CN112014873B

CN112014873B - 双端读出探测器的作用深度定位分辨率快速确定方法

Info

Publication number: CN112014873B
Application number: CN202010915013.7A
Authority: CN
Inventors: 范鹏; 夏彦; 赵春晴; 杨晓宁; 张磊; 肖庆生; 徐靖皓; 孙继鹏; 翟睿琼; 冯思亮
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: CN112014873A

Abstract

本发明公开了一种双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法，利用非准直源照射探测器并采集一定数目的伽马光子事件，记录每一个伽马光子事件的晶体两端光电转换器件的输出，计算两端光电转换器件输出信号差异的统计分布，提取该统计分布的两个边界位置，利用非准直源测量数据测量探测器模块对对应能量射线源的能量分辨率，结合作用深度定位分辨率与上述参数之间的关系，快速计算出探测器模块的作用深度定位分辨率。与现有技术相比，本发明不依赖准直伽马源，将作用深度定位分辨率的相关因素表征为两端光电转换器件的输出差异的统计展宽程度，并最终与探测器模块对对应能量的伽马射线的能量分辨率建立相关关系，快速确定双端读出探测器的作用深度定位分辨率。

Description

双端读出探测器的作用深度定位分辨率快速确定方法

技术领域

本发明属于晶体探测器中物理参数的测定技术领域，具体而言，本发明涉及一种双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法。

背景技术

当前，射线作用深度(Depth-of-Interaction,DOI)探测器(DOI探测器)对于提升伽马成像系统的成像性能具有重要意义。例如在正电子发射断层扫描仪(PositronEmission Tomography,PET)中，利用射线作用深度探测器可以有效地降低视差效应(Parallax Effect)的影响，进而提高伽马成像系统的空间分辨率。在康普顿相机成像系统中，利用射线作用深度探测器可以提高获得的康普顿散射光子的散射方向的精度进而提升伽马源的方向定位信息的精确性。

在射线作用深度探测器中，双端读出晶体探测器是最重要的一种之一，其核心思想是伽马光子入射在闪烁晶体内沉积能量，产生闪烁光子，闪烁光子在晶体内部输运，最终到达晶体两端的光电转换器件，被转换为电信号输出。利用两端光电转换器件输出信号幅度或电流大小的差异获取伽马光子在晶体内的作用深度位置信息。其中，双端读出晶体探测器的作用深度定位分辨率很大程度上取决于射线作用于晶体不同深度位置处时晶体两端的光电转换器件的输出信号的差异程度，本质上该差异程度由闪烁光子在晶体内的输运过程决定，因此探测器的作用深度定位分辨率与晶体探测器中闪烁晶体的尺寸、表面处理方式(晶体侧表面的打磨程度(粗糙或者光滑程度)以及晶体侧表面的反射膜等)和光产额息息相关。

通常的双端读出晶体探测器从晶体两端读出信号，利用两端读出信号大小的差异来计算伽马光子在晶体内的作用深度信息，从而实现伽马光子的三维作用位置信息的获取。其构成例如是由像素化的LYSO晶体阵列在两端耦合SiPM阵列组成的双端读出晶体探测器。

对于双端输出探测器而言，作用深度定位分辨率是评估双端输出探测器设计方案优劣的关键评判指标之一。在实际的探测器方案设计优化中，往往需要快速测量探测器的作用深度定位分辨率以定量评判不同探测器的设计方案的优劣。但是，在现有的技术方案中，通常采用准直的伽马放射源照射探测器的一系列的深度位置同时记录两端光电转换器件的输出响应，进而获取作用深度位置随两端光电转换器件的输出响应的相关关系，基于该相关关系进一步根据不同作用深度位置处的两端的光电转换器件的输出响应的展宽程度定量评估探测器模块的作用深度定位分辨率。其中，现有利用准直源照射测试DOI分辨率的大致步骤如下：

1.用准直源去照射晶体探测器的一系列不同深度位置，获取在给定的深度位置处的探测器两端的输出响应S1和S2；

2.利用

通过所测量的一系列的DOI位置的数据，利用线性拟合获取k和c的值，计算在每一个位置处的

的展宽程度(即分布曲线的半高宽)，与k值相乘获取DOI分辨率的值。

由于需要用到准直放射源，作用深度定位分辨率的测量过程繁琐且耗时，不能快速给出不同双端读出探测器模块设计方案的优劣评判，而且容易引入准直误差而影响所计算的作用深度定位分辨率的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法，该方法能够不依赖准直伽马源，直接将作用深度定位分辨率的相关因素表征为两端光电转换器件的输出差异的整体统计展宽程度，并最终与探测器模块对对应能量的伽马射线的能量分辨率建立相关关系，实现双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法，该方法利用非准直伽马放射源照射探测器中的闪烁晶体，根据闪烁晶体两端的光电转换器件输出信号差异的统计分布建立作用深度位置与两端光电器件输出电信号的信号幅度或电流大小差异的相关关系，进一步通过测量两端输出信号之和的统计分布计算探测器对对应能量伽马光子的能量分辨率，通过所述能量分辨率与两端光电转换器件输出信号差异的统计展宽程度比值，再乘以闪烁晶体长度定量确定双端读出探测器的作用深度定位分辨率。

进一步地，所述方法的具体实现过程，包括以下步骤：

1)将非准直源放置于双端读出晶体探测器侧上方，伽马射线入射探测器的晶体侧表面，采集一定的伽马光子事件计数，对于每一个伽马事件，记录两端的光电转换器件的输出电信号S1和S2；

2)根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2，计算(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布，从所述统计分布曲线上提取其边界位置，其中左边界选取为所述统计分布曲线主上升区段、当所述计数从所述极大值A下降至A/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值a，右边界选取为所述统计分布曲线主下降区段、当所述计数从所述极大值B下降至B/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值b；

3)根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2，计算(S1+S2)的统计分布，从所述统计分布曲线上选取对应伽马光子能量的光电峰，对光电峰区域做高斯拟合，得到光电峰对应的(S1+S2)的值S0以及光电峰区域的半高宽FWHM，进而计算探测器模块对所述能量伽马光子的能量分辨率η＝FWHM/S0；

4)定量计算出双端读出晶体探测器的作用深度定位分辨率R＝L*η/(|a|+|b|)，其中L为双端读出晶体探测器的晶体长度，η为步骤3)中测得的该探测器对对应能量的伽马光子的能量分辨率，a和b为步骤2)中测得的(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布曲线的边界值。

其中，非准直源为非准直伽马放射源。

其中，伽马放射源的核素优选为Cs-137、Na-22、Tc-99m，I-131或F-18。

其中，光电转换器件包括PMT，或硅光电倍增器件SiPM。

其中，双端读出晶体探测器中的晶体类型包括LYSO、LSO、CsI(Tl)、GAGG、YSO。

其中，伽马光子事件即一个伽马光子与晶体发生作用产生输出信号，构成一个伽马事件，计数就是指伽马光子事件发生作用的数目。

其中，记录输出的电信号S1和S2是指记录输出电信号的信号幅度或电流的大小。

相对于现有的作用深度定位分辨率确定方法，由于无需使用准直伽马放射源，本发明的方法大幅度简化了作用深度定位分辨率的评估流程，能够快速给出不同双端读出探测器模块设计方案的优劣评判结果，同时避免了准直误差引入的测量的作用深度定位分辨率的非精确性。其优势在于：1.不需要准直源(利用准直源单位时间能采集的伽马光子数会少很多)，节省了时间；2.不需要采集多个作用深度位置的伽马光子事件；3.数据处理过程的简化(不需要额外的线性拟合计算k和c的值)。

附图说明

图1是本发明双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速评估方法的流程图；

图2是本发明方法中使用的双端读出晶体探测器的示意图；

图中，1、闪烁晶体；2、闪烁晶体一端的光电转换器件；3、闪烁晶体另一端的光电转换器件；4、非准直照射伽马源；L、晶体长度；

图3是本发明方法中在非准直源的照射条件下，双端输出信号的差异(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布图；

图中，5、双端输出信号的差异(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布曲线；6、统计分布的边界位置a；7、统计分布的边界位置b；

图4是本发明方法中在非准直源照射条件下，双端输出信号之和S1+S2的统计分布图。

图中，S0：光电峰对应的(S1+S2)的值；S1+S2：探测器双端的输出信号之和；FWHM：光电峰的半高宽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构进行详细说明，这些具体实施方式仅用来示例本发明，并不旨在对其保护范围进行任何限制。

参阅附图1，图1显示了本发明一具体实施方式的双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法的流程图。在本发明的方法中，将非准直源置于双端读出晶体探测器侧上方，伽马射线入射双端读出晶体探测器的长条形闪烁晶体的侧表面，长条形晶体两侧分别设置一光电转换器件，两个光电转换器件采集一定的伽马光子事件计数，对于每一个伽马光子事件，记录两端的光电转换器件的输出电信号S1和S2；根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出电信号S1和S2，计算(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布，从所述统计分布曲线上提取左右边界位置a和b；根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2，计算(S1+S2)的统计分布，等效为测量得到的伽马光子射线的能谱，根据测量得到的伽马射线的能谱计算探测器模块对所述能量伽马光子的能量分辨率η，然后上述参数以及晶体长度定量计算探测器模块的深度定位分辨率。

参阅附图2，图2是本发明方法中使用的双端读出晶体探测器的示意图；其中，非准直照射伽马源4照射到双端读出晶体探测器的长方体结构的闪烁晶体1上，闪烁晶体1一端设置光电转换器件2，另一端设置光电转换器件3，光电转换器件2，3根据入射的伽马射线分别转换出电信号S1和S2，闪烁晶体的长度为L，其中，用于确定双端读出探测器的作用深度定位分辨率的伽马源4为非准直照射，可以照射探测器的所有深度位置，晶体长度为L。

参阅附图3，图3是本发明方法中在非准直源的照射条件下，双端输出信号的差异(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布图；在非准直源的照射条件下，双端输出信号的差异(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布如曲线5所示，6和7分别为该统计分布的边界位置a和b，分别对应伽马光子作用于闪烁晶体1的最右端和最左端时的双端输出信号的差异(S1-S2)/(S1+S2)的值。

参阅附图4，图4是本发明方法中在非准直源照射条件下，双端输出信号之和S1+S2的统计分布图。在非准直源照射条件下，双端输出信号之和S1+S2的统计分布，表征测量的入射伽马光子的能谱。其中对应入射伽马能量的光电峰在分布图上清晰可见，通过对光电峰做高斯拟合，获取光电峰的半高宽FWHM，除以对应的光电峰位置的S0，即可得到探测器对对应能量伽马光子的测量能量分辨率η＝FWHM/S0，表征了探测器模块对伽马光子事件信号测量的准确程度，一般来说η越小，代表测量的伽马光子事件信号的信噪比越好。

以下针对实施例对本发明的双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法进行详细说明。

在本发明的方法实施过程中，对射线源的参数没有硬性要求，因为不需要准直，所以对射线源的照射条件也没有硬性要求，基本原则是伽马源可以照射到所有的深度位置(因为伽马源是各向同性发射的，在不准直的条件下，这个要求很容易办到)，如附图2所示。

实施例

实施本发明方法的探测器模块由一个8×8的LYSO晶体阵列耦合SiPM阵列构成，其中LYSO晶体单元的尺寸为4mm×4mm×25mm，其中LYSO晶体侧表面采用金刚砂研磨，并且晶体单元之间填充约0.1mm厚度的ESR反射膜来避免光损失。在晶体阵列的两端均耦合8×8的SiPM阵列，其中，所用SiPM型号为SensL FC30035，SiPM阵列的尺寸与LYSO晶体阵列的尺寸一致。将Cs-137伽马源置于探测器的模块的上方，Cs-137放射的主要的伽马光子能量为662keV，伽马光子入射晶体阵列，在晶体阵列的某一个晶体单元内发生作用沉积能量，在对应的晶体单元内产生闪烁光子并输运到晶体两端被SiPM单元探测，完成光电转换，后端电路读出光电转换后的电流信号，经过模数转换，记录的两端输出的电信号幅度分别为S1和S2。采集一定的伽马光子事件计数，一般而言，平均每一根晶体单元的伽马光子事件计数应不少于10000。

对于每一根晶体单元内的伽马事件，计算(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布，获取其统计分布的两个边界位置a和b，进一步计算S1+S2的分布，获取其分布上表征662keV全能峰位置的S1+S2的值S0以及对应的全能峰的半高宽值FWHM，则对应的晶体单元的DOI分辨率即可表征为R＝L*FWHM/S0/(|a|+|b|)。

对于每一根晶体单元内的伽马光子事件均进行上述数据处理.过程，即可获取每一根晶体单元的DOI分辨率。

本发明的双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速评估方法，有以下步骤：

1)将伽马放射源如¹⁸F或¹³⁷Cs点源置于双端读出探测器侧上方，照射晶体侧表面，采集一定的伽马光子事件计数，对于每一个伽马事件，记录两端的光电转换器件的输出信号S1和S2；

2)根据所有事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2计算(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布，从所述统计分布曲线上提取其边界位置，其中左边界选取为所述统计分布曲线主上升区段、当所述计数从所述极大值A下降至A/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值a，右边界选取为所述统计分布曲线主下降区段、当所述计数从所述极大值B下降至B/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值b；

3)根据所有事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2计算(S1+S2)的统计分布，从所述统计分布曲线上选取对应伽马光子能量的光电峰，对光电峰区域做高斯拟合，得到光电峰对应的(S1+S2)的值S0以及光电峰区域的半高宽FWHM，进而计算探测器模块对所述能量伽马光子的能量分辨率η＝FWHM/S0。

4)根据步骤2)和步骤3)中的测量信息，定量计算探测器模块的作用深度定位分辨率R＝L*η/(|a|+|b|)，其中L为双端读出探测器的晶体长度，η为步骤3)中测得的探测器模块对对应能量的伽马光子的能量分辨率，a和b为步骤2)中测得的(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布曲线的边界值；

在本发明中，采用R＝L*η/(|a|+|b|)来表征探测器模块的作用深度定位分辨率，其合理性推导步骤如下：

通常对于双端读出探测器而言，一般可认为两端光电转换器件的输出响应和作用深度位置信息满足如下关系：

其中k和c为待刻度参数，通常c为接近于0的数，根据上述测量过程，k的值近似可表征为k＝L/(|a|+|b|)，那么作用深度(depth-of-interaction,DOI)的定位分辨率取决于不同作用深度位置处的(S1-S2)/(S1+S2)的统计展宽程度，即作用深度定位分辨率

(其中

为(S1-S2)/(S1+S2)的标准差)；通常认为在晶体不同深度位置处探测器模块的作用深度定位分辨率均匀，因此能用接近中心深度位置处的作用深度定位分辨率来定量评估探测器模块的作用深度定位分辨率；在接近中心深度位置处，S1和S2的均值和标准差均能认为近似相等，因此(S1-S2)/(S1+S2)的标准差可表征为：

其中

为S1+S2的均值，σ_S、

和

分别代表伽马光子作用于某一个深度位置时，探测器双端的输出信号之和S1+S2、以及两端各自的输出信号S1和S2的标准差，其中σ_S正比于S1+S2的统计分布图上的光电峰的半高宽值，所以相应的作用深度定位分辨率能简化为：

这样即能完成作用深度定位分辨率的定量评估。

在实际的探测器系统中，由于统计噪声和电子学噪声，即使伽马光子作用于同一个深度位置，不同的伽马事件测量所得的S1和S2也不会相同，存在涨落，这也是深度定位分辨率的根源，

和

用来表征这种涨落的严重程度。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims

1.双端读出探测器的作用深度定位分辨率的快速确定方法，其中，该方法利用非准直伽马放射源照射探测器中的闪烁晶体，根据闪烁晶体两端的光电转换器件输出信号差异的统计分布建立作用深度位置与两端光电器件输出电信号的信号幅度或电流大小差异的相关关系，进一步通过测量两端输出信号之和的统计分布计算探测器对对应能量伽马光子的能量分辨率，通过所述能量分辨率与两端光电转换器件输出信号差异的统计展宽程度比值，再乘以闪烁晶体长度定量确定双端读出探测器的作用深度定位分辨率。

2.如权利要求1所述的快速确定方法，具体实现过程包括以下步骤：

1）将非准直源放置于双端读出晶体探测器侧上方，伽马射线入射探测器的晶体侧表面，采集一定数量的伽马光子事件，对于每一个伽马光子事件，记录两端的光电转换器件的输出电信号S1和S2；

2）根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2，计算(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布，从统计分布曲线上提取其边界位置，其中左边界选取为统计分布曲线主上升区段、当计数从极大值A下降至A/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值a，右边界选取为统计分布曲线主下降区段、当计数从极大值B下降至B/2时对应的所述(S1-S2)/(S1+S2)的值b；

3）根据所有伽马光子事件的两端光电转换器件的输出信号S1和S2，计算(S1+S2)的统计分布，从统计分布曲线上选取对应伽马光子能量的光电峰，对光电峰区域做高斯拟合，得到光电峰对应的(S1+S2)的值S0以及光电峰区域的半高宽FWHM，进而计算探测器模块对所述能量伽马光子的能量分辨率η=FWHM/S0；

4）定量计算出双端读出晶体探测器的作用深度定位分辨率R=L*η/(|a|+|b|)，其中，L为双端读出晶体探测器的晶体长度，η为步骤3）中测得的该探测器对对应能量的伽马光子的能量分辨率，a和b为步骤2）中测得的(S1-S2)/(S1+S2)的统计分布曲线的边界值。

3.如权利要求1或2所述的快速确定方法，其中，非准直源为非准直伽马放射源。

4.如权利要求1或2所述的快速确定方法，其中，伽马放射源的核素为Cs-137、Na-22、Tc-99m，I-131或F-18。

5.如权利要求1或2所述的快速确定方法，其中，光电转换器件包括PMT，或硅光电倍增器件SiPM。

6.如权利要求1或2所述的快速确定方法，其中，双端读出晶体探测器中的晶体类型包括LYSO、LSO、CsI(Tl)、GAGG、YSO。

7.如权利要求2所述的快速确定方法，其中，伽马光子事件即一个伽马光子与晶体发生作用产生输出信号，构成一个伽马事件，计数就是指伽马光子事件的数目。

8.如权利要求1或2所述的快速确定方法，其中，记录输出的电信号S1和S2是指记录输出电信号的信号幅度或电流的大小。