MURA编码辐射成像系统的解码方法

近年来,随着核辐射成像技术的发展及应用的需求,核辐射成像设备在高灵敏度、高分辨率、高信噪比以及携带方便等方面受到越来越多的关注,编码孔径准直器代替传统的平行孔和针孔准直器顺应了这种发展趋势,成为核辐射成像领域的研究热点。本文主要介绍一种新型便携式辐射成像探测系统中修正均匀冗余阵列(Modified Uniformly Redundant Arrays,MURA)编码孔径准直器的成像方法,研究其解码过程、校正方法和解码矩阵的算法:δ解码算法和精细采样平衡解码算法。在MATLAB环境下对两种解码算法进行了对比仿真,并对单个放射源与多个放射源情况分别进行了图像重建实验。实验结果表明,精细采样算法要比δ解码算法更能使成像系统对单源或多源进行清晰成像。     

MURA编码板γ相机探测器模拟研究

用Geant4软件对γ相机探测器的成像原理进行模拟,γ相机探测器主要由准直器和探测单元构成,模拟得到放射源的响应矩阵,通过精细采样算法和δ解码算法进行图像重建。分别模拟了不同形态放射源在不同位置、不同距离、不同角度的成像情况,研究了编码板的偏移和尺寸变化对成像的影响。     

OSEM算法在编码板成像中的应用

为提高γ辐射编码成像中MLEM算法在图像重建时的速度及质量,论文基于核医学ECT图像重建中的OSEM算法思想在图像重建时对编码成像所得投影数据进行分组,并采用精细采样平衡相关法的重建结果作为初值进行迭代。通过实验对该算法进行验证。实验表明:OSEM算法可以有效提高收敛速度,改善重建图像质量。在γ辐射编码成像中采用OSEM算法是有效且可行的。     

一种纵、横向视野不同的编码孔径伽玛相机的方法论述与模拟验证北大核心CSCD

对基于M-M编码方式的编码孔径成像系统的方法进行了论述,通过蒙特卡罗软件MCNP对基于M-M编码方式的成像系统建立模型。使用不同能量的放射源在不同的位置,对不同厚度的编码准直器进行照射,并对所获得的重建图像SNR进行了分析与说明,确定了最佳的码板厚度为10 mm。随后模拟了基于最佳码板参数的成像系统对单点源、多点源以及形状源的响应,其中单点源的重建图像SNR达到40.36,成像系统也成功重建出了形状源的形状,且背景都没有波动的旁瓣。以上结果证明M-M编码方式优异的性能,具备替代MURA或者URA在特殊场景的应用潜力。可为后续的基于M-M编码方式的编码孔径伽玛相机的研制奠定基础。     

编码板成像系统MLEM算法优化

为增强γ辐射编码成像系统中最大似然期望最大化(Maximum Likelihood Expectation Maximization,MLEM)算法对噪声的抑制,提高算法重建质量,基于互补编码板成像相减去除噪声的思想,对原有MLEM算法进行改进,提出了MLEM互补算法,并引入修正因子?对MLEM互补算法的收敛程度进行控制。通过模拟及实验方式验证了MLEM互补算法的有效性,给出了不同情况下MLEM互补算法达到最优值时修正因子?的拟合曲线。结果表明,MLEM互补算法可有效抑制噪声,提高重建图像质量。修正因子?的拟合曲线可以有效确定MLEM算法的最佳?值。     

基于MURA编码孔成像测量Pu部件对称性的数值模拟分析

通过分析MURA编码孔成像技术的原理,实现了MLEM重建算法的源物体图像重建。使用数值模拟方法,分析了413keV单能γ面源的MURA编码板成像全过程,通过对比分析重建源物体分布与实际源物体分布,验证了重建算法及程序的正确性。并通过MNCP程序模拟假想的Pu部件模型,在编码孔成像过程中,像平面上射线投影强度分布、直接重建及简单扣本底重建源物体分布,从而论证了MURA编码孔成像测量Pu部件对称性的可行性。数值模拟结果表明,编码孔成像测量Pu部件对称性与小孔成像相比,在保护敏感信息和提高射线利用效率方面,具备一定的优势。     

基于γ图像重建放射源三维几何形状的模拟研究

准确评估待检测对象内放射性物质的几何形状,在核设施退役和核安全等方面都具有重要的意义。利用MCNP模拟屏蔽体内不同几何形状的体源,针孔γ相机围绕被探测区域获取投影数据。根据针孔成像的机理,建立系数矩阵,并通过最大似然期望最大(MLEM)算法重建体源的三维位置和形状分布。模拟数据结果表明:该方法可准确地重建出放射性体源的三维位置和形状分布,体源在三维方向上形状的尺寸偏差不大于10%。     

旋转调制器成像的蒙特卡罗仿真及图像重建

基于时间调制的旋转调制器(RM)成像技术是一种可以对硬X射线、γ射线等成像的技术。为利用RM成像技术优势,开展了RM技术在核监测领域应用的研究工作。通过蒙特卡罗仿真,模拟准直器旋转过程,布置7个NaI探测器测量,获得受调制的探测器输出,再用NCAR、MLEM和OSEM算法分别对输出数据进行重建。相对NCAR算法,MLEM算法在抑制噪声的同时,不会在重建源图像周围引入随机边缘。OSEM算法可以加速MLEM算法的收敛过程,提高计算速度。MLEM和OSEM重建图像的角度分辨率可达1.2°,与仿真系统几何角度分辨率比较,达到了约3.8倍的超分辨能力。     

基于LaBr3(Ce)晶体耦合SiPM阵列的可变角分辨率伽玛相机的设计与研制

编码孔径成像技术由于探测效率高、信噪比高、角分辨率好、成像质量稳定可靠等优点而广泛应用于核安全、核设施的去污及退役的测量、核医学等领域。建立通过改变编码准直器和探测器之间距离进而实现可变角分辨的伽玛成像系统。整个成像系统主要由编码准直器、位置灵敏探测(position sensitive detector, PSD)、数据采集卡以及图像重建系统组成。该成像系统的编码准直器采用修正均匀冗余阵列(modified uniformly redundant array, MURA)编码方式,为了保障对较高能量射线的探测能力,编码准直器的材料采用含钨量90%的钨铜合金,PSD通过LaBr₃(Ce)晶体耦合SiPM阵列组成,重建算法采用的是直接互卷积算法,快速高效。测试结果显示,整个位置灵敏探测器的平均能量分辨率为4.96%(662 keV);该辐射成像系统可以准确地对Am-241、Cs-137、Co-60进行清晰成像,并通过改变编码准直器和探测器之间的距离成功分辨出两个Cs-137点源的位置。     

正——反双模编码对时序成像重建图像CNR影响分析

时序编码成像图像重建受噪声影响,导致技术应用受限。为解决这一问题,通过分析时序编码投影成像基本原理,构建源射线分布重建图像质量评价指标:对比度噪声比(CNR)和均方根误差(RMSE);设计M-P双正码与M-P正—反码两种编码板,采用MCNP模拟计算两种编码板对²⁵²Cf进行时序编码成像的投影像相对强度,由MLEM算法进行图像重建获得射线源分布;通过分析两种编码模式重建图像CNR和RMSE受不同强度白噪声的影响,表明M-P正—反码编码板比M-P双正码重建图像的CNR高、RMSE低;并对两种编码模式重建图像CNR和RMSE受FOV场外点源伪影的影响进行分析,表明M-P正—反码编码板比M-P双正码重建图像的CNR高、RMSE高,认为正—反码编码模式在抑制噪声、检测视场外射线源伪影、提高重建图像质量方面具备一定优势,时序编码成像的编码板设计时可优先选择正反码编码模式。     

康普顿相机的GEANT4模拟与反投影图像重建

模拟构建了双层康普顿相机,利用康普顿散射原理,获取γ光子在两层探测器发生散射前后沉积的能量和位置信息,通过一定算法进行图像重建,获得放射源位置信息。该相机具有灵敏度高、体积小、应用范围广等优点。通过蒙特卡罗方法模拟了具有双层条状结构位置灵敏探测器(散射探测器、吸收探测器)组成的康普顿相机,其两层探测器分别由Si和Ge材料构成。利用反投影图像重建算法实现了放射源图像重建,当单点源与探测器距离为40 mm时,成像的效率为0.38%,位置分辨率达到8.0 mm,角分辨率达到3°。对于不同位置和不同个数点源的情况下,检验了反投影重建算法在康普顿相机放射源空间重建中的效果。     

基于约束的MLEM图像重建算法

在编码孔γ相机的二维辐射图像重建中,最大似然期望最大化法(maximum likelihood expectation maximization,MLEM)相较传统线性算法能更好地抑制噪声,恢复出高质量的图像,但其缺点是收敛速度慢,且在投影数据有较高统计涨落或含有较大噪声时,迭代次数过高会导致重建图像中噪声急剧增加,图像质量转而变差。本文基于直接解调法思想对MLEM算法进行优化,在MLEM迭代重建过程中加入先验物理约束条件,并将交叉相关法重建结果作为迭代初值。仿真结果表明,添加约束后的MLEM迭代收敛速度得到加快,重建图像的收敛性显著改善。MLEM算法中添加合理约束条件是提高其重建图像质量的一种有效方法。     

均匀介质中γ成像三维图像重建

将γ相机的小孔成像模型类比成平行束模型,在代数重建法(ART)的基础上,加入衰减补偿,实现了均匀介质γ成像的三维图像重建。对比加入衰减补偿和未加入衰减补偿所重建放射源的位置和强度分布,得出介质对γ相机成像三维图像重建的影响:屏蔽介质只会影响重建后放射源的强度分布,不会影响放射源的位置分布。通过MC模拟数据的重建结果表明,本方案是切实可行的。     

γ成像数值模拟与初步实验分析

基于Geant4模拟开发平台,对γ成像系统进行了被动式成像数值模拟,并用γ相机对标准密封γ点源进行辐射成像实验,初步分析了便携式γ射线成像系统的成像特点.结果表明:该系统成像效果与源强、距离、时间等密切相关,源强越强,距离越近,清晰成像所需时间也就越短,且可以准确定位γ放射源,精确热点分布定位.     

γ图像重构放射源三维分布的物理模型设计

快速测定放射性物质污染的位置、分布、剂量对核安全有重要意义。γ相机成像是快速测定核污染位置二维图像的主要手段,用二维图像重构核污染位置三维分布是一种实现快速测定核污染位置、分布的主要技术。通过对γ相机成像过程进行研究,建立了放射源三维分布重构对应的物理模型,并在ML-EM重建算法下得到基本正确的结果。     

闪光照相X源光斑编码孔成像诊断可行性研究

X源光斑形状和强度分布是高能闪光照相图像反演时必需的定解条件,需高精度的测量,但目前缺少成熟的方法应用于成像时诊断对应的X源光斑。本文通过蒙特卡罗程序直接模拟及图像重建,验证了对有能量和角度分布、有散射等干扰的实际X源,由其编码图像可重建出源的强度空间分布信息,且具有较高精度。采用编码孔成像方法,在闪光照相实验的同时伴随X源光斑的特征检测是可行的,可提高闪光照相图像反演精度。     

通过γ辐射强度的变化规律定位核元件技术研究

利用标准面源来模拟核材料库的γ辐射场,从实验和理论两方面研究了移走某一放射源后四个不同监测位置γ辐射强度的变化规律。结果表明,移走监控对象中某一放射源后,不同检测位置γ辐射强度的变化规律是唯一的,并与理论计算符合得很好。据此完全可以确定核材料的变化情况。     

双探头符合成像系统的分辨率及其影响因素

研究双探头符合成像系统的分辨率及其影响因素。采用Hawkeye双探头符合成像设备，对Toshiba椭圆柱分辨率模型成像。用X线透射扫描进行衰减校正，在不同的活度下做18次扫描。OS-EM算法选择4种后滤波截止频率重建图像。计算线源横断层面上扩展函数的半高宽（FWHM）。在视野中活度较低时（〈101．00MBq），FWHM基本不随活度变化；但在较高的活度区，FWHM随视野中活度的增加而缓慢增加；在视野中心至横向12cm范围内，视野中心区径向FWHMx最大，越靠边缘越小，而切向FWH嗨基本不随位置变化；FWHM随重建算法中后滤波截止频率的增加而减小。结论是视野中的总活度、位置及重建算法均影响双探头符合成像系统的分辨率。     

近场编码孔径成像的数据校正

介绍了修正的均匀冗余阵列(MURA)编码孔径成像及其图象重建的基本原理.从理论上分析和探讨了编码孔径应用在近场核医学成像时,cos3 θ项带来的近场效应及其校正方法,并通过计算机模拟实验验证了这种矫正方法的正确性和可靠性.     

双层分离式康普顿相机研制及其性能研究

康普顿成像技术是近年新兴的一种辐射热点定位技术，其无需准直，视野广，效率高，应用前景广阔。针对核设施热点定位需求，采用两块像素型碲锌镉(Cadmium Zinc Telluride,CZT)探测器，基于专用读出芯片(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)的读出电子学系统，结合列表模式期望最大化极大似然(Listmode Maximum Likelihood Expectation Maximization,LM-MLEM)图像重建算法研制了一套双层分离式康普顿相机。采用¹³⁷Cs点源对该系统的成像性能开展了实验测试，并对探测器层间距、吸收层面积等成像性能影响参数展开了优化研究，最后通过移动探测器的测量位置实现了对放射源的远场三维成像功能测试。该系统优势在于其结构可调性，探测器成本低，读出电子学相对简单，成像视野范围宽于传统γ相机，测试结果表明：系统的能量分辨率约为3%(FWHM@662 keV)，能确定5 m外的137Cs点源三维位置信息，优化后的系统前锥角θ和侧向方位角φ的角分辨率约为10°。