核辐射剂量场实时成像测量系统的研究

　　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量，重建的三维图形.其中：图7为对测量的投影数据未经坪场修正，图10则为经过坪场修正后的处理结果.图9为将三号铅砖置于一号铅砖之上，对所测量的数据(经过坪场修正)，进行重建后该剂量场强度分布的三维图形.图10为将二号铅砖置于剂量场中，探测器在其下面进行数据测量，并对测量的数据经过坪场修正后，重建该剂量场强度分布的三维图形.图11和图12为将三号铅砖置于二号铅砖之上，探测器对构造的剂量场进行数据测量，所重建该剂量场强度分布的三维图形.其中图11未经坪场修正，图12则经过坪场修正.

　　影响测量系统精度的主要因素有：前端探测系统的随机误差；不同滤波函数对重建图像质量的影响；闪烁光纤芯直径大小对重建精度的影响；数据采样速率所产生的影响；探测器旋转中心偏移产生的影响.

　　对于本文所设计的阵列式闪烁光纤探测器(有效探测区域100mm×100mm)，将其放置所构造的剂量场中进行实时成像测量，根据理论推导和实验结果的数据分析，可估算可能导致的各种误差［9］，以综合评估系统的性能.若输入的投影数据，其相对误差不超过±3%，则模拟实验和计算表明，重建误差可控制在3%左右.对于直径为1mm的光纤，获取的投影数据平均相对误差经折算约为0.5%，重建平均相对误差约为0.4%.投影方向数一般小于7个时，则完全不能重建.当方向数增加，则重建图像误差逐渐减小.采样频率的选取同样应满足Niquist定理，否则，会影响图像重建精度及空间分辨.对于一般的剂量场分布，若不考虑各种其他因素的影响，当投影方向数为60，采样间隔等于1mm时，图像重建精度是非常高的.通过模拟运算，其重建场平均相对误差非常小，约百分之零点几.中心偏移对重建图像质量的影响十分大.在制作阵列式闪烁光纤探测器时，一定要切实注意精确地确定其旋转中心位置，否则，会产生很大误差，甚至导致变形.若中心偏差控制在不超过0.1个象素点，则产生的重建误差可控制在2.0%以内.

　　综合各种因素，本系统的成像测量的总体平均相对误差可控制在5%以内，空间分辨率不低于1mm.