核輻射劑量場(chǎng)實(shí)時(shí)成像測(cè)量系統(tǒng)的研究

一、引言

輻射劑量學(xué)是試圖探討射線(xiàn)能量的傳遞及生物組織對(duì)其能量的吸收，并用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定輻射量值.從早期使用X射線(xiàn)起，人們就開(kāi)始采用感光膠片進(jìn)行劑量測(cè)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(cè)定技術(shù).近年來(lái)，又研制出電離室探測(cè)器和微型半導(dǎo)體探測(cè)器.但從目前國(guó)內(nèi)外所采用的劑量測(cè)量方法和儀器來(lái)看，各有許多不足之處，如都不能進(jìn)行劑量場(chǎng)的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量;一些方法還需要另外的數(shù)據(jù)讀出設(shè)備，致使無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)獲取結(jié)果;大多也僅能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)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(wú)能夠比較好地適合用于劑量場(chǎng)的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng). 對(duì)于劑量場(chǎng)的測(cè)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(shí)時(shí)成像測(cè)量，目前在國(guó)內(nèi)外沿屬空白(未見(jiàn)報(bào)道).而對(duì)ts32-1.gif (83 bytes)刀、x刀、醫(yī)學(xué)射線(xiàn)加速器等這些對(duì)射線(xiàn)有一定匯聚要求的輻照源的射線(xiàn)匯聚束斑空間形狀的強(qiáng)度分布的實(shí)時(shí)成像測(cè)量，具有特別重要和迫切的實(shí)用價(jià)值.

二、基本原理

對(duì)各種核輻劑量射場(chǎng)的探測(cè)，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(cè)方法[1].該方法依據(jù)射線(xiàn)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(chǎng)上各點(diǎn)的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成與其成線(xiàn)性關(guān)系的閃爍光強(qiáng)度.借鑒計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的基本思想，設(shè)計(jì)出陣列式探測(cè)器.對(duì)探測(cè)平面各象素點(diǎn)上形成的閃爍光，分別沿軸線(xiàn)方向線(xiàn)積分后接收，采用特定的測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)劑量場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測(cè)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(duì)重建圖像的質(zhì)量與速度起著關(guān)鍵的作用.對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)處，我們提出了一種迭代濾波反投影法，可更好地實(shí)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(guò)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(gè)投影方向上計(jì)算重建圖像的投影，再同實(shí)測(cè)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(guò)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(guò)程.

另外，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要考慮利用非完全投影重建法來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理.假設(shè)在整個(gè)(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(duì)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(duì)一些點(diǎn)的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)齊，補(bǔ)齊缺少的數(shù)據(jù)一般必須滿(mǎn)足三個(gè)條件[1，4]：

(1)在數(shù)據(jù)缺少區(qū)域，根據(jù)已測(cè)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(cè)場(chǎng)的解析特性決定.

(2)對(duì)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(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分：前端探測(cè)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(jiàn)圖1.

圖1　系統(tǒng)總體框圖

1.前端探測(cè)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(xiàn)、γ射線(xiàn)及其它射線(xiàn)的輻照探測(cè).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(duì)帶電粒子比x射線(xiàn)和γ射線(xiàn)靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線(xiàn)或γ射線(xiàn)與其作用產(chǎn)生次級(jí)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(cè)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(duì)效應(yīng)都相對(duì)較弱[7].

根據(jù)γ刀及其它劑量場(chǎng)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(cè)量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測(cè)器.探測(cè)器設(shè)計(jì)為：由若干個(gè)一定長(zhǎng)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(jì)的陣列式閃爍探測(cè)器與光接收器CCD，通過(guò)光導(dǎo)光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測(cè)系統(tǒng).探測(cè)器在劑量場(chǎng)中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線(xiàn)積分后，再通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻電信號(hào).

由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測(cè)器，具有如下特點(diǎn)[8]

(1)較短的衰減時(shí)間(即無(wú)長(zhǎng)余輝)，約2～3ns.

(2)性能穩(wěn)定.探測(cè)器是有輻射損傷的，但經(jīng)實(shí)際測(cè)量在102GY輻照量以下探測(cè)器受到的損傷不甚明顯.

(3)光傳輸性能好.光衰減長(zhǎng)度可達(dá)500cm.

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等.

圖2　閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測(cè)器及其與光接收器連接

設(shè)計(jì)的前端探測(cè)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(guò)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(huì)致使相同的輸入，有不相同的輸出響應(yīng).同時(shí)，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(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中一般還須進(jìn)行坪場(chǎng)修正.所謂坪場(chǎng)修正，就是對(duì)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(chǎng)強(qiáng)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換特性.[!--empirenews.page--]

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(cè)劑量場(chǎng)強(qiáng)度分布的構(gòu)想.為此需要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)架以帶動(dòng)探測(cè)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(dòng)部件.因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)特點(diǎn)是定位精度高，無(wú)累積誤差，因此被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng).設(shè)計(jì)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(shí)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(jiàn)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(shí)際應(yīng)用中僅需對(duì)感興趣相對(duì)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(guò)對(duì)視頻同步信號(hào)的計(jì)數(shù)控制，產(chǎn)生A/D變換器的啟動(dòng)信號(hào)，采集相應(yīng)時(shí)刻的視頻數(shù)據(jù)信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理.系統(tǒng)的硬件主要分為視頻信號(hào)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(jiàn)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(duì)應(yīng)的一維視頻信號(hào)中該點(diǎn)的時(shí)刻.定點(diǎn)控制電路的原理框圖如圖5所示.

圖5　定點(diǎn)控制電路原理框圖

定點(diǎn)控制的硬件部分設(shè)計(jì)為一塊PC機(jī)的插件，其通過(guò)I/O總線(xiàn)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(kāi)始采集時(shí)，首先由主機(jī)給出控制信號(hào)，打開(kāi)視頻同步信號(hào)的控制門(mén)，由場(chǎng)同步信號(hào)對(duì)行脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器一)和列脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器二) 清零，并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器一，開(kāi)始計(jì)數(shù).在行脈沖主數(shù)達(dá)到比較器一的預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生一級(jí)控制信號(hào).一級(jí)控制信號(hào)對(duì)列脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器二)清零，隨后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器二.計(jì)數(shù)器二通過(guò)對(duì)10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計(jì)數(shù)，可以將每一行視頻信號(hào)劃分為520個(gè)圖像點(diǎn).當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到比較器二的預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生二級(jí)控制信號(hào).二級(jí)控制信號(hào)一方面啟動(dòng)ADC，另一方面產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算機(jī)中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時(shí)所采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū).同時(shí)，二級(jí)控制信號(hào)將計(jì)數(shù)器二清零.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用可編程邏輯芯片GAL來(lái)實(shí)現(xiàn)尋址，在中斷信號(hào)INT作用下，啟動(dòng)A/D變換器進(jìn)行運(yùn)行.通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀數(shù)控制，獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和予處理工作.這樣，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成文件，以供進(jìn)一步分析和處理.

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件整體程序結(jié)構(gòu)是接收操作者命令，完成機(jī)械掃描控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作.設(shè)計(jì)思想是將系統(tǒng)軟件分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，每個(gè)功能模塊構(gòu)成一個(gè)可執(zhí)行文件*.EXE.其宗旨將是編寫(xiě)小程序，然后采用堆積木的方式，以構(gòu)成大程序.而這對(duì)于一個(gè)大系統(tǒng)是必要的.系統(tǒng)軟件包括如下幾個(gè)部分：

(1)菜單管理部分，負(fù)責(zé)與用戶(hù)接口.

(2)采集部分，包括步進(jìn)電機(jī)控制測(cè)量點(diǎn)的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)采集、中斷服務(wù)等.

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，包括采集數(shù)據(jù)壞點(diǎn)的剔除和對(duì)投影數(shù)據(jù)的移動(dòng)平滑處理.

(4)圖像重建部分.濾波涵數(shù)及參數(shù)的選擇、重建方式的選擇，實(shí)現(xiàn)圖像重建過(guò)程.

(5)顯示部分，包括三維立體顯示，偽彩色，等高線(xiàn)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)重建圖像的特征顯示.