分段锥形束CT图像通过拼接获得完整解剖图像的方法

摘要

本发明提供一种分段锥形束CT图像通过拼接获得完整解剖图像的方法，该方法是在计划CT图像空间分别制定两段CBCT扫描计划；在获得一套CBCT图像后，手动平移治疗床，再次行CBCT拍摄以获取相邻分段的CBCT图像；将两段图像分别进行显像解析，再经三维重建后分别与计划CT进行图像融合；通过对融合后骨性标志的分析来选取拼接层面；将两套CBCT图像依次通过计算机进行拼接处理，获得相邻部位分段扫描所得CBCT图像的拼接图像，扩大了肿瘤靶区及周围正常器官的观察范围，保证了以CBCT制定治疗计划的可行性及评价剂量体积参数的完整性，有广泛的临床应用前景。

说明书

1、技术领域

本发明涉及一种医学影像制作技术，具体地说是一种分段锥形束CT图像通过拼接获得完整解剖图像的方法。

2、背景技术

锥形束CT图像的概念：锥形束CT，即Cone Beam CT，简称CBCT，是医学影像的一种，与普通CT影像类似，也是反映人体解剖结构的断层图像，广泛应用于肿瘤放射治疗领域。该图像由医用直线加速器附带的“在线图像采集器”(简称OBI)拍摄得到。当患者在这种加速器上接受放射治疗时，医技人员可以控制加速器机头与OBI围绕躺在治疗床上的患者同心共面旋转。旋转一圈360°后，加速器控制端就存储下了OBI采集到的一套CBCT图像序列，该序列经三维重建后可得到一定空间范围内的解剖图像。

锥形束CT图像的作用：

第一：放疗科医生可以将在线获得的一套CBCT图像片段立即导入加速器工作站，通过图像的三维重建以及与患者定位CT图像的融合，实时地校正患者的治疗体位，校正完毕后再启动加速器对患者实施实际的照射。这样显然提高了放射治疗的精度，这种治疗方式通常称为“影像引导放射治疗。

第二：患者完成一次治疗后，放疗科医生可以将在线获得的一套CBCT图像导入到放疗计划系统，通过放疗计划系统对图像进行三维重建。通过对比患者定位CT图像和重建后的CBCT图像，医生可以观察肿瘤在这次治疗时与若干天前采集定位CT图像时相比是否发生了变化，如果变化较大，医生将考虑及时地修改患者的放疗计划。

第三：医生在放疗计划系统上对CBCT图像进行三维重建后，可以将患者已经实施的治疗计划叠加于这套图像之上，并由放疗计划系统进行放射剂量的计算。如果CBCT图像空间中完整地再现了患者的肿瘤和肿瘤周围的正常组织，那么医生就可以根据这一计算结果来评估患者接受放疗时肿瘤和正常组织实际受到照射的剂量。如果剂量计算结果与患者已经接受的治疗计划有较大差别，包括肿瘤未得到预期剂量的照射和肿瘤周围正常器官受到了比预期更高的剂量照射，医生将考虑及时地修改患者的放疗计划。

目前，美国Varian公司提供的医用直线加速器上附带了这种OBI设备，该设备目前已在国内十余家大型肿瘤治疗中心投入使用。由于其机械设计的局限，它所获取的CBCT图像在人体头脚方向的长度<14cm。如果采用0.25cm层厚来重建CBCT图像空间，则这一套CBCT图像序列将包含55个DICOM文件，即55张人体断层CBCT图像(0.25cm*55＝13.75<14cm)。

现有技术在实际使用中存在的不足是，OBI设备对获得的CBCT图像只能重建出不足14cm长度图像片段，使用这些图像片段制定和评估鼻咽癌、食管癌、直肠癌、宫颈癌等大部分肿瘤放疗计划时，不足以完整显示肿瘤在人体中的位置、形态等信息，即无法完整显示肿瘤组织的解剖结构，影响放疗计划在CBCT图像上的制定；另一方面，对于胸部的肿瘤，即使拍摄到了完整的肿瘤组织，通常也无法完整地再现整个肺的解剖结构，这样将导致医生无法通过CBCT图像来准确地评估对放疗具有敏感反应的肺组织在接受放疗时实际受到的照射剂量。

3、发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种分段锥形束CT图像通过拼接获得完整解剖图像的方法。

本发明的方法是按以下方式实现的，首先，对患者进行锥形束CT扫描，分段获取两套以上相互衔接的CBCT图像序列，然后，对两套CBCT图像进行观察、处理得到一套新的CBCT图像序列；把新的CBCT图像序列进行图像三维重建，得到一套拓宽了的能够完整展现肿瘤发病区域和周围正常器官的CBCT解剖图像；

分段获取CBCT图像步骤如下：

1)设计CBCT分段扫描计划：获得模拟定位CT扫描图像并将其传入加速器设备中的Varian Eclipse治疗计划系统，在计划CT空间上设置左右和前后方向上坐标完全一致的两个等中心，分别制定CBCT扫描计划P1和P2，OBI单次CBCT扫描长度为14cm，因此，头脚方向两等中心间的距离设置在13cm以内，从而保证两段CBCT图像具有足够的信息冗余；

2)CBCT扫描：将上述设计好的CBCT计划传入OBI 4D工作站，按计划P1的等中心进行摆位，根据扫描部位选定好显像设备及相关参数后进行第一次CBCT扫描，扫描结束并完成在线配准后，不接受系统给出的自动移床参数，即保持治疗床不动，然后沿头脚方向手动平移治疗床至计划P2的等中心，移动距离为两等中心的头脚方向坐标之差，以同样显像参数完成第二次CBCT扫描；

CBCT图像拼接步骤如下：

加速器工作站对获取的两套CBCT图像序列分别进行编号，设定最小编号的图像为近脚的一张，最大编号的图像为近头的一张，然后对两套CBCT图像序列分别进行显像解析；

由于两套CBCT图像是患者在治疗床上不发生体位变动的情况下由OBI先后获取的，而且两套图像的拍摄范围至少有1cm的重叠，所以，在分别观察两套CBCT图像时，通过参照骨性标记的解剖结构找到两套图像中所共有的最为相似的一层，记录下该层分别在各自图像序列中所拥有的序列号；

假定两套CBCT图像分别为down序列和up序列，共有的拼接层面为down序列的第44层(A)、up序列的第15层(B)，则需要进行处理的图像序列区间是从up序列第16层(C)到up序列最上一层(Z)，如图1所示，处理步骤如下：

1)解析存储CBCT图像的DICOM文件，获取DICOM文件头中各字段信息；

2)解析down序列的第A层CBCT图像，读取StudyInstanceUID、InstanceNumber和ImagePositionPatient三个字段的值；

3)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别将每层图像对应的DICOM文件头中的StudyInstanceUID字段值更换成down序列A的相应值；

4)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别将每层图像对应的DICOM文件头中的InstanceNumber字段值更换成down序列A层InstanceNumber字段值的基础上依次递增1；

5)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别更换每层图像对应的DICOM文件头中ImagePositionPatient字段字节3的值，格式为：字节1/字节2/字节3；因为每套CBCT图像的最下一层图像的Z坐标均为-117.5，所以更换值通过下面的公式算得：

ImagePositionPatient字节3的值＝-117.5+InstanceNumber值×2.5其中，InstanceNumber值已由第四步算得；

6)保存更改后的每个DICOM文件，并按其InstanceNumber值重新依次命名，得到一套新的CBCT图像序列。

本发明的优异效果：

使用本发明的方法拼接的CBCT图像，用于肿瘤靶区勾画和放射剂量计算，实现精确计划制定、精确计划评估和精确剂量修正的目的，为放疗科医生及放射物理师在CBCT图像空间中设计和评估放疗计划创造了更广阔的平台，做到了有的放矢，大幅度提高了肿瘤的放射治疗效果。

附图说明

图1.分段CBCT图像拼接过程中关键层面的拼接示意图；

图2.胸部上段CBCT图像冠状截面解剖结构示意图(红线为拼接层)；

图3.胸部下段CBCT图像冠状截面解剖结构示意图(红线为拼接层)；

图4.拼接得到的完整胸部CBCT图像冠状截面解剖结构示意图(红线为拼接层)；

图5.在一次获取的不完整胸部CBCT图像空间观察肿瘤靶区解剖结构示意图(冠状面)；

图6.在分段获取并拼接得到的完整胸部CBCT图像空间观察肿瘤靶区解剖结构示意图(冠状面)；

图7.在一次获取的不完整胸部CBCT图像空间观察肿瘤靶区解剖结构示意图(矢状面)；

图8.在分段获取并拼接得到的完整胸部CBCT图像空间观察肿瘤靶区解剖结构示意图(矢状面)；

图9.在分段获取并拼接得到的完整胸部CBCT图像空间制定放疗计划并评估放射剂量示意图；

图10.CBCT图像分段获取及拼接流程图。

具体实施方式

分段获取CBCT图像步骤如下：

1)设计CBCT分段扫描计划：获得模拟定位CT扫描图像并将其传入加速器设备中的Varian Eclipse治疗计划系统，在计划CT空间上设置左右和前后方向上坐标完全一致的两个等中心，分别制定CBCT扫描计划P1和P2，OBI单次CBCT扫描长度为14cm，因此，头脚方向两等中心间的距离设置在13cm以内，从而保证两段CBCT图像具有足够的信息冗余；

2)CBCT扫描：将上述设计好的CBCT计划传入OBI 4D工作站，按计划P1的等中心进行摆位，根据扫描部位选定好显像设备及相关参数后进行第一次CBCT扫描，扫描结束并完成在线配准后，不接受系统给出的自动移床参数，即保持治疗床不动，然后沿头脚方向手动平移治疗床至计划P2的等中心，移动距离为两等中心的头脚方向坐标之差，以同样显像参数完成第二次CBCT扫描；

CBCT图像拼接步骤如下：

加速器工作站对获取的两套CBCT图像序列分别进行编号，设定最小编号的图像为近脚的一张，最大编号的图像为近头的一张，然后对两套CBCT图像序列分别进行显像解析；

由于两套CBCT图像是患者在治疗床上不发生体位变动的情况下由OBI先后获取的，而且两套图像的拍摄范围至少有1cm的重叠，所以，在分别观察两套CBCT图像时，通过参照骨性标记的解剖结构找到两套图像中所共有的最为相似的一层，记录下该层分别在各自图像序列中所拥有的序列号；

假定两套CBCT图像分别为down序列和up序列，共有的拼接层面为down序列的第44层(A)、up序列的第15层(B)，则需要进行处理的图像序列区间是从up序列第16层(C)到up序列最上一层(Z)，如图1所示，处理步骤如下：

1)解析存储CBCT图像的DICOM文件，获取DICOM文件头中各字段信息；

2)解析down序列的第A层CBCT图像，读取StudyInstanceUID、InstanceNumber和ImagePositionPatient三个字段的值；

3)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别将每层图像对应的DICOM文件头中的StudyInstanceUID字段值更换成down序列A的相应值；

4)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别将每层图像对应的DICOM文件头中的InstanceNumber字段值更换成down序列A层InstanceNumber字段值的基础上依次递增1；

5)依次解析up序列的第C至Z层图像，分别更换每层图像对应的DICOM文件头中ImagePositionPatient字段字节3的值，格式为：字节1/字节2/字节3；因为每套CBCT图像的最下一层图像的Z坐标均为-117.5，所以更换值通过下面的公式算得：

ImagePositionPatient字节3的值＝-117.5+InstanceNumber值×2.5其中，InstanceNumber值已由第四步算得；

6)保存更改后的每个DICOM文件，并按其InstanceNumber值重新依次命名，得到一套新的CBCT图像序列。

发明方法准确性及可行性验证

1.对拼接得到的CBCT图像几何学完整性进行体模验证：对TOPSLANE QIY00A型胸段体模进行分段CBCT扫描，完成拼接后导入Varian Eclipse治疗计划系统，对体模CBCT图像进行三维重建；在拼接后CBCT断层图像上逐层勾画体模及其模拟的双肺组织外轮廓，分别计算体模及双肺的体积，并将该结果与计划CT下重建并测得的轮廓体积进行比较。结果显示，拼接后CBCT图像测定体模外轮廓体积与计划CT测量结果相差0.26％(28.34cm³)，拼接CBCT图像测得体模两侧肺体积分别与计划CT测得结果相差1.87％(12.82cm³)和1.47％(10.07cm³)；

2.对拼接CBCT图像进行包容度在体应用研究：选择10例胸部肿瘤患者，从肺容量包容度角度对CBCT拼接图像进行验证。于患者第一次实施影像引导放射治疗前，在自由呼吸状态下，通过水平移床获取CBCT分段扫描图像，离线后将分段扫描获得的两套CBCT图像进行拼接并导入Varian Eclipse进行三维重建。在拼接后CBCT断层图像上逐层勾画人体肺组织轮廓，评估肺容量，并将其与计划CT重建后测得的相同参数进行比较。10例患者拼接后CBCT图像与计划CT图像肺容量比对分析见表1。结果显示，全肺容量平均相差1.97％±0.42％(64.53±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±12.51cm³)；

验证结果显示，无论体模还是人体，利用本发明的方法很容易实现分段CBCT的拼接，而且拼接得到的新的CBCT图像序列经三维重建后，精确地再现了体模和人体肺组织的解剖结构，证明拼接过程无图像信息丢失，几何学精度高，该发明方法完全可以用于肿瘤放疗临床应用。

10例患者拼接后CBCT图像与计划CT图像肺容量比对分析(体积单位为cm³)如表1.所示。

表1