專利名稱：匹配x射線圖像與基準(zhǔn)圖像的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到相似的X射線圖像的匹配，尤其應(yīng)用于計算機(jī)控制的放射治療儀器中，用以自動地即時直接匹配在放射治療過程中在治療儀器上生成的門口圖像(portal image)與治療前在模擬儀器上生成的模擬圖像的匹配，以便為了評估的目的而判定所要治療的目標(biāo)是否確實(shí)受到了輻照，并/或控制治療設(shè)備。
存在若干需要進(jìn)行X射線圖像匹配的醫(yī)療操作。例如，在計算機(jī)控制的放射療法中，高放射能量的治療射束要從許多方向?qū)?zhǔn)一塊腫瘤，以對腫瘤進(jìn)行最大程度的輻照，同時要使該腫瘤周圍的健康組織只受到最低程度的影響。這種放射治療一般具有兩個不同的階段模擬階段，和實(shí)際治療階段。在模擬階段，將患者放置到類似于治療儀器的儀器上，這種儀器的區(qū)別只是它不生成高能量的射束。將該模擬儀器依次定位，模擬發(fā)射主治腫瘤醫(yī)生所處方的治療射束序列。這確保了該儀器能夠被定位以發(fā)射所需的治療射束，并漸次地從一個治療射束轉(zhuǎn)到下一個，而不在儀器和患者之間，或者在儀器各移動的部件之間造成碰撞。在這個過程中，拍攝的是低劑量的X射線照片，稱為模擬圖像。該模擬圖像通常因?yàn)樗玫腦射線束能量低(千電子伏特級)而具有良好的對比度和清晰度，可幫助腫瘤醫(yī)生確定腫瘤的位置，從而確定依次發(fā)射治療射束的治療儀器各部件的位置。
在實(shí)際治療階段，在用標(biāo)準(zhǔn)劑量(通常為兆電子伏特級)的X射線治療患者以前，將患者放置到治療儀器的與模擬階段完全相同的位置。在此階段，拍攝到另一X射線照片，稱為門口圖像。
在治療完成后，由專家比較所述模擬圖像和門口圖像，判斷在模擬圖像中辨別出的腫瘤在門口圖像中是否已獲得了足夠的輻射治療。如果輻照覆蓋不完全，就要安排患者進(jìn)行一次補(bǔ)充治療。
這種目前通用的方法必須人工進(jìn)行門口圖像和模擬圖像的比較。精確的人工比較是相當(dāng)困難的，原因是兩張X射線照片通常是由不同的儀器拍得的，輻照量也不相同。輻照量不同意味著，在門口X射線照片中，通?？床坏侥[瘤區(qū)域，因此，門口圖像和模擬圖像的匹配不得不依賴于人工對解剖學(xué)標(biāo)志物的尺度的估計，而所述解剖學(xué)標(biāo)志物也不會是清晰可見的。
傳統(tǒng)上，所述門口圖像是用X射線膠片生成的，而所述膠片必須進(jìn)行沖洗。如果只使用單束或少數(shù)幾束治療射束，這不是一項(xiàng)嚴(yán)重的缺陷。但是，在使用大量治療射束的計算機(jī)控制的放射療法中，這樣的X射線膠片就是非常嚴(yán)重的局限。已經(jīng)開發(fā)出了電子門口圖像生成器，該儀器生成的數(shù)字化圖像可顯示于電子顯示設(shè)備上。不幸的是，對于以電子手段生成的門口圖像，在對比度和清晰度方面存在同樣的問題。
門口圖像與模擬圖像的匹配問題中還復(fù)合有圖像方位差異所導(dǎo)致的問題，而所述方位差異是由下述原因造成的扭曲，比例差異，旋轉(zhuǎn)，平動，透視差異和曲率差異。
在立體規(guī)整放射學(xué)(stereotactic radioloy)中，數(shù)字化電腦層析X射線照片和磁共振圖像(MRI,magnetic resonance image)是使用從在兩個圖像中均出現(xiàn)的鋼架的預(yù)知固定尺寸導(dǎo)出的比例自動匹配的。這樣的已知尺寸的固定標(biāo)志物在傳統(tǒng)的放射治療照片中是沒有的。
因此，存在對自動匹配X射線圖像，尤其是在放射療法中匹配門口圖像與模擬圖像的設(shè)備的需求。
也存在對這樣的設(shè)備的需求在多治療射束的情況下，能夠即時直接匹配門口圖像與模擬圖像。
還存在對這樣的設(shè)備的需求能夠匹配具有相差懸殊的對比度、清晰度和因?yàn)榕で?、旋轉(zhuǎn)、比例、透視或曲率導(dǎo)致的差異的門口圖像和模擬圖像。
另外還有這樣的設(shè)備需求在計算機(jī)控制的放射治療過程中，達(dá)到并維持患者的對正狀態(tài)，或者，在對正狀態(tài)變得不可接受時終止輻射束。
上述需求和其他的需求由本發(fā)明得以滿足。本發(fā)明提出了一種設(shè)備，用以自動匹配X射線圖像和基準(zhǔn)圖像，尤其是匹配門口圖像和模擬圖像，以判斷放射治療是否已充分進(jìn)行，或者用以匹配相繼的門口圖像，以控制放射治療儀器的操作。在匹配圖像時，數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置將X射線圖像比如門口圖像數(shù)字化，生成第一組數(shù)字圖像信號，在門口圖像的情況下或者說是數(shù)字化門口圖像信號(DPIS,digital portal image signal)。該數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置也將基準(zhǔn)圖像比如模擬圖像數(shù)字化，生成第二數(shù)字圖像信號，或者說數(shù)字化模擬圖像信號(DSIS,digital simulation image signal)。處理裝置處理上述數(shù)字化圖像信號，生成匹配的數(shù)字化圖像信號。所述處理是在沒有預(yù)知圖像中的任何特征的物理尺度的情況下進(jìn)行的。輸出裝置從所述匹配的數(shù)字化圖像信號生成例如顯示影像，并/或控制治療/診斷儀器。
所述處理裝置包括近似匹配裝置。后者首先在所述數(shù)字化門口圖像信號和數(shù)字化模擬圖像信號間進(jìn)行近似的匹配。近似匹配是通過在由DPIS代表的門口圖像和由DSIS代表的模擬圖像中選擇種子點(diǎn)而啟動的。種子點(diǎn)的選擇既可以使用定位裝置比如鼠標(biāo)人機(jī)交互地進(jìn)行，選擇兩圖像的顯示影像上看來是對應(yīng)點(diǎn)者，也可以使用放置在患者身上的不透X射線的基準(zhǔn)點(diǎn)自動進(jìn)行。無論在哪種情況下，所述種子點(diǎn)都用來計算兩幅圖像之間的變換。然后使用裝置將所述變換施加于其中一組數(shù)字化圖像信號上，將該幅圖像中的點(diǎn)變換成在另一幅圖像中的坐標(biāo)，從而生成近似匹配的DPIS和DSIS。
在近似匹配之后，進(jìn)行精細(xì)匹配。在進(jìn)行精細(xì)匹配時，先針對圖像的交叉或重疊區(qū)域，最好是針對圖像交叉區(qū)域內(nèi)的規(guī)則形狀比如矩形的區(qū)域，選擇DPIS和DSIS信號選集，對近似匹配的DPIS和DSIS進(jìn)行處理。然后對這些區(qū)域中的數(shù)字化圖像信號進(jìn)行增強(qiáng)處理，生成具有相似的動態(tài)范圍和像素密度的處理圖像。所述精細(xì)匹配裝置包括從處理過的DPIS和DSIS生成最新變換的裝置，以及將所述最新變換施加于近似匹配的或處理過的DPIS和DSIS以生成匹配的DPIS和DSIS的裝置。
生成最新變換的裝置包括從處理過的DPIS和DSIS生成移位變形分量(motion flow component)的裝置，以及從所述移位變形分量計算最新變換的計算裝置。最好，所述生成移位變形分量的裝置生成移位變形梯度分量，并且所述計算裝置包括利用增強(qiáng)優(yōu)化以計算最新變換的裝置。所述生成最新變換的裝置利用處理過的DPIS和DSIS的逐次上升的分辨率水平來生成所述最新變換。
在跟蹤模式時，所述最新變換用來跟蹤相繼的數(shù)字化門口圖像信號組之間的位移。進(jìn)行跟蹤可用來在患者的位移超過特定限度時終止輻照，或者可用來操縱患者定位系統(tǒng)，以使射束保持正確地對準(zhǔn)要治療的區(qū)域。
本發(fā)明還可用來匹配X射線圖像和其他的基準(zhǔn)圖像，后者可以是另一幅X射線圖像或者別的類型的圖像。
從下文結(jié)合附圖對最佳實(shí)施例所作的說明中，可以充分理解本發(fā)明。附圖中

圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)備的簡要示意圖。
圖2a是本發(fā)明可予應(yīng)用的一幅模擬圖像的簡化圖解。
圖2b是本發(fā)明可予應(yīng)用的一幅門口圖像的簡化圖解。
圖2c是利用本發(fā)明將示于圖2a和圖2b的模擬圖像和門口圖像疊加后生成的顯示影像的簡化圖解。
圖3到圖11是用來在圖1所示的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件的程序方框圖。
本發(fā)明的目的在于匹配X射線圖像和基準(zhǔn)圖像，下面的說明，就作為將其應(yīng)用于在計算機(jī)控制的放射療法中生成的門口圖像與模擬圖像的匹配。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明在匹配其他的X射線圖像，比如在診斷中所用的X射線圖像方面有廣泛的應(yīng)用。如下文所述，本發(fā)明還可應(yīng)用于跟蹤相繼門口圖像間的位移，比如用來控制患者的定位，或者控制放射束的開啟。
見圖1，模擬設(shè)備1用來確定患者3體內(nèi)要治療的區(qū)域比如腫瘤的位置，并用來設(shè)定治療射束序列。該設(shè)備包括一個橫臂5，后者的安裝使其可繞一由機(jī)座9支撐的水平樞軸7旋轉(zhuǎn)。由安裝在橫臂5上的一個平行光管射出低能量的，即千電子伏特級的X射線束11，后者的路徑橫穿樞軸7的延長線。
患者3被支承在一個患者定位系統(tǒng)15上，后者包括一張安裝在一個支座19上，可相對于該支座作三維平動的床17。支座19再安裝在一個旋轉(zhuǎn)臺21上。通過床17的平動、旋轉(zhuǎn)臺21的旋轉(zhuǎn)和橫臂5關(guān)于樞軸7的旋轉(zhuǎn)，可以模擬出一系列的治療射束。通過以相繼生成射束所需的位置為模擬設(shè)備1定序，可以判斷是否所有所需的射束都可以生成，并判斷射束轉(zhuǎn)換時設(shè)備運(yùn)動的定序是否要調(diào)整，以避免設(shè)備和患者間，或者設(shè)備的各部件間發(fā)生碰撞。
低能量X射線束11用來生成模擬圖像，即，將X射線膠片23置于患者3的與平行光管13相對的另一側(cè)，與X射線束成一直線，從而生成模擬圖像。該模擬圖像用來將患者的要治療的區(qū)域，比如腫瘤，定位于設(shè)備的等角點(diǎn)，也就是射束11與樞軸7的延長線的交點(diǎn)處。
在完成模擬之后，將患者3轉(zhuǎn)到治療設(shè)備1′。如圖所示，治療設(shè)備1′與模擬設(shè)備1是相似的，只不過其X射線束是兆電子伏特級。該治療設(shè)備1′生成門口圖像。該門口圖像可以如同在模擬設(shè)備中一樣用X射線膠片拍攝；但是，最好使用電子門口圖像生成器25。如果可能的話，在模擬設(shè)備1中也可以用電子圖像生成器取代X射線膠片23。
如前所述，模擬圖像與門口圖像可能差別很大。其中一個主要原因是射束11和11′的能量差異。本發(fā)明可用來匹配模擬圖像和門口圖像，以判斷治療劑量是否輻照到了正確的治療區(qū)域。本發(fā)明還可用來探測患者在治療過程中的位移，以便在位移超過合理限度之后終止X射線束11′，或者操縱設(shè)備使之保持正確的對準(zhǔn)狀態(tài)。
圖像匹配系統(tǒng)27包括一個數(shù)字轉(zhuǎn)換器29，它將比如在X射線膠片23上生成的模擬圖像和比如由電子門口圖像生成器25生成的門口圖像數(shù)字化。更一般地講，匹配系統(tǒng)27匹配X射線圖像，比如門口圖像，與基準(zhǔn)圖像，比如模擬圖像。
圖像匹配系統(tǒng)27還包括一個處理器31，后者包括一個近似匹配模塊33和緊隨該模塊之后的精細(xì)匹配模塊35。該處理器的輸出可以是顯示于一顯示裝置37上的匹配的門口(X射線)和模擬(基準(zhǔn))圖像。與顯示裝置37相連的是接口裝置39，可包括一個鍵盤41和一個定位裝置43，比如鼠標(biāo)或者跟蹤球。
圖2a到2c以圖解說明了本發(fā)明可用于匹配門口X射線圖像和模擬基準(zhǔn)圖像。圖2a表示用模擬設(shè)備1輸出的模擬圖像45。由于這幅圖像用的是低能量X射線，故生成的圖像具有良好的對比度和清晰度，因此患者的輪廓47和骨骼結(jié)構(gòu)49都可以與腫瘤51一同得以體現(xiàn)。圖2b圖解了門口圖像，由于系用更高能量的治療射束所拍攝的，該圖像中的治療區(qū)域55呈現(xiàn)為均勻的黑斑。治療區(qū)域55的不規(guī)則邊緣是由用于平行光管13中用來將射束11′大致規(guī)范為腫瘤形狀的葉片造成的。門口圖像55的其余部分清晰度非常低，未指示出骨骼的位置。如圖中所見，兩幅圖像45和53可以各自相對于對方作平動、縮放不同的比例、扭曲和旋轉(zhuǎn)(在本例中是90°)。兩幅圖像在透視和曲率方面也可不同。
近似匹配模塊33實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的大致匹配，然后精細(xì)匹配模塊35利用增強(qiáng)移位變形(robust motion flow)迅速、精確地完成圖像的匹配。顯示裝置37可以以各種不同的方式顯示匹配圖像。在一種實(shí)施例中，顯示裝置37以6到20Hz，但通常是約12Hz的頻率交替顯示兩幅圖像，從而使觀察者可觀察到重疊為一個復(fù)合圖像59的圖像，如圖2c所示。在本實(shí)施例中可以看到，匹配的門口圖像中的治療區(qū)域55′重疊在匹配的模擬圖像中的腫瘤51′上。在另一種顯示類型中(圖中未示出)，門口圖像中治療區(qū)域的輪廓被投影到處理過的模擬圖像上，因而可以從中看出目標(biāo)腫瘤是否真的受到了治療。
在進(jìn)行近似匹配時，向數(shù)字化的X射線或者門口圖像信號(DPIS)施加一次初步變換，將它們轉(zhuǎn)換到數(shù)字化基準(zhǔn)或模擬圖像信號(DSIS)的坐標(biāo)系中。下面將會看到，生成該變換所需的信息，既可以由操作者人機(jī)交互地使用定位裝置43選擇兩圖像中看來是對應(yīng)點(diǎn)者，從而人機(jī)交互地生成，也可以使用在模擬設(shè)備和治療設(shè)備(見圖1)中均放置在患者身上的不透X射線的基準(zhǔn)點(diǎn)61自動生成。無論在哪種情況下，如此生成的點(diǎn)均稱為種子點(diǎn)。從門口圖像坐標(biāo)到模擬坐標(biāo)的初步變換H是這樣的
(式1)向量(x,y)表示在相應(yīng)的門口和模擬圖像中每一種子點(diǎn)的中心的列坐標(biāo)和行坐標(biāo)。上述矩陣中的四個“旋轉(zhuǎn)扭曲比”元素描述了近似匹配所述圖像所需的完全仿射變換(affine transformation)。在此階段，基準(zhǔn)點(diǎn)的放置或者種子點(diǎn)的交互式選擇都不必精確，因?yàn)橄乱浑A段能夠適應(yīng)合理的小偏差。
利用近似匹配的結(jié)果，門口圖像被朝向模擬圖像牽引。然后，兩幅圖像的重疊區(qū)域用計算機(jī)增強(qiáng)，以使得相應(yīng)的明暗度水平相近。最后，計算移位變形或者細(xì)調(diào)變換，以使門口圖像沿著相異梯度朝向模擬圖像滑移。在此階段，使用一種更為全面的變換模型，其中，輸入位置向量以下式表示X(x)=1xy000x2x·y00001xyx·yy2x2]]>(式2)而變換矩降表示為Q=[α0α1α2α3α4α5p0p1c]T(式3)因此結(jié)果是u(x；Q)=X(x)·Q (式4)其中Δ門口圖像(x；Q)=u(x；Q)，門口圖像(x)=X(x)。參數(shù)p0到p1是近似匹配中的仿射變換，而參數(shù)、則是透視變換，c則用來糾正呼吸等可能導(dǎo)致的變形。
為了還原向量的參數(shù)，將圖像的相異性表示為移位變形，或者兩圖像間的距離的表達(dá)式I(x,t)=I(x-(X(x)·Qf,t+1))(式5)x∈f，其中f為在其上計算變換的圖像區(qū)域。在(式5)中，I(x)是在點(diǎn)x處的明暗度函數(shù)，t+1的圖像是門口圖像，t的圖像是模擬圖像。運(yùn)用各種推導(dǎo)技巧，可將移位變形用梯度(或者說相異梯度)表達(dá)為下式
(式6)x∈f。
在此階段，利用無約束優(yōu)化，使用一種增強(qiáng)回歸法，來計算Q的各元素(見(式3))。這種計算方法使得能夠?qū)Ω对诮破ヅ潆A段產(chǎn)生的合理小的偏差，以及兩幅圖像間的任何殘余相異點(diǎn)。增強(qiáng)技術(shù)的使用確保了只對主要變形加以恢復(fù)，而不會有受噪聲和殘差影響的風(fēng)險。
圖3到圖11是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件的程序方框圖。圖3圖解了主程序100，它包括近似匹配的執(zhí)行。所述近似匹配或者在模塊110人機(jī)交互式地進(jìn)行，或者在模塊120自動進(jìn)行。在兩種情況下，都用式1計算出門口圖像和模擬圖像間的變換的一個粗略近似值。使用者然后可以在130選擇判斷該粗略近似是否可使圖像令人滿意地匹配。如果是，該過程就完成了。如果不是，就進(jìn)行精細(xì)匹配。如前所述，本發(fā)明還可用于跟蹤患者的位移，在這種情況下，在140利用兩幅圖像間的變換粗略地判斷所述基準(zhǔn)點(diǎn)的最新位置。如果在圖像匹配和跟蹤過程中得到使用者的要求，就在150對圖像進(jìn)行處理，以便進(jìn)行精細(xì)匹配。然后在160計算精確圖像變換，并且，如果按照170的判定選擇了圖像匹配模式，變換就完成，并在180按前述方式顯示圖像。如果在190選擇了跟蹤模式，程序就返回140，以生成下一位置的圖像。然后，在200，使用者再次作出最終判斷，確定圖像匹配是否令人滿意。若否，程序就返110，重新開始進(jìn)行粗略匹配的計算。
在圖3中的模塊110所要求進(jìn)行的對人機(jī)交互式變換的粗略近似值的計算過程詳細(xì)地示于圖4中。使用者例如如111所示使用鼠標(biāo)43在門口圖像和模擬圖像中選擇相應(yīng)的種子點(diǎn)或種子區(qū)域。然后利用所選中的區(qū)域或者點(diǎn)，調(diào)用如112所指示的程序A計算門口圖像和模擬圖像間的粗略變換。然后利用該粗略變換，調(diào)用如113所指示的程序B，將門口圖像變換到模擬圖像坐標(biāo)系。然后如114所示在顯示器37上顯示所述圖像。
用來計算所述粗略變換的程序A的細(xì)節(jié)示于圖5中。如果使用者在A1指定了一個確定區(qū)域，如A2所示，系統(tǒng)就自動地從該區(qū)域內(nèi)部選擇隨機(jī)點(diǎn)。然后，或者如果使用者選擇的是點(diǎn)而不是區(qū)域，就利用相應(yīng)的點(diǎn)對，運(yùn)用最小二乘法(LSQ,least squares)計算變換參數(shù)，如A3所示。
將門口圖像變換到模擬圖像坐標(biāo)系的程序B的細(xì)節(jié)示于圖6中。首先，在B1，利用變換矩陣H確定變換所得門口圖像的行限和列限，這是式1的逆過程。然后，在B2用掃描柵掃描所得的門口圖像，并利用所述變換確定每一像素的位置。下一步就利用每一像素在初始門口圖像中其周圍像素位置之間的線性插入，計算每一像素的明暗度值。
利用放置在患者身上的基準(zhǔn)點(diǎn)自動進(jìn)行近似匹配的程序120示于圖7中。在121，在門口圖像和模擬圖像中均探測到不透X射線的基準(zhǔn)點(diǎn)61，并在122識別出相應(yīng)的標(biāo)志。然后在123利用圖5所示的程序A，并將每一標(biāo)志的面心作為所述種子點(diǎn)，來計算出圖像變換。然后在124，利用計算出的變換和圖6所示的程序B，將門口圖像變換到模擬坐標(biāo)系。當(dāng)在125確定為匹配模式時，在126以前文結(jié)合圖2a到圖2c所述的方式顯示圖像。
為進(jìn)行精細(xì)匹配而對近似匹配的數(shù)字化圖像信號進(jìn)行處理的程序150示于圖8中。首先，在151，利用式1的變換計算模擬圖像和門口圖像間重疊的交叉區(qū)域。然后，在152計算出內(nèi)接所述交叉區(qū)域的最大的矩形區(qū)域。這里，可用其他的規(guī)則幾何形狀，比如正方形等，來取代所述矩形。在153，形成顯示出門口圖像和模擬圖像的矩形交叉區(qū)域的新圖像。然后在154增強(qiáng)所得圖像，生成處理過的數(shù)字化圖像信號。各種增強(qiáng)方法，比如頻率分布均衡(histogram equalization)、高斯法之拉普拉斯算法、高通濾波以及其他技術(shù)，均可用來生成動態(tài)范圍和像素密度相近的所述處理圖像。
圖9示出的是用來計算用來作精細(xì)匹配的最新變換的程序160。該過程在數(shù)字化圖像信號的若干分辨率水平上執(zhí)行，并從最低分辨率，在本例中約為八分之一分辨率，開始。這樣，在161，針對門口和模擬處理圖像，形成最低分辨率的圖像。這些圖像用最近更新的變換參數(shù)，即在162按前一分辨率水平計算的變換參數(shù)，予以更新。本發(fā)明的一個重要方面是，使用增強(qiáng)移位變形進(jìn)行精細(xì)匹配。具體來說，在163生成移位變形梯度分量。利用梯度分量而對移位變形加以應(yīng)用，這已由M.J.Black和P.Anandan在下述論文中論述過A Framework For TheRobust Estimation Of Optical Flow，發(fā)表于1993年5月德國柏林4th Intl.Conf.on Computer Vision(ICCV93)的會刊上。移位變形應(yīng)用于使一幅圖像上的像素流變至與另一圖像中的相應(yīng)像素匹配所需的位移。增強(qiáng)移位應(yīng)用于這樣的位移由之移動的大多數(shù)像素的位移都是相似的，但可能存在表現(xiàn)出不同位移的其他像素。然后，在164利用增強(qiáng)優(yōu)化計算出最新圖像變換參數(shù)。如果在165判斷出還沒有達(dá)到分辨率的上限，就在166對分辨率加一，然后在新的分辨率水平上重新計算最新變換參數(shù)。
如果在165已達(dá)到了最高分辨率水平，就在167生成最終變換矩陣Q。圖9的模塊164的利用增強(qiáng)優(yōu)化計算最新圖像變換參數(shù)的程序的細(xì)節(jié)示于圖10中。前述Black和Anandan的論文指出，增強(qiáng)移位由稱為內(nèi)點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示。而那些表現(xiàn)出其他位移方式的數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為外點(diǎn)。在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)點(diǎn)就是像素值。基于其對一致移位變形向量的貢獻(xiàn)，像素被依次劃分為內(nèi)點(diǎn)和外點(diǎn)。內(nèi)點(diǎn)集合中的像素用來計算主要移位變形，而這些像素對主要移位變形的貢獻(xiàn)依賴于它們在增強(qiáng)優(yōu)化過程中計算出的權(quán)重因數(shù)。
下面具體地參看圖10。在164.1進(jìn)入一個循環(huán)，在此，用各自的權(quán)重因數(shù)對每一內(nèi)點(diǎn)加以標(biāo)記。最初，所有像素的權(quán)重因數(shù)都設(shè)為1，因此所有的像素都是內(nèi)點(diǎn)。在164.2，設(shè)定一個優(yōu)化參數(shù)σ，該參數(shù)確定了程序?qū)ν恻c(diǎn)的靈敏度。所述權(quán)重因數(shù)依賴于該參數(shù)σ。σ的值越小，就有越多的點(diǎn)被從內(nèi)點(diǎn)中剔除，內(nèi)點(diǎn)也就更接近于成為移位變形向量的當(dāng)前估值。因此，最初使用的是很大的σ，以將所有的點(diǎn)都包括進(jìn)去。在下一個循環(huán)中，減小σ，以剔除越來越多的外點(diǎn)。這種對σ的調(diào)低稱為σ調(diào)度。σ調(diào)度必須仔細(xì)進(jìn)行。如果將σ減小得太快，就有可能漏掉一種解決方案，而另一方面，σ減小得太慢又會增加處理時間。按照本發(fā)明，σ的減小是基于移位變形參數(shù)的最大誤差進(jìn)行的。按照這種方案，在164.3進(jìn)入另一個循環(huán)，在該循環(huán)中，在164.4，在Q矩陣的變換參數(shù)的最新值的計算中，每一個內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)都用到。在164.4所用的公式最好利用共軛梯度(conjugate gradient)推導(dǎo)而來，但也可以利用梯度降(gradient descent)推導(dǎo)。另外，在推導(dǎo)用來確定變換參數(shù)的公式時，還利用移位變形和增強(qiáng)統(tǒng)計法。在164.5，變換參數(shù)中的誤差，也就是與上一次計算相比產(chǎn)生的變化，以及σ，都被用來調(diào)整像素的權(quán)重因數(shù)。當(dāng)在164.3判定所有的內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)/像素都已使用過時，就在164.6進(jìn)行檢核，判斷分辨率是否已收斂于所希望的值。如果不是，程序就返回164.1，利用最新權(quán)重因數(shù)重新標(biāo)記內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
圖11圖解了140的跟蹤程序。如141所示，將漸進(jìn)更新與變換矩陣H和/或Q相綜合，以使得變換總是向后與初始模擬或基準(zhǔn)圖像相關(guān)。在初次執(zhí)行跟蹤程序時，如果使用了模擬圖像的話，當(dāng)時的門口圖像就取代模擬圖像，然后在143獲取新的門口圖像。當(dāng)跟蹤過程繼續(xù)時，后續(xù)的門口圖像與緊鄰的前一門口圖像相匹配，生成最新變換。如144所示，基準(zhǔn)點(diǎn)的后續(xù)位置或者說后續(xù)圖像中基準(zhǔn)點(diǎn)圖像的變化，被用來生成跟蹤信號，以控制放射治療設(shè)備，比如開關(guān)射束，和/或驅(qū)動患者定位系統(tǒng)。
盡管前面詳細(xì)說明的是本發(fā)明的特定實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)知道，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，根據(jù)本公開文件的總體精神，可針對本發(fā)明的各部分發(fā)展出各種改進(jìn)和替代方案。因此，本文件中公開的特定方案只是解釋性的，而不是對發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明的范圍完全覆蓋所附的權(quán)利要求及其任何和所有的等同方案。
權(quán)利要求
1.自動匹配門口圖像(53)和模擬圖像(45)的設(shè)備(27)，包括數(shù)字化所述門口圖像(53)和模擬圖像(45)，以分別生成數(shù)字化門口圖像信號(DPIS)和數(shù)字化模擬圖像信號(DSIS)的裝置(29)；處理裝置(31)，用來處理所述DPIS和所述DSIS，以生成匹配的DPIS和DSIS；和輸出裝置(37、140)，用來從所述匹配的DPIS和DSIS產(chǎn)生輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(27)，其中，所述處理裝置(31)包括從所述DPIS和DSIS生成近似匹配的DPIS和DSIS的近似匹配裝置(33)，以及精細(xì)匹配裝置(35)，后者針對所述模擬圖像和門口圖像的重疊區(qū)域，從所述近似匹配的DPIS和DSIS生成所述匹配的DPIS和DSIS。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備(27)，其中，所述近似匹配裝置(33)包括在由所述DPIS代表的所述門口圖像(53)和由所述DSIS代表的所述模擬圖像(45)中選擇相應(yīng)的種子點(diǎn)的裝置(111、121、122)，從所述相應(yīng)的種子點(diǎn)計算所述門口圖像(53)和所述模擬圖像(45)間的變換的裝置(112、123)，以及，將所述變換施加于所述DPIS和DSIS之一，以同所述DPIS和DSIS中的另一個共同生成所述近似匹配的DPIS和DSIS的裝置(113、124)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備(27)，其中，所述選擇相應(yīng)種子點(diǎn)的裝置(111)是在由所述DPIS和DSIS生成的顯示圖像中選擇相應(yīng)點(diǎn)的交互式裝置(43)。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備(27)，其中，所述選擇相應(yīng)種子點(diǎn)的裝置(121、122)包括探測所述DPIS和DSIS中不透X射線的基準(zhǔn)點(diǎn)的裝置(121)，和將所述DPIS和DSIS中的相應(yīng)基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記為所述相應(yīng)種子點(diǎn)的裝置(122)。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備(27)，其中，所述精細(xì)匹配裝置(33)包括從所述近似匹配的DPIS和DSIS生成處理過的DPIS和DSIS的裝置(150)，從所述處理過的DPIS和DSIS生成最新變換的裝置(161-165)，以及將所述最新變換施加于所述近似匹配的和處理過的DPIS和DSIS之一，以生成所述匹配的DPIS和DSIS的裝置(167)。
7.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備(27)，其中，所述精細(xì)匹配裝置(33)包括從所述近似匹配的DPIS和DSIS生成處理過的DPIS和DSIS的裝置(150)，從所述處理過的DPIS和DSIS生成最新變換的裝置(161-165)，以及將所述最新變換施加于所述近似匹配的和處理過的DPIS和DSIS之一，以生成所述匹配的DPIS和DSIS的裝置(167)。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述處理過的DPIS和DSIS的裝置(150)，包括針對由交叉的所述DPIS和DSIS所代表的圖像區(qū)域，選擇被選中的DPIS和DSIS的裝置(151、152)。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述處理過的DPIS和DSIS的裝置(150)還包括增強(qiáng)所述被選中的DPIS和DSIS的裝置(154)。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備(27)，其中，選擇所述被選中的DPIS和DSIS的裝置(151、152)還包括，在由所述DPIS和DSIS所代表的圖像的一部分具有預(yù)定規(guī)則形狀的區(qū)域內(nèi)選擇DPIS和DSIS的裝置(152)。
11.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(27)，其中，生成所述最新變換的裝置(161-165)包括從所述處理過的DPIS和DSIS生成移位變形分量的裝置(163)，以及從所述移位變形分量計算所述最新變換的計算裝置(164)。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成移位變形分量的裝置(163)生成移位變形梯度分量，所述計算裝置(164)包括運(yùn)用增強(qiáng)優(yōu)化計算所述最新變換的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述最新變換的裝置(161-165)包括利用所述生成移位變形梯度分量的裝置(163)和所述計算裝置(164)的裝置(161、162、166)，所述計算裝置(164)反復(fù)地利用所述處理過的DPIS和DSIS的漸次遞增的分辨率水平進(jìn)行計算。
14.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述最新變換的裝置(161-165)包括利用所述處理過的DPIS和DSIS的漸次遞增的分辨率水平生成所述最新變換的裝置(161、162、166)。
15.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述最新變換的裝置(161-165)包括向所述處理過的DPIS和DSIS施加增強(qiáng)移位變形的裝置(164)。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備(27)，其中，所述向所述處理過的DPIS和DSIS施加增強(qiáng)移位變形的裝置(164)，向分辨率水平漸次遞增的所述DPIS和DSIS施加增強(qiáng)移位變形。
17.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(27)，其中，所述輸出裝置(37、140)包括從所述匹配的DPIS和DSIS生成顯示圖像(59)的顯示裝置。
18.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(27)，其中，所述輸出裝置(37、140)包括跟蹤由所述DPIS代表的所述圖像的位移的跟蹤裝置(140)。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備(27)，其中，所述輸出裝置(37、140)還包括將患者相對于生成所述門口圖像(53)的放射束(11)定位的定位裝置(15′)，以及，根據(jù)所述跟蹤裝置(140)所跟蹤到的位移控制所述定位裝置(15′)的裝置。
20.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備(27)，其中，所述輸出裝置(37、140)包括，根據(jù)所述跟蹤裝置(140)所跟蹤到的位移，控制生成所述門口圖像(53)的放射束(11)的生成的裝置(9′)。
21.匹配門口圖像(53)以控制放射治療/診斷設(shè)備的設(shè)備(27)，包括數(shù)字化相繼的門口圖像以生成相繼的數(shù)字化門口圖像信號(DPIS)組的裝置(29)；和跟蹤相繼DPIS組間的位移的跟蹤裝置(140、150、160)。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備(27)，其中，所述跟蹤裝置(140、150、160)包括通過向所述相繼的DPIS組施加增強(qiáng)移位變形而生成相繼門口圖像(53)之間的最新變換的裝置(160)，以及利用所述最新變換跟蹤所述相繼的DPIS組之間的所述位移的裝置(140)。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述最新變換的裝置(160)包括從所述相繼的DPIS組生成增強(qiáng)移位變形的裝置(163)，以及利用所述移位變形分量計算相繼的門口圖像間的所述最新變換的裝置(164)。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成移位變形分量的裝置(163)生成移位變形梯度分量，所述計算裝置(164)包括運(yùn)用增強(qiáng)優(yōu)化計算所述最新變換的裝置。
25.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備(27)，其中，所述生成所述最新變換的裝置(160)包括利用所述生成移位變形梯度分量的裝置(163)和所述計算裝置(164)的裝置(166)，所述計算裝置(164)反復(fù)地利用所述相繼的DPIS組的漸次遞增的分辨率水平進(jìn)行計算。
26.自動匹配X射線圖像(53)與基準(zhǔn)圖像(45)的設(shè)備(27)，包括數(shù)字化所述X射線圖像(53)和基準(zhǔn)圖像(45)，以分別生成第一數(shù)字化圖像信號和第二數(shù)字化圖像信號的裝置(29)；處理裝置(31)，它不必輸入所述圖像中的任何特征的任何物理尺度即可處理所述第一和第二數(shù)字化信號，以生成匹配的數(shù)字化圖像信號；和顯示裝置(37)，用來從所述匹配的數(shù)字化圖像信號生成顯示圖像(59)。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備(27)，其中，所述處理裝置(31)包括從所述第一和第二數(shù)字化圖像信號生成近似匹配的數(shù)字化圖像信號的近似匹配裝置(33)，針對所述X射線圖像和基準(zhǔn)圖像的重疊區(qū)域，利用增強(qiáng)移位變形，生成所述近似匹配的數(shù)字化圖像信號間的變換的精細(xì)匹配裝置(35、160)，以及將所述變換施加于所述近似匹配的數(shù)字化圖像信號之一以生成所述匹配的數(shù)字化圖像信號的裝置(167)。
28.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備(27)，其中，所述精細(xì)匹配裝置(35)包括增強(qiáng)所述近似匹配的數(shù)字化圖像信號以生成具有相近的動態(tài)范圍和像素密度的處理過的近似匹配圖像信號的裝置(154)，以及利用增強(qiáng)移位變形生成所述處理過的近似匹配數(shù)字化圖像信號間的所述變換的裝置(160)。
全文摘要
用設(shè)備(27)來匹配X射線圖像(53),比如放射治療門口圖像,和模擬圖像(45)。設(shè)備(27)將所述圖像數(shù)字化,并對數(shù)字化信號自動進(jìn)行處理,生成匹配的數(shù)字化信號,后者可被顯示,以用于比較。所述數(shù)字化圖像首先利用從種子點(diǎn)生成的變換進(jìn)行近似匹配(33)。所述種子點(diǎn)是從所述兩幅圖像中交互式地選擇的(110),或者是通過對放置在患者身上的不透X射線的基準(zhǔn)點(diǎn)的探測和識別而選擇的。然后進(jìn)行精細(xì)匹配(35)。首先,選擇所述兩幅圖像的交叉區(qū)域(150),并增強(qiáng)所述區(qū)域(154)。然后,利用在所述區(qū)域中的增強(qiáng)移位變形,在漸次遞增的分辨率水平上生成最新變換(160)。然后利用所述最新變換匹配所述圖像(167),并將匹配圖像顯示出來以供比較。所述最新變換也可用來控制放射治療裝置(140)。
文檔編號G06K9/64GK1235684SQ97199273
公開日1999年11月17日 申請日期1997年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月29日
發(fā)明者安德烈·M·卡倫德, 喬爾·戈林伯格, 卡倫·B·西莫格, 查勒拉伯斯·阿薩納西歐, 塔克·卡納德 申請人:匹茲堡大學(xué)高等教育聯(lián)邦體系