[發明專利]基于配準的肺4D-CT圖像吸氣過程中間相位圖像的重建方法

有效

• 申請號: 201410478331.6
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104361567B
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 張煜;耿丹丹
• 申請（專利權）人: 南方醫科大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T5/50;G06T3/40;G06T7/30;A61B6/03
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司44104
• 代理人: 宣國華,高文龍

技術領域

本發明涉及醫學圖像處理技術領域，具體涉及一種基于配準的肺4D-CT圖像吸氣過程中間相位圖像的重建方法。

背景技術

4D-CT是近年來出現的一種評價腫瘤和器官運動的一項新技術。與傳統的3D-CT相比，4D-CT加入了時間軸，它動態的采集了病人呼吸時的CT圖像，然后通過圖像的重建和重新排列得到病人在不同呼吸相位的3D-CT圖像。肺4D-CT真實地再現了腫瘤和器官的空間結構及運動情況，較好的解決了運動偽影和呼吸運動導致的劑量誤差，成為放射治療中目標精確定位的關鍵。

然而，肺4D-CT數據的獲取通常要采集多個相位的3D-CT圖像，這使得掃描時間長，需要包含整個呼吸周期，導致病人將接受高于常規CT掃描幾倍的劑量。其次，最終獲取的一組4D-CT數據就包括1000～3000張圖片，每一組數據就要占去上百兆的空間。另外，實時相位處理系統(RPM)與掃描設備是否準確同步，也會對獲取的CT圖像質量有較大影響。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于配準的肺4D-CT圖像吸氣過程中間相位圖像的重建方法，該方法利用已知的兩個特殊相位圖像，就可重建肺4D-CT圖像吸氣過程的中間相位圖像，避免了肺4D-CT數據因采集相位多，掃描時間長，導致病人吸收劑量高的缺點。

本發明的目的可以通過以下的技術措施來實現：基于配準的肺4D-CT圖像吸氣過程中間相位圖像的重建方法，該方法包括如下步驟：

(1)由肺4D-CT圖像數據獲得呼氣末和吸氣末兩個相位的肺3D-CT圖像；

(2)選定呼氣末相位的肺3D-CT圖像作為參考圖像，吸氣末相位的肺3D-CT圖像作為浮動圖像，對兩個相位圖像進行配準，得到兩個相位圖像之間的運動變形場；

(3)以步驟(2)得到的運動變形場為基礎，重建出肺4D-CT圖像吸氣過程的中間相位圖像。

本發明中，所述步驟(2)采用Active Demons配準方法對參考圖像和浮動圖像這兩個相位圖像進行配準，得到兩個相位圖像之間的運動變形場，具體過程如下：

(2.1)Active Demons配準方法是在光流場理論基礎上提出的一種彈性配準方法，該理論的前提假設是呼吸運動過程中肺部圖像的灰度值不變，即：

I(x(t),y(t),z(t),t)＝C……式(1)

式中，I表示肺部圖像的灰度值，t為時間，(x,y,z)表示坐標，C為一常量；

(2.2)根據(1)式得到驅動力：

……式(2)

其中，下標為r的代表參考圖像的參數，下標為f的代表浮動圖像的參數，ν表示任一點從I_f到I_r所需的偏移量，I_r和I_f分別代表參考圖像和浮動圖像的灰度值，▽I_r是參考圖像的灰度梯度矢量；

(2.3)當參考圖像梯度信息不足時會引起配準誤差，故引入浮動圖像的灰度梯度信息作為新作用力，得到Active Demons算法的驅動力：

……式(3)

其中，α為均化系數，▽I_f是浮動圖像在(x,y,z)處的灰度梯度；

(2.4)根據式(3)估計呼氣末相位的肺3D-CT圖像和吸氣末相位的肺3D-CT圖像之間的運動變形場。

本發明中，所述步驟(3)具體是根據呼吸運動過程的線性假設求出浮動圖像到中間相位圖像的運動位移，繼而重建出肺4D-CT圖像吸氣過程的中間相位圖像，具體過程如下：

(3.1)肺4D-CT圖像吸氣過程的中間相位的重建方法是基于呼吸運動過程的線性假設，即假設吸氣過程中肺部圖像的運動位移是線性變化的；

(3.2)根據呼吸運動過程的線性假設，浮動圖像到中間相位圖像的運動位移表示為

T_p＝s_pT,p＝1,2Ln……式(4)

其中，T是用Active Demons配準方法得到的呼氣末相位的肺3D-CT圖像和吸氣末相位的肺3D-CT圖像之間的運動位移，n為插值中間圖像個數，T_p為第p個插值相位圖像相對于浮動圖像的位移場，s_p為插值系數，s_p∈[0,1]；

(3.3)由(4)式得出吸氣末相位的肺3D-CT圖像到中間相位圖像的運動位移T_p后，對浮動圖像進行線性插值，即可得到重建的肺4D-CT圖像吸氣過程的中間相位圖像。