CN109254315B - 对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统 - Google Patents

对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统。该方法将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；将转化的电信号分为2路，1路电信号作为触发信号；在触发信号的触发下采集另1路电信号；对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布，确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。本发明提供的方案将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；将转化的电信号分为2路，1路电信号作为触发信号；在触发信号的触发下采集另1路电信号；基于电信号确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度可以判断待测晶体的时间分辨差异。

Description

对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统。
背景技术
闪烁晶体制作的辐射探测器，大量用于核医学成像、安检设备和产品检验等领域中。掺杂闪烁晶体的光产额、能量分辨以及晶体的余辉长短与晶体生产时的掺杂工艺密切相关，晶体最终的各方面特性受外界生产环境变化影响较大。目前在PET/CT中大量使用的LYSO和LSO晶体，不同厂家、不同批次品质差异非常大，为了提高成像的图像质量和性能指标，要求晶体不仅要有足够的光产额和能量分辨，而且还会对晶体的时间特征有需求和要求。
晶体的时间分辨能力一般与晶体输出信号的上升时间相关，上升时间越快，晶体的时间分辨越好。晶体的余晖时间对应晶体输出信号的下降时间，短的余晖时间容易得到较小的探测死时间，相同的余晖时间意味信号的一致性，这些对医学成像系统至关重要的。
直接测试晶体的时间特性，需要对晶体的光信号转换成为电信号并进行无形状改变的放大，对电信号的波形进行采集和分析，对整个测试装置的几何位置，测试样品的形态，以及使用的放射源强度形状都有较复杂要求，测试装置后端电路也极为复杂，大批量检测测试的稳定性和效率比较难以保证。用于做时间分辨的晶体其上升时间一般为几百皮秒到几个纳秒，晶体的余晖时间一般不过几十个纳秒到几百纳秒，同种类晶体在质量上有差异的话其上升时间差异仅为皮秒级余晖时间纳秒级，若想直接测量时间特征，甚至判断上升的时间差异或余晖时间差异，这对信号采样设备的采样率要求极高，同时需要极高的幅度和时序的精度，这样的设备非常昂贵。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了判断晶体的时间分辨，本发明提供一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法和系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法，所述方法包括：
将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；
将转化的电信号分为2路，1路电信号作为触发信号；
在所述触发信号的触发下采集另1路电信号；
对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布；
根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
可选地，所述将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号，包括：
将待测晶体经放射源照射后发出的光通过光电转化元件转化为电信号。
可选地，电转化元件为光电倍增管PMT。
可选地，所述1路电信号作为触发信号，包括：
将1路电信号中，信号高度高于预设高度的电信号作为触发信号。
可选地，所述在所述触发信号的触发下采集另1路电信号，包括：
对另1路电信号进行主放放大整形；
在所述触发信号的触发下采集主放放大整形后的电信号。
可选地，所述在所述触发信号的触发下采集主放放大整形后的电信号，包括：
在所述触发信号的触发下，通过ADC采集卡采集主放放大整形后的电信号。
可选地，所述ADC采集卡的采样率为40M。
可选地，所述通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异，包括：
计算修正因子Dn＝标样设定能谱前沿位置-标样测试能谱前沿位置；
计算实际能谱前沿位置＝能谱前沿位置-Dn；
根据先得到的时间分辨与前沿位置之间关系，以及所述实际能谱前沿位置，得到时间分辨差异；
其中，所述标样设定能谱前沿位置和标样测试能谱前沿位置为预先对标样进行测试得到的。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案还包括：
一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量系统，所述系统包括：放射源、光电转化元件、放大整形电路、触发电路，ADC采集卡和处理设备；
所述放射源，用于照射待测晶体；
所述光电转化元件，用于将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；
所述触发电路，用于将电信号的1路电信号作为触发信号；
所述放大整形电路，用于对电信号的另1路电信号进行主放放大整形；
所述ADC采集卡，用于在触发信号的触发下采集电信号；
所述处理设备，用于对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布确；根据信号能谱分布定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
可选地，所述电转化元件为光电倍增管PMT；
所述ADC采集卡的采样率为40M。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；将转化的电信号分为2路，1路电信号作为触发信号；在触发信号的触发下采集另1路电信号，对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布，根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法的实现示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种能谱前沿出现位置示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种余辉长度比较示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种时间分辨与前沿位置之间关系示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供的方法，可以通过如下的对闪烁晶体光衰减时间差异测量系统实现。
该系统包括：放射源、光电转化元件、放大整形电路、触发电路，ADC采集卡和处理设备；
放射源，用于照射待测晶体；
光电转化元件，用于将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；
触发电路，用于将电信号的1路电信号作为触发信号；
放大整形电路，用于对电信号的另1路电信号进行主放放大整形；
ADC采集卡，用于在触发信号的触发下采集电信号；
处理设备，用于对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布，根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
具体的，基于上述系统的对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法流程如下：
1、放射源照射待测晶体。
2、待测晶体经放射源照射后发出光。
3、将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号。
如将待测晶体经放射源照射后发出的光通过光电转化元件转化为电信号。
其中，电转化元件可以为PMT(Photomultiplier tube，光电倍增管)。
4、将转化的电信号分为2路。
其中，1路电信号作为触发信号。
具体过程为：将该路电信号进行阈值甄别，甄别后的作为触发信号。
阈值甄别过程为：剔除该路电信号中，信号高度不高于预设高度的电信号。
即将该路电信号中，信号高度高于预设高度的电信号作为触发信号。
得到触发信号后，在触发信号的触发下采集另1路电信号。
具体过程为：通过放大整形电路对另1路电信号进行主放放大整形；
在通过触发电路得到触发信号的触发后，采集主放放大整形后的电信号。
如在触发信号的触发下，通过ADC采集卡采集主放放大整形后的电信号。
其中，ADC采集卡的采样率为40M。
5、对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布，根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
如处理设备基于采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布，根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
具体的，
5-1，基于采集到的电信号确定待测晶体光信号的积分能谱。
5-2，从能谱中提取信息，信息为：待测晶体的峰位信息，能量分辨信息，以及能谱前沿位置信息。
5-3，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异。
5-4，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
其中，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异的过程包括：
计算修正因子Dn＝标样设定能谱前沿位置-标样测试能谱前沿位置；
计算实际能谱前沿位置＝能谱前沿位置-Dn；
根据先得到的时间分辨与前沿位置之间关系，以及实际能谱前沿位置，得到时间分辨；
其中，标样设定能谱前沿位置和标样测试能谱前沿位置为预先对标样进行测试得到的。
下面以图1所示的对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法的实现流程为例，对本发明提供的方法再次进行说明。
使用放射源照射待测晶体，使用光电转化元件(如PMT)将晶体辐照发出的光转化为电信号，一路信号经过放大进行阈值甄别，作为采集分析的触发信号，另一路信号经过主放放大整形，最后使用ADC采集卡采集信号(40M左右采样率)，并用计算机记录保存数据，通过离线对数据进行分析，即可得到晶体光信号的积分能谱，如图2所示。得到能谱后，可以从能谱中提取到晶体的峰位信息，能量分辨信息，以及能谱前沿位置信息。通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度。，根据对时间分辨的标定，能够快速得到待测晶体的时间分辨差异。
系统刻度：
由于测试系统中信号基线漂移，阈值测量对其极为敏感，可每次开机测试前，采用标样测量标定当前阈值下，能谱前沿位置道数，与标准位置差值为本次测试过程的修正因子Dn。
修正因子Dn＝标样设定能谱前沿位置-标样测试能谱前沿位置。
实际能谱前沿位置＝测试能谱前沿位置-修正因子Dn。
时间分辨标定：
同时测量能谱前沿的晶体和时间分辨，给出时间分辨和能谱前沿关系，如图4所示。根据关系曲线，给出不同能谱前沿对应的时间分辨区间，对于LYSO晶体，在同条件下测试比对，使用能谱前沿位置对晶体时间分辨判断精度在±20ps以内。
上述方法可以实现对闪烁晶体光衰减时间、和相对时间差异测量，利用该方法，利用能量和余晖时间的关联性的刻度，可以在测量闪烁晶体光产额和能量分辨的同时得到闪烁晶体的余辉时间；在同品种的晶体做成探测器阵列时能够同时批量测试余晖时间的差异，有效提高测量效率，通过与标样对比较的方法，可以快速得到晶体的时间分辨好坏。
在该方法中，超短余辉的闪烁晶体由其发光机制决定了，晶体上升时间的差异也会体现在晶体发光衰减时间上，也就是晶体上升时间越快，晶体的余辉越短，相反晶体上升时间越慢，晶体的余辉越长。
不同的上升时间和下降时间的光电信号在固定的成形(整型)电路的输出结果也不同，时间越长输出的波形的宽度和幅度都不同。对于的输入信号(不整型)、或微整型的信号幅度进行阈值的甄别，对于不同时间特征晶体的信号经过成形的信号能谱，还表征为能谱的前缘位置与余晖长度的密切相关。通过刻度的方法建立余晖长度与能谱的前缘位置、与能谱宽度的关系，就可以测量余晖时间了。不同种类晶体发光产额不尽相同，通过对晶体的光输出进行归一化校准，就可以测量不同种类晶体的余晖时间了。
晶体阵列性能的评估作为最为常见的应用，通过相对比较法，可以精确地给出这样同类晶体的细微差异。一般情况下，超短余辉的闪烁晶体其余辉长度一般小于1个微秒，对于这个长度来说，普通的高速采集卡可以抽样采集到一个完整事件的信号(40M左右采样率的采集卡)。采集到完整的信号，这个完整的信号对于比对晶体的光产额能量分辨已经足够，但是作为分析比对余辉长度差异对于部分超短余辉晶体还是不够的，比如LYSO和LSO，其光衰减时间为40ns左右，一般余辉差异小于20ns，25ns的采样率采用直接余辉长度测量，其精度决定晶体很难直接判断出其余辉差异。所以本发明有非常大的优势。
图1所示的流程中，由PMT测量得到的光电信号，一路通过整形放大，信号直接通过采样后积分，最后累谱方式得到晶体的能谱，另一路经过直接放大、幅度甄别产生触发信号，相同测试系统不同时间特性的晶体会产生能谱的最前沿出现位置不同，如图2所示。而出现位置的不同与晶体的余辉长度不同有关。
能谱最前沿出现位置由系统中的触发阈值决定，所有晶体用同一系统测试，阈值相同，阈值触发的原理是超过设定高度的信号都能够被系统采到，然后积分记入能谱，所以能谱最前沿的位置表明都是与设定阈值等高的信号。但会出现能谱前沿位置不同，表明等高的信号余辉长度不同，如图3所示，余辉越长，积分面积越大，能谱前沿的位置越靠后。
上述方法利用闪烁晶体的时间特征不同在电路中响应不同，产生的信号的幅度差异、时间差异的原理，特别适用但不限于同类闪烁晶体光衰减时间存在微小差异，利用该方法可以在测量晶体光产额和能量分辨的同时，快速检测出晶体间的微小光衰减时间差异，晶体间的微小光衰减差异可以表征晶体的上升时间快慢，通过判断晶体的光衰减差异来确定晶体的时间性能好坏。
本发明提供的方法，将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；将转化的电信号分为2路，1路电信号作为触发信号；在触发信号的触发下采集另1路电信号；对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布；根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度可以判断待测晶体的时间分辨差异。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量方法，其特征在于，所述方法包括：
将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；
将转化的电信号分为两路，其中，两路中的一路电信号作为触发信号；
在所述触发信号的触发下采集两路中另一路电信号；
对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布；
根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号，包括：
将待测晶体经放射源照射后发出的光通过光电转化元件转化为电信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，电转化元件为光电倍增管PMT。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两路中的一路电信号作为触发信号，包括：
将两路中的一路电信号中，信号高度高于预设高度的电信号作为触发信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述触发信号的触发下采集两路中另一路电信号，包括：
对另一路电信号进行主放放大整形；
在所述触发信号的触发下采集主放放大整形后的电信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述触发信号的触发下采集主放放大整形后的电信号，包括：
在所述触发信号的触发下，通过ADC采集卡采集主放放大整形后的电信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述ADC采集卡的采样率为40M。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异，包括：
计算修正因子Dn＝标样设定能谱前沿位置-标样测试能谱前沿位置；
计算实际能谱前沿位置＝能谱前沿位置-Dn；
根据先得到的时间分辨与前沿位置之间关系，以及所述实际能谱前沿位置，得到时间分辨差异；
其中，所述标样设定能谱前沿位置和标样测试能谱前沿位置为预先对标样进行测试得到的。
9.一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量系统，其特征在于，所述系统包括：放射源、光电转化元件、放大整形电路、触发电路，ADC采集卡和处理设备；
所述放射源，用于照射待测晶体；
所述光电转化元件，用于将待测晶体经放射源照射后发出的光转化为电信号；
所述触发电路，用于将电信号的一 路电信号作为触发信号；
所述放大整形电路，用于对电信号的另一 路电信号进行主放放大整形；
所述ADC采集卡，用于在触发信号的触发下采集电信号；
所述处理设备，用于对采集到的电信号进行积分，得到信号能谱分布；根据信号能谱分布确定能谱前沿位置，通过能谱前沿位置得到待测晶体的光衰减时间差异，通过刻度进而得到待测晶体的时间分辨差异。
10.根据权利要求9所述的一种对闪烁晶体光衰减时间差异测量系统，其特征在于，所述电转化元件为光电倍增管PMT；
所述ADC采集卡的采样率为40M。
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