CN110826207A - 一种任意形状牙组织的oct成像快速蒙特卡洛模型 - Google Patents
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Abstract
一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，包括：以下步骤：步骤1：利用OCT系统获得牙齿的三维OCT图像，将获得的OCT图像去噪、滤波和图像分割处理后进行边界提取，得到牙组织轮廓；步骤2：利用步骤1获得的牙齿组织轮廓，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质。步骤3：基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪；步骤4：利用重要性采样改变蒙特卡洛的抽样分布加快方差的收敛速度；步骤5：采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算。通过构建一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，该模型使用一个基于四面体的网格来实现，该网格允许以期望的精度对任意形状的介质进行建模。该网格还减少了获得光子路径与其四面体相交所需的计算费用。重要性采样作为常用的一种减少方差技巧，改变了蒙特卡洛仿真的抽样分布，增加对计算结果贡献较大粒子的抽样，加快了方差的收敛速度。使用CUDA语言将并行运算放置于GPU上完成光子的传输仿真，整体上缩短了模拟时间。
Description
技术领域
本发明涉及牙齿组织的蒙特卡洛模拟，更具体地说，涉及一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型。
背景技术
随着OCT技术在医学领域的应用越来越广泛，OCT成像建模的重要性以及价值不断的体现出来。目前生物组织的OCT成像模型已经应用于血管角膜及视网膜等领域，用于评估合适的OCT系统参数以及对OCT成像结果进行解释和预测。在牙科领域，研究小组已获得了正常牙齿组织及龋齿的OCT图像，利用OCT技术测量了牙齿组织的折射率，研究了牙齿组织的偏振特性，并已经开始了早期龋的OCT量化评估研究。一个准确的模拟工具对OCT在牙科中的实际应用是非常重要的。由于牙齿组织具有复杂的几何结构，而蒙特卡洛方法可以描述任何几何结构介质中光传输的过程，因此牙齿组织OCT成像比较适用于利用蒙特卡洛方法来进行建模。牙齿OCT成像的模拟包括两部分，较为重要的是光在牙齿中传输的模拟。在利用蒙特卡洛方法模拟光在牙齿中的传输时，绝大部分建立的牙齿模型较为单一，因此需要构建具有任意形状的牙组织的OCT成像模型。
蒙特卡洛(MC)方法，是根据待求随机问题或物理现象本身的变化和统计规律，构造出一个合适的概率模型或随机过程，依照该模型进行大量的统计实验，然后通过对模型或过程的观察或抽样实验来计算所求参数，最后给出所求解的近似值。在牙科领域，由于牙齿组织具有复杂的几何结构，而蒙特卡洛方法可以描述任何几何结构介质中光传输的过程，因此牙齿组织OCT成像比较适用于利用蒙特卡洛方法来进行建模。近年来，许多研究者利用蒙特卡罗方法对混浊介质(如组织)的OCT模拟进行了研究，但早期模拟器的主要缺点是需要长时间的计算才能得到准确的结果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于构建一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，该模型既可以对任意形状的牙组织进行模拟，又从整体上缩短了模拟的时间。
为了实现上述目标，本发明提供如下技术方案：
一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，包括：以下步骤：
步骤1：利用OCT系统获得牙齿的三维OCT图像，将获得的OCT图像去噪、滤波和图像分割处理后进行边界提取，得到牙组织轮廓；
步骤2：利用步骤1获得的牙齿组织轮廓，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质。
步骤3：基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪；
步骤4：利用重要性采样改变蒙特卡洛的抽样分布加快方差的收敛速度；
步骤5：采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质，步骤如下：
步骤1：首先根据不同格式的四面体数据进行预处理，得到仿真中所必须的一些数据信息。在网格数据的基础上分别提取出各个区域的边界以及介质最外层边界。
步骤2：对介质所在的包围盒进行体素划分，建立“体素索引表”对内部体素、外部体素和边界体素进行划分；
步骤3：对每个边界体素进行处理，采用射线法根据发射方向判断光子位置；
步骤4：对光子路径与牙组织边界进行相交判断以及对边界交点进行计算，对光子位置与牙组织空间相对位置进行判断。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪，步骤如下：
步骤1：每个由光学参数：散射系数μs、吸收系数μa、折射率n和各向异性因子g定义的任意形状区域被划分为若干个四面体；
步骤2：进行光传播的模拟，大量的连续铅笔光束从矩形坐标系的原点发射到介质中，这些光子包的初始重量是单位的，W＝1。发射的光子首先沿对应高斯光束的单叶双曲面的母线入射到组织中，当光子到达目标层时，使用角偏采样技术采样其偏转角，其它情况仍使用HG相位函数进行采样。每个光子发射后，需要记录其坐标、方向余弦、权重、累积光程、散射次数，以及到达媒质的最大深度等。当光子离开介质的表面时，记录其出射位置及出射方向与法线之间的出射角度，用于计算信号的空间和角度分布。
步骤3：跟踪光子数据包并记录OCT信号，若一个行波光子包进入一个具有不同折射率的区域，那么它将在这两个区域之间的边界处进行镜面反射和折射。在每一步，检查包路径和包围四面体是否相交。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，利用重要性采样改变蒙特卡洛的抽样分布加快方差的收敛速度，步骤如下：
步骤1：在初始粒子发射方向抽样上，抽样时采用新的概率密度函数；
步骤2：通过调节控制抽样偏差程度的参数，对比不同偏倚参数的计算效率指标，蒙特卡洛的计算速度。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算，步骤如下：
步骤1：搭建CUDA编程环境，CUDA是NVIDIA为图形处理单元(GPU)开发的平台和编程模型，根据计算机显卡的型号安装对应的的CUDA和CUDNN版本；
步骤2：利用GPU实现并行加速，计算密集型函数，即光子数据包跟踪，是在核函数中实现的，计算强度较小的函数，即I/O数据处理，在主机上执行。
本发明具有以下优点：通过构建一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，该模型使用一个基于四面体的网格来实现，该网格允许以期望的精度对任意形状的介质进行建模。该网格还减少了获得光子路径与其四面体相交所需的计算费用。重要性采样作为常用的一种减少方差技巧，改变了蒙特卡洛仿真的抽样分布，增加对计算结果贡献较大粒子的抽样，加快了方差的收敛速度。使用CUDA语言将并行运算放置于GPU上完成光子的传输仿真，整体上缩短了模拟时间。
附图说明
图1是本发明的一种实施例流程图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
步骤1：利用OCT系统获得牙齿的三维OCT图像，将获得的OCT图像去噪、滤波和图像分割处理后进行边界提取，得到牙组织轮廓；
步骤2：利用步骤1获得的牙齿组织轮廓，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质。
步骤3：基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪；
步骤4：利用重要性采样改变蒙特卡洛的抽样分布加快方差的收敛速度；
步骤5：采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质，步骤如下：
步骤1：首先根据不同格式的四面体数据进行预处理，得到仿真中所必须的一些数据信息。在网格数据的基础上分别提取出各个区域的边界以及介质最外层边界。
步骤2：对介质所在的包围盒进行体素划分，建立“体素索引表”对内部体素、外部体素和边界体素进行划分；
步骤3：对每个边界体素进行处理，采用射线法根据发射方向判断光子位置；
步骤4：对光子路径与牙组织边界进行相交判断以及对边界交点进行计算，对光子位置与牙组织空间相对位置进行判断。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪，步骤如下：
步骤1：每个由光学参数：散射系数μs、吸收系数μa、折射率n和各向异性因子g定义的任意形状区域被划分为若干个四面体；
步骤2：进行光传播的模拟，大量的连续铅笔光束从矩形坐标系的原点发射到介质中，这些光子包的初始重量是单位的，W＝1。发射的光子首先沿对应高斯光束的单叶双曲面的母线入射到组织中，当光子到达目标层时，使用角偏采样技术采样其偏转角，其它情况仍使用HG相位函数进行采样。每个光子发射后，需要记录其坐标、方向余弦、权重、累积光程、散射次数，以及到达媒质的最大深度等。当光子离开介质的表面时，记录其出射位置及出射方向与法线之间的出射角度，用于计算信号的空间和角度分布。
步骤3：跟踪光子数据包并记录OCT信号，若一个行波光子包进入一个具有不同折射率的区域，那么它将在这两个区域之间的边界处进行镜面反射和折射。在每一步，检查包路径和包围四面体是否相交。
需要说明的是，光传播的模拟是用许多光子包在这个物体内进行随机游动来模拟的。在这种随机行走过程中，光子包经历吸收和散射事件，其中一个光子包分裂成两个不同方向的数据包。为了模拟OCT信号，在相同的初始位置发射了大量的光子包，表示垂直于介质表面的薄光束入射。
前述的一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算，步骤如下：
步骤1：搭建CUDA编程环境，CUDA是NVIDIA为图形处理单元(GPU)开发的平台和编程模型，根据计算机显卡的型号安装对应的的CUDA和CUDNN版本；
步骤2：利用GPU实现并行加速，计算密集型函数，即光子数据包跟踪，是在核函数中实现的，计算强度较小的函数，即I/O数据处理，在主机上执行。。
以上呈现和描述了本发明的基本步骤和流程，本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，上述实施例不以任何形式限制本发明。
Claims (1)
1.一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，包括：以下步骤：
一种任意形状牙组织的OCT成像快速蒙特卡洛模型，包括：以下步骤：
步骤1：利用OCT系统获得牙齿的三维OCT图像，将获得的OCT图像去噪、滤波和图像分割处理后进行边界提取，得到牙组织轮廓；
步骤2：利用步骤1获得的牙齿组织轮廓，采用四面体结构的数据描述方法表达牙齿介质。
步骤3：基于OCT原理对四面体网格结构进行光子追踪；
步骤4：利用重要性采样改变蒙特卡洛的抽样分布加快方差的收敛速度；
步骤5：采用CUDA语言来实现基于GPU的并行计算。
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