核輻射劑量場(chǎng)分布進(jìn)行實(shí)時(shí)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)，并結合計算機斷層掃描技術(shù)，提出了對核輻射劑量場(chǎng)分布進(jìn)行實(shí)時(shí)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成的核探測器及其伺服控系統.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)行數據的快速采集.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)行數據修復，對獲取的投影數據進(jìn)行變換和處理.通過(guò)選擇濾波函數及其適當的參數，獲得最佳濾波效果，以重建劑量場(chǎng)的二維場(chǎng)分布，從而建立了核輻照劑量場(chǎng)的實(shí)時(shí)、高精度的成像測量系統.實(shí)驗及模擬實(shí)驗結果均很好地證實(shí)了，該測量方法的可行性和測量系統工作的可靠性.
　　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(xiàn)能量的傳遞及生物組織對其能量的吸收，并用實(shí)驗的方法測定輻射量值.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)以及利用熱釋光現象的劑量測定技術(shù).近年來(lái)，又研制出電離室探測器和微型半導體探測器.但從目前國內外所采用的劑量測量方法和儀器來(lái)看，各有許多不足之處，如都不能進(jìn)行劑量場(chǎng)的強度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測量；一些方法還需要另外的數據讀出設備，致使無(wú)法現場(chǎng)獲取結果；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，現在尚無(wú)能夠比較好地適合用于劑量場(chǎng)的強度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測量系統.對于劑量場(chǎng)的測量，包括束流的總強度及其橫截面上的強度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)成像測量，目前在國內外沿屬空白(未見(jiàn)報道).而對刀、x刀、醫學(xué)射線(xiàn)加速器等這些對射線(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度分布的實(shí)時(shí)成像測量，具有特別重要和迫切的實(shí)用價(jià)值.

二、基本原理
　　對各種核輻劑量射場(chǎng)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)相結合的核探測方法［1］.該方法依據射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的機制，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)的強度轉換成與其成線(xiàn)性關(guān)系的閃爍光強度.借鑒計算機斷層掃描技術(shù)的基本思想，設計出陣列式探測器.對探測平面各象素點(diǎn)上形成的閃爍光，分別沿軸線(xiàn)方向線(xiàn)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據.最后利用圖像重建技術(shù)，可有效地實(shí)現對劑量場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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、代數迭代法等.目前所采用的各種重建方法，都還存在著(zhù)一些不足的地方，而算法對重建圖像的質(zhì)量與速度起著(zhù)關(guān)鍵的作用.對不同的目標應用不同的算法與之相適應.在卷積反投影算法中，選擇不同的卷積函數，對重建圖像的質(zhì)量影響是很大的，需根據不同的情況，作相應的調整［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的濾波函數和參數在頻域進(jìn)行頻譜修正，達到最佳的處理效果，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迭代法的長(cháng)處，我們提出了一種迭代濾波反投影法，可更好地實(shí)現圖像重建［1，3］.迭代濾波反投影重建法是一種迭代優(yōu)化的過(guò)程：在每次迭代運算中，首先根據上次的重建結果，依次在每個(gè)投影方向上計算重建圖像的投影，再同實(shí)測的投影數據相比較，將差值再濾波反投影在圖像上，以修正重建結果，即完成一次迭代運算，并將該次的運算結果作為下一次迭代的初值.重復上述過(guò)程，直到投影誤差總和小于給定的閾值或設定的迭代數，從而結束重建過(guò)程.
　　另外，在實(shí)際應用中可根據需要考慮利用非完全投影重建法來(lái)進(jìn)行適當的數據處理.假設在整個(gè)(s,θ)平面上，投影函數P(s,θ)是解析的，即使有部分數據丟失，可根據其解析特性，將所需要的數據有效地估算出.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.采樣的投影數據對于s變量是離散的，但也應注意到投影數據是投影方向上各點(diǎn)數值的積分，其隱含著(zhù)該方向上各點(diǎn)數據的連續性.故采用非完全投影重建法對一些點(diǎn)的投影數據進(jìn)行估計和補齊，補齊缺少的數據一般必須滿(mǎn)足三個(gè)條件［1，4］：
　　(1)在數據缺少區域，根據已測數據的變化規律，使欲補齊的數據與其保持連續、光滑，由被測場(chǎng)的解析特性決定.
　　(2)對于各方向的投影數據，保持其積分的相等.
　　(3)保持所有投影積分的相等性，這是雷當變換所要求的.

三、系統構成
　　整個(gè)系統分為四個(gè)部分：前端探測系統、機械旋轉掃描系統、定點(diǎn)數據采集系統、數據處理及圖像重建系統，見(jiàn)圖1.

圖2　閃爍光纖陣列構成的核探測器

設計的前端探測系統是由多根閃爍光纖構成的，其產(chǎn)生的閃爍光通過(guò)光導光纖耦合至CCD進(jìn)行數據讀取.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.同時(shí)，還有光學(xué)成像系統的光損失及CCD光敏元的不均勻性等.為此，構造的陣列式前端探測器在實(shí)際應用中一般還須進(jìn)行坪場(chǎng)修正.所謂坪場(chǎng)修正，就是對敏根光纖在CCD上獲取的輸出響應數據乘以一修正因子，使它們各自的綜合性能保持一致，即具有相同的場(chǎng)強與電信號的轉換特性.
　　2.機械旋轉掃描系統
　　我們提出的用陣列式吸收發(fā)光CT法探測劑量場(chǎng)強度分布的構想.為此需要設計運動(dòng)機架以帶動(dòng)探測器在180°范圍內進(jìn)行等角度旋轉掃描.根據機械系統的要求，可選擇步進(jìn)電機作為驅動(dòng)部件.因為步進(jìn)電機特點(diǎn)是定位精度高，無(wú)累積誤差，因此被廣泛應用于開(kāi)環(huán)數控系統.設計的步進(jìn)電機控制電路采用集成模塊結構，與微機直接相聯(lián)，能同時(shí)控制兩組步進(jìn)電機，其功能強、響應速度快，可靠性高.原理框圖見(jiàn)圖3.

圖3　步進(jìn)電機控制電路的原理框圖

　　3.定點(diǎn)數據采集系統
　　因在實(shí)際應用中僅需對感興趣相對應傳送投影數據的數量較少的均勻光斑進(jìn)行采集，故可借鑒通常靜態(tài)圖像慢速數據采集系統所采用的方法，提出了定點(diǎn)數據采集方法.定點(diǎn)采集系統通過(guò)對視頻同步信號的計數控制，產(chǎn)生A/D變換器的啟動(dòng)信號，采集相應時(shí)刻的視頻數據信號后送入計算機進(jìn)行處理.系統的硬件主要分為視頻信號定點(diǎn)控制和數據變換采集兩大部分，其結構框圖見(jiàn)圖4.

圖4　定點(diǎn)采集系統結構框圖

　　定點(diǎn)控制是根據監視器屏幕二維空間上某點(diǎn)的位置，確定與其相對應的一維視頻信號中該點(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)控制的硬件部分設計為一塊PC機的插件，其通過(guò)I/O總線(xiàn)與微機相連，采用并行方式交換數據和信息.系統在開(kāi)始采集時(shí)，首先由主機給出控制信號，打開(kāi)視頻同步信號的控制門(mén)，由場(chǎng)同步信號對行脈沖計數器(計數器一)和列脈沖計數器(計數器二)清零，并同時(shí)啟動(dòng)計數器一，開(kāi)始計數.在行脈沖主數達到比較器一的預置值時(shí)，產(chǎn)生一級控制信號.一級控制信號對列脈沖計數器(計數器二)清零，隨后啟動(dòng)計數器二.計數器二通過(guò)對10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計數，可以將每一行視頻信號劃分為520個(gè)圖像點(diǎn).當計數器達到比較器二的預置值時(shí)，產(chǎn)生二級控制信號.二級控制信號一方面啟動(dòng)ADC，另一方面產(chǎn)生一個(gè)計算機中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時(shí)所采集的數據寫(xiě)入緩沖區.同時(shí)，二級控制信號將計數器二清零.
　　數據采集系統用可編程邏輯芯片GAL來(lái)實(shí)現尋址，在中斷信號INT作用下，啟動(dòng)A/D變換器進(jìn)行運行.通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀數控制，獲得數據，并進(jìn)行存儲和予處理工作.這樣，將實(shí)驗數據整理成文件，以供進(jìn)一步分析和處理.
　　4.系統軟件設計
　　系統軟件整體程序結構是接收操作者命令，完成機械掃描控制，數據采集，數據處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作.設計思想是將系統軟件分成幾個(gè)相對獨立的功能模塊，每個(gè)功能模塊構成一個(gè)可執行文件*.EXE.其宗旨將是編寫(xiě)小程序，然后采用堆積木的方式，以構成大程序.而這對于一個(gè)大系統是必要的.系統軟件包括如下幾個(gè)部分：
　　(1)菜單管理部分，負責與用戶(hù)接口.
　　(2)采集部分，包括步進(jìn)電機控制測量點(diǎn)的確定、參數的選擇、數據采集、中斷服務(wù)等.
　　(3)數據預處理部分，包括采集數據壞點(diǎn)的剔除和對投影數據的移動(dòng)平滑處理.
　　(4)圖像重建部分.濾波涵數及參數的選擇、重建方式的選擇，實(shí)現圖像重建過(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)現對重建圖像的特征顯示.
四、實(shí)驗結果與誤差分析
　　本實(shí)驗利用活度為5，000居里的60Co放射源，將由一定厚度和形狀的鉛磚(見(jiàn)圖6，其中左邊(一號)為一中心是三角型空心鉛磚，其邊上有幾個(gè)小孔；中間(二號)為一中心是花瓣型的空心鉛磚；右邊(三號)一斜坡鉛塊)置于劑量場(chǎng)中，根據不同位置對射線(xiàn)吸收的差異，以構造具有某種場(chǎng)分布的劑量場(chǎng).再用研制的陣列式閃爍光纖探測器對所構造的劑量場(chǎng)進(jìn)行數據測量，并進(jìn)行相應的各種數據處理，以重建該劑量場(chǎng)的強度分布.實(shí)驗的處理結果如下：

圖6　模擬劑量場(chǎng)時(shí)所用的鉛磚

　　圖7和圖8為將一號鉛磚置于劑量場(chǎng)中，探測器對其模擬的場(chǎng)強分布進(jìn)行數據測量，重建的三維圖形.其中：圖7為對測量的投影數據未經(jīng)坪場(chǎng)修正，圖10則為經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正后的處理結果.圖9為將三號鉛磚置于一號鉛磚之上，對所測量的數據(經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正)，進(jìn)行重建后該劑量場(chǎng)強度分布的三維圖形.圖10為將二號鉛磚置于劑量場(chǎng)中，探測器在其下面進(jìn)行數據測量，并對測量的數據經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正后，重建該劑量場(chǎng)強度分布的三維圖形.圖11和圖12為將三號鉛磚置于二號鉛磚之上，探測器對構造的劑量場(chǎng)進(jìn)行數據測量，所重建該劑量場(chǎng)強度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場(chǎng)修正，圖12則經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正.

　　　　　　　
圖7　劑量場(chǎng)重建圖像一

圖10　劑量場(chǎng)重建圖像四

影響測量系統精度的主要因素有：前端探測系統的隨機誤差；不同濾波函數對重建圖像質(zhì)量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對重建精度的影響；數據采樣速率所產(chǎn)生的影響；探測器旋轉中心偏移產(chǎn)生的影響.
　　對于本文所設計的陣列式閃爍光纖探測器(有效探測區域100mm×100mm)，將其放置所構造的劑量場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測量，根據理論推導和實(shí)驗結果的數據分析，可估算可能導致的各種誤差［9］，以綜合評估系統的性能.若輸入的投影數據，其相對誤差不超過(guò)±3%，則模擬實(shí)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，獲取的投影數據平均相對誤差經(jīng)折算約為0.5%，重建平均相對誤差約為0.4%.投影方向數一般小于7個(gè)時(shí)，則完全不能重建.當方向數增加，則重建圖像誤差逐漸減小.采樣頻率的選取同樣應滿(mǎn)足Niquist定理，否則，會(huì )影響圖像重建精度及空間分辨.對于一般的劑量場(chǎng)分布，若不考慮各種其他因素的影響，當投影方向數為60，采樣間隔等于1mm時(shí)，圖像重建精度是非常高的.通過(guò)模擬運算，其重建場(chǎng)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(shí)，一定要切實(shí)注意精確地確定其旋轉中心位置，否則，會(huì )產(chǎn)生很大誤差，甚至導致變形.若中心偏差控制在不超過(guò)0.1個(gè)象素點(diǎn)，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以?xún)?

　　綜合各種因素，本系統的成像測量的總體平均相對誤差可控制在5%以?xún)?，空間分辨率不低于1mm.

　　1.前端探測系統
　　由纖芯是閃爍材料構成的光纖能適應E＞5kev的X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)及其它射線(xiàn)的輻照探測.但直到現在，獲得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的應用［5，6］.閃爍光纖對帶電粒子比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，主要作用機制是康普頓效應，這是由于構成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應和電子對效應都相對較弱［7］.
　　根據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測量方法，并據此構造前端探測器.探測器設計為：由若干個(gè)一定長(cháng)度的特種閃爍光纖水平緊密放置構成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設計的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過(guò)光導光纖連一成體，并將其加固，構成前端探測系統.探測器在劑量場(chǎng)中，將所吸收的輻射能轉換成光能，經(jīng)線(xiàn)積分后，再通過(guò)光導光纖引出.并在光接收器的光敏區形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場(chǎng)強度信號轉換成視頻電信號.
　　由塑料閃爍光纖陣列構成的探測器，具有如下特點(diǎn)［8］
　　(1)較短的衰減時(shí)間(即無(wú)長(cháng)余輝)，約2～3ns.
　　(2)性能穩定.探測器是有輻射損傷的，但經(jīng)實(shí)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(cháng)度可達500cm.
　　(4)結構簡(jiǎn)單、使用壽命長(cháng)等.