圖1　系統(tǒng)總體框圖

　　1.前端探測系統(tǒng)
　　由纖芯是閃爍材料構(gòu)成的光纖能適應E＞5kev的X射線、γ射線及其它射線的輻照探測.但直到現(xiàn)在，獲得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的應用［5，6］.閃爍光纖對帶電粒子比x射線和γ射線靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線或γ射線與其作用產(chǎn)生次級電子的有效射程相比太小，一般僅很少部分能量沉積在光纖纖芯中，以產(chǎn)生閃爍光.而在所涉及測量的能量范圍內(nèi)，主要作用機制是康普頓效應，這是由于構(gòu)成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應和電子對效應都相對較弱［7］.
　　根據(jù)γ刀及其它劑量場和其與閃爍體相互作用的特點，我們提出了陣列式吸收發(fā)光CT測量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測器.探測器設計為：由若干個一定長度的特種閃爍光纖水平緊密放置構(gòu)成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設計的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過光導光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測系統(tǒng).探測器在劑量場中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線積分后，再通過光導光纖引出.并在光接收器的光敏區(qū)形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場強度信號轉(zhuǎn)換成視頻電信號.
　　由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測器，具有如下特點［8］
　　(1)較短的衰減時間(即無長余輝)，約2～3ns.
　　(2)性能穩(wěn)定.探測器是有輻射損傷的，但經(jīng)實際測量在102GY輻照量以下探測器受到的損傷不甚明顯.
　　(3)光傳輸性能好.光衰減長度可達500cm.
　　(4)結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等.

圖2　閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測器及其與光接收器連接

　　設計的前端探測系統(tǒng)是由多根閃爍光纖構(gòu)成的，其產(chǎn)生的閃爍光通過光導光纖耦合至CCD進行數(shù)據(jù)讀取.因此，由于各根光纖性能的不一致，端面處理及反光特性的差異，傳輸效率和光耦合效率的不同，以及可能受到的損傷而引起性能的改變等等，必將會致使相同的輸入，有不相同的輸出響應.同時，還有光學成像系統(tǒng)的光損失及CCD光敏元的不均勻性等.為此，構(gòu)造的陣列式前端探測器在實際應用中一般還須進行坪場修正.所謂坪場修正，就是對敏根光纖在CCD上獲取的輸出響應數(shù)據(jù)乘以一修正因子，使它們各自的綜合性能保持一致，即具有相同的場強與電信號的轉(zhuǎn)換特性.
　　2.機械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)
　　我們提出的用陣列式吸收發(fā)光CT法探測劑量場強度分布的構(gòu)想.為此需要設計運動機架以帶動探測器在180°范圍內(nèi)進行等角度旋轉(zhuǎn)掃描.根據(jù)機械系統(tǒng)的要求，可選擇步進電機作為驅(qū)動部件.因為步進電機特點是定位精度高，無累積誤差，因此被廣泛應用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng).設計的步進電機控制電路采用集成模塊結(jié)構(gòu)，與微機直接相聯(lián)，能同時控制兩組步進電機，其功能強、響應速度快，可靠性高.原理框圖見圖3.

圖3　步進電機控制電路的原理框圖

　　3.定點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
　　因在實際應用中僅需對感興趣相對應傳送投影數(shù)據(jù)的數(shù)量較少的均勻光斑進行采集，故可借鑒通常靜態(tài)圖像慢速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的方法，提出了定點數(shù)據(jù)采集方法.定點采集系統(tǒng)通過對視頻同步信號的計數(shù)控制，產(chǎn)生A/D變換器的啟動信號，采集相應時刻的視頻數(shù)據(jù)信號后送入計算機進行處理.系統(tǒng)的硬件主要分為視頻信號定點控制和數(shù)據(jù)變換采集兩大部分，其結(jié)構(gòu)框圖見圖4.

圖4　定點采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　定點控制是根據(jù)監(jiān)視器屏幕二維空間上某點的位置，確定與其相對應的一維視頻信號中該點的時刻.定點控制電路的原理框圖如圖5所示.

圖5　定點控制電路原理框圖

　　定點控制的硬件部分設計為一塊PC機的插件，其通過I/O總線與微機相連，采用并行方式交換數(shù)據(jù)和信息.系統(tǒng)在開始采集時，首先由主機給出控制信號，打開視頻同步信號的控制門，由場同步信號對行脈沖計數(shù)器(計數(shù)器一)和列脈沖計數(shù)器(計數(shù)器二)清零，并同時啟動計數(shù)器一，開始計數(shù).在行脈沖主數(shù)達到比較器一的預置值時，產(chǎn)生一級控制信號.一級控制信號對列脈沖計數(shù)器(計數(shù)器二)清零，隨后啟動計數(shù)器二.計數(shù)器二通過對10MHZ晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的計數(shù)，可以將每一行視頻信號劃分為520個圖像點.當計數(shù)器達到比較器二的預置值時，產(chǎn)生二級控制信號.二級控制信號一方面啟動ADC，另一方面產(chǎn)生一個計算機中斷服務，該服務將此時所采集的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū).同時，二級控制信號將計數(shù)器二清零.
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用可編程邏輯芯片GAL來實現(xiàn)尋址，在中斷信號INT作用下，啟動A/D變換器進行運行.通過中斷服務程序進行讀數(shù)控制，獲得數(shù)據(jù)，并進行存儲和予處理工作.這樣，將實驗數(shù)據(jù)整理成文件，以供進一步分析和處理.
　　4.系統(tǒng)軟件設計
　　系統(tǒng)軟件整體程序結(jié)構(gòu)是接收操作者命令，完成機械掃描控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，圖像重建，和圖形顯示和等操作.設計思想是將系統(tǒng)軟件分成幾個相對獨立的功能模塊，每個功能模塊構(gòu)成一個可執(zhí)行文件*.EXE.其宗旨將是編寫小程序，然后采用堆積木的方式，以構(gòu)成大程序.而這對于一個大系統(tǒng)是必要的.系統(tǒng)軟件包括如下幾個部分：
　　(1)菜單管理部分，負責與用戶接口.
　　(2)采集部分，包括步進電機控制測量點的確定、參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)采集、中斷服務等.
　　(3)數(shù)據(jù)預處理部分，包括采集數(shù)據(jù)壞點的剔除和對投影數(shù)據(jù)的移動平滑處理.
　　(4)圖像重建部分.濾波涵數(shù)及參數(shù)的選擇、重建方式的選擇，實現(xiàn)圖像重建過程.
　　(5)顯示部分，包括三維立體顯示，偽彩色，等高線等，實現(xiàn)對重建圖像的特征顯示.

四、實驗結(jié)果與誤差分析
　　本實驗利用活度為5，000居里的60Co放射源，將由一定厚度和形狀的鉛磚(見圖6，其中左邊(一號)為一中心是三角型空心鉛磚，其邊上有幾個小孔；中間(二號)為一中心是花瓣型的空心鉛磚；右邊(三號)一斜坡鉛塊)置于劑量場中，根據(jù)不同位置對射線吸收的差異，以構(gòu)造具有某種場分布的劑量場.再用研制的陣列式閃爍光纖探測器對所構(gòu)造的劑量場進行數(shù)據(jù)測量，并進行相應的各種數(shù)據(jù)處理，以重建該劑量場的強度分布.實驗的處理結(jié)果如下：

圖6　模擬劑量場時所用的鉛磚

　　圖7和圖8為將一號鉛磚置于劑量場中，探測器對其模擬的場強分布進行數(shù)據(jù)測量，重建的三維圖形.其中：圖7為對測量的投影數(shù)據(jù)未經(jīng)坪場修正，圖10則為經(jīng)過坪場修正后的處理結(jié)果.圖9為將三號鉛磚置于一號鉛磚之上，對所測量的數(shù)據(jù)(經(jīng)過坪場修正)，進行重建后該劑量場強度分布的三維圖形.圖10為將二號鉛磚置于劑量場中，探測器在其下面進行數(shù)據(jù)測量，并對測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過坪場修正后，重建該劑量場強度分布的三維圖形.圖11和圖12為將三號鉛磚置于二號鉛磚之上，探測器對構(gòu)造的劑量場進行數(shù)據(jù)測量，所重建該劑量場強度分布的三維圖形.其中圖11未經(jīng)坪場修正，圖12則經(jīng)過坪場修正.

圖7　劑量場重建圖像一

圖8　劑量場重建圖像二

圖9　劑量場重建圖像三

圖10　劑量場重建圖像四

圖11　劑量場重建圖像五

圖12　劑量場重建圖像六