四维CT图像时空融合肺的运动建模及弹性参量反演

Four-dimensional computed tomography (4DCT) image guided radiotherapy (IGRT) is an efficient technique in lung cancer treatment. However, respiratory motion introduces uncertainties in tumor location and lung deformation, which results in difficulties locating tumors and delivering dose to tumors. Meanwhile, respiratory motion often causes artifacts that degrade the quality of 4DCT images and reduce the accuracy of IGRT. To solve these problems, we focus on developing algorithms for lung motion modeling and elastic parameter inversion. The main work includes:(1) designing deformable registration algorithm under the Bayesian framework, in which a regularization term penalizes deformation field while a data fidelity term, as a combination of image factures and spatial information, measures the image alignment under a transformation,(2) modeling the lung dynamic trajectory over the respiratory cycle using spatial-temporal optimization, which is used for reduction of 4DCT image artifacts, and (3) establishing the anistropically and physically elastic model with inversion of elastic parameters for quantification of the lung inhomogeneity. This work is of great significance in development of precise dynamic radiotherapy for lung cancer.

四维CT图像引导的放射治疗技术是治疗肺癌的一种有效手段。然而，呼吸运动引起肺器官的变形和肺部肿瘤位置的不确定性，给肿瘤定位和剂量传输带来困难。同时，呼吸运动常导致图像中存在大量伪影，降低图像质量，影响四维CT图像引导放射治疗肺癌的准确性。针对这些问题，项目研究肺的运动建模与弹性参量反演算法，主要开展的工作包括：（1）融合图像特征与空间信息的数据保真项和变形场正则先验，在贝叶斯框架下构建变形配准方法；（2）联合时空信息优化，构建肺的周期性呼吸动态轨迹模型，并基于轨迹模型去除四维CT图像伪影；（3）建立各向异性的物理弹性模型，反演肺的弹性参量分布，量化肺组织的异质化程度。本项目对肺癌的精确动态放射治疗的发展具有重要意义。

四维CT图像引导的放射治疗技术是治疗肺癌的一种有效手段，本项目针对图像引导放射治疗中四维CT图像配准、呼吸运动建模、物理弹性建模等关键问题，重点开展的工作包括：（1）CT图像配准：根据肺器官在呼吸过程中表现出的可压缩特性、灰度变化特性以及变形场的光滑性约束，基于可压缩流理论创建数据保真项，结合变形场的平方L2范数作为正则项构建相似性测度，提出了一种基于可压缩流的B样条自由形变配准方法，实验结果表明，该方法能够准确配准肺部CT图像；充分考虑肺部CT图像的灰度变化特性，通过在差方和相似性测度中引入灰度变化项，提出了一种基于改进差方和的并行块匹配图像配准方法，并依托GUP快速实现图像配准；设计并实现了一套医学图像配准与评估系统，支持选择不同的配准方法，并对配准结果进行定性和定量评价。（2）呼吸运动建模：综合利用肺的生理学特性和呼吸信号特征，提出了一种基于压缩流的余弦变换轨迹模型，此外，提出了一种基于贝叶斯的多项式轨迹模型，实验表明，所提出的两种轨迹模型均优于常用的线性轨迹模型，具有准确预测肺的呼吸运动的能力；基于呼吸运动轨迹建模理论，结合四维CT时相特点，提出了一种时相优化的方法，能够准确检测并去除四维CT图像伪影，提高了图像质量。（3）物理弹性建模：将基于灰度的配准方法与有限元方法结合，提出了一种肺的非均匀物理弹性建模方法，通过反演弹性参量分布，构建肺的非均匀物理形变模型。本项目开展的这些工作对四维CT图像引导放射治疗肺癌具有重要意义。