一种基于事件计数的双模正电子显像机的制作方法

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学光子学领域，尤其涉及一种基于事件计数的双模正电子显像机。

背景技术：

核物理中的放射性事件通常伴随着两种或者两种以上的辐照类型。特别是衰变事件可以发射出不稳定的带电粒子时，放射性事件会同时有多种辐射发出。以富质子不稳定同位素为例，当发射出的正电子具有一定的动量时，将在径迹上辐照可见光光子，这种物理现象即为切伦科夫辐射。切伦科夫辐射作为一种极为方便的标记方法，在生物医学显像中有着极为广泛的应用价值。而当正电子与环境中的电子发生正反物质湮灭时，将辐射一对带有511keV能量的伽马光子，也就是说，富质子元素的一种同位素标记将提供两种显像方式：光学成像和伽马成像。除了富质子元素以外，其他部分不稳定同位素还有级联衰变以及同时辐射不同能量、不同电荷、不同穿透深度的多个粒子的情形，都属于讨论的范围。现有的成像系统并没有对这种“身兼两职”的探针进行专门的探测，而是独立采用伽马相机（或者PET）和光学相机对标记有富质子核素的生物体或者人体各自进行成像，中间的信号探测和数据获取完全是独立的，最后在图像层面进行后端准合（配准）。

这种后端准合对于两种辐照的信息损失极为严重。在伽马数据中，有很大一部分数据是散射和随机事件，如果能在物理层以事件的形式引入光学数据，将对散射和随机事件提供极为精准的判选。而可见光在人体内的输运噪声极为严重，如果光学数据能在切伦科夫事件被甄别时引入伽马光子的准直信息，将极大地提升单个切伦科夫事件的信息准确度。为此，工作在物理层的事件级别的信息融合，将对多辐照系统产生革命性影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于事件计数的双模正电子显像机，该系统能在正电子发射的过程中同时识别由于带电微粒运动发射的切伦科夫光子和正负电子对湮灭产生的伽马光子对，有效地提升系统信噪比、成像时空分辨率和灵敏度，降低材料成本。

为实现上述目的，本发明提供一种基于事件计数的双模正电子显像机，包括以下模块：不稳定同位素注入模块100、伽马探测器模块200、可见光探测器模块300、多事例时间窗判选模块400、可视化模块500，其中，

不稳定同位素注入模块100，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发射多辐照事件的标记物，包括放射性同位素送药模块110，药剂注射模块120，生物体传动模块130，光密闭模块140；

伽马探测器模块200，以环状视角的方式实现对伽马光子的探测，获取单伽马光子事件的时间和能量属性，采用闪烁探测器原理，包括闪烁晶体模块210，光电转换模块220，前端电子学模块230，伽马事件属性封装电路模块240；

可见光探测器模块300，用于以高探测效率的方式实现对可见光光子和软紫外光子的探测，探测器采用大面积平面结构，可供大规模光电子芯片工艺进行大规模制造，包括切伦科夫光子光电转换模块310，切伦科夫探测前端电子学模块320，切伦科夫事件属性封装电路模块330；

多事例时间窗判选模块400，用于判断切伦科夫事件和伽马光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如30 ns）内有同时存在伽马光子事件和切伦科夫事件，包括多事例定时开窗电路模块410，逻辑与门电路模块420，总事件定时开窗模块430，符合事件封装模块440，电源模块450，数字电路时钟模块460；

可视化模块500，用于对辐照数据进行后续处理或者丢弃，由处理器模块510，防断电直流电源模块520，显示器模块530，网络传输接口模块540构成。

放射性同位素送药模块110，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于对生物体稳定地自动化地送入放射性药物，避免放射性药物可能对人体和生物体造成的辐射损伤，药物经由放射性同位素送药模块110进入药物注射模块120；

药剂注射模块120，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于实时的控制注入生物体或者人体中的放射性药物剂量，由推送装置和剂量测算装置构成；

生物体传动模块130，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于控制生物体在成像腔内外的送入和送出，由推送装置和支撑板构成，支撑板盛放生物体，推送装置负责在成像前把支撑板与生物体送入成像腔室，在成像完成后把支撑板与生物体送出成像腔室；

光密闭模块140，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于对成像腔室进行避光封装，保证成像腔室在成像时没有额外的外部可见光射入。

闪烁晶体模块210，隶属于伽马探测器模块200，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，由闪烁晶体裸晶、闪烁光反射材料、闪烁晶体封装外壳、出光玻璃构成；

光电转换模块220，隶属于伽马探测器模块200，用于可见光和软紫外光光子的能量吸收与电信号转化，具体是通过雪崩过程将光电子流簇在短时间内放大，再输出给前端电子学模块230；

前端电子学模块230，隶属于伽马探测器模块200，用于对光电转换模块输出的电信号进行前置放大处理，并进行模数转换，将数字化的闪烁脉冲属性按照事件输出给伽马事件属性封装电路模块240；

伽马事件属性封装电路模块240，隶属于伽马探测器模块200，对伽马事件的属性进行封装，封装的内容包括事件时间、伽马光子能量、闪烁脉冲前沿的上升时间以及闪烁脉冲的离差和。

切伦科夫光子光电转换模块310，隶属于可见光探测器模块300，用于吸收切伦科夫光子，并将其转化为电信号，具体是通过光电效应和雪崩过程，将光电子流簇在短时间内放大，再输出给切伦科夫探测前端电子学模块320；

切伦科夫探测前端电子学模块320，隶属于可见光探测器模块310，用于对切伦科夫诱导电脉冲进行前置放大，并进行模数转换，将数字化的切伦科夫诱导电脉冲属性按照事件输出给切伦科夫事件属性封装电路模块330；

切伦科夫事件属性封装电路模块330，隶属于可见光探测器模块300，对切伦科夫事件的属性进行封装，封装的内容包括事件时间、伽马光子能量、切伦科夫诱导电脉冲前沿的上升时间以及切伦科夫诱导电脉冲的离差和。

多事例定时开窗电路模块410，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于对每个伽马事件和切伦科夫事件进行定时开窗，即从事件到达时间开始定时置1输出；

逻辑与门电路模块420，隶属于多事例时间窗判选模块400，接收多事例定时开窗电路模块410输出的置1信号后，通过与门电路对多个事例进行与逻辑判选，当存在两个伽马光子和一个通道以上的切伦科夫事件时，置1输出，否则，保持清零输出；

总事件定时开窗模块430，隶属于多事例时间窗判选模块400，接收逻辑与门电路模块420的与门判选信号，并从接收到置1信号开始以固定的时间窗置1输出；

符合事件封装模块440，隶属于多事例时间窗判选模块400，从接收到总事件定时开窗模块的置1信号开始，将从多事例定时开窗电路模块接收到的各个事件属性封装成二进制的比特流；

电源模块450，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于给各个电路模块进行稳定的供电，供电电源外接220V交流市电；

数字电路时钟模块460，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于给各个数字电路模块发送时钟信号，时钟信号为正弦波电压信号，由有源晶振提供。

处理器模块510，隶属于可视化模块500，对封装好的事例进行相关性分析、直方图计数、统计学计算，并将分析计算的结果传输给显示器模块530；

防断电直流电源模块520，隶属于可视化模块500，用于保证显示器模块和处理器模块的稳定工作，在系统断电后，仍然能保持8小时以上的工作电源，以便进行关机前的修复与存档动作；

显示器模块530，隶属于可视化模块500，接收正电子事件的伽马属性和切伦科夫属性后对正电子事件的各种谱学属性进行显示；

网络传输接口模块540，隶属于可视化模块500，用于传输正电子事件的伽马属性和切伦科夫属性及其谱学图表。

优选地，在上述的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的事件到达时间为探测器响应伽马事件或者切伦科夫事件的时间，或者探测器响应伽马事件或者切伦科夫事件的时间加上一个恒定的常数，该常数在任意时刻适用于整个系统。

优选地，在上述的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的正电子事件的伽马属性是指，正电子与电子发生湮灭后产生的一对伽马光子击中伽马探测器的响应特征。

优选地，在上述的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的正电子事件的切伦科夫属性是指，正电子与电子发生湮灭前产生的切伦科夫光子击中可见光探测器的响应特征。

优选地，在上述的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的正电子事件是指富质子核素经过衰变发射出正电子。正电子在运动时产生切伦科夫效应，在和附近的电子发生湮灭后，产生一对伽马光子，伽马光子的属性由伽马探测器捕获，切伦科夫光子的属性由可见光探测器捕获。

优选地，在上述的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的多事例时间窗判选是指系统的可见光光子探测器和伽马光子探测器同时捕捉到了两种信号时，系统认为这种情况下的可见光光子和伽马光子为背景光子或者暗激发光子的概率较小，而判选为正电子事件的伽马光子对和切伦科夫光子。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的基于事件计数的双模正电子显像机，能在较低的活度下获取正电子源的分布信息。由于该系统不需要事先对探测器进行降温处理，能在室温下工作，并且具有更好的时空分辨率和信噪比，因此具有更佳的普适性和实用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）更好的时空分辨率；

（2）更好的图像信噪比；

（3）可以在室温工作；

（4）成本较低；

（5）充分利用了正电子源的多种信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于事件计数的双模正电子显像机的系统框图；

图2为本发明两种光的路径示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于事件计数的双模正电子显像机，该系统能在正电子发射的过程中同时识别由于带电微粒运动发射的切伦科夫光子和正负电子对湮灭产生的伽马光子对，有效地提升系统信噪比、成像时空分辨率和灵敏度，降低材料成本。

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详细地描述，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的基于事件计数的双模正电子显像机，通过伽马探测器和可见光光子探测器捕获正电子事件的伽马属性和切伦科夫属性，实现对正电子标记的生物体或者人体的显像，具体包括：

不稳定同位素注入模块100、伽马探测器模块200、可见光探测器模块300、多事例时间窗判选模块400、可视化模块500，其中，

不稳定同位素注入模块100，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发射多辐照事件的标记物，包括放射性同位素送药模块110，药剂注射模块120，生物体传动模块130，光密闭模块140；

伽马探测器模块200，以环状视角的方式实现对伽马光子的探测，获取单伽马光子事件的时间和能量属性，采用闪烁探测器原理，包括闪烁晶体模块210，光电转换模块220，前端电子学模块230，伽马事件属性封装电路模块240；

可见光探测器模块300，用于以高探测效率的方式实现对可见光光子和软紫外光子的探测，探测器采用大面积平面结构，可供大规模光电子芯片工艺进行大规模制造，包括切伦科夫光子光电转换模块310，切伦科夫探测前端电子学模块320，切伦科夫事件属性封装电路模块330；

多事例时间窗判选模块400，用于判断切伦科夫事件和伽马光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如30 ns）内有同时存在伽马光子事件和切伦科夫事件，包括多事例定时开窗电路模块410，逻辑与门电路模块420，总事件定时开窗模块430，符合事件封装模块440，电源模块450，数字电路时钟模块460；

可视化模块500，用于对辐照数据进行后续处理或者丢弃，由处理器模块510，防断电直流电源模块520，显示器模块530，网络传输接口模块540构成。

放射性同位素送药模块110，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于对生物体稳定地自动化地送入放射性药物，避免放射性药物可能对人体和生物体造成的辐射损伤，药物经由放射性同位素送药模块110进入药物注射模块120；

药剂注射模块120，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于实时的控制注入生物体或者人体中的放射性药物剂量，由推送装置和剂量测算装置构成；

生物体传动模块130，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于控制生物体在成像腔内外的送入和送出，由推送装置和支撑板构成，支撑板盛放生物体，推送装置负责在成像前把支撑板与生物体送入成像腔室，在成像完成后把支撑板与生物体送出成像腔室；

光密闭模块140，隶属于不稳定同位素注入模块100，用于对成像腔室进行避光封装，保证成像腔室在成像时没有额外的外部可见光射入。

闪烁晶体模块210，隶属于伽马探测器模块200，用于吸收伽马光子，并把一个伽马光子的能量转化为一簇可见光或软紫外光光子，由闪烁晶体裸晶、闪烁光反射材料、闪烁晶体封装外壳、出光玻璃构成；

光电转换模块220，隶属于伽马探测器模块200，用于可见光和软紫外光光子的能量吸收与电信号转化，具体是通过雪崩过程将光电子流簇在短时间内放大，再输出给前端电子学模块230；

前端电子学模块230，隶属于伽马探测器模块200，用于对光电转换模块输出的电信号进行前置放大处理，并进行模数转换，将数字化的闪烁脉冲属性按照事件输出给伽马事件属性封装电路模块240；

伽马事件属性封装电路模块240，隶属于伽马探测器模块200，对伽马事件的属性进行封装，封装的内容包括事件时间、伽马光子能量、闪烁脉冲前沿的上升时间以及闪烁脉冲的离差和。

切伦科夫光子光电转换模块310，隶属于可见光探测器模块300，用于吸收切伦科夫光子，并将其转化为电信号，具体是通过光电效应和雪崩过程，将光电子流簇在短时间内放大，再输出给切伦科夫探测前端电子学模块320；

切伦科夫探测前端电子学模块320，隶属于可见光探测器模块310，用于对切伦科夫诱导电脉冲进行前置放大，并进行模数转换，将数字化的切伦科夫诱导电脉冲属性按照事件输出给切伦科夫事件属性封装电路模块330；

切伦科夫事件属性封装电路模块330，隶属于可见光探测器模块300，对切伦科夫事件的属性进行封装，封装的内容包括事件时间、伽马光子能量、切伦科夫诱导电脉冲前沿的上升时间以及切伦科夫诱导电脉冲的离差和。

多事例定时开窗电路模块410，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于对每个伽马事件和切伦科夫事件进行定时开窗，即从事件到达时间开始定时置1输出；

逻辑与门电路模块420，隶属于多事例时间窗判选模块400，接收多事例定时开窗电路模块410输出的置1信号后，通过与门电路对多个事例进行与逻辑判选，当存在两个伽马光子和一个通道以上的切伦科夫事件时，置1输出，否则，保持清零输出；

总事件定时开窗模块430，隶属于多事例时间窗判选模块400，接收逻辑与门电路模块420的与门判选信号，并从接收到置1信号开始以固定的时间窗置1输出；

符合事件封装模块440，隶属于多事例时间窗判选模块400，从接收到总事件定时开窗模块的置1信号开始，将从多事例定时开窗电路模块接收到的各个事件属性封装成二进制的比特流；

电源模块450，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于给各个电路模块进行稳定的供电，供电电源外接220V交流市电；

数字电路时钟模块460，隶属于多事例时间窗判选模块400，用于给各个数字电路模块发送时钟信号，时钟信号为正弦波电压信号，由有源晶振提供。

处理器模块510，隶属于可视化模块500，对封装好的事例进行相关性分析、直方图计数、统计学计算，并将分析计算的结果传输给显示器模块530；

防断电直流电源模块520，隶属于可视化模块500，用于保证显示器模块和处理器模块的稳定工作，在系统断电后，仍然能保持8小时以上的工作电源，以便进行关机前的修复与存档动作；

显示器模块530，隶属于可视化模块500，接收正电子事件的伽马属性和切伦科夫属性后对正电子事件的各种谱学属性进行显示；

网络传输接口模块540，隶属于可视化模块500，用于传输正电子事件的伽马属性和切伦科夫属性及其谱学图表。

以上的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的事件到达时间为探测器响应伽马事件或者切伦科夫事件的时间，或者探测器响应伽马事件或者切伦科夫事件的时间加上一个恒定的常数，该常数在任意时刻适用于整个系统。

以上的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的正电子事件的伽马属性是指，正电子与电子发生湮灭后产生的一对伽马光子击中伽马探测器的响应特征。

以上的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的正电子事件的切伦科夫属性是指，正电子与电子发生湮灭前产生的切伦科夫光子击中可见光探测器的响应特征。

以上的基于事件计数的双模正电子显像机中，所述的多事例时间窗判选是指系统的可见光光子探测器和伽马光子探测器同时捕捉到了两种信号时，系统认为这种情况下的可见光光子和伽马光子为背景光子或者暗激发光子的概率较小，而判选为正电子事件的伽马光子对和切伦科夫光子。

图1为本发明基于事件计数的双模正电子显像机的系统框图；图2为本发明两种光的路径示意图。结合图1及图2，通过几个具体的实施例，对本发明基于事件计数的双模正电子显像机系统做进一步描述。本发明提出的基于事件计数的双模正电子显像机系统，其涉及到的集合划分、函数衍生方式及其优先级顺序、编码系统、阈值参数需要根据所获取数据的特点进行调节以达到足够的统计性能。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：基于事件计数的双模正电子显像机

此处列出本实施例1处理数据的参数：

模块100中采用的放射源活度为100 uCi，光密闭模块尺寸为直径10 cm，环厚5 cm的杯状几何；

模块200中采用的闪烁晶体条的尺寸为 2 mm x 2 mm x 13 mm，探测面为2 mm x 2 mm，闪烁晶体采用碘化钠晶体；

模块300中采用的光子探测单元尺寸为2 mm x 2 mm，探测器采用硅光电倍增器；

模块400中采用的时间窗为5 ns；

模块500中处理器采用 FPGA（现场可编程逻辑门阵列）处理器，显示器采用液晶显示器，网络传输接口采用工业以太网协议。

实例2：基于事件计数的双模正电子显像机

此处列出本实施例2处理数据的参数：

模块100中采用的放射源活度为200 uCi，光密闭模块尺寸为直径20 cm，环厚15 cm的桶状几何；

模块200中采用的闪烁晶体条的尺寸为 3 mm x 3 mm x 13 mm，探测面为3 mm x 3 mm，闪烁晶体采用溴化镧晶体；

模块300中采用的光子探测单元尺寸为3 mm x 3 mm，探测器采用硅光电倍增器；

模块400中采用的时间窗为15 ns；

模块500中处理器采用单片机处理器，显示器采用液晶显示器，网络传输接口采用以太网协议。

实例3：基于事件计数的双模正电子显像机

此处列出本实施例3处理数据的参数：

模块100中采用的放射源活度为1.00 mCi，光密闭模块尺寸为直径50 cm，环厚50 cm的桶状几何；

模块200中采用的闪烁晶体条的尺寸为 5 mm x 5 mm x 13 mm，探测面为5 mm x 5 mm，闪烁晶体采用溴化镧晶体；

模块300中采用的光子探测单元尺寸为4 mm x 3 mm，探测器采用硅光电倍增器；

模块400中采用的时间窗为25 ns；

模块500中处理器采用数字信号处理器，显示器采用电子管显示器，网络传输接口采用PCIe协议。

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种基于事件计数的双模正电子显像机系统。

通过对比可以看出，采用本发明的基于事件计数的双模正电子显像机，该系统能在正电子发射的过程中同时识别由于带电微粒运动发射的切伦科夫光子和正负电子对湮灭产生的伽马光子对，有效地提升系统信噪比、成像时空分辨率和灵敏度，降低材料成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）更好的时空分辨率；

（2）更好的图像信噪比；

（3）可以在室温工作；

（4）成本较低；

（5）充分利用了正电子源的多种信息。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。