CN116125524B - 一种阵列自编码探测器系统及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列自编码探测器系统及其成像方法，系统包括：两个自编码探测器；自编码探测器会阻挡部分射线进入后面自编码探测器，两个自编码探测器都充当编码板和散射探测器的作用，进行编码孔和康普顿成像；成像方法包括：阵列自编码探测器系统探测放射源，得到探测器响应D；根据事先构建的系统矩阵T，经过MLEM算法进行迭代，得到放射源分布G；在成像过程中通过对数据处理减少MLEM算法的计算量，对数据处理包括硬盘索引加载系统矩阵、原始数据预处理降维和滑动迭代方法的实时显示。本发明的优点是：舍弃准直编码板，减小低能成像装置的体积和重量，提高康普顿成像对中、高能射线的成像灵敏度，减少计算量，实现快速、准确的宽能区伽马成像。

Description

一种阵列自编码探测器系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种阵列自编码探测器系统及其成像方法。
背景技术
近年来，随着核能、核技术的快速发展和广泛应用，核安全保障成为日益关注的话题。在核安全监测手段上，对放射性热点的直接成像，不仅可鉴别放射源中核素的种类，还可以提供其在环境空间中分布的图像，因此可以更好地监管和搜寻放射性物质。另外，放射性成像技术在其他应用领域也十分广泛，涉及医学成像、资源勘探、公众安全、边境检查、核应急、核废物退役处置等诸多领域。
当前，放射性成像技术主要使用编码孔成像和康普顿成像。
对于低能伽马射线，使用传统的编码孔成像具有较好成像效果。编码孔成像采用一个编码板和二维位置灵敏的探测器，通过使用多孔编码和解码的方法进行辐射成像，从而确定放射性分布。
对于中高能伽马射线，康普顿成像由于具有宽视野、高效率的优势而被广泛应用。康普顿成像通过散射点、散射光子方向和散射角将入射光子的方向限定在一个圆锥面上。多个事例的重建圆锥互相交叠，即可在三维空间中定位放射源的位置。如果当放射源的距离远大于探测器的尺寸时，可以用远场近似成像，这样成像空间被转化为一个二维球面的方位角分布。
当前成像技术存在以下的缺点：
1.对于伽马射线的探测与成像，编码孔成像对高能射线的成像灵敏度较低，而康普顿成像则对低能射线的成像灵敏度较低。现有技术是将编码板放置在康普顿成像的散射探测器前进行高、低能射线的成像，这将导致编码板对伽马射线进行遮挡影响康普顿成像的灵敏度以及探测器系统的体积较大。
2.对于康普顿成像的算法，MLEM算法通过迭代寻找一种放射源分布，使得出现测量到的探测器响应的概率最大。现有的列表型(List-mode)MLEM算法虽然可以减小系统矩阵的大小，但对于排布不规则的阵列探测系统，计算其各个方向入射射线的衰减路径非常复杂，将会影响成像灵敏度，导致探测结果不准确。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种阵列自编码探测器系统及其成像方法，可以同时对高、低能伽马射线快速、准确的探测和成像。针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题有：
1.采用阵列自编码探测器的方式实现同时对高、低能伽马射线进行成像，减小传统低能伽马射线成像装置的体积和重量，并提高康普顿成像方法对中、高能伽马射线的成像灵敏度；
2.提出一种融合高、低能伽马射线的成像方法，采用硬盘索引加载系统矩阵、预处理方法对原始数据降维和基于滑动迭代方法的实时显示，实现宽能区的快速伽马射线成像。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种阵列自编码探测器系统，包括：自编码探测器A和自编码探测器B；
自编码探测器A会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器B，同时，自编码探测器B会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器A，自编码探测器A和自编码探测器B都充当编码板的作用，进行低能的伽马射线成像。同时自编码探测器A和自编码探测器B能作为散射探测器，用于康普顿成像。
所述的自编码探测器A和自编码探测器B都由探测器最小探测单元按照一定的方式进行编码组成。
进一步地，所述的探测器最小探测单元，包括GAGG(Ce)晶体、TiO2反射层和SiPM读出组成；
GAGG(Ce)晶体作为探测器，SiPM读出放置在探测器的正下方，TiO2作为反射层覆盖其余五个方向。
进一步地，自编码探测器A和自编码探测器B由最小探测单元按照MURA方式进行编码排列组成的。
本发明还公开了上述阵列自编码探测器系统的融合高、低能伽马射线的成像方法，包括以下步骤：
阵列自编码探测器系统探测放射源，测得的探测器响应D。放射源分布G和探测器响应D之间的关系表示为:
D＝TG
其中，T为探测器的系统矩阵。
经过MLEM算法进行迭代，最终得到放射源分布G,在成像过程中通过对数据不断处理减少MLEM算法的计算量。
对数据处理包括采用硬盘索引加载系统矩阵、预处理方法对原始数据降维和基于滑动迭代方法的实时显示；
进一步地，所述的硬盘索引加载系统矩阵可以事先模拟计算并存储所有探测器响应的系统矩阵，然后通过索引方式从存储中快速加载当前探测事例相应的一行系统矩阵到内存中进行迭代计算；
进一步地，所述的预处理方法对原始数据降维，步骤为：将原始数据的8个维度(x1,y1,z1,e1)，(x2,y2,z2,e2)直接降低到3个维度预处理后的数据也和编码孔成像所需的单点光电事例(x,y,e)维度相同；
进一步地，所述的基于滑动迭代方法的实时显示，步骤为：将探测到的数据分为子集进行迭代。当新的数据包到来后，将已经迭代完成的数据包进行剔除，但可以对其中高质量的数据进行保留。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
采用阵列自编码探测器的方式实现同时对高、低能伽马射线进行成像，减小传统低能伽马射线成像装置的体积和重量，并提高康普顿成像方法对中、高能伽马射线的成像灵敏度；；
解决了现有的List-mode MLEM算法对于排布不规则的阵列探测系统计算量大、实时性低等问题，实现快速、准确的成像。
本发明提供的融合高、低能伽马射线的成像方法利用硬盘索引加载系统矩阵、预处理方法对原始数据降维和基于滑动迭代方法的实时显示对数据进行简化，达到减少计算量，实现宽能区伽马射线快速、准确成像的目的。
附图说明
图1为本发明实施例阵列自编码探测器系统结构示意图；
图2为本发明实施例探测器最小探测单元结构示意图；
图3为本发明实施例硬盘索引加载系统矩阵的实现原理；
图4为本发明实施例原始数据进行预处理降维的实现原理；
图5为本发明实施例基于滑动迭代方法的实时显示实现原理。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，阵列自编码探测器系统，包括自编码探测器A1和自编码探测器B2两层探测器组成；
自编码探测器A1会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器B2，同时，自编码探测器B2也会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器A1，在进行低能射线成像时，自编码探测器A1和自编码探测器B2都能充当编码板的作用，实现对低能伽马射线的成像。同时自编码探测器A1和自编码探测器B2仍能作为康普顿成像中的散射探测器，用于康普顿成像。自编码探测器A1和自编码探测器B2是由探测器最小探测单元按照MURA进行编码组成；
如图2所示，探测器最小探测单元，包括GAGG(Ce)晶体3、TiO2反射层4和SiPM读出5组成。
GAGG(Ce)晶体3作为探测器，SiPM读出5放置在探测器的正下方，TiO2反射层4覆盖其余五个方向。
高光产额的GAGG(Ce)晶体3有较好的能量分辨率，光出射面通过硅油耦合到SiPM读出5，其它五个面全部用TiO2反射层4覆盖来增加反射能力。
该系统舍弃准直专用编码板，能有效解决成像装置体积和重量大、成像灵敏度低的问题，减小传统低能伽马射线成像装置的体积和重量，并提高康普顿成像方法对中、高能伽马射线的成像灵敏度，实现对高、低能伽马射线的同时探测。
融合高、低能伽马射线的成像方法为：
阵列自编码探测器探测放射源，测得的探测器响应D。放射源分布G和探测器响应D之间的关系表示为:
D＝TG
经过MLEM算法进行迭代，最终得到放射源分布G,在成像过程中通过对数据不断处理减少MLEM算法的计算量。
对数据处理包括采用硬盘索引加载系统矩阵方式、预处理方法对原始数据降维和基于滑动迭代方法的实时显示；
List-mode MLEM算法只对探测到的事例进行迭代，可以减小系统矩阵tnm的大小，但需要实时计算所有可能入射方向产生该种事例的概率。对于排布不规则的阵列探测系统，计算其各个方向入射射线的衰减路径非常复杂，需要用硬盘索引加载系统矩阵的方式得到系统矩阵；
图3所示为硬盘索引加载系统矩阵的实现原理，事先模拟计算并存储所有探测器响应的系统矩阵到固态硬盘中，然后通过索引方式从存储中快速加载当前探测事例相应的一行系统矩阵到内存中进行迭代计算，从而避免了大量耗时的计算过程；
图4所示为预处理方法对原始数据降维的实现原理，由于两点作用的三维位置只用于计算康普顿圆锥轴的方向而射线能量损失与康普顿散射角α一一对应。通过预处理将原始数据的8个维度(x1,y1,z1,e1)，(x2,y2,z2,e2)直接降低到3个维度/>预处理后的数据也和编码孔成像所需的单点光电事例(x,y,e)维度相同；
图5所示为基于滑动迭代方法的实时显示实现原理，将探测到的数据分为子集进行迭代。当新的数据包到来后，将已经迭代完成的数据包进行剔除，但可以对其中高质量的数据进行保留。这种方法不仅节约了存储空间、加速了迭代过程，还抑制了噪声。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种融合高、低能伽马射线的成像方法，其特征在于：所述成像方法是在阵列自编码探测器系统的基础上实现的；
阵列自编码探测器系统，包括：自编码探测器A和自编码探测器B；
自编码探测器A会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器B，同时，自编码探测器B会阻挡部分射线进入后面的自编码探测器A，自编码探测器A和自编码探测器B都充当编码板的作用，进行低能的伽马射线成像；同时自编码探测器A和自编码探测器B能作为散射探测器，用于康普顿成像；
所述的自编码探测器A和自编码探测器B都由探测器最小探测单元按照一定的方式进行编码组成；
所述成像方法包括以下步骤：
阵列自编码探测器系统探测放射源，测得的探测器响应D；放射源分布G和探测器响应D之间的关系表示为:
D＝TG
其中，T为探测器的系统矩阵；
经过MLEM算法进行迭代，最终得到放射源分布G,在成像过程中通过对数据不断处理减少MLEM算法的计算量；
对数据处理包括采用硬盘索引加载系统矩阵、预处理方法对原始数据降维和基于滑动迭代方法的实时显示。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：所述的探测器最小探测单元，包括GAGG(Ce)晶体、TiO2反射层和SiPM读出组成；
GAGG(Ce)晶体作为探测器，SiPM读出放置在探测器的正下方，TiO2作为反射层覆盖其余五个方向。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：自编码探测器A和自编码探测器B由最小探测单元按照MURA方式进行编码排列组成的。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：所述的硬盘索引加载系统矩阵可以事先模拟计算并存储所有探测器响应的系统矩阵，然后通过索引方式从存储中快速加载当前探测事例相应的一行系统矩阵到内存中进行迭代计算。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：所述的预处理方法对原始数据降维，步骤为：将原始数据的8个维度(x1,y1,z1,e1)，(x2,y2,z2,e2)直接降低到3个维度预处理后的数据也和编码孔成像所需的单点光电事例(x,y,e)维度相同。
6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：所述的基于滑动迭代方法的实时显示，步骤为：将探测到的数据分为子集进行迭代；当新的数据包到来后，将已经迭代完成的数据包进行剔除，但对其中高质量的数据进行保留。
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