核輻射劑量場實時成像測量系統(tǒng)的研究
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定點控制的硬件部分設(shè)計為一塊PC機(jī)的插件，其通過I/O總線與微機(jī)相連，采用并行方式交換數(shù)據(jù)和信息.系統(tǒng)在開始采集時，首先由主機(jī)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).在行脈沖主數(shù)達(dá)到比較器一的預(yù)置值時，產(chǎn)生一級控制信號.一級控制信號對列脈沖計數(shù)器(計數(shù)器二)清零，隨后啟動計數(shù)器二.計數(shù)器二通過對10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計數(shù)，可以將每一行視頻信號劃分為520個圖像點.當(dāng)計數(shù)器達(dá)到比較器二的預(yù)置值時，產(chǎn)生二級控制信號.二級控制信號一方面啟動ADC，另一方面產(chǎn)生一個計算機(jī)中斷服務(wù)，該服務(wù)將此時所采集的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū).同時，二級控制信號將計數(shù)器二清零.
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用可編程邏輯芯片GAL來實現(xiàn)尋址，在中斷信號INT作用下，啟動A/D變換器進(jìn)行運(yùn)行.通過中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀數(shù)控制，獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲和予處理工作.這樣，將實驗數(shù)據(jù)整理成文件，以供進(jìn)一步分析和處理.
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件整體程序結(jié)構(gòu)是接收操作者命令，完成機(jī)械掃描控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作.設(shè)計思想是將系統(tǒng)軟件分成幾個相對獨(dú)立的功能模塊，每個功能模塊構(gòu)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(gòu)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：
(1)菜單管理部分，負(fù)責(zé)與用戶接口.
(2)采集部分，包括步進(jìn)電機(jī)控制測量點的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)采集、中斷服務(wù)等.
(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，包括采集數(shù)據(jù)壞點的剔除和對投影數(shù)據(jù)的移動平滑處理.
(4)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.
(5)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.
四、實驗結(jié)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(jù)不同位置對射線吸收的差異，以構(gòu)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(gòu)造的劑量場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并進(jìn)行相應(yīng)的各種數(shù)據(jù)處理，以重建該劑量場的強(qiáng)度分布.實驗的處理結(jié)果如下：
圖6 模擬劑量場時所用的鉛磚 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(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，重建的三維圖形.其中：圖7為對測量的投影數(shù)據(jù)未經(jīng)坪場修正，圖10則為經(jīng)過坪場修正后的處理結(jié)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(jù)(經(jīng)過坪場修正)，進(jìn)行重建后該劑量場強(qiáng)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(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并對測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過坪場修正后，重建該劑量場強(qiáng)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(gòu)造的劑量場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，所重建該劑量場強(qiáng)度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場修正，圖12則經(jīng)過坪場修正. |
圖7 劑量場重建圖像一 | 圖8 劑量場重建圖像二 | 圖9 劑量場重建圖像三 |
圖10 劑量場重建圖像四 | 圖11 劑量場重建圖像五 | 圖12 劑量場重建圖像六 |
| 影響測量系統(tǒng)精度的主要因素有：前端探測系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；不同濾波函數(shù)對重建圖像質(zhì)量的影響；閃爍光纖芯直徑大小對重建精度的影響；數(shù)據(jù)采樣速率所產(chǎn)生的影響；探測器旋轉(zhuǎn)中心偏移產(chǎn)生的影響. 對于本文所設(shè)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(gòu)造的劑量場中進(jìn)行實時成像測量，根據(jù)理論推導(dǎo)和實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可估算可能導(dǎo)致的各種誤差［9］，以綜合評估系統(tǒng)的性能.若輸入的投影數(shù)據(jù)，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(jù)平均相對誤差經(jīng)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(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)滿足Niquist定理，否則，會影響圖像重建精度及空間分辨.對于一般的劑量場分布，若不考慮各種其他因素的影響，當(dāng)投影方向數(shù)為60，采樣間隔等于1mm時，圖像重建精度是非常高的.通過模擬運(yùn)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(zhì)量的影響十分大.在制作陣列式閃爍光纖探測器時，一定要切實注意精確地確定其旋轉(zhuǎn)中心位置，否則，會產(chǎn)生很大誤差，甚至導(dǎo)致變形.若中心偏差控制在不超過0.1個象素點，則產(chǎn)生的重建誤差可控制在2.0%以內(nèi). 綜合各種因素，本系統(tǒng)的成像測量的總體平均相對誤差可控制在5%以內(nèi)，空間分辨率不低于1mm. |
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