本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理，特別是涉及一種基于多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像的放射治療照射野角度和強(qiáng)度的優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、放射治療(簡稱放療)利用電離輻射控制或殺死腫瘤細(xì)胞，是腫瘤治療的主要手段之一。與傳統(tǒng)三維適形放療技術(shù)(three-dimensional?conformal?radiotherapy，3dcrt)相比，調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)(intensity-modulated?radiotherapy，imrt)技術(shù)能夠顯著減少正常器官所接受的輻射劑量。目前，imrt技術(shù)已成為應(yīng)用最廣泛的腫瘤放療技術(shù)。imrt對應(yīng)的放療設(shè)備有基于x射線的醫(yī)用直線加速器、螺旋斷層放療設(shè)備、射波刀等，以及基于高能束的質(zhì)子、重粒子放療設(shè)備。使用上述設(shè)備進(jìn)行imrt放療之前需要醫(yī)學(xué)物理師使用放療計劃系統(tǒng)軟件(treatmentplanning?system，tps)確定每個照射野角度，并通過調(diào)整器官或靶區(qū)的劑量約束條件優(yōu)化得到每個照射野的強(qiáng)度。照射野角度主要是醫(yī)學(xué)物理師通過觀察器官和腫瘤的解剖位置，根據(jù)以往工作經(jīng)驗確定的。照射野強(qiáng)度的優(yōu)化是通過調(diào)整劑量體積直方圖(dose-volume?histogram，dvh)的約束條件，靶區(qū)滿足處方劑量的前提下，最小化危及器官的物理學(xué)劑量實現(xiàn)的。目前，上述過程主要是基于單一模態(tài)的ct影像實現(xiàn)的。ct圖像是以不同的灰度來表示器官內(nèi)部每個體素點的密度，但是無法反應(yīng)體素點的功能信息。此外，上述過程假設(shè)正常器官的功能分布是均勻的。實際上，不同癌癥患者正常器官的功能分布具有高度的異質(zhì)性，器官內(nèi)部每個體素的功能程度是不同的。單一模態(tài)影像無法將體素的功能信息納入照射野的優(yōu)化，會導(dǎo)致器官內(nèi)部功能好的體素受到超劑量輻射，進(jìn)而會導(dǎo)致嚴(yán)重的放療并發(fā)癥。關(guān)于肺癌放療患者的相關(guān)臨床研究已經(jīng)證實，優(yōu)先肺部高功能體素的輻射劑量，能夠更好的保護(hù)放療后的肺功能并降低放射性肺炎的發(fā)生率。因此，imrt放療計劃的優(yōu)化過程應(yīng)納入每個危及器官體素的功能信息，通過降低功能值較高體素的輻射劑量，對器官提供更好的保護(hù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、迄今為止，多種算法(模擬退火法、遺傳算法、窮舉搜索算法等)被用于照射野的優(yōu)化。然而，現(xiàn)有照射野優(yōu)化的劑量目標(biāo)僅是滿足靶區(qū)劑量符合臨床要求的前提下，降低危及器官的物理劑量，沒有將器官內(nèi)部每個體素的功能信息納入優(yōu)化過程。不考慮體素功能的照射野優(yōu)化，為優(yōu)化得到整個危及器官最低劑量，可能會將照射角度和強(qiáng)度設(shè)置在高功能體素所在的區(qū)域。此外，基于單一ct模態(tài)影像的照射野優(yōu)化無法適應(yīng)現(xiàn)階段的個體化精準(zhǔn)放療的需求。

2、鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于多模態(tài)影像的照射野角度和強(qiáng)度的優(yōu)化方法及系統(tǒng)，將多模態(tài)影像中的器官功能信息引入照射野優(yōu)化中，避免為降低器官整體劑量而將照射野布置在高功能區(qū)域。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下方案：

4、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于多模態(tài)影像的照射野角度和強(qiáng)度優(yōu)化方法，包括：

5、獲取患者目標(biāo)區(qū)域的多模態(tài)影像；所述目標(biāo)區(qū)域包括靶區(qū)以及位于所述靶區(qū)周邊的人體器官區(qū)域；所述人體器官區(qū)域包括一個或者多個危及器官；所述多模態(tài)影像至少包括ct圖像以及功能圖像；所述ct圖像用于提供所述危及器官和所述靶區(qū)的三維結(jié)構(gòu)信息，所述功能圖像用于提供所述危及器官的功能分布信息；

6、對所述ct圖像和所述功能圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合處理，得到融合圖像；所述融合圖像包括靶區(qū)、危及器官的三維結(jié)構(gòu)信息、以及每個所述危及器官內(nèi)部體素的灰度信息和功能信息；

7、根據(jù)所述融合圖像及目標(biāo)劑量需求，優(yōu)化放療計劃中的照射野角度和照射野強(qiáng)度；所述目標(biāo)劑量需求為保證靶區(qū)劑量滿足處方要求和危及器官劑量滿足正常組織劑量約束條件的前提下，優(yōu)先降低危及器官內(nèi)部功能系數(shù)高的體素的輻射劑量；所述功能系數(shù)是根據(jù)所述功能分布信息確定的。

8、可選地，所述獲取患者目標(biāo)區(qū)域的多模態(tài)影像，具體包括：

9、獲取患者目標(biāo)區(qū)域的ct圖像；

10、獲取患者目標(biāo)區(qū)域的功能圖像；所述功能圖像包括包含器官功能信息的醫(yī)學(xué)功能圖像和/或采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)生成的虛擬功能圖像；

11、其中，所述虛擬功能圖像的確定過程為：

12、使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對樣本區(qū)域的ct圖像和功能影像進(jìn)行處理以建立圖像生成模型；

13、利用圖像生成模型和目標(biāo)區(qū)域ct圖像生成目標(biāo)區(qū)域的虛擬功能圖像。

14、可選地，所述對所述ct圖像和所述功能圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合處理，得到融合圖像，具體包括：

15、使用形變配準(zhǔn)技術(shù)或剛性配準(zhǔn)技術(shù)，將不同模態(tài)的所述功能圖像分別與所述ct圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，得到配準(zhǔn)后的功能圖像；

16、根據(jù)所述ct圖像的空間分辨率，對所述配準(zhǔn)后的功能圖像進(jìn)行插值或重采樣處理，得到處理后的功能圖像；其中，所述處理后的功能圖像的空間分辨率和空間坐標(biāo)與所述ct圖像一致；

17、將所述處理后的功能圖像與所述ct圖像融合，得到包含功能信息和解剖學(xué)信息的融合圖像。

18、可選地，所述根據(jù)所述融合圖像及目標(biāo)劑量需求，優(yōu)化放療計劃的照射野角度和照射野強(qiáng)度，具體包括：

19、構(gòu)建候選照射野角度集合；所述候選照射野角度集合包括多個可行的照射野角度；

20、根據(jù)所述融合圖像和所述候選照射野集合，采用迭代優(yōu)化算法計算滿足目標(biāo)劑量損失函數(shù)的最優(yōu)解，進(jìn)而確定放療計劃中一個或多個最佳的照射野角度，以及每個最佳的照射野角度對應(yīng)的強(qiáng)度分布；所述目標(biāo)劑量損失函數(shù)是根據(jù)目標(biāo)劑量需求確定的；最佳的照射野角度用于確定治療時的機(jī)架角度；最佳的照射野角度對應(yīng)的強(qiáng)度分布用于確定多葉準(zhǔn)直器葉片的運動序列。

21、可選地，所述目標(biāo)劑量損失函數(shù)的確定過程為：

22、構(gòu)造危及器官劑量損失函數(shù)，所述危及器官劑量損失函數(shù)納入每個危及器官體素的功能信息；

23、構(gòu)造靶區(qū)劑量損失函數(shù)；

24、根據(jù)所述危及器官劑量損失函數(shù)和所述靶區(qū)劑量損失函數(shù)，確定總目標(biāo)損失函數(shù)。

25、可選地，所述危及器官劑量損失函數(shù)為：

26、

27、u(d)表示危及器官照射劑量的目標(biāo)函數(shù)；

28、noar表示放射治療計劃所需考慮的所有危及器官的總數(shù)；

29、表示危及器官m中體素k處的最大可接受劑量；

30、dmk表示在射束權(quán)重向量d條件下危及器官m中體素k處的計算劑量；

31、nm表示危及器官m中體素的總數(shù)；

32、fmk表示危及器官m中體素k處的功能系數(shù)；

33、am表示危及器官m的功能信息在優(yōu)化時的權(quán)重；am是可手動調(diào)整的值，通過調(diào)整am的大小，改變優(yōu)化過程中功能信息所占的權(quán)重；如果無危及器官m的功能信息，那么am＝0；

34、+表示正數(shù)算子。

35、可選地，所述靶區(qū)劑量損失函數(shù)為

36、

37、t(d)表示靶區(qū)照射劑量的目標(biāo)函數(shù)；

38、表示靶區(qū)中體素k處的期望照射劑量；

39、nt表示計劃靶區(qū)中體素的總數(shù)；

40、dk表示體素k處計算得到的的劑量；

41、n表示代表照射野的總數(shù)。

42、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于多模態(tài)影像的照射野角度和強(qiáng)度優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

43、多模態(tài)影像獲取模塊，用于獲取患者目標(biāo)區(qū)域的多模態(tài)影像；所述目標(biāo)區(qū)域包括靶區(qū)以及位于所述靶區(qū)周邊的人體器官區(qū)域；所述人體器官區(qū)域包括一個或者多個危及器官；所述多模態(tài)影像至少包括ct圖像以及功能圖像；所述ct圖像用于提供所述危及器官和所述靶區(qū)的三維結(jié)構(gòu)信息，所述功能圖像用于提供所述危及器官的功能分布信息；

44、圖像融合模塊，用于對所述ct圖像和所述功能圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合處理，得到融合圖像；所述融合圖像包括靶區(qū)、危及器官的三維結(jié)構(gòu)信息、以及每個所述危及器官內(nèi)部體素的灰度信息和功能信息；

45、照射野角度和強(qiáng)度優(yōu)化模塊，用于根據(jù)所述融合圖像及目標(biāo)劑量需求，優(yōu)化放療計劃中的照射野角度和照射野強(qiáng)度；所述目標(biāo)劑量需求為保證靶區(qū)劑量滿足處方要求和危及器官劑量滿足正常組織劑量約束條件的前提下，優(yōu)先降低危及器官內(nèi)部功能系數(shù)高的體素的輻射劑量；所述功能系數(shù)是根據(jù)所述功能分布信息確定的。

46、可選地，所述多模態(tài)影像獲取模塊，具體包括：

47、ct圖像獲取單元，用于獲取患者目標(biāo)區(qū)域的ct圖像；

48、功能圖像獲取單元，用于獲取患者目標(biāo)區(qū)域的功能圖像；所述功能圖像包括包含器官功能信息的醫(yī)學(xué)功能圖像和/或采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)生成的虛擬功能圖像；

49、其中，所述虛擬功能圖像的確定過程為：

50、使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對樣本區(qū)域的ct圖像和功能影像進(jìn)行處理以建立圖像生成模型；

51、利用圖像生成模型和目標(biāo)區(qū)域ct圖像生成目標(biāo)區(qū)域的虛擬功能圖像。

52、可選地，所述圖像融合模塊，具體包括：

53、配準(zhǔn)單元，用于使用形變配準(zhǔn)技術(shù)或剛性配準(zhǔn)技術(shù)，將不同模態(tài)的所述功能圖像分別與所述ct圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，得到配準(zhǔn)后的功能圖像；

54、處理單元，用于根據(jù)所述ct圖像的空間分辨率，對所述配準(zhǔn)后的功能圖像進(jìn)行插值或重采樣處理，得到處理后的功能圖像；其中，所述處理后的功能圖像的空間分辨率和空間坐標(biāo)與所述ct圖像一致；

55、融合單元，用于將所述處理后的功能圖像與所述ct圖像融合，得到包含功能信息和解剖學(xué)信息的融合圖像。

56、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

57、第一，實現(xiàn)了多模態(tài)影像的聯(lián)合應(yīng)用于照射野角度和強(qiáng)度優(yōu)化。

58、第二，將器官功能信息納入照射野優(yōu)化，優(yōu)化過程中考慮危及器官內(nèi)部每個體素的功能系數(shù)，并著重保護(hù)功能系數(shù)高的體素。

59、第三，可以針對某一患者的醫(yī)學(xué)圖像，確定個體化的照射野角度和強(qiáng)度，滿足現(xiàn)階段的精準(zhǔn)放療的要求。

60、第四，能夠幫助醫(yī)學(xué)物理師確定器官功能保護(hù)放療計劃的照射野角度，提高放療計劃制定的效率和質(zhì)量。