基于计划四维CT的肺通气与灌注联合功能区域生成方法及系统

本发明涉及医学图像处理，具体涉及一种基于计划四维ct的肺通气与灌注联合功能区域生成方法及系统。尤其涉及针对放射治疗过程中获取的计划四维ct图像，通过深度学习模型对不同呼吸状态下的肺部结构及运动信息进行联合建模，同时生成空间对应的肺通气功能图像和肺灌注功能图像，并进一步确定反映肺通气和肺灌注共同高功能区域的联合功能区域。

背景技术：

1、肺是人体重要的气体交换器官，其功能状态不仅与肺组织的解剖结构相关，还与局部通气能力和血流灌注状态密切相关。对于胸部肿瘤患者，放射治疗过程中正常肺组织可能受到不同程度的辐射照射，而肺功能在空间分布上具有明显异质性。因此，在保证肿瘤治疗效果的同时，尽可能保护具有重要生理功能的正常肺组织，是当前精准放射治疗的重要研究方向。

2、目前，临床放射治疗计划主要基于模拟定位计算机断层扫描（computedtomography，ct）图像进行靶区和危及器官勾画，并结合剂量体积指标对治疗计划进行评价。然而，常规ct主要反映组织密度和解剖结构信息，无法直接提供肺组织局部通气和血流灌注等功能信息。因此，仅依赖解剖ct指导放射治疗计划设计，可能无法充分考虑不同区域肺组织之间存在的功能差异。

3、为了获得肺功能空间分布信息，现有技术通常采用功能性肺成像方法，例如单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography，spect）通气/灌注显像、正电子发射断层成像（positron emission tomography，pet）等。这些方法能够提供肺通气或肺灌注功能的空间分布信息，并被应用于肺功能评价及功能保护放射治疗研究。

4、然而，核医学功能成像方法通常需要额外的检查流程、示踪剂注射以及专用设备支持，增加了患者检查负担和临床实施复杂度。同时，由于功能影像与放射治疗计划ct通常来源于不同设备或不同时间采集，两者之间需要进行空间配准，可能受到患者呼吸状态变化、体位差异以及图像分辨率差异等因素影响，从而限制其在常规放射治疗流程中的应用。

5、近年来，四维计算机断层扫描（four-dimensional computed tomography，4d-ct）技术的发展为基于放射治疗计划影像数据进行肺功能评价提供了新的可能。与传统三维ct相比，4d-ct能够获取呼吸周期内多个不同时间相位的三维ct图像，因此不仅包含肺部解剖结构信息，还包含呼吸过程中肺组织运动、体积变化以及密度变化等动态信息。

6、基于4d-ct的肺功能成像方法已被用于肺通气和肺灌注功能评价。例如，部分研究利用吸气状态和呼气状态ct之间的形变信息、体素密度变化或呼吸运动相关参数，建立肺通气功能评价方法；另一些研究利用4d-ct中的动态变化信息，对肺灌注相关功能参数进行估计。这些研究表明，利用放射治疗计划4d-ct数据获得肺功能相关信息具有可行性，为无需额外功能检查的肺功能成像提供了新的技术途径。

7、随着人工智能和深度学习技术的发展，基于医学影像数据的功能影像生成方法逐渐受到关注。深度学习模型能够通过学习解剖影像与功能影像之间的复杂非线性关系，实现由ct图像直接预测功能影像。已有研究利用三维ct或四维ct图像，通过卷积神经网络、编码器–解码器网络等方法预测肺通气功能图像或肺灌注功能图像，证明了基于ct影像进行肺功能影像重建的可行性。

8、然而，现有基于深度学习的肺功能影像生成方法仍存在以下不足：

9、首先，现有研究大多针对单一肺功能参数进行预测，即分别建立肺通气功能预测模型或肺灌注功能预测模型，难以同时获得空间对应的肺通气和肺灌注功能分布，无法充分反映肺组织整体功能状态。

10、其次，虽然4d-ct包含多个呼吸状态下的肺部结构变化信息，并已被用于单独预测肺通气或肺灌注功能，但现有同时生成肺通气和肺灌注功能影像的深度学习方法主要基于单时间点三维ct输入，尚未充分利用放射治疗计划4d-ct中不同呼吸状态之间所包含的互补信息。

11、再次，肺通气和肺灌注具有不同的生理机制和空间分布特征，分别建立独立预测模型需要重复进行特征提取和模型训练，增加模型参数规模和计算复杂度。同时，现有方法通常关注单独功能图像的生成，对于如何进一步融合肺通气和肺灌注信息，确定同时具有较高通气和较高灌注能力的联合功能区域，仍缺少有效技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于计划四维ct的肺通气–灌注联合功能区域生成方法及系统，能够充分利用放射治疗计划四维ct多呼吸状态信息，在统一框架下同时生成空间对应的肺通气和肺灌注功能图像，并进一步确定肺通气–灌注联合高功能区域，以满足功能肺评价和功能保护放射治疗等应用需求，解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于计划四维ct的肺通气与灌注联合功能区域生成方法，包括：

4、获取由采集装置采集的计划四维计算机断层扫描图像数据；

5、从所述计划四维计算机断层扫描图像数据中获取平均计算机断层扫描图像、吸气状态计算机断层扫描图像以及呼气状态计算机断层扫描图像，并对所述平均计算机断层扫描图像、吸气状态计算机断层扫描图像以及呼气状态计算机断层扫描图像进行空间对应处理，获得包含不同呼吸状态信息的联合数据；

6、利用预先训练的肺通气-灌注联合功能影像生成模型，对所述联合数据进行处理，生成三维肺通气功能图像和三维肺灌注功能图像；其中，所述肺通气-灌注联合功能影像生成模型由训练集训练得到，所述训练集包括多组计划四维计算机断层扫描图像数据，以及与各组所述计划四维计算机断层扫描图像数据空间对应的参考肺通气功能影像和参考肺灌注功能影像；

7、根据所述三维肺通气功能图像确定肺通气高功能区域，根据所述三维肺灌注功能图像确定肺灌注高功能区域；

8、根据所述肺通气高功能区域与所述肺灌注高功能区域在同一空间坐标系中的空间交叠关系，将二者的空间交集确定为肺通气-灌注联合高功能区域。

9、作为本发明第一方面的进一步限定，所述肺通气-灌注联合功能影像生成模型包括共享特征提取单元、肺通气功能重建单元、肺灌注功能重建单元；所述共享特征提取单元用于从所述联合数据中提取同时包含解剖结构信息和呼吸运动动态变化信息的多尺度空间特征；所述肺通气功能重建单元用于根据所述多尺度空间特征生成肺通气功能图像；所述肺灌注功能重建单元用于根据所述多尺度空间特征生成肺灌注功能图像。

10、作为本发明第一方面的进一步限定，所述共享特征提取单元包括编码器网络和瓶颈网络；所述编码器网络与对应尺度的解码器网络之间设置跳跃连接，以将编码阶段提取的空间细节特征传递至解码阶段；所述瓶颈网络用于在最低空间分辨率和最高特征通道维度上进一步整合编码器网络提取的高层信息。

11、作为本发明第一方面的进一步限定，所述编码器网络包括多个编码阶段，肺通气预测任务和肺灌注预测任务共同使用全部的所述多个编码阶段以及所述瓶颈网络。

12、作为本发明第一方面的进一步限定，所述肺通气功能重建单元和肺灌注功能重建单元均分别包括任务特异性的解码器网络；所述任务特异性是指肺通气功能重建单元与肺灌注功能重建单元具有相同的网络拓扑结构，但二者具有彼此独立的可训练参数集合，在训练过程中分别根据肺通气监督目标和肺灌注监督目标进行参数更新；其中，所述编码器网络和瓶颈网络的参数由肺通气功能重建单元和肺灌注功能重建单元共享，而所述任务特异性的解码器网络分别独立优化。

13、作为本发明第一方面的进一步限定，四个连续解码阶段中，对于第级解码阶段的输入特征首先进行2×2×2三维转置卷积上采样；随后，将上采样特征与编码器在相同空间尺度产生的跳跃连接特征进行通道维拼接；再通过对应解码阶段的残差特征变换；最后一个解码阶段输出8通道高分辨率特征，通过1×1×1三维卷积映射至一个输出通道。

14、作为本发明第一方面的进一步限定，在肺通气-灌注联合功能影像生成模型训练过程中，根据预测肺通气功能图像与参考肺通气功能影像之间的差异，以及预测肺灌注功能图像与参考肺灌注功能影像之间的差异，构建联合损失函数，并利用所述联合损失函数优化肺通气-灌注联合功能影像生成模型参数。

15、第二方面，本发明提供一种基于计划四维ct的肺通气与灌注联合功能区域生成系统，包括：

16、获取模块，用于获取由采集装置采集的计划四维计算机断层扫描图像数据；

17、处理模块，用于从所述计划四维计算机断层扫描图像数据中获取平均计算机断层扫描图像、吸气状态计算机断层扫描图像以及呼气状态计算机断层扫描图像，并对所述平均计算机断层扫描图像、吸气状态计算机断层扫描图像以及呼气状态计算机断层扫描图像进行空间对应处理，获得包含不同呼吸状态信息的联合数据；

18、预测生成模块，用于利用预先训练的肺通气-灌注联合功能影像生成模型，对所述联合数据进行处理，生成三维肺通气功能图像和三维肺灌注功能图像；其中，所述肺通气-灌注联合功能影像生成模型由训练集训练得到，所述训练集包括多组计划四维计算机断层扫描图像数据，以及与各组所述计划四维计算机断层扫描图像数据空间对应的参考肺通气功能影像和参考肺灌注功能影像；

19、确定模块，用于根据所述三维肺通气功能图像确定肺通气高功能区域，根据所述三维肺灌注功能图像确定肺灌注高功能区域；根据所述肺通气高功能区域与所述肺灌注高功能区域在同一空间坐标系中的空间交叠关系，将二者的空间交集确定为肺通气-灌注联合高功能区域。

20、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，计算机指令被处理器执行时，实现如第一方面所述的基于计划四维ct的肺通气-灌注联合功能区域生成方法。

21、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如第一方面所述的基于计划四维ct的肺通气-灌注联合功能区域生成方法。

22、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如第一方面所述的基于计划四维ct的肺通气-灌注联合功能区域生成方法的指令。

23、本发明有益效果：利用放射治疗计划过程中已有的四维ct影像数据，在模型应用或推理阶段无需额外获取spect、pet等独立功能影像，即可同时生成肺通气功能图像和肺灌注功能图像，从而降低对额外功能影像检查设备和检查流程的依赖；联合利用计划四维ct中平均解剖信息以及不同呼吸状态下肺组织结构变化信息，在统一模型中学习肺通气和肺灌注相关特征；通过共享特征提取路径实现肺通气任务和肺灌注任务之间的信息共享，在保持两类功能影像生成能力的同时，减少重复特征提取过程，降低模型参数规模和计算复杂度；基于预测得到的肺通气功能图像和肺灌注功能图像，并将二者的空间交叠区域确定为肺通气-灌注联合高功能区域，为功能肺评价、功能保护放射治疗以及后续剂量–功能关系研究提供新的技术手段。

24、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。