CN102288982A - 基于闪烁体的二维位置探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括：整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子(如X射线、阿尔法射线、伽马射线、贝塔射线和中子等)，与射线粒子相互作用，产生光信号，使得光信号在传播过程中分散；光电探测装置，包括n个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测闪烁体发出的光信号，将光信号转换成电信号；n为大于1的自然数；二维位置探测处理装置，与光电探测装置连接，用于根据光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定闪烁体发出的光信号的分布重心，将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，能够提高位置分辨率，降低二维位置探测的复杂度。

Description

基于闪烁体的二维位置探测系统

技术领域

本发明涉及位置探测技术，尤其涉及一种基于闪烁体的二维位置探测系统。

背景技术

基于射线(如X射线、阿尔法射线、伽马射线、贝塔射线和中子等)的二维位置探测是利用射线束通过被测对象(例如不同形状的工件、人体的器官等)投影在探测器上，通过电子学读出装置和计算机数据采集和分析系统，使被测对象的内部结构的图像重现在显示屏幕上的一项综合性技术，已广泛应用于生命科学、医学、材料科学、工业、国防、交通、安检等领域。

目前基于射线的二维位置探测的一种方案是基于固体的二维位置探测，又称为基于闪烁体的二维位置探测。

基于闪烁体的二维位置探测的技术方案包括：射线入射到闪烁体，并与闪烁体发生相互作用，闪烁体产生能够被探测器探测到的光信号，探测器将光信号转换为电信号，然后就可以确定射线粒子入射到闪烁体上的位置。

基于闪烁体的二维位置探测的技术方案中，一种方案是利用光纤编码结合光电探测器实现，具体来说，射线入射到闪烁体上发光，在X方向上光被光纤收集并由光电探测器将光纤收集到的光信号转换成电信号，在Y方向上的光也被光纤收集并由光电探测器将光纤收集到的光信号转换成电信号，这样就能够分别根据从X方向和Y方向上探测到的电信号来确定射线入射到闪烁体上的位置。这种方案存在的问题是：需要用到大面积的光纤编码技术，导致二维位置探测方法复杂。

另一种方案是使用位置灵敏光电探测器与闪烁体耦合，位置灵敏光电探测器通常包括n个光电探测单元，可以分别读出位置灵敏光电探测器的每个光电探测单元输出的电信号，确定射线粒子入射到闪烁体上的位置。在这种方案中，通常将闪烁体切割成很小的尺寸，并将各小尺寸闪烁体用反射膜包装，在尽可能多的收集光信号的同时也防止闪烁光在各个小尺寸闪烁体上相互串扰。这样，每一个闪烁体代表一个像素，像素的大小决定了二维位置探测的位置分辨率(位置分辨率是指能够识别的两个相邻入射点的最小距离)。这种方案存在的问题是：将多块小尺寸的闪烁体与位置灵敏光电探测器耦合，二维位置探测的分辨率决定于闪烁体尺寸的大小，导致二维位置探测的位置分辨率不高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于闪烁体的二维位置探测系统，能够提高二维位置探测的位置分辨率，并且能够减小二维位置探测的复杂度。

本发明提供了一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括：

整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子，与所述射线粒子相互作用，产生光信号，并使得光信号在传播过程中分散；

光电探测装置，包括n个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换成电信号；n为大于1的自然数；

二维位置探测处理装置，与所述光电探测装置连接，用于根据所述光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心，并将所述光信号的分布重心确定为所述射线粒子入射到所述闪烁体上的位置。

本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，用整块连续的闪烁体与射线粒子相互作用，使得产生的光信号在闪烁体中分散，进而形成具有一定轮廓和重心的光信号的分布，并由光电探测装置将光信号转化成电信号，再由二维位置探测处理装置根据光电探测装置产生的电信号确定闪烁体发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。这样，二维位置探测的位置分辨率不会受制于闪烁体的尺寸大小，从而提高了二维位置探测的位置分辨率，并且由于不涉及到光纤编码定位，因而减小了二维位置探测的复杂度。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的结构示意图；

图2示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例二的结构示意图；

图3示例性示出本发明实施例中用到的多阳极光电倍增管H8500探测到的整块连续闪烁体发出的光信号的示意图；

图4示例性示出采用H8500探测到的多个小尺寸闪烁体组成的阵列中单个小尺寸闪烁体发出的光信号的示意图；

图5示例性示出根据重心法恢复出的各个入射点的水平方向分布和垂直方向分布的二维图；

图6示例性示出图5中各个入射点的水平方向的分布示意图；

图7和图8分别示例性示出图5中一个入射点的水平方向和垂直方向的分布图；

图9示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例三的结构示意图；

图10示例性示出图9中电阻网络模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

如图1示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的结构示意图，该系统包括：整块连续的闪烁体1、光电探测装置2以及二维位置探测处理装置3。其中，该整块连续的闪烁体1用于接收射线粒子4(射线粒子可以包括X射线粒子、阿尔法射线粒子、伽马射线粒子、贝塔射线粒子或中子等)，与射线粒子4相互作用，产生光信号，并使得光信号在传播过程中分散。光电探测装置2包括n个光电探测单元21，每一个光电探测单元21分别用于探测闪烁体1发出的光信号，并将光信号转换成电信号。其中，n为大于1的自然数。二维位置探测处理装置3与光电探测装置2连接，用于根据光电探测装置2中各个光电探测单元21转换成的电信号，确定闪烁体1发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体1上的位置。

下面结合图1详细描述本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例一的原理。需要说明的是，为了清楚说明本发明基于闪烁体的二维位置探测系统的结构，说明书附图中的各个组成部分可能进行了放大，附图中各个组成部分的比例不代表基于闪烁体的二维位置探测系统中各个组成部分的实际比例。

在本发明的实施例中，用到的闪烁体1是整块连续的闪烁体，而不是如同现有技术中那样由多个小尺寸的闪烁体组成的阵列。闪烁体1可以根据实际需要制成各种形状，例如，可以是具有一定厚度的平板状。当射线粒子4(射线粒子包括带电粒子或不带电粒子，例如，x射线粒子，γ射线粒子，α粒子，β粒子，中子等)入射到闪烁体1上时，射线粒子4与闪烁体1相互作用，产生光信号，由于闪烁体是整块连续的，而且具有一定厚度，因此光信号在传播过程中分散，形成具有一定轮廓的分布。光信号的分布重心对应于射线粒子入射到闪烁体上的位置。

光电探测器装置2的各个光电探测单元21分别探测闪烁体1发出的光信号，并将光信号转换成电信号。由于光信号在闪烁体中传播时发生分散(图中箭头R示出光信号传播方向)，形成了光信号的分布重心，相应地，随着光电探测单元21与光信号的分布重心的距离的由小到大，光电探测单元21输出的电信号的读出值由大到小。具体而言，对应于光信号的分布重心的光电探测单元21输出的电信号的读出值比较大，而距离光信号的分布重心较远的光电探测单元21输出的电信号的读出值比较小。光电探测单元21的读出值可以是电压值或者电荷值。

光电探测器装置2中的n个光电探测单元21可以以一定的阵列排布，n个光电探测单元21组成的阵列的面积可以与闪烁体1的出光侧表面面积(光信号从闪烁体1的出光侧表面发出入射到光电探测装置2)相匹配，优选地，阵列的面积可以等于闪烁体1的出光侧表面面积，或者，阵列的面积可以稍大于闪烁体1的出光侧的表面面积，这样，闪烁体1表面上每一部分发出的光均能够被相应的光电探测单元21探测到。如果阵列的面积设置得大于闪烁体1的出光侧表面面积，则从闪烁体1边缘处泄露出的光也能够被光电探测器单元21探测到。

二维位置探测处理装置3接收到各个光电探测单元21转换成的电信号，根据各个光电探测单元21的电信号，采用重心法恢复出射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。具体地，二维位置探测处理装置3根据各个光电探测单元21转换成的电信号，确定闪烁体1发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。

根据本发明的一个实施例，二维位置探测处理装置3可以是计算机，也可以是包括中央处理单元(Central Processing Unit，简称CPU)和显示器的小型数据处理设备。

在进行二维位置探测时，射线粒子4经过被测对象入射到闪烁体1上，由于不同射线粒子入射到被测对象的位置不同，所以多个射线粒子4入射到闪烁体1的时刻不同。例如，对于入射到人体不同部位的射线粒子4，入射到闪烁体1上的时刻不相同。这样，就会有多个射线粒子4先后入射到闪烁体1上。只要光电探测装置2的响应时间足够快，二维位置探测处理装置3就能够分别确定单个射线粒子4入射到闪烁体1上的位置。

根据各个单个射线粒子4的入射位置可以形成射线粒子的分布轮廓，从而能够形成图像。

本发明实施例一提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，用整块连续的闪烁体与射线粒子相互作用，使得产生的光信号在闪烁体中分散，进而形成具有一定轮廓和重心的光信号的分布，并由光电探测装置将光信号转化成电信号，再由二维位置探测处理装置根据光电探测装置产生的电信号确定闪烁体发出的光信号的分布重心，并将光信号的分布重心确定为射线粒子入射到闪烁体上的位置。这样，二维位置探测的位置分辨率不会受制于闪烁体的尺寸大小，从而提高了二维位置探测的位置分辨率，并且由于不涉及到光纤编码定位，因而减小了二维位置探测的复杂度。

在有的情况下，如果将闪烁体1的厚度设置得过大，则光信号在闪烁体1中传播时衰减严重，可能导致光电探测装置2探测不到准确的光信号。但是，如果将闪烁体1的厚度设置得过小，则光信号在闪烁体1中传播时无法充分分散，从而无法根据光信号的轮廓来确定射线粒子的入射位置。优选地，可以根据射线粒子的种类或者闪烁体的种类来确定闪烁体的厚度。

为了避免光信号严重衰减，同时又能避免因闪烁体厚度不够不能使得光信号充分分散的缺陷，可以在闪烁体1和光电探测装置2之间设置光导。

图2示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例二的结构示意图，该实施例二在实施例一的基础上增加了光导5，光导5设置于闪烁体1和光电探测装置2之间，用于将闪烁体1发出的光信号分散。该实施例中，光导5起到了将经过闪烁体1之后的光信号进一步分散的作用。

如果基于闪烁体的二维位置探测系统中设置了光导5，则n个光电探测单元21组成的阵列的面积可以与光导5的出光侧表面面积相匹配，优选地，可以等于或稍大于光导5的出光侧表面面积。

在本发明的各实施例中，光电探测单元21可以是单阳极光电倍增管，光电探测装置2由n个单阳极光电倍增管组成。

可选地，光电探测单元21也可以是一个多阳极光电倍增管中的单个光电探测单元，光电探测装置2可以是一个多阳极光电倍增管。例如，光电探测装置2可以采用日本滨松光子学株式会社的多阳极光电倍增管H8500，该多阳极光电倍增管具有64个光电探测单元，即有64个阴极和64个阳极，64个阳极用于探测光信号，64个阴极输出64路电信号，是一种位置灵敏光电倍增管。图3示例性示出本发明实施例中用到的多阳极光电倍增管H8500探测到的整块连续闪烁体发出的光信号的示意图，从图中可以看到，64个光电探测单元组成一个阵列，图中的圆形虚线框住的部分示意出光信号的轮廓，每个光电探测单元分别用P1、P2、...P64标记。

为了说明本发明提供的基于闪烁体的二维位置探测系统能够获得的技术效果，将采用H8500探测整块连续闪烁体发出的光信号的二维位置探测结果，与采用H8500探测多个小尺寸闪烁体组成的阵列发出的光信号的二维位置探测结果进行比较。

将多个α粒子入射到一个小尺寸闪烁体的5个入射点。图4示例性示出采用H8500探测到的多个小尺寸闪烁体组成的阵列中单个小尺寸闪烁体发出的光信号的示意图，图中斜线阴影部分示意出光信号的轮廓。表一示出探测到的各个入射点的坐标，其中x表示水平方向的坐标，y表示垂直方向的坐标，σ_x是一个表示水平方向的坐标的误差的值，大约等于高斯拟合峰的水平方向的半高宽除以2.35，σ_y表示垂直方向的坐标的误差的值，大约等于高斯拟合峰的垂直方向的半高宽除以2.35，D1、D2、...、D5分别表示5个入射点。

表一

入射点	x/mm	σx/mm	y/mm	σy/mm
					D1	32.17	0.78	27.91	0.61
D2	31.68	0.9	28.08	0.66
					D3	30.57	0.78	27.97	0.67
D4	32.3	0.76	27.99	0.63
					D5	31.85	1.04	28.12	0.69

从表一中可以看出，α粒子入射到闪烁体，闪烁体与α粒子相互作用产生光信号，然而，由于闪烁体尺寸较小，光信号的传播受限，因此不能根据探测到的光信号的分布轮廓的重心来确定α粒子的入射位置，二维位置探测的位置分辨率为闪烁体的尺寸。例如，图4所示的小尺寸闪烁体的尺寸为6mm，则二维位置探测的位置分辨率为6mm。如果用反射膜包裹小尺寸闪烁体，则由于反射膜的作用，小尺寸闪烁体中产生的光信号更加无法形成具有一定轮廓和重心的分布，即光被均匀化了，从而也无法根据重心法来确定α粒子的入射位置。

对于本发明实施例中采用整块连续的闪烁体的情况，利用厚度1mm、直径5cm的锂玻璃作为闪烁体，利用H8500探测光信号，在整块连续的闪烁体上选择8个入射点，这8个点的相邻位置小于3mm。采用H8500探测到的整块连续的闪烁体发出的光信号的轮廓如图3所示。表二示出各个入射点之间的距离，E1、E2、...E8分别表示8个入射点。

表二

入射点	间距/mm
		E1到E2	2.8
E2到E3	2.7
		E3到E4	2.3
E4到E5	3.0
		E5到E6	2.6
E6到E7	2.7
		E7到E8	2.6

从表二中可以看出相邻入射点之间的间距小于3mm。图5示例性示出根据重心法恢复出的各个入射点的水平方向分布和垂直方向分布的二维图，图5中横坐标x表示入射点位置的水平方向的值，纵坐标y表示入射点位置的垂直方向的值。图6示例性示出图5中各个入射点的水平方向的分布示意图，图中横坐标x表示入射点位置的水平方向的值，纵坐标y表示计数值，例如，水平方向取值为32mm的射线粒子数为290个。图7和图8分别示例性示出图5中一个入射点的水平方向和垂直方向的分布图，图7中，横坐标x表示入射点位置的水平方向的值，纵坐标y表示计数值。图8中，横坐标x表示入射点位置的垂直方向的值，纵坐标y表示计数值。图7中，入射点位置的水平方向的位置分辨率分别为0.7mm(0.7mm是均方根公差，root meansquare，rms，亦即，标准偏差)乘以2.35，入射点位置的水平方向的平均值为12.33mm(即，图7中峰值对应的横坐标)。图8中，入射点位置的垂直方向的位置分辨率为0.72mm(0.72mm是均方根公差，亦即，标准偏差)乘以2.35，入射点位置的垂直方向的平均值为23.73mm(即，图8中峰值对应的横坐标)。从图5和图6可以看出，尽管相邻入射点之间的距离小于3mm，但是每个根据重心法重建的点依然能够清晰地分开。从图7和图8中可以看出，采用重心法获得的位置分辨率极高，能够分辨的相邻两个入射点之间的距离远远小于现有技术中小尺寸闪烁体的尺寸。本发明实施例提供的基于闪烁体的二维位置探测系统的一个优选的应用是中子二维位置探测。

对于前述各个实施例，二维位置探测处理装置可以接收各个光电探测单元的电信号，根据各个光电探测单元的电信号确定射线粒子的入射位置。不过，由于光电探测单元数目较多，可能导致电子学读出装置的开销很大。例如，对于H8500，有64个阴极，电子学读出装置需要分别处理64路电信号。

为了减少电子学读出装置的开销，可以通过电阻网络模块来将光电探测装置产生的电信号的路数减少。

图9示例性示出本发明基于闪烁体的二维位置探测系统实施例三的结构示意图，该实施例中，在如图2所示的基于闪烁体的二维位置探测系统的基础上还包括电阻网络模块6，该电阻网络模块6分别与光电探测装置2的各个光电探测单元21和二维位置探测处理装置3连接，用于将n个光电探测单元21输出的n路电信号转化为m路电信号，m可以为小于n的自然数。

当然，根据实际应用的需要，m也可以等于n。

图10示例性示出图9中电阻网络模块的一种结构示意图，该电阻网络模块6包括多个电阻形成的电阻阵列，该电阻阵列与光电探测单元形成的阵列相对应，每一行电阻串中，相邻两个电阻之间的结点61与一个光电探测单元21连接，输出端A、B、C和D分别是电阻网络模块的四个电信号输出端，这四个输出端均与二维位置探测处理装置3连接，各个电阻附近的数字(例如510、1K等)表示各个电阻的阻值，单位是欧姆。可以看出，该电阻网络模块将8*8＝64个光电探测单元输出的64路电信号转化为4路电信号，减少了电信号的输出路数，从而简少了电子学读出装置的开销。

对于图10所示的电阻网络模块，确定射线粒子入射到闪烁体上的位置的公式可以如下：

X＝M*(Q_A+Q_B)/(Q_A+Q_B+Q_C+Q_D)

Y＝M*(Q_A+Q_C)/(Q_A+Q_B+Q_C+Q_D)

其中，X是射线粒子入射到闪烁体上的位置的水平方向的坐标，Y是射线粒子入射到闪烁体上的位置的垂直方向的坐标，Q_A、Q_B、Q_C和Q_D分别是A、B、C和D四个输出端输出的电荷值，M是光电探测装置的边长，例如，对于H8500，M的取值可以为52mm。

根据本发明的一个实施例，如果不采用电阻网络模块，而是将单个光电探测单元产生的电信号输入到二维位置探测处理装置，则二维位置探测处理装置具体可以根据每个光电探测单元的位置坐标以及每个光电探测单元探测到的电荷值确定射线粒子入射到所述闪烁体上的位置。

具体地，可以采用如下公式确定射线粒子入射到闪烁体上的位置的水平方向的坐标X：

$X=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i-b_i)x_i}{\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i-b_i)}$

其中，i可以取1到n，x_i为第i个光电探测单元的水平方向的坐标，Q_i为第i个光电探测单元探测到的电荷值Q_i，b_i为噪声修正项，可以根据实验确定。

类似地，可以采用如下公式确定射线粒子入射到闪烁体上的位置的垂直方向的坐标Y：

$Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i-b_i)y_i}{\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_i-b_i)}$

其中，y_i为第i个光电探测单元的垂直方向的坐标。

本发明前述各实施例提供的基于闪烁体的二维位置探测系统，能够用于成像。

虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于闪烁体的二维位置探测系统，包括：

整块连续的闪烁体，用于接收射线粒子，与所述射线粒子相互作用，产生光信号，并使得光信号在传播过程中分散；

光电探测装置，包括n个光电探测单元，每一光电探测单元分别用于探测所述闪烁体发出的光信号，并将所述光信号转换成电信号；n为大于1的自然数；

二维位置探测处理装置，与所述光电探测装置连接，用于根据所述光电探测装置中各个光电探测单元转换成的电信号，确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心，并将所述光信号的分布重心确定为所述射线粒子入射到所述闪烁体上的位置。

2.根据权利要求1所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，还包括：

光导，设置于所述闪烁体与所述光电探测装置之间，用于将所述闪烁体发出的光信号分散。

3.根据权利要求1所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述n个光电探测单元以阵列形式排布。

4.根据权利要求3所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述n个光电探测单元形成的阵列的面积与所述闪烁体的出光侧表面面积相匹配。

5.根据权利要求3所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述n个光电探测单元形成的阵列的面积等于所述闪烁体的出光侧表面面积。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，还包括电阻网络模块，分别与所述光电探测装置的各个光电探测单元以及所述二维位置探测处理装置连接，用于将n个光电探测单元输出的n路电信号转化为m路电信号，m为小于或等于n的自然数。

7.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述二维位置探测处理装置用于根据每个光电探测单元的位置坐标以及每个光电探测单元探测到的读出值确定所述闪烁体发出的光信号的分布重心。

8.根据权利要求7所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述读出值为电荷值。

9.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的基于闪烁体的二维位置探测系统，其中，所述射线粒子包括：X射线粒子、阿尔法射线粒子、伽马射线粒子、贝塔射线粒子或中子。

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