CN113569404A - 一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，将材料元素对X射线的线形衰减系数嵌入Geant4的材料属性中，并将低原子序数物质对高能X射线情况下的计算相移因子公式集成到Geant4的StepingAction中，以step为最小单位，计算每个粒子经过材料时的空间坐标以及相位数据。本方法在Geant4中新增统计X射线相位数据变化，利用了X射线在不同物质中的相位变化快慢不同对物质进行探测成像，弥补了利用X射线在不同物质中的衰减快慢不同对物质进行探测的传统X射线探测器无法有效探测低密度物质的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于X射线成像领域，特别涉及一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法。
背景技术
X射线成像系统是基于物质对X射线吸收程度不同的原理来检测物体内部结构的，即吸收衬度成像。实践中，传统的X射线成像利用不同物质对X射线的吸收特性来对物体进行成像，常用于检测金属等重元素材料所构成的物质。
随着X射线成像技术的不断发展，人们发现X射线透过样品后携带的相位信息也能用于样品内部结构成像，而且X射线的相位漂移截面要比吸收截面高100～1000倍，通过获取相位信息并进行复原即可以观测到样品的内部结构。而以轻元素(例如碳、氢、氧、氮)为主构成的物质对X射线的吸收能力较弱，无法依靠X射线的吸收特性区分不同物质，使得利用X射线吸收特性不适合对轻元素构成的物质进行成像。
利用Geant4模拟X射线与物质的相互作用主要体现的是X射线的粒子性，例如光电效应、康普顿散射，在传统的X射线吸收衬度成像仿真中已有广泛的应用。Geant4中折射过程的实现仅由斯涅尔定律(Snell's Law)结合入射光子方向计算得出出射光子方向，其中并未包含X射线的相位信息，即无法模拟X射线传播过程中的波前信息。。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，用于实验过程中，对于形状和材料已知的低密度物质，获取相衬成像参数，便于对物质进行探测成像。
技术方案：一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，将材料元素对X射线的线形衰减系数嵌入Geant4的材料属性中，并将低原子序数物质对高能X射线情况下的计算相移因子公式集成到Geant4的StepingAction中，以step为最小单位，计算每个粒子经过材料时的空间坐标以及相位数据。
进一步的，对同一个粒子的相位数据累加计算，并赋值给全局变量，从而获取相位参数动态变化的趋势。
进一步的，所述材料元素对X射线的线形衰减系为：
其中，δ为X射线的相移因子，r0为电子经典半径，h为普朗克常数，c为真空中的光速，E为X射线的能量，ρ为电子密度。
有益效果：1、利用X射线在不同物质中的相位变化快慢不同对物质进行探测成像，弥补了利用X射线在不同物质中的衰减快慢不同对物质进行探测的传统X射线探测器无法有效探测低密度物质的缺陷；
2、解决了实验中无法直接获取相位数据的问题，实现方法相较于实验相对简单，仿真模型可随时更换，代价相较于实验相对较小，且过程合理，模拟参数清晰并易更改；
3、改善了传统的利用X射线衰减特性探测技术不适合对轻元素构成的物质进行成像的局限性；
4、本发明采用了Geant4进行模拟，相比与二维模拟和其他仿真软件，可以更准确的构建结构模型，更加精确的添加复杂环境中的射线及其与材料的相互作用物理过程，从而更精确获取所需相位数据。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是Geant4模型可视化结果；
图3是终端输出的部分数据；
图4是TXT输出完善后的相位数据；
图5是光子相位变化趋势对比图；
图6是Geant4中各模块连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，包括以下步骤：
步骤1：创建管理模块，用于初始化探测结构类和物理过程类，载入粒子束输入模块，载入命令、可视化管理。
步骤2：创建模型控制模块，其中定义内容包括仿真模型、X射线折射率、空间环境，并在屏蔽体后方建立不小于其尺寸的理想探测器。本实施例中，所定义的模型为简单球体，材料为水；球体周围环境为空气，World的环境为真空。根据待仿真模型，确定三维几何结构、区域材料和几何体材料，构建模拟模型。
步骤3：根据不同原子对应的X射线散射因子以及X射线的复折射率，将元素对X射线的线形衰减系数嵌入在Geant4中。折射率参数通过G4MaterialPropertiesTable模块以离散的形式添加进材料属性(Detectorconstruction)中，并在之后的模拟中通过库函数取得这些信息。
其中，X射线在材料中的复折射率与构成材料的原子性质的关系：
其中，r0是电子经典半径，ni是第i个原子的原子密度，fi是第i个原子对X射线的散射因子，λ是电磁波在真空中的波长，n是介质的折射率。
原子对X射线的散射因子f是一个复数f＝f1+if2，其实部f1和虚部f2分别满足：
Z*＝Z-(Z/82.5)2.37
其中，h是普朗克常数，c是真空中的光速，ε是能量，σa是X射线的吸收截面，E是X射线的能量，Z是原子序数，Z*是修正原子序数。
通过以上公式可以计算出不同原子对应的X射线散射因子以及X射线的复折射率。对于重元素构成的物质，其复折射率的虚部较大，适于利用物质对X射线的衰减特性进行探测，而对于轻元素构成的物质，其复折射率的实部较大，利用物质对X射线的相移特性进行探测更为合适。
低原子序数物质对高能X射线情况下的计算相移因子公式(即Z较小，E较大)可近似表示为：
其中，δ为X射线的相移因子，ρ为电子密度。
步骤4：创建粒子发生器以及发射动作模块，初始化发射粒子为光学光子(opticalphoton)，并在其中定义粒子各种属性，确定粒子或射线的种类及能量范围，包括例子所发射位置、粒子能量、动量方向。
步骤5：利用蒙特卡洛软件Geant4开展计算，根据相衬成像所需数据，在低原子序数，高能X射线的情况下，将相移因子计算公式集成在StepingAction中，其中包括电子密度、径迹长度、每一个step的粒子能量以及折射率的计算，以step为最小单位对每个粒子进行计算，从而实现每一步对X射线相位信息的追踪。
步骤6：创建命令执行模块用于执行发射给定数量的X射线粒子并在终端命令台输出每一个粒子的step所在精确的空间位置信息(x，y，z)坐标、以及相位数据。
步骤7：为了进一步表征出相位数据的变化程度及趋势，在StepingAction中设定全局变量，保存每一个step的后端数据，添加Event管理器，并对EventID进行判断，实现对同一个粒子的相位数据累加计算的功能并赋值给变量，以达到获取相位参数动态变化的趋势。
步骤8：创建物理过程模块，用于定义基于Geant4中的X射线的物理过程；包括标准电磁物理过程EMstandardphysics及光学过程opticalphysics；相衬成像中射线的能量一般小于60KeV，这一数值正好在低能电磁相互作用工具包涵盖的能量范围之内。
步骤9：通过管理模块组织编译生成仿真可执行文件。
图2是Geant4模型可视化结果，通过实体来描述几何体的形状及大小，构建的球体半径为1cm；逻辑体来描述模型材料以及其他物理特性，材料设定为水(G4_WATER)，世界环境为空气(Air)；最后通过物理体来完成对放置逻辑体的拷贝。
图3是终端输出的部分数据；其数据包含每个粒子精确的空间坐标及当前的相位数据。
X射线与物质的相互作用主要体现的是X射线的粒子性，因此本发明提出了在Geant4中增加统计X射线相位数据变化的方法，利用了X射线在不同物质中的相位变化快慢不同对物质进行探测成像，弥补了利用X射线在不同物质中的衰减快慢不同对物质进行探测的传统X射线探测器无法有效探测低密度物质的缺陷。图4是TXT输出完善后的相位数据，其中包括(x，y，z)坐标值、最终相位数据、所经物体的具体材料。为了更好的将所需相衬成像数据提出，方便输出数据的后处理工作，通过ofstream outfile，在执行完提前编译完成的mac文件后，数据将会以txt形式输出在指定位置。
图5是以空间内Z轴坐标数据为X轴，两个不同粒子相位数据变化对比图；可看出经过球体内部的光子相位数据变化趋势更为明显。
图6是Geant4中各模块连接示意图；在本发明的实施方式中，以上步骤中，管理模块、初始化模块、命令控制模块、粒子模块、物理过程模块、粒子发射动作模块以及物理公式计算模块适用于不同模型的需求，在进行不同模型仿真时无需更改变动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，其特征在于，将材料元素对X射线的线形衰减系数嵌入Geant4的材料属性中，并将低原子序数物质对高能X射线情况下的计算相移因子公式集成到Geant4的StepingAction中，以step为最小单位，计算每个粒子经过材料时的空间坐标以及相位数据。
2.根据权利要求1所述的基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，其特征在于，对同一个粒子的相位数据累加计算，并赋值给全局变量，从而获取相位参数动态变化的趋势。
3.根据权利要求1所述的基于Geant4平台仿真精确获取相衬成像参数的方法，其特征在于，所述材料元素对X射线的线形衰减系为：
其中，δ为X射线的相移因子，r0为电子经典半径，h为普朗克常数，c为真空中的光速，E为X射线的能量，ρ为电子密度。
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