锥束X射线CT投影的蒙特卡罗仿真

经典

第４２卷第４期

２００８年４月

西安交通大学学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸ１７ＡＮＪＩＡＯＴｏＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

Ｖ０１．４２№４

Ａｐｒ．２００８

锥束Ｘ射线ＣＴ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，７１００４９，西安）

摘要：提出了一种锥束Ｘ射线ＣＴ（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ＥＧＳｎｒｃ执行后台批处理计算，得到符合成像物理学的仿真投影．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ＣＴ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１．１８％．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：ＴＰ３９１．４；Ｒ８１１．１文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２００８）０４－０４１４一０４

Ｍｏｎｔｅ

ＣａｒｌｏＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｅ－ＢｅａｍＸ－ＲｈｙＣｏｍｐｕｔｅｒ

ＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ

ＹＡＮＨａｏ，ＭＯＵＸｕａｎｑｉｎ，ＬＵＯＴａｏ，ＴＡＮＧＳｈａｏｊｉｅ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｎｅ－ｂｅａｍＸ－ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（Ｘ－ＣＴ）

ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｘ－ｒａｙｐｈｏｔｏｎｓ

ａｒｅ

ａｒｅ

ｓａｍｐｌｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓａｎｄｔｒａｃｅｄｗｉｔｈｒａｎｄｏｍｄｉｓｃｒｅｔｅ

ｅｎｅｒｇｙ

ｓｔｅｐｓ．Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｄｅｐｏｓｉｔｅｄ

ａｒｅ

ｉｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｚｏｎｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｎ

ａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｉｍａｇｉｎｇｐｈｙｓｉｃｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｔｏｏｌｋｉｔＥＧＳｎｒｃ，

ｃｏｎｔｒａｓｔ

ｗｈｉｃｈｉｓｂａｔｃｈ－ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｆｏｒｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｎｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄ

ｔｏ

ａ

ｄｅｆａｕｌｔｓｅｔｔｉｎｇｓ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｌｅａｄｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｉｎ

ａｒｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｉｍｅａｒｏｕｎｄｉ００ｔｉｍｅｓ．Ａｓｅｘｐｅｃｔｅｄ，ｂｅａｍ－ｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｒｔｉｆａｃｔｓ

ｒｅｖｅａｌｅｄｉｎｔｈｅｉｍａｇｅｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｎｄ

ｃａｎ

ｂｅｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｉｎｔｈｅ

ｓｃａｔｔｅｒ

ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｕｐｏｎｃｏｎｅ－ｂｅａｍＸ－

ＣＴｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄａｔａｍｅａｓｕｒｅｄｆｒｏｍｒｅａｌｍａｃｈｉｎｅｓ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉＳｖａｌｉｄａｔｅｄ

ｗｉｔｈ１．１８％ｅｒｒｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｅ－ｂｅａｍｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ

在锥束Ｘ射线ＣＴ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（ＭＣ）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ＣＴ的系统框架，使用Ｍａｔｌａｂ生成各视角输入文

收稿日期：２００７－０８—０７．

件，ＤＯＳ后台调用蒙特卡罗计算工具ＥＧＳｎｒｃ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，同时也解决了软件版权限制‘５１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ＥＧＳｎｒｃ工具包

蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计实验方

基金项目：国

作者简介：闫浩（１９８０一），男，博士生；牟轩沁（联系人），男，教授，博士生导师．

家自然科学基金资助项目（６０５５１００３，６０４７２００４），教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（ＮＣＥＴ－０５－０８２８）．

万方数据

经典

第４期囝浩，等：锥束ｘ射线ＣＴ投影的蒙特卡罗仿真

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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，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．

ＥＧＳｌｌｒｃ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］，ＥＧＳｎｒｃ模拟的能量范围从ｌｋｅＶ到几百ＧｅＶ，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］．ＥＧＳｎｒｃ具有多平台移植、源代码开放以及免费的优点，本文使

用了ＥＧＳｎｒｃ的Ｃ＋＋界面Ｅｇｓ＋＋．

２锥束Ｘ射线ＣＴ投影系统的构建

２．１锥束ｘ射线ＣＴ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ＣＴ机球管旋转的扫描效果，如图１所示．物体

在Ｘｏｙ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．

ＵＤＶ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ＣＴ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

ｋｅＶ）或者多ｋⅥ９］）；系

Ｅｇｓ＋＋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Ｖ４一ｒ２．２．５增加了椭圆柱．针对实际原型机上使用的Ｐｈａｎ５００模万方数据

表１锥束Ｘ射线ＣＴ成像系统结构参数

Ｘ焦点近焦／远焦尺寸／ｒａｍ

ｋ６２

Ｘ源点轨迹抽样率３

几∞

源到中心距离／ｒｏａｎ５∞中心到探测器距离／ｍｍ

５探测器行／７１数８瓢）

探测器行１７，．Ｉ单元尺寸／ｍｍ

（Ｌ

∞椒叭

比和一致性、密度分辨率．组织成分确定参照文献Ｄａｔａ生成所需的ｐｅｇｓ输入文件．在密度分辨

Ｈｕ，ＣＴ值为

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ｔＩｕ和６０Ｈ …… 此处隐藏：6341字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……