CN103163548A - 基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统，该探测方法包括以下步骤:伽马相机接收从放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子；生成放射性物质的伽马光子能谱及投影数据；并利用“最大似然估计”的统计迭代算法对投影数据进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像。根据本发明实施例的方法，不仅提升伽马辐射图像的空间分辨率与信噪比，还同时实现放射性物质空间定位、辐射剂量测量、放射性物质的核素类型识别以及放射性活度测量。

Description

基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统

技术领域

本发明涉及辐射探测技术领域，特别涉及一种基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统。

背景技术

放射性物质的定位、辐射剂量测量、核素种类识别以及活度测量在核工业、核安全、环境保护、工业及医用放射源管理、公共安全等领域具有广泛的应用。

传统的应用于探测放射性物质的手段主要包括：放射性剂量仪、伽马能谱仪和伽马相机。其中，伽马相机是通过探测经过准直器准直的伽马光子实现对放射性物质的二维平面分布成像。并且，伽马相机还具有测量相机所在位置的伽马辐射剂量率或粒子注量率，并实现初步的伽马光子能谱测量的功能。

伽马相机的准直器包括针孔准直器和编码板准直器。相对于单针孔准直器，编码板准直器有更高的探测效率，尤其是在探测弱放射性物质及低辐射剂量率条件下，其获得的伽马辐射成像具有更高的灵敏度。但是，现有的配备编码板准直器的伽马相机技术所普遍采用的解码算法在低辐射剂量（或低计数）的条件下的重建的伽马辐射图像的信噪比较差，并且无法重建具有定量信息的伽马辐射图像。

另外，伽马辐射图像本身只能反映放射性物质的二维分布信息，要实现放射性物质的定位，还需要与可见光图像精确配准与融合，从而利用可见光图像获得放射性物质的位置信息。但是在现有技术中，当伽马相机与可见光相机不同光路时，对于其与设备的距离未知的放射性物质，无法实现该放射性物质的可见光图像与伽马辐射图像的精确配准与融合；当伽马相机与可见光相机为同一光路时，无法同时进行伽马辐射成像和可见光成像。

因此，需要一种能够实现对放射性物质的定量辐射剂量测量、二维甚至三维空间定位、核素种类识别、以及放射性物质的活度测量的放射性物质的探测方法及其设备。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统，以实现对放射性物质的三维空间定位、核素种类识别、辐射剂量测量以及放射性物质的活度测量。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种基于伽马相机的放射性物质探测方法，包括以下步骤：伽马相机接收从放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子；生成所述放射性物质的伽马光子能谱及投影数据p,所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

(1),得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

在本发明实施例中，生成系统传输矩阵M包括以下步骤：通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率以生成第一系统传输矩阵；和通过放射点源实验标定，对所述第一系统传输矩阵进行修正以生成所述系统传输矩阵M。通过上述蒙特卡洛模拟仿真与实验标定相结合的方法生成的精确的系统传输矩阵，是重建准确的伽马辐射图像的前提条件。

在本发明实施例中，所述公式（1）通过期望最大化的统计迭代算法求解，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像中第i个像素的像素估计值，

在本发明实施例中，所述方法进一步包括：通过分析所述伽马光子能谱中的光电峰的特征能量值,识别所述放射性物质的核素类别；以及根据所述伽马光子能谱与所述伽马辐射图像,计算来自所述目标角平面的不同方向的所述伽马光子对所述伽马相机所在位置的辐射剂量信息。

在本发明实施例中，在获得伽马辐射图像的同时，利用环绕伽马相机布置的多台可见光照相机获取多幅可见光图像，并通过所述多幅可见光图像生成一幅与所述伽马辐射图像无视差的可见光图像；以及在所述放射性物质与所述多台可见光照相机之间无可见光遮挡物的条件下，根据所述无视差的可见光图像获得所述放射性物质到所述伽马相机的距离。通过将多台可见光照相机与伽马相机集成的方法，可以实现伽马辐射图像和可见光图像的精确配准与融合，从而实现放射性物质的二维定位以及无遮挡物条件下的三维定位。

在本发明实施例中，利用多台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测以得到多个二维伽马辐射图像，并根据所述多个二维伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的实时三维空间分布。在这种情况下，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，利用数据拟合误差最小化算法对所述多个伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的实时三维空间分布；当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，利用三维统计迭代的图像重建方法根据多台所述马伽相机所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的实时三维空间分布。

在本发明实施例中，利用一台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测以得到多个伽马辐射图像，并根据所述多个伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的静态三维空间分布。在这种情况下，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，利用数据拟合误差最小化算法对所述多个伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的静态三维空间分布；当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机在所有角度获取的所述投影数据p计算出所述放射性物质的静态三维空间分布。

在本发明实施例中，根据所述区域内的放射性物质的动态或静态三维空间分布，计算所述区域内任一放射性物质到各个所述伽马相机的距离。

在本发明实施例中，根据所述区域内的所述放射性物质的动态或静态三维空间分布、所述核素类别、所述辐射剂量信息以及所述区域到各个所述伽马相机的距离，计算所述放射性物质的放射性活度。

本发明另一方面提供一种放射性物质探测装置，包括：接收模块，用于接收数字信号，所述数字信号由至少一台伽马相机探测到的从由放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子信号转化而成；以及计算模块，用于：根据所述数字信号生成所述放射性物质的伽马光子能谱及投影数据p,所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

在本发明实施例中，所述计算模块生成所述系统传输矩阵M包括：通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率以生成第一系统传输矩阵；和通过放射点源实验标定，对所述第一系统传输矩阵进行修正以生成所述系统传输矩阵M。通过蒙特卡洛模拟仿真与实验标定相结合的方法，可以生成精确的系统传输矩阵，而系统传输矩阵精确已知是重建准确的伽马辐射图像的前提条件。

在本发明实施例中，所述公式（1）通过期望最大化的统计迭代算法求解，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像中第i个像素的像素估计值，

在本发明实施例中，所述计算装置对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

包括：通过分析所述伽马光子能谱中的光电峰的特征能量值,识别所述放射性物质的核素类别；以及根据所述伽马光子能谱与所述伽马辐射图像,计算来自所述目标角平面的不同方向的所述伽马光子对所述伽马相机所在位置的辐射剂量信息。

在本发明实施例中，环绕每台所述伽马相机设置有多台可见光照相机,所述多台可见光照相机分别从不同角度获取多幅可见光图像,所述接收模块还用于接收所述多幅可见光图像；以及所述计算模块根据所述多幅可见光图像生成一幅与所述伽马辐射图像无视差的可见光图像，并且在所述放射性物质与所述多台可见光照相机之间无可见光遮挡物的条件下，根据所述无视差的可见光图像计算出所述放射性物质到每台所述伽马相机的距离。通过将多台可见光照相机与伽马相机集成的方法，可以实现伽马辐射图像和可见光图像的精确配准与融合，从而实现放射性物质的二维定位以及无遮挡物条件下的三维定位。

在本发明实施例中，所述接收模块用于接收一台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测得到的多个数字信号，所述计算模块根据得到的所述多个数字信号获得对应的多个所述伽马辐射图像，进而根据多个所述伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的静态三维空间分布。在这种情况下，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，所述计算模块利用数据拟合误差最小化算法对多个所述伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的静态三维空间分布；当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，所述计算模块利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的静态三维空间分布。

在本发明实施例中，所述接收模块用于接收多台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测得到的多个数字信号，所述计算模块根据得到的所述多个数字信号获得对应的多个二维伽马辐射图像，进而根据所述多个二维伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的实时三维空间分布。在这种情况下，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，所述计算模块利用数据拟合误差最小化算法对多个所述伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的实时三维空间分布；当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，所述计算模块利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的实时三维空间分布。

在本发明实施例中，所述计算模块根据计算出的所述区域内的所述放射性物质的三维空间分布，计算所述区域内任一放射性物质到各个所述探测装置的距离。

在本发明实施例中，所述计算模块根据计算出的所述区域内的所述放射性物质的三维空间分布、所述核素类别、所述辐射剂量信息以及所述区域到各个所述探测装置的距离，计算所述放射性物质的放射性活度。

本发明再一方面提供一种放射性物质探测系统，包括：至少一台伽马相机，用于探测从由放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子，并将探测到的伽马光子信号转化为数字信号；以及计算装置，用于：根据所述数字信号生成所述放射性物质的伽马光子能谱；及投影数据p,所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

本发明提供一种基于伽马相机的放射性物质探测方法及其装置和系统，该探测方法将基于“最大似然估计”的统计迭代算法应用于配备编码板准直器的伽马相机的伽马辐射图像重建，通过与伽马光子能谱分析技术相结合，不仅可以重建出比传统解码算法空间分辨率及信噪比更高的伽马辐射图像，还可以使伽马辐射图像反映出不同角度的伽马光子对探测系统所在位置的定量辐射剂量信息。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的探测设备的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的基于伽马相机的放射性物质探测方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的二维伽马辐射图像重建算法示意图；

图4为基于实验对本发明实施例的评估结果，其中，图(a)为实验中点源放射性物质在目标角平面的分布图；图(b)为采用传统解码算法对实验中获取的投影数据进行重建后得到的图像；图(c)为根据本发明实施例的统计迭代算法对实验中获取的投影数据进行重建后得到的图像；

图5为根据本发明实施例的多台可见光照相机与伽马相机集成的布置方案及图像配准方法示意图；

图6为根据本发明实施例的多台伽马相机从不同位置不同角度对同一区域进行探测的示意图；

图7为根据本发明实施例的对空间分布近似为点源的放射性物质进行三维成像的方法示意图；

图8为根据本发明实施例的对复杂性空间分布的放射性物质进行三维成像的方法示意图；

图9为根据本发明实施例的放射性物质探测装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明实施例提供一种基于伽马相机的放射性物质探测方法。该方法是基于现有的对远距离、大空间视野成像的伽马相机成像技术。图1为根据本发明实施例的探测设备的结构示意图。如图1所示，该探测设备包括：伽马相机10和计算装置20。伽马相机10和计算装置20通过数据线或其他方式通讯。伽马相机10进一步包括：准直器100、伽马光子探测器200、光电转换器件300和后端电子学(模拟及数字电路)400。其中，准直器100可以为针孔或编码准直器，优选地，采用由重金属(如铅或钨等)制成的编码准直器以提高探测效率。伽马光子探测器200可以是闪烁晶体伽马光子探测器(如碘化钠(NaI),碘化铯(CsI))或半导体伽马光子探测器(如碲锌镉(CdZnTe))。在本实施例中，伽马光子探测器为碘化钠阵列晶体，其在xy平面内离散化为32*32个像素，每个像素尺寸为1.6mm*1.6mm，有效探测面积为1.4mm*1.4mm。光电转换器件300可以是位置灵敏光电倍增管或其它等效的光电转换器件。优选地，伽马相机10外围还设置有铅屏蔽500。

该伽马相机工作的基本原理为：由于准直器100重金属材料的对伽马光子的衰减能力，入射到准直器100前表面开孔位置或区域的光子有较大的概率通过准直器100到达伽马光子探测器200，探测器200与到达的伽马光子相作用，将伽马光子沉积在探测器200中的部分能量转化为可见光子，可见光子被位置灵敏光电倍增管300转化为弱电流信号（半导体探测器则直接将伽马光子转化为电流信号），输入至后端电子学400处理得到数字信号，再进一步传输至计算装置20计算出该伽马光子与探测器作用的位置和沉积的能量。所有伽马光子能量的分布统计曲线即为伽马光子能谱。将探测器接收伽马光子入射的二维平面，即图1所示的xy平面方向，进行离散化，由每一个像素所探测到伽马光子数联合组成一个二维图表或重排得到的一维向量（矢量），定义为投影数据。投影数据反映了伽马光子与探测器作用位置的分布。

当采用单针孔准直器时，投影数据本身即代表了入射光子数目或强度在二维角平面上的离散分布，如图3所示，即沿不同方向入射到伽马相机所在位置的光子数目的分布。在本发明中，我们定义此分布为伽马辐射图像。

当采用编码板准直器时，投影数据代表了入射伽马光子在经过编码板准直器编码以后的分布，需要利用计算装置（如计算机或专用处理器）运行图像重建算法程序对投影数据进行图像重建以得到伽马辐射图像。

图2为根据本发明实施例的基于伽马相机的放射性物质探测方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S01:伽马相机接收从放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子；

步骤S02:生成放射性物质的伽马光子能谱和投影数据；

步骤S03:利用基于最大似然估计的统计迭代算法对投影数据进行重建得到具有定量信息的伽马辐射图像。

以下具体说明步骤S03如何得到具有定量信息的伽马辐射图像。

图3为根据本发明实施例的二维伽马辐射图像重建算法示意图。如图3所示，对目标角平面(α,β)，即放射性物质或入射伽马光子分布的角度方向，进行虚拟的离散化采样，分为I个角平面像素。来自其中第i个像素(1<=i<=I)，即沿(α_i,β_i)方向，入射到伽马相机的每个光子，在探测器平面引起第j个探测器像素(1<=j<=J)响应的概率为M_j,i,其中M为IxJ系统传输矩阵，M_j,i表示其第j行第i列的元素。定义含I个元素的向量f以表示离散化的二维目标角平面上的放射性物质分布f(α,β)，其中f_i为自(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数。定义伽马相机探测器接收到的投影数据为含J个元素的向量p,其中p_j为探测器像素j（坐标（x_j,y_j)）探测到的伽马光子数。则放射性物质在目标角平面上的分布的估计，即伽马辐射图像估计

可以通过基于投影数据p的最大似然估计进行重建，即求解如下最大化问题实现：

公式（1）可以通过多种非线性迭代优化方法求解，在本发明实例中采用的是期望最大化的统计迭代算法，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像估计中第i个像素的像素估计值，定义

i=1,2,…I。

从公式(1)和(2)中可以看出，重建准确的伽马辐射图像的前提条件是系统传输矩阵M精确已知。在本发明实例中，采用蒙特卡洛模拟仿真与实验数据标定相结合的方法生成系统传输矩阵。首先利用蒙特卡洛模拟仿真的方法，对各种不同核素及不同能量的伽马光子辐射生成第一系统传输矩阵：即模拟不同方向的入射光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，得到M_j,ii=1,…I,j=1,…,J,所有的概率组成第一系统传输矩阵。然后利用Am²⁴¹,Cs¹³⁷,Co⁶⁰等放射点源实验的方法，对蒙特卡洛仿真生成的第一系统传输矩阵进行修正。具体步骤为，将放射性点源至于距离伽马相机大于探测器对角线长度60倍的位置，通过转换相机的角度朝向若干次，分别测量每次的投影数据，将投影数据归一化后与相应角度的蒙卡仿真数据进行比较，得到与伽马光子对钨准直器的穿透概率及与碘化钠探测器相作用的概率的修正因子，并用于修正第一系统传输矩阵的其它元素。按照上述方法，得到针对多个能量区间伽马光子的精确的系统传输矩阵M并进行存储。在伽马相机成像过程中，通过利用计算机程序实现的能谱分析算法分析伽马光子能谱分布中的光电峰，以此来判断入射伽马光子的能量范围，从而选择相应伽马光子能量的系统传输矩阵M用于图像重建。

利用上述方法生成的系统传输矩阵M重建出的伽马辐射图像，代表从不同方向入射到准直器前表面的光子数目，结合探测器探测到的伽马光子的能谱以及通用的伽马光子辐射剂量计算方法，可计算出来自不同方向的伽马光子对设备所在位置的辐射剂量。同时利用计算机软件对伽马光子的能谱信息进行分析，可以通过其光电峰的特征能量值实现对核素类型的初步识别。

图4为基于实验对本发明实施例的评估结果，其中，图(a)为实验中点源放射性物质在目标角平面的分布图；图(b)为采用传统解码算法对实验中获取的投影数据进行重建后得到的图像；图(c)为根据本发明实施例的统计迭代算法对实验中获取的投影数据进行重建后得到的图像。如图4所示，相比传统的解码图像重建算法，使用本发明实施例提出的统计迭代二维伽马辐射图像重建算法可以提升图像空间分辨率、增大伽马相机的角度视野和提高图像信噪比。

伽马辐射图像本身只能反映放射性物质的二维分布信息，要实现定位，还需要与精确配准的可见光图像相融合并显示，利用可见光图像给出放射性物质的位置参考信息。为此，本发明实施例进一步提出将多台可见光相机与伽马相机集成的图像配准方法。图5为根据本发明一个实施例的多台可见光照相机与伽马相机集成的布置方案及图像配准方法示意图。如图5所示，伽马相机10与可见光照相机30(或摄像头)为两个独立的组件，由于组件几何尺寸的限制，可见光照相机镜头中心相对伽马相机探测器中心有10-20cm的空间位置偏置（即图5中的x_offset）.当针对近场目标成像时（目标放射性物质与设备距离小于50米），此偏置会引起伽马辐射图像与可见光图像之间的视差，难于实现图像的精确配准与融合。因此，本发明实施例中提出如下方法以解决该问题，如图5所示，利用多台可见光照相机环绕伽马相机布置，并同时获取可见光图像；通过对所得多幅可见光图像进行分析和处理，生成一幅与伽马辐射图像无视差的可见光图像，从而实现两种模态的图像的精确配准与融合。在本实施例中，以布置两台可见光照相机为例：首先对来自两台可见光照相机30的可见光图像进行图像配准得到两幅图像之间以像素数值表示的视差，根据可见光照相机的焦距参数进一步估算视场中同一目标物体在两台可见光照相机处引起的角度视差?，再利用伽马相机10与可见光照相机30已知的位置关系，可以对伽马相机10与其中任意可见光照相机30得到的图像之间的角度视差进行估计。例如，当两台可见光照相机30在伽马相机10视野中心两侧等距布置时，得到伽马辐射图像与左侧可见光照相机所得到的可见光图像的视差为，

如前所述，单个伽马相机只能得到二维伽马辐射图像，二维伽马辐射图像与可见光图像精确融合也只能实现二维角平面上的定位。本发明实施例进一步提出利用多台伽马相机（或单台伽马相机）从不同位置、不同角度对同一区域进行探测的方法及其相应的数据处理方法和三维图像重建算法，以实现放射性物质的三维空间定位。

在一定条件下，上述视差估计与校正的方法可以用于对一定距离以内的目标物体到伽马相机的距离进行间接估测，从而实现放射源的近似三维定位。如图5所示，在两个可见光照相机相对于伽马相机中心位置偏置均为x_offset的情况下，目标物体到伽马相机的距离d的计算公式为，

在本发明的一个实施例中，由于视野中不同的物体与伽马相机的距离可能有较大变化，在公式中d是变量，因此，可见光图像之间的精确配准需要进行非刚性配准。并且由于可见光图像空间分辨率有限，因此当目标物体与设备距离增大时，视差随之变小，如上述距离公式所示，当视差小于可见光图像空间角分辨率时，则无法通过图像配准精确估计，因此无法推算目标物体到伽马相机的距离。如前，此时可将光图像与伽马辐射图像的视差也将远小于伽马辐射图像的空间分辨率，从而可以忽略对伽马图像与可见光图像融合精度的影响，直接将伽马辐射图像与任一可见光照相机获取的图像相融合即可。

需要说明，当放射性物质与探测设备之间存在其它物体遮挡时，伽马辐射图像仍能放射性物质的二维角度位置，但此时其与可见光图像中相同位置的物体不存在对应关系，因此，在近距离范围内(小于50米)，利用可见光图像进行视差校正及距离估测会产生误差；如前所述，当放射源与可见光遮挡物与伽马相机距离都大于50米时，则可见光图像与伽马辐射图像之间的视差可以忽略，但利用可见光图像之间的视差估测放射源到伽马相机的距离仍是不准确的。

图6为根据本发明一个实施例的多台伽马相机从不同位置不同角度对同一区域进行探测的示意图。

在本发明的一个实施例中，单独一台伽马相机可以实现放射性物质二维角度分布成像(相对于伽马相机的视角)及视野内的定位。一般情况下(即放射性物质与伽马相机之间存在遮挡物)，放射性物质到伽马相机的距离是无法精确估测的，因此，单台伽马相机很难实现放射性物质的三维空间定位。本发明实施例提出一种利用两台或多台伽马相机从不同位置、不同角度对同一区域进行探测以实现放射性物质的三维空间定位和活度测量的方法。

当放射性物质的空间分布近似于单点源或若干离散的点源的情况时，本发明实现放射性物质三维定位方法的基本原理是首选确定点源在每个设备视野中的角度位置，然后通过利用各个设备之间已知的位置与视角的关系对点源的在各个设备视野中的角度位置进行相关，从而确定点源三维位置。具体实现中，首选确定重建图像中的点源在每个设备特有坐标系中的位置所满足的关系。

首先考虑最简单的情况，当放射性物质分布在空间中近似为单点源的情况时，如图8所示，以伽马相机准直器中心为坐标原点，垂直准直器方向为z轴，则重建图像位于角平面上(α_1a,β_1a)位置的点源在伽马相机坐标系的三维空间坐标(x_1a,y_1a,z_1a)满足如下关系，

$a\tan \left(\frac{x_{1a}}{z_{1a}}\right)={\mathrm{\&alpha;}}_{1a},a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{1a}---\left(3\right)$

当空间存在两台伽马相机a和b时，如图7所示，定义点源在通用坐标系的位置(x₁,y₁,z₁)，T_a为由通用坐标系向伽马相机a所特有坐标系的坐标变换矩阵，T_b为由通用坐标系向伽马相机b所特有坐标系的坐标变换矩阵，T_a与T_b可以根据当两台设备的位置及视角方向等几何参数计算得到，坐标变换满足如下关系:

(x_1a,y_1a,z_1a,1)^T=T_a(x₁,y₁,z₁,1)^T,(x_1b,y_1b,z_1b,1)^T=T_b(x₁,y₁,z₁,1)^T   (4)

则点源在伽马相机b特有坐标系中坐标(x_1b,y_1b,z_1b)与其在伽马相机b的图像中的角平面位置(α_1b,β_1b)应满足类似公式:

$a\tan \left(\frac{x_{1b}}{z_{1b}}\right)={\mathrm{\&alpha;}}_{1b},a\tan \left(\frac{y_{1b}}{z_{1b}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{1b}---\left(5\right)$

理论上，联合公式(3)、(4)、(5)求解，可得到点源三维位置(x₁,y₁,z₁)，实际过程中，由于噪声及伽马相机分辨率等因素导致的定位误差很可能使上述过定问题(4个方程，3个未知变量)无解析解，因此需转化成如下最优化问题求解：

$\begin{array}{c}(x_1,y_1,z_1)=\arg \min \{{(a\tan \left(\frac{x_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{1a})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{1a})}^2+{(a\tan \left(\frac{x_{1b}}{z_{1b}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{1b})}^2+\\ {(a\tan \left(\frac{y_{1b}}{z_{1b}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{1b})}^2\}\end{array}---\left(6\right)$

其中，相关中间变量定义方式参见公式(3)一(5)。

当目标监控区域的放射性物质分布可近似为多个分离的点源时，可将公式(6)扩展为：

$(x_n,y_n,z_n){|}_{n=\mathrm{1,2},...,N}$

$=\arg \min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{{(a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{na}}}{z_{\mathrm{na}}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{na}})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{na}})}^2$

$+{(a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{nb}}}{z_{\mathrm{nb}}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nb}})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{\mathrm{nb}}}{z_{\mathrm{nb}}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nb}})}^2\}---\left(7\right)$

其中n为点源编号，N为点源数目。方程(6)、(7)可以利用levenberg—marquardt等非线性数值优化方法求解。当有两个以上设备对同一区域进行监控时，可将设备进行编号(如以英文字母进行编号a、b、c)，并将公式(7)进行自然扩展到多台设备之间的坐标相关关系最大化。

当放射性物质的分布趋于复杂，无法用多点源模型进行近似，则需要将本发明实施例提供的二维伽马辐射图像统计迭代重建算法扩展到三维情况，同时对设备的数目以及探测角度分布也有一定的要求。

图8为根据本发明一个实施例的对复杂性空间分布的放射性物质进行三维成像的方法示意图。

对分布比较复杂、无法用单点源或多点源近似的放射性物质(例如放射性物质为一个或多个连续的空问分布)的三维成像的方法如图8所示。与对点源成像相比，利用多台设备从不同角度不同位置监控同一区域的基本方法不变，但是设备的数目通常要求更多，监控角度分布要求更广，同时需要采取如下的三维图像重建的方法：首先对有效三维视野区域进行离散采样，把三维空间划分为多个体素，定义体素总数目为I；对于每一个在通用坐标系内坐标为(x_i，y_i，z_i)的体素i，i=l，2，…I，其发出的伽马光子被某一设备，如编号a，的探测器像素j探测到的概率

的计算方法有如下几个步骤：

l、利用公式(4)计算体素i在设备a特有坐标系内的坐标：

(x_ia，y_ia，z_ia，1)^T=T_a(x_i，y_i，z_i，1)^T

2、利用(3)计算发射白体素i的伽马光子对于设备a的入射角度：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ia}}=a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{ia}}}{z_{\mathrm{ia}}}\right),{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ia}}=a\tan \left(\frac{y_{\mathrm{ia}}}{z_{\mathrm{ia}}}\right)$

3、根据(α_ia,β_ia)查找对应二维成像情况下的角度索引i'_a;

4、用如下公式计算

$G_{i,j}^a=\frac{{\left[\cos \left({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ia}}\right)\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ia}}\right)\right]}^3}{4\mathrm{\&pi;}{\left(z_{\mathrm{ia}}\right)}^2}{M}_{i_a^{\&prime;},j},$

其中

的定义与公式(1)和(2)中相同，需要说明的是，当监控区域与设备之间有能对伽马光子进行衰减和散射的物体时，计算

过程中需要将该该物体在蒙特卡罗方法中建模并进行仿真，同时在某些情况下，由于客观条件的限制，可能无法对这些物体对伽马光子传输造成的衰减和散射进行利用实验方法的标定。

定义自每个体素中发射的光子数为f_i,i=1,2,…,I,根据辐射物理一般规律，f_i正比于该体素内的放射性物质活度。定义设备a中伽马相机探测器像素j探测到的光子数目为

则表示三维放射性物质分布图像的矢量

其中

对应f_i,可以通过如下最大似然估计方法获得：

公式(8)中x为设备编号变量，对应图8中的伽马相机a,b,c，可自然扩展到任意有限台数的设备情况。

而求解公式(8)的最大化问题可以通过与公式(2)描述的期望最大化的统计迭代方法或其他类似迭代型非线性优化方法进行求解，此处不再赘述。

上述利用多台伽马相机联合探测的方法和三维图像重建算法可以得到探测区域的放射性物质的动态三维空间分布。在放射性物质分布随时间变化较小，基本处于静态的情况下，可以利用单台设备，先后移动到不同的位置从不同的角度对同一区域进行探测，位置和角度的选取方案与上述多台设备联合探测的方法相同，再利用相同的数据组织与图像重建方法，可以获得探测区域内放射性物质的静态三维空间分布。

通过上述方法得到某一个或多个含放射性物质区域的三维空间位置并计算出该区域到各个设备的距离，结合各个设备中伽马相机探测到的辐射剂量率（或粒子注量率）及核素种类信息，以及由感兴趣区内的放射性物质发射出得光子在向各个伽马相机准直器前表面传输过程中的衰减信息，则可根据辐射物理的通用模型计算出点源或任一感兴趣区内放射性物质的放射性活度。

本发明实施例进一步提供一种放射性物质探测装置。如图9所示，该放射性物质探测装置包括：接收模块1000和计算模块2000。

接收模块1000用于接收数字信号，数字信号由至少一台伽马相机探测到的从由放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子信号转化而成。

计算模块2000用于根据数字信号生成放射性物质的伽马光子能谱和投影数据；以及利用“最大似然估计”的统计迭代算法对投影数据进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像。

以下具体说明计算模块2000如何得到具有定量信息的伽马辐射图像。

图3为根据本发明实施例的二维伽马辐射图像重建算法示意图。如图3所示，对目标角平面(α,β)，即放射性物质或入射伽马光子分布的角度方向，进行虚拟的离散化采样，分为I个角平面像素。来自其中第i个像素(1<=i<=I)，即沿(α_i,β_i)方向，入射到伽马相机的每个光子，在探测器平面引起第j个探测器像素(1<=j<=J)响应的概率为M_i,j,其中M为IxJ系统传输矩阵，M_i,j表示其第i行第j列的元素。定义含I个元素的向量f以表示离散化的二维目标角平面上的放射性物质分布f(α,β)，其中f_i为自(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数。定义伽马相机探测器接收到的投影数据为含J个元素的向量p,其中p_j为探测器像素j（坐标（x_j,y_j)）探测到的伽马光子数。则放射性物质在目标角平面上的分布的估计，即伽马辐射图像估计

可以通过基于投影数据p的最大似然估计进行重建，即求解如下最大化问题实现：

公式（1）可以通过多种非线性迭代优化方法求解，在本发明实例中采用的是期望最大化的统计迭代算法，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像中第i个像素的像素估计值，

从公式(1)和(2)中可以看出，重建准确的伽马辐射图像的前提条件是系统传输矩阵M精确已知。在本发明实例中，采用蒙特卡洛模拟仿真与实验数据标定相结合的方法生成系统传输矩阵。首先利用蒙特卡洛模拟仿真的方法，对各种不同核素及不同能量的伽马光子辐射生成第一系统传输矩阵：即模拟不同方向的入射光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，得到M_i,ji=1,…I,j=1,…,J,所有的概率组成第一系统传输矩阵。然后利用Am²⁴¹,Cs¹³⁷,Co⁶⁰等放射点源实验的方法，对蒙特卡洛仿真生成的第一系统传输矩阵进行修正。具体步骤为，将放射性点源至于距离伽马相机大于探测器对角线长度60倍的位置，通过转换相机的角度朝向若干次，分别测量每次的投影数据，将投影数据归一化后与相应角度的蒙卡仿真数据进行比较，得到与伽马光子对钨准直器的穿透概率及与碘化钠探测器相作用的概率的修正因子，并用于修正第一系统传输矩阵的其它元素。按照上述方法，得到针对多个能量区间伽马光子的精确的系统传输矩阵M并进行存储。在伽马相机成像过程中，通过利用计算机程序实现的能谱分析算法分析伽马光子能谱分布中的光电峰，以此来判断入射伽马光子的能量范围，从而选择相应伽马光子能量的系统传输矩阵M用于图像重建。

由计算装置2000生成的系统传输矩阵M重建出的伽马辐射图像，代表从不同方向入射到准直器前表面的光子数目，结合探测器探测到的伽马光子的能谱以及通用的伽马光子辐射剂量计算方法，可计算出来自不同方向的伽马光子对设备所在位置的辐射剂量。同时利用计算机软件对伽马光子的能谱信息进行分析，可以通过其光电峰的特征能量值实现对核素类型的初步识别。

如图4所示，相比传统的解码图像重建算法，使用本发明实施例提出的统计迭代二维伽马辐射图像重建算法可以提升图像空间分辨率、增大伽马相机的角度视野和提高图像信噪比。

伽马辐射图像本身只能反映放射性物质的二维分布信息，要实现定位，还需要与精确配准的可见光图像相融合并显示，利用可见光图像给出放射性物质的位置参考信息。为此，本发明实施例进一步提出将多台可见光相机与伽马相机集成的布置方案。如图5所示，伽马相机10与可见光照相机30(或摄像头)为两个独立的组件，由于组件几何尺寸的限制，可见光照相机镜头中心相对伽马相机探测器中心有10-20cm的空间位置偏置（即图5中的x_offset）.当针对近场目标成像时（目标放射性物质与设备距离小于50米），此偏置会引起伽马辐射图像与可见光图像之间的视差，难于实现图像的精确配准与融合。因此，在本实施例中，环绕每台伽马相机设置有多台可见光照相机,多台可见光照相机分别从不同角度获取多幅可见光图像,接收模块1000接收多幅可见光图像；通过计算模块2000对所得多幅可见光图像进行分析和处理，生成一幅与伽马辐射图像无视差的可见光图像，从而实现两种模态的图像的精确配准与融合。在本实施例中，以布置两台可见光照相机为例：首先对来自两台可见光照相机30的可见光图像进行图像配准得到两幅图像之间以像素数值表示的视差，根据可见光照相机的焦距参数进一步估算视场中同一目标物体在两台可见光照相机处引起的角度视差θ，再利用伽马相机10与可见光照相机30已知的位置关系，可以对伽马相机10与其中任意可见光照相机30得到的图像之间的角度视差进行估计。例如，当两台可见光照相机30在伽马相机10视野中心两侧等距布置时，得到伽马辐射图像与左侧可见光照相机所得到的可见光图像的视差为，

如前所述，单个伽马相机只能得到二维伽马辐射图像，二维伽马辐射图像与可见光图像精确融合也只能实现二维角平面上的定位。本发明实施例进一步提出设置多台伽马相机（或单台伽马相机）从不同位置、不同角度对同一区域进行探测，利用相应的数据处理方法和三维图像重建算法，以实现放射性物质的三维空间定位。

在一定条件下，上述视差估计与校正的方法可以用于对一定距离以内的目标物体到伽马相机的距离进行间接估测，从而实现放射源的近似三维定位。如图5所示，在两个可见光照相机相对于伽马相机中心位置偏置均为x_offset的情况下，目标物体到伽马相机的距离d的计算公式为，

在本发明的一个实施例中，由于视野中不同的物体与伽马相机的距离可能有较大变化，在公式中d是变量，因此，可见光图像之间的精确配准需要进行非刚性配准。并且由于可见光图像空间分辨率有限，因此当目标物体与设备距离增大时，视差随之变小，如上述距离公式所示，当视差小于可见光图像空间角分辨率时，则无法通过图像配准精确估计，因此无法推算目标物体到伽马相机的距离。如前，此时可将光图像与伽马辐射图像的视差也将远小于伽马辐射图像的空间分辨率，从而可以忽略对伽马图像与可见光图像融合精度的影响，直接将伽马辐射图像与任一可见光照相机获取的图像相融合即可。

需要说明，当放射性物质与探测设备之间存在其它物体遮挡时，伽马辐射图像仍能放射性物质的二维角度位置，但此时其与可见光图像中相同位置的物体不存在对应关系，因此，在近距离范围内(小于50米)，利用可见光图像进行视差校正及距离估测会产生误差；如前所述，当放射源与可见光遮挡物与伽马相机距离都大于50米时，则可见光图像与伽马辐射图像之间的视差可以忽略，但利用可见光图像之间的视差估测放射源到伽马相机的距离仍是不准确的。

图6为根据本发明一个实施例的多台伽马相机从不同位置不同角度对同一区域进行探测的示意图。

在本发明的一个实施例中，单独一台伽马相机可以实现放射性物质二维角度分布成像(相对于伽马相机的视角)及视野内的定位。一般情况下(即放射性物质与伽马相机之间存在遮挡物的情况)，放射性物质到伽马相机的距离是无法精确估测的，因此，单台伽马相机很难实现放射性物质的三维空间定位。在本发明实施例中,设置两台或多台伽马相机从不同位置、不同角度对同一区域进行探测以得到多个数字信号,接收模块1000接收该多个数字信号,计算模块2000根据得到的多个数字信号获得对应的多个伽马辐射图像，进而根据多个伽马辐射图像计算出该区域内的放射性物质的三维空间定位和活度测量。如图6所示，图中1与2分别表示两台同类型的本发明实例的设备，3为控制两台设备进行数据采集、图像重建与分析的计算装置，4为两台设备共同探测的区域。在设备1中，12为可见光照相机，13为伽马相机中的位置灵敏光电转换器件，例如，如位置灵敏光电倍增管等，14为伽马相机中的闪烁晶体探测器，15为铅或钨制成的单针孔、多针孔或编码板类型的伽马光子准直器，16为信号处理电子学组件，17为伽马相机屏蔽外壳，18为计算机与相机之间的数据传输电缆。

当放射性物质的空间分布近似于单点源或若干离散的点源的情况时，本发明实现放射性物质三维定位的基本原理是首选确定点源在每个设备视野中的角度位置，然后通过利用各个设备之间已知的位置与视角的关系对点源的在各个设备视野中的角度位置进行相关，从而确定点源三维位置。具体实现中，首选确定重建图像中的点源在每个设备特有坐标系中的位置所满足的关系。

首先考虑最简单的情况，当放射性物质分布在空间中近似为单点源的情况时，如图7所示，以伽马相机准直器中心为坐标原点，垂直准直器方向为z轴，则重建图像位于角平面上(α_1a,β_1a)位置的点源在伽马相机坐标系的三维空间坐标(x_1a,y_1a,z_1a)满足如下关系，

$a\tan \left(\frac{x_{1a}}{z_{1a}}\right)={\mathrm{\&alpha;}}_{1a},a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{1a}---\left(3\right)$

当空间存在两台伽马相机a和b时，如图7所示，定义点源在通用坐标系的位置(x₁,y₁,z₁)，T_a为由通用坐标系向伽马相机a所特有坐标系的坐标变换矩阵，T_b为由通用坐标系向伽马相机b所特有坐标系的坐标变换矩阵，T_a与T_b可以根据当两台设备的位置及视角方向等几何参数计算得到，坐标变换满足如下关系:

(x_1a,y_1a,z_1a,1)^T=T_a(x₁,y₁,z₁,1)^T,(x_1b,y_1b,z_1b,1)^T=T_b(x₁,y₁,z₁,1)^T   (4)

则点源在伽马相机b特有坐标系中坐标(x_1b,y_1b,z_1b)与其在伽马相机b的图像中的角平面位置(α_1b,β_1b)应满足类似公式:

$a\tan =\left(\frac{x_{1b}}{z_{1b}}\right)={\mathrm{\&alpha;}}_{1b},a\tan \left(\frac{y_{1b}}{z_{1b}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{1b}---\left(5\right)$

理论上，联合公式(3)、(4)、(5)求解，可得到点源三维位置(x₁,y₁,z₁)，实际过程中，由于噪声及伽马相机分辨率等因素导致的定位误差很可能使上述过定问题(4个方程，3个未知变量)无解析解，因此需转化成如下最优化问题求解：

$\begin{array}{c}(x_1,y_1,z_1)=\arg \min \{{(a\tan \left(\frac{x_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{1a})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{1a})}^2+{(a\tan \left(\frac{x_{1b}}{z_{1b}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{1b})}^2+\\ {(a\tan \left(\frac{y_{1b}}{z_{1b}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{1b})}^2\}\end{array}---\left(6\right)$

其中，相关中间变量定义方式参见公式(3)-(5)。

当目标监控区域的放射性物质分布可近似为多个分离的点源时，可将公式(6)扩展为:

$(x_n,y_n,z_n){|}_{n=\mathrm{1,2},...,N}$

$=\arg \min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{{(a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{na}}}{z_{\mathrm{na}}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{na}})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{1a}}{z_{1a}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{na}})}^2$

$+{(a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{nb}}}{z_{\mathrm{nb}}}\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nb}})}^2+{(a\tan \left(\frac{y_{\mathrm{nb}}}{z_{\mathrm{nb}}}\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{nb}})}^2\}---\left(7\right)$

其中n为点源编号，N为点源数目。方程(6)、(7)可以利用levenberg-marquardt等非线性数值优化方法求解。当有两个以上设备对同一区域进行监控时，可将设备进行编号(如以英文字母进行编号a、b、c)，并将公式(7)进行自然扩展到多台设备之间的坐标相关关系最大化。

当放射性物质的分布趋于复杂，无法用多点源模型进行近似，则需要将本发明实施例提供的二维伽马辐射图像统计迭代重建算法扩展到三维情况，同时对设备的数目以及探测角度分布也有一定的要求。

图8为根据本发明一个实施例的对复杂性空间分布的放射性物质进行三维成像的方法示意图。

对分布比较复杂、无法用单点源或多点源近似的放射性物质（例如放射性物质为一个或多个连续的空间分布）的三维成像的方法如图8所示。与对点源成像相比，利用多台设备从不同角度不同位置监控同一区域的基本方法不变，但是设备的数目通常要求更多，监控角度分布要求更广，同时需要采取如下的三维图像重建的方法：首先对有效三维视野区域进行离散采样，把三维空间划分为多个体素,定义体素总数目为I；对于每一个在通用坐标系内坐标为(x_i,y_i,z_i)的体素i,i=1,2,…I,其发出的伽马光子被某一设备，如编号a，的探测器像素j探测到的概率的计算方法有如下几个步骤：

1、利用公式(4)计算体素i在设备a特有坐标系内的坐标：

(x_ia,y_ia,z_ia,1)^T=T_a(x_i,y_i,z_i,1)^T

2、利用(3)计算发射自体素i的伽马光子对于设备a的入射角度：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ia}}=a\tan \left(\frac{x_{\mathrm{ia}}}{z_{\mathrm{ia}}}\right),{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ia}}=a\tan \left(\frac{y_{\mathrm{ia}}}{z_{\mathrm{ia}}}\right)$

3、根据(α_ia,β_ia)查找对应二维成像情况下的角度索引i'_a;

4、用如下公式计算

$G_{i,j}^a=\frac{{\left[\cos \left({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ia}}\right)\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ia}}\right)\right]}^3}{4\mathrm{\&pi;}{\left(z_{\mathrm{ia}}\right)}^2}{M}_{i_a^{\&prime;},j},$

其中

的定义与公式(1)和(2)中相同，需要说明的是，当监控区域与设备之间有能对伽马光子进行衰减和散射的物体时，计算

过程中需要将该该物体在蒙特卡罗方法中建模并进行仿真，同时在某些情况下，由于客观条件的限制，可能无法对这些物体对伽马光子传输造成的衰减和散射进行利用实验方法的标定。

定义自每个体素中发射的光子数为f_i,i=1,2,…,I,根据辐射物理一般规律，f_i正比于该体素内的放射性物质活度。定义设备a中伽马相机探测器像素j探测到的光子数目为则表示三维放射性物质分布图像的矢量

其中

对应f_i,可以通过如下最大似然估计方法获得：

公式(8)中x为设备编号变量，对应图8中的伽马相机a,b,c，可自然扩展到任意有限台数的设备情况。

而求解公式(8)的最大化问题可以通过与公式(2)描述的期望最大化的统计迭代方法或其他类似迭代型非线性优化方法进行求解，此处不再赘述。

在上述实施例中，通过设置多台伽马相机进行联合探测，并且结合三维图像重建算法可以得到探测区域的放射性物质的动态三维空间分布。在放射性物质分布随时间变化较小，基本处于静态的情况下，可以利用单台伽马相机，先后移动到不同的位置从不同的角度对同一区域进行探测以得到多个数字信号，其位置和角度的选取方案与上述设置多台伽马相机进行联合探测的方案相同，同理，接收模块1000接收该多个数字信号，计算模块2000再利用相同的数据组织与图像重建方法，可以获得探测区域内放射性物质的静态三维空间分布。

通过上述装置得到某一个或多个含放射性物质区域的三维空间位置并计算出该区域到各个设备的距离，结合各个设备中伽马相机探测到的辐射剂量率（或粒子注量率）及核素种类信息，以及由感兴趣区内的放射性物质发射出得光子在向各个伽马相机准直器前表面传输过程中的衰减信息，则可根据辐射物理的通用模型计算出点源或任一感兴趣区内放射性物质的放射性活度。

本发明实施例进一步提供一种放射性物质探测系统。该放射性物质探测系统包括：至少一台伽马相机和计算装置。

至少一台伽马相机，用于探测从由放射性物质定义的目标角平面的各个方向入射的伽马光子，并将探测到的伽马光子信号转化为数字信号。

计算装置，用于：根据数字信号生成所述放射性物质的伽马光子能谱；及投影数据p,投影数据p为由伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;将目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

对投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (27)

1.一种基于伽马相机的放射性物质探测方法，包括以下步骤：

伽马相机接收从放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子；

生成所述放射性物质的伽马光子能谱及投影数据p,

所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;

将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

2.如权利要求1所述的探测方法，其中，生成所述系统传输矩阵M包括以下步骤：

通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率以生成第一系统传输矩阵；和

通过放射点源实验标定，对所述第一系统传输矩阵进行修正以生成所述系统传输矩阵M。

3.如权利要求1所述的探测方法，其中，所述公式（1）通过期望最大化的统计迭代算法求解，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像中第i个像素的像素估计值，

4.如权利要求1所述的探测方法，进一步包括：

通过分析所述伽马光子能谱中的光电峰的特征能量值,识别所述放射性物质的核素类别；以及

根据所述伽马光子能谱与所述伽马辐射图像,计算来自所述目标角平面的不同方向的所述伽马光子对所述伽马相机所在位置的辐射剂量信息。

5.如权利要求1所述的探测方法，进一步包括:

在获得所述伽马辐射图像的同时，利用环绕伽马相机布置的多台可见光照相机从不同角度获取多幅可见光图像，并通过所述多幅可见光图像生成一幅与所述伽马辐射图像无视差的可见光图像；以及

在所述放射性物质与所述多台可见光照相机之间无可见光遮挡物的条件下，根据所述无视差的可见光图像获得所述放射性物质到所述伽马相机的距离。

6.如权利要求1所述的探测方法，进一步包括：

利用多台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测以得到多个二维伽马辐射图像，并根据所述多个二维伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的实时三维空间分布。

7.如权利要求6所述的探测方法，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，利用数据拟合误差最小化算法对所述多个伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的实时三维空间分布。

8.如权利要求6所述的探测方法，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，利用三维统计迭代的图像重建方法根据多台所述马伽相机所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的实时三维空间分布。

9.如权利要求1所述的探测方法，进一步包括：

利用一台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测以得到多个伽马辐射图像，并根据所述多个伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的静态三维空间分布。

10.如权利要求9所述的探测方法，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，利用数据拟合误差最小化算法对所述多个伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的静态三维空间分布。

11.如权利要求9所述的探测方法，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机在所有角度获取的所述投影数据p计算出所述放射性物质的静态三维空间分布。

12.如权利要求6-11任一项所述的探测方法，进一步包括：根据所述区域内的所述放射性物质的动态或静态三维空间分布，计算所述区域内任一放射性物质到各个所述伽马相机的距离。

13.如权利要求12所述的探测方法，进一步包括：根据所述区域内的所述放射性物质的动态或静态三维空间分布、所述核素类别、所述辐射剂量信息以及所述区域到各个所述伽马相机的距离，计算所述放射性物质的放射性活度。

14.一种放射性物质探测装置，包括：

接收模块，用于接收数字信号，所述数字信号由至少一台伽马相机探测到的从由放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子信号转化而成；以及

计算模块，用于：

根据所述数字信号生成所述放射性物质的伽马光子能谱及投影数据p,

所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;

将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据

对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

15.如权利要求14所述的探测装置，其中，所述计算模块生成所述系统传输矩阵M包括：

通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率以生成第一系统传输矩阵；和

通过放射点源实验标定，对所述第一系统传输矩阵进行修正以生成所述系统传输矩阵M。

16.如权利要求14所述的探测装置，其中，所述公式（1）通过期望最大化的统计迭代算法求解，即：

其中，

为第n次迭代得到的伽马辐射图像中第i个像素的像素估计值，

17.如权利要求14所述的探测装置，其中，所述计算装置对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

包括：

通过分析所述伽马光子能谱中的光电峰的特征能量值,识别所述放射性物质的核素类别；以及

根据所述伽马光子能谱与所述伽马辐射图像,计算来自所述目标角平面的不同方向的所述伽马光子对所述伽马相机所在位置的辐射剂量信息。

18.如权利要求14所述的探测装置，其中，

环绕每台所述伽马相机设置有多台可见光照相机,所述多台可见光照相机分别从不同角度获取多幅可见光图像,所述接收模块还用于接收所述多幅可见光图像；以及

所述计算模块根据所述多幅可见光图像生成一幅与所述伽马辐射图像无视差的可见光图像，并且在所述放射性物质与所述多台可见光照相机之间无可见光遮挡物的条件下，根据所述无视差的可见光图像计算出所述放射性物质到每台所述伽马相机的距离。

19.如权利要求14所述的探测装置，其中，所述接收模块用于接收一台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测得到的多个数字信号，所述计算模块根据得到的所述多个数字信号获得对应的多个所述伽马辐射图像，进而根据所述多个所述伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的静态三维空间分布。

20.如权利要求19所述的探测装置，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，所述计算模块利用数据拟合误差最小化算法对多个所述伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的静态三维空间分布。

21.如权利要求19所述的探测装置，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，所述计算模块利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机的所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的静态三维空间分布。

22.如权利要求19所述的探测装置，其中，所述接收模块用于接收多台所述伽马相机从不同角度对同一区域进行探测得到的多个数字信号，所述计算模块根据得到的所述多个数字信号获得对应的多个二维伽马辐射图像，进而根据所述多个二维伽马辐射图像计算出所述区域内的所述放射性物质的实时三维空间分布。

23.如权利要求22所述的探测装置，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个近似点源时，所述计算模块利用数据拟合误差最小化算法对多个所述伽马辐射图像进行求解以得到所述放射性物质的实时三维空间分布。

24.如权利要求22所述的探测装置，其中，当所述区域内的所述放射性物质为一个或多个连续的空间分布时，所述计算模块利用三维统计迭代的图像重建方法根据所述伽马相机所获得的所述投影数据p计算出所述放射性物质的实时三维空间分布。

25.如权利要求19-24任一项所述的探测装置，其中，所述计算模块根据计算出的所述区域内的所述放射性物质的三维空间分布，计算所述区域内任一放射性物质到各个所述探测装置的距离。

26.如权利要求25所述的探测装置，其中，所述计算模块根据计算出的所述区域内的所述放射性物质的三维空间分布、所述核素类别、所述辐射剂量信息以及所述区域到各个所述探测装置的距离，计算所述放射性物质的放射性活度。

27.一种放射性物质探测系统，包括：

至少一台伽马相机，用于探测从由放射性物质定义的目标角平面(α,β)的各个方向入射的伽马光子，并将探测到的伽马光子信号转化为数字信号；以及

计算装置，用于：

根据所述数字信号生成所述放射性物质的伽马光子能谱；及投影数据p,

所述投影数据p为由所述伽马相机的每个探测器像素j探测到的伽马光子数目p_j所组成的向量,J为所述伽马相机的探测器像素数,j=1,…,J;

将所述目标角平面(α,β)离散化为I个角平面像素，f_i为自离散化后的(α_i,β_i)方向入射到伽马相机的伽马光子数，则由f_i所组成的向量f表示离散化的所述目标角平面(α,β)上的放射性物质分布f(α,β)，i=1,…I,根据对所述投影数据p进行重建以得到具有定量信息的伽马辐射图像

其中，M为系统传输矩阵，M的第j行、i列的元素M_j,i表示从所述目标角平面的(α_i,β_i)方向入射的伽马光子在所述伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率。

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