Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения систем регистрации для визуализации источников ионизирующего излучения 11
1.1. Основные этапы преобразования ионизирующего излучения 11
1.2. Повышение отношения сигнал/шум гамма-регистратции 17
1.3. Псевдослучайные последовательности, матрицы и маски 22
1.4. Устройства с кодирующими масками 27
1.5. Выводы 38
Глава 2. Исследование работы отдельных узлов первичного гамма-преобразователя 39
2.1. Модель работы первичного гамма-преобразователя 39
2.2. Некоторые вопросы проектирования камеры с кодированной апертурой в виде мозаики базовой маски 41
2.3. Моделирование процесса регистрации и восстановления изображения в первичном гамма-преобразователе 45
2.4. Выводы 63
Глава 3. Первичный гамма-преобразователь на основе кодированной апертуры и его технические характеристики 64
3.1. Коллиматоры традиционного гамма-преобразователя 64
3.2. Программно-аппаратный комплекс первичного гамма-преобразователя 64
3.3. Экспериментальное сравнение характеристик коллиматора и кодирующей маски при регистрации гамма-источников 67
3.4. Выводы 74
Глава 4. Гамма-преобразователь с перемещающейся маской 75
4.1. Основные отличия преобразователя с перемещающейся маской 75
4.2. Принцип построения гамма-преобразователя на основе использования перемещающейся маски 76
4.3. Выводы 82
Заключение 82
Приложения:
- Повышение отношения сигнал/шум гамма-регистратции
- Некоторые вопросы проектирования камеры с кодированной апертурой в виде мозаики базовой маски
- Экспериментальное сравнение характеристик коллиматора и кодирующей маски при регистрации гамма-источников
- Принцип построения гамма-преобразователя на основе использования перемещающейся маски
Введение к работе
Глава 1. Принципы построения систем регистрации для визуализации источников ионизирующего излучения 11
Основные этапы преобразования ионизирующего излучения .. 11
Повышение отношения сигнал/шум гамма-регистратции 17
Псевдослучайные последовательности, матрицы и маски 22
Устройства с кодирующими масками 27
Выводы 38
Повышение отношения сигнал/шум гамма-регистратции
В регистрируемом изображении невозможно определить точных границ пятен. В этом случае по экспериментальным данным строится кривая распределения яркости в сечении, проходящим через центры изображений регистрируемых точечных источников. Предельная разрешающая способность, соответствующая критерию Рэлея, определяется расстояниями между максимумами яркости разрешаемых точек, когда наименьшая яркость кривой между точками составляет 0,74 от максимальной.
На рис. 1.1. видно, что размеры сечений разрешающих элементов детектора ухудшают пространственное разрешение. Так, например, один точечный источник (поз.2) может регистрироваться четырьмя элементами детектора (поз. 1-6; 1-7; 2-6; 2-7), а другой (поз.1) - одним чувствительным элементом (поз. 8-2). При равной исходной яркости регистрируемых источников один будет отображен яркой точкой, а другой - четырьмя точечными источниками меньшей яркости. Поэтому для улучшения разрешающей способности устройства стремятся, если возможно, компоновать детектор из разрешающих элементов, из которых линейные размеры сечений их чувствительных частей в 2-3 раза меньше линейных размеров проекций точечного источника в плоскости детектора.
Разрешающая способность также зависит от размеров отверстия. Было установлено, что при уменьшении отверстия, резкость изображения сначала увеличивается, а затем начинает ухудшаться из-за дифракции. Рэлей подробно исследовал этот вопрос как теоретически, так и экспериментально, и вывел для наивыгоднейшего радиуса отверстия следующее уравнение:
Анализ выражения показывает, что при заданном расстоянии между источником и детектором, радиус отверстия будет наибольшим, если коллиматор расположен на равном расстоянии как от источника, так и от детектора. При a = b = L/2 диаметр отверстия будет равен значению: и линейные размеры пикселя, видимого через это отверстие будут равны удвоенному значению диаметра отверстия. Такое же значение будет иметь размер точечного источника в плоскости детектора. Длина волн фотонов рентгеновского и гамма-излучения с энергиями Еху 10 КэВ лежит в диапазоне X 0,1 нм. Из этого следует, что наивыгоднейшее отверстие коллиматора при регистрации такого излучения должно быть примерно в 70 раз меньше, чем для регистрации светового излучения с длиной волны X & 500 нм. Создание коллиматора с отверстием малого диаметра на толстой пластине требует применения совершенной технологии. Кроме того, наличие отверстия малого сечения приводит к значительному снижению количества квантов, проходящих через такое сечение и, следовательно, к уменьшению чувствительности устройства. Уменьшение полезной составляющей сигнала приводит к размытию изображения из-за наличия шумов. Поэтому, размеры отверстия коллиматора, расстояние от отверстия до детектора и другие установочные размеры конструкции определяются в результате компромисса между желаемым пространственным разрешением, полем зрения, имеющейся элементной базой, совершенством производственного процесса и другими факторами. Выбор типа позиционно-чувствительного детектора может происходить по следующим критериям: - геометрические размеры ПЧД соизмеримы с размерами исследуемого объекта; - пространственное разрешение собственно ПЧД в 2-3 раза выше диаметра проекции точечного источника в плоскости детектора; - собственные шумы ПЧД и неравномерность поля зрения ПЧД минимизированы; - частота регистрации гамма-квантов не более 100 кГц (для радиоизотопной диагностики). В качестве позиционно-чувствительного детектора могут быть использованы фотопленки. Однако, эмульсия пленки обладает свойством быстрого насыщения: если в зерно эмульсии попадают кванты, то после этого оно не реагирует на следующие попадания. К недостаткам детекторов такого типа следует отнести низкую оперативность получения выходной информации из-за необходимости проведения трудоемких операций секситометрирования, микроденситометрирования и др. Лучшие результаты достигаются при использовании в позиционно-чувствительном детекторе элементов типа координатных пропорциональных газоразрядных счетчиков, обладающих высокой квантовой эффективностью [20]. В некоторых случаях возможно применение ПЗС матриц. ПЧД на основе неорганического сцинтиллятора (NalTl) большого диаметра, набора фотоэлектронных умножителей, схемы формирования координат сцинциляций соответствует всем вышеперечисленным критериям и может быть использован для визуализации изображения гамма-источников. Существенным недостатком камеры-обскуры является ее низкая эффективность регистрации. В единицу времени на детектор, регистрирующий общее количество гамма-квантов, через отверстие помимо количества гамма-квантов от исследуемого источника, необходимого для превышения порога регистрации детектора, будет попадать значительное количество гамма-квантов фонового излучения (космического, наведенного и др.). Поэтому полученная на детекторе информация будет характеризоваться малым отношением сигнал-шум.
Некоторые вопросы проектирования камеры с кодированной апертурой в виде мозаики базовой маски
Модель работы первичного гамма-преобразователя состоит из нескольких процессов: - модуляции потока гамма-квантов при визуализации источника специально организованной маской (параграф 1.4); - процесса отбора для визуализации гамма-квантов распространяющихся только от источника и только прямолинейно (параграф 1.2); - процесса формирования изображения суперпозиции тени от маски, который обеспечивается позиционно-чувствительным детектором с собственным разрешением в 2-3 раза меньше линейных размеров проекций точечного источника (параграф 1.1); учета времени экспозиции и общего количества гамма-квантов, попавших в поле зрения детектора (параграф 1.2); процесса восстановления реальной конфигурации исследуемого источника (параграф 1.4).
Модель работы может быть проиллюстрирована рис. 2.1. Модуляция потока осуществляется маской, заключенной в гамма-непрозрачный кожух. Формирование изображения теней от маски обеспечивается сцинтилляционным детектором большого диаметра, время экспозиции и общее количество гамма-квантов фиксируется счетчиком, а восстановление реальной конфигурации осуществляет специальное программное обеспечение ЭВМ.
На первом этапе проектирования устройства выбирается разрядность системы (т.е. ее разрешающая способность), в зависимости от предъявляемых к системе требований. Разрядность системы соответствует разрядности базовой маски. Например, псевдослучайная маска, порожденная многочленом 8-го порядка (см. рис. 1.4,6) содержит 15x17 элементов. Следовательно, поле зрения системы будет разбито на 15x17 участков и разрешающая способность будет порядка 6%. Увеличение разрядности базовой маски (за счет выбора порождающего многочлена более высокого порядка) позволяет улучшить разрешение и, в то же время усложняет изготовление апертуры и замедляет процедуру восстановления. Следует отметить и иметь в виду, что количество разрядов не играет окончательной роли, здесь важно абсолютное значение размеров разряда, например 1x1 мм, 5x5 мм и т.д. Оно определяется требуемым разрешением для каждого вида радиологического исследования.
После выбора разрядности базовой маски, приступают к изготовлению рабочей маски. Для этого на компьютере по описанным выше правилам рассчитывается базовая маска выбранной разрядности. Полученная матрица из VxS элементов повторяется 4 раза. Затем в полученном наборе отбрасывается один столбец и одна строка. Таким образом, на основе базовой маски разрядности VxS, получится рабочая маска из (2Y-1) x(2S-l) элементов. Нетрудно убедиться, что сформированная таким образом рабочая маска включает в себя все возможные неповторяющиеся циклические перестановки базовой маски разрядности VxS. Также очевидно, что увеличение числа элементов рабочей маски на одну строку или столбец приведет к появлению в ней повторяющихся базовых форм распределения отверстий, что недопустимо, т.к. может привести к появлению в восстановленной картине ложной информации. Таким образом, предложенные выше размеры рабочей маски (2Г-1) x(2S-l) являются максимально возможными, и, следовательно -оптимальными [3]. Позиционно-чувствительный детектор (ПЧД) имеет такое же количество элементов, что и базовая маска и представляет собой матрицу rxS разрешающих элементов (рис. 1.10). В зависимости от соотношений расстояний айв (рис. 1.10) размеры отдельного разрешающего элемента детектора должны быть равны: где g - линейный размер элемента (кванта), d - линейный размер элемента рабочей маски (шаг маски, квант маски и т.п.), т=(а+Ь) /а — коэффициент увеличения преобразователя. Возьмем точечный источник и выберем псевдослучайную маску с небольшим количеством элементов. В качестве порождающего примитивного полинома выберем многочлен 3-ей степени h(x) = х3+х+1. Таким образом, период псевдослучайной последовательности равен: р = 2" -1 =7. На рис. 2.2,а показана схема сдвигового регистра, соответствующего данному полиному и процесс получения псевдослучайной последовательности на выходе этого регистра. Из сравнения рис. 1.5 и 2.2,а видно, что получение псевдослучайной последовательности из многочленов 3-ей степени и последовательности, получаемой из многочлена 4-й степени существенно отличаются по сложности вычислений. Поэтому мы будем максимально упрощать задачи без потери информации. Так как мы рассмотрим одномерный случай, то нет необходимости строить из полученной последовательности двухмерную матрицу. Сама по себе последовательность будет являться псевдослучайной базовой маской [24]. Для построения на ее основе кодированной апертуры повторим полученную последовательность дважды и отбросим ее первый элемент, как показано на рис. 2.2,а. В результате получим кодированную апертуру из 7 х2 - 1 = 13 элементов. Выберем линейные размеры элемента маски в два раза меньше, чем размеры отдельного разрешающего элемента ПЧД. Тогда для выполнения основного условия получения четкого восстановленного изображения источника (чтобы на детектор падала тень, состоящая из того же количества элементов, что и базовая маска), необходимо, чтобы расстояние а=в. Источники, у которых а в, восстанавливаться не будут. Опишем одномерную модель преобразователя.
Экспериментальное сравнение характеристик коллиматора и кодирующей маски при регистрации гамма-источников
Программно-аппаратный комплекс первичного гамма преобразователя (рис. 3.1) состоит из нескольких блоков: рабочей кодирующей псевдослучайной маски, параметры которой подбираются исходя из физических свойств радиофармпрепарата. Рабочая кодирующая псевдослучайная маска состоит из четырех базовых кодирующих масок (рис. 1.7,а) размерностью 33x31 ячейки. Диаметр одной ячейки маски составляет, в частности, для исследования органов человека с линейными размерами до 20 см, 4 мм. Расчетная толщина маски для фармпрепарата технеция-99т равна 4мм; позиционно чувствительного детектора (ПЧД), включающего в себя неорганический сцинтиллятор NaJ(Tl) диаметром 400 мм, набор фотоэлектронных умножителей (61 ФЭУ), резистивных матриц, с которых снимаются позиционные сигналы Х+, X", Y и Y". Схема локализации на основе прецизионных резистивных матриц позволяет различить не менее 128 точек по вертикали и горизонтали. Собственное пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора составляет 4 мм. Неравномерность чувствительности ПЧД по полю зрения составляет 5%; схем нормировки и предварительной обработки сигналов, обеспечивающих преобразование сигнала к виду, удобному для его дальнейшей обработки. На выходе этого блока формируются сигналы X, Y пропорциональные координате места взаимодействия гамма-кванта со сцинтиллятором; схемы определения энергетического сигнала (сигнал соответствующий энергии зарегистрированного гамма-кванта) и его отбора по амплитуде; Схемы определения энергетического сигнала обеспечивают возможность наблюдения всего спектра гамма-квантов, попадающих на сцинтиллятор, на анализаторе спектра в диапазоне энергий от 40 Кэв до 1,5 Мэв. Здесь же формируется разрешающий сигнал Z; аналого-цифровых преобразователей координат гамма-кванта, зарегистрированного ПЧД. Шестнадцатиразрядные аналого-цифровые преобразователи обеспечивают ввод координат попадания гамма-квантов в ЭВМ со скоростью не менее 25 тыс. импульсов в секунду; персональной ЭВМ, обеспечивающей сбор и восстановление сигнала; набор устройств, обеспечивающих процесс регистрации, таких как анализатор спектра, таймер времени экспозиции и счетчик гамма-квантов определенной энергии, попавших в поле зрения ПЧД.
Программное обеспечение проводит реконструкцию суперпозиций теней на ПЧД для получения на экране дисплея ЭВМ графического образа источника измерений. В процессе работы с программой пользователь подбирает начальное расстояние от маски до интересующего слоя объемного источника гамма-излучения. Остальные параметры используемого гамма-преобразователя автоматически загружаются в оперативную память компьютера из файла конфигурации.
На основании введенной из файла конфигурации информации программа генерирует матрицу восстановления G соответствующей разрядности. Исходя из введенного пользователем расстояния, программа вычисляет размер и положение зоны интереса и далее, строит матрицу засветки детектора Р. После получения искомой матрицы источников, программа сверткой P G выводит полученное изображение на экран, используя для его сглаживания полиномы Лагранжа 1-го порядка. С полученным изображением можно выполнять следующие операции: - изменять градации серого цвета (контрастирование изображения); - строить сечения в заданной вертикальной и горизонтальной плоскости изображения. Программно-аппаратный комплекс позволяет визуализировать объекты с линейными размерами до 200 мм при собственном пространственном разрешении около 8мм. В ходе проведения эксперимента решались следующие задачи: получение и сравнение результатов регистрации точечных источников обеими преобразователями, а также изучение влияния времени экспозиции на качество результата эксперимента; определение разрешающей способности гамма-регистратора на основе кодированной апертуры и ее зависимости от времени экспозиции сравнение с разрешающей способностью традиционного гамма-преобразователя; исследование возможности визуализации протяженных гамма-источников. В качестве источника излучения использовался радиофармпрепарат, который представлял из себя раствор солей технеция-99т, заливаемый в различные емкости. В качестве точечных источников были взяты медицинские шприцы с внутренним диаметром 4мм. Таким образом, точечный источник представлял из себя объем цилиндрической формы высотой 4 мм. Период полураспада технеция-99ш составляет 6 часов, поэтому активность (А) источников не менялась. Во всех экспериментах расстояние а (маска - детектор) составляла 29 см, расстояние Ъ (маска - плоскость источников) 32см. Каждое измерение в эксперименте проводилось дважды: одно на традиционном гамма-преобразователе с ячеистым коллиматором, другое -на разработанной установке. На рис. 3.2 представлены результаты визуализации точечного источника активностью А=1,4 МБк с временем экспозиции г = 1, 2, 4, 8, 16, 32 сек. Разница в количестве регистрируемых гамма-квантов, полученных с кодирующей маской и коллиматором соответственно, объясняется тем, что пропускная способность маски больше чем, коллиматора. Аналогичные результаты получены при подобных измерениях, например, японскими учеными [38].
Принцип построения гамма-преобразователя на основе использования перемещающейся маски
Устройство работает следующим образом (см. рис. 4.1). Регистрируемое гамма-излучение проходит через двумерную кодирующую маску 1, представляющую собой пластину из материала, непрозрачного для данного вида излучения, в которой имеются отверстия и непрозрачные элементы, расположенные по поверхности пластины по закону двоичной псевдослучайной последовательности (ПС), где прозрачные участки соответствуют «1», а непрозрачные «О».
От элементарного точечного источника маска отбрасывает соответствующую тень на ПЧЭ. Таким образом, маска кодирует тот или иной источник излучения соответствующей тенью излучения по координате и амплитуде. Поле зрения в плоскости источников ограничено свинцовым кожухом в соответствии с размерами ПЧЭ.
От каждого отдельно взятого элементарного источника излучения маска пропускает на регистрацию значительно большее число гамма-квантов по сравнению с коллиматором, т.к. суммарный телесный угол, в котором регистрируются кванты, определяется произведением числа отверстий в маске на телесный угол пропускания квантов одним отверстием. Таким образом, достоверность регистрации каждого элементарного источника при помощи маски выше, чем при коллиматоре [39].
Оптические сигналы с выхода ПЧЭ (сцинтиллятора) поступают на входы ПЧД, где преобразуются в электрические сигналы, с выхода которого сигналы поступают на вход блока 4, где каждому сигналу придается признак канала (координата). Изображения от многих элементарных источников представляются в виде массива чисел Р ( к, I), где к, I - дискретные координаты элементов массива Р в плоскости ПЧЭ (1-2) с выхода блока 4 определения координат сигналы поступают на вход коллиматора и запоминаются в ЗУ. Затем при математической обработке по запомненному в ЗУ массиву Р получаем информацию о распределении интенсивности излучения препарата в виде массива чисел U (см. выражения 1.5, 1.6, 1.7). При этом применяем формулу:
На рис. 4.2 представлена камера первичного гамма-преобразователя на основе перемещающейся маски: 1 - ПЧЭ; 2 - базовая маска содержащая полный период ПС последовательности; Зц - часть циклического продолжения базовой маски; а - расстояние от ПЧЭ до маски; Ъ - расстояние от маски до плоскости источников; 4 - гамма-непрозрачный кожух, ограничивающий поле зрения; 5 - элементарные источники излучения. Работа преобразователя с передвигающейся маской осуществляется в двух режимах: первый режим (рис.4.2) при котором Ъ а, и второй режим ближнего источника (рис. 4.3) при котором а Ъ. В случае дальнего источника пучок излучения от него, падающий на маску, можно принять параллельным, в случае ближнего источника этого принять нельзя, пучок является расходящимся. Практически при расстоянии Ь=0,5 м в размерах маски 10 - 15 см пучок падающего излучения можно считать параллельным (рис.4.2). В этом случае регистрация производится на центральной части ПЧЭ и детектора, соответствующей размерам базовой маски. Участки детектора с и d соответствующие циклическим продолжениям маски, отключены от блока определения координат сигналов, так как ключи 7 разомкнуты. На детекторе регистрируется полный период тени маски и информация восстанавливается [43, 44].
Визуально информация представляется на дисплее в виде проекции элементарных точечных источников с распределением интенсивности на плоскости источников. Постепенно уменьшая вручную расстояние Ъ, приходим к случаю ближнего источника (рис.4.2) при этом регистрация осуществляется на полной поверхности детектора, соответствующей размерам базовой маски и размерам циклических продолжений маски. Ключи 7 замкнуты. В случае a-ai Ъ=Ы на детекторе регистрируется необходимое количество информации, определяемое базовой маской и дополнительной частью циклических продолжений маски, что позволяет получить на дисплее необходимую информацию при наличии помех. В случае а=а2 b=b2 информация не восстанавливается, т.к. регистрируемая на детекторе тень маски не содержит полного периода ПС последовательности. На дисплее отсутствует изображение источников излучения, имеются помехи наподобие расфокусированного изображения оптического объектива [39].
В случае a=ao=b=bo имеем оптимальное изображение на дисплее. Четкое изображение источников излучения на дисплее является признаком равенства расстояний a = b и соответственно глубины расположения радиоактивного препарата в организме объекта [39].
Необходимо отметить, что все вышеуказанные положения справедливы при условии линейности системы. Это возможно лишь в случае, если мы имеем дело с гамма-квантами, распространяющимися прямолинейно. Для обеспечения этого условия в реальном устройстве предусмотрен амплитудный детектор, производящий отбор не провзаимодействующих с материалом маски гамма-квантов.
Результаты регистрации первичным преобразователем с кодированной апертурой с перемещающейся двоичной псевдослучайной маской точечных источников в различных плоскостях представлены на рис. 4.4. Активность источников 1,4МБк.
