用于模拟胸部4DCT的方法技术

通过首先从单次胸部CT扫描生成表面网格，模拟四维(4D)计算机断层扫描(CT)。四面体分割被应用至表面网格，以获得第一体积网格。使用边界约束和负载定义，将有限元分析应用至第一体积网格，以根据Ogden模型获得肺变形。使用控制点，将受约束四面体分割应用至肺变形，以获取第二体积网格，然后使用质量-弹簧-阻尼器模拟使第二体积网格变形，以产生4DCT。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体设及四维计算机断层扫描（4DCT)，并且更具体地，设及模拟用于放射 治疗计划的呼吸。
技术介绍
[000引四维计算机断层扫描（4DCT)的使用是用于胸部区域的放射线治疗计划的普通实 践。来自4DCT的信息允许放射肿瘤学家计划用于移动肿瘤的准确治疗，在呼吸周期内在预 定特定间隔内传送放射线，并且降低治疗相关的副作用的风险。 用于4DCT的方法包括回顾片层分类、W及预期窦腔X线照片选择。对于回顾片层 分类方法，在比呼吸周期长的时间间隔内，连续地获取投影数据。对应于不同时间的多个片 层被重建并且使用多种呼吸信号被分类为呼吸时相仓库化in)。对于预期窦腔X线照片选 择方法，通过呼吸信号触发扫描仪。然后，在相同呼吸时相仓库内的投影数据被用于重建与 该呼吸时相对应的CT片层。 两种方法都是耗时的，并且大大增加了对于病人的放射线剂量。例如，传统4DCT 扫描的放射线剂量是典型螺旋CT扫描的大约六倍，并且是胸部X-线的500倍。而且，4DCT 获取单独不能原位确定肿瘤位置。该些事实是4DCT的临床应用中的主要问题，激发先进 4DCT模拟器的开发。 已知各种方法用于对肺膨胀和收缩建模。第一种方法使软组织和骨头离散化为质 量（mass)(节点），并且基于质量-弹黃-阻巧器系统、W及用于基于样条（spline)的数学 屯、脏躯干幻象、基于增强现实的医学可视化、呼吸动画、W及肿瘤运动建模的CT扫描值使 用弹黃和阻巧器（边缘）连接所述节点。普通方法将仿射变换应用于控制点W模拟呼吸运 动。肺和身体轮廓链接至周围肋骨，用于同步扩张和收缩。当与基于连续介质力学的准确 模型相比时，该些简单且快速的方法仅提供近似的肺变形。 第二种方法使用超弹性模型来描述肺的非线性应力-应变行为。为了模拟两个呼 吸时相（Ti,Tw)之间的肺变形，在时相Tw处的肺形状被用作接触或约束表面，并且基于 肺的预定机械特性，在时相Ti处使肺变形。在肺表面上施加负压力负载，并且使用有限元 (阳）分析W使组织变形。肺根据负压力扩张，并且相对接触表面滑动，W模拟胸膜液机制。 该压力可W根据从肺符合性测试测量的胸膜压力与肺体积曲线估计。 除了肺变形之外，胸腔和横隔膜的位移对于设计现实4DCT模拟器也非常重要。胸 腔运动可W是刚性转变。有限螺旋轴（finitehelicalaxis)方法可W被用于模拟胸腔的 运动学行为。该方法可W被发展为使肋骨运动与用于肺模拟的胸部外表面运动相关的胸壁 模型。 简单的横隔膜模型包括中屯、腫和外周肌纤维。然后，将头尾（CC)力施加至肌纤维 的每个节点，W模拟横隔膜的收缩。Gauchy-Green变形张量可W对肺变形建模。胸腔内的 器官可W被认为是凸气球，W通过皮肤标记物运动的插值直接估计内部变形场。
技术实现思路
本专利技术的实施方式提供用于模拟胸部4DCT的方法。该方法使用生物力学运动模 型，所述生物力学运动模型可W在整个呼吸循环内忠实地模拟肺和附近器官的变形。还可 W模拟其它器官的变形。 作为优点，该方法仅要求单次CT扫描作为输入。胸腔和横隔膜上的负载约束肺的 变形。该使本方法区别于基于传统连续机制的方法。该方法还可W基于由于呼吸导致的腹 部器官的变形，模拟无源质量-弹黃模型。 肺应力-应变行为使用超弹性模型进行建模。肺变形问题提供有限元（阳）分析 解决。横隔膜控制点和脊椎区域被分割出来，W谨慎地定义边界条件和负载定义，并且使用 网格优化过程改进FE集中。 剩余CT体积被当做由弹黃和阻巧器连接的离散化质量点。可W使用有限差值分 析，模拟肝脏、骨头和其它器官的运动。 该异类设计能够W非常高的准确度对肺变形建模，同时在实际计算约束下实现其 余CT体积的变形的方式，达到连续机制和质量-弹黃-阻巧器系统的优点。【附图说明】 图1是根据本专利技术的实施方式的用于模拟胸部4DCT的方法的流程图； 图2是根据本专利技术的实施方式的用于模拟胸部4DCT的方法的流程图； 图3是根据本专利技术的实施方式的用于最大化区域覆盖的高斯函数的采样2D轴向 视图； 图4是根据本专利技术的实施方式的用于肺体素（voxel)的密集3D点云的图像； 图5是根据本专利技术的实施方式的在将图4的云的点转换为权重图之后肺的图像； 图6是根据本专利技术的实施方式的采样权重图； 图7是根据本专利技术的实施方式的用于权重计算过程的肺表面上的采样块的示意 图； 图8是根据本专利技术的实施方式的从外部边界掩盖肺的内部区域的示意图； 图9是根据本专利技术的实施方式的在图8的掩盖之后形成的带状物的示意图； 图10是根据本专利技术的实施方式的不规则的表面网格的示意图；W及 图11是根据本专利技术的实施方式的优化的表面网格的示意图。【具体实施方式】胸部4DCT模拟器方法 图1和图2示出根据本专利技术的实施方式的胸部四维计算机断层扫描（4DCT)模拟 器方法的处理流水线。该方法包括肺变形和4DCT扫描模拟。该方法可W在连接至本领域 中已知的存储器和输入/输出接口的处理器中执行。应该理解，本专利技术还可W用于模拟其 它类型的组织或器官变形，并且利用本领域中已知的其它类型的医学扫描。 到该方法的输入是单次胸部CT扫描101。CT扫描被分割110,W生成肺的表面网 格111。将四面体分割120应用至表面网格，W获得第一体积网格121。[002引使用边界约束和负载定义138,将有限元（阳）分析130应用至第一体积网格，W获 得肺变形131。肺变形根据Ogden模型，其中，基于非线性连续机制使用超弹性函数对肺建 模，使得肺内部的肿瘤运动轨迹准确。 在图2中继续，使用控制点149,将受约束四面体分割150应用至肺变形131，W获 得第二体积网格151，第二体积网格151是第一体积网格的细化。细化的网格与第一体积网 格一致或部分一致或者全部在第一体积网格外部。换句话说，第二网格对应于细化的器官 体积。目P，细化的器官体积在模拟期间准确地表示器官的实际形状。 质量-弹黃-阻巧器模拟160产生模拟的胸部4DCT161。质量-弹黃-阻巧器模 型被用于使CT体积变形。从而，不需要如在现有技术中的钻机笼、脊椎和其它器官的分割。 我们的模拟器可W生成最大呼气时相T。,和最大吸气时相Th之间的任何期望数量 的肺变形，该些变形被用于合成对应的4DCT时相。 该方法可W在存在或不存在组织变形的滞后的情况下构建4DCT时相，其定义肺 体积如何与吸气到呼气运动路径和呼气到吸气运动路径相关联。在没有滞后的情况下，用 于相同肺体积状态的CT扫描相同，不管肺是在吸气到呼气循环中还是吸气到呼气循环中。 对于特定肺体积，我们的方法集合相应的4DCT时相，W生成CT的模拟序列。除了 肺体积之外，胸膜压力和胸部和腹部高度还可W用于同步实时病人特定4DCT，如下所述。 在此描述的方法步骤可W在连接到本领域中已知的存储器和输入/输出接口的 处理器中执行。用于模拟肺变形的生物力学运动模型 [003引边界约束 为了符号的简单起见，我们使用X表示横向、用y表示前后方向（A巧并且用Z表 示上下方向（SI)。对于肺变形，我们基于人类呼吸系统的解剖学和功能，对肺表面定义=种 类型的边界约束。因为肺的上叶受肋骨约束，所W在我们的模拟器中将相应区域的Z位移 固定，W避免当模拟下叶上收缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟四维(4D)计算机断层扫描(CT)的方法，所述方法包括以下步骤：从单次胸部CT扫描生成第一组体积；根据生物力学运动模型使所述第一组体积变形，以获得一组变形体积；使用所述一组变形体积，构建第二组体积；以及使用所述CT扫描，根据质量‑弹簧模型使所述第二组体积变形，以产生4DCT，其中，所述步骤在处理器中执行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·波里克里，李冯，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP