针对计算机断层摄影检查的X射线剂量分布计算

摘要

本发明涉及一种用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内的X射线剂量分布的装置(18)。一次通量确定单元(15)首先确定目标内的一次通量分布，其中，该经确定的一次通量分布接着被总通量确定单元(16)用作初始总通量分布，同时应用六通量模型算法。这允许对总通量分布的确定以对所述总通量分布的相对良好的第一近似开始，使得六通量模型算法可以非常快地确定总通量分布。所确定的总通量分布最终由剂量分布确定单元(17)用于确定总剂量分布。所述装置因此允许针对计算机断层摄影检查的对X射线剂量分布的非常快的确定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内的X射线 剂量分布的装置、方法和计算机程序。本发明还涉及一种包括用于计算目 标内的X射线剂量分布的装置的计算机断层摄影系统。

背景技术

已知使用蒙特卡洛方法来计算在计算机断层摄影检查期间的人内的X 射线剂量分布，其中，蒙特卡洛方法使用定义如X射线的位置、取向和强 度的X射线属性的X射线参数以及定义计算机断层摄影检查期间的人对于 穿过的X射线的影响的人的模型。例如，在J.Geleijns等人的文章“Radiation ExposuretoPatientsinaMulticenterCoronaryAngiographyTrial(CORE64)” (MedicalPhysicsandInformatics，卷196，第5号，1126至1132页，2011 年)中公开了一种对应的蒙特卡洛方法。这种针对计算机断层摄影检查的 对人内的X射线剂量分布的基于蒙特卡洛的计算要求高计算工作量并且因 此花费相对长的时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内 的X射线剂量分布的装置、方法和计算机程序，所述装置、方法和计算机 程序允许对所述X射线剂量分布的更快的计算。本发明的另外的目的是提 供一种包括用于计算所述X射线剂量分布的所述装置的计算机断层摄影系 统。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于针对计算机断层摄影检查来 计算目标内的X射线剂量分布的装置，其中，所述装置包括：

-模型提供单元，其用于提供所述目标的模型，其中，所述模型包括体 素，X射线相互作用属性被分配到所述体素，其中，被分配到体素的X射 线相互作用属性定义所述目标的目标元件对穿过所述目标元件的X射线的 影响，所述目标元件与所述体素相对应，

-X射线参数提供单元，其用于提供定义所述计算机断层摄影检查期间 的X射线属性的X射线参数，

-一次通量确定单元，其用于基于所提供的模型和所提供的X射线参 数来确定由所述计算机断层摄影检查引起的所述目标内的一次通量分布， 其中，被分配到所述体素的表面的一次通量被确定，

-总通量确定单元，其用于通过使用六通量模型算法基于初始总通量分 布、所提供的模型以及所提供的X射线参数来确定所述目标内的总通量分 布，其中，所述初始总通量分布是由所确定的一次通量分布来定义的，以 及

-剂量分布确定单元，其用于基于所确定的总通量分布来确定所述目标 内的总剂量分布。

由于所述一次通量确定单元首先确定所述目标内的一次通量分布，其 中，该确定的一次通量分布接着在应用所述六通量模型算法时被所述总通 量确定单元用作初始总通量分布，因此对所述总通量分布的确定可以以对 所述总通量分布的相对良好的第一近似开始，使得所述六通量模型算法可 以更快地确定所述总通量分布。此外，由于这种更快确定的总通量分布被 用于确定所述总剂量分布，因此所述总剂量分布也可以被更快地确定。

所提供的X射线参数优选地定义采集几何结构，即所述计算机断层摄 影检查期间的X射线相对于所述目标的位置和取向、所述X射线的所述通 量、以及任选地还有所述X射线的能量。被分配到所述体素的所述X射线 相互作用属性定义例如穿过各自体素的X射线的吸收、散射等。所述模型 可以通过以下而被生成：通过重建所述目标的计算机断层摄影图像、通过 对所述计算机断层摄影图像进行分割、并且通过基于包括不同段与所述X 射线相互作用属性之间的分配的数据库将所述X射线相互作用属性分配到 所述不同段。例如，所述目标可以是如人或动物的活体，并且所述段可以 表示骨骼、组织、金属和所述活体内的其他可能的部分，其中，由于假设 所述活体的这些部分的X射线相互作用属性是已知的(例如存储在表格 中)，因此所述X射线相互作用属性可以被分配到这些段，并且因此被分配 到各自的段的所述体素。

所述模型提供单元可以是存储单元，所述模型已经被存储在所述存储 单元中，并且所述模型可以被从所述存储单元检索以提供所述模型。然而， 所述模型提供单元还可以是接收单元，所述接收单元用于从另一设备接收 所述模型并且用于提供接收到的模型。所述模型提供单元还可以适于接收 计算机断层摄影图像并适于基于所述计算机断层摄影图像来生成所述模 型，其中，所述模型提供单元可以适于对接收到的计算机断层摄影图像进 行分割并适于将所述X射线相互作用属性分配到所述段以生成所述模型。 所述模型提供单元还可以适于基于如磁共振图像的所述目标的其他种类的 图像来生成所述模型。

所述X射线参数提供单元还可以是存储单元，所述存储单元用于存储 所述X射线参数并用于提供所存储的X射线参数。例如，所述X射线参数 提供单元可以已经存储了不同种类的计算机断层摄影检查，即不同种类的 计算机断层摄影扫描，所述不同种类的计算机断层摄影扫描与X射线参数 的不同集合有关，其中，这些计算机断层摄影扫描中的一个可以被自动地 或由用户经由用于选择有关的X射线参数的图形用户界面来选择。所述X 射线参数提供单元也可以仅是用于从另一设备(例如从允许用户输入所述X 射线参数的输入设备)接收所述X射线参数的接收单元，其中，在这种情 况下，所述X射线参数提供单元适于提供接收到的X射线参数。

所述通量优选被定义为每单位面积X射线光子的流率。所述一次通量 优选是由尚未被散射的光子引起的通量，而二次通量优选是由经散射的光 子引起的通量。所述总通量分布优选包括所述一次通量和所述二次通量。

所述一次通量确定单元优选地适于通过使用射线投射算法基于所提供 的模型和所述X射线参数来确定所述目标内的所述一次通量分布，其中， 由所提供的X射线参数定义的虚拟射线被投射通过所述模型，并且其中， 对于所述目标内的不同位置，一次通量是基于所提供的X射线参数并基于 被分配到在到达各自的位置之前已经被穿过的体素的X射线相互作用属性 而被确定的。由于使用射线投射方法，因此可以沿任何射线方向并且非常 快速地计算所述一次通量，由此进一步增加计算所述目标内的所述剂量分 布的速度。

在优选实施例中，所述X射线相互作用属性至少部分地是谱X射线相 互作用属性，并且到达所述各自的位置的各自的投射射线的所述一次通量 是一次通量谱，即，由被穿过的体素引起的衰减是谱衰减，使得所确定的 一次通量是一次通量谱。考虑能量依赖性可以提高确定所述总通量分布的 准确度，并且因此提高计算人内的剂量分布的准确度，所述人内的剂量分 布是基于所确定的总通量分布的。

所述一次通量确定单元还优选地适于针对每个体素通过使用所述射线 投射算法基于所提供的模型和所述X射线参数来确定一次通量，并且适于 针对每个体素通过划分所确定的一次通量并通过将经划分的一次通量分配 到由各自的投射射线穿过的各自的体素的表面来分解所确定的一次通量， 以用于生成所述一次通量分布。因此，针对体素确定的所述一次通量可以 对应于被各自的投射射线穿过的体素的表面而被分解。例如，针对体素确 定的所述一次通量可以被投影在各自的体素表面的法线上，并且经投影的 一次通量可以被分配到各自的体素表面。此外，所述一次通量确定单元可 以适于使用所述射线投射算法使得至少一个体素由若干投射射线穿过，其 中，针对由若干投射射线穿过的体素并针对这些穿过的射线中的每条来确 定一次通量；并且适于将若干穿过的投射射线的所述一次通量的平均值分 配到由所述若干投射射线穿过的所述体素。所述平均值可以是加权平均值， 其中，权重例如可以取决于在各自的体素与各自的投射射线之间的相交区 域的大小。另外，所述一次通量确定单元可以适于使用所述射线投射算法 使得并不是所有体素都由投射射线穿过，并且适于基于针对由投射射线穿 过的相邻体素确定的所述一次通量来确定针对并未由投射射线穿过的体素 的一次通量。这些措施还可以改进所确定的一次通量分布的质量，这可以 引起对所述总通量分布的甚至更快的确定。

所述一次通量确定单元还优选地适于：a)取决于到达各自的体素的各 自的投射射线的通量谱来将针对所述各自的体素和所述各自的投射射线的 所述一次通量确定为一次通量谱，其中，所述通量谱是基于由在到达所述 各自的体素之前已经被穿过的其他体素引起的谱衰减而被确定的，并且其 中，所述谱衰减是由被分配到所述其他体素的所述X射线相互作用属性来 定义的，以及b)通过基于所确定的谱一次通量确定非谱一次通量、通过将 所确定的非谱一次通量划分成多个非谱一次通量、并且通过将经划分的多 个非谱一次通量分配到由所述各自的投射射线穿过的所述各自的体素的表 面，来针对各自的体素分解所确定的一次通量谱。因此，针对体素确定的 所述非谱一次通量可以对应于由各自的投射射线穿过的体素的表面而被分 解，其中，所述非谱一次通量可以例如通过对所述谱一次通量求平均来确 定。针对体素确定的所述非谱一次通量可以被投影在各自的体素表面的法 线上，并且经投影的非谱一次通量可以被分配到各自的体素表面。这允许 考虑也在对所述总通量分布的计算期间的通量的能量依赖性，而不需要增 加用于计算所述总通量分布的计算工作量。因此，确定所述总通量分布的 准确度以及由此的计算所述目标内的剂量分布的准确度可以被提高，而不 需要增加计算工作量。

所述一次通量确定单元可以适于在投射射线穿过体素的表面的情况下 将所述投射射线在所述表面位置处的所述一次通量分配到所述表面。因此， 例如，表面的所述一次通量可以被直接确定，而不必首先确定体素的所述 一次通量然后将针对所述体素确定的所述一次通量分解。此外，所述一次 通量确定单元可以适于使用所述射线投射算法使得至少一个体素的表面由 若干投射射线穿过，其中，针对由若干投射射线穿过的表面并针对这些穿 过的射线中的每条来确定一次通量；并且适于将若干穿过的投射射线的所 述一次通量的平均值分配到由所述若干投射射线穿过的所述表面。所述若 干穿过的投射射线的所述一次通量的所述平均值可以是加权平均值，其中， 权重可以取决于在所述各自的投射射线与各自的表面之间的相交区域的大 小。此外，所述一次通量确定单元可以适于使用所述射线投射算法使得并 不是所有表面都由投射射线穿过，并且适于基于被分配到由投射射线穿过 的相邻表面的所述一次通量来确定针对并未由投射射线穿过的体素的表面 的一次通量。这些措施可以进一步提高所确定的一次通量的准确度，这继 而可以最终引起对所述总剂量分布的甚至更快的确定。

在其他实施例中，所述X射线剂量分布确定单元适于：a)将所确定的 一次通量分布从所确定的总通量分布中减去，以用于确定二次通量分布，b) 通过针对每个体素提供一次通量并通过取决于针对每个体素提供的所述一 次通量计算一次剂量分布来确定所述一次剂量分布，c)取决于所确定的二 次通量分布来确定二次剂量分布，并且d)通过将所确定的一次剂量分布与 所确定的二次剂量分布组合来确定所述总剂量分布。例如，可以仅对所述 一次剂量分布与所述二次剂量分布进行相加。在步骤b)中，可以基于所提 供的模型和所提供的X射线参数通过计算各自的一次通量，具体通过使用 射线投射算法，来提供针对每个体素的所述一次通量。然而，如果所述一 次通量已经针对每个体素而被确定，以用于确定在步骤a)中使用的所述一 次通量分布，则在步骤b)中该确定的一次通量可以被提供用于计算所述一 次剂量分布，而不需要在步骤b)中再次计算所述一次通量。由于所述一次 剂量分布是取决于针对每个体素确定的所述一次通量而被确定的，即例如 在分解所述一次通量分布和可能地在压缩能量信息之前被确定的，因此可 以以经提高的准确度来确定所述一次剂量分布，这继而引起是高准确度一 次剂量分布与所述二次剂量分布的组合的所述总剂量分布的经提高的准确 度。

在本发明的另一方面中，提出了一种计算机断层摄影系统，所述计算 机断层摄影系统包括根据权利要求1所述的用于针对计算机断层摄影检查 来计算目标内的X射线剂量分布的装置。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于针对计算机断层摄影检查来 计算目标内的X射线剂量分布的方法，其中，所述方法包括：

-由模型提供单元提供所述目标的模型，其中，所述模型包括体素，X 射线相互作用属性被分配到所述体素，其中，被分配到体素的X射线相互 作用属性定义所述目标的目标元件对穿过所述目标元件的X射线的影响， 所述目标元件与所述体素相对应，

-由X射线参数提供单元提供定义所述计算机断层摄影检查期间的X 射线属性的X射线参数，

-由一次通量确定单元基于所提供的模型和所提供的X射线参数来确 定由所述计算机断层摄影检查引起的所述目标内的一次通量分布，其中， 被分配到所述体素的表面的一次通量被确定，

-由总通量确定单元通过使用六通量模型算法基于初始总通量分布、所 提供的模型以及所提供的X射线参数来确定所述目标内的总通量分布，其 中，所述初始总通量分布是由所确定的一次通量分布来定义的，并且

-由剂量分布确定单元基于所确定的总通量分布来确定所述目标内的 总剂量分布。

在本发明的另一方面中，提出了一种用于针对计算机断层摄影检查来 计算目标内的X射线剂量分布的计算机程序，其中，所述计算机程序包括 程序代码单元，所述程序代码单元用于当所述计算机程序在对根据权利要 求1所述的装置进行控制的计算机上运行时令所述装置执行根据权利要求 14所述的方法的所述步骤。

应当理解，根据权利要求1所述的装置、根据权利要求13所述的计算 机断层摄影系统、根据权利要求14所述的方法、以及根据权利要求15所 述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，具体而言，具有如在从 属权利要求中所述的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求或以上实施例 与各自的独立权利要求的任意组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的， 并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。

附图说明

在附图中：

图1示意性且示范性地示出了X射线计算机断层摄影系统的实施例，

图2和图3示意性且示范性地图示了将一次通量分解成一次通量分量 的范例，并且

图4示出了示范性地图示用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内 的X射线分布的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示意性且示范性地示出了用于生成目标(在该实施例中是人)的 计算机断层摄影图像的计算机断层摄影系统的实施例。所述计算机断层摄 影系统20包括机架1，所述机架1能够关于平行于z方向延伸的旋转轴R 旋转。X射线管2被安装在机架1上并被提供有准直器3，所述准直器3在 该实施例中利用由X射线管2生成的辐射形成锥形辐射射束4。辐射穿过 被定位在检查区5内的人。在已经穿过检查区5之后，辐射射束4入射在 包括二维探测表面的探测设备6上，所述探测设备6也被安装在机架1上。

计算机断层摄影系统20包括两个马达7、8，其中，机架1由马达7 以优选恒定但可调节的角速度驱动。马达8被提供用于使被布置在检查区5 中的台上的目标平行于旋转轴R或z轴的方向移位。这些马达7、8由控制 单元9控制，使得例如X射线管2和检查区5内的目标被相对于彼此沿螺 旋轨迹移动。然而，也可能目标不移动而只有X射线管2被旋转，即X射 线管2被沿着圆形轨迹相对于检查区5内的目标移动。此外，在另一实施 例中，准直器3可以适于形成如扇形射束的另一射束形状，并且探测设备6 可以包括对应于另一射束形状(具体对应于扇形射束)而被成形的探测表 面。

在检查区5内的X射线管2和目标相对移动期间，探测设备6取决于 入射在探测设备6的探测表面上的辐射来生成探测值。探测值是被提供到 处理设备10的重建单元12的投影数据。重建单元12适于通过使用已知的 计算机断层摄影重建算法(如已知的滤波反投影重建算法、拉东反转重建 算法等)根据接收到的探测值来重建计算机断层摄影图像。

处理设备10还包括用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内的X射 线剂量分布的装置18。装置18包括用于提供目标的模型的模型提供单元 13，其中，所述模型包括体素，X射线相互作用属性被分配到所述体素。 被分配到体素的X射线相互作用属性定义目标元件对穿过目标的目标元件 的X射线的影响，所述目标元件与所述体素相对应。装置18还包括：X射 线参数提供单元14，其用于提供定义计算机断层摄影检查期间的X射线属 性的X射线参数；以及一次通量确定单元15，其用于基于所提供的模型和 所提供的X射线参数来确定由计算机断层摄影检查引起的目标内的一次通 量分布，其中，被分配到体素的表面的一次通量被确定。装置18还包括总 通量确定单元16，所述总通量确定单元16用于通过使用基于初始总通量分 布、所提供的模型以及所提供的X射线参数确定总通量分布的六通量模型 算法来确定目标内的总通量分布，其中，所述初始总通量分布是由所确定 的一次通量分布来定义的。装置18还包括用于基于所确定的总通量分布来 确定目标内的总剂量分布的剂量分布确定单元17。

在该实施例中，模型提供单元13适于分割经重建的计算机断层摄影图 像，使得不同的段与人的不同部分相对应。不同的经分割部分例如是软组 织、骨骼、金属等。模型提供单元13包括表格，在所述表格中X射线相互 作用属性被分配到人的每部分，使得可以通过针对每个体素确定其属于哪 个经分割部分并且基于所存储的表格将对应的X射线相互作用属性分配到 各自的体素来生成所述模型。被分配到体素的X射线相互作用属性例如是 吸收系数和/或散射系数，所述吸收系数和/或散射系数可以定义由各自的体 素引起的衰减。优选地，在已经提供了模型之后，可以针对如由所提供的X 射线参数定义的任何X射线采集配置来确定目标内的总剂量分布。

X射线参数提供单元14适于提供定义计算机断层摄影检查期间的X射 线属性(如X射线的位置和取向、X射线的通量以及X射线的能量)的X 射线参数。可以取决于所选择的计算机断层摄影扫描来提供X射线参数， 所述计算机断层摄影扫描可以被自动选择或者由用户经由图形用户界面来 选择。为了与用户交互，计算机断层摄影系统20可以包括输入器件，如键 盘、计算机鼠标、触摸板等。此外，可以在显示器11上示出图形用户界面。

一次通量确定单元15适于通过针对每个体素使用射线投射算法基于所 提供的模型和X射线参数确定一次通量来确定一次通量分布，其中，由所 提供的X射线参数定义的虚拟射线被投射通过所述模型，并且其中，针对 由各自的虚拟投射射线穿过的每个体素来确定一次通量。在该实施例中， 一次通量确定单元15适于取决于到达各自的体素的各自的射线的通量来确 定针对各自的体素和各自的投射射线的一次通量，其中，所述通量是基于 在到达各自的体素之前已经被穿过的其他体素引起的衰减而被确定的，其 中，所述衰减是由被分配到所述其他体素的X射线相互作用属性来定义的， 并且其中，到达各自的体素的各自的投射射线的通量是通量谱，并且由所 述其他体素引起的衰减是谱衰减，使得所确定的一次通量是一次通量谱。 除了通过衰减以外，所述通量也可以由于射束的发散而被减小。在另一实 施例中，可以不考虑能量依赖性，使得到达各自的体素的各自的投射射线 的通量是单个通量值，并且其他体素的衰减不被认为是谱衰减。在这种情 况下，所确定的一次通量不是一次通量谱。此外，一次通量确定单元15可 以适于使用射线投射算法使得至少一个体素由若干投射射线穿过，并且适 于将若干穿过的投射射线的一次通量的平均值分配到由所述若干投射射线 穿过的体素。所述平均值优选为加权平均值，其中，可以以不同方式来选 择权重，例如，取决于特别是成比例于通过体素的射线的长度、与该具体 射线通过体素的交叉相对应的体积、或通过给出该具体射线对体素中的总 一次通量的贡献的近似的任何其他方法。另外，一次通量确定单元15可以 适于使用射线投射算法使得并不是所有的体素都由投射射线穿过，并且适 于基于针对由投射射线穿过的相邻体素确定的一次通量来确定针对并未由 投射射线穿过的体素的一次通量。例如，针对一个或若干相邻体素确定的 一次通量可以被分配到并未由射线穿过的体素，或者这些一次通量的插值 可以被分配到该体素。相邻体素可以是直接相邻的，但其也可以包括邻近 而不是直接相邻的体素。

因此，在实施例中，通过射线投射来确定一次通量。射线的集合传播 通过目标。每条射线在其传播通过目标期间被衰减。特定体素中的衰减优 选地取决于体素中射线的路径的长度以及如由以通常方式被分配到体素的 X射线相互作用属性定义的体素的材料属性。射线可以由经衰减的单个通 量值来表示，或者由经衰减的表示经分箱的能量谱的通量值的集合来表示， 每种都可能以不同的方式表示。

射线集合中的射线可以被均匀地隔开，但是它们也可以被非均匀地间 隔开。在后一种情况中，射线的通量取决于与该射线相关联的立体角度， 即在该情况下也考虑各自的射线的立体角度来确定各自的通量。与射线相 关联的立体角度优选被选择为使得其覆盖整个X射线束。

一次通量确定单元15优选地适于针对每个体素将所确定的一次通量分 解成与由各自的投射射线穿过的各自的体素的表面相对应的一次通量分 量，以用于生成一次通量分布。可以以不同的方式来完成针对体素确定的 一次通量到体素的表面的分配。一个选项是将体素中的一次通量投影在体 素的表面的法线上，并且将经投影的向外的一次通量分配到各自的表面。 总通量确定单元16优选地适于利用一次通量分布作为初始条件使用六通量 模型算法，以用于基于所提供的X射线参数和所提供的模型来确定总通量 分布。

具体而言，一次通量确定单元15适于针对每个体素将所确定的一次通 量谱分解成与由各自的投射射线穿过的各自的体素的表面相对应的非谱一 次通量分量，以用于生成一次通量分布，其中，可以基于所确定的谱一次 通量来确定非谱一次通量，其中，所确定的非谱一次通量可以被划分成多 个非谱一次通量，并且经划分的多个非谱一次通量可以被分配到由各自的 投射射线穿过的各自的体素的表面。可以通过例如对谱一次通量求平均来 根据谱一次通量确定非谱一次通量。图2中图示了对计算出的一次通量的 分解。

图2示出了若干体素30，其中，这些体素30中的一些由各自的投射射 线穿过，所述各自的投射射线是由其中心线31指示的。经分解的一次通量 由箭头32指示，其中，箭头32的长度示意性且示范性地图示了各自的一 次通量值。各自的长度取决于例如射线在传播通过模型时的衰减，这导致 一次通量的降低。各自的箭头32的长度还取决于各自的体素与各自的射线 之间的相交区域的大小，并且其可以取决于各自的通量谱的平均值。在图3 中图示了相交区域。

在图3的左边部分中，可以看出具有中心线31的投射射线34具有由 虚线33示范性地图示的特定宽度。虚线33之间的区域是相交区域。图3 的右边部分示范性且示意性地示出了模型段30的一次通量分量32，即示出 了将一次通量分解成相关表面上向外的一次通量。

应当指出，尽管在图2的左边部分中仅示出了投射射线的中心线31， 但在计算期间投射射线具有如图3的左边部分中图示的发散宽度，使得如 可以从图2的左边部分推断出的，各自的投射射线总体上在离开各自的体 素时将不仅仅穿过单个体素30的表面。

在另一实施例中，与体素表面交叉的射线的一次通量通过射线投射被 直接确定。如以上描述的射线的集合可以被使用，并且这些射线可以被如 以上描所述地被衰减。每当射线与体素的表面交叉时，一次通量被分配到 该体素表面。如果单个射线与体素表面交叉，则在体素表面处的该射线的 一次通量被分配到该体素表面。如果多条射线与单个体素表面交叉，则在 体素表面处的这些射线的一次通量的加权平均值被分配到该体素表面。可 以以不同方式来选择与通过该具体体素表面的每个一次通量相关联的权 重。例如，它们可以被选择为全部相等，它们可以被选择为成比例于与该 具体一次通量相关联的表面的面积，或者它们可以通过提供给出对该射线 的通量对通过该具体表面的总通量的贡献的适当表示的值的任何其他方法 而被选择。如果射线的密度不足够高以使至少一条射线通过应当被分配有 一次通量的每个体素表面，则优选地确保不接收一次通量值的表面(即使 它们应当接收一次通量值)得到一个一次通量值。这可以以若干方式来完 成。一种方式是在相同平面中的邻近表面的值之间进行插值。另一种方式 是将来自经过体素表面的射线的一次通量也分配到相同平面中的邻近表 面。还可以使用将一次通量局部地分布在附近的体素表面上或者在附近射 线的一次通量之间进行插值以确定在体素表面上的一次通量的其他方式。

尽管以上已经关于通量描述了实施例，但是应当理解，可以将相同的 计算关于强度公式化，即通过考虑通过所提供的模型的射线的强度而不需 要修改对通量分布的确定来公式化。

总通量确定单元16适于使用六通量模型算法，其中，经分解的一次通 量被用作初始条件。具体而言，总通量确定单元16可以适于使用在 K.Gierens等人的文章“AFastSix-FluxRadiativeTransferMethodfor ApplicationinFiniteCloudModels”(BeitraegezurPhysikderAtmosphaere， 66卷，1-2号，73至87页，1993年)中公开的六通量模型算法，通过引用 将其并入本文。在该文章中，关于强度描述计算，如以上已经提及的，在 给定体素表面的面积的情况下，所述强度与术语“通量”是可互换的。此 外，在该文章中，六通量模型给出了从体素出现通过特定表面的强度与从 相邻体素出现进入该体素的强度之间的关系(例如参见以上提及的 K.Gierens等人的文章中的公式(1))。基于这种关系，迭代公式可以被用于 找出各处都服从该关系并且与来自体素化的体积外部的到来的通量的边界 条件一致的强度分布(例如参见以上提及的K.Gierens等人的文章中的公式 (3))。从初始条件开始(在这种情况下所述初始条件为如以上描述所计算 出的一次通量)，初始条件可以被迭代直到达到稳定的解，所述解是总通量。

在已经通过利用一次通量分布作为初始条件使用六通量模型算法确定 了总通量之后，剂量分布确定单元17可以基于到来的通量和向外的通量通 过计算在各自的体素中沉积的能量的量来确定目标内的总剂量分布，并且 接着通过各自的体素的质量来对此进行划分，其中，可以由模型提供单元 13来提供体素的质量，具体提供为被分配到各自的体素的X射线相互作用 属性。

以下将参考在图4中示出的流程图来示范性地描述用于针对计算机断 层摄影检查来计算目标内的X射线剂量分布的方法的实施例。

在步骤101中，由模型提供单元13提供目标的模型，其中，所述模型 包括体素，X射线相互作用属性被分配到所述体素，其中，被分配到体素 的X射线相互作用属性定义目标元件对穿过目标的目标元件的X射线的影 响，所述目标元件与体素相对应。在步骤102中，由X射线参数提供单元 14提供定义计算机断层摄影检查期间的X射线属性的X射线参数，并且在 步骤103中，由一次通量确定单元15基于所提供的模型和所提供的X射线 参数来确定由计算机断层摄影检查引起的目标内的一次通量分布。在步骤 104中，由总通量确定单元16通过使用六通量模型算法基于初始总通量分 布、所提供的模型以及所提供的X射线参数确定总通量分布来确定目标内 的总通量分布，其中，所述初始总通量分布是由所确定的一次通量分布来 定义的。在步骤104中，由剂量分布确定单元17基于所确定的总通量分布 来确定目标内的总剂量分布。

尽管在以上描述的实施例中首先确定了经分解的一次通量分布，其中， 该经分解的一次通量分布被用作初始条件以用于确定最终被用于确定总剂 量分布的总通量分布，但是在其他实施例中可以以另一方式来确定总剂量 分布。例如，剂量分布确定单元可以适于将所确定的经分解的一次通量分 布从根据六通量模型算法获得的所确定的总通量分布中减去，以用于确定 二次通量分布。剂量分布确定单元接着可以适于：i)在一次通量分布被分 解之前，并且如果确定了谱一次通量，则在谱一次通量被压缩为非谱一次 通量之前，取决于一次通量分布来确定一次剂量分布，ii)取决于所确定的 二次通量分布来确定总剂量分布，并且iii)通过将所确定的一次剂量分布 与所确定的二次剂量分布组合来确定总剂量分布。例如，一次剂量分布和 二次剂量分布可以仅仅被相加。因此，也可以在分解一次通量之前并且在 压缩谱信息之前根据全谱信息来计算每个体素中的一次剂量，以用于确定 一次剂量分布。经分解的一次通量分布接着仍然可以被确定并被输入到六 通量算法中以用于确定总通量分布，可以从所述总通量分布中减去一次通 量分布以用于确定二次通量分布。所述二次通量分布可以被用于确定二次 剂量分布，所述二次剂量分布可以被添加到一次剂量分布以用于计算总剂 量分布。

如果一次通量分布被从所确定的总通量分布中减去以用于确定接着被 用于确定二次剂量分布的二次通量分布，并且如果所确定的一次通量分布 在分解之前且在压缩之前被直接用于确定一次剂量分布，则可以更准确地 计算一次剂量分布，这继而引起甚至更加准确的总剂量分布，所述总剂量 分布是所确定的一次剂量分布和所确定的二次剂量分布的组合。取决于在 没有使用六通量算法的条件下在分解之前和压缩之前所确定的一次通量分 布的一次剂量分布的这种对一次剂量分布的直接确定允许考虑一次射束的 任何能量分辨率的水平和任何传播方向，而六通量算法仅仅考虑六个传播 方向。

在已知的计算机断层摄影检查中，X射线剂量常常被报告为单个计算 机断层摄影剂量指标(CTDI)数字。该数字是针对标准化的体模在计算机 断层摄影检查中将接收到的剂量的量度。该数字不反映患者之间和患者的 不同段之间的大小的差异，也不给出关于患者里面的剂量分布的任何信息， 其是相关的，由于一些部分(尤其是器官)比其他部分对辐射更敏感，因 此所述大小的差异与所述剂量分布的信息是相关的。

原则上，一旦已经执行了计算机断层摄影扫描，则可以通过蒙特卡洛 计算或某些其他方法根据体素化的计算机断层摄影图像来计算体素化的剂 量图，这是因为患者的体素化的衰减图是可用的。然而，在实际中，在合 理的时间内产生准确的剂量分布图是困难的。当前蒙特卡洛模拟仍然非常 缓慢。总通量确定单元因此优选地适于使用六通量算法来计算患者里面的 辐射通量，根据所述患者里面的辐射通量接着可以容易地计算剂量图。在 六通量模型中，在患者的边界限处的到来的一次通量在其迭代地传播(包 括散射)通过整个患者之后被计算，直到达到通量均衡。

以上参考图1描述的装置引起速度的增加和准确度的提高两者。所述 提高包括使一次通量传播通过整个患者，而不是例如只传播到其表面。这 可以被快速地完成，这是因为并不跟踪经散射的辐射。此外，由于所确定 的一次通量被用作针对六通量模型算法的初始条件，因此为六通量模型算 法提供良好的开始的分布，使得其非常快速地汇聚，即要求较少的迭代来 找到准确的解。

以上参考图1描述的装置适于将快速一次通量计算与六通量模型算法 组合，其中，针对一次通量计算使用了射线投射方法，即射线投射方法被 用于提高用于计算计算机断层摄影检查中的剂量分布的基于六通量模型的 方法的速度和准确度。这允许考虑X射线针对确定一次通量的能量依赖性 和不仅在六个方向上的射线的传播，这是因为这将是通过在没有定义初始 总通量分布的一次通量分布的情况下使用纯六通量模型算法的情况，这将 引起优选的传播方向：例如在K.Lathrop等人的文章“RemediesforRay Effects”(NuclearScienceandEngineering：TheJournaloftheAmerican NuclearSociety，45卷，255至268页，1971年)中描述的称为射线效应的 问题。对能量依赖性的考虑引起更好的可实现的准确度，这是因为衰减和 散射改变了传播通过患者的辐射的谱。

所述装置优选适于首先利用射线投射方法来计算一次通量，所述射线 投射方法如在F.Smekens等人的“Simulationofdosedepositioninstereotactic synchrotronradiationtherapy：AfastapproachcombiningMonteCarloand deterministicalgorithms”(PhysicsinMedicineandBiology，54卷，4671至 4685页，2009年)、H.Zhao等人的“FastRay-TracingTechniquetoCalculate LineIntegralPathsinVoxelArrays”(NuclearScienceSymposiumConference Record，2003IEEE，4卷，2808至2812页，2004年)或N.Freud等人的 “AHybridApproachforFastSimulationofDoseDepositioninStereotactic SynchrotronRadiotherapy”(IEEETransactionsonNuclearScience，55卷，3 号，1008至1017页，2008年)中描述的射线投射方法，通过引用将其并 入本文。然而，也可以使用另一射线投射方法用于确定一次通量分布。在 这种对一次通量的计算期间，可以维持任何期望的能量分辨率，并且各自 的射线可以在任何期望的方向上传播。在传播期间，各自的射线被人的组 织衰减，其中，根据所提供的模型已知要求用于计算衰减的X射线相互作 用属性。

在优选实施例中，在计算期间，穿过体素的射线具有特定的谱通量和 特定的加权因子，所述特定的加权因子取决于在体素与例如以上提及的 Freud等人的文章的图4中图示的投射射线之间的相交区域(即体积)的大 小。该一次通量在各自的体素的相关表面上被分解成向外的一次通量，并 且谱信息被压缩成单个数字，所述单个数字例如是进入各自的体素的射线 谱的平均能量。该射线的贡献被添加到各自的体素的六个向外的通量。由 于当前体素的衰减，各自的射线接着继续以经修改的谱沿着其初始的路径 进入到下一体素中。一次通量再次被分解并且这继续进行直到射线离开模 型。这是针对所有射线来完成的，并得到在人内的一次通量分布。所述装 置不可以保留到来的通量进入到体素的轨道，而只保留向外的通量的轨道， 这是因为体素的表面的到来的通量等于通过邻近体素的边缘表面的向外的 通量，除了不存在邻近体素的边界限并且到来的通量也被以相同方式存储 的边界。一次通量分布(也可以被认为是一次通量图)优选被用作以上描 述的基于六通量的计算的初始条件。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要 求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一” 或“一个”不排除多个。

单个单元或设备可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在 互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地 使用这些措施的组合。

由一个或若干单元或设备执行的计算(如对一次通量分布的计算、对 二次通量分布的计算、对一次剂量分布的计算、对二次剂量分布的计算、 对总剂量分布的计算等)可以由任何其他数目的单元或设备来执行。例如， 步骤101至105可以由单个单元或由任何其他数目的不同单元来执行。对 用于根据用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内的X射线剂量分布的 方法来针对计算机断层摄影检查计算目标内的X射线剂量分布的装置的计 算和/或控制可以被实施为计算机程序的程序代码单元和/或专用硬件。

计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提 供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被 以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

本发明涉及一种用于针对计算机断层摄影检查来计算目标内的X射线 剂量分布的装置。一次通量确定单元首先确定目标内的一次通量分布，其 中，该经确定的一次通量分布接着被总通量确定单元用作初始总通量分布， 同时应用六通量模型算法。这允许对总通量分布的确定以对所述总通量分 布的相对良好的第一近似开始，使得六通量模型算法可以非常快地确定总 通量分布。所确定的总通量分布最终由剂量分布确定单元用于确定总剂量 分布。所述装置因此允许针对计算机断层摄影检查的对X射线剂量分布的 非常快的确定。