CN109893155A - 一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其包括有为对准直器上编码板的编码阵列设计方法、编码孔分辨率设计方法以及编码板厚度设计方法；本方案通过对编码板上按照一定的数学规律开设正方形孔，使得编码板成为准直器，并且根据人体肺部大小进行设计，其对高能射线屏蔽效果好，对器官成像效果起到关键作用，可靠性强。

Description

一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法

技术领域

本发明涉及伽玛辐射成像的技术领域，具体涉及一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法。

背景技术

相比于传统核辐射探测设备，伽玛相机对核素位置进行分辨的能力优势明显，配合光学成像，可以直接对核素进行定位。目前常用的伽玛相机系统由探测器系统和准直器系统组成，其中准直系统能形成一定形状轮廓辐射视野，阻挡最大视野外的初级辐射，通过开孔来改变光子的传播轨迹，可以达到增强系统空间分辨率、增加成像距离的效果。通过对不同类型的准直器使用使伽玛相机可以运用在不同的核辐射成像领域。用在核辐射领域的准直器种类繁多，如针孔准直器，菲涅耳波带板准直器，随机阵列准直器，编码孔准直器等。1961年，Mert.L和Yong提出了编码孔成像技术，通过编码孔的开孔，将探测效率的提高，将成像技术的难度转化为计算机的计算量，同时满足了成像精度和成像时间的要求。1971年L.J.Meng和D.K.Wehe提出非冗余阵列(Non-Redundant Arrays，NRA)，非冗余阵列的缺点主要有两个：一是没有理想的成像特性，二是小孔数量太少，导致系统的射线采集效率太低。尽管如此，非冗余阵列在核医学研究领域仍然被大量运用。Gottesmen于1989年在URA的基础上提出了修正均匀冗余(Modified Uniformly Redundant Arrays，MURA)阵列，即MURA阵列。它拥有URA的所有优点，并且方形的构造使得编码板的设计和加工更为方便。不同的准直器可以运用于不同的辐射监测领域，例如用于核医学的针孔准直器和平行孔准直器，用于核医学的准直器的特点在于空间分辨高，体积较小。针孔准直器的设计原理导致其探测效率的低下，只能用于核医学中低能量高活度核素的测量。

在核事故情况下，核素通过呼吸道进入肺部形成内照射，肺部沉积的核素释放的伽玛射线能量范围宽，核素能量高，导致目前伽玛相机使用的准直器不能对多种能量核素进行成像。肺部内污染情况中需要对高能量伽玛射线成像，同时由于肺部核素活度低要求近场成像以获取更好的空间分辨率和探测效率。

因此有鉴于此，对于如何寻找到一种可以在核事故下对肺部内污染进行成像的准直器系统就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，该编码孔准直器制作方法能够对人体肺内部高能量伽玛射线进行成像，具备很好的空间分辨率和探测效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，所述编码孔准直器的制作方法包括有为对准直器上编码板的编码阵列设计方法、编码孔分辨率设计方法以及编码板厚度设计方法；

所述编码阵列设计方法为：基于MURA模式阵列B_p×q中任意一个元素B_ij，其中p＝q，且p,q都为质数；

其中数字1标示不开孔，0标示开孔；

所述编码孔分辨率的设计方法为：编码孔分辨率λ为：

其中p_m为编码板上的编码孔的边长,m为系统的放大倍数，b为成像系统中的物距，a为成像系统中的焦距；

所述编码板厚度设计方法为：编码板厚度L为：

其中I₀为射线的起始照射量率，I为通过物质后的射线照射量率，μ₁为相应光子对介质中的线衰减系数。

进一步，所述编码板为采用钨材质制作而成。

进一步，所述编码孔准直器的边长尺寸d_m为辐射仿真人体模型中肺部胸腔宽度的两倍。

进一步，所述编码孔的分辨率λ＝p_m,其中m＝1。

进一步，所述编码板的厚度L为1.93cm。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案通过对编码板上按照一定的数学规律开设正方形孔，使得编码板成为准直器，并且根据人体肺部大小进行设计，其对高能射线屏蔽效果好，对器官成像效果起到关键作用，可靠性强。

附图说明

图1为本发明中仿真人体胸腔模型示意图。

图2为本发明中嵌套化后的准直器示意图。

图3为本发明中系统几何分辨率示意图。

图中：

1-右肺部组织，2-左肺部组织，3-心脏，4-胸腺体，5-人体脊柱，6-肩胛骨。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的目前伽玛相机所使用的准直器不能对多种能量核素进行成像，并且存在探测效率低下的问题，进而提出的一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，该编码孔准直器制作方法能够对人体肺内部高能量伽玛射线进行成像，具备很好的空间分辨率和探测效率。

本方案为了解决在核事故下肺部内污染多核素的近场联合成像问题，而提出的一种可以针对肺部内污染的成像的均匀冗余阵列(编码孔径准直器)的制作方法，具体如下：

1、编码孔准直器的编码设计方法：

在所有的编码成像方式中，MURA编码模式在自相关系数，对称性，开孔率，机加工性能方面都有着较好的表现。在MURA的设计中，MURA可以理解为URA的一种特殊模式，即使行列数相等。假定MURA模式中B_p×q,那么p＝q，且p,q都为质数。MURA阵列中任意一个元素B_ij，的定义可以按照URA定义方式编码方式来定义。

式1中：

在按照上述式1进行计算，既可以得到MURA每个元素的开孔与否，其中1表示不开孔，0表示开孔。

在辐射仿真实验中，辐射仿真人体模型是一种数学程式化体模，数学程式化体模是将每一人体器官简化，通过一系列基本图形以及组合来表示人体器官。人体器官的几何尺寸大小可以使用数学公式来进行描述，最后将各个器官组合在一起成为人体模型。结合参照附图1所示，为仿真人体胸腔模型图。其包括有人体左右肺部组织1、2、人体心脏3、胸腺体4、人体脊柱5以及肩胛骨6，肺部模型为半个椭球体，体积为一个11cm×16cm×24cm，密度为0.2958g/cm³；人体心脏3的密度为0.9869g/cm³；胸腺体4的密度为0.9869g/cm³；中间部分为人体脊柱5,密度为1.9362g/cm³；肩胛骨6的密度为1.9362g/cm³。

本实施例中的人体肺部胸腔宽度大约为30cm,编码孔准直器设计大小应该比人体胸腔大，才能得到完整投影，将准直器大小为肺部两倍大小左右，即编码孔准直器的尺寸d_m＝60cm。考虑到目前的慢走丝金属加工工艺和3D打印技术，将编码孔的开孔大小P_m设置为1cm,因此MURA编码版的矩阵行数和列数2N＝D_m/p_m，根据质数原则，因此，一般情况下N的取值在原有基础上进行放大取值，然而内污染γ射线成像光子数相对较少，为了集光率以及系统的探测效率，此处N的取值比计算值更小，取31。使用嵌套的工艺设计编码板，因此准直器设计单位设置为31×2-1＝61，基本单元为MURA(31×31)，嵌套之后为MURA(61×61)。在对准直器进行嵌套之前，需要对单元准直器进行中心化处理，形成中心对称的编码阵列。编码板的中心化，就是指从编码阵列B的0行0列做周期变换，直到阵列中心位置的元素B_i,j，从效果来看，实际是以0行和0列为对称轴，B_0,0为对称中心，来进行中心化。

参照附图2所示，为嵌套化后的MURA(61×61)准直器。其中图中实心位置代表不开孔，元素为1；空白位置代表开孔，元素为0。最终准直器的大小为d_m＝61cm。

2、编码孔的分辨率设计：

准直器几何分辨率有多种定义，一般使用点扩散函数半高全宽的定义方法，即是(Full Width at Half-Maximum,FWHM):即是两个理想点源的距离为D，图像恢复后两个点源的中心距离为系统点扩散函数的半高全宽，认为点刚好分开，此时D为系统的几何分辨率。

正方形编码孔的边长为P_m，则放大后的图像边长为m×P_m，m为系统的放大倍数；编码孔成像准直器几何分辨率和相同大小的单针孔准直器一致。因此，在本实验中MURA(61×61)几何分辨率可以通过求与编码孔大小(1cm)相同的单孔准直器几何分辨率得到。结合参照附图3所示，为单针孔准直器的成像模型示意图。

其中AB长度为大小为MURA基本长度；两个点源P1、P2之间距离为λ，点P1的投影为DE，P2的投影为CD，这两个点源的投影刚好分开。此时点之间的距离就是编码板的几何分别率。由图3中几何关系，可以得到下式

其中，由于测量环境为近肺部成像，因此m＝1。由式(2)可以得知辐射成像系统的分辨率由放大率和编码板嵌套单元尺寸决定，与物距b和焦距a无关。本准直器的几何分辨率P_m＝1cm。

3、准直器厚度设计：

一束强度为I₀的单能γ射线垂直照射到厚度为L的吸收介质上时，伽玛射线强度将随着入射深度的增大而衰减，其强度规律按照指数衰减：

I₀为射线的起始照射量率，I为通过物质后的射线照射量率，μ₁为相应光子对介质中的线衰减系数，L为吸收介质的厚度。对于肺部污染准直器来说准直器的形状是固定且不可随意更改的，钨对于高能伽玛射线的线性衰减特性强于铅，因此准直器的材料应该采用钨W，原子序数74，密度19.35g/cm³。

吸收介质的有效截面如式4所示：

将上式代入照射量率衰减公式，得到5式：

编码板厚度主要影响整个成像系统对γ射线的屏蔽效率。本系统设计编码板材料对137Cs的662keV能量射线的衰减倍数为20倍，即是高能γ射线只5％能够通过编码板。因此I＝0.05×I₀，其中钨的密度为ρ＝19.35g/cm³，查表得到钨对662keV能量的质量衰减系数为0.08/cm，将数据代入：

0.05×I₀＝I₀×e^{-0.08×19.35×L} (6)

本系统MURA编码板准直器的厚度L＝1.93cm。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其特征在于：所述编码孔准直器的制作方法包括有为对准直器上编码板的编码阵列设计方法、编码孔分辨率设计方法以及编码板厚度设计方法；

所述编码阵列设计方法为：基于MURA模式阵列B_p×q中任意一个元素B_ij，其中p＝q，且p,q都为质数；

其中数字1标示不开孔，0标示开孔；

所述编码孔分辨率的设计方法为：编码孔分辨率λ为：

其中p_m为编码板上的编码孔的边长,m为系统的放大倍数，b为成像系统中的物距，a为成像系统中的焦距；

所述编码板厚度设计方法为：编码板厚度L为：

其中I₀为射线的起始照射量率，I为通过物质后的射线照射量率，μ₁为相应光子对介质中的线衰减系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其特征在于：所述编码板为采用钨材质制作而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其特征在于：所述编码孔准直器的边长尺寸d_m为辐射仿真人体模型中肺部胸腔宽度的两倍。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其特征在于：所述编码孔的分辨率λ＝p_m,其中m＝1。

5.根据权利要求2所述的一种用于伽玛相机的编码孔准直器制作方法，其特征在于：所述编码板的厚度L为1.93cm。