CN113576504B - 一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法，包括如下步骤：S1、获取所有重建μ子径迹与若干个给定数学平面的交点的坐标；S2、将各交点的坐标取整后赋予给对应的体素；S3、统计每个体素的交点数量；S4、筛选出交点数量大于预设阈值的体素；S5、将筛选后的体素成像，得到待成像物体的图像。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明通过计算重建μ子径迹与给定数学平面的交点坐标，再根据交点的密集程度将待成像物体断层成像。本发明提供的方法对μ子径迹探测器的灵敏面积要求不高，且没有采用迭代的思想，可以通过设定阈值排除掉偶然符合产生的错误信息，从而更好地实现对厘米级物体的成像。
Description
技术领域
本发明涉及粒子成像领域，具体涉及一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法。
背景技术
放射源宇宙射线μ子成像技术是一种新型的无损成像技术，宇宙射线μ子具有以下2 个优点：
1.强穿透性。宇宙射线μ子是一种穿透性极强的高能带电粒子，能够轻易地穿透厚的屏蔽层，比如海关集装箱内的放射性屏蔽材料、核反应堆、金字塔和火山口等。2.“无损”性。宇宙射线μ子是一种天然放射源，在其成像检测过程中不会引入额外的放射源，能够实现真正的“无损检测”。而常规检测方式引入了γ光等人工放射源，可能会对待成像检测物体造成辐照损伤。
目前，对宇宙射线μ子成像技术的研究，聚焦于μ子的散射成像和透射成像两种技术：
1.散射成像技术利用μ子穿过待成像检测物体后携带的散射角信息成像，该技术具有辐射安全性好、对高Z材料探测灵敏度高、环境友好等诸多优点。
2.透射成像技术利用μ子穿过待成像检测物体后能量和通量的衰减成像，其特点是可以对大体积物质进行深层检测，该技术成功无损检测出了金字塔内部暗室以上两种μ子成像技术，均存在一个共同的局限性：对中、低Z(原子序数)物质成像效果差，且基于μ子的透射成像技术不适用于小体积物质。
综上，现有μ子成像技术，聚焦于对高Z、大体积的物质成像，而对中低Z和小体积物质成像效果差。例如，在医学成像领域，由于不能利用μ子成像技术对人体进行无损检测成像，因此使用的均为人工放射源，这就增加了人体的额外吸收剂量，且提高辐照损伤风险，该领域内缺少一种对人体“无损”的成像技术。
针对现有μ子成像技术存在的上述缺点，公开号为CN 112807004 A的中国发明专利公开了一种针对中、低Z成像的μ子成像技术，该技术通过2层μ子径迹探测器和4个四面环绕的闪烁体探测器组成的探测系统(如图1所示)，利用以下三步实现成像：1.利用μ子的次级辐射来获得重建μ子径迹；2.将重建μ子径迹进行分类，转换为重建μ子径迹密集度3.利用MLEM成像算法和ASD-POCS成像算法分别获得三视图，从而实现成像。这种μ子成像技术理论上可以实现μ子对中、低Z物质的成像，但该项技术在实际应用过程中存在以下缺点：
1.MLEM成像算法和ASD-POCS成像算法均需要至少90度的重建μ子径迹密集度数据，这就要求μ子径迹探测器的灵敏面积足够大，假设待成像物体为10cm*10cm*10cm的物体，则探测器的灵敏面积至少需要30cm*30cm，而这种大灵敏面积的μ子径迹探测器的制造成本非常高。
2.MLEM成像算法和ASD-POCS算法均属于迭代算法，迭代算法有将错误信息放大的缺点。由于μ子径迹探测器和闪烁体探测器存在偶然符合的情况，会不可避免的导致记录下错误的信息作为重建μ子径迹，该错误信息会通过迭代放大最终造成重建图像的严重畸变。
3.ASD-POCS算法是通过两种条件交替收敛实现成像的算法，如果想要获得没有畸变的图像，要求μ子径迹探测器的位置分辨率足够高，即重建μ子径迹的信息足够准确。以目前国际上能稳定生产的先进μ子径迹探测器mecromegas为例，也仅有约为200微米的位置分辨率，不足以达到对厘米级物体的成像(想要使用上述方法达到对厘米级物体的成像，理论上需要50微米的位置分辨率，现有μ子径迹探测器无法实现)。
发明内容
为解决背景技术中现有μ子成像技术对灵敏面积和位置分辨率的要求过高、图像严重畸变的问题，本发明提出了一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法，该方法通过计算重建μ子径迹与给定数学平面的交点坐标，将待成像物体断层成像。该方法对μ子径迹探测器的灵敏面积要求不高，且没有采用迭代的思想，可以通过设定阈值排除掉偶然符合产生的错误信息，从而更好地实现对厘米级物体的成像。
一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法，包括如下步骤：
S1、获取所有重建μ子径迹与若干个给定数学平面的交点的坐标；
S2、将各交点的坐标取整后赋予给对应的体素；
S3、统计每个体素的交点数量；
S4、筛选出交点数量大于预设阈值的体素；
S5、将筛选后的体素成像，得到待成像物体的图像。
重建μ子径迹是指在待成像物体上方检测到的满足条件t2-t1≤ΔT的μ子径迹段，其中，t1为在待成像物体上方检测到μ子入射的时刻点，t2为在待成像物体侧周检测到γ光的时刻点，ΔT为设定值。体素是位于闪烁体探测器内长为m，宽为 n，高为k的体素。
上述方法通过计算重建μ子径迹与给定数学平面的交点坐标，再根据交点的密集程度将待成像物体断层成像。与现有μ子成像方法相比，本发明提供的方法对μ子径迹探测器的灵敏面积要求不高，且没有采用迭代的思想，可以通过设定阈值排除掉偶然符合产生的错误信息，从而更好地实现对厘米级物体的成像。
给定数学平面为与闪烁体探测器相交，且与水平面的夹角不超过45゜的平面。当给定数学平面垂直于Z轴时，各交点的坐标：
其中x1表示在初始坐标系下交点坐标在X坐标轴上的值；y1表示在初始坐标系下交点坐标在Y坐标轴上的值；z1表示在初始坐标系下交点坐标在Z坐标轴上的值；Z表示给定数学平面在初始坐标系下的z值，k1表示重建缪子径迹沿Y轴方向投影后的直线方程的k值，b1表示重建缪子径迹沿Y轴方向投影后的直线方程的b值，k2表示重建缪子径迹沿X轴方向投影后的直线方程的k值，b2沿重建缪子径迹沿X轴方向投影后的直线方程的b值。
当给定数学平面不垂直于Z轴时，各交点的坐标：
其中x1’表示在新坐标系下交点坐标位于X’坐标轴上的值；y1’表示在新坐标系下交点坐标位于Y’坐标轴上的值；z1’表示在新坐标系下交点坐标位于Z’坐标轴上的值；新坐标系是指在给定数学平面上建立的坐标系X’Y’Z’；x1表示在初始坐标系下交点坐标位于X坐标轴上的值，y1表示在初始坐标系下交点坐标位于Y坐标轴上的值，z1表示在初始坐标系下交点坐标位于Z坐标轴上的值，α1表示X轴与X’的夹角，α2表示X轴与Y’的夹角，α3表示X轴与Z’轴的夹角，β1表示Y轴与X’的夹角，β2表示Y轴与Y’的夹角，β3表示Y轴与Z’的夹角，γ1表示Z轴与X’的夹角，γ2表示Z轴与Y’的夹角，γ3表示Z轴与Z’的夹角。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种用于中低原子序数物质的μ子成像装置，包括计算机单元，所述计算机单元被配置于执行上述方法的步骤。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明通过计算重建μ子径迹与给定数学平面的交点坐标，再根据交点的密集程度将待成像物体断层成像。本发明提供的方法对μ子径迹探测器的灵敏面积要求不高，且没有采用迭代的思想，可以通过设定阈值排除掉偶然符合产生的错误信息，从而更好地实现对厘米级物体的成像。由于本方案针对的是对中低Z的物体成像，所以适用于水、脂肪、骨头等人体组织，再加上μ子的“无损性”的特点，在人体成像的医疗领域具有潜在的应用前景。
附图说明
图1为现有探测系统的结构示意图；
图2为本发明探测系统几何模型的结构示意图；
图3为本发明待成像物体的结构示意图；
图4为本发明重建缪子径迹与给定数学平面交点的示意图；
图5(a)、(b)、(c)为给定数学平面垂直于Z轴时，重建μ子径迹与给定数学平面的交点的示意图；
图6为给定数学平面不垂直于Z轴时，重建μ子径迹与给定数学平面的交点的示意图；
图7为给定数学平面不垂直于Z轴时，重建μ子径迹与给定数学平面的交点的示意图；
图8为给定数学平面不垂直于Z轴时，重建μ子径迹与给定数学平面的交点的示意图；
图9(a)为待成像物体成像正视示意图；
图9(b)为待成像物体成像侧视示意图；
图9(c)为待成像物体成像俯视示意图；
图9(d)为待成像物体成像三维图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本实施例以具体待成像物体为例。本实施例中，探测系统是由Geant4软件构建成的几何模型，如图2和图3所示，由上方两层μ子径迹探测器、四片侧面环绕的闪烁体探测体和中心待成像物体组成。待成像物体为三个圆柱，其高度均为2cm，横截面半径分别为1.5cm、1cm和0.5cm，材料填充为铁。放射源为满足cos2θ角(肖洒,帅茂兵,何伟波,等. 不同测量条件下μ子源项特征模拟[J].核电子学与探测技术,2017(04):526-530)分布，能量2GeV的μ子源。图2中1为入射的宇宙射线缪子，其穿过了2层缪子径迹探测器；2、 3为次级γ辐射；4是闪烁体光学光子，呈放射状，代表着闪烁体探测器发光过程，即闪烁体探测器发生了响应。当缪子径迹探测器和闪烁体探测器同时发生响应时，记录该入射缪子径迹作为重建缪子径迹。
基于上述几何模型，采用本发明的用于中低原子序数物质的μ子成像方法，包括如下步骤：
S1、获取所有重建μ子径迹与若干个给定数学平面的交点的坐标；
重建μ子径迹是指在待成像物体上方检测到的满足条件t2-t1≤ΔT的μ子径迹段，其中，t1为在待成像物体上方检测到μ子入射的时刻点，t2为在待成像物体侧周检测到γ光的时刻点，ΔT为设定值。
本实施例中，重建缪子径迹共有156347个，给定的数学平面的法线在XZ平面上，且方向与X轴的夹角从-45°～45°依次变化，每次增加1°。每个夹角内，沿给定的数学平面的法线方向延伸400个数学平面，所以一共有91*400个给定数学平面，最终可以计算出 156347*91*400个交点坐标。
交点坐标可采用如下方法计算：
1)当给定数学平面垂直于Z轴时。
当给定数学平面垂直于Z轴时如图4所示，带箭头的直线为重建缪子径迹；水平的直线为垂直于Z轴的数学平面。从图可知，每条重建缪子径迹与每个数学平面均会产生一个交点，交点由圆圈表示，空心圆圈代表交点在待成像物体外，实心则代表在待成像物体内。由于大部分的重建缪子径迹同时经过缪子探测器和待成像物体，所以重建缪子径迹的入射角被限制在一定范围内，这个范围由缪子探测器的面积与待成像物体的大小决定。
从图4可知，当一系列给定的数学平面均垂直于Z轴时，交点最密集的区域主要反映了待成像物体沿Z轴的分布范围，即待成像物体的高度信息。比如数学平面三位于待成像物体中心，交点聚集非常密集，数学平面一与五位于高度边缘，交点相对分散。重建缪子径迹与垂直于Z轴的数学平面的交点通过以下方法求出。
如图5所示，计算重建μ子径迹与数学平面的交点坐标，可转换为在初始坐标XYZ的三维坐标系中，求已知的空间直线与某垂直于Z轴方向平面的交点坐标(x1，y1，z1)。可分别沿X轴方向和Y轴方向进行投影，投影后的二维直线方程分别为z＝k1y1+b1和 z＝k2x1+b2，由于空间直线方程已知，所以k1,k2,b1,b2均已知，求解得交点坐标为
2)给定数学平面不垂直于Z轴时
如图4所示，当给定数学平面不垂直于Z轴时，计算所得的交点可以反映沿给定数学平面法线方向的分布范围，求交点坐标时，不能直接通过投影的方法求得交点坐标，具体方法如下。
第一步，在给定的数学平面上建立新的三维坐标系X’Y’Z’(以下简称新坐标)，这样在新坐标系上给定的数学平面垂直于Z’轴，如图5所示。
假设原三维坐标系XYZ(以下简称旧坐标系)的基向量为(i,j,k)，新坐标系的基向量为(i’,j’,k’)，则初始坐标系与新坐标系存在以下转换关系。
其中，α1，α2，......,γ2，γ3为新旧坐标轴基向量夹角，具体见表一。
| X轴(i) | Y轴(j) | Z轴(k) | |
| X’轴(i’) | α1 | β1 | γ1 |
| Y’轴(j’) | α2 | β2 | γ2 |
| Z’轴(k’) | α3 | β3 | γ3 |
表一 新旧坐标系基向量之间的夹角
第二步，假设空间直线过(a1,b1,c1)和(a2,b2,c2)，可通过下式转换为新坐标系下的(a1’,b1’,c1’)和(a2’,b2’,c2’)。
第三步，通过新坐标系下直线经过的两个点，计算基于新坐标系的空间直线方程，并沿 X’轴和Y’轴投影，获得两个二维直线方程z1'＝k1'y1'+b1'和z1'＝k2'x1'+b2'，由于k1,k2,b1,b2 均已知，可计算得到新坐标系下空间直线与数学平面交点为
后文用 (x1’,y1’,z1’)代替新坐标系下的交点坐标。
第四步，如图6所示，将新坐标系下的交点(x1’,y1’,z1’)可通过下式转换到初始坐标系(x1,y1,z1)，即可求得交点坐标。
S2、将各交点的坐标取整后赋予给对应的体素；
体素是位于闪烁体探测器内长为m，宽为n，高为k的体素。体素共有(m,n,k)个，即长有m个体素，宽有n个体素，高有k个体素。然后将所有交点的坐标向前取整，赋予给对应的体素，比如当交点坐标为(14.1,8.2,0.2)，则该交点属于体素(15,9,1)，以此类推。
S3、统计每个体素的交点数量；
比如有5个交点属于体素(15,9,1)，则体素(15,9,1)的交点数量为5。
S4、筛选出交点数量大于预设阈值的体素；
找出所有体素的积分的最大值max；第二步，所有体素的积分值×255/max，则所有体素的灰度为0～255之间，255代表黑，0代表白。因为要保证成的图像仅显示最密集的区域，所以设定灰度阈值，当体素的灰度低于阈值时不显示。阈值由待成像物体的原子序数和体积决定，当待成像物体为铁，体积为厘米级时，阈值推荐设定为122左右。
S5、将筛选后的体素成像，得到待成像物体的图像。
将灰度超过阈值的体素进行灰度显示，获得最终的成像，如图9所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种用于中低原子序数物质的μ子成像方法，包括如下步骤：
S1、获取所有重建μ子径迹与若干个给定数学平面的交点的坐标；
S2、将各交点的坐标取整后赋予给对应的体素；
S3、统计每个体素的交点数量；
S4、筛选出交点数量大于预设阈值的体素；
S5、将筛选后的体素成像，得到待成像物体的图像。
2.根据权利要求1所述的用于中低原子序数物质的μ子成像方法，其特征在于，所述给定数学平面垂直于Z轴时，各交点的坐标：
其中x1表示在初始坐标系下交点坐标在X坐标轴上的值；y1表示在初始坐标系下交点坐标在Y坐标轴上的值；z1表示在初始坐标系下交点坐标在Z坐标轴上的值；Z表示给定数学平面在初始坐标系下的z值，k1表示重建缪子径迹沿Y轴方向投影后的直线方程的k值，b1表示重建缪子径迹沿Y轴方向投影后的直线方程的b值，k2表示重建缪子径迹沿X轴方向投影后的直线方程的k值，b2沿重建缪子径迹沿X轴方向投影后的直线方程的b值。
3.根据权利要求1所述的用于中低原子序数物质的μ子成像方法，其特征在于：所述给定数学平面不垂直于Z轴时，各交点的坐标：
其中x1’表示在新坐标系下交点坐标位于X’坐标轴上的值；y1’表示在新坐标系下交点坐标位于Y’坐标轴上的值；z1’表示在新坐标系下交点坐标位于Z’坐标轴上的值；新坐标系是指在给定数学平面上建立的坐标系X’Y’Z’；x1表示在初始坐标系下交点坐标位于X坐标轴上的值，y1表示在初始坐标系下交点坐标位于Y坐标轴上的值，z1表示在初始坐标系下交点坐标位于Z坐标轴上的值，α1表示X轴与X’的夹角，α2表示X轴与Y’的夹角，α3表示X轴与Z’轴的夹角，β1表示Y轴与X’的夹角，β2表示Y轴与Y’的夹角，β3表示Y轴与Z’的夹角，γ1表示Z轴与X’的夹角，γ2表示Z轴与Y’的夹角，γ3表示Z轴与Z’的夹角。
4.一种用于中低原子序数物质的μ子成像装置，包括计算机单元，其特征在于：所述计算机单元被配置于执行权利要求1-3任一项所述的方法的步骤。
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