CN108872274A

CN108872274A - γ光子成像检测技术的散射问题解决方法

Info

Publication number: CN108872274A
Application number: CN201810500240.6A
Authority: CN
Inventors: 肖辉; 赵敏; 刘兼唐; 姚敏; 郭瑞鹏; 徐君
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-11-23

Abstract

本发明公开了一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，属于γ光子散射校正解决方法技术领域。该方法包括以下步骤，步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除，达到γ光子散射校正的目的。本发明通过一个具体光子成像检测实验验证了γ光子散射校正解决方法的有效性，实验计算得到γ光子单次散射比例为59.23%，这与仿真平台显示的60%相吻合。

Description

γ光子成像检测技术的散射问题解决方法

技术领域

本发明涉及一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，属于γ光子散射校正解决方法技术领域。

背景技术

在高端装备制造领域，高精度动力系统、液压驱动系统其内部通常具有较为复杂的腔体结构，腔体结构完整性的离线检测以及运行载体溶剂在腔体中运行状态的在线检测，对优化高端设备复杂件的制造工艺和产品质量具有重要意义。以发动机为例，发动机在高温，高压，高速等恶劣的使用环境下工作，同时承受复杂的交变载荷和环境介质的腐蚀和氧化等作用，因此材料的表面或内部在重复疲劳载荷后产生一种或多种类型的缺陷，例如孔洞、裂纹等。如何离线检查发动机腔体的缺陷是工业测试领域的一个关键问题。增材加工(3D打印)技术在高端装备腔体复杂件加工过程中，如何实时监控其加工工艺及评估其加工高端装备腔体复杂件的完整性是目前增材加工在大众化过程中面临的问题。

放射性核素衰变和正电子湮灭的过程是一种自然规律，它不受外界环境和待测复杂件材料的影响。一旦工作介质被适当的放射性核素均匀标记，通过捕获由正电子湮没产生的γ光子来进行高端装备复杂件的离线测试和在线检测。正电子湮没和γ光子3D成像技术目前比较成熟的应用是正电子发射断层扫描(PET)装置，其检测原理如图1所示。HabibZaidi提出PET/CT可以替代PET来提高PET的空间分辨率，Martin S Judenhofer提出较PET/CT，新技术PET/MRI可以获得更高的空间分辨率。但是基于正电子湮没的γ光子3D成像技术在工业无损检测领域还没有人研究过它的应用，美国爱达荷州立大学的Selim F A利用光子诱导正电子湮没(PIPA)方法，采用高能射线照射待测复杂件，使复杂件内部直接产生正电子，结合多普勒展宽谱分析方法进行测试研究。亥姆霍兹研究中心的A.Wagner开发了一种无损正电子湮没寿命谱的新方法，其特征在于进行空间寿命分布的三维层析重建。

然而，工业领域使用的γ光子3D成像检测方法仍然局限于实验室理论分析阶段，检测精度远远不能满足要求。将γ光子3D成像方法引入工业领域需要解决的一个主要问题是，与医学领域中的低密度生物体相比，高端装备复杂件通常由高密度的金属和/或合金制成，对于这样的高端装备复杂件，能量为511KeV的γ光子穿透待测复杂件事，可能会因为康普顿效应而发生散射符合事件，从而使γ光子对的运行轨迹由直线变为折线，如图2所示，因此需要精确的γ光子散射校正来构建其内腔的高分辨率3D图像。目前γ光子散射校正方法主要有以下四种：一是在探测器环设置多个能量窗口，将能量为400KeV-511KeV的γ光子记为未发生散射事件，其它能量范围的γ光子则记为发生散射事件；二是将探测器环采集的原始γ光子数据进行图像重建，重建图像中的低频部分所对应的γ光子数据即为γ光子散射符合事件，将低频图像对应的γ光子数据记为γ光子散射符合事件；三是将线源测得的峰值作为卷积核，利用卷积或反卷积方法估计散射γ光子的分布；四是将实验过程的中γ光子散射信息通过严格的Monte Carlo程序模拟估计出来，从root数据中人工筛选出散射的γ光子。

上述现存的γ光子散射校正方法都存在散射校正精度低、收敛速度慢、人为设定参数等缺点。

发明内容

针对基于正电子湮没的γ光子3D成像检测方法中的γ光子散射校正问题，本发明提出了一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，从空间几何角度分析发生散射的γ光子对的运动轨迹，根据探测器记录的γ光子对能量大小，准确计算出散射的γ光子对数目。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，包括以下步骤：

步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；

步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；

步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除。

步骤一的具体过程如下：正电子湮没产生的γ光子对能量为511KeV，由公式511/E′＝2-cos(θ)，其中：E′为探测到的光子能量，只要γ光子击中探测器，其能量大小即确定，进而该对γ光子发生单次散射的散射角度θ大小即确定。

步骤三的具体计算过程如下：

假设A、B为探测器环的一对探测器，A用来记录同一个正电子湮没事件中未发生散射的γ光子，B用来记录同一个正电子湮没事件中发生散射的γ光子，f为核素活度在内腔中的分布函数，μ为复杂件的衰减系数.S为γ光子散射点，假设A、B距离为d，散射角为θ，探测器A、B的截面尺寸为mxn，则γ光子沿轨迹CA、SB运行，并被探测器A、B记录的概率可计算出，并分别记为P_CA和P_SB，γ光子在S邻域内发生散射的概率记为P_S,γ光子在视角α内被探测器A记录的概率记为P_α，发生散射的γ光子在视角β内被探测器B记录的概率记为P_β，建立Ψ-Φ-r极坐标系，则f＝f(Ψ,Φ,r)，μ＝μ(Ψ,Φ,r)，记ξ(A,B)为探测器A、B记录以θ为散射角的γ光子单次散射符合事件数目：

其中：Ψ为极坐标角度，Φ为另一极坐标角度，r为极坐标半径，

为微分散射截面，h为该对探测器的距离，l为光子运行路径，

将(2)代入(1)，即可得到发生单次散射的γ光子数：

本发明的有益效果如下：

本发明提出的γ光子散射校正方法，提高了检测精度。该方法从空间几何角度分析散射的γ光子运动轨迹，根据探测器记录的γ光子能量信息，准确计算出发生散射的γ光子数目，并将这部分散射的γ光子从采集的原始γ光子数据中剔除，提高了γ光子成像检测技术的检测准确性。

附图说明

图1为光子成像检测方法示意图，其中：1、γ光子探测器环，2、高端装备复杂件，3、实验载物台。

图2为γ光子真实符合事件和单次散射符合事件示意图，其中：4、γ光子探测器，5、正电子，6、响应线(LOR)。

图3为散射的γ光子运动轨迹示意图。

图4高端装备复杂件内腔结构示意图，其中：7、内腔直径，8、螺距，9、螺旋直径。

图5为实验仿真平台——GATE。

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。

目前，工业领域具有内腔结构的复杂件其腔体通常较为复杂且位于复杂件一定深度的位置，特别在航空领域，通常复杂件外表面附着一层致密陶瓷基，这样的结构设计使常规无损检测方法失去其检测意义，而以正电子湮没和γ光子探测为理论基础，提出的基于γ光子3D成像检测技术则很好地解决复杂件的检测任务，同时γ光子极强的穿透能力及其呈电中性的特性，决定了该检测技术并不会受检测对象材质、内腔结构、周围电场、磁场等因素变化的影响。但是工业领域具有内腔结构的复杂件其材质密度较生物体相比要大得多，γ光子在穿透复杂件到达LYSO探测器环时，记录到的γ光子散射符合事件的比例约占总γ光子符合事件的30％～70％，这会严重影响γ光子3D成像精度。

实验时核素β⁺衰变产生正电子，正电子湮没产生一对能量为511KeV、方向互成180°的γ光子，这对γ光子形成一条响应线(LOR)，然而，γ光子对从产生到被探测器对记录的过程中，由于康普顿散射等因素影响，其运动轨迹由直线变为折线，称为散射的γ光子对，为保证光子成像检测技术的检测结果准确性，这部分散射的γ光子对在图像重建前要从实验数据中剔除的。

发生散射的γ光子对绝大多数为单次散射符合事件，而单次散射的γ光子对运行轨迹由一条直线变为一条单折线，当环形探测器中的一对探测器及其记录的单次散射γ光子对确定后，到达探测器的γ光子对能量即为已知量，计算即可得出单次散射的角度大小，由几何知识同一条弦对应的圆周角相等可知，以探测器对之间的连线为弦，一个散射角度对应一个以探测器间连线为最长轴的椭球面，则散射点分布在该椭球面上。

当散射点的位置确定后，单次散射的γ光子对的运动轨迹同时确定，进而可以从空间几何角度对γ光子散射问题进行散射校正，探测器记录的发生单次散射的γ光子对数目可以看作是所有γ光子对沿其运动路径的衰减，此时，可根据探测器记录的不同γ光子对能量大小，做遍历散射角的γ光子单次散射数目计算。

本方法包括以下步骤：

步骤二在确定γ光子对散射角大小后，如图3所示，由空间几何知识同一条弦对应的圆周角相等可知，又因为γ光子数据采集模式为3维采集模式，假设C点为正电子湮没点，γ光子对散射点的位置分布在以相应探测器对为两端点的最长圆弧所构成的椭球面上，即以圆弧APSB和圆弧AQB为其两个圆弧的椭球面上，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹，即线段SA和线段SB为运行轨迹；

为验证本发明提出的光子成像检测技术的散射问题解决方法正确性，本发明分别在实际实验平台和理想仿真平台进行γ光子单次散射数目计算对比实验。

本发明以一个具体的检测实例来证明所提出的γ光子散射校正问题解决方法的有效性，具体如下：

1、实验方案：实验对象为一尺寸为90×70×70mm³的铝质铸造件，其内部包含一螺旋内腔结构，如图4所示，其中内腔直径6mm、螺旋直径44mm、螺距为14mm(中心距)，实验平台为GATE仿真平台，如图5所示，并在其上搭建一个184x64的探测器环道(即64个包含184个探测器晶体的探测器环)，探测器环道直径为140mm，纵深为76.6mm，每个探测器晶体尺寸为2x1x10mm³，查表知铝质实验件的衰减系数μ＝22.7mm^-1，当γ光子散射单次散射后，衰减系数μ＝28mm^-1，取活度为5.666x10⁵Bq的核素注入到内腔中，设置探测器环能窗为250KeV-650KeV，3维γ光子数据采集模式下，静态扫描γ光子符合事件5min。

2、结果分析：实验中探测器能窗设置为250KeV-650KeV，因此γ光子发生单次散射的角度范围为(0°，92.5°]，对实验中的γ光子数据进行遍历散射角的γ光子散射校正后，以经典的γ光子3D图像重建算法OSEM，进行图像3D重建，并导入到Pmod软件中，进行内腔直径、螺旋直径、螺距等参数测量。以内腔直径为例，测量值自动保留3位有效数字，因为γ光子散射因素的存在，内腔边缘会出现模糊、伪影等干扰，测量值也较标准值偏高，测量值为0.736cm；本发明提出的γ光子散射校正方法，单次散射校正后γ光子数据成像检测得到的内腔直径测量结果，当γ光子散射因素消除后，内腔边缘会变得清晰，测量值为0.603cm。

表1为散射校正前后测量参数(单位：厘米)

同时，为了验证本发明提出的γ光子散射校正方法具有普遍适用性，表1列出了对螺旋直径、螺距等参数的散射校正前后的测量结果，最后，本发明中提出的γ光子散射校正方法计算得到的发生单次散射的γ光子数为10992个，实验中得到γ光子总数为18557个，10992/18557＝59.23％，由GATE平台导出的实验数据知，发生单次散射的γ光子数为11133个，11133/18557＝59.99％，两者数据相吻合，从而验证本发明提出的γ光子散射校正方法的有效性。

Claims

1.一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：正电子湮没产生的γ光子对能量为511KeV，由公式511/E′＝2-cos(θ)，其中：E′为探测到的光子能量，只要γ光子击中探测器，其能量大小即确定，进而该对γ光子发生单次散射的散射角度θ大小即确定。

3.根据权利要求1所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，步骤三的具体计算过程如下：

假设A、B为探测器环的一对探测器，A用来记录同一个正电子湮没事件中未发生散射的γ光子，B用来记录同一个正电子湮没事件中发生散射的γ光子，f为核素活度在内腔中的分布函数，μ为复杂件的衰减系数，S为γ光子散射点，假设A、B距离为d，散射角为θ，探测器A、B的截面尺寸为mxn，则γ光子沿轨迹CA、SB运行，并被探测器A、B记录的概率可计算出，并分别记为P_CA和P_SB，γ光子在S邻域内发生散射的概率记为P_S,γ光子在视角α内被探测器A记录的概率记为P_α，发生散射的γ光子在视角β内被探测器B记录的概率记为P_β，建立Ψ-Φ-r极坐标系，则f＝f(Ψ,Φ,r)，μ＝μ(Ψ,Φ,r)，记ξ(A,B)为探测器A、B记录以θ为散射角的γ光子单次散射符合事件数目：

将(2)代入(1)，即可得到发生单次散射的γ光子数：

4.根据权利要求3所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，所述待检测对象不受材质、尺寸、形状自身因素影响。

5.根据权利要求3所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，所述检测结果不受外界温度、压强外界因素影响。