CN114690236A - 针对束流强度分布的快速鬼成像方法 - Google Patents

针对束流强度分布的快速鬼成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法，加速器用于射出束流照射在鬼成像装置的随机编码板上，在被束流照射编码板的区域上建立坐标系；预设运动模型；桶探测器每测量一次，得到一强度数据和一修正调制矩阵；利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像；边缘检测得到边界点；边界点围合区域为束斑位置。本发明提出了快速鬼成像方法，不仅能在编码板运动下完成测量，大大节省成像时间，且突破原有编码板的采样次数限制，获取更多的数据；并且优化了数据利用方式，通过运动模型获取到每次测量的修正调制矩阵，使所有数据均能直接利用，成像效果清晰准确、质量可靠。

Description

针对束流强度分布的快速鬼成像方法
技术领域
本发明涉及一种成像方法，尤其涉及一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法。
背景技术
加速器装置已经在科学研究、医学治疗和民用领域等得到广泛的应用。但由于随着使用频率的增多，从加速器中射出的束流，可能存在一定的位置偏移、强度变化等一系列的情况。因此束流测量在加速器的运行和调试阶段都是必不可少的，如何快速且准确的实现对束流测量的测量具有重要的价值和意义。
目前，对束流强度分布的测量，虽然根据不同的带电粒子不同，采取的测量形式存在一定的区别，但是整体分为两类，阻挡式测量和非阻挡式测量：其中阻挡式测量存在大体分为三种形式：
1）在靶前放置具有固定结构的多丝靶，得到两个方向上的一维分布，进而推测束流分布；
2）在靶面涂发光材料，通过粒子与发光材料的反应放出荧光，镜面反射至相机上达到监测目的；
3）将活化材料放置靶前，停止供束后取出进行后期活化分析间接得到束流分布情况。
阻挡式测量相对与非阻挡式测量能更精确的获取束流强度分布，但是其测量时间普遍较长。而且现有的阻挡式测量方法都是间接式的测量，利用束流粒子与物质相互作用后的现象推测束斑位置和强度分布。
鬼成像技术本身是一种新颖对物体成像的方法，具有不易被干扰、成像系统简单和空间分辨率高等优点。若能根据鬼成像技术原理，把束流强度分布等效为粒子源穿过物体之后的粒子强度分布，从而直接进行束流成像，获得束流强度分布和束斑位置，这将极大减少设备成本和提高准确性。
但是对束流进行鬼成像时，由于射线粒子穿透能力较强，只能以利用编码板的形式实现对射线场的调制。在每次测量需要通过机械移动实现编码板的切换。传统方法中，探测器测量时，编码板保存静止，等到完成测量后，编码板再移动到指定位置，静止进行下次测量。在编码板不断启动和中断移动的过程，将耗费大量时间，增长了鬼成像所需的时间。
因此本专利，针对鬼成像测量时间长的问题，提出了一种快速鬼成像方法运用在束流测量。其中测量形式：由传统的需要在编码板与探测器相对静止下测量，改变为编码板不停运动的情况下完成测量，而这种方式会损失测量的准确性；为了避免准确性的损失，本专利对其测量数据利用形式作出了改变。从而能够在保证准确性的情况下，极大的减少对束流检测所需的时间，实现对束流快速且准确测量。
发明内容
本发明目的就在于提供一种针对束流强度分布能快速的成像、且不会出现图像偏移、成像清晰、准确的一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法，包括以下步骤；
（1）选择一鬼成像装置和一加速器，所述鬼成像装置包括依次连接的随机编码板、桶探测器和上位机，所述加速器用于射出束流照射在随机编码板上，经桶探测器测量后得到数据送入上位机，其中，随机编码板由M×P个码元构成，在加速器的出口正前方设置一M×M个码元的照射区域，该照射区域位于随机编码板上，与加速器出口中心点正对、且面积大于或等于加速器出口的外接矩形面积，所述M为正整数，P≥M×M+M-1；
（2）在照射区域建立坐标系，一个码元为一个点，则点（x,y）处的值为B（x,y），若点（x,y）处有填充材料，B（x,y）为0，反之为1；
（3）设置运动模型；
预设码元宽度为l，随机编码板按速度v平移，从一端与照射区域一端平齐，平移至另一端与照射区域另一端平齐完成全部测量，桶探测器测量一次时间为T1，移动一个码元的时间为T2=l/v，T1＜T2，且完成全部测量时，共测量Q次，Q=floor（T2/T1）（P-M+1），所述floor为向小数方向取整；
（4）启动运动模型并测量，桶探测器每测量一次，得到一强度数据和一修正调制矩阵，其中；
第i次测量的强度数据为S i ，i=1~Q；
第i次测量的修正调制矩阵为P i ，其点（x,y）处的元素标记P i （x,y），通过下式得到；
Figure 5444DEST_PATH_IMAGE001
式中，t i 为第i次测量开始的时间，B' i （x,y,t）为t时刻点（x,y）受到的调制效果，采用下式计算：
Figure 486366DEST_PATH_IMAGE003
其中：
Figure 328420DEST_PATH_IMAGE004
，为t时刻随机编码板移动的距离；
（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像；
（6）对束流图像进行边缘检测，得到边界点，所述边界点围合区域为束斑位置。
作为优选：所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为，束流图像中点（x,y）处的像素值I（x,y）通过下式得到；
Figure 785946DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 662635DEST_PATH_IMAGE006
表示Q次测量的平均值。另外，该点的像素值与该点的强度值呈线型比例关系，其成像结果能代表束流的的强度分布。
作为优选：所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为采用基于压缩感知的TV算法进行成像。
作为优选：所述步骤（6）采用Prewitt算子进行边缘检测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明针对束流强度分布，提出了一种利用鬼成像技术实现束流强度分布成像的新方法，克服了现有技术中编码板在每次测量时需要不断启动和中断移动的情况，而是在随机编码板不断运动下完成测量，大大节省了成像的时间。
（2）充分提高了探测器的使用效率，使得在原有无效测量区域所得的测量也能被利用，提高了设备的整体使用效率。并且可以在原有设备不改变的基础上获取到更多的测量数据。如：使原计划只能获取全采样测量的编码版，在运动测量的形式下，获得过采样数据。甚至在欠采样编码板上，获取过采样数据。这也减少了编码板使用量，降低了编码板的制造成本。
（3）通过运动模型的构建，所计算出的修正调制矩阵，在运动测量下的测量数据能直接使用，提高了数据利用效率，节省了成像算法计算时间，且成像效果更清晰、准确。
附图说明
图1为本发明硬件原理图；
图2为本发明流程图；
图3为开始测量时成像区域与随机编码板的位置关系图；
图4为结束测量时成像区域与随机编码板的位置关系图。
图中：1、加速器；2、随机编码板；3、照射区域；4、桶探测器；5、上位机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1到图4，一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法，包括以下步骤；
（1）选择一鬼成像装置和一加速器1，所述鬼成像装置包括依次连接的随机编码板2、桶探测器4和上位机5，所述加速器1用于射出束流照射在随机编码板2上，经桶探测器4测量后得到数据送入上位机5，其中，随机编码板2由M×P个码元构成，在加速器1的出口正前方设置一M×M个码元的照射区域3，该照射区域3位于随机编码板2上，与加速器1出口中心点正对、且面积大于或等于加速器1出口的外接矩形面积，所述M为正整数，P≥M×M+M-1；
（2）在照射区域3建立坐标系，一个码元为一个点，则点（x,y）处的值为B（x,y），若点（x,y）处有填充材料，B（x,y）为0，反之为1；
（3）设置运动模型；
预设码元宽度为l，随机编码板2按速度v平移，从一端与照射区域3一端平齐，平移至另一端与照射区域3另一端平齐完成全部测量，桶探测器4测量一次时间为T1，移动一个码元的时间为T2=l/v，T1＜T2，且完成全部测量时，共测量Q次，Q=floor（T2/T1）（P-M+1），所述floor为向小数方向取整；
（4）启动运动模型并测量，桶探测器4每测量一次，得到一强度数据和一修正调制矩阵，其中；
第i次测量的强度数据为S i ，i=1~Q；
第i次测量的修正调制矩阵为P i ，其点（x,y）处的元素标记P i （x,y），通过下式得到；
Figure 45950DEST_PATH_IMAGE007
式中，t i 为第i次测量开始的时间，B' i （x,y,t）为t时刻点（x,y）受到的调制效果，采用下式计算：
Figure 375300DEST_PATH_IMAGE003
其中：
Figure 636517DEST_PATH_IMAGE004
，为t时刻随机编码板2移动的距离；
（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像；
（6）对束流图像进行边缘检测，得到边界点，所述边界点围合区域为束斑位置。
所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为，束流图像中点（x,y）处的值I（x,y）通过下式得到；
Figure 367713DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 924858DEST_PATH_IMAGE006
表示Q次测量的平均值；
所述步骤（6）采用Prewitt算子进行边缘检测。
束流经加速器1出口至照射区域3，所以照射区域3大于加速器1出口的外接矩形面积，能完整的调制加速器1的粒子。
实施例2：参见图1到图4，所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为采用基于压缩感知的TV算法进行成像，其余与实施例1相同。
实施例3：参见图1到图4，在实施例1或实施例2的基础上，我们选用一个具体尺寸的随机编码板2。
步骤（1）中，M=32，P≥M×M+M-1=1055，此处我们选P=1055，则随机编码板2为32×1055个码元大小的全采样随机编码板2，束流在随机编码板2上形成一32×32个码元的照射区域3，其余与实施例1相同；
步骤（2），同实施例1的步骤（2）；
步骤（3），预设码元宽度为l，随机编码板2按速度v平移，从一端与照射区域3一端平齐，平移至另一端与照射区域3另一端平齐完成全部测量，桶探测器4测量一次时间为T1，移动一个码元的时间为T2=l/v，T1＜T2，且完成全部测量时，共测量Q次，Q=floor（T2/T1）（P-M+1），所述floor为向小数方向取整；
本实施例中，M=32，P=1055，随机编码板2的宽度为32mm，长度为1055mm，厚度为1.5cm，这样一个码元的尺寸刚好是1mm×1mm，l=1mm；
随机编码板2的速度可以根据需要进行调整，那么T2=l/v也可以根据需要进行调整，本实施例中，为了便于描述，我们设固定测量时间为T1=1ms，v=10mm/s，那么T2=l/v=0.1s，那么该条件下，T2/T1=100，也就是说，移动1个码元，桶探测器4测量了100次，除第一次外，其余99次均为新增的数据；
（4）桶探测器4每测量一次，得到一强度数据和一修正调制矩阵，当移动一个码元的距离时，共得到100个强度数据，和100个修正调制矩阵，由于强度数据和修正调制矩阵是一一对应的，能直接利用，实现成像。且过采样数据，能极大的增强数据的“涨落”程度，有利于提高成像质量。
其中，第i次测量的强度数据为S i ，是通过桶探测器4直接测量就能够得到的；
第i次测量的修正调制矩阵为P i ；从公式可以看出，在100次测量中的每一次测量，P i （x,y）均不同，与B' i （x,y,t）息息相关，而B' i （x,y,t）与floor（L（t））、floor（L（t））+1有关，也就是由相邻码元共同作用，其中B' i （x,y,t）可以看做t时刻点（x,y）受到的调制效果，是有具体的编码板对应的。而P i （x,y）是第i次测量时间内点（x,y）受到的平均调制效果，而没有具体的编码板对应。
（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像；
（6）对束流图像进行边缘检测，得到边界点，所述边界点围合区域为束斑位置。
值得注意的是：目前有的成像技术中，对于M×(M×M+M-1)的随机编码板2而言，现有的技术的测量过程往往只会是移动、静止、测量，以此重复，累计测量M×M次；
本发明由于T1<T2=l/v，使得即使随机编码板2保持一直运动，测量的次数也远远多于M×M次。所得的数据为过采样数据。针对这种特殊情况，如果没有本发明中运动情况下的调制矩阵的修正，则会使图像出现较大的系统性偏差，严重影响成像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种针对束流强度分布的快速鬼成像方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）选择一鬼成像装置和一加速器，所述鬼成像装置包括依次连接的随机编码板、桶探测器和上位机，所述加速器用于射出束流照射在随机编码板上，经桶探测器测量后得到数据送入上位机，其中，随机编码板由M×P个码元构成，在加速器的出口正前方设置一M×M个码元的照射区域，该照射区域位于随机编码板上，与加速器出口中心点正对、且面积大于或等于加速器出口的外接矩形面积，所述M为正整数，P≥M×M+M-1；
（2）在照射区域建立坐标系，一个码元为一个点，则点（x,y）处的值为B（x,y），若点（x,y）处有填充材料，B（x,y）为0，反之为1；
（3）设置运动模型；
预设码元宽度为l，随机编码板按速度v平移，从一端与照射区域一端平齐，平移至另一端与照射区域另一端平齐完成全部测量，桶探测器测量一次时间为T1，移动一个码元的时间为T2=l/v，T1＜T2，且完成全部测量时，共测量Q次，Q=floor（T2/T1）（P-M+1），所述floor为向小数方向取整；
（4）启动运动模型并测量，桶探测器每测量一次，得到一强度数据和一修正调制矩阵，其中；
第i次测量的强度数据为S i ，i=1~Q；
第i次测量的修正调制矩阵为P i ，其点（x,y）处的元素标记P i （x,y），通过下式得到；
Figure 335743DEST_PATH_IMAGE001
式中，t i 为第i次测量开始的时间，B' i （x,y,t）为t时刻点（x,y）受到的调制效果，采用下式计算：
Figure 135072DEST_PATH_IMAGE003
其中：
Figure 720774DEST_PATH_IMAGE004
，为t时刻随机编码板移动的距离；
（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像；
（6）对束流图像进行边缘检测，得到边界点，所述边界点围合区域为束斑位置。
2.根据权利要求1所述的针对束流强度分布的快速鬼成像方法，其特征在于：所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为，束流图像中点（x,y）处的像素值I（x,y）通过下式得到；
Figure 711470DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 15412DEST_PATH_IMAGE006
表示Q次测量的平均值。
3.根据权利要求1所述的针对束流强度分布的快速鬼成像方法，其特征在于：所述步骤（5）利用强度数据和修正调制矩阵，得到束流图像，具体为采用基于压缩感知的TV算法进行成像。
4.根据权利要求1所述的针对束流强度分布的快速鬼成像方法，其特征在于：所述步骤（6）采用Prewitt算子进行边缘检测。
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