高灵敏度三维全景射线成像系统及成像方法

本发明涉及核辐射探测与成像，尤其涉及一种高灵敏度三维全景射线成像系统及成像方法。

背景技术：

1、射线成像技术可直观地指示放射性物质的空间分布和相对强度信息，能有效降低相关工作人员的辐射吸收剂量，在国土安全、核安全、核设施退役、去污等领域已得到了广泛的应用。

2、时间编码成像技术是一种基于机械准直的射线成像技术，具有角分辨率高、成像视场宽、读出通道少等优点。但现有的时间编码成像系统都采用单个探测器或线阵探测器固定于成像系统的中央位置，探测器的尺寸同时影响着成像角分辨率和灵敏度两个参数，增加探测器的尺寸能提高灵敏度，但需要增加准直器的基本开孔单元尺寸，导致成像角分辨率或图像信噪比降低；减小探测器的尺寸能提高成像角分辨率，但会降低成像灵敏度。此外，现有时间编码成像技术无法获取放射源的距离信息，仅能获取放射性物质分布的二维辐射图像。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能够实现对放射性物质进行高灵敏度三维全景成像定位的，高灵敏度三维全景射线成像系统及成像方法。

2、一种高灵敏度三维全景射线成像系统，包括环状的编码准直器，所述编码准直器竖直设置，还包括s个探测单元、一信号分析处理单元和一计算处理系统；

3、所述探测单元位于编码准直器内，且探测时编码准直器沿其中心轴水平旋转，探测单元固定，用于对透过编码准直器的射线进行探测并输出电信号；

4、所述信号分析处理单元用于从电信号中提取射线与探测单元相互作用的位置和时间信息；

5、所述计算处理系统用于在探测时将电信号的位置和时间信息转换为射线计数随时间变化的投影数据，一探测单元对应一投影数据；还用于根据投影数据得到放射源的二维全景辐射图像和放射源到编码准直器中心的距离。

6、作为优选：所述探测单元采用非像素化的连续晶体或像素化的线阵探测器；

7、所述连续晶体或线阵探测器均采用闪烁探测器或半导体探测器，若为闪烁探测器，则出光面与光电转换器耦合，若为半导体探测器，则不与光电转换器耦合。

8、作为优选：所述编码准直器的编码方式包括随机阵列、singer阵列、均匀冗余阵列和/或修正均匀冗余阵列。

9、一种高灵敏度三维全景射线成像系统的成像方法，包括以下步骤；

10、(1)构建一高灵敏度三维全景射线成像系统并置于探测区域内，编码准直器的编码数为r×c，每个探测单元包含n×1个像素，n≥1，获取高灵敏度三维全景射线成像系统的系统响应矩阵，其中投影域的维度为s×n×c，图像域的维度为p×q；

11、(2)在编码准直器侧壁确定一旋转的起点a，编码准直器旋转，计算处理系统得到s个与探测单元对应的射线计数随时间变化的投影数据；

12、(3)基于系统响应矩阵，采用最大似然期望最大化算法对所有投影数据进行重建，得到二维全景辐射图像；

13、(4)建立三维坐标系；

14、以编码准直器中心轴和两根过中心轴的水平线建立三维坐标系，其中，中心轴为y轴、且一根水平线经过点a，根据二维全景辐射图像确定射线的入射方向，与入射方向夹角最小的水平线为z轴，且靠近放射源的一端为z轴正向，另一根水平线为x轴；

15、(5)对每个投影数据分别进行图像重建得到一重建图像，获取每个重建图像中辐射热点的二维坐标；

16、(6)对每个探测单元，沿z轴正向做探测单元中心到编码准直器侧壁的线段d，并得到线段长度，并将s个探测单元按探测单元1到探测单元s标记；

17、(7)对每两个探测单元，计算一放射源到编码准直器中心的距离值，其中利用探测单元i和探测单元j计算的距离值zijn通过以下公式计算；

18、

19、zijn＝zij+zijo

20、式中，δxij为探测单元i和探测单元j在x轴上的距离，δzij为探测单元i和探测单元j在z轴上的距离，zij为放射源与距离其最近的探测单元在z轴上的距离值，zijo为该探测单元与编码准直器中心在z轴上的距离值，xi、xj分别为探测单元i和探测单元j重建辐射热点的横坐标，di、dj为探测单元i和探测单元j对应的线段长度，i＝1～s，j＝1～s，j≠i；

21、(8)从所有距离值确定最大值zmax和最小值zmin，并确定距离范围其中a、b为可调系数，且0<a<10，0<b<10，且a<b；

22、(9)对每个探测单元，以中心点为点a1，其重建图像中辐射热点对应在编码准直器侧壁上的位置为点a2，过点a1、a2得到一定位线；

23、(10)在距离范围中结合定位线确定放射源到编码准直器中心的距离。

24、作为优选：步骤(1)中，系统响应矩阵通过解析计算法、蒙特卡罗模拟法或实验测量法得到。

25、作为优选：步骤(5)中获取重建图像中辐射热点的坐标位置具体为，

26、对重建图像，将像素值最大的点作为辐射热点，并将该点的坐标作为辐射热点的坐标；

27、或将像素值最大的像素点所在的横截面和纵截面分别做高斯拟合，并将高斯拟合结果的中心位置作为辐射热点的横坐标和纵坐标。

28、作为优选：步骤(10)为；

29、(10-1)从原点沿z轴正向作射线t，在射线t上对应的距离范围内，确定m个定位点；

30、(10-2)分别过m个定位点作竖直面与定位线相交，所述竖直面与xy平面平行，对第1个定位点，其竖直面与s根定位线交于s个交点，将s个交点构成s边形并计算周长c1；

31、(10-3)依次得到第2到m个定位点对应的周长c2～cm；

32、(10-4)将最小周长对应的定位点到编码准直器中心的距离，作为放射源到编码准直器中心的距离。

33、与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了一种新的成像系统及成像方法，采用多个探测单元对放射源的射线进行成像。在编码准直器旋转360°对全景入射射线进行调制的同时，多个探测单元都对放射性物质进行投影数据采集，大大地提高了成像系统的探测灵敏度，打破了现有技术难以同时满足高角分辨率和高灵敏度的成像要求，并实现对放射性物质分布的三维全景射线成像，可为核设施退役、去污、核应急等核安全应用场景提供有力保障。

技术特征：

1.一种高灵敏度三维全景射线成像系统，包括环状的编码准直器，所述编码准直器竖直设置，其特征在于：还包括s个探测单元、一信号分析处理单元和一计算处理系统；

2.根据权利要求1所述的高灵敏度三维全景射线成像系统，其特征在于：所述探测单元采用非像素化的连续晶体或像素化的线阵探测器；

3.根据权利要求1所述的高灵敏度三维全景射线成像系统，其特征在于：所述编码准直器的编码方式包括随机阵列、singer阵列、均匀冗余阵列和/或修正均匀冗余阵列。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度三维全景射线成像系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤；

5.根据权利要求4所述的高灵敏度三维全景射线成像系统的成像方法，其特征在于：步骤(1)中，系统响应矩阵通过解析计算法、蒙特卡罗模拟法或实验测量法得到。

6.根据权利要求4所述的高灵敏度三维全景射线成像系统的成像方法，其特征在于：步骤(5)中获取重建图像中辐射热点的坐标位置具体为，

7.根据权利要求4所述的高灵敏度三维全景射线成像系统的成像方法，其特征在于：步骤(10)为；

技术总结
本发明公开了一种高灵敏度三维全景射线成像系统及成像方法，该系统包括环状的编码准直器，S个探测单元、一信号分析处理单元和一计算处理系统，且探测时编码准直器旋转，探测单元固定。本发明提出了一种新的成像系统及成像方法，采用多个探测单元对放射源进行成像。在编码准直器旋转360°对全景入射射线进行调制的同时，多个探测单元都对放射性物质进行投影数据采集，大大地提高了成像系统的探测灵敏度，打破了现有技术难以同时满足高角分辨率和高灵敏度的成像要求，并实现对放射性物质分布的三维全景射线成像，可为核设施退役、去污、核应急等核安全应用场景提供有力保障。

技术研发人员：刘崎,成毅,庹先国,牟昱璇
受保护的技术使用者：四川轻化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15