A Method of Digitally Reconstructed Radiographs Based on Medical CT Images

A complete and detail method is described to get digitally reconstructed radiographs （DRRs）. Casting rays to traverse CT images, computing CT values of resample points by interpolation, then converting CT value to its attenuation coefficient by using simplified segment function. Finally, DRRs enhancement is made to get the better display of region of interest （ROI）, and a new way is adopted to adjust the customization coefficient. The experimental results show that the proposed method is effective in generating the satisfied DRRs.

不同厚度CT图像重建的DRR对射波刀治疗头部肿瘤精度的影响

采用1、2、3、4、5 mm共5种不同厚度的头部CT图像,将1 mm CT设计的计划作为基础,把基础计划中勾画的结构及靶区复制到其它4种不同的CT上生成相同剂量线分布的治疗计划。然后利用不同厚度CT图像生成的数字重建图像(DRR)进行六维(6D)引导定位治疗照射胶片,分析照射后胶片,得到1、2、3、4、5 mm层厚CT生成的DRR来定位6D追踪治疗头部病灶时产生的总误差是随着CT层厚的增加而增加。在1~4 mm层厚CT生成的DRR定位6D追踪治疗头部病灶产生的总误差随CT层厚的增加而变化较小,5 mm层厚CT生成的DRR定位6D追踪治疗头部病灶产生的误差较大,远大于系统要求误差。

基于DRR及相似性测度的2D-3D医学图像配准算法

目的针对术前三维电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)图像和术中二维X线图像的配准问题提出了精确高效的全自动配准算法,使得该算法能够适应不同X线图像的风格。方法首先通过数字重建放射影像(digitally reconstructured radiograph,DRR)技术,把CT图像转换成DRR图像,从而将CT和X线图像的配准转换成DRR图像和X线图像的配准。然后在传统的归一化互相关(normalized cross correlation,NCC)和梯度差分(gradiant difference,GD)相似性测度指标基础上提出融合NCC和GD的归一化互相关-梯度差分(normalized cross correlation-gradient difference,NG)指标,并基于NG指标计算DRR图像和X线图像的相似性。通过Powell算法迭代求取相似性测度的极值,从而获得配准矩阵。最后在人体头颅CT数据上采用“黄金标准”判断法量化配准系统的精度,并通过脊柱CT和X线配准案例验证系统在实际场景的性能。结果基于DRR及NG相似性测度的2D/3D图像配准系统的配准距离误差为0.51 mm,角度误差为0.40°。结论基于DRR及NG相似性测度的2D/3D图像配准算法具有较好的配准精度,能适应不同风格的二维输入图像,基于该算法的配准系统具有较好的鲁棒性。

一种基于GPU的图元网状结构DRR并行加速算法

针对网状结构具有相对复杂的空间特征,传统的方法往往在遍历网格的过程中需要消耗大量时间,难以满足众多二维三维配准应用的实时性需求问题。本文在传统RayCasting算法基础上,提出了一种基于图元的方法,并通过空间几何的方法和光线的筛选技术很大程度上减少了时间消耗。实验结果说明了算法的有效性,同时该算法具有可并行性。

基于射线追踪的数字重建影像增强技术

数字重建影像是放射治疗虚拟模拟过程中的一项关键技术 ,对于放疗过程中的质量控制具有非常重要的意义。本研究基于物理的角度将射线追踪法运用于数字影像重建。在处理过程中 ,采用了一种新的数字重建影像增强算法 ,即对密度进行指数变换 ,通过调整衰减系数和密度指数来实现高密度组织与低密度组织间对比度的提高 ,实验结果表明该算法能明显改善图像质量。为了节省内存开销 ,在追踪过程中采用了逐层插值追踪的办法。

头颈部肿瘤调强放疗中摆位偏差的测量与分析

目的:测定头颈部肿瘤在调强放射治疗中的摆位偏差,分析计划设计中从临床靶区(CTV)到计划靶区(PTV)的外扩边界.方法:随机抽取76名头颈部肿瘤患者,在治疗时用电子射野影像装置(EPID)拍摄射野片,将射野片和计划系统中的数字重建射野(DRR)图像片进行误差比较.结果:在左右、头脚、腹背方向的摆位误差分别是(-0.62±1.46)mm,(-0.41±1.54)mm,(-0.31±1.67)mm,外扩边界分别是2.27mm,1.87mm,1.98mm.结论:对于头颈部调强治疗的患者,CTV到PTV的外放边界在左右方向需要2.5mm,头脚方向和腹背方向需要2mm.并且随着治疗时间的递进,摆位误差没有规律性的变化.

基于GPU的2D-3D医学图像配准

在2D-3D医学图像配准中,数字影像重建(DRR)的生成与相似性测度是最重要同时也是最耗时的两个配准步骤。针对配准过程中计算量大、耗时长的问题,将模式强度与梯度相结合,简化模式强度相似性测度的计算量,同时利用图形处理器(GPU)的多线程并行计算在GPU上完成DRR生成与相似性测度,引入梯度下降与多分辨策略对配准过程进行优化,完成整个配准过程。通过与多种相似性测度方法以及基于CPU的配准的比较,表明该方法在很好地兼顾配准精确度的同时,配准速度得到了大大提高。

基于CUDA的2D-3D配准技术的研究

Nvidia从GeForce8系列开始,在显卡上推出统一计算设备框架技术,使GPU的通用计算(GPGPU)从图形硬件流水线和高级绘制语言中解放出来,开发人员无须掌握图形学编程方法即可在单任务多数据模式(SIMD)下完成高性能并行计算。在医学图像分析中,图像配准通常是一个耗时的过程,不利于临床应用,为了加速医学图像的2D-3D配准过程,研究了CUDA的设计思想和编程方式,提出了一种基于CUDA并行编程模型的加速配准新技术,在构建的虚拟X线摄像系统下,采用并行计算的方式快速生成高质量DRR图像,以对应像素的灰度值残差作为相似性测度,使用Powell优化方法寻找最优变换。实验结果表明,该技术既很好地保持了配准精度,同时又大大提高了配准速度,加速比达到了十几甚至几十倍。

基于二维DR数据的颅面硬组织三维重建系统的建立

目的:以数字化X线摄影片(DR)图像为数据源,在Windows XP平台上,利用VC++6.0、VTK工具研发颅面硬组织三维重建系统,为治疗方案确定、手术方法选择和提高医患交流的水平提供平台。方法:以CT影像为基础构建的头颅作为标准模板,确立其三维坐标系,选取64个特征点,作为初始特征点。调整患者DR,使其与标准模板的坐标系一致。调整DR上的特征点作为目标特征点。根据一定形变算法,对标准模板进行上下颌分离形变、融合,得到患者颅面硬组织模型。结果:重建了能基本反映真实颅面硬组织结构的三维模型,其图像逼真,能够动态旋转,任意缩放。结论:本系统硬组织重建突破常规,分离独立形变后再融合,实现了咬合关系的基本重建,能够应用于临床。

基于ITK的数字重建放射影像重建算法与应用

数字重建放射影像在放射治疗计划系统中广泛应用,有多种实现方法,ITK是开源的图像分析和处理的开发包,广泛应用于医学图像处理等领域;文章在讨论DRR图像的基本原理基础上,介绍了一种基于ITK的数字重建影像成像算法,并将该算法应用于自主开发的精确放疗系统,效果良好。

一种离体牙三维重建装置的构建

目的:构建一种基于口腔数字化X线设备的离体牙三维重建装置(three-dimensional Reconstruction De-vice,3DRD)。方法:以牙科专用X线片机(Gendex 765DC)作为射线源,数字化X线成像系统(RVG)作为二维探测器,设计研制载物台,构成3DRD,对收集的离体牙进行投影,然后采集数据并进行迭代重建,生成断面图像和三维图像。然后以μCT扫描后生成的图像作为参照,使用计算机辅助检测软件对3DRD生成的可视化图像进行分析和评价。结果:3DRD能够构建离体牙的三维图像,但与μCT比较在某些细微结构如细小的根管侧支所构建图像的分辨率略差。结论:3DRD为牙体形态的研究提供一种经济而无损的三维成像途径,拓展了原有数字化X线设备的应用范围。

基于二维DR的颅面硬组织与软组织拟合的研究

目的 :以数字化X线摄影片(digital radiograph,DR)图像和激光扫描为数据源,三维重建颅面硬组织和软组织,并进行硬软组织的有效拟合,以期为治疗方案确定、手术方法选择和提高医患交流的水平提供平台。方法:在志愿者面部贴定铅点,拍摄头颅正侧位DR片。利用基于二维DR数据的颅面硬组织三维重建系统进行硬组织形变建模,获得颅面部硬组织模型。利用激光扫描数据进行面部软组织三维重建,获得面部软组织三维模型。然后通过铅点坐标的匹配,将颅面硬组织与面部软组织进行拟合。结果:分别重建了能反映真实颅面部组织结构的硬组织三维模型和面部软组织三维模型,并实现了颅面部硬组织与软组织的有效拟合。结论:本研究实现了颅颌面三维结构的有效重建和拟合,为进一步进行正颌手术模拟和容貌预测奠定了基础。拟合结果真实可靠,能够用于临床。

基于局部方差采样的2D/3D医学图像配准技术

为了提高医学图像引导治疗系统中2D/3D图像配准精度和鲁棒性,提出了一种基于灰度方差采样的局部等级相关的相似度测度方法。该方法首先将2D图像进行子区域分割,并根据子区域灰度方差进行采样,排除图像中对配准贡献小的像素区域,然后求取剩余子区域归一化局部等级相关和。由于等级相关不依赖图像之间的线性关系,所以对不同能量等级的图像配准收敛特性好。脊柱模型CT数据与模拟X射线图像配准实验结果表明,采样率为30%时,配准精度达到(0.21±0.03)mm,以平均目标误差小于5mm为准,算法的收敛率达到96%。

电子射野影像装置在直肠癌术后调强放疗中的应用研究

目的 :采用电子射野影像装置(electronic portal imaging device,EPID)测量、分析直肠癌术后调强放疗的摆位误差,为临床上实现直肠癌术后精准放疗提供理论依据。方法:选择30例直肠癌术后患者,利用EPID为每例患者首次放射治疗前、疗程内每周拍摄等中心处正、侧位电子射野图像各1张,并与治疗计划系统中的数字重建图像进行比较,测出X(左右)、Y(头脚)和Z(前后)3个方向的摆位误差,计算出直肠癌术后调强放疗临床靶区至计划靶区的外扩边界。利用EPID对患者的摆位进行校正,及时发现问题并纠正。采用SPSS 19.0统计软件进行统计分析。结果:纠正前后,在X、Y和Z 3个方向线性位移的平均值±标准差为(-1.392 4±3.670 9)mm vs(-0.816 5±2.670 5)mm、(0.969 7±4.076 1)mm vs(0.418 2±2.911 4)mm、(0.704 4±1.805 6)mm vs(0.471 7±1.641 3)mm;纠正前后,调强放疗的临床靶区到计划靶区的外扩边界在X、Y和Z 3个方向分别为7 mm vs 5 mm、6 mm vs 4 mm和4 mm vs 3 mm。结论:在直肠癌患者术后调强放疗中,采用EPID可确保患者治疗的正确性、精准性,使靶区得到最大剂量,同时靶区周围的正常组织和危及器官也可以得到充分保护,为外扩临床靶区边界提供了理论依据。

单能CT生成双能CT图像的方法及图像质量评估

双能CT能够产生选择性消去某种组织的图像,为肿瘤诊断提供更可靠依据。但是由于成本与辐射剂量增高等问题,目前双能CT并未应用于肿瘤放疗领域。介绍一种由单能CT图像转换生成双能CT图像的方法。此方法将单能CT图像转换到另外能量上并与原始CT图像结合,构成双能CT图像。该方法仅对患者进行单次单能量扫描,对于节约成本和降低病人辐射剂量有重要的意义。通过仿体实验验证了该方法模拟产生的CT图像与在该能量实际扫描的CT图像具有良好的一致性。此外,选取10例肺部肿瘤患者的单能CT图像,利用提出的方法,转换为双能CT图像,并验证了双能CT图像生成的消除骨性结构减影DRR图像中肿瘤辨别能力较单能CT有不同程度的提高。

腹板俯卧定位的误差分析及解决方法研究

目的:分析腹板俯卧定位中因腹部位置不确定所导致的定位误差,研究其对定位精度的影响,并通过使用自制泡沫垫板为腹托来减小摆位误差,提高摆位精度。方法:随机选取26例腹板俯卧定位的直肠癌术后放疗患者,并分为A、B 2组(A组14例,B组12例)进行CT模拟定位。A组采用腹板加自制泡沫垫板定位,B组只采用腹板定位。在模拟定位机上对每例患者重复摆位,取0、90、270°机架角度透视影像与治疗计划生成的数字重建影像(digitally reconstructed radiograph,DRR)进行比对,分析三维方向的摆位误差。比较2组患者小肠的最大剂量、平均剂量、V_(50)及V_(40),并对2组数据作独立样本t检验。结果:A组相对于B组,X方向的误差为(0.16±0.07)cm vs(0.17±0.09)cm(P=0.94),Y方向的误差为(0.22±0.09)cm vs(0.32±0.09)cm(P=0.01),Z方向的误差为(0.23±0.08)cm vs(0.42±0.12)cm(P=0.00)。2组在X方向上的摆位误差及重复性无统计学差异,但在Y、Z方向上有显著性差异。2组小肠最大剂量、平均剂量、V_(50)及V_(40)无显著性差异。结论:腹板加自制泡沫垫板的固定技术在不增加小肠受量的同时,较大地改善了因腹部悬空位置不定原因导致的定位误差问题,而且具有实施方法简便、摆位误差小及重复性良好等特点,值得临床推广应用。

基于CUDA的数字化放射图像重建算法

为了提高重建图像的速度及质量,利用CUDA(compute unified device architecture)架构下GPU(graphic processing unit)的多核并行运算能力,将光线投射的几何变换、场景遍历和渲染三个步骤在可编程图像硬件中实现,降低模拟所需的时间;利用3D纹理、光线程基元的同步遍历机制及不透明度提前终止,在不影响成像质量的前提下,减少生成最终模拟效果所需的时间。实验结果表明,该算法不仅可以提高重建的速度,而且成像质量较好。

基于CUDA的数字重建影像生成算法

鉴于数字重建影像生成过程具有良好的并行性,实现了一种基于CUDA并行计算的数字重建影像生成算法。该算法首先在CPU端使用八叉树结构来剔除体数据中的空体素并将其载入GPU;然后在GPU中根据光线和线程的对应关系,设计光线内核函数来模拟一束X线穿透人体组织的衰减过程;最后在GPU中由多线程并行执行内核函数来完成DRR图像生成过程。实验结果表明,该方法在保证DRR生成质量的前提下能有效利用GPU的并行计算能力,提高DRR图像的生成效率,满足图像引导放疗中对DRR生成过程的实时性要求。

2D/3D刚性图像配准在肿瘤放疗计划中的应用

目的:在肿瘤放疗中,2D/3D刚性图像配准技术是精确定位病人重要保证。方法:数字重建放射影像技术是2D/3D配准中最为关键的部分,一定程度上影响着配准效率。在对数字重建放射影像进行重点研究的基础上,实现了一种基于Bresenham方法的快速数字影像重建算法,并利用腹部CT体数据进行了2D/3D配准实验。实验以互信息、模式强度和梯度差分为相似性测度并采用了Powell-Brent优化算法。结果:在数字重建放射图像算法实验中,Bresemham方法相比于另外两种光线跟踪算法,时间仅需0.467 s。在2D/3D配准实验中,对三种相似性测度的实验结果进行了比较,互信息和梯度差分有较好的配准结果,模式强度仍存在不少问题。结论:实验结果表明,利用Bresenham方法产生的数字重建影像能使得配准具有较高精度,但配准时间仍然较长。

硬件加速的数字化放射图像重建算法

数字化放射图像重建技术被广泛应用于癌症放射治疗中,包括诊断、术前规划及术内辅助提出一种两步法硬件加速数字化放射图像重建算法第一步将光线投射的三个步骤,即几何变换、场景遍历和渲染,完全在可编程图形硬件中实现,从而快速模拟了X 光线的衰减过程;第二步利用浮点精度纹理和render to texture功能,快速模拟出高质量的X 光线的负片曝光效果实验结果表明,该算法能高质量地交互重建数字化放射图像。