ES2984239T3 - Formación de imágenes por protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética - Google Patents

Abstract

La invención proporciona un aparato de máscara para su uso en la detección de radiación entrante, que comprende: una o más máscaras codificadas, cada una de las máscaras que tiene un cuerpo formado de un material que modula la intensidad de la radiación entrante; en donde cada una de las una o más máscaras tiene una pluralidad de regiones de apertura de máscara que permiten una mayor transmisión de la radiación con respecto a otras partes de la una o más máscaras codificadas; una o más de las máscaras codificadas está configurada para girar. Cuando el aparato de máscara tiene más de una máscara codificada, dos de las máscaras codificadas están configuradas para girar una con respecto a la otra. También se proporciona un método de detección de radiación y un generador de imágenes de radiación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Formación de imágenes por protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética

Solicitud relacionada

Esta solicitud se divide de la solicitud de patente EP n.° 15796448.7 presentada el 22 de mayo de 2015.

Campo de la invención

La invención se refiere a la detección de radiación y, más particularmente, a un dispositivo de formación de imágenes de detección comprimida por protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética que usa un único detector y máscaras codificadas.

Antecedentes de la invención

La formación de imágenes por rayos gamma es una capacidad de detección de radiación importante que puede proporcionar la ubicación e identidad de los radionucleidos emisores de rayos gamma. La formación de imágenes por rayos gamma se puede utilizar en muchas aplicaciones, incluyendo, pero sin limitarse al: desmantelamiento, descontaminación, supervisión ambiental (por ejemplo, estudios del sitio, prospecciones mineras), imágenes médicas (SPECT), aplicaciones de astronomía y seguridad nacional (por ejemplo, búsqueda de material radiológico y nuclear ilícito).

Las técnicas de formación de imágenes por rayos gamma tradicionales se basan o bien en enfocar una imagen en matrices muy costosas de detectores o bien en escanear lentamente en trama un único detector a través del plano de imagen. El gasto de las matrices de detectores pixeladas o las bajas velocidades de los sistemas de escaneo en trama son a menudo prohibitivos. A diferencia de los fotones ópticos, que se enfocan fácilmente, la naturaleza altamente penetrante de los fotones de rayos gamma los hace muy difíciles de enfocar. Los sistemas de formación de imágenes por rayos gamma que usan matrices de detectores pixelados usan por lo general un único micro orificio, múltiples ópticas estenopeica o de apertura codificada plana. Estos sistemas se usan para formar una imagen o una imagen codificada en la matriz de detectores. El uso de ópticas estenopeicas y de apertura codificada ha existido durante décadas en aplicaciones astronómicas y médicas. Los campos de visión de estos tipos de sistemas de formación de imágenes son de aproximadamente 30° - 40° en la dirección horizontal o vertical.

Los colimadores de modulación giratoria (RMC), introducidos por primera vez por Mertz en 1967, usan normalmente dos máscaras con hendiduras paralelas que recorren toda la longitud de la máscara. Cuando se giran las máscaras, la proyección de la máscara delantera parece orbitar la máscara trasera con respecto a la fuente. El giro de las máscaras crea un patrón de recuento modulado en el detector que depende del número de fuentes, intensidad de la fuente, ubicación y tamaño. El RMC tiene una serie de inconvenientes, incluyendo: un único RMC tiene dificultades para obtener imágenes de fuentes extendidas, tiene un pequeño campo de visión, cuando se usa un solo RMC, es imposible distinguir una fuente en el eje central de giro (véase B. R. Kowash, A Rotating Modulation Imager for the Orphan Source Search Problem, Tesis doctoral, 2008).

Las escenas para formar imágenes en muchas aplicaciones de formación de imágenes por rayos gamma son de naturaleza dispersa y requieren normalmente la detección de una o más fuentes puntuales. Para el caso simple de una fuente puntual única que se muestreará en una imagen de 16 * 16, y suponiendo que el fondo es cero, esto proporcionará 1 píxel distinto de cero y 255 píxeles de cero. En lugar de tomar N (en este caso 256) mediciones, la mayoría de las que serán cero, la intuición dice que las estrategias más inteligentes deberían poder determinar la ubicación del píxel distinto de cero en muchas menos de N mediciones. Esta intuición se ha demostrado recientemente a través del desarrollo de una nueva teoría de procesamiento de señales, conocida como detección comprimida. La detección comprimida está permitiendo nuevos enfoques para la formación de imágenes. El enfoque de detección comprimida puede producir imágenes con una fracción de las mediciones (en comparación con las técnicas de formación de imágenes tradicionales) y permite que se realicen opciones de sistema de bajo coste (único detector). Los sistemas de formación de imágenes de un solo píxel, basándose en la detección comprimida, se han desarrollado recientemente para longitudes de onda ópticas, infrarrojas y THz (véase RG Baraniuk y col., Method and Apparatus for Compressive Imaging Device, Patente de Estados Unidos n.° 8.199.244, 2012).

Por ejemplo, se conoce un sistema de formación de imágenes de terahercios que usa un detector de un solo píxel en combinación con una serie de máscaras aleatorias para permitir la adquisición de imágenes a alta velocidad (véase W. L. Chan y col., A Single-Pixel Terahertz Imaging System Based on Compressed Sensing, Applied Physics Letters, 93 121105 (2008)). Todos estos sistemas de formación de imágenes de un solo píxel usan algún tipo de lente para enfocar una imagen y usan después mediciones de compresión aleatorias para muestrear el plano de imagen. Sin embargo, debería ser posible realizar mediciones de compresión al muestrear el plano de la escena en lugar de formar una imagen y muestrear después. Huang y col. han adoptado este enfoque y describen un sistema de formación de imágenes ópticas de un solo píxel que no requiere lente. Usan un conjunto de apertura para muestrear aleatoriamente la escena y en ninguna etapa forman una imagen 'tradicional' (véase G. Huang y col., Lensless Imaging by Compressive Sensing, 2013).

El artículo de G. K. Skinner, Coded Mask Imagers: when to use them - and when not, (New Astronomy Reviews, vol.

48 (2004)) muestra un aparato de máscara que tiene varias configuraciones geométricas.

El documento US 2013/021613 A1 divulga un disco espacialmente selectivo que incluye una pluralidad de orificios dispuestos de tal manera que una matriz que tiene una pluralidad de filas, teniendo cada fila elementos correspondientes a una fracción de un píxel en una ventana de visualización proyectada sobre el disco que está respaldado por un orificio en una posición de giro distinta del disco, y filas linealmente independientes. Este documento divulga también un dispositivo de espectrometría que incluye un disco que tiene uno o más orificios, un motor configurado para girar el disco, una o más ópticas de conformación de haces dispuestas para asignar uno o más componentes espectrales de radiación de interés en una pluralidad de ubicaciones en el disco, y un receptor colocado para capturar el uno o más componentes espectrales que pasan a través de los orificios a medida que se gira el disco.

Althouse W. E. y col., en el artículo First flight for a new balloon-borne gamma-ray Imaging Telescope (Actas de la 28a Conferencia internacional en rayos cósmico, 1 (1987) págs. 84-87), divulga una carga útil de formación de imágenes por rayos gamma transportada por globo (GRIP) que incluye un telescopio de rayos gamma con una apertura codificada cubierta de plomo giratoria y una cámara de centelleo Nal(Tl) blindada de área grande.

El documento US 3.544.800 A divulga un aparato óptico para codificar el movimiento angular de un eje giratorio en el que un prisma de 45°-90°-45° está montado sobre el eje para girar una imagen proyectada sobre la hipotenusa del prisma. La imagen se proporciona mediante conteo primario y máscaras de referencia, formándose la imagen reflejada del prisma en máscaras secundarias de conteo y referencia que tienen un patrón codificado para proporcionar una salida digital que indica el giro del árbol.

El documento US8519343 B1 divulga un aparato de máscara para su uso en la detección comprimida de rayos gamma que comprende: una o más máscaras codificadas, teniendo cada una de las máscaras un cuerpo formado por un material que modula la intensidad de la radiación entrante; en donde cada una de la una o más máscaras tiene una pluralidad de regiones de apertura de máscara que permiten una mayor transmisión de la radiación en relación con otras porciones de la una o más máscaras codificadas, siendo suficiente la transmisión relativa para permitir la reconstrucción de las mediciones de detección comprimida. El artículo de G. K. Skinner, "Coded Mask Imagers: when to use them - and when not" publicado en New Astronomy Reviews, vol. 48 (2004), muestra un aparato de máscara que tiene varias configuraciones geométricas.

La presente invención supera las deficiencias de los enfoques anteriores de obtención de imágenes de rayos gamma mediante el diseño de un sistema en torno a los principios de la detección comprimida.

Objetivos y sumario de la invención

Un objeto de la invención proporcionar un dispositivo de formación de imágenes por rayos gamma que tome menos mediciones que las técnicas de formación de imágenes por rayos gamma anteriores. Las imágenes de una escena se pueden producir con menos mediciones que el número de píxeles en la imagen.

Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de formación de imágenes por rayos gamma que tenga un campo de visión más grande que las técnicas de formación de imágenes por rayos gamma basadas en apertura anteriores.

Un objeto de la invención es proporcionar un aparato de máscara que pueda muestrear aleatoriamente una escena para rayos gamma. Estas proyecciones aleatorias de la escena pueden usarse para reconstruir imágenes.

En un aspecto, la invención proporciona un aparato de máscara para su uso en la detección de protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante, de acuerdo con la reivindicación 1.

Las máscaras pueden ser cilíndricas y anidadas, y proporcionan preferiblemente un campo de visión horizontal de 360°; ; o hemisféricas y anidadas, con un campo de visión de 2n; o esféricas y anidadas, con un campo de visión de casi 4n.

Cada una de las máscaras puede tener una parte superior e inferior y el aparato de máscara un protector de radiación que cubre la parte superior e inferior de las máscaras.

La pluralidad de regiones de abertura de máscara de cada una de la una o más máscaras puede ser igual en número a una potencia de dos.

Cada una de las máscaras puede conformarse a partir de un material seleccionado del grupo que consiste en: tungsteno, plomo, oro, tantalio, hafnio y sus aleaciones.

Cada una de las máscaras puede formarse a partir de un material que modula la radiación de rayos gamma entrante; o de un material que modula la radiación electromagnética óptica, infrarroja o THz entrante; o de un material que modula los protones o electrones entrantes; o de un material que modula los neutrones entrantes; o de un material que modula tanto la radiación de rayos gamma como los neutrones entrantes; o de un material que modula tanto la radiación de rayos gamma como los neutrones entrantes en donde algunas de las regiones de apertura de máscara son regiones de modulación para rayos gamma y algunas de las regiones de apertura de máscara son regiones de modulación para neutrones.

Las máscaras pueden ser concéntricas.

El aparato de máscara puede comprender además un protector de radiación que rodea las máscaras y tiene una abertura que limita un campo de visión de un sensor de radiación ubicado dentro de la una o más máscaras. Por ejemplo, cada una de las máscaras puede tener una parte superior e inferior, y el aparato de máscara un protector de radiación adicional que cubre la parte superior e inferior de las máscaras.

En otro aspecto, la invención proporciona un método de detección de radiación, de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende:

realizar (por ejemplo, por detección comprimida) mediciones con al menos un sensor de radiación y un aparato de máscara de este tipo, incluyendo la detección de protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante transmitida por el aparato de máscara con el sensor de radiación, y generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones (por ejemplo, detección comprimida), tal como con un algoritmo de reconstrucción de detección comprimida.

El método puede comprender generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones (por ejemplo, detección comprimida) usando un algoritmo de reconstrucción de detección comprimida, tal como un método de proyección de gradiente, un método iterativo de contracción/umbralización, un método de búsqueda coincidente o un algoritmo de Proyección de Gradiente para Reconstrucción Escasa (GPSR).

De acuerdo con este aspecto, la invención proporciona también un método de desmantelamiento, descontaminación, supervisión ambiental, imágenes médicas, astronomía o seguridad, que comprende un método de detección de radiación de este tipo, de acuerdo con la reivindicación 12.

En otro aspecto, la invención proporciona un generador de imágenes de radiación (por ejemplo, de detección comprimida), de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende:

un aparato de máscara como se describe en el aspecto anterior, y al menos un sensor de radiación;

en donde el generador de imágenes está configurado para realizar (por ejemplo, por detección comprimida) mediciones con el al menos un sensor de radiación de los protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante transmitida por el aparato de máscara y para generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones.

El generador de imágenes puede configurarse para generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones usando un algoritmo de reconstrucción de detección comprimida, tal como un método de proyección de gradiente, un método iterativo de contracción/umbralización, un método de búsqueda coincidente o un algoritmo de Proyección de Gradiente para Reconstrucción Escasa (GPSR).

El al menos un sensor de radiación puede comprender:

i) al menos un sensor de radiación de rayos gamma, de manera que el generador de imágenes de radiación constituye un generador de imágenes de radiación de rayos gamma; o

ii) al menos un sensor de neutrones, de manera que el generador de imágenes de radiación constituye un generador de imágenes de radiación de neutrones; o

iii) al menos un sensor de modalidad dual que detecta tanto rayos gamma como neutrones.

El generador de imágenes puede configurarse para superponer los datos de imagen de radiación y una imagen óptica o infrarroja correspondiente a un campo de visión común.

Breve descripción de las figuras de los dibujos

Para que la invención se entienda mejor, ahora se hace referencia a las siguientes figuras de dibujo en las que:

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un único detector, máscara y protector de 270 grados.

La Figura 2 es un diagrama esquemático del único detector, máscara y protector de la Figura 1, que muestra protectores superior e inferior adicionales.

La Figura 3 es un diagrama esquemático de un único detector y dos máscaras cilíndricas giratorias, anidadas.

La Figura 4 es un diagrama esquemático de un único detector y dos máscaras concéntricas que muestran la alineación y el estrechamiento de las aperturas.

La Figura 5 es un diagrama esquemático de dos máscaras concéntricas que muestran ranuras en movimiento como un sistema de apertura.

La Figura 6 es un diagrama esquemático de una máscara que tiene elementos flotantes unidos a un sustrato. La Figura 7 es un diagrama esquemático de un único detector y dos máscaras hemisféricas concéntricas por encima de un plano común.

Las Figuras 8 y 9 son diagramas esquemáticos de máscaras esféricas anidadas.

La Figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un método de operación de la invención.

La Figura 11 es un diagrama esquemático de una máscara codificada con elementos de bloqueo de rayos gamma y neutrones separados.

Las Figuras 3 a 11 ilustran varias realizaciones que caen dentro del alcance de la invención reivindicada.

Descripción detallada de las realizaciones

Disposición y detección del generador de imágenes

Como se muestra en las Figuras 1 y 2, un único detector de rayos gamma 10 está ubicado en el centro de una máscara 11 que rodea o encierra el detector 10. El detector está ubicado en el centro de la máscara o máscaras: preferiblemente el detector ocupa un centro o eje de giro de la máscara 11. Se puede usar una máscara cilíndrica o esférica 11. Aunque se puede usar una posición de detector no central, tendrá un campo de visión ligeramente diferente. Se puede usar más de un detector 12, 13 y estos detectores adicionales pueden estar en diferentes posiciones. El uso de múltiples detectores puede reducir el tiempo de formación de imágenes.

Una pantalla de radiación opcional cilíndrica u otra 14 puede tener una abertura arqueada 15 para limitar el campo de visión a un arco definido por la abertura 15. La máscara 11 puede indexarse o girarse mediante una plataforma giratoria 19 accionada por motor paso a paso o un motor paso a paso 20 directamente engranado o de otra manera para adaptarse a la máscara codificada o metodología óptica que se está empleando. Mediante el uso de motores paso a paso 20, engranajes 21 y un ordenador de control 22 que tiene, por ejemplo, capacidades de visualización e impresión para generar una imagen a partir de los datos recopilados y procesados, la recopilación de datos y el movimiento/giro coordinados de la máscara pueden automatizarse. El movimiento de la máscara puede ser en etapas discretas o en un movimiento continuo.

Como se muestra en la Figura 2, cuando se usa una máscara cilíndrica 11, la parte superior e inferior generalmente necesitan estar cubiertas por un protector 16, 17, de modo que la única radiación que llega al detector es a través de las aberturas abiertas 18 de la máscara 11 que no están protegidas de otra manera.

El generador de imágenes por rayos gamma de detección comprimida puede usarse junto con cualquier sensor sensible a rayos gamma 10,12,13. Los sistemas de detección de rayos gamma convencionales basados en materiales como el Yoduro De Sodio (NaI), Yoduro de cesio (Csl), Germanato de bismuto (BGO), Telururo de cadmio (CdTe), Telururo de cadmio y zinc (CZT), Germanio de alta pureza (HPGe), Yoduro de estroncio (Srh) y CLYC pueden usarse. Los detectores espectroscópicos que determinan la energía de cada fotón medido se pueden usar para identificar el radionúclido del que se está formando la imagen. Los detectores no espectroscópicos que solo registran recuentos brutos proporcionarán información general sobre puntos calientes de radiación. Otros equipos de detección de radiación, tales como medidores de tasa de dosis, podrían usarse como sensor y, en este caso, mapearía la dosis en el campo de visión.

La realización preferida usa un detector espectroscópico que mide la energía de cada fotón de rayos gamma detectado. Los valores de recuento de fotones de cualquier contenedor de energía particular o rango de contenedores de energía pueden usarse como los datos observados de un conjunto de mediciones. La reconstrucción de los datos de recuento de fotones observados para una región de pico dada de interés (por ejemplo, la línea 60 keV 241Am) proporcionará la ubicación del 241Am, siempre que el radionúclido esté presente. La reconstrucción de los datos de fotones observados para regiones de interés adicionales puede proporcionar la ubicación de radionucleidos adicionales.

Un generador de imágenes de neutrones de detección comprimida puede usarse junto con cualquier sensor o sensores sensibles a neutrones 10, 12, 13.

Sensores de modalidad dual 10, 12, 13, que incluyen, pero sin limitación, CLYC, pueden usarse para medir la modulación tanto de los rayos gamma como de los neutrones.

Se apreciará que las enseñanzas de esta invención pueden aplicarse a radiación de cualquier longitud de onda (o a partículas de neutrones, protones y electrones) usando la máscara y el detector apropiados.

Máscara y aperturas de máscara

Las aberturas o aperturas de patrón de máscara están dispuestas preferiblemente en filas y columnas. La ubicación de las aberturas de patrón de máscara 18 puede, por ejemplo, producirse aleatoriamente. Por ejemplo, en una posible máscara de aperturas de 16 * 16 hay un total de 256 aperturas numeradas. Se usa un generador de números aleatorios para seleccionar aleatoriamente 128 de los números de apertura entre 1 y 256. Estos 128 números se establecen entonces para que sean las aberturas abiertas. Las 128 ubicaciones restantes (de los 256 números originales) se establecen como cero (cerradas). Esto proporciona un patrón de máscara que está abierto al 50 %. Para máscaras giratorias, donde las columnas de máscara están indexadas o giradas, la selección aleatoria de aberturas abiertas/cerradas puede hacerse para cada fila en lugar de toda la máscara. Esto garantizaría que cada fila de máscara esté abierta al 50 % (por ejemplo) y evitaría situaciones en las que una fila tenga demasiadas o muy pocas aberturas abiertas, lo que puede afectar a la reconstrucción de la imagen.

La geometría del sistema definirá la resolución espacial. El tamaño de la abertura debería ser preferiblemente igual o mayor que las dimensiones del detector. Por ejemplo, un sistema puede tener aberturas 18 con dimensiones de 0,5 cm * 0,5 cm y el área de sección transversal del detector también debe ser de 0,5 cm * 0,5 cm o menos. Cuanto más lejos esté el detector de la máscara, entonces mejor será la resolución espacial.

Se pueden usar detectores con dimensiones mayores que las de la abertura, sin embargo, para este caso habrá una superposición aumentada entre los campos de visión de las aberturas adyacentes. Esta superposición (que es una degradación/borrosidad en la resolución espacial) puede eliminarse desconvolucionando la función de respuesta de la máscara.

La forma de sección transversal de abertura preferida es cuadrada. El número preferido de aberturas es una potencia de 2 (por ejemplo, 64, 128, 256, 512, 1024), aunque no es imprescindible. Se prefiere que haya una separación mínima o nula entre las aberturas de la máscara.

El espesor de la máscara dependerá de la aplicación. Para la formación de imágenes de fotones de alta energía (por ejemplo, los fotones de 1,3 MeV de 60Co) un espesor de máscara total de 2 cm de plomo atenuaría aproximadamente el 72 % de los fotones de 1,3 MeV.

Los materiales de máscara están hechos de un material de cuerpo que puede modular suficientemente la intensidad de la radiación entrante. Para los rayos gamma de alta energía, los materiales normalmente tendrán un número atómico (Z) alto y una densidad alta, que absorbería (atenuaría) la radiación de rayos gamma. Los materiales convencionales podrían incluir, entre otros, tungsteno, plomo, oro, tantalio, hafnio y sus aleaciones o compuestos (por ejemplo, impresión 3D: mezcla de polvo de tungsteno con epoxi). Para fotones de rayos gamma de baja energía, los materiales de baja a media Z, tales como acero, son suficientes para modular la intensidad de los fotones. En una realización preferida, el material de máscara atenuará los fotones para modular la intensidad de los fotones. Otras realizaciones pueden usar otros mecanismos de interacción, como la dispersión Compton, si muestran una modulación apreciable en la intensidad de los fotones.

Para obtener imágenes de radiación de neutrones, el cuerpo de máscara necesitará modular la intensidad de neutrones y, por lo tanto, los materiales de máscara requerirán una sección transversal de interacción de neutrones alta. Los materiales del cuerpo de máscara de neutrones pueden incluir, pero sin limitarse a: Hafnio, Gadolinio, Cadmio, materiales dopados con Boro, materiales ricos en Hidrógeno y sus combinaciones.

Las máscaras pueden diseñarse a partir de materiales que permitirían la modulación tanto de rayos gamma como de neutrones. Un único material, como el hafnio, puede ser adecuado para modular la intensidad tanto de los rayos gamma como de los neutrones. El uso de múltiples materiales, por ejemplo, una combinación de tungsteno y cadmio, puede ser adecuado para modular las intensidades tanto de los rayos gamma como de los neutrones. Las aberturas abiertas, para la máscara de rayos gamma, puede consistir en algún material rico en hidrógeno que no influya en la modulación de la intensidad de los rayos gamma. Estas aberturas ricas en hidrógeno representarían entonces las aberturas cerradas o regiones de modulación para la máscara de neutrones. Por extensión, estos materiales de máscara podrían usarse para modular la intensidad de cualquier longitud de onda EM (es decir, óptica, infrarrojos, THz, etc.) o cualquier partícula (es decir, electrones, protones).

Como se muestra en la Figura 11, una máscara codificada es capaz de modular tanto los rayos gamma como los neutrones por separado, es decir, usándose algunas regiones de máscara para bloquear rayos gamma únicamente y usándose algunas regiones de máscara para bloquear únicamente neutrones. En el ejemplo de la Figura 11, un subconjunto de regiones de máscara (representadas en negro sólido) se fabrican a partir de un material que modula los rayos gamma únicamente. Otro subconjunto de regiones de máscara 92 (representadas en blanco) modula únicamente neutrones y no rayos gamma. Las máscaras de este tipo pueden fabricarse de acuerdo con cualquiera de las técnicas y materiales, formas o configuraciones desveladas o sugeridas por esta memoria descriptiva.

Las máscaras son múltiples y pueden anidarse, ser rectangulares, circulares, arqueadas, hemisféricas o esféricas. Las mediciones consecutivas requeridas para la detección de máscara codificada requerirán un nuevo patrón de máscara obtenido reemplazando una máscara actual por una nueva, en donde una de las máscaras codificadas gira con respecto a otra de las máscaras codificadas. Las formas de máscara plana tendrán un campo de visión limitado, ya que solo miran en la dirección hacia delante, con el ángulo del campo de visión determinado por el detector y la geometría de la máscara.

La ventaja de máscaras arqueadas, cilíndricas o esféricas es que son posibles grandes campos de visión (FOV). Las cámaras actuales de rayos gamma de orificio estenopeico/apertura codificada disponibles comercialmente tienen FOV horizontal y vertical entre aproximadamente 30° y 40°. Una realización de máscara cilíndrica vertical tendría un FOV horizontal de 360°, una realización de máscara hemisférica tendría un FOV de 2n y una realización de máscara esférica tendría un FOV cercano a 4. Otras realizaciones pueden incluir, pero sin limitación: máscaras de forma de elipsoide, cono, cuboide o hexagonal.

En el caso de una realización de máscara cilíndrica única, el giro de la máscara en una columna constituiría un nuevo patrón de máscara que visualiza el FOV deseado para una nueva medición. Para una realización de máscara cilíndrica única, se puede usar un protector de radiación para restringir el FOV y, por lo tanto, tener un gran número de columnas para permitir más mediciones (véase Figura 2). La desventaja del enfoque de máscara cilíndrica única es que se requieren más columnas para realizar más mediciones, lo que aumenta el diámetro del cilindro y el tamaño físico de todo el sistema.

Como se muestra en la Figura 3, un enfoque que utiliza una máscara anidada o dentro de una máscara (o enfoque de máscara dual o múltiple), donde cada cuerpo de máscara 35, 36 puede moverse o ser indexado por el ordenador 22 de forma independiente, permite muchas más mediciones a partir del número de posibles combinaciones de los dos patrones de máscara. En una realización preferida, el enfoque de máscara dual consistiría en un cilindro dentro de un cilindro (véase Figura 3). Cada máscara se gira independientemente de la manera sugerida para una única máscara en la Figura 2 alrededor de un eje de detección o eje de formación de imágenes a lo largo del cual puede ubicarse un detector. El gran número de patrones de máscara (y, por lo tanto, de mediciones) permitiría un sistema más compacto (menos columnas totales en un cilindro) que podría generar imágenes de un FOV de 360°. También se puede hacer un argumento similar para los diseños de máscara hemisférica y esférica dual. Para el enfoque de máscara dual, la fracción abierta combinada de la máscara puede aproximarse al 50 %, pero habrá una variación en esto a medida que se giren las máscaras. Una máscara puede indexarse en ángulo de giro para una revolución completa antes de que la otra máscara sea indexada por una sola columna, generando así una serie de máscaras virtuales, siendo el número de columnas al cuadrado. En otras realizaciones, las máscaras giran en sentido contrario por una columna en una disposición alterna o no alterna. Cada máscara virtual se usa para una medición de radiación antes de que se genere la siguiente máscara. Cada máscara solo necesita girar en una dirección.

La forma en sección transversal o proyectada de las aberturas de máscara puede incluir, pero sin limitarse a: cuadrada, rectangular, circular, triangular y hexagonal. Puede haber o no separación entre las aberturas de máscara. En una realización preferida de un sistema de máscara única, la forma de abertura de la máscara es cuadrada.

Como se muestra en la Figura 4, para una realización de máscara dual, las dimensiones y la orientación de la máscara interna 30 y externa 31 pueden ser diferentes, de tal manera que estén ahusadas 32 (pero alineadas en cuanto a sus bordes) para producir el mismo FOV para las máscaras interna y externa con respecto al detector 33. Las formas tridimensionales de estas aberturas 34 pueden incluir, pero sin limitación, un prisma trapezoidal y un cono.

Como se muestra en la Figura 5, las aberturas abiertas pueden formarse a través de la superposición de estructuras abiertas continuas, en forma de líneas en espiral 41 o alguna otra estructura en una máscara y otra forma tal como una hendidura vertical 43 en la otra máscara. El giro de las máscaras 42, 44 entre sí produce una apertura codificada.

El patrón de máscara puede ser aleatorio, pseudo-aleatorio, no aleatorio o determinista en s diseño. Normalmente, se requerirá que el patrón de máscara cumpla las condiciones definidas para que funcione la detección comprimida. Una representación del patrón de máscara, en forma de matriz, se usaren el proceso de reconstrucción. La matriz de detección utilizada en la reconstrucción puede ser una matriz circulante o Toeplitz, lo que puede proporcionar un tiempo de cálculo más rápido. En una realización preferida, se genera un patrón de máscara pseudoaleatorio donde cada elemento de máscara tiene una probabilidad igual de ser 1 (abierto -100 % de transmisión) o 0 (cerrado - 0 % de transmisión). El porcentaje de transmisión para un elemento de máscara cerrado debe ser un valor inferior al 100 %, por ejemplo, preferiblemente del 0 %, pero una transmisión del 50 % seguirá siendo suficiente para modular eficazmente la intensidad para reconstruir una imagen. El porcentaje de transmisión se refiere a la naturaleza penetrante aumentada de los rayos gamma de mayor energía. Por ejemplo, un elemento de máscara cerrado que consiste en un cable de 10 mm puede tener una transmisión del 0 % para fotones de rayos gamma de 60 keV, pero su transmisión porcentual puede ser de aproximadamente el 53 % para fotones de rayos gamma de 1332 keV. Habrá un punto en el que los porcentajes de transmisión para las aberturas abiertas y cerradas están demasiado cerca entre sí para modular la intensidad de fotones lo suficiente como para reconstruir una imagen. A modo de ejemplo, porcentajes de transmisión del 100 % y dl 90 %, para aberturas abiertas y cerradas respectivamente, pueden estar demasiado cerca entre sí para una modulación suficiente en la intensidad del fotón. Puede haber más de dos niveles de transmisión dentro de la máscara para una energía dada, por ejemplo, tres niveles de transmisión pueden ser del 33 %, del 66 % y del 100 %. Otros niveles de transmisión pueden ser del 25 %, del 50 %, del 75 % y del 100 % o del 16 %, del 4 % y del 100 %. En el último ejemplo, la proximidad de los dos estados de transmisión inferiores hará que los tres niveles de transmisión se asemejen a dos niveles, proporcionando potencialmente tiempos de reconstrucción más rápidos, reconstrucción de mayor calidad y pocas mediciones. Los niveles de transmisión pueden cubrir dos o más niveles entre el 0 % y el 100 %. Los valores de matriz de detección pueden ser los valores de atenuación para energías de rayos gamma particulares. Se pueden usar diferentes valores de atenuación y, por lo tanto, diferentes matrices de detección para reconstrucciones a diferentes energías de rayos gamma.

Como se muestra en la Figura 6, el patrón de máscara para cualquier máscara de forma puede generarse de manera que la estructura de máscara sea autoportante. Por ejemplo, los patrones de máscara con una matriz de elementos "cerrados" flotantes o no unidos 50 están fijados, adheridos o unidos a un sustrato no enmascarante 51. Por tanto, los elementos de máscara 50 opacos a la radiación no necesitan estar unidos entre sí de otra manera que no sea por el sustrato 51. Como alternativa, se pueden seleccionar patrones de máscara sin elementos "cerrados" flotantes o no unidos 50, lo que no requeriría un sustrato 51, sino que requeriría que los elementos cerrados exteriores 50 se fijen a una estructura común.

Como se muestra en las Figuras 7-9, la máscara o máscaras pueden ser hemisféricas, esféricas o una parte de una esfera tal como una tapa por encima de cualquier plano secante dado u opcionalmente un segmento entre dos planos. La Figura 7 muestra dos máscaras anidadas y concéntricas en forma de casquetes esféricos, una tapa interior 61 y una tapa exterior 62, siendo ambas hemisferios con los rebordes (o filas más bajas) de ambas en un plano común. Una o ambas máscaras 61, 62 se giran en posiciones de muestreo de datos en donde las columnas 63, 64 y las filas de ambas están alineadas o en registro cuando se muestrean o adquieren datos. Ambas tienen el mismo número de columnas y filas. Cada fila ocupa una zona de una esfera entre dos planos paralelos. En un ejemplo, la máscara hemisférica interior 61 está indexada por una columna en una dirección y la máscara exterior 62 está indexada o girada por un ángulo definido por una única columna en la dirección opuesta, consistente con la Figura 3. T ener ambas máscaras moviéndose simultáneamente ofrece una mayor variabilidad en la que los elementos de máscara están abiertos o cerrados en comparación con tener una máscara estacionaria y la otra máscara en movimiento. Esta disposición permite la formación de imágenes de máscara codificada de único detector de todo el espacio por encima del plano que incluye los rebordes 65, 66.

Las Figuras 8 y 9 ilustran el uso de dos máscaras u opcionalmente dos pares de máscaras anidadas 71, 72 que son esféricas y concéntricas. De esta manera, se puede obtener una imagen de todo el espacio alrededor del detector o detectores centrales. Cada máscara esférica o emparejamiento de máscaras 71, 72 puede formarse a partir de 2 máscaras hemisféricas o emparejamientos de máscaras como se muestra en la figura 7. Cada máscara en la disposición tendrá su propio sistema de accionamiento que comprende una disposición de plataforma giratoria o motor paso a paso, accionado por el ordenador del sistema 22 (véase Figura 2).

Diseño geométrico de máscara

El diseño de la máscara estará dictado por los requisitos de la aplicación de formación de imágenes radiológicas en cuestión. La geometría del sistema influirá en el rendimiento del sistema, como la resolución espacial, FOV y sensibilidad. Los parámetros geométricos de importancia incluyen: las dimensiones del detector, la distancia del detector a máscara, las dimensiones de apertura (es decir, espesor, largo y ancho), la distancia de la máscara al origen, el espesor septal, el número de aperturas de máscara y el ángulo subtendido desde el centro del detector y dos aperturas de máscara vecinas. Por ejemplo, una apertura de máscara más pequeña proporcionará una resolución espacial más alta.

Algoritmo de reconstrucción

Hay un gran número de algoritmos de reconstrucción que se han usado para la detección comprimida. Por ejemplo, existen métodos de proyección de gradiente, métodos iterativos de contracción/umbralización y métodos de búsqueda coincidente (véase R. M. Willett, R. F. Marcia y J. M. Nichols, Compressed Sensing for Practical Optical Imaging Systems: a Tutorial, Optical Engineering Vol. 50(7), julio de 2011). Cualquiera de estos métodos o algún otro método apropiado puede usarse para reconstruir las mediciones de detección comprimida. La implementación de detección comprimida de ANSTO usó el algoritmo Gradient Projection for Sparse Reconstruction (GPSR) (véase Gradient Projection for Sparse Reconstruction: Application to Compressed Sensing and Other Inverse Problems, de M. A. Figueiredo, R. D. Nowak, S. J. Wright, Journal of Selected Topics in Signal Processing, Diciembre de 2007).

Fusión de imágenes

La imagen de rayos gamma que se genera después de las mediciones de detección comprimida puede superponerse con una imagen óptica que se registra en el mismo campo de visión. La imagen de neutrones puede superponerse con una imagen óptica. Las imágenes de radiación superpuestas con una imagen óptica ayudarán al usuario a visualizar la ubicación de las fuentes de radiación. Las imágenes de radiación pueden superponerse con imágenes en cualquier otra longitud de onda (por ejemplo, infrarrojo).

Método

Como se muestra en la Figura 10, una fuente emite radiación 80. Esa radiación 80 pasa a través de una máscara o máscaras 81 como se ha divulgado anteriormente. El ordenador del sistema 22 hace que el detector 10 opere o toma una lectura de un detector operativo 82. El detector transmite a continuación un valor medido 83 al ordenador 22. El ordenador guarda y usa el valor y el posicionamiento de la máscara o máscaras para compilar datos que se reconstruirán en una imagen. A continuación, el ordenador hace que el motor o motores que controlan la máscara o máscaras giren o indexen a la siguiente posición de medición. La radiación pasa después a través, en efecto, de una nueva máscara u orientación de máscara 81 a medida que se repite el proceso. Aunque la invención se ha descrito con referencia a ejemplos específicas, los expertos en la materia apreciarán que la invención puede realizarse de muchas otras formas.

Como se usa en el presente documento, a menos que se especifique lo contrario, el uso de los adjetivos ordinales "primer", "segundo", "tercer", etc., para describir un objeto común, indican simplemente que se hace referencia a diferentes instancias de objetos similares, y no pretenden implicar que los objetos así descritos deban estar en una secuencia dada, ya sea temporalmente, espacialmente, de clasificación o de cualquier otra manera. La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización" o "la realización" o "ejemplo" significa que un aspecto, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención. Por tanto, la presencia de las expresiones "en una realización" o "en un ejemplo" en varios lugares a lo largo de toda esta memoria descriptiva, no tienen por qué referirse todas necesariamente a la misma realización o ejemplo, pero puede. Asimismo, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como sería evidente para un experto en la materia a partir de esta divulgación, en una o más realizaciones.

De manera similar, debería apreciarse que en la descripción anterior de realizaciones de ejemplo de la invención, en ocasiones, varios rasgos de la invención se agrupan en una única realización, figura o descripción de la misma con el fin de simplificar la divulgación y ayudar en la comprensión de uno o más de los diversos aspectos inventivos. Este método de divulgación, sin embargo, no debe interpretarse como un reflejo de la intención de que la invención reivindicada requiera más rasgos que las que se mencionan expresamente en esa reivindicación. En su lugar, como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos inventivos se encuentran en menos de todos los rasgos de una única realización divulgada anteriormente. Cualquiera de las reivindicaciones que siguen la Descripción detallada se incorporan expresamente a esta Descripción detallada, siendo independiente cada reivindicación como una realización separada de esta invención.

A menos que se indique específicamente lo contrario, como es evidente a partir de los siguientes análisis, se aprecia que a lo largo de los análisis de la presente memoria descriptiva se usan términos como "procesar", "computar", "calcular", "determinar" o similares, se refieren a la acción y/o procesos de un microprocesador, controlador o sistema informático, o dispositivos informáticos electrónicos o de procesamiento de señales similares, que manipula y/o transforma datos.

Asimismo, si bien que algunas realizaciones descritas en el presente documento incluyen algunos pero no otros rasgos incluidos en otras realizaciones, las combinaciones de rasgos de diferentes realizaciones están destinadas a estar dentro del alcance de la invención y forman diferentes realizaciones, como entenderían los expertos en la materia. El alcance de la invención definiéndose por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de máscara para su uso en la detección de protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante, que comprende:

una pluralidad de máscaras codificadas (30, 31; 42, 44; 51; 61, 62; 71, 72), teniendo cada una de las máscaras (30, 31; 42, 44; 51; 61, 62; 71, 72) un cuerpo formado por un material que modula la intensidad de los protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante;

en donde cada una de las máscaras codificadas (30, 31; 42, 44; 51; 61,62; 71, 72) tiene una pluralidad respectiva de regiones de apertura de máscara (18; 34; 41, 43; 91, 92) que permiten una mayor transmisión de la radiación en relación con otras porciones de las máscaras codificadas;

caracterizado por que

una o más de las máscaras codificadas (30, 31; 42, 44; 51; 61,62; 71,72) están configuradas para girar de manera que

al menos una de las máscaras codificadas (30; 42; 61; 71) está configurada para girar con respecto a otra de las máscaras codificadas (31; 44; 62; 72); y

dichas máscaras codificadas son cilíndricas (30, 31; 42, 44) y anidadas, hemisféricas (61,62) y anidadas, esféricas (71, 72) y anidadas, parte de una esfera y anidadas, elipsoidales y anidadas, hexagonales, rectangulares o circulares.

2. El aparato de máscara de la reivindicación 1, en donde el aparato de máscara tiene dos máscaras codificadas (30, 31; 42, 44; 61,62; 71, 72) que están anidadas.

3. El aparato de máscara de cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde:

las máscaras (30, 31; 42, 44) son cilíndricas y anidadas, y proporcionan preferiblemente un campo de visión horizontal de 360°; o

las máscaras (61,62) son hemisféricas y anidadas, y el aparato de máscara tiene un campo de visión de 2n; o las máscaras (71,72) son esféricas y anidadas, y el aparato de máscara tiene un campo de visión de casi 4n.

4. El aparato de máscara de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

cada una de las máscaras (30, 31; 42, 44) tiene una parte superior e inferior y el aparato de máscara comprende además un protector de radiación (16, 17) que cubre la parte superior e inferior de las máscaras (30, 31; 42, 44 ).

5. El aparato de máscara de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

la pluralidad de regiones de abertura de máscara (18; 34; 41,43; 91, 92) de cada una de las máscaras (30, 31; 42, 44; 51; 61, 62; 71,72) son iguales en número a una potencia de dos.

6. El aparato de máscara de la reivindicación 1, en donde cada una de las máscaras (30, 31; 42, 44; 51; 61, 62; 71, 72) se forma:

conformada a partir de un material seleccionado del grupo que consiste en: tungsteno, plomo, oro, tantalio, hafnio y sus aleaciones; o

de un material que modula la radiación de rayos gamma entrante; o

de un material que modula la radiación electromagnética óptica, infrarroja o THz entrante; o

de un material que modula los protones o electrones entrantes; o

de un material que modula los neutrones entrantes; o

de un material que modula tanto la radiación de rayos gamma como los neutrones entrantes; o de un material que modula tanto la radiación de rayos gamma como los neutrones entrantes en donde algunas de las regiones de apertura de máscara (18; 34; 41, 43; 91, 92) son regiones de modulación para rayos gamma y algunas de las regiones de apertura de máscara (18; 34; 41, 43; 91, 92) son regiones de modulación para neutrones.

7. El aparato de máscara de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

las máscaras (30, 31; 42, 44; 61, 62; 71, 72) son concéntricas.

8. El aparato de máscara de la reivindicación 1, que comprende además un protector de radiación (14) que rodea las máscaras (30, 31; 42, 44; 61,62; 71, 72);

en donde el protector de radiación (14) tiene una abertura (15) que limita un campo de visión de un sensor de radiación (10; 12, 13; 33) ubicado dentro de las máscaras (30, 31; 42, 44; 61, 62; 71, 72).

9. El aparato de máscara de la reivindicación 8, en donde cada una de las máscaras (30, 31; 42, 44; 61, 62; 71, 72) tiene una parte superior e inferior y el aparato de máscara comprende además un protector de radiación (16, 17) que cubre la parte superior e inferior de las máscaras (30, 31; 42, 44; 61, 62; 71, 72).

10. Un método de detección de radiación, que comprende:

realizar mediciones con al menos un sensor de radiación (10; 12, 13; 33) y un aparato de máscara de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, incluyendo la detección de protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante transmitida por el aparato de máscara con el sensor de radiación (10; 12, 13; 33), y generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones usando un algoritmo de reconstrucción de detección comprimida, tal como un método de proyección de gradiente, un método iterativo de contracción/umbralización, un método de búsqueda coincidente o un algoritmo de Proyección de Gradiente para Reconstrucción Escasa (GPSR).

12. Un método de desmantelamiento, descontaminación, supervisión ambiental, imágenes médicas, astronomía o seguridad, que comprende un método de detección de radiación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11.

13. Un generador de imágenes de radiación, que comprende:

un aparato de máscara de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9; y

al menos un sensor de radiación (10; 12, 13; 33);

en donde el generador de imágenes está configurado para realizar mediciones con el al menos un sensor de radiación (10; 12, 13; 33) de los protones, neutrones, electrones o radiación electromagnética entrante transmitida por el aparato de máscara y para generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones.

14. Un generador de imágenes de radiación de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el generador de imágenes está configurado para generar datos de imagen de radiación a partir de las mediciones usando un algoritmo de reconstrucción de detección comprimida, tal como un método de proyección de gradiente, un método iterativo de contracción/umbralización, un método de búsqueda coincidente o un algoritmo de Proyección de Gradiente para Reconstrucción Escasa (GPSR).

15. Un generador de imágenes de radiación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 o 14, en donde el al menos un sensor de radiación (10; 12, 13; 33) comprende:

i) al menos un sensor de radiación de rayos gamma (10; 12, 13; 33), de manera que el generador de imágenes de radiación constituye un generador de imágenes de radiación de rayos gamma; o

ii) al menos un sensor de neutrones, de manera que el generador de imágenes de radiación constituye un generador de imágenes de radiación de neutrones; o

iii) al menos un sensor de modalidad dual (10; 12, 13; 33) que detecta tanto rayos gamma como neutrones.

16. Un generador de imágenes de radiación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en donde generador de imágenes está configurado para superponer los datos de imagen de radiación y una imagen óptica o infrarroja correspondiente a un campo de visión común.