毕业论文放射治疗计划系统中轮廓识别的研究与实现.docx
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毕业论文放射治疗计划系统中轮廓识别的研究与实现
本科毕业设计论文
题目
放射治疗计划系统轮廓
识别的研究与实现
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
毕业任务书
设计
论文
一、题目
放射治疗计划系统轮廓识别的研究与实现
二、指导思想和目的要求
1．促进学生综合运用所学的基础理论知识和专业技术知识分析和解决生产开发工作中的实际问题，培养学生的开发能力。
2．学习和掌握利用各种资料、知识分析和解决实际问题的思路及方法。
3．了解有关平台的系统设计、更准确地把握软件开发流程。
4．加深对所学理论、技术知识的理解和掌握。
5．通过实践，学习新知识，掌握新技能。
项目将研究实现放射治疗计划系统，学生将在其中研究CT图像处理的算法，并实现对CT图像感兴趣区域轮廓的自动提取功能；以及根据病人的CT序列图像重建冠状面和矢状面图像，实时显示出来；并用伪彩色将灰度图像显示出来。
三、主要技术指标
1.在dotnet2003下用C++/MFC进行开发；
2.对DICOM格式医学图像进行处理及显示；
3.实现功能包括：
软件框架搭建、CT图像的伪彩色显示、冠状面和矢状面图像重建、感兴趣区域轮廓提取；
4.软件整体符合IEC62083医用电器设备放射治疗计划系统的安全要求系统规范。
四、进度和要求
1．2007-11-26～～2007-12-9：
了解毕业设计任务和熟悉开发环境，准备相关资料；
2．2007-12-10～～2007-12-30：
设计基本方案、分析论证；
3．2008-1-1～～2008-2-20：
设计方案研制开发；
4．中期检查：
按进度与要求接受教务部门的检查验收；
5．2008-2-21～～2008-3-20：
系统调试、修改和完善；
6．2008-3-21～～2008-4-20：
毕业设计论文及其相关技术资料文档的整理；
7．2008-4-21～～2008-6-20：
毕业设计（论文）答辩，成果演示、验收
五、主要参考书及参考资料
[1]侯俊杰.MFC深入浅出[M].华中理工大学出版社,武汉,1998年
[2]张艳君，伽玛刀治疗计划系统中三维表面重建技术研究[D].武汉:
华中科技大学硕士学位论文，2004年
[3]周建，放射治疗计划系统中感兴趣区域的分割与可视化[D].南京:
东南大学硕士学位论文，2005年
[4]赵云达，基于医学图像的治疗计划软件系统的研究和开发[D].西安:
西北工业大学硕士论文，2004年
[5]马兰亚，放射治疗计划系统中感兴趣区域的分割与可视化[M].人民邮电出版社，2001年
[6]陆宗骐，C/C++图像处理编程[M].清华大学出版社，2005年
[7]杨淑莹，VC++图像处理程序设计第二版[M].清华大学出版社，北京交通大学出版社，北京，2005年
[8]NationalElectricalManufacturersAssociation[S].DigitalImagingCommunicationsinMedicine（DICOM）,1999.2
[9]陈志贤,医学数字图像通讯（DICOM）标准的介绍[J].中国医学影像学杂志，1995年，vol6，32-35
[10]唐果，赵晓东，汪元美，三维医学图像分割与可视化研究[J].计算机学报，1998年，vol3，45-48
[11]何斌，马天予，VisualC++数字图像处理[M].人民邮电出版社,北京，2003年
[12]周正东，舒华忠，砖文学，罗立民，一种强调放射治疗逆向计划多目标混合优化方法研究[J].中国图像图形学报，2003年，vol2，17-20
[13]严玉龙，鲍旭东，柏毅伽玛刀治疗计划系统GAMMA一TPS的研制[J].中国生物医学工程学报，1999年，vol1，13-16
[14]SherouseGW,NovinsK,ChancyE.Computationofdigitallyreconstructedradiographyforuseinradiotherapytreatmentdesign[J].IntJRadiatOncolBiolPhys,1999，vol3，35-38
学生__________指导教师__________系主任__________
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1项目背景及意义1
1.1.1项目来源和背景1
1.1.2论文研究内容和意义2
1.2国内外研究现状与存在问题4
第2章软件界面框架设计与实现6
2.1软件界面框架的设计思想6
2.2软件界面框架的实现7
2.2.1文档模板的建立7
2.2.2布局管理函数的编写7
2.2.3布局管理函数的调用方式9
2.3小结10
第3章图像的伪彩色显示11
3.1引言11
3.2处理方法介绍12
3.2.1密度分割12
3.2.2灰度级-彩色变换12
3.2.3处理结果12
3.3小结13
第4章冠状面和矢状面图像重建的设计与实现14
4.1冠状面图像和矢状面图像重建的算法设计14
4.1.1引言14
4.1.2算法设计14
4.2冠状面和矢状面图像重建的实现15
4.3重建效果17
4.4小结18
第5章感兴趣区域轮廓识别的设计与实现19
5.1引言19
5.2感兴趣区域提取流程20
5.3迭代阈值图像分割22
5.3.1算法设计22
5.3.2实现过程23
5.3.3处理结果分析26
5.4图像腐蚀28
5.4.1算法介绍28
5.4.2实现过程28
5.4.3处理结果分析31
5.5图像膨胀32
5.5.1算法介绍32
5.5.2实现过程32
5.5.3处理结果分析35
5.6图像关运算36
5.6.1算法介绍36
5.6.2实现过程36
5.6.3处理结果分析36
5.7图像开运算37
5.7.1算法介绍37
5.7.2实现过程37
5.7.3处理结果分析38
5.8轮廓提取38
5.8.1算法介绍38
5.8.2实现步骤39
5.8.3处理结果43
5.9轮廓跟踪43
5.9.1算法介绍43
5.9.2实现过程45
5.9.3处理结果分析54
5.10小结55
第6章总结与展望56
致谢57
参考文献58
毕业设计小结59
附录60
摘要
本文以上海伽玛星科技发展有限公司生产的“GMX-I型陀螺旋转式钴-60放射外科治疗系统”为背景，论文设计实现了放射治疗计划系统RTPS（RadiotherapyTreatmentPlanningSystem）中CT图像的处理功能和软件主界面窗体分割功能。
论文通过研究现有资料文献，分析其中的案例，研讨其优劣，提出了自己的功能实现方案。
论文工作中，CT图像处理包括两部分：
一，感兴趣区域的轮廓识别，它的实现用到了一系列图像处理算法，如迭代阈值图像分割算法、边缘提取算法、边缘跟踪算法、图像特殊标记定位。
二，矢状面和冠状面图像的重建，利用线性插值方法根据横断面图像重建冠状面和矢状面图像。
论文研究的创新处如下：
系统实现了对感兴趣区域轮廓的自动化提取，通过对跟踪算法的不断修改，提高了提取成功率和提取算法的容错率。
本论文的研究成果已经在项目中投入实际使用，而且该项目已经成功交付给上海伽玛星科技发展有限公司。
关键词：
感兴趣区域，轮廓识别，图像重建
Abstract
ThisthesisstudiesRadiotherapyTreatmentPlanningSystem（RTPS）usingcomputerimagedispositionandformdivisionofthesoftwareinterface.Thesoftwareisattachedtothe“GMX-I-GyroRotatingCobalt-60RadiotherapyTreatmentSystem”manufacturedbyShanghaiGamma-starTechnologyDevelopmentCo.Ltd.Thedevelopingprocessmainlyinvolvesimage,formdivisionandsoon.
Thearticleprovidesakindofsolutiontoachievethefunctionthroughresearchingexistingcases.Formdivisionisdesignedandimplementedtomeettherequirementsoftheentiresoftwareinterfacewhichisbasedonmultiplesub-formanddynamicswitchlayout.CTimageprocessingconsistsoftwoparts:
Firstly,identifiesthecontourofregionalinterestusingaseriesofimageprocessingalgorithms,suchasiterativethresholdimagesegmentationalgorithm,edgedetectionalgorithm,edgetrackingalgorithmandimagetaglocating.Secondly,thesagittalandcoronalimagesofthereconstructionusinglinearinterpolationaccordingtocross-sectionalimages.
Innovationontheresearchasfollows:
Itoutlinestheregionsofinterestautomatically,throughcontinuousimprovementimprovethesuccessfulrateofextractionalgorithmsandfault-tolerantrate.
Theresearchresultshavebeenusedintheproject,andtheprojecthasbeensuccessfullydeliveredtoShanghaiGamma-starTechnologyDevelopmentCo.Ltd.
Keywords:
ROI,ContourRecognition，ImageReconstruction
第1章绪论
项目背景及意义
项目来源和背景
目前，医学治疗肿瘤的方法主要有外科手术，化疗和放射治疗，而现代医学以微创伤、无创伤、精确治疗为发展方向，因此放射治疗在肿瘤治疗中的应用越来越广泛。
统计表明，目前大约60%~70%的肿瘤患者在病程的不同时期因不同的目的需要接受放射治疗[3]。
理论上讲，如果放射剂量不受限制，那么病人的任何肿瘤组织都会被彻底杀灭。
但是肿瘤细胞被正常组织所包围，杀死肿瘤的同时会损伤正常组织。
另外，由于肿瘤位置，病人呼吸等原因，普通放射的定位比较困难，治疗的同时也会将正常组织杀死，而且定位欠精确也会影响到肿瘤的治疗效果。
因此，如何借助各种辅助工具和技术最大限度的提高肿瘤组织放射剂量，最大限度地减少正常组织的放射剂量，同时保证肿瘤组织所受剂量的均匀性是放射治疗肿瘤的关键技术，而这正是放射治疗计划系统的作用所在[12]。
放射治疗技术的快速发展和计算机信息处理技术相结合，产生了放射治疗计划系统。
它的出现不仅使得物理师从繁琐的手工计算中解脱出来，而且治疗的速度、准确性都有很大的提高，放射治疗计划系统已经成为放射治疗中不可或缺的一个部分[13]。
放射治疗计划的主要功能是接受CT/MRI/PET/输出的图像（通过网络、中间介质等），病变组织（靶点区）及重要器官和组织轮廓的勾画及重建，重建患者治疗坐标系，制订一个优化的治疗方案，输出治疗方案实施的细节到治疗机的控制计算机，以及到为实施该治疗方案所需的治疗辅助工具（如挡块、组织补偿等）制作器上。
“陀螺刀”是上海伽玛星科技发展有限公司设计开发的“GMX-I型陀螺旋转式钴-60放射外科治疗系统”。
该系统采用动态聚焦方式在运动过程中杀死肿瘤细胞并减少对正常组织的损伤，同时配合相关的辅助疗法进而对肿瘤进行治疗。
该系统的重要组成部分——放射治疗计划系统RTPS（RadiotherapyTreatmentPlanningSystem）用来帮助医师制定针对病人的放射治疗计划[14]。
“陀螺刀”放射治疗计划系统是在图形工作站上实现的软件应用系统,结合已有医疗器械,用于伽玛刀等立体定向放射治疗的计划系统和手术预演.系统实现的功能如下:
医学图像数据库的建立和查询,包括CT医学图像数据的采集、编码、存储、显示、查询、二维放大;病灶和关键器官的三维重构,轮廓提取,立体放射定向,并通过断层间的轮廓线拟合表面,采用OpenGL技术实现图形三维空间定位与显示,完成对图像的三维建模;可视化适形放射治疗系统,在伽玛刀的辐射治疗计划过程中,进行等中心点的精确定位和剂量的计算和评价,以及适形输出和优化。
该系统流程可以描述为：
病人CT/MRI图像数据及个人信息的采集输入；病人定位标志点的标记，图像坐标的确定；病灶等感兴趣结构的确定和检测；三维图像结构重建；射野/焦点参数设定及优化；三维剂量分布计算和计划评估；剂量计划方案的可视化评估；计量计划输出。
本论文致力于“陀螺刀”放射治疗计划系统中CT图像处理技术的设计与实现。
1.1.1论文研究内容和意义
本论文包括以下四方面的内容：
第一方面，软件界面的窗体分割。
整个软件界面分成六个可供切换布局界面，它们是输入，存档，注册，轮廓，计划，评估和输出。
其中每个布局界面由若干不同的子窗口组成，传统的动态分割由于有以下不足[1]：
第一，每一个窗口都使用相同的View类，因此显示出来的东西前篇一律；第二，窗口之间并非完全独立。
同一水平列的窗口，使用同一个垂直的滚动条；同一垂直行的窗口，使用同一个水平滚动条，如图1-1。
而静态分割的长处是动态分割的短处，它的短处是动态分割的长处，而且不管是动态分割还是静态分割，都存在各自分割窗口数目的限制-静态拆分窗口个数限制是16*16，动态拆分窗口的窗口个数限制2*2。
如图1-2。
因此笔者需要研究设计一种不同于以上两种分割方式的新方法来满足软件界面布局的需求。
..
第二方面，对CT图像的伪彩色显示。
CT图片和X光片中，往往有些灰度级相差不大，但包含着丰富的信息像素点。
可是人眼分辨灰度级能力较弱，一般只有几十级，无法从图像中获得这些信息，但是人眼对彩色的分辨率较强，达到几百种甚至上千种。
因此通常将图像中的灰度级转换成不同的彩色，而且分割越细，彩色越多，信息表现的越丰富，人眼能提取到的信息也就越多，从而达到图像信息增强的效果，辅助医师更好地进行观察组织和诊断病情。
第三方面，需要对CT图像感兴趣区域的轮廓进行识别和提取。
由于近年来的微型计算机运算速度提高很快，应此，可以将CT图像感兴趣区域的轮廓改为由计算机自动提取为主。
对个别有质量缺陷的图像辅助以人工提取，这样就能将医师从传统的繁琐的劳动中解脱出来。
同时，还能减少因为人工提取可能带来的误差。
轮廓的识别和提取涉及到如下算法：
迭代阈值分割算法，边缘提取算法，边缘跟踪算法等。
第四方面，根据横断面CT图像构造冠状面和矢状面图像。
由于当前的主流医学成像技术-计算机断层成像技术（CT）、核磁共振成像技术（MRI）、正电子发射成像技术（PET）和超声成像技术等，只能提供二维断层切面上的信息分布，而组织器官的几何形状、相对位置、生理参数的控件分布等三维信息无法直接从这些断面图中表达出来。
医生只能通过观察断层面上的切面图像，在头脑中构想其三位结构，这样有如下缺点[2]：
由于人体结构复杂，个体差异较大，病灶形态和位置不可预知，判断二维图像需要丰富的解剖知识和临床经验。
1）不利于定量的分析和测量，从而为正确诊断和用药带来困难。
2）不利于医生之间，尤其是医生和工程技术人员之间交流信息。
3）设备精度不够，或者采集数据的认为误差，造成二维断层面的丢失，使二维图像理解困难。
因此，无论从提高诊断水平还是现代医学精确治疗的发展方向来看，用计算机实现根据CT图像构造冠状面图像和矢状面图像都很有必要和现实意义。
国内外研究现状与存在问题
从最初的瑞典人用固定式伽玛射线治疗头部肿瘤到现在的螺旋式伽玛刀，伽玛射线治疗肿瘤技术已越来越成熟，设备的机械运动越来越复杂，同时对控制精度的要求也越来越高，其发展思想是利用该射线对细胞的杀伤作用来杀死肿瘤细胞，并尽量减轻对正常细胞的伤害。
目前国内的肿瘤放射治疗技术在世界上已经处于先进行列，大量的放射治疗设备正被用于临床治疗中。
而与之配套的软件却显得有些滞后，现有的系统较普遍地存在以下几点不足[4]：
1）不支持医学图像传输协议DICOM（DigitalImagingandCommunicationinMedicine）[8，9]3.0或支持的不完善，没有体现电子医学影像方便交流处理的优点。
DICOM3.0为当前国际通用的医学图像传输协议，现在主要用于影像存储通信系统PACS（PictureArchiveandCommunicateSystem）中，在放射治疗计划系统中还没
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