CN112666194B - 一种虚拟数字dr图像的生成方法及dr虚拟仿真仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟数字DR图像的生成方法，包括构建DR数字物体；构建球管发射的X射线能谱曲线；构建滤过材料衰减模型；计算经滤过后的X射线能谱；以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。可以突破原来的图谱范围，即以DR数字人体或DR数字物体作为扫描样本，得到在不同质和量的X射线参数以及不同***不同射野下的DR图像，实时得到不同对比度和信噪比的DR，具有广泛的应用价值。

Description

一种虚拟数字DR图像的生成方法及DR虚拟仿真仪器

技术领域

本发明涉及DR仿真技术领域，具体地涉及一种虚拟数字DR图像的生成方法及DR虚拟仿真仪器。

背景技术

数字孪生(Digital Twin)体是在虚拟空间构建的表征物理实体实时运行状态的虚拟实体，具备融合几何建模、仿真模拟、数据分析的全方位功能，扮演着综合分析决策的角色。数字孪生技术中，通过几何模型、机理模型、数据模型的构建分别实现对物理实体形状、已知(或经验)的物理规律以及未知的物理规律的模拟。数字化双胞胎在2017和2018年连续两年被Gartner评为影响未来的十大技术之一，已经并会逐步在大型、复杂、昂贵、有危险性等工业产品和***的验证、设计、测试、维保、培训等环节得到越来越广泛的应用。

数字X线摄影(digital radiography，DR)即利用透射人体后的X射线对数字平板探测器形成的X射线透射路径上的影像，主要反应组织的密度情况，具有前后影像组织的叠加。计算机断层成像(computed Tomography,CT)利用旋转透射人体后的X射线，经计算可得到射线透射断面上的组织密度分布图。相比DR，消除了前后影像组织的叠加。

DR是医学影像设备中应用范围最广、普及性最高的一类设备，因此DR的原理与技术也是影像技术专业的核心教学内容。虽然，DR成像原理相对CT、MRI较为容易理解，但其摆位与图像间的关系、最佳成像参数的选择、剂量与成像参数的关系，依然是教学的难点与重点问题；由于DR真机结构封闭、具有辐射、占用场地较大、对场地条件要求较高等原因，无法开展批量化规范化的教学实验，造成“一群人看、一个人演示”的局面，教学现场容易混乱，学生无法马上直观的进行操作实践，教学效果不好，往往只能在医学实习中再进一步去摸索；然而，医院每天的就诊人数巨大，并且医学影像已经成为医生诊断的重要依据，据统计现在80％以上疾病的诊断需要影像参与，因此医院没有时间也不可能给学生充足的时间与条件去摸索，错误的操作与摆位会让病人多“吃”剂量，这对病人也是不负责任的，因此在实习前需要掌握必须的成像原理与摆位操作技能，同时建立剂量控制的思想与方法。

目前，DR仿真教学主要有两种形式：

1.模拟机仿真教学模式：采用真机拆掉核心器件-球管后的模拟机进行摆位训练，优点是解决了辐射问题，对场地要求不高，缺点是内置图像数量有限，无法实时产生对应不同成像参数、不同摆位的图像，此外，所占场地与真机一致，大多数学校依然无条件进行批量化规范化教学。

2.场景与流程仿真教学模式：采用3D交互式游戏形式，模拟患者进入DR操作间后所经历拍摄流程，训练学生的人文关怀、规范化操作流程，优点是模拟操作流程、有交互性，缺点是流程与摆位训练固化、无法进行高自由度的摆位训练、无法实时对应不同成像参数、不同摆位的获取对应图像；

发明内容

针对现有纸质版DR图谱的图像对比度单一、数量有限、断面倾斜角度固定的技术问题，本发明目的是：提供一种虚拟数字DR图像的生成方法及DR虚拟仿真仪器，构建了高自由度DR虚拟仿真仪器，可以进行高自由度的摆位训练，可以实时得到在不同成像参数及不同摆位下的DR图像。

本发明的技术方案是：

一种虚拟数字DR图像的生成方法，包括以下步骤：

S01：构建DR数字物体；

S02：构建球管发射的X射线能谱曲线；

S03：构建滤过材料衰减模型；

S04：计算经滤过后的X射线能谱；

S05：以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

优选的技术方案中，所述步骤S01构建DR数字物体的方法包括以下步骤：

S11：通过双能量CT对真实物体进行高分辨率各向同性的断层扫描，得到两组不同能量的CT图像，建立第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵，根据第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵得到物体每个体素的电子密度三维分布矩阵；

S12：根据得到的该体素的电子密度三维分布矩阵计算有效原子序数矩阵；

S13：计算每个体素的电子密度三维分布矩阵和有效原子序数矩阵，并与该物体的三维空间结构组合得到多维矩阵，得到DR数字物体。

优选的技术方案中，所述步骤S02构建球管发射的X射线能谱曲线的方法包括：

S21：加速电子撞击铼钨合金靶或钼靶后，产生的X射线连续能谱为：

其中，mAs为设置管电流(mA)和曝光时间(s)的乘积，e为电子电量，r为焦点距离，F_w(E)为固有滤过效用，E为加速电子能量，N(E)为某个能量间隔的X光子数目，

为每伦琴光子产率，dE为光子能量间隔；

S22：产生的X射线特征能谱为：

其中，E_k为第k个分离的X射线能量。

优选的技术方案中，所述步骤S03中滤过模型包括固有滤过模型或附加滤过模型，每个滤过包括滤过材料种类、材料厚度、材料形状。

优选的技术方案中，所述步骤S04计算经滤过后的X射线能谱方法包括：

S41：对X射线能谱分割成n个能量间隔，将每个能量间隔作为单能量的射线源，即

E_i＝E_i-1+Δ，其中，I_i表示第i个间隔X射线能量的强度，E_i表示第i个间隔X射线能量，E_i-1为第i-1个间隔X射线能量，Δ为固定值；

S42：对每个单能量射线源经过每种滤过材料后进行衰减计算，计算公式为：

其中μ_e为衰减系数，I_i0为I_i的初始值，d为滤过材料的厚度，μ_e＝μ_p+μ_c，μ_p为光电衰减系数μ_p＝K*rou_e*lamda³*Z^3.05/(hc)³，μ_c为康普顿衰减系数μ_c＝K*rou_e*lamada*Z/hc，rou_e为作用物质电子密度，lamda为x射线波长，Z为有效原子序数，h为普朗克常量，c为光速，K为系数；

S43：对所有单能量衰减后输出的射线进行能谱叠加，即得到滤过后的X射线能谱

优选的技术方案中，所述步骤S05计算得到虚拟数字DR图像，包括：

S51：计算DR数字物体相应部位的空间矩阵在束光器射野中的位置；

S52：计算DR图像范围；

S53：按照X射线方向，根据相似形比例与探测器分辨率，做插值后逐层投射到探测器平面上，每层数据投照后累加上一层，以此类推，当所有层面投照完成后，根据X射线入射物体后强度I与吸收系数u间的关系式

得到其离散情况下的表达式为

其中，l为射线穿透距离，N为X射线穿透路径上分离单元的个数，I₀和I分别为入射物体和出射物体的X射线强度，μ_i为不同单位长度组织的吸收系数，Δx为单位长度；

S54：将出射物体的X射线强度I转换成亮度信号，得到虚拟数字DR图像。

本发明还公开了一种DR虚拟仿真仪器，包括：

DR数字物体构建模块，用于构建DR数字物体；

X射线参数构建模块，用于构建球管发射的X射线能谱曲线；

滤过模型构建模块，用于构建滤过材料衰减模型；

滤过后X射线参数计算模块，计算经滤过后的X射线能谱；

场景构建模块，用于构建DR检查的设备部件和物体模型，设置设备部件和物体模型相应的运动范围和运动控制功能。

DR图像计算模块，以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

优选的技术方案中，所述X射线参数构建模块中构建球管发射的X射线能谱曲线的方法包括：

S21：加速电子撞击铼钨合金靶或钼靶后，产生的X射线连续能谱为：

其中，mAs为设置管电流(mA)和曝光时间(s)的乘积，e为电子电量，r为焦点距离，F_w(E)为固有滤过效用，E为加速电子能量，N(E)为某个能量间隔的X光子数目，

为每伦琴光子产率，dE为光子能量间隔；

S22：产生的X射线特征能谱为：

其中，E_k为第k个分离的X射线能量。

优选的技术方案中，所述滤过后X射线参数计算模块中计算经滤过后的X射线能谱方法包括：

S41：对X射线能谱分割成n个能量间隔，将每个能量间隔作为单能量的射线源，即

E_i＝E_i-1+Δ，其中，I_i表示第i个间隔X射线能量的强度，E_i表示第i个间隔X射线能量，E_i-1为第i-1个间隔X射线能量，Δ为固定值；

S42：对每个单能量射线源经过每种滤过材料后进行衰减计算，计算公式为：

其中μ_e为衰减系数，I_i0为I_i的初始值，d为滤过材料的厚度，μ_e＝μ_p+μ_c，μ_p为光电衰减系数μ_p＝K*rou_e*lamada³*Z^3.05/(hc)³，μ_c为康普顿衰减系数μ_c＝K*rou_e*lamada*Z/hc，rou_e为作用物质电子密度，lamda为x射线波长，Z为有效原子序数，h为普朗克常量，c为光速，K为系数；

S43：对所有单能量衰减后输出的射线进行能谱叠加，即得到滤过后的X射线能谱

优选的技术方案中，所述场景构建模块中还包括构建图像范围计算模型和物体摆位计算模型，所述图像范围计算模型，计算X射线照射范围、数字物体范围、探测器探测区域范围的三者之间的交集，作为有效曝光和探测区域；所述物体摆位计算模型，对原始位置的三维物体数据，按照场景中物体摆位操作的一系列关节旋转动作，分别对三维物体数据进行相应的平移和旋转操作。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明的高自由度的DR虚拟仿真仪器可以突破原来的图谱范围，即以虚拟CT数字人体或物体作为扫描样本，得到在不同X射线质量参数，不同滤过状态，任意倾斜角度和任何位置的高自由度的DR仿真仪器。临床DR成像，一旦设置参数扫描成像以后，其图像对比度基本固定了，如需要得到其他条件或***下的DR图像，只能是重新扫描一次。利用本发明，可在一次双能量CT成像基础上，根据需要，给出的不同X射线参数、不同射野、不同***下的任意DR图像，具有重要价值。

2.该高自由度的DR虚拟仿真仪器可以实现的图像数量是无限制的，图谱信息也将突破现有的对比度和信噪比限制，可实现任意部位的不同对比度和信噪比图像等等。还可以模拟产生不同效果的伪影图像效果，大大拓宽原虚拟数字图谱的概念，丰富虚拟数字人的研究内涵。该图谱除了更好满足影像解剖的实训功能外，还可付诸开展临床应用和研究，可用于人体断层影像解剖学和DR影像诊断学的教学；同时可用于临床诊断的比对参考，取代现行纸质版的DR图谱；

3.采用典型疾病DR数字人体作为虚拟扫描样品，开发DR仿真仪器，可以用于DR多扫描条件任意***成像，还可以集成到临床DR设备上，实现一次扫描获取多种***图像，进一步得到同一个部位的不同角度图像表现，提高DR设备的应用效果。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明虚拟数字DR图像的生成方法的流程图；

图2为本发明DR虚拟仿真仪器的原理框图；

图3为本发明DR数字物体构建的流程图；

图4为不同管电压(60,100,140kV)的相应谱线；

图5为DR场景摆位操作界面示意图；

图6为60kV管电压的相应图像；

图7为100kV管电压的相应图像；

图8为140kV管电压的相应图像；

图9为一***及其对应的图像；

图10为另一***及其对应的图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

名词解释：

电子密度分布：某种组织内单位体积内的电子密度值。

有效原子序数：单质的原子序数是单质原子内的质子数。但生物体组织为混合体，因此根据组织分子构成情况得到其等效的原子序数。

X射线能谱曲线：球管出射的X射线的能量分布。一般最高能量由kV来决定，反应了射线的穿透能量，用射线的质来度量。滤过材料可以吸收低能量射线，从而使射线的质***，总体穿透能力增强，从而降低人体组织的吸收剂量。

射野：X射线曝光的范围，通过横向、纵向两个方向的铅门调节使X射线刚好覆盖受检部位，从而避免其他组织受到X射线的无谓照射。

本发明可以适用于人体、其他动物植物或其他物体。下面以人体为例进行详细说明。

本发明可用于人体断层影像解剖学和CT影像诊断学的教学；同时可用于临床诊断的比对参考，取代现行纸质版的CT图谱；还可用于肿瘤放射治疗或手术治疗计划的定位评估。还可用于各种临床研究的小动物。

一实施例中，如图1所示，一种虚拟数字DR图像的生成方法，包括以下步骤：

S01：构建DR数字物体；

S02：构建球管发射的X射线能谱曲线；

S03：构建滤过材料衰减模型；

S04：计算经滤过后的X射线能谱；

S05：以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

另一实施例中，本发明拟完成高自由度DR成像原理与技术仿真仪器，主要包括三个联动模块：X射线物理模块、DR成像模块和DR技术模块。主要优点是：在DR成像模块可模拟真机设置成像参数、在X射线物理模块可实时显示相应曝光条件下的能谱曲线、当前球管热容量与曝光热容量、射线剂量等参数、在DR技术模块采用3D显示技术，模拟DR操作室环境，高自由度设置人体***，且相应***参数会回传给DR成像模块，在点击曝光按钮后，非简单的图像调取，DR成像模块会调用内置的包含人体物理信息的数字人矩阵，根据***参数模拟成像，该过程与真机真人成像过程相一致，原则上，可以得到不同***不同曝光参数下的相应图像。该模式下，学生可以通过电脑终端，在教师辅导或自主开展各种操作实验，再结合相关的图像案例，完全满足批量化与规范化的教学需求；该模式下不仅能够帮助学生理解不同成像参数、不同操作***间的关系，同时由于能够实时显示当前参数下的剂量，也能帮助学生建立起剂量控制的概念，这在人们越来越重视自身健康的情况下，尤为重要。

如图2所示，一种DR虚拟仿真仪器，包括：

DR数字物体构建模块，用于构建DR数字物体；

X射线参数构建模块，用于构建球管发射的X射线能谱曲线；

滤过模型构建模块，用于构建滤过材料衰减模型；

滤过后X射线参数计算模块，计算经滤过后的X射线能谱；

场景构建模块，用于构建DR检查的设备部件和物体模型，设置设备部件和物体模型相应的运动范围和运动控制功能。

DR图像计算模块，以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

下面对上述实施例的各个模块或步骤进行详细描述。

一较佳的实施例中，如图3所示，构建DR数字物体的方法包括以下步骤：

S11：通过双能量CT对真实物体进行高分辨率各向同性的断层扫描，得到两组不同能量的CT图像，建立第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵，根据第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵得到物体每个体素的电子密度三维分布矩阵；

S12：根据得到的该体素的电子密度三维分布矩阵计算有效原子序数矩阵；

S13：计算每个体素的电子密度三维分布矩阵和有效原子序数矩阵，并与该物体的三维空间结构组合得到多维矩阵，得到DR数字物体。

(1)电子密度矩阵构建方法

对待扫描人体或物体，(其他动物植物或其他物体)，应用临床或工业双能量CT，进行高分辨率各向同性的断层扫描，得到两组不同能量的CT图像，建立对应不同能量的三维数字CT值矩阵，设Hu_H(i、j、k)和Hu_L(i、j、k)分别为(i、j、k)体素处高能量(如140kV)和低能量(如80kV)的CT值。应用关系式，可以得到人体或物体相应的电子密度ρ_e的三维分布矩阵：

ΔHu(i、j、k)≡(1+α)Hu_H(i、j、k)-αHu_L(i、j、k)

α、a和b为权重参数，其值根据标准模体的实验测量来确定，如常用的实例采用低电压80kV与高电压140kV，α＝0.778，a＝0.997和b＝0.998。

(2)有效原子序数矩阵构建方法

根据关系式μ＝ρ_e(σ_τ+σ_c)，σ_τ＝mE^-nZ^c，σ_c＝ne^-gEZ^d，σ_τ表示光电效应散射截面，σ_c为康普顿效应散射截面，在低电压情况下(150kV以下)，X射线在物质内部主要受这两种效应的影响进行散射吸收。

可以建立与Z相关的方程：

μ(i、j、k)＝ρ_e(i、j、k)(mE^-nZ^c+fe^-gEZ^d)

其中，m＝22.3,n＝3.302,c＝4.62,d＝0.939,f＝0.672，g＝0.00197为根据实验数据拟合的参数，E为根据能谱分布计算的X线能谱的加权平均能量，该组参数大小与双源CT采集时的电压组合无关，具有普适性，Z为要求解的有效原子序数。其中，能谱分布是根据有关理论公式编程得到的。

根据关系式Hu＝1000*(μ-μw)/μw，可以计算相应kV(如140kV)下的体素(i、j、k)的吸收系数μ(i、j、k)，其中μw相应kV下水的吸收系数，μ_w的值可以通过

计算得到，其中ρ_ew＝3.343×10²³e/cm³，Z_w＝7.353。

将μ(i、j、k)、μ_w和上一步求解得到ρ_e(i、j、k)代入μ(i、j、k)＝ρ_e(i、j、k)(aE^-bZ^c+fe^-gEZ^d)

可解出相应体素(i、j、k)处的有效原子序数Z(i,j,k)。

一较佳的实施例中，X射线能谱曲线，包括其质参数(keV)和量参数(mAs)，其中keV决定了X射线光子的最大能量，也反应了X射线的最大穿透能力(质)，mAS决定了X射线的强度(量)。包含了球管产生X射线经固有滤过(空气、铍窗)后的X射线能谱，不同管电压(60,100,140kV)的相应谱线如图4所示。

其中，构建球管发射的X射线能谱曲线的方法包括：

S21：加速电子撞击铼钨合金靶或钼靶后，产生的X射线连续能谱为：

其中，mAs为设置管电流(mA)和曝光时间(s)的乘积，e为电子电量，r为焦点距离，F_w(E)为固有滤过效用，E为加速电子能量，N(E)为某个能量间隔的X光子数目，

为每伦琴光子产率，dE为光子能量间隔；

其中，

其中，

为空气的质量能量转换系数；W为33.97J/C，A为0.000258C。

μ为E的函数，为便于计算，经最小二乘法拟合后用：

μ(E)＝a₁+a₂(E/100)^-1.6+a₃(E/100)^-2.7+a₄(E/100)^-3.5+a₅(E/100)^-4.5

其中，a₁-a₅为拟合系数。

S22：产生的X射线特征能谱为：

其中，E_k为第k个分离的X射线能量。

对于铼钨合金，Ek能量和产生比例分别为：

一较佳的实施例中，滤过模型包括固有滤过模型或附加滤过模型，每个滤过包括滤过材料种类(包含有效原子序数Z和电子密度rou)、材料厚度(厚度均匀或不均匀)、材料形状。其中，固有滤过可以为空气、铍窗等等，附加滤过可以为铝、楔形滤过器等等。

一较佳的实施例中，计算经滤过后的X射线能谱方法包括：

S41：对X射线能谱分割成n个能量间隔，将每个能量间隔作为单能量的射线源，即

其中，I_i表示第i个间隔X射线能量的强度，E_i表示第i个间隔X射线能量，E_i-1为第i-1个间隔X射线能量，Δ为固定值；

S42：对每个单能量射线源经过每种滤过材料后进行衰减计算，计算公式为：

其中μ_e为衰减系数，I_i0为I_i的初始值，d为滤过材料的厚度，μ_e＝μ_p+μ_c，μ_p为光电衰减系数μ_p＝K*rou_e*lamda³*Z^3.05/(hc)³，μ_c为康普顿衰减系数μ_c＝K*rou_e*lamada*Z/hc，rou_e为作用物质电子密度，lamda为x射线波长，Z为有效原子序数，h为普朗克常量，c为光速，K为系数；

S43：对所有单能量衰减后输出的射线进行能谱叠加，即得到滤过后的X射线能谱

一较佳的实施例中，如图5所示，场景构建模块中按照实际DR扫描室的空间布局，采用3D建模软件构建出X射线球管、束光器、悬吊架、扫描平床、立式平板探测器等设备部件，并赋予各部件相应的运动范围和运动控制功能，包括束光器的水平和竖直开合范围、悬吊架伸缩、球管的3个方向的旋转等；采用3D建模软件，构建人体模型，根据人体各关节实际运动功能，赋予人体各部位关节的旋转和平移运动范围和运动控制功能。运动控制功能可有鼠标控制或者面板控制按钮调节。

构建DR设备和人体摆位的空间几何模型，包括人体***、***位、三维空间旋转角度。

人体摆位的空间几何模型，包括按照人体***，将***位数据、球管x射线射野和探测器的空间做三种矩阵的乘积；场景区内人体部位以各个部位关节进行合理范围内的旋转，对应着DR数字人体某部位的数据矩阵旋转后得到不同***下的受检矩阵。

一较佳的实施例中，场景构建模块中还包括构建图像范围计算模型和物体摆位计算模型。

图像范围计算模型，计算X射线照射范围、数字物体范围、探测器探测区域范围的三者之间的交集，作为有效曝光和探测区域。

物体摆位计算模型，对原始位置的三维物体数据，按照场景中物体摆位操作的一系列关节旋转动作，分别对三维物体数据进行相应的平移和旋转操作。

一较佳的实施例中，计算得到虚拟数字DR图像中，计算不同***下的DR数字人体矩阵在不同的X射线参数及不同滤过情况下，每个体素在经滤过后的X射线方向投照下的出射射线强度分布，即DR图像。具体包括：

S51：计算DR数字物体相应部位的空间矩阵在束光器射野中的位置；即将DR数字物体与射野矩阵做点乘计算；

S52：计算DR图像范围；

S53：按照X射线方向，根据相似形比例与探测器分辨率，做插值后逐层投射到探测器平面上，每层数据投照后累加上一层，以此类推，当所有层面投照完成后，根据X射线入射物体后强度I与吸收系数u间的关系式

得到其离散情况下的表达式为

其中，l为射线穿透距离，N为X射线穿透路径上分离单元的个数，I₀和I分别为入射物体和出射物体的X射线强度，μ_i为不同单位长度组织的吸收系数，Δx为单位长度；

S54：将出射物体的X射线强度I转换成亮度信号，得到虚拟数字DR图像。即，将最终出射的X射线强度I，照射到对应位置的探测器单元上，转换成探测器信号S，S正比于I。每个探测器单元形成的不同强度的信号S，即为DR图像。其中，计算DR图像范围的方法为：

构建探测器模型，包括探测器矩阵的空间分辨率(探测器单元的尺寸大小)和矩阵大小(探测器单元的个数＝横向个数*纵向个数，比如1024*1024)。计算DR图像区域，即将束光器射野和探测器矩阵之间做点乘计算，以确定DR图像的计算和显示区域。

可以在一次双能量CT成像基础上，可以根据需要给出的不同X射线参数、不同射野、不同***下的任意DR图像。

例如，如图6为60kV管电压的相应图像，如图7为100kV管电压的相应图像.如图8为140kV管电压的相应图像。

图9为一***及其对应的图像，图10为另一***及其对应的图像。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种虚拟数字DR图像的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：构建DR数字物体；

S02：构建球管发射的X射线能谱曲线，包括：

S21：加速电子撞击铼钨合金靶或钼靶后，产生的X射线连续能谱为：

其中，mAs为设置管电流mA和曝光时间s的乘积，e为电子电量，r为焦点距离，

为固有滤过效用，E为加速电子能量，

为某个能量间隔的X光子数目，

为每伦琴光子产率，dE为光子能量间隔；

S22：产生的X射线特征能谱为：

其中，

为第k个分离的X射线能量；

S03：构建滤过材料衰减模型；

S04：计算经滤过后的X射线能谱；

S05：以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

2.根据权利要求1所述的虚拟数字DR图像的生成方法，其特征在于，所述步骤S01构建DR数字物体的方法包括以下步骤：

S11：通过双能量CT对真实物体进行高分辨率各向同性的断层扫描，得到两组不同能量的CT图像，建立第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵，根据第一能量的CT值矩阵和第二能量的CT值矩阵得到物体每个体素的电子密度三维分布矩阵；

S12：根据得到的该体素的电子密度三维分布矩阵计算有效原子序数矩阵；

S13：计算每个体素的电子密度三维分布矩阵和有效原子序数矩阵，并与该物体的三维空间结构组合得到多维矩阵，得到DR数字物体。

3.根据权利要求1所述的虚拟数字DR图像的生成方法，其特征在于，所述步骤S03中滤过模型包括固有滤过模型或附加滤过模型，每个滤过模型包括滤过材料种类、材料厚度、材料形状。

4.根据权利要求1所述的虚拟数字DR图像的生成方法，其特征在于，所述步骤S04计算经滤过后的X射线能谱方法包括：

S41：对X射线能谱分割成n个能量间隔，将每个能量间隔作为单能量的射线源，即

，

，其中，I_i表示第i个间隔X射线能量的强度，E_i表示第i个间隔X射线能量，E_i-1为第i-1个间隔X射线能量，Δ为固定值；

S42：对每个单能量射线源经过每种滤过材料后进行衰减计算，计算公式为：

，其中

为衰减系数，I_i0为I_i的初始值，d为滤过材料的厚度，

，

为光电衰减系数

，

为康普顿衰减系数

，rou _e 为作用物质电子密度，lamda为x射线波长，Z为有效原子序数，h为普朗克常量，c为光速，K为系数；

S43：对所有单能量衰减后输出的射线进行能谱叠加，即得到滤过后的X射线能谱

。

5.根据权利要求1所述的虚拟数字DR图像的生成方法，其特征在于，所述步骤S05计算得到虚拟数字DR图像，包括：

S51：计算DR数字物体相应部位的空间矩阵在束光器射野中的位置；

S52：计算DR图像范围；

S53：按照X射线方向，根据相似形比例与探测器分辨率，做插值后逐层投射到探测器平面上，每层数据投照后累加上一层，以此类推，当所有层面投照完成后，根据X射线入射物体后强度𝐈与吸收系数

间的关系式

得到其离散情况下的表达式为

，其中，l为射线穿透距离，N为X射线穿透路径上分离单元的个数，I₀和I分别为入射物体和出射物体的X射线强度，µ _i 为不同单位长度组织的吸收系数，Δx为单位长度；

S54：将出射物体的X射线强度𝐈转换成亮度信号，得到虚拟数字DR图像。

6.一种DR虚拟仿真仪器，其特征在于，包括：

DR数字物体构建模块，用于构建DR数字物体；

X射线参数构建模块，用于构建球管发射的X射线能谱曲线，方法包括：

S21：加速电子撞击铼钨合金靶或钼靶后，产生的X射线连续能谱为：

其中，mAs为设置管电流mA和曝光时间s的乘积，e为电子电量，r为焦点距离，

为固有滤过效用，E为加速电子能量，

为某个能量间隔的X光子数目，

为每伦琴光子产率，dE为光子能量间隔；

S22：产生的X射线特征能谱为：

其中，

为第k个分离的X射线能量；

滤过模型构建模块，用于构建滤过材料衰减模型；

滤过后X射线参数计算模块，计算经滤过后的X射线能谱；

场景构建模块，用于构建DR检查的设备部件和物体模型，设置设备部件和物体模型相应的运动范围和运动控制功能；

DR图像计算模块，以DR数字物体为虚拟扫描样本，计算得到虚拟数字DR图像。

7.根据权利要求6所述的DR虚拟仿真仪器，其特征在于，所述滤过后X射线参数计算模块中计算经滤过后的X射线能谱方法包括：

S41：对X射线能谱分割成n个能量间隔，将每个能量间隔作为单能量的射线源，即

，

，其中，I_i表示第i个间隔X射线能量的强度，E_i表示第i个间隔X射线能量，E_i-1为第i-1个间隔X射线能量，Δ为固定值；

S42：对每个单能量射线源经过每种滤过材料后进行衰减计算，计算公式为：

，其中

为衰减系数，I_i0为I_i的初始值，d为滤过材料的厚度，

，

为光电衰减系数

，

为康普顿衰减系数

，rou _e 为作用物质电子密度，lamda为x射线波长，Z为有效原子序数，h为普朗克常量，c为光速，K为系数；

S43：对所有单能量衰减后输出的射线进行能谱叠加，即得到滤过后的X射线能谱

。

8.根据权利要求6所述的DR虚拟仿真仪器，其特征在于，所述场景构建模块中还包括构建图像范围计算模型和物体摆位计算模型，所述图像范围计算模型，计算X射线照射范围、数字物体范围、探测器探测区域范围的三者之间的交集，作为有效曝光和探测区域；所述物体摆位计算模型，对原始位置的三维物体数据，按照场景中物体摆位操作的一系列关节旋转动作，分别对三维物体数据进行相应的平移和旋转操作。

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