重离子放疗计划系统中基于医学图像处理的若干关键问题研究

重离子束以其对健康组织辐射损伤小、对肿瘤靶区杀伤力大、可准确定位和精确控制照射剂量，成为当今国际上最先进、最有效的放疗手段。基于医学图像处理的治疗计划软件系统是放疗专家赖以制定适形治疗方案必不可少的软件系统。项目组在已研究完成的重离子放疗计划软件系统的基础上跟踪国际上重离子放疗技术的最新进展，研究建立适合于重离子放疗的在线四维医学影像配准算法并进而实现多叶准直器参数的在线调整、建立基于模糊神经网络的CT与MRI医学图像融合算法、建立实时的三维交互式分割算法、建立基于CT数据的分层适形照射重离子剂量计算模型，并选择可满足在线重离子剂量验证的PET与CT的配准算法，为进一步优化重离子放射治疗计划系统提供理论基础及技术支持。项目的研发将为重离子放疗中肿瘤靶区的精确定位及准确剂量计算及验证打下坚实基础，为在我国实现全体位重离子放射治癌提供基础研究。

重离子束以其对健康组织辐射损伤小、对肿瘤靶区杀伤力大、可准确定位和精确控制照射剂量，成为当今国际上最先进、最有效的放疗手段.随着重离子放疗技术在我国的深入发展及逐步推广应用，对联接重离子放疗硬件装置与临床治疗的放疗计划软系统提出了更高的要求。本项目按计划目标，对重离子放疗计划系统涉及到的图像配准、多模医学图像融合、2D/3D交互式分割、三维重建以及重离子剂量分布可视化等关键算法进行了研究，形成了一系列的研究成果。将提升小波变换与脉冲耦合神经网络相结合进行多模医学图像融合，有效地保留了病人图像中关键组织及靶区的边缘和细节信息，为后续病情诊断及计划的精确制定提供了保障；建立了基于径向其模糊神经网络的医学图像融合模型，使感兴趣区域边缘模糊的图像取得了较好的融合效果。提出了基于子区域相似度的医学图像分割算法，针对不同几何形状不同灰度特征的组织器官可交互确定向内或向外扩展的初始轮廓，提高了分割的速度及精度；基于live-wire算法建立了三维交互式医学图像分割算法，有效提高了放疗计划制定中序列图像的交互式分割速度；提出了基于虚拟切片的医学图像三维分割算法，通过序列图像的经纬度互换分割，提高了三维分割的速度；为了有效利用核磁共振图像对软组织尤其是浸润性肿瘤比较敏感，有利于病灶范围确定的特点，建立了核磁共振图像偏场估计和分割算法。由于人体内部组织形变复杂多样，而放疗中涉及到不同病人不同组织病变，单一配准方法很难达到理想精度，项目将配准过程视为有限元求解二维平面应力问题并对有限元能量函数进行改进,建立了互信息驱动的有限元医学图像配准算法；针对受呼吸影响大的乳房组织，提出了基于DEMONS的四维乳房医学影像配准算法；在配准寻优过程中使用萤火虫算法对互信息函数进行全局寻优，克服了因互信息函数具有多目标极值而容易陷入局部最优的问题，提高了配准精度及速度；为了在线验证重离子束治疗计划, 选择了可满足在线重离子剂量验证的PET与CT的配准算法。在建立快速三维体绘制算法的基础上建立了基于CT数据的分层适形照射重离子剂量可视化分布模型并获取了多叶准直器参数。在以上图像处理关键算法研究的基础上，优化了项目组已开发的重离子放射治疗计划软件系统。项目的研发为重离子放疗中肿瘤靶区的精确定位及准确剂量计算及验证打下了基础，为我国重离子放射治癌的研究及应用提供了理论及技术支持。