第(3.5)步得到的相对应区域的映射函数，得到目标者相同体素的ct值；

(4.7)将目标者所有体素的ct值的集合构成目标者的准ct图像。

本发明的利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法，使用多变量函数将目标者的多组磁共振图像对应成准ct图像。此方法的准确度与地图集方法现有的最好结果相似，但是比地图集方法更加方便和快速。本发明使用体素方法将目标者的磁共振图像直接转换为准ct图像。所以此方法不需要将训练者图像和目标者图像对齐，因而避免了地图集方法中对准过程引起的误差。本发明可用于磁共振引导放射治疗计划的模拟计算和医学成像。

附图说明

图1是利用训练者的多组磁共振图像和ct图像来确定回归模型的方法的示例性流程图；

图2是利用目标者的多组磁共振图像来生成准ct图像的示例性流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法做出详细说明。

在描述示例性实例时，所使用的附图和具体术语仅是为了清楚起见，并无限制此描述之目的。

本发明的利用多组磁共振图像的多变量回归生成准ct图像的方法，包括如下步骤：

1)从若干个训练者中分别获取多组磁共振图像(mri)和相应的一组ct图像，每个训练者的不同排序组的磁共振图像是使用不同的磁共振参数获取；不同训练者的多组磁共振图像中位于同一排序组的磁共振图像是使用相同的磁共振参数获取；

当不同训练者位于同一排序组的磁共振图像是使用不同的扫描机器和/或不同的成像条件获取时，要对所述磁共振图像进行标准化，使所有训练者中位于同一排序组的磁共振图像的平均强度值相同。标准化是为了确保所采集的磁共振图像强度值对于不同的训练者是自洽的。一种决定是否需要标准化的简单方法是对不同训练者的相同区域中体素的磁共振图像强度值做直方图进行比较；如果不同训练者的直方图显示相似的形状但非常不同的峰值和平均值，则需要标准化。在示例性标准化过程中，先找到每个训练者位于同一排序组的磁共振图像的平均强度值，然后确定每个训练者的校正因子来乘以相应训练者这一排序组的磁共振图像中体素的磁共振图像强度值，以便使得所有训练者这一排序组的磁共振图像的平均强度值一样。

2)将每个训练者的同一位置的每组磁共振图像中的每个图像与对应的ct图像对准。磁共振图像和ct图像通常是在不同的机器上获取，因此磁共振图像和ct图像在重叠时不会完全对齐。所以需要通过图像对准技术来对准每个训练者的磁共振图像和对应位置的ct图像，以争取让训练者磁共振图像和ct图像的每个体素彼此对应。

3)生成从所有训练者的多组磁共振图像的强度值对应到相同体素ct值的映射函数；包括：

(3.1)分别对每一个磁共振图像和ct图像划分人体轮廓；所述的划分人体轮廓，是将图像中人体结构与周围空气分开。

(3.2)对第一排序组的磁共振图像建立区域分割掩模；其中，

当第一排序组的磁共振图像中只有骨骼或软组织时，将所述的磁共振图像作为一个区域；当第一排序组的磁共振图像中同时具有骨骼和软组织时，将所述的磁共振图像分割为骨骼区域，软组织区域，以及混合组织区域，所述的混合组织区域是指骨骼和软组织之间的不确定部分，所述各区域的边界构成区域分割掩模；并将同一位置的多组磁共振图像和ct图像中因器官的日常活动或图像对准不充分而导致解剖结构对不齐的区域以及人体轮廓以外的区域设定为排除区。

(3.3)将得到的区域分割掩模用于同一位置第一排序组以外的其他排序组的磁共振图像以及ct图像上进行区域分割；

(3.4)从排除区以外的每个区域中的体素提取相应的磁共振图像强度值和ct值；

(3.5)根据多组磁共振图像强度值和具有相同多组磁共振图像强度值的体素的平均ct值使用多变量回归方法确定每个区域的多元高次多项式的映射函数：

其中n是多项式最高项次数,ct(s1，…，sm)为映射函数是因变量，s1是第一组磁共振图像强度值，在映射函数中为自变量，sm是第m组磁共振图像强度值，在映射函数中为自变量，i1是s1的指数，im是sm的指数，是拟合系数。

4)从目标者的多组磁共振图像生成目标者准ct图像。包括：

(4.1)使用与训练者同一排序组相同的磁共振参数获取目标者的各组磁共振图像。在优选实例中，目标者和训练者的磁共振图像是由相同的磁共振扫描仪生成；在其他实例中，训练者和目标者的磁共振图像可以由不同的磁共振扫描仪生成。

(4.2)将目标者同一位置的多组磁共振图像相互对准；

(4.3)当目标者的磁共振图像是使用与训练者不同的扫描机器和/或不同的成像条件获取时，要对目标者的磁共振图像进行标准化，使目标者与所有训练者相同位置的同一排序组的磁共振图像的平均强度值相同；

(4.4)采用步骤3)中第(3.2)、(3.3)步所述的区域分割方式对目标者第一排序组的磁共振图像进行区域分割以及建立区域分割掩模，并获取目标者同一位置第一排序组以外的其他排序组的磁共振图像的区域，其中，目标者的图像不设置排除区；

(4.5)对目标者磁共振图像中的体素提取多组磁共振图像强度值；

(4.6)将目标者每个体素的多组磁共振图像的强度值通过步骤3)第(3.5)步得到的相对应区域的映射函数，得到目标者相同体素的ct值；

(4.7)将目标者所有体素的ct值的集合构成目标者的准ct图像。

下面给出一具体实例：

图1是利用训练者的多组磁共振图像和ct图像来确定回归模型的方法的示例性流程图。

在步骤110，训练数据是使用相同的磁共振扫描仪从多个训练者获得的两组磁共振(称为mri1组和mri2组)图像以及用相同的ct扫描仪从这些训练者获得的相应部位的ct图像。不同训练者的多组磁共振图像中位于同一排序组的磁共振图像是使用相同的磁共振参数和成像条件获取。每个训练者的不同排序组的磁共振图像是使用不同的磁共振参数获取，比如使用具有不同对比度属性的磁共振图像序列参数(t1加权，t2加权)获取的。每个训练者的数据包括两组磁共振图像和一组对应的ct图像以用作基础事实。由于不同训练者位于同一排序组的磁共振图像是使用相同的磁共振参数和成像条件获取的，所以不需要对训练者的磁共振图像进行标准化。

在步骤120，磁共振图像和ct图像通常是在不同的机器上获取，因此磁共振图像和ct图像在重叠时不会完全对齐。所以需要通过图像对准技术来对准每个训练者的磁共振图像和对应位置的ct图像，以争取让训练者磁共振图像和ct图像的每个体素彼此对应。

在步骤130，首先分别对每一个磁共振图像和ct图像划分人体轮廓，将图像中人体结构与周围空气分开，然后为每个图像进行区域分割。先为第一排序组的磁共振图像进行区域分割。当第一排序组的磁共振图像中只有骨骼或软组织时，将所述的磁共振图像作为一个区域；当第一排序组的磁共振图像中同时具有骨骼和软组织时，将所述的磁共振图像分割为骨骼区域，软组织区域，以及混合组织三个区域。骨骼区域仅包含确定的骨骼解剖结构，包括皮质和海绵状(松质骨)骨骼结构。软组织区域仅包括所有确定的非骨骼解剖结构。在骨骼区域和软组织区域接触的区域(即不确定区域)之间保留的剩余区域为混合组织区域。另外，将同一位置的多组磁共振图像和ct图像中因器官的日常活动或图像对准不充分而导致解剖结构对不齐的区域，以及人体轮廓以外的区域设定为排除区。区域分割可以手动或利用计算机生成的训练者轮廓完成。所述的第一排序组的磁共振图像中各区域的边界构成区域分割掩模；然后将得到的区域分割掩模用于同一位置第一排序组以外的其他排序组的磁共振图像以及ct图像上进行区域分割。

在步骤140，从训练数据的每个图像提取体素的磁共振图像强度值和ct值。每个体素的数据是由来自mri1组的磁共振图像强度值，来自mri2组的磁共振图像强度值，和对应的ct值组成的三元组。从每个训练者给定区域的体素提取的数据集合在一起；但排除区中的体素被排除在所述数值提取之外，以便保证磁共振图像强度值和ct值之间的真实关联。

步骤150对每个区域进行多变量回归，即用两组磁共振图像强度值的函数来拟合相对应的平均ct值(即训练数据同一区域的体素在该两组磁共振图像强度值区间内的平均值)。此示例中的多变量回归使用以下二元高次多项式的映射函数:

其中多项式最高项次数n＝30,ct(s1，s2)为映射函数是因变量，mri1组磁共振图像强度值s1和mri2组磁共振图像强度值s2是自变量，是拟合系数。

图2是利用目标者的多组磁共振图像来生成准ct图像的示例性流程图。

在步骤210，使用与训练者相同型号的磁共振扫描仪并使用与训练者同一排序组相同的磁共振参数和成像条件获取目标者的两组磁共振图像(mri1组和mri2组)。由于目标者的磁共振图像是使用与训练者相同型号的磁共振扫描仪和成像条件获得的，所以不需要对目标者的磁共振图像进行标准化。

在步骤220，将目标者的同一位置的两组磁共振图像中相互对准。

在步骤230，采用步骤130所述的区域分割方式对目标者第一排序组的磁共振图像进行区域分割以及建立区域分割掩模，并获取目标者同一位置第二排序组的磁共振图像的区域；目标者的图像不设置排除区。

在步骤240，提取目标者每个体素的磁共振图像强度值，即来自mri1组的磁共振图像强度值和来自mri2组的磁共振图像强度值。

在步骤250，将在步骤150中确定的每个区域的多变量函数应用于目标者的对应区域。先使用目标者的每个体素的两组磁共振图像强度值作为自变量，然后利用在步骤150中确定的这个体素所在区域的二元高次多项式来获得因变量作为此体素的ct值。

在步骤260，目标者的每个体素所对应的准ct值的全部即构成了准ct图像。该图像可用于目标者磁共振引导放射治疗计划的模拟计算和医学成像。