TWI443362B - 不可見光粒子檢測裝置 - Google Patents

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TWI443362B
TWI443362B TW100115017A TW100115017A TWI443362B TW I443362 B TWI443362 B TW I443362B TW 100115017 A TW100115017 A TW 100115017A TW 100115017 A TW100115017 A TW 100115017A TW I443362 B TWI443362 B TW I443362B
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Chih Chieh Wu
Tai Shan Liao
Chi Hung Hwang
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Nat Applied Res Laboratoires
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Description

不可見光粒子檢測裝置
本發明係在行動裝置如智慧型手機上實現一種輻射粒子強度劑量檢測法，所屬技術領域為非侵入式影像檢測，數位影像處理，光學腔裝置與嵌入式系統之應用軟體開發等相關應用領域上。
最近日本海嘯引發日本核能發電廠嚴重損毀而造成輻射外洩嚴重，此種外洩輻射粒子皆為不可見光之α、β、γ等粒子，此等不可見光粒子很難看到，接觸過多之輻射量會造成人體危害，超過一定量甚至會造成生命立即危險；要偵測此等不可見光之輻射粒子，需要專屬儀器，且其儀器由於體積不小且價格相對昂貴，如蓋格計數器等；雖然有臂章型熱發光檢測片裝置，雖然使用方便，但是必須使用一段時間後送至專屬儀器判讀，無法即時知道當時身處環境其是否於超過安全輻射量，其效用僅限於事後記錄；雖然目前市場亦有發展出筆型或手錶型輻射劑量計可以讓個人攜帶與隨時偵測所處地點是否輻射量超過安全值；此種筆型或其他易攜帶輻射劑量計皆需要電池電源補充電源，因此如何利用目前行動裝置如智慧型手機也能偵測輻射量是否超過安全值，且亦能利用手機之通信功能將偵測地區之偵測值傳送出告知週遭民眾知道，讓個人能更方便攜帶與使用，為目前最迫切之研究課題；本發明「不可見光粒子檢測裝置」乃為解決上述技術困難與需求的發明。
「新穎性」方面：
本專利提出一種基於行動裝置之智慧型手機之膚質檢測方法，該取像裝置乃利用手機內建之照相機取得可分離式光學模組射出光子影像與影像處理技術概念，結合人們隨身攜帶的手機為出發點，以手機影像感測器取代輻射探測器，不需另外電源，不影響手機功能，且可以一次取得光子影像，能取代傳統輻射檢測儀器價錢昂貴、體積大、維護 成本等問題，且操作容易，操作人員不需進行教育訓練，透過影像處理，能馬上悉知受測物與地區之輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜，符合不改變手機形狀與功能就能偵測輻射。本發明專利提出一種使用行動裝置如智慧型手機智慧型手機之實現一種輻射粒子強度劑量檢測演算介面裝置；高能不可見光粒子入射至被光學腔所包圍轉介質產生可見光後入射手機內建之照相機取光子影像，再經由影像處理演算法，以總和法、平均法或值方法演算出輻射粒子強度劑量。使用者可透過智慧型手機，運用此設計之人機互動介面程式，簡便快速的獲得周圍環境或待測物之輻射強度，或於手機畫面上得知期能譜，無須另用其它電源與高壓支持裝置之專用儀器，創新之使用便利性。
「進步性」方面：
傳統個人型簡易攜帶之輻射劑量計最早問世於西元1953年美國發明專利號碼(2638553 )，此於筆型內有一鍍有硼原子之小型游離腔，此腔內有置放一條石英光纖於夾具上，筆內亦放置一有刻度之顯微放大鏡，當此簡易筆型劑量計受到到α、β、γ等輻射性粒子時，會撞擊腔壁之硼原子，使硼原子受到α、β、γ等輻射性粒子時會放射出電子，此電子撞擊光纖，使夾具上石英光纖產生位移，由顯微放大鏡看出石英光纖在刻度面上位移量，就可知道其相對輻射劑量，雖然此簡易筆型劑量計使用時不需要電源，但是此簡易筆型劑量計每次使用時需要將光纖歸零校正，歸零校正時需將此簡易筆型劑量計放在一個高壓充電器使游離腔放電讓光纖回到歸零位置，雖然便於攜帶但是使用上還不是很便利。另外隨著科技進步，中華民國核能研究所亦有幾款 簡易型輻射劑量計之發明，如中華民國新型專利號碼105855「掌上型高零敏度加馬輻射偵察裝置」、中華民國發明專利號碼I244556號「電子式人員計劑量計之簡化設計方法與裝置」、中華民國發明專利號碼087115號「易攜型游離輻射能譜分析儀設計方法與裝置」與中華民國發明專利號碼I321221號「可攜式輻射偵測及能譜分析方法」等專利，上述雖然都為可攜式產品，其缺點為專屬儀器產品都需電池電源供給，且其中探測頭為光電倍增管需要高壓電源，電路組裝與製作複雜度高；雖然中華民國發明專利號碼I244556號只需要用單顆矽-光電二極體，但是單元件式光電二極體其偵測角度有其限制且需外接電源，另外此專利所產出之產品(DOSEPEN-2000劑量筆簡易說明) 型錄載明有IrRa紅外無線傳輸，要解此無線信號需要專用主機，希望其快速通知其他人則普遍性不易；鑑於解決上述缺點與個人能有更方便輻射劑量計與發揮快速通知之傳輸功能，因此利用手機上之影像模組，與GPS通信功能能傳輸與告知功能且勿須改變手機原有軟硬體功能與拍攝功能，更不需要利用手機電源或另外電池電源之不可見光粒子檢測裝置為本發明的主要目的。不可見光粒子檢測裝置乃係不可見光粒子進入一積分球光學腔裝置內含轉換介質晶體之可分離式光學模組內產生可見光經過多次反射與漫反射運作後，經過可分離式光學模組之出光口射出，可進入行動裝置手機之取像裝置；再經像素亮度總和模組、像素亮度總和比較模組、像素亮度平均模組、像素亮度直方圖模組、輻射偵檢器效率與等效劑量轉換模組演算出輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜，並將檢測座標點訊息、時間、輻射等效劑量或輻射等效 劑量能量能譜訊息，顯示於手機螢幕上；並將顯示輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜量化訊息可於提供無線區域網路透過通信機制，將檢測座標點訊息、時間、輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜量化訊息紀錄於遠端雲端系統資料庫中。
「產業利用性」方面：
智慧型手機使用者可利用此發明，勿須利用額外電源與勿需改變智慧型手機功能就可獲得待測物與座標地點之輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜檢測之資訊，讓智慧型手機帶入更進一步應用。此發明可能授權或應用的對象為電信通路商、儀器廠商與手機應用通路商或上架讓使用者使用等。
檢測評估不可見光粒子劑量演算介面裝置之一實施例為運用智慧型手機為行動裝置平台，設計不可見光粒子劑量演算人機互動介面，整體構成為不可見光粒子檢測裝置。本發明技術含有一可分離式光學模組，此光學模組之一實施例為一圓筒柱光學腔(1)壁內鍍有一層硫酸鋇之反光物質(2)；圓筒柱內含轉換介質晶體(3)如BGO、NaI(Tl)等閃爍晶體材料，此晶體材料能表面經過拋光；圓筒柱另一端有一圓環型吸附材料(4)所構成如磁鐵或黏膠等吸附材料，且環型中央有一洞口，面對轉換介質晶體那一面鍍有一層硫酸鋇之反光物質，此圓環型吸附材料與圓筒柱構成一積分球光學腔裝置之可分離式光學模組如第一圖示；當不可見光粒子(5)如加瑪射線(γ)穿透圓筒柱進入轉換介質晶體，轉換出可見光，並於此一積分球光學腔裝置之可分離式光學模組內經過多次反射 與漫反射運作，經過可分離式光學模組之出光口射出(6)；此可分離式光學模組之出光口有吸附材料能與手機上影像模組輕易結合一起，其分離也容易，勿須改變手機形狀，也勿須使用另外電源如第二圖所示；當不可見光粒子射線穿透圓筒柱進入轉換介質晶體，轉換出可見光，經過可分離式光學模組之出光口射出，進入手機之影像模組，由手機鏡頭拍得一張光子數位影像；不可見光粒子檢測裝置先檢視由手機鏡頭拍得光子數位影像所有像素(P)之亮度值(intensity，I)，並累加所有像素亮度值(ITOT )，若ITOT 低於最低有效亮度值(Imin )，則再度拍攝一張光子數位影像，繼續累加所有數位影像之像素亮度值，直到所有像素亮度值(ITOT )大於最低有效亮度值(Imin )為止，此為像素亮度總和比較模組。接著計算影像像素亮度值之總和、平均值和值方圖，透過輻射偵檢器效率轉換模組，將像素之亮度總和與平均值換算為實際量測到之輻射等效劑量的總和與平均值，其中，輻射計數直方圖可成為實際接收之輻射能譜。檢測評估不可見光粒子劑量演算介面裝置內輻射等效劑量量測方法之實施流程分析方法有像素亮度總和模組、像素亮度總和比較模組、像素亮度平均模組、像素亮度直方圖模組與輻射偵檢器效率與等效劑量轉換模組如第三圖所示。
不可見光粒子檢測裝置內一種輻射等效劑量量測方法，其特徵係根據前述方法經像素亮度總和模組、像素亮度總和比較模組、像素亮度平均模組、像素亮度直方圖模組、像素亮度直方圖模組與輻射偵檢器效率與等效劑量轉換模組中之至少一種者，進而換算得到輻射等效劑量總和、輻射等效劑量平均與輻射等效劑量能量頻譜。
不可見光粒子檢測裝置內像素亮度總和模組，是在一張二維數位影像中，其維度大小為M×N，其中M與N為正整數。影像中位於座標(x,y)之任一像素Pi (x,y)其亮度值Ii ，可寫為：I i =GrayScale (P i (x ,y )) (式1)
其中GrayScale(‧)為像素之亮度函數。影像中所有像素之亮度值總和ITOT 可寫為：
不可見光粒子檢測裝置內像素亮度總和比較模組，檢視所有像素(P)之亮度值(intensity,I)，並累加所有像素亮度值(ITOT )，若ITOT 低於最低有效亮度值(Imin )，則再度拍攝一張光子數位影像，繼續累加所有數位影像之像素亮度值，直到所有像素亮度值(ITOT )大於最低有效亮度值(Imin )為止；像素亮度平均模組，其中影像中所有像素之亮度值平均IAVG 可寫為：I ACG =I TOT /(M ×N ) (式3)
不可見光粒子檢測裝置內像素亮度值方圖模組，直方圖可為一一維函數，mi ，用以計算每一個亮度值的累計像素個數，可由以下數學式(式4)描述。其中，k為亮度值分類的類別數，在數位影像中範圍即為0~255。
不可見光粒子檢測裝置內之輻射偵檢器效率與等效劑量轉換模組，欲對於所量測的游離輻射進行絕對度量，必須經過特定游離輻射的標準校正射源校正後，方能由亮度換算為等效輻射劑量的結果。人體組織等效劑量，Em (西弗)可寫為(式5)，其中，Ced 為偵檢器之等效劑量轉換參數；GF為特定輻射源至偵檢器之間的幾何因數(包括距離、屏蔽、輻射源的材質等)；SR 為特定輻射源發出的輻射強度(單位為count)；tc 為量測時間(單位為秒或分)；C為偵檢器在tc 時間內所收到的特定游離輻射的技數(單位為count per second,cps或count per minute,cpm)，εIR 為亮度-輻射計數轉換因子，I為像素亮度值，C=εIR ×I。E m =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×C (式5)
等效劑量Em 需再經過校準射源校正後，以效率校正因數，Fec ，修正為E(西弗)：E =E m ×F ec (式6)
輻射等效劑量總和，ETOT (西弗)可表示為：E TOT =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×(ε IR ×I TOT ) (式7)
不可見光粒子檢測裝置內之之輻射等效劑量平均，ETOT (西弗)可表示為：E AVG =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×(ε IR ×I AVG ) (式8)
不可見光粒子檢測裝置內之輻射等效劑量能量頻譜，可藉由亮度直方圖轉換，表示為(式9)，其中ke 為輻射計數值分類的類別數，範圍為0~(255 ×εIR )，單位可為cps或cpm。
上述演算之輻射等效劑量與輻射等效劑量能量頻譜等演算結果的條狀訊息顯示於手機螢幕上，並以語音告知使用者輻射劑量化與能譜訊息，並將此量化訊息紀錄於檔案中，此檔案包含檢測座標點訊息、時間、輻射劑量化或能譜訊息，於下次使用時，可經由本軟體開啟與顯示於手機螢幕上。並可透過通信機制，檢測座標點訊息、時間、輻射劑量化與能譜訊息紀錄於雲端資料庫中。
綜合上述所述，本發明之可分離式光學模組實施例雖為圓筒柱型光學腔，但是非為圓筒柱型光學腔如方型光學腔等皆為本發明論述之精神延伸。本專利所述之行動裝置可為市面上任一種智慧型手機，植入本發明演算法而可完成可用於行動裝置之高能粒子輻射劑量檢測評估演算介面裝置，皆為本專利精神所涵蓋。
總而言之，本發明利用可分離式光學模組與影像處理技術概念，結合人們隨身攜帶的手機為出發點，以手機影像感測器取代輻射探測器，不需另外電源，不影響手機功能，且可以一次取得光子影像，能取代傳統輻射檢測儀器價錢昂貴、體積大、維護成本等問題，且操作容易，操作人員不需進行教育訓練，透過影像處理，能馬上悉知受測物與地區之輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜，符合不改變手機形狀與功能就能偵測輻射。
參考資料：
1.美國專利2638553
2.中華民國新型專利號碼105855「掌上型高零敏度加馬輻射偵察裝置」
3.中華民國發明專利號碼I244556號「電子式人員計劑量計之簡化設計方法與裝置」
4.中華民國發明專利號碼087115號「易攜型游離輻射能譜分析儀設計方法與裝置」
5.中華民國發明專利號碼I321221號「可攜式輻射偵測及能譜分析方法」
6.原子能委員會核能研究所DOSEPEN-2000劑量筆簡易說明型錄
(1)‧‧‧圓柱光學腔金屬外殼
(2)‧‧‧反光鍍層
(3)‧‧‧轉介物質
(4)‧‧‧可吸附物質
(5)‧‧‧加瑪射線不可見光粒子
(6)‧‧‧可分離式光學膜組出光口
第(一)圖：不可見光粒子檢測裝置之可分離式光學模組示意圖
第(二)圖：可用於行動裝置檢測評估不可見光粒子劑量演算介面不可見光粒子檢測裝置之可分離式光學模組與行動裝置手機組合示意圖
第(三)圖：輻射等效劑量量測方法之實施流程示意圖
(1)‧‧‧圓柱光學腔金屬外殼
(2)‧‧‧反光鍍層
(3)‧‧‧轉介物質
(4)‧‧‧可吸附物質
(5)‧‧‧加瑪射線不可見光粒子
(6)‧‧‧可分離式光學膜組出光口

Claims (14)

  1. 一種不可見光粒子檢測裝置，具有：一行動裝置手機，具有一取像裝置；一可分離式光學模組，貼附於該行動裝置手機，該可分離式光學模組將不可見光粒子轉換為可見光，且經由該取像裝置取得一光子數位影像，該可分離式光學模組具有：一容器，容器壁內鍍有一層硫酸鋇之反光物質，且容器壁內含轉換介質晶體；以及一圓環型吸附材料，設置於容器壁之另一端，且環型中央有一洞口，面對轉換介質晶體那一面鍍有一層反光物質，該圓環型吸附材料與該容器構成只有一小出光口且密閉型積分球光學腔裝置之可分離式光學模組；一輻射等效劑量量測評估演算模組，設置於該行動裝置手機之中，係根據該光子數位影像之一亮度總和以決定不可見光粒子之一等效劑量結果；以及一動態顯示提醒告知模組，設置於該行動裝置手機之中，係可於該行動裝置手機之畫面顯示輻射等效劑量演算結果；其中該輻射等效劑量量測評估演算模組係先檢視由該取像裝置拍得光子數位影像所有像素(P)之亮度值(intensity，I)，並累加所有像素亮度值(ITOT )，若ITOT 低於最低有效亮度值(Imin )，則再度拍攝 一張光子數位影像，繼續累加所有數位影像之像素亮度值，直到所有像素亮度值(ITOT )大於最低有效亮度值(Imin )為止，此為像素亮度總和比較模組；接著計算影像像素亮度值之總和、平均值和直方圖，透過輻射偵檢器效率轉換模組，將像素之亮度總和與平均值經過特定游離輻射的標準校正源校正後，換算為實際量測到之輻射等效劑量的總和與平均值之估算，其中，輻射計數直方圖可成為實際接收之輻射能量頻譜之估算。
  2. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該行動裝置手機係可對該行動裝置手機之螢幕設計出可以點選進入與離開一操作畫面之兩軟體觸控鍵；當選擇進入，則進入操作步驟介紹畫面，能告知使用者須遵循其操作步驟，提供特定符號按鍵啟動手機相機拍攝功能與離開該操作畫面；當啟動行動裝置手機相機功能進行拍攝光子影像後，則進入輻射等效劑量量測評估演算檢測人機互動畫面，提供手指觸控手機螢幕動作，並可提供(Calculation)按鍵執行影像處理演算法，執行影像處理演算法完成後，螢幕畫面顯示輻射等效劑量之量化訊息，提供兩符號鍵按鍵重新選擇檢測或離開。
  3. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中轉換介質晶體如BGO、NaI(Tl)等閃爍晶體材料，此晶體材料能表面經過拋光；當不可見光粒子如加瑪射線穿透容器壁進入轉換介質晶 體，轉換出可見光，並於此一積分球光學腔裝置之可分離式光學模組內經過多次反射與漫反射運作後，經過可分離式光學模組之出光口射出，可進入行動裝置手機之取像裝置。
  4. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中像素亮度總和模組是在一張二維數位影像中，其維度大小為M×N，其中M與N為正整數，影像中位於座標(x,y)之任一像素Pi (x,y)其亮度值Ii ，可寫為I i =GrayScale (P i (x ,y ))，其中GrayScale(‧)為像素之亮度函 數；其中影像中所有像素之亮度值總和ITOT 可依完成。
  5. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該像素亮度總和比較模組是檢視所有像素(P)之亮度值(intensity,I)，並累加所有像素亮度值(ITOT )，若ITOT 低於最低有效亮度值(Imin )，則再度拍攝一張光子數位影像，繼續累加所有數位影像之像素亮度值，直到所有像素亮度值(ITOT )大於最低有效亮度值(Imin )為止。
  6. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中像素亮度平均模組，是依I ACG =I TOT /(M ×N )完成影像中所有像素之亮度值平均IAVG 。
  7. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中像素亮度直方圖模組係產生亮度直方圖，該亮度直方圖可為一維函數，mi ， 用以計算每一個亮度直的累計像素個數，可由描述，其中， k為亮度值分類的類別數，在數位影像中範圍即為0~255。
  8. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中輻射偵檢器效率轉換模組，是對於所量測的游離輻射進行絕對度量，必須經過特定游離輻射的標準校正射源校正後，方能由亮度換算為等效輻射劑量的結果；人體組織等效劑量，Em (西弗)可為E m =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×C 表示；其中，Ced 為偵檢器之等效劑量轉換參數；GF為特定輻射源至偵檢器之間的幾何因數(包括距離、屏蔽、輻射源的材質等)；SR 為特定輻射源發出的輻射強度(單位為count)；tc 為量測時間(單位為秒或分)；C為偵檢器在tc 時間內所收到的特定游離輻射的係數(單位為count per second,cps或count per minute,cpm)，εIR 為亮度-輻射計數轉換因子，I為像素亮度值，C=εIR ×I；其中等效劑量Em 需再經過校準射源校正後，以效率校正因數，Fec ，修正為E (西弗)=E m ×F ec 表示。
  9. 如申請專利範圍第(1)或第(8)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該輻射等效劑量的總和是ETOT (西弗)可以E TOT =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×(ε IR ×I TOT )為完成輻射等效劑量總和估算之表示。
  10. 如申請專利範圍第(1)或第(8)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該輻射等效劑量的平均是ETOT (西弗)可以E AVG =[C ed /(GF ×S R ×t c ]×(ε IR ×I AVG )為完成輻射等效劑量平均估算之表示。
  11. 如申請專利範圍第(1)或第(8)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中輻射等效劑量能量頻譜是可藉由亮度直方圖 轉換完成輻射等效劑量能量頻譜估算，其中ke 為輻射計數值分類的類別數，範圍為0~_255×εIR ，單位可為cps或cpm。
  12. 如申請專利範圍第(1)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該行動裝置手機畫面作輻射等效劑量演算結果動態顯示提醒告知模組，其中顯示輻射等效劑量量化訊息，此量化訊息以擴散圓圖案閃爍顯示輻射等效劑量動態與安全值超標與否，並以語音告知使用者安全值超標訊息與否，並將此量化訊息紀錄於手機記憶體之檔案中。
  13. 如申請專利範圍第(1)或第(12)項所述之不可見光粒子檢測裝置，其中該量化訊息可記錄於手機記憶體之檔案中，其中此檔案包含檢測座標點訊息、時間、輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜訊息，並於下次使用時，可開啟與顯示於手機螢幕上；並將顯示輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜量化訊息可於提供無線區域網路透過通信機制，將檢測座標點訊息、時間、輻射等效劑量或輻射等效劑量能量能譜量化訊息紀錄於遠端雲端系統資料庫中。
  14. 一種檢測評估不可見光粒子劑量演算介面裝置，可用於行動裝置，該行動裝置具有取像裝置，該檢測評估不可見光粒子劑量演算介面裝置包含：一可分離式光學模組，貼附於該行動裝置，該可分離式光學模組將不 可見光粒子轉換為可見光，且經由該取像裝置取得一光子數位影像，該可分離式光學模組具有：一容器，容器壁內鍍有一層硫酸鋇之反光物質，且容器壁內含轉換介質晶體；以及一圓環型吸附材料，設置於容器壁之另一端，且環型中央有一洞口，面對轉換介質晶體那一面鍍有一層反光物質，該圓環型吸附材料與該容器構成只有一小出光口且密閉型積分球光學腔裝置之可分離式光學模組；一輻射等效劑量量測評估演算模組，設置於該行動裝置之中，係根據該光子數位影像之一亮度總和以決定不可見光粒子之一等效劑量結果；以及一動態顯示提醒告知模組，設置於該行動裝置之中，係可於該行動裝置手機之畫面顯示輻射等效劑量演算結果；其中該輻射等效劑量量測評估演算模組係先檢視由該取像裝置拍得光子數位影像所有像素(P)之亮度值(intensity，I)，並累加所有像素亮度值(ITOT )，若ITOT 低於最低有效亮度值(Imin )，則再度拍攝一張光子數位影像，繼續累加所有數位影像之像素亮度值，直到所有像素亮度值(ITOT )大於最低有效亮度值(Imin )為止，此為像素亮度總和比較模組；接著計算影像像素亮度值之總和、平均值和直方圖，透過輻射偵檢器效率轉換模組，將像素之亮度總和與平均 值經過特定游離輻射的標準校正源校正後，換算為實際量測到之輻射等效劑量的總和與平均值之估算，其中，輻射計數直方圖可成為實際接收之輻射能量頻譜之估算。
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