شبیه‌سازی و ارزیابی عملکرد سامانه تصویرگر گامای حفره‌ کدگذاری شده با میدان دید وسیع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده و پژوهشکده علوم پایه، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

مکان‌یابی دقیق مواد پرتوزا در تصویربرداری هسته‌ای امری بسیار مهم است. ایمنی و امنیت در برابر تهدید فزاینده حملات با استفاده از مواد پرتوزا، نظارت بر مرزها، تروریسم و همچنین افزایش تعداد نیروگاه‌های هسته‌ای، توسعه یک سیستم قابل اتکا جهت تصویربرداری از طیف وسیع پرتوهای گاما در فواصل مختلف را ضروری می‌سازد؛ تا بتواند منابع پرتوزایی را در زمانی مناسب شناسایی و در میدان دید جایگزیده کند. مواد پرتوزا در پزشکی، آزمایش‌های غیر مخرب، سلاح‌های هسته‌ای، تولید برق و غیره استفاده می‌شوند. مزیت اصلی تصویربرداری با حفره‌های کد گذاری‌شده (CAI) نسبت به سایر روش‌های تصویربرداری به دلیل حفره‌های متعددی است که میزان فوتون‌های ورودی به آشکارساز را افزایش می‌دهند و در نتیجه تصویری بهتر و البته پیچیده‌تر را ایجاد می‌کنند. پس از فرآیند رمزگشایی، با اعمال الگوریتم MLEM وضوح به مراتب افزایش می‌یابد. در این مقاله، شبیه‌سازی دوربین گاما به همراه حفره‌های کدگذاری شده MURA به صورت موزاییکی، در کد GATE برای تصویربرداری از چشمه‌های سزیوم-137 و امرسیوم-241 توسط آشکارساز NaI(Tl) با ابعاد 2×27×27 صورت پذیرفته و توان تفکیک این سامانه برای دو چشمه‌ مذکور، در فاصله 3 متری از دوربین بررسی و توان تفکیک زاویه‌ای به میزان مناسبی حاصل شده است (حدود 7 درجه)؛ در ادامه نیز حداقل دوز معادل جهت تصویربرداری در فاصله 10 متر برای چشمه سزیوم-137،‌ 179 /0 (با فعالیت چشمه 6 میکروکوری) برآورد گردیده است و میزان سیگنال به نوفه پایین در این فاصله، برابر با 10/3 گردید و با اعمال الگوریتم MLEM مقدار آن 96/17 شد. اهمیت این پژوهش متکی بر مطالعه محلی‌سازی چشمه پرتوزا به‌ویژه در خلال خلع سلاح هسته‌ای، رصد مرزها و رفع آلودگی است؛ چرا که اغلب مکان واقعی چشمه پرتوزا ناشناخته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation and performance evaluation of coded aperture gamma imager system with wide field of view

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammad Reza Hashemi
  • Parviz Hoseinkhani
  • Hamidreza Shakur
Faculty of Science, University of Imam Hossein, Babaei Hwy, Tehran, Iran
چکیده [English]

Accurate detection and localization of radioactive materials is crucial in nuclear imaging, especially given the growing threat of attacks and proliferation of nuclear power plants. A dependable imaging system capable of detecting gamma rays at varying distances is essential for timely identification and localization of radiation sources. Coded aperture imaging (CAI) is a promising method due to its ability to capture more photons and produce higher quality images, albeit more complex. The resolution of decoded images can be improved with the maximum likelihood expectation maximization (MLEM) algorithm. In this study, the GATE code was used to simulate a gamma camera with mosaic MURA coded apertures, with a NaI(Tl) detector measuring 27 × 27 × 2 cm³, to image sources of cesium-137 and americium-241. An angular resolution of about 7 degrees was achieved at a distance of 3 meters. estimated minimum equivalent dose for imaging at a distance of 10 meters using the cesium-137 source was 0.179 nSv/hr (with an activity of 6 microcuries). The signal-to-noise ratio at this distance was equal to 3.10, but after applying the MLEM algorithm, it increased to 17.96. The importance of this research lies in its potential applications for nuclear disarmament, border monitoring, and decontamination, where the location of radioactive sources is often unknown.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gamma camera
  • nuclear imaging
  • coded aperture
  • MLEM
  • GATE
  1. M. G. Cieślak, A. A. Kelum, R. Glover. Coded-aperture imaging systems: Past, present and future Development - A review. Radiat. Measurements 92 (2016) 59-71.
  2. M. N. Wernick, J. N. Aarsvold. Emission Tomography: The Fundamentals of PET and SPECT. Elsevier academic press, Boston, 2004.
  3. J. Hong, S. V. Vadawale, M. Zhang, E. C. Bellm, A. Yousef, J. Noss, J. E. Grindlay, T. Narita. Laboratory coded aperture imaging experiments: radial hole coded masks and depth-sensitive CZT detectors. In: Res. Sect. A Proceedings SPIE, Hard Xray and Gamma-Ray Detector Physics VI 5540 (2004) pp. 1-10.
  4. N. Gehrels, G Chincarini, P. Giommi, K. O. Mason, J. A. Nousek, A. A. Wells, N. E. White, S. D. Barthelmy, D. N. Burrows, L. R. Cominsky, K. C. Hurley, F. E. Marshall, P. M´esz´aros, P. W. A. Roming, L. Angelini, L. M. Barbier, T. Belloni, P. T. Boyd, S. Campana,P. A. Caraveo, M. M. Chester,O. Citterio, T. L. Cline, M. S. Cropper, J. R. Cummings, A. J. Dean, E. D. Feigelson, E. E. Fenimore, D. A. Frail, A. S. Fruchter17, G. P. Garmire, K. Gendreau,G. Ghisellini, J. Greiner, J. E. Hill, S. D. Hunsberger, H. A. Krimm,S. R. Kulkarni, P. Kumar, F. Lebrun, N. M. Lloyd-Ronning, C. B. Markwardt,B. J. Mattson, R. F. Mushotzky, J. P. Norris, B. Paczynski, D. M. Palmer, H.-S. Park26, A. M. Parsons, J. Paul, M. J. Rees, C. S. Reynolds, J. E. Rhoads, T. P. Sasseen28, B. E. Schaefer, A. T. Short, A. P. Smale, I. A. Smith, L. Stella, M. Still, G. Tagliaferri, T. Takahashi, M. Tashiro, L. K. Townsley, J. Tueller, M. J. L. Turner, M. Vietri, W. Voges, M. J. Ward, R. Willingale, F. M. Zerbi, W. W. Zhang. The swift gamma ray burst mission. Astrophysical J. 611 (2) (2004) 1005-1020.
  5. T. Tumerl, T. J. O. Neilll, K. Hurley, H. Ogelman, R. J. Paulos, R. C. Puettefl, I. Qpniss, W. J. Hamilton, R. Proctor. All-sky x-ray & gamma-ray astronomy monitor (AXGAM). IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 (3) (1997) 572-576.
  6. M. Alnafea, K. Wells, N. M. Spyrou, M. I. Saripan, M. Guy, P. Hinton. Preliminary results from a Monte Carlo study of breast tumour imaging with lowenergy high-resolution collimator and a modified uniformly-redundant arraycoded aperture. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrom. Assoc. Equip. 563 (1) (2006) 146-149.
  7. A. L. Damato, B. K. P. Horn, R. C. Lanza.Coded source imaging for neutrons and X-rays. IEEE Nucl. Sci. Symposium Conf. Rec. 1 (2007) 199-203.
  8. A. A. Faust, R. E. Rothschild, P. Leblanc, J. E. McFee. Development of a coded aperture X-Ray backscatter imager for explosive device detection. IEEE Trans. Nucl. Sci. 56 (1) (2009) 299-307
  9. M. Gmar, M. Agelou, F. Carrel, V. Schoepff. GAMPIX: a new generation of gamma camera. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 652 (1) (2011) 638-640.
  10. M. Woodring, D. Beddingfield, D. Souza, G. Entine, M. Squillante, J. Christian, A. Kogan. Advanced multi-dimensional imaging of gamma-ray radiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. (2003) 415-419.
  11. R. S. Woolf, B. F. Phlips, A. L. Hutcheson, L. J. Mitchell, E. A. Wulf. An active interrogation detection system (ACTINIDES) based on a dual fast neutron/ gamma-ray coded aperture imager for Homeland Security (HST). 2012 IEEE Conference on Technologies in Malaysian, Waltham, MA, USA (2012) pp. 30-35.
  12. P. Hausladen, J. Newby, F. Liang, M. Blackston. The Deployable Fast-Neutron Coded-Aperture Imager: Demonstration of Locating One or More Sources in Three Dimensions. Oak Ridge National Laboratory is managed by UT-Battelle LLC for the US Department of Energy, 2013.
  13. Y. Sato, S. Ozawa. Remote radiation imaging system using a compact gamma-ray imager mounted on a multicopter drone. Nucl. Sci. Tech. (2017) 90-96.
  14. J. Kataoka, A. ishimoto. Handy Compton camera using 3D position-sensitive scintillators coupled with large-area monolithic MPPC arrays. Nucl. Instrum. Methods (2013) 403-407.
  15. S. Jan, G. Santin, D. Strul, S. Staelens, K. Assie, D. Autret, S. Avner, R. Barbier, M. Bardies, P. M. Bloomfield, D. Brasse, V. Breton, P. Bruyndonckx, I. Buvat, A. F. Chatziioannou, Y. Choi, Y. H. Chung, C. Comtat, D. Donnarieix, L. Ferrer, S. J. Glick, C. J. Groiselle, D. Guez, P.-F. Honore, S. KerhoasCavata, A. S. Kirov, V. Kohli, M. Koole, M. Krieguer, D. J. van der Laan, F. Lamare, G. Largeron, C. Lartizien, D. Lazaro, M. C. Maas, L. Maigne, F. Mayet, F. Melot, C. Merheb, E. Pennacchio, J. Perez, U. Pietrzyk, F. R. Rannou, M. Rey, D. R. Schaart, C. R. Schmidtlein, L. Simon, T. Y. Song, J.-M. Vieira, D. Visvikis, R. Van de Walle, E. Wieers, C. Morel. GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT. Phys. Med. Biol. 49 (2004) 4543-4561.
  16. G. Knoll. Radiation Detection and Measurement. 3rd ed., john Wiley, New York, 2000.
  17. H. S. Lee, J. H. Kim, J. Lee, C. H. Kim. Development and performance evaluation of large-area hybrid gamma imager (LAHGI). Nucl. Eng. Tech. 53 (8) (2021) 2640-2645.
  18. J. Montemont, O. Monnet, L. Maingault, S. Stanchina, L. Verger, F. Carrel, H. Lemaire, V. Schoepff, G. Ferrand, A. -S. Lalleman, M. Phelps. Development and evaluation of a portable CZT coded aperture gamma-camera. ANIMMA Conf. Lisbon (Portugal), 2015.
  19. E. Massoud. Dose Assessment for some industrial gamma sources with an application to a radiation accident. Open J. Model. Simulat. 2 (1) (2014) 4-11.