1、2023-1-31康普顿相机GEANT4模拟和图像重建初步研究报告人:丁长骥袁永刚 毛本将 姜志刚 杨朝文单位：四川大学 中国工程物理研究院2023-1-31康普顿相机利用康普顿散射原理，测得光子散射前后的能量和发生散射的位置，通过重建，得到放射源位置信息的一种相机康普顿相机应用广泛特殊核材料结构分析医学成像应用放射性物质空间重建放射性核素示踪（重点应用，例如海关检测，核设施退役）2023-1-31上世纪70年代，R.W.Todd首次提出了康普顿相机的概念，但当时由于探测器材料和电子学数据采集技术的限制，该技术并未得到发展。同时期，能对放射性物质进行二维定位的单孔和编码孔成像技术得到了较好发展
2、。相比单孔，编码孔优点：1.可三维成像 2.成像效率有提高、位置分辨率可达几百m 3.视野面积更大 4.体积小，重量轻不足：1.成本高 2.运算量大，耗时2023-1-31康普顿相机的最近发展随着新材料和数字化信号采集技术的发展，康普顿相机逐渐又成为了研究的热点。2007年，利弗莫尔实验室成功开发出一款康普顿相机（SPEIR）材料：两块阵列式Ge探测材料成像能量范围：150keV4MeV重建算法：最大似然法（Maximum Likelihood）SPEIR系统采用制冷方式，成本较高2023-1-31探头部分阵列式Ge探测器（两层探测器直径分别为70mm、100mm）实物图2023-1-31之后
3、Michiaki开展了基于GEM探测技术应用为康普顿相机的技术，但相比之下，其成像能量范围和效率都低于SPEIR。HeeSeo采用了NaI大吸收体材料进一步提高了成像效率。Mitsutaka采用Si作为散射材料，CdTe作为吸收材料。NaI吸收体材料Si散射材料CdTe吸收材料2023-1-31国内对于康普顿散射研究集中在做材料的无损检测，对于该类型的相机研究成果很少。近代物理所与日本九州大学、日本理化学研究所合作对康普顿相机成像进行了蒙特卡罗模拟，做出一套2个多单元平面高纯锗探测器的康普顿成像装置，进行了初步成像。外国目前研究成果，集中于相机的医学，放射源成像等应用以及对康普顿相机的蒙特卡罗
4、模拟，改进相机参数。国内研究2023-1-31康普顿相机成像原理在康普顿散射中推导出的散射光子能量由下式决定2023-1-312023-1-31很多放射性核素都会放出能量在0.2-3MeV的射线，使用康普顿散射原理实现的康普顿相机，通过在散射探测器，和吸收探测器之间的能量沉积，空间作用位置，得到放射源所在曲面，通过多次探测事件，得到放射源的位置，从而得到放射源的二、三维图像。康普顿相机图像重建2023-1-31研究目标本课题拟利用通过通过对康普顿相机的GEANT4模拟康普顿相机所得到的空间和能谱信息，对放射源进行二维，三维的图像重建，建立一套实现康普顿相机对放射源的二维，三维重建的算法。实现在
5、噪声环境下，研究康普顿相机对放射源成像的精确性，同时优化成像运算时间。对散射体材料结构、相机成像效率、角分辨率关系、吸收体材料、散射体与吸收体位置关系与相机成像效率和角分辨率关系等进行研究。2023-1-31康普顿相机图像重建反投影（backprojection）：在成像的二维平面或三维空间内，计算每个像素或体素相对与每次事件得到的圆锥面的角距离或线距离，从而得到每个像素、体素对应的权重。经过多次事件，得到每个像素、体素的所有叠加的权重，经过阈值筛选，得到放射源所在位置。2023-1-31对成像空间：定义探测器能量误差上下限：E_inf，E_sup。通过康普顿散射公式计算能量沉积，再得到平均的
6、能量沉积的误差E_error。计算得到其角误差Dtheta。在每次事件中，计算每个体素对于的圆锥面的角距离或线距离，都可以得到其权重W，找出权重最大的体素，进行简单成像。2023-1-31基于极大似然法（Maximum Likelihood Expectation Maximization）的放射性物质成像算法：在康普顿散射成像中，反投影算法相对简单，但误差较大，之后发展出基于反投影的极大似然算法，用以改进重建质量。通过迭代，与迭代前的图像进行比较，将两者比较后优化。基本公式：2023-1-312023-1-31文献中得到重建图像：没经过极大似然算法处理经过极大似然算法处理2023-1-31康
7、普顿相机GEANT4模拟理想的阵列形式的探测器理想的两层探测器作为阵列形式，可以准确得到每个光子的能量损失、位置信息。2023-1-31实际的康普顿相机为了近似得到阵列形式的探测器，每层探测器为两层条状的探测系统2023-1-31GEANT4 模拟的康普顿相机结构2023-1-31康普顿相机点源的模拟得到每个光子在两个探测器之间的作用位置、散射角和能量沉积，称之为一次事件。通过对沉积能量和作用位置的筛选，得到符合我们要求的事件：光子在第一层探测器发生康普顿散射，在第二层探测器沉积完所有能量。2023-1-31在对康普顿相机的图像重建中对于数据的获取是由列表形式储存和读出：散射探测器 吸收探测器
8、因此GEANT4模拟筛选得到的数据也通过栈类型的列表形式储存和读取，速度较快也很方便。2023-1-31模拟结果：2023-1-31LMEM是由医学成像技术发展而来，所以在对于康普顿相机成像之中，需要一定改进。同时背景本底中对放射源重建干扰很大，LMEM算法中对于同时存在强弱源的情况下，容易将弱源当作背景而忽略。存在问题：GEANT4模拟中，对于光子的康普顿散射没有考虑多普勒效应和电子本身结合能，会造成能量和角度的误差。2023-1-31结论通过对康普顿相机的GEANT4模拟，得到需要的图像重建的原始数据完全可行。反投影等算法重建算法也是可靠可行的。康普顿相机具有广阔的应用前景，对于其重建算法，需要进一步研究。2023-1-31谢谢
