KIỂM TRA THÙNG THẢI PHÓNG xạ BẰNG kỹ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN đoạn và CHỤP ẢNH cắt lớp GAMMA

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.5 KIỂM TRA THÙNG THẢI PHÓNG XẠ BẰNG KỸ THUẬT QUÉT GAMMA PHÂN ĐOẠN VÀ CHỤP ẢNH CẮT LỚP GAMMA Huỳnh Tăng Hiền, Hoàng Thị Kiều Trang, Trần Thiện Thanh, Trần Thị Thu Sương, Lê Bảo Trân, Châu Văn Tạo Bộ môn Vật lý – Kỹ thuật Hạt nhân, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp HCM Email: htktrang@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Để giảm thiểu ảnh hưởng chất thải phóng xạ tới môi trường người, ta cần kháo sát cẩn thận đặc tính hoạt độ đồng vị phóng xạ thùng thải phóng xạ Trong nghiên cứu này, sử dụng kỹ thuật quét gamma phân đoạn chụp ảnh cắt lớp gamma để xác định phân bố đồng vị phóng xạ thùng thải Tia gamma phát từ nguồn Co-60 đặt thùng ghi nhận đầu dò NaI(Tl) có kích thước in Đầu tiên, quét dọc trục thẳng đứng để xác định vị trí nguồn phóng xạ theo chiều cao thùng Sau đó, chụp ảnh cắt lớp gamma để xác định vị trí nguồn phóng xạ lát cắt Ảnh tái tạo phương pháp chiếu ngược có lọc xử lý phương pháp biến đổi cường độ ảnh Bên cạnh đó, xác định hàm độ nhòe điểm hệ chụp ảnh để hiệu chỉnh ảnh hưởng đầu dò Vị trí nguồn xác định phù hợp với thực nghiệm với sai số 6% Việc kiểm tra thùng thải cách áp dụng hai kỹ thuật quét gamma phân đoạn chụp ảnh cắt lớp gamma phát xạ cho ta thấy phân bố nguồn thùng với độ xác cao Từ khóa: chụp cắt lớp gamma, dựng ảnh, hàm nhòe điểm, thùng thải phóng xạ, nguồn điểm MỞ ĐẦU Để chất thải phóng xạ không gây ô nhiễm môi trường, việc xử lý chất thải phóng xạ vấn đề quan tâm hàng đầu giới Mỗi loại chất thải có đặc tính riêng biệt nên đòi hỏi người phải có cách xử lý phù hợp Để đưa định cất giữ hay tiêu hủy chất thải, ta phải xác định đặc tính hoạt độ chúng thùng thải Trong phương pháp phân tích chất thải phóng xạ phổ biến, kỹ thuật quét gamma phân đoạn (Segmented Gamma Sanning - SGS) thường sử dụng để xác định vị trí nguồn phóng xạ thùng Trong đó, thùng thải chia thành nhiều phân đoạn số đếm phân đoạn ghi nhận để xác định vị trí nguồn Trên giới, có nhiều nghiên cứu kỹ thuật SGS Trong đó, Y.F Bai [1] đưa phương pháp cải thiện độ xác hoạt độ nguồn thùng thải so với kỹ thuật SGS truyền thống Sau đó, cách thay đổi hàm đáp ứng đầu dò, T Krings E Mauerhofer [2] thu hoạt độ nguồn với sai số thấp phương pháp Y.F Bai Trong nước, T.Q Dũng [3] sử dụng hai đầu dò đồng kỹ thuật SGS để xác định hoạt độ nguồn phóng xạ thùng thải Tuy nhiên, vị trí nguồn phóng xạ thu từ kỹ thuật SGS có độ xác thấp Với phát triển ảnh kỹ thuật số, Raphael Thiery [4] áp dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp gamma để xác định phân bố nguồn thùng thải phóng xạ Trong báo này, tập trung cải thiện độ xác vị trí nguồn phóng xạ cách kết hợp phương pháp SGS với chụp ảnh cắt lớp gamma cho hệ đo thùng thải chứa nguồn điểm Ảnh cắt lớp tái tạo phương pháp chiếu ngược có lọc Đồng thời, áp dụng phương pháp xử lý ảnh để tăng chất lượng hình ảnh biến đổi cường độ ảnh hồi phục ảnh VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bố trí hệ đo thực nghiệm Đầu dò NaI(Tl) 802 hãng Canberra sản xuất sử dụng để ghi nhận số đếm Tinh thể nhấp nháy đầu dò có dạng hình trụ dài 76.2 mm, đường kính 76.2 mm Độ phân giải đầu dò 7.5% [5] Đầu dò đặt vào ống chuẩn trực hình trụ có chiều dài 15 cm với đường kính 9.5 cm, 10.5 cm Độ rộng cửa sổ ống chuẩn trực cm Đầu dò gắn với ống Osrey, tích hợp bao gồm ống phân tích đa kênh (Multi-Chanle Analyzer – MCA) số thiết bị xử lý tín hiệu Osrey kết nối với máy tính kiểm soát thông qua chương trình Genie-2000 để hiển thị xử lý phổ gamma Nguồn phóng xạ có dạng hình trụ, đường kính mm, cao 3.18 mm Vỏ bọc nguồn có đường kính 25.4 mm chiều cao 6.35 mm Đồng vị phóng xạ sử dụng thực nghiệm nguồn Co-60 có hoạt độ 15.75 μCi [6] Ở đây, sử dụng thùng thải tích 210 lít với đường kính chiều cao thùng 58 cm, 86 cm Cấu hình hệ đo mô tả hình ISBN: 978-604-82-1375-6 15 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Cấu hình hệ đo Bên thùng chứa đầy cát ống nhựa đặt thẳng đứng vị trí xác định để đưa nguồn vào thùng thải Hình 2a 2b hình chụp tọa độ ống nhựa bên thùng Hình Cấu trúc bên thùng thải, (a) hình chụp bên thùng, (b) vị trí phân bố ống nhựa Chúng áp dụng phương pháp SGS để xác định vị trí nguồn theo chiều cao thùng Đầu dò đặt hệ nâng Thùng chia thành 11 phân đoạn khác theo chiều thẳng đứng Chúng di chuyển đầu dò dọc theo phân đoạn Từ đó, xác định phân đoạn chứa nguồn phóng xạ tương ứng với số đếm đo lớn Hình Phương thức ghi nhận liệu, (a) phương dịch chuyển thẳng đứng đầu dò dọc theo thùng thải, (b) phương dịch chuyển ngang đầu dò chiều quay thùng mặt cắt ngang Sau xác định phân đoạn chứa nguồn, tiến hành ghi nhận hình chiếu để dựng ảnh cắt lớp Đầu tiên, đầu dò dịch chuyển từ biên trái tới biên phải thùng Mỗi bước dịch chuyển cm, tương ứng với độ rộng ống chuẩn trực Sau lần dịch chuyển theo phương ngang thùng, ta ghi nhận tập hợp số đếm, gọi hình chiếu Tiếp theo, thùng quay góc θ nhờ hệ quay phía thùng Ta tiếp tục ghi nhận hình chiếu thùng tương ứng với vị trí góc quay Từ đó, ta thu tập hợp hình chiếu, hay ma trận hình chiếu sau quay hết vòng thùng thải Hình 3a mô tả phương dịch chuyển thẳng đứng đầu dò theo phân đoạn, 3b mô tả phương dịch chuyển ngang đầu dò chiều quay thùng thải để ghi nhận hình chiếu lát cắt Phương pháp chiếu ngược có lọc ISBN: 978-604-82-1375-6 16 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Trong báo này, sử dụng phương pháp chiếu ngược có lọc để tái tạo ảnh Giá trị điểm ảnh tính tổng giá trị hình chiếu giao Ở đây, xem hình chiếu ghi nhận song song, đầu dò ghi nhận tia tới phương với trục đầu dò Để mô tả điều mô hình toán học, ta gọi hàm f(x, y) hàm phân bố cường độ phóng xạ ghi nhận ứng với lớp cắt, với (x, y) hệ tọa độ vuông góc Nếu gọi (s, t) hệ trục tọa độ vuông góc có cách quay hệ trục tọa độ (x, y) theo góc θ, tổng số đếm ghi nhận vị trí đặt đầu dò mô tả hàm g(s, θ) Hàm gọi phép biến đổi Radon hàm f(x, y) định nghĩa sau [7]:  g(s, θ) =  f  x(t), y(t)  dt  (1) Như vậy, số đếm ghi nhận cặp tọa độ (s, θ) g(s, θ) tương ứng với số đếm ghi nhận vị trí đặt đầu dò Tập hợp giá trị g(s, θ) ma trận hình chiếu Đây ma trận hai chiều, chứa thông tin ghi nhận sau vòng quay đầu dò Giá trị điểm ảnh tăng dần vị trí có giao hình chiếu, mô tả sau: π f(x, y) =  g(s, θ)dθ (2) Trong phương pháp chiếu ngược, số hình chiếu ghi nhận nhỏ tạo ảnh giả hình đường sọc [7], [8] Để khắc phục hạn chế này, ta phải sử dụng kỹ thuật lọc ảnh chiếu ngược Dựa phương pháp biến đổi Fourier, ta biến đổi hình chiếu ghi nhận miền không gian sang miền tần số Từ đó, ta áp dụng hàm lọc miền tần số để loại bỏ tần số không mong muốn Ta gọi F F-1 toán tử biến đổi Fourier biến đổi Fourier ngược W(ω) hàm lọc miền tần số với biến tần số ω, g*(s, θ) hàm Radon sau lọc Ta biểu diễn phương pháp chiếu ngược có lọc dạng phương trình sau: π π 0 f(x, y) =  F-1  F  g(s,θ)   W(ω) dθ =  g* (s,θ)dθ (3) Biến đổi độ tương phản Phép biến đổi cường độ ảnh kỹ thuật áp dụng phổ biến xử lý ảnh Kỹ thuật tác dụng toán tử trực tiếp lên pixel miền không gian ảnh nhằm làm thay đổi độ tương phản ảnh Ta gọi T toán tử biến đổi cường độ ảnh, f I hàm phân bố cường độ ảnh lúc đầu sau biến đổi Hàm biến đổi cường độ ảnh đề cập nghiên cứu hàm tăng độ tương phản định nghĩa sau: I = T(f) = 1+  m / f  E (4) với m giá trị trung bình pixel ảnh, E bậc độ dốc hàm [9] Sự thay đổi giá trị E làm ảnh hưởng tới độ dốc đồ thị biểu diễn thay đổi độ tương phản Điều làm thay đổi độ tương phản ảnh Hồi phục ảnh Trong trình ghi nhận số liệu, đáp ứng không tốt đầu dò góp phần làm cho ảnh tái tạo bị nhòe, độ phân giải không gian ảnh Mức độ nhòe ảnh đặc trưng hàm độ nhòe điểm, hay PSF (Point Spread Function) PSF hệ dựng ảnh mô tả dạng nhòe ảnh cắt lớp nguồn điểm Một cách gần đúng, PSF có dạng tổng hàm Gauss hàm thể phông [10], [11] Xét ảnh cắt lớp bị nhòe nhiễu hệ ghi nhận ảnh, độ xám ảnh mô tả hàm f, ta biểu diễn f dạng sau: (5) f = H*X+ n với H PSF hệ đo, toán tử “*” toán tử tích chập X ảnh gốc, n nhiễu ảnh Việc xác định PSF hệ đo cho ta khả loại bỏ độ nhòe ảnh phục hồi ảnh gốc mong muốn Ở đây, áp dụng phương pháp Lucy-Richardson để hồi phục ảnh Phương pháp dựa thuật toán lặp hội cực ước lượng nghiệm gần đúng, có dạng sau [12]: X ISBN: 978-604-82-1375-6 k+1  = X H * k   T    H * X k   f (6) 17 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT QUẢ THẢO LUẬN Xác định phân đoạn chứa nguồn phóng xạ Nguồn Co-60 đặt phân đoạn thứ 8, ống số 12 Dựa kỹ thuật SGS, đầu dò di chuyển theo phân đoạn để ghi nhận số đếm Hình biểu diễn số đếm ghi nhận theo vị trí phân đoạn dọc theo phương thằng đứng thùng thải Từ đó, ta xác định nguồn Co-60 nằm phân đoạn số ứng với vị trí có số đếm đạt cực đại Sau đó, ghi nhận ảnh cắt lớp phân đoạn tái tạo phương pháp chiếu ngược Hình Biểu đồ phân bố số đếm theo phân đoạn Dựng ảnh cắt lớp gamma với nguồn đặt tâm Đầu tiên, ghi nhận hình chiếu theo phương ngang thùng ứng với vị trí góc 0o Mỗi vị trí đặt đầu dò đo 50 giây lấy số đếm tổng phổ ghi nhận Do độ rộng ống chuẩn trực cm, nên bước dịch chuyển mịn đầu dò theo phương ngang cm số vị trí quét ngang 20 hình chiếu Như vậy, ảnh tái tạo có kích thước 20×20 pixel Sau đó, liệu hình chiếu xác định tương tự ứng với góc quay 3° Từ đó, áp dụng phương pháp chiếu ngược có lọc để tái tạo ảnh cắt lớp với hàm lọc Hann Hình Ảnh cắt lớp thùng thải, (a) ảnh tái tạo phương pháp chiếu ngược có lọc, (b) đồ thị phân bố cường độ ảnh PSF hệ đo xác định cách khớp phi tuyến liệu hình chiếu ứng với góc 00 với hàm tổng hàm Gauss hàm bậc hai Hàm làm khớp mô tả hình 6, với hệ số xác định việc làm khớp hàm 0.995 Từ hàm khớp ta ước lượng độ lệch chuẩn PSF [14] ISBN: 978-604-82-1375-6 18 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Hàm làm khớp từ liệu ảnh Độ lệch chuẩn PSF xác định σ = 1.444 Từ đó, ảnh gốc hồi phục thuật toán LucyRichardson Ta nhận thấy vị trí nguồn bị sai lệch l pixel Và vị trí đặt nguồn có cường độ cao nhất, ảnh xuất ảnh giả Do trình hồi phục ảnh, PSF ước lượng cách gần đúng, ảnh tái tạo tồn nhiễu ảnh giả thuật toán chiếu ngược tạo Ta gọi (xA, yA), (xT, yT) tọa độ nguồn phóng xạ xác định từ ảnh tái tạo thực nghiệm Từ ảnh cắt lớp, ta xác định (xA, yA) = (32 ± 2, 28 ± 2) (cm), vị trí thực nghiệm (xT, yT) = (30 ± 2, 30 ± 2) (cm) Như vậy, kết đạt có sai số 6% Hình Ảnh sau hồi phục, (a) ảnh thùng thải sau hiệu chỉnh ảnh hưởng hệ đo, (b) đồ thị phân bố cường độ ảnh Dựng ảnh cắt lớp với nguồn đặt vị trí khác tâm thùng Chúng thực phép đo tương tự với góc quay 300 để ghi nhận ảnh cắt lớp nguồn đặt vị trí (xT, yT) = (37 ± 2, 12 ± 2) (cm) Do số hình chiếu it, góc quay thô, nên ảnh tái tạo sau lọc tồn ảnh giả vị trí biên Để làm giảm ảnh hưởng từ ảnh giả đến việc xác định vị trí nguồn, sử dụng hàm tăng độ tương phản theo phương trình [4] Khi tăng giá trị E đến ảnh giả biên giảm đáng kể Hình 8a cho thấy ảnh sau hồi phục 8b đồ thị phân bố cường độ ảnh tương ứng Dựa phân bố cường độ ảnh sau hồi phục, ta xác định (xA,yA) = (35 ± 2, 14 ± 2) (cm) Với vị trí thực nghiệm (xT, yT) = (37 ± 2, 12 ± 2) (cm), sai số vị trí 6% Hình Ảnh hồi phục, (a) ảnh cắt lớp sau hồi phục, (b) đồ thị phân bố cường độ ảnh tương ứng ISBN: 978-604-82-1375-6 19 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT LUẬN Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật SGS chụp ảnh cắt lớp gamma phát xạ, dựng ảnh cắt lớp phân đoạn chứa nguồn dựa phương pháp chiếu ngược có lọc số kỹ thuật xử lý ảnh Từ đó, vị trí nguồn đặt tâm khác tâm thùng xác định với sai số 6% so với thực nghiệm Lời cám ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khuôn khổ đề tài mã số C2014-18-28 Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên ĐHQG-HCM, đặc biệt Bộ môn Vật lý – kỹ thuật hạt nhân tạo điều kiện để thực công trình nghiên cứu Chúng xin cám ơn PGS.TS Phạm Thế Bảo, Trưởng môn Ứng dụng tin học, Khoa Toán – Tin học, Trường ĐH KHTN ĐHQG-HCM, cung cấp nhiều tài liệu tham khảo lời khuyên quý giá NUCLEAR WASTE DRUM ASSAY USING SEGMENTED GAMMA SCANNING AND GAMMA EMISSION TOMOGRAPHY TECHNIQUES Huynh Tang Hien, Hoang Thi Kieu Trang, Tran Thien Thanh, Tran Thi Thu Suong, Le Bao Tran, Chau Van Tao Nuclear Engineering Physics Department, Faculty of Physics and Engineering Physics VNU HCM - University of Science Email: htktrang@hcmus.edu.vn ABSTRACT To avoid spreading radioactive contamination to humans and environment, the composition and activities of radioactive iostopes in waste drums must be characterized carefully before being treated or disposed of In this study, we assay a waste drum using segmented gamma scanning and gamma emission tomography to determine the radioactive distribution in the drum A Co-60 point source is placed inside a waste drum Gamma emitted from the drum are detected using a 3-inch NaI(Tl) detector First, we assay the waste drum using the segmented gamma scanning technique to find the source position in the vertical direction Then, we reconstruct gamma emission tomography images for a horizonal slice where the source is found The images are reconstructed using filtered backprojection method Besides, the Point Spread Function (PSF) of the imaging system is measured and applied to deconvolute detector effects The source position is found in agreement with the experimental arrangement within 6% uncertainty Assaying a waste drum using both segmented gamma scanning and gamma emission tomography techniques saves time while still provides information about the radioactive sources in details Key words: gamma emission tomography, image reconstruction, point spread function, segmented gamma scanning, nuclear waste drum, point source TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.F.Bai, E Mauerhofer, D.Z Wang, R Odoj (2009), “An improved method for the non-destructive characterization of radioactive waste by gamma scanning”, Applied Radiation and Isotopes, 67(10) [2] Thomas Krings, Eric Mauerhofer (2011), “Reconstruction of the activity of point sources for the acurate characterization of nuclear waste drums by segmented gamma scanning”, Applied Radiation and Isotopes, 69(6) [3] Tran Quoc Dung, Phan Trong Phuc, Trương Truong Son, Le Anh Đuc (2012), “Evaluation of combination of different methods for determination of activity of radioactive waste in sealed drum”, Journal of Pedagogy University Ho Chi Minh city, 36 [4] Raphael, Jean-Luc Pettier, Laurent Desbat (1999), Simultaneous Compensation for Attenuation, Scatter and Detector Response for 2D-Emission Tomography on Nuclear Waste with Reduced Data, Buxton, Greater Manchester [5] Canberra In., “Model 802 Scintillation Detectors”, 2009 [6] Tran Thi Thu Suong, “Tính toán phân bố đồng vị phóng xạ thùng thải”, khóa luận tốt nghiệp, Trường ĐH KHTN ĐHQG HCM, 2014 [7] Philippe P Bruyant (2002), “Analytic and iterative reconstruction algorithms in SPECT”, J Nucl Med, 43(10) [8] Seung-Wan Lee, Chang-Lae Lee, Hyo-Min Cho, Hye-Suk Park, Dae-Hong Kim, Yu-Na Choi and HeeJoung Kim (2011), “Effects of reconstruction parameters on image noise and spatial resolution in conebeam computed tomography”, Journal of the Korean Physical Society, 59(4) ISBN: 978-604-82-1375-6 20 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [9] [10] [11] [12] [13] [14] Rafael C Gonzalez, Richard E Woods (2007), Digital image processing, 3rd edition, Prentice Hall, USA John C.Russ (2011), The image processing handbook, 6th edition, CRC Press, USA Alex Small, Shane Stahlheber (2014), “Fluorophore localization algorithms for super-reslution microscopy”, Nature Methods, 11 Manoj Kumar Singh, Uma Shanker Tiwary, Young-Hoon Kim (2008), “An adaptively accelerated Lucy-Richardson method for image deblurring”, EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2008(36) Maja Temerinac-Ott (2010), Tile-based Lucy-Richardson deconvolution modeling a spatially-varying PSF for fast multiview fusion of microscopical images, University of Freiburg, Freiburg Rohan Raichur (2008), A novel technique to improve the resolution & contrast of planar nuclear medicine imaging, University of Akron, Akron ISBN: 978-604-82-1375-6 21