CN104035119A - 肺部不均匀γ内污染探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肺部不均匀γ内污染探测装置，包括微型阵列式射线探测器、模数转换单元、多通道反符合脉冲甄别单元、多通道数字能谱测量单元、为上述各电路供电的电源系统，以及上位机。本发明采用微型阵列式射线探测器，通过反符合测量有效降低本底对测量结果的影响，使测量结果更接近真实值。所使用反符合算法对单个子探测器的核脉冲进行甄别处理，减弱穿透周围对象子探测器进入的射线干扰，降低能谱的康普顿平，使全能峰更加明显，有效提高了测量精度。同时，用上位机进行肺部内污染二维成像，能直观地显示肺部内污染的分布情况，对于肺部不均匀内污染评价具有很大的帮助。

Description

肺部不均匀γ内污染探测装置

技术领域

本发明涉及一种肺部沉积物所释放的γ射线探测装置，尤其涉及一种肺部不均匀γ内污染探测装置。

背景技术

生活中放射性物质无处不在，一些放射性核素，如镅、钚等，一旦被人体吸入后，会在肺内停留数周甚至更长的时间，通过尿液检测的方法还无法检测出来。现今针对肺部内污染沉积物的检测，通常采用计数器测量，对准肺部，通过测量内部放射性污染物释放的γ射线，估算核素在肺部的沉积量。

目前所知的肺部计数器有高纯锗探测器和单探头NaI(Tl)探测器。前者测试的条件是低本底环境测量，高纯锗探测器需液氮制冷，在低温条件下工作，测量时间在30分钟左右。这种测量方法场所有限制，探测器工作条件特殊，并且测量时间长；后者测量虽然移动方便，携带便捷，但对于本底射线的滤除效果不佳，且对核素在肺部内的分布情况不能精准定位。因此，一种可以不受场地限制、能滤除射线干扰、并快速对肺部内污染情况进行二维成像的医学诊断探测装置就显得非常重要。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，不受场地限制、能滤除射线干扰、并快速对肺部内污染情况进行二维成像、对医学诊断非常重要的肺部不均匀γ内污染探测装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：包括微型阵列式射线探测器、模数转换单元、多通道反符合脉冲甄别单元、多通道数字能谱测量单元、为上述各电路供电的电源系统，以及上位机；

所述微型阵列式射线探测器正对人体肺部放置，探测肺部多个位置沉积的放射性核素物所释放的γ射线，并将检测到的对应多个位置的各路模拟核脉冲信号送入模数转换单元中；

模数转换单元将多路模拟核脉冲信号转换为数字核脉冲信号，并送入多通道反符合脉冲甄别单元中；

所述多通道反符合脉冲甄别单元将数字核脉冲信号进行反符合算法处理，再将甑别后的信号送入多通道数字能谱测量单元；

所述多通道数字能谱测量单元对数字核脉冲信号进行脉冲成形，脉冲幅度甄别，形成γ能谱，并送入上位机中；

所述上位机内置肺部内污染分析软件，实现核素识别和活度计算，并对肺部放射性内污染活度分布进行二维成像。

在此，微型阵列式射线探测器主要是起到数据采集的作用，它正对人体肺部放置，能将肺部划分为矩阵的形式，然后采集不同区域的γ射线，形成模拟核脉冲信号，经过模数转换单元转换成数字核脉冲信号，再通过多通道反符合脉冲甄别单元进行反符合算法处理，滤除干扰和不成形的信号，将合格的信号送入多通道数字能谱测量单元中，形成与肺部多个位置对应的多个γ能谱，也就是说，γ射线经处理后形成了γ能谱，且每个γ能谱是与肺部不同区域的γ射线对应的，我们可以通过编码等方式，确认γ能谱到底为肺部哪个区域的γ射线形成的，送入上位机中分析处理，实现核素识别和活度计算，并对肺部放射性内污染活度分布进行二维成像。核素识别和活度计算，主要通过上位机中的肺部内污染分析软件来实现。

作为优选：所述微型阵列式射线探测器宽10厘米到14厘米，长14厘米到18厘米，由微型的子探测器相互紧靠、且呈阵列式结构排布在铝合金框架中，并按先行后列进行一次编码，其中，子探测器由2cm×2cm×2cm的立方体型CsI晶体和硅光电倍增管组成。

作为优选：所述微型阵列式射线探测器宽12cm，长16cm。

在这里，肺部沉积物释放出γ射线，进入微型阵列式射线探测器，经CsI晶体作用后，将光子送入后方的硅光电倍增管中，最终产生模拟核脉冲信号。

作为优选：所述模数转换单元包括与各子探测器对应工作的ADC，且编码方法与微型子探测器编码相对应。

ADC主要是对模拟核脉冲信号进行模数转换，方便后期FPGA处理，子探测器和ADC采用相对应的编码方法进行编码，能实现一一对应，且编码后，能精确将信号对应到肺部的不同部位，方便后期的二维成像，例如，将某一子探测器编码为i，则与其对应的ADC也为i，它们的信号角标也采用i标记。

作为优选：所述多通道反符合脉冲甄别单元由多片以总线方式连接的FPGA构建，对多路数字核脉冲信号进行并行处理，对相邻的子探测器进行的核脉冲信号进行数字反符合甄别，并输出反符合数字脉冲信号。

在这里，根据子探测器间的相邻情况，将12片FPGA以总线方式连接，并对多路数字核脉冲信号进行并行处理，这样，相邻的子探测器间可相互通信，ADC将子探测器送至的核脉冲信号进行模数转换，转换后的数字信号传递给FPGA进行反符合算法处理，将处理后的反符合数字脉冲信号送到多通道数字能谱测量单元中。

作为优选：所述多通道数字能谱测量单元也由上述FPGA构建。

进一步的，作为优选：所述子探测器为48个，按照8行、6列排列，且按照先行后列的方式编码，所述ADC也为48个，PFGA为12个，每个PFGA对应获取4个ADC采集的数字核脉冲信号。

在这里，微型阵列式射线探测器整体根据成年男性的肺部大小设计，由48个子探测器相互紧靠，呈纵向6列、横向8行的阵列式结构排布在铝框架中。其中，子探测器由前方2cm×2cm×2cm的长方体型CsI晶体和后方的光电倍增管组成。

下面我们详细介绍反符合算法。

作为优选：所述反符合算法流程为：

（1）首先将各子探测器T _i探测到的模拟核脉冲信号进行模数转换得到的数字核脉冲信号N _i与FPGA设定的噪声阈值进行比较，给出与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i（i为ADC编号或探测器编号）；

（2）然后FPGA同时以各微型子探测器为中心、包围该子探测器的上、下、左、右子探测器为对象，利用上、下、左、右四个对象子探测器输出的与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1，进行反符合甄别，其中L为每行子探测器的个数，若中心子探测器处于阵列式排布中的边缘部分，则仅将包围其的另外2个或是3个子探测器作为对象子探测器；

（3）以中心子探测器的矩形脉冲信号S _i的上升沿和下降沿分别作为时间基准，判断在两个时间基准上，四周对象子探测器的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1的电平，再进行“或”运算，即S _i|S _i-L|S _i+L|S _i-1|S _i+1，上升沿和下降沿运算结果分别记为R _r 和R _f ；

（4）若R _r 或R _f 为“1”，则舍弃中心子探测器信号；若R _r 和R _f 均为“0”，则保留。

在这里，根据反符合算法，FPGA编程时，选取阵列式编号后的任意子探测器i号为比较中心，其上、下、左、右的四个子探测器为比较对象（如果比较中心处于阵列边缘，则仅与其相邻对象比较）。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用微型阵列式射线探测器，通过反符合测量有效降低本底对测量结果的影响，使测量结果更接近真实值。所使用反符合算法对单个子探测器的核脉冲进行甄别处理，减弱穿透周围晶体进入的射线干扰，降低能谱的康普顿平，使全能峰更加明显，有效提高了测量精度。同时，用上位机进行肺部内污染二维成像，能直观地显示肺部内污染的分布情况，对于肺部不均匀内污染评价具有很大的帮助。

附图说明

图1为本发明的系统框架示意图；

图2为本发明的电路原理功能框图；

图3为本发明中多通道反符合脉冲甄别单元工作原理图；

图4为本发明中多通道反符合脉冲甄别单元反符合算法流程图；

图5为本发明的多通道数字能谱测量单元示意框图；

图6为本发明的肺计数分析软件框图；

图7为本发明的通信接口电路示意图；

图8为本发明的电源模块示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图8，一种肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：包括微型阵列式射线探测器、模数转换单元、多通道反符合脉冲甄别单元、多通道数字能谱测量单元、为上述各电路供电的电源系统，以及上位机；

所述微型阵列式射线探测器正对人体肺部放置，探测肺部多个位置沉积的放射性核素物所释放的γ射线，并将检测到的对应多个位置的各路模拟核脉冲信号送入模数转换单元中；模数转换单元将多路模拟核脉冲信号转换为数字核脉冲信号，并送入多通道反符合脉冲甄别单元中；所述多通道反符合脉冲甄别单元将数字核脉冲信号进行反符合算法处理，再将甑别后的信号送入多通道数字能谱测量单元；所述多通道数字能谱测量单元对数字核脉冲信号进行脉冲成形，脉冲幅度甄别，形成γ能谱，并送入上位机中；所述上位机内置肺部内污染分析软件，实现核素识别和活度计算，并对肺部放射性内污染活度分布进行二维成像。

本实施例中，微型阵列式射线探测器参考成年男性肺部单片肺叶的大小来设计的，宽10厘米-14厘米，长14厘米到18厘米，本实施例中，采用宽12厘米，长16厘米的尺寸，所述微型阵列式射线探测器由微型的子探测器相互紧靠、且呈阵列式结构排布在铝合金框架中，并按先行后列进行一次编码，其中，子探测器由2cm×2cm×2cm的立方体型CsI晶体和硅光电倍增管组成；模数转换单元包括与各子探测器对应工作的ADC，且编码方法与微型子探测器编码相对应；多通道反符合脉冲甄别单元由多片以总线方式连接的FPGA构建，对多路数字核脉冲信号进行并行处理，对相邻的子探测器进行的核脉冲信号进行数字反符合甄别，并输出反符合数字脉冲信号；多通道数字能谱测量单元也由上述FPGA构建。

更具体的，在本实施例中，所述子探测器为48个，按照8行、6列排列，且按照先行后列的方式编码，所述ADC也为48个，子探测器和ADC一一对应，编码方式也相对应，PFGA为12个，每个PFGA对应获取4个ADC采集的数字核脉冲信号。

在多通道反符合脉冲甄别单元中，FPGA内部设定噪声阈值，与核信号进行比较，得到高低电平，经反符合算法处理后，滤除干扰和不成形的信号；所述多通道数字能谱测量单元也由上述FPGA构建，也就是说，可编程的FPGA通过编程，分别实现两个多通道反符合脉冲甄别单元和多通道数字能谱测量单元的功能，每个FPGA的编程方式相同。

检测时，所述微型阵列式射线探测器正对人体肺部放置，探测肺部48个位置沉积的放射性核素物释放的γ射线，并将检测到的对应48个位置的48个模拟核脉冲信号送入模数转换单元中，通过模数转换单元中的48个ADC，对应的将48个模拟核脉冲信号转换为数字核脉冲信号，并送入多通道反符合脉冲甄别单元中；多通道反符合脉冲甄别单元收到数字核脉冲信号后，将其进行反符合算法处理，滤除干扰和不成形的信号，再将甑别后的信号送入多通道数字能谱测量单元；多通道数字能谱测量单元将甑别后的数字核脉冲信号进行脉冲成形，脉冲幅度甄别，形成与肺部多个位置对应的多个γ能谱，送入上位机中；最终，通过上位机内置的肺部内污染分析软件，实现核素识别和活度计算，并对肺部放射性内污染活度分布进行二维成像。

参见图1，微型阵列式射线探测器由48个子探测器相互紧靠，呈纵向6列、横向8行的阵列式结构排布在铝框架中，在探测时正对肺叶测量，可左右移动分别探测左右肺叶。子探测器编号后，每4个为一组接入1个FPGA，图中为其中一组的示例。其后依次连接多通道反符合脉冲甄别单元和多通道数字能谱测量单元，电源系统分别给各个部分供电。

参阅图2，本发明中有48个呈阵列式排布的相同的数字化γ信号获取子系统，图2为其中之一。肺部沉积物的射线进入子系统的前端 CsI探测器和硅光电倍增管后实现γ辐射信号到电脉冲的转换。电脉冲经前置放大和主放大后，交由多通道反符合脉冲甄别单元、多通道数字能谱测量单元进行后期处理。系统中的高压电源模块给子探测器和低压电源供电，低压电源给系统其他部分供电。

参阅图3，在连接时，每4个经ADC转换的核脉冲信号接入1个FPGA。由于4个接入信号的处理方式相同，图示为其中之一的连接处理方法。将n号子探测器接到n号ADC上进行核脉冲信号模数转换，然后把转换好的数字信号送入指定编号的FPGA中经阈值比较器后转换为高低电平信号。最后经反符合算法，将除中心晶体外的对象晶体进行“或”运算。

参阅图4，具体算法如下：

（1）首先将各子探测器T _i探测到的模拟核脉冲信号进行模数转换得到的数字核脉冲信号N _i与FPGA设定的噪声阈值进行比较，给出与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i（i为ADC编号或探测器编号）；

（2）然后FPGA同时以各微型子探测器为中心、包围该子探测器的上、下、左、右子探测器为对象，利用上、下、左、右四个对象子探测器输出的与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1，进行反符合甄别，其中L为每行子探测器的个数，若中心子探测器处于阵列式排布中的边缘部分，则仅将包围其的另外2个或是3个子探测器作为对象子探测器；

（3）以中心子探测器的矩形脉冲信号S _i的上升沿和下降沿分别作为时间基准，判断在两个时间基准上，四周对象子探测器的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1的电平，再进行“或”运算，即S _i|S _i-L|S _i+L|S _i-1|S _i+1，上升沿和下降沿运算结果分别记为R _r 和R _f ；

（4）若R _r 或R _f 为“1”，则舍弃中心子探测器信号；若R _r 和R _f 均为“0”，则保留。

参阅图5，多通道数字能谱测量单元由12个FPGA进行编程处理，对脉冲甄别后所获得的核脉冲信号进行脉冲成形，脉冲幅度甄别，从而形成各个子探测器的γ能谱。每个FPGA的处理方式相同，图示为其中之一。FPGA中多通道反符合脉冲甄别单元处理后的信号存入缓存一中，再进过低通滤波器、基线恢复、脉冲成形、缓存二、脉冲幅度分析等的处理，最后获得能谱。

参阅图6，肺计数分析软件的参数设置可以进行通信接口、能量刻度、核素输入和效率刻度参数设置。能量刻度即是对肺计数器的能量进行刻度；效率刻度就是对肺计数器的计数效率进行刻度；寻峰就是根据能量刻度以特征能量在能谱中找到对应的峰位；峰面积计算就是计算能量峰的面积；核素数据库就是各种核素的半衰期、生物半排期、有效半排期、特征能量、分支比、肺吸收类别、肠转移因子、对应活度中值空气动力学直径的数据库；待积有效剂量计算就是根据A和A0算出待积有效剂量；二维成像就是根据核素活度高低进行针对选定核素的颜色梯度成像。重点描述不均匀的定量计算与显示。

参阅图7，肺部内污染装置与上位机的通信有多种接口配置，如WiFi、蓝牙、USB、以太网，装置可在多种环境下使用。此处通信数据量较大，我们采用以太网即可。

参阅图8，肺部内污染装置的高压电源部分和低压电源部分由锂电池通过高压模块转换输出0-1000V正高压电源；通过低压电源模块转换输出+12V、-12V、+5V、-5V、+3.3V、+1.5V各种低电源。若采用硅光电倍增管，则不需要1000V左右的高压。

Claims (8)

1.一种肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：包括微型阵列式射线探测器、模数转换单元、多通道反符合脉冲甄别单元、多通道数字能谱测量单元、为上述各电路供电的电源系统，以及上位机；

所述微型阵列式射线探测器正对人体肺部放置，探测肺部多个位置沉积的放射性核素物所释放的γ射线，并将检测到的对应多个位置的各路模拟核脉冲信号送入模数转换单元中；

模数转换单元将多路模拟核脉冲信号转换为数字核脉冲信号，并送入多通道反符合脉冲甄别单元中；

所述多通道反符合脉冲甄别单元将数字核脉冲信号进行反符合算法处理，再将甑别后的信号送入多通道数字能谱测量单元；

所述多通道数字能谱测量单元对数字核脉冲信号进行脉冲成形，脉冲幅度甄别，形成γ能谱，并送入上位机中；

所述上位机内置肺部内污染分析软件，实现核素识别和活度计算，并对肺部放射性内污染活度分布进行二维成像。

2.根据权利要求1所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述微型阵列式射线探测器宽10厘米到14厘米，长14厘米到18厘米，由微型的子探测器相互紧靠、且呈阵列式结构排布在铝合金框架中，并按先行后列进行一次编码，其中，子探测器由2cm×2cm×2cm的立方体型CsI晶体和硅光电倍增管组成。

3.根据权利要求2所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述模数转换单元包括与各子探测器对应工作的ADC，且编码方法与微型子探测器编码相对应。

4.根据权利要求3所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述多通道反符合脉冲甄别单元由多片以总线方式连接的FPGA构建，对多路数字核脉冲信号进行并行处理，对相邻的子探测器进行的核脉冲信号进行数字反符合甄别，并输出反符合数字脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述多通道数字能谱测量单元也由上述FPGA构建。

6.根据权利要求5所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述子探测器为48个，按照8行、6列排列，且按照先行后列的方式编码，所述ADC也为48个，PFGA为12个，每个PFGA对应获取4个ADC采集的数字核脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述反符合算法流程为：

（1）首先将各子探测器T _i探测到的模拟核脉冲信号进行模数转换得到的数字核脉冲信号N _i与FPGA设定的噪声阈值进行比较，给出与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i（i为ADC编号或探测器编号）；

（2）然后FPGA同时以各微型子探测器为中心、包围该子探测器的上、下、左、右子探测器为对象，利用上、下、左、右四个对象子探测器输出的与数字脉冲信号同步的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1，进行反符合甄别，其中L为每行子探测器的个数，若中心子探测器处于阵列式排布中的边缘部分，则仅将包围其的另外2个或是3个子探测器作为对象子探测器；

（3）以中心子探测器的矩形脉冲信号S _i的上升沿和下降沿分别作为时间基准，判断在两个时间基准上，四周对象子探测器的矩形脉冲信号S _i-L、S _i+L、S _i-1、S _i+1的电平，再进行“或”运算，即S _i|S _i-L|S _i+L|S _i-1|S _i+1，上升沿和下降沿运算结果分别记为R _r 和R _f ；

（4）若R _r 或R _f 为“1”，则舍弃中心子探测器信号；若R _r 和R _f 均为“0”，则保留。

8.根据权利要求2所述的肺部不均匀γ内污染探测装置，其特征在于：所述微型阵列式射线探测器宽12cm，长16cm。