本發(fā)明涉及一種基于γ光子計算機斷層成像技術的多相流成像方法，屬于多相流測量領域。

背景技術：

多相流指同時存在于兩種或多種不同相物質的流動的過程，是一種廣泛存在于化工、石油、能源、冶金等工業(yè)領域中的一種流體形態(tài)。對多相流的研究廣泛的存在于各個工業(yè)領域，準確的識別與測量多相流的流型、流態(tài)具有十分重要的意義。

多相流包括氣液、氣固、液固、液液兩相流，以及氣液固、氣液液等三相及三相以上的多相流等。相較于單相流動而言，多相流流動特性復雜，相間存在界面效應和相對速度，檢測難度高。以流化床反應器為例，流化床是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層使固體顆粒處于懸浮狀態(tài)，并進行氣固、氣液等多相反應過程的反應器，流化床內部是典型的多相流動。在流化床的設計研究中，如果能夠獲得床內流場狀態(tài)、氣泡行為等流動信息，了解反應器內傳質、傳熱行為，那將會給流化床的設計開發(fā)過程提供極大的便利和堅實的理論依據(jù)。

多相流的主要測量參數(shù)有以下幾個：

流型：多相流流動中，多相界面會分布為不同的幾何圖形或幾何形狀，這種圖形或形狀稱為流型。流型是多相流的特征之一，其會影響多相流的流動特性、傳熱性能和傳質性能。多相流的其他參數(shù)的測量往往也依賴于對流型的了解。

流速：多相流運動中，不同相之間存在滑移，相與相之間的流動速度各不相同。各相的流動速度也是測量參數(shù)之一。

相含率：多相流的分相含率也是多相流的一項重要參數(shù)，實時了解多相流的相含率對工業(yè)生產有著重要的意義。

目前，針對多相流參數(shù)的檢測方法主要包含以下幾類：

1）基于傳統(tǒng)單相流的測量方法，結合模型和針對單向流的測量方法，將用于單相流的檢測技術用于多相流，如孔板流量計、電導傳感器等。

2）軟測量方法，如參數(shù)估計法、hilberg-huang變換法等。

3）近代多相流檢測技術，如輻射線技術、激光多普勒技術、超聲波技術、流動過程成像技術等。其中，過程成像技術還包括光學成像測量技術、x射線成像技術、γ射線成像技術、工業(yè)核磁共振技術、電阻層析成像、電容層析成像等。

γ光子斷層探測技術是一種常用與醫(yī)學領域的探測技術，其探測過程主要分為三個階段：符合數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)重組、斷層重建。

符合數(shù)據(jù)獲取主要通過閃爍晶體和光電倍增管獲取γ光子撞擊事件，并通過相應的電路判斷符合事件并最終獲取符合數(shù)據(jù)。

在獲取符合數(shù)據(jù)后，計算機通過數(shù)據(jù)重組方法將符合數(shù)據(jù)以正弦圖的方式存儲于計算機中，以便于后續(xù)工作。重組算法主要有單切片重組算法（ssrb）、多切片重組算法（msrb）或傅里葉重組算法（fore）。ssrb重組是將來自于不同探測環(huán)的數(shù)據(jù)重組到兩個探測環(huán)中間的探測環(huán)上這種重組方式會導致在空間中信號的混疊。msrb重組是指將來自不同探測環(huán)的數(shù)據(jù)平均的分布在兩個探測環(huán)中間的探測環(huán)上，這種重組方式通常會使用到對大型目標的檢測上。重組是指根據(jù)信號的符合數(shù)據(jù)在頻域上的特點來估計出湮滅事件來自于哪個探測環(huán)上。

斷層重建方法主要采用極大似然估計算法（mlem）。在mlem算法中，首先需要構建一個系統(tǒng)矩陣，系統(tǒng)矩陣可以表達出一個圖像中某個像素對某個投影線的貢獻，通常采用線模型構建。當某一條投影線穿過待測物時，僅有投影線穿過的幾個像素會對投影得到的信號造成影響，而該影響的大小可以根據(jù)像素中心到該直線的距離進行度量，最終可以得到一個完整的系統(tǒng)矩陣。得到系統(tǒng)矩陣后，采用極大似然估計的方法對待測物的每個像素的放射強度進行估計。

技術實現(xiàn)要素：

針對多相流設備，本發(fā)明提出了一種基于γ光子計算機斷層成像技術的多相流成像方法，可以對氣液、氣固、液固、液液、氣液固、氣液液等多相流進行測量。本方法檢測分辨率高，可以實現(xiàn)全面無死角檢測，避免了很多其他流場測量方法的局限性。

本發(fā)明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種基于γ光子計算機斷層成像技術的多相流成像方法，包括如下步驟：

1）準備工作：將正電子放射性標記物標記到需要測量的物料上，令物料在流體設備內運動；

2)測量過程：首先啟動探測器γ光子斷層成像系統(tǒng)，另其處于準備狀態(tài)；將準備好的標記有正電子放射性標記物的物料加入多相流設備中，待設備工作穩(wěn)定后，令γ斷層成像系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將符合條件的數(shù)據(jù)進行保存；通過數(shù)據(jù)重組算法，符合條件的數(shù)據(jù)會以正弦圖的方式存儲于計算機中；

3)圖像重建：計算機采用mlem算法對正弦圖數(shù)據(jù)進行重建，得到當前時刻的方射示蹤劑斷層成像圖，根據(jù)斷層成像圖的得到當前多相流的流型、流速。

步驟2）中正電子放射性標記物為18f。

該方法采用的測量裝置包括γ光子探測環(huán)道、計算機、流體設備和流體管道；其中，γ光子探測環(huán)道置于流體設備外圍，將流體設備圍住，流體與流體設備連接，用于構成整個多相流系統(tǒng)，計算機與γ光子探測環(huán)道連接，流體管道與流體設備相連接。

所述流體管道采用法蘭與流體設備相連接。

所述計算機與γ光子探測環(huán)道以以太網(wǎng)的方式連接。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明針對多相流設備的測量方法屬于非浸入式測量方法，測量過程不會對設備內的多相流狀態(tài)、流速造成影響，有利于準確測量相關流動特征參數(shù)。

2、探測器能夠全方位探測多相流設備的內部場態(tài)信息，實現(xiàn)全場無死角測量，而且可以對床內特殊區(qū)域進行針對性地跟蹤測量。

3、本方法不受流體設備材料及流體性質的局限，具有較高的靈活性，可以根據(jù)待測設備的形狀特點靈活采用不同的成像結構和算法。

4、本方法對物料進行標記，不僅可以測量多相流的流型、流速等參數(shù)，還可以針對具有顆粒狀的流體設備內示蹤顆粒的運動軌跡、顆粒在床內的濃度分布進行檢測，而且可以實現(xiàn)對顆粒運動過程的測量。

附圖說明

圖1是基于正電子斷層成像的流場測量裝置，其中：1、計算機；2、流體設備；3、標記有正電子核素的物料；4、γ光子探測環(huán)道；5、流體管道。

圖2為基于正電子斷層成像的流場測量裝置的檢測操作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細說明。

如圖1所示，基于正電子斷層成像的流場測量裝置包括γ光子探測環(huán)道4，用于斷層數(shù)據(jù)重組、重建的計算機1，待檢測的流體設備2及向流體設備輸入的流體管道5。首先將正電子核素標記到多相流其中某相物料上，根據(jù)實際情況靈活采用標記方法。將γ光子探測器環(huán)包圍待測多相流設備，根據(jù)需求決定探測視角大小，γ光子探測環(huán)道4連接計算機1，通過計算機1對所得數(shù)據(jù)進行處理。正電子核素會不斷的釋放出正電子，正電子發(fā)生湮滅事件，釋放出一對能量相等，方向相反的γ光子，γ光子可以直接穿透不透明的外壁。γ光子斷層成像系統(tǒng)根據(jù)接收到的γ光子的時間間隔判斷兩個γ光子是否來自于同一個湮滅事件，并將符合數(shù)據(jù)以正弦圖的方式保存至計算機中。計算機1通過斷層重建算法對斷層圖像進行重建，從而得到當前的流型、流速等信息。

檢測方法如圖2所示，主要有以下幾個步驟：

準備工作：測量以流化床為例進行說明，首先將正電子放射性標記物標記到固相物料上。正電子放射性標記物通常為18f，該放射性核素較容易標記在有機物上，視固相物料的成分選擇標記方法將正電子放射性標記物標記。

測量過程：首先啟動探測器γ光子斷層成像系統(tǒng)，另其處于準備狀態(tài)。將準備好的標記有正電子放射性標記物的物料加入到流化床（多相流設備）中。待流化穩(wěn)定后，另γ斷層成像系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。正電子核素會不斷的釋放出正電子，正電子發(fā)生湮滅事件，釋放出一對能量相等，方向相反的γ光子，γ光子可以直接穿透不透明，甚至金屬材質的流化床（流體設備）的外壁。γ光子斷層成像系統(tǒng)根據(jù)接收到的γ光子的時間間隔判斷兩個γ光子是否來自于同一個湮滅事件，并決定是否將該數(shù)據(jù)作為符合數(shù)據(jù)進行保存。通過數(shù)據(jù)重組算法，符合數(shù)據(jù)會以正弦圖的方式存儲于計算機中。實際中采用傅里葉重組方法對數(shù)據(jù)進行重組。

計算機對正弦圖數(shù)據(jù)進行重建，重建算法可以采用極大似然估計期望算法（mlem）。mlem算法是斷層圖像重建中最為常用的算法。

已知核素產生γ光子的過程可以認為符合泊松分布，即

(1)

其中：為自然常數(shù)；為圖像中第j個像素的放射量；

對于每一個像素，產生的正電子的事件都相互獨立，因此，對于某一待測物體，產生某一投影數(shù)據(jù)的分布函數(shù)為

(2)

其中：為第j對符合數(shù)據(jù)所對應的投影線對第i個像素做出的貢獻，為第i對探測器對接收到的投影數(shù)據(jù)，為第j對探測器對接收到的投影數(shù)據(jù)。

若想得到某一固定的投影數(shù)據(jù)，對于切片圖x的估計可采用極大似然估計

(3)

其中：為依據(jù)符合數(shù)據(jù)進行極大似然估計得到的成像的估計值，為根據(jù)公式(2)得到的極大似然估計目標期望值。

考慮對公式(2)兩端同時去對數(shù)，即

(4)

對公式(4)兩端求導，得

(5)

其中：為投影數(shù)據(jù)分布函數(shù)的對數(shù)函數(shù)

公式(5)兩端同時乘,另導數(shù)為零，此時最大，即

(6)

(7)

進而可得（最大似然期望值最大算法）mlem迭代方程為

(8)

其中：為第k+1次迭代得到的第j個像素的灰度值，為第k次迭代得到的第j個像素得灰度值。經(jīng)重建算法重建后，可以得到當前時刻的正電子示蹤劑斷層成像圖，根據(jù)斷層成像圖的可以得到當前多相流的流型、流速等狀態(tài)。

以上所述僅以流化床為例對本發(fā)明進行敘述，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。