CN109507716B - 一种获取闪烁体探测器能量信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号探测和信号处理领域，尤其涉及一种获取闪烁体探测器能量信息的方法，包括：在使用闪烁体探测器测量射线能谱时，采集N组符合事件的脉冲信号；依据预先确定的用于获取能量信息的高阈值和低阈值，统计所有脉冲信号中每一个脉冲信号的前沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；或，统计所有脉冲信号中每一个脉冲信号的后沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；对所有的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值进行处理，获得所述闪烁体探测器的能谱图。电路复杂程度低，信息处理量小，且获得的能量信息准确。

Description

一种获取闪烁体探测器能量信息的方法

技术领域

本发明涉及闪烁体探测器的能量信息测量领域，尤其涉及一种获取闪烁体探测器能量信息的方法。

背景技术

在辐射探测器中，闪烁体探测器以探测效率高，使用方法灵活等优点广泛应用于探测γ射线、X射线、β射线、中子、宇宙线等多个领域。在核医疗仪器中，目前主流的SPECT和PET探测器都使用的是闪烁体探测器。闪烁体探测器的原理为：利用闪烁晶体将高能粒子转换为波长接近于可见光的闪烁光子，再利用光电探测器转换为电脉冲信号。通过对该电脉冲的进一步处理可以获得高能粒子的能量、时间等信息。

在闪烁体探测器的应用中，能量信息和时间信息是最关键的两个指标。比如在PET探测器中，需要用能量信息配合时间信息来确定符合事件发生的位置信息。

传统的获取探测器能量信息的方法是通过成型电路将闪烁体探测器的脉冲信号整形成合适宽度的准高斯脉冲，再用模数转换(ADC)的方法测量整形后脉冲的幅度，从而得到脉冲的能量信息。

获取探测器输出信号的时间信息常用的方法有前沿定时、过零定时、恒比定时等。其中前沿定时以方法简单的优势应用于PET探测器的时间信息检出中。

在现代PET探头的某些设计中每个探头要有100路以上的输出信号，用传统的方法检出能量和时间信息所需电路和信息处理量太过庞大，需要用更简单有效的方式处理多路信号的能量和时间信息。

降低电路复杂程度的一个方法是过阈时间法(TOT)。这个方法利用测量探测器输出脉冲高于固定阈值部分的宽度来得到脉冲的能量信息。该方法大大简化了能量读出电路的难度。但是闪烁体探测器输出脉冲后沿一般会有震荡现象，对过阈时间测量结果的准确度有一定影响。且这个方案没有同时得到脉冲信号的时间信息。

无论是传统的方法还是TOT方法，都在确定量程里得到全能谱，保证能量测量的准确性时，很难提供高精度的时间信息

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种获取闪烁体探测器能量信息的方法，在提供足够信号“压摆率”的情况下获得精确的时间信息，同时获得不错的能量信息，且电路复杂程度低，信息处理量小。

(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：

一种获取闪烁体探测器能量信息的方法，包括：在使用闪烁体探测器测量射线能谱时，采集N组符合事件的脉冲信号；依据预先确定的用于获取能量信息的高阈值和低阈值，处理所有脉冲信号中每一个脉冲信号的前沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；或，处理所有脉冲信号中每一个脉冲信号的后沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；对所有的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值进行统计，获得所述闪烁体探测器的能谱图。

作为本发明获取闪烁体探测器能量信息的方法的一种改进，依据能谱图，从N组符合事件的脉冲信号中筛选有效事件的脉冲信号；对于一对测试符合事件的闪烁体探测器，根据所述低阈值，获取任意一组有效事件的一个脉冲信号的前沿时间段中的低阈值所属时间点，与另一个脉冲信号的前沿时间段中的低阈值所属时间点的差值；根据所有组有效事件的低阈值所属时间点的差值，获得两个闪烁体探测器的符合时间分辨图。

作为本发明获取闪烁体探测器脉冲信息的方法的一种改进，依据闪烁体探测器的基线噪声信息和闪烁体探测器测量时脉冲信号的最低幅度信息，确定用于获取能量信息的高阈值和低阈值；其中，低阈值为与基线噪声信息接近，且高于基线噪声信息的幅度值；高阈值为高于低阈值，且低于测量时脉冲信号的最低幅度信息的幅度值。

作为本发明获取闪烁体探测器脉冲信息的方法的一种改进，当闪烁体探测器的信号采集电路中存在饱和工作状态的放大电路时，选择闪烁体探测器的脉冲信号的线性区域的一幅度值，在满足高于低阈值，且低于测量时脉冲信号的最低幅度信息时，作为确定的高阈值。

作为本发明获取闪烁体探测器脉冲信息的方法的一种改进，N为大于10000的自然数，射线能谱为511keV的γ射线能谱；低阈值为10mV，高阈值为80mV。

作为本发明获取闪烁体探测器脉冲信息的方法的一种改进，闪烁体探测器的脉冲信号包括：正极性的脉冲信号和负极性的脉冲信号。

作为本发明获取闪烁体探测器脉冲信息的方法的一种改进，对所有的时间差进行处理，获得闪烁体探测器的能谱图，包括：对所有的时间差求倒，并进行能量校正，获得闪烁体探测器的能谱图。

一种获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置，包括：采用上述的获取闪烁体探测器能量信息的方法获取闪烁体探测器的能量信息。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明通过测量闪烁体探测器输出脉冲信号前沿时间段高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的时间差来获得脉冲信号的能量信息，电路复杂程度低，信息处理量小，且获得的能量信息准确。尤其当测量闪烁体探测器输出脉冲信号前沿在固定低触发阈和固定高触发阈的时间差获取能量信息时，前沿增速较快，近似线性，避免了后沿震荡现象对测量的影响，提高了测量结果的准确度。

本发明将低阈值设置的尽量靠近基线又高于信号基线噪声水平，此时，脉冲信号的前沿与低阈值的交点，即脉冲信号的低阈时间，是脉冲信号的前沿定时点。对于一对测试符合事件的闪烁体探测器，通过统计多组符合事件中两个闪烁体探测器低阈时间差，可以得到这一对闪烁体探测器测得的符合时间分辨图。本发明的方法不仅可以获得闪烁体探测器的能量信息，还可以获得闪烁体探测器的时间信息，简单有效。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1是本发明实施例中闪烁体探测器脉冲信号形状的示意图；

图2是本发明实施例中一个LYSO闪烁体探测器输出脉冲信号形状示意图；

图3是本发明实施例中一个LYSO闪烁体探测器中10000组符合事件的高低阈所属时间点差值分布图；

图4是图3中高低阈所属时间点差值分布图做完能量校正后生成的能谱图；

图5是本发明实施例中一对LYSO闪烁体探测器未根据图4进行能量筛选的低阈值所属时间点差值得到的符合时间分辨图；

图6是本发明实施例中一对LYSO闪烁体探测器根据图4进行能量筛选的低阈值所属时间点差值得到的符合时间分辨图；

图7是本发明实施例方案一中获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置图；

图8是本发明实施例方案二中获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置图。

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。

需要说明的是，由于脉冲信号包括正极性的脉冲信号和负极性的脉冲信号，因此本发明中所说的“高、低”仅代表距离噪声基线的远近，并不代表数学上的绝对大小，例如，对于负极性的脉冲信号，“高阈值为高于低阈值”指的是高阈值与噪声基线的距离大于低阈值与噪声基线的距离。

首先说明本发明提供的基于双阈时差的探测器信号处理方法的原理。当闪烁体探测器类型、闪烁体探测器材料、前置放大器成型参数等确定之后，闪烁体探测器的输出脉冲信号前沿到达峰值的时间基本一致；也就是说输出脉冲前沿在低阈所属时间点和高阈所属时间点的差值，与脉冲信号的幅度有一一对应关系。基于这一点，本发明可以测量脉冲信号前沿在低阈所属时间点和高阈所属时间点的差值分布，来代替幅度能谱完成信号处理等工作。

如图1所示，为闪烁体探测器输出的两组脉冲信号，虽然其信号幅度不同，但是具有基本相同的前沿时间和后沿时间。

获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的方法包括：

S1、在使用两个闪烁体探测器测量射线能谱时，采集N组符合事件的脉冲信号；依据预先确定的用于获取能量信息的高阈值和低阈值，统计所有脉冲信号中每一个脉冲信号的前沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值。

S2、对所有的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值进行处理，获得闪烁体探测器的能谱图。

在具体实现过程中，基于上述步骤S2获取的能谱图，还可以获取时间分辨图，例如，在上述步骤S1和步骤S2的基础上，还可包括下述的步骤S3：

S3、依据步骤S2中的能谱图，从N组符合事件的脉冲信号中筛选有效事件的脉冲信号；获取每一组有效事件的两个脉冲信号的前沿时间段中低阈值所属时间点的差值；根据所有组有效事件的低阈值所属时间点的差值，获得两个闪烁体探测器的符合时间分辨图。

在步骤S1中，将低阈值设置的尽量靠近基线噪声信息，且高于基线噪声信息的幅度值，此时，脉冲信号的前沿与低阈值的交点，即脉冲信号的低阈时间，是脉冲信号的前沿定时点。高阈值的高度要高于低阈值并且低于被测脉冲信号的最低幅度信息的幅度值，保证每个被测脉冲的顶点都一定会过固定高触发阈，从而保证能够测到每个被测脉冲信号的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值。

进一步地，在闪烁体探测器的信号采集电路中存在饱和工作状态的放大电路时，选择闪烁体探测器的脉冲信号的线性区域的一幅度值，在满足高于低阈值，且低于测量时脉冲信号的最低幅度信息时，作为确定的高阈值，避免了放大器非线性对能量信息测量的影响，保证了能量信息测量的准确性。

在脉冲信号为正极性时，其方法如上；在脉冲信号为负极性时，其方法亦如上，本实施例不对其限定。

当然，上述步骤S1中统计同一闪烁体探测器脉冲信号前沿在高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值分布仅仅是优选，可以想见，如果把它替换为统计同一闪烁体探测器脉冲信号后沿在高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值分布，也可以获得该闪烁体探测器的能谱图。

下面根据上述获取闪烁体探测器脉冲信息的方法，做具体举例：

目标是用两个LYSO闪烁体探测器测正电子湮灭后发出的511keV的γ射线能谱。

如图2所示，一个LYSO闪烁体探测器在一次符合事件中输出脉冲信号的形状。从图中可以看出由于使用的放大器增益过大，输出的脉冲信号不完全，且信号形状发生变形，若使用传统的脉冲形状整形方式，得到的能量信息明显区别于探测器脉冲的能量信息，测量不准确。同时，图2中显示的脉冲信号后沿的震荡会导致使用TOT方法测取能量信息时准确性降低。

现用本发明的方法进行测量：

S1、采集10000组符合事件的脉冲信号，确定用于获取能量信息的高阈值为80mV、低阈值为10mV，处理同一闪烁体探测器所有脉冲信号中每一个脉冲信号的前沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值，如图3所示。

S2、对所有的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值进行统计，获得闪烁体探测器的能谱图，如图4所示，其峰值即为511keV能量的全能峰。

此外，获取符合时间分辨图可如下步骤S3.

S3、依据步骤S2中的能谱图，从一对测试符合事件的LYSO闪烁体探测器的所述10000组符合事件的脉冲信号中选取450keV-650keV的事件作为有效事件；根据低阈值，获取每一组有效事件的两个脉冲信号的前沿时间段中低阈值所属时间点的差值；根据所有组有效事件的低阈值所属时间点的差值，获得两个闪烁体探测器的符合时间分辨图，如图6所示。

从图6可见，这一对LYSO闪烁体探测器的符合时间分辨图为准高斯分布，可以得到真实的符合事件的时间分辨。

若不从步骤S2中的能谱图中进行能量筛选，得到的这一对LYSO闪烁体探测器的符合时间分辨图如图5所示，存在多个峰值，这是因为存在一定量的散射事件在干扰最终结果。

获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置包括以下两种方案：

方案一：如图7所示，本发明提供的一种获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置包括高速AD转换器和时间分析装置。高速AD转换器用于将闪烁体探测器输出的脉冲信号前沿信息采集；时间分析装置用于处理高速AD转换器采集到的数字信号，找到低阈值所属时间点和高阈值所属时间点，进而得到双阈时间差。

方案二：如图8所示，本发明提供的一种获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置包括高阈触发器、低阈触发器和时间分析装置。高阈触发器接收闪烁体探测器的输出脉冲信号，得到高阈值所属时间点，并将其传输到时间分析装置；低阈触发器接收闪烁体探测器的输出脉冲信号，得到低阈值所属时间点，并将其传输到时间分析装置；时间分析装置对接收的高阈值所属时间点和低阈值所属时间点进行处理，得到双阈时间差。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种获取闪烁体探测器能量信息的方法，其特征在于，包括：

在使用闪烁体探测器测量射线能谱时，采集N组符合事件的脉冲信号；

依据预先确定的用于获取能量信息的高阈值和低阈值，统计所有脉冲信号中每一个脉冲信号的前沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；或，统计所有脉冲信号中每一个脉冲信号的后沿时间段中高阈值所属时间点和低阈值所属时间点的差值；

对所有的差值进行处理并统计，获得所述闪烁体探测器的能谱图；

依据所述能谱图，从所述N组符合事件的脉冲信号中筛选有效事件的脉冲信号；

获取任意一组有效事件的一个脉冲信号的前沿时间段中的低阈值所属时间点，与另一个脉冲信号的前沿时间段中的低阈值所属时间点的差值；

根据所有组有效事件的低阈值所属时间点的差值，获得对于一对测试符合事件的闪烁体探测器两个闪烁体探测器的符合时间分辨图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

依据闪烁体探测器的基线噪声信息和所述闪烁体探测器测量时脉冲信号的最低幅度信息，确定所述用于获取能量信息的高阈值和低阈值；

其中，所述低阈值为与基线噪声信息接近，且高于基线噪声信息的幅度值；

所述高阈值为高于所述低阈值，且低于所述测量时脉冲信号的最低幅度信息的幅度值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述闪烁体探测器的信号采集电路中存在饱和工作状态的放大电路时，选择闪烁体探测器的脉冲信号的线性区域的一幅度值，在满足高于所述低阈值，且低于所述测量时脉冲信号的最低幅度信息时，作为确定的所述高阈值。

4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述N为大于10000的自然数，

所述射线能谱为511keV的γ射线能谱；

所述低阈值为10mV，高阈值为80mV。

5.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述闪烁体探测器的脉冲信号包括：正极性的脉冲信号和负极性的脉冲信号。

6.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，对所有的差值进行处理并统计，获得所述闪烁体探测器的能谱图，包括：

对所有的差值求倒，并进行能量校正进而进行统计，获得所述闪烁体探测器的能谱图。

7.一种获取闪烁体探测器脉冲信号能量信息的装置，其特征在于，包括：

采用权利要求1至6任一项所述的获取闪烁体探测器能量信息的方法获取闪烁体探测器的能量信息。

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