呂振雷, 胡一凡, 王瑞, 朱藝航, 俞彥成, 江年銘, 許天鵬, 喬智紅, 馬天予
(1.清華大學(xué) 工程物理系, 北京 100084; 2.北京永新醫(yī)療設(shè)備有限公司, 北京 102206; 3.國(guó)家核安保技術(shù)中心, 北京 102445)
隨著核科學(xué)與核技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用推廣,放射性物質(zhì)在醫(yī)療、科研、工業(yè)、能源等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但放射性物質(zhì)的廣泛應(yīng)用也必然伴隨越來(lái)越多的核安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生丟失、被竊、泄漏等事故時(shí),有可能會(huì)給人民生命健康及社會(huì)公共安全帶來(lái)巨大的影響。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency,IAEA)的調(diào)查報(bào)告,自2004年以來(lái),世界范圍內(nèi)每年放射源丟失數(shù)目均達(dá)100次以上[1]。由于放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的核輻射難以被生物體直接感知到,且嚴(yán)重輻射照射將對(duì)生物體產(chǎn)生不可逆的嚴(yán)重?fù)p傷,又進(jìn)一步增加了其風(fēng)險(xiǎn)的隱蔽性和嚴(yán)重性。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)放射性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)和管理,當(dāng)前常用的放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括:計(jì)數(shù)式設(shè)備和伽馬相機(jī)2類(lèi)。其中,計(jì)數(shù)式設(shè)備種類(lèi)眾多,但僅提供計(jì)數(shù)、強(qiáng)度、能量等信息,缺乏定位信息,應(yīng)用過(guò)程中對(duì)放射性物質(zhì)的監(jiān)控效率低,準(zhǔn)確性有限?;诰幋a板伽馬相機(jī)[2-3]、康普頓相機(jī)[4-6]、全景式伽馬相機(jī)[7]等成像定位技術(shù),可以直觀反映放射源方位,有效提高監(jiān)測(cè)管理準(zhǔn)確率,在我國(guó)海關(guān)口岸、環(huán)保、核電、安全等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但目前的伽馬相機(jī)設(shè)備均為二維方向成像技術(shù),即單獨(dú)靜止的設(shè)備只能確定放射源相對(duì)于探測(cè)器所處的方向信息,而無(wú)法確定放射源在三維空間中的絕對(duì)位置。在一些復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景,例如海關(guān)出入境通道的密集人流、核電站復(fù)雜管道、貨物堆放場(chǎng)等,放射源容易被不同物體遮擋,造成二維方向成像難以快速、準(zhǔn)確地確定放射源的位置。
當(dāng)前已有國(guó)外學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了伽馬放射源的三維空間成像的研究工作[6-7]。這些工作采用的是康普頓相機(jī),通過(guò)移動(dòng)探測(cè)器采集運(yùn)動(dòng)路徑上多個(gè)位置的放射源數(shù)據(jù),對(duì)三維空間的放射源進(jìn)行定位成像。這類(lèi)技術(shù)適合于放射源靜止不動(dòng),且非實(shí)時(shí)三維成像的應(yīng)用中(例如貨物堆放場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放射源定位等),而對(duì)于放射源移動(dòng),需要實(shí)時(shí)成像的應(yīng)用(例如海關(guān)出入境通道安檢等)則無(wú)法適用。
為了解決上述問(wèn)題,在基于文獻(xiàn)[8-9]自主研發(fā)的全景式伽馬相機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上,本文提出開(kāi)發(fā)核輻射全息定位成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在三維空間中對(duì)放射源進(jìn)行絕對(duì)位置成像和三維全息場(chǎng)景匹配定位。
核輻射全息定位成像系統(tǒng)主要由4個(gè)全景式輻射成像定位儀節(jié)點(diǎn)、4個(gè)深度相機(jī)及圖像工作站構(gòu)成,如圖1所示。其中,4個(gè)全景式輻射成像定位儀通過(guò)數(shù)據(jù)組網(wǎng)和聯(lián)合圖像重建,實(shí)現(xiàn)對(duì)放射源分布的三維成像,深度相機(jī)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光全息成像,圖像工作站實(shí)現(xiàn)放射源三維圖像重建、三維實(shí)時(shí)可見(jiàn)光圖像生成以及輻射圖像與可見(jiàn)光圖像的融合顯示等功能。
圖1 核輻射全息定位成像系統(tǒng)示意Fig.1 Diagram of nuclear radiation holographic imaging system
以海關(guān)出入境口岸等人員流動(dòng)量大的通道作為典型常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)定基準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用和測(cè)試空間分方案。系統(tǒng)成像視野大小為5 m×5 m×2 m,建立三維笛卡爾坐標(biāo)系,以重力線為Z軸,Z=0平面作為地面,系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)位于成像視野的底面的中心。根據(jù)成像定位精度要求,將成像視野的體素單元定為50 mm×50 mm×50 mm,整個(gè)系統(tǒng)像素陣列為100×100×40,如圖2所示。
圖2 核輻射全息定位成像系統(tǒng)的成像視野與幾何坐標(biāo)系Fig.2 FOV and geometric coordinates of nuclear radiation holographic imaging system
為了在整個(gè)成像視野中實(shí)現(xiàn)合理的放射源三維定位成像效果,所設(shè)計(jì)的輻射探測(cè)系統(tǒng)由4個(gè)輻射探測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。同時(shí)兼顧系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的安裝問(wèn)題及考慮避免行人、物品、室內(nèi)設(shè)施對(duì)射線的遮擋衰減,擬將4個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)吊裝在距離地面2.5 m的高度上。
為了保證成像視野中成像性能的均勻性,基于空間對(duì)稱(chēng)性的基本原則,本研究共設(shè)計(jì)了4種不同的探測(cè)器排布方案,分別命名為design1~design4。同時(shí),另外設(shè)計(jì)了由8個(gè)探測(cè)器組成的design5作為高成像性能的對(duì)照。這5種設(shè)計(jì)方案的示意圖如圖3所示。所有的探測(cè)器都位于Z=2.5 m的平面上,圖中標(biāo)明了每種方案下探測(cè)器的編號(hào)和對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。
輻射探測(cè)系統(tǒng)的單個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)是一臺(tái)全景式輻射成像定位儀[5],其主要核心部件為一個(gè)三維位置靈敏的閃爍晶體探測(cè)器,如圖4所示。
閃爍晶體采用了GAGG(Ce)晶體,晶體陣列為16×16,晶體尺寸為4.05 mm×4.05 mm×20 mm,晶體間采用0.15 mm厚的BaSO4作為反射膜。SiPM板像素陣列亦為16×16,像素間距4.2 mm,從而閃爍晶體和SiPM一對(duì)一耦合。
伽馬射線在閃爍晶體中沉積能量,轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光子,雙端耦合的SiPM陣列將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。SiPM陣列輸出的多通道信號(hào)經(jīng)過(guò)EXYT ASIC芯片[10]的位置加權(quán)及信號(hào)放大,輸出位置信號(hào)(X,Y)、能量信號(hào)E和時(shí)間信號(hào)T。ASIC輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)后端電子學(xué)數(shù)字化和預(yù)處理后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。通過(guò)X,Y信號(hào)在預(yù)存儲(chǔ)的泛場(chǎng)直方圖分割表上可以查找到與伽馬光子發(fā)生作用的晶體編號(hào),如圖5。
圖3 用于對(duì)比三維成像性能的5種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意Fig.3 Illustration of five different system designs for system performance comparison
圖4 單個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)外觀及關(guān)鍵部件照片F(xiàn)ig.4 Appearance of single detection node and photos of key components
圖5 探測(cè)器三維位置分辨示意Fig.5 Diagram of detector with 3D positioning capability
為了得到在晶體內(nèi)作用的三維位置,除了晶體編號(hào)之外,還需要計(jì)算晶體內(nèi)作用的具體位置。在本研究中,耦合在晶體兩端的SiPM的能量信號(hào)E1和E2的相對(duì)大小來(lái)計(jì)算伽馬事件在晶體內(nèi)的深度作用位置(depth of interaction,DOI),其計(jì)算公式[13]為:
式中:k和b是預(yù)先標(biāo)定得到的探測(cè)器的固有系數(shù),并固化于數(shù)據(jù)處理電路的FPGA芯片中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,探測(cè)器模塊的DOI分辨率約為3.4 mm,在本研究中將晶體軸向20 mm分為5層,每層4 mm。因此探測(cè)器的探測(cè)單元陣列為16×16×5。
每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)均具備對(duì)放射源二維定向成像的能力,并完成了二維球坐標(biāo)系下的系統(tǒng)傳輸矩陣的標(biāo)定。標(biāo)定具體步驟如下:
1)4π空間的圖像域以二維球坐標(biāo)系定義,其中θ角的取值范圍為0°~ 180°,φ的取值范圍為0° ~360°。θ和φ分別以10°為間隔,劃分出一個(gè)36×19的測(cè)量網(wǎng)格。
2)在測(cè)量網(wǎng)格的交點(diǎn)處放置一個(gè)點(diǎn)源,逐點(diǎn)測(cè)量投影,每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間在10 s左右,探測(cè)到的事件計(jì)數(shù)約為180萬(wàn)。將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處的投影以列向量形式組合在一起,獲得對(duì)應(yīng)粗測(cè)網(wǎng)格的傳輸矩陣。
3)基于粗測(cè)網(wǎng)格傳輸矩陣,通過(guò)樣條插值運(yùn)算得到θ和φ方向上采樣間隔均為1°的精細(xì)網(wǎng)格傳輸矩陣(θ為0°~180°,φ為0°~359°)。
系統(tǒng)傳輸矩陣中的每一列對(duì)應(yīng)于定義在圖像域空間的某個(gè)探測(cè)器單元響應(yīng)特性,因而稱(chēng)為探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)。以360×181的數(shù)字圖像表達(dá)。圖6展示了在高計(jì)數(shù)(180萬(wàn)個(gè)探測(cè)事件計(jì)數(shù))情況下,對(duì)應(yīng)于2個(gè)不同探測(cè)器單元的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù),其物理意義是當(dāng)這個(gè)探測(cè)器單元記錄到一個(gè)伽馬光子事件時(shí),這個(gè)伽馬光子來(lái)源于4π空間中每一個(gè)點(diǎn)的概率值。探測(cè)器劃分為16×16×5個(gè)探測(cè)器單元(X-Y平面:16×16閃爍晶體矩陣;Z方向:5個(gè)DOI離散化單元),因此一個(gè)完整的系統(tǒng)傳輸矩陣由16×16×5個(gè)同樣格式的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)組成。
圖6 2個(gè)探測(cè)器單元對(duì)應(yīng)的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)結(jié)果Fig.6 Detector response function figures of two detector bins
為了實(shí)現(xiàn)三維可見(jiàn)光全息圖像,系統(tǒng)使用了4個(gè)微軟的Kinect深度相機(jī)。為了保證三維系統(tǒng)5 m×5 m×2 m成像視野可被完整覆蓋,并考慮減少行人、物品、室內(nèi)設(shè)施的遮擋,故需將深度相機(jī)進(jìn)行吊裝,將4個(gè)深度相機(jī)對(duì)準(zhǔn)視野中心,再考慮深度相機(jī)的成像視角等。最終確定了深度相機(jī)的安裝坐標(biāo)及外觀如圖7所示。每臺(tái)深度相機(jī)可以獨(dú)立采集和實(shí)時(shí)生成點(diǎn)云圖像。
圖7 深度相機(jī)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及深度相機(jī)外觀Fig.7 Design of depth camera imaging system and appearance of camera
采用基于實(shí)時(shí)多點(diǎn)云融合的三維重建技術(shù),完成場(chǎng)景點(diǎn)云匹配。首先需要進(jìn)行預(yù)標(biāo)定,對(duì)不同視角捕捉到的點(diǎn)云使用Colored ICP方法[14]進(jìn)行匹配,得到相對(duì)臨時(shí)坐標(biāo)系的變換矩陣,并將變換后的點(diǎn)云疊加為場(chǎng)景完整點(diǎn)云。同時(shí)在實(shí)際場(chǎng)景中放置多個(gè)標(biāo)記物,通過(guò)標(biāo)記物的臨時(shí)坐標(biāo)和物理坐標(biāo),計(jì)算得到坐標(biāo)系間的變換矩陣。
由于目前的深度相機(jī)探測(cè)范圍有限,且場(chǎng)景中部分物體如墻面和地面固定不變,因此可以對(duì)這部分進(jìn)行離線預(yù)建模。離線建模有2種選擇:1)使用單臺(tái)深度相機(jī)在場(chǎng)景不同位置拍攝點(diǎn)云,然后使用Colored ICP方法進(jìn)行融合;2)采用Open3D庫(kù)提供的工具流程,手持單臺(tái)深度相機(jī)連續(xù)移動(dòng)拍攝場(chǎng)景,然后以TSDF方法進(jìn)行離線建模。
點(diǎn)云實(shí)時(shí)渲染使用OpenGL,將每臺(tái)相機(jī)捕捉到的點(diǎn)云、預(yù)建模點(diǎn)云和預(yù)標(biāo)定得到的變換矩陣在GPU內(nèi)變換至物理坐標(biāo),再通過(guò)渲染即可得到三維可見(jiàn)光全息圖像。
本研究采用了基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)原理和迭代修正策略的最大似然期望最大化(maximum likelihood expectation maximization, MLEM)算法[11-12]完成圖像重建。其迭代重建公式為:
在MLEM算法中,精確的系統(tǒng)傳輸矩陣的獲取是保證重建圖像質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。一般而言,成像系統(tǒng)的系統(tǒng)傳輸矩陣的獲取方法包括直接測(cè)量、幾何計(jì)算、蒙特卡羅模擬等。直接測(cè)量法能夠獲得較為準(zhǔn)確系統(tǒng)傳輸矩陣,但往往需要大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作;幾何計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速計(jì)算,但因?qū)ο到y(tǒng)物理過(guò)程、設(shè)備各種誤差等問(wèn)題的簡(jiǎn)化而造成計(jì)算的不精確;蒙特卡羅模擬可以較為精確地描述物理過(guò)程,但計(jì)算量較大且仍舊無(wú)法避免設(shè)備各種誤差帶來(lái)的問(wèn)題。
對(duì)于本系統(tǒng),由于成像視野大、圖像體素?cái)?shù)目多,難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)傳輸矩陣。為了獲得較為精確的系統(tǒng)傳輸矩陣,本文中采用在二維球坐標(biāo)中測(cè)量單探測(cè)節(jié)點(diǎn)的定向系統(tǒng)傳輸矩陣,然后再計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的三維笛卡爾坐標(biāo)下的系統(tǒng)傳輸矩陣的方法,具體過(guò)程描述如下。
首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式測(cè)量出4個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維球坐標(biāo)系下的二維系統(tǒng)傳輸矩陣S(θ,φ)。二維傳輸矩陣的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[5]是將探測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在一個(gè)二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,探測(cè)模塊中心與旋轉(zhuǎn)中心重合,放射源放置在距離探測(cè)器模塊80 cm的位置上固定不動(dòng),利用平臺(tái)的二維旋轉(zhuǎn),即可任意改變放射源與探測(cè)器模塊之間的相對(duì)方向。以10°的采樣間隔對(duì)整個(gè)二維球坐標(biāo)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。再通過(guò)利用樣條曲線插值的方法,將系統(tǒng)傳輸矩陣S(θ,φ)的間隔插值到1°間隔,提升系統(tǒng)傳輸矩陣的分辨精度。
然后針對(duì)每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn),計(jì)算笛卡爾坐標(biāo)系中每個(gè)體素單元相對(duì)于該探測(cè)節(jié)點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(θ,φ)和距離d,然后在該探測(cè)節(jié)點(diǎn)的二維系統(tǒng)傳輸矩陣中通過(guò)二維插值的方式計(jì)算出(θ,φ)的投影,再根據(jù)利用投影值與距離d之間平方反比關(guān)系,即可計(jì)算出笛卡爾坐標(biāo)系下該體素單元對(duì)應(yīng)的該探測(cè)節(jié)點(diǎn)的投影。按順序遍歷所有探測(cè)節(jié)點(diǎn)和所有的體素,即可以計(jì)算出完整的系統(tǒng)傳輸矩陣。
本文采用了GPU并行加速技術(shù),基于本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)傳輸矩陣尺寸4×16×16×5×100×100×40,迭代次數(shù)5 000次的計(jì)算量條件下,單次三維圖像重建的時(shí)間約為5~10 s。
為了比較design1~design4這幾種排布方案的優(yōu)劣性,本研究選取了一個(gè)位于(-1.275 m,-1.275 m,0.975 m)的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了圖像重建結(jié)果比較。圖8給出5種設(shè)計(jì)方案對(duì)位于該位置處點(diǎn)源的成像結(jié)果,其中FWHM代表該重建圖像在X,Y和Z方向上的半高寬平均值。
圖8 5種設(shè)計(jì)方案對(duì)(-1.275 m,-1.275 m,0.975 m)位置處點(diǎn)源的圖像重建結(jié)果Fig.8 Reconstructed images of the point source at (-1.275 m,-1.275 m,0.975 m) for five system designs
FWHM的值越小,代表圖像分辨率越高。相應(yīng)成像質(zhì)量的排序?yàn)椋篸esign5>design2>design1>design4>design3。由此可以判斷在由4個(gè)探測(cè)器組成的系統(tǒng)中,design2的表現(xiàn)是相對(duì)最好且最穩(wěn)定的,且與探測(cè)器數(shù)目加倍的design5系統(tǒng)相比,圖像分辨率差距不大。因此選用design2作為最終的設(shè)計(jì)方案。
為了實(shí)際評(píng)估本系統(tǒng)對(duì)放射源的三維定位精度,本文在測(cè)試場(chǎng)地完成了系統(tǒng)的實(shí)際搭建,如圖9所示,并使用活度為6 mCi的57Co點(diǎn)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
圖9 核輻射全息定位成像系統(tǒng)及測(cè)試場(chǎng)地Fig.9 The nuclear radiation holographic imaging system and testing space
將放射源放置在系統(tǒng)的成像視野中特定空間位置,評(píng)估成像結(jié)果;通過(guò)幾何位置測(cè)量,確定放射源在空間中真實(shí)位置坐標(biāo);然后在系統(tǒng)重建三維圖像中通過(guò)加權(quán)求重心的方法確定成像三維位置坐標(biāo),并計(jì)算2個(gè)坐標(biāo)之間距離作為定位偏差。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試了成像視野中的10個(gè)位置,對(duì)每個(gè)位置放射源采集了10 s的數(shù)據(jù),每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)約為70 000個(gè)計(jì)數(shù)。計(jì)算每個(gè)位置的平均定位偏差結(jié)果,如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出10個(gè)位置平均定位偏差為18.37 mm。圖10中展示了表1中序號(hào)1的放射源重建圖像的3個(gè)方向的剖面曲線,可以看到各個(gè)方向曲線均成高斯分布。
表1 系統(tǒng)定位偏差評(píng)估結(jié)果Table 1 Evaluation of system location bias
圖10 三維重建點(diǎn)源(表1中序號(hào)1點(diǎn)源)各方向剖面曲線Fig.10 Profile curve of 3D reconstruction of point source(No.1 in Table 1)
將系統(tǒng)三維輻射圖像與可見(jiàn)光圖像融合定位成像結(jié)果如圖11所示。融合圖像清晰還原了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的周邊場(chǎng)景及放射源熱點(diǎn)所在位置。
圖11 系統(tǒng)三維全息成像示例Fig.11 Example of 3D holographic imaging
1)本文完成了核輻射全息定位成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和測(cè)試。
2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了放射源的三維絕對(duì)位置定位和可見(jiàn)光三維全息成像,系統(tǒng)的平均定位偏差為18.37 mm。
3)本系統(tǒng)在海關(guān)、核電、公共安全等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景,對(duì)保障核安全、反核恐等具有重要意義。
目前,本文只對(duì)單點(diǎn)源定位成像進(jìn)行了測(cè)試,其主要原因該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用目標(biāo)為海關(guān)出入境口岸等人員流動(dòng)量大的通道,在這一場(chǎng)景下,一般監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)超過(guò)單個(gè)放射源的概率可以忽略;且旅客、行包內(nèi)可能攜帶的放射性物質(zhì)尺寸較小,可以合理地近似為點(diǎn)源。在其他放射源監(jiān)控場(chǎng)景下,可能出現(xiàn)多點(diǎn)源甚至分布復(fù)雜的體源分布。
原則上只要多點(diǎn)源的間距大于系統(tǒng)的空間分辨率,本系統(tǒng)可以有效完成多點(diǎn)源定位成像。而對(duì)于分布復(fù)雜的體源成像,目前4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)容易出現(xiàn)采樣完備性不足的情況,成像性能會(huì)受到限制,可以通過(guò)增加探測(cè)器節(jié)點(diǎn)數(shù)目或是增加探測(cè)器運(yùn)動(dòng)等方式來(lái)增加采樣完備性,從而提高對(duì)體源的成像能力。未來(lái)將進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多點(diǎn)源甚至是復(fù)雜體源的成像效果,從而明確系統(tǒng)未來(lái)的優(yōu)化和升級(jí)方向。