本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理、光電信號處理和核探測領(lǐng)域，尤其涉及一種單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置。

背景技術(shù)：

正電子發(fā)射斷層成像（Positron Emission Tomography，以下簡稱PET）是一種非侵入性的造影方法，能無創(chuàng)、定量、動態(tài)地評估人體各器官的代謝水平、生化反應(yīng)、功能活動和灌注。作為一種高敏感性的功能影像設(shè)備，PET 在腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期診斷、治療規(guī)劃、療效監(jiān)測與評估等方面具有獨(dú)特的價值。

隨著PET 儀器在臨床診療中應(yīng)用的不斷深入，醫(yī)學(xué)界對PET儀器的性能和功能提出了新的需求，促使PET 儀器的研究人員發(fā)展新的方法和技術(shù)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件裝置到圖像重建各個環(huán)節(jié)推動儀器的更新?lián)Q代。傳統(tǒng)的PET由于只探測由正電子湮滅的伽瑪光子，丟失了部分可供獲取的數(shù)據(jù)。實(shí)際上發(fā)射的正電子速度滿足一定的條件時，將發(fā)射出可見光光子。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要針對能夠獲取的單光子時間信息，提供一種新的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置，以克服上述缺陷。全面捕獲單個正電子事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息。

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正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個正電子事件的多個光子的電信號樣本，通過多光子時間符合，剔除自發(fā)光事件，增大重構(gòu)圖像信噪比，避免基線漂移對讀出信號的影響。

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

一種正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法，其包括步驟：

S1：安置可見光光子探測器與伽瑪光子探測器，獲得正電子發(fā)射切倫科夫效應(yīng)光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）與正電子衰變發(fā)出的伽瑪光子對以及其他伽瑪光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S2：計(jì)算每個時間段多維數(shù)據(jù)樣本的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S3：通過計(jì)算該時間段的多維數(shù)據(jù)集的聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)片段否是來自于一個正電子發(fā)射事件；

S4：將所有正電子發(fā)射事件按照屬性的不同進(jìn)行累計(jì)；

S5：通過實(shí)驗(yàn)和仿真，建立系統(tǒng)對于每一個體素的傳遞函數(shù)，這個傳遞函數(shù)的輸入為體素的活度大小，而輸出為每種屬性標(biāo)記的計(jì)數(shù)值；

S6：將實(shí)測的不同屬性的計(jì)數(shù)值作為傳遞函數(shù)的輸出，反演傳遞函數(shù)的輸入，即求解一個大規(guī)模的方程組，方程組的解即為每個體素的活度大小。

優(yōu)選地，在上述的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，所述切倫科夫單事件是指單個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，在上述的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，所述的單光子事件是指生物體通過自發(fā)光或者正電子事件發(fā)出的單個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，在上述的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，所述伽瑪光子對是指由正電子衰變而來的一對能量值約為511keV的動量相反的伽瑪光子。

優(yōu)選地，在上述的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，所述大規(guī)模的方程組的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。

優(yōu)選地，在上述的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，所述正電子事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時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位置不同。

一種正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置，其中包括富質(zhì)子同位素注入模塊、多輻射探測器模塊、多事例時間符合模塊、系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取模塊和核素分布圖像重建模塊，其中，

富質(zhì)子同位素注入模塊，用于對生物體中參與生理與生化過程的物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記，其主要內(nèi)容是屏蔽生物體以外的背景光，并使生物體帶有可以發(fā)光的標(biāo)記物；

多輻射探測器模塊，用于以多視角的方式實(shí)現(xiàn)對切倫科夫光子和伽瑪光子對的探測。探測器模塊的設(shè)計(jì)采用孔狀的探測幾何和單光子響應(yīng)時間較快的光電器件，用以獲取正電子事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

多事例時間符合模塊，用于判斷多光子事件是否屬于一次正電子事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如50 ns）內(nèi)有多個單光子事件（不少于5個）；

系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取模塊，用于獲取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一般可以采用實(shí)驗(yàn)和仿真的獲得方式，而仿真的獲得方式又包括數(shù)學(xué)仿真和蒙特卡洛仿真；

核素分布圖像重建模塊，用于將帶有屬性的正電子事件集合重建成某一時刻的放射性活度分布。

從上述技術(shù)方案可以看出，通過采用本發(fā)明的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置，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，特別適合于正電子同位素標(biāo)記的臨床或者小動物等活體成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）超高靈敏度，由于該方法和裝置能夠發(fā)掘更多的粒子信息，具備更高的系統(tǒng)精確度和成像定量準(zhǔn)確度；

（2）多視角全3D的探測器設(shè)計(jì)，一次掃描即可同時獲取無數(shù)視角的切倫科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物體自發(fā)光的事件時間符合設(shè)計(jì)，有利于降低成像的背景噪聲，拒絕無關(guān)事件的干擾；

（4）全事件讀出設(shè)計(jì)可以全面的讀出正電子事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(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。

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，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的數(shù)據(jù)漲落示意圖。

圖4為本發(fā)明切倫科夫-伽瑪雙輻射的光子路徑示意圖。

圖5為本發(fā)明典型的3重單光子事件符合示意圖。

圖6為本發(fā)明典型的系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖7為本發(fā)明典型的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置的探測器單元。

圖8為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體的剖面圖。

圖9為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用伽瑪對事件作出的重建結(jié)果剖面圖。

圖10為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用切倫科夫光子束作出的重建結(jié)果剖面圖。

圖11為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用兩種光子信息作出的重建結(jié)果剖面圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置，該方法與裝置能有效地實(shí)現(xiàn)事件到達(dá)時間的標(biāo)記，提升模塊及裝置的時間分辨率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(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)明公開的單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置通過以事件的數(shù)據(jù)形式采集單光子信號，再利用時間符合和估計(jì)理論甄別出正電子事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：安置可見光光子探測器與伽瑪光子探測器，獲得正電子發(fā)射切倫科夫效應(yīng)光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）與正電子衰變發(fā)出的伽瑪光子對以及其他伽瑪光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S2：計(jì)算每個時間段多維數(shù)據(jù)樣本的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S3：通過計(jì)算該時間段的多維數(shù)據(jù)集的聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)片段否是來自于一個正電子發(fā)射事件；

S4：將所有正電子發(fā)射事件按照屬性的不同進(jìn)行累計(jì)；

S5：通過實(shí)驗(yàn)和仿真，建立系統(tǒng)對于每一個體素的傳遞函數(shù)，這個傳遞函數(shù)的輸入為體素的活度大小，而輸出為每種屬性標(biāo)記的計(jì)數(shù)值；

S6：將實(shí)測的不同屬性的計(jì)數(shù)值作為傳遞函數(shù)的輸出，反演傳遞函數(shù)的輸入，即求解一個大規(guī)模的方程組，方程組的解即為每個體素的活度大小。

以上單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置中，所述切倫科夫單事件是指單個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)。

以上單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置中，所述的單光子事件是指生物體通過自發(fā)光或者正電子事件發(fā)出的單個可見光或軟紫外光光子擊中光電器件被吸收的事件。

以上單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置中，所述伽瑪光子對是指由正電子衰變而來的一對能量值約為511keV的動量相反的伽瑪光子。

以上單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置中，所述大規(guī)模的方程組的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。

以上單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置中，所述正電子事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時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位置不同。

如圖2所示，本發(fā)明公開的一種正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置，其中包括富質(zhì)子同位素注入模塊100、多輻射探測器模塊200、多事例時間符合模塊300、系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取模塊400和核素分布圖像重建模塊500，其中，

富質(zhì)子同位素注入模塊100，用于對生物體中參與生理與生化過程的物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記，其主要內(nèi)容是屏蔽生物體以外的背景光，并使生物體帶有可以發(fā)光的標(biāo)記物；

多輻射探測器模塊200，用于以多視角的方式實(shí)現(xiàn)對切倫科夫光子和伽瑪光子對的探測。探測器模塊的設(shè)計(jì)采用孔狀的探測幾何和單光子響應(yīng)時間較快的光電器件，用以獲取正電子事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

多事例時間符合模塊300，用于判斷多光子事件是否屬于一次正電子事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如50 ns）內(nèi)有多個單光子事件（不少于5個）；

系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取模塊400，用于獲取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一般可以采用實(shí)驗(yàn)和仿真的獲得方式，而仿真的獲得方式又包括數(shù)學(xué)仿真和蒙特卡洛仿真；

核素分布圖像重建模塊500，用于將帶有屬性的正電子事件集合重建成某一時刻的放射性活度分布。

圖3為本發(fā)明的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的數(shù)據(jù)漲落示意圖；圖4為本發(fā)明切倫科夫-伽瑪雙輻射的光子路徑示意圖；圖5為本發(fā)明典型的3重單光子事件符合示意圖；圖6為本發(fā)明典型的系統(tǒng)工作原理示意圖；圖7為本發(fā)明典型的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置的探測器單元；圖8為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體的剖面圖；圖9為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用伽瑪對事件作出的重建結(jié)果剖面圖；圖10為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用切倫科夫光子束作出的重建結(jié)果剖面圖；圖11為本發(fā)明圖像質(zhì)量測試假體用兩種光子信息作出的重建結(jié)果剖面圖。結(jié)合圖4、圖5、圖6及圖7，通過幾個具體的實(shí)施例，對本發(fā)明單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置做進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出的單光子時間分辨的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、時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1.5m×1.5m×1.5m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG。采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管作為切倫科夫光子探測的光敏元件.采用硅酸釔镥/光電倍增管/藍(lán)紫光硅光電倍增管的閃爍探測器作為伽瑪光子探測元件，具體構(gòu)成如圖7所示，探測器單元的組合采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（2）采用正電子事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息作為屬性值建立雙粒子似然函數(shù)；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷采用離線式的時間符合處理，選通粒子計(jì)數(shù)；

步驟（4）采用直方圖復(fù)原的方式，將計(jì)數(shù)值重排為正弦圖的投影值；

步驟（5）采用數(shù)學(xué)仿真的方式，獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)；

步驟（6）采用解析的核素分布重建方法，直接繪出正電子的活度分布。

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0.15m×0.15m×0.15m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG。采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管作為切倫科夫光子探測的光敏元件.采用溴化鑭/藍(lán)紫光硅光電倍增管的閃爍探測器作為伽瑪光子探測元件，探測器單元的組合采用12平板結(jié)構(gòu)；

步驟（2）采用正電子事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息作為屬性值建立雙粒子似然函數(shù)；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷采用離線式的時間符合處理，選通粒子計(jì)數(shù)；

步驟（4）采用列表數(shù)據(jù)的方式，無需對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重排；

步驟（5）采用實(shí)驗(yàn)測量的方式，獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)；

步驟（6）采用迭代的核素分布重建方法，直接繪出正電子的活度分布，滿足最大后驗(yàn)準(zhǔn)則。

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)明提供的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中。通過時間符合，剔除生物體的自發(fā)光和背景光。通過單光子事件在孔內(nèi)的相對位置判斷正電子事件的時間和位置，比背景技術(shù)中的單視角或者電流電荷讀出的切倫科夫成像方法的成像質(zhì)量好，捕獲的切倫科夫光子多。

本發(fā)明公開的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像方法中，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)和每個計(jì)數(shù)的時間；對讀到的時間進(jìn)行時間符合；通過光子在孔內(nèi)的相對位置來估計(jì)正電子事件發(fā)生的位置；對估計(jì)的切倫科夫的位置和時間進(jìn)行重建，獲得核素的分布。

通過采用本發(fā)明的正電子發(fā)射切倫科夫-伽瑪雙輻射的成像裝置，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）超高靈敏度，由于該方法和裝置能夠發(fā)掘更多的粒子信息，具備更高的系統(tǒng)精確度和成像定量準(zhǔn)確度；

（2）多視角全3D的探測器設(shè)計(jì)，一次掃描即可同時獲取無數(shù)視角的切倫科夫光子信息；

（3）抵御背景光和生物體自發(fā)光的事件時間符合設(shè)計(jì)，有利于降低成像的背景噪聲，拒絕無關(guān)事件的干擾；

（4）全事件讀出設(shè)計(jì)可以全面的讀出正電子事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(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。

對于本領(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，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(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。