[發(fā)明專利]一種基于磁共振波譜和磁共振影像的放療靶區(qū)勾畫方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010143077.X
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111166332B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發(fā)明（設計）人: 侯震;閆婧;李雙雙;張冰;劉娟;高山寶;王孔成
• 申請（專利權）人: 南京鼓樓醫(yī)院
• 主分類號: A61B5/055
• 分類號: A61B5/055;A61B5/00;G16H30/20;G16H30/40
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

1.一種基于磁共振波譜和磁共振影像的放療靶區(qū)勾畫方法，其特征在于，包括：

步驟1)讀取二維磁共振波譜和三維磁共振圖像的頭文件中定義的空間信息字段，通過坐標變換確定二維磁共振波譜體素對應于磁共振圖像矩陣中坐標的集合；

步驟2)根據(jù)磁共振波譜掃描成像區(qū)域中所有體素中代謝物的值和位置信息，逐層修改對應的磁共振圖像矩陣中的像素，并寫回到原磁共振圖像的DICOM文件；

步驟3)將步驟2)修改后的磁共振圖像DICOM文件導入放療計劃系統(tǒng)，指導放療靶區(qū)勾畫；

所述步驟1)包括：

步驟1.1)從磁共振設備導出三維磁共振圖像的DICOM圖像、二維磁共振波譜.spar頭文件及二維磁共振波譜.sdat數(shù)據(jù)文件，所述二維磁共振波譜.spar頭文件包含波譜空間信息字段，所述二維磁共振波譜.sdat數(shù)據(jù)文件經(jīng)磁共振波譜后處理軟件處理得到二維磁共振波譜.csv文件；

步驟1.2)選取對于腫瘤病變特異性高的代謝物為感興趣代謝物，所述二維磁共振波譜.csv文件中包含該代謝物在磁共振波譜掃描成像區(qū)域中不同位置的波譜體素中的含量值；

步驟1.3)根據(jù)二維磁共振波譜.spar頭文件和三維磁共振圖像的DICOM圖像頭文件中的空間信息字段進行坐標變換，確定二維磁共振波譜掃描成像區(qū)域與對應層面磁共振圖像的4個交點在三維磁共振圖像的DICOM圖像矩陣坐標系下的坐標，進而確定該層磁共振波譜掃描成像區(qū)域內(nèi)每個體素所包含的像素在DICOM圖像矩陣坐標系下的坐標集合；

所述二維磁共振波譜.spar頭文件中定義空間信息的字段為：ap_off_center，lr_off_center，cc_off_center，ap_angulation，lr_angulation，cc_angulation，ap_size，lr_size，cc_size，averages；所述磁共振圖像的DICOM圖像頭文件中定義空間信息的字段為：Image Position，Image Orientation，Pixel Spacing，Width，Height；

所述字段ap_off_center，lr_off_center，cc_off_center為磁共振波譜掃描成像區(qū)域的中心在病人坐標系下的坐標；所述字段ap_angulation，lr_angulation，cc_angulation為磁共振波譜掃描成像區(qū)域與病人坐標系三個坐標軸方向所呈角度，所述字段ap_size，lr_size，cc_size為磁共振波譜掃描成像區(qū)域沿病人坐標系三個坐標軸的長度；所述字段averages為單個波譜體素的寬度；所述字段Image Position為二維磁共振DICOM圖像原點在病人坐標系下的坐標，所述字段Image Orientation為二維磁共振DICOM圖像的行和列在病人坐標系下方向的余弦值，所述字段Pixel Spacing為病人坐標系下像素的行間距和列間距，所述字段Width為磁共振DICOM圖像矩陣的寬，所述字段Height為磁共振DICOM圖像矩陣的高；

所述步驟1.3)中二維磁共振波譜掃描成像區(qū)域與對應層面二維磁共振圖像的4個交點在DICOM圖像矩陣坐標系下坐標的變換涉及三個坐標空間，分別為：病人坐標系，磁共振波譜局部坐標系和DICOM圖像矩陣坐標系，所述病人坐標系是磁共振波譜局部坐標系和DICOM圖像矩陣坐標系相互轉換的橋梁，具體變換方法如下：

1.3.1)根據(jù)二維磁共振波譜.spar頭文件中的cc_off_center參數(shù)與不同層面二維磁共振DICOM圖像頭文件中字段Image Position中的第三個值之差的絕對值最小，確定二維磁共振波譜掃描成像區(qū)域對應層面的二維磁共振DICOM圖像；

1.3.2)獲取上述對應二維磁共振DICOM圖像的4個頂點像素在病人坐標系下的坐標，變換公式如下：

其中，4個頂點在DICOM圖像矩陣坐標系下的坐標為(Width，Height)，(0，Height)，(0，0)，(Width，0)，將上述4個點分別代入(i，j)；(i，j)表示DICOM圖像矩陣坐標系下的坐標，j點為像素點在DICOM圖像矩陣坐標系下像素的行號，i為像素點在DICOM圖像矩陣坐標系下像素的列號；(P_x，P_y，P_z)是病人坐標系下的坐標，單位為mm；(X_x，X_y，X_z)為字段ImageOrientation中的前三個值，代表二維磁共振DICOM圖像列遞增方向與病人坐標系中X，Y，Z軸夾角的余弦值；(Y_x，Y_y，Y_z)為字段ImageOrientation中的后三個值，代表二維磁共振DICOM圖像行遞增方向與病人坐標系中X，Y，Z軸夾角的余弦值；(S_x，S_y，S_z)為字段ImagePosition的值，代表二維磁共振DICOM圖像原點在病人坐標系下的坐標，所述二維磁共振DICOM圖像原點為病人坐標系下磁共振DICOM圖像的左上角頂點P₃；Δi為字段PixelSpacing中的第一個值，代表病人坐標系下像素之間的行間距，單位為mm；Δj為字段PixelSpacing中的第二個值，單位為mm，代表病人坐標系下像素之間的列間距；

1.3.3)單個磁共振波譜體素是三維的，所以二維磁共振波譜的掃描成像區(qū)實際上也是三維的，具有8個頂點，這8個頂點在磁共振波譜局部坐標系下的坐標分別為：

v₁₁(lr_size/2，ap_size/2，cc_size/2)

v₁₂(lr_size/2，ap_size/2，-cc_size/2)

v₂₁(-lr_size/2，ap_size/2，-CC_size/2)

v₂₂(-lr_size/2，ap_size/2，-cc_size/2)

v₃₁(-lr_size/2，-ap_size/2，cc_size/2)

v₃₂(-lr_size/2，-ap_size/2，-Cc_size/2)

v₄₁(lr_size/2，-ap_size/2，cc_size/2)

v₄₂(lr_size/2，-ap_size/2，-cc_size/2)

其中，字段lr_size，ap_size，cc_size分別代表磁共振波譜掃描成像區(qū)沿病人坐標系y，x，z軸的長度，單位為mm，磁共振波譜局部坐標系的原點位于磁共振波譜掃描成像區(qū)的中心；

1.3.4)利用步驟1.3.3)獲得的磁共振波譜掃描成像區(qū)的8個頂點在磁共振波譜局部坐標系下的坐標，進一步計算這8個頂點轉換到病人坐標系下的坐標，變換公式為：

其中，(l，p，s)為病人坐標系下的坐標，(x，y，z)為磁共振波譜局部坐標系下的坐標；

R_y(α)矩陣表示繞病人坐標系的y軸旋轉α角度，其中α＝ap_angulation，

R_x(β)矩陣表示繞病人坐標系的x軸旋轉β角度，其中β＝lr_angulation，

R_z(γ)矩陣表示繞病人坐標系的z軸旋轉γ角度，其中γ＝cc_angulation，

矩陣表示按照向量平移，其中

從而得到磁共振波譜掃描成像區(qū)域的8個頂點在病人坐標系下的坐標點：f₁₁，f₁₂，f₂₁，f₂₂，f₃₁，f₃₂，f₄₁，f₄₂；

1.3.5)計算二維磁共振波譜掃描成像區(qū)域與對應層面的二維磁共振DICOM圖像的4個交點在病人坐標系下的坐標，即h_i(i＝1，2，3，4)，聯(lián)立方程組，解h_i(i＝1，2，3，4)，公式如下：

其中，h_i(i＝1，2，3，4)表示二維磁共振波譜掃描成像區(qū)域與對應層面的二維磁共振DICOM圖像的4個交點；f_ik(i＝1，2，3，4k＝1，2)表示由步驟1.3.4)得到的磁共振波譜掃描成像區(qū)域的8個頂點在病人坐標系下的坐標；P_i(i＝1，2，3，4)表示由步驟1.3.2)得到的二維磁共振DICOM圖像的4個頂點像素在病人坐標系下的坐標，分別為：左上角點P₃，右上角點P₄，右下角點P₁，左下角點P₂；

1.3.6)計算步驟1.3.5)中得到的4個交點h_i(i＝1，2，3，4)在DICOM圖像矩陣坐標系下的坐標d_k(m_k，n_k)(k＝1，2，3，4)，其中，d₁代表右下角交點，d₂代表左下角交點，d₃代表左上角交點，d₄代表右上角交點，m_k，n_k分別表示該點在DICOM圖像矩陣坐標系下的行號和列號，計算公式如下：

其中，代表從點h_i(i＝1，2，3，4)指向圖像左上角點p₃的向量；m_k代表d_k點在DICOM圖像矩陣坐標系下的行號，n_k代表d_k點在DICOM圖像矩陣坐標系下的列號；round表示對小數(shù)點后四舍五入取整；Δi為字段PixelSpacing中的第一個值，代表病人坐標系下像素的行間距，單位mm；Δj為字段Pixel Spacing中的第二個值，代表病人坐標系下像素的列間距，單位mm；

1.3.7)磁共振波譜掃描成像區(qū)域中，第r行第c列的體素左上角像素點在DICOM圖像坐標系下的坐標為g_rc(m，n)，該體素中所有像素在DICOM圖像坐標系下的坐標集合為{G_rc}，計算公式如下：

其中，{G_rc}代表第r行第c列的體素方格內(nèi)所有像素在DICOM圖像坐標系下的坐標的集合；lr_size代表磁共振波譜掃描成像區(qū)域在病人坐標系下列遞增方向的長度；ap_size代表磁共振波譜掃描成像區(qū)域在病人坐標系下行遞增方向的長度；averages代表病人坐標系下單個體素的寬度；lr_size/averages代表波譜的總列數(shù)；ap_size/averages代表波譜的總行數(shù)；m₃代表d₃點在DICOM圖像坐標系下列遞增方向的坐標值；m₄代表d₄點在DICOM圖像坐標系下列遞增方向的坐標值；n₂代表d₂點在DICOM圖像坐標系下行遞增方向的坐標值；n₃代表d₃點在DICOM圖像坐標系下行遞增方向的坐標值；p和q均為整數(shù)。