CN106057050A - 一种基于gate平台的荧光ct系统模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，涉及医疗设备技术领域。包括多个荧光CT子系统的设置过程，每个荧光CT子系统的设置包括可视化模块设置、世界模块设置、探测系统模块设置、几何模块设置、材料模块设置、伪随机模块设置、物理效应模块设置、常用粒子源模块设置、数字转换模块设置、时间控制模块设置和输出模块设置。本发明采取多探测器优化系统结构和多子系统联合方法，最终得到一个完整的模拟系统，有效解决荧光系统利用率低、GATE仿真运算速度慢等问题，通过模体设置有效探究金粒子浓度、空间位置等因素对成像的影响，并且模拟产生的数据对研究XFCT的重建算法具有很大价值，提供的生数据更加接近真实情况。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法。
背景技术
X射线-荧光计算机断层成像系统(X-ray Fluorescence Computed Tomography，简称荧光CT系统或XFCT)是一种荧光断层成像扫描装置，与常规CT相比，它具有靶向性的特点，有较好的软组织对比度以及较低的X射线剂量，同时，相比于PET(Positron EmissionComputed Tomography，正电子发射型计算机断层成像)减少了因服用放射性成像剂而对身体造成的持续性伤害。基于以上优点，荧光CT被广泛应用于生物医学工程领域，在软组织病变、癌症、肿瘤检查方面具有非常重要的作用。
荧光CT是通过物体外部检测到的X射线激发的荧光数据重构物体内部示踪剂分布的技术。自1986年Boisseau提出荧光CT到现在不过二十几年，这一领域已经迅速发展成为一个研究热点，但是荧光CT受很多硬件条件制约，例如：探测器灵敏度、合适的成像剂等问题，以至于荧光CT成像效果并不理想，目前只能应用于小样本检测。最近研究发现：与传统的有机荧光分子相比，金纳米团簇能大大改善荧光性质，可以大幅度提高以“纳米金”为成像标记剂的成像分辨率，而且目前制备金纳米团簇的技术已经日趋完善，使得荧光CT应用于临床成为可能。
一个真实荧光CT系统，对各部件的要求都比较高，因此首先在一个可靠的仿真平台上搭建模拟系统并进行模拟仿真非常有必要，这将避免许多不必要的浪费与损失，还可以针对荧光CT中各种物理现象进行单独探究，以得到各个物理现象对成像效果的影响，并对一些在实际平台搭建中可能出现的问题进行预知并做好调整对策。
GATE(Geant4 Application for Tomographic Emission)是由InternationalOpen GATE组织开发的一款开源模拟仿真软件，这个基于Monte Carlo方法的高能物理模拟工具包主要应用于医疗成像和核放射治疗的数字模拟。在2014年5月14日发布的Gate7.0版本中开始正式加入了“原子退激”，使得GATE仿真“X射线激发荧光”成为可能。
目前技术中，成像剂受X射线激发产生荧光少、荧光系统利用率低、图像空间分辨率低、图像的校正方法、仿真运算速度慢，重建图像的质量和仿真速度不能同时保证。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，采取多探测器优化系统结构和多子系统联合方法，通过对多个子系统进行设置，最终得到一个完整的模拟系统，对研究开发荧光CT系统具有很好的实用价值，模拟产生的数据对于研究荧光CT的重建算法具有很大价值，提供的生数据更加接近于真实情况。
本发明提供一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，包括多个荧光CT子系统的设置过程，每个荧光CT子系统的设置包括可视化模块设置、世界模块设置、探测系统模块设置、几何模块设置、材料模块设置、伪随机模块设置、物理效应模块设置、常用粒子源模块设置、数字转换模块设置、时间控制模块设置和输出模块设置，具体方法为：
步骤1：设置GATE平台的可视化模块，具体设置可视化组件、根据用户的观察需要来定义整个系统的用户观测角度和放大倍数，并设置世界体、放射源、探测器、准直器、模体和射线轨迹的可见性；
步骤2：设置GATE平台的世界模块，具体设置世界模块结构和材料；
步骤3：设置GATE平台的探测系统模块，具体设置探测系统为GATE平台中提供的探测系统中的一个系统或多个系统的组合；
步骤4：设置GATE平台的几何模块，具体包括探测器模块、准直器模块和模体模块的几何设置；探测器模块设置为包括15个荧光探测器和一个普通CT探测器，15个荧光探测器均为相同规格的碲锌镉探测器，各荧光探测器与被探测中心的间隔角度为固定角度，且各荧光探测器表面垂直于各自中心到被测中心的连线，形成一个半包围结构的探测器组，普通CT探测器为一个材料为碘化铯的探测器，设于放射源相对于被测模体的对侧；准直器模块与荧光探测器配套设置，准直器模块为一个半环形铅板，半环形铅板上设有15个均匀分布的小孔，小孔为空气填充的圆台，每个小孔与每个荧光探测器配套设置，并设于被测模体与各个荧光探测器中心连线的中心，圆台上底面朝向被测模体，下底面朝向荧光探测器；模体模块设置为一个圆柱型水模体，被测模体被包含在水模体内，被测模体包括若干个被测子模体；
步骤5：设置GATE平台的材料模块，调用GATE平台默认的材料数据库，手动添加碲锌镉、碘化铯和氯化金化合物；
步骤6：设置GATE平台的伪随机模块，具体设置随机发生器的引擎和种子点；
步骤7：设置GATE平台的物理效应模块，选择粒子传播过程中与所接触或靠近的介质发生的所有物理过程，设置物理效应为标准光电效应和原子退激效应；
步骤8：设置GATE平台的常用粒子源模块，用于模拟现实中的放射源，具体设置放射源类型及其能谱分布、粒子的放射性活度、粒子类型、粒子能量、放射源的形状和光源发射角度，放射源设于准直器中间的小孔内部；
步骤9：设置GATE平台的数字转换模块，具体设置数字转换模块加入加法器模块、读出模块及读出模块的采样深度，进行数字化、触发逻辑控制以及能量调节和空间位置的模糊化处理，设置阈值模块及阈值模块的阈值，进行初步能量滤波；
步骤10：设置GATE平台的时间控制模块，设置时间切片长度、时间切片开始时间和时间切片截止时间；
步骤11：设置GATE平台的输出模块，设置数据输出格式和输出文件的名称；
步骤12：设置多个荧光CT子系统，每个荧光CT子系统都进行前述的步骤1至步骤11的设置；
步骤13：多个荧光CT子系统运行GATE模拟，运行结束后对输出数据进行划分、叠加及迭代重建处理，得到荧光CT投影和重建结果。
进一步地，所述被测模体包括4个被测子模体，分别为：第一个被测子模体设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的水圆柱，第二个被测子模体设置为一个半径为1mm的水圆柱，第三个被测子模体设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的对比水圆柱，第四个被测子模体设置为半径为1mm材质为2％氯化金溶液的水圆柱。
进一步地，水模体上设有自旋动作，用于使水模体自旋，自旋轴垂直于放射源、被测模体和荧光探测器所在的平面，自旋角速度为1rad/s。
进一步地，步骤3中的探测系统为Scanner系统与CTScanner系统的组合，分别模拟荧光探测器和普通CT探测器。
进一步地，步骤13中对输出数据的处理过程采用Matlab执行，用Matlab将输出的数据直接转换为数组，具体方法为：首先对输出数据进行15个荧光探测器的划分，然后将15个荧光探测器的探测板上接收到的数据利用旋转函数整合叠加到1个荧光探测器的探测板上，对于叠加后的数据进行分辨率划分，即通过坐标将荧光探测板划分为若干小块区间，对每一个小块区间上探测到的粒子进行计数得到投影图，并采用迭代方法进行重建。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，采取多探测器优化系统结构和多子系统联合方法，通过对多个荧光CT子系统进行设置，最终得到一个完整的模拟系统。证实了激发产生的荧光具备成像的能力，通过对模体的设置有效探究金粒子浓度、空间位置等因素对成像的影响，改善成像剂带来的不良影响，有效提高图像空间分辨率，保证重建图像的质量，对研究开发荧光CT系统具有很好的实用价值。多个荧光CT子系统同时运行模拟，每个子系统中多个荧光探测器同时接收荧光，可以将不同子系统中不同荧光探测器模拟的同一实验数据整合，有效解决了荧光系统利用率低、GATE仿真运算速度慢等问题，有效提高模拟运算速度，模拟产生的数据对于研究荧光CT的重建算法具有很大价值，提供的生数据更加接近于真实情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法流程图；
图2为本发明实施例中荧光CT子系统的立体结构示意图；
图3为图2中立体结构的俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的模拟方法的模拟数据固定角度投影结果示意图；
图5为本发明实施例提供的模拟方法的模拟数据重建结果示意图。
图中：1、小孔；2、准直器；3、荧光探测器；4、普通CT探测器；5、水模体；6、第一被测子模体；7、第二被测子模体；8、第三被测子模体；9、第四被测子模体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为模拟方法流程图，在模拟荧光CT系统时，按照这个框架体系对各个模块进行设置，主要是对X射线源、被测模体(成像剂溶液)、准直器和探测器四大部分进行设计模拟。对于X射线源的设置主要包括活度、类型、放射角度等；对于模体设置主要包括不同浓度的氯化金溶液，还设置了不同溶液模体的大小和位置；对于准直器的设置主要是方案的选取，以及铅板的厚度、位置、小孔大小设置，对于探测器的设置，主要是设置材料、大小、位置等信息。以下为本实施例的具体实施过程。
步骤1：在GATE平台进行可视化模块的设置，设置可视化组件为openGL，并设置世界体、放射源、探测器、准直器、模体和射线轨迹为可见；设置整个系统的用户观测角度为倾斜角60度、方位角60度，设置观测放大倍数为2。
可视化模块用来选择显示模拟系统的各个组件，常用可视化组件有openGL、Dawn、Qt等，用户可以定义整个模拟系统中的任意模块是否显示，即对用户而言是否可见，包括探测器结构、放射源、体模，甚至是是射线轨迹，对于粒子轨迹可以设置轨迹存储数量，用于再现其运动轨迹。另外，用户也可以在可视化模块中根据自己的观察需要来定义整个系统的用户观测角度和放大倍数，可以通过命令来设置显示角度，特别地在Qt显示时用户可以实时用鼠标拖动来改变观测角度。
步骤2：在GATE平台进行世界模块的设置，设置世界模块结构为一个边长为50cm的正方体，设置世界模块的材料为空气。
世界模块(World)定义了模拟系统所在空间的大小，在World.Mac宏文件中通过X、Y、Z三个维度定义其大小。另外，还需要设置World中的材料，已有许多材料被封装在数据库中，包含各元素单质，常见化合物混合物，用户也可根据自己的需要按照对应材料类型的格式(纯净物，混合物)手动向材料数据库中添加相应材料，模拟时通常将World设置为空气，以模拟真实实验环境。
步骤3：在GATE平台进行探测系统模块的设置，设置探测系统为Scanner与CTScanner系统的组合。
探测系统模块是最基础的一个模块，提供给使用者可供选择的模拟探测系统有Scanner、CTScanner、PET、SPECThead等。GATE系统中提供的模拟探测系统基本上涵盖了现实中已有的医学成像系统所需部件，不同的系统拥有不同的探测深度，足够用户根据实际需求进行系统选择，最终完成模拟系统设计。选择模拟系统时，用户可以选择多个探测系统并将它们组合在一次仿真模块中，本实施例利用Scanner与CTScanner系统进行组合，模拟荧光探测器。
步骤4：在GATE平台进行几何模块的设置，包括探测器模块、准直器模块2和模体模块的几何设置。
探测器模块设置为由15个荧光探测器3与一个普通CT探测器4的扫描系统，15个荧光探测器3均为64×64×2mm的碲锌镉探测器，各荧光探测器3与被探测中心的间隔角度为18度且探测器3表面垂直于各自中心到被测中心的连线，各探测器3的探测板中心距离被测中心238.85mm，形成一个半包围结构的探测器组。普通CT探测器4为一个128×128×2mm的材料为碘化铯的探测器，被置于放射源相对于被测模体的对侧，同样距离被测模体119.38mm。
由于需要探测被测模体的荧光，此时被测模体为一个光源，而要对光源本身形状进行成像，可以使用准直器，准直器必须具备阻挡无效射线的功能，因此其材料应是对X射线吸收度较高的材质。准直器模块2与荧光探测器3配套设置，准直器模块2为一个半环形铅板，准直器铅板上设有15个均匀分布的小孔1，小孔1为空气填充的圆台，圆台的上底面半径为0.5mm、下底面半径为2mm、高为5mm，每个小孔1与每个荧光探测器3配套设置，并设于被测模体与各个荧光探测器3中心连线的中心，圆台上底面朝向被测模体，下底面朝向荧光探测器3，本实施例中，准直器2到被测模体中心的距离为119.43mm。
模体模块设置为一个半径为30.5mm的圆柱型水模体5，实际被测模体被包含在水模体5内。得到同一个模体在每个角度下的投影图，即可根据重建算法重建出CT图，而该功能可以通过对模体添加自旋完成，所以对水模体5设置自旋动作，自旋轴垂直于放射源-被测模体-探测器所在平面，自旋角速度为1rad/s，根据GATE对于自旋的定义，模体和探测器系统在每一时间片内是相对静止的，所以能够在每个时间片内得到静止的模体的单一角度投影。为了进一步探究金粒子浓度、空间位置等因素对成像的影响，被测模体包括4个被测子模体，如图3所示，第一个被测子模体6设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的水圆柱，第二个被测子模体7设置为一个半径为1mm的水圆柱，第三个被测子模体8设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的对比水圆柱，第四个被测子模体9设置为半径为1mm材质为2％氯化金溶液的水圆柱。
几何模块在GATE平台中的主要功能是对系统中各个几何体结构进行描述，用户根据需要来设置几何结构，如长方体、圆柱体、球、椭圆、圆台、圆锥等几何结构，也可以通过嵌套来实现空心等复杂结构。几何模块中的设置主要包含两个方面的设置：探测器的几何设置和模体的几何设置。虽然这两部分在成像过程发挥着不同的作用，但是它们的几何体设置在本质上是相同的，具体实施中，需要定义几何体代号、关联、类型、大小及位置等信息。另外材料是都必须设置的，而且所设置的材料必须已经被包含或手动添加在GATE平台的材料数据库中。
步骤5：在GATE平台进行材料模块的设置，调用默认的材料数据库，并且手动添加用户需要但数据库中没有的材料，包括碲锌镉、碘化铯及氯化金化合物。
材料模块需要调用GATE平台默认的材料数据库，已有许多材料被封装在材料数据库中，包含各元素单质、常见化合物混合物，用户也可根据自己的需要按照对应材料类型的格式(纯净物、混合物)手动向材料数据库中添加相应材料。
步骤6：在GATE平台进行伪随机模块的设置，设置随机发生器引擎为默认的Mersenne Twister，设置随机发生器的种子点为auto。
伪随机模块作为蒙特卡洛模拟的工具，GATE需要一个随机发生器来仿真实际，有三种随机引擎方式供选择：the Ranlux64、the James Random和the Mersenne Twister，GATE默认的随机引擎方式为the Mersenne Twister，用户可以通过命令语句改变。随机发生器的种子点设置也很重要，GATE提供了三种选择：default、auto和manual，default代表种子点一直不变，auto代表GATE每次运行时系统都会自动分配一个新的种子点，manual代表用户可以手动设置种子点。
步骤7：在GATE平台进行物理效应模块的设置，设置物理效应为标准光电效应和原子退激效应。
物理过程模块主要是用来选择粒子传播过程中与所接触或靠近的介质发生的所有的物理过程，常见物理过程包括有：光电效应、康普顿效应、瑞利散射、二次散射、原子退激过程、电磁场力作用等。GATE平台对于电磁场作用过程中根据用户对不同仿真情况的要求，相应地提供了两个模拟数据包，它们分别为：标准能量电磁过程(Standard EnergyElectromagnetic Processes，简称SEP)和低能电磁过程(Low Energy ElectromagneticProcesses，简称LEP)，这两个数据包通过高能物理实验室经过大量真实实验采集得到的结果提炼而成，因此，模拟所得到的数据具备与实际采集的数据比较的能力。其中，SEP所处理的物理过程是粒子能量在10keV以上所发生的，例如光电效应与康普顿效应，而LEP则用于模拟粒子在低能条件下的电磁过程。
步骤8：在GATE平台进行常用粒子源模块的设置，设置粒子的放射性活度为1×107becquerel(贝克勒尔，放射性强度单位)，设置粒子类型为伽马粒子，设置粒子能量为单能量100kev，设置放射源的形状为点光源，设置光源发射角度：轴向夹角为112.9～139.1度、径向夹角为-0.25～0.25度，粒子源即放射源，被置于准直器中间的小孔内部，到被测中心的距离为119.43mm。
常用粒子源模块也是仿真过程中重要模块之一，用来模拟现实中的放射源。根据不同的实际需求选择模拟系统类型，用户可以通过修改这个模块的参数来设置需要的放射源。用户需要首先定义放射源类型，然后设置能谱分布、发射粒子的轴向角度和径向角度、射线源几何形状及放射活度等信息。GATE为用户提供了多种常见放射源类型，包括离子型、简单粒子型(X光子、γ光子等)、电子型、以及可见光光子型等；各粒子满足其物理特性，包括放射性核素的半衰期、放射粒子的放射过程等信息。关于能谱分布，GATE为用户提供了多种分布形式包括：线性分布、均匀分布、单一、任意点谱分布、高斯分布以及用户自定义柱状分布等分布类型，本实施例采用的是单能射线源，所以本实施例的能谱分布形式为单一能谱分布。而控制发射粒子角度方面，GATE则为用户提供了轴向夹角和径向夹角两个参数以控制棱锥射线束的照射范围，此外，用户也可以根据自己的实际需求来以用户自定义的方式来设置粒子出射角度范围。关于放射源形状方面，GATE也为用户提供了丰富的放射源的形态结构，如“Point”、“Plant”、“Volume”、“Surface”等，而这其中每一种结构类型又可以和大量放射源几何体类型组合而构成用户所需的任何放射源。
步骤9：在GATE平台进行数字转换模块的设置，设置数字转换模块加入加法器模块、读出模块、阈值模块，设置读出模块的采样深度为1，即只采集到探测板，设置阈值模块的阈值为10kev。
数字转换模块是模拟荧光CT成像系统的一个的重要环节，用来模拟探测器探测粒子和电子学信号处理链的行为，可以看作是真实荧光CT探测器系统的后端电子学电路部分的模拟。所以GATE模拟的最终数据结果在一定程度上受数字转换模块设置的影响。整个数字转换模块可以理解为一系列的信号处理单元的组合，以最开始的Hits信息作为输入信号，之后的中间滤波处理过程中每一个信号处理单元输出的都为电子脉冲信息，完成这些所有的仿真电路处理之后，可以把在整个处理链的末端输出的脉冲信号称作为Singles信号。Hits信息包含了每个粒子的参数，例如粒子的编号、能量、位置以及发射时间等，在经过各处理单元的数字化、触发逻辑控制以及能量调节和空间位置的模糊化等处理，就得到最终的Singles信号。此外，还可以在数字转换模块中设置能量阈值完成初步能量滤波。
步骤10：在GATE平台进行时间控制模块的设置，设置时间切片长度为1秒，时间切片开始时间为0秒，时间切片截止时间为360秒。即扫描时间片厚度为1s，扫描时间为360s，又因为模体自旋角速度为1rad/s，所以放射源每一个整角度扫描一次。
在定义一个GATE仿真程序时，需要设置时间信息，但是仿真系统中的仿真时间并不意味着现实中的医疗设备扫描时间，仿真时间甚至是实际扫描时间的几十万倍，因此合理的时间设置对整个仿真系统尤为重要。在时间控制模块的设置中，最重要的就是时间切片的设置，对于时间切片，有三个参数需要设置，分别是每个时间切片长度、时间切片开始时间和时间切片截止时间，在同一个时间切片内，整个系统中各模体的物理结构保持静止，即不发生相对位移，时间切片开始时间和时间切片截止时间可以控制时间切片个数，也就是投影角度数量。
步骤11：在GATE平台进行输出模块的设置，设置数据输出为ASCII格式，设置输出文件的名称。ASCII输出格式不会对数据进行压缩，也就不会有数据损失，是一种相对简单的输出方式。
输出模块用来定义数据输出。与实际中的扫描一样，在GATE仿真中，也需要得到其扫描数据结果，通过分析处理数据来得到需要的结果。GATE为用户提供了多种数据输出格式：ASCII格式、Image格式、ROOT格式、LMF格式、Interfile格式以及ECAT格式等，不同格式具有不同的特点，用户可以按照不同的实际需求进行选择。本实施例采取ASCII格式进行数据输出，ASCII输出格式不会对数据进行压缩，也就不会有数据损失，是一种相对简单的输出方式。在GATE中进行一次仿真后，如果没有特定设置，在预先定义的文件输出目录文件夹中可以看到有三个数据文件，分别为“Run.dat”、“Singles.dat”和“Hit.dat”数据文件，三个数据文件分别包含着仿真过程中得到不同的数据信息。“Run.dat”数据文件主要储存着每个时间片内放射源发射出的粒子数目，即使是无法到达探测器的粒子依然被记录在该数据文件的列表中，因此可以形象地理解为该文件存储了整个系统在这次模拟中放射源总共发射出的粒子个数详情，但是，它记录的数据与计算得到的粒子个数有细微的出入。“Singles.dat”数据文件存储事件列表，即经过处理并整合以后的数据，包括粒子的编号、位置、能量、动量等信息。“Hit.dat”数据文件主要用于存储粒子在与介质接触过程中发生物理过程的动能、能量、位置等信息。上述三个数据文件中均默认输出所有的数据信息，如果用户不需要所有信息，可以对数据信息进行选择性的输出。
以上的步骤1至步骤11是对一个荧光CT系统的完整设置，得到如图2所示的荧光CT模拟系统。
步骤12：设置多个子系统，每个子系统都进行以上的步骤1至步骤11的模块设置。
GATE的模拟可以通过设置其随机参数而使得每次模拟结果不同，各自独立，使得实验中可以将不同子系统中模拟的同一实验数据整合，因此采用多个子系统同时运行，以加速模拟过程。本实施例中，设置5个子系统，每个子系统都进行独立设置，每个子系统均由一台计算机进行设置的控制。
步骤13：多个子系统开始运行GATE模拟，运行结束后对输出数据通过matlab进行叠加、划分及迭代重建处理，得到投影和重建结果。特定角度的投影如图4所示，重建结果如图5所示。
输出数据处理过程采用Matlab执行，用Matlab将输出的“singles.dat”直接转换为数组。对于包括15个荧光探测器的荧光CT系统采集到的数据，可以对其进行组合叠加，即将15块探测板上接收到的数据整合到一块探测板上。因为各荧光探测器对于探测中心的旋转间隔角度为18度，对于这样的整数旋转间隔，当扫描每次进行18个时间片之后，相邻的后一个荧光探测器相对于被测模体的探测角度就会和前一个荧光探测器在18个时间片前的观察角度重合，故可以将15个荧光探测器360度的扫描数据叠加为1个荧光探测器的360度扫描数据。而要对数据进行叠加需要先对其进行划分，原始输出数据中的XYZ坐标值为空间绝对坐标，表示的是粒子在空间中的哪个位置被荧光探测器探测到，而本实施例的方法中设计的系统是让模体旋转，荧光探测器的绝对坐标位置不会变，因此可以通过其绝对坐标判断粒子是被空间中的哪一块荧光探测器接收到，从而对数据进行了15个荧光探测器的划分。但是这时会发现数据仍然无法直接叠加，因为对于每一块荧光探测板上的数据XYZ坐标相差很大，所以需要归一化。由于Y轴为垂直于扫描平面的轴，故需要将除第一个荧光探测器以外的数据通过旋转函数，统一旋转至第一块荧光探测板的位置，旋转函数如下：
s＝x cos(b)-z sin(b)
t＝x sin(b)+z cos(b)
其中，s和t分别表示旋转后数据的两个坐标值，x和z分别表示探测器数据原本的两个坐标值，b表示需要旋转的度数。
需要注意的是，每个荧光探测器的旋转角度都不同，相邻荧光探测器数据旋转角度相差18度。最后只要将数据按照相邻荧光探测器相差18个时间片的原则即可以将数据转化为一个荧光探测器的360度扫描数据。这一方法对比于只使用一个探测器采集数据，效率提高15倍，即一次就可以完成原本15次的数据量采集。
对于叠加后的数据，还需要进行分辨率划分，即通过坐标来将64×64×2mm的荧光探测板划分为64×64分辨率或者256×256分辨率的小块区间。对每一个小块区间上探测到的粒子进行计数得到DR投影图，如图4所示。对于划分后的数据，本实施例采用最原始的迭代方法进行了重建得到CT图，如图5所示。
本实施例提供的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，采取多探测器优化系统结构和多子系统联合方法，通过对多个荧光CT子系统进行设置，最终得到一个完整的模拟系统。证实了激发产生的荧光具备成像的能力，通过对模体的设置有效探究金粒子浓度、空间位置等因素对成像的影响，改善成像剂带来的不良影响，有效提高图像空间分辨率，保证重建图像的质量，对研究开发荧光CT系统具有很好的实用价值。利用多个荧光CT子系统同时运行模拟，每个子系统中多个荧光探测器同时接收荧光，可以将不同子系统中不同荧光探测器模拟的同一实验数据整合，有效解决了荧光系统利用率低、GATE仿真运算速度慢等问题，有效提高模拟运算速度，模拟产生的数据对于研究荧光CT的重建算法具有很大价值，提供的生数据更加接近于真实情况。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (5)
1.一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，其特征在于，该方法包括多个荧光CT子系统的设置过程，每个荧光CT子系统的设置包括可视化模块设置、世界模块设置、探测系统模块设置、几何模块设置、材料模块设置、伪随机模块设置、物理效应模块设置、常用粒子源模块设置、数字转换模块设置、时间控制模块设置和输出模块设置，具体模拟方法为：
步骤1：设置GATE平台的可视化模块，具体设置可视化组件、根据用户的观察需要来定义整个系统的用户观测角度和放大倍数，并设置世界体、放射源、探测器、准直器、模体和射线轨迹的可见性；
步骤2：设置GATE平台的世界模块，具体设置世界模块结构和材料；
步骤3：设置GATE平台的探测系统模块，具体设置探测系统为GATE平台中提供的探测系统中的一个系统或多个系统的组合；
步骤4：设置GATE平台的几何模块，具体包括探测器模块、准直器模块(2)和模体模块的几何设置；所述探测器模块设置为包括15个荧光探测器(3)和一个普通CT探测器(4)，所述15个荧光探测器(3)均为相同规格的碲锌镉探测器，各荧光探测器(3)与被探测中心的间隔角度为固定角度，且各荧光探测器(3)表面垂直于各自中心到被测中心的连线，形成一个半包围结构的探测器组，所述普通CT探测器(4)为一个材料为碘化铯的探测器，设于放射源相对于被测模体的对侧；所述准直器模块(2)与荧光探测器(3)配套设置，所述准直器模块为一个半环形铅板，所述半环形铅板上设有15个均匀分布的小孔(1)，所述小孔(1)为空气填充的圆台；每个小孔(1)与每个荧光探测器(3)配套设置，并设于被测模体与各个荧光探测器(3)中心连线的中心，所述圆台上底面朝向被测模体，下底面朝向荧光探测器(3)；所述模体模块设置为一个圆柱型水模体(5)，被测模体被包含在水模体(5)内，所述被测模体包括若干个被测子模体；
步骤5：设置GATE平台的材料模块，调用GATE平台默认的材料数据库，手动添加碲锌镉、碘化铯和氯化金化合物；
步骤6：设置GATE平台的伪随机模块，具体设置随机发生器的引擎和种子点；
步骤7：设置GATE平台的物理效应模块，选择粒子传播过程中与所接触或靠近的介质发生的所有物理过程，设置物理效应为标准光电效应和原子退激效应；
步骤8：设置GATE平台的常用粒子源模块，用于模拟现实中的放射源，具体设置放射源类型及其能谱分布、粒子的放射性活度、粒子类型、粒子能量、放射源的形状和光源发射角度，放射源设于准直器中间的小孔内部；
步骤9：设置GATE平台的数字转换模块，具体设置数字转换模块加入加法器模块、读出模块及读出模块的采样深度，进行数字化、触发逻辑控制以及能量调节和空间位置的模糊化处理，设置阈值模块及阈值模块的阈值，进行初步能量滤波；
步骤10：设置GATE平台的时间控制模块，设置时间切片长度、时间切片开始时间和时间切片截止时间；
步骤11：设置GATE平台的输出模块，设置数据输出格式和输出文件的名称；
步骤12：设置多个荧光CT子系统，每个荧光CT子系统都进行前述的步骤1至步骤11的设置；
步骤13：多个荧光CT子系统运行GATE模拟，运行结束后对输出数据进行划分、叠加及迭代重建处理，得到荧光CT投影和重建结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，其特征在于，所述被测模体包括4个被测子模体，分别为：第一个被测子模体(6)设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的水圆柱，第二个被测子模体(7)设置为一个半径为1mm的水圆柱，第三个被测子模体(8)设置为半径为2mm、材质为1％氯化金溶液的对比水圆柱，第四个被测子模体(9)设置为半径为1mm材质为2％氯化金溶液的水圆柱。
3.根据权利要求1所述的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，其特征在于，所述水模体(5)上设有自旋动作，用于使水模体(5)自旋，自旋轴垂直于放射源、被测模体和荧光探测器(3)所在的平面，自旋角速度为1rad/s。
4.根据权利要求1所述的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，其特征在于，步骤3中的探测系统为Scanner系统与CTScanner系统的组合，分别模拟荧光探测器和普通CT探测器。
5.根据权利要求1所述的一种基于GATE平台的荧光CT系统模拟方法，其特征在于，步骤13中对输出数据的处理过程采用Matlab执行，用Matlab将输出的数据直接转换为数组，具体方法为：首先对输出数据进行15个荧光探测器的划分，然后将15个荧光探测器的探测板上接收到的数据利用旋转函数整合叠加到1个荧光探测器的探测板上，对于叠加后的数据进行分辨率划分，即通过坐标将荧光探测板划分为若干小块区间，对每一个小块区间上探测到的粒子进行计数得到投影图，并采用迭代方法进行重建。
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