CN109115809A - 一种γ光子散射符合恢复成真符合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了γ光子散射符合恢复成真符合的方法，包括步骤：步骤一：对探测装置检测得到的单次散射响应线进行分类；步骤二：对于单次散射响应线，通过探测器检测到的γ光子能量和散射角之间的关系，并根据探测器对的位置计算出各单次散射响应线中γ光子发生散射的实际位置；步骤三：得到检测到γ光子能量为511KeV的探测器与γ光子发生散射的实际位置的连线的延长线所经过的探测器，并将两个探测器的连线作为真符合线；步骤四：重复步骤二和步骤三，将一对探测器上所有的单次散射响应线恢复成真符合线。步骤五：重复步骤四，把探测器环所有的单次散射都恢复成真符合响应线。本发明在消除散射的同时不减少响应线的数量。从而得到了更好的图像重建质量。

Description

一种γ光子散射符合恢复成真符合的方法

技术领域

本发明涉及一种γ光子散射符合恢复成真符合的方法，属于正电子图像重建技术领域。

背景技术

在无损检测领域，现在采用的超声波检测、电磁超声检测、激光超声无损检测、声表面波无损检测等等都取得了很好的进展，已经有许多成熟的产品，不过在一些特殊的应用场合，还需要新的无损检测方案的出现。例如一些致密材料(包括金属材料)内部液体的状态，流体的流动形态，增材制造中的在线检测等领域，还需要有更好的无损检测方法。以发动机为例，如果要在位检测发动机滑油系统的供油情况就是一个难点，发动机滑油系统管路是金属的，内部的滑油在发动机工作时处在较高的温度、一定的压力的状态下，并且还可能被其他部件遮挡，现有的一般方法难以检测，但是利用正电子湮灭技术，将滑油用合适的核素进行标记，就有可能采用正电子三维成像技术进行检测。

今天人们已经可以通过回旋加速器加速得到缺中子的放射性核素作为正电子源，核素在衰变过程中会发射出带正电荷的正电子，正电子遇到电子后立即发生湮灭，并产生能量为511KeV、方向相反的γ光子对。因此检测到能量为511KeV的γ光子对是判断是否发生了正电子湮灭的重要标志。γ光子的特点是呈电中性，γ光子的飞行不会受到温度、压力、电磁场等因素的影响，也不会受到其他腐蚀、放射材料的影响。γ光子还有一个重要特点就是有很好的穿透能力，即使对于金属材料，γ光子也能穿过相当的厚度。这就是利用正电子湮灭技术检测工业材料内部状态的重要依据。

实际上正电子湮灭技术已经在生物医学领域得到了很好的应用。不过，要在工业领域使用正电子湮灭技术进行无损检测，或者探测致密材料内部的流体状态，还有许多技术问题需要解决。其中问题之一就是生物医学领域中，被检测的对象是有机体，它们的密度比较低，γ光子穿透这些材料时受到的阻挡很弱。工业材料密度要比有机体高得多，γ光子穿越这些材料时，会因为康普顿效应而发生散射，所接收的γ光子对可能是发生了折射以后才被一对探测器接收并记录下来，这就是散射符合事件。散射符合事件中正电子湮灭没有发生在响应线上，但探测系统却把它记录成一个符合事件，显然会带来误差。在工业材料中记录到的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％，如果不进行校正，将会大大降低重建的图像质量。

目前γ光子散射校正方法主要有：

1)通过多个能量窗口，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然后进行剔除；

2)图像重建后，将图像中的低频部分所对应的γ光子数据作为散射符合事件予以剔除，再进行重建；

3)将标准点/线源测得的峰值数据作为卷积核，利用卷积或反卷积方法估计散射γ光子的分布，然后将得到的散射光子分布从采集数据中减掉来实现散射校正；

4)将实验中无法直接测量到的散射γ光子信息通过设置严格的Monte Carlo模拟过程估计出来，据此筛选出散射的γ光子数据予以剔除。

上述γ光子散射校正方法都是估算出γ光子散射数据后在原有的采样数据中予以剔除，虽然能够校正散射误差，但是减少了采样数据的数量，从而造成信息丢失。这种信息的丢失只能通过增加采样时间或者提高核素的活度来弥补，并不利于工业领域的应用。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种将γ光子散射符合恢复成真符合的方法，在消除散射的同时不减少响应线的数量，从而得到更好的图像重建质量。

技术方案：

一种γ光子散射符合恢复成真符合的方法，包括步骤：

步骤一：对探测装置检测得到的单次散射响应线进行分类；将一对探测器同时检测到能量均为511KeV的γ光子对，记录为一个真符合事件；将一对探测器中一个探测器检测到γ光子能量为511KeV，另一个探测器检测到γ光子能量小于511KeV，则记录为单次散射响应线；

步骤二：对于单次散射响应线，通过探测器检测到的γ光子能量和散射角之间的关系，并根据探测器对的位置计算出各单次散射响应线中γ光子发生散射的实际位置；

步骤三：得到检测到γ光子能量为511KeV的探测器与γ光子发生散射的实际位置的连线的延长线所经过的探测器，并将两个探测器的连线作为真符合线；

步骤四：重复步骤二和步骤三，将一对探测器上所有的单次散射响应线恢复成真符合线；

步骤五：重复步骤四，将探测环所有的单次散射响应线恢复成真符合线。

所述步骤二和步骤三中，γ光子能量与散射角θ的关系用公式来表示，其中，E表示没有发生散射的γ光子能量，大小为511KeV；E’表示探测器探测到单次散射γ光子能量；θ为散射角；在二维的情况下，即一个探测器环的情况下，根据某一大小的γ光子能量，可计算得到γ光子发生散射的实际位置；

已知被测物体材料的散射率，设P点和P’点的散射率分别为P_r和P’_r，计算得到某一散射能量下，M条单次散射响应线中，来自于P点和P’点的各有多少条；其计算方法如下：

αP_rM＝M₁ (1)

αP_r'M＝M₂ (2)

其中：

M₁表示来自于P点的单次散射响应线个数，M₂表示来自于P’点的单次散射响应线个数。

有益效果：本发明提出的γ光子散射符合恢复成真符合的方法，不是把散射响应线作为误差，把它算出来以后从实际响应线中扣除，而是准确地还原成真符合线。因此在处理的效果上和以往的方法相比具有十分明显的优势。工业应用中，由于材料密度高，散射比率高，如果把散射响应线都扣除了，那么剩下的响应线数量会大大减少，这对图像重建是很不利的。本专利提出的方法在消除散射的同时不减少响应线的数量，这就可以用较短的采样时间或者较低活度的核素，保持图像重建的质量不变；或者在同样的采样时间或同样活度的核素条件下，得到更好的图像重建质量。

附图说明

图1为γ光子真实符合事件和单次散射符合事件示意图，其中：1、γ光子探测环，2、示踪剂，3、正电子湮灭点，4、响应线(LOR)、5、散射点。

图2为散射补偿原理示意图，其中：6、示踪剂，7、正电子湮灭点，8、被测物体，9、散射点，10、γ光子探测环。

图3为探测环及探测系统，其中：11、γ光子探测环，12、被测物体，13、实验载物台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

正电子湮灭技术是利用正电子湮灭时产生的一对能量为511KeV、方向成180°飞离的γ光子对来获取图像的。在探测系统中，如果一对探测器同时探测到这对光子，那么探测器的连线就称为这对γ光子的响应线(LOR)，并作为一个事件被记录。探测器在一段事件内记录到大量的响应线，通过图像重建算法，就可以得到反映核素浓度变化的3D图像。正电子湮灭技术已经广泛应用到生物医学方面，如正电子发射型计算机断层显像(PositronEmission Tomography，PET)已在临床上使用，人们也在探索将该技术应用到工业领域中。

与生物医学方面应用不同的是，如果将正电子湮灭技术应用于工业领域，其所要检测的对象密度和生物医学领域的有机材料相比要大的多。如果采用现在普遍使用的LYSO探测器环，γ光子在穿透密度较高的金属材料如铝、钛、复合材料等，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％，由于散射符合事件不能正确反映正电子湮灭发生的位置，这种误差用图像重建算法是难以消除的，这就会导致γ光子3D成像质量下降，这个问题在工业应用中尤为突出。

研究表明，发生散射的γ光子对绝大多数为单次散射符合事件，单次散射符合事件有其物理特征并能够被探测器记录下来。其表现形式如下：在正电子湮灭产生的一对γ光子对中，一个γ光子正常到达一个探测器并被记录，还有一个γ光子碰到原子核后发生转折然后被另一探测器探测并被记录，于是这两个探测器记录到了一条响应线。但如图1所示，正电子湮灭事件其实并没有发生在这条响应线上，这类响应线在图像重建时会引起图像的模糊。γ光子在碰到原子核发生转折后将损失部分能量，探测器可以将γ光子剩余的能量也记录下来，而且γ光子能量损失情况和折射后的直线与原来飞行的直线之间的夹角有关，并可以通过公式计算出来。

在二维的情况下，利用能量夹角计算公式可以得到两个可能的散射点，而且如果材料确定，那么这两个散射点的散射率就可以确定下来。这样每一个散射点折射到探测器的散射数目也可以计算出来。本专利的特别之处在于，当得到散射点的散射数目后，通过延长线找到对应的探测器，把折射过来的散射线恢复成实际的真符合响应线，也就是把原来的误差信息变成了有用信息。

本方法包括以下步骤：

步骤一：单次散射响应线的分类。如图3所示，探测装置由若干探测器组成并排布成环状构成探测器环，这些探测器都可以记录γ光子的能量和发生的时间。通过探测器可以探测到γ光子能量大小。因为正电子湮灭后会产生一对能量为511KeV、方向呈180°飞离的γ光子对，因此探测器也是成对的对γ光子对进行检测。如果一对探测器同时检测到能量均为511KeV的γ光子对，可以认为记录到了一个真符合事件。正电子湮灭事件发生在这对探测器的连线上，这对探测器的连线就称为响应线。探测器在工作时，如果在某一瞬间，一对探测器中一个探测器检测到γ光子能量为511KeV，另一个探测器检测到γ光子能量小于511KeV，则表示记录到了γ光子对发生了单次散射以后的结果，所得到的响应线是单次散射响应线。散射事件不应该作为响应线记录，否则会造成图像的模糊。为此，可以根据探测器的能量分辨率，将这些单次散射的事件(或者响应线)按散射的能量损失情况进行分类。比如探测器能量分辨率为10KeV，则可将探测器检测的γ光子能量为501KeV-510KeV的归为一类，将491KeV-500KeV的归为一类，以此类推。而且，探测器能量分辨率越高，补偿效果越好。

步骤二：得到单次散射发生的实际位置。对于单次散射这种情况，可以通过探测器检测到的γ光子能量和散射角之间的关系，并根据探测器对的位置，计算出γ光子发生散射的实际位置。γ光子能量与散射角θ的关系可以用公式来表示，其中，E表示没有发生散射的γ光子能量，大小为511KeV；E’表示探测器探测到单次散射γ光子能量；θ为散射角；在二维的情况下，也就是如果考虑一个探测器环的情况下，某一大小的γ光子能量(对应有M条响应线)，利用公式可以计算出两个可能的散射点，一个在P点，一个在P’点，进一步就可以知道这两点位于被测物体的实际位置。由于P点和P’点可能位于不同材料上，如果已知材料的散射率，所述散射率即为散射几率；设P点和P’点的散射率分别为P_r和P’_r，就可以估算出某一散射能量下，M条单次散射响应线中，来自于P点和P’点的各有多少条；其计算方法如下：

αP_rM＝M₁ (1)

αP_r'M＝M₂ (2)

其中：

M₁表示来自于P点的单次散射响应线个数，M₂表示来自于P’点的单次散射响应线个数。

步骤三：得到真实响应线。由图2，对于散射点P，真正的γ光子湮灭应该发生在探测器A和P点的连线AP上，如果AP的延长线经过探测器E，就说明在没有发生单次散射时，应该是探测器A和探测器E接收到正电子湮灭的γ光子对，因此来自于P点的单次散射响应线应该计入AE的真符合线中。同样对于散射点P’，如果AP’的延长线经过探测器D，来自于P’点的单次散射响应线应该计入AD的真符合线中，将M₁计入AE的总符合线中，将M₂计入AD的总符合线中。

步骤四：处理探测器对上的所有单次散射响应线。如果一对探测器，根据传感器的不确定度，探测到多组散射能量并且属于单次散射，可用步骤二和步骤三分别处理，把一对探测器上所有的单次散射都恢复成真符合响应线。

步骤五：处理探测环上的单次散射响应线。对探测环上所有探测器对，采用步骤四的方法进行处理，把探测环所有的单次散射都恢复成真符合响应线。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (2)

1.一种γ光子散射符合恢复成真符合的方法，其特征在于：包括步骤：

步骤一：对探测装置检测得到的单次散射响应线进行分类；将一对探测器同时检测到能量均为511KeV的γ光子对，记录为一个真符合事件；将一对探测器中一个探测器检测到γ光子能量为511KeV，另一个探测器检测到γ光子能量小于511KeV，则记录为单次散射响应线；

步骤二：对于单次散射响应线，通过探测器检测到的γ光子能量和散射角之间的关系，并根据探测器对的位置计算出各单次散射响应线中γ光子发生散射的实际位置；

步骤三：得到检测到γ光子能量为511KeV的探测器与γ光子发生散射的实际位置的连线的延长线所经过的探测器，并将两个探测器的连线作为真符合线；

步骤四：重复步骤二和步骤三，将一对探测器上所有的单次散射响应线恢复成真符合线；

步骤五：重复步骤四，将探测环所有的单次散射响应线恢复成真符合线。

2.根据权利要求1所述的γ光子散射符合恢复成真符合的方法，其特征在于：所述步骤二和步骤三中，γ光子能量与散射角θ的关系用公式来表示，其中，E表示没有发生散射的γ光子能量，大小为511KeV；E’表示探测器探测到单次散射γ光子能量；θ为散射角；在二维的情况下，即一个探测器环的情况下，根据某一大小的γ光子能量，可计算得到γ光子发生散射的实际位置；已知被测物体材料的散射率，设P点和P’点的散射率分别为P_r和P’_r，计算得到某一散射能量下，M条单次散射响应线中，来自于P点和P’点的各有多少条；其计算方法如下：

αP_rM＝M₁ (1)

αP_r'M＝M₂ (2)

其中：

M₁表示来自于P点的单次散射响应线个数，M₂表示来自于P’点的单次散射响应线个数。