基于任务驱动的光子散射快速蒙特卡罗模拟研究

Currently, scatter artifact seriously limits the application of specific Cone-beam CT(CBCT). As the golden standard of the particle numerical algorithms, Monte Carlo based scatter correction is the most accurate calculation method. Because of sampling scattering points independently, the normal Monte-Carlo simulation packages, which even utilize many variance reduction and GPU speed techniques, perform low efficiency and cannot satisfy the requirement of the clinical application. So this project proposes task-driven of fast Monte Carlo simulation for photon scattering transport. The project transforms the simulation task into photon path mutation space and utilize Metropolis-Hasting sampling method for automatically realizing importance sampling of photon path. Five issues including the probability density function of photon path, mutation scheme of photon path space , accurate physics model of CBCT system, GPU speed platform system and data verification and analysis will be solved in this project. The proposed method will speed the research and application of scatter correction ,improve the quality of reconstructed image and deepen the clinical application of specific CBCT.

光子散射伪影严重限制了锥形束CT的临床应用。基于蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟的方法是计算粒子物理输运问题的金标准，也是目前最为精确的散射计算方法。但是，即使采用GPU的并行加速和多种减方差技术，当前MC模拟的效率仍不能满足临床应用需求。我们前期研究发现制约其模拟效率的瓶颈是基于散射点的独立抽样策略，该策略忽视了光子路径的重要性分布。本项目提出基于任务驱动的光子散射快速MC模拟方法，拟应用Metropolis-Hasting抽样，把模拟任务纳入到光子路径变异空间，自动实现光子路径的重要性抽样。研究内容包括光子路径的概率函数推导、路径变异空间设计、锥形束CT成像系统物理模型构建、五层程序架构GPU代码以及结果验证与分析，最终实现散射输出成分可控的快速MC模拟系统。该研究对提高锥形束CT的成像质量和深化其临床应用具有重大意义。

光子散射伪影严重限制了锥形束CT的临床应用。基于蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟的方法是计算粒子物理输运问题的金标准，也是目前最为精确的散射计算方法。但是,即使采用GPU的并行加速和多种减方差技术，当前MC模拟的效率仍不能满足临床应用需求。项目组研究发现制约其模拟效率的瓶颈是基于散射点的独立抽样策略，该策略忽视了光子路径的重要性分布。本项目提出基于任务驱动的光子散射快速MC模拟方法，应用Metropolis-Hasting抽样，把模拟任务纳入到光子路径变异空间，自动实现光子路径的重要性抽样。本研究具体研究了包括光子路径的概率函数推导、路径变异空间设计、锥形束CT成像系统物理模型构建、五层程序架构GPU代码等内容，最终实现散射输出成分可控的快速MC模拟系统。.依托本项目，项目组共发表SCI文章3篇，中文核心文章1篇，申请国家发明专利5篇，培养人才5名。基于本项目研究测试表明项目的研究结果能有效的提高光子散射模拟效率。与经典MC方法相比，散射信号平均相对差异基本小于3%的同时，模拟速度提高了20-48倍。在不利用去噪平滑算法时，实现了分钟级别的散射模拟。本课题实现的光子散射MC模拟方法和软件包，将推动散射模拟和校正的研究，提高CBCT成像质量进而深化CBCT系统在各个临床科室的应用能力。