[发明专利]基于配准的肺4D-CT图像吸气过程中间相位图像的重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术领域，具体涉及一种基于配准的肺4D-CT图像吸气过程中间相位图像的重建方法。

背景技术

4D-CT是近年来出现的一种评价肿瘤和器官运动的一项新技术。与传统的3D-CT相比，4D-CT加入了时间轴，它动态的采集了病人呼吸时的CT图像，然后通过图像的重建和重新排列得到病人在不同呼吸相位的3D-CT图像。肺4D-CT真实地再现了肿瘤和器官的空间结构及运动情况，较好的解决了运动伪影和呼吸运动导致的剂量误差，成为放射治疗中目标精确定位的关键。

然而，肺4D-CT数据的获取通常要采集多个相位的3D-CT图像，这使得扫描时间长，需要包含整个呼吸周期，导致病人将接受高于常规CT扫描几倍的剂量。其次，最终获取的一组4D-CT数据就包括1000～3000张图片，每一组数据就要占去上百兆的空间。另外，实时相位处理系统(RPM)与扫描设备是否准确同步，也会对获取的CT图像质量有较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于配准的肺4D-CT图像吸气过程中间相位图像的重建方法，该方法利用已知的两个特殊相位图像，就可重建肺4D-CT图像吸气过程的中间相位图像，避免了肺4D-CT数据因采集相位多，扫描时间长，导致病人吸收剂量高的缺点。

本发明的目的可以通过以下的技术措施来实现：基于配准的肺4D-CT图像吸气过程中间相位图像的重建方法，该方法包括如下步骤：

(1)由肺4D-CT图像数据获得呼气末和吸气末两个相位的肺3D-CT图像；

(2)选定呼气末相位的肺3D-CT图像作为参考图像，吸气末相位的肺3D-CT图像作为浮动图像，对两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场；

(3)以步骤(2)得到的运动变形场为基础，重建出肺4D-CT图像吸气过程的中间相位图像。

本发明中，所述步骤(2)采用Active Demons配准方法对参考图像和浮动图像这两个相位图像进行配准，得到两个相位图像之间的运动变形场，具体过程如下：

(2.1)Active Demons配准方法是在光流场理论基础上提出的一种弹性配准方法，该理论的前提假设是呼吸运动过程中肺部图像的灰度值不变，即：

I(x(t),y(t),z(t),t)＝C……式(1)

式中，I表示肺部图像的灰度值，t为时间，(x,y,z)表示坐标，C为一常量；

(2.2)根据(1)式得到驱动力：

……式(2)

其中，下标为r的代表参考图像的参数，下标为f的代表浮动图像的参数，ν表示任一点从I_f到I_r所需的偏移量，I_r和I_f分别代表参考图像和浮动图像的灰度值，▽I_r是参考图像的灰度梯度矢量；

(2.3)当参考图像梯度信息不足时会引起配准误差，故引入浮动图像的灰度梯度信息作为新作用力，得到Active Demons算法的驱动力：

……式(3)

其中，α为均化系数，▽I_f是浮动图像在(x,y,z)处的灰度梯度；

(2.4)根据式(3)估计呼气末相位的肺3D-CT图像和吸气末相位的肺3D-CT图像之间的运动变形场。

本发明中，所述步骤(3)具体是根据呼吸运动过程的线性假设求出浮动图像到中间相位图像的运动位移，继而重建出肺4D-CT图像吸气过程的中间相位图像，具体过程如下：

(3.1)肺4D-CT图像吸气过程的中间相位的重建方法是基于呼吸运动过程的线性假设，即假设吸气过程中肺部图像的运动位移是线性变化的；

(3.2)根据呼吸运动过程的线性假设，浮动图像到中间相位图像的运动位移表示为

T_p＝s_pT,p＝1,2Ln……式(4)

其中，T是用Active Demons配准方法得到的呼气末相位的肺3D-CT图像和吸气末相位的肺3D-CT图像之间的运动位移，n为插值中间图像个数，T_p为第p个插值相位图像相对于浮动图像的位移场，s_p为插值系数，s_p∈[0,1]；

(3.3)由(4)式得出吸气末相位的肺3D-CT图像到中间相位图像的运动位移T_p后，对浮动图像进行线性插值，即可得到重建的肺4D-CT图像吸气过程的中间相位图像。