核辐射剂量场分布进行实时成像测量的新方法―阵列

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.

图1　系统总体框图

　　1.前端探测系统
　　由纤芯是闪烁材料构成的光纤能适应E＞5kev的X射线、γ射线及其它射线的辐照探测.但直到现在，获得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的应用［5，6］.闪烁光纤对带电粒子比x射线和γ射线灵敏，这是由于光纤纤芯的直径较x射线或γ射线与其作用产生次级电子的有效射程相比太小，一般仅很少部分能量沉积在光纤纤芯中，以产生闪烁光.而在所涉及测量的能量范围内，主要作用机制是康普顿效应，这是由于构成光纤的材料是低Z所决定的，因此光电效应和电子对效应都相对较弱［7］.
　　根据γ刀及其它剂量场和其与闪烁体相互作用的特点，我们提出了阵列式吸收发光CT测量方法，并据此构造前端探测器.探测器设计为：由若干个一定长度的特种闪烁光纤水平紧密放置构成一平面光纤阵列，其一端端面覆盖反射层，以提高其输出光响应，另一端可耦合至光接收器(CCD).所设计的阵列式闪烁探测器与光接收器CCD，通过光导光纤连一成体，并将其加固，构成前端探测系统.探测器在剂量场中，将所吸收的辐射能转换成光能，经线积分后，再通过光导光纤引出.并在光接收器的光敏区形成了按一定间隔排列的光束，从而将剂量场强度信号转换成视频电信号.
　　由塑料闪烁光纤阵列构成的探测器，具有如下特点［8］
　　(1)较短的衰减时间(即无长余辉)，约2～3ns.
　　(2)性能稳定.探测器是有辐射损伤的，但经实际测量在102GY辐照量以下探测器受到的损伤不甚明显.
　　(3)光传输性能好.光衰减长度可达500cm.
　　(4)结构简单、使用寿命长等.