一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法

摘要

本发明涉及一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法，获取待检测宫颈癌内外照射放疗CT图像、内外照射放疗剂量分布；通过非线性图像配准将内照射放疗CT图像映射到外照射放疗CT图像上，获取待检测宫颈癌内外照射放疗CT图像间的变换关系；利用该内外照射放疗CT图像间的变换关系将内照射放疗剂量分布变换为等效的外照射放疗剂量分布；并通过图像融合将变换后等效的外照射放疗剂量分布与外照射放疗剂量分布进行融合，重建内外放疗剂量的分布曲线，获取待检测宫颈癌肿瘤靶区及周围危及器官在接受内外照射综合治疗过程中实际受到的总剂量。本发明应用于宫颈癌图像引导放射治疗，以提高放疗剂量评估的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及医学图像处理与图像引导放射治疗技术领域，特别是一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法。

背景技术

宫颈癌是全球女性最常见的第二大肿瘤，严重威胁着女性的生命健康。虽然，目前的卫生条件有很大的改善，但在发展中国家和部分地区的发病率及死亡率仍有所增长，研究发现，近年来宫颈癌的发病甚至有年轻化的趋势。放射治疗是宫颈癌治疗的最主要手段之一，世界范围70％以上宫颈癌患者的治疗措施中包含放射治疗。放射治疗的基本目标是尽力提高放射治疗的增益比，即在宫颈癌放射治疗过程中，给足治疗靶区规定的照射剂量消灭肿瘤细胞，并在肿瘤区域内形成合理的剂量分布，使周围正常组织及器官尽可能的少受或者免受不必要的照射，避免因放疗而引发其它并发症。

宫颈癌因其解剖部位、病理类型、生物学行为等的特殊性，通常需要采用图像引导下调强外照射联合三维后装腔内近距离照射进行综合放射治疗。然而，在实际操作中，这两种放疗技术是在不同的时间进行分离的治疗和评估，放疗过程中患者的摆位容易出现偏差，此外，因治疗反应和生理活动等容易导致宫颈肿块及其解剖附近的危及器宫发生形变。对内外放疗剂量直接进行简单的叠加，无法正确地得到宫颈肿块及其解剖附近的膀胱、直肠等组织受到内外放疗的总剂量，不能进一步发挥这两项技术联合治疗的先进性。目前，图像引导下调强放射治疗以及三维后装放疗全套设备的价格都及其昂贵，仅依靠设备的更新换代来提高泊疗的效果，将需要花费大量的人力、财力。

随着医学影像技术的发展，图像配准技术在图像引导放疗中发挥着越来越重要的作用，所谓的图像配准就是通过寻求不同条件下获取的图像之间的变换关系，使得图像上所有的特征点或至少具有诊断意义的对应点达到匹配，从而实现不同图像信息综合的目的。尽管如此，在现有的医院放射治疗计划系统中，由于技术的限制，放疗医生或物理医师只能找到患者在不同时刻拍摄图像之间的线性变换，并以此为依据完成治疗机剂量规划。但由于人体软组织产生的形变类型多为非线性形变形式，单纯依靠简单空间平移和缩放的线性配准技术很难找到最优的变换关系，无法达到精准放疗的要求。因此，如何根据宫颈癌放疗方法的特点，对现有设备和技术进行整合，进一步准确掌握宫颈肿块剂量、减少膀胱直肠等周围组织的辐射量，降低并发症的发生率，是摆在放疗科医生及物理师面前的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：获取待检测宫颈癌内照射放疗CT图像、外照射放疗CT图像、内照射放疗剂量分布以及外照射放疗剂量分布；

步骤S2：通过非线性图像配准将所述内照射放疗CT图像对应映射到所述外照射放疗CT图像上，获取待检测宫颈癌内外照射放疗CT图像间的变换关系；

步骤S3：利用该内外照射放疗CT图像间的变换关系作用于所述内照射放疗剂量分布，将内照射放疗剂量分布变换为等效的外照射放疗剂量分布；并通过图像融合将变换后等效的外照射放疗剂量分布与所述外照射放疗剂量分布进行融合，重建内外放疗剂量的分布曲线，获取待检测宫颈癌肿瘤靶区及周围危及器官在接受内外照射综合治疗过程中实际受到的放疗总剂量。

在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，采用影像引导下放射治疗，包括：影像引导下调强外照射及影像引导下三维后装腔内近距离照射。

在本发明一实施例中，所述影像引导下调强外照射按照如下步骤实现：

步骤S111：患者固定体位；

步骤S112：获取定位CT图像；进行Philips大孔径螺旋定位CT的4D扫描，且使用静脉及口服造影剂；扫描范围：至少胸椎T12下缘到股骨小转子下缘下2cm,坐骨结节下2cm；扫描条件：图像层间距为2.5mm，层厚为2.5mm；

步骤S113：勾画靶区与设定剂量；宫颈肿瘤原发灶GTV-T，转移性淋巴结GTV-N，子宫体、宫旁、部分阴道为CTV-T，相关淋巴结引流区为CTV-N，剂量予GTV-N 6160CGY/28F，CTV-T 5040CGY/28F，CTV-N 5040CGY/28。

在本发明一实施例中，所述影像引导下三维后装腔内近距离照射按照如下步骤实现：

步骤S121：患者固定体位，且与外照射体位一致；

步骤S122：植入施源器；在待检测患者体内置入宫腔管矛和阴道施源器，进行内照射；

步骤S123：获取定位CT图像；进行Philips大孔径螺旋定位CT的4D扫描，且使用静脉及口服造影剂；扫描范围：至少腰椎L5下缘到股骨小转子下缘下2cm，坐骨结节下2cm：扫描条件：图像层间距为2.5mm，层厚为2.5mm；

步骤S124：勾画靶区与设定剂量：采用CT图像进行近距离放疗时，HR-CTV-CT包括宫颈+宫旁侵犯部分，宫颈的上缘为静脉增强剂显示的子宫血管上方lcm以上，处方剂量采用A点剂量。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，还包括如下步骤：

步骤S21：对所述内照射放疗CT图像以及所述外照射放疗CT图像进行去噪声、重采样处理；

步骤S22：记所述外照射放疗CT图像I和所述内照射放疗CT图像S上分别包括由N个标记点组成的两组点集P和Q，以标记点为驱动的形变模型，由基于标记点的局部变换和基于图像的局部变换组成，表示如下：

其中，两种局部变换都采用基于B样条的自由形变模型，基于图像的局部变换矩阵根据D.Rueckert标准自由行变模型确定；为以ROI区域两组点集P和Q为驱动的非线性变换函数，作为局部大形变区域的初始校正，在进行形变时，只有落在区域ROI内的点(x,y,z)∈ROI才会移动，而在ROI区域外的点则保持不动，落在ROI区域内的各个点的局部运动由三维立体B样条的三维张量给出；为了使局部特征点的变换矩阵能够作为下一步图像非线性配准的输入，其自由行变模型需要覆盖整个的图像空间Ω＝{(x,y,z)0≤x≤X,0≤y≤Y,0≤z≤Z}；Φ表示为由控制点φi,j,k组成的n_x×n_y×n_z的网格，记如下：

；

其中，B_l为均匀B样条函数的第l基函数。

在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：一个放疗疗程分多次治疗，记通过内外照射获取有N组放疗CT图像和放疗剂量分布D(x)，每组对应于一次治疗片段；通过图像配准将各个片段的内照射放疗CT图像映射到对应的外照射放疗CT图像上，以此获得对应的形变矩阵，然后通过这些变换矩阵应用到对应的内外照射剂量分布上，最终通过图像融合技术获得累加后的总剂量D_Total(x)，其公式表示为

其中，D_Total(x)为累加后的剂量分布，D_j(x)为外照射放疗剂量分布，D_i(T_i(x))为第i次内照射放疗剂量分布变换后的结果。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法，充分利用现代医学影像成像和医学图像处理技术的优势，在图像引导放疗领域引入基于非线性图像配准的图像融合关键技术，提出一种以标记点为参考点的非线性自由形变模型来合理地矫正因患者摆位误差、治疗反应以及生理活动等因素引起的内外放疗剂量分布之间的非线性偏差，最终准确实现宫颈癌内外照射联合治疗有效剂量的累加。在不进行二次放疗设备更新的情况下，实现现有设备和技术升级，突破传统上只能依靠线性变换的技术限制；为放疗医生进行准确、直观的剂量评估提供有力的技术支撑，提高宫颈癌放射治疗疗效。

附图说明

图1为本发明中宫颈癌内外照射放疗CT图像非线性配准流程图。

图2(a)为本发明一实施例中宫颈癌外照射放疗CT图像。

图2(b)为本发明一实施例中宫颈癌内照射放疗CT图像。

图2(c)为本发明一实施例中内照射放疗CT图像线性配准结果。

图2(d)为本发明一实施例中内照射放疗CT图像非线性配准结果。

图3为本发明中宫颈癌内外照射放疗剂量分布变换与融合的基本过程。

图4(a)为本发明一实施例中宫颈癌外照射放疗剂量分布。

图4(b)为本发明一实施例中宫颈癌内照射放疗剂量分布。

图4(c)为本发明一实施例中内外放疗剂量分布线性融合结果。

图4(d)为本发明一实施例中内外放疗剂量分布非线性融合结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种宫颈癌内外放疗剂量的非线性融合方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：获取待检测宫颈癌内照射放疗CT图像、外照射放疗CT图像、内照射放疗剂量分布以及外照射放疗剂量分布；

步骤S2：通过非线性图像配准将内照射放疗CT图像对应映射到外照射放疗CT图像上，以使内外照射放疗图像达到解剖结构上的一致，消除因患者摆位误差、治疗反应以及生理活动等导致人体软组织的非线性形变而引起的内外放疗剂量分布的偏差，最终获得宫颈癌内外放疗CT或MRI图像之间准确的变换关系；

步骤S3：将该内外照射放疗CT图像间的变换关系作用于内照射放疗剂量分布，将内照射放疗剂量分布变换为等效的内照射放疗剂量分布；并通过图像融合将变换后等效的内照射放疗剂量分布与外照射放疗剂量分布进行融合，重建内外放疗剂量的分布曲线，获取待检测宫颈癌肿瘤靶区及周围危及器官在接受内外照射综合治疗过程中实际受到的累加放疗剂量分布。

进一步的，在步骤S1中，在获取宫颈癌内外照射放疗CT图像及其相应的放疗剂量分布过程中，患者采用影像引导下放射治疗，包括：影像引导下调强外照射及影像引导下三维后装腔内近距离照射。根据美国近距离放射治疗协会宫颈癌工作小组(ABS)建议，腔内近距离放疗一般在外照射45Gy结束后开始

进一步的，在本实施例中，影像引导下调强外照射按照如下步骤实现：

步骤S111：体位；采用比利时ORFIT生产的体部固定架及真空垫，仰卧位，双手抱头，进行外照射；

步骤S112：获取定位CT图像；进行Philips大孔径螺旋定位CT的4D扫描，且使用静脉及口服造影剂；扫描范围：根据患者具体情况，至少胸椎T12下缘到股骨小转子下缘下2cm，坐骨结节下2cm；扫描条件：图像层间距为2.5mm，层厚为2.5mm；

步骤S113：勾画靶区与设定剂量；依据国际辐射单位与测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements,ICRU)50及62号文件，对宫颈癌的放疗靶区的勾画定义如下：宫颈肿瘤原发灶GTV-T，转移性淋巴结GTV-N，子宫体、宫旁、部分阴道为CTV-T，相关淋巴结引流区为CTV-N，剂量予GTV-N 6160CGY/28F，CTV-T 5040CGY/28F，CTV-N 5040CGY/28，具体剂量根据肿瘤侵犯情况有所调整。

进一步的，在本实施例中，影像引导下三维后装腔内近距离照射按照如下步骤实现：

步骤S121：体位；采用比利时ORFIT生产的体位固定架及真空垫，仰卧位，双手抱头，进行外照射，且与外照射体位一致；为进一步提高图像融合质量，采用与外照射一致的体位；

步骤S122：植入施源器；在待检测患者体内置入宫腔管矛和阴道施源器，进行内照射；

步骤S123：获取定位CT图像；进行Philips大孔径螺旋定位CT的4D扫描，且使用静脉及口服造影剂；扫描范围：根据患者具体情况，至少腰椎L5下缘到股骨小转子下缘下2cm，坐骨结节下2cm：扫描条件：图像层间距为2.5mm，层厚为2.5mm；

步骤S124：勾画靶区与设定剂量：GEC-ESTRO建议，采用CT图像进行近距离放疗时，HR-CTV-CT包括宫颈+宫旁侵犯部分，宫颈的上缘为静脉增强剂显示的子宫血管上方lcm以上，处方剂量采用A点剂量。

进一步的，在本实施例中，在非线性图像配准技术获取内外照射放疗CT图像间的变换关系过程中，要实现对宫颈癌内外照射剂量的变换与融合，最关键的技术是需要实现内外照射CT图像的精确配准。但是由子宫颈癌的解剖部位、病理类型、生物学行为等的特殊性，宫颈癌内外照射放疗口图像在腿部区域存在的局部大形变是一个普遍存在，而且最难处理的情况，本发明提出一种以ROI标记点为参考点的非线性多层级自由形变模型来实现内外照射放疗CT图像的矫正。为了进一步提高配准精度，可在进行图像配准之前作相应的图像预处理，如去噪声、重采样等，宫颈癌内外照射放疗图像的非线性配准基本流程如图1所示，具体还包括如下步骤：

步骤S21：对内照射放疗CT图像以及外照射放疗CT图像进行去噪声、重采样处理；

步骤S22：记外照射放疗CT图像I和内照射放疗CT图像S上分别包括由N个标记点组成的两组点集P和Q，图像非线性配准的目标是寻找一个变换矩阵T_local，使得源图像I和目标图像T一一对齐。以标记点为驱动的自由形变模型，由基于标记点的局部变换和基于图像的局部变换组成，表示如下：

其中，两种局部变换都采用基于B样条的自由形变模型，基于图像的局部变换矩阵根据D.Rueckert等提出的标准自由行变模型确定；为以ROI区域两组点集P和Q为驱动的非线性变换函数，作为局部大形变区域的初始校正。在进行形变时，只有落在区域ROI内的点(x,y,z)∈ROI才会移动，而在ROI区域外的点则保持不动。其中落在ROI区域内的各个点的局部运动由三维立体B样条的三维张量给出；为了使局部特征点的变换矩阵能够作为下一步图像非线性配准的输入，实现级联配准，其自由行变模型需要覆盖整个的图像空间Ω＝{(x,y,z)|0≤x≤X,0≤y≤Y,0≤z≤Z}；Φ表示为由控制点φi，j，k组成的n_x×n_y×n_z的网格，记如下：

其中，B_l为均匀B样条函数的第l基函数。在本实施例中，宫颈癌内外照射放疗CT图像的线性与非线性配准结果对比如图2(a)至图2(d)所示。

进一步的，在本实施例中，在内外照射放疗剂量分布的变换与融合过程中，由于内外照射放疗剂量分布与内外照射放疗CT图像一一相对应，故内外照射放疗剂量分布之间的变换依赖于上述由非线性图像配准技术获得的内外照射放疗CT图像之间的变换关系。

通常情况下，宫颈癌的放射治疗需分多次进行，若一个放疗疗程分多次治疗，则通过内外照射获取有N组放疗CT图像和放疗剂量分布D(x)，每组对应于一次治疗片段。通过图像配准将各个片段的内照射放疗CT图像映射到对应的外照射放疗CT图像上，以此获得对应的形变矩阵，然后通过这些变换矩阵应用到对应的内外照射剂量分布上。最终通过图像融合技术获得累加后的总剂量D_Total(x)，其公式表示为

其中，D_Total(x)为累加后的剂量分布，D_j(x)为外照射放疗剂量分布，D_i(T_i(x))为第i次内照射放疗剂量分布变换后的结果。

本实施例中，如图3所示，为一次内外照射放疗剂量分布的变换及融合过程，首先使用图像配准技术将内照射放疗CT图像映射到外照射放疗CT图像上，以使内外照射放疗图像达到解剖结构上的一致，然后将配准结果的变换关系作用于内照射放疗剂量分布Dose2上，通过剂量变换生成Dose2’，再将Dosel与Dose2’叠加融合，最终得到内外照射联合放疗的累加剂量分布。宫颈癌内外照射放疗剂量分布的线性与非线性融合结果如图4(a)至图4(d)所示。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。