线吸收系数能谱效应解析法研究

 用数值模拟的方法研究了FTO客体材料的线吸收系数随着穿透材料深度的变化关系，并拟合出材料有效线吸收系数与厚度之间的函数表达式。研究结果表明，在闪光照相中X光能谱发生了硬化，并随着穿透材料深度的增加谱平均线吸收系数会随之减小。FTO客体中钨的平均有效线吸收系数0.838（4.53%）cm^-1，铜的平均有效线吸收系数0.297（4.96%）cm^-1，能谱效应对有效线吸收系数的影响小于5%。在图像重建中利用上述的线吸收系数能够反演出精度达5%的材料密度。     

有效线吸收系数能谱效应综合法研究

利用综合法（照射量传递函数法、剥层法和MC数值模拟法）研究了闪光照相中法国实验客体FTO（French Test Object）中各种材料的有效线吸收系数.结果表明：在照相过程中,随着X光穿透的加深,其能谱不断地向材料最小质量吸收系数对应的能量值演变并窄化.在这样的能谱效应下,有效线吸收系数随着穿透材料厚度的加深而减小.铜的平均有效线吸收系数为0.299（1±3.0%）cm-1,钨的平均有效线吸收系数为0.829（1±2.7%）cm-1.在图像重建中,利用上述的有效线吸收系数能够得到高精度的材料密度分布.     

密度提取中吸收系数的使用

研究了能谱效应的影响，进行了理想的MC（Monte Carlo）数值闪光照相。能谱效应是由不同能量的X光与材料发生作用的微观截面不同引起的。能谱效应降低了密度提取的精度，因而在密度提取中需要考虑能谱效应，即使用反应能谱效应的有效吸收系数，而不是单能吸收系数。在闪光照相中能谱效应体现为：光路上面质量ρ（l）l越大，有效质量吸收系数μρ^-（l）越小；面质量越大，对应的自洽光程也越大，即μρ^-（l）ρ（l）l越大。     

闪光照相条件下相对质量吸收系数的测量

 介绍了闪光照相中X光传播规律的等效单能模型。针对闪光照相出光重复性差、能谱测量困难的特点提出了相对质量吸收系数的概念。阐述了闪光照相中相对质量吸收系数的测量原理和方法。在闪光照相实验设备上采用整条D～L曲线对钨材料相对质量吸收系数进行了测量，得到的实验结果为1.23，与数值模拟结果1.26符合较好。     

密度提取中吸收系数的使用

 研究了能谱效应的影响，进行了理想的蒙特卡罗(MC)数值闪光照相。在密度提取中使用了3种不同的吸收系数——MC谱光子平均能量对应的单能质量吸收系数、波恩近似公式谱有效质量吸收系数和MC谱有效质量吸收系数。研究结果表明，使用MC谱有效质量吸收系数有效地减小了密度提取中能谱效应的影响。粗略的波恩谱使密度均方根误差小于1.5％，精确的MC谱则获得了均方根误差小于0.5％的理想结果。     

高能闪光照相中影响光程确定的几个因素

 利用闪光照相基本原理和成像原理，在直接记录法和转换屏记录法的情况下，研究了闪光照相中影响X射线在材料中光程确定的主要因素。结果表明，影响光程确定的几个因素是：散射效应、光源角分布效应、立体角效应和能谱效应。对于高能闪光照相，散射效应是影响光程确定的最主要因素，散射的存在使光程的测量值比实际值降低20%～40%。因此必须在做CT之前，对散射的影响进行修正。     

高能闪光照相X射线能谱的理论研究

 用Monte-Carlo方法模拟球对称客体系统的闪光照相中X光光子的输运过程。分别在单客体情况和全系统情况下,给出了记录平面上各种光子谱及其在记录平面上的空间分布。结果表明：记录区边缘的谱形与源光子谱形很相似;深穿透区各点之间的谱形差别不大,谱平均光子能量近似相同,并且位于使高Z材料的光子线吸收系数最小的能量范围内。 结果还表明,高能闪光照相的光子能谱会因客体中光子的光程不同而有较大的差别。     

FTO客体3m闪光照相的Monte Carlo研究

 研究了客体模型FTO的闪光照相系统X光输运过程，给出了直穿照射量、散射照射量、直散比、直穿照射量能谱、散射照射量能谱、直穿X光通量能谱和散射X光通量能谱在记录平面的空间分布。结果表明：后锥是照射量散射成分的主要来源，后锥照射量占总散射量97%；后锥也是造成散射的空间分布不均匀的主要器件，这一不均匀性高达58%。照相系统的最小直散比非常小，表明锥造成的散射已经严重地淹没了直穿（轫致辐射）信号。计算中使用高空间分辨率记录法进行分点，合成图像对吸收系数的复原结果与国外报道的结果相符。     

高能闪光照相中的能谱优化

在高能闪光照相技术中,提高图像接收平面上直穿与散射的比值有利于有效信息的提取。利用蒙特卡罗方法对法国实验客体的照相过程进行模拟,得到图像接收区域直穿分量与散射分量的能谱分布,依据其分布的特点提出了利用能谱优化来提高接收区域直散比的方法,指出添加衰减屏可以达到能谱优化的效果。依据线吸收系数的变化趋势以及实际加工的难度选择钽作为优化能谱的材料,并根据最小照射量的限制得到了最大的衰减屏厚度。最后通过蒙特卡罗模拟,指出添加9 mm的衰减屏能够对照相结果的优化程度最好,照射量满足要求,而直散比上升到原来的3倍左右。     

高能闪光照相密度测量的LEPM方法

研究了利用高能闪光照相方法实现密度分布测量的技术.根据闪光照相投影成像原理,将成像过程中的非线性成像因素看成一个综合性的非线性算子,利用先验测量的方法该非线性算子的响应曲线,利用该曲线校正成像图像得到待测客体的光程分布图像.采用以最小误差为重建准则的代数重建法,从光程分布图像中重建出照相客体的线吸收系数分布.最后利用相对等效质量吸收系数以及客体总质量不变的约束条件,获得照相客体的空间密度分布.在高能闪光照相实验平台上进行了静态客体的密度测量实验,测量的均方根误差约为10％.     

A generalized method of converting CT image to PET linear attenuation coefficient distribution in PET/CT imaging

The accuracy of attenuation correction in positron emission tomography scanners depends mainly on deriving the reliable 511-keV linear attenuation coefficient distribution in the scanned objects. In the PET/CT system, the linear attenu- ation distribution is usually obtained from the intensities of the CT image. However, the intensities of the CT image relate to the attenuation of photons in an energy range of 40 keV-140 keV. Before implementing PET attenuation correction, the intensities of CT images must be transformed into the PET 511-keV linear attenuation coefficients. However, the CT scan parameters can affect the effective energy of CT X-ray photons and thus affect the intensities of the CT image. Therefore, for PET/CT attenuation correction, it is crucial to determine the conversion curve with a given set of CT scan parameters and convert the CT image into a PET linear attenuation coefficient distribution. A generalized method is proposed for con- verting a CT image into a PET linear attenuation coefficient distribution. Instead of some parameter-dependent phantom calibration experiments, the conversion curve is calculated directly by employing the consistency conditions to yield the most consistent attenuation map with the measured PET data. The method is evaluated with phantom experiments and small animal experiments. In phantom studies, the estimated conversion curve fits the true attenuation coefficients accurately, and accurate PET attenuation maps are obtained by the estimated conversion curves and provide nearly the same correction results as the true attenuation map. In small animal studies, a more complicated attenuation distribution of the mouse is obtained successfully to remove the attenuation artifact and improve the PET image contrast efficiently.     

高能激光束在线测量系统的光强衰减设计

 针对环形光刀取样式高能激光束在线测量系统应用中光电探测器线性饱和功率密度低而被测高能激光功率密度高的特点,采用对取样激光扩束和介质膜衰减片级联衰减的方式,实现了数千倍的线性光强衰减。介绍了环形光刀扫描取样及其扩束衰减原理,并对介质膜衰减片在激光入射角 0°~15° 和功率密度1~1 000 W/cm²条件下的透过率特性进行了分析,用实验验证了该光强衰减设计的有效性。     

基于蒙特卡罗模拟的射束硬化校正方法

传统的射束硬化校正方法, 通常需要针对每一种材料测量该材料对射线的吸收曲线. 由于吸收曲线对实验条件有很大的依赖性, 每当改变X光机电压或者被测工件的材料等条件时,需要重新测量吸收曲线才能完成硬化校正过程. 这种方法费事费时. 本文提出了基于蒙特卡罗模拟计算物质吸收曲线的硬化校正方法. 实验中, 分别用本方法和传统的硬化校正方法对铝工件进行硬化校正, 经过比较, 确认本方法是有效的. 然后用该方法对不同材料(铝、铁和铜)的工件进行校正. 实验结果表明, 本方法能有效消除各种材料工件图像中的硬化伪影, 是快速的和切实可行的.     

Comparison study of photon attenuation characteristics of Lead-Boron Polyethylene by MCNP code,XCOM and experimental data

The linear attenuation coefficient, mass attenuation coefficient and mean free path of various Lead-Boron Polyethylene (PbBPE) samples which can be used as the photon shielding materials in marine reactor have been simulated using the Monte Carlo N-Particle (MCNP)-5 code. The MCNP simulation results are in good agreement with the XCOM values and the reported experimental data for source Cesium-137 and Cobalt-60. Thus, this method based on MCNP can be used to simulate the photon attenuation characteristics of various types of PbBPE materials.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

光子计数成像技术及其应用

介绍光子计数实时图像采集实验系统，其中的高亮度增益的光子成像头通过超强光力中继透与高帧频电荷耦合器摄像机耦合；分析和介绍了单光子成像模式下系统工作的受限条件和多光子工作模式下系统的主要综合性能指标－读出噪声的测定方法。文中给出在自适应光学弱光波前传感中的应用，光子噪声分布规律以及光的波粒二象性实验验证等例子。     

基于基效应分解的多谱投影序列盲分离算法研究

在常规CT成像系统中,发出的X射线是连续能谱的,导致重建图像出现硬化伪影,影响了材料组分区分,无法进行定量表征。解决这一问题的关键在于实现多能谱CT成像,利用多个窄能谱段或单能量CT图像,提高组分与图像灰度的对应性。相对于传统CT,能谱CT具有更强的组分区分能力,有利于实现物体组分的定量分析。现有的基于光子计数探测器多谱CT在成像时间分辨率和空间分辨率存在局限,基于能谱滤波的多谱CT能谱区分度受限。而基于变电压多谱投影序列盲分离的多谱CT,通过分解连续能谱投影,获取窄能谱投影,进而实现能谱CT成像,确保物质组分与重建图像灰度值的对应性,实用性较强。但是由于X射线能谱和物体组分的未知,在盲分离过程中,衰减系数未知,并且能谱划分是不确定的,导致窄能谱CT重建图像的能量指向性不强,对应能量值与参考能量偏差偏大,影响组分定量分析。因此,针对盲分离中能谱划分不确定性和重建图像能量指向性问题的开展研究。利用衰减系数的光电效应和康普顿效应分解,构建能量约束,消除能量的不确定性,降低分解所得投影重建图像的能量与参考能量值的偏差。在基于以残差的局部方差和最小为优化目标的分解模型中,将分解模型中的衰减系数按光电效应和康普顿效应分解为能量项和材料项,利用能量项的可预知性,依据预先划分的窄能谱段设置其值,固定各分解投影对应的窄能谱段,作为对能量的约束条件。求解所得各分解投影为能量已知投影,对其重建可得到能量确定的各窄能谱段的图像。选择衰减系数相近的硅铝材质构成外硅内铝圆柱体进行实验验证,在有能量约束的求解结果中,硅铝衰减系数与参考值偏差小于无能量约束,所得重建图像中硅铝变化率与理论值趋势较一致,能量指向性强,与参考能量偏差降低。结果表明,所提方法解决了基于变电压序列盲分离多谱CT成像的能量指向问题,能谱分辨率更高,组分表征更准确。     

Diffuse Optical Tomography using Time-resolved Photon Path Distribution

Our research goal is to develop diffuse optical tomography (DOT) capable of quantitative measurement. Information on optical pathlength is essential for reconstructing images with quantitative properties, and we have performed image reconstruction with a simulation model using a time-resolved photon path distribution (time-resolved PPD). The results showed that a DOT image reconstruction algorithm using this PPD is effective in quantifying the absorbers in a scattering medium such as human tissue. This algorithm uses a photon distribution independent of absorption by simply assuming that the measurement object is homogeneous, which means that PPD needs to be calculated only once. Our technique is therefore applicable to short-time imaging of measurement objects for which absorption changes flatness such as that in human tissue.     

Determination of effective atomic numbers and effective electron densities for Cu/Zn alloy

The mass attenuation coefficients, total interaction cross-sections, effective atomic numbers, effective electron densities and photon mean free paths of the Cu/Zn alloy were determined on the basis of the mixture rule at 356, 511, 662, 835 and 1275 keV gamma-ray energies. The gamma-rays were detected by using an ordinary NaI(Tl) scintillation detection system with a resolution of 10.2% at 662 keV.It was observed that the mixture rule is a suitable method for determination of these parameters. The effective atomic numbers and effective electron densities tend to be almost constant as a function of energy. There is good agreement between experiment and theory, calculated by WinXCom.