X射線成像仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、X射線攝影技術(shù)是現(xiàn)代非侵入醫(yī)學(xué)診斷的主要方式，經(jīng)由傳統(tǒng)X射線成像方法發(fā)展到斷層成像(CT)方法，而且逐步擴(kuò)充到了其他應(yīng)用領(lǐng)域。為研究X射線攝影術(shù)成像質(zhì)量的影響因素，更好地提升X射線成像質(zhì)量，替代昂貴而復(fù)雜的實驗裝置，本文針對X射線成像系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出了相關(guān)的仿真算法。主要內(nèi)容有分析評估了多種X線譜生成算法；提出了新的快速射線跟蹤算法；基于蒙特卡羅積分方法提出結(jié)合點繪制的準(zhǔn)隨機(jī)成像算法；結(jié)合確定法和隨機(jī)法提出的混合X線成像方法：以及針對同

2、軸相位襯度成像提出的仿真算法。
　　 系統(tǒng)分析的重要環(huán)節(jié)是獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)，而準(zhǔn)確獲知系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)是分析的關(guān)鍵第一步。對于X線成像系統(tǒng)而言，定量測定X線譜十分困難，因此，研究者們提出了眾多X線譜生成算法。本文綜合評估分析了現(xiàn)有的X線譜生成方法，可以分為三大類：經(jīng)驗法，半經(jīng)驗法和蒙特卡羅方法。其中，經(jīng)驗法直接基于實驗測量譜數(shù)據(jù)，運用多項式擬合方法計算生成X線譜。運算速度快，但可控制的輸入?yún)?shù)少，不適用于計算復(fù)雜條件下的X線譜。半經(jīng)

3、驗法在理論公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合測量譜數(shù)據(jù)擬合出關(guān)鍵參數(shù)，計算快捷簡便。但由于理論模型的選取問題，會導(dǎo)致所生成的X線譜與測量譜相比存在或是質(zhì)軟或是質(zhì)硬的現(xiàn)象。蒙特卡羅方法可以生成復(fù)雜的X線譜，最真實的模擬電子與光子在物質(zhì)中的輸運過程，但存在計算效率過低的缺陷。
　　 X射線成像仿真算法分為兩類：確定法和隨機(jī)法。本文為提升確定法計算效率，提出了一種新的快速射線跟蹤算法，利用射線與體數(shù)據(jù)相交時存在的固有模式，降低計算維度。實驗表明，

4、同等條件下，新算法的運算速度約能提升到傳統(tǒng)Siddon算法的5倍。結(jié)合蒙特卡羅積分技術(shù)與圖形學(xué)中的點繪制方法，提出了一種準(zhǔn)隨機(jī)X射線成像方法。運用俄羅斯輪盤賭等優(yōu)化技術(shù)，避免了反復(fù)調(diào)整映射函數(shù)，可以快速的實現(xiàn)X射線成像，并能滿足應(yīng)用的實時需求。
　　 利用蒙特卡羅技術(shù)模擬光子在物質(zhì)中輸運過程，對到達(dá)檢測器的光子計數(shù)形成X線影像是傳統(tǒng)
　　 的蒙特卡羅X線成像方法，其最大的缺點在于需要輸入大量的光子數(shù)。而基于比爾定律的確定

5、法直接計算物質(zhì)對光子的等效衰減作用，忽略了光子在物質(zhì)中的作用過程，無法定量獲知不同條件下非相干散射對于X線成像的影響。結(jié)合二者優(yōu)點，本文提出了一種混合X線成像方法，利用快速的確定性方法獲得X線成像的主像，獲取物質(zhì)中可能的散射點集合；然后基于蒙特卡羅技術(shù)模擬光子散射，形成散射影像。實驗表明，混合法不僅可以快速獲取X線成像，同時也可以分析光子的非相干散射對于成像質(zhì)量的影響。
　　 同軸相位襯度成像是近十年來興起的一種X線攝影術(shù)，不同

6、于傳統(tǒng)的X射線成像基于物質(zhì)對光子吸收機(jī)制，相襯成像利用物質(zhì)對光子的相位變化進(jìn)行成像。低能光子入射物質(zhì)后引起的相位變化量值大約是吸收量的1000倍，因此，相襯成像十分適合于對生物材料、軟組織等輕元素物質(zhì)成像。論文在同軸相襯成像的理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，提出了X線相襯成像的仿真方法，并且根據(jù)仿真實驗結(jié)果，論證和指出了影響同軸相位襯度成像質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。理論分析和實驗表明，X射線源的形狀、能譜分布以及像平面與物體之間的成像距離是同軸相位襯度成像的重要