輻射劑量學(xué)是試圖探討射線能量的傳遞及生物組織對其能量的吸收，并用實驗的方法測定輻射量值。從早期使用X射線起，人們就開始采用感光膠片進(jìn)行劑量測定，以后發(fā)展了量熱劑量學(xué)、化學(xué)劑量學(xué)以及利用熱釋光現(xiàn)象的劑量測定技術(shù)近年來，又研制出電離室探測器和微型半導(dǎo)體

　　基本原理

　　對各種核輻劑量射場的探測，其原理跟它們與物質(zhì)的相互作用是密切相關(guān)的。我們所提出的陣列式吸收發(fā)光CT法是一種將閃爍體發(fā)光特性與圖像重建技術(shù)相結(jié)合的核探測方法。該方法依據(jù)射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，及閃爍體自身的發(fā)光特點進(jìn)行能量變換，將劑量場上各點的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成與其成線性關(guān)系的閃爍光強(qiáng)度。借鑒計算機(jī)斷層掃描技術(shù)的基本思想，設(shè)計出陣列式探測器。對探測平面各象素點上形成的閃爍光，分別沿軸線方向線積分后接收，采用特定的測量方式，可獲得不同方向、不同位置的完備的投影數(shù)據(jù)。利用圖像重建技術(shù)，可有效地實現(xiàn)對劑量場進(jìn)行實時成像測量。

　　圖像重建的主要方法一般有：直接反投影法、傅立葉變換重建法、卷積反投影重建法、代數(shù)迭代法等。目前所采用的各種重建方法，都還存在著一些不足的地方，而算法對重建圖像的質(zhì)量與速度起著關(guān)鍵的作用。對不同的目標(biāo)應(yīng)用不同的算法與之相適應(yīng)。在卷積反投影算法中，選擇不同的卷積函數(shù)，對重建圖像的質(zhì)量影響是很大的，需根據(jù)不同的情況，作相應(yīng)的調(diào)整。本文對卷積反投影重建法進(jìn)行延伸，使其不僅能在空間域進(jìn)行卷積處理，而且能方便地選擇適當(dāng)?shù)臑V波函數(shù)和參數(shù)在頻域進(jìn)行頻譜修正，達(dá)到的處理效果，從而使重建和空間分辨率都得到進(jìn)一步的提高。綜合卷積反投影法和代數(shù)迭代法的長處，我們提出了一種迭代濾波反投影法，可更好地實現(xiàn)圖像重建。迭代濾波反投影重建法是一種迭代優(yōu)化的過程：在每次迭代運算中，首先根據(jù)上次的重建結(jié)果，依次在每個投影方向上計算重建圖像的投影，再同實測的投影數(shù)據(jù)相比較，將差值再濾波反投影在圖像上，以修正重建結(jié)果，即完成迭代運算，并將該次的運算結(jié)果作為下迭代的初值。重復(fù)上述過程，直到投影誤差總和小于給定的閾值或設(shè)定的迭代數(shù)，從而結(jié)束重建過程。

　　另外，在實際應(yīng)用中可根據(jù)需要考慮利用非完全投影重建法來進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理。假設(shè)在整個（s,θ）平面上，投影函數(shù)P（s,θ）是解析的，即使有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，可根據(jù)其解析特性，將所需要的數(shù)據(jù)有效地估算出。由于閃爍光纖直徑的限制，影響了空間分辨率的進(jìn)一步提高。采樣的投影數(shù)據(jù)對于s變量是離散的，但也應(yīng)注意到投影數(shù)據(jù)是投影方向上各點數(shù)值的積分，其隱含著該方向上各點數(shù)據(jù)的連續(xù)性。故采用非完全投影重建法對一些點的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行估計和補(bǔ)齊，補(bǔ)齊缺少的數(shù)據(jù)一般必須滿足三個條件：

　　（1）在數(shù)據(jù)缺少區(qū)域，根據(jù)已測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，使欲補(bǔ)齊的數(shù)據(jù)與其保持連續(xù)、光滑，由被測場的解析特性決定。

　?。?）對于各方向的投影數(shù)據(jù)，保持其積分的相等。

　?。?）保持所有投影積分的相等性，這是雷當(dāng)變換所要求的。

　　系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個系統(tǒng)分為四個部分：前端探測系統(tǒng)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)、定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及圖像重建系統(tǒng)，見圖1

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圖1　系統(tǒng)總體框圖

　　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，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，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)計為：由若干個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)度信號轉(zhuǎn)換成視頻電信號。

　　由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測器，具有如下特點

　　（1）較短的衰減時間（即無長余輝），約2～3ns.

　?。?）性能穩(wěn)定。探測器是有輻射損傷的，但經(jīng)實際測量在102GY輻照量以下探測器受到的損傷不甚明顯。

　?。?）光傳輸性能好。光衰減長度可達(dá)500cm.

　?。?）結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等。

圖2　閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測器及其與光接收器連接

　　設(shè)計的前端探測系統(tǒng)是由多根閃爍光纖構(gòu)成的，其產(chǎn)生的閃爍光通過光導(dǎo)光纖耦合至CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。因此，由于各根光纖性能的不一致，端面處理及反光特性的差異，傳輸效率和光耦合效率的不同，以及可能受到的損傷而引起性能的改變等等，必將會致使相同的輸入，有不相同的輸出響應(yīng)。同時，還有光學(xué)成像系統(tǒng)的光損失及CCD光敏元的不均勻性等。為此，構(gòu)造的陣列式前端探測器在實際應(yīng)用中一般還須進(jìn)行坪場修正。所謂坪場修正，就是對敏根光纖在CCD上獲取的輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)乘以一修正因子，使它們各自的綜合性能保持一致，即具有相同的場強(qiáng)與電信號的轉(zhuǎn)換特性。

　　機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)

　　我們提出的用陣列式吸收發(fā)光CT法探測劑量場強(qiáng)度分布的構(gòu)想。為此需要設(shè)計運動機(jī)架以帶動探測器在180°范圍內(nèi)進(jìn)行等角度旋轉(zhuǎn)掃描。根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的要求，可選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動部件。因為步進(jìn)電機(jī)特點是定位高，無累積誤差，因此被廣泛應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制電路采用集成模塊結(jié)構(gòu)，與微機(jī)直接相聯(lián)，能同時控制兩組步進(jìn)電機(jī)，其功能強(qiáng)、響應(yīng)速度快，可靠性高。原理框圖見圖3。

圖3　步進(jìn)電機(jī)控制電路的原理框圖

　  定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　因在實際應(yīng)用中僅需對感興趣相對應(yīng)傳送投影數(shù)據(jù)的數(shù)量較少的均勻光斑進(jìn)行采集，故可借鑒通常靜態(tài)圖像慢速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的方法，提出了定點數(shù)據(jù)采集方法。定點采集系統(tǒng)通過對視頻同步信號的計數(shù)控制，產(chǎn)生A/D變換器的啟動信號，采集相應(yīng)時刻的視頻數(shù)據(jù)信號后送入計算機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的硬件主要分為視頻信號定點控制和數(shù)據(jù)變換采集兩大部分，其結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4　定點采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　定點控制是根據(jù)監(jiān)視器屏幕二維空間上某點的位置，確定與其相對應(yīng)的一維視頻信號中該點的時刻。定點控制電路的原理框圖如圖5所示

圖5　定點控制電路原理框圖

　　定點控制的硬件部分設(shè)計為一塊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，首先由主機(jī)給出控制信號，打開視頻同步信號的控制門，由場同步信號對行脈沖計數(shù)器（計數(shù)器一）和列脈沖計數(shù)器（計數(shù)器二）清零，并同時啟動計數(shù)器一，開始計數(shù)。在二級控制信號一方面啟動ADC，另一方面產(chǎn)生一個計算機(jī)中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時所采集的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。同時，二級控制信號將計數(shù)器二清零。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　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)計思想是將系統(tǒng)軟件分成幾個相對獨立的功能模塊，每個功能模塊構(gòu)成一個可執(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。而這對于一個大系統(tǒng)是必要的。系統(tǒng)軟件包括如下幾個部分：

　?。?）菜單管理部分，負(fù)責(zé)與用戶接口。

　?。?）采集部分，包括步進(jìn)電機(jī)控制測量點的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)采集、中斷服務(wù)等。

　?。?）數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，包括采集數(shù)據(jù)壞點的剔除和對投影數(shù)據(jù)的移動平滑處理。

　　（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，實現(xiàn)圖像重建過程。

　?。?）顯示部分，包括三維立體顯示，偽彩色，等高線等，實現(xiàn)對重建圖像的特征顯示。

     實驗結(jié)果與誤差分析

　　本實驗利用活度為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）為一中心是三角型空心鉛磚，其邊上有幾個小孔；中間（二號）為一中心是花瓣型的空心鉛磚；右邊（三號）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。

　　圖7和圖8為將一號鉛磚置于劑量場中，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為將三號鉛磚置于一號鉛磚之上，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為將三號鉛磚置于二號鉛磚之上，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。

　　影響測量系統(tǒng)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)行實時成像測量，根據(jù)理論推導(dǎo)和實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可估算可能導(dǎo)致的各種誤差，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%，則模擬實驗和計算表明，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個時，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，會影響圖像重建及空間分辨。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，圖像重建是非常高的。通過模擬運算，其重建場平均相對誤差非常小，約百分之零點幾。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，一定要切實注意地確定其旋轉(zhuǎn)中心位置，否則，會產(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個象素點，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以內(nèi)。