CN102156290B - 用于图像诊断的射线绝对测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于图像诊断的射线绝对测量装置及方法，包括依次按照射线方向设置的射线源、屏蔽体、厚针孔、闪烁体、平面镜对和成像单元，闪烁体用于形成可见光图像并将可见光图像经过平面镜对入射至成像单元，平面镜对包括平行设置的第一平面镜和第二平面镜，第一平面镜用于反射透过闪烁体的光并反射至第二反射镜，还包括设置在射线方向上的探测器。本发明解决了现有技术中采用X射线等效标定方法就图像诊断系统中对成像有贡献的射线进行检测存在检测结果不确定，分析过程复杂的技术问题，本发明系统构造简洁，成本低，具有很好的可操作性。

Description

用于图像诊断的射线绝对测量装置及方法

技术领域

本发明属于射线绝对测量方法，具体涉及一种应用于图像诊断系统的射线绝对测量方法。

背景技术

在物理实验和脉冲辐射探测领域中，射线源区射线图像诊断能够提供对源区物理过程的直观认识，对于研究和诊断其物理过程特性具有重要价值，图像诊断系统如图1所示。射线源1经过屏蔽体2之后，通过厚针孔3成像后在闪烁体4上形成可见光图像，经过平面镜5反射后进入成像单元6。

实现图像诊断系统中射线的绝对测量，一般可以基于以下两种方法：1、能谱测量法，通过得到射线源的能谱分布，结合探测系统得到的数据对射线进行绝对测量；2、选择能量响应平坦的探测器进行测量，不同能量的射线对应的输出信号相同或者相近，从而得到射线的绝对量。理论上讲，这两种方法做到任一种都可以满足实现射线绝对测量的要求，但是在实际操作过程中，两种方法都存在着不同的困难。能谱测量方法系统较为复杂，测量难度较大，能量响应平坦也是相对平坦，不能做到绝对平坦。一般而言需要根据实际情况选择不同的方法。

在图像诊断系统中，还有一种近似的绝对测量方法。根据系统就位之后的强度标定曲线，对系统图像进行强度校正，像素灰度值0对应强度值0，像素灰度值最大值对应强度最大值，全程线性对应，依次确定像素灰度值与强度值的对应关系。而系统的强度标定曲线，不是通过探测器直接测量得到的，而是通过使用X射线源对系统的标定来完成的。不过，由于当前国内尚无合适的系列标定源，因此，往往采用X射线等效标定方法来实施图像探测系统对反应源区中子甚至γ射线图像的标定。这种基于系统标定的方法，给实验结果带来不确定度的因素很多，因此在做不确定度分析时较为复杂，同时不确定度也比较大。

发明内容

为了解决现有技术中采用X射线等效标定方法就图像诊断系统中对成像有贡献的射线进行检测存在检测结果不确定，分析过程复杂的技术问题，本发明为了解决上述技术问题提供了以下技术方案：

用于图像诊断的射线绝对测量的装置，包括依次按照射线方向设置的射线源1、屏蔽体2、厚针孔3、闪烁体4、平面镜对和成像单元6，所述闪烁体用于形成可见光图像并将可见光图像经过平面镜对入射至成像单元6，所述平面镜对包括平行设置的第一平面镜5和第二平面镜50，所述第一平面镜5用于反射透过闪烁体4的光并反射至第二反射镜50，其特殊之处在于：还包括设置在射线方向上的探测器7。

当探测器对射线的透过率大于或等于99％时，所述探测器7设置在厚针孔3与闪烁体4之间；

当探测器对射线的透过率小于99％时，所述探测器7设置在第一平面镜5之后。

上述探测器7为光电倍增管。

用于图像诊断的射线绝对测量方法，包括以下步骤：

1】对探测器进行灵敏度标定，得到探测器的灵敏度S_γ；

2】标定像素灰度值与射线绝对强度对应关系；

I＝g(G_S)，其中：I为射线绝对强度；G_S为像素灰度值；

3】射线源1产生的射线依次穿过蔽体2、厚针孔3后使闪烁体4产生可见光图像，可见光图像经平面镜对后进入成像单元6；

4】判断探测器对射线的透过率，当探测器对射线的透过率大于或等于99％时，在厚针孔3与闪烁体4之间放置经过灵敏度标定的探测器；当探测器对射线的透过率小于99％时，在平面镜对的第一个平面镜之后放置经过灵敏度标定的探测器；

5】记录探测器在Δt时间内输出的射线绝对强度值I，同时记录成像单元在Δt时间内累计的图像进行灰度值积分得到成像灰度值G_S；

6】根据步骤1】所确定的灵敏度S_γ和步骤4】得到的射线绝对强度值I，依据公式

计算射线粒子总数：

其中：N_γ为射线粒子总数；ΔS为探测器被辐照面积；Δt为探测器被辐照时间；E_γ为探测器灵敏度标定时射线源的能量；

7】根据步骤2】所确定的像素灰度值与射线绝对强度对应关系；I＝g(G_S)，计算像素灰度值与射线粒子总数的关系，N_γ(x，y)＝f(G(x′，y′))

其中，N_γ(x，y)为射线源区上(x，y)处的射线粒子总数；G(x′，y′)为图像诊断系统获得的图像上(x′，y′)处的灰度值。

8】根据步骤6】中像素灰度值与射线粒子总数的关系，N_γ(x，y)＝f(G(x′，y′))，使用matlab编程获得图像上像素点对应射线源的绝对强度。

上述探测器为具有能量响应相对平坦特性的绝对强度探测器。

上述探测器为光电倍增管。

本发明所具有的优点：

1、测量结果准确，本发明通过射线强度的绝对测量获取源区图像每个像素点对应射线的绝对强度，根据图像数据和产生图像的射线绝对强度，将像面上的每个像素根据其灰度值换算为该处对应的射线的绝对强度，将测量不确定度从传统方法的70％左右降低到30％左右；

2、本发明系统构造简洁，成本低，具有很好的可操作性；

3、本发明使用matlab编程计算，结果更为形象直观。

附图说明

图1为现有图像诊断系统的结构示意图；

图2为图像的像素与源区绝对强度对应图；

图3为本发明的用于图像诊断的射线绝对测量装置的结构示意图；

图4为本发明测量装置的一种实施例示意图/IVA图像诊断射线绝对测量原理图；

图5为本发明实验波形数据图；其中，图5a为第一炮波形数据，图5b为第二炮波形数据；

图6为IVA实验现场实验图像数据图；其中，图6a为第一炮图像数据，图6b为第二炮图像数据；

图7是图像像素点与绝对强度对应关系图；其中，图7a为第一炮图像像素选取，图7b为第一炮图像像素对应的绝对强度输出；图7c为第二炮图像像素选取，图7d为第二炮图像像素对应的绝对强度输出。

具体实施方式

用于图像诊断的射线绝对测量的装置，包括依次按照光的传播方向设置的射线源1、屏蔽体2、厚针孔3、闪烁体4、平面镜对和成像单元6，所述闪烁体用于形成可见光图像并将可见光图像经过平面镜5入射至成像单元6，所述平面镜对包括平行设置的第一平面镜5和第二平面镜50，所述第一平面镜5用于反射透过闪烁体4的光并反射至第二反射镜50，还包括设置在光路上的探测器7。当探测器对射线的透过率大于或等于99％，所述探测器甚至在厚针孔3与闪烁体4之间；当探测器的透过率小于99％时，所述探测器设置在平面镜之后。探测器为光电倍增管。

用于图像诊断的射线绝对测量方法，包括以下步骤：

1】对具有能量响应相对平坦特性的绝对强度探测器进行灵敏度标定，在直流钴源上可以实现该标定实验，得到探测器的灵敏度S_γ；

2】标定像素灰度值与射线绝对强度对应关系；

I＝g(G_S)，其中：I为射线绝对强度；G_S为像素灰度值；

3】搭建权利要求1所述的系统，所述系统包括依次按照光的传播方向设置的射线源1、屏蔽体2、厚针孔3、闪烁体4、平面镜对和成像单元6，所述闪烁体用于形成可见光图像并将可见光图像经过平面镜5入射至成像单元6，所述平面镜对包括平行设置的第一平面镜5和第二平面镜50，所述第一平面镜5用于反射透过闪烁体4的光并反射至第二反射镜50，还包括设置在光路上的探测器7，其中所述探测器7采用步骤1】中进行灵敏度标定的探测器；

4】启动步骤3】所搭建的系统，记录探测器在Δt时间内输出的射线绝对强度值I，同时记录成像单元在Δt时间内累计的图像进行灰度值积分得到成像灰度值G_S；

5】根据步骤1】所确定的灵敏度S_γ和步骤4】得到的射线绝对强度值I，依据公式

计算射线粒子总数：

其中：N_γ为射线粒子总数；ΔS为探测器被辐照面积；Δt为探测器被辐照时间；E_γ为探测器灵敏度标定时射线源的能量；

6】根据步骤2】所确定的像素灰度值与射线绝对强度对应关系；I＝g(G_S)，计算像素灰度值与射线粒子总数的关系，N_γ(x，y)＝f(G(x′，y′))

其中，N_γ(x，y)为射线源区上(x，y)处的射线粒子总数；G(x′，y′)为图像诊断系统获得的图像上(x′，y′)处的灰度值。

7】根据步骤6】中像素灰度值与射线粒子总数的关系，N_γ(x，y)＝f(G(x′，y′))，使用matlab编程获得图像上像素点对应射线源的绝对强度。

当探测器对射线的透过率大于或等于99％，所述探测器甚至在厚针孔3与闪烁体4之间；当探测器的透过率小于99％时，所述探测器设置在平面镜之后。

探测器最好采用光电倍增管。

在图1中的系统中，经过分析，在图3中放置射线绝对测量探测器，该探测器具有三种重要的特性：①对射线的能量响应为平坦响应；②对图像诊断系统没有影响或者可以忽略不计；③能够探测到所有对成像有贡献的射线粒子。

当探测器对射线的能量沉积很小时(透过率大于或等于99％)，探测器设置在厚针孔3与闪烁体4之间；当探测器的透过率小于99％时，也就是探测器的沉积量很大时，探测器设置在平面镜之后。

本方法经过理论和实验验证，可以在图像诊断系统中获取对成像有贡献的射线绝对强度。实验系统在感应电压叠加器IVA设备(Induction Voltage Adder，)上先后进行了数轮实验，经过对系统的改进，包括电磁屏蔽加强、散射射线屏蔽以及可见光屏蔽之后，系统运行稳定。实验系统如图4所示。图中，将射线绝对强度探测器7放置在厚针孔3与闪烁体4之间，使用厚度为0.2mm的ST401探测器9，垂直于射线线路放置，经过封装8后，使用光电倍增管10进行信号收集答：射线绝对强度探测器7，包括封装8、ST401探测器9和光电倍增管10。。数据处理如下：

对射线强度探测器进行γ灵敏度标定为：

探测器的灵敏度为5.6085×10^-17A·cm²·s/MeV

通过实验标定的方法得到像素灰度值与射线粒子数的对应关系为：

$I=\left\{\begin{array}{cc}-0.038+1.590\×10^{-5}\·G_S& G_S\∈\left[\mathrm{4.0e5,1.2e7}\right)\\ -85.141+2.318\×{10}^{-5}\·G_S& G_S\∈\left[\mathrm{1.2e7,2.2e7}\right)\end{array}\right.$

现场实验的射线绝对测量波形数据如图5所示：

根据探测器的灵敏度，可以计算得出其粒子总数为：

$N_{\mathrm{\γ}1}=\frac{U_1}{S_{\mathrm{\γ}1}\·R}\·\mathrm{\ΔS}\·\mathrm{\Δt}/1.25\mathrm{MeV}=4.12\×{10}^6$

$N_{\mathrm{\γ}2}=\frac{U_2}{S_{\mathrm{\γ}1}\·R}\·\mathrm{\ΔS}\·\mathrm{\Δt}/1.25\mathrm{MeV}=4.78\×{10}^6$

式中，N_γ1、N_γ2分别为两次实验中用于成像的射线粒子总数。

经过进一步的数据处理，可以获得图像上每个像素与射线粒子数的对应关系，使用matlab编程读取图上的像素点的灰度值，根据给出该点的γ射线粒子数运算，建立起图像像素点与绝对强度的对应，如图7所示。根据射线强度分部和理论计算射线粒子数的相对误差公式，可以得出射线绝对强度的相对误差，即粒子数的误差为32.65％。

现场实验的图像诊断系统图像数据如图6所示：

对图像进行灰度值积分，得到图像的灰度值总数，结合步骤②中的对应关系，计算出相应系数，得到两次实验图像上每个像素与射线粒子数的对应关系分别为：

N_γ1(x，y)＝3.278×10³-1.371·G_S(x′，y′)

N_γ2(x，y)＝3.803×10³-1.591·G_S(x′，y′)

使用matlab编程获得图像上像素点对应射线源的绝对强度，当选取图像上某一点的时候，即可输出该点对应的射线源的射线绝对强度，即粒子总数，如图7所示。

本发明的目的是解决在图像诊断系统中对成像有贡献的射线的绝对测量。通过射线强度的绝对测量获取源区图像每个像素点对应射线的绝对强度，根据图像数据和产生图像的射线绝对强度，将像面上的每个像素根据其灰度值换算为该处对应的射线的绝对强度，如图2所示，在图像诊断数据处理时实现了图像2上像素灰度值与源区1射线绝对量的对应。

Claims (5)

1.用于图像诊断的射线绝对测量的装置，包括依次按照射线方向设置的射线源（1）、屏蔽体（2）、厚针孔（3）、闪烁体（4）、平面镜对和成像单元（6），所述闪烁体用于形成可见光图像并将可见光图像经过平面镜对入射至成像单元（6），所述平面镜对包括平行设置的第一平面镜（5）和第二平面镜（50），所述第一平面镜（5）用于反射透过闪烁体（4）的光并反射至第二反射镜（50），其特征在于：还包括设置在射线方向上的探测器（7），

当探测器对射线的透过率大于或等于99%时，所述探测器（7）设置在厚针孔（3）与闪烁体（4）之间；

当探测器对射线的透过率小于99%时，所述探测器（7）设置在第一平面镜（5）之后。

2.根据权利要求1所述的用于图像诊断的射线绝对测量的装置，其特征在于：所述探测器（7）为光电倍增管。

3.用于图像诊断的射线绝对测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】对探测器进行灵敏度标定，得到探测器的灵敏度S_γ；

2】标定像素灰度值与射线绝对强度对应关系；

I=g(G_S)，其中：I为射线绝对强度；G_S为像素灰度值；

3】射线源（1）产生的射线依次穿过屏蔽体（2）、厚针孔（3）后使闪烁体（4）产生可见光图像，可见光图像经平面镜对后进入成像单元（6）；

4】判断探测器对射线的透过率，当探测器对射线的透过率大于或等于99%时，在厚针孔（3）与闪烁体（4）之间放置经过灵敏度标定的探测器；当探测器对射线的透过率小于99%时，在平面镜对的第一个平面镜之后放置经过灵敏度标定的探测器；

5】记录探测器在Δt时间内输出的射线绝对强度值I，同时记录成像单元在Δt时间内累计的图像进行灰度值积分得到像素灰度值G_S；

6】根据步骤1】所确定的灵敏度S_γ和步骤5】得到的射线绝对强度值I，依据公式

计算射线粒子总数：

其中：N_γ为射线粒子总数；ΔS为探测器被辐照面积；Δt为探测器被辐照时间；E_γ为探测器灵敏度标定时射线源的能量；

7】根据步骤2】所确定的像素灰度值与射线绝对强度对应关系；I=g(G_S)，计算像素灰度值总数与射线粒子总数的关系，N_γ(x,y)=f(G(x′,y′))

其中，N_γ(x,y)为射线源区上(x,y)处的射线粒子总数；G(x′,y′)为图像诊断系统获得的图像上(x′,y′)处的灰度值；

8】根据步骤6】中像素灰度值与射线粒子总数的关系，N_γ(x,y)=f(G(x′,y′))，使用matlab编程获得图像上像素点对应射线源的绝对强度。

4.根据权利要求3所述的用于图像诊断的射线绝对测量方法，其特征在于：所述探测器为具有能量响应相对平坦特性的绝对强度探测器。

5.根据权利要求4所述的用于图像诊断的射线绝对测量方法，其特征在于：所述探测器为光电倍增管。

Images