CN108281191B - 一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法及系统，方法包括：根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量。本发明具有高精度和高效率的优点，可广泛应用于计算机辅助诊断领域。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助诊断领域，尤其是一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法及系统。
背景技术
名词解释：
CT：计算机断层扫描。
能谱CT成像：根据物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收原理，采用两种或以上X射线管电压，提供比常规CT更多的影像信息。
CTDI：CT剂量指数，用于反映CT扫描的剂量水平。
CTDI100：CT剂量指数100，在剂量平面前后各50mm范围内的剂量曲线的积分，具体计算公式为：
其中D(z)为z方向(即CT轴线方向)上的剂量曲线，N为扫描层数，T为层厚。
CTDIw：加权CT剂量指数，反应扫描平面中的平均剂量，与扫描平面中心的CT剂量指数100CTDI100(中心)和扫描平面中心外周的CT剂量指数100CTDI100(外周)有关，具体计算公式为：
CTDIvol：容积CT剂量指数，用于反映整个螺旋扫描容积中的层面平均剂量，CTDIvol＝CTDIw/螺距因子。
CTDIair：扫描腔内无其它物体，仅有空气和扫描床时测得的扫描平面中心处的CT剂量指数100；
DLP：评价受检者接受一次CT曝光扫描后接受的总的辐射剂量，DLP＝CTDIvol×L，CTDIvol为容积CT剂量指数，L为沿Z轴的扫描长度。
TLD：热释光剂量计，用于直接测量剂量。
TASMIP：Tungsten Anode Spectral Model Using Interpolating Polynomials，利用插值多项式的钨极X射线发射能谱模型，用于模拟钨极X射线能谱。
BOWTIE滤线器：位于CT的X射线源(球管)之后的金属块，一般用铝制成，用于限制X射线的角分布；
HVL：Half Value Layer，半值层厚，是指将X射线的比释动能降低至初始值的一半所需的铝片等金属片厚度；
QVL：Quarter Value Layer，四分之一值层厚，是指将X射线的比释动能降低至初始值的四分之一所需的铝片等金属片厚度。
管电压：CT的X射线球管电压，决定了出射X射线的能量。
管电流：CT的X射线球管电流，决定了出射X射线的强度。
DICOM：Digital Imaging and Communications in Medicine，即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准(ISO 12052)，它定义了质量能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。
SFOV：扫描视野。
束宽：出射X射线束在Z方向的宽度。
扫描长度：扫描床相对机架移动的距离。
现有的能谱CT扫描剂量计算方法主要包括CTDI体模剂量估算法和仿真人体体模直接测量法两种，前者采用了CTDI体模，通过测量体模中的CTDIvol，最终计算得到DLP，由于CTDI体模与人体差别较大，剂量计算存在很大误差；后者则在较复杂的仿真人体体模内放置TLD进行直接测量，其需要放置多个TLD或进行多次测量，工作量大，耗时长，不能迅速给出给定扫描方案的剂量，尤其是无法给出具体受扫描者的剂量(不可能在人体内放置TLD)。
因此，业内亟需一种同时满足高计算精度和高计算效率需求的能谱CT辐射剂量计算方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种高精度和高效率的能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法及系统。
本发明所采取的第一技术方案是：
一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法，包括以下步骤：
根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量。
进一步，所述虚拟软射线源为利用TASMIP能谱模型生成的虚拟钨极X射线源，所述虚拟硬化材料为铜片、铝片或其它具有X射线能谱硬化效果的材料，所述虚拟滤线器为BOWTIE滤线器。
进一步，所述根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱这一步骤，具体包括：
采用实验测量的方法，获得CT机扫描腔中心线处的半值层厚和/或四分之一值层厚；
通过虚拟钨极X射线源生成初始能谱；
将初始能谱穿过虚拟硬化材料后透过BOWTIE滤线器；
计算透过BOWTIE滤线器中心后的半值层厚和/或四分之一值层厚；
调整虚拟硬化材料的厚度，使得透过BOWTIE滤线器后的半值层厚和/或四分之一值层厚与CT机扫描腔中心线处的半值层厚和/或四分之一值层厚相匹配；
选定透过厚度调整后的虚拟硬化材料后的能谱作为模拟能谱。
进一步，所述根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状这一步骤，具体包括：
采用实验测量的方法，得到实测CT机扫描腔垂向中心面上各个高度位置的空气吸收剂量；
根据给定的BOWTIE滤线器中心的厚度计算透过BOWTIE滤线器中心后的空气吸收剂量，进而得到计算的空气吸收剂量值与实测的空气吸收剂量值的比值，并将得到的比值记为R；
选定X射线的出射角序列；
对出射角序列中的每个出射角度根据模拟能谱和R计算BOWTIE滤线器在每个出射角度对应的厚度，最终得到与出射角度序列对应的BOWTIE滤线器厚度序列，其中，BOWTIE滤线器在每个出射角度对应的厚度使得透过BOWTIE滤线器后计算得到的空气吸收剂量与该出射角度实测的空气吸收剂量比值等于R。
进一步，所述根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型这一步骤，具体包括：
通过CT机扫描仿真体模，获得仿真体模的DICOM图像；
对仿真体模的DICOM图像进行分割、像素合并以及器官标记；
根据分割、像素合并以及器官标记的结果建立三维矩阵形式的仿真体模几何模型。
进一步，所述根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量这一步骤，具体包括：
根据三维仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件的几何描述；
根据CT机的扫描参数、模拟能谱和虚拟滤线器的形状进行源定义，得到源粒子的起始位置、源粒子的出射角度、源粒子的能量以及出射粒子的权重；
根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下扫描腔中心线上的空气吸收剂量；
根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下三维仿真体模中各器官的吸收剂量。
进一步，所述根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量这一步骤，具体包括：
采用与蒙特卡罗输运程序模拟相同的参数实测CT机单圈轴向扫描条件下扫描中心线上的空气吸收剂量；
根据单圈轴向扫描条件下实测的空气吸收剂量和蒙特卡罗输运程序模拟计算的空气吸收剂量计算得到归一化因子；
根据归一化因子和实际的扫描参数计算器官的实际吸收剂量；
根据给定的时间占比，对给定的各管电压下器官的实际吸收剂量进行加权平均，最终得到能谱CT扫描的吸收剂量。
本发明所采取的第二技术方案是：
一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，包括：
模拟能谱生成模块，用于根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
虚拟滤线器形状确定模块，用于根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
三维几何模型建模模块，用于根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
蒙特卡罗模拟模块，用于根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
能谱CT扫描吸收剂量计算模块，用于根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量。
进一步，所述蒙特卡罗模拟模块包括：
几何描述生成单元，用于根据三维仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件的几何描述；
源定义单元，用于根据CT机的扫描参数、模拟能谱和虚拟滤线器的形状进行源定义，得到源粒子的起始位置、源粒子的出射角度、源粒子的能量以及出射粒子的权重；
单圈轴向模拟单元，用于根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下扫描腔中心线上的空气吸收剂量；
器官吸收剂量计算单元，用于根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下三维仿真体模中各器官的吸收剂量。
本发明所采取的第三技术方案是：
一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如第一技术方案所述的能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法。
本发明的有益效果是：本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法，根据CT机实测的衰减层厚数据和扫描腔的角分布数据，采用软件模拟的方法得到模拟能谱和虚拟滤线器的形状，再根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，然后通过蒙特卡罗模拟得到仿真体模各器官的吸收剂量，最后根据蒙特卡罗模拟的吸收剂量计算出能谱CT扫描的吸收剂量，通过软件模拟和蒙特卡罗模拟能在不进行仿真体模内实际剂量测量的情况下，以较高的精度和较快的速度实现能谱CT扫描剂量的模拟计算。
附图说明
图1为本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法的整体流程图；
图2为本发明实施例一的具体流程图；
图3为X射线能谱模拟过程示意图；
图4为BOWTIE滤线器的形状测量过程示意图；
图5为腹部某一层的DICOM图像；
图6为图5的MCNP几何模型图。
具体实施方式
参照图1，本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法，包括以下步骤：
根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量。
其中，虚拟软射线源、虚拟硬化材料和虚拟滤线器均属于计算机软件模拟的(即虚拟的)，用于对CT机的实际扫描进行模拟。虚拟软射线源发射的能谱相对于真实人体CT扫描的能谱来说较软，所以本发明加入了虚拟硬化材料来调整X射线光子的能量分布，减少低能X光子的占比，使得透过虚拟硬化材料后的能谱最大限度地与真实人体CT扫描的能谱相同或接近，提升了能谱CT扫描剂量计算的精度。CT机的衰减层厚数据主要包括半值层厚HVL和/或四分之一值层厚Q VL。
进一步作为优选的实施方式，所述虚拟软射线源为利用TASMIP能谱模型生成的虚拟钨极X射线源，所述虚拟硬化材料为铜片、铝片或其它具有X射线能谱硬化效果的材料，所述虚拟滤线器为BOWTIE滤线器。
进一步作为优选的实施方式，所述根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱这一步骤，具体包括：
采用实验测量的方法，获得CT机扫描腔中心线处的半值层厚和/或四分之一值层厚；
通过虚拟钨极X射线源生成初始能谱；
将初始能谱穿过虚拟硬化材料后透过BOWTIE滤线器；
计算透过BOWTIE滤线器中心后的半值层厚和/或四分之一值层厚；
调整虚拟硬化材料的厚度，使得透过BOWTIE滤线器后的半值层厚和/或四分之一值层厚与CT机扫描腔中心线处的半值层厚和/或四分之一值层厚相匹配；
选定透过厚度调整后的虚拟硬化材料后的能谱作为模拟能谱。
进一步作为优选的实施方式，所述根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状这一步骤，具体包括：
采用实验测量的方法，得到实测CT机扫描腔垂向中心面上各个高度位置的空气吸收剂量；
根据给定的BOWTIE滤线器中心的厚度计算透过BOWTIE滤线器中心后的空气吸收剂量，进而得到计算的空气吸收剂量值与实测的空气吸收剂量值的比值，并将得到的比值记为R；
选定X射线的出射角序列；
对出射角序列中的每个出射角度根据模拟能谱和R计算BOWTIE滤线器在每个出射角度对应的厚度，最终得到与出射角度序列对应的BOWTIE滤线器厚度序列，其中，BOWTIE滤线器在每个出射角度对应的厚度使得透过BOWTIE滤线器后计算得到的空气吸收剂量与该出射角度实测的空气吸收剂量比值等于R。
根据医学先验知识，CT机X射线出射角度的不同(即扫描腔的角分布不同)，会导致受扫描者最终的吸收剂量不同，反映在模拟过程中就是虚拟软射线源的出射角度的不同，透过BOWTIE滤线器的厚度不同。
进一步作为优选的实施方式，所述根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型这一步骤，具体包括：
通过CT机扫描仿真体模，获得仿真体模的DICOM图像；
对仿真体模的DICOM图像进行分割、像素合并以及器官标记；
根据分割、像素合并以及器官标记的结果建立三维矩阵形式的仿真体模几何模型。
进一步作为优选的实施方式，所述根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量这一步骤，具体包括：
根据三维仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件的几何描述；
根据CT机的扫描参数、模拟能谱和虚拟滤线器的形状进行源定义，得到源粒子的起始位置、源粒子的出射角度、源粒子的能量以及出射粒子的权重；
根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下扫描腔中心线上的空气吸收剂量；
根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下三维仿真体模中各器官的吸收剂量。
进一步作为优选的实施方式，所述根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量这一步骤，具体包括：
采用与蒙特卡罗输运程序模拟相同的参数实测CT机单圈轴向扫描条件下扫描中心线上的空气吸收剂量；
根据单圈轴向扫描条件下实测的空气吸收剂量和蒙特卡罗输运程序模拟计算的空气吸收剂量计算得到归一化因子；
根据归一化因子和实际的扫描参数计算器官的实际吸收剂量；
根据给定的时间占比，对给定的各管电压下器官的实际吸收剂量进行加权平均，最终得到能谱CT扫描的吸收剂量。
其中，归一化因子等于单圈轴向扫描条件下实测的空气吸收剂量除以蒙特卡罗输运程序模拟计算的空气吸收剂量。
与图1的方法相对应，本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，包括：
模拟能谱生成模块，用于根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
虚拟滤线器形状确定模块，用于根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
三维几何模型建模模块，用于根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
蒙特卡罗模拟模块，用于根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
能谱CT扫描吸收剂量计算模块，用于根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量。
进一步作为优选的实施方式，所述蒙特卡罗模拟模块包括：
几何描述生成单元，用于根据三维仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件的几何描述；
源定义单元，用于根据CT机的扫描参数、模拟能谱和虚拟滤线器的形状进行源定义，得到源粒子的起始位置、源粒子的出射角度、源粒子的能量以及出射粒子的权重；
单圈轴向模拟单元，用于根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下扫描腔中心线上的空气吸收剂量；
器官吸收剂量计算单元，用于根据源定义的结果，采用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下三维仿真体模中各器官的吸收剂量。
与图1的方法相对应，本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如本发明所述的能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
实施例一
以软射线源为利用TASMIP能谱模型生成的虚拟钨极X射线源(即初始能谱为TASMIP能谱)，虚拟滤线器为BOWTIE滤线器为例，如图2所示，本实施例能谱CT扫描剂量的蒙特卡罗模拟技术方案主要实现步骤包括：
一、能谱CT扫描X射线能谱和角分布的模拟
为了使用计算机来重现CT扫描过程，必须获得穿过人体的X射线束的能谱和角分布。
CT的能谱由管电压决定，对于特定的CT机型和给定的管电压来说，其扫描X射线能谱的模拟过程如下：
(1)采用实验测量的方法，获得扫描腔中心线处的HVL和QVL；
(2)以较软的TASMIP能谱作为初始能谱，并设定BOWTIE滤线器的中心厚度为0.5mm，在虚拟钨极X射线源和BOWTIE滤线器之间加入虚拟硬化材料(铜片、铝片或其它具有X射线能谱硬化效果的材料)，以及将透过虚拟硬化材料后的能谱作为模拟CT能谱的候选能谱。
(3)以较小的步长缓慢增加虚拟硬化材料的厚度，同时使用给定的质量衰减系数计算候选能谱透过BOWTIE滤线器后的HVL和QVL。当计算的HVL和QVL与实验测得的HVL和QVL匹配(可采取QVL相等，HVL最接近的原则，或仅使HVL相等)时，透过虚拟硬化材料和BOWTIE滤线器后的X射线能谱即可用作该管电压下的模拟能谱。
上述X射线能谱模拟过程如图3所示，图3中，1为TASMIP能谱，2为虚拟硬化材料，3为候选能谱，4为BOWTIE滤线器(中心的金属块为铝，中心厚度0.5mm)，5为用于计算HVL和QVL的铝片。6代表调整虚拟硬化材料的厚度或种类，使得HVL和/或QVL与实验测得的相近或相同。虚拟硬化材料2和铝片5的厚度可通过分立的虚拟硬化材料或铝片一层一层地叠加来增加。
而X射线角分布的模拟则通过调节虚拟BOWTIE滤线器的形状的方式来实现，具体过程如下：
(1)采用实验测量扫描腔垂向中心面上各个高度(或角度)位置的空气吸收剂量。
(2)将BOWTIE滤线器中心的厚度设为0.5mm，使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器中心后的空气吸收剂量，将该剂量值与实测扫描腔中心的空气吸收剂量值的比值设为R。
(3)选取一个X射线的出射角度序列，针对每个出射角度，采用前面得到的模拟能谱，以较小的步长缓慢增加BOWTIE滤线器在该角度上的厚度，然后使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器后的空气吸收剂量，当该剂量与该出射角度下实测扫描腔中心的空气吸收剂量的比值等于R时，记录此时的BOWTIE厚度并将其作为该出射角度对应的BOWTIE厚度。最终可以得到与出射角度序列对应的BOWTIE厚度序列，即虚拟BOWTIE滤线器的形状。
BOWTIE滤线器的形状的测量过程如图4所示，图4中，4为BOWTIE滤线器，7为虚拟钨极X射线源，8为测量点，9为机架。
二、仿真体模几何模型的建立
仿真体模几何模型的建立具体过程如下：
(1)、通过CT机扫描高仿真体模，获得较高分辨率的仿真体模全身的DICOM图像；
(2)、根据CT值的大小和解剖学判定理论，对DICOM图像进行分割，并进行像素的合并，标记像素所属的器官或组织；
(3)、根据分割、像素合并和标记结果，形成扫描区域的三维矩阵，即仿真体模几何模型。三维矩阵中每个元素代表该立方体元的器官或组织类型，每个立方体元内的材料成分、密度相同。该仿真体模几何模型用于后续生成蒙特卡罗模拟输入文件中的几何描述。
三、CT扫描过程的蒙特卡罗模拟
CT扫描过程的蒙特卡罗模拟具体过程如下：
(1)、根据仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件中的几何描述。根据蒙特卡罗程序的不同，可采取不同的描述方式，以MCNP程序为例，其采用LATTICE重复结构描述方法。
(2)、进行源定义：根据CT扫描参数，如扫描长度、扫描时间、每圈扫描时间等，随机抽样获得X射线源粒子的起始位置；根据有效视野、束宽，随机抽样获得源粒子的出射角度；根据出射角度及与之对应的BOWTIE厚度确定出射粒子权重。
(3)、根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下，扫描腔中心线上的空气吸收剂量CTDIair，记为Cm。
(4)、根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下仿真体模几何模型中各器官的吸收剂量。将得到某器官的吸收剂量记为Dm。
四、能谱CT的吸收剂量计算
(1)通过查阅CT机的说明书或直接试验测量得到CT机以与三的(3)相同的参数(管电压、扫描电流为mA0、旋转一圈时间为T0，机架只旋转一圈)进行扫描时CT扫描中心线上的空气吸收剂量CTDIair，记为C0。记NF为归一化因子，则NF＝C0/Cm；
(2)根据CT机的实际扫描圈数n，实际扫描电流mA，实际旋转一圈时间T，计算得到某器官实际吸收剂量D：
(3)假设能谱CT使用的管电压分别为V1和V2，时间占比为T1：T2，通过前一步骤求得的某器官吸收剂量分别为D1和D2，则某器官最终的吸收剂量(即能谱CT扫描的吸收剂量)为(D1*T1+D2*T2)/(T1+T2)。
实施例二
本实施例对应用本发明的方法进行实际的能谱CT扫描的吸收剂量的原理、过程及结果进行说明。
以交替使用80KVP和140KVP管电压的能谱CT扫描为例，对仿真体模进行由头顶至大腿部的螺旋扫描，扫描参数为管电流260mA，SFOV＝500mm，束宽40mm，螺矩3.936cm，扫描长度93.5cm，单圈扫描时间0.6s，则其剂量模拟计算过程如下：
1、查阅TRM手册(CT机使用说明手册)得到某型CT机在80KVP和140KVP管电压，扫描视野为“large body”时，HVL分别为6.1mm Al和8.4mm Al；分别生成80KVP和140KVP的TASMIP能谱作为初始能谱，假设BOWTIE滤线器中心厚度为0.5mm(al)，以Al为虚拟硬化材料，缓慢增加虚拟硬化材料的厚度，同时不断计算X射线穿过虚拟硬化材料和BOWTIE滤线器后的HVL，发现当虚拟硬化材料厚度分别为1cm和0.75cm时，80KVP和140KVP的HVL恰好分别为6.1mm和8.4mm，选择此时穿过虚拟硬化材料后的X射线能谱为CT扫描模拟能谱。
2、由于尚无80KVP和140KVP管电压下的扫描腔垂向中心面上的空气吸收剂量测量结果，在本实施例中以120KVP管电压下的测量结果为基础对BOWTIE滤线器的形状进行计算(考虑到实际扫描时，管电压变化较为频繁，但BOWTIE滤线器一般不发生变化，因此这一替代方法是合理的)。测量的结果如表1所示，而BOWTIE滤线器的形状计算结果如表2所示。
表1
表2
3、通过预先进行的CT扫描获得仿真体模的全身图像，该全身图像涵盖了体模从头顶到大腿部位的区域。图5展示了腹部某一层的DICOM图像。
4、CT扫描原始图像每层的分辨率为512*512，通过对该图像进行合并(分辨率变为128*128)，并参照CT值和器官位置进行分割后，根据分割结果，利用蒙特卡罗输运程序MCNP5的lattice卡对体模进行了几何建模。建模完成后，体模的每一层将由128*128个尺寸相同的体元构成，每个体元具有单一的材料成分。与图5的DICOM图像对应的MCNP计算所用的几何模型如图6所示。
5、查阅TRM手册得到80KVP管电压下的扫描参数为管电流260mA，SFOV＝500mm，束宽40mm，单圈扫描时间为1s时，CTDIair为21.74mGy±40％；140KVP管电压，在同样的扫描参数下，CTDIair为82.71mGy±40％。
6、采用MCNP5作为蒙特卡罗光子输运程序，修改其源定义代码，则源位置抽样方法(即源定义的方法)为：在直径为539mm，螺矩为3.936cm(即束宽*pitch)，总长度93.5cm的螺旋线上均匀抽样；出射角度在扇束角范围内均匀抽样，出射光子(即粒子)能量分别根据80KVP和140KVP的模拟能谱抽样；根据出射角度查表得到所穿过的BOWTIE厚度，根据预设的质量衰减系数计算粒子权重。蒙特卡罗输运程序首先对CTDIair模型进行模拟(即在扫描腔内仅放置一个电离室)，得到计数值分别为1.00923E-05(80KVP)和1.00481E-05(140KVP)；之后对仿真体模模型按给定扫描参数(管电流260mA，SFOV＝500mm，束宽40mm，螺矩3.936cm，扫描长度93.5cm)进行光子输运模拟，并对特定器官进行计数，得到各器官的计数值为分别如下表3所示：
表3MCNP5计数
7、根据时间占比等比例关系，计算得到器官实际吸收剂量值如表4所示。设能谱CT扫描时，80KVP和140KVP时间比例为1：1(如果机型和扫描方式不同，该比例有所不同)，则可求得能谱CT扫描的器官剂量值，如表4所示。
表4吸收剂量
| 器官 | 80KVP剂量(mGy) | 140KVP剂量(mGy) | 1:1能谱扫描剂量(mGy) |
| 肺 | 9.11E+00 | 4.00E+01 | 24.55495 |
| 心脏 | 9.07E+00 | 4.02E+01 | 24.65735 |
| 脑 | 9.14E+00 | 4.01E+01 | 24.64221 |
| 肾上腺 | 8.72E+00 | 3.95E+01 | 24.11806 |
| 膀胱 | 8.76E+00 | 3.94E+01 | 24.06839 |
| 胸 | 7.54E+00 | 3.39E+01 | 20.72765 |
| 结肠 | 1.01E+01 | 4.37E+01 | 26.85452 |
| 食管 | 8.76E+00 | 3.83E+01 | 23.52733 |
| 睾丸/卵巢 | 1.06E+01 | 4.29E+01 | 26.72926 |
| 肾 | 9.04E+00 | 4.07E+01 | 24.8619 |
| 眼晶状体 | 1.17E+01 | 4.55E+01 | 28.56769 |
| 肝 | 8.79E+00 | 3.95E+01 | 24.13486 |
| 胰腺 | 9.21E+00 | 4.03E+01 | 24.74995 |
| 前列腺 | 8.93E+00 | 3.83E+01 | 23.63748 |
| 唾液腺/腮腺 | 1.28E+01 | 4.98E+01 | 31.27026 |
| 脾 | 9.08E+00 | 4.10E+01 | 25.04579 |
| 胃 | 8.93E+00 | 3.95E+01 | 24.20083 |
| 甲状腺 | 1.50E+01 | 6.13E+01 | 38.13466 |
综上所述，本发明一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法及系统，首先通过TASMIP能谱和虚拟硬化材料相结合来根据实测的HVL和/或QVL得到X射线模拟能谱；然后通过CT机扫描仿真体模得到扫描图像，并进行合并、分割和标记形成三维矩阵形式的用于蒙特卡罗输运模拟的人体几何模型；再根据扫描参数抽样X射线源位置和光子出射角度，根据模拟能谱抽样光子能量，进行蒙特卡罗输运模拟，得到各器官吸收剂量；最后根据时间占比，通过对各管电压下吸收剂量的加权平均，得到能谱CT扫描的吸收剂量。本发明通过软件模拟和蒙特卡罗模拟，无需在较复杂的仿真人体体模内放置TLD进行测量，能在不进行仿真体模内实际剂量测量的情况下，以较高的精度和较快的速度实现能谱CT扫描剂量的模拟计算，能应用于能谱CT进行局部或全身扫描时各个器官接收的X射线辐射剂量的估算。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量；
所述虚拟软射线源为利用TASMIP能谱模型生成的虚拟钨极X射线源，所述虚拟硬化材料为铜片、铝片或其它具有X射线能谱硬化效果的材料，所述虚拟滤线器为BOWTIE滤线器；
所述根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱这一步骤，具体包括：
对于CT机型和给定的管电压，采用实验测量的方法，获得扫描腔中心线处的半值层厚和四分之一值层厚；
以TASMIP能谱作为初始能谱，并设定BOWTIE滤线器的中心厚度为0.5mm，在虚拟钨极X射线源和BOWTIE滤线器之间加入虚拟硬化材料，以及将透过虚拟硬化材料后的能谱作为模拟CT能谱的候选能谱；
增加虚拟硬化材料的厚度，同时使用给定的质量衰减系数计算候选能谱透过BOWTIE滤线器后的半值层厚和四分之一值层厚；虚拟硬化材料的厚度通过分立的虚拟硬化材料一层一层地叠加来增加；
当计算的半值层厚和四分之一值层厚分别与实验测得的半值层厚和四分之一值层厚匹配时，将透过虚拟硬化材料和BOWTIE滤线器后的X射线能谱作为该管电压下的模拟能谱；其中，当管电压为80KVP时，虚拟硬化材料的厚度为1cm；当管电压为140KVP时，虚拟硬化材料的厚度为0.75cm；
所述根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状这一步骤，具体包括：
采用实验测量扫描腔垂向中心面上各个高度位置的空气吸收剂量；
将BOWTIE滤线器中心的厚度设为0.5mm，使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器中心后的空气吸收剂量，将该空气吸收剂量与实测扫描腔中心的空气吸收剂量值的比值设为R；
选取一个X射线的出射角度序列，针对每个出射角度，采用给定的管电压下的模拟能谱，增加BOWTIE滤线器在该出射角度上的厚度，然后使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器后的空气吸收剂量，当该空气吸收剂量与该出射角度下实测扫描腔中心的空气吸收剂量的比值等于R时，记录此时的BOWTIE厚度并将其作为该出射角度对应的BOWTIE厚度；
根据与出射角度序列对应的BOWTIE厚度序列，得到虚拟BOWTIE滤线器的形状；
所述根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量这一步骤，具体包括：
根据仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件中的几何描述；
进行源定义：根据CT扫描参数随机抽样获得X射线源粒子的起始位置；根据有效视野和束宽随机抽样获得源粒子的出射角度；根据出射角度及对应的BOETIE厚度确定出射粒子权重；CT扫描参数包括扫描长度、扫描时间以及每圈扫描时间；并根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下，扫描腔中心线上的空气吸收剂量Cm；
根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下仿真体模几何模型中各器官的吸收剂量Dm；
所述根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量这一步骤，具体包括：
采用与蒙特卡罗输运程序模拟相同的参数实测CT机单圈轴向扫描条件下扫描中心线上的空气吸收剂量C0；
根据单圈轴向扫描条件下实测的空气吸收剂量C0和蒙特卡罗输运程序模拟计算的空气吸收剂量Cm计算得到归一化因子NF，NF＝C0/Cm；
计算得到各器官实际吸收剂量D；
其中，n表示CT机的实际扫描圈数，mA表示实际扫描电流，T表示实际旋转一圈时间，mA0表示模拟的扫描电流，T0表示模拟的旋转一圈时间；
计算各器官最终的吸收剂量(D1*T1+D2*T2)/(T1+T2)，其中，D1和D2分别为不同管电压V1和V2下该器官实际吸收剂量，T1：T2为不同管电压V1和V2下的时间占比。
2.根据权利要求1所述的一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：所述根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型这一步骤，具体包括：
通过CT机扫描仿真体模，获得仿真体模的DICOM图像；
对仿真体模的DICOM图像进行分割、像素合并以及器官标记；
根据分割、像素合并以及器官标记的结果建立三维矩阵形式的仿真体模几何模型。
3.一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，其特征在于：包括：
模拟能谱生成模块，用于根据实测CT机的衰减层厚数据结合虚拟软射线源和虚拟硬化材料对CT机的X射线能谱进行模拟，得到模拟能谱；
虚拟滤线器形状确定模块，用于根据实测CT机的角分布数据和模拟能谱对虚拟滤线器厚度进行模拟，得到虚拟滤线器的形状；
三维几何模型建模模块，用于根据CT机的仿真体模扫描图像进行三维建模，得到三维仿真体模几何模型；
蒙特卡罗模拟模块，用于根据模拟能谱、虚拟滤线器的形状和三维仿真体模几何模型进行蒙特卡罗模拟，得到仿真体模各器官的吸收剂量；
能谱CT扫描吸收剂量计算模块，用于根据仿真体模各器官的吸收剂量、给定的各管电压和给定的时间占比，计算出能谱CT扫描的吸收剂量；
所述虚拟软射线源为利用TASMIP能谱模型生成的虚拟钨极X射线源，所述虚拟硬化材料为铜片、铝片或其它具有X射线能谱硬化效果的材料，所述虚拟滤线器为BOWTIE滤线器；
所述模拟能谱生成模块，具体用于：
对于CT机型和给定的管电压，采用实验测量的方法，获得扫描腔中心线处的半值层厚和四分之一值层厚；
以TASMIP能谱作为初始能谱，并设定BOWTIE滤线器的中心厚度为0.5mm，在虚拟钨极X射线源和BOWTIE滤线器之间加入虚拟硬化材料，以及将透过虚拟硬化材料后的能谱作为模拟CT能谱的候选能谱；
增加虚拟硬化材料的厚度，同时使用给定的质量衰减系数计算候选能谱透过BOWTIE滤线器后的半值层厚和四分之一值层厚；虚拟硬化材料的厚度通过分立的虚拟硬化材料一层一层地叠加来增加；
当计算的半值层厚和四分之一值层厚分别与实验测得的半值层厚和四分之一值层厚匹配时，将透过虚拟硬化材料和BOWTIE滤线器后的X射线能谱作为该管电压下的模拟能谱；其中，当管电压为80KVP时，虚拟硬化材料的厚度为1cm；当管电压为140KVP时，虚拟硬化材料的厚度为0.75cm；
所述虚拟滤线器形状确定模块，具体用于：
采用实验测量扫描腔垂向中心面上各个高度位置的空气吸收剂量；
将BOWTIE滤线器中心的厚度设为0.5mm，使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器中心后的空气吸收剂量，将该空气吸收剂量与实测扫描腔中心的空气吸收剂量值的比值设为R；
选取一个X射线的出射角度序列，针对每个出射角度，采用给定的管电压下的模拟能谱，增加BOWTIE滤线器在该出射角度上的厚度，然后使用预设的质量衰减系数和空气的质能衰减系数计算透过BOWTIE滤线器后的空气吸收剂量，当该空气吸收剂量与该出射角度下实测扫描腔中心的空气吸收剂量的比值等于R时，记录此时的BOWTIE厚度并将其作为该出射角度对应的BOWTIE厚度；
根据与出射角度序列对应的BOWTIE厚度序列，得到虚拟BOWTIE滤线器的形状；
所述蒙特卡罗模拟模块，具体用于：
根据仿真体模几何模型生成蒙特卡罗输运程序输入文件中的几何描述；
进行源定义：根据CT扫描参数随机抽样获得X射线源粒子的起始位置；根据有效视野和束宽随机抽样获得源粒子的出射角度；根据出射角度及对应的BOETIE厚度确定出射粒子权重；CT扫描参数包括扫描长度、扫描时间以及每圈扫描时间；并根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算单圈轴向扫描条件下，扫描腔中心线上的空气吸收剂量Cm；
根据源定义的结果，使用蒙特卡罗输运程序模拟计算螺旋扫描条件下仿真体模几何模型中各器官的吸收剂量Dm；
所述能谱CT扫描吸收剂量计算模块，具体用于：
采用与蒙特卡罗输运程序模拟相同的参数实测CT机单圈轴向扫描条件下扫描中心线上的空气吸收剂量C0；
根据单圈轴向扫描条件下实测的空气吸收剂量C0和蒙特卡罗输运程序模拟计算的空气吸收剂量Cm计算得到归一化因子NF，NF＝C0/Cm；
计算得到各器官实际吸收剂量D；
其中，n表示CT机的实际扫描圈数，mA表示实际扫描电流，T表示实际旋转一圈时间，mA0表示模拟的扫描电流，T0表示模拟的旋转一圈时间；
计算各器官最终的吸收剂量(D1*T1+D2*T2)/(T1+T2)，其中，D1和D2分别为不同管电压V1和V2下该器官实际吸收剂量，T1：T2为不同管电压V1和V2下的时间占比。
4.一种能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟系统，其特征在于：包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-2任一项所述的能谱计算机断层扫描剂量的蒙特卡罗模拟方法。
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| 应用仿真人体模型估算辐照场所受照人员物理剂量的方法研究;丁艳秋等;《中国医学装备》;20150215(第02期);正文第8-10页 * |
| 空气浸没照射人的器官剂量;谢向东等;《中国辐射卫生》;19971220(第04期);正文第199-203页 * |
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