CN103901463B - 一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，该方法利用离散晶体映射解码图中的反应深度信息，直接确定高能光子的反应深度，其包括如下步骤：a)标定高能光子反应深度与解码位置的对应关系；b)根据反应深度定位要求设定反应深度定位级别；c)根据反应深度级别确定反应深度分割边界；d)基于反应深度分割边界，由高能光子解码位置定位高能光子的反应深度。根据本发明的上述方法，通过建立反应深度与解码位置的对应关系和反应深度分割边界，不仅能有效解出高能光子反应深度信息，而且不需要传统方法中针对深度定位附加设计的复杂结构，节约成本，简单有效。

Description

一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法

技术领域

本发明涉及发射成像技术领域，具体地，涉及一种定位高能光子反应深度的方法。

背景技术

基于“闪烁晶体+光电传感器”的探测器技术是高能射线探测的常用方法，如图1所示。闪烁晶体用以阻击高能光子并转化为低能光子，光电传感器利用光电转换、信号倍增形成脉冲信号，通过二者的配合实现了对高能光子的探测，并进一步定位。目前，高能光子的定位主要由两种方法：基于离散晶体的高能光子定位技术和基于连续晶体的高能光子定位技术。基于离散晶体的高能光子定位技术中，闪烁晶体通常做成长条形并且排列成二维阵列形式，闪烁晶体之间用反光片隔开并阻止透光，利用光共享设置和AngerLogic方法(Anger重心法)得到映射解码图(或叫二维位形图、泛场直方图)，实现了离散晶体阵列的二维位置解码；基于连续晶体的高能光子定位技术中，直接利用光电传感器探测的光信号分布规律，采用神经网络等方法计算定位高能光子反应的三维位置。由于连续晶体的定位受晶体均匀性、定位计算的算法的准确性和效率等因素的影响，并不成熟，目前几乎都采用离散晶体的高能光子定位方法。然而，目前的离散晶体的高能光子定位技术只能计算出二维位置，另外一个维度(即反应深度，DepthofInteraction，DOI)通常省略，并将其称为“反应深度效应”，作为降低图像质量的一个因素。随着发射成像技术向高图像空间分辨率的发展，“反应深度效应”的存在是高能光子探测与定位的一大缺陷，是造成探测系统三维空间分辨率下降的重要因素。目前克服“反应深度效应”均需要借助额外的设计方能得到部分DOI信息，图2a～2f显示了克服离散晶体“反应深度效应”的六种常用方法：

方法一：两层相同的闪烁晶体和光电传感器，如图2a所示。这种方法增加了电路系统的复杂度和探测木块组装的难度，增加了成本。

方法二：双层晶体材料，如图2b所示，用不同种类的闪烁晶体材料拼接成长条形晶体，第一种闪烁晶体和第二种闪烁晶体是两种不同材料的闪烁晶体。不同材料的闪烁晶体具有不同的能量谱和衰减时间，通过测定光电信号的能量和衰减时间来辨别高能光子在哪种闪烁晶体内发生反应。此种方法的缺点是两种闪烁晶体的组装增加了工艺的复杂度，并且在两种晶体材料之间增加了一层耦合面，会造成能量的损失。

方法三：采用双层晶体交错排列，如图2c所示，上下两层晶体存在空间位置的偏移。由于这种空间位置的交错，伽马光子在上下两层晶体中分别发生反应会在映射解码图中分别对应不同的位置，从而实现对高能光子反应深度的定位。这种方法的缺点是需要设计两层位置交错的闪烁晶体，加工工艺要求高，同时在两层晶体之间增加了一层耦合面，造成额外的能量损失。

方法四：单层晶体+双层光电传感器，如图2d所示，在闪烁晶体阵列的两端都设置光电传感器层。通过双端光电传感器探测到的能量比例，定位高能光子在闪烁晶体中的反应位置。此种方法的缺点是增加了一层光电传感器造成了探测器的成本增加，并增加了电路系统的复杂度。

方法五：荧光技术，如图2e所示，将长条形闪烁晶体的一端涂上荧光材料。荧光效应会改变长条晶体的光输出能量，通过光输出能量的改变量计算高能光子反应深度离荧光材料端的距离从而实现反应深度的定位。此种方法的缺点是需要对每个长条形闪烁晶体涂上荧光材料，增加了加工工艺的复杂度，增加了探测器的成本。

方法六：采用三维晶体阵列+光电传感器相间排布的方式，如图2f所示，层状结构的光电传感器具有厚度薄的特点，只有硅光电倍增管适合，传统的光电倍增管不适合此种结构。这种探测器结构具有三维定位准确的优点，随着硅光电倍增管技术的成熟，可能成为未来探测器的发展趋势。

由上述可见，目前能定位高能光子反应深度的技术都增加了探测器结构的复杂性，从而增加了探测器的成本，并且方法二和方法三因为增加了一个耦合面使得探测器损失了部分性能。

发明内容

由此，本发明的目的是提供一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，该方法是在不增加额外探测器结构的情况下，利用离散晶体映射解码图中的反应深度信息，直接确定高能光子的反应深度。

本发明的技术方案如下：一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：

1)标定高能光子反应深度与映射解码图中解码位置的对应关系：设变量l为反应深度，在长度为L₀的晶体上设定N个采样点，设反应深度分别为l₁，l₂，……，l_N，在N个反应深度下分别发生多次高能光子反应，用Anger重心法计算出各个反应深度对应的解码位置分布并求出各个位置分布的解码位置重心

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{x}}_l=\frac{\underset{S}{\Σ}{f}_l(x,y)\·x}{\underset{S}{\Σ}{f}_l(x,y)}& {\stackrel{\‾}{y}}_l=\frac{\underset{S}{\Σ}{f}_l(x,y)\·y}{\underset{S}{\Σ}{f}_l(x,y)}\end{array}$

其中S为映射解码区域，x和y为映射解码图中的坐标值；

通过曲线拟合重心序列，形成重心轨迹曲线y＝p(x)，曲线上的每一点，对应了一个反应深度下的解码位置分布的重心；

2)根据反应深度定位要求设定反应深度定位级别：若设定M+1级，则沿反应深度方向将晶体划分为M+1个区间，则有M个区间节点，每个节点对应了一个反应深度，第j个节点对应的反应深度为l_j，j取1，2……M，M为自然数，相邻的两个节点划分了一个反应深度区间，第1个和第M+1个的反应深度区间分别由第1个节点和第M个节点与端面划分；

3)根据反应深度定位级别确定分割边界：在重心轨迹曲线上找到各个节点反应深度对应的重心位置，第j个节点对应的重心位置为在该点处作轨迹曲线的垂线y＝g_j(x)，作为对应节点反应深度下的分割边界；

4)对于未知反应深度的高能光子反应事件，判断反应深度时，首先用Anger重心法计算其映射解码位置，设为(x₀,y₀)，再利用判别式Δ_j＝y₀-g_j(x₀)判别高能光子反应深度与节点处的位置关系，如果高能光子在第j节点和第j+1节点的判别式异号，即Δ_j·Δ_j+1<0，则判定高能光子发生在第j节点和第j+1节点之间，即第j+1个反应深度区间；如果M个节点的判别式都为正或负，则判定高能光子发生在第1个区间或第M+1个区间。

上述技术方案中，步骤1)中所述的计算各个反应深度对应的解码位置分布的解码位置重心为统计平均值；步骤1)中所述曲线拟合重心序列，采用最小二乘法或样条曲线拟合得到重心轨迹曲线。

上述技术方案中，步骤2)中所述的反应深度定位级别优选设置为2级、3级或4级。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①直接利用离散晶体映射解码图中隐含的DOI信息判断高能光子反应深度，无需增加多层的晶体、光电传感器或者对晶体整列进行额外设置，直接能运用到已有的高能光子探测技术，无需增加成本。②本发明方法挖掘了离散映射解码图中的三维信息，无需牺牲已有探测器本身的性能。③在电子数据处理部分，反应深度信息在离散晶体映射解码环节即可直接得到，没有给电子数据处理增加负担。

附图说明

图1为传统的“闪烁晶体+光电传感器”的高能光子探测器模块。

图2a-图2f为目前已有的六种高能光子反应深度定位方法。

图3a为在晶体上取N个采样点；图3b为将晶体划分为M+1个反应深度区间。

图4为高能光子反应深度定位方法的流程图。

图5为计算2级反应深度的详细流程图。

图6a、图6b为仿真实验得到的闪烁晶体映射解码图。

图7为拟合映射解码分布的重心轨迹曲线。

图8为不同反应深度下的反应深度判断正确率分布。

图中：1-第一种闪烁晶体；2-光电传感器；3-荧光层；11-第二种闪烁晶体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法包括如下步骤：

1)标定高能光子反应深度与映射解码图中解码位置的对应关系：设变量l为反应深度，在长度为L₀的晶体上设定N个采样点，设反应深度分别为l₁，l₂，……，l_N(如图3a所示)，在N个反应深度下分别发生多次高能光子反应，用Anger重心法计算出各个反应深度对应的解码位置分布并求出各个位置分布的解码位置重心

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;x}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}& {\stackrel{\&OverBar;}{y}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;y}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}\end{array}$

其中S为映射解码区域，x和y为映射解码图中的坐标值；采用最小二乘法或样条曲线拟合形成重心轨迹曲线y＝p(x)，曲线上的每一点，对应了一个反应深度下的解码位置分布的重心；拟合方法可以为直线拟合、二次曲线拟合或样条曲线拟合；

2)根据反应深度定位要求设定反应深度定位级别：如图3b所示，若设定M+1级，则沿反应深度方向将晶体划分为M+1个区间，则有M个区间节点，每个节点对应了一个反应深度，第j个节点对应的反应深度为l_j，j取1，2……M，M为自然数，相邻的两个节点划分了一个反应深度区间，第1个和第M+1个的反应深度区间分别由第1个节点和第M个节点划分；反应深度定位级别优选设置为2级、3级或4级，其反应深度定位准确率最高；

3)根据反应深度定位级别确定分割边界：在重心轨迹曲线上找到各个节点反应深度对应的重心位置，第j个节点对应的重心位置为在该点处作轨迹曲线的垂线y＝g_j(x)，作为对应节点反应深度下的分割边界；

4)对于未知反应深度的高能光子反应事件，判断反应深度时，首先用AngerLogic方法计算其映射解码位置，设为(x₀,y₀)，再利用判别式Δ_j＝y₀-g_j(x₀)判别高能光子反应深度与节点处的位置关系，如果高能光子在第j节点和第j+1节点的判别式异号，即Δ_j·Δ_j+1<0，则判定高能光子发生在第j节点和第j+1节点之间，即第j+1个反应深度区间；如果M个节点的判别式都为正或负，则反应深度判定为第1个区间或第M+1个区间。

下面将以“LSO晶体+光电倍增管”的探测器为例详细描述根据本发明的高能光子反应深度的定位方法，但需要说明的是，该“LSO晶体+光电倍增管”的探测器仅用于示例的目的，而不是为了将本发明的保护范围局限于此，普通技术人员在理解了本发明的高能光子反应深度定位方法之后，显然可以将此方法应用到具有BGO或LYSO等晶体和硅光电倍增管或位置敏感的光电倍增管为组合的高能光子探测器中。

实施例：

下面结合图5-8来详细描述本发明的高能光子反应深度的定位方法。其中图5显示了结合本实施例的详细流程图，图6a、6b所示为仿真实验得出的闪烁晶体映射解码图或二维位形图或泛场位形图，图7所示为拟合映射解码分布的重心轨迹曲线，并反应了高能光子反应深度与解码映射图中解码位置的对应关系，图8为不同反应深度下的反应深度判断正确率分布。

对于图1所示的探测器模块，设其由“12×12LSO闪烁晶体阵列”+“光电倍增管”组成，晶体阵列由图3a所示的细长晶体组成。图6a所示为探测器的闪烁晶体映射解码图，每个晶体有一对一的映射斑点，即解码图中黑色团块的数目即矩阵中晶体的数目。以解码图中第4行、第11列的映射斑为例，如图6b。为了获取高能光子反应深度与解码位置的对应关系，在长L₀＝25mm的晶体上设定26个采样点，设反应深度l＝0,1,2,…,25mm，仿真实验中设置每个反应深度发生5000次高能光子反应事件，形成分布序列f₀(x,y)，f₁(x,y)，f₂(x,y)，……，f₂₅(x,y)；计算每个分布的重心，如公式

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;x}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}& {\stackrel{\&OverBar;}{y}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;y}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}\end{array}$

其中S为映射解码区域，x和y为映射解码图中的坐标值。

形成重心序列通过最小二乘法(a和b为拟合系数)拟合重心序列，如图7所示，○代表不同的反应深度下的重心点，形成重心轨迹曲线y＝p(x)＝-1.196x+312.480，此曲线表示了高能光子在不同的反应深度下，其解码位置落在这条曲线附近，并且随着反应深度增加，解码位置将沿着曲线的一个方向单调变动。重心轨迹曲线在映射斑点上表示为图6b中黑色虚线，曲线上的每一点，对应了一个反应深度下的映射解码分布的重心。

反应深度定位级别在离散晶体解码时同时解出，在数据传送时增加相应反应深度的数据，没有给传统的电子模块技术造成过大负担。例如对于反应深度定位级别为2，数据传送时增加1位的信息。设反应深度定位级别为2级，即将晶体条分为2段，反应深度分别为0～12.5mm和12.5～25mm。在重心轨迹曲线上找到反应深度l＝12.5对应的重心位置，在该点处作轨迹曲线的垂线y＝g(x)＝0.836x+169.453，对应了图6b中的黑色实线，垂线将映射解码斑点分为两个区域，y＝g(x)＝0.836x+169.453即为反应深度分割边界，即将晶体的反应深度分成了两级。

对于未知反应深度的高能光子事件，首先计算其映射解码位置(x₀,y₀)，然后根据解码位置确定该次高能光子事件位于哪个晶体，再根据该解码位置进一步确定其反应深度，判别式如下

Δ＝y₀-f(x₀) $\left\{\begin{array}{cc}DOI=0& \mathrm{\&Delta;}>0\\ DOI=1& \mathrm{\&Delta;}<0\end{array}\right.$

根据y＝g(x)＝0.836x+169.453确定的反应深度边界判断高能光子事件的反应深度，DOI＝0表示高能光子发生在0～12.5mm段深度，DOI＝1表示反应深度发生在12.5～25mm段。不同反应深度下的判定准确率如图8所示。

Claims (4)

1.一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：

1)标定高能光子反应深度与映射解码图中解码位置的对应关系：设变量l为反应深度，在长度为L₀的晶体上设定N个采样点，设反应深度分别为l₁，l₂，……，l_N，在N个反应深度下分别发生多次高能光子反应，用Anger重心法计算出各个反应深度对应的解码位置分布并求出各个位置分布的解码位置重心

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;x}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_l=\frac{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)\&CenterDot;y}{\underset{S}{\&Sigma;}{f}_l(x,y)}$

其中S为映射解码区域，x和y为映射解码图中的坐标值；

通过曲线拟合重心序列，形成重心轨迹曲线y＝p(x)，曲线上的每一点，对应了一个反应深度下的解码位置分布的重心；

2)根据反应深度定位要求设定反应深度定位级别：若设定M+1级，则沿反应深度方向将晶体划分为M+1个区间，则有M个区间节点，每个节点对应了一个反应深度，第j个节点对应的反应深度为l_j，j取1，2……M，M为自然数，相邻的两个节点划分了一个反应深度区间，第1个和第M+1个的反应深度区间分别由第1个节点和第M个节点与端面划分；

3)根据反应深度定位级别确定分割边界：在重心轨迹曲线上找到各个节点反应深度对应的重心位置，第j个节点对应的重心位置为在该点处作轨迹曲线的垂线y＝g_j(x)，作为对应节点反应深度下的分割边界；

4)对于未知反应深度的高能光子反应事件，判断反应深度时，首先用Anger重心法计算其映射解码位置，设为(x₀,y₀)，再利用判别式Δ_j＝y₀-g_j(x₀)判别高能光子反应深度与节点处的位置关系，如果高能光子在第j节点和第j+1节点的判别式异号，即Δ_j·Δ_j+1<0，则判定高能光子发生在第j节点和第j+1节点之间，即第j+1个反应深度区间；如果M个节点的判别式都为正或负，则判定高能光子发生在第1个区间或第M+1个区间。

2.如权利要求1所述的一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，其特征在于：

步骤1)中所述的计算各个反应深度对应的解码位置分布的解码位置重心为统计平均值。

3.如权利要求1所述的一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，其特征在于：

步骤1)中所述曲线拟合重心序列，采用最小二乘法或样条曲线拟合得到重心轨迹曲线。

4.如权利要求1所述的一种基于离散晶体的高能光子反应深度的定位方法，其特征在于：

步骤2)中所述的反应深度定位级别设置为2级、3级或4级。