[发明专利]用作GPU并行计算的静态和动态混合模体CT仿真方法

说明书

本发明提供了一种用作GPU并行计算的静态和动态混合模体CT仿真方法，涉及技术领域，即静态混合模体仿真方法和动态混合模体仿真方法，其中静态混合模体仿真方法包括体素背景几何插入和几何体背景体素纹理化。本发明在不改变投影计算核心的基础上，不增加计算资源额外开销的基础上，在一次仿真中混合使用两种模体（和几何模体和体素模体）实现静态或者动态模体仿真，从而达到兼顾两种模体各自优点的结果。本发明混合两种模体的仿真、不改变模体定义、不改变投影方式、不需要辅助工具，在不增加额外计算和硬件特征的基础上，实现体素背景动态几何模体仿真。

技术领域

本发明涉及一种用作GPU并行计算的静态和动态混合模体CT仿真方法，属于CT仿真技术领域。

背景技术

CT仿真是利用数学建模在计算机中建立CT的数学模型用以模拟现实的CT数据生成和获取的过程，是整个CT研发流程中重要的一环，其作用主要有：

1.辅助CT系统设计，利用建模和计算评估和对比PET系统设计的模块、尺寸、参数等设计要素，达到系统设计的最优化。

2.评估和比较CT重建和矫正算法的有效性和结果，优化重建、矫正参数。因为CT仿真可以有所选择的生成理想数据或者半理想化数据，针对不同的物理或者机械缺陷分别建模，这样可以验证针对这些问题的矫正算法是否有效并评估重建算法的结果，优化这些算法的开发工作。

3.仿真可以作为实际CT生成数据的补充，在研发早期或者特定需求的数据不足时，可以用仿真去模拟出相对真实的数据作为补充。

因此，CT仿真是CT研发流程中非常重要的一环。

CT仿真按照模体建模可以分为几何体建模和体素建模，两者各有优缺点：

几何体模体定义简单，结构清晰，各个几何参数都有确切的取值，计算速度快，精确定义多色谱材质，使用各种基本几何体可以构成复杂的模体，缺点是几何模体很难模拟出真实人体的感觉，也很难模拟出各种小细节，主观感觉上有点假，主要应用场合为对位置和尺寸非常敏感的算法校验场合。

体素模体来自真实采集和CT数据，保留人体中的各种小细节，主观感觉非常真实，几可乱真，缺点是计算量大、因为CT重建矫正的原因，CT值会存在偏离，多色谱信息定义不方便，且存在误差，模体内部材质的过渡地带模糊等问题，主要应用场合为需要保留真实细节的人工智能训练样本生成，数据生成补充。

除了两种模体各取所长、各有所短之外，有些应用往往需要对已经存在的体素模体做一定的定制和修改从而达到扩充样本的目的，因为体素模体往往来自真实扫描，而每一份真实扫描其实有成本支出，对于某些应用场合，比如人工智能训练样本，往往需要特定机型上获得某些特殊伪影的样本，实际采集很难达到这样的样本数量，这就需要在体素模型上插入形成伪影特定的物体(比如骨骼和金属)，以达到扩充样本训练集的目的。反过来，有时候我们也希望在几何模体中使用体素模体充当三维材质达到为几何模体增加细节的目的。

因此保留两种模体各自的优势的模体也应运而生，比如一些使用高次曲面或者多项式去拟合或者描述原始体素数据，使用高次曲面模型脚本化从而制作出拥有体素模型特点的高次曲面描述性脚本，但是这类模体往往需要辅助工具对原始体素数据处理模型化的过程，其描述脚本也较为复杂，且改变了投影数据的计算核心，使用上也往往需要购买或者授权，因此在使用上并不方便。

另一方面，动态模体一直是仿真领域较受关注的应用，动态模体仿真指，模体的形状和位置随着时间改变的仿真，主要用来模拟现实世界中扫描期间因为外部或者内部自身原因产生运动的物体，比如心脏的跳动、肺部的呼吸运动或者在扫描期间因为病人体位发生挪动或者病床有颤动而产生的伪影，一般分别被称为心脏伪影、呼吸伪影和运动伪影。因为这类仿真需要每一帧更改模体的几何参数和坐标信息，所以相较静态仿真的实现方式有所不同。