大型客體輻射成像系統(tǒng)散射影響和后準直器屏蔽效果分析

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 核能與新能源技術研究院，北京 100084；2.核檢測技術北京市重點實驗室，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)間的光子與物質的相互作用過程主要是光電效應、康普頓效應、電子對效應和相干散射，由其產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、后準直器及探測器響應等，往往難以對散射影響進行詳細全面的分析。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值計算方法。其中，物理硬件方法主要包括放置準直器、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量等因素。數值計算方法主要是根據散射噪聲的分布特點來設計描述散射問題的擴展函數，再利用數值算法對輻射圖像進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確性，目前主要應用的有指數模型[5-6]和高斯模型[7-8]等。冷智穎等[9-11]研究了數字輻射成像系統(tǒng)中射線源尺寸和氣體電離室信號響應等因素對圖像的影響，設計了散射退化模型，并采用基于全變分的Richardson-Lucy算法和深度學習方法對圖像進行復原，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)計漲落噪聲的影響，主要針對低劑量射線或質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節(jié)信息。由于散射問題的復雜性，散射模型的普適性往往較差，因此，數值計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重建領域，可利用重建圖像與蒙特卡羅仿真的迭代計算，不斷利用仿真數據來優(yōu)化散射校正效果[13-14]，但該方法往往需要在計算精度與計算速度之間進行折中，在大型客體輻射成像系統(tǒng)的應用是比較困難的。本文以60Co大型客體輻射成像系統(tǒng)為研究基礎，選用常見的中等密度物質——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，以對相關領域的研究內容作出適當的完善和補充；基于散射粒子的空間分布特征，進一步分析后準直器對散射粒子的屏蔽效果，給出直觀的數據參考。

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(點源)，與探測器間距為6 m；前準直器為理想屏蔽體，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，與之相對應的是因多次康普頓散射所造成的散射擴散區(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)計從鋼板右側面出射并進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，且中心位置(x=0,y=0)略高；在垂直方向(y方向)上，呈現出非均勻性分布的特點。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)上呈現兩側低中間高的特征；當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面(x=±5.1 mm)，其約占探測器接收到的總散射粒子數的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，具體為：將物體厚度設置為50、100、150和200 mm；將被檢物體與探測器的間距S設置為4個標志性的數值，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的標準集裝箱放置在射線源與探測器中心位置時集裝箱兩側箱體和中心的位置，500 mm則代表工程實施中安全行車要求的極限間距。仿真分析結果如圖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為入射到探測器側面的散射粒子數量占探測器接收到的總散射粒子數量的相對比例，其數值低于10%，且隨間距S的增大而迅速降低，在實際系統(tǒng)中該部分粒子會因為探測器外部支撐部件等結構而被吸收和屏蔽。圖4c為來自于物體表面初始射線束覆蓋區(qū)域內的散射粒子數量占探測器接收到的總散射粒子數量的相對比例，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，即假設規(guī)定90%散射粒子的分布區(qū)域為散射粒子在水平方向上的分布范圍，當鋼板厚度小于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大，相關結果可表明散射粒子的水平分布范圍是非常有限的，這一現象也預示著后準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擾概率，則探測器輸出的低能散射干擾信號的比例將高于圖4e中的數據。結合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，這也是一項值得深入研究的削弱散射影響的技術方案。

a——散射粒子的比例；b——側面入射的散射粒子相對比例；c——初始射線束覆蓋區(qū)域內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)計分析結果Fig.4 Statistical result of scattered particle from object surface

2 后準直器屏蔽效果的分析

利用后準直器對散射粒子進行屏蔽，仍是目前削弱輻射圖像中散射干擾的關鍵方法。由于工程實施精度的制約，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，其數值取決于前準直器的位置及縫寬和物體的位置(圖5)。根據散射粒子區(qū)域分布，如果要實現對來自于散射擴散區(qū)域內粒子的全屏蔽，則所需的后準直器厚度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，可根據射線源、前準直器和被檢物體的結構參數計算得到；S為物體右側面與探測器的間距。當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，該尺寸的后準直器過于龐大而難以應用。

假設后準直器為理想屏蔽體，即完全吸收所有入射粒子，則根據獲得的散射粒子出射方向等仿真數據，可分析得到不同厚度的后準直器能實現的理想屏蔽效果，如圖6所示，其中縱坐標為被理想后準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。計算結果表明，增加后準直器厚度(或準直比)會顯著改善散射屏蔽效果。工程實踐中最大準直比一般為20∶1，當射線照射100 mm厚的鋼板且鋼板與探測器間距為1 750 mm時，200 mm厚的后準直器僅可屏蔽約15%的散射粒子，而只有當鋼板與探測器間距很小時，后準直器才有明顯的屏蔽效果。因此，該結論初步驗證了后準直器屏蔽效果的局限性。

圖5 后準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 后準直器的理想屏蔽效果Fig.6 Ideal shielding effect of rear collimator

實際的后準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，但相互作用過程是以散射為主。因此，后準直器既是屏蔽體，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后準直器對散射粒子的屏蔽比例如圖7a所示，當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入后準直器而增加了散射粒子的來源。因此，當被檢物體與探測器間距較大時，后準直器可能會導致散射干擾更加嚴重。當鋼板與探測器間距較小且為500 mm時，具有足夠準直比的后準直器能起到很好的散射屏蔽效果，如圖7b所示，準直比達到20∶1或25∶1時，可屏蔽約40%～50%的散射粒子；后準直器的寬度并非越寬越好，在當前系統(tǒng)參數下推薦的后準直器寬度為5 mm左右，考慮到鉛材料的硬度較差，當寬度很窄而高度很高時，鉛材料可能會發(fā)生彎曲，此時，以鐵材料作為后準直器則更為合適。本文的分析結果表明，在大型客體輻射成像系統(tǒng)中，后準直器的散射體效應是不可忽視的，其散射體效應可能使散射粒子的數量顯著增加，因此，后準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。通過分析仿真數據，本文驗證了一個主觀概念——在水平方向上，多次康普頓散射所造成的散射擴散效應是有限的，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，這將限制后準直器的屏蔽效果。后準直器的散射體效應是不可忽視的，當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，準直比為20∶1的后準直器只能屏蔽約39.74%的散射粒子，遠小于理想屏蔽體的63.21%；當鋼板與探測器間距增大到1 750 mm及以上時，后準直器的散射體效應過大而使散射粒子數量可能大于沒有后準直器的情況。由此可認為，后準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技術的發(fā)展，基于光子計數探測器的脈沖能量分析技術日趨成熟，且可應用于高能、高計數率和高穿透本領的輻射成像系統(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量和提高穿透本領等性能指標。