一种射线能量的测量装置及方法与流程

本发明涉及核探测技术领域，尤其涉及一种射线能量的测量装置及方法。

背景技术：

正电子发射型计算机断层显像(positronemissioncomputedtomography，简称pet)设备中的探测系统通常由闪烁晶体、光电转换器以及后端读出电路构成。闪烁晶体将接收到的射线转换成闪烁光后，将闪烁光导入对应的光电转换器，再通过后端读出电路获取射线相关信息。

参见图1所示的pet探测系统组成示意图，射线射入闪烁晶体101后发生光电效应产生闪烁光，闪烁光进入光电转换器102造成二极管的雪崩击穿产生电信号，前置放大器103对电信号进行放大后，采用比较器104确定信号的过阈时刻，使时间标定电路105识别第一个过阈时刻，并将其标定为第一个光子到达光电转换器102的时刻，并从该时刻开始使能量采集电路106对前置放大器103输出的信号进行离散化采集，利用采集到的一系列离散信号确定原始射线的能量。

但是，关于上述现有技术方案，单独采集能量和时间信息，需要将前置放大器103输出的信号一分为二进行处理，这使得电子线路上增加了扇入扇出等器件，延长了信号链路，降低了链路中的信噪比；在能量采集通路中，对能量采集电路的采样率要求较高，但高采样率的芯片成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种射线能量的测量装置及方法，能够降低射线能量的测量成本且提高测量结果的准确性。

本发明实施例提供了一种射线能量的测量装置，包括：依次连接的闪烁晶体、光电转换器、前置放大器、n级微分器、比较器和能量识别器，其中，n≥1；

所述闪烁晶体，用于将接收到的每条射线分别转换成闪烁光；

所述光电转换器，用于将所述闪烁光转换成电信号；

所述前置放大器，用于放大所述电信号；

所述n级微分器，用于对放大后的电信号进行n次微分处理；

所述比较器，用于将微分处理后的电信号与比较器阈值进行比较，依据比较结果输出至少一个脉冲信号；

所述能量识别器，用于识别第一个脉冲信号的出现时刻，并从所述出现时刻开始到截止时刻统计所述脉冲信号的个数，根据统计出的脉冲个数确定所述射线的能量，其中，所述截止时刻为所述电信号衰减的终止时刻或所述终止时刻之前的时刻。

可选的，所述能量识别器包括：

脉冲沿识别单元，用于识别每个脉冲信号的边沿信号，所述边沿信号为所述脉冲信号的上升沿、或下降沿、或一段持续高电平、或一段持续低电平；

时间记录单元，用于记录第一个边沿信号的出现时刻；

脉冲统计单元，用于从第一个边沿信号的出现时刻到所述截止时刻，开始统计所述边沿信号的个数；

能量识别单元，用于根据统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

可选的，所述装置还包括：

关系存储器，用于预先存储射线能量与脉冲个数之间的对应关系；

则，所述能量识别单元，具体用于根据所述对应关系以及统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

可选的，所述能量识别器为时间数字转换器tdc或可编程逻辑门阵列fpga。

可选的，n＝1或n＝2或n＝3。

可选的，所述装置还包括：

能量剔除器，用于分析每条射线分别对应的能量大小，剔除大于第一阈值或小于第二阈值的能量值，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

本发明实施例还提供了一种射线能量的测量方法，所述方法应用于一种射线能量的测量装置，所述装置包括：依次连接的闪烁晶体、光电转换器、前置放大器、n级微分器、比较器和能量识别器，其中，n≥1；所述方法包括：

所述闪烁晶体将接收到的每条射线分别转换成闪烁光；

所述光电转换器将所述闪烁光转换成电信号；

所述前置放大器放大所述电信号；

所述n级微分器对放大后的电信号进行n次微分处理；

所述比较器将微分处理后的电信号与比较器阈值进行比较，依据比较结果输出至少一个脉冲信号；

所述能量识别器识别第一个脉冲信号的出现时刻，并从所述出现时刻开始到截止时刻统计所述脉冲信号的个数，根据统计出的脉冲个数确定所述射线的能量，其中，所述截止时刻为所述电信号衰减的终止时刻或所述终止时刻之前的时刻。

可选的，所述识别第一个脉冲的出现时刻，并从所述出现时刻开始统计所述脉冲信号的个数，根据统计出的脉冲个数确定所述射线的能量，包括：

识别每个脉冲信号的边沿信号，所述边沿信号为所述脉冲信号的上升沿、或下降沿、或一段持续高电平、或一段持续低电平；

记录第一个边沿信号的出现时刻；

从第一个边沿信号的出现时刻到所述截止时刻，开始统计所述边沿信号的个数；

根据统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

可选的，所述方法还包括：

预先存储射线能量与脉冲个数之间的对应关系；

则，所述根据统计出的边沿个数确定所述射线的能量包括：

根据所述对应关系以及统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

可选的，所述能量识别器为时间数字转换器tdc或可编程逻辑门阵列fpga。

可选的，n＝1或n＝2或n＝3。

可选的，所述方法还包括：

分析每条射线分别对应的能量大小，剔除大于第一阈值或小于第二阈值的能量值，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

本发明实施例提供的射线能量的测量装置及方法，利用n级微分器对前置放大器输出的电信号进行n次的微分处理，可以明显呈现前置放大器输出电信号的起伏信息，再通过比较器将这些起伏信息转换成多个脉冲信号，这种脉冲信号能够被能量识别器比较容易的识别到，且基于脉冲个数与射线能量之间的关联关系，能量识别器可以通过统计脉冲个数来确定射线的能量大小。可见，本实施例采用一个链路通路，信号链路无分支，提高了链路中的信噪比且简化了电路；此外，通过统计脉冲个数来确定射线能量，脉冲信息更加容易被识别，避免了现有技术中对能量信息进行离散采集时的高采样率的要求，从而节省了能量采集电路的投入成本。

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，下面描述中的附图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为本发明现有技术中pet探测系统组成示意图；

图2为本发明实施例提供的射线能量的测量装置的组成示意图；

图3为本发明实施例提供的微分电路示意图；

图4为本发明实施例提供的能量信息输出示意图之一；

图5为本发明实施例提供的能量信息输出示意图之二；

图6为本发明实施例提供的脉冲序列示意图；

图7为本发明实施例提供的射线能量的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

γ射线射入闪烁晶体后会发生光电效应而产生闪烁光，闪烁光传到光电转换器后造成光电转换器内二极管的雪崩击穿而产生电信号。电信号产生的时刻为信号的时间信息，电信号的大小则反映了原始γ射线的能量信息，光电转换器的后端电路用于获取时间和能量这两方面信息。

下面具体介绍本发明实施例。

参见图2，为本发明实施例提供的射线能量的测量装置的组成示意图，该装置包括：依次连接的闪烁晶体201、光电转换器202、前置放大器203、n级微分器204、比较器205和能量识别器206，其中，n≥1。

按照图2所示连接关系，使接收到的射线信号被逐级处理，具体如下：

所述闪烁晶体201，用于将接收到的每条射线分别转换成闪烁光；

所述光电转换器202，用于将所述闪烁光转换成电信号；

所述前置放大器203，用于放大所述电信号；

所述n级微分器204，用于对放大后的电信号进行n次微分处理；

所述比较器205，用于将微分处理后的电信号与比较器阈值进行比较，依据比较结果输出至少一个脉冲信号；

所述能量识别器206，用于识别第一个脉冲信号的出现时刻，并从所述出现时刻开始到截止时刻统计所述脉冲信号的个数，根据统计出的脉冲个数确定所述射线的能量，其中，所述截止时刻为所述电信号衰减的终止时刻或所述终止时刻之前的时刻。

具体地，所述截止时刻，可以是从光电转换器202输出信号开始到其输出信号衰减终止的时刻，或者是从光电转换器202输出信号开始到其输出信号衰减到其最大幅度的设定百分比(比如90％)的时刻。

下面对上述各个器件进行具体介绍：

一、关于闪烁晶体201

闪烁晶体201，可以是一个晶体单元，也可以是采用任意排布形式的由多个晶体单元组成的晶体阵列，具体地，闪烁晶体201可以是单层或多层的晶体阵列，当采用多层的晶体阵列时，每层晶体阵列可以是同种材料晶体，也可以是不同种材料晶体。

本实施例不对闪烁晶体201的材料进行限定，其可以是bgo(bgo是bi2o3-geo2系化合物的总称锗酸铋的缩写)、或硅酸钇镥(lutetiumyttriumsilicate，简称lyso)、或硅酸镥(lutetiumoxyorthosilicate，简称lso)，等等。

二、关于光电转换器202

本实施例不对光电转换器202的形式进行限定，其可以是光电倍增管(photomultipliertube，简称pmt)、或雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，简称apd)、或硅光电倍增管(silicomphotomultiplier，简称sipm)，等等。

其中，sipm又称mppc(multi-pixelphotoncounter)，是一种全新的高灵敏度硅光电光电转换器，这种光电转换器主要是由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列构成，随着sipm技术的日臻成熟以及价格的不断下降，sipm正推动着pet设备的革命性发展。sipm作为一种新型的半导体光电转换器，相比传统pmt和apd具有诸多优点：比如，其快速的时间响应特性能够满足tof-pet(timeofflight，时间飞行)的技术要求；sipm对磁场不敏感的特性可使pet与mri(magneticresonanceimaging，磁共振成像)结合，形成新一代影响产品；sipm紧凑的结构及较高的信噪比，大大提高了pet的空间分辨率，使其突破性的达到了亚毫米级的分辨率。

三、关于前置放大器203

光电转换器202输出的电信号需要经过前置放大器203放大一定倍数，一方面是为了提高电信号的信噪比，另一方面是为了提升电信号的幅度以降低后续电路对电信号的识别难度。而且，前置放大器203应具有较宽的带宽(放大器允许通过信号的最高频率称为放大器的带宽)，该带宽应适应光电转换器202输出电信号的速度。

例如，在上述sipm所具有的优点中，sipm具有快的时间响应，指的是某条γ射线的第一个光子到达sipm以后，在sipm内部发生第一个雪崩击穿而产生电信号的速度极快，但是信号幅度极小，然而，为了准确测量γ射线的能量大小，需要准确辨别第一个光子到达sipm的时间(其目的是从该时间点开始计量光子的能量)，这就需要sipm前端的闪烁晶体具有较大的光输出，而且sipm后端的放大电路具有较大的增益(即放大倍数)和带宽，才能使进入sipm的第一个光子产生的信号前沿信息不失真的被提取出来。

此外，前置放大器203应该尽量靠近光电转换器202的引出端，走线不易过长，这样可以降低前置放大器203输出信号的失真程度。

四、关于n级微分器204

当n级微分器204为一级微分器时，其只包括是一个微分器；当n级微分器304为多级微分器时，其包括多个依次串联连接的微分器。其中，所述微分器可以是如图3所示的微分电路。

参见图4所示的能量信息输出示意图，假设闪烁晶体201为lyso，光电转换器202是sipm，图4则为γ射线射入lyso后形成闪烁光子、且闪烁光子进入sipm后输出的典型信号。从图中可以看出，信号伴有较多毛刺，这是由于一条射线进入lyso闪烁晶体201后将形成一系列光子，但不同时刻sipm光电转换器202所接收到的光子数会不同，这导致sipm光电转换器202输出的信号有尖锐的起伏。需要说明的是，sipm光电转换器202在不同时刻所接收到的所有光子能量的累加，则是射入lyso闪烁晶体201的原始射线所具有的能量大小。

基于上述sipm光电转换器202输出的“起伏”信号，本实施例可以采用n级微分器204检测这些信号，理由如下：

由于模拟电路中的微分电路能够取出输入信号中突变的成分，即取出输入信号中的高频成分、去掉输入信号中的低频成分，因此，可以实现信号微小斜率变化的检测，而且输入信号的斜率变化越大，微分电路的输出信号越突出。当采用n级微分器204处理光电转换器202的输出信号(比如sipm信号)时，可以使sipm信号中“起伏”信息更明显的突出出来，这种“起伏”信息反映了光子到达sipm的个数。因此，本实施可以将经前置放大器203放大后的电信号输入到n级微分器204，假设n级微分器204是一个二级微分器，参见图5所示的能量信息输出示意图，首先，将光电转换器202输出的sipm原始信号输入到n级微分器204的第一级微分器，得到一级微分信号，可见，通过对sipm原始信号进行第一次的微分处理，可以较为明显的显示出sipm原始信号的“起伏”信息；然后，将一级微分信号输入到n级微分器204的第二级微分器，得到二级微分信号，可见，通过对sipm原始信号进行第二次的微分处理，可以使信号形成脉冲状，且每个脉冲独立且峰值明显，可以更加明显的显示出sipm原始信号的“起伏”信息。

在一些实施方式中，n级微分器204中的n可以为n＝1或n＝2或n＝3，微分器的个数不易过多，一般为1-3级为宜，微分器中rc值需要依据具体电路进行适当选取。

五、关于比较器205

在本实施例，n级微分器204的末级微分器的输出信号进入比较器205，其目的是形成脉冲信号。当末级微分处理后的电信号大于比较器阈值时，输出高电平信号，当末级微分处理后的电信号不大于比较器阈值时，输出低电平信号，形成如图6所示的脉冲序列示意图。

也就是说，本实施例是将现有技术中对能量信息的直接采集转变成光子个数的采集，即采集脉冲个数，因此，采用快速阈值比较器，并设定一定的阈值门限，对一系列微分后的脉冲进行阈值比较得到一系列过阈脉冲，以便后端能量识别器206标定第一个过阈脉冲的到来时刻，并从该时刻统计所有过阈脉冲的个数作为能量相关量，从而实现时间和能量的同步采集。

其中，为了能够使末级微分器输出的“起伏”信息均被体现，所述比较器阈值不宜选取的过大，比如，可以选取末级微分器所输出微分信号的十分之一峰值大小。

六、关于能量识别器206

在一些实施方式中，所述能量识别器206可以为时间数字转换器(time-to-digitalconverter，简称tdc)或可编程逻辑门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)。

在一些实施方式中，所述能量识别器206可以包括：

脉冲沿识别单元2061，用于识别每个脉冲信号的边沿信号，所述边沿信号为所述脉冲信号的上升沿、或下降沿、或一段持续高电平、或一段持续低电平；

时间记录单元2062，用于记录第一个边沿信号的出现时刻；

脉冲统计单元2063，用于从第一个边沿信号的出现时刻到所述截止时刻，开始统计所述边沿信号的个数；

能量识别单元2064，用于根据统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

在本实施方式中，通过识别过阈脉冲的边沿信号，将识别到的第一个边沿信号作为信号初始时刻，从该信号初始时刻开始到所述截止时刻，统计所有边沿信号的个数，统计出的边沿总个数即为脉冲总个数，将统计出的脉冲总个数m作为射线能量相关量，由于所述脉冲总个数m与射线能量之间具有相关性，根据m值可以确定原始射线的能量大小。

进一步地，上述测量装置还可以包括：关系存储器，用于预先存储射线能量与脉冲个数之间的对应关系，则在一些实施方式中，所述能量识别单元2064，可以具体用于根据所述对应关系以及统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

在这种实施方式中，由于统计出的脉冲个数(即统计出的边沿个数)m与射线进入闪烁晶体201后实际产生的光子数w呈现正比例关系，即w＝α*m，其中，α为光子灵敏系数；而射线的总能量e＝β*w，其中，β为光子能量系数，其代表一个光子的能量大小；实际操作中，可以采集固定能量的射线信号以标定α*β的值，得到射线能量与脉冲个数之间的对应关系。在实际应用中，当统计出某条射线对应的脉冲沿个数后，该脉冲沿个数即为脉冲个数，查询预先存储的射线能量与脉冲个数之间的对应关系，得到当前统计的脉冲个数对应的射线能量值，该能量值即为该射线的能量大小。

进一步地，由于射入闪烁晶体201的不但包括所需测量的射线，还有可能包括噪声射线，比如宇宙射线、环境中的光线等，为了滤除这些噪声射线，本实施例可以设定能量阈值，通过能量阈值对采集到的所有能量值e进行筛选。因此，在本实施例中，上述测量装置还可以包括：能量剔除器，用于分析每条射线分别对应的能量大小，剔除大于第一阈值或小于第二阈值的能量值，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

本发明实施例提供的射线能量的测量装置，利用n级微分器对前置放大器输出的电信号进行n次的微分处理，可以明显呈现前置放大器输出电信号的起伏信息，再通过比较器将这些起伏信息转换成多个脉冲信号，这种脉冲信号能够被能量识别器比较容易的识别到，且基于脉冲个数与射线能量之间的关联关系，能量识别器可以通过统计脉冲个数来确定射线的能量大小。可见，本实施例采用一个链路通路，信号链路无分支，提高了链路中的信噪比且简化了电路；此外，通过统计脉冲个数来确定射线能量，脉冲信息更加容易被识别，避免了现有技术中对能量信息进行离散采集时的高采样率的要求，从而节省了能量采集电路的投入成本。

参见图7，为本发明实施例提供的射线能量的测量方法的流程示意图，所述方法应用于一种射线能量的测量装置，所述装置包括：依次连接的闪烁晶体、光电转换器、前置放大器、n级微分器、比较器和能量识别器，其中，n≥1；所述方法包括：

步骤701：所述闪烁晶体将接收到的每条射线分别转换成闪烁光；

步骤702：所述光电转换器将所述闪烁光转换成电信号；

步骤703：所述前置放大器放大所述电信号；

步骤704：所述n级微分器对放大后的电信号进行n次微分处理；

步骤705：所述比较器将微分处理后的电信号与比较器阈值进行比较，依据比较结果输出至少一个脉冲信号；

步骤706：所述能量识别器识别第一个脉冲信号的出现时刻，并从所述出现时刻开始到截止时刻统计所述脉冲信号的个数，根据统计出的脉冲个数确定所述射线的能量，其中，所述截止时刻为所述电信号衰减的终止时刻或所述终止时刻之前的时刻。

在一些实施方式中，步骤706可以包括：

步骤7061：识别每个脉冲信号的边沿信号，所述边沿信号为所述脉冲信号的上升沿、或下降沿、或一段持续高电平、或一段持续低电平；

步骤7062：记录第一个边沿信号的出现时刻；

步骤7063：从第一个边沿信号的出现时刻到所述截止时刻，开始统计所述边沿信号的个数；

步骤7064：根据统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

在一些实施方式中，所述方法还可以包括：预先存储射线能量与脉冲个数之间的对应关系；则步骤7064可以包括：根据所述对应关系以及统计出的边沿个数确定所述射线的能量。

在一些实施方式中，所述能量识别器为时间数字转换器tdc或可编程逻辑门阵列fpga。

在一些实施方式中，n＝1或n＝2或n＝3。

在一些实施方式中，所述方法还可以包括：分析每条射线分别对应的能量大小，剔除大于第一阈值或小于第二阈值的能量值，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如媒体网关等网络通信设备，等等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。