本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理、光電信號處理和核探測領域，尤其涉及一種單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測方法與裝置。

背景技術：

切倫科夫單事件的探測是一種由切倫科夫效應發(fā)射可見光和近紅外光光子的光學成像方法。帶有切倫科夫輻射的放射性同位素可作為在體成像的探針，通過參與生物體的各種生理和生化的過程，可構(gòu)成一種新型的成像方法，在光學成像和多模醫(yī)學成像中有廣泛的應用價值。2010年美國Alessandro Ruggiero 等(J. Nucl. Med.2010,51:1123-1130)證實采用單視角透鏡觀測帶有α或者β衰變的放射性同位素發(fā)射的高速帶電粒子在介質(zhì)中可發(fā)射切倫科夫輻射，并且輻射的光子具有一定的穿透組織的能力。光學成像裝置可以對這些放射性同位素進行在體醫(yī)學成像。這意味著除了單光子發(fā)射斷層成像、正電子發(fā)射斷層成像以外，切倫科夫單事件的探測也可發(fā)展為一種典型的分子影像成像方式。

在切倫科夫單事件的探測方法上，現(xiàn)有的技術為透鏡加科學級CCD相機。而事實上，切倫科夫單事件持續(xù)的時間較短，CCD器件輸出的光電信號持續(xù)時間太長。絕大多數(shù)情形下，所搜集的信號的快速變化的成分淹沒在電流的積分當中。

因此，針對上述技術問題，有必要針對能夠獲取的單光子時間信息，提供一種新的切倫科夫單事件的探測方法與裝置，以克服上述缺陷。著重捕獲切倫科夫單事件的時間信息。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種切倫科夫單事件的探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個切倫科夫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，極大得保持了與切倫科夫效應相關的信息原貌。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種切倫科夫單事件的探測方法，其包括步驟：

S1：通過給定地機械加工，獲得多孔狀的襯底；

S2：在多孔狀的襯底上，外延或者粘貼一組工作在蓋革模式下的雪崩倍增光敏器件陣列；

S3：通過實驗和仿真，獲得光敏器件對于視場范圍內(nèi)每一個像素（或者體素）的系統(tǒng)響應矩陣；

S4：從光敏器件陣列輸出的高速信號中重建切倫科夫單事件的時間和射入角度信息。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫單事件的探測方法中，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。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫單事件的探測方法中，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，在上述的切倫科夫單事件的探測方法中，所述時間符合是指多個單光子（不少于10個）事件在很短的時間內(nèi)（例如10 ns）發(fā)生，即認為這些單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫單事件的探測方法中，所述工作在蓋革模式下的雪崩倍增光敏器件陣列是指工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管組成的陣列，其對光子的響應時間較快。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫單事件的探測方法中，所述切倫科夫事件入射角度是指核素發(fā)射帶電粒子時核素在生物體中的射束方向，不同方向射入探測器的感光孔的相對位置不同。

一種切倫科夫單事件的探測裝置，其中包括孔狀襯底機械模塊、光敏陣列模塊、系統(tǒng)響應矩陣計算模塊、單事件重建模塊，其中，

孔狀襯底機械模塊，用于支撐光敏陣列模塊，具有孔狀結(jié)構(gòu)；

光敏陣列模塊，用于以多視角的方式實現(xiàn)對切倫科夫光子的探測。光敏陣列模塊的設計采用孔狀的探測幾何和單光子響應時間較快的電子學設計，用以獲取單光子的時間信息，一般采用工作在蓋革模式下的雪崩倍增光電二極管陣列；

系統(tǒng)響應矩陣計算模塊，用于計算視場內(nèi)的每一個體素對孔內(nèi)光敏器件的系統(tǒng)響應矩陣；

單事件重建模塊，用于將符合的單光子信息重建成切倫科夫事件的屬性。

從上述技術方案可以看出，通過采用本發(fā)明的切倫科夫單事件的探測方法與裝置，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，特別適合于小動物或者臨床淺表等成像深度要求不高的活體成像。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

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

（2）抵御背景光和生物體自發(fā)光的時間符合設計，有利于降低成像的背景噪聲；

（3）高速光電信號設計，采用工作在蓋革模式下的雪崩倍增光電二極管可以提升響應速度，捕獲單光子脈沖的時間信息，保留了切倫科夫單事件的時變信息。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，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)明切倫科夫單事件的探測方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明切倫科夫單事件的探測裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的切倫科夫單事件中各個光子的死時間級聯(lián)示意圖；

圖4為本發(fā)明切倫科夫單事件的輻射光子方向的示意圖；

圖5為本發(fā)明典型的切倫科夫單事件的探測裝置的系統(tǒng)框圖；

圖6為本發(fā)明典型的切倫科夫單事件的探測光子的時間差計算；

圖7為本發(fā)明射出動能為17.05keV的切倫科夫單事件的光脈沖；

圖8為本發(fā)明射出動能為6.32keV的切倫科夫單事件的光脈沖；

圖9為本發(fā)明切倫科夫單事件讀出前端電路的正面版圖；

圖10為本發(fā)明切倫科夫單事件讀出前端電路的背面版圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地實現(xiàn)事件到達時間的標記，提升模塊及裝置的時間分辨率。

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

如圖1所示，本發(fā)明公開的單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測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理論甄別出切倫科夫事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：通過給定地機械加工，獲得多孔狀的襯底；

S2：在多孔狀的襯底上，外延或者粘貼一組工作在蓋革模式下的雪崩倍增光敏器件陣列；

S3：通過實驗和仿真，獲得光敏器件對于視場范圍內(nèi)每一個像素（或者體素）的系統(tǒng)響應矩陣；

S4：從光敏器件陣列輸出的高速信號中重建切倫科夫單事件的時間和射入角度信息。

以上單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測裝置中，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。

以上單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測裝置中，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切倫科夫單事件的探測裝置中，所述時間符合是指多個單光子（不少于10個）事件在很短的時間內(nèi)（例如10 ns）發(fā)生，即認為這些單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

以上單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測裝置中，所述工作在蓋革模式下的雪崩倍增光敏器件陣列是指工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管組成的陣列，其對光子的響應時間較快。

以上單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測裝置中，所述切倫科夫事件入射角度是指核素發(fā)射帶電粒子時核素在生物體中的射束方向，不同方向射入探測器的感光孔的相對位置不同。

如圖2所示，本發(fā)明公開的一種切倫科夫單事件的探測裝置，包括孔狀襯底機械模塊100、光敏陣列模塊200、系統(tǒng)響應矩陣計算模塊300、單事件重建模塊400，其中，

孔狀襯底機械模塊100，用于支撐光敏陣列模塊，具有孔狀結(jié)構(gòu)；

光敏陣列模塊200，用于以多視角的方式實現(xiàn)對切倫科夫光子的探測。光敏陣列模塊的設計采用孔狀的探測幾何和單光子響應時間較快的電子學設計，用以獲取單光子的時間信息，一般采用工作在蓋革模式下的雪崩倍增光電二極管陣列；

系統(tǒng)響應矩陣計算模塊300，用于計算視場內(nèi)的每一個體素對孔內(nèi)光敏器件的系統(tǒng)響應矩陣；

單事件重建模塊400，用于將符合的單光子信息重建成切倫科夫事件的屬性。

圖3為本發(fā)明的切倫科夫單事件中各個光子的死時間級聯(lián)示意圖；圖4為本發(fā)明切倫科夫單事件的輻射光子方向的示意圖；圖5為本發(fā)明典型的切倫科夫單事件的探測裝置的系統(tǒng)框圖；圖6為本發(fā)明典型的切倫科夫單事件的探測光子的時間差計算；圖7為本發(fā)明射出動能為17.05keV的切倫科夫單事件的光脈沖；圖8為本發(fā)明射出動能為6.32keV的切倫科夫單事件的光脈沖；圖9為本發(fā)明切倫科夫單事件讀出前端電路的正面版圖；圖10為本發(fā)明切倫科夫單事件讀出前端電路的背面版圖。結(jié)合圖3、圖4及圖10，通過幾個具體的實施例，對本發(fā)明單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測方法與裝置做進一步描述。本發(fā)明提出的單光子時間分辨的切倫科夫單事件的探測方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、濾波器設計、時間符合處理需要根據(jù)與獲取數(shù)據(jù)的特點進行調(diào)節(jié)以達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用實施例處理數(shù)據(jù)的參數(shù)。

實例1：

此處列出本實施例處理數(shù)據(jù)的參數(shù)：

步驟（1）所用的實際裝置為每層360個2mm方孔組成的圓筒殼，層高2mm，共50層；

步驟（2）采用紅光增強的硅平面工藝，濾波器采用5階巴特沃斯濾波器獲得持續(xù)脈沖時間為20 ns；

步驟（3）系統(tǒng)響應矩陣采用離線式的蒙特卡洛仿真計算，體素網(wǎng)格覆蓋全部視場，體素尺寸為0.1 mm；

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間和射入角度。

實例2：

此處列出本應用實例2處理數(shù)據(jù)的參數(shù)：

步驟（1）所用的實際裝置為半徑為0.5m的多層球殼，孔徑2mm，共5層；

步驟（2）采用砷化鎵半導體工藝，濾波器采用8階切比雪夫濾波器獲得持續(xù)脈沖時間為22 ns；

步驟（3）系統(tǒng)響應矩陣采用實驗加直接計算的方式，體素網(wǎng)格覆蓋全部視場，體素尺寸為1 mm；

步驟（4）采用迭代的切倫科夫事件重建方法，逼近地繪出切倫科夫的時間和射入角度，迭代次數(shù)為100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，包括核探測、核分析、核醫(yī)學儀器。

本發(fā)明提供的切倫科夫單事件的探測方法中。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)的相對位置判斷切倫科夫事件的時間和射入角度，比背景技術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)明公開的切倫科夫單事件的探測方法中，注入可發(fā)射帶電粒子的同位素可用于標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數(shù)和每個計數(shù)的時間；對讀到的時間進行時間符合；通過光子在孔內(nèi)的相對位置來估計切倫科夫事件發(fā)生的位置；對估計的切倫科夫的位置和時間進行重建，獲得核素的分布。

通過對比可以看出，通過采用本發(fā)明的切倫科夫單事件的探測方法與裝置，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，特別適合于小動物或者臨床淺表等成像深度要求不高的活體成像。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

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

（2）抵御背景光和生物體自發(fā)光的時間符合設計，有利于降低成像的背景噪聲；

（3）高速光電信號設計，采用工作在蓋革模式下的雪崩倍增光電二極管可以提升響應速度，捕獲單光子脈沖的時間信息，保留了切倫科夫單事件的時變信息。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(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現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權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)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。