一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4d-ct圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法
【專利摘要】一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，依次包括：（1）讀取由多個(gè)不同相位的肺部3D圖像組成的肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)；（2）根據(jù)肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)，對每個(gè)相位提取同一肺部部位對應(yīng)的冠矢狀面圖像；（3）采用基于完全搜索塊匹配算法估計(jì)不同“幀”肺部冠矢狀面圖像之間的運(yùn)動(dòng)矢量場；（4）以步驟（3）得到的運(yùn)動(dòng)矢量場為基礎(chǔ)，采用迭代反投影法重建高分辨率肺4D-CT冠矢狀面圖像。本發(fā)明獲得的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面重建圖像的分辨率有明顯的提高，局部放大圖中，肺實(shí)質(zhì)中的血管和周邊組織的亮度和清晰度有明顯增強(qiáng),可以克服由采集時(shí)間和放射劑量造成的圖像分辨率低的限制，能夠有效引導(dǎo)肺癌的精確放射治療。
【專利說明】—種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖 像重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像 的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]肺4D-CT圖像能夠提供全面的高精度放射治療呼吸運(yùn)動(dòng)表征。在肺4D-CT圖像數(shù) 據(jù)中，由于有多個(gè)相位的圖像，通常是10-20個(gè)，通過各相位圖像有助于獲取肺部呼吸運(yùn)動(dòng) 信息，是放射治療目標(biāo)精確定位的關(guān)鍵，因此肺4D-CT技術(shù)在肺腫瘤精確放射治療中發(fā)揮 著越來越重要的作用。
[0003]肺4D-CT數(shù)據(jù)的獲取，通常是根據(jù)床位和肺體積，將多個(gè)自由呼吸的3D-CT數(shù)據(jù)段 排序而得。然而，由于CT固有的高劑量照射，沿縱向(通常命名為Z軸方向)的密集采樣往 往是不實(shí)際的，從而導(dǎo)致所獲得的肺4D-CT數(shù)據(jù)的層間分辨率遠(yuǎn)低于層內(nèi)分辨率，造成數(shù) 據(jù)顯著的各項(xiàng)異性。
[0004]因此，在對各相位3D數(shù)據(jù)進(jìn)行冠矢狀面觀察時(shí)，為了獲得正確比例的圖像，需要 根據(jù)3D數(shù)據(jù)的層間分辨率和層內(nèi)分辨率的比例，沿Z軸方向進(jìn)行插值放大。常用的插值方 法為最近鄰或雙線性插值法，但是，這些方法都會(huì)導(dǎo)致圖像模糊，尤其是當(dāng)層間分辨率與 層內(nèi)分辨率比例差別比較大時(shí)圖像模糊更嚴(yán)重。
[0005]因此，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠 矢狀面圖像重建方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不足甚為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的 超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，該方法能夠提高肺4D-CT圖像的冠矢狀面圖像的分辨率。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0008]一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，依次包括 如下步驟，
(1)讀取由多個(gè)不同相位的肺部3D圖像組成的肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)；
(2)根據(jù)肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)，對每個(gè)相位提取同一肺部部位對應(yīng)的冠矢狀面圖像；
(3)估計(jì)不同“幀”肺部冠矢狀面圖像之間的運(yùn)動(dòng)矢量場；
(4)以步驟(3)得到的運(yùn)動(dòng)矢量場為基礎(chǔ)，重建高分辨率肺4D-CT冠矢狀面圖像。
[0009]上述步驟(3)是采用基于完全搜索塊匹配算法估計(jì)不同“幀”肺部冠矢狀面圖像之 間的運(yùn)動(dòng)矢量場。
[0010]上述步驟(3 )具體包括:
(3.1)在當(dāng)前幀中選取一子塊，根據(jù)最小絕對誤差匹配準(zhǔn)則，在參考幀的給定的搜索區(qū)域內(nèi)找出與當(dāng)前幀中的當(dāng)前塊最相似的塊作為匹配塊；
根據(jù)匹配塊與當(dāng)前塊的相對位置計(jì)算運(yùn)動(dòng)位移作為當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)矢量，所述運(yùn)動(dòng)矢量亦為全局最優(yōu)的相對運(yùn)動(dòng)矢量；
(3.2)所述最小絕對誤差匹配準(zhǔn)則如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:依次包括如下步驟，(1)讀取由多個(gè)不同相位的肺部3D圖像組成的肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)肺部4D-CT圖像數(shù)據(jù)，對每個(gè)相位提取同一肺部部位對應(yīng)的冠矢狀面圖像；(3)估計(jì)不同“幀”肺部冠矢狀面圖像之間的運(yùn)動(dòng)矢量場；(4)以步驟(3)得到的運(yùn)動(dòng)矢量場為基礎(chǔ)，重建高分辨率肺4D-CT冠矢狀面圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:所述步驟(3)是采用基于完全搜索塊匹配算法估計(jì)不同“幀”肺部冠矢狀面圖像之間的運(yùn)動(dòng)矢量場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:上述步驟(3)具體包括:(3.1)在當(dāng)前幀中選取一子塊，根據(jù)最小絕對誤差匹配準(zhǔn)則，在參考幀的給定的搜索區(qū)域內(nèi)找出與當(dāng)前幀中的當(dāng)前塊最相似的塊作為匹配塊；根據(jù)匹配塊與當(dāng)前塊的相對位置計(jì)算運(yùn)動(dòng)位移作為當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)矢量，所述運(yùn)動(dòng)矢量亦為全局最優(yōu)的相對運(yùn)動(dòng)矢量；(3.2)所述最小絕對誤差匹配準(zhǔn)則如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:所述步驟(4)具體是采用迭代反投影法重建高分辨率肺4D-CT冠矢狀面圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:所述步驟(4)具體是包括:(4.1)將需要重建的原始低分辨率圖像與插值放大為初始高分辨率圖像p>s),n為迭代次數(shù)；(4.2)根據(jù)退化模型將初始高分辨率圖像/?'模擬成像過程得到低分辨圖像的集合c4wh，k = i K &表示原始序列低分辨率圖像的數(shù)量； 所述退化模型具體為: I1=IlIfti, i=yjPji； 其中:1?表示IB幅低分辨率圖像中的第fc幅，/表示需要重建的初始高分辨率圖像； I?表示下采樣矩陣； 辦是系統(tǒng)加性噪聲； Mfc表示幾何變換,為由運(yùn)動(dòng)估計(jì)求得的運(yùn)動(dòng)矢量； Sk表示模糊矩陣，是由光學(xué)系統(tǒng)本身、成像系統(tǒng)與原始場景的相對運(yùn)動(dòng)，以及低分辨率傳感器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)而造成的； 具體的，在第次迭代過程中，Irin)的成像過程由退化模型模擬得到: TlA 其中:咖表示第次迭代過程中假設(shè)的高分辨率圖像di0表示次迭代后由退化模 fTlTl型得到的低分辨率圖像；rfc表示從/到Λ的二維幾何變換，即為步驟(3)獲得的運(yùn)動(dòng)矢量；A是高斯模糊算子；A S是下采樣算子； (4.3)判斷誤差? 是否達(dá)到最小值，如果達(dá)到最小值，停止迭代，以當(dāng)前估計(jì)的高分辨率圖像/(R)作為最終所求的超分辨率圖像； 如果誤差未達(dá)到最小值，則進(jìn)入步驟(4.4)； (4.4)根據(jù)誤差對當(dāng)前高分辨率圖像進(jìn)行更新，更新過程具體如下式:


i戶叫=/w + 泛 ιΤ.— sf) τ s)?p)其中 表示上采樣算子；P表示背投影算子，由It.和決定； (4.5)將更新后的高分辨率圖像作為初始高分辨率圖像，進(jìn)入步驟(4.2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:所述步驟(4.3)中判斷誤
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:所述步驟(4.3)中判斷誤差gk — j是否達(dá)到最小值具體是通過判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)M來判定的,當(dāng)?shù)螖?shù)I達(dá)到M時(shí)，判定誤差達(dá)到最小值，否則判定誤差未達(dá)到最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:最大迭代次數(shù)
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的肺4D-CT圖像的超分辨率冠矢狀面圖像重建方法，其特征在于:最大迭代次數(shù)M設(shè)置為3。
【文檔編號】G06T7/20GK103440676SQ201310350915
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】張煜, 肖珊 申請人:南方醫(yī)科大學(xué)