[發明專利]基于PCA和TSSM模型的膈肌預測系統及方法

有效

• 申請號: 202010884814.1
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112053330B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 余航;許錄平;馮冬竹;朱增寬;李晨陽;趙樂
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06T7/00;G06T7/11;G06V10/77;G06V10/766;G06T7/62
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

本發明公開了一種基于PCA和TSSM模型的膈肌預測系統及方法，其實現的思路是：將4DCT掃描獲取的呼吸時相數據重建成每個相位的人體三維圖像；從人體三維圖像中分割出膈肌圖像，計算膈肌位移；從人體三維圖像中分割出胸腹表面圖像，計算胸腹表面位移；對膈肌位移和胸腹表面位移分別進行主成分分析，使其降維并映射到各自的d維子空間中；利用嶺回歸優化計算出從d維子空間的胸腹表面位移映射到d維子空間的膈肌位移的變換矩陣。本發明具有對患者的傷害更少，選取的膈肌質心更加準確，抗干擾性更好的優點。

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，更進一步涉及醫學影像輔助干預技術領域中的一種基于主成分分析PCA(Principal?Components?Analysis)和分步子空間映射TSSM(Two-Step?Subspace?Mapping)模型的膈肌預測系統及方法。本發明在不使用標記物的情況下，通過體外胸腹部表面的位移預測人體膈肌的運動。

背景技術

動態目標跟蹤法是目前最為有效的呼氣管理技術，直接方式是植入體內的標志物進行成像，進而進行目標跟蹤。但實驗對象需要進行昂貴的、創傷性手術。植入標志物的替代方法，是使用呼吸信息對內部解剖結構的運動進行建模。通過肺活量測定和實時位置跟蹤系統，研究肺腫瘤運動與呼吸運動的相關性。相比于其它解剖結構，膈肌與呼吸運動具有更強的相關性。另一方面，人體內部結構的運動情況，可以通過機體外部來進行觀察和預測。

在Malinowski等人在其發表的論文Mitigating?Errors?in?ExternalRespiratory?Surrogate-Based?Models?of?Tumor?Position(J?International?Journalof?Radiation?Oncology,Biology,Physics,vol.82,no.5,2012)中公開公布了一種減輕外呼吸替代腫瘤位置模型的誤差的方法。該方法的主要實現步驟是：在患者身上貼附了多個標志物，并建立了標志物-腫瘤的位移關系模型。該方法通過評估腫瘤位置預測模型的潛在誤差來源，最終選擇了偏最小二乘回歸(PLS)進行模型擬合。該方法存在的不足之處是，模型的準確性與患者數量顯著相關，采用外標志物建立的腫瘤位置預測模型的準確性受患者間差異、腫瘤-替代物相關性、訓練數據選擇的影響。

在南方醫科大學申請的專利“一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法”(公開號：CN?109146842?A，申請號：CN?201810745977.4，申請日：2018年07月09日)中公開了一種胸部數字合成X射線體層成像中呼吸運動分析方法，其制備方法包括以下步驟：S1，通過胸部數字合成體層成像，獲取CTS投影數據；S2,從S1中獲取的CTS投影數據提取膈肌的運動軌跡；S3,從S2獲取的膈肌運動進行進行正弦二次模型擬合。該方法存在的不足之處是：部分患者在整個數據采集過程中可能無法屏住呼吸，在采集結束時開始呼吸。且質心僅以最大振幅的點來表示，忽略了膈肌在左右方向上的位移，導致振幅最大的點正下方振幅最小時的點并不是同一個點從而使得簡化對象不準確的問題。

發明內容

本發明的目的是針對上述已有技術的不足，提出了一種基于PCA和TSSM模型的膈肌預測系統及方法，用于解決PLS模型外標志物建立的腫瘤位置預測模型的準確性受患者個體差異、測量精度、腫瘤-替代物相關性、訓練數據選擇和正弦二次模型對患者數據采集時可能無法屏住呼吸而產生數據采集不全的問題。

實現本發明目的的思路是：對于PLS模型和正弦二次模型都存在的初始采集的數據就會受到患者差異影響的問題，本發明采用了主成分分析法對患者的數據進行降維處理，保留了不同患者之間的共性，極大的消除個體差異性；PLS模型中標志物的移動會導致模型誤差隨時間越來越大。本發明采用了ICP算法，通過對不同相位的胸腹表面圖像的像素點進行配準計算出胸腹表面位移，而人體本身的胸腹表面的相對位置是相對固定的，使得模型不會隨時間變差，也減少了患者植入標志物的痛苦。

本發明的系統包括圖像分割模塊，膈肌位移計算模塊、胸腹表面位移模塊、圖像輸出模塊、PCA模塊、模型擬合模塊；其中，