三维傅里叶变换人体胸腹表面测量方法研究

发布时间：2020-06-09 17:47

【摘要】：放疗过程中,呼吸运动会引起胸腹部肿瘤和器官以一定频率和幅度移动,影响放疗效果,甚至造成人体的放疗损伤。监测体外呼吸运动,据此推断出肿瘤的运动,再通过放疗系统控制靶区与射野相对位置固定,构成目前处理放疗中呼吸运动问题一种非常有效的追踪方法。鉴于呼吸运动使胸腹部器官肿瘤运动的同时导致了胸腹表面的运动,而且通过胸腹表面特定点的呼吸运动来推断肿瘤运动已经被证明是有效的,那么通过胸腹表面的运动将能更加准确地推断出肿瘤运动,而要分析胸腹表面的运动规律,需要通过胸腹表面的三维运动测量实现。要解决胸腹表面的三维运动测量问题,光学测量方法被公认为最具实用性和发展潜力。光学方法可分为点成像、线成像和面成像三种,面成像方法是胸腹表面呼吸运动测量的最佳选择,该方法又可以分为采集一幅图像和采集多幅图像两种。前者包括双目视觉、傅里叶变换轮廓术、窗口傅里叶变换轮廓术和小波变换轮廓术等;后者包括相移轮廓术、时间编码方法等,此类方法测量准确度高但采集速度较慢,不适用于本文的动态三维测量。而采集一幅图像的三维测量方法对胸腹表面呼吸运动测量来说是一种理想的解决方案。本文针对放疗中人体胸腹表面的呼吸运动,研究其三维动态测量方法,主要工作如下:1.鉴于三维傅里叶变换性能优于一维傅里叶变换,采用一种空域时域相结合的三维傅里叶条纹分析折叠相位抽取方法,将不同时刻胸腹表面编码条纹图像构成的图像序列看作一个三维整体,通过三维傅里叶变换转换到频域,再通过频域滤波,抽取包含折叠相位信息的正一级频谱,然后进行三维傅里叶逆变换,从而得到折叠相位信息,通过增加时间维的滤波,以进一步提高折叠相位抽取的准确度和抗干扰能力。2.针对三维傅里叶变换后的频域滤波问题,采用三维高斯滤波器进行频域滤波,并通过设计优化滤波器参数,得到具有明显个体特性的高斯滤波器参数,从而减小振铃效应,提高折叠相位抽取的准确度,进而提高胸腹表面三维测量的准确度。3.针对傅里叶条纹分析方法只具有全局分析能力的问题,而小波变换具有多分辨率分析的特点,采用一种空域时域相结合的三维小波变换折叠相位抽取方法,针对条纹图像序列进行三维小波变换,通过选取合适的尺度因子范围,根据小波“脊”处的小波系数,得到条纹图像序列的折叠相位信息,其中增加利用了时间维信息,以进一步提高折叠相位抽取的准确度,进而提高胸腹表面三维测量的准确度,更好地反映胸腹表面的细节信息。4.针对现代放疗的需求,构建一种人体胸腹表面三维测量方法,通过将三个不同频率的余弦条纹图案分别编码到彩色图像R、G、B三个通道中,利用投影仪投射到人体胸腹表面上,然后采用3CCD工业相机进行采集,得到胸腹表面条纹图像序列。通过颜色标定分离出R、G、B三个通道的编码条纹图像,通过前述所提折叠相位抽取方法得到图像序列的折叠相位信息,使用一种展开范围大的时间相位展开方法得到绝对相位,利用三角法测量原理获取胸腹表面的三维图像序列。根据上述方法,通过理论分析,构建实验装置,通过测量实验,进行方法验证。实验结果表明,本文方法能够实现呼吸过程中人体胸腹表面的三维测量。
【图文】：

图 1-1 胸腹部器官运动受呼吸运动影响的示意图Fig. 1-1 The schematic diagram of thoracic and abdominal organ motion induced byrespiratory motion目前，为减小呼吸运动对胸腹部放疗靶区不确定程度造成的影响，临床上主要通过以下几种方式对呼吸运动的影响进行抑制和补偿：(1) 为防止放疗过程中肿瘤受呼吸运动影响偏移到靶区以外，在前期进行靶区勾画(如图 1-2 所示)时会适当外扩靶区的范围，即增添安全边界[2]。该方法虽然考虑到了肿瘤运动产生的影响，但扩大靶区照射范围，也增加了正常组织以及器官受高剂量照射的概率，，进而增加了放疗引发的不良反应发生的概率。

图 1-1 胸腹部器官运动受呼吸运动影响的示意图Fig. 1-1 The schematic diagram of thoracic and abdominal organ motion induced byrespiratory motion目前，为减小呼吸运动对胸腹部放疗靶区不确定程度造成的影响，临床上主要通过以下几种方式对呼吸运动的影响进行抑制和补偿：(1) 为防止放疗过程中肿瘤受呼吸运动影响偏移到靶区以外，在前期进行靶区勾画(如图 1-2 所示)时会适当外扩靶区的范围，即增添安全边界[2]。该方法虽然考虑到了肿瘤运动产生的影响，但扩大靶区照射范围，也增加了正常组织以及器官受高剂量照射的概率，进而增加了放疗引发的不良反应发生的概率。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R730.55

【参考文献】

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本文编号：2705035