CN106388768A - 一种切伦科夫辐射成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种切伦科夫辐射成像方法，其包括步骤：注入可发射带电粒子的同位素；读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；对读到的切伦科夫光子进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；在通过多光子的能量、角度展宽进行判选，触发后再从切伦科夫事件的电脉冲集合中获取角度、动量等其他感兴趣的信息。一种切伦科夫辐射成像系统，其中包括同位素注入模块、光电探测器模块、多事例时间符合模块、切伦科夫事件估计模块和核素分布图像重建模块。通过采用本发明的切伦科夫成像方法与系统，能有效提高系统空间分辨率和成像信噪比，特别适合于在体的小动物成像和浅表的临床诊断中的应用。

Description

一种切伦科夫辐射成像方法与系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像方法与系统。

背景技术

切伦科夫辐射探测是一种由切伦科夫效应发射可见光和近红外光光子的光学成像方法。带有切伦科夫辐射的放射性同位素可作为在体成像的探针，通过参与生物体的各种生理和生化的过程，可构成一种新型的成像方法，在光学成像和多模医学成像中有广泛的应用价值。2010年美国Alessandro Ruggiero 等(J. Nucl. Med.2010,51:1123-1130)证实采用单视角透镜观测带有α或者β衰变的放射性同位素发射的高速带电粒子在介质中可发射切伦科夫辐射，并且辐射的光子具有一定的穿透组织的能力。光学成像系统可以对这些放射性同位素进行在体医学成像。这意味着除了单光子发射断层成像、正电子发射断层成像以外，切伦科夫辐射探测也可发展为一种典型的分子影像成像方式。

除开切伦科夫成像方法以外，还存在SPECT（单光子发射断层成像）、PET（正电子发射断层成像）等分子影像方法。然而，SPECT和PET所采用的标记方法是高能射线标记。需要采用高密度的闪烁体将高能光子转化为可见光光子，因而具有较高的造价。

而现有的切伦科夫成像系统由于采用透镜设计，其探测效率低，成像时间长，灵敏度不如现有的PET成像。

因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的切伦科夫事件信息，提供一种新的切伦科夫辐射成像方法与系统，以克服上述缺陷。全面捕获单个切伦科夫辐射事件的中心角度（2-D）、展宽角度（4-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、动量(3-D)共13维信息。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种切伦科夫辐射成像方法与系统，该方法与系统能有效地读出一个切伦科夫事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间符合，剔除自发光事件，增大重构图像信噪比，避免基线漂移对读出信号的影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种切伦科夫辐射成像方法，其包括步骤：

S1：注入可发射带电粒子的同位素；

S2：读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；

S3：对读到的切伦科夫光子进行时间符合；

S4：通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；

S5：在通过多光子的能量、角度展宽进行判选，触发后再从切伦科夫事件的电脉冲集合中获取角度、动量等其他感兴趣的信息。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应的事件。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述时间符合是指多个单光子（不少于7个）事件在很短的时间内（例如70 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述光子在孔内的相对位置是指光子在探测器模组孔内的相对位置，这个相对位置决定于射线入射角度。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述切伦科夫事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。

优选地，在上述的切伦科夫辐射成像方法中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定切伦科夫辐射发生的位置。

一种切伦科夫辐射成像系统，其中包括同位素注入模块、光电探测器模块、多事例时间符合模块、切伦科夫事件估计模块和核素分布图像重建模块，其中，

同位素注入模块，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物；

光电探测器模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取切伦科夫事件的中心角度（2-D）、展宽角度（4-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、动量(3-D)共13维信息；

多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次切伦科夫事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如7 ns）内有多个单光子事件（不少于7个）；

切伦科夫事件估计模块，用于将符合的单光子信息重建成切伦科夫事件的属性。

核素分布图像重建模块，用于将带有属性的切伦科夫事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的切伦科夫辐射成像方法与系统，能有效提高系统的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（4）全事件读出设计可以全面的读出切伦科夫事件丰富的多维信息：中心角度（2-D）、展宽角度（4-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、动量(3-D)等，具体为以事件的形式记录光电器件的电信号衍生出的事件属性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的切伦科夫辐射成像方法的流程图。

图2为本发明的切伦科夫辐射成像系统的系统结构图。

图3为本发明的切伦科夫辐射成像系统响应线的似然函数分布。

图4为本发明圆环型单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统。

图5为本发明典型的双重事件符合示意图。

图6为本发明典型的Derenzo假体剖面图。

图7为本发明典型的Derenzo假体按照切伦科夫光子数据重建的剖面图。

图8为本发明典型的Derenzo假体按照伽玛光子数据重建的剖面图。

图9为本发明典型的Derenzo假体按照双重光子事件数据重建的剖面图。

图10为本发明平板型单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像方法与系统，该方法与系统能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及系统的时间分辨率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像方法与系统通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合和估计理论甄别出切伦科夫事件的位置，具体的方法步骤为：

S1：注入可发射带电粒子的同位素；

S2：读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；

S3：对读到的切伦科夫光子进行时间符合；

S4：通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；

S5：在通过多光子的能量、角度展宽进行判选，触发后再从切伦科夫事件的电脉冲集合中获取角度、动量等其他感兴趣的信息。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应的事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述时间符合是指多个单光子（不少于7个）事件在很短的时间内（例如70 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述光子在孔内的相对位置是指光子在探测器模组孔内的相对位置，这个相对位置决定于射线入射角度。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述切伦科夫事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。

以上单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定切伦科夫辐射发生的位置。

如图2所示，本发明公开的单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统，其包括同位素注入模块100、光电探测器模块200、多事例时间符合模块300、切伦科夫事件估计模块400及核素分布图像重建模块500，其中，

同位素注入模块100，用于对生物体注入同位素，并保持成像环境的低背景光和安静；

光电探测器模块200，用于读出各个光子事件的时间和产生电信号的幅值；

多事例时间符合模块300，用于对多个通道产生的光子事件进行时间符合判定，具体为满足多个光子事件都发生在很短的时间内这一条件时，这一簇光子被认为是一次时间符合；

切伦科夫事件估计模块400，以时间符合的光子属性为输入，由各个孔内的光子分布重建切伦科夫事件的发生位置；

核素分布图像重建模块500，由多个切伦科夫事件重建核素的分布。

图1为本发明的切伦科夫辐射成像方法的流程图。图2为本发明的切伦科夫辐射成像系统的系统结构图。图3为本发明的切伦科夫辐射成像系统响应线的似然函数分布。图4为本发明圆环型单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统。图5为本发明典型的双重事件符合示意图。图6为本发明典型的Derenzo假体剖面图。图7为本发明典型的Derenzo假体按照切伦科夫光子数据重建的剖面图。图8为本发明典型的Derenzo假体按照伽玛光子数据重建的剖面图。图9为本发明典型的Derenzo假体按照双重光子事件数据重建的剖面图。图10为本发明平板型单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像系统。结合图3、图4及图10，通过几个具体的实施例，对本发明单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像方法与系统做进一步描述。本发明提出的单光子时间分辨的切伦科夫辐射成像方法与系统，其涉及到的参数、滤波器设计、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的切伦科夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际系统为使用暗箱尺寸为1.7m×1.6m×1.7m。射源为电子束，将电子束射向生物体后，可发生切伦科夫辐射效应；

步骤（2）采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用全封闭球壳结构；

步骤（3）符合时间约为7 ns，符合判断采用离线式的时间符合处理；

步骤（4）采用蒙特卡洛建模方法，获得每个探测孔的概率密度函数；

步骤（5）采用解析的核素分布重建方法，直接绘出切伦科夫的时间和位置。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际系统为使用暗箱尺寸为1.7m×1.8m×1.8m。射源为511kev的124I-NaI；

步骤（2）采用全数字光电倍增管，探测器采用平板结构；

步骤（3）符合时间约为10 ns，符合判断采用在线式的时间符合处理；

步骤（4）采用实验数据拟合方法，获得每个探测孔的概率密度函数；

步骤（5）采用迭代的核素分布重建方法，逼近式绘出切伦科夫的时间和位置，迭代的终止准则为图像的平均抖动小于1000个计数。

本发明的方法和系统可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核探测、核分析、核医学仪器。

本发明提供的切伦科夫辐射成像方法中。通过时间符合，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断切伦科夫事件的时间和位置，比背景技术中的单视角或者电流电荷读出的切伦科夫成像方法的成像质量好，捕获的切伦科夫光子多。

本发明公开的切伦科夫辐射成像方法中，注入可发射带电粒子的同位素可用于标记生物体中的生化和生理过程；读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；对读到的时间进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；对估计的切伦科夫的位置和时间进行重建，获得核素的分布。

通过采用本发明的切伦科夫辐射成像系统，能有效提高系统的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（4）全事件读出设计可以全面的读出切伦科夫事件丰富的多维信息：中心角度（2-D）、展宽角度（4-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、动量(3-D)等，具体为以事件的形式记录光电器件的电信号衍生出的事件属性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种切伦科夫辐射成像方法，其特征在于：包括步骤：

S1：注入可发射带电粒子的同位素；

S2：读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；

S3：对读到的切伦科夫光子进行时间符合；

S4：通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；

S5：在通过多光子的能量、角度展宽进行判选，触发后再从切伦科夫事件的电脉冲集合中获取角度、动量等其他感兴趣的信息。

2.根据权利要求1所述的一种切伦科夫辐射成像方法，其特征在于：对生物活体注入可发射带电粒子的同位素或直接辐照带电粒子束，并尽可能地降低背景光子，使成像环境尽可能的处于静息和非曝光的状态下。

3.根据权利要求1所述的一种切伦科夫辐射成像方法，其特征在于：切伦科夫辐射探测采用光子计数的方法读出每一个光子的时间信息，所采用的光电器件通常为具有光子事例分辨的能力，比如PMT （Photomultiplier Tube）、SiPM (Silicon Photomultiplier)、APD（Avalanche photo detector）等，可以读出单个光子事例的时间信息。

4.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射成像方法，其特征在于：所述切伦科夫事件的位置信息由孔内读出的相对位置进行重建。

5.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射成像方法，其特征在于：所述切伦科夫辐射事件的判定由多个孔中的读出光子时间符合而定，具体是在很短的时间内有多个（不少于5个）通道的单切伦科夫光子击中探测器模组。

6.一种切伦科夫辐射成像系统，其特征在于：同位素注入模块、光电探测器模块、多事例时间符合模块、切伦科夫事件估计模块和核素分布图像重建模块，其中：

同位素注入模块，用于对生物体注入同位素，并保持成像环境的低背景光和安静；

光电探测器模块，用于读出各个光子事件的时间和产生电信号的幅值；

多事例时间符合模块，用于对多个通道产生的光子事件进行时间符合判定，具体为满足多个光子事件都发生在很短的时间内这一条件时，这一簇光子被认为是一次时间符合；

切伦科夫事件估计模块，以时间符合的光子属性为输入，由各个孔内的光子分布重建切伦科夫事件的发生位置；

核素分布图像重建模块，由多个切伦科夫事件重建核素的分布。

7.一种切伦科夫辐射成像系统，其特征在于：带电粒子束辐照模块、光电探测器模块、多事例时间符合模块、切伦科夫事件估计模块和核素分布图像重建模块，其中：

带电粒子束辐照模块，用于对辐照带电粒子束，并保持成像环境的低背景光和安静；

光电探测器模块，用于读出各个光子事件的时间和产生电信号的幅值；

多事例时间符合模块，用于对多个通道产生的光子事件进行时间符合判定，具体为满足多个光子事件都发生在很短的时间内这一条件时，这一簇光子被认为是一次时间符合；

切伦科夫事件估计模块，以时间符合的光子属性为输入，由各个孔内的光子分布重建切伦科夫事件的发生位置；

核素分布图像重建模块，由多个切伦科夫事件重建核素的分布。