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核輻射劑量場實時成像測量系統(tǒng)的研究
本文利用閃爍體的吸收發(fā)光特點，并結(jié)合計算機(jī)斷層掃描技術(shù)，提出了對核輻射劑量場分布進(jìn)行實時成像測量的新方法——陣列式吸收發(fā)光CT法，研制出閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測器及其伺服控系統(tǒng).采用高靈敏度的電荷耦合器件(CCD)拾取探測器產(chǎn)生的微弱閃爍光信號，并用定點采集的方法對視頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速采集.在圖像重建方法上，提出了迭代濾波反投影重建方法和利用非完全投影進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，對獲取的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和處理.通過選擇濾波函數(shù)及其適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)，獲得最佳濾波效果，以重建劑量場的二維場分布，從而建立了核輻照劑量場的實時、高精度的成像測量系統(tǒng).實驗及模擬實驗結(jié)果均很好地證實了，該測量方法的可行性和測量系統(tǒng)工作的可靠性.
關(guān)鍵詞:核輻射劑量場；閃爍體；斷層掃描；迭代濾波反投影；圖像重建
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
輻射劑量學(xué)是試圖探討射線能量的傳遞及生物組織對其能量的吸收，并用實驗的方法測定輻射量值.從早期使用X射線起，人們就開始采用感光膠片進(jìn)行劑量測定，以后發(fā)展了量熱劑量學(xué)、化學(xué)劑量學(xué)以及利用熱釋光現(xiàn)象的劑量測定技術(shù).近年來，又研制出電離室探測器和微型半導(dǎo)體探測器.但從目前國內(nèi)外所采用的劑量測量方法和儀器來看，各有許多不足之處，如都不能進(jìn)行劑量場的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實時測量；一些方法還需要另外的數(shù)據(jù)讀出設(shè)備，致使無法現(xiàn)場獲取結(jié)果；大多也僅能進(jìn)行點測量，且材料的一致性差；除感光膠片法外，其他空間分辨都較差.因此，現(xiàn)在尚無能夠比較好地適合用于劑量場的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實時測量系統(tǒng).對于劑量場的測量，包括束流的總強(qiáng)度及其橫截面上的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實時成像測量，目前在國內(nèi)外沿屬空白(未見報道).而對刀、x刀、醫(yī)學(xué)射線加速器等這些對射線有一定匯聚要求的輻照源的射線匯聚束斑空間形狀的強(qiáng)度分布的實時成像測量，具有特別重要和迫切的實用價值.
二、基本原理
對各種核輻劑量射場的探測，其原理跟它們與物質(zhì)的相互作用是密切相關(guān)的.我們所提出的陣列式吸收發(fā)光CT法是一種將閃爍體發(fā)光特性與圖像重建技術(shù)相結(jié)合的核探測方法［1］.該方法依據(jù)射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，及閃爍體自身的發(fā)光特點進(jìn)行能量變換，將劑量場上各點的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成與其成線性關(guān)系的閃爍光強(qiáng)度.借鑒計算機(jī)斷層掃描技術(shù)的基本思想，設(shè)計出陣列式探測器.對探測平面各象素點上形成的閃爍光，分別沿軸線方向線積分后接收，采用特定的測量方式，可獲得不同方向、不同位置的完備的投影數(shù)據(jù).最后利用圖像重建技術(shù)，可有效地實現(xiàn)對劑量場進(jìn)行實時成像測量.
圖像重建的主要方法一般有：直接反投影法、傅立葉變換重建法、卷積反投影重建法、代數(shù)迭代法等.目前所采用的各種重建方法，都還存在著一些不足的地方，而算法對重建圖像的質(zhì)量與速度起著關(guān)鍵的作用.對不同的目標(biāo)應(yīng)用不同的算法與之相適應(yīng).在卷積反投影算法中，選擇不同的卷積函數(shù)，對重建圖像的質(zhì)量影響是很大的，需根據(jù)不同的情況，作相應(yīng)的調(diào)整［2］.本文對卷積反投影重建法進(jìn)行延伸，使其不僅能在空間域進(jìn)行卷積處理，而且能方便地選擇適當(dāng)?shù)臑V波函數(shù)和參數(shù)在頻域進(jìn)行頻譜修正，達(dá)到最佳的處理效果，從而使重建精度和空間分辨率都得到進(jìn)一步的提高.綜合卷積反投影法和代數(shù)迭代法的長處，我們提出了一種迭代濾波反投影法，可更好地實現(xiàn)圖像重建［1，3］.迭代濾波反投影重建法是一種迭代優(yōu)化的過程：在每次迭代運算中，首先根據(jù)上次的重建結(jié)果，依次在每個投影方向上計算重建圖像的投影，再同實測的投影數(shù)據(jù)相比較，將差值再濾波反投影在圖像上，以修正重建結(jié)果，即完成一次迭代運算，并將該次的運算結(jié)果作為下一次迭代的初值.重復(fù)上述過程，直到投影誤差總和小于給定的閾值或設(shè)定的迭代數(shù)，從而結(jié)束重建過程.
另外，在實際應(yīng)用中可根據(jù)需要考慮利用非完全投影重建法來進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理.假設(shè)在整個(s,θ)平面上，投影函數(shù)P(s,θ)是解析的，即使有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，可根據(jù)其解析特性，將所需要的數(shù)據(jù)有效地估算出.由于閃爍光纖直徑的限制，影響了空間分辨率的進(jìn)一步提高.采樣的投影數(shù)據(jù)對于s變量是離散的，但也應(yīng)注意到投影數(shù)據(jù)是投影方向上各點數(shù)值的積分，其隱含著該方向上各點數(shù)據(jù)的連續(xù)性.故采用非完全投影重建法對一些點的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行估計和補(bǔ)齊，補(bǔ)齊缺少的數(shù)據(jù)一般必須滿足三個條件［1，4］：
(1)在數(shù)據(jù)缺少區(qū)域，根據(jù)已測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，使欲補(bǔ)齊的數(shù)據(jù)與其保持連續(xù)、光滑，由被測場的解析特性決定.
(2)對于各方向的投影數(shù)據(jù)，保持其積分的相等.
(3)保持所有投影積分的相等性，這是雷當(dāng)變換所要求的.
三、系統(tǒng)構(gòu)成
整個系統(tǒng)分為四個部分：前端探測系統(tǒng)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)、定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及圖像重建系統(tǒng)，見圖1.
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圖1 系統(tǒng)總體框圖 1.前端探測系統(tǒng) |
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圖2 閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測器及其與光接收器連接 設(shè)計的前端探測系統(tǒng)是由多根閃爍光纖構(gòu)成的，其產(chǎn)生的閃爍光通過光導(dǎo)光纖耦合至CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取.因此，由于各根光纖性能的不一致，端面處理及反光特性的差異，傳輸效率和光耦合效率的不同，以及可能受到的損傷而引起性能的改變等等，必將會致使相同的輸入，有不相同的輸出響應(yīng).同時，還有光學(xué)成像系統(tǒng)的光損失及CCD光敏元的不均勻性等.為此，構(gòu)造的陣列式前端探測器在實際應(yīng)用中一般還須進(jìn)行坪場修正.所謂坪場修正，就是對敏根光纖在CCD上獲取的輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)乘以一修正因子，使它們各自的綜合性能保持一致，即具有相同的場強(qiáng)與電信號的轉(zhuǎn)換特性. |
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圖3 步進(jìn)電機(jī)控制電路的原理框圖 3.定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) |
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圖4 定點采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 定點控制是根據(jù)監(jiān)視器屏幕二維空間上某點的位置，確定與其相對應(yīng)的一維視頻信號中該點的時刻.定點控制電路的原理框圖如圖5所示. |
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圖5 定點控制電路原理框圖 定點控制的硬件部分設(shè)計為一塊PC機(jī)的插件，其通過I/O總線與微機(jī)相連，采用并行方式交換數(shù)據(jù)和信息.系統(tǒng)在開始采集時，首先由主機(jī)給出控制信號，打開視頻同步信號的控制門，由場同步信號對行脈沖計數(shù)器(計數(shù)器一)和列脈沖計數(shù)器(計數(shù)器二)清零，并同時啟動計數(shù)器一，開始計數(shù).在行脈沖主數(shù)達(dá)到比較器一的預(yù)置值時，產(chǎn)生一級控制信號.一級控制信號對列脈沖計數(shù)器(計數(shù)器二)清零，隨后啟動計數(shù)器二.計數(shù)器二通過對10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計數(shù)，可以將每一行視頻信號劃分為520個圖像點.當(dāng)計數(shù)器達(dá)到比較器二的預(yù)置值時，產(chǎn)生二級控制信號.二級控制信號一方面啟動ADC，另一方面產(chǎn)生一個計算機(jī)中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時所采集的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū).同時，二級控制信號將計數(shù)器二清零. 四、實驗結(jié)果與誤差分析 |
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圖6 模擬劑量場時所用的鉛磚 圖7和圖8為將一號鉛磚置于劑量場中，探測器對其模擬的場強(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，重建的三維圖形.其中：圖7為對測量的投影數(shù)據(jù)未經(jīng)坪場修正，圖10則為經(jīng)過坪場修正后的處理結(jié)果.圖9為將三號鉛磚置于一號鉛磚之上，對所測量的數(shù)據(jù)(經(jīng)過坪場修正)，進(jìn)行重建后該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.圖10為將二號鉛磚置于劑量場中，探測器在其下面進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并對測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過坪場修正后，重建該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.圖11和圖12為將三號鉛磚置于二號鉛磚之上，探測器對構(gòu)造的劑量場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，所重建該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場修正，圖12則經(jīng)過坪場修正. |
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圖7 劑量場重建圖像一 |
圖8 劑量場重建圖像二 |
圖9 劑量場重建圖像三 |
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圖10 劑量場重建圖像四 |
圖11 劑量場重建圖像五 |
圖12 劑量場重建圖像六 |
| 影響測量系統(tǒng)精度的主要因素有：前端探測系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；不同濾波函數(shù)對重建圖像質(zhì)量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對重建精度的影響；數(shù)據(jù)采樣速率所產(chǎn)生的影響；探測器旋轉(zhuǎn)中心偏移產(chǎn)生的影響. 對于本文所設(shè)計的陣列式閃爍光纖探測器(有效探測區(qū)域100mm×100mm)，將其放置所構(gòu)造的劑量場中進(jìn)行實時成像測量，根據(jù)理論推導(dǎo)和實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可估算可能導(dǎo)致的各種誤差［9］，以綜合評估系統(tǒng)的性能.若輸入的投影數(shù)據(jù)，其相對誤差不超過±3%，則模擬實驗和計算表明，重建誤差可控制在3%左右.對于直徑為1mm的光纖，獲取的投影數(shù)據(jù)平均相對誤差經(jīng)折算約為0.5%，重建平均相對誤差約為0.4%.投影方向數(shù)一般小于7個時，則完全不能重建.當(dāng)方向數(shù)增加，則重建圖像誤差逐漸減小.采樣頻率的選取同樣應(yīng)滿足Niquist定理，否則，會影響圖像重建精度及空間分辨.對于一般的劑量場分布，若不考慮各種其他因素的影響，當(dāng)投影方向數(shù)為60，采樣間隔等于1mm時，圖像重建精度是非常高的.通過模擬運算，其重建場平均相對誤差非常小，約百分之零點幾.中心偏移對重建圖像質(zhì)量的影響十分大.在制作陣列式閃爍光纖探測器時，一定要切實注意精確地確定其旋轉(zhuǎn)中心位置，否則，會產(chǎn)生很大誤差，甚至導(dǎo)致變形.若中心偏差控制在不超過0.1個象素點，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以內(nèi). 綜合各種因素，本系統(tǒng)的成像測量的總體平均相對誤差可控制在5%以內(nèi)，空間分辨率不低于1mm. 國家自然科學(xué)基金資助項目 |
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