專利名稱：分段錐形束ct圖像通過拼接獲得完整解剖圖像的方法
技術領域：
本發明涉及一種醫學影像制作技術，具體地說是一種分段錐形束CT圖像通過 拼接獲得完整解剖圖像的方法。
2背景技術：
錐形束CT圖像的概念錐形束CT，即Cone Beam CT，簡稱CBCT，是醫學影 像的一種，與普通CT影像類似，也是反映人體解剖結構的斷層圖像，廣泛應用于 腫瘤放射治療領域。該圖像由醫用直線加速器附帶的"在線圖像采集器"(簡稱OBI) 拍攝得到。當患者在這種加速器上接受放射治療時，醫技人員可以控制加速器機 頭與0BI圍繞躺在治療床上的患者同心共面旋轉。旋轉一圈360。后，加速器控制 端就存儲下了 0BI采集到的一套CBCT圖像序列，該序列經三維重建后可得到一定 空間范圍內的解剖圖像。
錐形束CT圖像的作用
第一放療科醫生可以將在線獲得的一套CBCT圖像片段立即導入加速器工作 站，通過圖像的三維重建以及與患者定位CT圖像的融合，實時地校正患者的治療 體位，校正完畢后再啟動加速器對患者實施實際的照射。這樣顯然提高了放射治 療的精度，這種治療方式通常稱為"影像引導放射治療。
第二患者完成一次治療后，放療科醫生可以將在線獲得的一套CBCT圖像導 入到放療計劃系統，通過放療計劃系統對圖像進行三維重建。通過對比患者定位 CT圖像和重建后的CBCT圖像，醫生可以觀察腫瘤在這次治療時與若干天前采集定 位CT圖像時相比是否發生了變化，如果變化較大，醫生將考慮及時地修改患者的 放療計劃。
第三醫生在放療計劃系統上對CBCT圖像進行三維重建后，可以將患者已經 實施的治療計劃疊加于這套圖像之上，并由放療計劃系統進行放射劑量的計算。 如果CBCT圖像空間中完整地再現了患者的腫瘤和腫瘤周圍的正常l且織，那么醫生 就可以根據這一計算結果來評估患者接受放療時腫瘤和正常組織實際受到照射的 劑量。如果劑量計算結果與患者己經接受的治療計劃有較大差別，包括腫瘤未得 到預期劑量的照射和腫瘤周圍正常器官受到了比預期更高的劑量照射，醫生將考 慮及時地修改患者的放療計劃。目前，美國Varian公司提供的醫用直線加速器上附帶了這種OBI設備，該設 備目前已在國內十余家大型腫瘤治療中心投入使用。由于其機械設計的局限，它 所獲取的CBCT圖像在人體頭腳方向的長度〈14cra。如果采用0. 25cm層厚來重建 CBCT圖像空間，則這一套CBCT圖像序列將包含55個DIC0M文件，即55張人體斷 層CBCT圖像(0. 25cm*55=13. 75<14cm)。
現有技術在實際使用中存在的不足是，OBI設備對獲得的CBCT圖像只能重建 出不足14cm長度圖像片段，使用這些圖像片段制定和評估鼻咽癌、食管癌、直腸 癌、宮頸癌等大部分腫瘤放療計劃時，不足以完整顯示腫瘤在人體中的位置、形 態等信息，即無法完整顯示腫瘤組織的解剖結構，影響放療計劃在CBCT圖像上的 制定；另一方面，對于胸部的腫瘤，即使拍攝到了完整的腫瘤組織，通常也無法 完整地再現整個肺的解剖結構，這樣將導致醫生無法通過CBCT圖像來準確地評估 對放療具有敏感反應的肺組織在接受放療時實際受到的照射劑量。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種分段錐形束CT圖像通過 拼接獲得完整解剖圖像的方法。
本發明的方法是按以下方式實現的，首先，對患者進行錐形束CT掃描，分段 獲取兩套以上相互銜接的CBCT圖像序列，然后，對兩套CBCT圖像進行觀察、處 理得到一套新的CBCT圖像序列；把新的CBCT圖像序列進行圖像三維重建，得到 一套拓寬了的能夠完整展現腫瘤發病區域和周圍正常器官的CBCT解剖圖像；
分段獲取CBCT圖像步驟如下
1)設計CBCT分段掃描計劃獲得模擬定位CT掃描圖像并將其傳入加速器設 備中的Varian Eclipse治療計劃系統，在計劃CT空間上設置左右和前后方向上 坐標完全一致的兩個等中心，分別制定CBCT掃描計劃P1和P2， OBI單次CBCT掃 描長度為14cm ，因此，頭腳方向兩等中心間的距離設置在13cm以內，從而保證 兩段CBCT圖像具有足夠的信息冗余；
2)CBCT掃描將上述設計好的CBCT計劃傳入OBI 4D工作站，按計劃PI的等 中心進行擺位，根據掃描部位選定好顯像設備及相關參數后進行第一次CBCT掃描， 掃描結束并完成在線配準后，不接受系統給出的自動移床參數，即保持治療床不 動，然后沿頭腳方向手動平移治療床至計劃P2的等中心,移動距離為兩等中心的 頭腳方向坐標之差，以同樣顯像參數完成第二次CBCT掃描；
CBCT圖像拼接步驟如下
加速器工作站對獲取的兩套CBCT圖像序列分別進行編號，設定最小編號的圖像為近腳的一張，最大編號的圖像為近頭的一張，然后對兩套CBCT圖像序列分別 進行顯像解析；
由于兩套CBCT圖像是患者在治療床上不發生體位變動的情況下由OBI先后獲 取的，而且兩套圖像的拍攝范圍至少有lcm的重疊，所以，在分別觀察兩套CBCT 圖像時，通過參照骨性標記的解剖結構找到兩套圖像中所共有的最為相似的一層， 記錄下該層分別在各自圖像序列中所擁有的序列號；
假定兩套CBCT圖像分別為down序列和up序列，共有的拼接層面為down序列 的第44層(A)、叩序列的第15層(B)，則需要進行處理的圖像序列區間是從 叩序列第16層(C)到up序列最上一層(Z)，如圖1所示，處理步驟如下
1) 解析存儲CBCT圖像的DIC0M文件，獲取DICOM文件頭中各字段信息；
2) 解析down序列的第A層CBCT圖像，讀取StudyInstanceUID、 InstanceNumber 和ImagePositionPatient三個字段的值；
3) 依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DICOM文件 頭中的StudylnstanceUID字段值更換成down序列A的相應值；
4) 依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DICOM文件 頭中的InstanceNumber字段值更換成down序列A層InstanceNumber字段值的基 礎上依次遞增l;
5) 依次解析叩序列的第C至Z層圖像，分別更換每層圖像對應的DICOM文 件頭中ImagePositionPatient字段字節3的值，格式為字節1/字節2/字節3; 因為每套CBCT圖像的最下一層圖像的Z坐標均為-117. 5,所以更換值通過下面的 公式算得
ImagePositionPatient字節3的值=-117. 5+InstanceNumber值X2. 5 其中，InstanceNumber值已由第四步算得；
6) 保存更改后的每個DICOM文件，并按其InstanceNumber值重新依次命名， 得到一套新的CBCT圖像序列。
本發明的優異效果
使用本發明的方法拼接的CBCT圖像，用于腫瘤靶區勾畫和放射劑量計算，實 現精確計劃制定、精確計劃評估和精確劑量修正的目的，為放療科醫生及放射物 理師在CBCT圖像空間中設計和評估放療計劃創造了更廣闊的平臺，做到了有的放 矢，大幅度提高了腫瘤的放射治療效果。
圖1.分段CBCT圖像拼接過程中關鍵層面的拼接示意6200810138079.9
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像為近腳的一張，最圖2.胸部上段CBCT圖像冠狀截面解剖結構示意圖(紅線為拼接層)； 圖3.胸部下段CBCT圖像冠狀截面解剖結構示意圖(紅線為拼接層)； 圖4.拼接得到的完整胸部CBCT圖像冠狀截面解剖結構示意圖(紅線為拼接 層)；
圖5.在一次獲取的不完整胸部CBCT圖像空間觀察腫瘤靶區解剖結構示意圖 (冠狀面)；
圖6.在分段獲取并拼接得到的完整胸部CBCT圖像空間觀察腫瘤靶區解剖結 構示意圖(冠狀面)；
圖7.在一次獲取的不完整胸部CBCT圖像空間觀察腫瘤靶區解剖結構示意圖 (矢狀面)；
圖8.在分段獲取并拼接得到的完整胸部CBCT圖像空間觀察腫瘤耙區解剖結 構示意圖(矢狀面)；
圖9.在分段獲取并拼接得到的完整胸部CBCT圖像空間制定放療計劃并評估 放射劑量示意圖10. CBCT圖像分段獲取及拼接流程圖。
具體實施例方式
分段獲取CBCT圖像步驟如下
1)設計CBCT分段掃描計劃獲得模擬定位CT掃描圖像并將其傳入加速器設 備中的Varian Eclipse治療計劃系統，在計劃CT空間上設置左右和前后方向上 坐標完全一致的兩個等中心，分別制定CBCT掃描計劃P1和P2， OBI單次CBCT掃 描長度為14cm ，因此，頭腳方向兩等中心間的距離設置在13cm以內，從而保證 兩段CBCT圖像具有足夠的信息冗余；
2)CBCT掃描將上述設計好的CBCT計劃傳入0BI4D工作站，按計劃Pl的等 中心進行擺位，根據掃描部位選定好顯像設備及相關參數后進行第一次CBCT掃描， 掃描結束并完成在線配準后，不接受系統給出的自動移床參數，即保持治療床不 動，然后沿頭腳方向手動平移治療床至計劃P2的等中心，移動距離為兩等中心的 頭腳方向坐標之差，以同樣顯像參數完成第二次CBCT掃描；
CBCT圖像拼接步驟如下 加速器工作站對獲取的兩套CBCT圖像序列分別進行編號，設定最小編號的圖像為 近腳的一張，最大編號的圖像為近頭的一張，然后對兩套CBCT圖像序列分別進行 顯像解析；
由于兩套CBCT圖像是患者在治療床上不發生體位變動的情況下由OBI先后獲取的，而且兩套圖像的拍攝范圍至少有lcm的重疊，所以，在分別觀察兩套CBCT 圖像時，通過參照骨性標記的解剖結構找到兩套圖像中所共有的最為相似的一層， 記錄下該層分別在各自圖像序列中所擁有的序列號；
假定兩套CBCT圖像分別為down序列和up序列，共有的拼接層面為down序列 的第44層(A) 、 up序列的第15層(B)，則需要進行處理的圖像序列區間是從 up序列第16層(C)到up序列最上一層(Z)，如圖1所示，處理步驟如下
1) 解析存儲CBCT圖像的DICOM文件，獲取DICOM文件頭中各字段信息；
2) 解析down序列的第A層CBCT圖像，讀取StudylnstanceUID、 InstanceNumber 和ImagePositionPatient三個字段的值；
3) 依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DIC0M文件 頭中的StudylnstanceUID字段值更換成down序列A的相應值；
4) 依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DICOM文件 頭中的InstanceNumber字段值更換成down序列A層InstanceNumber字段值的基 礎上依次遞增1;
5) 依次解析叩序列的第C至Z層圖像，分別更換每層圖像對應的DICOM文 件頭中ImagePositionPatient字段字節3的值，格式為字節l/字節2/字節3; 因為每套CBCT圖像的最下一層圖像的Z坐標均為-117. 5，所以更換值通過下面的 公式算得
ImagePositionPatient字節3的值=-117. 5+InstanceNumber值X2. 5 其中，InstanceNumber值已由第四步算得；
6) 保存更改后的每個DICOM文件，并按其InstanceNumber值重新依次命名， 得到一套新的CBCT圖像序列。
發明方法準確性及可行性驗證
1.對拼接得到的CBCT圖像幾何學完整性進行體模驗證對TOPSLANE QIY00A 型胸段體模進行分段CBCT掃描，完成拼接后導入Varian Eclipse治療計劃系統， 對體模CBCT圖像進行三維重建；在拼接后CBCT斷層圖像上逐層勾畫體模及其模 擬的雙肺組織外輪廓，分別計算體模及雙肺的體積，并將該結果與計劃CT下重建 并測得的輪廓體積進行比較。結果顯示，拼接后CBCT圖像測定體模外輪廓體積與 計劃CT測量結果相差0. 26% (28. 34 cm3)，拼接CBCT圖像測得體模兩側肺體積 分別與計劃CT測得結果相差1. 87% (12.82 cm3)和1. 47% (10.07 cm3);
2.對拼接CBCT圖像進行包容度在體應用研究選擇10例胸部腫瘤患者，從 肺容量包容度角度對CBCT拼接圖像進行驗證。于患者第一次實施影像引導放射治療前，在自由呼吸狀態下，通過水平移床獲取CBCT分段掃描圖像，離線后將分段 掃描獲得的兩套CBCT圖像進行拼接并導入Varian Eclipse進行三維重建。在拼 接后CBCT斷層圖像上逐層勾畫人體肺組織輪廓，評估肺容量，并將其與計劃CT 重建后測得的相同參數進行比較。10例患者拼接后CBCT圖像與計劃CT圖像肺容 量比對分析見表l。結果顯示，全肺容量平均相差1.97%±0.42%
(64.53士26.07cm3),左肺容量平均相差2. 30%±0. 78% (33. 32± 17. 03cm3)，右 肺容量平均相差1.75%±0. 2% (31. 21 ±12. 51 cm3);
驗證結果顯示，無論體模還是人體，利用本發明的方法很容易實現分段CBCT 的拼接，而且拼接得到的新的CBCT圖像序列經三維重建后，精確地再現了體模和 人體肺組織的解剖結構，證明拼接過程無圖像信息丟失，幾何學精度高，該發明 方法完全可以用于腫瘤放療臨床應用。
10例患者拼接后CBCT圖像與計劃CT圖像肺容量比對分析(體積單位為cm3)
如表l.所示。
表i
病例VcT扁E!tVgbct-左bAV左肺VcT-右肺VcBCT-右據△V右肺厶v全肺
12187.782230.9143.13(1.97%>2243.672289.6746.00(2.05%)89.13(2.01%>
21939.371971.2531.88(1.64%)1993.262031.5338.27(1.92%)70.15(1.78%)
3945.80977.8332.03(3.39%)1331.331353.7022.37(1.68%)54.40(2.39%)
4707.06701.35-5.71(0.81%)1657.141685.9728.83(1.740/。)23.12(0.98%)
51291.21334.4343.23(3.35%)1674.871705.3530.48(1.82%)73.71(2.49%)
6707.13726.5119.38(2.74%)794.36805.8811.52(1.45%)30.90(2.06%)
2339.042392.8553.81(2.30%)2898.772941.3842.61(1.47%)96.42(1.84%)
81886.811922.1035.29(1.87%)1676.41704.7328.33(1.69%)63.62(1.79%)
91178.871209.48'30.61(2.60%)917.19932.7815.59(1.70%>46.20(2.20%)
102083.662133.1949.53(2.38%)2429.312477.4148.10(1.98%)97.63(2.16%)
平1526.671559.9933.32±17.031761.631792.8431.21±12.5164.53±26.07
均±629.33±642.67(2.30%±0.78%)±656.97±668.75(1.75%±0.20%)(1.97%±0.42%)
權利要求
1、分段錐形束CT圖像通過拼接獲得完整解剖圖像的方法，其特征在于對患者進行錐形束CT掃描，分段獲取兩套以上相互銜接的CBCT圖像序列，然后，對每兩套相鄰CBCT圖像進行觀察、處理得到一套新的CBCT圖像序列；把新的CBCT圖像序列進行圖像三維重建，得到一套拓寬了的能夠完整展現腫瘤發病區域和周圍正常器官的CBCT解剖圖像；分段獲取CBCT圖像步驟如下1)設計CBCT分段掃描計劃獲得模擬定位CT掃描圖像并將其傳入加速器設備中的Varian Eclipse治療計劃系統，在計劃CT空間上設置左右和前后方向上坐標完全一致的兩個等中心，分別制定CBCT掃描計劃P1和P2，OBI單次CBCT掃描長度為14cm，因此，頭腳方向兩等中心間的距離設置在13cm以內，從而保證兩段CBCT圖像具有足夠的信息冗余；2)CBCT掃描將上述設計好的CBCT計劃傳入OBI 4D工作站，按計劃P1的等中心對掃描對象進行擺位，根據掃描部位選定好顯像設備及相關參數后進行第一次CBCT掃描，掃描結束并完成在線配準后，不接受系統給出的自動移床參數，即保持治療床不動，然后沿頭腳方向手動平移治療床至計劃P2的等中心，移動距離為兩等中心的頭腳方向坐標之差，以同樣顯像參數完成第二次CBCT掃描；CBCT圖像拼接步驟如下加速器工作站對獲取的兩套CBCT圖像序列分別進行編號，設定最小編號的圖像為近腳的一張，最大編號的圖像為近頭的一張，然后對兩套CBCT圖像序列分別進行顯像解析；. 由于兩套CBCT圖像是患者在治療床上不發生體位變動的情況下由OBI先后獲取的，而且兩套圖像的拍攝范圍至少有1cm的重疊，所以，在分別觀察兩套CBCT圖像時，通過參照骨性標記的解剖結構找到兩套圖像中所共有的最為相似的一層，記錄下該層分別在各自圖像序列中所擁有的序列號；假定兩套CBCT圖像分別為down序列和up序列，共有的拼接層面為down序列的第44層(A)、up序列的第15層(B)，則需要進行處理的圖像序列區間是從up序列第16層(C)到up序列最上一層(Z)，如圖1所示，處理步驟如下1)解析存儲CBCT圖像的DICOM文件，獲取DICOM文件頭中各字段信息；2)解析down序列的第A層CBCT圖像，讀取StudyInstanceUID、InstanceNumber和ImagePositionPat ient三個字段的值；3)依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DICOM文件頭中的StudyInstanceUID字段值更換成down序列A的相應值；4)依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別將每層圖像對應的DICOM文件頭中的InstanceNumber字段值更換成down序列A層InstanceNumber字段值的基礎上依次遞增1；5)依次解析up序列的第C至Z層圖像，分別更換每層圖像對應的DICOM文件頭中ImagePositionPatient字段字節3的值，格式為字節1/字節2/字節3；因為每套CBCT圖像的最下一層圖像的Z坐標均為-117.5，所以更換值通過下面的公式算得ImagePositionPatient字節3的值＝-117.5+InstanceNumber值×2.5其中，InstanceNumber值已由第四步算得；6)保存更改后的每個DICOM文件，并按其InstanceNumber值重新依次命名，得到一套新的CBCT圖像序列。
2、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，圖像三維重建拓寬后的空間由 公式14XX-(X -l)算出，公式中的14是一段CBCT圖的寬度長度，單位是cm， X 表示CBCT圖像的段數，1表示兩張CBCT圖像相互重疊的寬度，因此，CBCT圖像 擴展的寬度取決于分段獲取的CBCT圖像的段數。
全文摘要
本發明提供一種分段錐形束CT圖像通過拼接獲得完整解剖圖像的方法，該方法是在計劃CT圖像空間分別制定兩段CBCT掃描計劃；在獲得一套CBCT圖像后，手動平移治療床，再次行CBCT拍攝以獲取相鄰分段的CBCT圖像；將兩段圖像分別進行顯像解析，再經三維重建后分別與計劃CT進行圖像融合；通過對融合后骨性標志的分析來選取拼接層面；將兩套CBCT圖像依次通過計算機進行拼接處理，獲得相鄰部位分段掃描所得CBCT圖像的拼接圖像，擴大了腫瘤靶區及周圍正常器官的觀察范圍，保證了以CBCT制定治療計劃的可行性及評價劑量體積參數的完整性，有廣泛的臨床應用前景。
文檔編號G06T17/00GK101427924SQ200810138079
公開日2009年5月13日 申請日期2008年7月16日 優先權日2008年7月16日
發明者于金明, 敏 劉, 劉同海, 潔 盧, 濤 孫, 勇 尹, 張桂芳, 健 朱, 曈 白, 陳進琥 申請人:山東省腫瘤醫院