头部多模态CT图像配准方法、装置及放射治疗设备与流程

头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备
技术领域
1.本发明属于基于图像引导的肿瘤放射治疗领域，具体涉及一种头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备。


背景技术：

2.精确放射治疗是目前肿瘤治疗中的重要方法之一。在放射治疗过程中，每次治疗时存在的摆位误差将造成靶区(肿瘤区域)的变动，而靶区的不精确性不仅可造成靶区漏照，还可能使高能射线移到靶区外，甚至移至危险器官区域内，从而造成严重并发症或后遗症。icru(international commission on radiation units and measurements)24号报告中指出：靶区照射剂量偏离5％就有可能使原发灶失控或并发症增加。如何高效精准的将患者肿瘤区域对准射线束流，是放射治疗中的难题之一。
3.目前临床上仍以人工配准为主，将作为医生判定肿瘤位置依据的ct重构图像(也称为：参考图像或drr图像)与机载ct实时成像(也称为：配准图像，射线能量为kv级或mv级成像)这两种不同模态的图像进行人工配准。人工配准耗时耗力，配准精确度主要依赖医生个人经验，且受主观影响较大，配准一致性差。也有部分采用深度学习方法识别特征区域进行自动配准的研究，但由于深度学习方法对不同模态下成像存在识别差异性，且对样本数量要求较高，存在识别精度较差、准确率较低等问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一方面，本发明公开一种头部多模态ct图像配准方法，具体包括以下步骤：
7.s1：获取头部的参考图像和头部的待配准图像，并对获取的两幅图像进行特征提取前的预处理；
8.s2：对预处理后的两幅图像分别进行面部边缘提取，得到对应的头部轮廓曲线；
9.s3：对两条头部轮廓曲线分别进行定量分析，得到对应的头部特征曲线；
10.s4：对两条头部特征曲线进行降噪光滑处理；
11.s5：对两条光滑的头部特征曲线的每一点求导，第一个导数为零的点则为头部表面的额部，以该点为中心，上下左右各增加指定数量的像素，提取出两幅图像的额窦区域；
12.s6：计算参考图像和待配准图像各自额窦区域的质心坐标，以两幅图像额窦区域质心坐标为依据对两幅图像进行配准。
13.在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
14.作为优选的方案，s1中预处理包括：裁切、尺寸归一化、直方图归一化中的一种或多种。
15.作为优选的方案，s3中头部特征曲线的建立具体包括以下内容：
16.建立坐标系，以头部轮廓曲线中头部的顶点作为原点，头部轮廓曲线上每一点的纵向距离作为x轴或y轴的数值，以轮廓曲线上每一点的横向距离作为y轴或x轴的数值。
17.作为优选的方案，s4中降噪光滑处理具体包括以下内容：
18.对提取出的头部特征曲线进行小波分解，分析其特征区域频率特征，在频域对曲线噪音进行滤除，使得曲线光滑。
19.另一方面，本发明还公开一种头部多模态ct图像配准装置，包括：
20.图像获取模块，图像获取模块用于获取头部的参考图像和头部的待配准图像，并对获取的两幅图像进行特征提取前的预处理；
21.轮廓曲线提取模块，轮廓曲线提取模块用于对预处理后的两幅图像分别进行面部边缘提取，得到对应的头部轮廓曲线；
22.特征曲线获取模块，特征曲线获取模块用于对两条头部轮廓曲线分别进行定量分析，得到对应的头部特征曲线；
23.降噪模块，降噪模块用于对两条头部特征曲线进行降噪光滑处理；
24.额窦区域提取模块，额窦区域提取模块用于对两条光滑的头部特征曲线的每一点求导，第一个导数为零的点则为头部表面的额部，以该点为中心，上下左右各增加指定数量的像素，提取出两幅图像的额窦区域；
25.配准模块，配准模块用于计算参考图像和待配准图像各自额窦区域的质心坐标，以两幅图像额窦区域质心坐标为依据对两幅图像进行配准。
26.作为优选的方案，图像获取模块能够对获取的参考图像和待配准图像进行裁切、尺寸归一化、直方图归一化中的一种或多种预处理操作。
27.作为优选的方案，特征曲线获取模块通过以下步骤建立头部特征曲线：
28.建立坐标系，以头部轮廓曲线中头部的顶点作为原点，头部轮廓曲线上每一点的纵向距离作为x轴或y轴的数值，以轮廓曲线上每一点的横向距离作为y轴或x轴的数值。
29.作为优选的方案，降噪模块通过以下步骤进行降噪光滑处理：
30.对提取出的头部特征曲线进行小波分解，分析其特征区域频率特征，在频域对曲线噪音进行滤除，使得曲线光滑。
31.此外，本发明还公开一种放射治疗设备，利用上述任一种头部多模态ct图像配准方法进行配准，或，包括：上述任一种头部多模态ct图像配准装置。
32.本发明一种头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备使用图像识别技术利用人体头颅本身的生物特征作为图像配准的依据，利用特征点的位置信息，对参考图像和待配准图像的空间位置进行矫正，可以有效降低摆位误差，使病人的肿瘤部位得到更为精确的治疗。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
34.图1为本发明实施例提供的头部多模态ct图像配准方法流程图。
35.图2为本发明实施例提供的直方图归一化后的参考图像和待配准图像(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)；
36.图3为本发明实施例提供的待配准图像的头部轮廓曲线；
37.图4为本发明实施例提供的待配准图像进行坐标变换后的头部特征曲线；
38.图5为本发明实施例提供的db5小波三个尺度上，高频和低频成分分析(其中：(a)为低频成分分析，a1为尺度一低频，a2为尺度二低频，a3为尺度三低频；(b)为高频成分分析，d1为尺度一高频，d2为尺度二高频，d3为尺度三高频)；
39.图6为本发明实施例提供的降噪光滑后的待配准图像的头部特征曲线；
40.图7为本发明实施例提供的提取出的额窦区域(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)；
41.图8为本发明实施例提供的维纳滤波后的额窦区域(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)；
42.图9为本发明实施例提供的二值化处理后的额窦区域(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)；
43.图10为本发明实施例提供的开运算以及与边缘连接的联通区域取出后的额窦区域(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)；
44.图11为本发明实施例提供的提取出质心坐标在完整图像中的显示(其中：(a)为参考图像，(b)为待配准图像)。
具体实施方式
45.下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
48.另外，“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件，不应当解释为排除附加的部件。
49.为了达到本发明的目的，头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备的其中一些实施例中，头部多模态ct图像配准方法具体包括以下步骤：
50.s1：获取头部的参考图像和头部的待配准图像，并对获取的两幅图像进行特征提取前的预处理；
51.s2：对预处理后的两幅图像分别进行面部边缘提取，得到对应的头部轮廓曲线；
52.s3：对两条头部轮廓曲线分别进行定量分析，得到对应的头部特征曲线；
53.s4：对两条头部特征曲线进行降噪光滑处理；
54.s5：对两条光滑的头部特征曲线的每一点求导，第一个导数为零的点则为头部表面的额部，以该点为中心，上下左右各增加指定数量的像素，提取出两幅图像的额窦区域；
55.s6：计算参考图像和待配准图像各自额窦区域的质心坐标，以两幅图像额窦区域质心坐标为依据对两幅图像进行配准。
56.现有技术的多模态ct图像配准方法存在的效率低下，精度较低等缺点。对于整张矢状面头部ct图像，提取出额窦区域，由于受到射线成像的特性所致，很难有适应性较强的算法。
57.发明人再经过创造性思维的前提下，发现由于额窦是额骨眉弓后方的内外侧骨板之间的窦腔，其本质为骨骼中的空腔，因此其位置是固定的，由于内部空腔不会对射线进行衰减，因此其在不同模态的射线图像中呈现统一的结构特征，不会像体表皮肤一样在不同模态中呈现不同的结构特征。
58.s5中，因为额窦区域对应于头部表面的额部，在头部特征曲线上表现为第一个顶点，因此第一个导数为零的点即对应于头部表面的额部，以该点为中心，上下，左右各增加一定数量的像素，即可提取出额窦区域。本发明使用人体头颅中的额窦部位作为特征区域，作为配准的依据。
59.本发明头部多模态ct图像配准方法利用提取出的额窦区域的位置、尺寸等信息对参考图像和待配准图像的空间位置进行矫正，进而达到降低摆位误差的目的，使病人的肿瘤部位得到更为精确的治疗。
60.进一步，在上述方法实施例的基础上，s1中预处理包括：裁切、尺寸归一化和直方图归一化中的一种或多种。裁切可以有效去除非相关区域，对参考图像与待配准图像进行直方图归一化，使其具有相同的灰度分布，为后续配准进行准备。
61.进一步，在上述方法实施例的基础上，s2可以采用计算梯度的方法进行面部边缘提取，得到对应的头部轮廓曲线。
62.进一步，在上述方法实施例的基础上，s3中头部特征曲线的建立具体包括以下内容：
63.建立坐标系，以头部轮廓曲线中头部的顶点作为原点，头部轮廓曲线上每一点的纵向距离作为x轴或y轴的数值，以轮廓曲线上每一点的横向距离作为y轴或x轴的数值。
64.进一步，在上述方法实施例的基础上，s4中降噪光滑处理具体包括以下内容：
65.对提取出的头部特征曲线进行小波分解，分析其特征区域频率特征，在频域对曲线噪音进行滤除，使得曲线光滑。
66.进一步，在上述方法实施例的基础上，s5与s6之间还包括以下步骤：
67.对原始的参考图像和原始的待配准图像进行裁切，获得只包含额窦区域的子图；
68.对两幅子图进行维纳滤波，增强子图中额窦区域；
69.进一步对两幅子图进行二值化处理；
70.进一步对两幅子图进行边缘处理，采用对与边缘相连的联通区域置零的方法来实现消除与边缘相连的区域的影响。
71.本发明实施例还公开一种头部多模态ct图像配准装置，包括：
72.图像获取模块，图像获取模块用于获取头部的参考图像和头部的待配准图像，并对获取的两幅图像进行特征提取前的预处理；
73.轮廓曲线提取模块，轮廓曲线提取模块用于对预处理后的两幅图像分别进行面部边缘提取，得到对应的头部轮廓曲线；
74.特征曲线获取模块，特征曲线获取模块用于对两条头部轮廓曲线分别进行定量分析，得到对应的头部特征曲线；
75.降噪模块，降噪模块用于对两条头部特征曲线进行降噪光滑处理；
76.额窦区域提取模块，额窦区域提取模块用于对两条光滑的头部特征曲线的每一点求导，第一个导数为零的点则为头部表面的额部，以该点为中心，上下左右各增加指定数量的像素，提取出两幅图像的额窦区域；
77.配准模块，配准模块用于计算参考图像和待配准图像各自额窦区域的质心坐标，以两幅图像额窦区域质心坐标为依据对两幅图像进行配准。
78.进一步，在上述装置实施例的基础上，图像获取模块能够对获取的参考图像和待配准图像进行裁切、尺寸归一化、直方图归一化中的一种或多种预处理操作。
79.进一步，在上述装置实施例的基础上，特征曲线获取模块通过以下步骤建立头部特征曲线：
80.建立坐标系，以头部轮廓曲线中头部的顶点作为原点，头部轮廓曲线上每一点的纵向距离作为x轴或y轴的数值，以轮廓曲线上每一点的横向距离作为y轴或x轴的数值。
81.进一步，在上述装置实施例的基础上，降噪模块通过以下步骤进行降噪光滑处理：
82.对提取出的头部特征曲线进行小波分解，分析其特征区域频率特征，在频域对曲线噪音进行滤除，使得曲线光滑。
83.进一步，在上述装置实施例的基础上，头部多模态ct图像配准装置还包括以下模块：
84.裁切模块，裁切模块用于对原始的参考图像和原始的待配准图像进行裁切，获得只包含额窦区域的子图；
85.增强模块，滤波模块用于对两幅子图进行维纳滤波，增强子图中额窦区域；
86.二值化处理模块，二值化处理模块用于对两幅子图进行二值化处理；
87.边缘处理模块，边缘处理模块用于对两幅子图进行边缘处理，采用对与边缘相连的联通区域置零的方法来实现消除与边缘相连的区域的影响。
88.本发明实施例还公开一种放射治疗设备，利用上述任一实施例公开的头部多模态ct图像配准方法进行配准，或，包括：上述任一实施例公开的头部多模态ct图像配准装置。
89.下面介绍一具体实施例，该实施例以采用drr图像为参考图像，采用kv图像为待配准图像，值得注意的是，在其它实施例中，也可以采用mv图像为待配准图像。
90.配准方法如下：
91.1)获取drr图像和kv图像；
92.2)将drr图像和kv图像进行直方图归一化处理，归一化后的结果，如图2所示，直方图归一化可以有效消除不同模态图像灰度分布的差异性；
93.3)图像不包含信息的背景部位为接近白色，在16位ct图像中灰度值表现为接近65535的数值。因此头部与背景部分具有相对清晰的边界，对边界进行提取即为头部轮廓曲线，因为特征区域边界附近的点的灰度值存在较大的差异性，数学表示即为该点处的梯度值较大，通过计算梯度的方法来确定头部的轮廓边缘，以图像中3
×
3子区域为例，其公式如下：
94.g(x,y)＝|f
x
′
| |fy′
|；
95.式中:g(x,y)为中心点处梯度；
96.f
x
′
为x方向的偏导数；
97.fy′
为y方向的偏导数；
98.又因为图像为二位离散函数，故：
[0099][0100][0101]
提取出的头部轮廓曲线如图3所示；
[0102]
4)建立坐标系，以头部轮廓曲线中头部的顶点作为原点，头部轮廓曲线上每一点的纵向距离作为x轴的数值，以轮廓曲线上每一点的横向距离作为y轴的数值，得到对应的头部特征曲线，如图4所示；
[0103]
5)头部特征曲线中包含有较多的噪音，应用db5小波对上述两条头部特征曲线在频域进行分析，分析其特征区域频率特征；
[0104][0105][0106]
式中：f(t)为头部特征曲线；
[0107]
{cf(m,n)}
m,n∈z
为小波变换的系数(包含高通滤波器和低通滤波器两部分)；
[0108]
a为尺度因子；
[0109]
b为平移因子；
[0110]
为小波母函数；
[0111]
在三个尺度上高频，低频系数如图5所示，针对从各个尺度上的频率特征，本发明采用表1所示的阈值对其进行降噪。降噪光滑后的曲线如图6所示；
[0112]
表1：降噪阈值
[0113][0114]
6)对光滑曲线每一点求导，
[0115][0116]
式中：f(t)为光滑后的头部特征曲线；
[0117]
通过计算光滑后的头部特征曲线第一个导数为零的点d的位置，确定额窦区域；
[0118]
7)以d点坐标上下前后各增加50个像素，对原图像进行裁切，获得只包含额窦区域
的子图，如图7所示；
[0119]
8)为了增强子图中额窦区域，对图像进行维纳滤波，如图8所示；
[0120]
9)对子图进行二值化，如图9所示；
[0121]
10)对与边缘相连的联通区域置零的方法对边缘影响进行消除，其结果如图10所示；
[0122]
11)计算额窦区域的质心坐标，其公式如下；
[0123][0124]
式中：(xc,yc)为质心的横坐标和纵坐标；
[0125]iij
为对应点出的灰度值；
[0126]
图11即为质心在待配准两幅图像上的显示；
[0127]
12)通过质心坐标的差值，对图像进行配准。
[0128]
上述具体实施例首先将待配准图像进行直方图归一化，进一步应用梯度算法对头部轮廓进行提取，针对提取出的头部特征曲线，应用db5小波对其进行频域分析，并通过对不同尺度频率设定相关阈值的办法对其进行降噪，以获得光滑曲线。应用对曲线进行求导的方法找出额窦区域对应的坐标，并对其进行裁切。对裁切后的子图计算其质心，进而实现通过质心坐标对两幅图像进行配准。
[0129]
本发明一种头部多模态ct图像配准方法、装置及放射治疗设备使用图像识别技术利用人体头颅本身的生物特征作为图像配准的依据，利用特征点的位置信息，对参考图像和待配准图像的空间位置进行矫正，可以有效降低摆位误差，可以在像素级对图像进行配准，使病人的肿瘤部位得到更为精确的治疗。
[0130]
应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、cd-rom、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
[0131]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。