錐形束ct圖像用於放療劑量計算的個體化ct值校正方法
2023-06-11 19:04:11 1
專利名稱：錐形束ct圖像用於放療劑量計算的個體化ct值校正方法
技術領域：
本發明涉及一種錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，更具體的說，尤其涉及一種利用扇形束CT值-電子密度值映射關係和個體化CT值校正表獲取錐形束CT圖像電子密度值並用於劑量計算的方法。
背景技術：
現代放射治療技術，比如三維適形放療、調強放療，通常依靠扇形束CT掃描來完成放療定位，並據此制定放療計劃。這是由於定位扇形束CT圖像的CT值與成像目標的電子密度之間具有相對穩定的映射關係。這種映射關係通常被事先測定並被存儲在放療計劃系統，以便放療計劃系統在獲得扇形束CT圖像後，將其CT值轉換為電子密度值，從而進行劑量計算。各種調強放療技術利用這些電子密度信息，可以在患者的用於放療定位的扇形束CT圖像上制訂調強放療計劃，將高度適形的劑量分布投射到靜止靶區。然而，放射治療過程通常採用分割照射技術，即放療需要分若干次進行。分次放療過程中，腫瘤及其周圍重要器官的位置和形狀可能產生變化(比如腫塊的位移、增大、退縮或扭曲)。另外，每次治療前的擺位也會引起患者身體的位移或扭曲。基於對這些變化的考慮，常規的做法是將腫瘤區域外放一定範圍作為照射靶區，結果是造成腫瘤周圍更多正常組織的放射損傷。當腫瘤的位置和形狀發生較大變化時，通常需要重新採集定位CT，重新制定放療計劃。利用集成在醫用直線加速器上的錐形束CT，可以在患者躺在治療床上時採集在線的錐形束CT圖像，從而允許醫生在放療擺位後立即獲取患者的體內腫瘤和其周圍正常組織器官的位置和形狀的變化信息。根據體內腫瘤和周圍組織器官的變化信息，利用在線獲取的錐形束CT修改初始放療計劃或者重新制訂放療計劃，可以避免腫瘤和周圍組織器官的分次間變化引起的錯誤的劑量投放和相關的放療副反應。然而，由於錐形束CT固有的電子散射的原因，使得重建的錐形束CT圖像的CT值和成像目標的電子密度之間的映射關係不確定。錐形束CT圖像的CT值和成像目標的電子密度之間的映射關係不僅隨成像目標的不同而變化，而且同一個成像目標的不同部位的CT值與其對應電子密度之間的映射關係也會變化。這使得通常使用在扇形束CT圖像上的通過建立一個普適的CT值與電子密度轉換表的方法不能適用於錐形束CT。理論上，精確地配準扇形束CT和錐形束CT圖像產生的變形場後，可以將扇形束CT 圖像中的CT值映射到對應的錐形束CT圖像的解剖結構，使融合的圖像既包含扇形束CT準確的CT值，又具有錐形束CT的解剖結構。然而，精確地三維圖像配準通常需要很大的計算量和較長的計算時間，同時，根據選用的配準算法和不同的扇形束CT和錐形束CT圖像中配準目標變化反應的配準難易程度的不同，會產生不同程度的配準誤差，較大的配準誤差需要進一步的手工調整，這就需要花費更多的時間，因此，對於在患者躺在治療床上等待治療的時間內，通過精確地圖像配準來完成在線射野調整或重新計劃是非常困難的。同時我們注意到，每個分次放療利用錐形束CT採集影像前，都需要對病人進行擺位，在每次錐形束CT圖像採集時，病人的體位狀態都有較好的重複性。這使得針對特定的錐形束CT掃描參數和特定的病人，不同分次獲取的錐形束CT圖像相同的局部區域CT值到電子密度的映射關係是穩定的。利用這個特點，我們發明了一種包涵局部信息的錐形束CT 影像CT值的個體化校正方法。
發明內容
本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種利用扇形束CT值-電子密度值映射關係和個體化CT值校正表獲取錐形束CT圖像電子密度值並用於劑量計算的方法。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，其特別之處在於，包括以下步驟(1)確定CT值到電子密度映射關係，即確定由定位扇形束CT圖像的 CT值到成像目標的電子密度之間的映射關係；(2) CT圖像採集，採集患者同一身體部位的錐形束CT圖像和定位扇形束CT圖像，並將兩套CT圖像進行配準；(3)區域分割，將錐形束 CT圖像和扇形束CT圖像配準後重疊的三維區域按指定尺寸的長方體分割為N級局部區域；
設第η級長方體的長、寬和高分別為 、4和。，第η+1級局部區域包含於第η級局部區
域，且第η+1級局部區域的邊長分別為、和^ ；N和η均為正整數，且1彡η彡N，
NS 3 ;(4)獲取個體化多級CT值校正表，通過統計和計算該患者各個局部區域內錐形束CT 圖像中像素的CT值與扇形束CT圖像中對應像素的CT值，獲得N級局部區域錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像CT值的校正表；(5)錐形束CT值的校正，對於之後每一次獲取的該患者的錐形束CT圖像，利用步驟(4)獲取的個體化多級CT值校正表對其進行校正，以便使校正後的錐形束CT圖像可用於電子密度信息計算；(6)映射至電子密度，對校正後的錐形束CT圖像利用步驟(1)中獲得的映射關係，計算出成像目標的電子密度，由電子密度信息可進行劑量計算。步驟(1)用於確定由扇形束CT圖像的CT值到電子密度之間的轉換映射關係，以便以後的調取使用。步驟(2)用於實現錐形束CT圖像和扇形束CT圖像的配準。 步驟(3)中的第η+1級局部區域為第η級局部區域的一部分，且第η級局部區域體積為第 η+1級局部區域體積的8倍。利用步驟(4)中獲得的CT值校正表，可以把錐形束CT圖像的 CT值轉化為對應的扇形束CT圖像的CT值，以便進行劑量計算。步驟(5)和(6)利用CT值校正表以及步驟(1)中獲得的映射關係，把錐形束CT圖像的CT值轉化為了電子密度信息， 以便進行劑量計算。根據計算的劑量信息，可以對放療計劃作出評估，確定是否需要優化放療方案。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，所述步驟的配準方法為剛體配準方法或採用基於梯度場的變約束圖像變形配準方法。剛體配準方法是指通過患者整體的平移或旋轉，來實現配準的目的；所述的基於梯度場的變約束圖像變形配準方法為專利號為CN201010520917. 6的專利中所公開的一種配準方法。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，所述步驟(4 ) 中，錐形束CT圖像中像素與定位扇形束CT圖像中對應像素是由步驟O)中的圖像配準產生的變形場確定的。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，所述步驟(4 ) 中，統計和計算該患者各個局部區域內錐形束CT圖像中像素的CT值與扇形束CT圖像中對應像素的CT值，包括以下步驟(4-1)各個局部區域建立各自的錐形束CT圖像CT值到扇
5CN 102327126 A
說明書
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形束CT圖像CT值的校正表；(4-2)對於一個局部區域，分別統計局部區域內存在的各個錐形束CT值對應的像素數；(4-3)對於一個局部區域，特定的錐形束CT值對應的像素數大於設定值Nmin，則這些錐形束CT值相同的圖像像素所對應的扇形束CT圖像像素的CT值的平均值作為校正表中此錐形束CT值對應的扇形束CT校正值；特定的錐形束CT值對應的像素數小於Nmin，則此錐形束CT值不參與此局部區域校正表的建立；(4-4)對於錐形束CT圖像中像素通過變形場對應的扇形束CT圖像中像素位置不為整數時，利用與待計算像素相鄰的八個頂點像素的CT值，通過三線差值的方法獲得待計算像素的CT值；(4-5)如果錐形束CT圖像中像素CT值與對應扇形束CT圖像中像素CT值相差超過設定值Diff，此像素不參與平均值的計算。所述的「錐形束CT圖像中像素通過變形場對應的扇形束CT圖像中像素位置不為整數」即錐形束CT圖像中像素通過變形場對應的扇形束CT圖像中坐標位於幾個相鄰像素之間。步驟(4-3)通過確保校正表中的每個校正數據至少對應Nmin個像素值， 以使校正數據更緊接真實值；步驟(4-4)利用八個相鄰頂點像素的CT值並通過三線差值的算法獲得待計算扇形束CT像素的CT值，實現了對待計算像素CT值的合理近似；步驟(4-5) 認為差值過大的錐形束CT圖像像素與對應扇形束CT圖像像素是錯誤的對應，進行捨去。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，所述步驟(5 ) 中錐形束CT圖像採集參數與步驟(1)中錐形束CT圖像的採集參數相同。只有保證採集的參數相同，才能保證之後採集的錐形束CT圖像與第一次採集的錐形束CT圖像具有一致的對應關係，保證圖像CT值計算的準確性。本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，所述步驟(5 ) 中利用步驟(4)獲取的個體化多級CT值校正表對其進行校正時，優先採用局部信息進行校正，既當一個錐形束CT圖像像素的CT值在其所處的n+1級和η級校正表中都存在對應的扇形束CT校正值時，優先選用n+1級校正表中的校正值進行校正。由於錐形束CT圖像像素CT值到扇形束CT圖像像素CT值的對應關係在不同位置會有所不同，優先採用局部信息進行校正進一步保證了 CT值校正的準確性。對於錐形束CT圖像各個局部區域CT值到電子密度的映射關係的獲取，由於病人的電子密度信息不方便直接獲得，而用於放療定位的扇形束CT圖像與成像目標的電子密度之間有穩定的轉換關係。為制定放療計劃，首先病人在放療前進行扇形束CT圖像的掃描，我們可以通過圖像配準獲取錐形束CT和扇形束CT圖像各個局部區域CT值之間的映射關係來代替獲取錐形束CT圖像各個局部區域CT值到電子密度的映射關係。以後獲取的錐形束CT圖像直接用這些映射關係來將錐形束CT圖像CT值校正為對應扇形束CT圖像CT 值，校正後的圖像利用計劃系統中扇形束CT的CT值到電子密度的映射錶轉換得到電子密度信息，以進行劑量計算。於是，上面所述的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT 值校正方法法中，首先進行扇形束CT掃描和第一次錐形束CT掃描，並建立由扇形束CT圖像到成像目標的電子密度之間的映射關係以及由錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像個體化CT值的校正表。在以後的錐形束CT圖像中直接用這個映射關係來進行CT值到電子密度的轉換，不但可以節約大量的在線配準和處理時間，而且可以避免每次配準都產生的配準誤差。本發明的有益效果是本發明建立了由定位扇形束CT圖像到成像目標的電子密度信息的映射關係以及由錐形束CT圖像到定位扇形束CT圖像的個體化CT值校正表，並利用獲得的映射關係和個體化CT值校正表實現了把每次採集的錐形束CT圖像信息快速、 方便地轉化為電子密度信息，實現了基於錐形束CT圖像的放療劑量計算；本發明把錐形束 CT圖像與扇形束CT圖像重疊的區域分割為N級局部區域來獲取多級CT值校正表，使得CT 值校正信息更加準確和完善；本發明多級CT值校正表的建立基於患者的具體解剖結構，因此，患者的多級CT值校正表具有個體化特徵，使得CT值校正過程更加準確。
圖1為錐形束CT圖像和扇形束CT圖像三級區域分割示意圖； 圖2為第一級校正表的示意圖3為第二級校正表的示意圖； 圖4為第三級校正表的示意圖。
具體實施例方式配準某個病人放療定位時採集的扇形束CT圖像和第一次放療時採集的錐形束CT 圖像，病人在第一次治療時，由於兩CT圖像之間的採集間隔很短，通常情況下腫瘤及其周圍正常組織器官的變化不大，可以通過剛體配準和精確的擺位完成治療，本發明中所述的為獲取錐形束CT中像素和扇形束CT中像素的對應關係而進行的剛體或變形配準可以離線完成。對於少數病人在第一次治療時，腫瘤及其周圍正常組織器官就有較大變化需要修改治療計劃的情況，本發明中描述的配準過程需要在線完成，為重新制訂治療計劃提供錐形束CT圖像對應的電子密度信息，這需要花費較長的時間，但以後治療中的錐形束CT圖像的 CT值校正則可以利用這次建立的一系列包含局部校正信息的校正表快速完成。為獲取錐形束CT中像素和扇形束CT中像素的對應關係而進行的配準可以採用剛體配準的方法和(或)變形配準的方法。對於在扇形束CT掃描和第一次錐形束CT掃描之間幾乎沒有解剖結構變形的情況，比如顱內病變，只需要剛體配準就可以獲得足夠準確的錐形束CT和扇形束CT中像素的對應關係。對於存在解剖結構變形的情況，則需要單獨採用變形配準或者採用剛體配準與變形配準相結合的方法來獲得像素之間的對應關係。根據配準結果產生的錐形束CT中像素和扇形束CT中像素的對應關係，依據錐形束CT中像素和扇形束CT中像素的對應關係自動生成多個具有局部校正信息的錐形束CT 圖像CT值校正表。在生成校正表的過程中，對不滿足條件的錯誤的像素對應關係進行濾除。這些錯誤的對應關係可能由配準誤差或其它的原因造成。具有局部校正信息的錐形束 CT圖像CT值校正表的建立，要優先使用局部得到的CT值校正信息。同一個病人以後獲取的錐形束CT需要和第一次採集的錐形束CT使用相同的掃描參數。將第一次錐形束CT掃描後獲取的一系列包含局部校正信息的校正表應用於同一個病人以後獲取的錐形束CT的CT值校正，即對於新採集的錐形束CT中某個局部區域採用先前獲取的對應的包含此區域局部信息的CT值校正表進行校正，以使這些校正後的錐形束 CT可以通過計劃系統中預存的扇形束CT值到電子密度轉換表獲得準確的電子密度信息。 下面給出一個具體的實施步驟
(1)確定CT值到電子密度映射關係，即確定由扇形束CT圖像的CT值到成像目標的電子密度之間的映射關係，以便在後面調取使用；通常此映射關係儲存在放療計劃系統；
7(2)CT圖像採集，採集患者同一身體部位的錐形束CT圖像和扇形束CT圖像，採用基於梯度場的變約束圖像變形配準方法將兩CT圖像進行配準；該變形配準方法在申請號為 CN201010520917. 6的專利中有詳細公開；
(3)區域分割，將錐形束CT圖像和扇形束CT圖像配準後重疊的三維區域按指定尺寸的長方體分割為N級局部區域；設第η級長方體的長、寬和高分別為~入和Q，第n+1級
局部區域包含於第η級局部區域，且第n+1級局部區域的邊長分別為、 、和；N和 η均為正整數，且1彡η彡N，N彡3 ；
(4)獲取個體化多級CT值校正表，通過統計和計算各個局部區域內錐形束CT圖像中像素的CT值與扇形束CT圖像中對應像素的CT值，獲得N級局部區域錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像CT值的個體化校正表；
(5)錐形束CT值的校正，對於之後每一次獲取的錐形束CT圖像，利用步驟(4)獲取的 CT值校正表對其進行校正，以便使校正後的錐形束CT圖像可用於電子密度信息計算；
(6)映射至電子密度，對校正後的錐形束CT圖像利用步驟(1)中獲得的映射關係，計算出成像目標的電子密度，由電子密度信息可進行劑量計算。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，給出了 N等於3時由錐形束CT圖像CT值到扇形束 CT圖像CT值校正表的示意圖，所示的錐形束CT圖像和扇形束CT圖像均為三維圖像，所示的第一級校正表包含整個容積圖像內錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像CT值的映射關係，而第二級和更小的第三級則只包含對應局部範圍的映射關係。如圖所示，第一級校正區域為第二級校正區域的8倍，第二級校正區域為第三級校正區域的8倍；如果N的值大於3， 則級數越大，對應的區域就越小。從圖2、圖3和圖4中還可以看出，從第一級校正表到第三級校正表對應的校正信息逐漸減少。在此實施例中，參數Nmin設定為10，既對於一個局部區域，特定的錐形束CT值對應的像素數大於10，則這些錐形束CT值相同的圖像像素所對應的扇形束CT圖像像素的CT值的平均值作為校正表中此錐形束CT值對應的扇形束CT 校正值。特定的錐形束CT值對應的像素數小於10，則此錐形束CT值不參與此局部區域校正表的建立。在上述過程中，如錐形束CT圖像中像素通過變形場對應的扇形束CT像素位置不為整數時，我們利用相鄰的八個頂點像素的CT值，通過三線插值的方法獲得對應的CT 值。在此實施例中參數Diff設定為700，既對於錐形束CT圖像中像素CT值與對應扇形束 CT圖像中像素CT值相差超過700的情況，我們認為是錯誤的對應，此像素不參與平均值的統計。以後進行同一個病人的錐形束CT採集時，掃描參數要和第一次錐形束CT圖像掃描時相同。獲取的錐形束CT圖像，直接利用已經獲得的多級錐形束CT圖像CT值到扇形束 CT圖像CT值的校正表，逐像素的進行校正。校正優先採用所屬區域對應的最低級的校正表(這裡為第三級校正表)。因為低級的校正表只包含較少的校正信息，當校正過程中當前級局部校正表不包含需要的CT值校正信息時，則使用當前局部所在的上一級(第二級校正表)的校正表，直到獲得對應的校正信息。在整個三維錐形束CT影像校正完成後，校正後的圖像信息根據扇形束CT值到電子密度的映射表再進行劑量計算。對於四維錐形束CT圖像，是由多個不同呼吸狀態的三維錐形束CT圖像構成。使用基於梯度場的變約束圖像變形配準方法，配準第一次採集的四維錐形束CT圖像中某個參考呼吸狀態的三維錐形束CT影像和先前採集的扇形束CT影像。
根據上述配準結果獲取各級局部區域錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像CT值的校正表的方法與上面所述的方法相同。以後進行同一個病人的四維錐形束CT採集時，獲取方法和掃描參數要和第一次掃描時相同。利用多級校正表對四維錐形束CT中表示每個呼吸狀態的三維錐形束CT影像進行校正的方法與上面所述的方法相同。在整個四維錐形束CT影像校正完成後，校正後的圖像可以直接在計劃系統中進行劑量計算(計劃系統中存有扇形束CT值到電子密度的映射表)。
權利要求
1.一種錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)確定CT值到電子密度映射關係，即確定由定位扇形束CT圖像的CT值到成像目標的電子密度之間的映射關係；(2)CT圖像採集，採集患者同一身體部位的錐形束CT圖像和定位扇形束CT圖像，並將兩套CT圖像進行配準；(3)區域分割，將錐形束CT圖像和扇形束CT圖像配準後重疊的三維區域按指定尺寸的長方體分割為N級局部區域；設第η級長方體的長、寬和高分別為 、K和。，第n+1級局部區域包含於第η級局部區域，且第η+1級局部區域的邊長分別為 K、iK和K ；N和η均為正整數，且1 < η 3 ；(4)獲取個體化多級CT值校正表，通過統計和計算該患者各個局部區域內錐形束CT圖像中像素的CT值與扇形束CT圖像中對應像素的CT值，獲得N級局部區域錐形束CT圖像 CT值到扇形束CT圖像CT值的校正表；(5)錐形束CT值的校正，對於之後每一次獲取的該患者的錐形束CT圖像，利用步驟(4) 獲取的個體化多級CT值校正表對其進行校正，以便使校正後的錐形束CT圖像可用於電子密度信息計算；(6)映射至電子密度，對校正後的錐形束CT圖像利用步驟(1)中獲得的映射關係，計算出成像目標的電子密度，由電子密度信息可進行劑量計算。
2.根據權利要求1所述的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法， 其特徵在於所述步驟(2)的配準方法為剛體配準方法或採用基於梯度場的變約束圖像變形配準方法。
3.根據權利要求1所述的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法， 其特徵在於所述步驟(4)中，錐形束CT圖像中像素與定位扇形束CT圖像中對應像素是由步驟O)中的圖像配準產生的變形場確定的。
4.根據權利要求1所述的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法， 其特徵在於所述步驟(4)中，統計和計算該患者各個局部區域內錐形束CT圖像中像素的 CT值與定位扇形束CT圖像中對應像素的CT值，包括以下步驟(4-1)各個局部區域建立各自的錐形束CT圖像CT值到扇形束CT圖像CT值的校正表；(4-2)對於一個局部區域，分別統計局部區域內存在的各個錐形束CT值對應的像素數；(4-3)對於一個局部區域，特定的錐形束CT值對應的像素數大於設定值Nmin，則這些錐形束CT值相同的圖像像素所對應的扇形束CT圖像像素的CT值的平均值作為校正表中此錐形束CT值對應的扇形束CT校正值；特定的錐形束CT值對應的像素數小於Nmin，則此錐形束CT值不參與此局部區域校正表的建立；(4-4)對於錐形束CT圖像中像素通過變形場對應的扇形束CT圖像中像素位置不為整數時，利用與待計算像素相鄰的八個頂點像素的CT值，通過三線差值的方法獲得待計算像素的CT值；(4-5)如果錐形束CT圖像中像素CT值與對應扇形束CT圖像中像素CT值相差超過設定值Diff，此像素不參與平均值的計算。
5.根據權利要求1所述的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法， 其特徵在於所述步驟(5)中錐形束CT圖像採集參數與步驟(1)中錐形束CT圖像的採集參數相同。
6.根據權利要求1所述的錐形束CT圖像用於劑量計算的個體化CT值校正方法，其特徵在於所述步驟(5)中利用步驟(4)獲取的個體化多級CT值校正表對其進行校正時，優先採用局部信息進行校正，即當一個錐形束CT圖像像素的CT值在其所處的n+1級和η級校正表中都存在對應的定位扇形束CT校正值時，優先選用n+1級校正表中的校正值進行校正。
全文摘要
本發明的錐形束CT圖像用於放療劑量計算的個體化CT值校正方法，包括(1)建立由扇形束CT圖像CT值到成像目標的電子密度值之間的映射關係；(2)採集錐形束和扇形束CT圖像；(3)將錐形束和扇形束CT圖像重疊區域分割為N級局部區域；(4)獲得個體化多級CT值校正表；(5)利用個體化CT值校正表對後續採集的錐形束CT圖像進行校正；(6)利用步驟(1)中的映射關係進行放療劑量的計算。本發明利用CT值校正方法，把錐形束CT圖像信息快速、方便地轉化為電子密度信息，實現了基於錐形束CT圖像的放療劑量計算；本發明通過建立多級CT值校正表，使得CT值校正信息更加準確和完善；本發明多級CT值校正表的建立基於患者的具體解剖結構，使得CT值校正過程更加準確。
文檔編號A61B6/03GK102327126SQ20111020583
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者李寶生, 李洪升, 梁月強 申請人:李寶生, 梁月強