CN111366969A - 伽马光子探测单元、探测方法、pet探测模块和pet系统 - Google Patents

伽马光子探测单元、探测方法、pet探测模块和pet系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种伽马光子探测单元、伽马光子探测方法、PET探测模块、PET系统、和计算机可读存储介质，其中，该伽马光子探测单元包括：一个数字化的硅光电倍增管芯片dSiPM和闪烁晶体阵列；其中，dSiPM包括硅光电倍增管SiPM和读出电路，SiPM与读出电路电性连接；闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体，闪烁晶体阵列与dSiPM耦合连接。通过本申请，解决了相关技术中的γ光子探测器存在着灵敏度低的问题，提升了γ光子探测器的灵敏度。

Description

伽马光子探测单元、探测方法、PET探测模块和PET系统
技术领域
本申请涉及正电子发射断层成像技术领域，特别是涉及伽马光子探测单元、伽马光子探测方法、PET探测模块、PET系统、和计算机可读存储介质。
背景技术
PET(Position Emission Tomography，正电子发射断层成像)探测器是一种用于探测伽马(γ)光子的设备，其成像原理如下：正电子核素衰变时发射的一个正电子与人体组织中的自由电子相互结合并湮灭，转化为两个方向相反、能量各为511KeV的γ光子。如果角度合适，这两个γ光子都会打到PET探测器的晶体上产生可见光信号，经过光电器件将光信号转换为电信号，经过放大、模数转换、能量和时间甄别后进行符合判断。
近年来，SiPM(Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管)凭借其增益高、磁场兼容性好、易于数字化、体积小等特点，已逐渐成为PET探测器设计应用的一个主导趋势。而基于SiPM的PET探测器由于信号通道数量巨大，读出电路需要采用ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)。其中，Philips公司更是将SiPM与读出电路集成在一块芯片上，推出完全数字化的SiPM芯片((Digital Photon Counting SiPM)，简称DPC，并应用于其PET/CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)产品。
这其中，PET探测器读出电路用于将可见光信号经光电转换器转化为电信号，并进行放大、模数转换或者时间数字转换。值得注意的是，由于穿过闪烁晶体达到光电转换器件的光子数量非常少，可能只有几百到上千个，所以最初的电信号非常微弱，可能只有几十到几百毫伏，极易受到噪声影响。因此，缩短前端模拟链路对于保证信号质量，进而提高系统性能尤为重要。
目前，主流厂商的基于SiPM的PET探测器前端读出架构设计，一般有三种。
第一种是使用SiPM或SiPM阵列板与Block(块状)结构的闪烁晶体耦合，然后配合分离器件组成多通道读出电路。由于从SiPM到读出电路部分，仍然有一段模拟链路，可能会引入信号噪声，从而给系统性能带来不利影响，尤其是分离器件电路，模拟链路更长，引入噪声的可能性更大。图1是根据相关技术的一种PET探测器读出架构设计一的示意图，如图1所示，这是目前比较常用的一种PET探测器读出架构设计，其中，ReadOut代表读出电路，Analog Signal代表模拟信号，Crystal代表闪烁晶体，Crystal A、Crystal B以及CrystalC分别代表3根闪烁晶体。该种架构使用基于SiPM的光电转换器阵列与晶体阵列进行耦合，进行可见光信号的采集，然后配合前端读出电路进行模拟信号向数字信号的转换。这种读出架构设计，由于模拟信号传输路径的存在，仍然会受到电子学噪声的影响。
第二种是使用ASIC替代分离器件电路板，以缩短前端模拟链路长度，从而尽可能降低链路噪声、提高通道数量，以达到提升系统性能的目的。
第三种即Philips公司推出的DPC方案，将SiPM与读出电路高度集成化后，再与闪烁晶体阵列进行耦合，对可见光信号进行数字化处理。
将SiPM与ASIC集成在一起，的确可以有效缩短模拟链路。但是目前Philips公司采用的DPC与晶体一对一耦合的结构，在系统灵敏度方面会有一定的劣势，原因如下：
图2是根据相关技术的一种PET探测器读出架构设计二的示意图，如图2所示，前端读出结构由DPC与晶体以一对一的形式组成，即一个DPC与一根闪烁晶体进行耦合。这种结构下，由于前端信号的模数转换是在DPC中完成，DPC_1与DPC_2无法进行模拟信号层级的信息传递，因此为避免误触发的情况，一般需要在两根闪烁晶体之间进行遮光处理。图中实线表示可见光在晶体内部的传递，由于不同晶体之间进行了遮光或反射处理，以保证γ光在闪烁晶体B内沉积产生的可见光只能被DPC_2接收到，因此原先只需要进行一次反射即可达到DPC的可见光，需要在闪烁晶体B内部进行两次反射，然后才能达到DPC_2。而可见光的反射会严重消耗可见光的能量，从而导致部分可见光可能无法达到DPC，相应地读出电路得到的信号大小、信号确定性等都会受到影响，最终会导致系统的灵敏度较低。这也是目前Philips公司使用DPC技术的PET/CT系统灵敏度较低的一个影响因素。
目前针对相关技术中的γ光子探测器存在着灵敏度低的问题，尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种伽马光子探测单元、伽马光子探测方法、PET探测模块、PET系统、和计算机可读存储介质，以解决相关技术中的γ光子探测器存在着灵敏度低的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种伽马光子探测单元，所述伽马光子探测单元包括：一个数字化的硅光电倍增管芯片dSiPM和闪烁晶体阵列；其中，
所述dSiPM包括硅光电倍增管SiPM和读出电路，所述SiPM与所述读出电路电性连接；
所述闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体，所述闪烁晶体阵列与所述dSiPM耦合连接。
在其中一些实施例中，所述读出电路包括逻辑处理单元，所述SiPM包括感光元件阵列，所述逻辑处理单元与所述感光元件阵列电性连接。
在其中一些实施例中，所述多根闪烁晶体中相邻的闪烁晶体间设置有第一遮光层。
在其中一些实施例中，所述闪烁晶体阵列的外侧面设置有第二遮光层。
在其中一些实施例中，所述伽马光子探测单元还包括：光导层，所述光导层设置于所述一个dSiPM和所述闪烁晶体阵列之间。
在其中一些实施例中，所述一个dSiPM和所述闪烁晶体阵列通过透光耦合剂耦合连接。
在其中一些实施例中，所述光导层与所述闪烁晶体阵列耦合的一面开设有凹槽，且所述凹槽的数量与所述多根闪烁晶体的数量一致；所述多根闪烁晶体分别镶嵌于所述凹槽内。
在其中一些实施例中，所述闪烁晶体阵列包括以m×m的方阵排列的多个闪烁晶体，或者所述闪烁晶体阵列包括以m×n的方阵排列的多个闪烁晶体，其中，m≥2，n≥1。
第二方面，本申请实施例提供一种PET探测模块，所述PET探测模块包括环形探测器架和多个如上述第一方面所述的伽马光子探测单元，所述多个伽马光子探测单元排列于所述环形探测器架上。
第三方面，本申请实施例提供一种PET系统，所述PET系统包括如第二方面所述的PET探测模块和计算机设备，其中，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时控制所述PET探测模块进行符合计数事件计数。
第四方面，本申请实施例提供一种伽马光子探测方法，应用于如上述第一方面所述的伽马光子探测单元，包括：
所述dSiPM探测所述闪烁晶体阵列中预设时间窗内的多个光子沉积信号；
所述dSiPM将所述多个光子沉积信号加和，得到加和信号；
所述dSiPM判断所述加和信号是否位于预设阈值区间；
在所述加和信号位于预设阈值区间的情况下，所述dSiPM触发根据所述多个光子沉积信号确定预设沉积点位置。
在其中一些实施例中，所述dSiPM触发根据所述多个光子沉积信号进行确定预设沉积点位置包括：
所述dSiPM根据探测到的每个光子沉积信号的感光区域的位置，确定所述每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置；
所述dSiPM根据所述每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置以及每个光子沉积信号的强度，从所述多个光子沉积信号中筛选出有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置；
所述dSiPM将所述有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置发送给逻辑处理单元，以供所述逻辑处理单元确定所述预设沉积点位置。
第五方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第四方面所述的伽马光子探测方法。
相比于相关技术，本申请实施例提供的伽马光子探测单元、伽马光子探测方法、PET探测模块、PET系统、和计算机可读存储介质，通过一个数字化的硅光电倍增管芯片dSiPM和闪烁晶体阵列；其中，dSiPM包括硅光电倍增管SiPM和读出电路，SiPM与读出电路电性连接；闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体，闪烁晶体阵列与dSiPM耦合连接，解决了相关技术中的γ光子探测器存在着灵敏度低的问题，提升了γ光子探测器的灵敏度。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据相关技术的一种PET探测器读出架构设计一的示意图；
图2是根据相关技术的一种PET探测器读出架构设计二的示意图；
图3是根据本申请实施例的一种伽马光子探测单元的结构示意图；
图4是根据本申请实施例的一种将一个dSiPM探测到的信号进行求和的示意图；
图5是相关技术中的一种在出现两个沉积点的情况下DPC被触发的示意图；
图6是相关技术中的一种在出现两个沉积点的情况下响应线分布示意图；
图7是根据本申请实施例的一种在一个dSiPM中完成前端信号比较的逻辑示意图；
图8是根据本申请优选实施例的一种伽马光子探测单元的结构示意图；
图9是根据本申请实施例的一种带有遮光层的伽马光子探测单元的结构示意图；
图10是根据本申请实施例的一种带有光导层的伽马光子探测单元的结构示意图；
图11是根据本申请实施例的一种闪烁晶体与光导层的连接示意图；
图12是根据本申请实施例的一种PET探测模块的结构示意图；
图13是根据本申请实施例的一种PET系统的结构示意图；
图14是根据本申请实施例的一种伽马光子探测方法的流程图。
附图说明：
301、dSiPM；302、闪烁晶体阵列；3021、第一闪烁晶体；3022、第二闪烁晶体；3023、第三闪烁晶体；303、第一遮光层；304、第二遮光层；305、光导层；306、凹槽；400、环形探测器架；500、PET探测模块；600、计算机设备；601、存储器；602、处理器；603、通信接口；604、总线。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所做出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本实施例提供了一种伽马光子探测单元，图3是根据本申请实施例的一种伽马光子探测单元的结构示意图，如图3所示，该伽马光子探测单元包括一个数字化的硅光电倍增管芯片dSiPM 301和闪烁晶体阵列302；其中，dSiPM 301包括硅光电倍增管SiPM和读出电路，SiPM与读出电路电性连接；闪烁晶体阵列302包括多根闪烁晶体，即第一闪烁晶体3021、第二闪烁晶体3022和第三闪烁晶体3023，闪烁晶体阵列302与dSiPM 301耦合连接。
正电子湮灭反应发生在闪烁晶体阵列302中，闪烁晶体阵列302将湮灭反应产生的511keV伽马射线转换为成千上万个可见光子。可见光子在闪烁晶体阵列302中多次反射，从闪烁晶体阵列302的其中一面射出，部分可见光子达到SiPM。SiPM接收这些可见光子，将其转换成电子，并且倍增引出电信号。读出电路通过对电信号进行放大处理，得到相互作用的伽马射线位置、时间、和能量信息。
本实施例采用数字化的SiPM，可以缩短模拟链路，对于采样通道异常多的长轴向系统而言，可以降低不同通道之间的采样差异性，从而尽可能提高长轴向系统的时间采样确定性，避免由于较长模拟链路的引入而导致的电子学噪声问题。
对于一次伽马光子能量沉积事件，当闪烁晶体阵列302中不同位置的感光区域被点亮后，一个SiPM可以将接收到的对应于各个发光区域的可见光子转换成电子，并且倍增引出电信号，并将多个电信号发送到读出电路，读出电路接收这些多个电信号，并对其进行求和计算，进而得到一个较大的电信号，从而保证该电信号可以实现触发，作为一个事件将其进行记录，进而进行后续的信息处理。
图4示出了根据本申请实施例的一种将一个dSiPM探测到的信号进行求和的示意图，如图4所示，第二闪烁晶体3022中产生一次伽马光子能量沉积事件，发出可见光，可见光在闪烁晶体阵列302中的多个闪烁晶体中发生折射和反射，分别从第一闪烁晶体3021、第二闪烁晶体3022和第三闪烁晶体3023的其中一个端面射出到达dSiPM 301。dSiPM 301接收从多个闪烁晶体发出的多个光信号，转换成对应于多个光信号的电信号，并对其进行求和，生成对应于一次伽马光子能量沉积事件发出的加和信号。在获取到加和信号后，dSiPM 301可以将加和信号与预设阈值区间进行比较，判断加和信号是否位于预设阈值区间；在加和信号位于预设阈值区间的情况下，dSiPM 301触发根据该加和信号确定沉积点位置。
本实施例中的伽马光子探测单元，无论闪烁晶体阵列302中的可见光经过多少次折射和反射，一旦可见光被dSiPM 301接收，都将被转换并求和生成加和信号，保证该加和信号可以实现触发。与相关技术相比，一方面，本申请实施例中的伽马光子探测单元可以不需要在闪烁晶体之间进行遮光或反射处理，因此可以减少可见光在闪烁晶体阵列302中的反射次数，从而减少可见光的能量消耗，增强dSiPM 301得到的信号大小和信号确定性，从而提升伽马光子探测单元的灵敏度；另一方面，对于一次伽马光子能量沉积事件，一个dSiPM 301可以将接收到的对应于各个发光区域的可见光子转换并求和得到加和信号，保证该电信号可以实现触发，从而提升了伽马光子探测单元的灵敏度。
Surti等人研究了事件定位算法对使用一对一耦合检测器的全身PET扫描仪性能的影响。以3mm*3mm*18mm的LYSO(硅酸钇镥)晶体为例，结合伽马光在该种闪烁晶体的衰减效率，可以推算出，当伽马光子斜着入射闪烁晶体时，有较大概率会穿过最开始撞击的一到两根晶体，并可能会出现两个沉积点，即会有两个以上的DPC被触发。图5示出了相关技术中的一种在出现两个沉积点的情况下DPC被触发的示意图，如图5所示，其中，1st max代表最大沉积能量，2nd max代表次大沉积能量，Anger代表一种逻辑，用于比较两个沉积能量，positioning error代表定位误差，Incident photon代表入射伽马光子。由于一次伽马光入射可能存在两个沉积点，且粒子在晶体内运动时会产生散射效应，如果无法将这两次沉积产生的可见光信号进行加和，有可能会导致部分事件无法独立完成触发的结果，而由于相关技术中的两个DPC之间无法直接进行信息交互，会导致SR(Scatter Recovery，散射恢复)工作较难展开，最恶劣的情况就是丢弃这部分散射事件，这也会在一定程度上影响系统灵敏度。
在面对一次伽马光入射存在多个沉积点的情况下，本申请实施例的伽马光子探测单元可以直接在一个dSiPM中对将这两次沉积产生的可见光信号进行加和，保证部分事件独立完成触发。
DPC与晶体一对一耦合不仅在系统灵敏度方面会有一定的劣势，在空间分辨率方面也存在着劣势。图6是相关技术中的一种在出现两个沉积点的情况下响应线(Line ofResponse，LOR)分布示意图，如图6所示，其中LORs代表有多根响应线，由于有两个DPC被触发，相应地有四根LOR需要参与湮灭事件的定位计算中，且由于前端DPC之间无法直接进行前端模拟信号的信息传递，需要在后端处理电路或者算法中通过对沉积点进行可能性判断，然后再进行湮灭事件的位置计算。这种方式一方面加大了后端数据处理难度，另一方面由于沉积点判断属于概率事件，并非每个事件均严格按照算法在最大或次大能量点完成主要光电效应沉积，因此这种方式会引入一定的空间分辨率计算误差，即湮灭事件位置信息计算的准确度误差。
针对上述问题，在其中一些实施例中，在读出电路中设置了逻辑处理单元，将逻辑处理单元与SiPM中的感光元件阵列电性连接。作为一种具体实施方式，逻辑处理单元可以是通过FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)构造出逻辑单元晶体管，并内置于读出电路内部，作为读出电路的一部分。
图7示出了在一个dSiPM中完成前端信号比较的逻辑示意图，如图7所示，其中，1stmax energy代表最大沉积能量，其对应于第一信号1st signal，2nd max energy代表次大沉积能量，其对应于第二信号2nd signal，x signal代表一种满足既定要求的信号。即通过该结构，对于不同沉积点的情况，dSiPM 301通过内置的逻辑单元，比较1st signal和2ndsignal，输出满足既定要求的信号。比如考虑信号幅值、信号速度，以剔除噪声及其他因素导致的大信号，在dSiPM 301中完成前端信号的比较，从而为后端数据处理减轻相应的计算压力，简化后端处理逻辑。其中，前端信号的比较包括信号的过域处理以及相应的能量位置计算，并基于多个伽马光子沉积信号进行沉积点比较，进而较为准确的给出推荐的沉积点位置。
另外，由于DPC与晶体是一对一的耦合方式，因此晶体的截面尺寸需要与DPC的截面尺寸较为接近。然而，受制于芯片工艺以及成本因素，晶体的截面尺寸一般需要在3mm以上。以下为空间分辨率理论计算公式，其中，Γ表示系统空间分辨率，a表示重建算法系数，d表示闪烁晶体大小，D表示PET探测器环直径，r表示放射性核素的正电子射程，b表示PET探测器的解码偏差。从中可以看出，晶体截面尺寸对系统空间分辨率的影响很大，晶体截面尺寸的限制会直接导致系统空间分辨率的无法达到3mm左右，从而也在一定程度上限制了PET系统在部分临床场景中的使用。
Figure BDA0002465362380000091
针对上述问题，在一些优选实施例中，闪烁晶体阵列包括以m×m的方阵排列的多个闪烁晶体，或者闪烁晶体阵列包括以m×n的方阵排列的多个闪烁晶体，其中，m≥2，n≥1。图8是根据本申请优选实施例的一种伽马光子探测单元的结构示意图，如图8所示，该伽马光子探测单元包括一个dSiPM 301，dSiPM301的一个端面与6根闪烁晶体组成的6×1闪烁晶体阵列302耦合。在本实施例中，通过使用更小的闪烁晶体组成的Block结构与dSiPM 301进行耦合，从而达到更高的空间分辨率的性能要求。
由于一次伽马光入射可能存在两个沉积点，为了区分不同闪烁晶体所发出的光信号，在其中一些实施例中，多根闪烁晶体中相邻的闪烁晶体间设置有第一遮光层。图9是根据本申请实施例的一种带有遮光层的伽马光子探测单元的结构示意图，如图9所示，第一遮光层303设置于闪烁晶体阵列302的内侧面，作为具体实施方式，可以采用真空镀膜方法对闪烁晶体阵列302的内侧面进行处理，在表面镀上真空薄膜，薄膜的颜色为黑色，防止光信号通过，起到遮光作用；或者采用打磨方法对闪烁晶体的侧面进行处理，使光在该面发生漫反射，防止光信号直线通过，起到遮光作用；或者在闪烁晶体阵列302的内侧面添加反射材料，比如反射膜，同时起到遮光并增强反射的作用。
为了防止光信号从闪烁晶体阵列的外侧面出射，在其中一些实施例中，闪烁晶体阵列302的外侧面设置有第二遮光层304，如图9所示。第二遮光层304可以采用不透光材料包裹于闪烁晶体阵列302的外侧面，防止光信号直线通过，起到遮光作用。
对于处于伽马光子探测单元边缘部分的闪烁晶体，为了增强可见光子在边缘晶体中的扩散，在其中一些实施例中，光信号伽马光子探测单元还包括光导层305，参考图10，光导层305设置于一个dSiPM 301和闪烁晶体阵列302之间。本实施例的伽马光子探测单元可以通过复制构造出伽马光子探测单元阵列，在这些相邻伽马光子探测单元的边缘晶体之间，光导层305用于扩散可见光子，使其更容易被多个伽马光子探测单元测量到。作为一种具体实施方式，还可以根据闪烁晶体的截面和SiPM的面积，确定光导层305的厚度，从而改善晶体分辨图的均匀性和伽马光子探测单元对边缘晶体的分辨能力。
在其中一些实施例中，一个dSiPM和闪烁晶体阵列通过透光耦合剂耦合连接，其中，透光耦合剂可以是光学胶水，用于透光。
如图11所示，在其中一些实施例中，光导层305与闪烁晶体阵列302耦合的一面开设有凹槽306，且凹槽306的数量与多根闪烁晶体的数量一致；多根闪烁晶体分别镶嵌于凹槽306内。在本实施例中，光导层305内刻有凹槽306，凹槽306把光导层305的其中一个表面分割成矩阵，且该矩阵和闪烁晶体阵列302一一对应，闪烁晶体阵列302中的每个闪烁晶体对应嵌入凹槽306内，起到加固耦合的作用。
本实施例还提供了一种PET探测模块。图12是根据本申请实施例的一种PET探测模块的结构示意图，如图12所示，PET探测模块包括环形探测器架400和多个如上述所描述的伽马光子探测单元300，多个伽马光子探测单元300排列于环形探测器架400上。
本实施例还提供了一种PET系统。图13是根据本申请实施例的一种PET系统的结构示意图，如图13所示，PET系统包括上述所描述的PET探测模块500和计算机设备600，其中，计算机设备600包括存储器601、处理器602以及存储在存储器601上可在处理器602上运行的计算机程序，计算机程序被处理器602执行时控制PET探测模块500进行符合计数事件计数。
具体地，上述处理器602可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器601可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器601可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(Solid State Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(UniversalSerial Bus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器601可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器601可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器601是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器601包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(ElectricallyAlterable Read-Only Memory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-AccessMemory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode DynamicRandom Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(ExtendedDate Out Dynamic Random Access Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。
存储器601可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器602所执行的可能的计算机程序指令。
处理器602通过读取并执行存储器601中存储的计算机程序指令，计算机程序被处理器602执行时控制PET探测模块500进行符合计数事件计数。
在其中一些实施例中，PET系统还可包括通信接口603和总线604。其中，处理器602、存储器601、通信接口603通过总线604连接并完成相互间的通信。
通信接口603用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口603还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
总线604包括硬件、软件或两者，将PET系统的部件彼此耦接在一起。总线604包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(Control Bus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线604可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线80可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该PET系统可以基于获取到的可见光子，执行本申请实施例中的伽马光子探测方法，从而实现结合如下图14描述的伽马光子探测方法。
本实施例提供了一种伽马光子探测方法，应用于上述所描述的伽马光子探测单元。图14是根据本申请实施例的一种伽马光子探测方法的流程图，如图14所示，该流程包括如下步骤：
步骤S1401，dSiPM探测闪烁晶体阵列中预设时间窗内的多个光子沉积信号。
步骤S1402，dSiPM将多个光子沉积信号加和，得到加和信号。
步骤S1403，dSiPM判断加和信号是否位于预设阈值区间。
步骤S1404，在加和信号位于预设阈值区间的情况下，dSiPM触发根据多个光子沉积信号确定预设沉积点位置。
通过上述步骤，当放射性核素发生衰变产生正电子，正电子与负电子结合发生湮灭辐射，产生两个具有511keV、飞行方向相反的伽马光子。这两个光子具有以下性质：产生时间上的同时性及几乎以相反的方向飞出。这使得可以使用两个相对放置的伽马光子探测单元，利用符合技术对它们进行探测。预设时间窗可以设置在0ns～15ns之间，dSiPM接收从多个闪烁晶体发出的多个光信号，转换成对应于多个光信号的电信号，并对其进行求和，生成对应于一次伽马光子能量沉积事件发出的加和信号。在获取到加和信号后，dSiPM可以将加和信号与预设阈值区间进行比较，判断加和信号是否位于预设阈值区间；在加和信号位于预设阈值区间的情况下，dSiPM触发根据该加和信号确定沉积点位置。
对于一次伽马光子能量沉积事件，当闪烁晶体阵列中不同位置的感光区域被点亮后，一个SiPM可以将接收到的对应于各个发光区域的可见光子转换成电子，并且倍增引出电信号，并将多个电信号发送到读出电路，读出电路接收这些多个电信号，并对其进行求和计算，进而得到一个较大的电信号，从而保证该电信号可以实现触发，作为一个事件将其进行记录，进而进行后续的信息处理。
通过上述步骤，解决了相关技术中的伽马光子探测器存在着灵敏度低的问题，提升了伽马光子探测器的灵敏度。
针对一次伽马光入射可能存在多个沉积点的情况，在其中一些实施例中，dSiPM触发根据多个光子沉积信号进行确定预设沉积点位置包括以下步骤：
dSiPM根据探测到的每个光子沉积信号的感光区域的位置，确定每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置；dSiPM根据每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置以及每个光子沉积信号的强度，从多个光子沉积信号中筛选出有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置；dSiPM将有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置发送给逻辑处理单元，以供逻辑处理单元确定预设沉积点位置，预设沉积点位置可以根据所采用的沉积点比较方法的不同，选取对应于不同的沉积点比较方法所推荐的沉积点位置。
在dSiPM触发根据多个光子沉积信号进行确定预设沉积点位置的过程中，可以采用包括传统的康普顿散射序列恢复方法，比如“重心法”和“简单能量比较法”。以下将分别对于这两种方法的具体实施进行介绍。
(1)重心法
在一个伽马光子探测单元中，当多个闪烁晶体因收集到康普顿散射沉积能量而产生闪烁光时，覆盖在整个闪烁晶体阵列上的dSiPM会接收到不同强度的光信号，将能量沉积的重心位置(晶体位置)作为光子第一次能量沉积位置，读出电路输出的该伽马光子的能量即为多个闪烁晶体的信号总和，输出的位置信号则为多个闪烁晶体坐标以信号幅度为权重的平均位置坐标。
(2)简单能量比较法
在一个伽马光子探测单元中，当多个闪烁晶体因收集到康普顿散射沉积能量而产生闪烁光时，将沉积能量次高的作用点(晶体位置)作为第一次散射发生的位置。通过读出电路，能够给出每个晶体的闪烁光信号强度，该伽马光子的能量仍为激发的若干个晶体的信号之和；对于仅发生一次康普顿散射的两个作用点事例，能量沉积少的作用点作为第一次散射发生的位置；对于发生两次及两次以上康普顿散射的多个作用点事例，能量沉积第二多的作用点作为第一次散射发生的位置，即激发的若干个晶体中信号强度第二大所对应晶体的坐标。
通过上述方法，PET探测模块探测属于一个符合事件的两个光子时，湮没点就在发生闪光的两个闪烁晶体阵列之间的连线上，形成响应线LOR，符合记录在存储器中。由于两个光子在闪烁晶体内的路径不同，到达各自伽马光子探测单元的时间也有一定差别，由此可计算出湮没点在符合线上的位置。符合电路系统进行符合测量产生原始数据，通过计算机系统完成数据采集、系统监控、衰减校正、图像重建。
另外，结合上述实施例中的伽马光子探测方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种伽马光子探测方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种伽马光子探测单元，其特征在于，所述伽马光子探测单元包括：一个数字化的硅光电倍增管芯片dSiPM和闪烁晶体阵列；其中，
所述dSiPM包括硅光电倍增管SiPM和读出电路，所述SiPM与所述读出电路电性连接；
所述闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体，所述闪烁晶体阵列与所述dSiPM耦合连接。
2.根据权利要求1所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述读出电路包括逻辑处理单元，所述SiPM包括感光元件阵列，所述逻辑处理单元与所述感光元件阵列电性连接。
3.根据权利要求1所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述多根闪烁晶体中相邻的闪烁晶体间设置有第一遮光层。
4.根据权利要求1所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述闪烁晶体阵列的外侧面设置有第二遮光层。
5.根据权利要求1所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述伽马光子探测单元还包括：光导层，所述光导层设置于所述一个dSiPM和所述闪烁晶体阵列之间。
6.根据权利要求1所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述一个dSiPM和所述闪烁晶体阵列通过透光耦合剂耦合连接。
7.根据权利要求5所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述光导层与所述闪烁晶体阵列耦合的一面开设有凹槽，且所述凹槽的数量与所述多根闪烁晶体的数量一致；所述多根闪烁晶体分别镶嵌于所述凹槽内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的伽马光子探测单元，其特征在于，所述闪烁晶体阵列包括以m×m的方阵排列的多个闪烁晶体，或者所述闪烁晶体阵列包括以m×n的方阵排列的多个闪烁晶体，其中，m≥2，n≥1。
9.一种PET探测模块，其特征在于，所述PET探测模块包括环形探测器架和多个如权利要求1至8中任一项所述的伽马光子探测单元，所述多个伽马光子探测单元排列于所述环形探测器架上。
10.一种PET系统，其特征在于，所述PET系统包括如权利要求9所述的PET探测模块和计算机设备，其中，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时控制所述PET探测模块进行符合计数事件计数。
11.一种伽马光子探测方法，应用于权利要求1至8中任一项所述的伽马光子探测单元，其特征在于包括：
所述dSiPM探测所述闪烁晶体阵列中预设时间窗内的多个光子沉积信号；
所述dSiPM将所述多个光子沉积信号加和，得到加和信号；
所述dSiPM判断所述加和信号是否位于预设阈值区间；
在所述加和信号位于预设阈值区间的情况下，所述dSiPM触发根据所述多个光子沉积信号确定预设沉积点位置。
12.根据权利要求11所述的伽马光子探测方法，其特征在于，所述dSiPM触发根据所述多个光子沉积信号进行确定预设沉积点位置包括：
所述dSiPM根据探测到的每个光子沉积信号的感光区域的位置，确定所述每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置；
所述dSiPM根据所述每个光子沉积信号可能发生能量沉积的闪烁晶体位置以及每个光子沉积信号的强度，从所述多个光子沉积信号中筛选出有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置；
所述dSiPM将所述有效的光子沉积信号以及对应的发生能量沉积的闪烁晶体位置发送给逻辑处理单元，以供所述逻辑处理单元确定所述预设沉积点位置。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求11至12中任一项所述的伽马光子探测方法。
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