CN103493055A - 系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于模拟物理对象的放射成像的数据处理设备、系统和方法，包括：对象模型生成器，用于生成数据模型，其中该数据模型包括表示该物理对象相对于参照系的方向的数据和模拟合成数据；以及，影像模拟器，用于对该数据模型执行放射模拟，并生成该物理对象的模拟放射影像。

Description

系统和方法

本发明涉及一种用于放射模拟的数据处理设备、方法和系统，以及一种用于实现放射模拟方法的计算机的程序。具体地，但是不限于，本发明涉及一种用于放射程序培训和研究的交互模拟系统和方法。

在放射培训中，受训者可能接受使用放射成像系统的学习课程。通常学习课程之后是考试，以确保受训者已圆满地完成学习课程，并证明他们能够正确地使用放射设备。受训者可能被期望证明他们对成像过程中定位对象的理解，正确设置成像系统，以及他们期望在从成像过程得到的合成影像中观察到什么。

在医学放射培训中，受训者在角色扮演环境中模拟成像过程。通常，一个受训者将作为病人，第二个受训者将作为放射科医生或放射科技术人员。在角色扮演中，受训者“放射科医生”帮助受训者“病人”在成像设备下做出合适的姿势。然后导师将给他们演示现实中在类似条件下得到的放射影像。

已经开发了能够用于代替病人的由传感器使能的人体模型或仿制品。基于传感器提供的位置信息，可以从基于计算机的影像库中调用合适的影像来说明人体模型的位置。这种系统实施相对简单，然而，其要求库中有大量的存储影像，而且这些影像无法覆盖人体模型可能被放置的为模拟病人定位的每个可能的位置。

这种培训练习对受训者具有重大的价值，因为他们不仅能够学习病人的各种姿势或定位的实用性，而且能够学习在成像程序中处于该位置的病人可能会有怎样的感受。

国际专利申请号WO2004/029911的国际专利涉及一种用于医学教导的系统和方法，描述了虚拟病人的使用以及放射评估的多媒体模拟。然而，这个系统依赖于表示虚拟病人的预定影像，而且培训经验还局限于用于特定病人位置或者评估类型的合适相关影像的可用性。

培训练习的主要缺点是，由于现实中放射设备相关的辐射风险，在练习期间无法得到射线影像。而且，由于已知的系统依赖于显示病人定位的预定影像，因此在练习期间当操作或重新定位病人或人体模型时，其无法提供位置反馈。

在美国专利申请号US2009305215的美国专利中，公开了放射培训模拟系统的另一示例，其描述了人体模型，该人体模型安装有用于产生人体模型的x射线影像的传感器。在执行过程中和执行过程后，计算机程序基于要求的模拟生成操作前的x射线影像，并基于从传感器得到的信息生成操作后的x射线影像。在模拟期间中，计算机程序监控传感器输入，包括力和位置传感器输入。

虚拟放射软件模拟程序包是众所周知的（www.shaderware.com）。然而，这些程序包实际上不修改虚拟模型的姿势，而且它们不利用物理模型或人体模型。

而且，这些程序包不允许辐射剂量控制，而是计算常用于指示剂量的剂量与面积之积。

基于前述想法设计了本发明的各方面和实施例。例如，基于对象或病人的实际位置，通过提供可以实现实时影像模拟的系统和方法，可以解决与已知培训技术相关的一个或多个问题。

本发明的一个或多个实施例结合了表示人类形态的计算幻影的虚拟实时的构建、使用该计算幻影的模拟以及物理模型，该物理模型为表示人体形态的具有成像器模型设置的人体模型。这允许用户实际感受到病人在他们前面的物理存在，并且学习各种射线成像位置的物理限制和/或放射程序，且没有暴露在辐射中的危险。该计算幻影可以是，但不限于，影像数据集。当利用体素的矩阵来表示计算幻影时，其类似于人的横截面影像集。幻影也可以通过一系列网格来表示。在本文中，网格是表面上的一系列点坐标，按照特定的顺序排列，以便计算机软件模块能够说明该表面在哪或者直观地渲染该表面。因此，本文中计算幻影是人类形态或其部分的数学模型。

此外，本发明的一个或多个实施例包括影像参数设置（x射线阳极类型和能量、滤波器、检测器类型、检测器尺寸等）与用于医学检查所产生的合成影像之间的关系。

因此，本发明的一个或多个实施例可以允许用户变得熟悉影像质量、成像系统以及成像系统参数对影像质量的影响。

在一个或多个实施例中，人体模型可以具有形状，以及具有由用户将其放置在任意要求的射线影像位置的灵活性。一旦将人体模型放置得让用户满意，用户便能够选择成像器设置以获得该位置上的最佳影像。

本发明的一个或多个实施例可以对某些疾病的形态建模，如肿瘤或其它畸形。这将使用户能够学习识别不同类型的畸形，何种成像系统可以被用来观察它们以及如何优化成像系统来观察它们。计算辐射剂量也是可能的，而且用户能够学习预测以对病人最少的辐射剂量来成像的最佳位置，以及对如婴儿和孕妇的最佳防护条件。

在一个或多个实施例中，能够模拟正电子发射计算机断层成像术（PET）、单光子发射计算机成像术（SPECT）或者其它分子成像技术。模拟影像依赖于计算机生成的病人生理机能、摄取的模拟放射性核素总量以及摆姿势的计算幻影或模拟几何体。用户能够设置不同的放射性核素活性分布，并能够学习不同模拟设置对生成的模拟影像的影响，分布是摆姿势的幻影影像的器官所摄取的放射性核素的数学模型。

本发明的一个或多个实施例能够与用于世界各地的诊所和医院的图像归档和传输系统（PACS）集成。因此，通过如因特网或邮件等的通信网络共享特殊的模拟结果也是可能的。

从第一方面看，本发明提供了一种用于模拟物理对象的放射成像的数据处理设备，该设备包括：对象模型生成器，用于生成数据模型，其中该数据模型包括表示该物理对象相对于参照系的方向的数据和模拟合成数据；以及，影像模拟器，用于对该物理对象的数据模型执行放射模拟，并生成该物理对象的模拟放射影像。

从第二方面看，本发明提供了一种用于模拟物理对象的放射成像的方法，该方法包括：生成数据模型，其中该数据模型包括表示该物理对象相对于参照系的方向的数据和模拟合成数据；以及在影像模拟器中在该数据模型上执行放射模拟，并生成该物理对象的模拟放射影像。

从第三方面看，本发明提供了一种用于模拟物理对象的放射成像的系统，包括根据第一方面的数据处理设备，该系统还包括传感器，该传感器用于检测该物理对象相对于参照系的方向。

在一个或多个实施例中，计算幻影可以是数据模型，计算幻影生成器可以是对象模型生成器。

在一个或多个实施例中，模拟合成数据可以是姿势幻影影像数据，并且成像模拟器可以是物理模拟器。

在一个或多个实施例中，模拟放射影像是模拟病人曝光的模拟x射线影像。

本发明一个或多个实施例可以提供对象实时模拟放射影像的生成。这使得不需要表示对象的每个可能位置的预定影像。这可以通过根据对象位置生成对象的虚拟模型以及生成模拟影像来实现，生成模拟影像是通过对放射粒子与虚拟模型的交互作用建模来产生模拟放射影像实现的。而且，用户能够在不同的放射成像程序中选择，如x射线和PET等。

现在将参照附图，仅作为例子来描述本发明的一个或多个实施例，在附图中：

图1是示出根据本发明实施例的系统部件的框图；

图2是根据本发明实施例的设置系统操作模式的图形用户界面的示例；

图3是示出根据本发明实施例的系统数据流的示意性流程控制图；

图4是示出生成姿势幻影影像数据的系统数据流的示意性流程控制图；

图5是示出生成参照幻影的系统数据流的示意性流程控制图；

图6示出所生成的体素化的人类形态的计算幻影；

图7是示出生成模拟放射影像的数据流的物理模拟器的示意性流程控制图；

图8是示出蒙特卡洛模拟过程的示意性流程控制图；和

图9a、9b和9c是人手的模拟x射线影像。

总体来说，图1示出根据本发明实施例的用于放射模拟的系统1。系统1包括将被建模的如仿制品或人体模型2的对象、现实中的放射成像器的物理模型12以及图像归档和通信系统（PACS）14。人体模型2、放射成像器的物理模型12和PACS14是物理部件。系统1还包括虚拟部件，即：姿势接口6；计算幻影生成器8；成像器12的图形用户界面20；以及物理模拟器20。虚拟部件在如计算机工作站或通用计算机之类的一个或多个数据处理设备中实现。

人体模型2能够表现人体形态。人体模型2将具有真实的具有柔性关节的外部形态，使得可以对该人体模型操作和定位。人体模型2也可以是特定的身体部位，如手、躯体或腿。人体模型2由轻型骨骼结构和多晶硅皮肤组成，具有如人体形态的真实外部形态。该人体模型由用户在成像器12观察模型的区域中进行操控。例如，可以将人体模型以卧姿或站姿放置在床上或睡椅上。

骨骼结构可以是任何合适的轻型材料，诸如例如铝或碳纤维。解剖标志，如锁骨、肩胛骨和膝盖骨等，连接在骨骼上，并且用户可以通过柔软的多晶硅皮肤感受到它们。骨骼结构通过多轴关节连接。这些关节的位置对应于人体骨骼的关节的位置，例如颅底和脊柱之间的颈部、肩膀、肘、手腕、髋关节、膝盖和脚踝。

旋转和位置传感器4设置在人体模型2的各个位置，提供角度、位置和旋转数据，这些数据表示人体模型2相对于放射成像器的物理模型12的方向。位置传感器可以用于确定人体模型2相对于放射成像器12模型的位置。可选地或者另外，红外（IR）传感器设置在放射成像器12的模型上，也可以与人体模型表面的标签和外部摄像系统相结合，以捕捉人体模型2的位置。这种设置方式是生物机械追踪系统，常用于计算机游戏和电影行业，例如iPi桌面运动捕捉^TM。旋转传感器能嵌入人体模型的多轴关节内部。因为人体模型的维度是已知的，每个旋转传感器的位置是已知的，因此能够通过旋转传感器确定关节相对于彼此的方向以及放射成像器的模型的方向。传感器通过电缆或如蓝牙之类的无线通信系统与姿势接口6相连接。

放射成像器的物理模型12是能够在医院或诊所找到的典型成像器的程式化实物模型。模型12模仿现实中的成像器的外观和感觉。放射成像器的模型12的形状和功能取决于成像模拟环境，例如，x射线、CT、PET或者SPECT，并且对于本发明的目的而言，成像器12提供成像功能是不必要的，虽然其可以这样做。模型12不仅提供用于放射学的成像设备的真实物理模型，而且为模拟系统中的成像放射源提供参照系。

PACS14可以包括PACS网络14a、数据存储14b和连接到PACS网络14a的一个或多个PACS工作站14c。PACS工作站可以包括视觉显示单元。例如，所生成的模拟影像可以符合DICOM（医学数字成像和通信）标准，以便与PACS14集成是可能的。这提供了影像的标准通信，有助于共享模拟结果、评论和/或评价尤其是远程监控和教学。

姿势接口6是人体模型2的传感器4与虚拟部件之间的接口。通过无线频率、电缆、红外和/或其它任何合适的通信介质，能够将来自传感器4的数据提供给姿势接口6。姿势接口6通过在通用计算机或工作站上的软件来实现，并用于从旋转和位置传感器接收表示人体模型2的方向的位置和旋转数据。

通过通用计算机或工作站上的软件实现的计算幻影生成器8，基于从姿势接口6接收的表示人体模型的方向和位置的数据，构建姿势幻影影像数据。姿势幻影影像数据通过以下步骤构建，这些步骤包括：将参照幻影的骨骼关节位置映射到人体模型的关节信息；对参照幻影皮肤网格进行变形；对骨骼的内脏/组织网格和皮肤网格进行插值；以及体素化网格，并将体素与网格的特定组织特性建立联系。本申请中，体素为体积元素，表示三维空间中规则网格的值。因此，对于三维（3D）模拟来说，能够重建体积图像。

如图2所示的图形用户界面20（也称为成像模式模型界面）提供了输入机制，以便用户设置用于成像模拟的成像参数数据。用户能够定义成像参数数据，例如滤波，在模拟基于x射线的成像程序的情况下的x射线生成器的管电压和管电流，或者在模拟核医学程序的情况下的放射药剂的类型以及浓度。例如，现实中的x射线设备中，滤波器是嵌入在x射线生成器底部的一块金属。对于x射线流程的模拟来说，在建模的成像器设置中，必须指定滤波器的材料和材料厚度。可选地或者另外，可以根据市场上可买到的滤波器选择预定义的滤波器类型。成像器界面20也允许用户选择其它设置，如曝光设置kVp和管丝电流mAs。电压纹波为x射线管电压的波动，也能够利用成像器界面20进行设置，如果已知电压纹波并将其考虑在内，后续的模拟将会更精确。界面上也可以包括CT生成器特性，因为CT是以x射线为基础的，因此其是x射线生成器和成像器的简单旋转设置。CT的原理是从此处众所周知的：G.N.Hounsfield,Computerized transverse axialscanning(tomography)：Part1（第1部分）：Description of system（系统描述），British Journal of Radiology(1973)46，1016-1022。例如，在螺旋CT模拟中，像在其它x射线成像方法中一样，要求用户指定x射线源和检测器特性。螺旋的间距和直径也需要指定。螺旋的直径是由x射线焦点与检测器之间的距离确定的。螺旋间距，即在CT机架上转一圈后病人经过的距离，取决于机架的旋转速度和睡椅穿过CT机器的速度。在获得CT信号之后，利用滤波反投影法或其它代数法重建3D影像。PET和SPECT特性也可以包括在内。PET和SPECT是基于不同类型的组织材料摄取的放射性同位素。因此，PET和SPECT模拟是从放射性同位素的描述、浓度和生理模型开始的。

返回参考图1，物理模拟器10使用由计算幻影生成器构建的姿势幻影影像数据，并模拟建模的x射线光子从建模的x射线生成器通过姿势幻影影像数据到它们被建模的检测器吸收的路径，从而形成模拟x射线的影像，以模拟病人的曝光。

总体来说，现在将参照图3描述系统1的操作。首先用户操控成像器12的模型下的人体模型2进入预期的放射模拟所要求的位置。当用户对人体模型的位置满意后，他们发出读取数据的命令，姿势接口6响应用户命令，从人体模型2的旋转/位置传感器4读取数据（步骤401）。姿势接口将该数据转换为适合姿势幻影影像数据构建的格式（步骤402）。该转换的数据称为姿势数据。为了使用户受益，姿势接口6能够生成人体模型的位置和方向的程式化的可视化表示形式，其可以显示在屏幕上，以便用户能够操控人体模型进入预期的放射成像过程的合适位置。基于该数据，姿势接口6实时地显示（在PACS14c的显示器，或者单独的显示器（未示出））人体模型2的姿势和相对于成像器12的物理模型的方向。这允许用户在预期的放射模拟过程之前获取人体模型2的初始影像，并允许用户调整人体模型2相对于成像器12的位置。这使得用户能够获取预期模拟的可能最佳的模拟数据，因此是重要的培训特征。

自动地或响应于用户命令，姿势接口6然后将姿势数据转发到计算幻影生成器8，用于构建摆姿势的幻影影像数据（步骤404）。在姿势幻影影像数据的构建之后，物理模拟器10可得到姿势幻影影像数据。然后姿势幻影影像数据可以经过与软件中生成的虚拟放射粒子之间的模拟相互作用，生成模拟放射影像（步骤408）。当形成DICOM影像后，传到PACS归档进行存储，并可以在PACS工作站的显示器上显示（步骤416）。

为了生成模拟放射影像，用户在图形用户界面20设置（步骤400）的成像参数数据也传到物理模拟器10（步骤406）。正如讨论的，设置包括x射线生成器和检测器特性，并模仿现实中的放射成像器上的设置。物理模拟器10可得到成像器设置，以便物理模拟器10能够准确地模拟虚拟放射粒子与姿势幻影影像数据之间的相互作用。这样，根据本发明实施例的系统能够准确地模仿现实中的放射成像过程。成像参数数据也向姿势接口6提供参照系，以将姿势幻影成像数据合并到模拟过程中。参照系允许根据来自传感器4的相对于建模成像器的位置和方向数据，映射成像器的位置与人体模型2的位置和方向之间的关系。

现在参照图4，将描述计算幻影生成器的功能和操作。计算幻影生成器8的功能是生成人体模型2的姿势幻影影像数据，用于物理模拟器10的放射影像模拟。来自姿势接口6的姿势数据被传到（步骤602）计算幻影生成器8。姿势数据提供关于人体模型2的关节的位置和方向的信息，以表示构建的姿势幻影影像数据中对应的关节和特征。在计算幻影生成器8中，人体模型2的维度和关节位置来自参照幻影，以便人体模型2中所选择的关节反映参照幻影中同样的关节。选择参照幻影使其对应于人体模型的尺寸，以便参照幻影和人体模型相匹配。例如，婴儿人体模型将具有对应的婴儿参照幻影。下面参照图5，详细讨论参照幻影的构建。

基于来自人体模型2的姿势数据，修正来自参照幻影的数据以构建摆姿势的幻影。因此，摆姿势的幻影是参照幻影的修正版本，其中，修正是基于来自姿势接口6的姿势数据。那是由传感器确定的人体模型的位置。

利用从参照幻影获取的简化的形态数据集合（步骤601）和从姿势接口6获取的姿势数据（步骤602），计算幻影生成器8将人体模型的姿势映射到（步骤604）简化的形态数据集合。姿势接口6已经确定人体模型关节的位置，因此完成的计算幻影的骨骼端点是已知的。如有必要，将参照幻影的骨骼端点移到这些位置。简化的形态数据集合仅仅具有皮肤和骨骼。将参照幻影修改为仅具有皮肤和骨骼的摆姿势的幻影是相对容易的。相比使用更完整的形态数据集合，使用简化的形态数据加速了合成x射线影像的生成。

当生成姿势幻影影像数据后，假设人体模型的皮肤直接连接到骨骼上，变形参照幻影的皮肤网格。

然后，利用称为蒙皮（步骤606）的过程创建仅具有骨骼和皮肤的姿势幻影影像数据。蒙皮是一种广泛用于电脑游戏和电影行业的计算机绘图技术，用于产生通过其骨骼运动的动画角色的外形。在蒙皮过程之后，对完整形态数据集合中的内脏和组织的变形进行插值，以跟随人体模型的方向，以便获取详细的姿势幻影（步骤608）。

姿势幻影影像数据生成的最后一步（步骤610）是生成基于体素的详细姿势幻影，并将每个体素与对应于该体素的特定组织类型的元素构成以及密度建立关联，以便产生如图6所示的体素化影像。图6示出生成的人体的体素化计算幻影影像。该体素化幻影是后续物理模拟所需要的计算幻影影像数据，后续物理模拟涉及建模的辐射与所生成的计算幻影影像数据之间的相互作用。

现在将描述参照幻影的构建。参照图5，构建参照幻影，参照幻影的构建是从姿势接口接收数据和姿势幻影影像数据构建之间的中间步骤。参照幻影数据是根据处于仰卧位的真实病人的CT/MRI扫描创建的。分割CT或MR影像（步骤501）以便以三角网格描述并且定义主要器官和组织，包括骨骼和皮肤。三角网格一起组成参照幻影影像数据的完整形态数据集合。然后处理完整形态数据集合以便获取简化的形态数据集合（步骤502和503）以便从完整形态数据集合中移除所有器官和组织网格，除了骨骼和皮肤的那些网格。

在步骤503，在称为绑定的过程中将皮肤网格与骨骼网格相连接。在Ito等（2009）“Robust generation of high-quality unstructured mesheson realistic biomedical geometry”,International Journal for NumericalMethods in Engineering，vol.65,pp.943-973中对此进行了描述，其内容在此通过引用结合。皮肤与骨骼的绑定网格为简化的形态数据集合。完整的和简化的数据集合共同形成最终的参照幻影。

使用人体模型的一个优点是能够创建具有不同尺寸、性别、年龄和生理机能的现实模型和生成的模型。然而，鉴于如缺少病人同意等原因，可能无法得到如上所述的真实病人CT/MRI影像来创建参照幻影。在上面讨论的生成参照幻影的替代方法中，可以生成基于非均匀有理B样条（NURBS）的影像（例如，参见Lee等“Hybrid computationalphantoms of the male and female newborn patient:NURBS-basedwhole-body models,”Phys.Med.Biol.523309-3333(2007)）。NURBS生成的影像基于3D几何学的数据表达式，能够准确描述从简单2D线、圆、弧或曲线到非常复杂的3D有机自由形态的表面或实体的任何形状。定义描述器官/组织边界和分割的模型的NURBS表面是不必要的。NURBS表面直接转换为三角网格，以获取完整形态数据集合。然后得到简化数据集合，并执行如上所述的绑定和蒙皮。

现在参照图7，在计算幻影影像数据生成之后，物理模拟器10使用由用户使用界面20设置的成像参数数据，来创建放射源和检测器的合适模型。物理模拟器10生成并模拟通过成像器和姿势幻影影像数据的虚拟放射粒子。

成像参数数据是由用户使用图2中的界面20设置的。例如，在基于x射线的方法中，包括CT，用户可以选择管电压（kVp）、管电流（mAs）、阳极材料、目标夹角和滤波器材料。从这些数据中，可以计算x射线束的能量谱和角向分布。其它成像参数数据设置可以包括中心点、源面距离（SSD，一般固定在100cm或80cm）和准直度。在蒙特卡洛模拟过程中，成像参数数据将通过图形界面传输以定位源方向数据和虚拟幻影的位置，下面将更详细地讨论。

向用户要求的下一步是从成像器模型中选择预期的曝光参数，也就是SSD、keV、mA和/或mAs。这些数据也将提供给蒙特卡洛模拟过程，因此通过选择要运行的x射线曝光，蒙特卡洛模拟过程将利用来自摆姿势的虚拟幻影的数据和来自成像器模型的曝光数据来运行。在核医学方法（PET和SPECT）中，用户可以选择放射性核素的类型和其在不同组织类型中的分布。放射性核素的类型确定伽马射线能量。放射性核素在不同组织中的分布假设每种组织均匀的摄取。因此，分布指定了每种组织类型中的放射性核素的百分比。假设伽马射线的发射在每个源点上是各向同性的。当射线从器官或身体出现时，发射将不再是各向同性的。核医学中虚拟光子的追踪类似于基于x射线的成像模式中的虚拟光子追踪。

虚拟粒子生成取决于虚拟放射源。在模拟基于x射线的成像模式的情况下，如CT、胸部x射线和牙科x射线等，考虑了阳极-滤波器组合。用户选择管电压（kVp）和电流（mAs）。在基于核医学的成像模式的情况下，用户指定放射性同位素的类型、活性以及在身体中的分布。因此，物理模拟器生成与研究相关的能量、位置和方向的虚拟粒子。

如图7所示，物理模拟器使用姿势幻影影像数据和成像器参数数据（相结合，称为模拟几何学）（步骤701）来生成模拟影像。通过简单几何表面的结合，描述了计算幻影影像数据几何体的每个区域。连同元素构成和该区域的密度一起，物理模拟器追踪从虚拟x射线源直到在区域中吸收或从模拟几何体逃脱的虚拟光子（步骤702）。根据来自成像器模型界面的成像器参数构建虚拟x射线源数据。在3D成像模式的情况下，模拟多投影数据或影像，并将其传递到影像重建模块上（步骤703）来重建3D合成影像。在2D模式的情况下，模拟2D合成影像的单投影。该合成影像被转换为DICOM格式（步骤704）以用于PACS归档或显示。

然后模拟器利用蒙特卡洛与如射线追踪等的确定性技术的结合，来追踪通过几何体的光子。对于确定性技术，成像器中的像素值与沿着x射线源到该像素的路径的线性衰减系数的和成比例。一个接一个地计算像素值。相反地，蒙特卡洛模拟以随机方式计算像素值，因为虚拟光子随机地到达像素。

在模拟过程中，考虑了与诊断成像相关的放射物理学。它们包括光电吸收、瑞利散射和康普顿散射以及相对于传感器使能的人体模型的成像器的位置。追踪这些粒子，直到它们在幻影或成像器中吸收，或者从模拟几何体中逃脱。

根据到达成像器的虚拟光子的得分生成模拟影像。影像是现实中到达每个检测器像素的光子的数目的集合。在虚拟模拟中，计算到每个检测器像素的光子的平均数目。因此，能够生成真实的模拟影像，使用户观察病人姿势和他们对放射源和成像器的选择的影响。

光子与物质的相互作用取决于概率分布。这些分布是众所周知的，且能从文献中得到。蒙特卡洛模拟，其步骤如图8所示，通过采样相关概率分布仿真这些相互作用。在来自已知源的光子模拟开始时，从源的x射线谱中采样光子能量。其位置和方向由源位置、维度和材料确定（步骤801）。线性衰减系数是光子能量和元素组成和介质密度的函数（步骤802）。通过采样与线性衰减系数相关的概率分布，确定在进入相互作用之前光子经过的距离（步骤803）。如果该距离使得光子在当前的材料之外，且外面没有材料，那么该光子退出该模拟几何体，程序发出新光子（步骤804）。如果有新材料如组织或部分成像器等，新材料将成为当前材料（步骤806），并将从光子穿过当前材料的边界（步骤803），可以是组织或部分成像器的边界，计算光子将在新材料中经过多远的距离。如果光子仍在当前材料内，那么将通过采样光电吸收的概率分布、康普顿散射和瑞利散射（步骤807），确定相互作用的类型。在光电吸收（步骤808）的情况下，光子终止，并记录其对模拟的贡献（步骤809）；更新模拟统计结果（步骤810）；生成并追踪新光子（步骤801）。在康普顿散射的情况下，从克莱因-仁科（Klein-Nishina）横截面（参见例如Klein and Nishina," dieStreuung von Strahlung durch freie Elektronen nach der neuenrelativistischen Quantendynamik von Dirac".Z,F.Phys.52:853-869(1929);Kahn,"Applications of Monte Carlo,"RM-1237-AEC The RandCorporation(April1956)）中采样光子的新方向和能量（步骤811），克莱因-仁科横截面为放射粒子经历一种类型的与介质相互作用的概率。克莱因-仁科横截面描述了康普顿散射的概率，再次更新模拟记录（步骤812）和统计结果（步骤813）。然后以散射光子在当前材料中将经过多远的距离的计算结果，继续追踪散射光子（步骤803）。

在瑞利散射的情况下，散射光子不损失能量，并从瑞利散射的横截面中采样新方向（步骤811）。然后更新模拟记录（步骤812）和统计结果（步骤813），并且如康普顿散射之后的情况将追踪散射光子（步骤803）。当统计结果满足某些预定条件时，如模拟光子数目或者统计波动低于要求的范围（步骤804），模拟结束。

图9（a）至图9（c）示出三张具有低分辨率计算幻影的模拟x射线影像，以示范不同x射线能量和手姿势的影响。在影像中可观察到的解剖特征可以是不同的。学生可以使自己熟悉阳极-滤波器结合的选择、在基于x射线成像中的kVp和mAs设置以及在核医学情况下的放射性同位素和它们的活性。

可以根据得分重建体积影像（例如CT和PET）。所有影像转换为DICOM格式用于PACS系统存储和显示。

在参照人类医学成像技术描述了本发明的前述方面和实施例的同时，本发明也可以在兽医实践中获得应用。

而且，本发明的实施例也可以在工程学和/或材料科学中获得应用。在工程学应用中，人体模型能够被替代，例如被工程部件替代，如涡轮叶片、机翼、车身部分或集成电路。就这点而言，应用本发明可以培训工程师或科学家使用具有工程应用的放射设备。

而且，利用现实中的病人或扮演病人的人，能够实施本发明的实施例。此处，正如人体模型或病人模型能够与合适的传感器连接来检测病人的位置和方向。姿势接口可得到来自传感器的数据，和基于来自传感器的数据生成的计算幻影。

在所附的独立权利要求中，陈述了本发明实施例的具体方面。从属和/或独立权利要求的特征的组合可以视情况结合，且不仅仅如权利要求所述的。

在上述的本发明实施例的可实施的范围内，至少某种程度上，利用软件控制的可编程处理器件，如通用处理器或专用处理器、数字信号处理器、微处理器或其它处理器件，数据处理设备或计算机系统，应该理解配置可编程器件、设备或系统来实现前述方法、设备和系统的计算机程序设想为本发明的一方面。计算机程序可以具体表现为任何合适类型的代码，如源代码、目标代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码等。可以使用任何合适的高级、低级、面向对象、可视化、编译和/或解释性编程语言，如C、C++、Java、BASIC、Perl、Matlab、Pascal、Visual BASIC、JAVA、ActiveX、汇编语言和机器代码等，实现这些指令。技术人员很容易理解，术语“计算机”在其最普通的含义中，包含如上面提到的可编程器件、数据处理设备和计算机系统。

适当地，计算机程序以机器可读形式存储在载体介质上，例如载体介质可以包括内存、可移动或不可移动的介质、可擦除或不可擦除的介质、可写入或可重复写入的介质、数字或模拟介质、硬盘、软盘、光盘只读存储器（CD-ROM）、可刻录光盘（CD-R）、可重复读写光盘（CD-RW）、光盘、磁媒体、磁光介质、可移动内存卡或磁盘、各种类型的数字通用光盘（DVD），用户识别模块、磁带、磁带固态存储器。计算机程序可以由体现在通信介质中的远程源提供，如电子信号、射频频率载波或光载波。这些载体介质也设想为本发明实施例的方面。

此处使用的任何提及“一个实施例”或“实施例”是指在至少一个实施例中包括与实施例相关的所描述的特定元素、特征、结构或特性。短语“在在一个实施例中”在说明书各个地方的出现，未必指代相同的实施例。

正如此处使用的，术语“包含”、“包含着”、“包括”、“包括着”、“具有”、“有着”或其任何其它变形，意在覆盖非排他的包括。例如，包含一系列元素的过程、方法、物品或设备未必局限于仅仅这些元素，而可以包括未明确列出的或者该过程、方法、物品或设备固有的其它元素。而且，除非明确指出是相反的，“或者”指可兼的或，而不是不可兼的或。例如，以下任一种都满足条件A或B：A为真（或存在）且B为假（或不存在），A为假（或不存在）且B为真（或存在），以及A和B都为真（或存在）。

此外，“一个”或“一”的使用用于描述本发明的元素和部件。这么做仅仅为了方便，并给出本发明的一般含义。该描述应被理解为包括一个或至少一个，单数形式也包括多个，否则除非其含义是显然的。

关于前述描述，对于本领域技术人员来说，显然可以在本发明的范围内做出各种修改。

本公开的范围包括其中或明确地或隐含地或其任何一般化公开的，任何新颖的特征或特征的组合，而不考虑其是否涉及到所要求保护的发明或减弱本发明解决的任一或所有问题。据此，申请人提醒，在本申请的起诉期间或任何源自其的进一步申请期间，可以以这些特征论证新权利要求。具体地，参照所附的权利要求，可以以任何合适的方式，而不仅仅是权利要求列举的特定结合方式，将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征结合，并将各个独立权利要求的特征结合。

Claims (32)

1.一种用于模拟物理对象的放射成像的数据处理设备，该设备包括：

对象模型生成器，用于生成数据模型，其中所述数据模型包括表示所述物理对象相对于参照系的方向的数据和模拟合成数据；以及，

影像模拟器，用于对所述数据模型执行放射模拟，并生成所述物理对象的模拟放射影像。

2.如权利要求1所述的数据处理设备，还包括数据接口，用于将表示所述物理对象的方向的所述数据转换为用于生成所述物理对象的所述数据模型的格式。

3.如权利要求2所述的数据处理设备，其中，所述对象模型生成器用于从所述数据接口接收所转换的数据。

4.如权利要求1所述的数据处理设备，其中，所述对象模型生成器用于接收参考数据，其中所述参考数据包括表示所述物理对象的形态的数据以及所述模拟合成数据。

5.如权利要求4所述的数据处理设备，其中，所述对象模型生成器用于将所述参考数据映射到表示所述物理对象的方向的所述数据上，以生成所述数据模型。

6.如权利要求1所述的数据处理设备，还包括用户界面，用于提供输入机制，以定义成像参数。

7.如权利要求6所述的数据处理设备，其中，所述影像模拟器用于接收所述成像参数，以执行所述放射模拟。

8.如权利要求6所述的数据处理设备，其中，所述成像参数包括放射源参数和放射检测器参数。

9.如权利要求2所述的数据处理设备，其中，所述数据接口用于生成所述物理对象的方向的可视化表示形式。

10.一种用于模拟物理对象的放射成像的方法，该方法包括：

生成数据模型，其中所述数据模型包括表示所述物理对象相对于参照系的方向的数据和模拟合成数据；以及

在影像模拟器中对所述物理对象的所述数据模型执行放射模拟，并生成所述物理对象的模拟放射影像。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：利用数据接口，将表示所述物理对象的方向的所述数据转换为用于生成所述物理对象的所述数据模型的格式。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述对象模型生成器从所述数据接口接收所转换的数据。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述对象模型生成器接收参考数据，其中所述参考数据包括表示所述物理对象的形态的数据以及所述模拟合成数据。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述对象模型生成器将所述参考数据映射到表示所述物理对象的方向的所述数据上，以生成所述数据模型。

15.如权利要求10所述的方法，进一步包括定义成像参数。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述影像模拟器接收所述成像参数，以执行所述放射模拟。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述成像参数包括放射源参数和放射检测器参数。

18.如权利要求11所述的方法，其中，所述数据接口生成所述物理对象的方向的可视化表示形式。

19.如权利要求14所述的方法，其中，所述模拟合成数据包括表示材料类型和材料密度的数据。

20.如权利要求10所述的方法，其中，所述执行放射模拟是统计模拟过程。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述统计模拟过程是蒙特卡洛模拟。

22.一种用于模拟物理对象的放射成像的系统，包括如权利要求1至9所述的数据处理设备，所述系统还包括传感器，所述传感器用于检测所述物理对象相对于参照系的方向。

23.如权利要求22所述的系统，其中，所述传感器设置在所述物理对象上。

24.如权利要求22所述的系统，其中，所述物理对象是可配置的或可变形的人体模型。

25.如权利要求22所述的系统，其中，所述传感器是位置和/或旋转传感器。

26.如权利要求22所述的系统，还包括放射成像器的物理模型。

27.如权利要求26所述的系统，其中，所述成像器的物理模型定义所述参照系。

28.一种用于实现权利要求10至21任一项或多项所述的方法的计算机的程序。

29.一种用于各个实施例以及参照附图中各个图的实质上如以上所述的设备。

30.一种用于各个实施例以及参照附图中各个图的实质上如以上所述的方法。

31.一种用于各个实施例以及参照附图中各个图的实质上如以上所述的系统。

32.一种用于各个实施例以及参照附图中各个图的实质上如以上所述的计算机程序。

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