Устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений для гамма-камеры с кодирующей маской

Устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений для гамма-камеры с кодирующей маской

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройствам, ограничивающим появление обнаруженных ложных изображений, возникающих при использовании гамма-камер с кодирующей маской. Его используют в местах расположения источников гамма-излучения.

Уровень техники

Гамма-камеры используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить дистанционное выявление источников гамма-излучения и наблюдение за ними. Они дают изображение гамма-источника, которое преобразовано в видимое изображение наблюдаемого объекта, что дает возможность локализовать в пространстве и выделить область концентрации радиации. Эти гамма-камеры являются инструментом, работающим в полевых условиях, и они особенно удобны для проведения таких работ в радиоактивной окружающей среде, как техническое обслуживание, демонтаж или инспекции оборудования.

Эти гамма-камеры могут применяться как в лабораториях, так и в промышленности.

Принцип работы гамма-камеры хорошо известен: на сцинтиллятор с помощью фокусирующей оптики попадают гамма-фотоны, приходящие от источника гамма-излучения. Он преобразует это излучение в световой сигнал, который, в свою очередь, преобразуется в электрический сигнал с помощью фотокатода. Далее сформированный электрический сигнал усиливается с помощью усилителя изображения и детектируется с помощью прибора с зарядовой связью (CCD). Сцинтиллятор, фотокатод, усилитель изображения и прибор с зарядовой связью в сборе образуют детектор гамма-камеры. Ниже, когда делается ссылка на детектор, то имеется в виду эта сборка, а не только прибор с зарядовой связью. Прибор с зарядовой связью содержит определенное число пикселей. Детектор производит обработку обнаруженных сигналов. После обработки сигналов, полученных от детектора, можно локализовать источник радиации, излучение от которого проходит через фокусирующую оптику и сборку детектора, путем получения видимого изображения объекта обзора. Такие гамма-камеры являются достаточно чувствительными и высокопроизводительными.

В большинстве гамма-камер в качестве оптики, фокусирующей фотоны, используют коллиматор, сделанный в виде двух конусов с противоположными вершинами или точным отверстием.

Коллиматор этого типа обеспечивает хорошее сочетание показателей области обзора и разрешения. Однако он является относительно непрозрачным для гамма-излучения, что иногда приводит к потере чувствительности. В частности, он не позволяет достичь баланса между низкими уровнями обнаружения и малыми временами обнаружения.

Одно из возможных усовершенствований, исправляющее эти недостатки и увеличивающее динамический диапазон камер, основано на применении вместо коллиматоров с двойным конусом кодирующих масок. Они представляют собой коллиматоры, содержащие множество прозрачных элементов и множество непрозрачных элементов, которые дают возможность существенно увеличить поверхность сцинтиллятора, которая подвергается воздействию прямого гамма-излучения. Сигнал, полученный детектором, модулируется кодирующей маской. Эти прозрачные и непрозрачные элементы должны быть расположены определенным образом. Такие коллиматоры не дают прямого изображения объекта обзора, но скорее дают «кодированное» изображение объекта обзора, которое затем должно быть математически обработано с тем, чтобы реконструировать действительное изображение.

Гамма-камера с кодирующей маской описана в статье «Улучшение изображений, получаемых компактной гамма-камерой с кодирующей маской» М.Гмара (M.Gmar) и др., Комитета по стандартам (IEEE), выпуск по ядерной физике, август 2004, т.51, с.1682-1687.

Используемые маски могут представлять собой маски с равномерно избыточной решеткой (URA), которые имеют достоинство таблиц с квадратичными остатками, в которых два размера являются двумя первыми номерами, которые отличаются в два раза. Также используются их модификации, такие как HURA (гексагональная равномерно избыточная решетка) или MURA (модифицированная равномерно избыточная решетка). Теория кодирующих масок с равномерно избыточными решетками описана Е.Е.Фенимором (Fenimore) и Т.М.Кэнноном (Cannon) в 1972 г. Как показано на фиг.1А, такие решетки могут быть использованы в виде вытянутой маски с детектором, размеры которого меньше размеров маски. Маска имеет повторяющийся рисунок и содержит основной рисунок, который несколько раз повторяется, возможно, частично. Во второй возможной конфигурации, приведенной на фиг.1В, маска меньше детектора. Такая конфигурация не имеет преимуществ, поскольку при этом необходимо использовать большие громоздкие детекторы, которые несовместимы с компактным гамма-изображением. На указанных фигурах позицией 1 обозначена кодирующая маска, позицией 2 обозначен сцинтиллятор и позицией 3 обозначен детектор.

Подобная технология обнаружения имеет тот недостаток, что может вызвать появление проблем с опознаванием источника, расположенного в определенных положениях относительно кодирующей маски, имеющей повторяющиеся рисунки. Действительно, имеются две близко расположенные области в поле обзора камеры или детектора: область, в которой объект полностью кодируется, обозначенная позицией 10 на фиг.2А, 2В, и область, в которой объект частично кодируется, обозначенная позицией 20 на фиг.2А, 2В. Эти области далее будут называться областью полного кодирования и областью частичного кодирования.

На фиг.2А и 2В, в частности, показана камера, оборудованная кодирующей маской 1. Детектор 3 расположен напротив кодирующей маски 1.

Область полного кодирования 10 представляет собой объем, заключенный между поверхностями, которые соприкасаются с краями напротив детектора 3 и кодирующей маски 1. Эти поверхности образуют оболочку 10.1 области полного кодирования.

Область частичного кодирования 20 представляет собой объем, заключенный между областью, определяемой поверхностями, которые соприкасаются с краями напротив детектора 3 и кодирующей маски 1, и оболочкой 10.1 области полного кодирования 10.

Для источника гамма-излучения 11, который расположен в области полного кодирования 10 поля обзора детектора 3, каждый пиксель детектора 3 получает сигнал, прошедший через кодирующую маску 1. Этот сигнал может быть декодирован только одним способом, что обеспечивает получение действительной картины объекта. Такая конфигурация показана на фиг.2А.

В противоположность этому, как показано на фиг.2В для источника гамма-излучения 21, расположенного в области частичного кодирования 20 поля обзора детектора 3, модуляция кодирующей маской 1 является неполной. Для одного и того же сигнала возможен ряд отображений, и при декодировании появляются обнаруженные ложные изображения 22. Эти ложные отображения 22 в принципе не имеют отношения к реальному источнику. Они затрудняют использование технологии кодирующей маски, поскольку вызывают появление ложных источников гамма-излучения.

В настоящее время не существует приемлемых технических решений, даже математических, способствующих подавлению этих обнаруженных ложных изображений.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание устройства, которое подавляет обнаруженные ложные изображения при использовании гамма-камеры с кодирующей маской, является простым в изготовлении и не требует применения сложных математических операций по обработке результатов с тем, чтобы подавить ложные изображения. Это устройство дает возможность ограничить вредное влияние источников радиации, расположенных в области частичного кодирования гамма-камеры и являющихся причиной появления таких обнаруженных ложных изображений.

В частности, настоящее изобретение представляет собой устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений в гамма-камере с кодирующей маской, содержащее детектор гамма-излучения, расположенный напротив кодирующей маски и имеющий область обзора, совпадающую с областью частичного кодирования кодирующей маски. В соответствии с настоящим изобретением устройство содержит утопленную часть, которая непрозрачна для гамма-излучения и должна располагаться напротив детектора относительно кодирующей маски, затемняя область частичного кодирования поля обзора детектора.

Утопленная часть граничит с кодирующей маской.

Утопленная часть может иметь внутренние стенки, по существу, цилиндрической, формы, в форме усеченного конуса, пирамиды или даже многогранника.

Утопленная часть может быть сделана из металла с плотностью большей, чем

7 г/см³.

В частности, утопленная часть может быть сделана из нержавеющей стали, свинца или сплава на основе свинца, меди или сплава на основе меди, вольфрама или сплава на основе вольфрама, такого как сплав, известный под названием «Денал» (DENAL), которое является торговой маркой компании CINE SOCUZE. Утопленная часть может иметь, по существу, постоянную толщину по всей длине.

В другом варианте утопленная часть может иметь толщину, которая изменяется по ее длине, за счет чего гамма-фотон останавливается, пройдя одну и ту же толщину материала, независимо от пути, проходимого им между областью частичного кодирования поля обзора и детектором.

Утопленная часть может иметь резьбу с тем, чтобы закручиваться в несущую часть кодирующей маски.

Гамма-камера имеет область обзора, определяемую областью полного кодирования кодирующей маски и ограниченную оболочкой, расположенной вблизи области частичного кодирования; при этом утопленная часть при ее установке на камеру может иметь свободно расположенный напротив детектора конец, благодаря чему оболочка области полного кодирования проходит через свободный конец.

Утопленная часть может иметь внутреннюю стенку, которая соединена с камерой области полного кодирования.

Утопленная часть может иметь конец, расположенный напротив кодирующей маски, который является, по существу, круглым.

Круглый конец может иметь радиус, проведенный из центра, расположенного в средней части детектора.

Настоящее изобретение представляет собой также гамма-камеру, которая содержит такое устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение можно лучше понять, прочитав описание примеров его осуществления, приведенных в чисто описательных целях и не ограничивающих предмета изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

На фиг.1А и 1В схематично приведены два примера гамма-камеры с кодирующей маской.

На фиг.2А и 2В схематично приведены гамма-камеры и показаны область полного кодирования и область частичного кодирования кодирующей маски, а также появление обнаруженных ложных изображений, соответствующих расположению наблюдаемого гамма-источника.

На фиг.3А и 3В приведены два варианта выполнения устройства, ограничивающего появление обнаруженных ложных изображений для гамма-камеры с кодирующей маской в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4А и 4В в увеличенном виде и в сечении приведена гамма-камера, оборудованная устройством, соответствующим настоящему изобретению.

На фиг.5А и 5В в увеличенном виде и в сечении приведена гамма-камера, оборудованная устройством по другому варианту выполнения, соответствующему настоящему изобретению.

На фиг.6А-6С приведен вид спереди трех вариантов выполнения кодирующей маски, используемой в гамма-камере, показанной на фиг.4А, 4В, 5А и 5В.

На фиг.7А и 7В приведено изображение источника излучения, возникшего от источника, имеющего в три раза большую интенсивность и полученного соответственно с помощью гамма-камеры, выполненной по настоящему изобретению, и известной гамма-камеры.

Похожие, одинаковые или эквивалентные части на различных описанных ниже фигурах имеют одинаковые позиции с тем, чтобы можно было найти соответствие между фигурами.

Различные части, показанные на фигурах, показаны не в одинаковом масштабе, чтобы сделать фигуры более легкими для просмотра.

Осуществление изобретения

Теперь рассмотрим фиг.3A и 3В, на которых схематично и частично приведены устройства, ограничивающие появление обнаруженных ложных изображений для гамма-камер с кодирующей маской.

Гамма-камера схематично показана с детектором 3, закрепленным напротив кодирующей маски 1. Также показана область полного кодирования 10 (сплошными линиями) и область частичного кодирования 20 (пунктирными линиями). Первый источник радиации 11 показан в области полного кодирования 10. Благодаря такому расположению относительно устройства, образованного детектором 3 и кодирующей маской 1, источник 11 может быть точно обнаружен. Второй источник радиации 21 расположен в области частичного кодирования 20.

Гамма-камера оборудована устройством 30, ограничивающим появление обнаруженных ложных изображений за счет затенения второго источника 21 от детектора 3 без какого-либо влияния на излучение, поступающее от первого источника 11. В частности, данное устройство 30, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, полностью перекрывает область частичного кодирования 20 от детектора 3. Оно объединено с кодирующей маской 1 и расположено напротив детектора 3 относительно кодирующей маски 1. Это устройство 30, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, затеняет излучение, испускаемое гамма-источниками.

Оно может быть выполнено в виде утопленной части 30, которая граничит с кодирующей маской 1. На фиг.3А эта утопленная часть является трубчатой, а более точно, является цилиндрической вращающейся трубкой, но для достижения оптимального технического эффекта возможна иная форма. Его внутренняя стенка может, в частности, иметь форму усеченного конуса, как показано на фиг.3В, или даже форму пирамиды или многоугольника. Для простоты эти формы не показаны на фигурах, но на фиг.3А может быть очень хорошо виден многогранник, а на фиг.3В - пирамида.

Эта утопленная часть 30 имеет конец 30а, который примыкает к кодирующей маске 3, и свободный конец 30b. В примере, приведенном на фиг.3А, оболочка области полного кодирования 10 проходит через свободный конец 30b утопленной части 30. Такое примыкание помогает определить внешнюю длину и ширину утопленной части 30. Толщина материала утопленной части, по существу, постоянна по всей длине.

В примере, приведенном на фиг.3В, внутренняя стенка утопленной части 30 сцепляется с оболочкой 10 области полного кодирования. Толщина материала этой утопленной части не является постоянной по всей ее длине. Эта толщина достаточна для того, чтобы гамма-фотон останавливался бы, пройдя одну и ту же толщину материала, независимо от его пути между областью частичного кодирования 20 поля обзора и детектором 3.

В конструкции, приведенной на фиг.3В, утопленная часть 30 имеет свободный конец 30b напротив кодирующей маски 1, который является, по существу, круглым. Скругленный конец имеет радиус R, проведенный из центра, расположенного в средней части детектора 3.

Эта утопленная часть 30 сделана из металла, имеющего относительно высокую плотность, по меньшей мере, 7 г/см³. Это может быть нержавеющая сталь с плотностью около 7,86 г/см³, или свинец или сплав на основе свинца, или медь или сплав на основе меди. Желательно, чтобы это был бы вольфрам (плотность 18,3 г/см³) или сплав на основе вольфрама, такой как сплав, известный под названием «Денал» (Denal). Плотность этого сплава на основе вольфрама и меди составляет около 18,5 г/см³, что может оказаться очень эффективным для ослабления гамма-фотонов. Денал желательно использовать при наличии высокоэнергетических гамма-фотонов с энергией более, например, 100 Кэв, а медь или другие перечисленные выше материалы для более низких энергий. Другим преимуществом денала является его хорошая обрабатываемость с помощью обычного инструмента, что является преимуществом перед свинцом, который имеет высокую податливость.

На фиг.4А и 4В приведен в увеличенном виде и в частичном сечении пример гамма-камеры, соответствующей настоящему изобретению, имеющей конфигурацию, показанную на фиг.3А.

На фиг.5А и 5В приведен в увеличенном виде и в частичном сечении пример гамма-камеры, соответствующей настоящему изобретению, имеющей конфигурацию, показанную на фиг.3В.

Позицией 50 обозначен корпус гамма-камеры. В данном случае он представляет собой вращающийся цилиндрической формы корпус 50, в который помещен детектор 3, видимый только на фиг.4В и 5В. На фиг.4А и 5А один из концов корпуса 50 закрыт основанием 51 с каналом для шнура питания (не показан). Кодирующая маска 1 прикреплена к другому концу корпуса 50 с помощью множества колец 52, 53, 54, которые состыкованы вместе. На фигурах можно увидеть два наружных кольца 52, 54, частично подогнанных к одной внутренней стороне другого внутреннего кольца 53. Фактически кодирующая маска 1, вставленная в устройство 30, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, образует подвижный элемент, который может в случае необходимости быть изменен. В ходе испытаний устройства 30, ограничивающего появление обнаруженных ложных изображений, были использованы три кодирующие маски 1 с различным рисунком и толщиной. Они показаны на фиг.6А-6С.

Одно наружное кольцо 52 дает возможность прикрепить кодирующую маску 1 к корпусу 50 камеры. Кодирующую маску 1 помещают во внутреннем кольце 53, которое помещено в два внешних кольца, размещенных одно внутри другого. Один или более палец может прочно закрепить кодирующую маску 1 во внутреннем кольце 54. Далее устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, закрепляют внутри внутреннего кольца 53. Другое внешнее кольцо 54 может вращаться относительно первого внешнего кольца 52, вызывая тем самым поворот внутреннего кольца 53 с кодирующей маской и устройством 30, ограничивающим появление обнаруженных ложных изображений. За счет этого кодирующая маска 1 может занимать множество заданных положений, например, два положения со смещением в 60°, которые дают возможность с одной и той же кодирующей маской сделать два ассиметричны кодированных изображения одного и того же объекта, что дает возможность при обработке результата измерения улучшить соотношение сигнал/шум.

Устройство 30, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, снабжено утопленной вращающейся цилиндрической частью или утопленным коническим конусом, имеющим резьбовой конец 30.1, который навинчивается на внутреннее кольцо 53, и свободный конец со стороны наблюдаемого объекта.

Были испытаны прототипы такой утопленной части. Взяты вращающиеся цилиндры длиной 70 мм или 125 мм, внутренним радиусом менее 48,1 мм и внешним радиусом 108,1 мм. Они изготовлены из нержавеющей стали. Показанное на фиг.4А и 4В устройство 30, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений, является коротким (70 мм).

Детектор 3 имеет диаметр 50 мм. Расстояние d, разделяющее заднюю поверхность кодирующей маски и заднюю поверхность детектора 3, составляет 45,4 мм. Задние поверхности кодирующей маски 1 и детектора 3 расположены на стороне основания корпуса камеры, при этом их передняя поверхность обращена к наблюдаемому объекту.

Было испытано множество кодирующих масок 1. На фиг.6А-6С приведены кодирующие маски в виде гексагональной равномерно избыточной решетки (HURA-тип). Маска, приведенная на фиг.6А, имеет класс 9 и толщину 4 мм, тогда как маска, приведенная на фиг.6В, также имеет класс 9, но толщину 6 мм. Маска, приведенная на фиг.6С, имеет класс 6. Следует заметить, что класс кодирующей маски - это число, которое однозначно определяет основной рисунок маски и размеры элементов (отверстий и частиц), которые могут быть многоугольниками. Например, маска класса R будет иметь К элементов в основном центральном рисунке с К=3R(R+1)+1. Общий рисунок маски - это плоский 45 мм многоугольник. Отличия этих кодирующих масок представлены в следующей таблице:

Маски	Класс 6	Класс 9
Толщина	12 мм	4 и 6 мм
Расстояние между отверстиями	1,85 мм	1,26 мм
Число отверстий в центральном рисунке	64	136
Проход в свете	1,9 см	1,9 см

Расстояние L, отделяющее заднюю поверхность детектора 3 от свободного конца средства, ослабляющего обнаруженное ложное изображение, составляет 174,4 мм для кодирующей маски толщиной 4 мм, 176,4 мм для кодирующей маски толщиной 6 мм и 182,4 мм для кодирующей маски толщиной 12 мм.

С помощью данных прототипов устройства, ограничивающего появление обнаруженных ложных изображений, можно наблюдать источники, расположенные в области полного кодирования, в сопровождении паразитных источников, расположенных в области частичного кодирования и более ярких, чем первые. Ссылка может быть сделана на фиг.7А и 7В, на которых показан объект, представляющий собой источник кобальта 60 на фоне паразитного источника цезия 137. В этом случае интенсивность излучения от источника цезия 137 в месте расположения гамма-камеры в три раза выше интенсивности излучения источника кобальта 60. Образец фиг.7А был получен с гамма-камеры, оборудованной устройством, ограничивающим появление обнаруженных ложных изображений и выполненным в соответствии с настоящим изобретением, а образец фиг.7В был получен с гамма-камеры с кодирующей маской без устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.7А паразитный источник не виден, тогда как на фиг.7В он виден и дает ложную интерпретацию наблюдаемого объекта.

Хотя подробно показано и описано множество вариантов осуществления настоящего изобретения, понятно, что могут быть сделаны различные модификации и улучшения, не выходящие за предмет настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничено описанными кодированными масками. Напротив, оно охватывает все типы кодирующих масок, способных производить ложные изображения. Аналогично средство ослабления обнаруженных ложных изображений не ограничено описанными конструктивными элементами. Могут быть использованы иные материалы, а также иные виды расположения элементов.

1. Устройство, ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений для гамма-камеры с кодирующей маской (1), содержащее детектор гамма-излучения (3), расположенный напротив кодирующей маски и имеющий поле обзора, включающее область частичного кодирования (20) кодирующей маской, отличающееся тем, что содержит утопленную часть (30), которая непрозрачна для гамма-излучения и расположена напротив детектора (3) относительно кодирующей маски (1), при этом указанная утопленная часть (30) перекрывает область частичного кодирования (20) поля обзора для детектора (3) и имеет толщину, которая изменяется по ее длине с тем, чтобы гамма-фотон останавливался бы, пройдя одну и ту же толщину материала, независимо от его пути между областью частичного кодирования (20) поля обзора и детектором (3).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что утопленная часть (30) имеет стенку в виде цилиндра, усеченного конуса, пирамиды или даже многоугольника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что утопленная часть (30) граничит с кодирующей маской (3).

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что утопленная часть (30) сделана из металла с плотностью более 7 г/см³.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что утопленная часть (30) сделана из нержавеющей стали, свинца или сплава на основе свинца, вольфрама или сплава на основе вольфрама, такого так «Денал», или меди или сплава на основе меди.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что утопленная часть (30) имеет резьбовой конец (30а) для ее крепления путем навинчивания в несущую часть (53) кодирующей маски (1).

7. Устройство по п.1 для гамма-камеры с кодирующей маской и с полем обзора, включающим область полного кодирования (10) кодирующей маской (1), которая ограничена оболочкой (10.1) и расположена рядом с областью частичного кодирования (20), отличающееся тем, что утопленная часть (30) имеет свободный конец (30b), расположенный при установке в камеру напротив детектора (3), так что оболочка (10.1) области полного кодирования (10) проходит через свободный конец (30b).

8. Устройство по п.1 для гамма-камеры с кодирующей маской и с полем обзора, включающим область полного кодирования (10) кодирующей маской (1), которая ограничена оболочкой (10.1) и расположена рядом с областью частичного кодирования (20), отличающееся тем, что утопленная часть (30) имеет стенку, которая примыкает к оболочке (10.1) области полного кодирования (10).

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что утопленная часть (30) имеет свободный конец (30b), расположенный при установке в камеру напротив детектора (3) и являющийся, по существу, скругленным.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что радиус скругленного конца равен радиусу (R), проходящему через центр, расположенный в средней части детектора (30).

11. Гамма-камера, отличающаяся тем, что содержит устройство (30), ограничивающее появление обнаруженных ложных изображений и выполненное в соответствии с п.1.