锥束X射线CT投影的蒙特卡罗仿真_精品文档.pdf

1、第4 2 卷第4 期2 0 0 8 年4 月西安交通大学学报J O U R N A LO FX 1 7A NJ I A O T o N GU N I V E R S I T YV 0 1 4 2 4A p r 2 0 0 8锥束X 射线C T 投影的蒙特卡罗仿真闫浩，牟轩沁，罗涛，汤少杰(西安交通大学图像处理与模式识别研究所，7 1 0 0 4 9，西安)摘要：提出了一种锥束X 射线C T(计算机断层扫描)投影的蒙特卡罗计算方法，对X 光子逐次抽样并以随机步长跟踪，将探测器区域内的沉积能量转化为投影信号，使用蒙特卡罗计算工具E G S n r c 执行后台批处理计算，得到符合成像物理学的仿真投

2、影经过合理加速和参数优化，计算量较通用默认设置降低了2 个数量级对生成的锥束投影进行重建，结果显示出预期的射束硬化和散射伪影该方法易于进行二次开发，贴近真实设备，是锥束X 射线C T 原型机散射校正的基础将仿真投影与真实的物理设备测量数据进行比较，平均误差为1 1 8 关键词：蒙特卡罗仿真；锥束投影；计算机断层扫描中图分类号：T P 3 9 1 4；R 8 1 1 1 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 3 9 8 7 X(2 0 0 8)0 4-0 4 1 4 一0 4M o n t eC a r l oS i m u l a t i o no fC o n e-B e a mX-R h

3、yC o m p u t e rT o m o g r a p h yP r o je c t i o nY A NH a o，M O UX u a n q i n，L U OT a o，T A N GS h a o j i e(I n s t i t u t eo fI m a g eP r o c e s s i n ga n dP a t t e r nR e c o g n i t i o n，X i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，X i a n7 1 0 0 4 9，C h i n a)A b s t r a c t：AM o n t e

4、C a r l os i m u l a t i o nm e t h o do fc o n e-b e a mX-r a yc o m p u t e rt o m o g r a p h y(X-C T)p r o j e c t i o ni sp r e s e n t e d X-r a yp h o t o n sa r es a m p l e di n s e r i e sa n dt r a c e dw i t hr a n d o md i s c r e t es t e p s P r o je c t i o ns i g n a l sa r eo b t a

5、 i n e df r o md e p o s i t e de n e r g yi nt h ed e t e c t o rz o n e S i m u l a t i o n si na c c o r d a n c ew i t hi m a g i n gp h y s i c sa r eg e n e r a t e db ya d o p t i n gt h eM o n t eC a r l ot o o l k i tE G S n r c，w h i c hi sb a t c h-p r o g r a m m e df o rb a c k g r o u

6、n dc a l c u l a t i o n I nc o n t r a s tw i t ht h ec o m m o n l yu s e dd e f a u l ts e t t i n g s，a c c e l e r a t i o ni n v e s t i g a t i o na n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nl e a dt oad e c r e a s i n gi ns i m u l a t i o nt i m ea r o u n di 0 0t i m e s A se x p e c t

7、 e d，b e a m-h a r d e n i n ga n ds c a t t e r i n ga r t i f a c t sa r er e v e a l e d i nt h ei m a g e sr e c o n s t r u c t e df r o mt h es i m u l a t e dp r o je c t i o n T h em e t h o di sc o n v e n i e n tf o rf u r t h e rd e v e l o p i n ga n dc a nb et h eb a s i so fr e s e a r

8、 c h e si nt h es c a t t e rc o r r e c t i o nu p o nc o n e-b e a mX-C Tp r o t o t y p e C o m p a r e dw i t ht h ed a t am e a s u r e df r o mr e a lm a c h i n e s，t h i sm e t h o di Sv a l i d a t e dw i t h1 1 8 e r r o r K e y w o r d s：M o n t eC a r l os i m u l a t i o n；c o n e-b e a

9、 mp r o j e c t i o n；c o m p u t e rt o m o g r a p h y在锥束X 射线C T 研究中，开发符合物理实际的投影仿真系统非常必要在投影计算方法中，解析投影计算 1-2 将X 射线等同于数学意义上的直线，无法反映X 光子物理层面上的粒子波动性，而蒙特卡罗(M C)投影计算以大数定律为基础，可以有效弥补解析投影计算的不足 3 本文构建了锥束X 射线C T 的系统框架，使用M a t l a b 生成各视角输入文件，D O S 后台调用蒙特卡罗计算工具E G S n r c 完成投影计算与同行的工作相比，本文的研究扩大了系统的通用性啪，同时也解决了

10、软件版权限制5 1 的问题，是开发锥束原型机和散射校正算法的基础1 蒙特卡罗方法和E G S n r c 工具包蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计实验方收稿日期：2 0 0 7-0 8 0 7 作者简介：闫浩(1 9 8 0 一)，男，博士生；牟轩沁(联系人)，男，教授，博士生导师基金项目：国家自然科学基金资助项目(6 0 5 5 1 0 0 3，6 0 4 7 2 0 0 4)，教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(N C E T-0 5-0 8 2 8)万方数据第4 期囝浩，等：锥束x 射线C T 投影的蒙特卡罗仿真4 1 5法，以概率统计理论为基础，能够逼真地描述事物的特点及物理实验过程

11、，可以部分代替物理实验 6 在医学物理方面，主要应用于剂量计算和辐射防护模拟E G S l l r c 是用于模拟光子和电子在物质中的传输行为的蒙特卡罗计算工具包 7 ，E G S n r c 模拟的能量范围从lk e V 到几百G e V，其模拟能力已为众多不同研究领域的研究人员接受和证实 8 E G S n r c 具有多平台移植、源代码开放以及免费的优点，本文使用了E G S n r c 的C+界面E g s+2 锥束X 射线C T 投影系统的构建2 1 锥束x 射线C T 投影系统的结构和参数锥束X 射线投影系统采用源点和平板探测器固定，模体运动的模式，通过坐标系变换，等同于商用C T

12、 机球管旋转的扫描效果，如图1 所示物体在X o y 平面内的转动和Z 轴方向的平动等效为X射线源点轨迹，可以是圆、螺旋线、标准马鞍线或其他解析曲线描述的运动模式U D V 为平板探测器所在平面的二维局部坐标平面；D 为探测器所在平面原点；s 为X 光源发点；C 为物体中心图1 锥束X 射线C T 投影系统结构投影系统的组成和参数如下：探测器屏幕的物质成分为C s I、G d 2 0 2 S 等闪烁物或气体探测器；光谱为单能谱(X 射线源能量为1 0-1 5 0k e V)或者多能谱(X 射线源管电压为7 0，8 0，1 4 0k 9 )；系统光子数为1 0 8 1 0 1 0，由探测单元数调

13、整；其他参数默认设置见表l，均具有一定的可选范围2 2 模体的构造E g s+界面版本将基本几何构造从层扩展到圆柱、立方体、球体、椎等，新版本V 4 一r 2 2 5 增加了椭圆柱针对实际原型机上使用的P h a n 5 0 0 模体，设计的数字P h a n 5 0 0 模体如图2 所示模体分A、B、C 3 个部分，分别用于考查空间分辨率、信噪表1 锥束X 射线C T 成像系统结构参数X 焦点近焦远焦尺寸r a mX 源点轨迹抽样率源到中心距离r o a n中心到探测器距离m m探测器行7 1 数探测器行1 7,I 单元尺寸m m比和一致性、密度分辨率组织成分确定参照文献D o 的方法，结合

14、E G S n r c 中物质断面成分软件P E G SD a t a 生成所需的p e g s 输入文件在密度分辨率的模体中，本底物质的C T 值为5 0H u，C T 值为4 5H u、5 5t I u 和6 0H u 的软组织圆柱体对应生物体中的脑质、硬膜外血肿和眼球组织，用来评价算法的抗噪性设计骨物质圆柱是为观察因射束硬化和散射造成的杯形和条纹伪影，以便进一步评价散射校正算法飘蘸(a)立体空间示意图 f 一1 2 2 01硬镪硬礅丝域a 0 14(c)一致性模体截面(d)空间分辨率模体截面图2 数字P h a n 5 0 0 模体(长度单位：m m)2 3E G S l l F C 模

15、拟计算中的加速策略蒙特卡罗计算时间与光子总数、模体复杂度、不确定性(精度要求)等多种因素相关在锥束X 射线C T 投影的蒙特卡罗计算中，信噪比要求较高，而且需要多个视角的投影，如果使用常规设置进行计算，需要大量时间，本节将研究计算中的加速策略(1)通过光子截止能夕。和电子截止能P。等光电运输参数的设置，关闭当前光谱能量下对计算结2)几椒叭6355瓢Lk8(堕影筮万方数据西安交通大学学报第4 2 卷果没有影响的物理过程根据成像物理学理论，医用X 射线在生物组织中主要发生光电吸收和康普顿散射，两个物理过程都产生能量较低的荧光X 射线和具有动能的电子其中具有动能的电子转化为生物热能，仅对生物分子具有

16、破坏作用，却不影响光子在探测器上的响应在投影计算中，理论上可以使P。等于P。加光谱的最高能量，关闭电子二次运输的所有模拟，将携能电子沉积在当前位置，节省计算时间。使用M a c h l e t t 固定阳极球管，管电压为1 2 0k V 考察模拟时间和均方误差两项指标，先打开所有相关物理过程的开关，夕。设为最小值，单独改变e。，实验结果如图3 a 所示确定P。后，进一步改变p。值，实验结果如图3 b 所示实验结果说明e。设置弹性较大，对模拟速度起关键作用以模拟结果具有相同确定性为前提，记为光谱最高能量，P 髓。和P 即。分别是夕。和e。合理值的上限加速需满足如下关系P 饥t+P 黜一s 一 P 瞄t(1)户c L I t+e 鲈。一s 一 P(2)P。e g a t e(3)P c u t P 私。(4)下面以图3 为例，说明在实际模拟计算中，如何选取满足上述条件的e。和乡。由实验得到e 弘。一0 6 0 9M e V，P g a。一o 0 2 5M e V 在模拟时，由于户。对模拟速度影响不大，可选择p。=o 0 0 1M e V，e e u t设置的自由度较大(例如在图3 a 的情