核辐射剂量场分布进行实时成像测量的新方法—阵列式吸收发光CT法

三、系统构成
　　整个系统分为四个部分：前端探测系统、机械旋转扫描系统、定点数据采集系统、数据处理及图像重建系统，见图1.

图2　闪烁光纤阵列构成的核探测器

设计的前端探测系统是由多根闪烁光纤构成的，其产生的闪烁光通过光导光纤耦合至CCD进行数据读取.因此，由于各根光纤性能的不一致，端面处理及反光特性的差异，传输效率和光耦合效率的不同，以及可能受到的损伤而引起性能的改变等等，必将会致使相同的输入，有不相同的输出响应.同时，还有光学成像系统的光损失及CCD光敏元的不均匀性等.为此，构造的阵列式前端探测器在实际应用中一般还须进行坪场修正.所谓坪场修正，就是对敏根光纤在CCD上获取的输出响应数据乘以一修正因子，使它们各自的综合性能保持一致，即具有相同的场强与电信号的转换特性.
　　2.机械旋转扫描系统
　　我们提出的用阵列式吸收发光CT法探测剂量场强度分布的构想.为此需要设计运动机架以带动探测器在180°范围内进行等角度旋转扫描.根据机械系统的要求，可选择步进电机作为驱动部件.因为步进电机特点是定位精度高，无累积误差，因此被广泛应用于开环数控系统.设计的步进电机控制电路采用集成模块结构，与微机直接相联，能同时控制两组步进电机，其功能强、响应速度快，可靠性高.原理框图见图3.

图3　步进电机控制电路的原理框图

3.定点数据采集系统
　　因在实际应用中仅需对感兴趣相对应传送投影数据的数量较少的均匀光斑进行采集，故可借鉴通常静态图像慢速数据采集系统所采用的方法，提出了定点数据采集方法.定点采集系统通过对视频同步信号的计数控制，产生A/D变换器的启动信号，采集相应时刻的视频数据信号后送入计算机进行处理.系统的硬件主要分为视频信号定点控制和数据变换采集两大部分，其结构框图见图4.

图4　定点采集系统结构框图

定点控制是根据监视器屏幕二维空间上某点的位置，确定与其相对应的一维视频信号中该点的时刻.定点控制电路的原理框图如图5所示.

图5　定点控制电路原理框图

定点控制的硬件部分设计为一块PC机的插件，其通过I/O总线与微机相连，采用并行方式交换数据和信息.系统在开始采集时，首先由主机给出控制信号，打开视频同步信号的控制门，由场同步信号对行脉冲计数器(计数器一)和列脉冲计数器(计数器二)清零，并同时启动计数器一，开始计数.在行脉冲主数达到比较器一的预置值时，产生一级控制信号.一级控制信号对列脉冲计数器(计数器二)清零，随后启动计数器二.计数器二通过对10MHZ晶体振荡器产生脉冲的计数，可以将每一行视频信号划分为520个图像点.当计数器达到比较器二的预置值时，产生二级控制信号.二级控制信号一方面启动ADC，另一方面产生一个计算机中断服务，该服务将此时所采集的数据写入缓冲区.同时，二级控制信号将计数器二清零.
　　数据采集系统用可编程逻辑芯片GAL来实现寻址，在中断信号INT作用下，启动A/D变换器进行运行.通过中断服务程序进行读数控制，获得数据，并进行存储和予处理工作.这样，将实验数据整理成文件，以供进一步分析和处理.
　　4.系统软件设计
　　系统软件整体程序结构是接收操作者命令，完成机械扫描控制，数据采集，数据处理，图像重建，和图形显示和等操作.设计思想是将系统软件分成几个相对独立的功能模块，每个功能模块构成一个可执行文件*.EXE.其宗旨将是编写小程序，然后采用堆积木的方式，以构成大程序.而这对于一个大系统是必要的.系统软件包括如下几个部分：
　　(1)菜单管理部分，负责与用户接口.
　　(2)采集部分，包括步进电机控制测量点的确定、参数的选择、数据采集、中断服务等.
　　(3)数据预处理部分，包括采集数据坏点的剔除和对投影数据的移动平滑处理.
　　(4)图像重建部分.滤波涵数及参数的选择、重建方式的选择，实现图像重建过程.
　　(5)显示部分，包括三维立体显示，伪彩色，等高线等，实现对重建图像的特征显示.
四、实验结果与误差分析
　　本实验利用活度为5，000居里的60Co放射源，将由一定厚度和形状的铅砖(见图6，其中左边(一号)为一中心是三角型空心铅砖，其边上有几个小孔；中间(二号)为一中心是花瓣型的空心铅砖；右边(三号)一斜坡铅块)置于剂量场中，根据不同位置对射线吸收的差异，以构造具有某种场分布的剂量场.再用研制的阵列式闪烁光纤探测器对所构造的剂量场进行数据测量，并进行相应的各种数据处理，以重建该剂量场的强度分布.实验的处理结果如下：

图6　模拟剂量场时所用的铅砖

图7和图8为将一号铅砖置于剂量场中，探测器对其模拟的场强分布进行数据测