【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及图像处理，尤其涉及一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统。
技术介绍
1、局部晚期宫颈癌存在肿瘤体积大、宫旁广泛扩展、外照射反应不佳、肿瘤靶区和危及器官（oar）非常接近的特点，在传统外部放射治疗的基础上，还要联合近距离放射治疗辅助实施。常见的近距离放射治疗包括：腔内施源器和组织间插植。
2、宫颈癌组织间插植分如下步骤实施：a)对宫颈癌患者进行ct扫描，从患者肿瘤部位、大小等方面综合评估插植针所需数目和插入肿瘤组织的深度；b)经过经验丰富的医师将插植针经阴道插入患者体内肿瘤组织中；c)再次ct扫描患者的解剖轮廓和插植针的位置；d)医师勾画靶区和oars的轮廓；e)通过放疗物理师重建插植针的位置，并优化插植针中的源停留位置和停留时间来制定治疗放疗计划；f）经医师审核后，在近距离治疗后装机上执行插植计划。
3、正确选择插植针数量及植入放置方式对于优化近距离治疗剂量分布、治疗效果和保护健康组织至关重要。然而，由于患者解剖结构差异及器官运动，在实际治疗中需要高水平、训练有素的医生来完成插植针在人体内部的植入放置。初学者一般需要在有经验的医师指导下，对实际患者练习操作，以培养插植技能。这可能延长患者痛苦，并影响治疗效果。
4、由于放射治疗系统对精度要求极高，微小的距离偏差也会导致射线作用点脱离靶区，甚至伤害正常细胞造成医疗事故，而模型中虚拟和现实之间的相对误差会进一步放大该偏差。所以简单有效的校准方案以及对模拟插植结果质量的定量评估方案是该虚拟训练系统的关键。因此，亟需一种虚拟近距离组
技术实现思路
1、为此，本专利技术首先提出一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，由3个模块构成，包括：三维建模模块、vr搭建及仿真模块、数据后处理模块；
2、所述三维建模模块首先输入治疗宫颈癌患者的ct影像，进而基于tensorflow框架搭建ct影像预处理计算模块对图像进行预处理，在预处理后的ct影像上勾画放射治疗结构rt structure，包括肿瘤靶区、危及器官和患者身体外轮廓，之后从rt structure上导出实际治疗插植针的位置作为基线参考nb，最后将rt structure转换成三维模型，并在模型原点生成虚拟原点，并以此原点建立一个三维直角坐标系，在虚拟世界中将坐标系的xyz轴以绿色激光显示,在模拟世界中建立和真实世界一样的激光校准体系；
3、所述vr搭建及仿真模块基于处理好的rt structure和校准好的坐标系构建vr系统，之后将真实世界的原点or在vr世界中建立其虚拟坐标ov，进而建立训练者佩戴vr头显，在vr训练系统中完成组织间插植，并记录插植针在vr世界中的位置坐标nv；
4、所述数据后处理模块首先对采集到的or、ov、nv、nb进行量化处理，保留小数点后两位值；之后通过平移不变性原理计算获得模拟的插植针在真实世界的位置坐标nr：nr=nv+(or-ov)；之后分别在nb和nr插植针中心处创建具有特定半径cb和高度cr的圆柱，并将其映射为二值掩码，以完成空间位置信息的升维处理；之后对于每一层ct的横断面视角，其对应的二值掩码为特定半径的圆；进而逐层计算豪斯多夫距离（hausdorff distance，简记为hd）：
5、 ，其中a，b分别为虚拟与现实插植针在横断面上的二维点集,d(a，b)代表a、b两点间的欧式距离，对所有ct层的hd结果进行平均，以定量评估虚拟与实际插植针位置差异；逐层定义、计算修正dsc系数：dsc（a，b）=（a'∩b'）/2×(a'∪b')，其中a'，b'为a，b点集的最小外接圆；最后对所有ct层的修正dsc结果进行平均，以定量评估虚拟与实际插植针位置分布的相似性。
6、所述基于tensorflow框架搭建ct影像预处理计算模块的实现过程，首先从ct数据中读取出图像数组，采用三维线性插值算法，将图像数组各向同性地重采样到1×1×1mm3：
7、
8、其中y(r)为待插值获得的图像在空间网格点r处的像素值，y(rijk),其中i,j,k取值为1或0，为已知的图像在空间网格点rijk处的像素值，其中“*”为利用三维线性插值算法，基于现有的利用立方体形状空间中从待插值像素点最临近的rijk八个顶点和特定比值系数fijk的计算过程；
9、采用二维高斯滤波算法逐层对图像数组进行光滑处理，避免噪声干扰：
10、
11、其中x，y为ct的横、纵坐标值，g(x，y)为（x，y）处的高斯卷积核函数，σ为高斯正态分布偏差，取值为1；
12、最后将预处理后图像数组反向生成新的ct影像，完成预处理。
13、所述映射为二值掩码的具体方案为，如果数值属于特定半径或高度的圆柱的取值范围，则赋值为1，否则赋值为0。本专利技术所要实现的技术效果为：
14、（1）通过构建三维建模模块、vr搭建及仿真模块、数据后处理模块三部分的系统，能够通过图像处理技术个体化重建患者宫颈及其周边组织环境；
15、（2）具体设置虚拟插植针放置在虚拟组织环境内的方法，该方法能够实现在建模过程中辅助准确构建vr模型的效果；
16、（3）建立数据后处理的方法，能实现准确且低成本定量评估虚拟与实际插植针位置分布的相似性的效果，并根据实际实践，采用特定半径进行二值化，使得方案能够应用于具体的虚拟组织环境内的建模方法。
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1.一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：由3个模块构成，包括：三维建模模块、VR搭建及仿真模块、数据后处理模块，通过输入治疗宫颈癌患者的CT影像，在虚拟环境中重建患者宫颈及其周边组织环境用于训练；
2.如权利要求1所述的一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：所述数据后处理模块首先对采集到的Or、Ov、Nv、Nb进行统一量化处理；之后通过平移不变性原理计算获得模拟的插植针在真实世界的位置坐标Nr：Nr=Nv+(Or-Ov) ；之后分别在Nb和Nr插植针中心处创建具有特定半径Cb和高度Cr的圆柱，并将其映射为二值掩码，以完成空间位置信息的升维处理；之后对于每一层CT的横断面视角，其对应的二值掩码为特定半径的圆；进而逐层计算豪斯多夫距离（HD）：
3.如权利要求1所述的一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：所述基于Tensorflow框架搭建CT影像预处理计算模块的实现过程，首先从CT数据中读取出图像数组，采用线性插值算法，将读取的图像数组各向同性地重采样到1×1×1 mm3：其中y(r)为待插值获得的图像
4.如权利要求2所述的一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：所述映射为二值掩码的具体方案为，如果数值属于特定半径或高度的圆柱的取值范围，则赋值为1，否则赋值为0。
...【技术特征摘要】
1.一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：由3个模块构成，包括：三维建模模块、vr搭建及仿真模块、数据后处理模块，通过输入治疗宫颈癌患者的ct影像，在虚拟环境中重建患者宫颈及其周边组织环境用于训练；
2.如权利要求1所述的一种虚拟现实辅助近距离放射治疗插植训练系统，其特征在于：所述数据后处理模块首先对采集到的or、ov、nv、nb进行统一量化处理；之后通过平移不变性原理计算获得模拟的插植针在真实世界的位置坐标nr：nr=nv+(or-ov) ；之后分别在nb和nr插植针中心处创建具有特定半径cb和高度cr的圆柱，并将其映射为二值掩码，以完成空间位置信息的升维处理；之后对于每一层ct的横断面视角，其对应的二值掩码为特定半径的圆；进而逐层计算豪斯多夫距离（hd）：
3.如权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伊玲，高宇亮，刘丹妮，汤婷，余谦，
申请(专利权)人：四川省肿瘤医院，
类型：发明
国别省市：
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