CN115019589B - 基于光学的智能ct教学模拟*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学教学设备领域，为提出一种基于光学的智能CT教学模拟***以辅助教学，帮助学生提高对CT成像原理和CT新技术的理解和研究能力。为此，本发明采取的技术方案是，基于光学的智能CT教学模拟***，包括光源模块，扫描模块，采集模块，智能控制和重建模块以及显示模块，光源模块、扫描模块用于模拟CT扫描，扫描获得的信号由采集模块采集后传送给智能控制和重建模块，智能控制和重建模块对各模块实施控制，并将结果送显示模块显示。本发明主要应用于医学教学设备的设计制造。
Description
技术领域
本发明涉及医学教学设备领域，具体涉及一种基于光学的智能CT教学模拟***。
背景技术
目前CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)在疾病诊断和检查中发挥着非常重要的作用。在医学影像专业的教学和培训过程中，相比于单纯的理论讲解，通过实验教学可以让学生更好地理解并熟练掌握CT的操作、成像原理和成像质量控制，这对提升教学效果，培育医疗影像专业人才意义重大。
然而，临床用的CT设备价格昂贵，且具有辐射风险，对防护和使用环境较高，高校难以投入满足需求的经费和条件。已有的CT模拟机技术虽然具备扫描和显示模块，但是投影图像和CT图像均为存储的数据，而非真实采集的投影图，也非重建得到的断层图，因此仅可供学生熟悉CT的操作流程。但是CT成像原理较复杂，目前尚缺乏一种***除了模拟操作外，还可以直观的模拟CT的投影和重建过程，以方便学生对CT成像原理的理解。此外，随着人工智能和CT技术的发展，智能定位和剂量智能控制是CT技术的发展方向。发展智能CT教学模拟***对于学生理解、学习和研究新的智能定位和剂量控制技术具有重要价值。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于光学的智能CT教学模拟***以辅助教学，帮助学生提高对CT成像原理和CT新技术的理解和研究能力。为此，本发明采取的技术方案是，基于光学的智能CT教学模拟***，光源模块，扫描模块，采集模块，智能控制和重建模块以及显示模块；
光源模块包括光源、光束匀质器件和可调狭缝，可调狭缝包括上、下、左、右四块平板组成，用于调节透光的窗口大小，以调节照射视野；其中，光源为可切换波长光源，用于模拟双能CT或者用不同波长模拟不同的管电压调节，光源模块可采用两种结构：一种是光源透过漫散射片后继续传播经过可调狭缝；一种是光源经过漫反射片反射后继续传播经过可调狭缝；
扫描模块包括竖直平移台，旋转平台，成像仿体和水箱，成像仿体安装在旋转平台上，旋转平台安装在竖直平移台上，旋转平台用于旋转成像仿体，进行多角度的投影采集，竖直平移台带着旋转平台上下移动，当竖直平移台不动时，旋转平台旋转，模拟CT的平移步进式扫描，当旋转平移台旋转的同时，竖直平移台进行竖直向下移动，模拟CT的螺旋扫描，成像仿体为有一定光吸收分布的允许光透过的成像模体；
光传播经过水箱的两个面为平板结构，并开有透光的窗口；
采集模块包括可变光阑，镜头和相机，光源模块发出的光经过成像仿体后通过水箱的透光窗口，依次透过可变光阑和镜头，最终被相机采集；
智能控制和重建模块包括计算机，旋转平台、竖直平移台和相机通过电气连接线与计算机相连。计算机一方面利用内部的智能控制模块控制扫描模块旋转平台的旋转和竖直平移台的移动，以及控制相机的图像采集，另一方面采集完成后通过内部的重建模块使用相应的重建算法将相机采集的投影图像重建为断层图像；
此外计算机的智能控制模块还用于智能定位和剂量智能控制；
显示模块用于显示每个角度的投影图像、正弦图和重建图像显示，以模拟CT图像的投影图、正弦图和重建图像显示。
其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置***位即感兴趣区域，2)相机采集一幅图像，3)通过图像识别与分割技术确定采集图像的感兴趣区域，4)计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，5)如果感兴趣区域大于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能；第二种：1)相机采集一幅图像，2)用户在采集图像上手动勾画确定感兴趣区域，3)计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，4)如果感兴趣区域大于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能。
剂量智能控制功能根据待成像区域预估成像所需的剂量，从而自动控制选取适当的光源的强度或者相机的曝光时间，具体步骤为：1)通过深度学习方法学习大量数据训练由单张投影图映射到三维断层图像的神经网络，经训练和验证后确定神经网络模型，深度学习中用到的训练数据和验证数据的输入均为单张投影图，输出为对应的真实三维断层图像；2)通过相机采集待成像区域的单张投影图，利用前面学习到的神经网络模型预估待成像区域对应的三维断层图像；3)利用预估的三维断层图像预估成像所需的剂量；4)根据计算预估的剂量计算机自动控制光源的强度或者相机的曝光时间。
剂量智能控制功能根据待成像区域预估成像所需的剂量，从而自动控制选取适当的光源的强度或者相机的曝光时间，详细步骤为：
1)计算机通过深度学习方法学习大量数据训练由单张投影图映射到三维断层图像的神经网络，经训练和验证后确定神经网络模型，深度学习中用到的训练数据和验证数据的输入均为单张投影图，输出为对应的真实三维断层图像；2)通过相机采集待成像区域的单张投影图，计算机利用前面学习到的神经网络模型预估待成像区域对应的三维断层图像；3)计算机利用预估的三维断层图像预估成像所需的剂量，即曝光时间固定下光源的光强或者光源光强固定下相机的曝光时间，对于入射相机的光强I2与相机的响应数值I3关系为I3＝I2*D*E，其中E为曝光时间，D为单位曝光时间内I2与I3的变换系数，光源的光强I1与透过仿体的光强，也即入射相机的光强I2的关系为I2＝I1*(M*Ci)，其中M为光源光强到入射仿体前的衰减，Ci为利用预估的三维断层图像计算的各个角度的光强经仿体后的投影衰减，i＝1，2，…，n，n为投影角度，则光源光强I1和相机的响应数值I3的关系为I1＝I2/(M*Ci)＝I3/(D*E)/(M*Ci)＝I3/(D*E*M*Ci)。第一种情况当以获得好的成像质量为目的时，当曝光时间E一定时，光源光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)，其中I3max为I3可取的最大值，Cmax为Ci的最大值，即对应的入射光穿过仿体的光强衰减最小，或者当光源光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)；第二种情况当以使用较低的剂量为目的时，当曝光时间E一定时，光源光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)的同时取值大于I3min/(D*E*M*Cmin)，其中I3min为曝光时间为E时相机无光照输入时的图像噪声值，Cmin为Ci的最小值，对应的入射光穿过仿体的光强衰减最大；或者当光源光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)的同时取值大于I3min/(D*I1*M*Cmin)；4)根据计算预估的剂量计算机自动控制光源的强度或者相机的曝光时间。
所用的神经网络为卷积神经网络。
成像过程如下：
1)扫描模块中的水箱装好水，将成像仿体安装到旋转平台上，人工或者计算机通过智能控制模块的智能定位功能控制竖直平移台将成像仿体移动到合适的成像位置；
2)打开光源模块的光源，光源发出的光经过光束匀质器件后形成较均匀光束，经过可调狭缝调节通光大小后，穿过水箱侧面的通光窗口，照射到成像仿体上，光线透过仿体后透过水箱另一侧的通光窗口，依次经过可变光阑、镜头进入到相机中，人工或者计算机通过智能控制模块的剂量智能控制功能控制光源的强度或者相机的曝光时间以用于后续的投影采集；
3)对于平移步进式扫描，两种扫描模式，第一种是计算机控制竖直平移台不动，旋转平台带动成像仿体旋转，每旋转一定角度停下，通过相机采集一次光源发出的光透过成像仿体的投影，记为一个角度的投影，如此重复采集多个角度的投影，旋转平台回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体竖直方向其他部分的投影；第二种是计算机控制竖直平移台不动，旋转平台带动成像仿体一直旋转，相机每隔一定时间采集一个角度的投影，直至采集完多个角度的投影，旋转平台回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体竖直方向其他部分的投影；对于螺旋扫描，计算机控制在旋转平台带动成像仿体旋转的同时，竖直平移台向下移动，通过相机采集多个角度的投影，在采集投影的过程中，投影图像在显示模块中显示，以实时观察和监视采集图像的状态；
4)计算机利用3)中采集的多个角度投影通过智能控制和重建模块中的重建模块进行重建后将重建结果通过显示模块显示出来。
本发明的特点及有益效果是：
1)CT成像是利用X射线沿直线穿过人体，通过采集多个方向的X射线投影进行图像重建得到断面图像。本发明利用光源(如可见光)沿直线穿过一定透明材质的仿体进行投影重建，其物理过程和重建过程与CT成像一致。因此本发明可直观的模拟CT投影和重建过程，可辅助学生深入的了解CT成像的原理。本发明采用光源(如可见光)进行投影重建，完全避免了X射线的辐射危害，降低了屏蔽防护要求，非常适合CT原理的教学演示。同时，相比于真机CT的造价、维护和使用环境要求，本发明成本和要求低很多。
2)本发明通过调节可调狭缝的大小，可以控制光源的照射范围，从而模拟CT球管的照射范围调节；通过竖直平移台和旋转平台的联动控制，可以模拟CT的平移步进式扫描和螺旋扫描；光源为可切换波长光源，用于模拟双能CT或者用不同波长模拟不同的管电压调节。
3)智能控制和重建模块具有智能定位功能和剂量智能控制功能。智能定位功能可以通过计算机控制平移台将感兴趣区域自动移至成像区域，减少人工操作，提高成像效率。剂量智能控制功能通过神经网络模型可以自动调节光源的强度和相机的曝光时间以控制照射剂量获得最佳的成像质量或者保证成像质量的同时使用较低的照射剂量，以解决靠人工经验调节剂量不精准和调节复杂的问题。
4)本发明的显示模块可以模拟CT图像的投影图、正弦图和重建图像显示。本发明将扫描操作、CT成像原理和CT图像显示的教学演示成功集成到一套***中。
附图说明：
图1本发明总体示意图。(a)为基于光学的智能CT教学模拟***的模块图(b)为基于光学的智能CT教学模拟***的结构示意图。
图2光源模块的两种结构。(a)为光源透过漫散射片向后传播。(b)为光源经漫反射片反射向后传播。箭头为光传播的方向。
图3为可调狭缝示意图。
图4为扫描模块的示意图。箭头为光传播的方向。
图5为两种智能定位功能流程图。
图6为剂量智能控制流程图。
具体实施方式
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于光学的智能CT教学模拟***以辅助教学，帮助学生提高对CT成像原理和CT新技术的理解和研究能力。CT成像是利用X射线沿直线穿过人体，通过采集多个方向的X射线投影进行图像重建得到断面图像。本发明利用光源(如可见光)沿直线穿过一定透明材质的仿体进行投影重建，其物理过程和重建过程与CT成像一致。因此本发明可直观的模拟CT投影和重建过程，可辅助学生深入的了解CT成像的原理。
一种基于光学的智能CT教学模拟***包括光源模块，扫描模块，采集模块，智能控制和重建模块以及显示模块。
光源模块包括光源1、光束匀质器件2(如漫散/反射片)和可调狭缝3。可调狭缝3包括上、下、左、右四块平板组成，用于调节透光的窗口大小，以调节照射视野。其中，光源1为可切换波长光源，用于模拟双能CT或者用不同波长模拟不同的管电压调节。光源模块可采用两种结构。一种是光源1透过漫散射片2后继续传播经过可调狭缝3。一种是光源1经过漫反射片2反射后继续传播经过可调狭缝3。
扫描模块包括竖直平移台4，旋转平台5，成像仿体6和水箱7。成像仿体6安装在旋转平台5上，旋转平台5安装在竖直平移台4上。旋转平台5用于旋转成像仿体6，进行多角度的投影采集。竖直平移台4可以带着旋转平台5上下移动。当竖直平移台4不动时，旋转平台5旋转，可以模拟CT的平移步进式扫描。当旋转平移台5旋转的同时，竖直平移台4进行竖直向下移动，可以模拟CT的螺旋扫描。成像仿体6为有一定光吸收分布的允许光透过的成像模体。
水箱7的两个面(光传播经过的两个面)为平板结构，并开有透光的窗口。
采集模块包括可变光阑8，镜头9和相机10。光源模块发出的光经过成像仿体6后通过水箱7的透光窗口，依次透过可变光阑8和镜头9，最终被相机10采集。
智能控制和重建模块包括计算机11。旋转平台5、竖直平移台4和相机10通过电气连接线与计算机11相连。计算机11一方面利用内部的智能控制模块控制扫描模块旋转平台5的旋转和竖直平移台4的移动，以及控制相机10的图像采集，另一方面采集完成后通过内部的重建模块使用相应的重建算法(例如平移步进式扫描采用滤波反投影算法，螺旋扫描先利用与需重建的断层相邻的层面的投影图像线性插值至重建断层得到重建断层的投影图像，再采用滤波反投影算法重建)将相机10采集的投影图像重建为断层图像。
此外计算机11的智能控制模块还包括智能定位和剂量智能控制功能。
显示模块用于显示每个角度的投影图像、正弦图和重建图像显示(如横断面显示、最大密度投影显示和三维显示)，以模拟CT图像的投影图、正弦图和重建图像显示。使用相应的重建算法将相机采集的投影图像重建为断层图像，具体是采用平移步进式扫描采用滤波反投影算法，螺旋扫描先利用与需重建的断层相邻的层面的投影图像线性插值至重建断层得到重建断层的投影图像，再采用滤波反投影算法重建。
其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置***位即感兴趣区域，2)相机10采集一幅图像，3)计算机11通过图像识别与分割技术确定采集图像的感兴趣区域，4)计算机11计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，5)如果感兴趣区域大于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能；第二种：1)相机10采集一幅图像，2)用户在采集图像上手动勾画确定感兴趣区域，3)计算机11计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，4)如果感兴趣区域大于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能。
剂量智能控制功能能根据待成像区域预估成像所需的剂量，从而自动控制选取适当的光源1的强度或者相机10的曝光时间。具体步骤为：1)计算机11通过深度学习方法学习大量数据训练由单张投影图映射到三维断层图像的神经网络，经训练和验证后确定神经网络模型。深度学习中用到的训练数据和验证数据的输入均为单张投影图，输出为对应的真实三维断层图像。所用的网络为卷积神经网络，如U-net网络等。2)通过相机10采集待成像区域的单张投影图，计算机11利用前面学习到的神经网络模型预估待成像区域对应的三维断层图像。3)计算机11利用预估的三维断层图像预估成像所需的剂量。4)根据计算预估的剂量计算机11自动控制光源1的强度或者相机10的曝光时间。
成像过程如下：
1)扫描模块中的水箱7装好水，将成像仿体6安装到旋转平台5上。人工或者计算机11通过智能控制模块的智能定位功能控制竖直平移台4将成像仿体6移动到合适的成像位置。
2)打开光源模块的光源1。光源1发出的光经过光束匀质器件2后形成较均匀光束，经过可调狭缝3调节通光大小后，穿过水箱7侧面的通光窗口，照射到成像仿体6上。光线透过仿体6后透过水箱7另一侧的通光窗口，依次经过可变光阑8，镜头9进入到相机10中。人工或者计算机11通过智能控制模块的剂量智能控制功能控制光源1的强度或者相机10的曝光时间以用于后续的投影采集。
3)对于平移步进式扫描，两种扫描模式，第一种是计算机11控制竖直平移台4不动，旋转平台5带动成像仿体6旋转，每旋转一定角度停下，通过相机10采集一次光源1发出的光透过成像仿体6的投影，记为一个角度的投影，如此重复采集多个角度的投影，旋转平台5回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台4向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体6竖直方向其他部分的投影；第二种是计算机11控制竖直平移台4不动，旋转平台5带动成像仿体6一直旋转，相机10每隔一定时间采集一个角度的投影，直至采集完多个角度的投影。旋转平台5回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台4向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体6竖直方向其他部分的投影。对于螺旋扫描，计算机11控制在旋转平台5带动成像仿体6旋转的同时，竖直平移台4向下移动，通过相机10采集多个角度的投影，在采集投影的过程中，投影图像在显示模块中显示，以实时观察和监视采集图像的状态。
4)计算机11利用3)中采集的多个角度投影通过智能控制和重建模块中的重建模块进行重建后将重建结果通过显示模块显示出来。
一种基于光学的智能CT教学模拟***包括光源模块，扫描模块，采集模块，智能控制和重建模块以及显示模块。
光源模块包括光源1、光束匀质器件2和可调狭缝3。可调狭缝3包括上、下、左、右四块平板组成，用于调节透光的窗口大小，以调节照射视野。其中，光源可为多个波长的LED、多个波长的LED阵列或者卤素灯与滤波片配合获得不同的发射波长。光束匀质器件2可为漫散射片或漫反射片。光源模块可采用两种结构。一种是光源1透过漫散射片2后继续传播经过可调狭缝3。一种是光源1经过漫反射片2反射后继续传播经过可调狭缝3。
扫描模块包括竖直平移台4，旋转平台5，成像仿体6和水箱7。成像仿体6安装在旋转平台5上，旋转平台5安装在竖直平移台4上。其中成像仿体6为有一定光吸收分布的允许光透过的成像模体，如局部含有染料的透明胶体。
水箱7的两个面(光传播经过的两个面)为平板结构，并开有透光的窗口。
采集模块包括可变光阑8，镜头9和相机10。光源模块发出的光经过成像仿体6后通过水箱7的透光窗口，依次透过可变光阑8和镜头9，最终被相机10采集。
智能控制和重建模块包括计算机11。旋转平台5、竖直平移台4和相机10通过电气连接线与计算机11相连。计算机11一方面利用内部的智能控制模块控制扫描模块旋转平台5的旋转和竖直平移台4的移动，以及控制相机10的图像采集，另一方面采集完成后通过内部的重建模块使用相应的重建算法(例如平移步进式扫描采用滤波反投影算法，螺旋扫描先利用与需重建的断层相邻的层面的投影图像线性插值至重建断层得到重建断层的投影图像，再采用滤波反投影算法重建)将相机10采集的投影图像重建为断层图像。
计算机11的智能控制模块还包括智能定位和剂量智能控制功能。
其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置***位即感兴趣区域，2)相机10采集一幅图像，3)计算机11通过图像识别与分割技术确定采集图像的感兴趣区域，4)计算机11计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，5)如果感兴趣区域大于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能；第二种：1)相机10采集一幅图像，2)用户在采集图像上手动勾画确定感兴趣区域，3)计算机11计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，4)如果感兴趣区域大于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则计算机11控制竖直平移台4移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置。即实现智能定位功能。
剂量智能控制功能能根据待成像区域预估成像所需的剂量，从而自动控制选取适当的光源1的强度或者相机10的曝光时间。具体步骤为：1)计算机11通过深度学习方法学习大量数据训练由单张投影图映射到三维断层图像的神经网络，经训练和验证后确定神经网络模型。深度学习中用到的训练数据和验证数据的输入均为单张投影图，输出为对应的真实三维断层图像。所用的网络为卷积神经网络，如U-net网络等。2)通过相机10采集待成像区域的单张投影图，计算机11利用前面学习到的神经网络模型预估待成像区域对应的三维断层图像。3)计算机11利用预估的三维断层图像预估成像所需的剂量，即曝光时间固定下光源1的光强或者光源光强固定下相机10的曝光时间。计算方法举例：设入射相机10的光强I2与相机10的响应数值I3关系为I3＝I2*D*E，其中E为曝光时间，D为单位曝光时间内I2与I3的变换系数，为常数可实验测得。光源1的光强I1与透过仿体6的光强，也即入射相机10的光强I2的关系为I2＝I1*(M*Ci)，其中M为光源1光强到入射仿体6前的衰减，为常数，可测量得出，Ci为利用预估的三维断层图像计算的各个角度的光强经仿体6后的投影衰减((i＝1，2，…，n，n为投影角度)。则光源1光强I1和相机10的响应数值I3的关系为I1＝I2/(M*Ci)＝I3/(D*E)/(M*Ci)＝I3/(D*E*M*Ci)。假如想获得较优的成像质量，当曝光时间E一定时，光源1光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)，其中I3max为I3可取的最大值，Cmax为Ci的最大值，即对应的入射光穿过仿体6的光强衰减最小。或者当光源1光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)。假如想使用较低的剂量，当曝光时间E一定时，光源1光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)的同时取值略大于I3min/(D*E*M*Cmin)，其中I3min为曝光时间为E时相机无光照输入时的图像噪声值，Cmin为Ci的最小值，对应的入射光穿过仿体6的光强衰减最大。或者当光源1光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)的同时取值略大于I3min/(D*I1*M*Cmin)。4)根据计算预估的剂量计算机11自动控制光源1的强度或者相机10的曝光时间。
显示模块用于显示每个角度的投影图像、正弦图和重建图像显示(如横断面显示、最大密度投影显示和三维显示)，以模拟CT图像的投影图、正弦图和重建图像显示。
成像过程如下：
1)扫描模块中的水箱7装好水，将成像仿体6安装到旋转平台5上。人工或者计算机11通过智能控制模块的智能定位功能控制竖直平移台4将成像仿体6移动到合适的成像位置。
2)打开光源模块的光源1。光源1发出的光经过光束匀质器件2后形成较均匀光束，经过可调狭缝3调节通光大小后，穿过水箱7侧面的通光窗口，照射到成像仿体6上。光线透过仿体6后透过水箱7另一侧的通光窗口，依次经过可变光阑8，镜头9进入到相机10中。人工或者计算机11通过智能控制模块的剂量智能控制功能控制光源1的强度或者相机10的曝光时间以用于后续的投影采集。
3)对于平移步进式扫描，两种扫描模式，第一种是计算机11控制竖直平移台4不动，旋转平台5带动成像仿体6旋转，每旋转一定角度停下，通过相机10采集一次光源1发出的光透过成像仿体6的投影，记为一个角度的投影，如此重复采集多个角度的投影，旋转平台5回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台4向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体6竖直方向其他部分的投影；第二种是计算机11控制竖直平移台4不动，旋转平台5带动成像仿体6一直旋转，相机10每隔一定时间采集一个角度的投影，直至采集完多个角度的投影。旋转平台5回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台4向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体6竖直方向其他部分的投影。对于螺旋扫描，计算机11控制在旋转平台5带动成像仿体6旋转的同时，竖直平移台4向下移动，通过相机10采集多个角度的投影，在采集投影的过程中，投影图像在显示模块中显示，以实时观察和监视采集图像的状态。
4)计算机11利用3)中采集的多个角度投影通过智能控制和重建模块中的重建模块进行重建后将重建结果通过显示模块显示出来。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光学的智能CT教学模拟***，其特征是，包括光源模块，扫描模块，采集模块，智能控制和重建模块以及显示模块；
光源模块包括光源、光束匀质器件和可调狭缝，可调狭缝包括上、下、左、右四块平板组成，用于调节透光的窗口大小，以调节照射视野；其中，光源为可切换波长光源，用于模拟双能CT或者用不同波长模拟不同的管电压调节，光源模块采用以下两种结构之一：一种是光源透过漫散射片后继续传播经过可调狭缝；一种是光源经过漫反射片反射后继续传播经过可调狭缝；
扫描模块包括竖直平移台，旋转平台，成像仿体和水箱，成像仿体安装在旋转平台上，旋转平台安装在竖直平移台上，旋转平台用于旋转成像仿体，进行多角度的投影采集，竖直平移台带着旋转平台上下移动，当竖直平移台不动时，旋转平台旋转，模拟CT的平移步进式扫描，当旋转平移台旋转的同时，竖直平移台进行竖直向下移动，模拟CT的螺旋扫描，成像仿体为有一定光吸收分布的允许光透过的成像模体；
光传播经过水箱的两个面为平板结构，并开有透光的窗口；
采集模块包括可变光阑，镜头和相机，光源模块发出的光经过成像仿体后通过水箱的透光窗口，依次透过可变光阑和镜头，最终被相机采集；
智能控制和重建模块包括计算机，旋转平台、竖直平移台和相机通过电气连接线与计算机相连，计算机一方面利用内部的智能控制模块控制扫描模块旋转平台的旋转和竖直平移台的移动，以及控制相机的图像采集，另一方面采集完成后通过内部的重建模块使用相应的重建算法将相机采集的投影图像重建为断层图像；
计算机的智能控制模块还用于智能定位和剂量智能控制；
显示模块用于显示每个角度的投影图像、正弦图和重建图像显示，以模拟CT图像的投影图、正弦图和重建图像显示；
剂量智能控制功能根据待成像区域预估成像所需的剂量，从而自动控制选取适当的光源的强度或者相机的曝光时间，详细步骤为：
1)计算机通过深度学习方法学习大量数据训练由单张投影图映射到三维断层图像的神经网络，经训练和验证后确定神经网络模型，深度学习中用到的训练数据和验证数据的输入均为单张投影图，输出为对应的真实三维断层图像；
2)通过相机采集待成像区域的单张投影图，计算机利用前面学习到的神经网络模型预估待成像区域对应的三维断层图像；
3)计算机利用预估的三维断层图像预估成像所需的剂量，即曝光时间固定下光源的光强或者光源光强固定下相机的曝光时间，对于入射相机的光强I2与相机的响应数值I3关系为I3＝I2*D*E，其中E为曝光时间，D为单位曝光时间内I2与I3的变换系数，光源的光强I1与透过仿体的光强，也即入射相机的光强I2的关系为I2＝I1*(M*Ci)，其中M为光源光强到入射仿体前的衰减，Ci为利用预估的三维断层图像计算的各个角度的光强经仿体后的投影衰减，i＝1，2，…，n，n为投影角度，则光源光强I1和相机的响应数值I3的关系为I1＝I2/(M*Ci)＝I3/(D*E)/(M*Ci)＝I3/(D*E*M*Ci)，第一种情况当以获得好的成像质量为目的时，当曝光时间E一定时，光源光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)，其中I3max为I3可取的最大值，Cmax为Ci的最大值，即对应的入射光穿过仿体的光强衰减最小，或者当光源光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)；第二种情况当以使用较低的剂量为目的时，当曝光时间E一定时，光源光强I1的最大值应小于I3max/(D*E*M*Cmax)的同时取值大于I3min/(D*E*M*Cmin)，其中I3min为曝光时间为E时相机无光照输入时的图像噪声值，Cmin为Ci的最小值，对应的入射光穿过仿体的光强衰减最大；或者当光源光强I1一定时，曝光时间E应小于I3max/(D*I1*M*Cmax)的同时取值大于I3min/(D*I1*M*Cmin)；
4)根据计算预估的剂量计算机自动控制光源的强度或者相机的曝光时间。
2.如权利要求1所述的基于光学的智能CT教学模拟***，其特征是，其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置***位即感兴趣区域，2)相机采集一幅图像，3)通过图像识别与分割技术确定采集图像的感兴趣区域，4)计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，5)如果感兴趣区域大于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置，即实现智能定位功能；第二种：1)相机采集一幅图像，2)用户在采集图像上手动勾画确定感兴趣区域，3)计算感兴趣区域在竖直方向的上下限和中心坐标，4)如果感兴趣区域大于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域下限坐标略高于***成像视野下限坐标作为成像扫描起始位置；如果感兴趣区域小于或等于***成像视野，则控制竖直平移台移动成像物体使感兴趣区域竖直方向的中心坐标与***成像视野中心坐标重合作为成像扫描位置，即实现智能定位功能。
3.如权利要求1所述的基于光学的智能CT教学模拟***，其特征是，所用的神经网络为卷积神经网络。
4.如权利要求1所述的基于光学的智能CT教学模拟***，其特征是，成像过程如下：
1)扫描模块中的水箱装好水，将成像仿体安装到旋转平台上，人工或者计算机通过智能控制模块的智能定位功能控制竖直平移台将成像仿体移动到合适的成像位置；
2)打开光源模块的光源，光源发出的光经过光束匀质器件后形成较均匀光束，经过可调狭缝调节通光大小后，穿过水箱侧面的通光窗口，照射到成像仿体上，光线透过仿体后透过水箱另一侧的通光窗口，依次经过可变光阑、镜头进入到相机中，人工或者计算机通过智能控制模块的剂量智能控制功能控制光源的强度或者相机的曝光时间以用于后续的投影采集；
3)对于平移步进式扫描，两种扫描模式，第一种是计算机控制竖直平移台不动，旋转平台带动成像仿体旋转，每旋转一定角度停下，通过相机采集一次光源发出的光透过成像仿体的投影，记为一个角度的投影，如此重复采集多个角度的投影，旋转平台回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体竖直方向其他部分的投影；第二种是计算机控制竖直平移台不动，旋转平台带动成像仿体一直旋转，相机每隔一定时间采集一个角度的投影，直至采集完多个角度的投影，旋转平台回到开始扫描时的初始角度停下，然后竖直平移台向下移动一定距离，继续重复上述采集，以完成仿体竖直方向其他部分的投影；对于螺旋扫描，计算机控制在旋转平台带动成像仿体旋转的同时，竖直平移台向下移动，通过相机采集多个角度的投影，在采集投影的过程中，投影图像在显示模块中显示，以实时观察和监视采集图像的状态；
4)计算机利用3)中采集的多个角度投影通过智能控制和重建模块中的重建模块进行重建后将重建结果通过显示模块显示出来。
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