本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理、光電信號(hào)處理和核探測領(lǐng)域，尤其涉及一種單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置。

背景技術(shù)：

切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化是對(duì)發(fā)生切倫科夫事件的物體進(jìn)行切倫科夫事件探測時(shí)，需要對(duì)探測到的各種事件進(jìn)行分類，以期濾除其他類型的事件。而使探測到的切倫科夫事件可以和物體的某種生物生化分布聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)針對(duì)放射性核素的成像或者定量檢測。

針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要針對(duì)能夠獲取的單光子時(shí)間信息，提供一種新的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置?；趩喂庾拥那袀惪品蚴录蓸臃椒ǎ軌蛟谧钤珉A段對(duì)切倫科夫事件進(jìn)行數(shù)字化，保留切倫科夫事件最為原始的信息，進(jìn)而可以最大程度地與其他類型的事件分離開來，特別是生物體內(nèi)存在的自發(fā)光事件。

得益于高速信號(hào)處理方法與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，捕獲單個(gè)光子已經(jīng)不再是不可逾越的技術(shù)難題。通過PMT （Photomultiplier Tube）、SiPM (Silicon Photomultiplier)、APD（Avalanche Photo Detector）等光電器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子信號(hào)的精確捕獲，并輸出波形、時(shí)間和能量等信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個(gè)切倫科夫事件的多個(gè)光子的電信號(hào)樣本，通過多光子時(shí)間符合與光子數(shù)選通窗口，剔除自發(fā)光事件，增大重構(gòu)圖像信噪比，避免基線漂移對(duì)讀出信號(hào)的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法，其包括步驟：

S1：獲得切倫科夫事件發(fā)射光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S2：獲得背景光的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S3： 計(jì)算每個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)集對(duì)背景光和切倫科夫光的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過最大似然準(zhǔn)則或者最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則判斷該時(shí)間段的數(shù)據(jù)集是背景光還是切倫科夫光。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，所述切倫科夫單事件是指單個(gè)放射性同位素原子核發(fā)射帶電粒子在介質(zhì)中發(fā)生切倫科夫效應(yīng)。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，所述的單光子事件是指生物體通過自發(fā)光或者切倫科夫事件發(fā)出的單個(gè)可見光或軟紫外光光子擊中光電器件被吸收的事件。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，所述時(shí)間符合是指多個(gè)單光子（不少于5個(gè)）事件在很短的時(shí)間內(nèi)（例如5 ns）發(fā)生，即認(rèn)為這多個(gè)單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，所述光子在孔內(nèi)的相對(duì)位置是指光子在探測器模組孔內(nèi)的相對(duì)位置，這個(gè)相對(duì)位置和射線入射角度有直接的關(guān)系。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，所述切倫科夫事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時(shí)核素在生物體中的位置，不同位置射入探測器的感光孔的相對(duì)位置不同。

一種切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置，其中包括切倫科夫事件發(fā)射光子數(shù)據(jù)集獲得模塊、背景光子數(shù)據(jù)集獲得模塊、時(shí)間段樣本的似然概率函數(shù)或者后驗(yàn)概率函數(shù)計(jì)算模塊、事件分類器模塊，其中，

切倫科夫事件發(fā)射光子數(shù)據(jù)集獲得模塊，用于獲得切倫科夫事件發(fā)射光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

背景光子數(shù)據(jù)集獲得模塊，用于獲得背景光的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

時(shí)間段樣本的似然概率函數(shù)或者后驗(yàn)概率函數(shù)計(jì)算模塊，用于計(jì)算每個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)集對(duì)背景光和切倫科夫光的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

事件分類器模塊，通過最大似然準(zhǔn)則或者最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則判斷該時(shí)間段的數(shù)據(jù)集是背景光還是切倫科夫光。

從上述技術(shù)方案可以看出，通過采用本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置，能有效提高裝置的成像信噪比，抵御生物組織自發(fā)光影響，特別適合于小動(dòng)物等成像深度要求不高的活體成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）抵御背景光和生物體自發(fā)光的時(shí)間符合設(shè)計(jì)，有利于降低成像的背景噪聲；

（2）全事件讀出設(shè)計(jì)可以全面的讀出切倫科夫事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時(shí)間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號(hào)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(guān)本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置的探測器模塊。

圖4為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的雙指數(shù)脈沖模型。

圖5為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的三指數(shù)脈沖模型。

圖6為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的朗道脈沖模型。

圖7為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的直線-指數(shù)脈沖模型。

圖8為本發(fā)明典型的雙變量脈沖分類示意圖。

圖9為本發(fā)明典型的雙變量脈沖分類強(qiáng)度示意圖。

圖10為本發(fā)明的時(shí)間變量脈沖分類強(qiáng)度示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置，該方法與裝置能有效地實(shí)現(xiàn)事件到達(dá)時(shí)間的標(biāo)記，提升模塊及裝置的時(shí)間分辨率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明公開的單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置通過以事件的數(shù)據(jù)形式采集單光子信號(hào)，再利用時(shí)間符合和估計(jì)理論甄別出切倫科夫事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：獲得切倫科夫事件發(fā)射光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S2：獲得背景光的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S3： 計(jì)算每個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)集對(duì)背景光和切倫科夫光的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過最大似然準(zhǔn)則或者最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則判斷該時(shí)間段的數(shù)據(jù)集是背景光還是切倫科夫光。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述切倫科夫單事件是指單個(gè)放射性同位素原子核發(fā)射帶電粒子在介質(zhì)中發(fā)生切倫科夫效應(yīng)。。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述的單光子事件是指生物體通過自發(fā)光或者切倫科夫事件發(fā)出的單個(gè)可見光或軟紫外光光子擊中光電器件被吸收的事件。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述時(shí)間符合是指多個(gè)單光子（不少于5個(gè)）事件在很短的時(shí)間內(nèi)（例如5ns）發(fā)生，即認(rèn)為這多個(gè)單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述光子在孔內(nèi)的相對(duì)位置是指光子在探測器模組孔內(nèi)的相對(duì)位置，這個(gè)相對(duì)位置和射線入射角度有直接的關(guān)系。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述切倫科夫事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時(shí)核素在生物體中的位置，不同位置射入探測器的感光孔的相對(duì)位置不同。

以上單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置中，所述探測器的感光孔是指建造在探測器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定切倫科夫輻射發(fā)生的位置。

如圖2所示，本發(fā)明公開的單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置，其包括切倫科夫事件發(fā)射光子數(shù)據(jù)集獲得模塊100、背景光子數(shù)據(jù)集獲得模塊200、時(shí)間段樣本的似然概率函數(shù)或者后驗(yàn)概率函數(shù)計(jì)算模塊300、事件分類器模塊400，其中，

切倫科夫事件發(fā)射光子數(shù)據(jù)集獲得模塊100，用于獲得切倫科夫事件發(fā)射光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

背景光子數(shù)據(jù)集獲得模塊200，用于獲得背景光的脈沖數(shù)據(jù)集（時(shí)間、位置、波長、脈沖高度、脈沖形狀的一種或者幾種）；

時(shí)間段樣本的似然概率函數(shù)或者后驗(yàn)概率函數(shù)計(jì)算模塊300，用于計(jì)算每個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)集對(duì)背景光和切倫科夫光的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

事件分類器模塊400，通過最大似然準(zhǔn)則或者最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則判斷該時(shí)間段的數(shù)據(jù)集是背景光還是切倫科夫光。

圖3為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化裝置的探測器模塊。圖4為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的雙指數(shù)脈沖模型。圖5為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的三指數(shù)脈沖模型。圖6為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的朗道脈沖模型。圖7為本發(fā)明的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化的直線-指數(shù)脈沖模型。圖8為本發(fā)明典型的雙變量脈沖分類示意圖。圖9為本發(fā)明典型的雙變量脈沖分類強(qiáng)度示意圖。圖10為本發(fā)明的時(shí)間變量脈沖分類強(qiáng)度示意圖。結(jié)合圖3、圖4及圖10，通過幾個(gè)具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置做進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出的單光子時(shí)間分辨的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、時(shí)間符合處理需要根據(jù)與獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到良好的切倫科夫輻射分辨性能和較短的脈沖持續(xù)時(shí)間。此處列出所涉及的應(yīng)用實(shí)施例處理數(shù)據(jù)的參數(shù)。

實(shí)例1：

此處列出本實(shí)施例處理數(shù)據(jù)的參數(shù)：

步驟（1）所用的實(shí)際裝置為使用暗箱尺寸為1.4m×1.4m×1.0m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG，采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管，探測器采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（2）空載24小時(shí)，獲取背景數(shù)據(jù)；

步驟（3）符合時(shí)間約為2ns，符合判斷采用離線式的時(shí)間符合處理；

步驟（4）采用解析的切倫科夫事件重建方法，直接繪出切倫科夫的時(shí)間和位置。

實(shí)例2：

此處列出本應(yīng)用實(shí)例2處理數(shù)據(jù)的參數(shù)：

步驟（1）所用的實(shí)際裝置為使用暗箱尺寸為1.8m×1.8m×1.8m。射源為511kev的124I-NaI，采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管，探測器采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（2）空載72小時(shí)，獲取背景數(shù)據(jù)；

步驟（3）符合時(shí)間約為10ns，符合判斷采用在線式的時(shí)間符合處理；

步驟（4）采用迭代的切倫科夫事件重建方法，逼近式繪出切倫科夫的時(shí)間和位置，迭代200次。

本發(fā)明的方法和裝置可以用于輻射帶電微粒的核技術(shù)，包括核探測、核分析、核醫(yī)學(xué)儀器。

本發(fā)明公開的切倫科夫事件誘導(dǎo)光電脈沖數(shù)字化方法中，注入可發(fā)射帶電粒子的同位素可用于標(biāo)記生物體中的生化和生理過程；讀出帶電粒子發(fā)出切倫科夫光子射向探測器模組的光子計(jì)數(shù)和每個(gè)計(jì)數(shù)的時(shí)間；對(duì)讀到的時(shí)間進(jìn)行時(shí)間符合；通過光子在孔內(nèi)的相對(duì)位置來估計(jì)切倫科夫事件發(fā)生的位置；對(duì)估計(jì)的切倫科夫的位置和時(shí)間進(jìn)行重建，獲得核素的分布。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。