核輻射劑量場(chǎng)分布進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測(cè)量的新方法―陣列

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析
　　本實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖6，其中左邊(一號(hào))為一中心是三角型空心鉛磚，其邊上有幾個(gè)小孔；中間(二號(hào))為一中心是花瓣型的空心鉛磚；右邊(三號(hào))一斜坡鉛塊)置于劑量場(chǎng)中，根據(jù)不同位置對(duì)射線(xiàn)吸收的差異，以構(gòu)造具有某種場(chǎng)分布的劑量場(chǎng).再用研制的陣列式閃爍光纖探測(cè)器對(duì)所構(gòu)造的劑量場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并進(jìn)行相應(yīng)的各種數(shù)據(jù)處理，以重建該劑量場(chǎng)的強(qiáng)度分布.實(shí)驗(yàn)的處理結(jié)果如下：

圖6　模擬劑量場(chǎng)時(shí)所用的鉛磚

　　圖7和圖8為將一號(hào)鉛磚置于劑量場(chǎng)中，探測(cè)器對(duì)其模擬的場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，重建的三維圖形.其中：圖7為對(duì)測(cè)量的投影數(shù)據(jù)未經(jīng)坪場(chǎng)修正，圖10則為經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正后的處理結(jié)果.圖9為將三號(hào)鉛磚置于一號(hào)鉛磚之上，對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)(經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正)，進(jìn)行重建后該劑量場(chǎng)強(qiáng)度分布的三維圖形.圖10為將二號(hào)鉛磚置于劑量場(chǎng)中，探測(cè)器在其下面進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正后，重建該劑量場(chǎng)強(qiáng)度分布的三維圖形.圖11和圖12為將三號(hào)鉛磚置于二號(hào)鉛磚之上，探測(cè)器對(duì)構(gòu)造的劑量場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，所重建該劑量場(chǎng)強(qiáng)度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場(chǎng)修正，圖12則經(jīng)過(guò)坪場(chǎng)修正.

影響測(cè)量系統(tǒng)精度的主要因素有：前端探測(cè)系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；不同濾波函數(shù)對(duì)重建圖像質(zhì)量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對(duì)重建精度的影響；數(shù)據(jù)采樣速率所產(chǎn)生的影響；探測(cè)器旋轉(zhuǎn)中心偏移產(chǎn)生的影響.
　　對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的陣列式閃爍光纖探測(cè)器(有效探測(cè)區(qū)域100mm×100mm)，將其放置所構(gòu)造的劑量場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測(cè)量，根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可估算可能導(dǎo)致的各種誤差［9］，以綜合評(píng)估系統(tǒng)的性能.若輸入的投影數(shù)據(jù)，其相對(duì)誤差不超過(guò)±3%，則模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，重建誤差可控制在3%左右.對(duì)于直徑為1mm的光纖，獲取的投影數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差經(jīng)折算約為0.5%，重建平均相對(duì)誤差約為0.4%.投影方向數(shù)一般小于7個(gè)時(shí)，則完全不能重建.當(dāng)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(yīng)滿(mǎn)足Niquist定理，否則，會(huì)影響圖像重建精度及空間分辨.對(duì)于一般的劑量場(chǎng)分布，若不考慮各種其他因素的影響，當(dāng)投影方向數(shù)為60，采樣間隔等于1mm時(shí)，圖像重建精度是非常高的.通過(guò)模擬運(yùn)算，其重建場(chǎng)平均相對(duì)誤差非常小，約百分之零點(diǎn)幾.中心偏移對(duì)重建圖像質(zhì)量的影響十分大.在制作陣列式閃爍光纖探測(cè)器時(shí)，一定要切實(shí)注意精確地確定其旋轉(zhuǎn)中心位置，否則，會(huì)產(chǎn)生很大誤差，甚至導(dǎo)致變形.若中心偏差控制在不超過(guò)0.1個(gè)象素點(diǎn)，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以?xún)?nèi).
　　綜合各種因素，本系統(tǒng)的成像測(cè)量的總體平均相對(duì)誤差可控制在5%以?xún)?nèi)，空間分辨率不低于1mm.

圖1　系統(tǒng)總體框圖

　　1.前端探測(cè)系統(tǒng)
　　由纖芯是閃爍材料構(gòu)成的光纖能適應(yīng)E＞5kev的X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)及其它射線(xiàn)的輻照探測(cè).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(yīng)用［5，6］.閃爍光纖對(duì)帶電粒子比x射線(xiàn)和γ射線(xiàn)靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線(xiàn)或γ射線(xiàn)與其作用產(chǎn)生次級(jí)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(chǎn)生閃爍光.而在所涉及測(cè)量的能量范圍內(nèi)，主要作用機(jī)制是康普頓效應(yīng)，這是由于構(gòu)成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)都相對(duì)較弱［7］.
　　根據(jù)γ刀及其它劑量場(chǎng)和其與閃爍體相互作用的特點(diǎn)，我們提出了陣列式吸收發(fā)光CT測(cè)量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測(cè)器.探測(cè)器設(shè)計(jì)為：由若干個(gè)一定長(zhǎng)度的特種閃爍光纖水平緊密放置構(gòu)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(yīng)，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設(shè)計(jì)的陣列式閃爍探測(cè)器與光接收器CCD，通過(guò)光導(dǎo)光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測(cè)系統(tǒng).探測(cè)器在劑量場(chǎng)中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線(xiàn)積分后，再通過(guò)光導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻電信號(hào).
　　由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測(cè)器，具有如下特點(diǎn)［8］
　　(1)較短的衰減時(shí)間(即無(wú)長(zhǎng)余輝)，約2～3ns.
　　(2)性能穩(wěn)定.探測(cè)器是有輻射損傷的，但經(jīng)實(shí)際測(cè)量在102GY輻照量以下探測(cè)器受到的損傷不甚明顯.
　　(3)光傳輸性能好.光衰減長(zhǎng)度可達(dá)500cm.
　　(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等.