用于识别核素的方法和数据库的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于正确识别封闭在人体和/或容器中至少一个源的方法，该至少一个源尤其是至少一种核素，该方法包括以下步骤：借助于γ光谱装置来检测和测量至少一个源；借助于标准核素识别过程来在第一估计步骤中识别至少一个源，用于评估至少一个源的所测量的第一光谱；基于第一估计步骤的结果来应用第二估计步骤，其中第一估计步骤的结果被用于获取由用于多个吸收情况和用于多个散射情况的标准核素识别过程所发现的至少一个源的多个第二光谱；以及将所测量的第一光谱与从第二估计步骤中所生成的多个第二光谱中所获得的散射体和吸收体光谱相比较。
【专利说明】用于识别核素的方法和数据库
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于识别核素的方法和数据库。
【背景技术】
[0002]现有技术中，对于辐射检测，各种Y (ga_a)光谱装置例如被称为数字Y光谱仪，其允许用户定位辐射源或核源，且一旦被发现，则识别同位素或由此被检测的同位素。
[0003]采用这种辐射检测器，尤其是用于航空安全、边境安全和设施安全。尤其是在打击核恐怖主义的现代国防战略方面，重大基础设施的Y光谱监视已经成为基石。面对日益全球化的世界，特殊核材料的非法贸易是对我们社会的紧迫威胁。事实上，通过应用关于辐射的两种互补检测器类型来保证敏感位置的安全:(a)固定门户式，以及(b)手持仪器。
[0004]在从现有技术中已知的装置中，这两种类型均获取光谱，并因而原则上能够识别对辐射有贡献的核素，其中对于核素识别而言，两个概念是已知的:峰值搜索和模板匹配。应用核素识别的装置的中心目标在于正确地识别装置所看得见的所有源。被表示为特殊核材料(SNM)的威胁材料，例如铀或钚，是任何情况下都应该被发现的高优先级源。
[0005]在这样的监视方案中的典型困难是行进中的放射性患者。由于他们的治疗，那些人受到高剂量的短寿命同位素(如Tc-99m或1-131)的污染，但这通常也不应该被视为一种威胁。因此，由威胁判定来映射核素识别算法的结果，该威胁判定指定哪种核素被视为无害的或威胁的。在特殊意义上，这些患者对于核素识别算法具有挑战性，因为大多数源遍及人体组织进行分布，且辐射被大量散射。
[0006]此散射失真导致了各种问题。首先，如上文所提及的，由于峰值丢失或具有较低的强度，核素未被正确识别。其次，由于散射，被遮蔽的核素(尤其是S匪)未被正确识别；并且，针对所发现的核素的置信度也是不正确的。显然，这些问题对利用SNM的性能具有直接影响。
[0007]此外，随着最初被假定为无害的医学源而引起新的问题:医学源是否包含于人体中？如果该源不在人体内部，则医学材料极有可能被非法运输。
[0008]如上文所概述的，所采用的例如，用于国土安全应用，并且被实现为手持仪器以及门户概念的已知Y光谱装置，具有针对各类核素的威胁映射。它们部署核素识别算法，并将其结果传播给用户。
[0009]然而，当前的技术并不考虑上文所提及的例如由人体组织所引起的散射，且原则上，不能揭露被散射踪迹所遮蔽的源。此外，已知的核素识别算法原则上也不考虑吸收校正，使得这些算法不能够预测衰减量。这转而导致不正确的结果，并因而导致高的安全弱点。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的一个目的是，提供一种方法和系统，其在包围或包含于任何种类的其他材料中的核素确定中，产生高度准确和可靠的结果。这些材料如，例如引起散射的人体组织，或例如由屏蔽材料制成的容器。
[0011]根据本发明，通过根据相应独立权利要求的方法和数据库解决该目的。本发明优选的实施例在相应从属权利要求中被限定。
[0012]因而，通过本发明，应用一种技术，其帮助了解核素测量的周围环境，且其给出了可被用作针对屏蔽强度和散射量的指标的定量值。具体地，根据本发明，提供了一种过程，其从给定的测量光谱解析吸收以及散射，并且由此，在重建期间获得的信息给出了其中容纳或围绕源最终被定位的线索，并因而呈递非常准确和可靠的结果。
[0013]根据一个优选的实施例，该方法还包括步骤:综合地重建所测量的第一光谱
P (β)。
[0014]根据另一个优选的实施例，综合地重建所测量的第一光谱μ ig)的步骤基于从应用第二估计步骤的步骤所获得的数据。
[0015]有利地，标准的核素识别过程基于峰值搜索方法或模式匹配方法。
[0016]根据又一个优选的实施例，获取多个第二光谱的步骤基于模拟过程。此过程的优点是，它不需要先前的校准测量，因为这部分由模拟所取代。
[0017]可替代地，获取多个第二光谱的步骤还可基于测量。
[0018]此外，优选的是，模拟过程涉及利用辐射传送码模拟至少一个响应矩阵，该辐射传输码使用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来呈递粒子和波轨迹，其中至少一个响应矩阵是、光谱装置中物理沉积能量的表示。
[0019]根据再一个优选实施例，利用覆盖从100%传输到〈I %传输的衰减范围的吸收体，在模拟过程中模拟多个吸收响应矩阵。从而，几乎整个范围都被几乎完全地覆盖。特别地，通过利用不同吸收体对情况进行建模来模拟从总传输量(因此反映真空或空气类吸收体)直到高衰减量的范围。宽传输范围和多吸收体的使用确保了所测量的光谱，实际上是任意的吸收体和散射体，可被重建，例如作为与有限的一组模拟数据的叠加。因此，模拟的数量表示吸收空间中离散化点的数量,并直接影响该技术的精度。
[0020]根据另外又一个优选的实施例，在模拟过程中模拟多个散射响应矩阵。优选地，将多个散射响应矩阵的模拟与多个吸收响应矩阵的模拟并行执行。
[0021]同样，根据一个优选的实施例，基于Y光谱装置的几何和物理模型来模拟多个吸收和散射情况，其中Y光谱装置的几何和物理模型包括没有电子装置的闪烁辐射检测器的分辨率、闪烁辐射检测器和源之间的散射、由衰减材料进行的吸收、和/或源和闪烁辐射检测器的几何结构。
[0022]根据另一个优选的实施例，对于每个吸收响应矩阵，获取模拟的光谱。
[0023]优选地，来自吸收响应矩阵的模拟的光谱作为列向量被组合到矩阵F中。
[0024]同样优选地，对于每个散射响应矩阵，获取模拟光谱。
[0025]根据再一个优选的实施例，来自散射响应矩阵的模拟光谱作为行向量被组合到矩阵M中。
[0026]有利地，组合新的第一矩阵和新的第二矩阵来获得特征矩阵F，该特征矩阵F被用来通过找出提供对所测量的光谱μ {Ε)的最佳拟合的最有可能的特征矩阵行的组合，来检索关于所测量的光谱μ {Ε)的新信息。因此，上面的方法利用了被模拟用于特定检测器的一系列响应矩阵。基于核素识别结果来组成特征矩阵，其中通过变量的各类列表来表示吸收和散射效应。
[0027]优选地，通过解决反演问题，尤其是通过应用标准最小二乘法技术、非负最小二乘反演或遗传算法之一，来找出最有可能的特征矩阵行的组合。此过程允许快速处理。使用反演技术，导出光谱失真的定量值，其有助于综合地远程重建测量。
[0028]根据一个特定优选的实施例，运算符L被定义为非负最小二乘运算符，其解决特征矩阵的反演问题，得到结果向量α，该结果向量α包含再现所测量的第一光谱// 0?)的最有可能的特征矩阵行的组合，其中结果向量α为散射或吸收光谱，尤其是材料光谱。
[0029]在再一个优选的实施例中，根据结果向量重建综合模拟光谱。
[0030]有利地，Υ光谱装置为闪烁辐射检测器，尤其是手持检测器。
[0031]在 连同附图阅读下文详细的描述时，本发明的上述特征和有点将变得更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1图示了本发明的一个实施例；
图2Α是示出了使用NaI检测器的铕Eu-152的典型真实测量的曲线图；
图2B是示出了模拟过程的两个阶段的示例的曲线图；
图3是各种吸收响应矩阵的概览；
图4示出了特征矩阵的行；
图5是图4中所示出的特征矩阵的瀑布图，其中前10列反映散射，继之以22列的不同
的铕屏蔽变量；
图6示出了与测量和标准模拟技术相比较的重建的综合光谱；
图7示出了用于参考铕光谱的方程(6)的结果；
图8示出了利用封闭于铝和镉外壳内部的源的碘1-131测量；以及图9示出了碘1-131测量，其中，该源被置于与我们的重建和标准模拟相比较的模型(phantom)中。
【具体实施方式】
[0033]通常，用于在至少部分围绕的可以是人体和/或容器的介质中，识别至少一个辐射源，尤其是至少一种核素的方法，包含以下步骤:
-借助于预定的Y光谱装置，在所测量的光谱# W)中估计至少一个辐射源；
-将所测量的光谱与来自数据库的吸收光谱和散射光谱进行比较，该数据库包括表示光谱的数据，用于与至少一个估计的源相关的多个吸收情况和多个散射情况。；
-基于比较的情况，确定与封闭辐射源的材料Z相关的信息α。
[0034]图1中图示了该方法。为吸收效应和散射效应的评估,使用从许多不同吸收和散射情形中的散射和吸收模拟和/或光谱测量中获取的数据。由此，产生与辐射检测器、吸收和散射材料及其配置相关的数据。这些配置或多或少是人工的，且仅起到对此数据的获取的作用。如下文中将详细描述的，此数据被存储在数据库中，且在变得可用于在监视中，即在实际识别情况下使用。
[0035]下文中，将描述数据获取，并且随后将详细概述使用所获取的数据识别核素的方法。
[0036]首先，针对给定的源模拟光谱，生成响应矩阵，以用于利用快速访问，以简洁形式收集蒙特卡罗模拟数据。然后，在不同于针对个别核素具体生成响应矩阵而生成所谓的特征矩阵之后的情况下，产生衰减和散射响应。其需要该核素的线条和强度的先验知识，且因此在核素识别算法已经提供了底层光谱的基本分析之后被生成。在已经建立特征矩阵之后，从该矩阵中提取特征信息。一旦特征已知，则可基于模拟数据单独地构建人工光谱。该重建非常详细地重现所测量的光谱。
[0037]详细地说，如下文所概述地执行根据本发明的一个实施例的方法，在第一步骤中，模拟与检测器有关的响应矩阵。下面解释响应原理。
[0038]响应矩阵R是将通道i中检测器应答与辐射的能量相关的mXn数字字段，(其中i e {I,…m})。该辐射的能量是激励检测器材料的入射能量。输入的辐射，即典型的具有能量尽―t的粒子，可能经历a)检测器材料中的完整吸收，在检测器材料内部使其总能
b)部分吸收，因而沉积能量的量为，或c)在没有能量沉积的情况下穿过检测器。此外，有可能使通过检测器的辐射被周围材料所反射，从而引起单独的吸收循环。因此，响应矩阵R是检测器中物理沉积能量的表示。换言之，响应矩阵R表示检测器做出的从原始辐射能量到光谱图的转化。
[0039]在本发明的该实施例中，利用如Geant4中描述的辐射传送码来模拟响应矩阵。Geant4是用于模拟粒子穿过物质的软件工具包,且在以下文献中被描述:S.Agostinelli等人的 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 第 506 卷,第 3 版，20037 月 I 日，250-303 页，以及 Allison, J.等人的 IEEE Transactions onNuclear Science 53 N0.1 (2006) 270-278。那些码使用蒙特卡罗方法来呈递粒子和波轨迹。基于检测器的几何和物理模型，以这种方式来模拟各种吸收和散射情况。
[0040]根据本发明的该实施例，实现下面的过程来确立响应矩阵R:
首先，利用具有能量尽的单能量线发射来定义分布源。
[0041]从通道i=l开始，模拟&=3keV的能量发射，其产生针对单一能量的模拟光谱H此函数A妬)是能量间隔的直方图防=I keV, En = 3072 keV]。
[0042]然后，对于具有i?1(l24=3072keV的辐射能量的每个另外的通道仏)，发射能量以离散能量间隔dE增加，且重复模拟来生成另外的光谱函数，其中i = 1，2，...，1024。
[0043]因此，利用该过程，我们得到N=1024个函数TPi，其中i=l，…，1024，其表示系统对入射能量E=IkeV,...，3072keV的响应。这些函数可被表示为具有具体维度# X#的矩阵，其中 N=1024。
【权利要求】
1.ー种用于识别至少部分地被预定材料所封闭的至少ー个辐射源的方法，该至少ー个辐射源尤其是至少ー种核素，该方法包括以下步骤: -借助于预定的Y光谱装置，来在所测量的光谱レW))中估计至少一个辐射源； -将所测量的光谱与来自数据库的吸收光谱和散射光谱进行比较，该数据库包括表示光谱的数据，用干与至少ー个估计的源相关的多个吸收情况和多个散射情況； -基于所比较的情况，确定与至少部分地封闭该辐射源的材料(X)相关的信息(a )。
2.根据权利要求1的方法，其中，吸收情况表示吸收材料(X)的类型和配置，而散射情况表示散射材料的类型和配置。
3.根据权利要求1或2的方法，其中由基于表示相应吸收材料(x)的响应矩阵(Ax)和表示Y光谱装置的响应函数レ)计算的向量(4Ax )来描述吸收光谱。
4.根据权利要求1至3任意ー项的方法，其中标准核素识别过程基于峰值搜索方法和模式匹配方法之一。
5.根据权利要求4的方法，其中数据库中所包括的表示光谱的数据是以特征矩阵(F)的形式，其中特征矩阵(F)由描述吸收光谱的多个向量(ξA0，ξA1，.....ξA22 )以及表示散射材料的散射矩阵(M)的行所组成。
6.根据权利要求5的方法，其中通过找出提供对所测量的第一光谱(P(E))的最佳拟合的特征矩阵(F)行的一个组合来确定该信息(a )。
7.根据权利要求6的方法，其中通过解决反演问题，尤其是通过应用标准最小二乘技术、非负最小二乘反演和遗传算法之一，来找出特征矩阵行的ー个组合。
8.根据权利要求7的方法，其中运算符(L)被定义为解决特征矩阵(F)的反演问题的非负最小二乘运算符，其得到结果信息向量(a )，该结果信息向量(a )与散射体和吸收体光谱有关，尤其是与材料光谱有夫。
9.根据前述权利要求任意ー项的方法，其中通过模拟过程来获得表示光谱的数据。
10.根据前述权利要求任意ー项的方法，其中Y光谱装置是闪烁辐射检测器，尤其是手持检测器。
11.ー种程序代码，其当被加载到计算装置中时，执行根据前述权利要求任意一项的方法。
12.—种数据载体，其包括根据前述权利要求的程序代码。
13.供一种用于识别至少ー个辐射源的方法使用的数据库，该至少ー个辐射源尤其是至少ー种核素，该方法尤其是根据权利要求1至10的任意ー项，该数据库包括表示光谱的数据(F)，用于至少一个估计的源的多个吸收情况和多个散射情況。
14.根据在前权利要求的数据库，其中针对至少ー个吸收响应矩阵，获取模拟光谱。
15.根据在前权利要求的数据库，其中针对至少ー个散射响应矩阵(M)，获取模拟光谱。
16.根据在前权利要求的数据库，其中，模拟过程涉及利用辐射传送码模拟至少ー个响应矩阵，该辐射传送码使用蒙特卡罗方法来呈递粒子和波轨迹，其中该至少ー个响应矩阵是Y光谱装置中物理沉积能量的表示。
17.根据在前权利要求的数据库，其中利用覆盖从100%传输到小于1%传输的衰减范围的吸收体，在模拟过程中模拟多个吸收响应矩阵。
18.根据在前权利要求的数据库，其中在模拟过程中模拟多个散射响应矩阵。
19.根据在前权利要求的数据库，其中基于Y光谱装置的几何和物理模型，模拟多个吸收和散射情况。
20.根据在前权利要求的数据库，其中，Y光谱装置的物理和几何模型包括不具有电子装置的闪烁辐射检测器的分辨率、该闪烁辐射检测器和源之间的散射、由衰减材料进行的吸收、和/或该源和闪烁辐射检测器的几何结构。
21.根据在前权利要求的数据库，其中数据库中所包括的表示光谱的数据是以特征矩阵(F)的形式，其中特征矩阵(F)由多个列向量(匕)以及表示散射材料的散射矩阵(M)的列所组成。`
【文档编号】G01V5/00GK103460075SQ201080071146
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2010年11月29日 优先权日:2010年11月29日
【发明者】M.诺伊尔, Y.孔, R.伦特林, J.施泰因 申请人:前视红外放射有限责任公司