一种基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法

一种基于空间分布拟合的
γ
光子多次散射校正方法
技术领域
1.本发明涉及γ光子三维成像领域，尤其涉及一种基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法。


背景技术：

2.γ光子三维成像技术应用到工业复杂件内腔结构及内壁缺陷检测时，由于工业复杂件组成材质为密度大的金属、合金，当γ光子穿透检测对象被探测系统记录过程中，受康普顿散射效应、瑞利散射效应等影响，γ光子会发生散射事件。有的γ光子在穿透复杂件被探测器记录的过程中，发生多次散射事件，称为γ光子多次散射事件。γ光子散射事件使γ光子的运动轨迹及所携带能量发生改变，从而使γ光子探测系统记录的lor包含正电子湮没位置的错误信息，且散射的γ光子数目约占所有γ光子的30％～50％，而散射的γ光子会导致重建图像出现边缘模糊、星状伪影等图像失真问题，从而降低了检测分辨率。因此要想得到分辨率高的γ光子三维成像检测技术，必然要进行γ光子散射校正。
3.目前γ光子散射校正方法主要分为四类：能窗识别法、散射补偿迭代法、卷积处理法、monte carlo模拟法等。其中，能窗识别法的能量窗分割和标定系数需要人为选取和仿真确定，导致甄别效率降低；散射补偿迭代法仅对低比例γ光子散射事件能起到散射补偿效果；卷积处理法仅对核素空间均匀分布的检测实验散射校正效果明显；monte carlo模拟法准确率高、效果好，但需要事先预知检测过程中的每一个实验参数，这在实际检测应用中无法得到保证。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述γ光子多次散射校正存在的问题，本发明基于γ光子康普顿散射分布理论，提出一种基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法，将γ光子多次散射分布看作是γ光子单次散射分布函数和多次散射高斯核函数的卷积，且γ光子单次散射高斯分布与γ光子多次散射高斯分布的方差之差为定值，将γ光子采样数据按lor在root中的保存方式进行投影，分别对离散的γ光子单次散射分布和多次散射分布进行函数拟合，确定核函数的表达形式，计算探测系统中每个探测器对记录的γ光子多次散射数目，最后将多次散射的γ光子从原始γ光子数据中剔除，达到γ光子多次散射校正的目的，提高了γ光子多次散射识别准确性。
5.技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1：在三维数据采集模式下，基于探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对，建立γ光子多次散射校正数学模型；
7.步骤2：将空间三维坐标系xyz投影变换到lor数据重组后的二维坐标系lθ，得出γ光子多次散射分布高斯核函数；
8.步骤3：计算探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目。
9.在三维数据采集模式下，基于探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对，建立γ光子多次散射校正数学模型：
10.步骤1
‑
1：将空间坐标系xyz变换为极坐标系令为核素空间分布函数，为衰减系数；
11.步骤1
‑
2：每次γ光子散射事件属于互相独立事件，因此多次散射的概率密度完全可以按照独立事件的方式进行计算，令i
s
(a，b)为γ光子单次散射分布函数，k
m
(x，y，z)为γ光子多次散射概率分布高斯核函数，其计算公式如下：
[0012][0013]
步骤1
‑
3：γ光子多次散射分布i
m
(a，b)看作是γ光子单次散射分布函数和多次散射高斯核函数的卷积，其计算公式如下：
[0014][0015]
其中v是γ光子探测空间。
[0016]
将空间三维坐标系xyz投影变换到lor数据重组后的二维坐标系lθ，γ光子多次散射分布高斯核函数的计算步骤如下：
[0017]
步骤2
‑
1：计算高斯拟合系数δ，其计算公式如下：
[0018][0019]
其中δ
m
是空间分布拟合γ光子多次散射的高斯函数系数，δ
s
是空间分布拟合γ光子单次散射的高斯函数系数；
[0020]
步骤2
‑
2：计算γ光子多次散射分布高斯核函数，其计算公式如下：
[0021][0022]
其中a是高斯拟合系数。
[0023]
探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目的计算过程如下：
[0024]
步骤3
‑
1：将公式(4)代入公式(2)，探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目如下：
[0025][0026]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有显著优点：
[0027]
(1)本发明针对γ光子多次散射问题，基于γ光子空间分布拟合理论，提出了一种基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法；
[0028]
(2)γ光子实物探测系统首先对采集到的γ光子数据进行单次散射校正，然后将单次散射校正后的γ光子数据进行三维图像重建，比较相同实验条件下的γ光子单次散射分布，确定γ光子多次散射分布，进而确定高斯拟合系数；
[0029]
(3)我们提出的该种基于轨迹映射的γ光子单次散射校正方法可以有效解决由于散射的γ光子造成重建图像出现的星状辐射伪影、边缘模糊等图像失真情况，并且提高了γ光子多次散射识别准确性。
[0030]
总的来说，本发明通过把γ光子多次散射看作γ光子多个单次散射的叠加，将γ光子采样数据按lor在root中的保存方式进行投影，分别对离散的γ光子单次散射分布和多次散射分布进行函数拟合，确定核函数的表达形式，计算探测系统中每个探测器对记录的γ光子多次散射数目，最后，将多次散射的γ光子从原始γ光子数据中剔除，达到γ光子多次散射校正的目的，并且提高了γ光子多次散射识别准确性。
附图说明
[0031]
图1是γ光子三维数据采集模式下多次散射示意图；
[0032]
图2是基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法示意图；
[0033]
图3是以工业液压件为例的检测对象；
[0034]
图4是含有散射的γ光子重建图像；
[0035]
图5是多次散射校正后的γ光子重建图像。
具体实施方式
[0036]
下面将结合附图和实施案例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0037]
如附图1所示，是本发明的基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法在γ光子三维数据采集模式下多次散射示意图，具体包括以下步骤：
[0038]
步骤1：在三维数据采集模式下，基于探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对，建立γ光子多次散射校正数学模型；
[0039]
步骤2：将空间三维坐标系xyz投影变换到lor数据重组后的二维坐标系lθ，得出γ光子多次散射分布高斯核函数；
[0040]
步骤3：计算探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目。
[0041]
在三维数据采集模式下，基于探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对，建立γ光子多次散射校正数学模型：
[0042]
步骤1
‑
1：将空间坐标系xyz变换为极坐标系令为核素空间分布函数，为衰减系数；
[0043]
步骤1
‑
2：每次γ光子散射事件属于互相独立事件，因此多次散射的概率密度完全可以按照独立事件的方式进行计算，令i
s
(a，b)为γ光子单次散射分布函数，k
m
(x，y，z)为γ光子多次散射概率分布高斯核函数，其计算公式如下：
[0044][0045]
步骤1
‑
3：γ光子多次散射分布i
m
(a，b)看作是γ光子单次散射分布函数和多次散射高斯核函数的卷积，其计算公式如下：
[0046][0047]
其中v是γ光子探测空间。
[0048]
如附图2所示，将空间三维坐标系xyz投影变换到lor数据重组后的二维坐标系lθ，γ光子多次散射分布高斯核函数的计算步骤如下：
[0049]
步骤2
‑
1：计算高斯拟合系数δ，其计算公式如下：
[0050][0051]
其中δ
m
是空间分布拟合γ光子多次散射的高斯函数系数，δ
s
是空间分布拟合γ光子单次散射的高斯函数系数；
[0052]
步骤2
‑
2：计算γ光子多次散射分布高斯核函数，其计算公式如下：
[0053][0054]
其中a是高斯拟合系数。
[0055]
探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目的计算过程如下：
[0056]
步骤3
‑
1：将公式(4)代入公式(2)，探测器对a、b记录的发生多次散射符合事件的γ光子对数目如下：
[0057][0058]
为了更好地进行说明，如附图3所示，检测对象以工业液压件为例，对液压件缸体结构及活塞杆螺母形状进行γ光子三维成像检测，液压件缸体的内径为63mm，外径为73mm，材质为合金钢，首先将活度为0.85mci的标记有核素18f的液压油通过液压孔注入液压件，并保持液压件倒置用以保证缸体活塞杆螺母浸没在标记有核素的液压油中，液压件放置在γ光子探测系统中，设置γ光子探测系统时间窗为1ns，能量窗为434kev
‑
587kev，γ光子采集时间为5s，采用osem算法迭代四次对散射校正前后的γ光子数据进行图像重建，子集划分为4个，由于缸体活塞杆螺母是浸没在液压油中的，γ光子三维重建图像中螺母成像区域会被核素分布区域覆盖，因此本文选择在γ光子二维切片图像中螺母的截面形状进行分析，如附图4所示，为含有散射的γ光子重建图像，图像重建过程中由于包含散射的γ光子，因此液压件缸体边缘及活塞杆螺母边缘均出现星状伪影，隐约分辨螺母边缘轮廓，不能确定螺母形状，如附图5所示，为基于空间分布拟合的多次散射校正后的γ光子重建图像，在消除了单次散射的γ光子干扰后，液压件缸体边缘及活塞杆螺母边缘变得清晰，由于活塞杆螺母不产生γ光子，因此，活塞杆螺母所在截面成像为黑色图像，在消除了多次散射的γ光子干扰后，与图4成像结果比较，边缘伪影消失，活塞杆螺母所在截面图像中黑色区域在扩大，可以看出本发明提出的基于空间分布拟合的γ光子多次散射校正方法的有效性。
[0059]
本发明通过把γ光子多次散射看作γ光子多个单次散射的叠加，将γ光子采样数据按lor在root中的保存方式进行投影，分别对离散的γ光子单次散射分布和多次散射分布进行函数拟合，确定核函数的表达形式，计算探测系统中每个探测器对记录的γ光子多次散射数目，最后，将多次散射的γ光子从原始γ光子数据中剔除，达到γ光子多次散射校正的目的，并且提高了γ光子多次散射识别准确性
[0060]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。
[0061]
本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。