一种动态磁共振影像引导放射治疗的运动管理方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体地涉及用于动态磁共振影像(cine-MRI)引导放射治疗时的运动管理方法，还涉及计算机技术领域中的目标追踪技术。

背景技术

动态磁共振影像引导放射治疗中，常用的目标追踪算法是基于特征的目标追踪算法，直接求得追踪目标的边界。但低场强下采集到的动态磁共振影像噪声比较大，分辨率较低，用基于特征的边界提取方法易受到噪声干扰，而基于归一化互相关(Normalized CrossCorrelation,NCC)的模板匹配算法的准确性已经得到了广泛认可，在噪声较大且分辨率不高的动态磁共振影像上也有较高的鲁棒性。目前动态磁共振影像引导放射治疗临床应用设备上选用的是基于边界检测的靶区实时勾画，由于追踪准确性不够高而影响治疗时射线照射的准确性和治疗效率。

动态磁共振影像引导放射治疗系统中除追踪算法部分外，当前主流(商用)的控制射线开关的方法是基于肿瘤靶区(gross tumor volume，GTV)超出追踪边界的面积占肿瘤靶区面积的比值来控制射线开关，当比值超过预设值则关闭射线，低于或等于预设值则开启射线。但是目前以此方法进行运动管理时门控阈值的最佳取值尚不明确，还需要不断优化并在临床中验证。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提出一种动态磁共振影像引导放射治疗的运动管理方法，对肿瘤目标追踪有较好的鲁棒性，并且不是采用基于靶区移出百分比的方法，而是基于靶区移动位移的方法进行运动管理，能够直接、准确的确定肿瘤的运动范围，从而提高治疗时射线束照射肿瘤的准确性和治疗效率。

为达成本发明的目的，本发明提供一种动态磁共振影像引导放射治疗的运动管理方法，所述的方法的技术方案是通过如下步骤实现的：

步骤A1：设置完全包含肿瘤靶区的图形模板；

步骤A2：在所求的动态磁共振影像中的追踪目标搜寻范围内，通过遍历每个与图形模板形状和尺寸大小完全相同的单元并计算对应的归一化互相关系数，以归一化互相关系数最大值所在的位置作为追踪目标所在的位置，从而获得追踪目标在每一帧动态磁共振影像中的位置；

步骤A3：将追踪目标所在位置减去参考位置，分别求得追踪目标相对于参考位置的头脚方向和腹背方向的位移值或者相对于参考位置的任意方向的位移值；

步骤A4：判断头脚方向与腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值是否超出追踪边界；

步骤A5：当头脚方向或腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值超过追踪边界时，关闭射线；

步骤A6：当头脚方向与腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值均小于或等于追踪边界时开启射线或保持射线开启状态；

步骤A7：判断是否已经完成本次治疗；

步骤A8：如果已经完成本次治疗，则关闭射线或保持射线关闭状态，结束整个运动管理过程；如果没有完成本次治疗，则返回步骤A2，直至完成本次治疗。

优选地，步骤A1所述图形模板是临床中最关注的肿瘤靶区，也可以是临床中关注的其他感兴趣区域。

优选地，步骤A1所述图形模板是在深吸气后屏气状态、深呼气后屏气状态或者自由呼吸状态下的动态磁共振影像上选择，并以此时图形模板的几何中心点为参考位置点。

优选地，步骤A1所述图形模板是矩形或其它包含肿瘤靶区或其它感兴趣区域的任意形状的模板，追踪范围是将图形模板放大后得到的虚线框内的区域。

优选地，估计追踪目标运动幅度来设置目标搜寻范围，搜寻范围大于追踪目标运动范围。

优选地，步骤A4所述追踪边界是临床中为弥补治疗时肿瘤靶区的剩余运动对肿瘤靶区外放值的大小，也可根据临床需求自定义设置追踪边界的大小。

本发明有益的技术效果：

本发明第一方面的技术效果，本发明选择的目标追踪算法使用的是基于归一化互相关的模板匹配算法，可以自主选择要追踪的目标，不严格要求追踪目标的边界信息，因为此方法利用的是图形模板之内的全部信息，基于关联性得到追踪目标的位置，算法鲁棒性好且实现简单直接，提高了治疗时施照的准确性和治疗效率。而基于靶区移出百分比方法重点关注的是边界信息，可利用的有效信息更少，更易受采集到的图像中的噪声影响，尤其是在低磁场场强下，影响治疗准确性和效率。

本发明实施例中也用人工勾画方法对本发明所用的模板匹配方法进行了验证，综合8个患者的统计结果，肿瘤位移误差是0.78mm,标准偏差为0.21mm,而目前商用的基于靶区移出百分比方法得到肿瘤靶区质心点位移误差是1.57mm,标准偏差为0.67mm。

本发明第二方面的技术效果，与基于靶区移出百分比方法相比，基于位移信息进行运动管理的区别在于，位移法的追踪边界的选取简单，直接对应临床中为弥补治疗时肿瘤靶区的剩余运动对GTV外放值的大小，能更好的确定放疗计划时的靶区外放范围，减少施照剂量分布的不确定性，临床使用中也可根据临床需求自定义追踪边界的大小。

附图说明

图1是本发明一种动态磁共振影像引导放射治疗的运动管理方法流程图；

图2是本发明中对应步骤A1选择深吸气屏气状态下的动态磁共振影像，并在此动态磁共振影像上设置的图形模板；

图3是本发明进行运动管理时，设置的图形模板是对应于图2中示出的矩形框；

图4是本发明中对应步骤A2用基于NCC的模板匹配算法求得追踪目标在动态磁共振影像中的位置；

图5是本发明中对应步骤A3计算追踪目标相对于步骤A1中的参考位置的位移值。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

请参阅图1，示出了本发明一种动态磁共振影像引导放射治疗的运动管理方法的流程图，所述的方法解决技术问题的具体方案是通过如下步骤实现的：

步骤A1：设置完全包含肿瘤靶区或其它感兴趣区域的图形模板，所述图形模板是矩形或其它包含肿瘤靶区或其它感兴趣区域的任意形状的模板，图形模板尺寸略大于肿瘤靶区或其它所选择的感兴趣区域。以深吸气屏气(Deep Inspiration Breath-hold,DIBH)时的运动追踪为例，追踪目标的图形模板一般在深吸气后屏气状态下的动态磁共振影像上选择，并以此时图形模板的几何中心点为参考位置点。图形模板的选择过程与基于靶区移出百分比方法中仅仅以肿瘤靶区为追踪目标不同，本发明中图形模板是完全包含肿瘤靶区的矩形或其它包含肿瘤靶区的任意形状的图形模板，追踪范围是将图形模板放大后得到的虚线框内的区域。本发明利用图形模板之内的全部信息，包含的有效信息更多，而且不严格要求追踪边界信息，有更好的适应性。

步骤A2：在所求的动态磁共振影像中的追踪目标搜寻范围，通过遍历每个与图形模板形状和尺寸大小完全相同的单元并计算对应的归一化互相关系数，以归一化互相关系数最大值所在的位置作为追踪目标所在的位置，从而获得追踪目标在每一帧动态磁共振影像中的位置：以步骤A1中图形模板，使用归一化互相关的模板匹配算法求出追踪目标在每一帧动态磁共振影像中的位置，具体过程为：

为节省计算时间和提高准确率，需要粗略估计所述追踪目标运动幅度来设置追踪目标搜寻范围，搜寻范围大于所述追踪目标运动范围。在所求的动态磁共振影像中的追踪目标搜寻范围内，计算每一个和图形模板尺寸大小相同的单元与模板的关联度，即归一化互相关系数，选择关联度最高的单元所在位置为追踪目标在该帧动态磁共振影像中的位置。

所述关联度(归一化互相关系数)的计算式如下：

其中，A为图形模板，图形模板的尺寸为m×n,

本发明选用所述基于归一化互相关的模板匹配算法与现有技术中提到现在临床设备上所使用算法的差别在于：本发明是利用的图形模板之内的全部信息，基于关联性得到追踪目标的位置，而现有技术中重点关注的是边界信息，可利用的有效信息更少，更易受到低场强下采集到的影像中的噪声的影响。

步骤A3：将求得的追踪目标所在位置减去参考位置，分别求得追踪目标相对于参考位置的头脚方向(superior-inferior,SI)和腹背方向(anterior-posterior,AP)的位移值或者相对于参考位置的任意方向的位移值。与基于靶区移出百分比方法不同的地方在于，本发明方法并不要求严格勾画出靶区的完整边界，只需要求出追踪目标的几何中心点及相对于参考位置的位移，因此算法的鲁棒性比较高且容易实现。

步骤A4：判断头脚方向与腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值是否超出追踪边界；追踪边界的设置对应的是临床中为弥补治疗时肿瘤靶区的剩余运动对肿瘤靶区(GTV)外放值的大小，但也可根据临床需求自定义设置追踪边界的大小。

步骤A5：当头脚方向或腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值超过追踪边界时，则关闭射线；

步骤A6：当头脚方向或腹背方向位移值或者选定的其他任意方向的位移值均小于或等于追踪边界时开启射线或保持射线开启状态；

步骤A7：判断是否已经完成本次治疗；

步骤A8：如果已经完成本次治疗，则关闭射线或保持射线关闭状态，结束整个运动管理过程；如果没有完成本次治疗，则返回步骤A2，直至完成本次治疗。

具体实例1：

请参阅图2示出的对应步骤A1，本例是在深吸气屏气状态下进行治疗，故选择在深吸气屏气状态下的动态磁共振影像上设置追踪目标，其中图2中设置的图形模板是矩形模板，虚线矩形框表示自定义的搜寻范围,实线是矩形模板。

请参阅图3所示，图形模板以矩形框的几何中心点所在位置为参考位置。

请参阅图4示出，设置的图形模板为矩形模板，对应步骤A2用基于归一化互相关的模板匹配算法求得追踪目标在动态磁共振影像中的位置，即所述实线矩形框对应的区域，并以实线矩形框的几何中心点为追踪目标的所处位置点。

请参阅图5示出，对应步骤A3，计算追踪目标相对于步骤A1中的参考位置的位移值，分别得到头脚方向和腹背方向上的位移。

请参阅图5中示出的虚线对应追踪边界值，以5mm的追踪边界为例，当头脚方向上的位移值或者腹背方向的位移值超过5mm时，关闭射线。当位移值均小于或者等于5mm时，开启射线或者保持射线开启状态，这对应步骤A4。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。