CN102890974B - 编码孔径成像系统及其编码码板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编码孔径成像系统及其编码码板，所述编码码板包括金属部分及一个或多个开孔，在所述编码码板的任一尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，所述开孔的尺寸之和为(2N+1)×(2N+1)，且任意两个尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，其开孔的图样不完全相同。本发明不因编码方式本身引入系统噪声；且本发明的编码码板结构简单，降低了加工难度和成本，提高了组装精度。

Description

编码孔径成像系统及其编码码板

技术领域

本发明涉及放射性探测成像技术领域，尤其涉及一种编码码板及应用该编码码板的编码孔径成像系统。

背景技术

目前放射性探测成像技术已被广泛应用于核工业、放射性环境监测、出入境安检等领域，对放射性材料的存储、运输和使用过程进行监控。此种射线成像技术的核心是准直器和探测器的设计。放射源放出的射线通过准直器后产生一定的投影形状，通过探测器与射线作用，产生测量信号，从而实现对该投影图像进行测量，再通过算法对放射源进行图像重建。

传统的放射性探测成像技术中，通过小孔准直器或平行孔准直器成像，此种准直器设计使得只有特定方向的射线才能经过准直器而被探测器探测到，所获取的有效计数率较少，大大限制了系统探测效率和灵敏度的提高。

编码孔径成像技术的发展大大提高了系统灵敏度，使用编码码板型准直器代替传统的准直器设计，按一定的方式在金属板上进行开孔即为码板，开孔部分允许射线通过而金属部分阻挡射线，射线经过开孔后在探测器平面呈现若干叠加投影图像，通过相应的图像重建解码算法将投影图像重建为放射源图像。

上述的编码码板型准直器，其开孔率越高，则编码孔径成像系统获取的有效计数率越高。因此，如何设计开孔方式从而对射线进行编码，在提高系统灵敏度的同时降低噪声的引入是编码孔径成像技术的关键。

现有文献1（S.R.Gottesman，E.E.Fenimore，“New family of binaryarrays for coded aperture imaging（新型的基于二维矩阵的编码孔径成像技术）”,Applied Optics（应用光学）,1989,28(20):第4344-4352页）公开了一种编码孔径成像技术方案，该方案采用修正均匀冗余阵列（以下简称MURA）编码。MURA是在均匀冗余阵列（URA）的基础上发展的结果，与随机阵列（RA）、冗余阵列（NRA）等编码方式相比在重建图像背景噪声、开孔率等方面具有优势，具有很好的成像性能，在新型的编码孔径射线成像仪中应用较广。

根据文献1的MURA编码规则，其编码函数A为r×r矩阵（也称投影矩阵），其中的r要求为素数，开孔率约为50%，进行图像重建时的解码函数G相应地也是r×r矩阵（也称解码矩阵），矩阵的值与编码函数A相对应，取值为1或-1，使得式(1)成立，其中“*”为卷积运算算符。

A*G＝δ    (1)

根据编码孔径成像理论，编码函数A和解码函数G满足关系式（1）时，通过投影矩阵和解码矩阵的卷积运算即可重建出放射源图像，且此时的编码解码方式不引入系统噪声。这里投影矩阵或者说编码矩阵反映的是放射源的射线经过编码码板后在探测器平面的投影图像，需包含完整的编码信息（r×r）。

如图1和图2所示，在工程实现上，该方案所采用的射线探测器面积与MURA编码码板6尺寸一致，为扩展有效视场范围，采用循环嵌套（replicatedmask）的方式对编码码板6进行延拓，使得码板编码数变为(2r-1)×(2r-1)，使得射线倾斜入射时在探测器平面也能采样到完整的编码图像。

然而，现有技术存在以下缺点：

1、编码方式复杂，编码码板由若干“孤立”的单元组成，互相之间无支持，码板加工、固定难度较大。

2、虽然采用循环嵌套的方式可扩展视场，但同时使得整个编码控制成像系统的内装有准直器和探测器的探头的口径（面积）扩展为原编码的四倍，由于工程上需考虑用重金属对背景射线进行屏蔽，口径的增大将大大增加系统重量，限制了系统在集成度和便携性方面的提高。

由文献1的技术方案，并结合现有技术的其他方案可知，现有技术的编码孔径成像理论，其编码码板图样通常较为复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种编码码板。

本发明的另一目的在于提供具有本发明编码码板的一种编码孔径成像系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种编码码板，用于编码孔径成像系统，所述编码码板包括金属部分及一个或多个开孔，在所述编码码板的任一尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，所述开孔的尺寸之和为(2N+1)×(2N+1)，且任意两个尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，其开孔的图样不完全相同。

一种编码孔径成像系统，包括作为准直器的本发明的编码码板、探测器以及与所述探测器相连接的图像处理系统，所述探测器所获得的投影图像，传回所述图像处理系统依据解码函数进行图像重建。

本发明的有益效果在于，本发明的编码码板及本发明的孔径编码成像系统的正方形编码及相应的解码函数构造方式，使得点源重建图像为理想的δ函数，不因编码方式本身引入系统噪声；且本发明的编码码板结构简单，降低了加工难度和成本，提高了组装精度；本发明编码码板的有效部分为总面积为(2N+1)×(2N+1)的一个或多个开孔，开孔尺寸约为码板尺寸的一半（一维），码板尺寸可与探测器尺寸一致，或者是探测器尺寸的2.25倍等，使得设备的口径较小，节约了设备筒体的重金属屏蔽材料，提高了设备的便携性；本发明的编码码板对系统设计具有较强的适应性，编码码板加工完毕后并不限定编码数，随着探测器位置分辨能力的提高，对其投影图像的采样数得到提高，相应的编码数得到提高（需满足编码数=4N+1），从而提高了编码孔径成像系统的分辨率。并且，本发明的编码孔径成像系统，其经过不同种类、不同密度、不同能量的放射源进行测试，均能实现有效检出。

附图说明

图1为现有技术的一种编码孔径成像系统的示意图。

图2为图1中的编码码板的主视示意图。

图3为本发明第一实施例的编码码板的示意图。

图4为本发明实施例的编码孔径成像系统的示意图。

图5为本发明第二实施例的编码码板的示意图。

图6为本发明第三实施例的编码码板的示意图。

图7为本发明第四实施例的编码码板的示意图。

图8为本发明编码孔径成像系统的解码函数的示意图。

图9为本发明编码孔径成像系统的编码矩阵的示意图。

图10为本发明编码孔径成像系统的解码矩阵的示意图。

图11本发明编码孔径成像系统的重建图像的示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的编码码板，可以用于本发明实施例的编码孔径成像系统。

本发明提出一种新型的正方形编码方式，其基于一种编码码板，包括金属部分及一个或多个开孔，在任一尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，开孔的尺寸之和为(2N+1)×(2N+1)，且任意两个尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，其开孔的图样不完全相同，如果用(4N+1)×(4N+1)的矩阵表示，金属部分对应矩阵元素为1，而开孔部分对应矩阵为0，则“开孔的图样不完全相同”即指其所对应的矩阵不同。本说明书中，N指自然数，即正整数。

如图3所示，本发明第一实施例的编码码板1的基本形状为一块正方形金属板，金属板的中心开一个正方形开孔10。开孔的尺寸与系统的探测灵敏度和集成度直接相关，一般而言，开孔的尺寸越大，探测灵敏度越高，同时系统集成度降低；编码码板1的金属板厚度可根据实际应用需求进行调节，总体而言应满足对射线具有较强的阻止能力，同时不能因厚度太大带来明显地准直效应。

优选的，本发明的编码码板可为17×17（即N=4），而其正方形开孔10的大小为9×9，也即正方形开孔10的大小为(2N+1)×(2N+1)时，整个编码码板的大小可为(4N+1)×(4N+1)，因此正方形开孔10占其总面积大小的大约28%。此处仅为说明编码码板1及其正方形开孔10的相对大小，在编码码板1加工完毕后，并不限定其编码数，也即基于同样大小的编码码板，既可以进行17×17编码，也可以进行37×37编码。

本发明第一实施例的编码码板，其金属板及其正方形开孔10例如可为整体一体成型，但本发明并不局限于此，还可以有以下的实施例。

如图5所示，本发明第二实施例的编码码板，其正方形开孔10可由四个矩形金属条21、22、23、24拼接而成，其中矩形金属条21与矩形金属条22平行，矩形金属条23与矩形金属条24平行，矩形金属条23、24的两端与矩形金属条21、22的内侧面固定连接。

如图6所示，本发明第三实施例的编码码板，其正方形开孔10可由四个矩形金属条31、32、33、34依次首尾相连拼接而成，其中矩形金属条31与矩形金属条32平行，矩形金属条33与矩形金属条34平行。

本发明第二、第三实施例的编码码板，只需保持开孔部分尺寸为(2N+1)×(2N+1)，码板的金属部分尺寸可根据需要进行适当的缩放，但需做好设备侧面的射线屏蔽。

为进一步提高本发明编码码板1的有效视场的大小，可通过循环复制（replicated mask，又称循环嵌套）的方式对编码码板1进行扩展，如图7所示，扩展后，在任意一(4N+1)×(4N+1)大小的正方形范围内，其开孔的总面积大小仍然等于原编码码板1的正方形开孔10的大小，也即开孔的总面积大小仍然等于(2N+1)×(2N+1)。进行循环复制时，编码码板的金属部分的形状例如为“井”字型或“十”字型。

如图7所示，本发明第四实施例的编码码板，整个编码码板的尺寸为(6N+1)×(6N+1)，金属部分为中央的宽度为2N十字形状，十字形状将编码码板分隔为(2N+1)×(2N+1)、2N×(2N+1)、(2N+1)×2N和2N×2N的四个开孔。图7中的四个开孔虽然没有被金属部分所包围，但是其可以与探测器7的口径的边界一起构成开孔的形状。

在探测器的有效面积为(4N+1)×(4N+1)的情况下，以第四实施例的编码码板形成的准直器面积为探测器有效面积的2.25倍，而目前常用的循环嵌套MURA准直器面积为探测器有效面积的4倍（如图1所示）。

本发明的编码码板，在编码码板图样通常较为复杂的情况下，返璞归真地使用了简单的具有正方向开孔10的编码码板结构，其同样也能达到复杂编码码板的性能，同样也能够实现不因编码方式本身而引入系统噪声。本发明实施例的编码码板的具体编码与解码的原理在下面的本发明实施例的编码孔径成像系统中介绍。

本发明实施例的编码孔径成像系统，包括作为准直器的本发明实施例的编码码板1、探测器7、探测器7所连接的电子电路及与电子电路连接的图像处理系统，当然，也可以省略电子电路，而由探测器7直接无线连接图像处理系统。在探测器7获得投影图像之后，传回图像处理系统，由图像处理系统依据解码函数进行图像重建。

具体而言，本发明实施例的编码码板1的编码函数A的构造方式为，如图9所示，编码函数为(4N+1)×(4N+1)矩阵；中心的(2N+2)×(2N+1)正方形开孔10的矩阵元素值为1，对应开孔部分；其余元素值为0，对应金属部分。

根据编码函数，按照公式（1），对解码函数进行反解，相应解码函数的构造满足以下关系：解码函数G也是(4N+1)×(4N+1)矩阵；解码函数各元素的取值如图8所示，中心(2N+2)×(2N+1)正方形的四个角上的元素取值为x，与x同列和同行的其余元素取值为y，矩阵的其余元素取值为z，x、y、z满足关系式(2)。

$\left\{\begin{array}{c}4x+4(2N-1)y+{(2N-1)}^{2}z={(2N+1)}^2\\ 2x+(6N-1)y+2N\×(2N-1)z=0\\ x+4\mathrm{Ny}+{4N}^{2}z=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

按此种方式构造的解码矩阵满足之前所述的关系式(1)，所以能通过投影矩阵和解码矩阵卷积获取放射源重建图像，不会因编码方式本身引入背景噪声，因此，本发明的编码码板1具有与复杂度高的编码码板相同的高性能。

以编码数为17×17（N=4）为例，说明本发明的编码码板1的正方形编码在编码孔径成像系统中的应用。其编码矩阵和解码矩阵分别如图9、图10所示，编码矩阵对应于编码码板1的构造（1对应开孔部分，0对应金属部分），解码矩阵可以通过图像处理系统的软件程序得出，以用于图像重建。

如图4所示，本发明实施例的编码孔径成像系统，可将本发明各实施例的编码码板1置于探测器7，例如γ射线探测器的正前方。如果是第一至第三实施例的编码码板，则探测器7的尺寸与编码码板的尺寸一致，约为目前常用的如图1所示的MURA编码码板外尺寸的一半，且本发明实施例的编码码板1的几何结构简单，易于加工。

如图4所示。探测器7可采用17×17晶体阵列，每个晶体条横向尺寸与一个编码单元尺寸一致。当放射源位于视场正前方时，在探测器平面获取的投影矩阵与如图9所示的编码函数一致，重建图像如图11所示，图中竖直方向表示的是重建值。由图11的重建图像，即可以确定放射源的位置。例如，放射源在正前方的中轴线上时，重建值不为0的地方即在矩阵的正中心。

X轴方向上FWHM（脉冲的半高宽度）为总像素的1/17，可见对点源的角分辨率与编码数有关，编码数越高则角分辨率越好，这一性质与现有技术的MURA编码一致。

在上述的说明中，之所以要求在任一(4N+1)×(4N+1)的范围内，开孔的面积总和为(2N+1)×(2N+1)，是为保证在每一视角都能取到完整的投影图像；而要求开孔的状态不完全相同，则是为了确定放射源的射线所投射的方向，以免造成位置误判。

所不同的是：现有技术的MURA码板一经加工好，其编码数就确定下来，随着探测器位置分辨能力的提高并不能在原理上提高系统的角分辨率；而本发明实施例的编码码板，是一种正方形编码码板，其有效区域为中间的正方形开孔（或总和为正方形的多个开孔），其本身并不限定编码数，编码数由投影图像的采样精度决定，随着探测器位置分辨能力的提高采样数得到提高，从而可提高系统的角分辨率。

综上，本发明实施例的编码码板及本发明实施例的孔径编码成像系统的正方形编码及相应的解码函数构造方式，使得点源重建图像为理想的δ函数，不因编码方式本身引入系统噪声；且本发明的编码码板结构简单，降低了加工难度和成本，提高了组装精度；本发明编码码板的有效部分为中间的正方形开孔，开孔尺寸约为码板尺寸的一半（一维），码板尺寸与探测器尺寸一致，使得设备的口径较小，节约了设备筒体的重金属屏蔽材料，提高了设备的便携性；本发明的编码码板对系统设计具有较强的适应性，编码码板加工完毕后并不限定编码数，随着探测器位置分辨能力的提高，对其投影图像的采样数得到提高，相应的编码数得到提高（需满足编码数=4N+1），从而提高了编码孔径成像系统的分辨率。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编码码板，用于编码孔径成像系统，所述编码码板包括金属部分及一个或多个开孔，所述编码码板为矩形，其特征在于，在所述编码码板的任一尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，所述开孔的尺寸之和为(2N+1)×(2N+1)，且任意两个尺寸为(4N+1)×(4N+1)的范围内，其开孔的图样不完全相同。

2.如权利要求1所述的编码码板，其特征在于，所述编码码板为正方形，所述开孔中至少包括一个尺寸为(2N+1)×(2N+1)的正方形开孔。

3.如权利要求2所述的编码码板，其特征在于，所述编码码板的尺寸为(4N+1)×(4N+1)的正方形，所述编码码板的中心具有(2N+1)×(2N+1)的正方形开孔，除编码码板的四个角以外，所述金属部分的宽度为N。

4.如权利要求3所述的编码码板，其特征在于，所述正方形开孔由第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条和第四矩形金属条拼接而成，其中第一矩形金属条与第二矩形金属条平行，第三矩形金属条与第四矩形金属条平行，第三、第四矩形金属条的两端与第一、第二矩形金属条的内侧面固定连接。

5.如权利要求3所述的编码码板，其特征在于，所述正方形开孔由四个矩形金属条依次首尾相连拼接而成。

6.如权利要求1所述的编码码板，其特征在于，所述编码码板的尺寸为(6N+1)×(6N+1)，金属部分为中央的宽度为2N十字形状，所述十字形状将所述编码码板分隔为(2N+1)×(2N+1)、2N×(2N+1)、(2N+1)×2N和2N×2N的四个开孔。

7.一种编码孔径成像系统，包括作为准直器的权利要求1-6任一所述的编码码板、探测器以及与所述探测器相连接的图像处理系统，所述探测器所获得的投影图像传给所述图像处理系统依据解码函数进行图像重建。

8.如权利要求7所述的编码孔径成像系统，其特征在于，所述编码码板的编码矩阵为(4N+1)×(4N+1)矩阵，中心的(2N+1)×(2N+1)正方形开孔的矩阵元素值为1，对应开孔部分；其余元素值为0，对应金属部分。

9.如权利要求8所述的编码孔径成像系统，其特征在于，所述解码函数为(4N+1)×(4N+1)矩阵，中心(2N+1)×(2N+1)正方形的四个角上的元素取值为x，与x同列和同行的其余元素取值为y，矩阵的其余元素取值为z，x、y、z满足：

$\left\{\begin{array}{c}4x+4(2N-1)y+{(2N-1)}^{2}z={(2N+1)}^2\\ 2x+(6N-1)y+2N\×(2N-1)z=0\\ x+4\mathrm{Ny}+{4N}^{2}z=0\end{array}\right..$

10.如权利要求9所述的编码孔径成像系统，其特征在于，所述编码码板的尺寸为(4N+1)×(4N+1)的正方形，所述探测器尺寸与所述编码码板的所述正方形开孔尺寸相同。