一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置與流程

2023-06-27 01:13:01

本發明涉及粒子物理數據獲取、光電信號處理和核探測領域，尤其涉及一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置。

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，發射出的正電子當具有一定的動量時，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，將輻射一個帶有511keV能量的伽瑪光子，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：光學成像和伽瑪成像。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，而是獨立採用伽瑪相機（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。在伽瑪數據中，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瑪光子的準直信息，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。

因此，針對上述技術問題，有必要針對能夠獲取的多輻照事件信息，提供一種新的伽瑪光子數據與可見光子數據的準合方法與裝置，以克服上述缺陷，實現高精度的數據準合，提高系統的噪聲等效計數。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個多輻照事件的多個光子的電信號樣本，通過多光子時間窗判選，剔除自發光事件，增大重構圖像信噪比，避免基線漂移對讀出信號的影響。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法，其包括步驟：

S1：通過安置伽瑪光子探測器，獲得衰變事件發射伽瑪光子的脈衝數據集（時間、位置、波長、脈衝形狀中的一種或者幾種）；

S2：通過安置可見光子探測器，獲得衰變事件發射可見光光子（或近紅外光子）的脈衝數據集（時間、位置、波長、脈衝形狀的一種或者幾種）；

S3：通過實驗和仿真，獲取每個時間段樣本的兩種數據集各自的聯合似然概率函數；

S4：通過計算該時間段的二級聯合多屬性似然函數判斷當前接收到的兩種數據片段否是來自於一個衰變事件 ，若不是則各自單獨存儲或者丟棄。

優選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法中，所述多輻照事件是指單個放射性同位素原子核發射出幾種輻射的事件。

優選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法中，所述的單光子事件是指生物體通過衰變或者切倫科夫事件發出的單個光子擊中探測器被吸收的事件。

優選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法中，所述時間窗判選是指多個單光子（不少於3個）事件在很短的時間內（例如30 ns）發生，即認為這多個單光子事件屬於同一次多輻照事件。

優選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法中，所述判選兩種事件是否屬於一次多輻照事件，既可以將沒有聯繫上的兩種事件丟棄，也可以將兩種事件暫時進行存儲，以供其他操作使用。

一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置，其中包括不穩定同位素注入模塊、伽瑪探測器模塊、可見光探測器模塊、多事例時間窗判選模塊、後處理模塊，其中，

不穩定同位素注入模塊，用於對生物體中參與生理與生化過程的物質進行標記，其主要內容是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；

伽瑪探測器模塊，用於以多視角的方式實現對伽瑪光子的探測。探測器模塊的設計既可以採用閃爍體加光電器件的閃爍探測器設計，也可以採用由高能半導體器件構成的一步轉換探測器。例如高純鍺探測器、寬禁帶半導體探測器等；

可見光探測器模塊，用於以高探測效率的方式實現對可見光光子的探測。探測器擁有大面積平面結構，可以採用大規模光電子晶片工藝進行大規模製造。

多事例時間窗判選模塊，用於判斷多光子事件是否屬於一次多輻照事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如30 ns）內有多個單光子事件（不少於3個）；

後處理模塊，用於對輻照數據進行後續處理或者丟棄。

從上述技術方案可以看出，通過採用本發明的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置，能有效提高裝置的成像信噪比，抵禦生物組織自發光影響，特別適合於多輻照標記物或者級聯衰變的活體成像。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）高靈敏度，由於在物理層對多種輻照數據進行準合，信息量和噪聲等效計數大幅度提升，使系統相對於傳統的後端準合具有更高的信噪比；

（2）抵禦背景光和生物體自發光的時間窗判選設計，有利於降低成像的背景噪聲，拒絕散射和隨機事件帶來的影響；

（3）一體化設計使系統更加緊湊、處理流程簡明，降低了複雜度。

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為本發明的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法的流程圖。

圖2為本發明的伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置的裝置結構圖。

圖3為本發明的事件時間信息的判選示意圖。

圖4為本發明的事件種類的判選示意圖。

圖5為本發明可見光子信號設定閾值的示意圖。

圖6為本發明典型的伽瑪數據能量譜。

圖7為本發明511keV的典型的伽瑪光子實驗數據波形圖。

圖8為本發明350keV的典型的伽瑪光子實驗數據波形圖。

圖9為本發明光子判選的能量關聯示意圖。

圖10為本發明伽瑪輻照和可見光子輻照的雙探測實驗系統。

具體實施方式

本發明公開了一種單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置，該方法與裝置能有效地實現事件到達時間的標記，提升模塊及裝置的時間解析度。

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，本發明公開的單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置通過以事件的數據形式採集單光子信號，再利用時間窗判選和估計理論甄別出多輻照事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：通過安置伽瑪光子探測器，獲得衰變事件發射伽瑪光子的脈衝數據集（時間、位置、波長、脈衝形狀中的一種或者幾種）；

S2：通過安置可見光子探測器，獲得衰變事件發射可見光光子（或近紅外光子）的脈衝數據集（時間、位置、波長、脈衝形狀的一種或者幾種）；

S3：通過實驗和仿真，獲取每個時間段樣本的兩種數據集各自的聯合似然概率函數；

S4：通過計算該時間段的二級聯合多屬性似然函數判斷當前接收到的兩種數據片段否是來自於一個衰變事件 ，若不是則各自單獨存儲或者丟棄。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置中，所述多輻照事件是指單個放射性同位素原子核發射出幾種輻射的事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置中，所述的單光子事件是指生物體通過衰變或者切倫科夫事件發出的單個光子擊中探測器被吸收的事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置中，所述時間窗判選是指多個單光子（不少於3個）事件在很短的時間內（例如30 ns）發生，即認為這多個單光子事件屬於同一次多輻照事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置中，所述判選兩種事件是否屬於一次多輻照事件，既可以將沒有聯繫上的兩種事件丟棄，也可以將兩種事件暫時進行存儲，以供其他操作使用。

如圖2所示，本發明公開的一種伽瑪光與可見光的事件級物理準合裝置，包括不穩定同位素注入模塊100、伽瑪探測器模塊200、可見光探測器模塊300、多事例時間窗判選模塊400、後處理模塊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，其主要內容是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；

伽瑪探測器模塊200，用於以多視角的方式實現對伽瑪光子的探測。探測器模塊的設計既可以採用閃爍體加光電器件的閃爍探測器設計，也可以採用由高能半導體器件構成的一步轉換探測器。例如高純鍺探測器、寬禁帶半導體探測器等；

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的探測。探測器擁有大面積平面結構，可以採用大規模光電子晶片工藝進行大規模製造。

多事例時間窗判選模塊400，用於判斷多光子事件是否屬於一次多輻照事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如30 ns）內有多個單光子事件（不少於3個）；

後處理模塊500，用於對輻照數據進行後續處理或者丟棄。

圖3為本發明的事件時間信息的判選示意圖；圖4為本發明的事件種類的判選示意圖；圖5為本發明可見光子信號設定閾值的示意圖；圖6為本發明典型的伽瑪數據能量譜；圖7為本發明511keV的典型的伽瑪光子實驗數據波形圖；圖8為本發明350keV的典型的伽瑪光子實驗數據波形圖；圖9為本發明光子判選的能量關聯示意圖；圖10為本發明伽瑪輻照和可見光子輻照的雙探測實驗系統。結合圖3、圖4及圖10，通過幾個具體的實施例，對本發明單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置做進一步描述。本發明提出的單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置，其涉及到的參數、時間窗判選處理需要根據與獲取數據的特點進行調節以達到良好的系統分辨性能和較短的處理時間。此處列出所涉及的應用實施例處理數據的參數。

實例1：

此處列出本實施例處理數據的參數：

步驟（1）所用的實際裝置為使用暗箱尺寸為1.3m×1.3m×1.0m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG。採用藍紫光增強的矽光電倍增管和矽酸釔鑥閃爍晶體，探測器採用環狀結構；

步驟（2）採用紅光增強的矽光電倍增管，光電探測器附著在伽瑪光子探測器上；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷採用離線式的時間窗判選處理；

步驟（4）採用解析的多輻照事件重建方法，直接繪出多輻照事件的時間和位置。

實例2：

此處列出本應用實例2處理數據的參數：

步驟（1）所用的實際裝置為使用暗箱尺寸為1.3m×1.0m×1.0m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子124I-NaI。採用藍紫光增強的位置敏感型光電倍增管和碘化鈉閃爍晶體，探測器採用平板組成的六邊形結構；

步驟（2）採用紅光增強的CCD相機，光電探測器附著在伽瑪光子探測器上；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷採用離線式的時間窗判選處理；

步驟（4）採用迭代的多輻照事件重建方法，逼近地繪出多輻照事件的時間和位置，迭代次數不大於1000次。

本發明的方法和裝置可以用於輻射帶電微粒的核技術，包括核探測、核分析、核醫學儀器。

本發明提供的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法中。通過時間窗判選，剔除生物體的自發光和背景光。通過單光子事件在孔內的相對位置判斷多輻照事件的時間和位置，比背景技術中的獨立成像+圖像配準的成像質量更高，並攜有時間信息，可以提取動態影像。

通過採用本發明的伽瑪光與可見光的事件級物理準合方法與裝置，能有效提高裝置的成像信噪比，抵禦生物組織自發光影響，特別適合於多輻照標記物或者級聯衰變的活體成像。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

（1）高靈敏度，由於在物理層對多種輻照數據進行準合，信息量和噪聲等效計數大幅度提升，使系統相對於傳統的後端準合具有更高的信噪比；

（2）抵禦背景光和生物體自發光的時間窗判選設計，有利於降低成像的背景噪聲，拒絕散射和隨機事件帶來的影響；

（3）一體化設計使系統更加緊湊、處理流程簡明，降低了複雜度。

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。