CN113284210A - Tgs透射图像重建方法、装置、介质和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种TGS透射图像重建方法、装置、介质和电子设备，属于核材料非破坏性分析领域，能够实现TGS透射样品体素的线衰减系数或密度的准确重建。一种TGS透射图像重建方法，包括：获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且所述被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
Description
技术领域
本公开涉及核材料非破坏性分析(Non-Destructive Assay，NDA)领域，具体地，涉及一种TGS透射图像重建方法、装置、介质和电子设备。
背景技术
层析γ扫描测量技术(Tomographic Gamma Scanning，TGS)是一种重要的NDA技术。TGS是为了测量核燃料循环过程中产生的非均匀、中低密度的核废料中的铀、超铀核素及其裂变产物质量而开发的NDA技术之一。
传统的TGS透射图像重建方法为：首先，对被测样品进行上下升降，将被测样品轴向分层，然后在每一层内进行层析扫描，得到TGS透射测量数据；然后，采用透射重建算法对TGS透射测量数据进行迭代计算，得到被测每层样品各个体素的线衰减系数。
然而，传统的TGS透射图像重建方法只能得到物体内线衰减系数和放射性核素分布的粗略图像。
发明内容
本公开的目的是提供一种TGS透射图像重建方法、装置、介质和电子设备，能够实现TGS透射样品体素的线衰减系数或密度的准确重建。
为了实现上述目的，本公开提供一种TGS透射图像重建方法，包括：获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且所述被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
可选地，所述收敛条件为：连续两次所述迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是所述标准体素的、采用所述透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
可选地，所述方法还包括：在所述收敛条件不满足的情况下，若所述迭代计算的次数达到计算次数限值，则终止所述迭代计算。
可选地，所述方法还包括：基于所述标准体素的线衰减系数，计算校正因子；采用所述校正因子对在所述计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
可选地，所述校正因子为：
其中，k是所述校正因子；μ标测_终止是所述标准体素的、采用所述透射重建算法在所述计算次数限值时计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
本公开还提供一种TGS透射图像重建装置，包括：获取模块，用于获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且所述被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；计算模块，用于采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；终止模块，用于在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
可选地，所述收敛条件为：连续两次所述迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是所述标准体素的、采用所述透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
可选地，所述终止模块还用于：在所述收敛条件不满足的情况下，若所述迭代计算的次数达到计算次数限值，则终止所述迭代计算；所述装置还包括：校正因子计算模块，用于基于所述标准体素的线衰减系数，计算校正因子；校正模块，用于采用所述校正因子对在所述计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
可选地，所述校正因子为：
其中，k是所述校正因子；μ标测_终止是所述标准体素的、采用所述透射重建算法在所述计算次数限值时计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
本公开还提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现根据本公开的任一项所述方法的步骤。
本公开还提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现根据本公开的任一项所述方法的步骤。
通过采用上述技术方案，由于在被测每层样品周围引入一个密度已知且密度分布均匀的标准体素，而且迭代计算的收敛条件与标准体素的线衰减系数相关，因此能够得到准确度与精密度更高的透射图像结果，提升透射图像重建的质量，而且标准体素的线衰减系数的重建结果的误差可用于评估透射重建算法的准确度与精密度，使得误差边界可评估、可控，可靠性和稳定性更高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建方法的流程图。
图2是根据本公开实施例的TGS透射扫描测量过程示意图。
图3是传统TGS透射扫描测量过程示意图。
图4是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建方法的又一流程图。
图5是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建装置的示意框图。
图6是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建装置的又一示意框图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图1是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤S11至S13。
在步骤S11中，获取TGS透射测量数据，TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，被测每层样品被划分成N×N个体素，而且被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数。
TGS透射测量(也称为TGS扫描模式)分为步进扫描模式和连续扫描模式。TGS扫描时，首先通过样品定位系统来对被测样品进行上下升降，将被测样品轴向分层，然后在每一层内进行层析扫描。每层的层析扫描是通过被测样品水平面内旋转以及被测样品同步水平移动或源和探测器的同步平移来实现的。
步进扫描模式是一种平移加旋转模式。对被测样品的每一层，选取N个等间隔的平移位置点，在每一水平平移位置点，被测样品绕被测样品中心轴以顺时针(或逆时针)旋转。在0°-180°内等角度选取M个旋转角度。扫描测量时，先确定水平平移位置点。在每一水平平移位置点，探测器不动，被测样品旋转M次，每次旋转角度为180°/M。每旋转一次，测量一次，每一个水平位置点，测量M次，一层内有N个水平位置点，共扫描测量M×N次。N的值是由被测每层样品的体素的多少决定的，通常情况对于每层内有N×N个体素的样品，水平位置点就取为N，M值一般取1.5×N。例如：
对于10×10的样品，N＝10，M＝15，每次旋转角度通常为12°。
对于6×6的样品，N＝6，M＝9，每次旋转角度通常为20°。
对于3×3的样品，N＝3，M＝4，每次旋转角度通常为45°，也可以选择更小的角度。
如图2所示，对于体素划分为N×N的被测每层样品的透射重建图像重建，以一层体素划分3×3的被测样品为例，说明透射重建图像重建的过程和原理。其中，3×3的一层样品中，1～9为不同位置体素的编号，1～9号位置体素的线衰减系数分别为μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6、μ7、μ8和μ9；1～18为三个水平透射测量每次旋转30度的18次扫描测量过程，其中，1～6为第一个水平位置的6次透射测量，7～12为第二个水平位置的6次透射测量，13～18为第三个水平位置的6次透射测量。
连续扫描方式与步进扫描方式类似，只是其扫描测量是在探测器缓慢地连续平移以及样品缓慢地连续旋转过程中进行的。层析γ扫描技术对被测物体进行三维立体扫描，即对被测物体的上下分段扫描和对每一层的平移加旋转扫描，将被测物体分割成若干较小单元的立体体素(voxel)，每个小立体体素被当作一个均匀体，认为每个体素中衰减系数和放射性核素均均匀分布；通过对物体进行层析γ透射扫描和发射扫描，得到物体内衰减系数和放射性核素分布的图像，衰减系数分布图像被用来对发射图像进行点-点对应的衰减校正，整个过程可用透射测量、发射测量和衰减校正来表示。
对于传统的TGS透射测量(如图3所示)而言，1～9号位置处的体素均是被测样品体素，而对于根据本公开实施例的TGS透射测量(如图2所示)而言，1～9号位置处的体素均是被测样品体素、而在被测每层样品周围还布置了一个密度已知且密度分布均匀的标准体素10，而且标准体素10也会参与TGS透射重建测量过程。
在步骤S12中，采用透射重建算法对TGS透射测量数据进行迭代计算。
透射重建算法例如可以是ART、SART和ART-TV等算法。
在步骤S13中，在收敛条件满足时，终止迭代计算，得到被测样品体素的线衰减系数，其中，收敛条件与标准体素的线衰减系数相关。
在一些实施例中，收敛条件为：连续两次迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是标准体素的、采用透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是标准体素的线衰减系数标称值。
连续两次迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1指的是，对于被测每层样品的各个体素的线衰减系数测量分析计算值而言、连续两次迭代结果的相对变化率。其中，第一预设阈值可以根据具体误差要求而进行自定义，例如，可以取为0.3％或者其他数值。
通过采用上述技术方案，由于在被测每层样品周围引入了密度已知且密度分布均匀的标准体素，而且迭代计算的收敛条件与标准体素的线衰减系数相关，因此能够得到准确度与精密度更高的透射图像结果，提升透射图像重建的质量，而且标准体素的线衰减系数的重建结果的误差可用于评估透射重建算法的准确度与精密度，使得误差边界可评估、可控，可靠性和稳定性更高。以图2中9个体素位置中的3、5和7号位置放入铝块为例(其他位置体素分别为聚乙烯、石墨等)，传统TGS透射重建方法与根据本公开实施例的TGS透射重建方法得到的铝线衰减系数实验结果与铝线衰减系数的标称值的相对偏差(三次测量平均值)如下表1所示，可见，根据本公开实施例的TGS透射图像重建方法的结果更为准确。
表1铝线衰减系数实验结果与铝线衰减系数的标称值的相对偏差
图4是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建方法的又一流程图。
如图4所示，首先，在步骤S31中，获取TGS透射测量数据。上面已经参考图1描述了如何获取TGS透射测量数据，在此不再赘述。
然后，在步骤S32中，采用透射重建算法对TGS透射测量数据进行迭代计算，也即通过迭代计算来计算被测每层样品的各个体素(包括被测样品体素和标准体素)的线衰减系数测量分析计算值。透射重建算法可以是例如ART、SART和ART-TV等。
然后，在步骤S33中，判断收敛条件是否得到满足，如果得到满足，则转至步骤S34，否则转至步骤S35。收敛条件的示例已经在前文中进行描述，此处不再赘述。
在步骤S34中，如果收敛条件得到满足，也即如果被测每层样品的各个体素的线衰减系数测量分析计算值的连续两次迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，则认为收敛条件得到满足，则终止迭代计算，得到被测样品体素的线衰减系数。以图2所示的3×3被测每层样品体素而且位置10处为标准体素的示例为例，得到1～10号位置体素的线衰减系数测量分析计算值μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6、μ7、μ8、μ9和μ标测。
在步骤S35中，如果收敛条件没有得到满足，也即如果被测每层样品的各个体素的线衰减系数测量分析计算值的连续两次迭代结果的相对变化率ε1始终大于第一预设阈值，或者收敛终止计算判别限值ε2始终大于第二预设阈值，或者ε1始终大于第一预设阈值而且ε2始终大于第二预设阈值，则认为不收敛。则，在这种情况下，判断迭代计算的次数是否达到计算次数限值，如果达到，则转至步骤S36，如果未达到，则返回步骤S32。计算次数限值的取值可以根据计算开销等来设置，例如可以取为1000或者其他数值。
在步骤S36中，在迭代计算的次数达到计算次数限值的情况下，终止迭代计算，得到计算次数限值时被测样品体素线衰减系数测量分析计算值。例如，假设计算次数限值是1000，则将第1000次迭代计算得到的被测每层样品各个体素的线衰减系数测量分析计算值作为各个体素的线衰减系数。然后转至步骤S37。
在步骤S37中，基于标准体素的线衰减系数，计算校正因子。也即，可以利用得到的标准体素的线衰减系数测量分析计算值与标准体素的线衰减系数标称值的比例关系，对其他未知体素的线衰减系数进行校正。
在一些实施例中，校正因子为：
其中，k是校正因子；μ标测_终止是标准体素的、采用透射重建算法在计算次数限值时计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是标准体素的线衰减系数标称值。
然后，在步骤S38中，采用校正因子对在计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
μi＝kμi测，其中，i＝1,2,3…N2，标准体素的编号除外 (3)
其中，μi测为计算次数限值时迭代计算得到的样品中第i个被测样品体素的线衰减系数测量分析计算值；μi为经过校正因子修正后的样品中第i个被测样品体素的线衰减系数的最终计算值。
通过采用上述技术方案，由于在被测每层样品周围引入了密度已知且密度分布均匀的标准体素，而且标准体素的线衰减系数可用于对其他未知体素的线衰减系数进行校正、或者可用于作为迭代计算的收敛条件来终止迭代过程，因此能够得到准确度与精密度更高的透射图像结果，提升透射图像重建的质量，而且标准体素的线衰减系数的重建结果的误差可用于评估透射重建算法的准确度与精密度，使得误差边界可评估、可控，可靠性和稳定性更高。
图5是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建装置的示意框图。如图5所示，该装置包括：获取模块41，用于获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；计算模块42，用于采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；终止模块43，用于在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
通过采用上述技术方案，由于在被测每层样品周围引入了密度已知且密度分布均匀的标准体素，而且迭代计算的收敛条件与标准体素的线衰减系数相关，因此能够得到准确度与精密度更高的透射图像结果，提升透射图像重建的质量，而且标准体素的线衰减系数的重建结果的误差可用于评估透射重建算法的准确度与精密度，使得误差边界可评估、可控，可靠性和稳定性更高。
可选地，所述收敛条件为：连续两次所述迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是所述标准体素的、采用所述透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
可选地，所述终止模块43还用于：在所述收敛条件不满足的情况下，若所述迭代计算的次数达到计算次数限值，则终止所述迭代计算。
图6是根据本公开一种实施例的TGS透射图像重建装置的又一示意框图。如图6所示，根据本公开实施例的装置还包括：校正因子计算模块44，用于基于所述标准体素的线衰减系数，计算校正因子；校正模块45，用于采用所述校正因子对在所述计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
可选地，所述校正因子为：
其中，k是所述校正因子；μ标测_终止是所述标准体素的、采用所述透射重建算法在所述计算次数限值时计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
图7是根据一示例性实施例示出的一种电子设备700的框图。如图7所示，该电子设备700可以包括：处理器701，存储器702。该电子设备700还可以包括多媒体组件703，输入/输出(I/O)接口704，以及通信组件705中的一者或多者。
其中，处理器701用于控制该电子设备700的整体操作，以完成上述的TGS透射图像重建方法中的全部或部分步骤。存储器702用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备700的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备700上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器702可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件703可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器702或通过通信组件705发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口704为处理器701和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件705用于该电子设备700与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near FieldCommunication，简称NFC)，2G、3G、4G、NB-IOT、eMTC、或其他5G等等，或它们中的一种或几种的组合，在此不做限定。因此相应的该通信组件705可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块等等。
在一示例性实施例中，电子设备700可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的TGS透射图像重建方法。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的TGS透射图像重建方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器702，上述程序指令可由电子设备700的处理器701执行以完成上述的TGS透射图像重建方法。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种TGS透射图像重建方法，其特征在于，包括：
获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且所述被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；
采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；
在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收敛条件为：
连续两次所述迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是所述标准体素的、采用所述透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述收敛条件不满足的情况下，若所述迭代计算的次数达到计算次数限值，则终止所述迭代计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述标准体素的线衰减系数，计算校正因子；
采用所述校正因子对在所述计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述校正因子为：
其中，k是所述校正因子；μ标测_终止是所述标准体素的、采用所述透射重建算法在所述计算次数限值时计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
6.一种TGS透射图像重建装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取TGS透射测量数据，所述TGS透射测量数据是对被测每层样品进行TGS透射测量而得到的数据，所述被测每层样品被划分成N×N个体素，而且所述被测每层样品的周围还分布1个密度已知且密度分布均匀的标准体素，N为正整数；
计算模块，用于采用透射重建算法对所述TGS透射测量数据进行迭代计算；
终止模块，用于在收敛条件满足时，终止所述迭代计算，得到所述被测样品体素的线衰减系数，其中，所述收敛条件与所述标准体素的线衰减系数相关。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述收敛条件为：
连续两次所述迭代计算的迭代结果的相对变化率ε1不大于第一预设阈值，而且收敛终止计算判别限值ε2不大于第二预设阈值，其中：
其中，μ标测是所述标准体素的、采用所述透射重建算法计算得到的线衰减系数测量分析计算值；μ标是所述标准体素的线衰减系数标称值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述终止模块还用于，在所述收敛条件不满足的情况下，若所述迭代计算的次数达到计算次数限值，则终止所述迭代计算；
所述装置还包括：校正因子计算模块，用于基于所述标准体素的线衰减系数，计算校正因子；校正模块，用于采用所述校正因子对在所述计算次数限值时得到的被测样品体素线衰减系数测量分析计算值进行校正。
9.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
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