一种用于高效、准确且真实模拟锥形束 CT 投影的 GPU 工具

X 射线投影图像的模拟在锥形束 CT (CBCT) 相关研究项目中起着重要作用。投影图像包含初级信号、散射信号和噪声。对所有这些分量进行准确且真实的计算在计算上要求很高。在本工作中，我们开发了一个名为 gDRR 的 GPU 软件包，用于在临床真实条件下准确高效地计算 CBCT 中的 X 射线投影图像。初级信号通过三线性射线追踪算法计算。随后执行蒙特卡罗 (MC) 模拟，生成带有噪声的初级信号和散射信号。应用去噪过程以获得平滑的散射信号。然后通过结合 MC 初级信号与射线追踪初级信号之间的差异，以及 MC 模拟散射信号与去噪散射信号之间的差异，获得噪声分量。最后，通过缩放振幅的校准步骤将计算出的噪声信号转换为真实信号。对于具有多能谱的典型 CBCT 投影，初级信号的计算时间为 1.2~2.3 秒，而 MC 模拟耗时 28.1~95.3 秒。所有其他步骤的计算时间可忽略不计。射线追踪初级信号与 MC 模拟结果的初级部分吻合良好。使用 gDRR 模拟的散射信号与 EGSnrc 结果一致，相对差异为 3.8%。进行了噪声校准过程，以针对真实的 CBCT 扫描仪校准 gDRR。计算出的投影准确且真实，使得可以使用模拟投影重现束硬化伪影和散射伪影。从模拟投影重建的 CBCT 图像中的噪声幅度也与相应 mAs 水平下测量图像中的噪声幅度一致。