CN111528888A - 一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射断层成像结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射断层成像结构。该结构共包括三个探测成像模块，其中第一探测成像模块由基于自锁结构的发光晶体和光电转换模块组成，第二探测成像模块由位置获取模块，能量获取模块和时间获取模块组成，第三探测成像模块由图像重建模块组成。
Description
技术领域
本发明涉及医疗成像领域，尤其是涉及一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射断层成像结构。
背景技术
单光子发射断层成像(SPECT)的基本成像原理是首先病人需要摄入含有半衰期适当的放射性同位素药物，在药物到达所需要成像的断层位置后，由于放射性衰变，将从断层处发出γ光子，位于外层的γ照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线(Ray)进来的γ光子，通过发光晶体将探测到的高能γ射线转化为能量较低但数量很大的光信号，通过光电转换装置将光信号转化为电信号并进行放大，得到的测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物，它们的输出称作该断层的一维投影(Projection)。图中各条投影线都垂直于探测器并互相平行，故称之为平行束，探测器的法线与X轴的交角θ称为观测角(View)。γ照相机是二维探测器，安装了平行孔准直器后，可以同时获取多个断层的平行束投影，这就是平片。平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。在这其中，发光晶体与发光晶体之间形成大的发光晶体阵列往往需要大量的光学胶水等粘合剂进行连接，这样不仅增加了器械的成本，同时粘合剂的使用一定程度上阻碍了光子通过发光晶体的速度，影响了最后的成像质量。
于是我们在之前发光晶体的制作基础上，引入基于自锁结构的发光晶体概念，将以前的发光晶体再加工，由统一形状的发光晶体变成具有不同形状的发光晶体，使得各个发光晶体之间不再需要粘合剂的加入就可以形成大的发光晶体阵列。
因此，针对以上提到的发光晶体中存在的问题有必要对现有发光晶体制备结构和辐射成像系统予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构中，所述成像结构包括以下三个模块，
第一探测成像模块，由基于自锁结构的发光晶体，准直模块和光电转换模块组成；
第二探测成像模块，由位置获取模块，能量获取模块和数据预处理模块三部分组成；
第三探测成像模块由图像重建模块组成。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体由abcdef六种晶体组成，其中，a晶体上设有1个槽口2101，所述槽口2101对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体中的b晶体上设有1个槽口2201，所述槽口2201对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体中的c晶体上设有槽口2301和槽口2302，所述槽口2301长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2302长度为1.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体中的d晶体上设有槽口2401和槽口2402，所述槽口2401长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2402长度为2个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体中的e晶体上设有槽口2501，槽口2502和槽口2503，所述槽口2501长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述槽口2502长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2503长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
优选的，一种基于自锁结构的发光晶体中的f晶体上设有槽口2601和槽口2602，所述槽口2601长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2602长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
优选的，准直模块用于将上述六种发光晶体发出的可见光进行最大程度的耦合，使得可见光在最大效率的条件下进行光电转换器件中，从而减小因为接收可见光不足而影响最后成像效果的影响。在基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构中共有三级准直模块，分别是第一准直模块，第二准直模块和第三准直模块，其中第一准直模块的作用主要有两方面，一方面是它决定了上述六种发光晶体所能提供的最大发射可见光范围，另一方面，它阻挡了最大发射可见光范围外的由其他发光晶体产生的可见光。第一准直模块采用高原子序数材料如钨制成，早期亦用贫化铀制成，其高度应能将初级辐射衰减至10的负2次方，或三个十分之一值层厚；第二准直模块的作用主要也分为两方面，一方面是减少可见光在准直器侧壁的散射和准直器边缘部分的透射半影，另一方面是确保可见光穿过准直器的透射量符合国家标准，该透射量应小于中心可见光强度的0.6％，第二准直模块由上下两对可开合的矩形准直器制成，其材料是钨、铅或贫化铀；第三准直模块的作用主要是调节可见光照射范围的形状和大小，同时限定可见光照射的范围，其中第三准直模块的形状可以是方形，也可以是圆形，形状根据我们所需要的具体形状而定。
优选的，光电转换模块用于将发光晶体中的可见光吸收并将之转化为电信号，光电转换模块主要由三级转换组成，其中第一转换模块用于将可见光光子转换为光电子，第二转换模块用于将混乱的光电子进行倍增得到更多的光电子，第三转换模块用于将光电子集合转换为光电子流。
优选的，一种基于自锁结构的六种发光晶体组成步骤如下：
S1：首先将e晶体的槽口2501对准f晶体的槽口2602放置；
S2：然后将d晶体的槽口2401对应e晶体的槽口2502放置；
S3：然后将b晶体的槽口2201对应e晶体的槽口2503放置；
S4：然后将c晶体的槽口2301对应f晶体的槽口2601放置；
S5：然后将a晶体与f晶体槽口相对，呈镜像放置；
S6：最后将d晶体旋转90°与e晶体呈镜像放置。
优选的，第二探测成像模块中的位置获取模块通过记录不同光子打在不同的发光晶体的位置得到图像的位置信息，所述能量获取模块通过稀疏量化电平的结构得到图像的能量信息，所述数据预处理模块通过将位置信息和能量信息输出成特定数据格式进行数据的预处理。
优选的，第三探测成像模块中的图像重建模块由数据解析，数据判决和反投影三部分组成，其中数据解析用于将第二探测成像模块输出的压缩打包数据解压；数据判决用于将解压出的位置数据和能量数据分别进行抽样判决，从而在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻由位定时脉冲控制对将接收滤波器的输出信号进行恢复或再生图像信号；反投影模块用于将恢复或再生的图像信号通过反投影算法在计算机中得到图像图片。
相比现有技术，本发明的有益效果在于:
发光晶体与发光晶体之间形成大的发光晶体阵列不需要大量的光学胶水等粘合剂进行连接，不仅节省了器械的成本，同时免除粘合剂的使用一定程度上加快了光子通过发光晶体的速度，提高了最后的成像质量。
同时各个发光晶体之间不再需要粘合剂的加入就可以通过特定对应组装顺序形成大的发光晶体阵列，减少了寻常晶体组成时的磨损，且自锁结构的晶体之间有相互固定制约的作用，使得医疗成像仪器在搬运过程中，其内部的晶体不会因为移动而结构受到破坏。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构结构示意图；
图2是本发明实施例提供的发光晶体中的abcdef六种单个晶体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的发光晶体abcdef六种晶体组合结构示意图。
具体实施方式
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清楚、完整的描述。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作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。
实例一：
一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，所述成像结构包括三个探测成像模块，如图1所示，即第一探测成像模块，第二探测成像模块和第三探测成像模块，其中，第一探测成像模块由发光晶体，准直模块和光电转换模块组成；第二探测成像模块由位置获取模块，能量获取模块和数据预处理模块组成；第三探测成像模块由数据解析，数据判决和反投影三个模块组成，具体的，所述第一探测成像模块中发光晶体由abcdef六种晶体组成，其中，a晶体上设有1个槽口2101，所述槽口2101对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的b晶体上设有1个槽口2201，所述槽口2201对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的c晶体上设有两个槽口2301和2302，所述槽口2301长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2302长度为1.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的d晶体上设有槽口2401和槽口2402，所述槽口2401长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2402长度为2个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的e晶体上设有槽口2501，槽口2502和槽口2503，所述槽口2501长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述槽口2502长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2503长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的f晶体上设有槽口2601和槽口2602，所述槽口2601长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2602长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为5mm。
所述第一探测成像模块中准直器采用多叶准直器，其中第一准直模块的最大发射可见光范围为15cm，第三准直模块中调节可见光照射范围的形状为圆形，大小为15cm。
所述第一探测成像模块中光电倍增模块采用H6780光电倍增管，其参量为：工作电压为1000V(直流15V电源供电)，倍增级数为8，最高增益33×105，最大阳极平均线性电流100uA，上升时间0.78ns。
所述第二探测成像模块中的能量获取模块采用稀疏量化电平和AD模数转换的结构获得，数据预处理模块将模数转换后的数据存储为UDP格式。
所述第三探测成像模块中的反投影模块采用的算法是中心切片定理和滤波反投影算法。
实例二：
一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，所述成像结构包括三个探测成像模块，即第一探测成像模块，第二探测成像模块和第三探测成像模块，其中，第一探测成像模块由发光晶体，准直模块和光电转换模块组成；第二探测成像模块由位置获取模块，能量获取模块和数据预处理模块组成；第三探测成像模块由数据解析，数据判决和反投影三个模块组成，具体的，所述第一探测成像模块中发光晶体由abcdef六种晶体组成，其中，a晶体上设有1个槽口2101，所述槽口2101对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为6mm。所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的b晶体上设有1个槽口2201，所述槽口2201对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为6mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的c晶体上设有槽口2301和槽口2302，所述槽口2301长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2302长度为1.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为6mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的d晶体上设有槽口2401和槽口2402，所述槽口2401长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2402长度为2个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为6mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的e晶体上设有槽口2501，槽口2502和槽口2503，所述槽口2501长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述槽口2502长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2503长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为6mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的f晶体上设有槽口2601和槽口2602，所述槽口2601长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2602长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为6mm。
所述第一探测成像模块中准直器采用多叶准直器，其中第一准直模块的最大发射可见光范围为18cm，第三准直模块中调节可见光照射范围的形状为圆形，大小为18cm。
所述第一探测成像模块中光电倍增模块采用H6780光电倍增管，其参量为：工作电压为1000V(直流15V电源供电)，倍增级数为8，最高增益33×105，最大阳极平均线性电流100uA，上升时间0.78ns。
所述第二探测成像模块中的能量获取模块采用稀疏量化电平和AD模数转换的结构获得，数据预处理模块将模数转换后的数据存储为UDP格式。
所述第三探测成像模块中的反投影模块采用的算法是中心切片定理和滤波反投影算法。
实例三：
一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，所述成像结构包括三个探测成像模块，即第一探测成像模块，第二探测成像模块和第三探测成像模块，其中，第一探测成像模块由发光晶体，准直模块和光电转换模块组成；第二探测成像模块由位置获取模块，能量获取模块和数据预处理模块组成；第三探测成像模块由数据解析，数据判决和反投影三个模块组成，具体的，所述第一探测成像模块中发光晶体由abcdef六种晶体组成，其中，a晶体上设有1个槽口2101，所述槽口2101对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的b晶体上设有1个槽口2201，所述槽口2201对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的c晶体上设有槽口2301和槽口2302，所述槽口2301长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2302长度为1.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的d晶体上设有两个槽口2401和2402，所述槽口2401长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2402长度为2个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的e晶体上设有槽口2501，槽口2502和槽口2503，所述槽口2501长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述槽口2502长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2503长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中发光晶体中所述的f晶体上设有槽口2601和槽口2602，所述槽口2601长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2602长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，其中横断面长度为7mm。
所述第一探测成像模块中准直器采用多叶准直器，其中第一准直模块的最大发射可见光范围为21cm，第三准直模块中调节可见光照射范围的形状为圆形，大小为21cm。
所述第一探测成像模块中光电倍增模块采用H6780光电倍增管，其参量为：工作电压为1000V(直流15V电源供电)，倍增级数为8，最高增益33×105，最大阳极平均线性电流100uA，上升时间0.78ns。
所述第二探测成像模块中的能量获取模块采用稀疏量化电平和AD模数转换的结构获得，数据预处理模块将模数转换后的数据存储为UDP格式。
所述第三探测成像模块中的反投影模块采用的算法是中心切片定理和滤波反投影算法。
三个实施例中的发光玻璃为BaF2(氟化钡)晶体，该晶体具有从真空紫外至红外的高透光能力,是迄今为止衰减速度最快的闪烁晶体，由于BaF2晶体的半导体发光机理,其发光衰减时间很短,通过实验，三个实施例中3个发光峰值分别为195nm,220nm,310nm，对应的衰减时间分别为0.87ns,0.88ns,600ns，衰减时间越小，其光子统计的准确率越高，最后成像效果越好。
故在此实施例1成像为最佳的实施例，但是考虑到其衰减时间仅比实施例2的衰减时间少了0.01ns，此衰减时间下，成像效果的提升是极为有限的，其加工条件确是很难去实现的，综合考虑实现的难易程度和成像品质，实施例二为本发明的最优选择。
Claims (10)
1.一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，包括以下三个模块，
第一探测成像模块，由基于自锁结构的发光晶体和光电转换模块组成；
第二探测成像模块，由位置获取模块，能量获取模块和数据预处理模块三部分组成；
第三探测成像模块，由图像重建模块组成；
所述基于自锁结构的发光晶体由abcdef六种晶体组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，a晶体上设有1个槽口2101，所述槽口2101对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体中的b晶体上设有1个槽口2201，所述槽口2201对长度中心对称，槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体中的c晶体上设有槽口2301和槽口2302，所述槽口2301长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2302长度为1.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体中的d晶体上设有槽口2401和槽口2402，所述槽口2401长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2402长度为2个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度。
6.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体中的e晶体上设有槽口2501，槽口2502和槽口2503，所述槽口2501长度为1个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述槽口2502长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2503长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
7.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体中的f晶体上设有槽口2601和槽口2602，所述槽口2601长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述槽口2602长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。
8.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述基于自锁结构的发光晶体组成步骤如下：
S1：首先将e晶体的槽口2501对准f晶体的槽口2602放置；
S2：然后将d晶体的槽口2401对应e晶体的槽口2502放置；
S3：然后将b晶体的槽口2201对应e晶体的槽口2503放置；
S4：然后将c晶体的槽口2301对应f晶体的槽口2601放置；
S5：然后将a晶体与f晶体槽口相对，呈镜像放置；
S6：最后将d晶体旋转90°与e晶体呈镜像放置。
9.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述第二探测成像模块中的位置获取模块通过记录不同光子打在不同的发光晶体的位置得到图像的位置信息，所述能量获取模块通过稀疏量化电平的结构得到图像的能量信息，所述数据预处理模块通过将位置信息和能量信息输出成特定数据格式进行数据的预处理。
10.根据权利要求1所述的一种基于自锁结构发光晶体的单光子发射成像结构，其特征在于，所述第三探测成像模块中的图像重建模块由数据判决，数据解析和反投影三部分组成。
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