輻射劑量學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行劑量測定，以后發(fā)展了量熱劑量學、化學劑量學以及利用熱釋光現(xiàn)象的劑量測定技術近年來，又研制出電離室探測器和微型半導體

　　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的相互作用是密切相關的。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相結合的核探測方法。該方法依據射線與物質相互作用的機制，及閃爍體自身的發(fā)光特點進行能量變換，將劑量場上各點的強度轉換成與其成線性關系的閃爍光強度。借鑒計算機斷層掃描技術的基本思想，設計出陣列式探測器。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。利用圖像重建技術，可有效地實現(xiàn)對劑量場進行實時成像測量。

　　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量與速度起著關鍵的作用。對不同的目標應用不同的算法與之相適應。在卷積反投影算法中，選擇不同的卷積函數(shù)，對重建圖像的質量影響是很大的，需根據不同的情況，作相應的調整。本文對卷積反投影重建法進行延伸，使其不僅能在空間域進行卷積處理，而且能方便地選擇適當?shù)臑V波函數(shù)和參數(shù)在頻域進行頻譜修正，達到的處理效果，從而使重建和空間分辨率都得到進一步的提高。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，首先根據上次的重建結果，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)據相比較，將差值再濾波反投影在圖像上，以修正重建結果，即完成迭代運算，并將該次的運算結果作為下迭代的初值。重復上述過程，直到投影誤差總和小于給定的閾值或設定的迭代數(shù)，從而結束重建過程。

　　另外，在實際應用中可根據需要考慮利用非完全投影重建法來進行適當?shù)臄?shù)據處理。假設在整個（s,θ）平面上，投影函數(shù)P（s,θ）是解析的，即使有部分數(shù)據丟失，可根據其解析特性，將所需要的數(shù)據有效地估算出。由于閃爍光纖直徑的限制，影響了空間分辨率的進一步提高。采樣的投影數(shù)據對于s變量是離散的，但也應注意到投影數(shù)據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)據進行估計和補齊，補齊缺少的數(shù)據一般必須滿足三個條件：

　?。?）在數(shù)據缺少區(qū)域，根據已測數(shù)據的變化規(guī)律，使欲補齊的數(shù)據與其保持連續(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，保持其積分的相等。

　?。?）保持所有投影積分的相等性，這是雷當變換所要求的。

　　系統(tǒng)構成

　　整個系統(tǒng)分為四個部分：前端探測系統(tǒng)、機械旋轉掃描系統(tǒng)、定點數(shù)據采集系統(tǒng)、數(shù)據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成的光纖能適應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，以產生閃爍光。而在所涉及測量的能量范圍內，主要作用機制是康普頓效應，這是由于構成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應和電子對效應都相對較弱［7］。

　　根據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，并據此構造前端探測器。探測器設計為：由若干個一定長度的特種閃爍光纖水平緊密放置構成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應，另一端可耦合至光接收器（CCD）。 所設計的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過光導光纖連一成體，并將其加固，構成前端探測系統(tǒng)。探測器在劑量場中，將所吸收的輻射能轉換成光能，經線積分后，再通過光導光纖引出。并在光接收器的光敏區(qū)形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場強度信號轉換成視頻電信號。

　　由塑料閃爍光纖陣列構成的探測器，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500cm.

　?。?）結構簡單、使用壽命長等。

圖2　閃爍光纖陣列構成的核探測器及其與光接收器連接

　　設計的前端探測系統(tǒng)是由多根閃爍光纖構成的，其產生的閃爍光通過光導光纖耦合至CCD進行數(shù)據讀取。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。同時，還有光學成像系統(tǒng)的光損失及CCD光敏元的不均勻性等。為此，構造的陣列式前端探測器在實際應用中一般還須進行坪場修正。所謂坪場修正，就是對敏根光纖在CCD上獲取的輸出響應數(shù)據乘以一修正因子，使它們各自的綜合性能保持一致，即具有相同的場強與電信號的轉換特性。

　　機械旋轉掃描系統(tǒng)

　　我們提出的用陣列式吸收發(fā)光CT法探測劑量場強度分布的構想。為此需要設計運動機架以帶動探測器在180°范圍內進行等角度旋轉掃描。根據機械系統(tǒng)的要求，可選擇步進電機作為驅動部件。因為步進電機特點是定位高，無累積誤差，因此被廣泛應用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。設計的步進電機控制電路采用集成模塊結構，與微機直接相聯(lián)，能同時控制兩組步進電機，其功能強、響應速度快，可靠性高。原理框圖見圖3。

圖3　步進電機控制電路的原理框圖

　  定點數(shù)據采集系統(tǒng)

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

圖4　定點采集系統(tǒng)結構框圖

　　定點控制是根據監(jiān)視器屏幕二維空間上某點的位置，確定與其相對應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計為一塊PC機的插件，其通過I/O總線與微機相連，采用并行方式交換數(shù)據和信息。系統(tǒng)在開始采集時，首先由主機給出控制信號，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，另一方面產生一個計算機中斷服務，該服務將此時所采集的數(shù)據寫入緩沖區(qū)。同時，二級控制信號將計數(shù)器二清零。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件整體程序結構是接收操作者命令，完成機械掃描控制，數(shù)據采集，數(shù)據處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作。設計思想是將系統(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，負責與用戶接口。

　?。?）采集部分，包括步進電機控制測量點的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據采集、中斷服務等。

　?。?）數(shù)據預處理部分，包括采集數(shù)據壞點的剔除和對投影數(shù)據的移動平滑處理。

　?。?）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，根據不同位置對射線吸收的差異，以構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造的劑量場進行數(shù)據測量，并進行相應的各種數(shù)據處理，以重建該劑量場的強度分布。

　　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分布進行數(shù)據測量，重建的三維圖形。其中：圖7為對測量的投影數(shù)據未經坪場修正，圖10則為經過坪場修正后的處理結果。圖9為將三號鉛磚置于一號鉛磚之上，對所測量的數(shù)據（經過坪場修正），進行重建后該劑量場強度分布的三維圖形。圖10為將二號鉛磚置于劑量場中，探測器在其下面進行數(shù)據測量，并對測量的數(shù)據經過坪場修正后，重建該劑量場強度分布的三維圖形。圖11和圖12為將三號鉛磚置于二號鉛磚之上，探測器對構造的劑量場進行數(shù)據測量，所重建該劑量場強度分布的三維圖形。其中圖11未經坪場修正，圖12則經過坪場修正。

　　影響測量系統(tǒng)的主要因素有：前端探測系統(tǒng)的隨機誤差；不同濾波函數(shù)對重建圖像質量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對重建的影響；數(shù)據采樣速率所產生的影響；探測器旋轉中心偏移產生的影響。

　　對于本文所設計的陣列式閃爍光纖探測器（有效探測區(qū)域100mm×100mm），將其放置所構造的劑量場中進行實時成像測量，根據理論推導和實驗結果的數(shù)據分析，可估算可能導致的各種誤差，以綜合評估系統(tǒng)的性能。若輸入的投影數(shù)據，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)據平均相對誤差經折算約為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中心位置，否則，會產生很大誤差，甚至導致變形。若中心偏差控制在不超過0.1個象素點，則產生的重建誤差可控制在2.0%以內。