一种切伦科夫单事件的探测方法与装置与流程

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测方法与装置。

背景技术：

切伦科夫单事件的探测是一种由切伦科夫效应发射可见光和近红外光光子的光学成像方法。带有切伦科夫辐射的放射性同位素可作为在体成像的探针，通过参与生物体的各种生理和生化的过程，可构成一种新型的成像方法，在光学成像和多模医学成像中有广泛的应用价值。2010年美国Alessandro Ruggiero 等(J. Nucl. Med.2010,51:1123-1130)证实采用单视角透镜观测带有α或者β衰变的放射性同位素发射的高速带电粒子在介质中可发射切伦科夫辐射，并且辐射的光子具有一定的穿透组织的能力。光学成像装置可以对这些放射性同位素进行在体医学成像。这意味着除了单光子发射断层成像、正电子发射断层成像以外，切伦科夫单事件的探测也可发展为一种典型的分子影像成像方式。

在切伦科夫单事件的探测方法上，现有的技术为透镜加科学级CCD相机。而事实上，切伦科夫单事件持续的时间较短，CCD器件输出的光电信号持续时间太长。绝大多数情形下，所搜集的信号的快速变化的成分淹没在电流的积分当中。

因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的单光子时间信息，提供一种新的切伦科夫单事件的探测方法与装置，以克服上述缺陷。着重捕获切伦科夫单事件的时间信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种切伦科夫单事件的探测方法与装置，该方法与装置能有效地读出一个切伦科夫事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间符合，剔除自发光事件，极大得保持了与切伦科夫效应相关的信息原貌。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种切伦科夫单事件的探测方法，其包括步骤：

S1：通过给定地机械加工，获得多孔状的衬底；

S2：在多孔状的衬底上，外延或者粘贴一组工作在盖革模式下的雪崩倍增光敏器件阵列；

S3：通过实验和仿真，获得光敏器件对于视场范围内每一个像素（或者体素）的系统响应矩阵；

S4：从光敏器件阵列输出的高速信号中重建切伦科夫单事件的时间和射入角度信息。

优选地，在上述的切伦科夫单事件的探测方法中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。

优选地，在上述的切伦科夫单事件的探测方法中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

优选地，在上述的切伦科夫单事件的探测方法中，所述时间符合是指多个单光子（不少于10个）事件在很短的时间内（例如10 ns）发生，即认为这些单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

优选地，在上述的切伦科夫单事件的探测方法中，所述工作在盖革模式下的雪崩倍增光敏器件阵列是指工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成的阵列，其对光子的响应时间较快。

优选地，在上述的切伦科夫单事件的探测方法中，所述切伦科夫事件入射角度是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的射束方向，不同方向射入探测器的感光孔的相对位置不同。

一种切伦科夫单事件的探测装置，其中包括孔状衬底机械模块、光敏阵列模块、系统响应矩阵计算模块、单事件重建模块，其中，

孔状衬底机械模块，用于支撑光敏阵列模块，具有孔状结构；

光敏阵列模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。光敏阵列模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的电子学设计，用以获取单光子的时间信息，一般采用工作在盖革模式下的雪崩倍增光电二极管阵列；

系统响应矩阵计算模块，用于计算视场内的每一个体素对孔内光敏器件的系统响应矩阵；

单事件重建模块，用于将符合的单光子信息重建成切伦科夫事件的属性。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的切伦科夫单事件的探测方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物或者临床浅表等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（2）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（3）高速光电信号设计，采用工作在盖革模式下的雪崩倍增光电二极管可以提升响应速度，捕获单光子脉冲的时间信息，保留了切伦科夫单事件的时变信息。

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为本发明切伦科夫单事件的探测方法的流程图；

图2为本发明切伦科夫单事件的探测装置的装置结构图；

图3为本发明的切伦科夫单事件中各个光子的死时间级联示意图；

图4为本发明切伦科夫单事件的辐射光子方向的示意图；

图5为本发明典型的切伦科夫单事件的探测装置的系统框图；

图6为本发明典型的切伦科夫单事件的探测光子的时间差计算；

图7为本发明射出动能为17.05keV的切伦科夫单事件的光脉冲；

图8为本发明射出动能为6.32keV的切伦科夫单事件的光脉冲；

图9为本发明切伦科夫单事件读出前端电路的正面版图；

图10为本发明切伦科夫单事件读出前端电路的背面版图。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测方法与装置，该方法与装置能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及装置的时间分辨率。

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，本发明公开的单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测方法与装置通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合和估计理论甄别出切伦科夫事件的位置，具体的方法步骤为：

S1：通过给定地机械加工，获得多孔状的衬底；

S2：在多孔状的衬底上，外延或者粘贴一组工作在盖革模式下的雪崩倍增光敏器件阵列；

S3：通过实验和仿真，获得光敏器件对于视场范围内每一个像素（或者体素）的系统响应矩阵；

S4：从光敏器件阵列输出的高速信号中重建切伦科夫单事件的时间和射入角度信息。

以上单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测装置中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。

以上单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测装置中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者切伦科夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测装置中，所述时间符合是指多个单光子（不少于10个）事件在很短的时间内（例如10 ns）发生，即认为这些单光子事件属于同一次切伦科夫单事件。

以上单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测装置中，所述工作在盖革模式下的雪崩倍增光敏器件阵列是指工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成的阵列，其对光子的响应时间较快。

以上单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测装置中，所述切伦科夫事件入射角度是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的射束方向，不同方向射入探测器的感光孔的相对位置不同。

如图2所示，本发明公开的一种切伦科夫单事件的探测装置，包括孔状衬底机械模块100、光敏阵列模块200、系统响应矩阵计算模块300、单事件重建模块400，其中，

孔状衬底机械模块100，用于支撑光敏阵列模块，具有孔状结构；

光敏阵列模块200，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。光敏阵列模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的电子学设计，用以获取单光子的时间信息，一般采用工作在盖革模式下的雪崩倍增光电二极管阵列；

系统响应矩阵计算模块300，用于计算视场内的每一个体素对孔内光敏器件的系统响应矩阵；

单事件重建模块400，用于将符合的单光子信息重建成切伦科夫事件的属性。

图3为本发明的切伦科夫单事件中各个光子的死时间级联示意图；图4为本发明切伦科夫单事件的辐射光子方向的示意图；图5为本发明典型的切伦科夫单事件的探测装置的系统框图；图6为本发明典型的切伦科夫单事件的探测光子的时间差计算；图7为本发明射出动能为17.05keV的切伦科夫单事件的光脉冲；图8为本发明射出动能为6.32keV的切伦科夫单事件的光脉冲；图9为本发明切伦科夫单事件读出前端电路的正面版图；图10为本发明切伦科夫单事件读出前端电路的背面版图。结合图3、图4及图10，通过几个具体的实施例，对本发明单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测方法与装置做进一步描述。本发明提出的单光子时间分辨的切伦科夫单事件的探测方法与装置，其涉及到的参数、滤波器设计、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的切伦科夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为每层360个2mm方孔组成的圆筒壳，层高2mm，共50层；

步骤（2）采用红光增强的硅平面工艺，滤波器采用5阶巴特沃斯滤波器获得持续脉冲时间为20 ns；

步骤（3）系统响应矩阵采用离线式的蒙特卡洛仿真计算，体素网格覆盖全部视场，体素尺寸为0.1 mm；

步骤（4）采用解析的切伦科夫事件重建方法，直接绘出切伦科夫的时间和射入角度。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为半径为0.5m的多层球壳，孔径2mm，共5层；

步骤（2）采用砷化镓半导体工艺，滤波器采用8阶切比雪夫滤波器获得持续脉冲时间为22 ns；

步骤（3）系统响应矩阵采用实验加直接计算的方式，体素网格覆盖全部视场，体素尺寸为1 mm；

步骤（4）采用迭代的切伦科夫事件重建方法，逼近地绘出切伦科夫的时间和射入角度，迭代次数为100次。

本发明的方法和装置可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核探测、核分析、核医学仪器。

本发明提供的切伦科夫单事件的探测方法中。通过时间符合，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断切伦科夫事件的时间和射入角度，比背景技术中的单视角或者电流电荷读出的切伦科夫成像方法的成像质量好，捕获的切伦科夫光子多。

本发明公开的切伦科夫单事件的探测方法中，注入可发射带电粒子的同位素可用于标记生物体中的生化和生理过程；读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；对读到的时间进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计切伦科夫事件发生的位置；对估计的切伦科夫的位置和时间进行重建，获得核素的分布。

通过对比可以看出，通过采用本发明的切伦科夫单事件的探测方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物或者临床浅表等成像深度要求不高的活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；

（2）抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声；

（3）高速光电信号设计，采用工作在盖革模式下的雪崩倍增光电二极管可以提升响应速度，捕获单光子脉冲的时间信息，保留了切伦科夫单事件的时变信息。

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。