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

本文利用閃爍體的吸收發(fā)光特點(diǎn)，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(diǎn)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)膮?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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行能量變換，將劑量場上各點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)算，并將該次的運(yùn)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(diǎn)數(shù)值的積分，其隱含著該方向上各點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性.故采用非完全投影重建法對一些點(diǎn)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(diǎn)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.

　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.
　　2.機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)
　　我們提出的用陣列式吸收發(fā)光CT法探測劑量場強(qiáng)度分布的構(gòu)想.為此需要設(shè)計運(yùn)動機(jī)架以帶動探測器在180°范圍內(nèi)進(jìn)行等角度旋轉(zhuǎn)掃描.根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的要求，可選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動部件.因為步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)是定位精度高，無累積誤差，因此被廣泛應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng).設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制電路采用集成模塊結(jié)構(gòu)，與微機(jī)直接相聯(lián)，能同時控制兩組步進(jìn)電機(jī)，其功能強(qiáng)、響應(yīng)速度快，可靠性高.原理框圖見圖3.

圖3　步進(jìn)電機(jī)控制電路的原理框圖

　　3.定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
　　因在實際應(yīng)用中僅需對感興趣相對應(yīng)傳送投影數(shù)據(jù)的數(shù)量較少的均勻光斑進(jìn)行采集，故可借鑒通常靜態(tài)圖像慢速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的方法，提出了定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方法.定點(diǎn)采集系統(tǒng)通過對視頻同步信號的計數(shù)控制，產(chǎn)生A/D變換器的啟動信號，采集相應(yīng)時刻的視頻數(shù)據(jù)信號后送入計算機(jī)進(jìn)行處理.系統(tǒng)的硬件主要分為視頻信號定點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)變換采集兩大部分，其結(jié)構(gòu)框圖見圖4.

圖4　定點(diǎn)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　定點(diǎn)控制是根據(jù)監(jiān)視器屏幕二維空間上某點(diǎn)的位置，確定與其相對應(yīng)的一維視頻信號中該點(diǎn)的時刻.定點(diǎn)控制電路的原理框圖如圖5所示.

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(yùn)算，其重建場平均相對誤差非常小，約百分之零點(diǎn)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(diǎn)，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.

圖1　系統(tǒng)總體框圖

　　1.前端探測系統(tǒng)
　　由纖芯是閃爍材料構(gòu)成的光纖能適應(yīng)E＞5kev的X射線、γ射線及其它射線的輻照探測.但直到現(xiàn)在，獲得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的應(yīng)用［5，6］.閃爍光纖對帶電粒子比x射線和γ射線靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線或γ射線與其作用產(chǎn)生次級電子的有效射程相比太小，一般僅很少部分能量沉積在光纖纖芯中，以產(chǎn)生閃爍光.而在所涉及測量的能量范圍內(nèi)，主要作用機(jī)制是康普頓效應(yīng)，這是由于構(gòu)成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)都相對較弱［7］.
　　根據(jù)γ刀及其它劑量場和其與閃爍體相互作用的特點(diǎn)，我們提出了陣列式吸收發(fā)光CT測量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測器.探測器設(shè)計為：由若干個一定長度的特種閃爍光纖水平緊密放置構(gòu)成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應(yīng)，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設(shè)計的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過光導(dǎo)光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測系統(tǒng).探測器在劑量場中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線積分后，再通過光導(dǎo)光纖引出.并在光接收器的光敏區(qū)形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換成視頻電信號.
　　由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測器，具有如下特點(diǎn)［8］
　　(1)較短的衰減時間(即無長余輝)，約2～3ns.
　　(2)性能穩(wěn)定.探測器是有輻射損傷的，但經(jīng)實際測量在102GY輻照量以下探測器受到的損傷不甚明顯.
　　(3)光傳輸性能好.光衰減長度可達(dá)500cm.
　　(4)結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等.