核輻射劑量場分布進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測量的新方法―陣列
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定點(diǎn)控制的硬件部分設(shè)計(jì)為一塊PC機(jī)的插件，其通過I/O總線與微機(jī)相連，采用并行方式交換數(shù)據(jù)和信息.系統(tǒng)在開始采集時(shí)，首先由主機(jī)給出控制信號(hào)，打開視頻同步信號(hào)的控制門，由場同步信號(hào)對行脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器一)和列脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器二)清零，并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器一，開始計(jì)數(shù).在行脈沖主數(shù)達(dá)到比較器一的預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生一級控制信號(hào).一級控制信號(hào)對列脈沖計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器二)清零，隨后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器二.計(jì)數(shù)器二通過對10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計(jì)數(shù)，可以將每一行視頻信號(hào)劃分為520個(gè)圖像點(diǎn).當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到比較器二的預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生二級控制信號(hào).二級控制信號(hào)一方面啟動(dòng)ADC，另一方面產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算機(jī)中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時(shí)所采集的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū).同時(shí)，二級控制信號(hào)將計(jì)數(shù)器二清零.
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用可編程邏輯芯片GAL來實(shí)現(xiàn)尋址，在中斷信號(hào)INT作用下，啟動(dòng)A/D變換器進(jìn)行運(yùn)行.通過中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀數(shù)控制，獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和予處理工作.這樣，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成文件，以供進(jìn)一步分析和處理.
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件整體程序結(jié)構(gòu)是接收操作者命令，完成機(jī)械掃描控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作.設(shè)計(jì)思想是將系統(tǒng)軟件分成幾個(gè)相對獨(dú)立的功能模塊，每個(gè)功能模塊構(gòu)成一個(gè)可執(zhí)行文件*.EXE.其宗旨將是編寫小程序，然后采用堆積木的方式，以構(gòu)成大程序.而這對于一個(gè)大系統(tǒng)是必要的.系統(tǒng)軟件包括如下幾個(gè)部分：
(1)菜單管理部分，負(fù)責(zé)與用戶接口.
(2)采集部分，包括步進(jìn)電機(jī)控制測量點(diǎn)的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)采集、中斷服務(wù)等.
(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，包括采集數(shù)據(jù)壞點(diǎn)的剔除和對投影數(shù)據(jù)的移動(dòng)平滑處理.
(4)圖像重建部分.濾波涵數(shù)及參數(shù)的選擇、重建方式的選擇，實(shí)現(xiàn)圖像重建過程.
(5)顯示部分，包括三維立體顯示，偽彩色，等高線等，實(shí)現(xiàn)對重建圖像的特征顯示.本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/194366.htm
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析
本實(shí)驗(yàn)利用活度為5，000居里的60Co放射源，將由一定厚度和形狀的鉛磚(見圖6，其中左邊(一號(hào))為一中心是三角型空心鉛磚，其邊上有幾個(gè)小孔；中間(二號(hào))為一中心是花瓣型的空心鉛磚；右邊(三號(hào))一斜坡鉛塊)置于劑量場中，根據(jù)不同位置對射線吸收的差異，以構(gòu)造具有某種場分布的劑量場.再用研制的陣列式閃爍光纖探測器對所構(gòu)造的劑量場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并進(jìn)行相應(yīng)的各種數(shù)據(jù)處理，以重建該劑量場的強(qiáng)度分布.實(shí)驗(yàn)的處理結(jié)果如下：
圖6 模擬劑量場時(shí)所用的鉛磚
圖7和圖8為將一號(hào)鉛磚置于劑量場中，探測器對其模擬的場強(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，重建的三維圖形.其中：圖7為對測量的投影數(shù)據(jù)未經(jīng)坪場修正，圖10則為經(jīng)過坪場修正后的處理結(jié)果.圖9為將三號(hào)鉛磚置于一號(hào)鉛磚之上，對所測量的數(shù)據(jù)(經(jīng)過坪場修正)，進(jìn)行重建后該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.圖10為將二號(hào)鉛磚置于劑量場中，探測器在其下面進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并對測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過坪場修正后，重建該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.圖11和圖12為將三號(hào)鉛磚置于二號(hào)鉛磚之上，探測器對構(gòu)造的劑量場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，所重建該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場修正，圖12則經(jīng)過坪場修正.
圖7 劑量場重建圖像一 | 圖8 劑量場重建圖像二 | 圖9 劑量場重建圖像三 |
圖10 劑量場重建圖像四 | 圖11 劑量場重建圖像五 | 圖12 劑量場重建圖像六 |
影響測量系統(tǒng)精度的主要因素有：前端探測系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；不同濾波函數(shù)對重建圖像質(zhì)量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對重建精度的影響；數(shù)據(jù)采樣速率所產(chǎn)生的影響；探測器旋轉(zhuǎn)中心偏移產(chǎn)生的影響.
對于本文所設(shè)計(jì)的陣列式閃爍光纖探測器(有效探測區(qū)域100mm×100mm)，將其放置所構(gòu)造的劑量場中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測量，根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可估算可能導(dǎo)致的各種誤差［9］，以綜合評估系統(tǒng)的性能.若輸入的投影數(shù)據(jù)，其相對誤差不超過±3%，則模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，重建誤差可控制在3%左右.對于直徑為1mm的光纖，獲取的投影數(shù)據(jù)平均相對誤差經(jīng)折算約為0.5%，重建平均相對誤差約為0.4%.投影方向數(shù)一般小于7個(gè)時(shí)，則完全不能重建.當(dāng)方向數(shù)增加，則重建圖像誤差逐漸減小.采樣頻率的選取同樣應(yīng)滿足Niquist定理，否則，會(huì)影響圖像重建精度及空間分辨.對于一般的劑量場分布，若不考慮各種其他因素的影響，當(dāng)投影方向數(shù)為60，采樣間隔等于1mm時(shí)，圖像重建精度是非常高的.通過模擬運(yùn)算，其重建場平均相對誤差非常小，約百分之零點(diǎn)幾.中心偏移對重建圖像質(zhì)量的影響十分大.在制作陣列式閃爍光纖探測器時(shí)，一定要切實(shí)注意精確地確定其旋轉(zhuǎn)中心位置，否則，會(huì)產(chǎn)生很大誤差，甚至導(dǎo)致變形.若中心偏差控制在不超過0.1個(gè)象素點(diǎn)，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以內(nèi).
綜合各種因素，本系統(tǒng)的成像測量的總體平均相對誤差可控制在5%以內(nèi)，空間分辨率不低于1mm.
圖1 系統(tǒng)總體框圖
1.前端探測系統(tǒng)
由纖芯是閃爍材料構(gòu)成的光纖能適應(yīng)E＞5kev的X射線、γ射線及其它射線的輻照探測.但直到現(xiàn)在，獲得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的應(yīng)用［5，6］.閃爍光纖對帶電粒子比x射線和γ射線靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線或γ射線與其作用產(chǎn)生次級電子的有效射程相比太小，一般僅很少部分能量沉積在光纖纖芯中，以產(chǎn)生閃爍光.而在所涉及測量的能量范圍內(nèi)，主要作用機(jī)制是康普頓效應(yīng)，這是由于構(gòu)成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)都相對較弱［7］.
根據(jù)γ刀及其它劑量場和其與閃爍體相互作用的特點(diǎn)，我們提出了陣列式吸收發(fā)光CT測量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測器.探測器設(shè)計(jì)為：由若干個(gè)一定長度的特種閃爍光纖水平緊密放置構(gòu)成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應(yīng)，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設(shè)計(jì)的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過光導(dǎo)光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測系統(tǒng).探測器在劑量場中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線積分后，再通過光導(dǎo)光纖引出.并在光接收器的光敏區(qū)形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻電信號(hào).
由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測器，具有如下特點(diǎn)［8］
(1)較短的衰減時(shí)間(即無長余輝)，約2～3ns.
(2)性能穩(wěn)定.探測器是有輻射損傷的，但經(jīng)實(shí)際測量在102GY輻照量以下探測器受到的損傷不甚明顯.
(3)光傳輸性能好.光衰減長度可達(dá)500cm.
(4)結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等.
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