放射治疗中的一种计算机辅助靶区三维重建方法及装置与流程

1.本发明涉及医学影像和计算机技术领域，具体为放射治疗中的一种计算机辅助靶区三维重建方法及装置。


背景技术：

2.在医院对病人进行放射治疗的过程中,往往涉及到目标靶区的勾画,目前主要通过物理师手工勾画或者基于机器学习的自动勾画方法，勾画所得到的靶区往往会存在微小的偏差需要调整，治疗靶区的调整过程往往耗时耗力，影响物理师的工作效率以及治疗效果。
3.通常医学影像序列都是由一系列的图像切片，从单张图像切片中获取的相关靶区信息都是二维的数据，需要凭借医生的专业知识才能判断靶区在人体内部的位置，通过一定的方法对靶区进行三维重构可以帮助医生以及物理师等相关人员更加直观地了解靶区相关信息。
4.nurbs曲线由基函数线性组合而得，是一种具有分段连续性的特殊曲线，将一定数量的控制点按照特定的规则进行拟合就可以得到由一组控制点和基函数构成，具有几何不变性、凸包性、保凸性、变差减小性、局部支撑性等许多优良性质，是目前cad系统常用的几何表示方法，因而基于nurbs的曲线可以准确描述目标靶区，通过修改有关的特征多边形控制顶点，能够实现对靶区的局部修改。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供放射治疗中的一种计算机辅助靶区三维重建方法及装置，通过nurbs曲线描述靶区形状，对于局部曲线没有准确描述靶区的部分，可以非常方便的通过调整控制多边形来进行修改，nurbs曲线的特性保证修改操作只对局部区域产生影响。
6.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供如下技术方案：
7.放射治疗中的一种计算机辅助靶区三维重建方法及装置，包括以下步骤：
8.s1、对靶区轮廓数据点进行预处理，包括过滤重复点以及曲率过大的尖锐噪声；
9.s2、在已经得到的靶区轮廓中，以一个封闭轮廓为一个处理对象，反求控制顶点；
10.s3、拟合轮廓数据得到nurbs曲线；
11.s4、对靶区进行局部修改；
12.s5、对于多帧图像构成的图像集，通过每一帧图像中的靶区的nurbs曲线，采用扫掠法构建三维nurbs曲面；
13.s6、离散nurbs曲线得到离散的轮廓数据。
14.本发明进一步设置为：所述步骤s1对靶区轮廓数据点进行预处理，包括过滤重复点以及曲率过大的尖锐噪声，具体为，
15.s1.1过滤重复点
16.遍历数据点集中的所有点，计算相邻两点之间的距离，如果两点之间的距离小于
设定阈值，则认为这是重复点，将其中一个点于点集中去除；
17.s1.2过滤曲率过大的尖锐噪声
18.s1.2.1限制线段夹角
19.对于一条直线段，提取首末两点，对于点集中的形成的相邻线段，分别计算其夹角，其夹角范围为[0,180]度，在保证夹角大于第一特定阈值的前提下，过滤部分直线段上的点，保证相邻夹角大于第一特定阈值；
[0020]
s1.2.2当点集中相邻线段形成的夹角小于第一特定阈值，则在这两点之间插入一些中间点，保证其相邻夹角不小于允许值。
[0021]
本发明进一步设置为：所述步骤s2在已经得到的靶区轮廓中，以一个封闭轮廓为一个处理对象，反求控制顶点，具体为，
[0022]
s2.1在已经得到的靶区轮廓中，以一个封闭轮廓为一个处理对象，对处理对象内完成数据点预处理后的节点通过均匀参数化法、积累弦长参数化法或福利参数化法进行参数化处理；
[0023]
s2.2通过圆弧估算法求解靶区轮廓的离散曲率；
[0024]
s2.3基于表现离散曲率变化的特征点，即曲率极值点、折痕点和拐点，基于这些特征点对数据点集进行分段处理；
[0025]
s2.4计算分段处理后各段的控制顶点
[0026]
确定nurbs曲线的次数k，反求控制顶点，反求控制顶点的方程如下，
[0027][0028]
式中，矩阵中的元素均为nurbs基函数的值，nurbs基函数的值通过高斯消元法求解获得。
[0029]
本发明进一步设置为：所述步骤s3拟合轮廓数据得到nurbs曲线，具体为，在确定控制顶点的基础上，结合nurbs基函数确定对应的nurbs曲线。
[0030]
本发明进一步设置为：所述步骤s4，对靶区进行局部修改，具体包括以下方法，
[0031]
a)鼠标选择相应的控制顶点，通过拖拽的方法对控制顶点进行局部的微调，同时基于调整后的控制顶点实时更新nurbs曲线；
[0032]
b)对于非平滑的位置，在对应的位置增加控制顶点，以满足生成复杂曲线造型的要求；
[0033]
c)对于冗余的控制顶点，进行删除，删除后自动更新相关nurbs曲线。
[0034]
本发明进一步设置为：所述步骤s5对于多帧图像构成的图像集，通过每一帧图像中的靶区的nurbs曲线，采用扫掠法构建三维nurbs曲面，具体为，
[0035]
对于p帧图像构成的图像集，通过每一帧图像中的靶区的nurbs曲线，共计p次nurbs曲线推广到p*q次nurbs曲面，其表达式如下所示，
[0036][0037]
式中，d
i,j
(i＝0,1,2
…
n；j＝0,1,2
…
m)为包含参数u以及v的控制网格，ω
i,j
为权重因子，n
i,p
(u)为定义在节点矢量u方向上的规范非有理b样条基函数，n
j,q
(v)为定义在节点矢量v方向上的规范非有理b样条基函数，q为节点矢量v方向的规范非均匀有理b样条的次数，n为u方向的控制顶点的个数，m为v方向上的控制顶点的个数。
[0038]
本发明进一步设置为：所述步骤s6离散nurbs曲线得到离散的轮廓数据，具体包括以下步骤，
[0039]
s6.1确定约束点，对于一些关键节点，为了避免在离散化过程中的误差，需要事先确定约束点，约束点在离散化过程中保持不变；
[0040]
s6.2通过等弧长方法从nurbs曲线进行分段，确定段数；
[0041]
s6.3对于每一个分段，根据预先给定的网格尺寸添加节点，保持相应的坐标值。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有的有益之处是：通过nurbs曲线描述靶区形状，对于局部曲线没有准确描述靶区的部分，可以非常方便的通过调整控制多边形来进行修改，nurbs曲线的特性保证修改操作只对局部区域产生影响；扫掠法可以精确的通过医学影像序列中二维数据自动生成三维曲面，帮助医生以及物理师等相关人员直观了解靶区信息，以及调整放射治疗相关参数。
附图说明
[0043]
图1为医学影像数据中的靶区信息，靶区轮廓为拟合医生用专用的工具勾画出的靶区得到的nurbs曲线；
[0044]
图2为三维重构后得到的靶区nurbs曲面；
[0045]
图3为实时显示的当前射束方向，以及三维重构后的靶区信息，可以直观显示两者之间的相对位置关系。
具体实施方式
[0046]
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0047]
本发明提供了放射治疗中的一种计算机辅助靶区三维重建方法及装置，包括以下步骤
[0048]
s1、对靶区轮廓数据点进行预处理，包括过滤重复点以及曲率过大的尖锐噪声，具体为，
[0049]
s1.1过滤重复点
[0050]
遍历数据点集中的所有点，计算相邻两点之间的距离，如果两点之间的距离小于设定阈值，则认为这是重复点，将其中一个点于点集中去除；一般设定阈值可以通过配置文件确定；
[0051]
s1.2过滤曲率过大的尖锐噪声
[0052]
s1.2.1限制线段夹角
[0053]
对于一条直线段，只需要提取首末两点，对于点集中的形成的相邻线段，分别计算其夹角，其夹角范围为[0,180]度，在保证夹角大于第一特定阈值，比如170度的前提下，过滤部分直线段上的点，保证相邻夹角大于第一特定阈；
[0054]
s1.2.2当点集中相邻线段形成的夹角小于第一特定阈值，则在这两点之间插入一些中间点，保证其相邻夹角不小于允许值。
[0055]
s2、在已经得到的靶区轮廓中，以一个封闭轮廓为一个处理对象，反求控制顶点，具体为，
[0056]
s2.1在已经得到的靶区轮廓中，以一个封闭轮廓为一个处理对象，对处理对象内完成数据点预处理后的节点通过均匀参数化法、积累弦长参数化法或福利参数化法进行参数化处理；
[0057]
s2.2通过圆弧估算法求解靶区轮廓的离散曲率，离散曲率是识别特征点的主要依据，通过对数据点曲率的特征和变化趋势进行分析，可以快速选取出表现曲线特征的数据点。在点列离散曲率的计算上普遍使用圆弧估算法，该方法计算快速，同时不受维度的限制，在去除了噪声点的点列中相比于其它方法有较好的效果；
[0058]
s2.3基于表现离散曲率变化的特征点，即曲率极值点、折痕点和拐点，基于这些特征点对数据点集进行分段处理；特征点是能够表现曲线曲率变化的点，而三维空间曲线的曲率由于没有方向正负的信息，导致曲线特征没有二维曲线鲜明，因此特征点的识别方法相对复杂。本模块能够识别的点类分别有曲率极值点、折痕点与拐点，通过结合各点的离散曲率、曲率差分以及逻辑推理的方法进行识别曲率极值点，折痕点，拐点。
[0059]
s2.4计算分段处理后各段的控制顶点
[0060]
确定nurbs曲线的次数k，反求控制顶点，一般曲线的次数越高，曲线形状控制的潜在灵活性越高，但也需要更为复杂的边界条件，计算难度也会随之增加，在实际项目中一般采用3次nurbs曲线表征，反求控制顶点的方程如下，
[0061][0062]
式中，矩阵中的元素均为nurbs基函数的值，nurbs基函数的值通过高斯消元法求解获得。
[0063]
s3、拟合轮廓数据得到nurbs曲线，具体为，在确定控制顶点的基础上，结合nurbs基函数确定对应的nurbs曲线。如图1所示，为由nurbs曲线表示的靶区轮廓。
[0064]
s4、对靶区进行局部修改，具体包括以下方法，
[0065]
a)鼠标选择相应的控制顶点，通过拖拽的方法对控制顶点进行局部的微调，同时基于调整后的控制顶点实时更新nurbs曲线；
[0066]
b)对于非平滑的位置，在对应的位置增加控制顶点，以满足生成复杂曲线造型的要求；
[0067]
c)对于冗余的控制顶点，进行删除，删除后自动更新相关nurbs曲线。
[0068]
s5、对于多帧图像构成的图像集，通过每一帧图像中的靶区的nurbs曲线，采用扫
掠法构建三维nurbs曲面，具体为，
[0069]
对于p帧图像构成的图像集，通过每一帧图像中的靶区的nurbs曲线，共计p次nurbs曲线推广到p*q次nurbs曲面，其表达式如下所示，
[0070][0071]
式中，d
i,j
(i＝0,1,2
…
n；j＝0,1,2
…
m)为包含参数u以及v的控制网格，ω
i,j
为权重因子，n
i,p
(u)为定义在节点矢量u方向上的规范非有理b样条基函数，n
j,q
(v)为定义在节点矢量v方向上的规范非有理b样条基函数，q为节点矢量v方向的规范非均匀有理b样条的次数，n为u方向的控制顶点的个数，m为v方向上的控制顶点的个数。由nurbs曲面构建出的三维靶区如图2所示。在三维空间重构靶区的基础上，可以非常直观的描述治疗过程中的一些重要参数，例如射线的照射方向，如图3所示。
[0072]
s6、离散nurbs曲线得到离散的轮廓数据，由于在治疗计划系统中需要的输入数据都是离散化的网格数据，通常不能直接使用基于数学表达式的参数化方法，因此需要采用适当的方法对nurbs曲线进行离散化操作；所述离散nurbs曲线得到离散的轮廓数据，具体包括以下步骤，
[0073]
s6.1确定约束点，对于一些关键节点，为了避免在离散化过程中的误差，需要事先确定约束点，约束点在离散化过程中保持不变；
[0074]
s6.2通过等弧长方法从nurbs曲线进行分段，确定段数；
[0075]
s6.3对于每一个分段，根据预先给定的网格尺寸添加节点，保持相应的坐标值。
[0076]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。