[发明专利]基于预测的图像引导跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像引导跟踪的方法，尤其是涉及一种呼吸预测的图像引导跟踪的方法。

背景技术

立体定向放射治疗主要分为60Co立体定向放疗和电子直线加速器立体定向放疗两大类。随着科学技术的进步，精确放射治疗技术的实施，大大提高了肿瘤治疗的准确性和疗效，是整个放疗领域的发展方向。放射治疗中，肿瘤组织随时间动态地变化，如：胸腹部器官肿瘤的放疗很大程度受呼吸运动影响，由此产生的不确定性问题成为当前放射治疗面对的主要问题。传统的基于适形调强技术的放疗模式通常采用等中心位移控制、呼吸训练、呼吸门控放射等技术来应对上述问题。

(1)等中心位移控制技术：如西门子公司的Primaton系统，它利用前若干次摆位时检测到的运动和摆位的系统误差对肿瘤中心的位置进行修正，该方法作为一种近似治疗手段对正常组织伤害较大。

(2)呼吸训练方法中，会迫使患者承受一定的呼吸约束，因而无法保证治疗的稳定性。

(3)呼吸门控放射技术中，只利用呼吸周期的局部时段治疗，效率很低，并且无法估计肿瘤运动的准确时相。

目前采用的适形调强放疗技术治疗静止的肿瘤基本可以达到治疗目的，而对于肺部、腹部等部位的动态肿瘤的治疗很难获得良好效果，主要问题是采用传统的门控和呼吸训练方法治疗时不易掌握门控的时机，且门控的局部治疗时段窄，很影响治疗效率。

专利号为US 20060074292，名称为“Dynamic tracking of moving targets”的美国专利，介绍了一种动态肿瘤跟踪放疗的方法，该方法，在治疗前利用采集的三维CT(3D-CT)序列图像和肿瘤的数字重建X射线图像(肿瘤形态)分析并记录肿瘤在呼吸周期中的位置；治疗中进行肿瘤形态图像与实时X射线图像的配准、利用四维数学模型描述肿瘤解剖学区域的运动与形变，从而完成肿瘤目标的跟踪与实时定位。呼吸周期任意时刻的靶区剂量控制由连接参考结构与解剖学区域的四维数学模型决定。

该专利内容所包含的四维数学模型的形变跟踪需要一定的计算负荷，缺少对治疗延时的计算方案，由于没有考虑延时问题，在实时跟踪放疗中，将产生较大的跟踪误差，影响放射治疗的效果。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于预测的图像引导跟踪方法，通过分析计算目标的动态特性，以及通过计算实时图像与预测动态区间的运动矢量场，据此估计出延时的肿瘤形态，实现肿瘤运动的实时跟踪，提高基于预测的图像引导跟踪的效率及其跟踪的精确性。

为了解决以上技术问题，本发明包括以下步骤：

(1)输入：肿瘤解剖结构的图像序列I(k)、呼吸状态特征集R(k)；

(2)建立状态关联数据库，包括：肿瘤解剖结构的图像序列I(k)、肿瘤形态图像序列D(k)、呼吸状态特征集R(k)，令T为标准周期长度，上述四种状态数据按照同一时相顺序k＝k₁，k₂，...k_T建立关联；

(3)获取治疗中t＝t_i时刻动态肿瘤的实时图像f(t_i)和呼吸状态特征R(t_i)；

(4)通过预测模型，预测延时Δt后的呼吸状态特征R(t_i+Δt)；并在肿瘤形态图像序列中D(k)，确定R(t_i+Δt)对应的肿瘤形态变化区间的图像序列D(k_j-α)～D(k_j+α)，k_j∈{1，...，K}；

(5)将实时图像f(t_i)与肿瘤形态变化区间的图像序列，在感兴趣区内逐个进行配准；

(6)从配准结果中选择一幅最佳肿瘤形态图像D(k_j+m)，m∈[k_j-α，k_j+α]，代表t_i+Δt时刻的肿瘤形态；

(7)输出描述t_i+Δt时刻肿瘤解剖结构的图像I(k_j+m)。

本发明步骤(2)中建立关联数据库的具体步骤为：

(a)在患者肿瘤附近体表设置若干标记物；

(b)一个标准呼吸周期下：获取一个呼吸周期中时刻k₁，k₂，...k_T包含体表标记物和肿瘤解剖结构的图像序列I(k)；