三维显微CT散射的蒙特卡罗校正方法研究

TRISO is the first defence of high temperature gas-cooled reactor,whose fission encapsulation capability determines the leakage of radioactive fission product. 3D micro-CT is a good tool for non-destructive inspection of coating layers,dimension and density measurement.The serious scatter effect impares image quality because of high attenuation of UO2.It is very difficult to correct the scatter because of micro-focus and very small view. This proposal will utilize the Monte Carlo method to study scatter correction for 3-D Micro-CT, based on the mathematical and physical nature of the Campton scattering. In this proposal, a Monte Carlo simulation platform will first be established on Geant4. On the platform, an accurate Monte Carlo system model of the 3-D Micro-CT system will be built. This model will be validated by standard experiments with testing phantoms, so projections and scattering distributions can be estimated accurately by Monte Carlo simulation..Then, the impacts of different links of the CT image chain to Monte Carlo simulation accuracy and precision will be investigated, and system model optimization methods will be studied to achieve fast and effective Monte Carlo scattering estimation.For Micro-CT scattering correction, actual detected projections will subtract the respective scattering estimation by Monte Carlo simulation, and final scattering-free CT images will be obtained via reconstruction.Finally, Monte Carlo modelling methods of complex sample objects will be explored by iteration. Feasiblity and performance of Monte Carlo computation acceleration on CPU + GPU computing platform will be explored.

包覆颗粒是高温气冷堆球形核燃料元件安全性的第一道防线，其边界完整性、尺寸、密度等决定着放射性裂变产物的包容能力和泄露程度。包覆颗粒无损检测急需三维显微CT来确定包覆层尺寸及密度，但包覆颗粒二氧化铀核心密度高、散射严重，产生很强的伪像及密度误差，且三维显微CT难以采用硬件校正散射。本课题拟采用蒙特卡罗方法研究散射校正，首先，重点研究建立三维显微CT的蒙特卡罗精确模型，并用标准样品、标准实验条件对模型进行校验，实验验证蒙特卡罗方法的有效性，并研究图像链的散射影响与校正代价，优化散射模型；其次，由于密度、几何不特定样品的散射也不相同，本课题拟通过迭代，研究一般体素样品蒙特卡罗散射模型的建立，并用粗重建、高密度分割等简化体素模型。最后，为提高校正效率，探索低样本高斯拟合、低采样率插值、CPU+GPU异构计算下加速计算散射信号的技术，为包覆颗粒密度、尺寸及边界完整性检测提供有效方法。

散射问题在三维锥束CT中广泛存在，严重影响着CT重建的图像质量，也是CT领域研究的重点和热点，蒙特卡罗方法是进行三维锥束CT散射校正的一种重要手段。.本研究基于蒙特卡罗的方法，对锥束CT的散射问题进行了研究，主要采用Geant4建立了三维锥束CT的蒙特卡罗模型，包括射线源、中心模体和探测器，为了提高计算速度将其中射线源部分建立了电子打靶模型进行了单独模拟，再将模拟结果作为第二部分模拟的组成部分。利用MCNP对建模进行了比对验证，电子轰击钨靶放置铝滤片的模拟结果符合较好，铍滤片在低能部分有较大差异，CT扫描的投影过程的模拟对比结果也符合较好。.在建立的模型条件下，探究了空间角内能谱的差异，以及空气、能谱、材料、射线源到探测器距离(SDD)、射线源到物体距离(SOD)、物体非匀质等各因素对康普顿散射和瑞利散射的影响。.利用三维锥束CT的实验样品扫描数据进行了模型校验和散射校正，达到了较好的散射校正效果，证明蒙卡方法应用于散射校正的可行性和有效性。同时也模拟了几组不同条件的CT数据，利用蒙卡的模拟结果进行三维重建，将未校正和经过校正的CT切片效果进行了比对。发现低Z材料的散射校正效果较好，对于高Z材料，只经过常规滤片过滤的能谱条件，硬化效果的杯状伪影更明显，在加铁片过滤的能谱条件下，硬化效果得到显著改善，散射伪像占据主导；对于轻材料中放置高Z材料的情况，相比单质材料会造成高Z材料的CT值更严重地低估。.最后尝试了体素化的方法对散射进行校正，为一般不规则物体的散射校正提供了途径。