一種基於事件計數的雙模正電子顯像機的製作方法
2023-06-05 11:48:26 2
本發明涉及高能物理與粒子物理應用、核醫學裝備和生物醫學光子學領域，尤其涉及一種基於事件計數的雙模正電子顯像機。
背景技術：
核物理中的放射性事件通常伴隨著兩種或者兩種以上的輻照類型。特別是衰變事件可以發射出不穩定的帶電粒子時，放射性事件會同時有多種輻射發出。以富質子不穩定同位素為例，當發射出的正電子具有一定的動量時，將在徑跡上輻照可見光光子，這種物理現象即為切倫科夫輻射。切倫科夫輻射作為一種極為方便的標記方法，在生物醫學顯像中有著極為廣泛的應用價值。而當正電子與環境中的電子發生正反物質湮滅時，將輻射一對帶有511keV能量的伽馬光子，也就是說，富質子元素的一種同位素標記將提供兩種顯像方式：光學成像和伽馬成像。除了富質子元素以外，其他部分不穩定同位素還有級聯衰變以及同時輻射不同能量、不同電荷、不同穿透深度的多個粒子的情形，都屬於討論的範圍。現有的成像系統並沒有對這種「身兼兩職」的探針進行專門的探測，而是獨立採用伽馬相機（或者PET）和光學相機對標記有富質子核素的生物體或者人體各自進行成像，中間的信號探測和數據獲取完全是獨立的，最後在圖像層面進行後端準合（配準）。
這種後端準合對於兩種輻照的信息損失極為嚴重。在伽馬數據中，有很大一部分數據是散射和隨機事件，如果能在物理層以事件的形式引入光學數據，將對散射和隨機事件提供極為精準的判選。而可見光在人體內的輸運噪聲極為嚴重，如果光學數據能在切倫科夫事件被甄別時引入伽馬光子的準直信息，將極大地提升單個切倫科夫事件的信息準確度。為此，工作在物理層的事件級別的信息融合，將對多輻照系統產生革命性影響。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種基於事件計數的雙模正電子顯像機，該系統能在正電子發射的過程中同時識別由於帶電微粒運動發射的切倫科夫光子和正負電子對湮滅產生的伽馬光子對，有效地提升系統信噪比、成像時空解析度和靈敏度，降低材料成本。
為實現上述目的，本發明提供一種基於事件計數的雙模正電子顯像機，包括以下模塊：不穩定同位素注入模塊100、伽馬探測器模塊200、可見光探測器模塊300、多事例時間窗判選模塊400、可視化模塊500，其中，
不穩定同位素注入模塊100，用於對生物體中參與生理與生化過程的物質進行標記，屏蔽生物體以外的背景光，並使生物體帶有可以發射多輻照事件的標記物，包括放射性同位素送藥模塊110，藥劑注射模塊120，生物體傳動模塊130，光密閉模塊140；
伽馬探測器模塊200，以環狀視角的方式實現對伽馬光子的探測，獲取單伽馬光子事件的時間和能量屬性，採用閃爍探測器原理，包括閃爍晶體模塊210，光電轉換模塊220，前端電子學模塊230，伽馬事件屬性封裝電路模塊240；
可見光探測器模塊300，用於以高探測效率的方式實現對可見光光子和軟紫外光子的探測，探測器採用大面積平面結構，可供大規模光電子晶片工藝進行大規模製造，包括切倫科夫光子光電轉換模塊310，切倫科夫探測前端電子學模塊320，切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330；
多事例時間窗判選模塊400，用於判斷切倫科夫事件和伽馬光子事件是否屬於一次正電子事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如30 ns）內有同時存在伽馬光子事件和切倫科夫事件，包括多事例定時開窗電路模塊410，邏輯與門電路模塊420，總事件定時開窗模塊430，符合事件封裝模塊440，電源模塊450，數字電路時鐘模塊460；
可視化模塊500，用於對輻照數據進行後續處理或者丟棄，由處理器模塊510，防斷電直流電源模塊520，顯示器模塊530，網絡傳輸接口模塊540構成。
放射性同位素送藥模塊110，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於對生物體穩定地自動化地送入放射性藥物，避免放射性藥物可能對人體和生物體造成的輻射損傷，藥物經由放射性同位素送藥模塊110進入藥物注射模塊120；
藥劑注射模塊120，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於實時的控制注入生物體或者人體中的放射性藥物劑量，由推送裝置和劑量測算裝置構成；
生物體傳動模塊130，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於控制生物體在成像腔內外的送入和送出，由推送裝置和支撐板構成，支撐板盛放生物體，推送裝置負責在成像前把支撐板與生物體送入成像腔室，在成像完成後把支撐板與生物體送出成像腔室；
光密閉模塊140，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於對成像腔室進行避光封裝，保證成像腔室在成像時沒有額外的外部可見光射入。
閃爍晶體模塊210，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於吸收伽馬光子，並把一個伽馬光子的能量轉化為一簇可見光或軟紫外光光子，由閃爍晶體裸晶、閃爍光反射材料、閃爍晶體封裝外殼、出光玻璃構成；
光電轉換模塊220，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於可見光和軟紫外光光子的能量吸收與電信號轉化，具體是通過雪崩過程將光電子流簇在短時間內放大，再輸出給前端電子學模塊230；
前端電子學模塊230，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於對光電轉換模塊輸出的電信號進行前置放大處理，並進行模數轉換，將數位化的閃爍脈衝屬性按照事件輸出給伽馬事件屬性封裝電路模塊240；
伽馬事件屬性封裝電路模塊240，隸屬於伽馬探測器模塊200，對伽馬事件的屬性進行封裝，封裝的內容包括事件時間、伽馬光子能量、閃爍脈衝前沿的上升時間以及閃爍脈衝的離差和。
切倫科夫光子光電轉換模塊310，隸屬於可見光探測器模塊300，用於吸收切倫科夫光子，並將其轉化為電信號，具體是通過光電效應和雪崩過程，將光電子流簇在短時間內放大，再輸出給切倫科夫探測前端電子學模塊320；
切倫科夫探測前端電子學模塊320，隸屬於可見光探測器模塊310，用於對切倫科夫誘導電脈衝進行前置放大，並進行模數轉換，將數位化的切倫科夫誘導電脈衝屬性按照事件輸出給切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330；
切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330，隸屬於可見光探測器模塊300，對切倫科夫事件的屬性進行封裝，封裝的內容包括事件時間、伽馬光子能量、切倫科夫誘導電脈衝前沿的上升時間以及切倫科夫誘導電脈衝的離差和。
多事例定時開窗電路模塊410，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於對每個伽馬事件和切倫科夫事件進行定時開窗，即從事件到達時間開始定時置1輸出；
邏輯與門電路模塊420，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，接收多事例定時開窗電路模塊410輸出的置1信號後，通過與門電路對多個事例進行與邏輯判選，當存在兩個伽馬光子和一個通道以上的切倫科夫事件時，置1輸出，否則，保持清零輸出；
總事件定時開窗模塊430，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，接收邏輯與門電路模塊420的與門判選信號，並從接收到置1信號開始以固定的時間窗置1輸出；
符合事件封裝模塊440，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，從接收到總事件定時開窗模塊的置1信號開始，將從多事例定時開窗電路模塊接收到的各個事件屬性封裝成二進位的比特流；
電源模塊450，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於給各個電路模塊進行穩定的供電，供電電源外接220V交流市電；
數字電路時鐘模塊460，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於給各個數字電路模塊發送時鐘信號，時鐘信號為正弦波電壓信號，由有源晶振提供。
處理器模塊510，隸屬於可視化模塊500，對封裝好的事例進行相關性分析、直方圖計數、統計學計算，並將分析計算的結果傳輸給顯示器模塊530；
防斷電直流電源模塊520，隸屬於可視化模塊500，用於保證顯示器模塊和處理器模塊的穩定工作，在系統斷電後，仍然能保持8小時以上的工作電源，以便進行關機前的修復與存檔動作；
顯示器模塊530，隸屬於可視化模塊500，接收正電子事件的伽馬屬性和切倫科夫屬性後對正電子事件的各種譜學屬性進行顯示；
網絡傳輸接口模塊540，隸屬於可視化模塊500，用於傳輸正電子事件的伽馬屬性和切倫科夫屬性及其譜學圖表。
優選地，在上述的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的事件到達時間為探測器響應伽馬事件或者切倫科夫事件的時間，或者探測器響應伽馬事件或者切倫科夫事件的時間加上一個恆定的常數，該常數在任意時刻適用於整個系統。
優選地，在上述的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的正電子事件的伽馬屬性是指，正電子與電子發生湮滅後產生的一對伽馬光子擊中伽馬探測器的響應特徵。
優選地，在上述的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的正電子事件的切倫科夫屬性是指，正電子與電子發生湮滅前產生的切倫科夫光子擊中可見光探測器的響應特徵。
優選地，在上述的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的正電子事件是指富質子核素經過衰變發射出正電子。正電子在運動時產生切倫科夫效應，在和附近的電子發生湮滅後，產生一對伽馬光子，伽馬光子的屬性由伽馬探測器捕獲，切倫科夫光子的屬性由可見光探測器捕獲。
優選地，在上述的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的多事例時間窗判選是指系統的可見光光子探測器和伽馬光子探測器同時捕捉到了兩種信號時，系統認為這種情況下的可見光光子和伽馬光子為背景光子或者暗激發光子的概率較小，而判選為正電子事件的伽馬光子對和切倫科夫光子。
從上述技術方案可以看出，通過採用本發明的基於事件計數的雙模正電子顯像機，能在較低的活度下獲取正電子源的分布信息。由於該系統不需要事先對探測器進行降溫處理，能在室溫下工作，並且具有更好的時空解析度和信噪比，因此具有更佳的普適性和實用性。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
（1）更好的時空解析度；
（2）更好的圖像信噪比；
（3）可以在室溫工作；
（4）成本較低；
（5）充分利用了正電子源的多種信息。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發明的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明基於事件計數的雙模正電子顯像機的系統框圖；
圖2為本發明兩種光的路徑示意圖。
具體實施方式
本發明公開了一種基於事件計數的雙模正電子顯像機，該系統能在正電子發射的過程中同時識別由於帶電微粒運動發射的切倫科夫光子和正負電子對湮滅產生的伽馬光子對，有效地提升系統信噪比、成像時空解析度和靈敏度，降低材料成本。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明公開的基於事件計數的雙模正電子顯像機，通過伽馬探測器和可見光光子探測器捕獲正電子事件的伽馬屬性和切倫科夫屬性，實現對正電子標記的生物體或者人體的顯像，具體包括：
不穩定同位素注入模塊100、伽馬探測器模塊200、可見光探測器模塊300、多事例時間窗判選模塊400、可視化模塊500，其中，
不穩定同位素注入模塊100，用於對生物體中參與生理與生化過程的物質進行標記，屏蔽生物體以外的背景光，並使生物體帶有可以發射多輻照事件的標記物，包括放射性同位素送藥模塊110，藥劑注射模塊120，生物體傳動模塊130，光密閉模塊140；
伽馬探測器模塊200，以環狀視角的方式實現對伽馬光子的探測，獲取單伽馬光子事件的時間和能量屬性，採用閃爍探測器原理，包括閃爍晶體模塊210，光電轉換模塊220，前端電子學模塊230，伽馬事件屬性封裝電路模塊240；
可見光探測器模塊300，用於以高探測效率的方式實現對可見光光子和軟紫外光子的探測，探測器採用大面積平面結構，可供大規模光電子晶片工藝進行大規模製造，包括切倫科夫光子光電轉換模塊310，切倫科夫探測前端電子學模塊320，切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330；
多事例時間窗判選模塊400，用於判斷切倫科夫事件和伽馬光子事件是否屬於一次正電子事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如30 ns）內有同時存在伽馬光子事件和切倫科夫事件，包括多事例定時開窗電路模塊410，邏輯與門電路模塊420，總事件定時開窗模塊430，符合事件封裝模塊440，電源模塊450，數字電路時鐘模塊460；
可視化模塊500，用於對輻照數據進行後續處理或者丟棄，由處理器模塊510，防斷電直流電源模塊520，顯示器模塊530，網絡傳輸接口模塊540構成。
放射性同位素送藥模塊110，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於對生物體穩定地自動化地送入放射性藥物，避免放射性藥物可能對人體和生物體造成的輻射損傷，藥物經由放射性同位素送藥模塊110進入藥物注射模塊120；
藥劑注射模塊120，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於實時的控制注入生物體或者人體中的放射性藥物劑量，由推送裝置和劑量測算裝置構成；
生物體傳動模塊130，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於控制生物體在成像腔內外的送入和送出，由推送裝置和支撐板構成，支撐板盛放生物體，推送裝置負責在成像前把支撐板與生物體送入成像腔室，在成像完成後把支撐板與生物體送出成像腔室；
光密閉模塊140，隸屬於不穩定同位素注入模塊100，用於對成像腔室進行避光封裝，保證成像腔室在成像時沒有額外的外部可見光射入。
閃爍晶體模塊210，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於吸收伽馬光子，並把一個伽馬光子的能量轉化為一簇可見光或軟紫外光光子，由閃爍晶體裸晶、閃爍光反射材料、閃爍晶體封裝外殼、出光玻璃構成；
光電轉換模塊220，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於可見光和軟紫外光光子的能量吸收與電信號轉化，具體是通過雪崩過程將光電子流簇在短時間內放大，再輸出給前端電子學模塊230；
前端電子學模塊230，隸屬於伽馬探測器模塊200，用於對光電轉換模塊輸出的電信號進行前置放大處理，並進行模數轉換，將數位化的閃爍脈衝屬性按照事件輸出給伽馬事件屬性封裝電路模塊240；
伽馬事件屬性封裝電路模塊240，隸屬於伽馬探測器模塊200，對伽馬事件的屬性進行封裝，封裝的內容包括事件時間、伽馬光子能量、閃爍脈衝前沿的上升時間以及閃爍脈衝的離差和。
切倫科夫光子光電轉換模塊310，隸屬於可見光探測器模塊300，用於吸收切倫科夫光子，並將其轉化為電信號，具體是通過光電效應和雪崩過程，將光電子流簇在短時間內放大，再輸出給切倫科夫探測前端電子學模塊320；
切倫科夫探測前端電子學模塊320，隸屬於可見光探測器模塊310，用於對切倫科夫誘導電脈衝進行前置放大，並進行模數轉換，將數位化的切倫科夫誘導電脈衝屬性按照事件輸出給切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330；
切倫科夫事件屬性封裝電路模塊330，隸屬於可見光探測器模塊300，對切倫科夫事件的屬性進行封裝，封裝的內容包括事件時間、伽馬光子能量、切倫科夫誘導電脈衝前沿的上升時間以及切倫科夫誘導電脈衝的離差和。
多事例定時開窗電路模塊410，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於對每個伽馬事件和切倫科夫事件進行定時開窗，即從事件到達時間開始定時置1輸出；
邏輯與門電路模塊420，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，接收多事例定時開窗電路模塊410輸出的置1信號後，通過與門電路對多個事例進行與邏輯判選，當存在兩個伽馬光子和一個通道以上的切倫科夫事件時，置1輸出，否則，保持清零輸出；
總事件定時開窗模塊430，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，接收邏輯與門電路模塊420的與門判選信號，並從接收到置1信號開始以固定的時間窗置1輸出；
符合事件封裝模塊440，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，從接收到總事件定時開窗模塊的置1信號開始，將從多事例定時開窗電路模塊接收到的各個事件屬性封裝成二進位的比特流；
電源模塊450，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於給各個電路模塊進行穩定的供電，供電電源外接220V交流市電；
數字電路時鐘模塊460，隸屬於多事例時間窗判選模塊400，用於給各個數字電路模塊發送時鐘信號，時鐘信號為正弦波電壓信號，由有源晶振提供。
處理器模塊510，隸屬於可視化模塊500，對封裝好的事例進行相關性分析、直方圖計數、統計學計算，並將分析計算的結果傳輸給顯示器模塊530；
防斷電直流電源模塊520，隸屬於可視化模塊500，用於保證顯示器模塊和處理器模塊的穩定工作，在系統斷電後，仍然能保持8小時以上的工作電源，以便進行關機前的修復與存檔動作；
顯示器模塊530，隸屬於可視化模塊500，接收正電子事件的伽馬屬性和切倫科夫屬性後對正電子事件的各種譜學屬性進行顯示；
網絡傳輸接口模塊540，隸屬於可視化模塊500，用於傳輸正電子事件的伽馬屬性和切倫科夫屬性及其譜學圖表。
以上的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的事件到達時間為探測器響應伽馬事件或者切倫科夫事件的時間，或者探測器響應伽馬事件或者切倫科夫事件的時間加上一個恆定的常數，該常數在任意時刻適用於整個系統。
以上的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的正電子事件的伽馬屬性是指，正電子與電子發生湮滅後產生的一對伽馬光子擊中伽馬探測器的響應特徵。
以上的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的正電子事件的切倫科夫屬性是指，正電子與電子發生湮滅前產生的切倫科夫光子擊中可見光探測器的響應特徵。
以上的基於事件計數的雙模正電子顯像機中，所述的多事例時間窗判選是指系統的可見光光子探測器和伽馬光子探測器同時捕捉到了兩種信號時，系統認為這種情況下的可見光光子和伽馬光子為背景光子或者暗激發光子的概率較小，而判選為正電子事件的伽馬光子對和切倫科夫光子。
圖1為本發明基於事件計數的雙模正電子顯像機的系統框圖；圖2為本發明兩種光的路徑示意圖。結合圖1及圖2，通過幾個具體的實施例，對本發明基於事件計數的雙模正電子顯像機系統做進一步描述。本發明提出的基於事件計數的雙模正電子顯像機系統，其涉及到的集合劃分、函數衍生方式及其優先級順序、編碼系統、閾值參數需要根據所獲取數據的特點進行調節以達到足夠的統計性能。此處列出所涉及的應用實施例處理數據的參數。
實例1：基於事件計數的雙模正電子顯像機
此處列出本實施例1處理數據的參數：
模塊100中採用的放射源活度為100 uCi，光密閉模塊尺寸為直徑10 cm，環厚5 cm的杯狀幾何；
模塊200中採用的閃爍晶體條的尺寸為 2 mm x 2 mm x 13 mm，探測面為2 mm x 2 mm，閃爍晶體採用碘化鈉晶體；
模塊300中採用的光子探測單元尺寸為2 mm x 2 mm，探測器採用矽光電倍增器；
模塊400中採用的時間窗為5 ns；
模塊500中處理器採用 FPGA（現場可編程邏輯門陣列）處理器，顯示器採用液晶顯示器，網絡傳輸接口採用工業乙太網協議。
實例2：基於事件計數的雙模正電子顯像機
此處列出本實施例2處理數據的參數：
模塊100中採用的放射源活度為200 uCi，光密閉模塊尺寸為直徑20 cm，環厚15 cm的桶狀幾何；
模塊200中採用的閃爍晶體條的尺寸為 3 mm x 3 mm x 13 mm，探測面為3 mm x 3 mm，閃爍晶體採用溴化鑭晶體；
模塊300中採用的光子探測單元尺寸為3 mm x 3 mm，探測器採用矽光電倍增器；
模塊400中採用的時間窗為15 ns；
模塊500中處理器採用單片機處理器，顯示器採用液晶顯示器，網絡傳輸接口採用乙太網協議。
實例3：基於事件計數的雙模正電子顯像機
此處列出本實施例3處理數據的參數：
模塊100中採用的放射源活度為1.00 mCi，光密閉模塊尺寸為直徑50 cm，環厚50 cm的桶狀幾何；
模塊200中採用的閃爍晶體條的尺寸為 5 mm x 5 mm x 13 mm，探測面為5 mm x 5 mm，閃爍晶體採用溴化鑭晶體；
模塊300中採用的光子探測單元尺寸為4 mm x 3 mm，探測器採用矽光電倍增器；
模塊400中採用的時間窗為25 ns；
模塊500中處理器採用數位訊號處理器，顯示器採用電子管顯示器，網絡傳輸接口採用PCIe協議。
本發明涉及高能物理與粒子物理應用、核醫學裝備和生物醫學診療領域，尤其涉及一種基於事件計數的雙模正電子顯像機系統。
通過對比可以看出，採用本發明的基於事件計數的雙模正電子顯像機，該系統能在正電子發射的過程中同時識別由於帶電微粒運動發射的切倫科夫光子和正負電子對湮滅產生的伽馬光子對，有效地提升系統信噪比、成像時空解析度和靈敏度，降低材料成本。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
（1）更好的時空解析度；
（2）更好的圖像信噪比；
（3）可以在室溫工作；
（4）成本較低；
（5）充分利用了正電子源的多種信息。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。