CN104267425A - 一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法，针对一款HPGe探测器，基于不同能量伽马射线全能峰探测效率测量数据，采用蒙特卡罗粒子输运数值计算，调整探测器灵敏区的几何参数，获得探测器灵敏区的几何参数；采用蒙特卡罗粒子输运数值计算，求解探测器表面不同能量伽马射线在不同离散区域、不同离散角度相空间上对应的微分探测效率分布；基于待测人体的CT医学影像数据，建立人体解剖结构特征的体素模型和感兴趣器官或区域的体素模型，感兴趣器官或区域作为源区；由指数衰减公式，求解源区体素到探测器表面面积元的直穿伽马射线份额，利用建立的微分探测效率分布数据，通过多重积分获得针对源区的探测器全能峰探测效率。

Description

一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法

技术领域

本发明涉及辐射测量技术领域，具体涉及基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法。

背景技术

对经由呼吸道沉积在人体肺中的放射性核素进行定量测量，评估人体放射性核素的摄入量和内照射剂量，保障涉核岗位操作人员的人身安全和身体健康至关重要。对涉核岗位的工作人员采用体外HPGe探测器对甲状腺或肺部进行定量测量的关键环节是对探测器的源峰探测效率进行准确地刻度。目前采用参考人或通用体模的效率刻度方法精度低，因为人体组织的非均匀性以及不同个体之间差异较大，造成刻度曲线的差异。另外，针对每一位待测个体，基于真实人体精细的数字模型，采用蒙特卡洛方法计算探测效率曲线不能满足临床应用时间(分钟量级)要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法，基于真实人体精细的数字模型，获得的探测效率曲线精度高，而时间花费在秒量级，满足临床实时检测的要求。

本发明的技术解决方案：一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法，采用如下步骤实现：

(1)针对一款HPGe锗探测器，采用三个或三个以上的不同能量伽马射线全能峰探测效率测量数据，利用蒙特卡罗粒子输运数值计算，调整探测器晶体的死层厚度，冷指大小，以及晶体与探头前表面的距离几何参数L1，获得该款高纯锗探测器探测效率计算值与实验测量值之间的偏差符合要求所对应的HPGe探测器几何参数；

(2)结合步骤(1)获得的HPGe探测器几何尺寸，采用蒙特卡罗粒子输运数值计算，求解不同能量伽马射线在HPGe探测器表面不同离散区域、不同离散角度上入射所对应的微分探测效率分布，并建立能量相关微分探测效率数据库；经过步骤(1)和步骤(2)建立表征该款HPGe探测器探测性能数据库；

(3)针对放射性核素体外检测个体，由待测个体的CT医学影像数据，利用临床医学影像诊断领域广泛使用的CT值与物理密度之间的转换方案以及CT值到元素质量百分比之间的转换方案，建立反映人体解剖结构特征的体素模型和感兴趣器官或区域的体素模型，感兴趣器官或区域的体素模型在步骤(4)中作为均匀源区空间使用；

(4)由指数衰减公式和伽马射线与介质相互作用微观总截面，求解伽马射线由步骤(3)建立的源区空间体素，在步骤(3)建立的人体体素模型空间内输运，到达HPGe探测器表面面积元的直穿伽马射线份额利用步骤(2)建立的微分探测效率分布数据在步骤(3)建立的体素体模空间上，通过多重积分求得HPGe探测器最终全能峰探测效率，积分公式为：

其中，V为源区，e为伽马光子能量，ω为极角，为方位角。

本发明的原理：对于某特定的HPGe探测器，首先进行高精度的实验测量和蒙特卡罗计算，得到探测器表面的探测效率角分布，该过程称为探测器表征；最终形成不同能量伽马射线所对应的探测效率角分布数据库，代表该款HPGe探测器的探测性能。针对放射性核素体外检测个体，由待测个体的CT医学影像数据，建立反映人体解剖结构特征的体素模型和感兴趣器官或区域的体素模型。在计算探测器效率刻度曲线时，对于某一能量的空间体积源，计算其对探测器表面每一点的直穿量，再结合探测器效率角分布，就可以得到该能量所对应的源峰探测效率。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用待测人体的CT医学影像数据，建立真实反映人体组织结构的数字体模，采用数值计算刻度的方法求解探测器源峰探测效率。建立的刻度曲线精度较高，可用于待测人体测量伽马谱的解谱和分析，进而评估放射性核素的种类、摄入量以及人体所受到的内照射剂量。计算效率刻度曲线的时间在秒量级，满足临床应用的时间要求。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为HPGe探测器结构与放射源布局示意图，图中点源位置1，晶体铝支架2，冷指3，铝壳4，绝缘体5，Ge晶体6，外部电子学7，内部电子学8，真空区9，高压电极10，点源距探测器轴距离R，点源距探测器端面距离Z，D＝76mm，d＝61mm，H＝28.5mm，L1＝5mm，L2＝1.5mm，L3＝0.5mm，L4＝1.5mm，L5＝3.2mm，L6＝1mm；

图3为人体模型、HPGe探测器、源区示意图，图中HPGe探测器11，人体体素模型12，感兴趣区域体素模型-源区13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明实施过程如下：

(1)HPGe探测器探测性能表征。HPGe探测器探测性能的表征工作是开展人体内照射HPGe探测器体外探测探测效率数值计算刻度的前提，其意义在于完成表征之后的探测器在不进行实验测量的条件下，可计算得到它的绝对探测效率，避免实验测量探测器绝对效率时的一系列误差。

具体步骤如下：

(a)如图2所示，典型的HPGe探测器尺寸参数如下：D＝76mm，d＝61mm，H＝28.5mm，L1＝5mm，L2＝1.5mm，L3＝0.5mm，L4＝1.5mm，L5＝3.2mm，L6＝1mm。坐标原点为HPGe探测器11的端面中心位置，采用三组或以上放射性同位素点源，伽马射线能量可选择59.54keV、661.66keV、1332.5keV。点源分别放置在HPGe探测器轴线上(R＝0)和偏离轴线一定距离(R>0)的位置上进行源峰探测效率测量；具有不同能量特征的点源位置1距离HPGe探测器前端面的距离Z和径向距离R分别取九组以上开展测量，即(R，Z)取(0，2)、(0，150)、(0，250)、(150，150)、(250，250)、(150，-20)、(250，-20)、(40，-30)，(150，-30)，单位mm。经过本步骤获得至少27个探测器探测效率测量值。

(b)采用蒙特卡罗程序进行探测效率计算，所需的各结构部件的几何与材质信息，如晶体铝支架2、冷指3、铝壳4、绝缘体5、Ge晶体6、外部电子学7、内部电子学8、真空区9、高压电极10等，按照厂家提供的说明信息确定。其中，直接采用HPGe探测器11厂家提供的HPGe探测器Ge晶体6直径d与Ge晶体6长度H，调节晶体的死层厚度、冷指3尺寸和Ge晶体6与探头前表面的距离L1以及外壳厚度L2，直到计算值与第(a)步获得的不同位置测量值之间的偏差满足要求。经过本步骤获得探测器期望的几何参数，包括探测器Ge晶体6直径d与Ge晶体6长度H，探测器晶体死层厚度、冷指3尺寸，Ge晶体6与探头前表面距离L1，外壳厚度L2。

(c)基于第(b)步获得的探测器期望几何参数，采用蒙特卡罗程序计算探测器前端面和侧面不同离散区域的探测效率分布数据，形成不同能量入射伽马射线的探测效率数据库。

(2)人体体素模型12建立。对于人体体外HPGe探测器11的探测效率计算，还需要与人体复杂的解剖结构信息，即与人体体素模型12相结合，采用数值积分开展计算才能最终获得HPGe探测器对人体的探测效率。针对放射性核素体外检测个体，由待测个体的CT医学影像数据，如图3所示，建立反映人体解剖结构特征的人体体素模型12和感兴趣区域体素模型-源区13。其中人体体素模型12所表达的解剖结构的几何信息直接由CT图像决定，即由各体素的位置来表示。CT图像分辨率一般比较高(512象素×512象素)，考虑到计算机存储容量，体元尺寸最好在2～5mm之间，所以合并相邻的体素形成大的体素(也称为网格)。将CT切片沿互相垂直的两方向进行等分，得到网格，网格的CT值由该网格内各体素的CT值进行算术平均，再根据所选取的CT值与物理密度之间的转换方案求解出网格点的质量密度。网格点的元素组成通过比较网格点的CT值与介质成分转换表来确定。建立后的人体体素模型12包括网格数目，坐标信息，材料号三维矩阵和物理密度的三维矩阵，以及介质成分表。

所述步骤(2)中使用的CT值与物理密度之间的转换方案如下。

所述步骤(2)中使用的CT值到元素组成质量百分比之间的转换方案如下。

(3)由指数衰减公式和伽马射线与介质相互作用微观总截面，求解伽马射线由感兴趣区域体素模型-源区13的当前体素，穿过人体体素模型12到达HPGe探测器11表面面积元的直穿伽马射线份额利用建立的微分探测效率分布数据在人体体素模型12的几何空间上，通过多重积分求得HPGe探测器11最终全能峰探测效率，积分公式为：

其中，V为源区，e为伽马光子能量，ω为极角，为方位角。

Claims (1)

1.一种基于CT数据的内照射HPGe探测器探测效率确定方法，其特征在于采用如下步骤实现：

(1)针对一款HPGe探测器，采用三个或三个以上的不同能量伽马射线全能峰探测效率测量数据，利用蒙特卡罗粒子输运数值计算，调整探测器晶体的死层厚度，冷指大小，以及晶体与探头前表面的距离几何参数，获得该款HPGe探测器探测效率计算值与实验测量值之间的偏差符合要求所对应的HPGe探测器几何参数；

(2)结合步骤(1)获得的HPGe探测器几何尺寸，采用蒙特卡罗粒子输运数值计算，求解不同能量伽马射线在HPGe探测器表面不同离散区域、不同离散角度上入射所对应的微分探测效率分布，并建立能量相关微分探测效率数据库；经过步骤(1)和步骤(2)建立表征该款HPGe探测器探测性能数据库；

(3)针对放射性核素体外检测个体，由待测个体的CT数据，利用临床医学影像诊断领域广泛使用的CT值与物理密度之间的转换方案以及CT值到元素质量百分比之间的转换方案，建立反映人体解剖结构特征的体素模型和感兴趣器官或区域的体素模型，感兴趣器官或区域的体素模型在步骤(4)中作为均匀源区空间使用；

(4)由指数衰减公式和伽马射线与介质相互作用微观总截面，求解伽马射线由步骤(3)建立的源区体素，在步骤(3)建立的人体体素模型空间内输运，到达HPGe探测器表面面积元的直穿伽马射线份额利用步骤(2)建立的微分探测效率分布数据在步骤(3)建立的体素体模空间上，通过多重积分求得HPGe探测器的最终全能峰探测效率，积分公式为：

其中，V为源区，e为伽马光子能量，ω为极角，为方位角。