核辐射剂量场散布进行实时成像丈量的新方法―阵列式吸收发光CT法

本文运用闪耀体的吸收发光特色，并结合核算机断层扫描技能，提出了对核辐射剂量场散布进行实时成像丈量的新办法——阵列式吸收发光CT法，研发出闪耀光纤阵列构成的核勘探器及其伺服控体系.选用高活络度的电荷耦合器件(CCD)拾取勘探器发生的弱小闪耀光信号，并用定点收集的办法对视频信号进行数据的快速收集.在图画重建办法上，提出了迭代滤波反投影重建办法和运用非彻底投影进行数据批改，对获取的投影数据进行改换和处理.经过挑选滤波函数及其恰当的参数，取得最佳滤波效果，以重建剂量场的二维场散布，然后建立了核辐照剂量场的实时、高精度的成像丈量体系.试验及模仿试验成果均很好地证明了，该丈量办法的可行性和丈量体系作业的可靠性.
　　要害词:核辐射剂量场；闪耀体；断层扫描；迭代滤波反投影；图画重建

The Study on Real-Time Radiography System in Dose Field

SHENG Jin-hua
(China Academy of Telecommunications Technology,Beijing 100083,China)
YIN Ze-jie
(Department of Modern Physics,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

　　Abstract:By the comprehensive analysis of existing mcasuring methods,a new method is proposed in the paper to measure the nuclear radiation dose field with array absorption-emission computed tomography.The detector based on scintillation optical fiber array and its servo-control system are designed.The weak optical signal is measured by Charge Coupled Devices (CCD) and the formed visual signal is quickly sampled with the method of testing fixed signed points.The reconstruction method of iterative filter back projection and the data renovation based on noncomplete projection are proposed to reconstruct dose field much more accurately.The filter function is also an important factor in the image reconstruction.The Butterworth filter function is chosen.By adjusting its parameters,we have obtained optimum result.Finally,all the experimentation show that the methods proposed in paper are proper and whole measuring system is advanced and feasible.
　　Key words:nuclear radiation dose field;scintillation;computed tomography;iterative filter back projection;image reconstruction

一、引　　言
　　辐射剂量学是企图讨论射线能量的传递及生物安排对其能量的吸收，并用试验的办法测定辐射量值.从前期运用X射线起，人们就开端选用感光胶片进行剂量测定，今后开展了量热剂量学、化学剂量学以及运用热释光现象的剂量测定技能.近年来，又研发出电离室勘探器和微型半导体勘探器.但从现在国内外所选用的剂量丈量办法和仪器来看，各有许多缺乏之处，如都不能进行剂量场的强度散布及形状的实时丈量；一些办法还需求别的的数据读出设备，致使无法现场获取成果；大多也仅能进行点丈量，且资料的一致性差；除感光胶片法外，其他空间分辩都较差.因而，现在尚无能够比较好地合适用于剂量场的强度散布及形状的实时丈量体系.关于剂量场的丈量，包含束流的总强度及其横截面上的强度散布及形状的实时成像丈量，现在在国内外沿属空白(未见报导).而对刀、x刀、医学射线加速器等这些对射线有必定会聚要求的辐照源的射线会聚束斑空间形状的强度散布的实时成像丈量，具有特别重要和火急的实用价值.

二、基本原理
　　对各种核辐剂量射场的勘探，其原理跟它们与物质的相互效果是密切相关的.咱们所提出的阵列式吸收发光CT法是一种将闪耀体发光特性与图画重建技能相结合的核勘探办法［1］.该办法依据射线与物质相互效果的机制，及闪耀体本身的发光特色进行能量改换，将剂量场上各点的强度转化成与其成线性关系的闪耀光强度.学习核算机断层扫描技能的基本思维，规划出阵列式勘探器.对勘探平面各象素点上构成的闪耀光，别离沿轴线方向线积分后接纳，选用特定的丈量办法，可取得不同方向、不同方位的齐备的投影数据.最终运用图画重建技能，可有用地完结对剂量场进行实时成像丈量.
　　图画重建的首要办法一般有：直接反投影法、傅立叶改换重建法、卷积反投影重建法、代数迭代法等.现在所选用的各种重建办法，都还存在着一些缺乏的当地，而算法对重建图画的质量与速度起着要害的效果.对不同的方针运用不同的算法与之相习惯.在卷积反投影算法中，挑选不同的卷积函数，对重建图画的质量影响是很大的，需依据不同的状况，作相应的调整［2］.本文对卷积反投影重建法进行延伸，使其不只能在空间域进行卷积处理，并且能方便地挑选恰当的滤波函数和参数在频域进行频谱批改，到达最佳的处理效果，然后使重建精度和空间分辩率都得到进一步的进步.归纳卷积反投影法和代数迭代法的利益，咱们提出了一种迭代滤波反投影法，可更好地完结图画重建［1，3］.迭代滤波反投影重建法是一种迭代优化的进程：在每次迭代运算中，首要依据前次的重建成果，顺次在每个投影方向上核算重建图画的投影，再同实测的投影数据比较较，将差值再滤波反投影在图画上，以批改重建成果，即完结一次迭代运算，并将该次的运算成果作为下一次迭代的初值.重复上述进程，直到投影差错总和小于给定的阈值或设定的迭代数，然后完毕重建进程.
　　别的，在实践运用中可依据需求考虑运用非彻底投影重建法来进行恰当的数据处理.假设在整个(s,θ)平面上，投影函数P(s,θ)是解析的，即便有部分数据丢掉，可依据其解析特性，将所需求的数据有用地预算出.因为闪耀光纤直径的约束，影响了空间分辩率的进一步进步.采样的投影数据关于s变量是离散的，但也应留意到投影数据是投影方向上各点数值的积分，其隐含着该方向上各点数据的接连性.故选用非彻底投影重建法对一些点的投影数据进行估量和补齐，补齐短少的数据一般有必要满意三个条件［1，4］：
　　(1)在数据短少区域，依据已测数据的改动规则，使欲补齐的数据与其坚持接连、润滑，由被测场的解析特性决议.
　　(2)关于各方向的投影数据，坚持其积分的持平.
　　(3)坚持一切投影积分的持平性，这是雷当改换所要求的.

三、体系构成
　　整个体系分为四个部分：前端勘探体系、机械旋转扫描体系、定点数据收集体系、数据处理及图画重建体系，见图1.

　规划的前端勘探体系是由多根闪耀光纤构成的，其发生的闪耀光经过光导光纤耦合至CCD进行数据读取.因而，因为各根光纤功用的不一致，端面处理及反光特性的差异，传输功率和光耦合功率的不同，以及或许遭到的损害而引起功用的改动等等，必将会致使相同的输入，有不相同的输出呼应.一起，还有光学成像体系的光丢失及CCD光敏元的不均匀性等.为此，结构的阵列式前端勘探器在实践运用中一般还须进行坪场批改.所谓坪场批改，便是对敏根光纤在CCD上获取的输出呼应数据乘以一批改因子，使它们各自的归纳功用坚持一致，即具有相同的场强与电信号的转化特性.
　　2.机械旋转扫描体系
　　咱们提出的用阵列式吸收发光CT法勘探剂量场强度散布的设想.为此需求规划运动机架以带动勘探器在180°范围内进行等视点旋转扫描.依据机械体系的要求，可挑选步进电机作为驱动部件.因为步进电机特色是定位精度高，无累积差错，因而被广泛运用于开环数控体系.规划的步进电机操控电路选用集成模块结构，与微机直接相联，能一起操控两组步进电机，其功用强、呼应速度快，可靠性高.原理框图见图3.

图3　步进电机操控电路的原理框图

　　3.定点数据收集体系
　　因在实践运用中仅需对感兴趣相对应传送投影数据的数量较少的均匀光斑进行收集，故可学习一般静态图画慢速数据收集体系所选用的办法，提出了定点数据收集办法.定点收集体系经过对视频同步信号的计数操控，发生A/D改换器的发动信号，收集相应时刻的视频数据信号后送入核算机进行处理.体系的硬件首要分为视频信号定点操控和数据改换收集两大部分，其结构框图见图4.

图4　定点收集体系结构框图

　　定点操控是依据监视器屏幕二维空间上某点的方位，确认与其相对应的一维视频信号中该点的时刻.定点操控电路的原理框图如图5所示.

影响丈量体系精度的首要要素有：前端勘探体系的随机差错；不同滤波函数对重建图画质量的影响；闪耀光纤芯直径巨细对重建精度的影响；数据采样速率所发生的影响；勘探器旋转中心偏移发生的影响.
　　关于本文所规划的阵列式闪耀光纤勘探器(有用勘探区域100mm×100mm)，将其放置所结构的剂量场中进行实时成像丈量，依据理论推导和试验成果的数据剖析，可预算或许导致的各种差错［9］，以归纳评价体系的功用.若输入的投影数据，其相对差错不超越±3%，则模仿试验和核算标明，重建差错可操控在3%左右.关于直径为1mm的光纤，获取的投影数据均匀相对差错经折算约为0.5%，重建均匀相对差错约为0.4%.投影方向数一般小于7个时，则彻底不能重建.当方向数添加，则重建图画差错逐步减小.采样频率的选取相同应满意Niquist定理，不然，会影响图画重建精度及空间分辩.关于一般的剂量场散布，若不考虑各种其他要素的影响，当投影方向数为60，采样距离等于1mm时，图画重建精度是非常高的.经过模仿运算，其重建场均匀相对差错非常小，约百分之零点几.中心偏移对重建图画质量的影响非常大.在制造阵列式闪耀光纤勘探器时，必定要实在留意精确地确认其旋转中心方位，不然，会发生很大差错，乃至导致变形.若中心差错操控在不超越0.1个象素点，则发生的重建差错可操控在2.0%以内.
　　归纳各种要素，本体系的成像丈量的整体均匀相对差错可操控在5%以内，空间分辩率不低于1mm.

图1　体系整体框图

　　1.前端勘探体系
　　由纤芯是闪耀资料构成的光纤能习惯E＞5kev的X射线、γ射线及其它射线的辐照勘探.但直到现在，取得的首要研究成果是触及在高能粒子物理中的运用［5，6］.闪耀光纤对带电粒子比x射线和γ射线活络，这是因为光纤纤芯的直径较x射线或γ射线与其效果发生次级电子的有用射程比较太小，一般仅很少部分能量沉积在光纤纤芯中，以发生闪耀光.而在所触及丈量的能量范围内，首要效果机制是康普顿效应，这是因为构成光纤的资料是低Z所决议的，因而光电效应和电子对效应都相对较弱［7］.
　　依据γ刀及其它剂量场和其与闪耀体相互效果的特色，咱们提出了阵列式吸收发光CT丈量办法，并据此结构前端勘探器.勘探器规划为：由若干个必定长度的特种闪耀光纤水平严密放置构成一平面光纤阵列，其一端端面掩盖反射层，以进步其输出光呼应，另一端可耦合至光接纳器(CCD).所规划的阵列式闪耀勘探器与光接纳器CCD，经过光导光纤连一成体，并将其加固，构成前端勘探体系.勘探器在剂量场中，将所吸收的辐射能转化成光能，经线积分后，再经过光导光纤引出.并在光接纳器的光敏区构成了按必定距离摆放的光束，然后将剂量场强度信号转化成视频电信号.
　　由塑料闪耀光纤阵列构成的勘探器，具有如下特色［8］
　　(1)较短的衰减时刻(即无长余辉)，约2～3ns.
　　(2)功用安稳.勘探器是有辐射损害的，但经实践丈量在102GY辐照量以下勘探器遭到的损害不甚显着.
　　(3)光传输功用好.光衰减长度可达500cm.
　　(4)结构简略、运用寿命长等.