基于SPECT探頭的高靈敏編碼孔徑γ成像系統(tǒng)

劉鑫垚魏清陽許天鵬張朝暉

1（北京科技大學(xué)自動化學(xué)院北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心 北京 100083）

2（國家核安保技術(shù)中心 北京 102445）

核輻射技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在推動了我國各行各業(yè)發(fā)展的同時，確保核應(yīng)用安全也是十分重要的。此外，當(dāng)前國際形勢錯綜復(fù)雜，各國面臨著核材料走私和核恐怖主義襲擊的風(fēng)險；放射源丟失和被竊事故也時有發(fā)生，因此遠(yuǎn)距離、大范圍、快速實時檢測放射源對國土安全具有重要意義［1］。γ相機(jī)可以遠(yuǎn)距離提取放射性物質(zhì)位置、強(qiáng)度以及類別等信息，實現(xiàn)對放射性物質(zhì)狀態(tài)實時監(jiān)控，極大地減少工作人員在工作過程中的輻射劑量，因而被廣泛應(yīng)用，其中編碼孔徑γ相機(jī)具有很大的潛力。但是，目前編碼孔徑γ相機(jī)趨于便攜化［2?4］，有效探測面積小，且編碼板準(zhǔn)直器也限制了成像系統(tǒng)的視場，因此探測效率相對較低。如果對大范圍內(nèi)的放射源進(jìn)行精確定位，需要借助多個設(shè)備的聯(lián)合測量，不僅需增加設(shè)備安裝與空間使用的成本，而且在設(shè)備后續(xù)維護(hù)過程中也會加大工作人員負(fù)荷量。

近些年，為了實現(xiàn)大范圍內(nèi)快速監(jiān)測放射源，國際上主要是通過增大探測器面積實現(xiàn)高靈敏的編碼孔徑γ相機(jī)研制。2014年，美國為了打擊海上非法核材料走私，研制了船載γ射線成像系統(tǒng)［5］，有效探測面積為0.74 m2，對于遠(yuǎn)距離放射源的成像時間約為1~120 s；2016年，美國研制一款車載核輻射檢測系統(tǒng)［6］，有效探測面積為1.03 m2，角分辨率約為14°；2020年，國內(nèi)高能物理研究所基于自主研發(fā)的大面積探測器研制了高靈敏度的γ相機(jī)［7］，有效探測面積為330 mm×330 mm，3.7×107Bq137Cs點源距離探測器為10 m處能夠1 s有效探測，角度分辨率為5.7°。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的編碼孔徑γ相機(jī)RLS-1000［8］，有效視場為30°，探測器有效探測面積為46.4 mm×46.4 mm，角分辨率為1°~2°，其探測效率有限。為了有效提高γ成像系統(tǒng)的探測效率，采用國產(chǎn)的濱松BHP6601型臨床單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像（Single Photon Emission Computed Tomography，

SPECT）探 頭［9］作 為 探 測 器，其 固 有 分 辨 率 為3.55 mm，有效探測面積為510 mm×390 mm。因此，本文將基于此探測器設(shè)計仿真一種具有高分辨率的高靈敏編碼γ成像系統(tǒng)，其探測效率約相當(dāng)于RLS-1000的100倍［8］。通過MATLAB解析模擬不同的放射源事件，對該γ成像系統(tǒng)的各項性能進(jìn)行研究和評估，分析該系統(tǒng)的可行性，并挖掘該系統(tǒng)的潛能。

1 解析計算模型

本文將基于濱松BH6601型臨床SPECT系統(tǒng)的探測器設(shè)計并仿真一種大面積高靈敏編碼板γ相機(jī)，主要通過MATLAB對該系統(tǒng)的物理探測過程進(jìn)行解析構(gòu)造，模擬流程如圖1所示。首先，基于探測器設(shè)計整個系統(tǒng)各項參數(shù)，模擬整個系統(tǒng)。其次，利用位于不同視場角度的放射源發(fā)射的γ射線經(jīng)過編碼板到達(dá)探測器的幾何結(jié)構(gòu)，從而得到系統(tǒng)傳輸矩陣A；然后解析構(gòu)造不同的放射源事件，利用放射源與該系統(tǒng)的幾何關(guān)系計算落入探測器上光子計數(shù)，利用系統(tǒng)傳輸矩陣的累積概率分布得到投影數(shù)據(jù)。最后采用最大似然估計期望最大化（Maximum Likelihood Expectation Maximization，MLEM）算法對投影進(jìn)行重建。

圖1 編碼孔徑γ成像系統(tǒng)物理探測過程的模擬流程圖Fig.1 Flow chart of physical detection process simulation of coded aperture γ imaging system

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

濱松BH6601型臨床SPECT系統(tǒng)的探測器采用一塊連續(xù)NaI閃爍晶體與光電倍增管陣列構(gòu)成的探測器，其有效探測面積為510 mm×390 mm，厚度為9.5 mm，固有空間分辨率為3.55 mm。該探測器對137Cs的檢測效率為23%。本文使用的探測器具有較多優(yōu)點：1）固有分辨率較高，可以有效提高系統(tǒng)的分辨率；2）有效探測面積很大，具有高靈敏度的特性；3）成本低，各個性能參數(shù)優(yōu)越，性價比較高。因此，本文將采用濱松BH6601型臨床SPECT系統(tǒng)的探測器開展大面積高靈敏編碼孔徑γ相機(jī)的設(shè)計工作。

由于放射源發(fā)射γ光子的過程是各向同性的，探測晶體每個像素位置對接收遠(yuǎn)距離放射源發(fā)射的γ光子的概率基本相同，因此，無法直接用探測晶體顯示放射源圖像。準(zhǔn)直器通過一定的開孔規(guī)則改變光子傳播軌跡，從而達(dá)到空間定位選擇的作用，可以有效提高成像距離較遠(yuǎn)的效果。單孔準(zhǔn)直器雖然有較好的分辨率，但是開孔率低，進(jìn)光量少，探測效率相對較低，因此，多針孔準(zhǔn)直器被研發(fā)使用；但是多針孔設(shè)計困難，且很難平衡探測效率和空間分辨率等之間的需求矛盾，因此編碼孔徑成像技術(shù)在多針孔準(zhǔn)直器的基礎(chǔ)上，提供了一種全新的設(shè)計理論和加工制作方法。編碼板準(zhǔn)直器采用修正冗余陣列（Modified Uniformly Redundant Arrays，MURA）的編碼模式，因為該模式不僅具有50%的高開孔率，而且在有限的幾何大小內(nèi)具有理想的相關(guān)性，還具有反對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此，具有較大的光通量，可以提高射線收集效率和靈敏度，這更能滿足低劑量污染的成像需求［10］。為了提高編碼板成像系統(tǒng)的視野范圍，采用編碼板嵌套模式。主要是先對編碼板的編碼模式做中心化處理，得到編碼板的中心基本單元。根據(jù)MURA編碼圖案設(shè)計規(guī)則［11］，采用MURA（23×23）作為編碼板的中心基本單元，利用MURA陣列周期相關(guān)性，使4個MURA（23×23）循環(huán)周期排列，從而形成編碼板嵌套模式MURA（45×45），如圖2所示。

圖2 編碼孔徑的編碼模式：MURA(45×45)Fig.2 Pattern of the coded mask:MURA(45×45)

由于方孔具有透光率高、加工方便、重建圖像受噪聲影響較小等優(yōu)點，因此，編碼板的孔徑選擇方形孔。按照編碼板與探測器尺寸為2:1計算，MURA（45×45）探測面積為1 020 mm×780 mm。編碼板材料將采用鎢合金（密度18.75 g?cm?3），其吸收射線能力強(qiáng)且成本低。綜合考慮編碼板對γ射線的阻擋本領(lǐng)、設(shè)備重量，編碼板的厚度設(shè)計為10 mm。針對不同能量的放射源，質(zhì)量衰減系數(shù)不同。針對于放射能量為0.661 7 MeV的137Cs放射源，其質(zhì)量衰減系數(shù)為0.094 6 cm2?g?1。根據(jù)質(zhì)量衰減系數(shù)和編碼板材料密度，可知該編碼板的線衰減系數(shù)為1.77 cm?1。

編碼孔徑γ相機(jī)系統(tǒng)的視場主要依賴于編碼板與探測器之間的距離，其中，在無偽影視場的范圍內(nèi)的放射源可以將MURA（23×23）可以完全投影在探測器上，其幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 成像系統(tǒng)幾何設(shè)置示意圖Fig.3 Illustration of the geometry setup of the imaging system

由于探測器為矩形，成像系統(tǒng)視場設(shè)計目標(biāo)：在X方向上，非偽影視場不低于60°，在Y方向上，非偽影視場不低于48°。主要根據(jù)X方向的設(shè)計目標(biāo)設(shè)計該系統(tǒng)的焦距，如式（1）：式中：dm是編碼板的中心基本單元在X方向的長度；b是成像系統(tǒng)的焦距（即編碼板到探測器的距離）；θ是成像系統(tǒng)視野角度。在X方向上，結(jié)合dm=510 mm和θ=30°，由式（1）可得焦距解析估計值為441 mm。

根據(jù)以上的設(shè)計要求和方法，利用MATLAB模擬系統(tǒng)時，可供參考的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 成像系統(tǒng)的參數(shù)Table 1 Parameters of imaging system

1.2 模擬放射源投影數(shù)據(jù)

不同位置且不同活度的放射源通過編碼板后落在探測器上的光子計數(shù)是不同的。放射源以自身為圓心向四周發(fā)射光子，形成一個球體空間，其中只有放射源與成像系統(tǒng)組成的立體角范圍內(nèi)的光子才有可能落在探測器上。因放射源距離探測器較遠(yuǎn)，在有效視場內(nèi)，放射源與成像系統(tǒng)的垂直距離相同時，即便放射源相對成像系統(tǒng)中心偏離不同角度時，探測器檢測到的光子計數(shù)幾乎相同，因此我們將成像系統(tǒng)檢測到的光子計數(shù)計算過程簡單化，成像系統(tǒng)探測到的光子計數(shù)方法簡化二維模型如圖4所示。

圖4 光子計數(shù)計算的二維模型Fig.4 Two-dimensional model of photon counting estimation for detection

由于編碼板的開孔率為50%，因此，放射源與成像系統(tǒng)組成的立體角度范圍內(nèi)的光子只有50%通過編碼板，落入成像系統(tǒng)。除此之外，該探測器對137Cs的有效檢測效率為23%，因此探測器實際能夠檢測到光子數(shù)NS可由式（2）估算：

式中：Sd是編碼板的中心基本單元的面積；R是以放射源為中心向四周發(fā)射光子，以編碼板接收到探測光子為界限而形成的球體空間的半徑，具體如圖4所示；H是放射源的活度，Bq；η是NaI晶體對于137Cs的探測效率，為23%；T是成像系統(tǒng)采集光子的時間。

不同的編碼板都對應(yīng)不同的系統(tǒng)傳輸矩陣［12］。當(dāng)放射源距離探測器較遠(yuǎn)時，將放射點源所在平行于編碼板的平面，即視野平面，按照水平和垂直兩個方向上，分割為一個P×P的矩陣，其中P為61。探測器平面分離為143×110的矩陣，則本文系統(tǒng)傳輸矩陣由式（3）表示為：

式中：μ是線衰減系數(shù)，主要由編碼板的質(zhì)量衰減系數(shù)和密度決定；lij是視野編號j處的放射源到達(dá)探測器編號i處所經(jīng)過的編碼板厚度，該厚度是由Siddon算法［13］解析計算。本文在編碼板的厚度中選擇10個點，從而更加精確判斷放射源輻射的γ射線被吸收的程度，即更精確地計算了各個體素輻射的路徑；?和ψ是視野平面編號j處的射線與探測器平面X和Y軸的夾角。

第j個位置的放射源基于系統(tǒng)傳輸矩陣A的累積概率分布PC（i），如式（4）所示：

式中：Asj為第j個像素位置處的放射源對探測器第s個元素位置貢獻(xiàn)粒子數(shù)的概率；N為探測器像素總個數(shù)。

本研究主要通過解析模擬特定事件的點源在探測器上形成的投影數(shù)據(jù)P。P的過程為：首先根據(jù)式（2），對不同位置和不同活度的放射源經(jīng)過編碼板后，計算探測器能夠檢測得到的光子數(shù)量為NS。其次基于累計概率分布（PC）執(zhí)行均勻采樣，該過程主要是通過選取隨機(jī)函數(shù)中小于累計概率分布函數(shù)的索引值，將索引值中的最小值作為光子所在探測器的位置，這個過程循環(huán)NS次，即NS個光子根據(jù)概率分布在探測器上投影P；最后，將隨機(jī)生成的均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)作為探測器的索引值，在索引值對應(yīng)的探測器位置處添加一個光子作為背景噪聲，該過程循環(huán)1 000次，即每秒隨機(jī)添加1 000個光子計數(shù)作為探測器的背景噪聲，近似模擬真實的SPECT系統(tǒng)的探測器。

1.3 重建算法

本文主要通過MLEM迭代算法利用投影數(shù)據(jù)PC重建放射點源的位置。由于該模型建立在兩個泊松統(tǒng)計過程：放射衰變點過程和探測器接收光子的過程，因此該算法能夠有效抑制泊松噪聲。在放射源平面的X方向上，無偽影視場角度約為60°，步長為0.979 2°；在Y方向上，無偽影視場角度約為47°，步長為0.759 8°。探測器平面分成Q個像素，即i=1，2，3，…，Q。MLEM算法迭代過程如下：

式中：i是探測器像素編號；j是視場位置編號；pi為探測器像素編號i上的光子計數(shù)；f kj是重建視場位置編號j處的第k次迭代結(jié)果；Aij是探測器平面的第i個像素對源平面的第j個像素的響應(yīng)，相當(dāng)于放射源所在的平面第j個像素對探測器第i個元素貢獻(xiàn)粒子的概率，A可描述為系統(tǒng)傳輸矩陣。

由式（5），投影估計值∑jAij f k j和實際投影值pi相比較，將其比值通過傳輸矩陣進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算對第k次圖像重建的迭代結(jié)果進(jìn)行修正，再利用系統(tǒng)傳輸矩陣A反投影到第k+1次的放射源強(qiáng)度分布圖像，使它逼近放射源圖像。

1.4 圖像評價參數(shù)

對比度噪聲比（Contrast-to-noise Ratio，CNR）用于評價圖像的對比度，CNR更好意味著更容易找到源的位置，可以定量評價重建點源圖像的質(zhì)量［14?16］。CNR的定義如下：

式中：Rmax為重建圖像的最大值；Bm為重建圖像的背景噪聲，即去除放射源附近3×3像素后每個像素的平均值；Bij為除源區(qū)域外的每個像素的值；Bsum為除源區(qū)域外的像素總數(shù)。CNR越大表示恢復(fù)圖像相對噪聲對比度越大，重建圖像的質(zhì)量越好。

角度分辨率用于評價成像系統(tǒng)能夠分辨兩個放射源相距的最小視場角度。該系統(tǒng)的視場角度分辨率主要是由成像系統(tǒng)幾何角度分辨率和探測器固有角度分辨率共同決定［17］。理論來講，在X和Y方向上的空間角度分辨率相差不多，因為系統(tǒng)幾何角度分辨率主要是受編碼孔的單位孔徑和系統(tǒng)焦距影響。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，編碼孔徑是矩形，因此，成像系統(tǒng)的角度分辨率將從X和Y方向分別評估。角度分辨率的確定主要采用了兩種評估方式：第一種是采用單點源的重建圖像，根據(jù)單點源的重建信號在X和Y方向上的歸一化強(qiáng)度進(jìn)行高斯擬合，得到半高寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）［18］，根據(jù)式（7）求出該系統(tǒng)的角度分辨率Δθ；第二種是通過模擬兩個相距一定視場角度的放射源，觀察其能夠完全將兩個點源分辨開時最小的視場角度距離，這個相差的角度距離即角度分辨率Δθ。

式中：FWHM為單點源信號在X或Y方向上像素值的擬合高斯曲線的半高寬；n是單點源在X或Y方向上的像素總數(shù)；NAFOV'是實際重建圖像顯示的無偽影視場。

2 性能參數(shù)測試與討論

2.1 成像系統(tǒng)的靈敏度

靈敏度是編碼孔徑γ相機(jī)的重要參數(shù)，靈敏度主要評價了成像系統(tǒng)對于較遠(yuǎn)或較弱的放射源的探測能力。在無偽影視場范圍內(nèi)，該系統(tǒng)對不同位置的單點源進(jìn)行重建，觀察重建效果。本文模擬了3.7×107Bq137Cs點源距離大面積編碼孔徑γ相機(jī)分別為10 m、15 m、18 m的情況下，及其位于視野角度分別為（?29.64°，23.62°）、（0°，23.65°）、（0°，0°）、（28.66°，0°）、（29.64°，0°）、（?14.87°，?14.87°）處，共計18種不同位置的模擬情況，探測時間為1 s。如圖5所示，每行分別是放射源與成像系統(tǒng)距離相同的情況下，不同視場角度的放射源重建圖像；每列分別是放射源視場角度位置相同的情況下，放射源位于不同距離處的重建效果。其中每個圖中圓圈代表放射源應(yīng)該重建的位置，亮斑代表系統(tǒng)實際重建的放射源位置。圖5中第2列表示放射源位于Y軸方向上的邊緣位置時的重建圖像，可知圖像重建質(zhì)量良好，無偽影；第4列和第5列表示放射源位于視場X軸方向上的邊緣位置時的重建圖像。在（28.66°，0°）處，單點源的重建圖像質(zhì)量較好，而在（29.64°，0°），單點源的重建圖像出現(xiàn)了偽影，即關(guān)于Y軸的對稱位置有一個容易發(fā)生誤判的亮斑，這是因為在設(shè)計編碼板的過程中，實際的編碼板的中心基本單元大小的長度比探測器的有效面積的長度小，并沒有與目標(biāo)尺寸達(dá)到完全一致。因此在X方向上，該成像系統(tǒng)的實際有效全視場范圍應(yīng)該在?28.66°~28.66°，在Y方向上，實際有效視場范圍應(yīng)該在?23.65°~23.65°。

圖5 單點源3.7×107 Bq137Cs與大面積編碼孔徑γ相機(jī)的距離分別為10 m、15 m、18 m，及其位于視野角度分別為(?29.64°,23.65°)、(0°,23.65°)、(0°,0°)、(28.66°,0°)、(29.64°,0°)、(?14.87°,?14.87°)的重建圖像Fig.5 Reconstructed images of a point source at different distances and different FOV angles:the 1st,2nd,3rd,4th,5th and 6th columns are positions at(?29.64°,23.65°),(0°,23.65°),(0°,0°),(28.66°,0°),(29.64°,0°)and(?14.87°,?14.87°);the 1st,2nd and 3rd rows are the distance between the radiation source and the detector of 10 m,15 m and 18 m,respectively

表2是對應(yīng)圖5中每個重建圖像的CNR。根據(jù)圖5每列可知，隨著放射源與大面積編碼孔徑γ相機(jī)的距離的增加，CNR下降，圖像質(zhì)量隨之下降，但是，圓圈和亮斑基本吻合，CNR基本都大于10，說明該系統(tǒng)對單點源遠(yuǎn)距離的位置能夠準(zhǔn)確重建。當(dāng)3.7×107Bq137Cs的單點源與該系統(tǒng)距離為18 m時，1 s的采集時間，該系統(tǒng)能夠?qū)o偽影視場內(nèi)的點源位置準(zhǔn)確成像。根據(jù)圖5與表2可知，圓圈和亮斑基本吻合，在實際全視場范圍內(nèi)，能夠?qū)吸c源的位置準(zhǔn)確成像，因此大面積編碼孔徑γ相機(jī)遠(yuǎn)距離探測輻射源具有一定的可行性。其中當(dāng)放射源位于中心位置時，CNR最低，隨著單點源與編碼板中心偏離的角度增加，圖像的CNR增大，圖像質(zhì)量提高，但是放射源與成像系統(tǒng)距離相同時，不同角度的放射源重建圖像的CNR相差不多，說明放射源的距離對成像的質(zhì)量影響較大。

表2 不同位置的放射源重建圖像的CNRTable 2 CNR of reconstructed images from different positions of radioactive sources

當(dāng)1.11×106Bq137Cs低活度點源置于成像系統(tǒng)前4 m時，分別位于（?29.64°，23.65°）、（0°，23.65°）、（0°，0°）、（28.66°，0°）、（?14.87°，?14.87°）這5個視場角度處，采集時間僅需要2 s即可重建，如圖6所示。其中圓圈表示放射源應(yīng)該被重建的位置，利用方形對圖像中強(qiáng)度最大的亮斑進(jìn)行框選，即輔助定位，圓圈與方形基本吻合，且CNR基本大于10，因此該成像系統(tǒng)對低活度放射源在短時間內(nèi)進(jìn)行探測時能夠準(zhǔn)確重建放射源的位置。

圖6 單點源1.11×106 Bq137Cs與大面積編碼孔徑γ相機(jī)的距離為4 m，及其位于視野角度分別為(?29.64°,23.65°)、(0°,23.65°)、(0°,0°)、(28.66°,0°)、(?14.87°,?14.87°)的重建圖像Fig.6 Reconstruction images of 1.11×106 Bq137Cs at distance of 4 m from detector with different FOV angles:the 1st,2nd,3rd,4th and 5th columns are positions at(?29.64°,23.65°),(0°,23.65°),(0°,0°),(28.66°,0°)and(?14.87°,?14.87°),respectively

2.2 成像系統(tǒng)的空間角度分辨率

空間角度分辨率是成像系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，代表了成像系統(tǒng)能夠分辨兩個放射點源相距的最小視場角度。本文采用兩種方法評估角度分辨率。

第一種方法：采用了3.7×107Bq137Cs在10 m處，成像系統(tǒng)通過1 s的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，為了獲取更多的數(shù)據(jù)點，該方法將放射源所在的平面即重建的視野平面，分為221×221的陣列，重建圖像如圖7（a）所示。然后選取放射源分別在X和Y方向上的對稱的數(shù)據(jù)點歸一化后進(jìn)行高斯擬合，如圖7（b）和圖7（c）所示。根據(jù)式（7），可知空間角度分辨率在X和Y方向上分別為0.86°和0.85°。

圖7 (a)單點源3.7×107 Bq137Cs與大面積編碼孔徑γ相機(jī)的距離為10 m，視野角度為(0°,0°)的重建圖像，單點源沿X(b)和Y(c)方向上歸一化后的數(shù)據(jù)點的高斯擬合像素強(qiáng)度分布Fig.7(a)Reconstructed image of 3.7×107 Bq137Cs point source at distance of 10 m from detector with FOV angle(0°,0°),Gaussian fitting of normalized data points of pixel intensity distribution along the X direction(b)and the Y direction(c)of a single point source

第二種方法：該方法的放射源所在的平面即重建視野平面是61×61的陣列，采用兩個3.7×107Bq137Cs點源，在X方向上間隔2.94°，置于編碼孔徑γ相機(jī)前10 m處，采集時間為1 s，該成像系統(tǒng)能夠?qū)?個不同的視場角度處的兩個單點源進(jìn)行清晰成像，如圖8（a）所示，采用兩個3.7×107Bq137Cs點源，在Y方向上間隔2.28°，置于編碼孔徑γ相機(jī)前10 m處，采集時間為1 s，在5個不同的視場角度處對雙點源能夠清晰成像，該系統(tǒng)能夠基本區(qū)分這兩個點源，如圖8（b）所示。

圖8 兩個相同的3.7×107 Bq137Cs與大面積編碼孔徑γ相機(jī)的距離為10 m處的重建圖像(a)X方向上，兩個點源方位角差為2.94°的重建圖像，左點源的視場角度為(?29.64°,23.65°)、(0°,23.65°)、(0°,0°)、(26.70°,0°)、(?14.87°,?14.87°)，(b)Y方向上，兩個點源方位角差為2.28°的重建圖像，上點源的視場角度為(?29.64°,23.65°)、(0°,23.65°)、(0°,0°)、(26.70°,0°)、(?14.87°,?14.87°)Fig.8 Reconstructed images of two 3.7×107 Bq137Cs sources at the distance of 10 m from detector with acquisition time of 1 s(a)The 1st,2nd,3rd,4th and 5th columns are left and upper point source position at(?29.64°,23.65°),(0°,23.65°),(0°,0°),(26.70°,0°)and(?14.87°,?14.87°),respectively,in the X-direction with azimuth difference of 2.94°,(b)The 1st,2nd,3rd,4th and 5th columns are upper point source position at(?29.64°,23.65°),(0°,23.65°),(0°,0°),(26.70°,0°)and(?14.87°,?14.87°),respectively,in the Ydirection with azimuth difference of 2.38°

2.3 討論

基于SPECT探測器的高靈敏編碼孔徑γ相機(jī)具有較好的視場和角度分辨率。其無偽影的視場在X和Y方向上分別為57.32°和47.3°，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)，具有廣闊的探測范圍。根據(jù)雙點源成像，該系統(tǒng)角度分辨率在X和Y方向上分別為2.94°和2.28°。該系統(tǒng)能夠?qū)?8 m遠(yuǎn)處的3.7×107Bq的137Cs僅需采集1 s，CNR均大于10，能夠有效圖像重建，說明了該系統(tǒng)對于遠(yuǎn)距離的放射源的快速成像具有可行性。當(dāng)1.11×106Bq的137Cs距離成像系統(tǒng)4 m時，能夠準(zhǔn)確地定位放射源的位置，采集時間僅需要2 s，可見該系統(tǒng)對于較弱的放射源可以實現(xiàn)快速定位。綜上所述，該系統(tǒng)在靈敏度和空間分辨率上都有了新的突破，對于大范圍內(nèi)快速搜索丟失放射源具有很大的優(yōu)勢。在后續(xù)工作中，將通過Gate進(jìn)行系統(tǒng)仿真以及放射源的物理模擬過程，進(jìn)一步分析該系統(tǒng)的可行性和潛能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些優(yōu)化：在圖像重建的數(shù)據(jù)處理中，如何在保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下，可以進(jìn)行分區(qū)域的計算，縮小系統(tǒng)傳輸矩陣，可以有效提高工作效率，因此還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高算法執(zhí)行速度，這樣可以有效提高系統(tǒng)探測效率；在編碼板的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還可以進(jìn)行優(yōu)化，使編碼板的設(shè)計需要更加匹配探測器，從而在保證具有較高分辨率的條件下，提高系統(tǒng)靈敏度。

3 結(jié)語

創(chuàng)新點主要是基于濱松BH6601型臨床SPECT系統(tǒng)的探測器進(jìn)行系統(tǒng)的研制，該探測器不僅有較高的固有分辨率，而且有較大的有效探測面積，有效提高系統(tǒng)的空間角度分辨率和靈敏度；該探測器成熟且成本低，性價比較高，因此也大大縮短了該成像系統(tǒng)的開發(fā)周期。提出一種基于SPECT系統(tǒng)探測器的大面積高靈敏編碼孔徑γ相機(jī)的設(shè)計方法，并對該系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試和評價，結(jié)果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)大視野范圍內(nèi)探測，具有較高靈敏度的同時空間角度分辨率較好，彌補(bǔ)市場此類產(chǎn)品的空缺。

作者貢獻(xiàn)聲明劉鑫垚：負(fù)責(zé)設(shè)計詳細(xì)方案、系統(tǒng)仿真、圖像重建和數(shù)據(jù)分析工作，并完成論文的撰寫；魏清陽：提出方案、論文修改、研究基金的獲取；許天鵬：負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)、研究資金的獲?。粡埑瘯煟贺?fù)責(zé)論文修改，工作進(jìn)度的監(jiān)督。