本发明涉及在放射治疗领域，特别涉及一种对颈部精准定位与导航的方法。
背景技术：
1、随着医疗技术的迅速发展，放射治疗(放疗)已经成为治疗癌症和一些其它疾病非常重要的手段。放射治疗使用高能射线或其它形式的辐射来杀死或控制异常细胞的生长，同时最大限度地保护周围的正常组织。为提高治疗的准确性，放疗系统需要精准地将放射剂量辐射到肿瘤组织，同时尽量减小对正常组织的损伤。
2、精准定位和导航是确保放射治疗中持续精准辐射肿瘤关键技术。定位与导航可以使用医学影像(如ct、mri或pet扫描)引导的方式来确定肿瘤的位置、体积和形状，并与治疗计划进行对比，实现对治疗目标的定位与实时跟踪。
3、现有技术的定位与引导的方式主要分为以下几种，且对应存在相应的问题：
4、1.1.1.固定装置
5、头架是一种应用于头部放射治疗设备伽玛刀的固定装置。患者需要戴上特殊设计的头架以确保头部的稳定性。头架通常通过螺丝或夹子紧固到头部来实现精确的定位。
6、头架的主要弊端包括：1)用螺丝紧固到头骨上会给患者带来疼痛与不安，并对头颅造成损伤，增加感染的风险。2)伽玛刀头架主要用于颅内治疗，因此其应用范围有限。对于需要治疗其它部位(如颈部)的患者，头架无法提供适当的固定和定位。
7、1.1.2.ct和mri扫描
8、放射治疗前，医生通常采用ct和mri扫描确定肿瘤及其它器官的解剖学信息，以标记肿瘤和关键结构，确定射线束的方向和剂量分布，并制定治疗计划。
9、但是，术前的ct和mri扫描只能帮助医生在放射治疗前对患者的治疗靶区进行勾勒，而无法完成对于患者在治疗中的实时位置监测与位移校正。
10、1.1.3.表面引导放疗(sgrt or surface-guided radiation therapy)
11、表面引导放疗(sgrt)系统使用视觉摄像头或其他成像设备来捕获患者身体表面的特征。在治疗开始前，sgrt系统捕获患者表面的参考图像作为基准。在治疗过程中，sgrt系统实时监测患者的表面特征，将当前的表面位置与参考图像进行比较，并在检测到偏差时提供反馈、引导射线出束或暂停治疗。
12、但是，sgrt仅可以提供人体表面的位置信息，而患者的体表特征并不总是准确地反映出人体内部肿瘤与器官的位置。因此，sgrt定位的精准度受到人体体表与内部器官位移的不一致性的影响。
13、1.1.4.图像引导放疗(igrt or image-guided radiation therapy)
14、图像引导放疗(igrt)利用医学影像技术，如x射线成像、ct成像、磁共振成像等实时监测放射治疗中患者的身体组织结构并引导射线束的方向。
15、其中，x射线成像能够在获得患者体内解剖结构的二维影像的同时，减少ct扫描产生的辐射剂量。由于其剂量低、设计灵活且易于嵌入到放射治疗设备上的特点，基于x射线成像的定位与导航在一些放射治疗设备中得到了应用。但是，二维的x射线影像相比较三维的ct或mri成像数据量较少。因此，如何使用数据量较少的x射线影像准确定位人体内的三维解剖组织是精准放射治疗行业面对的核心问题。
16、在图像引导放疗过程中，对于人体组织的配准通常有两种模式：刚体配准和非刚体配准。刚体配准适用于相对位置不变，但可能存在旋转或平移的情况，如头部运动。刚体配准将影像进行平移和旋转的刚体变换，在此过程中物体的形状和结构保持不变。相比之下，非刚体配准对空间中每一个点的运动采用个体化的位移校正参数，适用于器官的形态发生变化的情况，如心脏等内脏器官的形变、肿胀等。但其计算方法较为复杂、需要计算的参数较多，需要大量的数据来准确地计算不同位置产生的非一致性位移。
17、在上述两种配准模式之外，脊椎的运动被视为是一种复合模式。由于脊柱的构造和椎间关节的作用，脊椎之间的运动主要包括弯曲、伸展、侧弯、压缩、张开。因此，虽然个体脊椎骨的运动可被认为是刚体运动，脊椎骨之间存在的相对运动使脊椎整体产生了非刚体运动的形态。
18、在放射治疗过程中，患者通常仰卧于治疗床上。在这种状态下，患者的胸椎以及腰椎紧贴治疗床，其位置较为固定，而颈椎则容易因为患者的头部运动而产生位移。因此，颈椎的位移是与头部运动和内脏器官运动模式均有明显区别的一种位移模式。对于治疗颈部肿瘤的精准放射治疗方案而言，颈部的定位与引导有着不同于其它器官的独特的技术特点。一篇报告中指出，如果不对放射治疗中的颈部位移进行校正，有40.8％的剂量会辐射到距离靶点5毫米以外。因此，对颈部的准确定位在精准放疗中有至关重要的作用。
技术实现思路
1、本发明正是针对现有技术存在的问题，提供了一种对颈部精准定位与导航的方法，本发明是通过以下技术方案实现的：
2、本发明公开了一种对颈部精准定位与导航的方法，包括:
3、1)将术前ct影像进行图像分割与提取，得到颈椎骨组织与非颈椎骨组织；从而将颈部的刚体组织颈椎骨与非刚体组织区分开，颈椎骨组织即为刚体组织，非颈椎骨组织为非刚体组织；
4、2)对颈部组织进行实时单角度或多角度x射线影像拍摄，得到颈部组织结构在每个角度的x射线投影图像；
5、3)从ct影像提取出的颈椎骨组织与实时的颈部组织结构在每个角度的x射线投影图像进行配准，以确定颈椎骨的位移，得到颈椎骨的空间变换参数；
6、4)基于颈椎骨的空间变换参数，初步估算颈部非刚体组织的位移参数；
7、5)根据术前ct影像与实时的颈部组织结构在每个角度的x射线投影图像迭代非刚体组织的位移参数，以获得颈部非刚体组织在ct影像中每一个体素的准确位移。
8、作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中，图像分割采用基于图像中每一个像素的ct值的办法，通过设定阈值来区分颈椎骨组织与非颈椎骨组织，ct值高于阈值的像素所代表的组织是颈椎骨组织，ct值低于阈值的像素所代表的组织是非颈椎骨组织。
9、作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中，图像分割通过基于计算机视觉中k均值算法实现，算法具体为将人体组织分为不同的簇，然后对每个簇的区域计算其平均ct值。当其平均ct值超过非颈椎骨组织与颈椎骨组织的分界阈值(如250)时，将该簇设定为颈椎骨组织，从而完成对三维ct图像的颈椎骨自动分割与提取。
10、作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中，图像分割通过基于深度学习的模型来实现，通过对已有数据进行标注的方式训练人工神经网络，从而完成对三维ct图像的颈椎骨自动分割与提取。
11、作为进一步地改进，本发明所述的步骤3)具体为将步骤1)中从ct影像中提取出的颈椎骨组织进行前向投影，以模拟出步骤2)所拍摄的二维x射线影像，前向投影通过计算机模拟完成，采用系统中发射x射线的光源和接收x射线的探测器所处同样位置的模拟结构，计算出三维ct影像中的颈椎骨组织在x射线影像拍摄的角度和距离通过前向投影而生成的二维影像；随后，将得到的二维影像与步骤2)中实时拍摄的x射线影像进行比对，以确定颈椎骨组织在病人实际治疗过程中与病人在术前ct扫描时的位置的位移(tx,ty,tz,rx,ry,rz)，t代表颈椎骨在x,y，z方向的平移，r代表颈椎骨在以x,y，z三个方向为轴的旋转。由于颈椎骨是刚体组织，这六个平移与旋转的参数可以完整地描述颈椎骨的位移。
12、作为进一步地改进，本发明所述的步骤4)初步估算颈部非刚体组织的位移参数具体为：首先利用刚体组织的位移参数初步估计其位移方向与位移幅度，对于每一个非刚体像素而言，其位移方向与幅度为其周围颈椎骨组织的加权平均值。
13、作为进一步地改进，本发明所述的周围颈椎骨组织的每一个像素对该非刚体像素的影像与颈椎骨像素到非刚体像素之间的距离成反比，距离越远，影响越小。
14、作为进一步地改进，本发明所述的步骤5)具体为：根据当前估算出的颈椎骨组织的位移参数与非颈椎骨组织的位移参数来估算出反映当前人体颈部组织的三维结构，通过前向投影的方式，模拟生成与x射线成像拍摄角度与位置相同的二维投影图，并与实时拍摄的二维x射线图像进行比对，通过不断微调非刚体组织的位移参数来优化前向投影与x射线图像的比对程度，当前向投影与x射线图像的配准的残差最小时，认为此时的非刚体组织的位移参数即是代表了人体组织中非颈椎骨组织的位移参数，从而完成了人体颈部的整体配准流程。
15、本发明的有益效果如下：
16、本发明提出使用刚体运动+非刚体运动的复合模型，通过采用稀疏角度、低剂量的x射线成像来实现对于颈部肿瘤在放射治疗中精准定位与导航的技术难点。已有的复合运动模型在人体运动的三维重建中的方法主要围绕基于kinect等视觉相机估算人体表面点云的刚体与非刚体的特征，进而估算人体姿态的变化与运动的位移。而在本方法所涉及的放射治疗领域，需要对三维人体组织内部的位移进行估算，而不仅是人体的表面特征。
17、在放射治疗领域，已有的颈部配准的方法采用了基于千电子伏x射线与兆电子伏x射线共同定位的方法，或采用三维的锥束ct(cbct)成像来确定颈部内部结构的位移变化。这两种办法皆着力于采集更多的影像数据，从而提升定位的准确度，但与此同时也增加了患者所接收的辐射剂量。因此，本方法采用低剂量、稀疏角度的x射线影像对人体内部刚体+非刚体复合组织的定位方法是一个尚未解决的技术难点。
1.一种对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，包括:
2.根据权利要求1所述的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤1)中，图像分割采用基于图像中每一个像素的ct值的办法，通过设定阈值来区分颈椎骨组织与非颈椎骨组织，ct值高于阈值的像素所代表的组织是颈椎骨组织，ct值低于阈值的像素所代表的组织是非颈椎骨组织。
3.根据权利要求1所述的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤1)中，图像分割通过基于计算机视觉中k均值算法实现，所述的算法为将人体组织分为不同的簇，再对每个簇的区域计算其平均ct值，当其平均ct值超过非颈椎骨组织与颈椎骨组织的分界阈值时，将所述簇设定为颈椎骨组织，从而完成对三维ct图像的颈椎骨自动分割与提取。
4.根据权利要求1所述的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤1)中，图像分割通过基于深度学习的模型来实现，通过对已有数据进行标注的方式训练人工神经网络，从而完成对三维ct图像的颈椎骨自动分割与提取。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为将步骤1)中从ct影像中提取出的颈椎骨组织进行前向投影，以模拟出步骤2)所拍摄的二维x射线影像，所述的前向投影通过计算机模拟完成，采用系统中发射x射线的光源和接收x射线的探测器所处同样位置的模拟结构，计算出三维ct影像中的颈椎骨组织在x射线影像拍摄的角度和距离通过前向投影而生成的二维影像；随后，将得到的二维影像与步骤2)中实时拍摄的x射线影像进行比对，以确定颈椎骨组织在病人实际治疗过程中与病人在术前ct扫描时的位置的位移(tx,ty,tz,rx,ry,rz)，所述的t代表颈椎骨在x,y，z方向的平移，r代表颈椎骨在以x,y，z三个方向为轴的旋转。
6.根据权利要求5所述的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤4)初步估算颈部非刚体组织的位移参数具体为：首先利用刚体组织的位移参数初步估计其位移方向与位移幅度，对于每一个非刚体像素而言，其位移方向与幅度为其周围颈椎骨组织的加权平均值。
7.根据权利要求6所述的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述的周围颈椎骨组织的每一个像素对该非刚体像素的影像与颈椎骨像素到非刚体像素之间的距离成反比，距离越远，影响越小。
8.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的的对颈部精准定位与导航的方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：根据当前估算出的颈椎骨组织的位移参数与非颈椎骨组织的位移参数来估算出反映当前人体颈部组织的三维结构，通过前向投影的方式，模拟生成与x射线成像拍摄角度与位置相同的二维投影图，并与实时拍摄的二维x射线图像进行比对，通过不断微调非刚体组织的位移参数，去优化前向投影与x射线图像的比对程度，当前向投影与x射线图像的配准的残差最小时，认为此时的非刚体组织的位移参数即是代表了人体组织中非颈椎骨组织的位移参数，从而完成了人体颈部的整体配准流程。
