matRad中体素索引与空间坐标的转换方法解析

matRad中体素索引与空间坐标的转换方法解析

引言

在放射治疗计划系统中，精确地将剂量计算矩阵(Dij)中的体素索引转换为实际空间坐标是一个关键操作。matRad作为一款开源的放射治疗计划系统，提供了完善的坐标转换功能。本文将详细介绍matRad中体素索引与空间坐标的转换原理及实现方法。

matRad坐标系统基础

matRad采用标准的医学影像坐标系系统(LPS系统)：

• x轴：从左(L)到右(R)方向
• y轴：从后(P)到前(A)方向
• z轴：从下(I)到上(S)方向

在matRad中，剂量计算网格(Dij.doseGrid)存储了三个维度的坐标向量：

• dij.doseGrid.x：x轴坐标向量
• dij.doseGrid.y：y轴坐标向量
• dij.doseGrid.z：z轴坐标向量

索引到坐标的转换方法

传统转换方法

在早期版本中，用户需要手动实现索引到坐标的转换：

1. 首先获取剂量网格的维度信息：

gridDims = dij.doseGrid.dimensions;

2. 使用ind2sub函数将线性索引转换为三维下标：

[i,j,k] = ind2sub(gridDims, targetIndices);

3. 根据下标获取对应的空间坐标：

x_coords = dij.doseGrid.x(j);
y_coords = dij.doseGrid.y(i);
z_coords = dij.doseGrid.z(k);

新版matRad的便捷函数

matRad v3.1.0及以上版本提供了专门的转换函数matRad_cubeIndex2worldCoords，大大简化了转换过程：

targetCoords = matRad_cubeIndex2worldCoords(targetIndices, dij.doseGrid);

该函数返回一个n×3的矩阵，其中每行对应一个体素的空间坐标(x,y,z)，顺序与输入的索引一致。

实际应用场景

1. 剂量分布分析：将特定剂量区域的体素索引转换为实际坐标，用于空间分析
2. 结构体积计算：计算感兴趣区域(如靶区或危及器官)的实际空间分布
3. 剂量-体积直方图(DVH)：在生成DVH时关联体素剂量与空间位置
4. 剂量显示与可视化：在三维空间中准确显示剂量分布

注意事项

1. 坐标系统的一致性：确保所有操作都在同一坐标系统(LPS)下进行
2. 网格对齐：在CT网格和剂量网格不同时，需使用matRad_resizeCstToGrid进行网格对齐
3. 索引顺序：matRad中的体素索引遵循特定的内存布局顺序，直接使用内置函数可避免顺序错误
4. 单位一致性：注意坐标的单位(通常是毫米)与后续计算的一致性

总结

matRad提供了完善的体素索引与空间坐标的转换机制，特别是新版中的matRad_cubeIndex2worldCoords函数极大简化了这一过程。理解这一转换机制对于深入分析剂量分布、进行精确的空间计算以及开发自定义功能都具有重要意义。在实际应用中，建议优先使用matRad提供的内置函数，以确保转换的准确性和一致性。