CN109738439A - 一种立体角微分成像准直器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体角微分成像准直器及其应用，属于成像领域，目的在于通过对准直器结构的改进设计，提高测定结果的准确性和可靠性。其包括准直主体，准直主体内设置有准直孔，准直孔呈双方锥形，准直孔的开口呈正方形。采用本发明能显著提高探测效率，改善过渡区的空间相应，具有较高的应用价值。经过验证，本申请能显著提升探测效率，改善a区和b过渡区的空间响应，并有效解决像素点边界的探测器响应问题，进而使得在后期绘制放射性图像时像素之间的过度更平滑，可更准确地呈现放射性物质的分布情况。基于本申请，若源落在视场内，则能根据探测器信号的强弱较准确地判断出源的强度，有效避免由于探测器响应起伏较大造成判断不准确的问题。

Description

一种立体角微分成像准直器及其应用

技术领域

本发明涉及成像领域，具体为一种立体角微分成像准直器及其应用。

背景技术

立体角微分成像技术是利用较小的准直孔导入某个立体角内的源信号进行单立体角测量的技术。其中，准直器的视场即为1个成像像素点。如图1所示，将准直器在待测空间内步进扫描，可获的任意空间立体角内的放射性污染图像。该技术可以任意控制准直器的视场，从而控制成像的角分辨，理论角度分辨率可以无限小(与源强相关)。还可以采用较大的晶体，提高探测器的探测效率，同时将晶体进行屏蔽，进一步提升本底环境下弱放射源信号的甑别能力。立体角微分成像最大的优势是可以利用被屏蔽的大晶体在本底环境中筛选出弱放射性的图像信息。

而如何提高测定结果的准确性和可靠性，成为人们研究的重点。

发明内容

本发明的发明目的在于，通过对准直器结构的改进设计，提高测定结果的准确性和可靠性，提供一种立体角微分成像准直器及其应用。采用本发明能够显著提高探测效率，改善过渡区的空间相应，具有较高的应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种立体角微分成像准直器，包括准直主体，所述准直主体内设置有准直孔，所述准直孔呈双方锥形，所述准直孔的开口呈正方形。

所述准直孔两端的开口边长为1.5cm，所述准直孔的长度为30～40cm。

方锥顶点与准直孔中心的距离为90～110cm。

方锥顶点与准直孔中心的距离为100cm。

所述准直孔包括第一锥形孔、与第一锥形孔连通的第二锥形孔，所述第一锥形孔沿垂直于其轴向的剖面呈正方形，所述第二锥形孔沿垂直于其轴向的剖面呈正方形，所述第一锥形孔通过其小口端与第二锥形孔的小口端相连为一体，所述准直孔的两端开口分别呈正方形。

所述双方锥形采用对称设计。

所述准直主体内分别设置有准直孔、与准直孔相配合的LaBr₃晶体，所述准直孔为N个且N≥1。

所述准直孔为M²个且M≥2，所述准直孔呈正方形分布。

所述准直孔为9个且准直孔呈正方形分布。

前述准直器在微分成像中的应用。

将该准直器用于放射性污染物的探测中。

综上所述，本申请发明人对准直器结构进行了全新的改进，提出基于全新准直孔结构的单孔及多孔准直器，以及其在微分成像中的应用。经过验证，本申请能显著提升探测效率，改善a区和b过渡区的空间响应，并有效解决像素点边界的探测器响应问题，进而使得在后期绘制放射性图像时像素之间的过度更平滑，可更准确地呈现放射性物质的分布情况。基于本申请，若源落在视场内，则能根据探测器信号的强弱较准确地判断出源的强度，有效避免由于探测器响应起伏较大造成判断不准确的问题。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为立体角微分成像原理图。

图2为现有单孔准直器的测量示意图。

图3为不同结构的准直孔示意图。

图4为不同结构准直孔的空间响应图。

图5为圆形准直器像素点界面响应图。

图6为实施例1中多孔准直器的剖面图。

图7为实施例1中多孔准直器的三维立体图。

图8为实施例1中单孔与两侧孔的空间响应叠加(长30cm)图。

图9为实施例1中单孔与两侧孔的空间响应叠加(长40cm)图。

图10为1孔与9孔空间响应对比2D图(左1孔，右9孔)。

图11为1孔空间响应3D图。

图12为9孔空间响应3D图。

图13为实施例1中步进一次空间总响应的叠加效果3D图。

图14为实施例1中相邻4个步进空间总响应的叠加效果3D图。

图15为相邻4个步进空间总响应的叠加效果2D图。

图16为净计数期望值为零时净计数的概率密度分布。

图17为净计数期望值不同时净计数的概率密度分布。

图18为不同分辨率下的全能峰本底的差异。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

实施例1

(1)单孔准直器

立体角微分成像技术利用准直器对空间立体角进行微分，分别对微分立体角内的源信号进行采集与分析。因此，准直器的形状和尺寸直接关系到成像的效率和分辨率。理想的准直器视场内的探测器响应为一恒定值，视场外无响应，探测效率成矩形分布。

如图2所示，由于准直器的准直孔直径无法做到无限小，就会在视场中存在2个明显不同的效率变化区间a和b。探测器对于a区中不同位置的点源的探测效率近似相等，而b区中由于准直器的本征特性使得探测效率慢慢衰减至0。

由于b过渡区的存在，就需要研究不同扫描步进角度对源点成像的影响。b区对搜源最大的影响是会降低探测器发现放射源的敏感度，容易造成放射源热点误判。如果扫描的步进距离设成2(a+b)，虽然可以加快搜寻速度，但是如果热点在b区内，可能会发现不了。如果扫描的步进距离设成2a，虽然可以提高热点的灵敏度，但是会增加更多的扫描时间。针对视场中热点灵敏度不是恒定值的问题，可以通过多个准直孔设计，抵消b区的影响。

在研发过程中，如图3所示，发明人分别选用圆柱、锥形、双锥形等结构的准直孔进行测试，每种形状的a区和b区不尽相同。图3中，a为圆柱形，b为内锥形，c为双锥形。选择的时候，应选择a区较平坦b区较规则的形状。图4给出了几种常见形状的空间响应曲线。

由图4可以看出，准直孔的直径直接决定了探测效率。而相同直径下，准直器的长度和形状微小差异会影响空间响应。最理想的空间响应为矩形。在视场内空间响应为恒定值，视场外的响应为0。但是实际情况总是存在b过渡区，其探测器响应慢慢衰减到0。因此，只能从多个形状的计算机模拟结果中挑选出相对较好的形状。

图4中，直径1.5cm的探测效率比直径1cm的探测效率高出1倍以上，因此直径选择1.5cm。长度40cm和30cm相比较，其探测效率差异较小，但是空间响应曲线差异较大。40cm时b区衰减更快，直径为1.5cm时的角度分辨率为2.6°，但是会增加33％的准直器重量，这对于步进电机是一个不小的负担，同时还会增加电量的消耗。长度30cm、直径1.5cm时，准直器的角度分辨率为3.4°。如果减小长度和增大直径，虽然探测效率会增加，但是角度分辨会变差。在综合考虑探测效率和角度分辨后，如果需要减轻旋转台的负担，准直孔的尺寸可以选择长30cm和直径1.5cm；如果需要更好的角度分辨，准直孔的尺寸可以选择长40cm和直径1.5cm。

图4还可以看出，当长度为30cm，直径为1.5cm时，选择合适形状的准直器，不仅可以稍微提高一点探测效率，还能改善a区和b过渡区的空间响应。

由图4可以看出，当圆柱准直器改成双锥，锥顶点离准直孔中心100cm时，中心点的探测效率提高了40％，a区变得更为平坦且更长，b过渡区长度变短，特别是衰减至0的视场角度几乎没有发生改变。当锥顶点离准直孔中心50cm时，虽然b过渡区的探测效率提高了，但是b过渡区的长度也变长了，降低了角分辨率。锥顶点不宜太近，同时也不宜太远。太近了角分辨会降低，太远了起不到提高探测效率的作用。因此，锥顶点离准直孔中心100cm比较适宜。

(2)准直孔开口形状

最常用的准直孔为圆形，其空间响应可以看做一个像素。圆形准直孔的空间响应同样为圆形。因此，在测量步进过程中，相邻像素之间会存在边界交叉。理想情况下，像素边界的响应应该与其它位置一致。但由于b过渡区的存在，实际的响应较为复杂见图5。不仅是两两像素之间存在界面响应不平滑，4个相邻像素的中间的响应较低。

如图5所示，采用不同的像素步进步长，均会影响像素点污染源项强度判断，进而影响放射性核素分布的成像质量。

由于采用步进的成像方式，结合图5，正方形的准直孔与圆形准直相比，正方形准直孔能更很好地处理像素点边界的探测器响应问题。在后期绘制放射性图像时像素之间的过度更平滑，可更准确地呈现放射性物质的分布情况。

(3)多孔准直器

单孔准直器的开口较小，损失了较多的探测效率。为此，发明人基于单孔准直器的基础上，设计了多孔准直器。本实施例中，在准直主体内分别设置有准直孔、与准直孔相配合的LaBr₃晶体，准直孔为9个，LaBr₃晶体位于准直孔下方。

如图6所示，其给出了多孔准直器的剖面图；图7给出了多孔准直器的三维立体图。本申请中，充分地利用大尺寸的LaBr₃晶体，不仅可以提高探测效率，还能增加单次成像的立体角，成倍缩短成像时间。

长30cm、直径1.5cm单孔准直器的空间响应呈见图8中的“Centre”曲线。将3个准直孔的中心线延长至100cm处，3点间距的不同会改变探测器总的空间响应。

由图8可以看出，当间距为6cm时，空间响应呈近似梯形分布。探测效率在-7.5cm—+7.5cm之间的涨落标准差为4.1％。相比单孔(centre)的空间响应要平直很多。

如果将准直器的长度增加到40cm，其空间响应曲线见图9。当间距为4.5cm时，空间响应呈近似梯形分布。图9和图8对比可知，准直孔的长度增加会降低b过渡区的大小，进而可以增加成像的角度分辨率。探测效率在-5cm—+5cm之间的涨落标准差为3.4％。从空间叠加效果来看，30cm和40cm的准直器中间视场响应较为平直时的探测效率几乎相同，但是准直器长度增加会增加旋转步进电机的负荷，增加电池电量的消耗。

根据图8中的1维空间响应叠加效果，选取中心水平间距为6cm，模拟计算了9孔准直器(长30cm)的探测器计数空间3维分布。模拟计算结果见图10—图12。其中，图10为1孔与9孔空间响应对比2D图。图10中，左为1孔，右为9孔。图11给出了1孔空间响应3D图；图12给出了9孔空间响应3D图。

由图10和图12可以看出，经过叠加后的9孔的空间响应较为平坦，边缘衰减较快。9孔总的空间响应同样存在类似1孔的a区和b过渡区。视场内，a区为0°～4.3°，b过渡区为4.3°～6.3°。视场中间区域的探测器响应涨落的±1σ为±8.08％。如果源落在视场内，可根据探测器信号的强弱较准确地判断出源的强度，不会因为由于探测器响应起伏较大造成判断不准确。

当准直器在空间扫描时，需要确定步进长度。每个相邻角度间存在一个过渡区，为了保持空间内探测器响应无较大起伏，应寻找一个较为恰当的步进长度。经计算，准直器角度步进10.2°时，空间响应起伏较小。图13是准直器步进一次的空间总响应叠加效果图。

图13给出了步进一次空间总响应的叠加效果3D图。由图13可以看出，两次相邻步进总的空间响应的平台无明显突变和较大起伏，整体较为平坦。相邻的4次步进的空间响应叠加效果3D视图见图14。

图14给出了实施例1中相邻4个步进空间总响应的叠加效果3D图，图15给出了实施例1中相邻4个步进空间总响应的叠加效果2D图。由图14和图15可以看出，4次相邻步进总的空间响应的平台无明显突变和较大起伏，整体较为平坦。说明步进6.87°能很好地处理b过渡区空间响应衰减较慢的问题，实现了在全空间内具有平坦的响应。

(3)探测限分析

1本底条件下的探测限(选择探测器的依据)

对于高斯分布来说，净计数期望值为零时净计数的概率密度分布见图16。净计数期望值不同时净计数的概率密度分布见图17。

探测限是同时取决于犯第一类错误和第二类错误的概率。当置信水平为95％时，在本底计数率N_B下的探测限L_D由公式1表示：

2探测器分辨率对探测限的影响

根据公式(1)，如果要降低探测限，应尽可能地降低本底计数NB，获得更低的探测限，这样就能发现弱放射性热点或增加热点的探测距离。

对于本底环境中弱源信号的识别，最重要的是源信号与本底信号的比值。如果能提高探测器的能量分辨率，就可以降低特征峰下方叠加的本底计数(见图18)。

以国产溴化镧与进口溴化镧分辨率为例。国产溴化镧晶体的分辨率一般在2.9％-3.3％，进口溴化镧晶体的分辨率可以达到2.2％。两种溴化镧晶体的分辨率相差24％，也就是本底计数相差24％。由公式(1)可知计算出探测限随本底的降低而降低。

由如下公式(2)计算：

可知，由于分辨率的提高可将与本底计数相关的探测限将降低1倍。

Claims (10)

1.一种立体角微分成像准直器，其特征在于，包括准直主体，所述准直主体内设置有准直孔，所述准直孔呈双方锥形，所述准直孔的开口呈正方形。

2.根据权利要求1所述立体角微分成像准直器，其特征在于，所述准直孔两端的开口边长为1.5cm，所述准直孔的长度为30~40cm。

3.根据权利要求1或2所述立体角微分成像准直器，其特征在于，方锥顶点与准直孔中心的距离为90~110 cm。

4.根据权利要求3所述立体角微分成像准直器，其特征在于，方锥顶点与准直孔中心的距离为100 cm。

5.根据权利要求1~4任一项所述立体角微分成像准直器，其特征在于，所述准直孔包括第一锥形孔、与第一锥形孔连通的第二锥形孔，所述第一锥形孔沿垂直于其轴向的剖面呈正方形，所述第二锥形孔沿垂直于其轴向的剖面呈正方形，所述第一锥形孔通过其小口端与第二锥形孔的小口端相连为一体，所述准直孔的两端开口分别呈正方形。

6.根据权利要求1~4任一项所述立体角微分成像准直器，其特征在于，所述准直主体内分别设置有准直孔、与准直孔相配合的LaBr₃晶体，所述准直孔为N个且N≥1。

7.根据权利要求1所述立体角微分成像准直器，其特征在于，所述准直孔为M²个且M≥2，所述准直孔呈正方形分布。

8.根据权利要求7所述立体角微分成像准直器，其特征在于，所述准直孔为9个且准直孔呈正方形分布。

9.前述权利要求1~8任一项所述准直器在微分成像中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将该准直器用于放射性污染物的探测中。