CN107260193A - 一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，属于多相流测量领域。本方法包括如下步骤：1.准备标记物并对多相流物料进行标记；2.运行流体设备、检测装置；3.获取采集数据，利用计算机对数据进行重组、重建；4.获取检测图像。本方法不受流体设备材料及流体性质的局限，具有较高的灵活性，可以根据待测设备的形状特点灵活采用不同的成像结构和算法。

Description

一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，属于多相流测量领域。

背景技术

多相流指同时存在于两种或多种不同相物质的流动的过程，是一种广泛存在于化工、石油、能源、冶金等工业领域中的一种流体形态。对多相流的研究广泛的存在于各个工业领域，准确的识别与测量多相流的流型、流态具有十分重要的意义。

多相流包括气液、气固、液固、液液两相流，以及气液固、气液液等三相及三相以上的多相流等。相较于单相流动而言，多相流流动特性复杂，相间存在界面效应和相对速度，检测难度高。以流化床反应器为例，流化床是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层使固体颗粒处于悬浮状态，并进行气固、气液等多相反应过程的反应器，流化床内部是典型的多相流动。在流化床的设计研究中，如果能够获得床内流场状态、气泡行为等流动信息，了解反应器内传质、传热行为，那将会给流化床的设计开发过程提供极大的便利和坚实的理论依据。

多相流的主要测量参数有以下几个：

流型：多相流流动中，多相界面会分布为不同的几何图形或几何形状，这种图形或形状称为流型。流型是多相流的特征之一，其会影响多相流的流动特性、传热性能和传质性能。多相流的其他参数的测量往往也依赖于对流型的了解。

流速：多相流运动中，不同相之间存在滑移，相与相之间的流动速度各不相同。各相的流动速度也是测量参数之一。

相含率：多相流的分相含率也是多相流的一项重要参数，实时了解多相流的相含率对工业生产有着重要的意义。

目前，针对多相流参数的检测方法主要包含以下几类：

1）基于传统单相流的测量方法，结合模型和针对单向流的测量方法，将用于单相流的检测技术用于多相流，如孔板流量计、电导传感器等。

2）软测量方法，如参数估计法、Hilberg-Huang变换法等。

3）近代多相流检测技术，如辐射线技术、激光多普勒技术、超声波技术、流动过程成像技术等。其中，过程成像技术还包括光学成像测量技术、X射线成像技术、γ射线成像技术、工业核磁共振技术、电阻层析成像、电容层析成像等。

γ光子断层探测技术是一种常用与医学领域的探测技术，其探测过程主要分为三个阶段：符合数据获取、数据重组、断层重建。

符合数据获取主要通过闪烁晶体和光电倍增管获取γ光子撞击事件，并通过相应的电路判断符合事件并最终获取符合数据。

在获取符合数据后，计算机通过数据重组方法将符合数据以正弦图的方式存储于计算机中，以便于后续工作。重组算法主要有单切片重组算法（SSRB）、多切片重组算法（MSRB）或傅里叶重组算法（FORE）。SSRB重组是将来自于不同探测环的数据重组到两个探测环中间的探测环上这种重组方式会导致在空间中信号的混叠。MSRB重组是指将来自不同探测环的数据平均的分布在两个探测环中间的探测环上，这种重组方式通常会使用到对大型目标的检测上。重组是指根据信号的符合数据在频域上的特点来估计出湮灭事件来自于哪个探测环上。

断层重建方法主要采用极大似然估计算法（MLEM）。在MLEM算法中，首先需要构建一个系统矩阵，系统矩阵可以表达出一个图像中某个像素对某个投影线的贡献，通常采用线模型构建。当某一条投影线穿过待测物时，仅有投影线穿过的几个像素会对投影得到的信号造成影响，而该影响的大小可以根据像素中心到该直线的距离进行度量，最终可以得到一个完整的系统矩阵。得到系统矩阵后，采用极大似然估计的方法对待测物的每个像素的放射强度进行估计。

发明内容

针对多相流设备，本发明提出了一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，可以对气液、气固、液固、液液、气液固、气液液等多相流进行测量。本方法检测分辨率高，可以实现全面无死角检测，避免了很多其他流场测量方法的局限性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，包括如下步骤：

1）准备工作：将正电子放射性标记物标记到需要测量的物料上，令物料在流体设备内运动；

2)测量过程：首先启动探测器γ光子断层成像系统，另其处于准备状态；将准备好的标记有正电子放射性标记物的物料加入多相流设备中，待设备工作稳定后，令γ断层成像系统接收数据，并由数据处理系统将符合条件的数据进行保存；通过数据重组算法，符合条件的数据会以正弦图的方式存储于计算机中；

3) 图像重建：计算机采用MLEM算法对正弦图数据进行重建，得到当前时刻的方射示踪剂断层成像图，根据断层成像图的得到当前多相流的流型、流速。

步骤2）中正电子放射性标记物为18F。

该方法采用的测量装置包括γ光子探测环道、计算机、流体设备和流体管道；其中，γ光子探测环道置于流体设备外围，将流体设备围住，流体与流体设备连接，用于构成整个多相流系统，计算机与γ光子探测环道连接，流体管道与流体设备相连接。

所述流体管道采用法兰与流体设备相连接。

所述计算机与γ光子探测环道以以太网的方式连接。

本发明的有益效果如下：

1、本发明针对多相流设备的测量方法属于非浸入式测量方法，测量过程不会对设备内的多相流状态、流速造成影响，有利于准确测量相关流动特征参数。

2、探测器能够全方位探测多相流设备的内部场态信息，实现全场无死角测量，而且可以对床内特殊区域进行针对性地跟踪测量。

3、本方法不受流体设备材料及流体性质的局限，具有较高的灵活性，可以根据待测设备的形状特点灵活采用不同的成像结构和算法。

4、本方法对物料进行标记，不仅可以测量多相流的流型、流速等参数，还可以针对具有颗粒状的流体设备内示踪颗粒的运动轨迹、颗粒在床内的浓度分布进行检测，而且可以实现对颗粒运动过程的测量。

附图说明

图1是基于正电子断层成像的流场测量装置，其中：1、计算机 ；2、流体设备；3、标记有正电子核素的物料；4、γ光子探测环道； 5、流体管道。

图2为基于正电子断层成像的流场测量装置的检测操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示，基于正电子断层成像的流场测量装置包括γ光子探测环道4，用于断层数据重组、重建的计算机1，待检测的流体设备2及向流体设备输入的流体管道5。首先将正电子核素标记到多相流其中某相物料上，根据实际情况灵活采用标记方法。将γ光子探测器环包围待测多相流设备，根据需求决定探测视角大小，γ光子探测环道4连接计算机1，通过计算机1对所得数据进行处理。正电子核素会不断的释放出正电子，正电子发生湮灭事件，释放出一对能量相等，方向相反的γ光子，γ光子可以直接穿透不透明的外壁。γ光子断层成像系统根据接收到的γ光子的时间间隔判断两个γ光子是否来自于同一个湮灭事件，并将符合数据以正弦图的方式保存至计算机中。计算机1通过断层重建算法对断层图像进行重建，从而得到当前的流型、流速等信息。

检测方法如图2所示，主要有以下几个步骤：

准备工作：测量以流化床为例进行说明，首先将正电子放射性标记物标记到固相物料上。正电子放射性标记物通常为18F，该放射性核素较容易标记在有机物上，视固相物料的成分选择标记方法将正电子放射性标记物标记。

测量过程：首先启动探测器γ光子断层成像系统，另其处于准备状态。将准备好的标记有正电子放射性标记物的物料加入到流化床（多相流设备）中。待流化稳定后，另γ断层成像系统接收数据。正电子核素会不断的释放出正电子，正电子发生湮灭事件，释放出一对能量相等，方向相反的γ光子，γ光子可以直接穿透不透明，甚至金属材质的流化床（流体设备）的外壁。γ光子断层成像系统根据接收到的γ光子的时间间隔判断两个γ光子是否来自于同一个湮灭事件，并决定是否将该数据作为符合数据进行保存。通过数据重组算法，符合数据会以正弦图的方式存储于计算机中。实际中采用傅里叶重组方法对数据进行重组。

计算机对正弦图数据进行重建，重建算法可以采用极大似然估计期望算法（MLEM）。MLEM算法是断层图像重建中最为常用的算法。

已知核素产生γ光子的过程可以认为符合泊松分布，即

(1)

其中：为自然常数；为图像中第j个像素的放射量；

对于每一个像素，产生的正电子的事件都相互独立，因此，对于某一待测物体，产生某一投影数据的分布函数为

(2)

其中：为第j对符合数据所对应的投影线对第i个像素做出的贡献，为第i对探测器对接收到的投影数据，为第j对探测器对接收到的投影数据。

若想得到某一固定的投影数据，对于切片图x的估计可采用极大似然估计

(3)

其中：为依据符合数据进行极大似然估计得到的成像的估计值，为根据公式(2)得到的极大似然估计目标期望值。

考虑对公式(2)两端同时去对数，即

(4)

对公式(4)两端求导，得

(5)

其中：为投影数据分布函数的对数函数

公式(5)两端同时乘,另导数为零，此时最大，即

(6)

(7)

进而可得（最大似然期望值最大算法）MLEM迭代方程为

(8)

其中：为第k+1次迭代得到的第j个像素的灰度值，为第k次迭代得到的第j个像素得灰度值。经重建算法重建后，可以得到当前时刻的正电子示踪剂断层成像图，根据断层成像图的可以得到当前多相流的流型、流速等状态。

以上所述仅以流化床为例对本发明进行叙述，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）准备工作：将正电子放射性标记物标记到需要测量的物料上，令物料在流体设备内运动；

2)测量过程：首先启动探测器γ光子断层成像系统，另其处于准备状态；将准备好的标记有正电子放射性标记物的物料加入多相流设备中，待设备工作稳定后，令γ断层成像系统接收数据，并由数据处理系统将符合条件的数据进行保存；通过数据重组算法，符合条件的数据会以正弦图的方式存储于计算机中；

3) 图像重建：计算机采用MLEM算法对正弦图数据进行重建，得到当前时刻的方射示踪剂断层成像图，根据断层成像图的得到当前多相流的流型、流速。

2.根据权利要求1所述的一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，其特征在于，步骤2）中正电子放射性标记物为18F。

3.根据权利要求1所述的一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，其特征在于，该方法采用的测量装置包括γ光子探测环道（4）、计算机（1）、流体设备（2）和流体管道（5）；其中，γ光子探测环道（4）置于流体设备（2）外围，将流体设备（2）围住，流体与流体设备（2）连接，用于构成整个多相流系统，计算机（1）与γ光子探测环道（4）连接，流体管道（5）与流体设备（2）相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，其特征在于，所述流体管道（5）采用法兰与流体设备（2）相连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于γ光子计算机断层成像技术的多相流成像方法，其特征在于，所述计算机（1）与γ光子探测环道（4）以以太网的方式连接。