專利名稱：基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法及其裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法及其裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
放射性物質(zhì)的定位、輻射劑量測量、核素種類識別以及活度測量在核工業(yè)、核安全、環(huán)境保護、工業(yè)及醫(yī)用放射源管理、公共安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的應(yīng)用于探測放射性物質(zhì)的手段主要包括:放射性劑量儀、伽馬能譜儀和伽馬相機。其中，伽馬相機是通過探測經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直的伽馬光子實現(xiàn)對放射性物質(zhì)的二維平面分布成像。并且，伽馬相機還具有測量相機所在位置的伽馬輻射劑量率或粒子注量率，并實現(xiàn)初步的伽馬光子能譜測量的功能。伽馬相機的準(zhǔn)直器包括針孔準(zhǔn)直器和編碼板準(zhǔn)直器。相對于單針孔準(zhǔn)直器，編碼板準(zhǔn)直器有更高的探測效率，尤其是在探測弱放射性物質(zhì)及低輻射劑量率條件下，其獲得的伽馬輻射成像具有更高的靈敏度。但是，現(xiàn)有的配備編碼板準(zhǔn)直器的伽馬相機技術(shù)所普遍采用的解碼算法在低輻射劑量(或低計數(shù))的條件下的重建的伽馬輻射圖像的信噪比較差，并且無法重建具有定量信息的伽馬輻射圖像。另外，伽馬輻射圖像本身只能反映放射性物質(zhì)的二維分布信息，要實現(xiàn)放射性物質(zhì)的定位，還需要與可見光圖像精確配準(zhǔn)與融合，從而利用可見光圖像獲得放射性物質(zhì)的位置信息。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)伽馬相機與可見光相機不同光路時，對于其與設(shè)備的距離未知的放射性物質(zhì)，無法實現(xiàn)該放射性物質(zhì)的可見光圖像與伽馬輻射圖像的精確配準(zhǔn)與融合；當(dāng)伽馬相機與可見光相機為同一光路時，無法同時進行伽馬輻射成像和可見光成像。因此，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)對放射性物質(zhì)的定量輻射劑量測量、二維甚至三維空間定位、核素種類識別、以及放射性物質(zhì)`的活度測量的放射性物質(zhì)的探測方法及其設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提供一種基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法及其裝置和系統(tǒng)，以實現(xiàn)對放射性物質(zhì)的三維空間定位、核素種類識另IJ、輻射劑量測量以及放射性物質(zhì)的活度測量。為達到上述目的，本發(fā)明一方面提供一種基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法，包括以下步驟:伽馬相機接收從放射性物質(zhì)定義的目標(biāo)角平面(a，￠)的各個方向入射的伽馬光子；生成所述放射性物質(zhì)的伽馬光子能譜及投影數(shù)據(jù)P，所述投影數(shù)據(jù)P為由所述伽馬相機的每個探測器像素j探測到的伽馬光子數(shù)目P」所組成的向量，J為所述伽馬相機的探測器像素數(shù)，j=l，…，J;將所述目標(biāo)角平面(《，￠)離散化為I個角平面像素，4為自離散化后的(a” ^i)方向入射到伽馬相機的伽馬光子數(shù)，則由fi所組成的向量f 表示離散化的所述目標(biāo)角平面U，P)上的放射性物質(zhì)分布f (a，￠), i=l，…I，根據(jù)
權(quán)利要求
1.一種基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法，包括以下步驟: 伽馬相機接收從放射性物質(zhì)定義的目標(biāo)角平面(a, ￠)的各個方向入射的伽馬光子； 生成所述放射性物質(zhì)的伽馬光子能譜及投影數(shù)據(jù)P， 所述投影數(shù)據(jù)P為由所述伽馬相機的每個探測器像素j探測到的伽馬光子數(shù)目Pj所組成的向量，J為所述伽馬相機的探測器像素數(shù)，j=l,…，J; 將所述目標(biāo)角平面(a，￠)離散化為I個角平面像素，&為自離散化后的Ui, ^i)方向入射到伽馬相機的伽馬光子數(shù)，則由A所組成的向量f表示離散化的所述目標(biāo)角平面(a，￠)上的放射性物質(zhì)分布f (a，￠), i=l，…I，根據(jù)
2.如權(quán)利要求1所述的探測方法，其中，生成所述系統(tǒng)傳輸矩陣M包括以下步驟: 通過蒙特卡洛模擬仿真，模擬計算從所述目標(biāo)角平面的(a” ^i)方向入射的伽馬光子在所述伽馬相機的探測器像素j上被探測到的概率以生成第一系統(tǒng)傳輸矩陣；和 通過放射點源實驗標(biāo)定，對所述第一系統(tǒng)傳輸矩陣進行修正以生成所述系統(tǒng)傳輸矩陣M0
3.如權(quán)利要求1所述的探測方法，其中，所述公式(I)通過期望最大化的統(tǒng)計迭代算法求解，即:
4.如權(quán)利要求1所述的探測方法，進一步包括: 通過分析所述伽馬光子能譜中的光電峰的特征能量值，識別所述放射性物質(zhì)的核素類別；以及 根據(jù)所述伽馬光子能譜與所述伽馬輻射圖像，計算來自所述目標(biāo)角平面的不同方向的所述伽馬光子對所述伽馬相機所在位置的輻射劑量信息。
5.如權(quán)利要求1所述的探測方法，進一步包括: 在獲得所述伽馬輻射圖像的同時，利用環(huán)繞伽馬相機布置的多臺可見光照相機從不同角度獲取多幅可見光圖像，并通過所述多幅可見光圖像生成一幅與所述伽馬輻射圖像無視差的可見光圖像；以及 在所述放射性物質(zhì)與所述多臺可見光照相機之間無可見光遮擋物的條件下，根據(jù)所述無視差的可見光圖像獲得所述放射性物質(zhì)到所述伽馬相機的距離。
6.如權(quán)利要求1所述的探測方法，進一步包括: 利用多臺所述伽馬相機從不同角度對同一區(qū)域進行探測以得到多個二維伽馬輻射圖像，并根據(jù)所述多個二維伽馬輻射圖像計算出所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
7.如權(quán)利要求6所述的探測方法，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個近似點源時，利用數(shù)據(jù)擬合誤差最小化算法對所述多個伽馬輻射圖像進行求解以得到所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
8.如權(quán)利要求6所述的探測方法，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個連續(xù)的空間分布時，利用三維統(tǒng)計迭代的圖像重建方法根據(jù)多臺所述馬伽相機所獲得的所述投影數(shù)據(jù)P計算出所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
9.如權(quán)利要求1所述的探測方法，進一步包括: 利用一臺所述伽馬相機從不同角度對同一區(qū)域進行探測以得到多個伽馬輻射圖像，并根據(jù)所述多個伽馬輻射圖像計算出所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
10.如權(quán)利要求9所述的探測方法，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個近似點源時，利用數(shù)據(jù)擬合誤差最小化算法對所述多個伽馬輻射圖像進行求解以得到所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
11.如權(quán)利要求9所述的探測方法，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個連續(xù)的空間分布時，利用三維統(tǒng)計迭代的圖像重建方法根據(jù)所述伽馬相機在所有角度獲取的所述投影數(shù)據(jù)P計算出所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
12.如權(quán)利要求6-11任一項所述的探測方法，進一步包括:根據(jù)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)三維空間分布，計算所述區(qū)域內(nèi)任一放射性物質(zhì)到各個所述伽馬相機的距離。
13.如權(quán)利要求12所述的探測方法，進一步包括:根據(jù)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)三維空間分布、所述核素類別、所述輻射劑量信息以及所述區(qū)域到各個所述伽馬相機的距離，計算所述放射性物`質(zhì)的放射性活度。
14.一種放射性物質(zhì)探測裝置，包括: 接收模塊，用于接收數(shù)字信號，所述數(shù)字信號由至少一臺伽馬相機探測到的從由放射性物質(zhì)定義的目標(biāo)角平面(《，￠)的各個方向入射的伽馬光子信號轉(zhuǎn)化而成；以及計算模塊，用于: 根據(jù)所述數(shù)字信號生成所述放射性物質(zhì)的伽馬光子能譜及投影數(shù)據(jù)P， 所述投影數(shù)據(jù)P為由所述伽馬相機的每個探測器像素j探測到的伽馬光子數(shù)目Pj所組成的向量，J為所述伽馬相機的探測器像素數(shù)，j=l,…，J; 將所述目標(biāo)角平面(a，￠)離散化為I個角平面像素，&為自離散化后的Ui, ^i)方向入射到伽馬相機的伽馬光子數(shù)，則由A所組成的向量f表示離散化的所述目標(biāo)角平面(a，￠)上的放射性物質(zhì)分布f (a，￠), i=l，…I，根據(jù)./' = arg max(^ J (p, log^A// ] ,) - [M/%))⑴，對所述投影數(shù)據(jù)P進行重建以得到具有定量信息的伽馬輻射圖像f S中，M為系統(tǒng)傳輸矩陣，M的第j行、i列的元素!^i表示從所述目標(biāo)角平面的(a” ^i)力'向入射的伽馬光子在所述伽馬相機的探測器像素j上被探測到的概率。
15.如權(quán)利要求14所述的探測裝置，其中，所述計算模塊生成所述系統(tǒng)傳輸矩陣M包括:通過蒙特卡洛模擬仿真，模擬從所述目標(biāo)角平面的(a” ^i)方向入射的伽馬光子在所述伽馬相機的探測器像素j上被探測到的概率以生成第一系統(tǒng)傳輸矩陣；和 通過放射點源實驗標(biāo)定，對所述第一系統(tǒng)傳輸矩陣進行修正以生成所述系統(tǒng)傳輸矩陣M0
16.如權(quán)利要求14所述的探測裝置，其中，所述公式(I)通過期望最大化的統(tǒng)計迭代算法求解，即:
17.如權(quán)利要求14所述的探測裝置，其中，所述計算裝置對所述投影數(shù)據(jù)p進行重建以得到具有定量信息的伽馬輻射圖像/包括: 通過分析所述伽馬光子能譜中的光電峰的特征能量值，識別所述放射性物質(zhì)的核素類別；以及 根據(jù)所述伽馬光子能譜與所述伽馬輻射圖像，計算來自所述目標(biāo)角平面的不同方向的所述伽馬光子對所述伽馬相機所在位置的輻射劑量信息。
18.如權(quán)利要求14所述的探測裝置，其中， 環(huán)繞每臺所述伽馬相機設(shè)置有多臺可見光照相機，所述多臺可見光照相機分別從不同角度獲取多幅可見光圖像，所述接收模塊還用于接收所述多幅可見光圖像；以及 所述計算模塊根據(jù)所述多幅可見光圖像生成一幅與所述伽馬輻射圖像無視差的可見光圖像，并且在所述放射性物質(zhì)與所述多臺可見光照相機之間無可見光遮擋物的條件下，根據(jù)所述無視差的可見光圖像計算出所述放射性物質(zhì)到每臺所述伽馬相機的距離。
19.如權(quán)利要求14所述的探測裝置，其中，所述接收模塊用于接收一臺所述伽馬相機從不同角度對同一區(qū)域進行探測得到的多個數(shù)字信號，所述計算模塊根據(jù)得到的所述多個數(shù)字信號獲得對應(yīng)的多個所述伽馬輻射圖像，進而根據(jù)所述多個所述伽馬輻射圖像計算出所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
20.如權(quán)利要求19所述的探測裝置，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個近似點源時，所述計算模塊利用數(shù)據(jù)擬合誤差最小化算法對多個所述伽馬輻射圖像進行求解以得到所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
21.如權(quán)利要求19所述的探測裝置，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個連續(xù)的空間分布時，所述計算模塊利用三維統(tǒng)計迭代的圖像重建方法根據(jù)所述伽馬相機的所獲得的所述投影數(shù)據(jù)P計算出所述放射性物質(zhì)的靜態(tài)三維空間分布。
22.如權(quán)利要求19所述的探測裝置，其中，所述接收模塊用于接收多臺所述伽馬相機從不同角度對同一區(qū)域進行探測得到的多個數(shù)字信號，所述計算模塊根據(jù)得到的所述多個數(shù)字信號獲得對應(yīng)的多個二維伽馬輻射圖像，進而根據(jù)所述多個二維伽馬輻射圖像計算出所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
23.如權(quán)利要求22所述的探測裝置，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個近似點源時，所述計算模塊利用數(shù)據(jù)擬合誤差最小化算法對多個所述伽馬輻射圖像進行求解以得到所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
24.如權(quán)利要求22所述的探測裝置，其中，當(dāng)所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)為一個或多個連續(xù)的空間分布時，所述計算模塊利用三維統(tǒng)計迭代的圖像重建方法根據(jù)所述伽馬相機所獲得的所述投影數(shù)據(jù)P計算出所述放射性物質(zhì)的實時三維空間分布。
25.如權(quán)利要求19-24任一項所述的探測裝置，其中，所述計算模塊根據(jù)計算出的所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的三維空間分布，計算所述區(qū)域內(nèi)任一放射性物質(zhì)到各個所述探測裝置的距離。
26.如權(quán)利要求25所述的探測裝置，其中，所述計算模塊根據(jù)計算出的所述區(qū)域內(nèi)的所述放射性物質(zhì)的三維空間分布、所述核素類別、所述輻射劑量信息以及所述區(qū)域到各個所述探測裝置的距離，計算所述放射性物質(zhì)的放射性活度。
27.一種放射性物質(zhì)探測系統(tǒng)，包括: 至少一臺伽馬相機，用于探測從由放射性物質(zhì)定義的目標(biāo)角平面(a，￠)的各個方向入射的伽馬光子，并將探測到的伽馬光子信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；以及計算裝置，用于: 根據(jù)所述數(shù)字信號生成所述放射性物質(zhì)的伽馬光子能譜；及投影數(shù)據(jù)P， 所述投影數(shù)據(jù)P為由所述伽馬相機的每個探測器像素j探測到的伽馬光子數(shù)目Pj所組成的向量，J為所述伽馬相機的探測器像素數(shù)，j=l,…，J; 將所述目標(biāo)角平面(a，￠)離散化為I個角平面像素，&為自離散化后的Ui, ^i)方向入射到伽馬相機的伽馬光子數(shù)，則由A所組成的向量f表示離散化的所述目標(biāo)角平面(a，￠)上的放射性物質(zhì)分布f (a，￠), i=l，…I，根據(jù)
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于伽馬相機的放射性物質(zhì)探測方法及其裝置和系統(tǒng)，該探測方法包括以下步驟:伽馬相機接收從放射性物質(zhì)定義的目標(biāo)角平面(α,β)的各個方向入射的伽馬光子；生成放射性物質(zhì)的伽馬光子能譜及投影數(shù)據(jù)；并利用“最大似然估計”的統(tǒng)計迭代算法對投影數(shù)據(jù)進行重建以得到具有定量信息的伽馬輻射圖像。根據(jù)本發(fā)明實施例的方法，不僅提升伽馬輻射圖像的空間分辨率與信噪比，還同時實現(xiàn)放射性物質(zhì)空間定位、輻射劑量測量、放射性物質(zhì)的核素類型識別以及放射性活度測量。
文檔編號G01T1/08GK103163548SQ201310073489
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者陳思, 劉亞強, 王石, 馬天予, 龔光華, 何峰, 孫劍, 江年銘, 劉邁 申請人:北京辛耕普華醫(yī)療科技有限公司, 清華大學(xué)