基于梯度特征的調強放射治療計劃劑量數據的插值算法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種調強放射治療計劃劑量數據的處理方法，特別是涉及一種基于梯 度特征的調強放射治療計劃劑量數據的插值算法，屬于調強放射治療技術領域。。
【背景技術】
[0002] 調強放射治療（IntensityModulatedRadiationTherapy,IMRT)劑量驗證作 為放射治療計劃可靠性的重要保證，劑量驗證的準確性對放射治療效果以及患者的安全 有著重要意義。劑量驗證的基本原理是對于所制定的調強放射治療計劃，利用DD(Dose Difference)、DTA(DistanceToAgreement)、Gamma因子等劑量驗證方法來比較治療計劃 系統（TreatmentPlanSystem，TPS)對所制定的治療計劃進行計算產生的調強放射治療計 劃劑量數據和按治療計劃進行實施時測量硬件得到的測量劑量數據；調強放射治療計劃劑 量數據從產生到進行劑量驗證的過程中有時需要經過多次插值計算。一方面，TPS使用相 關模型對調強放射治療計劃進行計算得到一個較為精確的調強放射治療計劃劑量數據平 面，而TPS內部有時還需要改變這個較為精確的調強放射治療計劃劑量數據平面上數據點 之間的物理間距，以滿足特定的輸出要求，因而需要對這個較為精確的調強放射治療計劃 劑量數據平面進行插值計算；另一方面，劑量驗證時需要先將調強放射治療計劃劑量數據 平面和測量劑量數據平面按等劑量中心進行重合之后再比較相同位置上的點，但由于其兩 者的物理間距不相同，因此會導致所述調強放射治療計劃劑量數據平面和測量劑量數據平 面兩者重合之后其劑量數據平面上的點將會錯位分布，此時仍需要進行插值計算，從而使 在調強放射治療計劃劑量數據平面上得到與測量劑量數據平面相同位置的點的劑量值，進 而方可以使用DD、DTA、Gamma因子等劑量驗證方法進行劑量驗證。
[0003] 在實際應用中主要通過如DoseLab，MapCkeck等軟件進行劑量驗證，它們對調強 放射治療計劃劑量數據進行插值時主要采用的方法多為雙線性插值算法，該方法是利用待 插值點的四個相鄰點的值作線性內插，其公式表示如下（賈永紅，《數字圖像處理》武漢大學 出版社，2003.):
[0004] f(i+u,j+v) = (1-u) (l-v)f(i,j) + (l-u)vf(i,j+1)
[0005] +u(1-v)f(i+1,j)+uvf(i+1,j+1) 1
[0006]
[0007] 其中，u和v分別為待插值點在水平方向、垂直方向上與點（i,j)的距離；但是由 于調強放射治療為了達到較好的治療效果同時保護正常組織，一般在病灶區和正常區域之 間形成較大的劑量梯度，因此調強放射治療計劃劑量數據中往往存在較多的梯度邊緣點， 而傳統的雙線性插值由于其算法本身具有平滑效應因而無法正確的處理這些梯度邊緣，從 而會產生較大的計算誤差，并且使整個調強放射治療計劃劑量數據分布趨于平滑而失去原 有的梯度信息，進而對治療醫生和物理師的判斷產生誤導。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的就是在于克服上述所述傳統雙線性插值算法存在的缺陷和不足，提 出一種基于梯度特征的調強放射治療計劃劑量數據的插值算法。該插值算法能夠在減小計 算誤差的同時，克服傳統雙線性插值的平滑效應，且保留了原有的梯度信息；并有利于治療 醫生和物理師對調強放射治療計劃劑量數據的正確判斷，從而避免產生誤導。
[0009] 為實現上述目的，本發明采用由以下技術措施構成的技術方案來實現的。
[0010] 本發明所述基于梯度特征的調強放射治療計劃劑量數據的插值算法，是根據調強 放射治療計劃劑量數據平面的梯度信息，使用改進傳統的Canny邊緣探測算法獲取該劑量 數據平面上各梯度邊緣點和非梯度邊緣點，根據獲取的梯度邊緣點所對應梯度剖面的銳度 以及非梯度邊緣點所對應的偏離系數，獲得調強放射治療計劃劑量數據平面上每一點為雙 三次插值中心點時對應的雙三次插值核的系數，對每一個待插值點使用該雙三次插值核的 系數進行雙三次插值，從而得到每一個待插值點的調強放射治療計劃劑量數據；包括以下 步驟：
[0011]步驟1 :對治療計劃系統產生的調強放射治療計劃劑量數據平面l·，計算該調 強放射治療計劃劑量數據平面上每一點（i，j)的梯度以及該點對應的梯度模 IviL(i,j)|| ;
[0012] 步驟2 :對傳統Canny邊緣探測算法進行改進，根據步驟1中得到的調強放射治療 計劃劑量數據平面上每一點的梯度信息，使用改進的Canny邊緣探測算法獲取調強放射治 療計劃劑量數據平面上各個梯度邊緣點a'，_r)和非梯度邊緣點a"，j");
[0013] 步驟3 :對步驟2所獲取的調強放射治療計劃劑量數據平面上各個梯度邊緣點 (y，_r)進行梯度剖面的追蹤，從而得到每一個梯度邊緣點對應的梯度剖面；
[0014] 步驟4 :對步驟3所得到的調強放射治療計劃劑量數據平面上每一個梯度邊緣點 (w，)所對應梯度剖面的銳度σ(ρα'，j'))進行計算；對步驟2所述調強放射治 療計劃劑量數據平面上每一個非梯度邊緣點a"，j")自定義的偏離系數p(i"，j") 進行計算；
[0015] 步驟5 :根據步驟4得到調強放射治療計劃劑量數據平面上每一個梯度邊緣點 (w，)對應梯度剖面的銳度σ(ρα'，j'))，確定銳度σ(ρα'，j'))與以梯度 邊緣點，_r)為雙三次插值中心點時所對應雙三次插值核的系數a(w，_r)之間 的函數關系；
[0016] 步驟6 :根據步驟4得到調強放射治療計劃劑量數據平面上每一個非梯度邊緣點 a"，r)的偏離系數p(i"，r)，確定偏離系數p(i"，r)與以非梯度邊緣點 a"，j")為雙三次插值中心點時所對應的雙三次插值核的系數aa"，j")之間的函數 關系；
[0017] 步驟7 :將步驟5和步驟6所得到的雙三次插值核的系數的兩函數結果合并，從而 得出以調強放射治療計劃劑量數據平面上每一點（i，j)為雙三次插值中心點時對應的雙 三次插值核的系數a(i，j);
[0018] 步驟8:對于待插值點，設置其坐標為（a，b)，若ae[i，i+l)且be[j，j+l)，根 據步驟7得出的所述雙三次插值核的系數a(i，j)，令點（i，j)為雙三次插值中心點，并以該 雙三次插值核的系數a(i,j)對待插值點進行雙三次插值計算，從而得出每一個待插值點 的調強放射治療計劃劑量數據。
[0019] 上述技術方案中，所述步驟2中對傳統Canny算法進行改進，其采用如下操作：
[0020] (a)略去傳統Canny算法中高斯濾波的過程，獲得略去高斯濾波后的結果；
[0021] (b)對略去傳統Canny算法中高斯濾波的結果進行判斷，假設（i'，j')點為傳 統Canny算法略去高斯濾波后結果中的調強放射治療計劃劑量數據平面上的一個梯度邊 緣點，且以（iW)點為中心的3X3鄰域中含有其他梯度邊緣點，若（iW)點梯度 模小于所述鄰域中其他梯度邊緣點梯度模，則重新將（i'，j')點標記為非梯度邊緣點。
[0022] 上述技術方案中，所述步驟5中調強放射治療計劃劑量數據平面上每一個梯度邊 緣點，_r)對應梯度剖面的銳度〇(p(i'，j'))與以點a'，j')為雙三次插值 中心點時對應的雙三次插值核的系數a(i'，j')之間的函數關系，由以下公式（2)表示：
[0023]
⑵
[0024] 其中〇_表示該調強放射治療計劃劑量數據平面上銳度的最大值。
[0025] 上述技術方案中，所述步驟5中調強放射治療計劃劑量數據平面上每一個非梯度 邊緣點a"，j")的偏離系數pa"，j")與以點a"，j")為雙三次插值中心點時 對應的雙三次插值核的系數a(i"，j")之間的函數關系，由以下公式（3)表示：
[0026]
(3)
[0027] 其中P_為調強放射治療計劃劑量數據平面上最大偏離系數，P_為調強放射治 療計劃劑量數據平面上最小偏離系數。
[0028] 本發明所述的插值算法與現有技術相比較所具有的有益技術效果：
[0029] 1、本發明所述基于梯度特征的調強放射治療計劃劑量數據的插值算法，采用對 Canny邊緣探測算法進行了改進，使用改進的Canny邊緣探測算法以獲取調強放射