作者： Csilla Timar-Fulep
简介
X射线技术和光学技术是医学成像的两大支柱。X射线的主要优势在于其对深层组织的穿透能力，以及既可用于稳健的透射投影成像，也可用于计算机断层成像（Computed Tomography, CT）。千伏级（kV）X射线模态能够以较高分辨率对包括内部器官在内的全身各部位进行成像，而兆伏级（MV）X射线则能够将治疗能量精确递送到目标组织。为了研究其工作原理、服务研发并提升设备能力，人们对计算机仿真的需求正在持续增长。本文讨论如何在Zemax OpticStudio中，结合自定义人体模型和生物组织材料，开展X射线医学成像仿真。
基本概念
Zemax OpticStudio最常用于可见光、红外和紫外波段的光学建模；但只要几何光学近似依然成立，并且能够获得准确的材料数据，Zemax OpticStudio实际上也可以用于电磁频谱中任意波段的传播建模，包括X射线。对于X射线医学成像应用，采用光线追迹是合理的，因为对典型目标尺寸、样品尺寸以及几米量级的自由空间传播而言，衍射效应可以忽略。不过，鉴于X射线光源以及该波段材料性质具有明显特殊性，在仿真时仍需进行专门处理。
本文示例展示的是一种平面式千伏透射投影X射线系统，用于基础胸部放射成像。其工作方式是：由X射线管发出X射线穿过人体，不同组织会因密度和原子序数不同而对射线产生不同程度的衰减；透过人体后的X射线被探测器接收，从而形成一幅二维投影图像，反映每条光线路径上的累积衰减。为实现这一仿真，我们构建了一个更真实的X射线光源模型，以及一个基于文献数据的高精度人体模型和生物组织材料模型。
X射线光源
首先，为了准确模拟平面kV成像应用中的典型光源，我们使用自定义光谱文件（.spcd）来描述其宽带光谱分布。本文示例采用80 kVp光源，其光子光谱由钨靶中电子的能量与深度分布计算得到，同时也依据文献考虑了平面X射线成像中沿阴极—阳极方向的跟趾效应（heel effect）。
为简化模型，这里使用了双角光源（Source Two Angle）光源类型来近似X射线光源的空间分布和角度分布。该光源在一个矩形区域内具有均匀空间分布，X半宽和 Y半宽均设置为1 mm；其角度分布采用均匀角度，X半角和Y半角均设置为 5°。
自定义材料
在X射线医学成像应用中，全面定义不同材料的光学性质非常关键，这与这类成像模态的物理本质密切相关。在X射线波长范围内，不同于可见光波段，材料的折射率都非常接近1，因此基于透射的成像模态主要依赖材料体吸收（bulk absorption）/内部透过率（internal transmission）的差异。
在本例中，材料的光学性质——也就是随波长变化的折射率和体吸收系数——是依据文献中的原子散射因子计算得到的。某一给定波长下的复折射率由下式计算：
$$ n = 1 - \dfrac{r_0 \lambda^2 N_A \rho}{2 \pi M} \sum_{i} x_i f_i(0)$$
其中，r₀为经典电子半径，λ为波长，NA为阿伏伽德罗常数，ρ为材料密度，M为摩尔质量，xᵢ为原子浓度（即化学式中的系数），fᵢ(0)为前向散射方向上的复原子散射因子。
随后，可由折射率虚部推导出单位为 cm-¹ 的线吸收系数：
$$ \mu = 2 \Im(n) k$$
相应的自定义体材料通过Zemax表格玻璃（.ZTG）文件格式在Zemax OpticStudio中实现。这种格式允许基于数值采样数据对材料进行精确描述。Zemax表格玻璃文件本质上是一个文本表格，列出以微米为单位采样的波长，以及对应的折射率和内部透过率数据。关于Zemax表格玻璃文件的更多细节和语法，可参考知识库文章：
How to enter glass data at specific wavelengths
为了便于以项目为单位统一管理并调用这些专门的X射线ZTG材料文件，我们借助Zemax OpticStudio中的项目目录功能，将Zemax模型转换为镜头项目文件。关于如何利用项目目录功能按项目组织Zemax文件，可参考文章
Using Project Directories to organize OpticStudio files
人体模型设置
为了真实模拟受试者的X射线成像，我们在Zemax OpticStudio中构建了一个细化的人体模型，使其能够较真实地反映人体结构、器官几何以及相应生物组织的材料属性。由于本例展示的是胸部X射线成像，重点关注上半身，因此模型特别强调胸部及其周围重要器官的准确表示。尽管该模型基于公开数据构建，所代表的是平均成年男性受试者，但需要注意，真实人群中的个体差异可能非常显著。因此，针对特定受试群体，模型可能需要调整；如果针对某一人群或应用场景有更准确的数据，也可以据此进一步定制模型。
内部器官的结构模型
该男性受试者的结构模型基于Ansys Human Body Model。该模型包含一整套项目，提供描述人体几何形状与材料性质的数据。完整的Ansys Human Body Model可在Ansys App catalog中购买。
原始模型最初面向HFSS、Q3D或Maxwell等软件开发，在这些环境中，几何和材料属性都可以像普通几何体那样编辑，而且设置能够在不同设计之间迁移。完整模型集包含成年男性和女性的精细模型，并提供三个不同分辨率等级，最高几何精度可达到毫米级。原始模型由300多个身体部件组成，包括器官、肌肉和骨骼。其中每一个组织对象都是严格的二维流形三角网格（2-manifold triangular mesh），不存在非流形面、非流形顶点、孔洞或自相交。此外，任意组织网格的三角面片都不会与其他组织表面直接接触；也就是说，不同组织表面之间总会保留一条微小间隙，用来表示分隔不同组织的薄膜结构。这些薄膜在数值上被表征为平均体软组织，并由此保证与CAD格式的兼容性。同时，人体中也存在完全包裹在其他器官内部、但彼此既不接触也不相交的器官结构。
为了在Zemax OpticStudio中使用平均成年男性的Ansys Human Body Model，我们利用了Ansys软件之间的CAD数据交互能力。为简化本示例，文中的男性站立姿态模型按组织逐一导出为STEP文件，总共得到19个CAD对象。在Zemax OpticStudio中，这19个部件被直接导入为CAD Part: STEP/IGES/SAT对象。关于如何更高效地导入CAD对象，可参考知识库文章
Tips and tricks for successful CAD import
由于该人体模型中存在一些器官被完全包裹在其他器官内部，因此在Zemax OpticStudio中建模时，必须仔细遵守体对象的嵌套规则。根据嵌套规则，如果某条光线在空间中同一位置同时击中多个对象，那么非序列编辑器中最后列出的那个对象将决定该点体积区域的光学属性。这意味着，位于其他对象内部的内层器官，必须在非序列编辑器中排在更靠后的位置。
生物组织材料
虽然Ansys Human Body Model中包含了一些关于生物组织的材料信息，但由于其最初主要面向HFSS中的高频应用，因此其材料数据的有效范围是10 Hz到10 GHz，这显然无法覆盖可见光或X射线区域所需的光学性质。基于这一原因，我们结合不同文献资源，自行构建了X射线组织材料数据库。在本示例中，我们遵循通用方法，基于原子散射因子计算组织在X射线和可见光范围内的光学性质，包括折射率和体吸收。
为了获得更高精度，并尽可能让仿真结果与真实测量结果一致，针对生物组织建立的专用材料库，是依据 ICRU（International Commission on Radiation Units）、CIRS（Computerized Imaging Reference Systems）以及 NCATS（National Center for Advancing Translational Sciences）等组织在组织体模方面的资料，将各组织视作由若干元素组成的混合物来生成的。这意味着，对每个器官而言，其材料属性都是按照标准中给出的元素组成进行加权平均计算得到的。
所有组织材料属性都通过Python自动计算，并导出为ZTG文件格式。借助项目目录功能，这些自定义材料文件可以保存在项目文件夹下的GLASSCAT子文件夹中，因此能够在Zemax OpticStudio仿真中被非常方便地调用。
内部透过率vs波长分析工具可以详细展示不同生物组织的体吸收特性，而这正是透射式X射线成像模态的基础。文中示例展示了松质骨（蓝色）、皮质骨（绿色） 和 肌肉组织（红色）三种材料在10 mm厚度下的透过率随波长变化情况。
放射成像仿真
为了基于光线追迹来模拟透射投影式X射线医学成像，需要在Zemax OpticStudio中开启使用偏振，这样才能在传播过程中准确追踪生物组织内部的体吸收。此外，由于在X射线波段，不同组织边界处的菲涅尔反射因折射率变化极小而几乎可以忽略，因此在该模型中关闭了分裂光线。这意味着，每条被追迹的光线只有一个分支，但会包含多个线段：从光源出发，穿过人体，进入不同器官，最终到达探测器。完整的人体模型、生物组织以及其中的光传播路径，可在实体模型中看到。
透射投影成像
为了准确模拟胸部X射线成像，仿真采用了标准的1.8 m光源到探测器距离。在Zemax OpticStudio中，使用矩形探测器对象来模拟X射线探测器并获取透射投影图像。同时，仿真中还设置了另一个具有相同类型和参数的额外探测器，用于在受试者之前的位置查看并可视化光束参数。结果图展示了上半身X射线透射投影成像在对数尺度（左）和线性尺度（右）下的表现。正如预期，骨骼——例如肋骨和脊椎——由于在X射线波段内部透过率较低，因此在图像中表现得更亮；而软组织的内部透过率更高，所以显得更暗。肺部在模型中被视为充满空气，因此内部透过率最高，在图像中看起来最暗。这些结果与文献中的预期一致。
辐射剂量预估
为了进一步分析成像过程，设计中还加入了体探测器对象，用于测量人体内部的入射通量和吸收通量。为了满足体对象的嵌套规则，体探测器对象在非序列编辑器中被放置在表示人体的各个CAD部件之上。关于体探测器对象的进一步说明，以及如何借助脚本实现更强的可视化能力，可参考知识库文章
How to show Detector Volume data in 3-D
体探测器可以对体素内部的通量进行测量，基于这些数据，就可以估算不同器官所承受的辐射剂量。这意味着，光线追迹仿真不仅可用于预测受试者在检查过程中的剂量负荷，还可据此在兼顾放射收益与辐射风险的前提下，优化筛查频率。类似地，在放射治疗场景下，仿真与剂量估算对于设计病灶组织的理想照射剂量也至关重要。文中示例展示了胸部冠状切面中的吸收剂量分布，在对数尺度（左）和线性尺度（右）下进行显示。由于脊椎材料透过率低、吸收高，因此其吸收辐射剂量更大，在图中表现为更暗的区域；相反，肺部充满空气、透过率较高，因此这些区域的吸收通量更小，在图中显示为更亮的颜色。
总结
本文展示了如何在Zemax OpticStudio中利用光线追迹来模拟X射线医学成像。该模型基于一个真实感较强的人体结构，并结合了在可见光与X射线波段都较为准确的生物组织材料描述。这个示例设计展示了面向医疗健康应用的in-silico建模能力及其优势，可用于医学诊断（如癌症筛查与分期）以及放射治疗中的治疗规划和疗效监测。
引用
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