CN109782327B - 一种康普顿散射-编码孔径复合成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康普顿散射‑编码孔径复合成像架构及复合成像方法，其步骤包括：1)选取或设置一两层探测器结构的成像架构；第一层探测器由多个探测单元按照设定编码特征拼接，第二层探测器的单位像素大小与第一层探测器中探测单元的尺寸相一致；2)当γ射线入射到该成像架构并产生一次γ光子作用事例时，分别记录两层探测器的响应信号和信号产生时刻；然后对响应信号分类处理存储；3)基于用于康普顿散射图像的数据，得到康普顿散射重建图像；基于用于编码孔径图像的数据，得到编码孔径重建图像；4)将得到的图像进行融合，得到康普顿散射‑编码孔径复合成像。本发明摆脱了重金属编码准直器的限制，提升了成像的探测效率并扩宽视野范围。

Description

一种康普顿散射-编码孔径复合成像方法

技术领域

本发明属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种康普顿散射-编码孔径复合成像架构及基于闪烁体编码的康普顿散射-编码孔径复合成像方法。

背景技术

在核辐射探测领域，核辐射成像技术可通过远距离测量，给出辐射分布的二维图像，并与光学图像融合，直观指示辐射热点位置，在核辐射监测、核设施退役、核应急、核反恐等领域具有广阔的应用前景。目前，编码孔径成像和康普顿散射成像在行业应用中已逐步替代了传统的小孔、平行孔成像技术，而这两种成像方式又各有优缺点，单一的成像方式难以全面地满足不同场景的使用需求。

编码孔径成像具有抗噪能力强、角分辨率高的突出优点，在核电站等高辐射本底环境下使用更具优势，但是存在视野范围(Field Of View，FOV)较小、剂量测量不准等技术瓶颈；康普顿散射成像则具有很大的视野范围，特别适用于快速定位未知环境的辐射热点，但是角分辨率较低。

鉴于康普顿散射成像和编码孔径成像从原理上各具优势，设计同时具有两种功能的复合成像方法，可充分发挥两种成像方式的优势，从抗噪能力、视野范围、能量范围等方面有效提升成像的能力，能够使核辐射成像设备适用于不同场景，进一步增强应用潜力。

基于康普顿散射成像和编码孔径成像的原理，康普顿散射成像通常需要两层探测器进行成像，前置探测器为散射层，后置探测器为吸收层；编码孔径成像，则需要在探测器前放置一块重金属编码准直器进行成像。康普顿散射-编码孔径复合成像最早由L.E.Smith等人提出，采用的方案是在康普顿散射成像的两层探测器基础上，于前方再放置一块编码准直器形成三层架构实现复合成像，如图1所示。利用编码准直器和第一层探测器对低能射线利用编码孔径原理成像，通过第一层探测器和第二层探测器对高能射线利用康普顿散射原理进行成像。类似该设计，T.Lee等人提出了多吸收面双功能成像方法，通过在第一层探测器(散射层) 后方布设更多的吸收探测器，来提高康普顿散射探测的符合效率。A.M.Farber等人将前置的编码准直器后移到散射层和吸收层之间，再以整块的全能谱探测器替代像素探测器，降低系统的成本。整体而言，目前复合成像的设计方法仍没有摆脱重金属编码准直器的架构，存在探测效率和视野范围限制等问题。

发明内容

针对现有技术方案存在的问题，本发明的目的在于，提出一种康普顿散射-编码孔径复合成像架构及基于闪烁体编码的康普顿散射-编码孔径复合成像方法，为复合成像提供新的技术手段，提升成像的探测效率并扩宽视野范围。

本发明提出了一种基于闪烁体编码的康普顿散射-编码孔径复合成像方法，该方法的流程图如图2所示，具体实施步骤包括：

1.依据康普顿散射成像的需求和编码孔径成像的需求，设计两层探测器结构的成像架构，其中，第一层探测器是由基于闪烁体像素耦合光探测器像素形成的探测单元，按照设定编码特征拼接，并依据循环嵌套方式排列形成的；第二层探测器是具备位置灵敏分辨的探测器，其单位像素大小与第一层探测器探测单元的尺寸相一致，像素数与第一层探测器按照设定编码特征并循环嵌套排列形成的像素数相匹配；两层探测器的中心处在同一直线上。

2.基于所述两层探测器结构的成像架构，当一次γ光子作用事例发生时，分别记录两层探测器的响应信号和信号产生时对应的时刻，根据响应信号的有无和信号产生时刻的逻辑判断，将响应信号进行分类处理并存储为用于编码孔径成像和康普顿散射成像的数据。逻辑判断的具体过程如下：

2.1当一次γ光子作用事例发生时，判断两层探测器是否有响应信号；

2.2若两层探测器都有响应信号，则进一步通过符合逻辑判断两层探测器信号产生时刻是否同时：若同时产生，则根据响应信号分别计算两层探测器上的响应位置与沉积能量，并接着对两层探测器计算得到的沉积能量之和是否满足在入射γ光子的能量范围内进行逻辑判断；若不是同时产生，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.2.1若两层探测器计算得到的沉积能量之和在入射γ光子的能量范围内，则将两层探测器计算得到的响应位置与沉积能量存储到用于康普顿散射图像重建的数据集中，存储完毕后，返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.2.2若两层探测器计算得到的沉积能量之和不在入射γ光子的能量范围内，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.3若仅第二层探测器有响应信号，则根据响应信号计算第二层探测器上的响应位置，并将第二层探测器计算得到的响应位置存储到用于编码孔径图像重建的数据集中，存储完毕后，返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.4若两层探测器都没有响应信号，或仅第一层探测器有响应信号，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例。

3.基于所述用于康普顿散射图像重建的数据集，依据康普顿散射图像重建算法，得到视野范围为2π的康普顿散射重建图像。

4.基于所述用于编码孔径图像重建的数据集，依据编码孔径图像重建算法，得到视野范围为θ的编码孔径重建图像；θ根据两层探测器的尺寸和距离来确定。

5.基于所述得到的康普顿散射重建图像和编码孔径重建图像，将康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像进行融合，在编码孔径重建图像有效视野内主要显示编码孔径重建的精细图像，在编码孔径重建图像有效视野外主要显示康普顿散射重建的宽视野图像。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

与现有技术方案相比，本发明摆脱了重金属编码准直器的限制，基于设定编码特征并循环嵌套排列的闪烁体像素构建第一层探测器，将现有复合成像的三层架构缩减为两层架构。本发明的方法能够实时完成康普顿散射成像数据和编码孔径成像数据的分类存储，同时得到康普顿散射重建图像、编码孔径重建图像、康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像的融合图像。本发明相比于传统使用重金属编码准直器的编码孔径成像方法，剔除了γ光子与编码准直器发生散射的事例，进一步增强编码孔径成像的抗噪能力，提升编码孔径图像的信噪比；相比于传统使用两层探测器的康普顿散射成像方法，由设定编码特征并循环嵌套排列的闪烁体像素构建的第一层探测器面积增大，能够提高康普顿散射成像的符合效率；相比于传统的复合成像三层架构，能够重建得到视野范围扩大至2π的融合图像，且提升整体系统的探测效率。本发明的方法为核辐射成像提供了一种新的技术手段，适用于在核辐射成像设备上应用并推广。

附图说明

图1为传统的三层架构复合成像示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为基于闪烁体编码的两层探测器成像架构图；

图4为编码孔径重建图像的视野范围示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于闪烁体编码的康普顿散射-编码孔径复合成像方法，实施步骤如下：

1.依据康普顿散射成像的和编码孔径成像的需求，设计两层探测器结构的成像架构，其中，第一层探测器是由基于闪烁体像素(比如Ce:GAGG，BGO，YSO，LYSO，CsI等)耦合光探测器像素(比如硅光电倍增管Silicon Photomultipliers，SiPM)形成的探测单元，按照设定编码特征拼接，并依据循环嵌套方式排列形成的；第二层探测器是具备位置灵敏分辨的探测器，其单位像素大小与第一层探测器探测单元的尺寸相一致，像素数与第一层探测器按照设定编码特征并循环嵌套排列形成的像素数相匹配；两层探测器的中心处在同一直线上。

作为示例，图3为基于闪烁体编码的两层探测器成像架构的一种设计示意。图3中，第一层探测器的探测单元由闪烁体像素(10mm×10mm Ce:GAGG)耦合光探测器像素 (6mm×6mm SiPM)构成(即沿入射方向，闪烁体后面设置一光探测器)，按照设定编码特征拼接(图3中为修正均匀冗余阵列，Modified Uniformly Redundant Array，MURA)，并依据循环嵌套方式排列形成21×21MURA阵列。第二层探测器是具备位置灵敏分辨的探测器。具体的，第二层探测器可以是闪烁体像素耦合硅光电倍增管像素的探测单元紧密拼接形成的阵列探测器，可以是闪烁体阵列耦合在位置灵敏型光电倍增管上形成的探测器，也可以是位置灵敏型半导体探测器(如像素型碲锌镉探测器、硅微条探测器等)，此处不做限定。第二层探测器的单位像素大小与像素数，根据第一层探测器的设定编码特征和依据循环嵌套方式形成的阵列像素数来确定。具体的，第二层探测器的单位像素大小与第一层探测器探测单元的尺寸相一致，为10mm×10mm；第二层探测器的像素数与第一层探测器按照设定编码特征并循环嵌套排列形成的像素数(21×21MURA)相匹配，为11×11阵列。

具体的，设定编码特征的种类、根据设定编码特征进行循环嵌套排列的方法、以及根据设定编码特征并循环嵌套排列形成的像素数来匹配探测器像素数的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

2.基于图3示例的两层探测器成像架构，当一次γ光子作用事例发生时，分别记录两层探测器的响应信号和信号产生时对应的时刻，根据响应信号的有无和信号产生时刻的逻辑判断，将响应信号进行分类处理并存储为用于编码孔径成像和康普顿散射成像的数据。逻辑判断的具体过程如下：

2.1当一次γ光子作用事例发生时，判断两层探测器是否有响应信号；

2.2若两层探测器都有响应信号，则进一步通过符合逻辑判断两层探测器信号产生时刻是否同时：若同时产生，则根据响应信号分别计算两层探测器上的响应位置与沉积能量，并接着对两层探测器计算得到的沉积能量之和是否满足在入射γ光子的能量范围内进行逻辑判断；若不是同时产生，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.2.1若两层探测器计算得到的沉积能量之和在入射γ光子的能量范围内，则将两层探测器计算得到的响应位置与沉积能量存储到用于康普顿散射图像重建的数据集中，存储完毕后，返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.2.2若两层探测器计算得到的沉积能量之和不在入射γ光子的能量范围内，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.3若仅第二层探测器有响应信号，则根据响应信号计算第二层探测器上的响应位置，并将第二层探测器计算得到的响应位置存储到用于编码孔径图像重建的数据集中，存储完毕后，返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例；

2.4若两层探测器都没有响应信号，或仅第一层探测器有响应信号，则返回到2.1步骤等待下一次γ光子作用事例。

在实施步骤2中，需要说明的是，用于编码孔径图像重建的数据来自于，入射γ光子经第一层探测器设定编码特征的开孔处穿过，在第二层探测器上损失能量，此时仅第二层探测器有响应信号，第一层探测器无响应信号；用于康普顿散射图像重建的数据来自于，入射γ光子在第一层探测器设定编码特征的像素处(即闪烁体像素处)发生康普顿散射，散射光子被第二层探测器完全吸收，此时第一层探测器和第二层探测器同时有响应信号，且依据发生一次康普顿散射的原理，由两个响应信号而计算得到的沉积能量之和满足在入射γ光子的能量范围内。

具体的，根据响应信号计算探测器上的响应位置和沉积能量的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

3.基于所述用于康普顿散射图像重建的数据集，依据康普顿散射图像重建算法，得到视野范围为2π的康普顿散射重建图像。

在实施步骤3中，需要说明的是，用于康普顿散射图像重建的数据集，记录的是入射γ光子在第一层探测器上发生散射，散射光子在第二层探测器上被完全吸收时，在两层探测器上的响应位置和沉积能量。所述的康普顿散射图像重建算法包括直接反投影算法、滤波反投影算法、极大似然期望最大化算法等，此处不做限定。利用康普顿散射图像重建的数据集和康普顿散射图像重建算法，得到视野范围为2π的康普顿散射重建图像的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

4.基于所述用于编码孔径图像重建的数据集，依据编码孔径图像重建算法，得到视野范围为θ的编码孔径重建图像；θ根据两层探测器的尺寸和距离来确定。

在实施步骤4中，需要说明的是，本发明中以闪烁体像素构成的探测单元拼接排列而形成的第一层探测器，在编码孔径图像重建时充当编码准直器。限定选用闪烁体，是因为核辐射探测领域的常用无机闪烁体材料，通常原子序数较高、密度较大、能有效阻挡γ光子，从而代替重金属材料形成编码准直器。这样形成的编码准直器(也即第一层探测器)，具备对γ光子作用的探测能力，既能作为康普顿散射成像的散射层，又能作为编码孔径成像的准直器。

还需要说明的是，用于编码孔径图像重建的数据集，记录的是入射γ光子在第二层探测器上的响应位置；当累积多次γ光子作用事例后，能够获取第二层探测器上各像素的计数统计(即投影图像)。利用编码孔径图像重建的数据集获取得到的投影图像，和编码孔径图像重建算法，得到视野范围为θ的编码孔径重建图像的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。具体的，编码孔径重建图像的视野范围θ根据两层探测器的尺寸和距离来确定，以图4作为示例，第一层探测器的边长为L₁，第二层探测器的边长为L₂，两层探测器间的距离为d时，编码孔径重建图像的视野范围θ可由下式计算：

θ＝2*arctan((L₁-L₂)/(2*d))

5.基于所述得到的康普顿散射重建图像和编码孔径重建图像，将康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像进行融合，在编码孔径重建图像有效视野内主要显示编码孔径重建的精细图像，在编码孔径重建图像有效视野外主要显示康普顿散射重建的宽视野图像。

在步骤5中，需要说明的是，完成康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像的融合，需要将两者图像置于同一坐标系下，将编码孔径重建图像的有效视野叠加于康普顿散射重建图像上。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施方法，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种康普顿散射-编码孔径复合成像方法，其步骤包括：

1)依据康普顿散射成像的需求和编码孔径成像的需求，选取或设置一两层探测器结构的成像架构；其中，第一层探测器是由多个探测单元按照设定编码特征拼接，并依据循环嵌套方式排列形成；第二层探测器是具备位置灵敏分辨的探测器，探测器的单位像素大小与第一层探测器中探测单元的尺寸相一致，且像素数与第一层探测器中按照设定编码特征并循环嵌套排列形成的像素数相匹配；两层探测器的中心处在同一直线上；

2)当γ射线入射到该成像架构并产生一次γ光子作用事例时，分别记录两层探测器的响应信号和信号产生时对应的时刻；然后根据响应信号的有无和信号产生时刻的逻辑判断，对响应信号进行分类处理存储；其中，数据类别包括用于编码孔径成像的数据和用于康普顿散射成像的数据；

3)基于所述用于康普顿散射图像的数据，依据康普顿散射图像重建算法，得到视野范围为2π的康普顿散射重建图像；基于所述用于编码孔径图像的数据，依据编码孔径图像重建算法，得到视野范围为θ的编码孔径重建图像；

4)将得到的康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像进行融合，得到康普顿散射-编码孔径复合成像；

其中根据响应信号的有无和信号产生时刻的逻辑判断，对响应信号进行分类处理存储的方法为：

a)当一次γ光子作用事例发生时，判断两层探测器是否有响应信号；

b)若两层探测器都有响应信号，则通过符合逻辑判断两层探测器的响应信号产生时刻是否同时：若不是同时产生，则返回到步骤a)等待下一次γ光子作用事例；若同时产生，则根据响应信号分别计算两层探测器上的响应位置与沉积能量，然后对沉积能量之和是否满足在入射γ光子的能量范围内进行逻辑判断：若沉积能量之和在入射γ光子的能量范围内，则将得到的响应位置与沉积能量存储到用于康普顿散射图像重建的数据集中，然后返回到步骤a)等待下一次γ光子作用事例；若两层探测器计算得到的沉积能量之和不在入射γ光子的能量范围内，则直接返回到步骤a)等待下一次γ光子作用事例；

c)若仅第二层探测器有响应信号，则根据响应信号计算第二层探测器上的响应位置，并将第二层探测器计算得到的响应位置存储到用于编码孔径图像重建的数据集中，然后返回到步骤a)等待下一次γ光子作用事例；

d)若两层探测器都没有响应信号或仅第一层探测器有响应信号，则直接返回到步骤a)等待下一次γ光子作用事例。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一层探测器是由多个探测单元构成的修正均匀冗余阵列；其中，基于闪烁体像素耦合光探测器像素形成所述探测单元。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像进行融合的方法为：首先将康普顿散射重建图像与编码孔径重建图像置于同一坐标系下，然后将编码孔径重建图像的有效视野叠加于康普顿散射重建图像上；其中，在编码孔径重建图像有效视野内显示编码孔径重建的精细图像，在编码孔径重建图像有效视野外显示康普顿散射重建的宽视野图像，得到所述康普顿散射-编码孔径复合成像。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据两层探测器的尺寸和距离确定θ取值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，θ＝2*arctan((L₁-L₂)/(2*d))；其中，L₁为第一层探测器的边长，L₂为第二层探测器的边长，d为两层探测器间的距离。

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