CN102306239B - 基于锥形束ct图像ct值校正技术的放疗剂量评估和优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，包括a.采集图像信息；b.制定初始放疗计划；c.获取CT值校正表；d.校正锥形束CT图像的CT值；e.勾画靶区和轮廓；f.设定当前放疗计划；g.判断是否需进行刚体配准；h.评估当前放疗计划；j.如需优化当前放疗计划，则以当前放疗计划作为初始计划进行局部优化；k.离线评估放疗计划；l.判断是否需要在全局范围内重新生成放疗计划。本发明既保证了剂量计算和剂量评估的准确性，又保证了在线优化放疗计划的快速性和方便性；通过局部优化保证了在线优化的快速性和方便性，又通过全局优化确保了优化的准确性，保证了对靶区的有效治疗的同时，尽可能避免了对正常组织的损伤。

Description

基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，更具体的说，尤其涉及一种用于参考放疗定位时采集的扇形束CT图像的CT值，对放疗时在线采集的锥形束CT图像的CT值进行个体化校正的技术，并在此基础上对放疗剂量进行在线和离线评估，进而实施放疗计划的优化的方法。

背景技术

现代放射治疗技术，比如强调放疗，可以将高度适形的剂量分布投射到静止靶区。然而，放射治疗过程通常采用分割照射技术，即放疗需要分若干次进行。分次放疗过程中，肿瘤及其周围重要器官的位置和形状可能产生放疗分次间变化（如肿块的增大、退缩或扭曲）。另外，每次治疗也会存在摆位误差等引起的位置变化。基于这些运动变化的考虑，常规的做法是将肿瘤区外放一定范围作为计划靶区，这会造成更多的正常组织受到放射损伤。当肿瘤的位置和形状发生较大变化时，通常需要重新采集定位CT，重新制定放疗计划。

集成在加速器上的锥形束CT扫描系统可以在放疗时在线获取患者的锥形束CT图像，从而获取治疗时患者体内肿瘤或其它危及器官的位置和形状信息。针对肿瘤和危及器官的这些变化信息，在线重新优化放疗计划，可以避免肿瘤和危及器官的放疗分次间运动引起错误的剂量投放。

然而，在线重新优化放疗计划需要从在线锥形束CT图像中获取电子密度信息。由于在线锥形束CT扫描系统固有的电子散射等原因，导致重建的在线锥形束CT图像的CT值和成像目标的电子密度之间的映射关系不确定。在线锥形束CT图像的CT值和成像目标的电子密度之间的映射关系不仅随成像目标的不同而变化，而且同一个成像目标的不同部位的CT值与其对应电子密度之间的映射关系也会变化。这使得在锥形束CT图像上重新优化放疗计划变得困难。

在线评估靶区和危及器官的分次间变化对剂量分布的影响，对于预估放疗效果，决定是否重新优化放疗计划也很重要。由于无法从在线锥形束CT图像获得准确的电子密度信息，也使得无法对治疗时靶区和危及器官的剂量分布进行在线评估。

当前的放疗计划系统在进行剂量计算时采用的是源建模和患者建模相分离的方法。即先计算高能X线在某平面的能量通量分布，再计算此能量通量在病人体内产生的剂量分布。所以当前的放疗计划系统在进行计划优化时主要有两种方法，一种是先优化得到各个射野方向上最优的通量分布，再根据具体的限束装置的物理参数分割通量分布到可以投放的射野序列。这种分两步的方法会使分割得到的计划的剂量分布与最初优化通量得到的剂量分布不同，这常常导致最终的计划不能满足设定的剂量约束，需要医生反复的调整约束重新优化，这对于对优化时间要求很高的在线计划是不能接受的。另一种直接射野优化方法采用的是非数值随机优化算法，比如模拟退火法等，来直接优化各个射野的形状和加速器跳数。这些非数值随机优化算法在全局范围内搜索最优的射野形状和各个射野对应的加速器跳数，这通常需要较长的优化时间。即使有些直接射野优化算法在优化的最后采用局部优化算法以减少优化时间，但在全局范围内确定局部优化的起始点仍然需要较长的计算时间。特别是对于在线重新优化的情况，从图像获取到计划重新优化再到实施照射，整个过程病人都需要被固定在治疗床上，太长的优化时间是不能接受的。为了减少优化时间，一些直接修改射野形状的方法被开发，这些方法根据靶区在射野方向上投影的变形，直接改变射野的形状，然后再优化各个射野的加速器跳数。但是直接根据靶区的变形修改射野的形状（而不是优化产生射野形状）没有考虑对危及器官的影响，有些情况下会使最终的优化结果不能满足临床要求。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用于采集锥形束CT图像和定位扇形束CT图像并进行处理的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a.采集图像信息，采集患者的定位扇形束CT图像和在线锥形束CT图像，并将扇形束CT图像信息进行存储，放疗时在线采集锥形束CT图像；b.制定放疗计划，根据在定位扇形束CT图像上勾画的靶区，生成分次放疗计划信息并进行存储；c.获取CT值校正表，根据定位扇形束CT图像与在线锥形束CT图像之间的关系，生成在线锥形束CT图像的CT值校正表；d.校正锥形束CT图像，每一次分次放疗时，首先采集患者的在线锥形束CT图像，再利用CT值校正表校正在线锥形束CT图像每个像素的CT值；e.勾画靶区和轮廓，在校正后的在线锥形束CT图像上勾画靶区和器官的轮廓；f. 设定当前放疗计划，设定步骤b生成的分次放疗计划或步骤l生成的最近一次离线重新优化的放疗计划信息中与之相对应的信息作为当前放疗计划；g.判断是否需进行刚体配准，如果需进行刚体配准，则对校正后的在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像进行刚体配准；如果无需进行刚体配准，则执行步骤h；h.评估当前放疗计划，根据当前放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要优化当前放疗计划；i.如无需优化当前放疗计划，则采用当前放疗计划；j.如需优化当前放疗计划，则以当前放疗计划作为初始计划进行局部优化，以获得优化后的当前放疗计划；k. 离线评估放疗计划，根据最近一次放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要离线重新优化当前的放疗计划；l. 如需离线重新优化放疗计划，则根据最近一次采集的锥形束CT图像和对应的靶区和器官轮廓，在全局范围内重新生成放疗计划。扇形束CT图像的失真低，锥形束CT图像的失真高，在扇形束CT图像上易于手动勾画出靶区。步骤d中，对采集的在线锥形束CT图像利用步骤c中获取的CT值校正表进行校正；步骤e中所述的勾画靶区和轮廓为自动勾画形成。步骤g中是否需要进行刚体配准的判断，可以通过对校正后的在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像在空间的位置差来进行判断，输出的位置调整信号可以为治疗床位置调整信号。步骤f中，所述的步骤b生成的分次放疗计划或步骤k生成的最近一次离线重新优化的分次放疗计划信息中与之相对应的信息是指，在步骤b或k中生成的与该分次治疗步骤相对应的治疗计划。如果没有进行过离线重新优化，则选用步骤b生成的分次放疗计划中与该分次治疗步骤相对应的治疗计划，如果进行过离线重新优化，则选用步骤k生成的最近一次离线重新优化的分次放疗计划中与该分次治疗步骤相对应的治疗计划。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，步骤h中所述的评估当前放疗计划包括以下步骤：h-1.按照当前的放疗计划对校正后的在线锥形束CT图像进行剂量计算；h-2.获得靶区和危及器官的当前剂量分布；h-3.判断当前的剂量分布是否在靶区和危及器官的剂量约束和剂量体积约束范围内，如在约束范围之内，则无需优化当前放疗计划；如不在约束范围之内，则需要优化当前放疗计划。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，所述CT值校正表为包含局部CT值校正信息的个体化校正表；且CT值校正表是采用基于梯度场的变约束图像变形配准方法，来获取在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像像素CT值之间的对应关系。基于梯度场的变约束图像变形配准方法在专利号为CN201010520917.6的发明申请专利中已经公开。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，步骤e中的勾画靶区和轮廓为采用基于阈值的方法或基于模板匹配的方法在锥形束CT图像上自动产生或者采用变形配准的方法将定位扇形束CT图像上的靶区和器官轮廓自动映射到校正后的在线锥形束CT图像上。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，步骤g中所述的刚体配准是对在线锥形束CT图像和定位扇形束CT图像上的靶区或待定解剖结构的配准。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，步骤e中所述的勾画靶区和轮廓包括自动勾画靶区和轮廓以及手动修改靶区和轮廓。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，所述步骤c包括：c-1.区域分割，将锥形束CT图像和扇形束CT图像配准后重叠的三维区域按指定尺寸的长方体分割为N级局部区域；设第n级长方体的长、宽和高分别为                                                、和，第n+1级局部区域包含于第n级局部区域，且第n+1级局部区域的边长分别为、和；N和n均为正整数，且1≤n≤N，N≥3；c-2.获取CT值校正表，通过统计和计算各个局部区域内锥形束CT图像中像素的CT值与扇形束CT图像中对应像素的CT值，获得N级局部区域锥形束CT图像CT值到扇形束CT图像CT值的校正表。步骤（c-1）中的第n+1级局部区域为第n级局部区域的一部分，且第n级局部区域体积为第n+1级局部区域体积的8倍。利用步骤（c-2）中获得的多级CT值校正表，可以把锥形束CT图像的CT值转化为对应的扇形束CT图像的CT值，以便进行剂量计算。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，所述步骤a中还包括建立由定位扇形束CT图像的CT值到成像目标的电子密度之间的映射关系的步骤。建立由定位扇形束CT图像的CT值到成像目标的电子密度映射关系，有利于把锥形束CT图像的信息转化为电子密度信息，以便进行剂量计算。

本发明的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，步骤j中以当前放疗计划作为初始计划进行局部优化是指以当前计划作为局部优化的起始点，利用优化目标函数到各个射野中多叶准直器叶片位置和加速器跳数的导数，采用局部优化算法直接优化各个射野中多叶准直器叶片位置和加速器跳数，获得新的局部最优的当前放疗计划。

本发明的有益效果是：本发明通过在放疗定位时采集的扇形束CT图像上制定放疗计划，每分次放疗前在线采集锥形束CT图像，并对采集的在线锥形束CT图像的CT值进行个体化校正，既保证了在线优化放疗计划时剂量计算和剂量评估的准确性，又保证了分次治疗过程中的在线优化放疗计划的快速性和方便性；通过综合运用在线局部优化放疗计划和离线全局优化放疗计划，既通过局部优化保证了在线优化的快速性和方便性，又通过全局优化确保了优化的准确性，进一步保证了对靶区的有效治疗的同时，尽可能避免了对正常组织的损伤。

附图说明

图1为本发明的方法程序流程图；

图2为本发明的方法程序的模块示意图。

图3为锥形束CT图像和扇形束CT图像三级区域分割示意图；

图4为第一级校正表的示意图；

图5为第二级校正表的示意图；

图6为第二级校正表的示意图。

具体实施方式                                            

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明基于个体化锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估方法的一个实施例的程序流程图，其包括以下具体步骤：

a.采集患者的定位扇形束CT图像，并对其进行存储；

b.制定放疗计划，根据在定位扇形束CT图像上手动勾画的靶区，生成分次放疗计划信息并进行存储；

c.获取CT值校正表，采用基于梯度场的变约束图像变形配准方法，来获取在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像像素CT值之间的对应关系的CT值校正表；

此步骤中，生成的CT值校正表可以为包含局部CT值校正信息的个体化多级CT值校正表；

d.校正锥形束CT图像，每一次分次放疗时，首先采集患者的在线锥形束CT图像，再利用CT值校正表校正在线锥形束CT图像每个像素的CT值；

e.勾画靶区和轮廓，在校正后的在线锥形束CT图像上自动勾画靶区和器官的轮廓，形成当前放疗计划；

此步骤中，还可以用手对自动生成的靶区和器官的轮廓进行修改；

此步骤中的自动勾画靶区和轮廓为采用基于阈值的方法或基于模板匹配的方法在锥形束CT图像上自动产生或者采用变形配准的方法将定位扇形束CT图像上的靶区和器官轮廓自动映射到校正后的在线锥形束CT图像上。

f.设定当前放疗计划，设定步骤b生成的分次放疗计划或步骤l生成的最近一次离线重新优化的放疗计划信息中与之相对应的信息作为当前放疗计划。

g.判断是否需进行刚体配准，如果需进行刚体配准，则对校正后的在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像进行刚体配准，并根据配准结果输出患者位置调整信号；如果无需进行刚体配准，则执行步骤h；

此步骤中，可以通过对校正后的在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像在空间的位置差来进行判断，如果两图像的位置差超过规定范围，则进行刚体配准，如果位置差在规定的范围内，则无需进行刚体配准；

h.评估当前放疗计划，根据当前放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要优化当前放疗计划；具体包括以下步骤：

h-1. 评估当前放疗计划，按照当前的放疗计划对校正后的在线锥形束CT图像进行剂量计算；

h-2.获得靶区和危及器官的当前剂量分布；

h-3.判断当前的剂量分布是否在靶区和危及器官的剂量约束和剂量体积约束范围内，如在约束范围之内，则无需优化当前放疗计划；如不在约束范围之内，则需要优化当前放疗计划；

i.如无需优化当前放疗计划，则根据当前放疗计划输出放疗控制信号；

j.如需优化当前放疗计划，则利用步骤b生成的分次放疗计划信息中与之相对应的信息进行优化，以获得优化后的当前放疗计划，并根据该计划输出放疗控制信号；

k. 离线评估放疗计划，根据最近一次放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要离线重新优化当前的放疗计划；

l. 如需离线重新优化放疗计划，则根据最近一次采集的锥形束CT图像和对应的靶区和器官轮廓，在全局范围内重新生成放疗计划。

如图2所示，给出了本发明的方法程序的模块示意图，其包括DICOM通讯模块、配准模块、锥形束CT值校正模块、勾画模块、评估模块、计划模块以及刚体配准模块。所示的DICOM通讯模块用于与加速器控制台、服务器和锥形束CT控制台实现通信功能。

DICOM通讯模块通过DICOM协议从服务器读取已经存储的定位扇形束CT图像、在线锥形束CT图像、分次放疗计划、剂量和器官轮廓数据，或者直接从锥形束CT控制台获取在线锥形束CT图像，并将利用CT值校正表校正后产生的图像、在线锥形束CT图像上新产生的器官轮廓、重新优化得到的计划和剂量数据存储到服务器，或将重新优化得到的计划直接发送到加速器控制台。

配准模块主要完成定位扇形束CT图像和在线锥形束CT图像的变形配准，以确定从定位到治疗时靶区和各个危及器官的分次间运动和变形，配准算法采用基于梯度场的变约束图像变形配准方法，此方法在专利号为CN201010520917.6的发明申请专利中已经公开，并将配准产生的变形场输出给锥形束CT值校正模块和勾画模块。基于梯度场的变形配准算法可以通过并行编程在GPU上并行实施。

配准模块的另一个功能是定位扇形束CT图像和在线锥形束CT图像之间的刚体配准。此刚体配准在锥形束CT上靶区和器官轮廓生成以后。可以对靶区或指定的器官完成刚体配准，根据刚体配准产生的治疗床调整参数平移或旋转治疗床，以校正摆位误差并且可以部分校正靶区或危机器官分次间运动产生的影响。刚体配准产生的治疗床调整参数被输出到评估模块，以对调整后的剂量分布进行评估。

锥形束CT值校正模块用来对在线锥形束CT图像的CT值进行校正，以使其可以反映正确的电子密度信息，进行剂量计算。此方法在获得某个病人第一次的锥形束CT图像时，根据配准模块产生的变形场完成个体化的包含有局部CT值校正信息的校正表的提取，并将此表应用于这个病人本次和将来的在线锥形束CT值的校正。此模块将完成CT值校正的在线锥形束CT图像输出到评估模块和计划模块。

勾画模块完成在锥形束CT图像上器官轮廓的自动生成，并允许对自动生成的不准确的轮廓进行手动修改。器官轮廓的自动生成可以采用基于阈值的方法、模板匹配的方法或者根据配准产生的变形场将定位扇形束CT图像上的靶区和器官轮廓自动映射到锥形束CT图像上。此模块将新生成的在线锥形束CT图像上的靶区和器官轮廓输出到评估模块和计划模块。

评估模块在经过CT值校正的在线锥形束CT图像上，结合当前的治疗床调整参数，对当前的放疗计划进行剂量计算，通过统计在线生成的靶区和危及器官轮廓内的剂量数据和指定的剂量约束相比较，或显示靶区和危及器官的剂量体积直方图，辅助医生决定是否需要进行放疗计划的重新优化。如果不需要重新优化放疗计划，则仍使用当前的放疗计划进行治疗。如果需要重新优化放疗计划，则进入计划模块重新优化放疗计划。为了节省时间，通过GPU并行计算对剂量计算过程进行加速。

计划模块在经过CT值校正的在线锥形束CT图像上，依据预先指定的对在线生成的靶区和危及器官的剂量约束，对放疗计划进行重新优化。并将优化结果输出给DICOM通讯模块。为了节省计算时间，通过GPU并行计算对直接射野优化进行加速。

配准某个病人放疗定位时采集的扇形束CT图像和第一次放疗时采集的锥形束CT图像，病人在第一次治疗时，由于两CT图像之间的采集间隔很短，通常情况下肿瘤及其周围正常组织器官的变化不大，可以通过刚体配准和精确的摆位完成治疗，本发明中所述的为获取锥形束CT中像素和扇形束CT中像素的对应关系而进行的刚体或变形配准可以离线完成。对于少数病人在第一次治疗时，肿瘤及其周围正常组织器官就有较大变化需要修改治疗计划的情况，本发明中描述的配准过程需要在线完成，为重新制订治疗计划提供锥形束CT图像对应的电子密度信息，这需要花费较长的时间，但以后治疗中的锥形束CT图像的CT值校正则可以利用这次建立的一系列包含局部校正信息的校正表快速完成。

为获取锥形束CT中像素和定位扇形束CT中像素的对应关系而进行的配准可以采用刚体配准的方法和（或）变形配准的方法。对于在定位扇形束CT扫描和第一次锥形束CT扫描之间几乎没有解剖结构变形的情况，比如颅内病变，只需要刚体配准就可以获得足够准确的锥形束CT和扇形束CT中像素的对应关系。对于存在解剖结构变形的情况，则需要单独采用变形配准或者采用刚体配准与变形配准相结合的方法来获得像素之间的对应关系。

根据配准结果产生的锥形束CT中像素和扇形束CT中像素的对应关系，依据锥形束CT中像素和扇形束CT中像素的对应关系自动生成多个具有局部校正信息的锥形束CT图像CT值校正表。在生成校正表的过程中，对不满足条件的错误的像素对应关系进行滤除。这些错误的对应关系可能由配准误差或其它的原因造成。具有局部校正信息的锥形束CT图像CT值校正表的建立，要优先使用局部得到的CT值校正信息。

同一个病人以后获取的锥形束CT需要和第一次采集的锥形束CT使用相同的扫描参数。将第一次锥形束CT扫描后获取的一系列包含局部校正信息的校正表应用于同一个病人以后获取的锥形束CT的CT值校正，即对于新采集的锥形束CT中某个局部区域采用先前获取的对应的包含此区域局部信息的CT值校正表进行校正，以使这些校正后的锥形束CT可以通过计划系统中预存的定位扇形束CT值到电子密度转换表获得准确的电子密度信息。下面给出一个具体的实施步骤：

（1）确定CT值到电子密度映射关系，既确定由定位扇形束CT图像的CT值到成像目标的电子密度之间的映射关系，以便在后面调取使用；通常此映射关系储存在放疗计划系统。

（2）CT图像采集，采集患者同一身体部位的锥形束CT图像和定位扇形束CT图像，采用基于梯度场的变约束图像变形配准方法将两CT图像进行配准；该变形配准方法在申请号为CN201010520917.6的专利中有详细公开；

（3）区域分割，将锥形束CT图像和定位扇形束CT图像配准后重叠的三维区域按指定尺寸的长方体分割为N级局部区域；设第n级长方体的长、宽和高分别为、和，第n+1级局部区域包含于第n级局部区域，且第n+1级局部区域的边长分别为、和；N和n均为正整数，且1≤n≤N，N≥3；

（4）获取个体化多级CT值校正表，通过统计和计算各个局部区域内锥形束CT图像中像素的CT值与定位扇形束CT图像中对应像素的CT值，获得N级局部区域锥形束CT图像CT值到定位扇形束CT图像CT值的个体化校正表；

（5）锥形束CT值的校正，对于之后每一次获取的锥形束CT图像，利用步骤（4）获取的CT值校正表对其进行校正，以便使校正后的锥形束CT图像可用于电子密度信息计算；

（6）映射至电子密度，对校正后的锥形束CT图像利用步骤（1）中获得的映射关系，计算出成像目标的电子密度，由电子密度信息可进行剂量计算。

如图3、图4、图5和图6所示，给出了N等于3时由锥形束CT图像CT值到定位扇形束CT图像CT值校正表的示意图，所示的锥形束CT图像和扇形束CT图像均为三维图像，所示的第一级校正表包含整个容积图像内锥形束CT图像CT值到扇形束CT图像CT值的映射关系，而第二级和更小的第三级则只包含对应局部范围的映射关系。如图所示，第一级校正区域为第二级校正区域的8倍，第二级校正区域为第三级校正区域的8倍；如果N的值大于3，则级数越大，对应的区域就越小。从图2、图3和图4中还可以看出，从第一级校正表到第三级校正表对应的校正信息逐渐减少。在此实施例中，参数Nmin设定为10，既对于一个局部区域，特定的锥形束CT值对应的像素数大于10，则这些锥形束CT值相同的图像像素所对应的扇形束CT图像像素的CT值的平均值作为校正表中此锥形束CT值对应的扇形束CT校正值。特定的锥形束CT值对应的像素数小于10，则此锥形束CT值不参与此局部区域校正表的建立。在上述过程中，如锥形束CT图像中像素通过变形场对应的扇形束CT像素位置不为整数时，我们利用相邻的八个顶点像素的CT值，通过三线插值的方法获得对应的CT值。在此实施例中参数Diff设定为700，既对于锥形束CT图像中像素CT值与对应扇形束CT图像中像素CT值相差超过700的情况，我们认为是错误的对应，此像素不参与平均值的统计。

以后进行同一个病人的锥形束CT采集时，扫描参数要和第一次锥形束CT图像扫描时相同。获取的锥形束CT图像，直接利用已经获得的多级锥形束CT图像CT值到扇形束CT图像CT值的校正表，逐像素的进行校正。校正优先采用所属区域对应的最低级的校正表（这里为第三级校正表）。因为低级的校正表只包含较少的校正信息，当校正过程中当前级局部校正表不包含需要的CT值校正信息时，则使用当前局部所在的上一级（第二级校正表）的校正表，直到获得对应的校正信息。 在整个三维锥形束CT影像校正完成后，校正后的图像信息根据扇形束CT值到电子密度的映射表再进行剂量计算。

对于四维锥形束CT图像，是由多个不同呼吸状态的三维锥形束CT图像构成。使用基于梯度场的变约束图像变形配准方法，配准第一次采集的四维锥形束CT图像中某个参考呼吸状态的三维锥形束CT影像和先前采集的扇形束CT影像。

根据上述配准结果获取各级局部区域锥形束CT图像CT值到扇形束CT图像CT值的校正表的方法与上面所述的方法相同。以后进行同一个病人的四维锥形束CT采集时，获取方法和扫描参数要和第一次扫描时相同。利用多级校正表对四维锥形束CT中表示每个呼吸状态的三维锥形束CT影像进行校正的方法与上面所述的方法相同。在整个四维锥形束CT影像校正完成后，校正后的图像可以直接在计划系统中进行剂量计算（计划系统中存有扇形束CT值到电子密度的映射表）。

Claims (9)

1.一种基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.采集图像信息，放疗定位时采集患者的扇形束CT图像，并将扇形束CT图像信息进行存储，放疗时在线采集锥形束CT图像；

b.制定放疗计划，根据在定位扇形束CT图像上勾画的靶区，生成分次放疗计划信息并进行存储；

c.获取CT值校正表，根据定位扇形束CT图像与在线锥形束CT图像之间的关系，生成在线锥形束CT图像的CT值校正表；

d.校正在线锥形束CT图像，每一次分次放疗时，首先采集患者的在线锥形束CT图像，再利用CT值校正表校正在线锥形束CT图像每个像素的CT值；

e.勾画靶区和轮廓，在校正后的在线锥形束CT图像上勾画靶区和器官的轮廓；

f.设定当前放疗计划，设定步骤b生成的分次放疗计划或步骤l生成的最近一次离线重新优化的放疗计划信息中与之相对应的信息作为当前放疗计划；

g.判断是否需进行刚体配准，如果需进行刚体配准，则对校正后的在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像进行刚体配准；如果无需进行刚体配准，则执行步骤h；

h.评估当前放疗计划，根据当前放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要优化当前放疗计划；

i.如无需优化当前放疗计划，则采用当前放疗计划；

j.如需优化当前放疗计划，则以当前放疗计划作为初始计划进行局部优化，以获得优化后的新的当前放疗计划；

k. 离线评估放疗计划，根据最近一次放疗计划所产生的剂量分布做出评估结果，并根据评估结果确定是否需要离线重新优化当前的放疗计划；

l. 如需离线重新优化放疗计划，则根据最近一次采集的在线锥形束CT图像和对应的靶区和器官轮廓，在全局范围内重新生成放疗计划。

2.根据权利要求1所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于，步骤h中所述的评估当前放疗计划包括以下步骤：

h-1.按照当前的放疗计划对校正后的在线锥形束CT图像进行剂量计算；

h-2.获得靶区和危及器官的当前剂量分布；

h-3.判断当前的剂量分布是否在靶区和危及器官的剂量约束和剂量体积约束范围内，如在约束范围之内，则无需优化当前放疗计划；如不在约束范围之内，则需要优化当前放疗计划。

3.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于：所述CT值校正表为包含局部CT值校正信息的个体化校正表；且CT值校正表是采用基于梯度场的变约束图像变形配准方法，来获取在线锥形束CT图像与定位扇形束CT图像像素CT值之间的对应关系。

4.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于：步骤e中的勾画靶区和轮廓为采用基于阈值的方法或基于模板匹配的方法在在线锥形束CT图像上采用变形配准的方法将定位扇形束CT图像上的靶区和器官轮廓自动映射到校正后的在线锥形束CT图像上。

5.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于：步骤g中所述的刚体配准是对在线锥形束CT图像和定位扇形束CT图像上的靶区或待定解剖结构的配准。

6.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于：步骤e中所述的勾画靶区和轮廓包括自动勾画靶区和轮廓以及手动修改靶区和轮廓。

7.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于，所述步骤c包括：

c-1.区域分割，将在线锥形束CT图像和定位扇形束CT图像配准后重叠的三维区域按指定尺寸的长方体分割为N级局部区域；设第n级长方体的长、宽和高分别为                                                、和，第n+1级局部区域包含于第n级局部区域，且第n+1级局部区域的边长分别为、和；N和n均为正整数，且1≤n≤N，N≥3；

c-2.获取CT值校正表，通过统计和计算各个局部区域内在线锥形束CT图像中像素的CT值与定位扇形束CT图像中对应像素的CT值，获得N级局部区域在线锥形束CT图像CT值到定位扇形束CT图像CT值的校正表。

8.根据权利要求1或2所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于，所述步骤a中还包括建立由定位扇形束CT图像的CT值到成像目标的电子密度之间的映射关系的步骤。

9. 根据权利要求1所述的基于锥形束CT图像CT值校正技术的放疗剂量评估和优化方法，其特征在于，所述步骤j包括根据叶片位置约束条件、当前在线锥形束CT图像采用局部优化算法在初始放疗计划的基础上同时优化各个射野的叶片位置和加速器跳数，获得局部最优的放疗计划。