CN104237959A - 对放射性物质实时动态追踪定位的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种对放射性物质实时动态追踪定位的方法和设备，其中，设备主要包括伽马相机、可见光摄像机和数据处理装置。方法包括：伽马相机实时接收从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，生成放射性物质的投影数据，可见光摄像机实时获取视野内的可见光场景图像。数据处理装置对投影数据进行重建得到伽马辐射图像,将伽马辐射图像和可见光图像进行融合获得带有放射性物质定量信息的动态图像，根据动态图像对放射性物质进行实时追踪定位。本发明的放射性物质的实时动态追踪方法和设备，可以应用于人流往来的大型公共场所，可以对带有放射性物质的物品或者带有放射性的行人进行追踪定位，进而可以提高过往行人在公共场所的安全。
Description
技术领域
本发明涉及辐射探测技术领域，特别涉及一种对放射性物质实时动态追踪定位的方法和设备。
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接收准直器编码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。
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。在现有技术中，伽马相机与可见光相机系统用于公共场所对放射性物质进行实时动态追踪方面还比较少，技术有待开发。
发明内容
本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题。
为此，本发明的一个目的在于提出一种对放射性物质实时动态追踪定位的方法，该放射性物质的定位方法可以应用于人流往来的大型公共场所例如机场海关、通关口岸、交通枢纽等场所，可以对带有放射性物质的物品或者带有放射性物质的行人进行快速地实时动态追踪，进而可以提高过往行人在公共场所的安全。
本发明另一个目的在于提出一种对放射性物质实时动态追踪定位的设备。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出一种对放射性物质实时动态追踪定位的方法，该定位方法包括以下步骤：伽马相机实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成所述放射性物质的投影数据，可见光摄像机实时获取所述目标区域内的可见光场景图像；数据处理装置对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像；所述数据处理装置将所述伽马辐射图像和所述可见光场景图像进行融合获得带有放射性物质定量信息的动态图像，根据所述动态图像对所述放射性物质进行实时追踪定位。
本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的方法，将放射性物质探测与视频监测技术融合，通过伽马相机实时获得目标区域内放射性物质的伽马光子并生成投影数据，同时可见光摄像机实时获取目标区域的可见光场景图像，进而数据处理装置并快速地对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将目标区域的伽马辐射图像与可见光图像进行融合生成动态图像，可以根据获得的动态图像实现对放射性物质的准确直观追踪定位，可以应用于人流往来的大型公共场所例如机场海关、通关口岸、交通枢纽等场所，对带有放射性物质的物品或者带有放射性物质的行人进行实时追踪定位，可以提高过往行人在公共场所的安全。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述数据处理装置可以根据如下公式对所述投影数据进行重建以得到所述伽马辐射图像：
其中，为伽马辐射图像，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
其中，在本发明的一些实施例中，所述系统传输矩阵M的计算方法包括：通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的(αi,βi)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，以及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。
在本发明的一些实施例中，可以通过期望最大化的统计迭代算法求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mi,j为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射伽马光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，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，i＝1,2,…I。
通过上述的计算过程可以在毫秒级时间内实现快速地重建伽马辐射图像，从而可以实现对放射性物质的追踪。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出一种对放射性物质实时动态追踪定位的设备，该设备包括：伽马相机，用于实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成所述放射性物质的投影数据；可见光摄像机，用于实时获取所述目标区域内的可见光场景图像；数据处理装置对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将所述伽马辐射图像和所述可见光场景图像进行融合获得所述放射性物质的动态图像，根据所述动态图像对所述放射性物质进行实时追踪定位。
本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备，将放射性物质探测与视频监测技术融合，通过伽马相机实时获得目标区域内放射性物质的伽马光子并生成投影数据，同时可见光摄像机实时获取目标区域的可见光场景图像，进而数据处理装置并快速地对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将目标区域的伽马辐射图像与可见光图像进行融合生成动态图像，可以根据获得的动态图像实现对放射性物质的准确直观追踪定位，可以应用于人流往来的大型公共场所例如机场海关、通关口岸、交通枢纽等场所，对带有放射性物质的物品或者带有放射性物质的行人进行实时追踪定位，可以提高过往行人在公共场所的安全。
其中，在本发明的一些实施例中，所述数据处理装置根据如下公式对所述投影数据进行重建以得到所述伽马辐射图像：
其中，为伽马辐射图像估计，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述数据处理装置还用于通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的各个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，以及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。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述数据处理装置还用于通过期望最大化的统计迭代算法求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mi,j为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射伽马光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，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，i＝1,2,…I，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
数据处理装置通过上述的计算处理可以在毫秒级时间内实现快速地重建伽马辐射图像，从而可以实现对放射性物质的快速追踪。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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为根据本发明一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的方法的流程图；
图2为根据本发明的一个实施例的伽马辐射图像重建算法示意图；
图3为根据本发明一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备的框图；
图4为根据本发明的一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备的原理示意图；
图5为根据本发明的一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备生成的定位图像的示意图；以及
图6(a)和图6(b)为根据本发明的一个具体实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备实现实时动态追踪的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述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。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在本发明实施例中，将放射性物质探测和视频监控技术相融合，从而可以实现对放射源的准确直观定位。下面参照附图描述本发明实施例提出的对放射性物质实时动态追踪定位的方法和设备。
如图1所示，本发明一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的方法包括以下步骤；
S1，伽马相机实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成放射性物质的投影数据，可见光摄像机实时获取目标区域内的可见光场景图像。
具体地，可以通过可以为一台伽马相机接收目标区域内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，并生成放射性物质对应的投影数据。具体地，将伽马相机中探测器接收伽马光子入射的二维平面进行离散化，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。另外同时，可以通过一台可见光摄像机获取目标区域的的可见光场景图像。也就是说，伽马相机和可见光摄像机所监控的区域一致，并分别探测该区域的伽马光子并生成相应的投影数据，以及获取该区域的可见光场景图像。
可以理解的是，可见光摄像机获取的目标区域的可见光场景图像是实时动态的，同样地，伽马相机也可以实时地接收与可见光摄像机同时刻该目标区域的放射性物质的伽马光子并生成对应的投影数据。
S2，数据处理装置对投影数据进行重建得到伽马辐射图像。
具体地，当伽马相机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2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，定义此光子数目的分布图像为伽马辐射图像。
当伽马相机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，需要利用数据处理装置(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。其中，数据处理装置对投影数据进行图像重建获得伽马辐射图像的过程在下面详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中对伽马辐射图像重建时间仅需几十毫秒，远远大于普通成年人步行的平均速度例如5km/h(即1.5m/s)。可以理解的是，在步骤S1中实时获得放射性物质的伽马光子并生成投影数据，进而对投影数据进行重建获得的伽马辐射图像是目标区域连续不同时间的图像，可以认为是该目标区域的实时的伽马辐射图像。
S3，数据处理装置将伽马辐射图像和可见光场景图像进行融合获得带有放射性物质定量信息的动态图像，根据动态图像对放射性物质进行实时追踪定位。
其中，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场景图像相融合并显示，利用可见光场景图像给出放射性物质的位置参考信息。在获得伽马辐射图像和可见光场景图像之后，将监控目标区域的两类图像进行融合，其中，获得的伽马辐射图像和可见光场景图像可以认为该目标区域的实时图像，则将放射性物质的伽马辐射图像与可见光场景图像进行融合可以生成带有放射性物质定量信息的动态图像，进而可以根据动态图像实现对放射性物质的追踪定位。在人员往来的大型公共场所例如机场海关，将伽马辐射图像与同区域的可见光场景图像融合生成动态图像，根据动态图像即可确定带有放射性物质的物品或行人，并进行追踪定位，从而可以保障机场海关往来人员的安全。
下面详细说明数据处理装置对放射性物质的伽马光子信号对应的投影数据进行图像重建获得伽马辐射图像的过程。
具体地，参照图2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(αi,βi)方向，入射到伽马相机的每个伽马光子，在伽马相机的探测器平面引起第j个探测器像素(1<＝j<＝J)响应的概率为Mj,i,其中M为IxJ系统传输矩阵，Mj,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fi为自(αi,βi)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pj为探测器像素j(坐标(xj,yj))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：
其中，为伽马辐射图像估计，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数
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来求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mi,j为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射伽马光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，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。在本发明的一些实施例中，系统传输矩阵M的计算方法包括：通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从目标角平面的(αi,βi)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，以及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。具体地，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Mj,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，进而根据公式(1)获得伽马辐射图像。上述对投影数据进行重建获得伽马辐射图像的算法需要的时间在毫秒级,远远大于成人平均步行速度。
综上所述，本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的方法，将放射性物质探测与视频监测技术融合，通过伽马相机实时获得目标区域内放射性物质的伽马光子并生成投影数据，同时可见光摄像机实时获取目标区域的可见光场景图像，进而数据处理装置并快速地对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将目标区域的伽马辐射图像与可见光图像进行融合生成带有放射性物质定量信息的动态图像，可以根据获得的动态图像实现对放射性物质的准确直观追踪定位，可以应用于人流往来的大型公共场所例如机场海关、通关口岸、交通枢纽等场所，对带有放射性物质的物品或者带有放射性物质的行人进行实时追踪定位，可以提高过往行人在公共场所的安全。另外，采用期望最大化的统计迭代算法求解重建伽马辐射图像所需要的时间在毫秒级，远远大于成年人行走的平均速度，从而可以实现对公共场所带有放射性物质的物品或行人的快速追踪。
下面参照附图描述根据本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备。
如图3所示，本发明一个实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备包括伽马相机10、可见光摄像机20和数据处理装置30。其中，伽马相机10用于实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成放射性物质的投影数据；可见光摄像机20用于实时获取目标区域内的可见光场景图像；数据处理装置30对投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将伽马辐射图像和可见光场景图像进行融合获得带有放射性物质定量信息的动态图像，根据动态图像对放射性物质进行实时追踪定位。如图4所示为本发明实施例的对放射性物质的实时动态追踪定位设备的原理示意图，通过伽马相机10获取目标区域的放射性物质的伽马光子并生成投影数据，并有数据处理装置30根据投影数据进行图像重建获得伽马辐射图像，如图4中的A2。可见光摄像机20用于获取伽马光子信号的获得区域的可见光场景图像，如图4中的A1，其中，A1和A2属于同一目标区域。
具体地，可以通过可以为一台伽马相机10接收目标区域内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，并生成放射性物质对应的投影数据。具体地，将伽马相机10中探测器接收伽马光子入射的二维平面进行离散化，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。
另外同时，可以通过一台可见光摄像机20获取目标区域的可见光场景图像。也就是说，伽马相机10和可见光摄像机20所监控的区域一致，并分别探测该区域的伽马光子并生成相应的投影数据，以及获取该区域的可见光场景图像。
可以理解的是，可见光摄像机获取的目标区域的可见光场景图像是实时动态的，同样地，伽马相机也可以实时地接收与可见光摄像机同时刻该目标区域的放射性物质的伽马光子并生成对应的投影数据。另外，当伽马相机10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2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，定义此光子数目的分布图像为伽马辐射图像。
当伽马相机10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，需要利用数据处理装置30(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。
在本发明的一些实施例中，数据处理装置30对放射性物质的投影数据进行图像重建获得伽马辐射图像的过程为：数据处理装置30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(αi,βi)方向，入射到伽马相机的每个光子，在伽马相机的探测器平面引起第j个探测器像素(1<＝j<＝J)响应的概率为Mj,i,其中M为IxJ系统传输矩阵，Mj,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fi为自(αi,βi)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pj为探测器像素j(坐标(xj,yj))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，即数据处理装置30求解如公式(1)所示的最大化问题：
其中，为伽马辐射图像估计，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。例如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求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mi,j为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射伽马光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，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。在本发明的一些实施例中，数据处理装置30通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从目标角平面的(αi,βi)方向入射的伽马光子在伽马相机的探测器像素j上被探测到的概率以生成第一系统传输矩阵，以及通过放射点源实验标定，对第一系统传输矩阵进行修正以生成系统传输矩阵M。具体地，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。首先数据处理装置30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Mj,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用于伽马辐射图像重建，进而根据公式(1)获得伽马辐射图像。
需要说明的是，本发明实施例中数据处理装置30对伽马辐射图像重建时间仅需几十毫秒，则伽马相机10实时获得由放射性物质的伽马光子生成对应的投影数据，进而数据处理装置30重建获得的伽马辐射图像是目标区域连续不同时间的图像，可以认为是该目标区域的实时的伽马辐射图像。
在对投影数据进行重建得到伽马辐射图像之后，数据处理装置30将监控同一目标区域的两类图像进行融合，其中，获得的伽马辐射图像和可见光场景图像可以认为该监控目标区域的实时图像，则将放射性物质的伽马辐射图像与可见光场景图像进行融合生成对于带有放射性物质定量信息的动态图像，进而根据动态图像对放射性物质的追踪定位。在人员往来的大型公共场所例如机场海关，数据处理装置30将伽马辐射图像与同区域的可见光图像融合生成带有放射性物质定量信息的动态图像，根据动态图像即可确定带有放射性物质的物品或行人，并进行追踪定位，从而可以保障机场海关往来人员的安全。例如，如图5所示，为数据处理装置30将伽马辐射图像和可见光场景图像进行融合获得的对放射性物质准确定位的定位图像，在定位图像中可以获得放射性物质的定位信息，例如图5中，定位行人C携带放射性物质。
可以理解的是，普通成年人步行的平均速度约在5km/h(即1.5m/s)，本发明的实施例的放射性的实时动态追踪系统中的伽马辐射图像重建时间仅需几十毫秒，远远大于成年人步行平均速度，从而可以快速准确的融合可见光动态图像和伽马辐射图像得到最终显示有定位信息的实时动态图像。当行人带有放射性物质移动时，皆可对其实现实时快速动态追踪定位。例如，本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备可以实现对带有放射性行人快速准确追踪的实时定位。如图6(a)和图6(b)所示，为通关通道采集的核医学检查病人定位图像的示意图。在区域Z中，定位行人A为骨骼扫描病人，可以对其进行实时追踪定位。再例如，定位行人B为甲状腺病人，也可以实时定位其行踪。
综上所述，本发明实施例的对放射性物质实时动态追踪定位的设备，将放射性物质探测与视频监测技术融合，通过伽马相机实时获得目标区域内放射性物质的伽马光子并生成投影数据，同时可见光摄像机实时获取目标区域的可见光场景图像，进而数据处理装置并快速地对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将目标区域的伽马辐射图像与可见光图像进行融合生成带有放射性物质定量信息的动态图像，可以根据获得的动态图像实现对放射性物质的准确直观追踪定位，可以应用于人流往来的大型公共场所例如机场海关、通关口岸、交通枢纽等场所，对带有放射性物质的物品或者带有放射性物质的行人进行实时追踪定位，可以提高过往行人在公共场所的安全。另外，数据处理装置采用期望最大化的统计迭代算法求解伽马辐射图像所需要的时间在毫秒级，远远大于成年人行走的平均速度，从而可以实现对公共场所带有放射性物质的物品或行人的快速追踪。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (8)
1.一种对放射性物质实时动态追踪定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
伽马相机实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成所述放射性物质的投影数据，可见光摄像机实时获取所述目标区域内的可见光场景图像；
数据处理装置对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像；
所述数据处理装置将所述伽马辐射图像和所述可见光场景图像进行融合获得带有放射性物质定量信息的动态图像，根据所述动态图像对所述放射性物质进行实时追踪定位。
2.如权利要求1所述的对放射性物质实时动态追踪定位的方法，其特征在于，所述数据处理装置根据如下公式对所述投影数据进行重建以得到所述伽马辐射图像：
其中，为伽马辐射图像估计，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
3.如权利要求2所述的对放射性物质实时动态追踪定位的方法，其特征在于，所述系统传输矩阵M的计算方法包括：
通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的各个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，以及
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。
4.如权利要求3所述的对放射性物质实时动态追踪定位的方法，其特征在于，通过期望最大化的统计迭代算法求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mi,j为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射伽马光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率，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，i＝1,2,…I，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
5.一种对放射性物质实时动态追踪定位的设备，其特征在于，包括：
伽马相机，用于实时接收目标区域内从放射性物质定义的目标角平面各个方向入射的伽马光子，并生成所述放射性物质的投影数据；
可见光摄像机，用于实时获取所述目标区域内的可见光场景图像；
数据处理装置，用于对所述投影数据进行重建得到伽马辐射图像，并将所述伽马辐射图像和所述可见光场景图像进行融合获得所述放射性物质的动态图像，根据所述动态图像对所述放射性物质进行实时追踪定位。
6.如权利要求5所述的对放射性物质实时动态追踪定位的设备，其特征在于，所述数据处理装置根据如下公式对所述投影数据进行重建以得到所述伽马辐射图像：
其中，为伽马辐射图像估计，M为系统传输矩阵，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
7.如权利要求6所述的对放射性物质实时动态追踪定位的设备，其特征在于，所述数据处理装置还用于通过蒙特卡洛模拟仿真，模拟计算从所述目标角平面的各个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，以及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。
8.如权利要求7所述的对放射性物质实时动态追踪定位的设备，其特征在于，所述数据处理装置还用于通过期望最大化的统计迭代算法求解重建伽马辐射图像，即：
其中，Mj,i为所述系统传输矩阵中第i行第j列的元素，即不同方向入射光子(i)在每个探测器像素(j)上被探测到的概率。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，i＝1,2,…I，pj为探测器像素j探测到的伽马光子数。
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