一种带电发射衰变的探测方法与装置与流程

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和辐射探测领域，尤其涉及一种带电发射衰变的探测方法与装置。

背景技术：

带电发射衰变（Charged Particles Emitting Decay）是伴随带电微粒发射的衰变事件。由于速度大于介质中相速度的带电粒子将辐射出可见光光子、近红外光光子和软紫外光光子，这种效应被称为切伦科夫效应，发射的光子被称为切伦科夫光子。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，切伦科夫辐射探测也可发展为一种典型的分子影像成像方式。

基于单视角装置的切伦科夫成像装置定量表征的是核素发光的平面分布图，不能描述核素发光在生物体内的深度信息。为此，Antonello E Spinelli 等(phys. Med. Sci.,2010, 55:483-495) 采用多光谱技术估计光源的深度信息，但其本质仍然是单视角成像。仅仅是从多个2D影像重构3D影像，而没有在根源上读出带电发射衰变事件的多维信息。虽然能够在一定程度上获取切伦科夫辐射的深度信息，却不能反映核素发光的角度信息和时间信息。

Changqing Li(opt. lett.,2010, 35:1109-1111) 对切伦科夫辐射的光子传输进行了建模，并提出了断层成像的概念，实现了均匀介质模型下的3D断层重建。但其根源仍然是没有充分发掘切伦科夫辐射单事件丰富的角度、时间、位置、能量信息。

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，提供一种新的带电发射衰变的探测方法与装置，以克服上述缺陷。全面捕获单个带电发射衰变事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带电发射衰变的探测方法与装置，该方法与装置能有效地读出带电发射衰变的原始信息，通过多维信息处理，剔除不感兴趣的背景事件，重构出带电发射衰变的发生时间和位置，避免目标以外的其他种类事件的干扰。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带电发射衰变的探测方法，其包括步骤：

S1：获得带电微粒发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）；

S2: 获得衰变发出的其他粒子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；

S3：计算每个时间段样本的联合似然概率函数；

S4：通过计算该时间段的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个带电微粒发射事件。

优选地，在上述的带电发射衰变的探测方法中，所述带电发射衰变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辐射，并辐射出其他粒子的事件。

优选地，在上述的带电发射衰变的探测方法中，所述时间符合是指多个单粒子（不少于8个）事件在很短的时间内（例如1 ms）发生，即认为这多个单粒子事件属于同一次切伦科夫单事件。

优选地，在上述的带电发射衰变的探测方法中，所述带电发射衰变事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光单元的相对位置不同。

一种带电发射衰变的探测装置，包括切伦科夫探测器模块、其他粒子数据探测模块、联合似然概率计算模块、衰变事件属性甄选模块，其中，

切伦科夫探测器模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。探测器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光电器件，用以获取带电发射衰变事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；

其他粒子数据探测模块，用于判断多光子事件是否属于一次带电发射衰变事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如1 ms）内有多个单光子事件（不少于8个）；

联合似然概率计算模块，用于将符合的单光子信息重建成带电发射衰变事件的属性；

衰变事件属性甄选模块，用于将带有属性的带电发射衰变事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的带电发射衰变的探测方法与装置，能实现对带电发射衰变事件的有效侦测，在生物医学中有广泛的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）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；

（3）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；

（4）全事件读出设计可以全面的读出带电发射衰变事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。

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为本发明带电发射衰变的探测方法的流程图。

图2为本发明带电发射衰变的探测装置的装置结构图。

图3为本发明的带电发射衰变的通道甄选机制。

图4为本发明带电发射衰变的探测装置及其活度曲线。

图5为本发明典型的用于探测切伦科夫光子的光电倍增管示意图。

图6为本发明典型的带电发射衰变的探测装置的空间分辨率。

图7为本发明典型的测试假体。

图8为本发明中采用其它粒子数据的重建结果。

图9为本发明中采用切伦科夫数据的重建结果。

图10为本发明中同时综合两种数据并采用极大似然方法的重建结果。

具体实施方式

本发明公开了一种单光子时间分辨的带电发射衰变的探测方法与装置，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带电发射衰变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带电发射衰变事件的位置，具体的方法步骤为：

S1：获得带电微粒发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）；

S2: 获得衰变发出的其他粒子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；

S3：计算每个时间段样本的联合似然概率函数；

S4：通过计算该时间段的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个带电微粒发射事件。

以上单光子时间分辨的带电发射衰变的探测装置中，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带电发射衰变的探测装置中，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带电发射衰变的探测装置中，所述时间符合是指多个单光子（不少于8个）事件在很短的时间内（例如1 ms）发生，即认为这多个单光子事件属于同一次带电发射衰变事件。

以上单光子时间分辨的带电发射衰变的探测装置中，所述光子在孔内的相对位置是指光子在探测器模组孔内的相对位置，这个相对位置和射线入射角度有直接的关系。

以上单光子时间分辨的带电发射衰变的探测装置中，所述带电发射衰变事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。

以上单光子时间分辨的带电发射衰变的探测装置中，所述探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定切伦科夫辐射发生的位置。

如图2所示，本发明公开的一种带电发射衰变的探测装置，包括切伦科夫探测器模块100、其他粒子数据探测模块200、联合似然概率计算模块300、衰变事件属性甄选模块400，其中，

切伦科夫探测器模块100，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子的探测。探测器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光电器件，用以获取带电发射衰变事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；

其他粒子数据探测模块200，用于判断多光子事件是否属于一次带电发射衰变事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如1 ms）内有多个单光子事件（不少于8个）；

联合似然概率计算模块300，用于将符合的单光子信息重建成带电发射衰变事件的属性；

衰变事件属性甄选模块400，用于将带有属性的带电发射衰变事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。

图3为本发明的带电发射衰变的通道甄选机制。图4为本发明带电发射衰变的探测装置及其活度曲线。图5为本发明典型的用于探测切伦科夫光子的光电倍增管示意图。图6为本发明典型的带电发射衰变的探测装置的空间分辨率。图7为本发明典型的测试假体。图8为本发明中采用其它粒子数据的重建结果。图9为本发明中采用切伦科夫数据的重建结果。图10为本发明中同时综合两种数据并采用极大似然方法的重建结果。结合图3、图4及图5，通过几个具体的实施例，对本发明单光子时间分辨的带电发射衰变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带电发射衰变的探测方法与装置，其涉及到的参数、探测几何设计、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）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.8m×1.8m×1.8m，射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18F-FDG，被测物体为灌满FDG的圆柱形假体，采用红光增强的位置敏感型光电倍增管，探测器采用环状结构；

步骤（2）符合时间约为8 ns，符合判断采用离线式的时间能量符合处理；

步骤（3）采用解析的带电发射衰变事件重建方法，直接绘出带电发射事件的时间和位置；

步骤（4）采用解析的核素分布重建方法，直接绘出切伦科夫的时间和位置。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.8m×1.8m×1.8m，射源为511kev的124I-NaI，被测物体为灌满124I-NaI的大鼠，大鼠身长25cm，采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用四平板结构组成的正方形；

步骤（2）符合时间约为10ns，符合判断采用在线式的时间符合处理；

步骤（3）采用迭代的带电发射衰变事件重建方法，逼近式绘出切伦科夫的时间和位置；

步骤（4）采用迭代的核素分布重建方法，逼近式带电发射事件的时间和位置，迭代到相对变化率小于1%。

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。

本发明提供的带电发射衰变的探测方法中。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带电发射衰变事件的时间和位置，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，捕获的事件数多。

通过采用本发明的带电发射衰变的探测装置，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）无透镜设计，接收到的切伦科夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

（2）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；

（3）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；

（4）全事件读出设计可以全面的读出带电发射衰变事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。

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。