基于光学的智能CT教学模拟系统技术方案

本发明专利技术涉及医学教学设备领域，为提出一种基于光学的智能CT教学模拟系统以辅助教学，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，本发明专利技术采取的技术方案是，基于光学的智能CT教学模拟系统，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。本发明专利技术主要应用于医学教学设备的设计制造。应用于医学教学设备的设计制造。应用于医学教学设备的设计制造。

【技术实现步骤摘要】
基于光学的智能CT教学模拟系统


[0001]本专利技术涉及医学教学设备领域，具体涉及一种基于光学的智能CT教学模拟系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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，目前尚缺乏一种系统除了模拟操作外，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教学模拟系统对于学生理解、学习和研究新的智能定位和剂量控制技术具有重要价值。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于光学的智能CT教学模拟系统以辅助教学，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，本专利技术采取的技术方案是，基于光学的智能CT教学模拟系统，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；
[0005]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；
[0006]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；
[0007]光传播经过水箱的两个面为平板结构，并开有透光的窗口；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置检查部位即感兴趣区域，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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]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*C
i
)，其中M为光源光强到入射仿体前的衰减，C
i
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*C
i
)＝I3/(D*E)/(M*C
i
)＝I3/(D*E*M*C
i
)。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I
3max
/(D*E*M*C
max
)，其中I
3max
为I3可取的最大值，C
max
为C
i
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I
3max
/(D*I1*M*C
max
)；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的最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学的智能CT教学模拟系统，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；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。2.如权利要求1所述的基于光学的智能CT教学模拟系统，其特征是，其中智能定位功能有两种实现流程：第一种：1)用户提前设置检查部位即感兴趣区域，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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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系统成像视野，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系统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教学模拟系统，其特征是，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。4.如权利要求1所述的基于光学的智能CT教学模拟系统，其特征是，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国鹤，张雪君，张雁琦，庞学明，孙少凯，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：