大型客體輻射成像系統(tǒng)散射影響和后準(zhǔn)直器屏蔽效果分析

董 濤，劉錫明，邢桂來，王振濤，黃毅斌，劉金匯，吳志芳,*

(1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.核檢測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

大型客體輻射成像系統(tǒng)所采用X/γ射線的能量一般為0～9 MeV，該能量區(qū)間的光子與物質(zhì)的相互作用過程主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)和相干散射，由其產(chǎn)生的散射光子和各類次級粒子都可能使輻射成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量惡化。由于影響散射的因素非常多，如射線源尺寸、射線能量、射線束張角、物體密度、物體尺寸、物體與射線源和探測器的相對位置、探測器尺寸、后準(zhǔn)直器及探測器響應(yīng)等，往往難以對散射影響進(jìn)行詳細(xì)全面的分析。楊愷等[1]仿真分析了不同材料和厚度的大型客體中散射粒子對圖像的影響程度，倪民子等[2-3]分析了雙源雙投影大型客體輻射成像系統(tǒng)中不同材料、厚度和位置的物體對散射粒子分布的影響，以及兩個射線源和成像平面之間的散射干擾等。相關(guān)研究工作主要分析的是探測器陣列中散射粒子的分布情況，而對散射粒子在物體表面來源處的分布情況則缺少研究。

在散射校正方面，主要分為物理硬件方法和數(shù)值計(jì)算方法。其中，物理硬件方法主要包括放置準(zhǔn)直器、衰減板和增大物體與探測器間距等方法。Persliden等[4]利用蒙特卡羅方法分析了水板后方散射光子數(shù)量對場面積、板厚、物體與探測器間距和探測器類型的依賴性，論證了可以通過增加物體與探測器的間距來減小散射粒子強(qiáng)度。然而，物體與探測器的間距受制于檢測廠房的空間有限、投影放大比的增大所造成的圖像幾何模糊和過多的探測器數(shù)量等因素。數(shù)值計(jì)算方法主要是根據(jù)散射噪聲的分布特點(diǎn)來設(shè)計(jì)描述散射問題的擴(kuò)展函數(shù)，再利用數(shù)值算法對輻射圖像進(jìn)行后處理和噪聲濾除，如小波法、維納濾波法、卷積濾波法等，該方法的可靠性依賴于散射模型的準(zhǔn)確性，目前主要應(yīng)用的有指數(shù)模型[5-6]和高斯模型[7-8]等。冷智穎等[9-11]研究了數(shù)字輻射成像系統(tǒng)中射線源尺寸和氣體電離室信號響應(yīng)等因素對圖像的影響，設(shè)計(jì)了散射退化模型，并采用基于全變分的Richardson-Lucy算法和深度學(xué)習(xí)方法對圖像進(jìn)行復(fù)原，取得了一定的處理效果。許玉婷等[12]利用基于剪切波變換的方法來降低統(tǒng)計(jì)漲落噪聲的影響，主要針對低劑量射線或質(zhì)量厚度大的物體的輻射圖像，獲得了更清晰的圖像邊緣和細(xì)節(jié)信息。由于散射問題的復(fù)雜性，散射模型的普適性往往較差，因此，數(shù)值計(jì)算方法更適用于被檢物體材料和形狀等屬性比較單一的檢測場所，如鋼板凸度儀。此外，在CT重建領(lǐng)域，可利用重建圖像與蒙特卡羅仿真的迭代計(jì)算，不斷利用仿真數(shù)據(jù)來優(yōu)化散射校正效果[13-14]，但該方法往往需要在計(jì)算精度與計(jì)算速度之間進(jìn)行折中，在大型客體輻射成像系統(tǒng)的應(yīng)用是比較困難的。本文以60Co大型客體輻射成像系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，選用常見的中等密度物質(zhì)——鋼板作為被檢物體，分析射線穿透不同厚度和位置的鋼板時散射粒子在物體表面和探測器陣列中的分布情況，以對相關(guān)領(lǐng)域的研究內(nèi)容作出適當(dāng)?shù)耐晟坪脱a(bǔ)充；基于散射粒子的空間分布特征，進(jìn)一步分析后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果，給出直觀的數(shù)據(jù)參考。

1 散射粒子分布的仿真分析

1.1 仿真模型

利用Geant4[15]仿真軟件來搭建輻射成像系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。其中，射線源為60Co源(點(diǎn)源)，與探測器間距為6 m；前準(zhǔn)直器為理想屏蔽體，與射線源間距為800 mm，縫寬為10 mm(x方向)，由于該縫寬導(dǎo)致射線束在x方向上存在一定的展寬范圍，該范圍被稱為初始射線束覆蓋區(qū)域，與之相對應(yīng)的是因多次康普頓散射所造成的散射擴(kuò)散區(qū)域；將鋼板作為被檢物體，其寬度和高度(x和y方向)均為1 000 mm，z方向的尺寸為鋼板的厚度；探測器單元的尺寸為10.2 mm×10.2 mm×30.2 mm(x、y和z方向)，統(tǒng)計(jì)探測器接收到的散射粒子信息，而不考慮探測器材料、類型和響應(yīng)等因素對散射粒子分布的影響。

圖1 輻射成像系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of radiation imaging system

1.2 仿真結(jié)果

將厚度為50 mm的鋼板放置于距離探測器500 mm的位置，記錄并統(tǒng)計(jì)從鋼板右側(cè)面出射并進(jìn)入探測器陣列的散射粒子的分布情況，如圖2、3所示。

圖2 散射粒子在物體表面的分布Fig.2 Distribution of scattered particle on object surface

圖3 散射粒子在探測器陣列表面的分布Fig.3 Distribution of scattered particle on detector array surface

在物體出射面上，散射粒子存在明顯的區(qū)域分布特征，即在水平方向(x方向)上，散射粒子集中分布于初始射線束覆蓋的物體區(qū)域內(nèi)，且中心位置(x=0,y=0)略高；在垂直方向(y方向)上，呈現(xiàn)出非均勻性分布的特點(diǎn)。在探測器陣列表面(z=5 500 mm)上，散射粒子在水平方向(x方向)上分布比較均勻，而在垂直方向(y方向)上呈現(xiàn)兩側(cè)低中間高的特征；當(dāng)前鋼板與探測器間距較小，有一定比例的散射粒子入射到探測器陣列側(cè)面(x=±5.1 mm)，其約占探測器接收到的總散射粒子數(shù)的6.60%。

為了更深入地研究散射粒子的分布情況，仿真分析了多組物體參數(shù)，具體為：將物體厚度設(shè)置為50、100、150和200 mm；將被檢物體與探測器的間距S設(shè)置為4個標(biāo)志性的數(shù)值，分別為4 250、3 000、1 750和500 mm，其中，前3個位置代表一個寬度為2.5 m的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱放置在射線源與探測器中心位置時集裝箱兩側(cè)箱體和中心的位置，500 mm則代表工程實(shí)施中安全行車要求的極限間距。仿真分析結(jié)果如圖4所示。圖4a為探測器接收到的入射粒子中散射粒子所占的比例，其隨物體與探測器間距的減小和物體厚度的增大而逐漸增大。圖4b為入射到探測器側(cè)面的散射粒子數(shù)量占探測器接收到的總散射粒子數(shù)量的相對比例，其數(shù)值低于10%，且隨間距S的增大而迅速降低，在實(shí)際系統(tǒng)中該部分粒子會因?yàn)樘綔y器外部支撐部件等結(jié)構(gòu)而被吸收和屏蔽。圖4c為來自于物體表面初始射線束覆蓋區(qū)域內(nèi)的散射粒子數(shù)量占探測器接收到的總散射粒子數(shù)量的相對比例，可看出大部分散射粒子都來自于初始射線束覆蓋的物體區(qū)域。圖4d為散射粒子的水平分布范圍，即假設(shè)規(guī)定90%散射粒子的分布區(qū)域?yàn)樯⑸淞Ｗ釉谒椒较蛏系姆植挤秶?dāng)鋼板厚度小于50 mm時，該水平分布范圍接近于初始射線束水平覆蓋區(qū)域，隨著鋼板厚度的增大，該水平分布范圍會擴(kuò)大，相關(guān)結(jié)果可表明散射粒子的水平分布范圍是非常有限的，這一現(xiàn)象也預(yù)示著后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果是有限的。圖4e為探測器接收到的所有散射粒子中能量低于1 MeV的散射粒子的相對比例，考慮到入射粒子在探測器陣列中不同單元之間存在一定的串?dāng)_概率，則探測器輸出的低能散射干擾信號的比例將高于圖4e中的數(shù)據(jù)。結(jié)合60Co等放射性同位素γ射線源的初始能量單一或分立的特征，透射光子的能量高于干擾粒子的能量，因此可采用脈沖能量閾值分析方法來識別和剔除低能散射干擾信號，這也是一項(xiàng)值得深入研究的削弱散射影響的技術(shù)方案。

a——散射粒子的比例；b——側(cè)面入射的散射粒子相對比例；c——初始射線束覆蓋區(qū)域內(nèi)散射粒子的相對比例；d——散射粒子在水平方向的分布范圍；e——E≤1 MeV散射粒子的相對比例圖4 來自物體表面的散射粒子的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.4 Statistical result of scattered particle from object surface

2 后準(zhǔn)直器屏蔽效果的分析

利用后準(zhǔn)直器對散射粒子進(jìn)行屏蔽，仍是目前削弱輻射圖像中散射干擾的關(guān)鍵方法。由于工程實(shí)施精度的制約，初始射線束的水平張角范圍往往大于探測器的水平范圍，但也會被嚴(yán)格約束到盡可能小的張角范圍。因此，初始射線束覆蓋區(qū)域的水平尺寸往往不大，其數(shù)值取決于前準(zhǔn)直器的位置及縫寬和物體的位置(圖5)。根據(jù)散射粒子區(qū)域分布，如果要實(shí)現(xiàn)對來自于散射擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)粒子的全屏蔽，則所需的后準(zhǔn)直器厚度thickRear為：

(1)

其中：LDet為探測器在x方向上的尺寸，LDet=10.2 mm；X為初始射線束覆蓋區(qū)域在水平x方向的半寬度，可根據(jù)射線源、前準(zhǔn)直器和被檢物體的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得到；S為物體右側(cè)面與探測器的間距。當(dāng)S=1 750 mm時，X=26.56 mm且thickRear=554 mm。對于大型客體輻射成像系統(tǒng)，尤其是門架移動式和車載移動式系統(tǒng)來說，該尺寸的后準(zhǔn)直器過于龐大而難以應(yīng)用。

假設(shè)后準(zhǔn)直器為理想屏蔽體，即完全吸收所有入射粒子，則根據(jù)獲得的散射粒子出射方向等仿真數(shù)據(jù)，可分析得到不同厚度的后準(zhǔn)直器能實(shí)現(xiàn)的理想屏蔽效果，如圖6所示，其中縱坐標(biāo)為被理想后準(zhǔn)直器所屏蔽的散射粒子占探測器接收到的所有散射粒子的相對比例，該相對比例越大，則屏蔽效果越好。計(jì)算結(jié)果表明，增加后準(zhǔn)直器厚度(或準(zhǔn)直比)會顯著改善散射屏蔽效果。工程實(shí)踐中最大準(zhǔn)直比一般為20∶1，當(dāng)射線照射100 mm厚的鋼板且鋼板與探測器間距為1 750 mm時，200 mm厚的后準(zhǔn)直器僅可屏蔽約15%的散射粒子，而只有當(dāng)鋼板與探測器間距很小時，后準(zhǔn)直器才有明顯的屏蔽效果。因此，該結(jié)論初步驗(yàn)證了后準(zhǔn)直器屏蔽效果的局限性。

圖5 后準(zhǔn)直器對散射粒子束的屏蔽示意圖Fig.5 Schematic diagram of rear collimator shielding scattered particle beam

物體厚度：a——50 mm；b——100 mm；c——150 mm；d——200 mm圖6 后準(zhǔn)直器的理想屏蔽效果Fig.6 Ideal shielding effect of rear collimator

實(shí)際的后準(zhǔn)直器往往采用鐵或鉛材料，對中高能射線具有較高的衰減系數(shù)，但相互作用過程是以散射為主。因此，后準(zhǔn)直器既是屏蔽體，也是散射體。以60Co γ射線照射100 mm厚鋼板為例，不同厚度和寬度的后準(zhǔn)直器(鐵)對散射粒子的屏蔽效果如圖7所示。采用200 mm厚Fe后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽比例如圖7a所示，當(dāng)鋼板與探測器間距大于1 750 mm時，散射粒子的比例不降反增，且較寬的后準(zhǔn)直器會帶來更大的散射干擾。這主要是由于間距較大時初始射線束在鋼板上的水平覆蓋范圍較小，后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果非常有限；由于初始射線束的水平張角范圍往往大于探測器的水平范圍，這導(dǎo)致存在一部分探測器陣列水平范圍以外的透射光子，這些透射光子可能進(jìn)入后準(zhǔn)直器而增加了散射粒子的來源。因此，當(dāng)被檢物體與探測器間距較大時，后準(zhǔn)直器可能會導(dǎo)致散射干擾更加嚴(yán)重。當(dāng)鋼板與探測器間距較小且為500 mm時，具有足夠準(zhǔn)直比的后準(zhǔn)直器能起到很好的散射屏蔽效果，如圖7b所示，準(zhǔn)直比達(dá)到20∶1或25∶1時，可屏蔽約40%～50%的散射粒子；后準(zhǔn)直器的寬度并非越寬越好，在當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)下推薦的后準(zhǔn)直器寬度為5 mm左右，考慮到鉛材料的硬度較差，當(dāng)寬度很窄而高度很高時，鉛材料可能會發(fā)生彎曲，此時，以鐵材料作為后準(zhǔn)直器則更為合適。本文的分析結(jié)果表明，在大型客體輻射成像系統(tǒng)中，后準(zhǔn)直器的散射體效應(yīng)是不可忽視的，其散射體效應(yīng)可能使散射粒子的數(shù)量顯著增加，因此，后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果是有局限的。

圖7 不同寬度的后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果Fig.7 Shielding effect of different widths of rear collimator on scattered particle

3 結(jié)論

本文以60Co射線穿透鋼板的仿真模型為例，分析了散射粒子在物體表面和探測器陣列中的分布情況。通過分析仿真數(shù)據(jù)，本文驗(yàn)證了一個主觀概念——在水平方向上，多次康普頓散射所造成的散射擴(kuò)散效應(yīng)是有限的，絕大部分散射粒子來自于物體出射面上初始射線束覆蓋區(qū)域，這將限制后準(zhǔn)直器的屏蔽效果。后準(zhǔn)直器的散射體效應(yīng)是不可忽視的，當(dāng)100 mm厚鋼板與探測器間距只有安全行車的極限間距500 mm時，準(zhǔn)直比為20∶1的后準(zhǔn)直器只能屏蔽約39.74%的散射粒子，遠(yuǎn)小于理想屏蔽體的63.21%；當(dāng)鋼板與探測器間距增大到1 750 mm及以上時，后準(zhǔn)直器的散射體效應(yīng)過大而使散射粒子數(shù)量可能大于沒有后準(zhǔn)直器的情況。由此可認(rèn)為，后準(zhǔn)直器對散射粒子的屏蔽效果是非常局限的。

隨著探測器和電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于光子計(jì)數(shù)探測器的脈沖能量分析技術(shù)日趨成熟，且可應(yīng)用于高能、高計(jì)數(shù)率和高穿透本領(lǐng)的輻射成像系統(tǒng)。對于初始射線能量單一或分立的放射性同位素γ射線源輻射成像系統(tǒng)，可利用脈沖能量分析來剔除低能量的散射干擾粒子，從而改善輻射圖像質(zhì)量和提高穿透本領(lǐng)等性能指標(biāo)。