[发明专利]一种联合运动估计与时空张量增强表示的4D-CBCT重建方法

说明书

本发明公开了一种联合运动估计与时空张量增强表示的4D‑CBCT重建方法，属于计算机断层成像技术领域。本发明中，首先利用呼吸信号对病人4D‑CBCT投影数据进行相位划分，并采用EM‑TV算法重建获得初始图像，利用初始图像估计初始的形变矢量场；然后，将时空张量增强表示引入到图像重建模型中，对形变矢量场处理后的重建图像进行约束，并获得更新重建图像；接下来，利用更新后的重建图像及投影数据建立对称的运动估计模型，以获得新的形变矢量场；最后，通过迭代交替更新重建图像及形变矢量场，获得高质量重建图像。本发明可有效减缓4D‑CBCT重建中的运动模糊及混叠伪影，保留更多细节，提高重建图像对比度，促进4D‑CBCT在图像引导放疗领域中的使用。

技术领域

本发明涉及计算机断层成像技术领域，更具体地说，涉及一种联合运动估计与时空张量增强表示的4D-CBCT重建方法。

背景技术

随着医学技术的飞速发展，肿瘤放射治疗已经迈入精准时代，即精确定位、精确计划与精确放疗。而在放射治疗过程中，肿瘤与周围正常组织的摆位、位移的误差都会影响放疗精度，从而影响最终的治疗效果。在这过程中，图像质量保证尤其重要，是实现肿瘤精确定位跟踪的前提。为解决这一问题，人们将放疗设备和影像设备结合在一起，实现全自动肿瘤定位和跟踪，确定治疗靶区和重要组织结构的位置、运动轨迹，并在必要时进行姿态校正，这就是图像引导放疗(Image-Guided Radiation Therapy,IGRT)技术。IGRT技术中以锥形束CT (Cone Beam CT,CBCT)成像引导的放疗系统最具代表性，它是采用直线加速器机载影像系统架构，在放射治疗的同时实现CBCT扫描、重建、肿瘤定位及摆位误差计算等，为精准放疗提供依据。该技术可实现最大程度的肿瘤照射及射线利用率，能尽可能的避免对周围正常组织的损害，在提高放疗精度及治疗疗效方面起到重要作用。

当前，动态的4D-CBCT重建技术以逐步应用于人体呼吸运动、心脏与大血管搏动以及食管蠕动等状态成像目标的放疗过程中。但在基于时间序列的4D-CBCT图像重建中，由于扫描速度慢、投影角度少原因，会导致单个时间相位下投影数据严重缺乏，致使重建图像中含有严重的条状伪影，肿瘤边界难以确定，从而最终导致放疗计划中肿瘤靶区目标的定位不准，放疗剂量的分配存在较大误差。目前主流的放疗系统中，CBCT旋转一周的时间约为1～3 分钟，而扫描病人的呼吸周期约为3～5秒，这也就导致CBCT的照射时间分辨率远低于呼吸运动的时间分辨率，使得4D-CBCT重建图像质量下降。组织器官的运动会不可避免的造成肿瘤的漏照和/或正常组织的过多卷入与损伤，这是影响精准放疗实施的主要因素。针对4D-CBCT成像这一扫描模式的特殊性，近年来科研界和工业界开展了大量研究，旨在不过多增加扫描剂量的情况下，并通过充分利用X射线尽可能的提高图像成像质量，使其更好的服务于临床。当前解决该问题的主要技术之一就是基于运动补偿的重建。该类方法的基本策略是通过对非刚性的人体解剖组织图像配准，来估计不同时间相位下的重建图像之间的形变矢量场(Deformation Vector Field，DVF)，进而对组织器官运动信息进行补偿。

在4D-CBCT图像重建过程中，每个相位下的重建图像需要进行重投影，并对比扫描投影数据这一过程是依据呼吸信号进行分组的，而待配准图像与参考图像中均包含严重的噪声和条状伪影，因此单个相位图像的重建是一个病态问题。直接采用图像域中的形变矢量场作为重建中的运动补偿信息，难以保证重建后图像的拓扑结构准确。总的来说，该类方法重建的图像质量依然不高，临床应用程度不广，相关理论仍存在一些亟待解决的问题，如：如何提高重建过程中形变矢量场估计的准确性，如何充分利用不同相位之间的信息引入先验知识，如何在重建中恰当的将形变矢量场和先验知识相结合，并提高成像质量具有重要的临床应用价值。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

1.发明要解决的技术问题