[發明專利]一種正交X射線影像快速2D-3D醫學圖像配準方法

在審

• 申請號: 201910429671.2
• 申請日: 2019-05-22
• 公開（公告）號: CN110148160A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 馮漢升;李實;沈延延
• 申請（專利權）人: 合肥中科離子醫學技術裝備有限公司
• 主分類號: G06T7/30
• 分類號: G06T7/30;G06T7/32
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發明公開了一種正交X射線影像快速2D?3D醫學圖像配準方法，不斷通過在兩對正交角度下的DRR?X射線影像間的2D?2D配準來引導3D空間剛體變換。在3D空間剛體變換中對射線與DRR像素進行坐標反變換避免3D并且將計算量大的步驟DRR生成等步驟轉移到GPU上進行并行計算，克服2D?3D配準時間長的問題，達到快速進行2D?3D醫學圖像配準的目的。

技術領域

本發明涉及一種正交X射線影像快速2D-3D醫學圖像配準方法， 屬于醫學圖像數據處理技術領域，可應用于圖像引導腫瘤放療系統中 的患者姿態修正。

背景技術

圖像引導系統主要用于輔助引導腫瘤放射治療，通過放療過程中 實時X射線影像與術前重構CT圖像進行配準獲取患者擺位誤差,并修 正該誤差使得放射線能夠準確轟擊到患者腫瘤靶灶，減小對患者正常 組織的損傷。因此在臨床實際應用中為了縮短患者治療過程中等待時 間并保證放療效果，需要進行快速準確的2D-3D配準。

現有的2D-3D配準算法以基于灰度的迭代優化式配準算法為主， 其主要思想是由CT數據模擬X射線投影生成DRR(Digitally Reconstructured Radiograph，數字重建放射影像)，通過衡量DRR 與X射線影像的相似程度來來判斷患者當前位置姿態與術前重構CT姿態是否存在差異，并且進一步通過優化算法尋找使得DRR與X射線 影像最相似的CT空間位置。在CPU的串行程序處理下需要不斷遍歷 CT體素、DRR以及X光像素等極其耗時的過程。由于DRR投影以及相 似性度量的計算本質上就是復雜度分別為O(n3)與O(n2)，這意味著一般的2D-3D配準算法是計算量巨大的算法，難以滿足臨床治療中快 速配準的要求，需要對此不足進行改進。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出了一種基于并行計算的正交X 射線影像快速2D-3D醫學圖像配準算法，其提供了一種采取GPU進行 并行計算，并且充分利用一對正交面板上2D坐標系統反映的空間位 置信息不斷引導3D剛體變換進而實現快速配準的方法，輸入一對射 線夾角為90°的兩塊探測面板獲取的X射線影像與CT數據可輸出術 前重構CT與當前X射線影像相對應的6個空間剛體變換參數。

本發明采取的技術方案為：一種正交X射線影像快速2D-3D醫學 圖像配準方法，充分利用在兩個垂直方向進行拍攝的一對正交X射線 影像包含的空間位置信息，并通過在GPU上的并行計算實現快速精確 的2D-3D配準,主要包括以下步驟：

1)獲取術前進行CT重構獲得CT數據。并獲取兩幅在射線夾角 為90°下拍攝的X射線影像，保存兩次X射線影像及其拍攝系統的 參數。系統參數主要包括射線源到等中心點距離，射線源到探測面板 距離，拍攝角度，X射線影像像素點的物理尺寸。

2)根據步驟1)中獲取的拍攝參數，建立虛擬坐標系，設置射 線源點、等中心點、探測面板在虛擬坐標系中的位置，為虛擬探測面 板上每個像素點賦值一個虛擬坐標系坐標，并且將CT數據根據其體 素物理距離為每一個體素中心賦值一個虛擬坐標系的坐標，模擬X光 拍攝機械系統。

3)在步驟2)中所建立的虛擬坐標系中根據Siddon-Jacobs FastRay-Tracing算法進行DRR生成，但將每個DRR像素點的像素值 計算在GPU上并行化獨立運行。

4)將步驟3)中生成DRR圖像后與X射線影像在GPU上并行化 計算二值化局部加權均差相似度，以3D空間初始位置參數根據幾何 結構正交分解得到的2D剛體參數為初始位置，對生成DRR圖像進行 并行化的2D-2D配準。

5)將步驟4)中兩對2D-2D圖像間的配準結果，再次根據正交 分解關系反演到3D空間中，作為3D變換的初始位置，跟據這一初始 位置搜索優化得到新的剛體變換參數，對虛擬坐標系中的探測面板、 光源點進行反變換，并生成新的DRR圖像，再次計算出歸一化互相關 相似度。