系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于模擬物理對象的放射成像的數(shù)據(jù)處理設備、系統(tǒng)和方法，包括：對象模型生成器，用于生成數(shù)據(jù)模型，其中該數(shù)據(jù)模型包括表示該物理對象相對于參照系的方向的數(shù)據(jù)和模擬合成數(shù)據(jù)；以及，影像模擬器，用于對該數(shù)據(jù)模型執(zhí)行放射模擬，并生成該物理對象的模擬放射影像。
【專利說明】系統(tǒng)和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于放射模擬的數(shù)據(jù)處理設備、方法和系統(tǒng)，以及一種用于實現(xiàn)放射模擬方法的計算機的程序。具體地，但是不限于，本發(fā)明涉及一種用于放射程序培訓和研究的交互模擬系統(tǒng)和方法。
[0002]在放射培訓中，受訓者可能接受使用放射成像系統(tǒng)的學習課程。通常學習課程之后是考試，以確保受訓者已圓滿地完成學習課程，并證明他們能夠正確地使用放射設備。受訓者可能被期望證明他們對成像過程中定位對象的理解，正確設置成像系統(tǒng)，以及他們期望在從成像過程得到的合成影像中觀察到什么。
[0003]在醫(yī)學放射培訓中，受訓者在角色扮演環(huán)境中模擬成像過程。通常，一個受訓者將作為病人，第二個受訓者將作為放射科醫(yī)生或放射科技術人員。在角色扮演中，受訓者“放射科醫(yī)生”幫助受訓者“病人”在成像設備下做出合適的姿勢。然后導師將給他們演示現(xiàn)實中在類似條件下得到的放射影像。
[0004]已經開發(fā)了能夠用于代替病人的由傳感器使能的人體模型或仿制品?；趥鞲衅魈峁┑奈恢眯畔ⅲ梢詮幕谟嬎銠C的影像庫中調用合適的影像來說明人體模型的位置。這種系統(tǒng)實施相對簡單，然而，其要求庫中有大量的存儲影像，而且這些影像無法覆蓋人體模型可能被放置的為模擬病人定位的每個可能的位置。
[0005]這種培訓練習對受訓者具有重大的價值，因為他們不僅能夠學習病人的各種姿勢或定位的實用性，而且能夠學習在成像程序中處于該位置的病人可能會有怎樣的感受。
[0006]國際專利申請?zhí)朩02004/029911的國際專利涉及一種用于醫(yī)學教導的系統(tǒng)和方法，描述了虛擬病人的使用以及放射評估的多媒體模擬。然而，這個系統(tǒng)依賴于表示虛擬病人的預定影像，而且培訓經驗還局限于用于特定病人位置或者評估類型的合適相關影像的可用性。
[0007]培訓練習的主要缺點是，由于現(xiàn)實中放射設備相關的輻射風險，在練習期間無法得到射線影像。而且，由于已知的系統(tǒng)依賴于顯示病人定位的預定影像，因此在練習期間當操作或重新定位病人或人體模型時，其無法提供位置反饋。
[0008]在美國專利申請?zhí)朥S2009305215的美國專利中，公開了放射培訓模擬系統(tǒng)的另一示例，其描述了人體模型，該人體模型安裝有用于產生人體模型的X射線影像的傳感器。在執(zhí)行過程中和執(zhí)行過程后，計算機程序基于要求的模擬生成操作前的X射線影像，并基于從傳感器得到的信息生成操作后的X射線影像。在模擬期間中，計算機程序監(jiān)控傳感器輸入，包括力和位置傳感器輸入。
[0009]虛擬放射軟件模擬程序包是眾所周知的(www.shaderware.com)。然而,這些程序包實際上不修改虛擬模型的姿勢，而且它們不利用物理模型或人體模型。
[0010]而且，這些程序包不允許輻射劑量控制，而是計算常用于指示劑量的劑量與面積之積。
[0011]基于前述想法設計了本發(fā)明的各方面和實施例。例如，基于對象或病人的實際位置，通過提供可以實現(xiàn)實時影像模擬的系統(tǒng)和方法，可以解決與已知培訓技術相關的一個或多個問題。[0012]本發(fā)明的一個或多個實施例結合了表示人類形態(tài)的計算幻影的虛擬實時的構建、使用該計算幻影的模擬以及物理模型，該物理模型為表示人體形態(tài)的具有成像器模型設置的人體模型。這允許用戶實際感受到病人在他們前面的物理存在，并且學習各種射線成像位置的物理限制和/或放射程序，且沒有暴露在輻射中的危險。該計算幻影可以是，但不限于，影像數(shù)據(jù)集。當利用體素的矩陣來表示計算幻影時，其類似于人的橫截面影像集?；糜耙部梢酝ㄟ^一系列網(wǎng)格來表示。在本文中，網(wǎng)格是表面上的一系列點坐標，按照特定的順序排列，以便計算機軟件模塊能夠說明該表面在哪或者直觀地渲染該表面。因此，本文中計算幻影是人類形態(tài)或其部分的數(shù)學模型。
[0013]此外，本發(fā)明的一個或多個實施例包括影像參數(shù)設置(X射線陽極類型和能量、濾波器、檢測器類型、檢測器尺寸等)與用于醫(yī)學檢查所產生的合成影像之間的關系。
[0014]因此，本發(fā)明的一個或多個實施例可以允許用戶變得熟悉影像質量、成像系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)參數(shù)對影像質量的影響。
[0015]在一個或多個實施例中，人體模型可以具有形狀，以及具有由用戶將其放置在任意要求的射線影像位置的靈活性。一旦將人體模型放置得讓用戶滿意，用戶便能夠選擇成像器設置以獲得該位置上的最佳影像。
[0016]本發(fā)明的一個或多個實施例可以對某些疾病的形態(tài)建模，如腫瘤或其它畸形。這將使用戶能夠學習識別不同類型的畸形，何種成像系統(tǒng)可以被用來觀察它們以及如何優(yōu)化成像系統(tǒng)來觀察它們。計算輻射劑量也是可能的，而且用戶能夠學習預測以對病人最少的輻射劑量來成像的最佳位置，以及對如嬰兒和孕婦的最佳防護條件。
[0017]在一個或多個實施例中，能夠模擬正電子發(fā)射計算機斷層成像術(PET )、單光子發(fā)射計算機成像術(SPECT)或者其它分子成像技術。模擬影像依賴于計算機生成的病人生理機能、攝取的模擬放射性核素總量以及擺姿勢的計算幻影或模擬幾何體。用戶能夠設置不同的放射性核素活性分布，并能夠學習不同模擬設置對生成的模擬影像的影響，分布是擺姿勢的幻影影像的器官所攝取的放射性核素的數(shù)學模型。
[0018]本發(fā)明的一個或多個實施例能夠與用于世界各地的診所和醫(yī)院的圖像歸檔和傳輸系統(tǒng)(PACS)集成。因此，通過如因特網(wǎng)或郵件等的通信網(wǎng)絡共享特殊的模擬結果也是可能的。
[0019]從第一方面看，本發(fā)明提供了一種用于模擬物理對象的放射成像的數(shù)據(jù)處理設備，該設備包括:對象模型生成器，用于生成數(shù)據(jù)模型，其中該數(shù)據(jù)模型包括表示該物理對象相對于參照系的方向的數(shù)據(jù)和模擬合成數(shù)據(jù)；以及，影像模擬器，用于對該物理對象的數(shù)據(jù)模型執(zhí)行放射模擬，并生成該物理對象的模擬放射影像。
[0020]從第二方面看，本發(fā)明提供了 一種用于模擬物理對象的放射成像的方法，該方法包括:生成數(shù)據(jù)模型，其中該數(shù)據(jù)模型包括表示該物理對象相對于參照系的方向的數(shù)據(jù)和模擬合成數(shù)據(jù)；以及在影像模擬器中在該數(shù)據(jù)模型上執(zhí)行放射模擬，并生成該物理對象的模擬放射影像。
[0021]從第三方面看，本發(fā)明提供了一種用于模擬物理對象的放射成像的系統(tǒng)，包括根據(jù)第一方面的數(shù)據(jù)處理設備，該系統(tǒng)還包括傳感器，該傳感器用于檢測該物理對象相對于參照系的方向。
[0022]在一個或多個實施例中，計算幻影可以是數(shù)據(jù)模型，計算幻影生成器可以是對象模型生成器。
[0023]在一個或多個實施例中，模擬合成數(shù)據(jù)可以是姿勢幻影影像數(shù)據(jù)，并且成像模擬器可以是物理模擬器。
[0024]在一個或多個實施例中，模擬放射影像是模擬病人曝光的模擬X射線影像。
[0025]本發(fā)明一個或多個實施例可以提供對象實時模擬放射影像的生成。這使得不需要表示對象的每個可能位置的預定影像。這可以通過根據(jù)對象位置生成對象的虛擬模型以及生成模擬影像來實現(xiàn)，生成模擬影像是通過對放射粒子與虛擬模型的交互作用建模來產生模擬放射影像實現(xiàn)的。而且，用戶能夠在不同的放射成像程序中選擇，如X射線和PET等。
[0026]現(xiàn)在將參照附圖，僅作為例子來描述本發(fā)明的一個或多個實施例，在附圖中:
[0027]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)部件的框圖；
[0028]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的設置系統(tǒng)操作模式的圖形用戶界面的示例；
[0029]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的示意性流程控制圖；
[0030]圖4是示出生成姿勢幻影影像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的示意性流程控制圖；
[0031]圖5是示出生成參照幻影的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的示意性流程控制圖；
[0032]圖6示出所生成的體素化的人類形態(tài)的計算幻影；
[0033]圖7是示出生成模擬放射影像的數(shù)據(jù)流的物理模擬器的示意性流程控制圖；
[0034]圖8是示出蒙特卡洛模擬過程的示意性流程控制圖；和
[0035]圖9a、9b和9c是人手的模擬x射線影像。
[0036]總體來說，圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于放射模擬的系統(tǒng)I。系統(tǒng)I包括將被建模的如仿制品或人體模型2的對象、現(xiàn)實中的放射成像器的物理模型12以及圖像歸檔和通信系統(tǒng)(PACS) 14。人體模型2、放射成像器的物理模型12和PACS14是物理部件。系統(tǒng)I還包括虛擬部件，即:姿勢接口 6 ;計算幻影生成器8 ;成像器12的圖形用戶界面20 ;以及物理模擬器20。虛擬部件在如計算機工作站或通用計算機之類的一個或多個數(shù)據(jù)處理設備中實現(xiàn)。
[0037]人體模型2能夠表現(xiàn)人體形態(tài)。人體模型2將具有真實的具有柔性關節(jié)的外部形態(tài)，使得可以對該人體模型操作和定位。人體模型2也可以是特定的身體部位，如手、軀體或腿。人體模型2由輕型骨骼結構和多晶硅皮膚組成，具有如人體形態(tài)的真實外部形態(tài)。該人體模型由用戶在成像器12觀察模型的區(qū)域中進行操控。例如，可以將人體模型以臥姿或站姿放置在床上或睡椅上。
[0038]骨骼結構可以是任何合適的輕型材料，諸如例如鋁或碳纖維。解剖標志，如鎖骨、肩胛骨和膝蓋骨等，連接在骨骼上，并且用戶可以通過柔軟的多晶硅皮膚感受到它們。骨骼結構通過多軸關節(jié)連接。這些關節(jié)的位置對應于人體骨骼的關節(jié)的位置，例如顱底和脊柱之間的頸部、肩膀、肘、手腕、髖關節(jié)、膝蓋和腳踝。
[0039]旋轉和位置傳感器4設置在人體模型2的各個位置，提供角度、位置和旋轉數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表示人體模型2相對于放射成像器的物理模型12的方向。位置傳感器可以用于確定人體模型2相對于放射成像器12模型的位置?？蛇x地或者另外，紅外(IR)傳感器設置在放射成像器12的模型上，也可以與人體模型表面的標簽和外部攝像系統(tǒng)相結合，以捕捉人體模型2的位置。這種設置方式是生物機械追蹤系統(tǒng)，常用于計算機游戲和電影行業(yè)，例如iPi桌面運動捕捉?。旋轉傳感器能嵌入人體模型的多軸關節(jié)內部。因為人體模型的維度是已知的，每個旋轉傳感器的位置是已知的，因此能夠通過旋轉傳感器確定關節(jié)相對于彼此的方向以及放射成像器的模型的方向。傳感器通過電纜或如藍牙之類的無線通信系統(tǒng)與姿勢接口 6相連接。
[0040]放射成像器的物理模型12是能夠在醫(yī)院或診所找到的典型成像器的程式化實物模型。模型12模仿現(xiàn)實中的成像器的外觀和感覺。放射成像器的模型12的形狀和功能取決于成像模擬環(huán)境，例如，X射線、CT、PET或者SPECT，并且對于本發(fā)明的目的而言，成像器12提供成像功能是不必要的，雖然其可以這樣做。模型12不僅提供用于放射學的成像設備的真實物理模型，而且為模擬系統(tǒng)中的成像放射源提供參照系。
[0041]PACS14可以包括PACS網(wǎng)絡14a、數(shù)據(jù)存儲14b和連接到PACS網(wǎng)絡14a的一個或多個PACS工作站14c。PACS工作站可以包括視覺顯示單元。例如，所生成的模擬影像可以符合DICOM (醫(yī)學數(shù)字成像和通信)標準，以便與PACS14集成是可能的。這提供了影像的標準通信，有助于共享模擬結果、評論和/或評價尤其是遠程監(jiān)控和教學。
[0042]姿勢接口 6是人體模型2的傳感器4與虛擬部件之間的接口。通過無線頻率、電纜、紅外和/或其它任何合適的通信介質，能夠將來自傳感器4的數(shù)據(jù)提供給姿勢接口 6。姿勢接口 6通過在通用計算機或工作站上的軟件來實現(xiàn)，并用于從旋轉和位置傳感器接收表示人體模型2的方向的位置和旋轉數(shù)據(jù)。
[0043]通過通用計算機或工作站上的軟件實現(xiàn)的計算幻影生成器8，基于從姿勢接口 6接收的表示人體模型的方向和位置的數(shù)據(jù)，構建姿勢幻影影像數(shù)據(jù)。姿勢幻影影像數(shù)據(jù)通過以下步驟構建，這些步驟包括:將參照幻影的骨骼關節(jié)位置映射到人體模型的關節(jié)信息；對參照幻影皮膚網(wǎng)格進行變形；對骨骼的內臟/組織網(wǎng)格和皮膚網(wǎng)格進行插值；以及體素化網(wǎng)格，并將體素與網(wǎng)格的特定組織特性建立聯(lián)系。本申請中，體素為體積元素，表示三維空間中規(guī)則網(wǎng)格的值。因此，對于三維(3D)模擬來說，能夠重建體積圖像。
[0044]如圖2所示的圖形用戶界面20 (也稱為成像模式模型界面)提供了輸入機制，以便用戶設置用于成像模擬的成像參數(shù)數(shù)據(jù)。用戶能夠定義成像參數(shù)數(shù)據(jù)，例如濾波，在模擬基于X射線的成像程序的情況下的X射線生成器的管電壓和管電流，或者在模擬核醫(yī)學程序的情況下的放射藥劑的類型以及濃度。例如，現(xiàn)實中的X射線設備中，濾波器是嵌入在X射線生成器底部的一塊金屬。對于X射線流程的模擬來說，在建模的成像器設置中，必須指定濾波器的材料和材料厚度。可選地或者另外，可以根據(jù)市場上可買到的濾波器選擇預定義的濾波器類型。成像器界面20也允許用戶選擇其它設置，如曝光設置kVp和管絲電流mAs。電壓紋波為X射線管電壓的波動，也能夠利用成像器界面20進行設置，如果已知電壓紋波并將其考慮在內，后續(xù)的模擬將會更精確。界面上也可以包括CT生成器特性，因為CT是以X射線為基礎的，因此其是X射線生成器和成像器的簡單旋轉設置。CT 的原理是從此處眾所周知的:G.N.Hounsfield, Computerized transverse axialscanning (tomography):Partl (第 I 部分)-Description of system (系統(tǒng)描述)，BritishJournal of Radiology (1973)46，1016-1022。例如，在螺旋CT模擬中，像在其它x射線成像方法中一樣，要求用戶指定X射線源和檢測器特性。螺旋的間距和直徑也需要指定。螺旋的直徑是由X射線焦點與檢測器之間的距離確定的。螺旋間距，即在CT機架上轉一圈后病人經過的距離，取決于機架的旋轉速度和睡椅穿過CT機器的速度。在獲得CT信號之后，利用濾波反投影法或其它代數(shù)法重建3D影像。PET和SPECT特性也可以包括在內。PET和SPECT是基于不同類型的組織材料攝取的放射性同位素。因此，PET和SPECT模擬是從放射性同位素的描述、濃度和生理模型開始的。
[0045]返回參考圖1，物理模擬器10使用由計算幻影生成器構建的姿勢幻影影像數(shù)據(jù)，并模擬建模的X射線光子從建模的X射線生成器通過姿勢幻影影像數(shù)據(jù)到它們被建模的檢測器吸收的路徑，從而形成模擬X射線的影像，以模擬病人的曝光。
[0046]總體來說，現(xiàn)在將參照圖3描述系統(tǒng)I的操作。首先用戶操控成像器12的模型下的人體模型2進入預期的放射模擬所要求的位置。當用戶對人體模型的位置滿意后，他們發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令，姿勢接口 6響應用戶命令，從人體模型2的旋轉/位置傳感器4讀取數(shù)據(jù)(步驟401)。姿勢接口將該數(shù)據(jù)轉換為適合姿勢幻影影像數(shù)據(jù)構建的格式(步驟402)。該轉換的數(shù)據(jù)稱為姿勢數(shù)據(jù)。為了使用戶受益，姿勢接口 6能夠生成人體模型的位置和方向的程式化的可視化表示形式，其可以顯示在屏幕上，以便用戶能夠操控人體模型進入預期的放射成像過程的合適位置?；谠摂?shù)據(jù)，姿勢接口 6實時地顯示(在PACSHc的顯示器，或者單獨的顯示器(未示出))人體模型2的姿勢和相對于成像器12的物理模型的方向。這允許用戶在預期的放射模擬過程之前獲取人體模型2的初始影像，并允許用戶調整人體模型2相對于成像器12的位置。這使得用戶能夠獲取預期模擬的可能最佳的模擬數(shù)據(jù)，因此是重要的培訓特征。
[0047]自動地或響應于用戶命令，姿勢接口6然后將姿勢數(shù)據(jù)轉發(fā)到計算幻影生成器8，用于構建擺姿勢的幻影影像數(shù)據(jù)(步驟404)。在姿勢幻影影像數(shù)據(jù)的構建之后，物理模擬器10可得到姿勢幻影影像數(shù)據(jù)。然后姿勢幻影影像數(shù)據(jù)可以經過與軟件中生成的虛擬放射粒子之間的模擬相互作用，生成模擬放射影像(步驟408)。當形成DICOM影像后，傳到PACS歸檔進行存儲，并可以在PACS工作站的顯示器上顯示(步驟416)。
[0048]為了生成模擬放射影像，用戶在圖形用戶界面20設置(步驟400 )的成像參數(shù)數(shù)據(jù)也傳到物理模擬器10(步驟406)。正如討論的，設置包括X射線生成器和檢測器特性，并模仿現(xiàn)實中的放射成像器上的設置。物理模擬器10可得到成像器設置，以便物理模擬器10能夠準確地模擬虛擬放射粒子與姿勢幻影影像數(shù)據(jù)之間的相互作用。這樣，根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)能夠準確地模仿現(xiàn)實中的放射成像過程。成像參數(shù)數(shù)據(jù)也向姿勢接口 6提供參照系，以將姿勢幻影成像數(shù)據(jù)合并到模擬過程中。參照系允許根據(jù)來自傳感器4的相對于建模成像器的位置和方向數(shù)據(jù)，映射成像器的位置與人體模型2的位置和方向之間的關系。
[0049]現(xiàn)在參照圖4，將描述計算幻影生成器的功能和操作。計算幻影生成器8的功能是生成人體模型2的姿勢幻影影像數(shù)據(jù)，用于物理模擬器10的放射影像模擬。來自姿勢接口6的姿勢數(shù)據(jù)被傳到(步驟602)計算幻影生成器8。姿勢數(shù)據(jù)提供關于人體模型2的關節(jié)的位置和方向的信息，以表示構建的姿勢幻影影像數(shù)據(jù)中對應的關節(jié)和特征。在計算幻影生成器8中，人體模型2的維度和關節(jié)位置來自參照幻影，以便人體模型2中所選擇的關節(jié)反映參照幻影中同樣的關節(jié)。選擇參照幻影使其對應于人體模型的尺寸，以便參照幻影和人體模型相匹配。例如，嬰兒人體模型將具有對應的嬰兒參照幻影。下面參照圖5，詳細討論參照幻影的構建。
[0050]基于來自人體模型2的姿勢數(shù)據(jù)，修正來自參照幻影的數(shù)據(jù)以構建擺姿勢的幻影。因此，擺姿勢的幻影是參照幻影的修正版本，其中，修正是基于來自姿勢接口 6的姿勢數(shù)據(jù)。那是由傳感器確定的人體模型的位置。[0051]利用從參照幻影獲取的簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)集合(步驟601)和從姿勢接口 6獲取的姿勢數(shù)據(jù)(步驟602)，計算幻影生成器8將人體模型的姿勢映射到(步驟604)簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)集合。姿勢接口 6已經確定人體模型關節(jié)的位置，因此完成的計算幻影的骨骼端點是已知的。如有必要，將參照幻影的骨骼端點移到這些位置。簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)集合僅僅具有皮膚和骨骼。將參照幻影修改為僅具有皮膚和骨骼的擺姿勢的幻影是相對容易的。相比使用更完整的形態(tài)數(shù)據(jù)集合，使用簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)加速了合成X射線影像的生成。
[0052]當生成姿勢幻影影像數(shù)據(jù)后，假設人體模型的皮膚直接連接到骨骼上，變形參照幻影的皮膚網(wǎng)格。
[0053]然后，利用稱為蒙皮(步驟606)的過程創(chuàng)建僅具有骨骼和皮膚的姿勢幻影影像數(shù)據(jù)。蒙皮是一種廣泛用于電腦游戲和電影行業(yè)的計算機繪圖技術，用于產生通過其骨骼運動的動畫角色的外形。在蒙皮過程之后，對完整形態(tài)數(shù)據(jù)集合中的內臟和組織的變形進行插值，以跟隨人體模型的方向，以便獲取詳細的姿勢幻影(步驟608)。
[0054]姿勢幻影影像數(shù)據(jù)生成的最后一步(步驟610)是生成基于體素的詳細姿勢幻影，并將每個體素與對應于該體素的特定組織類型的元素構成以及密度建立關聯(lián)，以便產生如圖6所示的體素化影像。圖6示出生成的人體的體素化計算幻影影像。該體素化幻影是后續(xù)物理模擬所需要的計算幻影影像數(shù)據(jù)，后續(xù)物理模擬涉及建模的輻射與所生成的計算幻影影像數(shù)據(jù)之間的相互作用。
[0055]現(xiàn)在將描述參照幻影的構建。參照圖5，構建參照幻影，參照幻影的構建是從姿勢接口接收數(shù)據(jù)和姿勢幻影影像數(shù)據(jù)構建之間的中間步驟。參照幻影數(shù)據(jù)是根據(jù)處于仰臥位的真實病人的CT/MRI掃描創(chuàng)建的。分割CT或MR影像(步驟501)以便以三角網(wǎng)格描述并且定義主要器官和組織，包括骨骼和皮膚。三角網(wǎng)格一起組成參照幻影影像數(shù)據(jù)的完整形態(tài)數(shù)據(jù)集合。然后處理完整形態(tài)數(shù)據(jù)集合以便獲取簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)集合(步驟502和503)以便從完整形態(tài)數(shù)據(jù)集合中移除所有器官和組織網(wǎng)格，除了骨骼和皮膚的那些網(wǎng)格。
[0056]在步驟503，在稱為綁 定的過程中將皮膚網(wǎng)格與骨骼網(wǎng)格相連接。在Ito等(2009)“Robust generation of high-quality unstructured meshes on realistic biomedicalgeometry，，，International Journal for Numerical Methods in Engineering,vol.65, pp.943-973中對此進行了描述，其內容在此通過引用結合。皮膚與骨骼的綁定網(wǎng)格為簡化的形態(tài)數(shù)據(jù)集合。完整的和簡化的數(shù)據(jù)集合共同形成最終的參照幻影。
[0057]使用人體模型的一個優(yōu)點是能夠創(chuàng)建具有不同尺寸、性別、年齡和生理機能的現(xiàn)實模型和生成的模型。然而，鑒于如缺少病人同意等原因，可能無法得到如上所述的真實病人CT/MRI影像來創(chuàng)建參照幻影。在上面討論的生成參照幻影的替代方法中，可以生成基于非均勻有理B樣條(NURBS)的影像(例如，參見Lee等“Hybrid computational phantoms ofthe male and female newborn patient:NURBS_based whoIe-body models, ^Phys.Med.Biol.523309-3333(2007) )。NURBS生成的影像基于3D幾何學的數(shù)據(jù)表達式，能夠準確描述從簡單2D線、圓、弧或曲線到非常復雜的3D有機自由形態(tài)的表面或實體的任何形狀。定義描述器官/組織邊界和分割的模型的NURBS表面是不必要的。NURBS表面直接轉換為三角網(wǎng)格，以獲取完整形態(tài)數(shù)據(jù)集合。然后得到簡化數(shù)據(jù)集合，并執(zhí)行如上所述的綁定和蒙皮。
[0058]現(xiàn)在參照圖7，在計算幻影影像數(shù)據(jù)生成之后，物理模擬器10使用由用戶使用界面20設置的成像參數(shù)數(shù)據(jù)，來創(chuàng)建放射源和檢測器的合適模型。物理模擬器10生成并模擬通過成像器和姿勢幻影影像數(shù)據(jù)的虛擬放射粒子。
[0059]成像參數(shù)數(shù)據(jù)是由用戶使用圖2中的界面20設置的。例如，在基于X射線的方法中，包括CT，用戶可以選擇管電壓(kVp)、管電流(mAs)、陽極材料、目標夾角和濾波器材料。從這些數(shù)據(jù)中，可以計算X射線束的能量譜和角向分布。其它成像參數(shù)數(shù)據(jù)設置可以包括中心點、源面距離(SSD，一般固定在IOOcm或80cm)和準直度。在蒙特卡洛模擬過程中，成像參數(shù)數(shù)據(jù)將通過圖形界面?zhèn)鬏斠远ㄎ辉捶较驍?shù)據(jù)和虛擬幻影的位置，下面將更詳細地討論。
[0060]向用戶要求的下一步是從成像器模型中選擇預期的曝光參數(shù)，也就是SSD、keV、mA和/或mAs。這些數(shù)據(jù)也將提供給蒙特卡洛模擬過程，因此通過選擇要運行的X射線曝光，蒙特卡洛模擬過程將利用來自擺姿勢的虛擬幻影的數(shù)據(jù)和來自成像器模型的曝光數(shù)據(jù)來運行。在核醫(yī)學方法(PET和SPECT)中，用戶可以選擇放射性核素的類型和其在不同組織類型中的分布。放射性核素的類型確定伽馬射線能量。放射性核素在不同組織中的分布假設每種組織均勻的攝取。因此，分布指定了每種組織類型中的放射性核素的百分比。假設伽馬射線的發(fā)射在每個源點上是各向同性的。當射線從器官或身體出現(xiàn)時，發(fā)射將不再是各向同性的。核醫(yī)學中虛擬光子的追蹤類似于基于X射線的成像模式中的虛擬光子追蹤。
[0061]虛擬粒子生成取決于虛擬放射源。在模擬基于X射線的成像模式的情況下，如CT、胸部X射線和牙科X射線等，考慮了陽極-濾波器組合。用戶選擇管電壓(kVp)和電流(mAs)。在基于核醫(yī)學的成像模式的情況下，用戶指定放射性同位素的類型、活性以及在身體中的分布。因此，物理模擬器生成與研究相關的能量、位置和方向的虛擬粒子。
[0062]如圖7所示，物理模擬器使用姿勢幻影影像數(shù)據(jù)和成像器參數(shù)數(shù)據(jù)(相結合，稱為模擬幾何學)(步驟701)來生成模擬影像。通過簡單幾何表面的結合，描述了計算幻影影像數(shù)據(jù)幾何體的每個區(qū)域。連同元素構成和該區(qū)域的密度一起，物理模擬器追蹤從虛擬X射線源直到在區(qū)域中吸收或從模擬幾何體逃脫的虛擬光子(步驟702)。根據(jù)來自成像器模型界面的成像器參數(shù)構建虛擬X射線源數(shù)據(jù)。在3D成像模式的情況下，模擬多投影數(shù)據(jù)或影像，并將其傳遞到影像重建模塊上(步驟703)來重建3D合成影像。在2D模式的情況下，模擬2D合成影像的單投影。該合成影像被轉換為DICOM格式(步驟704)以用于PACS歸檔或顯不O
[0063]然后模擬器利用蒙特卡洛與如射線追蹤等的確定性技術的結合，來追蹤通過幾何體的光子。對于確定性技術，成像器中的像素值與沿著X射線源到該像素的路徑的線性衰減系數(shù)的和成比例。一個接一個地計算像素值。相反地，蒙特卡洛模擬以隨機方式計算像素值，因為虛擬光子隨機地到達像素。
[0064]在模擬過程中，考慮了與診斷成像相關的放射物理學。它們包括光電吸收、瑞利散射和康普頓散射以及相對于傳感器使能的人體模型的成像器的位置。追蹤這些粒子，直到它們在幻影或成像器中吸收，或者從模擬幾何體中逃脫。
[0065]根據(jù)到達成像器的虛擬光子的得分生成模擬影像。影像是現(xiàn)實中到達每個檢測器像素的光子的數(shù)目的集合。在虛擬模擬中，計算到每個檢測器像素的光子的平均數(shù)目。因此，能夠生成真實的模擬影像，使用戶觀察病人姿勢和他們對放射源和成像器的選擇的影響。
[0066]光子與物質的相互作用取決于概率分布。這些分布是眾所周知的，且能從文獻中得到。蒙特卡洛模擬，其步驟如圖8所示，通過采樣相關概率分布仿真這些相互作用。在來自已知源的光子模擬開始時，從源的X射線譜中采樣光子能量。其位置和方向由源位置、維度和材料確定(步驟801)。線性衰減系數(shù)是光子能量和元素組成和介質密度的函數(shù)(步驟802)。通過采樣與線性衰減系數(shù)相關的概率分布，確定在進入相互作用之前光子經過的距離(步驟803)。如果該距離使得光子在當前的材料之外，且外面沒有材料，那么該光子退出該模擬幾何體，程序發(fā)出新光子(步驟804)。如果有新材料如組織或部分成像器等，新材料將成為當前材料(步驟806)，并將從光子穿過當前材料的邊界(步驟803)，可以是組織或部分成像器的邊界，計算光子將在新材料中經過多遠的距離。如果光子仍在當前材料內，那么將通過采樣光電吸收的概率分布、康普頓散射和瑞利散射(步驟807)，確定相互作用的類型。在光電吸收(步驟808)的情況下，光子終止，并記錄其對模擬的貢獻(步驟809);更新模擬統(tǒng)計結果(步驟810);生成并追蹤新光子(步驟801)。在康普頓散射的情況下，從克萊因-仁科(Klein-Nishina)橫截面(參見例如Klein and Nishina, ^ Uber dieStreuung von Strahlung durch freie Elektronen nach der neuen relativistischenQuantendynamik von Dirac".Z, F.Phys.52:853-869(1929);Kahn,"Applications ofMonte Carlo, "RM-1237-AEC The Rand Corporation(Aprill956))中米樣光子的新方向和能量(步驟811)，克萊因-仁科橫截面為放射粒子經歷一種類型的與介質相互作用的概率?？巳R因-仁科橫截面描述了康普頓散射的概率，再次更新模擬記錄(步驟812)和統(tǒng)計結果(步驟813)。然后以散射光子在當前材料中將經過多遠的距離的計算結果，繼續(xù)追蹤散射光子(步驟803)。
[0067]在瑞利散射的情況下，散射光子不損失能量，并從瑞利散射的橫截面中采樣新方向(步驟811)。然后更新模擬記錄(步驟812)和統(tǒng)計結果(步驟813)，并且如康普頓散射之后的情況將追蹤散射光子(步驟803)。當統(tǒng)計結果滿足某些預定條件時，如模擬光子數(shù)目或者統(tǒng)計波動低于要求的范圍(步驟804)，模擬結束。
[0068]圖9 (a)至圖9 (C)示出三張具有低分辨率計算幻影的模擬x射線影像，以示范不同X射線能量和手姿勢的影響。在影像中可觀察到的解剖特征可以是不同的。學生可以使自己熟悉陽極-濾波器結合`的選擇、在基于X射線成像中的kVp和mAs設置以及在核醫(yī)學情況下的放射性同位素和它們的活性。
[0069]可以根據(jù)得分重建體積影像(例如CT和PET)。所有影像轉換為DICOM格式用于PACS系統(tǒng)存儲和顯示。
[0070]在參照人類醫(yī)學成像技術描述了本發(fā)明的前述方面和實施例的同時，本發(fā)明也可以在獸醫(yī)實踐中獲得應用。
[0071]而且，本發(fā)明的實施例也可以在工程學和/或材料科學中獲得應用。在工程學應用中，人體模型能夠被替代，例如被工程部件替代，如渦輪葉片、機翼、車身部分或集成電路。就這點而言，應用本發(fā)明可以培訓工程師或科學家使用具有工程應用的放射設備。
[0072]而且，利用現(xiàn)實中的病人或扮演病人的人，能夠實施本發(fā)明的實施例。此處，正如人體模型或病人模型能夠與合適的傳感器連接來檢測病人的位置和方向。姿勢接口可得到來自傳感器的數(shù)據(jù)，和基于來自傳感器的數(shù)據(jù)生成的計算幻影。
[0073]在所附的獨立權利要求中，陳述了本發(fā)明實施例的具體方面。從屬和/或獨立權利要求的特征的組合可以視情況結合，且不僅僅如權利要求所述的。[0074]在上述的本發(fā)明實施例的可實施的范圍內，至少某種程度上，利用軟件控制的可編程處理器件，如通用處理器或專用處理器、數(shù)字信號處理器、微處理器或其它處理器件，數(shù)據(jù)處理設備或計算機系統(tǒng)，應該理解配置可編程器件、設備或系統(tǒng)來實現(xiàn)前述方法、設備和系統(tǒng)的計算機程序設想為本發(fā)明的一方面。計算機程序可以具體表現(xiàn)為任何合適類型的代碼，如源代碼、目標代碼、編譯代碼、解釋代碼、可執(zhí)行代碼、靜態(tài)代碼、動態(tài)代碼等?？梢允褂萌魏魏线m的高級、低級、面向對象、可視化、編譯和/或解釋性編程語言，如C、C++、Java、BASIC、Per 1、Mat lab、Pascal、Visual BASIC、JAVA、ActiveX、匯編語言和機器代碼等，實現(xiàn)這些指令。技術人員很容易理解，術語“計算機”在其最普通的含義中，包含如上面提到的可編程器件、數(shù)據(jù)處理設備和計算機系統(tǒng)。
[0075]適當?shù)?，計算機程序以機器可讀形式存儲在載體介質上，例如載體介質可以包括內存、可移動或不可移動的介質、可擦除或不可擦除的介質、可寫入或可重復寫入的介質、數(shù)字或模擬介質、硬盤、軟盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、可刻錄光盤(CD-R)、可重復讀寫光盤(CD-RW)、光盤、磁媒體、磁光介質、可移動內存卡或磁盤、各種類型的數(shù)字通用光盤(DVD)，用戶識別模塊、磁帶、磁帶固態(tài)存儲器。計算機程序可以由體現(xiàn)在通信介質中的遠程源提供，如電子信號、射頻頻率載波或光載波。這些載體介質也設想為本發(fā)明實施例的方面。
[0076]此處使用的任何提及“一個實施例”或“實施例”是指在至少一個實施例中包括與實施例相關的所描述的特定元素、特征、結構或特性。短語“在在一個實施例中”在說明書各個地方的出現(xiàn)，未必指代相同的實施例。
[0077]正如此處使用的，術語“包含”、“包含著”、“包括”、“包括著”、“具有”、“有著”或其
任何其它變形，意在覆蓋非排他的包括。例如，包含一系列元素的過程、方法、物品或設備未必局限于僅僅這些元素，而可以包括未明確列出的或者該過程、方法、物品或設備固有的其它元素。而且，除非明確指出是相反的，“或者”指可兼的或，而不是不可兼的或。例如，以下任一種都滿足條件A或B:A為真(或存在)且B為假(或不存在),A為假(或不存在)且B為真(或存在)，以及A和B都為真(或存在)。
[0078]此外，“一個”或“一”的使用用于描述本發(fā)明的元素和部件。這么做僅僅為了方便，并給出本發(fā)明的一般含義。該描述應被理解為包括一個或至少一個，單數(shù)形式也包括多個，否則除非其含義是顯然的。
[0079]關于前述描述，對于本領域技術人員來說，顯然可以在本發(fā)明的范圍內做出各種修改。
[0080]本公開的范圍包括其中或明確地或隱含地或其任何一般化公開的，任何新穎的特征或特征的組合，而不考慮其是否涉及到所要求保護的發(fā)明或減弱本發(fā)明解決的任一或所有問題。據(jù)此， 申請人:提醒，在本申請的起訴期間或任何源自其的進一步申請期間，可以以這些特征論證新權利要求。具體地，參照所附的權利要求，可以以任何合適的方式，而不僅僅是權利要求列舉的特定結合方式，將從屬權利要求的特征與獨立權利要求的特征結合，并將各個獨立權利要求的特征結合。
【權利要求】
1.一種用于模擬物理對象的放射成像的數(shù)據(jù)處理設備，該設備包括: 對象模型生成器，用于生成數(shù)據(jù)模型，其中所述數(shù)據(jù)模型包括表示所述物理對象相對于參照系的方向的數(shù)據(jù)和模擬合成數(shù)據(jù)；以及， 影像模擬器，用于對所述數(shù)據(jù)模型執(zhí)行放射模擬，并生成所述物理對象的模擬放射影像。
2.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)處理設備，還包括數(shù)據(jù)接口，用于將表示所述物理對象的方向的所述數(shù)據(jù)轉換為用于生成所述物理對象的所述數(shù)據(jù)模型的格式。
3.如權利要求2所述的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述對象模型生成器用于從所述數(shù)據(jù)接口接收所轉換的數(shù)據(jù)。
4.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述對象模型生成器用于接收參考數(shù)據(jù)，其中所述參考數(shù)據(jù)包括表示所述物理對象的形態(tài)的數(shù)據(jù)以及所述模擬合成數(shù)據(jù)。
5.如權利要求4所述的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述對象模型生成器用于將所述參考數(shù)據(jù)映射到表示所述物理對象的方向的所述數(shù)據(jù)上，以生成所述數(shù)據(jù)模型。
6.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)處理設備，還包括用戶界面，用于提供輸入機制，以定義成像參數(shù)。
7.如權利要求6所述的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述影像模擬器用于接收所述成像參數(shù)，以執(zhí)行所述放射模擬。
8.如權利要求6所述 的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述成像參數(shù)包括放射源參數(shù)和放射檢測器參數(shù)。
9.如權利要求2所述的數(shù)據(jù)處理設備，其中，所述數(shù)據(jù)接口用于生成所述物理對象的方向的可視化表示形式。
10.一種用于模擬物理對象的放射成像的方法，該方法包括: 生成數(shù)據(jù)模型，其中所述數(shù)據(jù)模型包括表示所述物理對象相對于參照系的方向的數(shù)據(jù)和模擬合成數(shù)據(jù)；以及 在影像模擬器中對所述物理對象的所述數(shù)據(jù)模型執(zhí)行放射模擬，并生成所述物理對象的模擬放射影像。
11.如權利要求10所述的方法，還包括:利用數(shù)據(jù)接口，將表示所述物理對象的方向的所述數(shù)據(jù)轉換為用于生成所述物理對象的所述數(shù)據(jù)模型的格式。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述對象模型生成器從所述數(shù)據(jù)接口接收所轉換的數(shù)據(jù)。
13.如權利要求10所述的方法，其中，所述對象模型生成器接收參考數(shù)據(jù)，其中所述參考數(shù)據(jù)包括表示所述物理對象的形態(tài)的數(shù)據(jù)以及所述模擬合成數(shù)據(jù)。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述對象模型生成器將所述參考數(shù)據(jù)映射到表示所述物理對象的方向的所述數(shù)據(jù)上，以生成所述數(shù)據(jù)模型。
15.如權利要求10所述的方法，進一步包括定義成像參數(shù)。
16.如權利要求10所述的方法，其中，所述影像模擬器接收所述成像參數(shù)，以執(zhí)行所述放射模擬。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述成像參數(shù)包括放射源參數(shù)和放射檢測器參數(shù)。
18.如權利要求11所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)接口生成所述物理對象的方向的可視化表示形式。
19.如權利要求14所述的方法，其中，所述模擬合成數(shù)據(jù)包括表示材料類型和材料密度的數(shù)據(jù)。
20.如權利要求10所述的方法，其中，所述執(zhí)行放射模擬是統(tǒng)計模擬過程。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述統(tǒng)計模擬過程是蒙特卡洛模擬。
22.一種用于模擬物理對象的放射成像的系統(tǒng)，包括如權利要求1至9所述的數(shù)據(jù)處理設備，所述系統(tǒng)還包括傳感器，所述傳感器用于檢測所述物理對象相對于參照系的方向。
23.如權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器設置在所述物理對象上。
24.如權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述物理對象是可配置的或可變形的人體模型。
25.如權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器是位置和/或旋轉傳感器。
26.如權利要求22所述的系統(tǒng)，還包括放射成像器的物理模型。
27.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述成像器的物理模型定義所述參照系。
28.一種用于實現(xiàn)權利要求10至21任一項或多項所述的方法的計算機的程序。
29.一種用于各個實施例以及參照附圖中各個圖的實質上如以上所述的設備。
30.一種用于各個實施例以及 參照附圖中各個圖的實質上如以上所述的方法。
31.一種用于各個實施例以及參照附圖中各個圖的實質上如以上所述的系統(tǒng)。
32.一種用于各個實施例以及參照附圖中各個圖的實質上如以上所述的計算機程序。
【文檔編號】G09B23/28GK103493055SQ201180064560
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2011年11月18日 優(yōu)先權日:2010年11月18日
【發(fā)明者】阿里·阿爾格哈穆迪, 安迪·K·W·馬 申請人:馬薩科學英國有限公司