CN106405608A - 一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置 - Google Patents

Abstract

­一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其包括步骤：通过安置伽玛光子探测器，获得衰变事件发射伽玛光子的脉冲数据集；通过安置可见光子探测器，获得衰变事件发射光子的脉冲数据集；获取每个时间段样本的两种数据集各自的联合似然概率函数；判断当前接收到的两种数据片段否是来自于一个衰变事件。一种伽玛光与可见光的事件级物理准合装置，其中包括不稳定同位素注入模块、伽玛探测器模块、可见光探测器模块、多事例时间窗判选模块、后处理模块。通过采用本发明的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，能有效提高探测衰变事件的分辨率、装置灵敏度和成像信噪比，特别适合于高能粒子探测在生物医学成像上的应用。

Description

一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置

技术领域

本发明涉及粒子物理数据获取、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置。

背景技术

核物理中的放射性事件通常伴随着两种或者两种以上的辐照类型。特别是衰变事件可以发射出不稳定的带电粒子时，放射性事件会同时有多种辐射发出。以富质子不稳定同位素为例，发射出的正电子当具有一定的动量时，将在径迹上辐照可见光光子，这种物理现象即为切伦科夫辐射。切伦科夫辐射作为一种极为方便的标记方法，在生物医学显像中有着极为广泛的应用价值。而当正电子与环境中的电子发生正反物质湮灭时，将辐射一个带有511keV能量的伽玛光子，也就是说，富质子元素的一种同位素标记将提供两种显像方式：光学成像和伽玛成像。除了富质子元素以外，其他部分不稳定同位素还有级联衰变以及同时辐射不同能量、不同电荷、不同穿透深度的多个粒子的情形，都属于讨论的范围。现有的成像系统并没有对这种“身兼两职”的探针进行专门的探测，而是独立采用伽玛相机（或者PET）和光学相机对标记有富质子核素的生物体或者人体各自进行成像，中间的信号探测和数据获取完全是独立的，最后在图像层面进行后端准合（配准）。

这种后端准合对于两种辐照的信息损失极为严重。在伽玛数据中，有很大一部分数据是散射和随机事件，如果能在物理层以事件的形式引入光学数据，将对散射和随机事件提供极为精准的判选。而可见光在人体内的输运噪声极为严重，如果光学数据能在切伦科夫事件被甄别时引入伽玛光子的准直信息，将极大地提升单个切伦科夫事件的信息准确度。为此，工作在物理层的事件级别的信息融合，将对多辐照系统产生革命性影响。

因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的多辐照事件信息，提供一种新的伽玛光子数据与可见光子数据的准合方法与装置，以克服上述缺陷，实现高精度的数据准合，提高系统的噪声等效计数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，该方法与装置能有效地读出一个多辐照事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间窗判选，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：

一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其包括步骤：

S1：通过安置伽玛光子探测器，获得衰变事件发射伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）；

S2：通过安置可见光子探测器，获得衰变事件发射可见光光子（或近红外光子）的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；

S3：通过实验和仿真，获取每个时间段样本的两种数据集各自的联合似然概率函数；

S4：通过计算该时间段的二级联合多属性似然函数判断当前接收到的两种数据片段否是来自于一个衰变事件 ，若不是则各自单独存储或者丢弃。

优选地，在上述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法中，所述多辐照事件是指单个放射性同位素原子核发射出几种辐射的事件。

优选地，在上述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法中，所述的单光子事件是指生物体通过衰变或者切伦科夫事件发出的单个光子击中探测器被吸收的事件。

优选地，在上述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法中，所述时间窗判选是指多个单光子（不少于3个）事件在很短的时间内（例如30 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次多辐照事件。

优选地，在上述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法中，所述判选两种事件是否属于一次多辐照事件，既可以将没有联系上的两种事件丢弃，也可以将两种事件暂时进行存储，以供其他操作使用。

一种伽玛光与可见光的事件级物理准合装置，其中包括不稳定同位素注入模块、伽玛探测器模块、可见光探测器模块、多事例时间窗判选模块、后处理模块，其中，

不稳定同位素注入模块，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射多辐照事件的标记物；

伽玛探测器模块，用于以多视角的方式实现对伽玛光子的探测。探测器模块的设计既可以采用闪烁体加光电器件的闪烁探测器设计，也可以采用由高能半导体器件构成的一步转换探测器。例如高纯锗探测器、宽禁带半导体探测器等；

可见光探测器模块，用于以高探测效率的方式实现对可见光光子的探测。探测器拥有大面积平面结构，可以采用大规模光电子芯片工艺进行大规模制造。

多事例时间窗判选模块，用于判断多光子事件是否属于一次多辐照事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如30 ns）内有多个单光子事件（不少于3个）；

后处理模块，用于对辐照数据进行后续处理或者丢弃。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于多辐照标记物或者级联衰变的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）高灵敏度，由于在物理层对多种辐照数据进行准合，信息量和噪声等效计数大幅度提升，使系统相对于传统的后端准合具有更高的信噪比；

（2）抵御背景光和生物体自发光的时间窗判选设计，有利于降低成像的背景噪声，拒绝散射和随机事件带来的影响；

（3）一体化设计使系统更加紧凑、处理流程简明，降低了复杂度。

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为本发明的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法的流程图。

图2为本发明的伽玛光与可见光的事件级物理准合装置的装置结构图。

图3为本发明的事件时间信息的判选示意图。

图4为本发明的事件种类的判选示意图。

图5为本发明可见光子信号设定阈值的示意图。

图6为本发明典型的伽玛数据能量谱。

图7为本发明511keV的典型的伽玛光子实验数据波形图。

图8为本发明350keV的典型的伽玛光子实验数据波形图。

图9为本发明光子判选的能量关联示意图。

图10为本发明伽玛辐照和可见光子辐照的双探测实验系统。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，该方法与装置能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及装置的时间分辨率。

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伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间窗判选和估计理论甄别出多辐照事件的位置，具体的方法步骤为：

S1：通过安置伽玛光子探测器，获得衰变事件发射伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）；

S2：通过安置可见光子探测器，获得衰变事件发射可见光光子（或近红外光子）的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；

S3：通过实验和仿真，获取每个时间段样本的两种数据集各自的联合似然概率函数；

S4：通过计算该时间段的二级联合多属性似然函数判断当前接收到的两种数据片段否是来自于一个衰变事件 ，若不是则各自单独存储或者丢弃。

以上单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合装置中，所述多辐照事件是指单个放射性同位素原子核发射出几种辐射的事件。

以上单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合装置中，所述的单光子事件是指生物体通过衰变或者切伦科夫事件发出的单个光子击中探测器被吸收的事件。

以上单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合装置中，所述时间窗判选是指多个单光子（不少于3个）事件在很短的时间内（例如30 ns）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次多辐照事件。

以上单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合装置中，所述判选两种事件是否属于一次多辐照事件，既可以将没有联系上的两种事件丢弃，也可以将两种事件暂时进行存储，以供其他操作使用。

如图2所示，本发明公开的一种伽玛光与可见光的事件级物理准合装置，包括不稳定同位素注入模块100、伽玛探测器模块200、可见光探测器模块300、多事例时间窗判选模块400、后处理模块500，其中，

不稳定同位素注入模块100，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射多辐照事件的标记物；

伽玛探测器模块200，用于以多视角的方式实现对伽玛光子的探测。探测器模块的设计既可以采用闪烁体加光电器件的闪烁探测器设计，也可以采用由高能半导体器件构成的一步转换探测器。例如高纯锗探测器、宽禁带半导体探测器等；

可见光探测器模块300，用于以高探测效率的方式实现对可见光光子的探测。探测器拥有大面积平面结构，可以采用大规模光电子芯片工艺进行大规模制造。

多事例时间窗判选模块400，用于判断多光子事件是否属于一次多辐照事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如30 ns）内有多个单光子事件（不少于3个）；

后处理模块500，用于对辐照数据进行后续处理或者丢弃。

图3为本发明的事件时间信息的判选示意图；图4为本发明的事件种类的判选示意图；图5为本发明可见光子信号设定阈值的示意图；图6为本发明典型的伽玛数据能量谱；图7为本发明511keV的典型的伽玛光子实验数据波形图；图8为本发明350keV的典型的伽玛光子实验数据波形图；图9为本发明光子判选的能量关联示意图；图10为本发明伽玛辐照和可见光子辐照的双探测实验系统。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伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置做进一步描述。本发明提出的单光子时间分辨的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，其涉及到的参数、时间窗判选处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的系统分辨性能和较短的处理时间。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）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.3m×1.3m×1.0m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18F-FDG。采用蓝紫光增强的硅光电倍增管和硅酸钇镥闪烁晶体，探测器采用环状结构；

步骤（2）采用红光增强的硅光电倍增管，光电探测器附着在伽玛光子探测器上；

步骤（3）符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间窗判选处理；

步骤（4）采用解析的多辐照事件重建方法，直接绘出多辐照事件的时间和位置。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.3m×1.0m×1.0m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子124I-NaI。采用蓝紫光增强的位置敏感型光电倍增管和碘化钠闪烁晶体，探测器采用平板组成的六边形结构；

步骤（2）采用红光增强的CCD相机，光电探测器附着在伽玛光子探测器上；

步骤（3）符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间窗判选处理；

步骤（4）采用迭代的多辐照事件重建方法，逼近地绘出多辐照事件的时间和位置，迭代次数不大于1000次。

本发明的方法和装置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。

本发明提供的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法中。通过时间窗判选，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多辐照事件的时间和位置，比背景技术中的独立成像+图像配准的成像质量更高，并携有时间信息，可以提取动态影像。

通过采用本发明的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于多辐照标记物或者级联衰变的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）高灵敏度，由于在物理层对多种辐照数据进行准合，信息量和噪声等效计数大幅度提升，使系统相对于传统的后端准合具有更高的信噪比；

（2）抵御背景光和生物体自发光的时间窗判选设计，有利于降低成像的背景噪声，拒绝散射和随机事件带来的影响；

（3）一体化设计使系统更加紧凑、处理流程简明，降低了复杂度。

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 (6)

1.一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其特征在于：包括步骤：

S1：通过安置伽玛光子探测器，获得衰变事件发射伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）；

S2：通过安置可见光子探测器，获得衰变事件发射可见光光子（或近红外光子）的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；

S3：通过实验和仿真，获取每个时间段样本的两种数据集各自的联合似然概率函数；

S4：通过计算该时间段的二级联合多属性似然函数判断当前接收到的两种数据片段否是来自于一个衰变事件 ，若不是则各自单独存储或者丢弃。

2.根据权利要求1所述的一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其特征在于：获得的衰变事件发射伽玛光子的脉冲数据集包括时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种，时间为必须包含的内容。

3.根据权利要求1所述的一种伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其特征在于：获得的衰变事件发射可见光光子（或近红外光子）的脉冲数据集包括时间、位置、波长、脉冲形状多维信息中的一种或者几种，时间为必须包含的内容。

4.根据权利要求1所述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其特征在于：计算每个时间段样本的两种数据集各自的联合似然概率函数。

5.根据权利要求1所述的伽玛光与可见光的事件级物理准合方法，其特征在于：通过计算该时间段的联合似然概率函数判断当前接收到的两种数据片段否是来自于一个衰变事件。

6.一种伽玛光与可见光的事件级物理准合装置，其特征在于：不稳定同位素注入模块、伽玛探测器模块、可见光探测器模块、多事例时间窗判选模块、后处理模块，其中：

不稳定同位素注入模块，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射多辐照事件的标记物；

伽玛探测器模块，用于以多视角的方式实现对伽玛光子的探测；

可见光探测器模块，用于以高探测效率的方式实现对可见光光子的探测，探测器拥有大面积平面结构，可以采用大规模光电子芯片工艺进行大规模制造；

多事例时间窗判选模块，用于判断多光子事件是否属于一次多辐照事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如30 ns）内有多个单光子事件（不少于3个）；

后处理模块，用于对辐照数据进行后续处理或者丢弃。