本發(fā)明涉及粒子物理數(shù)據(jù)獲取、光電信號處理和核探測領(lǐng)域，尤其涉及一種伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置。

背景技術(shù)：

核物理中的放射性事件通常伴隨著兩種或者兩種以上的輻照類型。特別是衰變事件可以發(fā)射出不穩(wěn)定的帶電粒子時，放射性事件會同時有多種輻射發(fā)出。以富質(zhì)子不穩(wěn)定同位素為例，發(fā)射出的正電子當(dāng)具有一定的動量時，將在徑跡上輻照可見光光子，這種物理現(xiàn)象即為切倫科夫輻射。切倫科夫輻射作為一種極為方便的標(biāo)記方法，在生物醫(yī)學(xué)顯像中有著極為廣泛的應(yīng)用價值。而當(dāng)正電子與環(huán)境中的電子發(fā)生正反物質(zhì)湮滅時，將輻射一個帶有511keV能量的伽瑪光子，也就是說，富質(zhì)子元素的一種同位素標(biāo)記將提供兩種顯像方式：光學(xué)成像和伽瑪成像。除了富質(zhì)子元素以外，其他部分不穩(wěn)定同位素還有級聯(lián)衰變以及同時輻射不同能量、不同電荷、不同穿透深度的多個粒子的情形，都屬于討論的范圍。現(xiàn)有的成像系統(tǒng)并沒有對這種“身兼兩職”的探針進(jìn)行專門的探測，而是獨(dú)立采用伽瑪相機(jī)（或者PET）和光學(xué)相機(jī)對標(biāo)記有富質(zhì)子核素的生物體或者人體各自進(jìn)行成像，中間的信號探測和數(shù)據(jù)獲取完全是獨(dú)立的，最后在圖像層面進(jìn)行后端準(zhǔn)合（配準(zhǔn)）。

這種后端準(zhǔn)合對于兩種輻照的信息損失極為嚴(yán)重。在伽瑪數(shù)據(jù)中，有很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)是散射和隨機(jī)事件，如果能在物理層以事件的形式引入光學(xué)數(shù)據(jù)，將對散射和隨機(jī)事件提供極為精準(zhǔn)的判選。而可見光在人體內(nèi)的輸運(yùn)噪聲極為嚴(yán)重，如果光學(xué)數(shù)據(jù)能在切倫科夫事件被甄別時引入伽瑪光子的準(zhǔn)直信息，將極大地提升單個切倫科夫事件的信息準(zhǔn)確度。為此，工作在物理層的事件級別的信息融合，將對多輻照系統(tǒng)產(chǎn)生革命性影響。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要針對能夠獲取的多輻照事件信息，提供一種新的伽瑪光子數(shù)據(jù)與可見光子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)合方法與裝置，以克服上述缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)合，提高系統(tǒng)的噪聲等效計數(shù)。

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伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個多輻照事件的多個光子的電信號樣本，通過多光子時間窗判選，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：

一種伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法，其包括步驟：

S1：通過安置伽瑪光子探測器，獲得衰變事件發(fā)射伽瑪光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）；

S2：通過安置可見光子探測器，獲得衰變事件發(fā)射可見光光子（或近紅外光子）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）；

S3：通過實(shí)驗(yàn)和仿真，獲取每個時間段樣本的兩種數(shù)據(jù)集各自的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過計算該時間段的二級聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的兩種數(shù)據(jù)片段否是來自于一個衰變事件 ，若不是則各自單獨(dú)存儲或者丟棄。

優(yōu)選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法中，所述多輻照事件是指單個放射性同位素原子核發(fā)射出幾種輻射的事件。

優(yōu)選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法中，所述的單光子事件是指生物體通過衰變或者切倫科夫事件發(fā)出的單個光子擊中探測器被吸收的事件。

優(yōu)選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法中，所述時間窗判選是指多個單光子（不少于3個）事件在很短的時間內(nèi)（例如30 ns）發(fā)生，即認(rèn)為這多個單光子事件屬于同一次多輻照事件。

優(yōu)選地，在上述的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法中，所述判選兩種事件是否屬于一次多輻照事件，既可以將沒有聯(lián)系上的兩種事件丟棄，也可以將兩種事件暫時進(jìn)行存儲，以供其他操作使用。

一種伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置，其中包括不穩(wěn)定同位素注入模塊、伽瑪探測器模塊、可見光探測器模塊、多事例時間窗判選模塊、后處理模塊，其中，

不穩(wěn)定同位素注入模塊，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)射多輻照事件的標(biāo)記物；

伽瑪探測器模塊，用于以多視角的方式實(shí)現(xiàn)對伽瑪光子的探測。探測器模塊的設(shè)計既可以采用閃爍體加光電器件的閃爍探測器設(shè)計，也可以采用由高能半導(dǎo)體器件構(gòu)成的一步轉(zhuǎn)換探測器。例如高純鍺探測器、寬禁帶半導(dǎo)體探測器等；

可見光探測器模塊，用于以高探測效率的方式實(shí)現(xiàn)對可見光光子的探測。探測器擁有大面積平面結(jié)構(gòu)，可以采用大規(guī)模光電子芯片工藝進(jìn)行大規(guī)模制造。

多事例時間窗判選模塊，用于判斷多光子事件是否屬于一次多輻照事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如30 ns）內(nèi)有多個單光子事件（不少于3個）；

后處理模塊，用于對輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理或者丟棄。

從上述技術(shù)方案可以看出，通過采用本發(fā)明的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置，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，特別適合于多輻照標(biāo)記物或者級聯(lián)衰變的活體成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）高靈敏度，由于在物理層對多種輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)合，信息量和噪聲等效計數(shù)大幅度提升，使系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的后端準(zhǔn)合具有更高的信噪比；

（2）抵御背景光和生物體自發(fā)光的時間窗判選設(shè)計，有利于降低成像的背景噪聲，拒絕散射和隨機(jī)事件帶來的影響；

（3）一體化設(shè)計使系統(tǒng)更加緊湊、處理流程簡明，降低了復(fù)雜度。

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)明的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的事件時間信息的判選示意圖。

圖4為本發(fā)明的事件種類的判選示意圖。

圖5為本發(fā)明可見光子信號設(shè)定閾值的示意圖。

圖6為本發(fā)明典型的伽瑪數(shù)據(jù)能量譜。

圖7為本發(fā)明511keV的典型的伽瑪光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖。

圖8為本發(fā)明350keV的典型的伽瑪光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖。

圖9為本發(fā)明光子判選的能量關(guān)聯(lián)示意圖。

圖10為本發(fā)明伽瑪輻照和可見光子輻照的雙探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置，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?；诒景l(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伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置通過以事件的數(shù)據(jù)形式采集單光子信號，再利用時間窗判選和估計理論甄別出多輻照事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：通過安置伽瑪光子探測器，獲得衰變事件發(fā)射伽瑪光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）；

S2：通過安置可見光子探測器，獲得衰變事件發(fā)射可見光光子（或近紅外光子）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）；

S3：通過實(shí)驗(yàn)和仿真，獲取每個時間段樣本的兩種數(shù)據(jù)集各自的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過計算該時間段的二級聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的兩種數(shù)據(jù)片段否是來自于一個衰變事件 ，若不是則各自單獨(dú)存儲或者丟棄。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置中，所述多輻照事件是指單個放射性同位素原子核發(fā)射出幾種輻射的事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置中，所述的單光子事件是指生物體通過衰變或者切倫科夫事件發(fā)出的單個光子擊中探測器被吸收的事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置中，所述時間窗判選是指多個單光子（不少于3個）事件在很短的時間內(nèi)（例如30 ns）發(fā)生，即認(rèn)為這多個單光子事件屬于同一次多輻照事件。

以上單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置中，所述判選兩種事件是否屬于一次多輻照事件，既可以將沒有聯(lián)系上的兩種事件丟棄，也可以將兩種事件暫時進(jìn)行存儲，以供其他操作使用。

如圖2所示，本發(fā)明公開的一種伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合裝置，包括不穩(wěn)定同位素注入模塊100、伽瑪探測器模塊200、可見光探測器模塊300、多事例時間窗判選模塊400、后處理模塊500，其中，

不穩(wěn)定同位素注入模塊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)射多輻照事件的標(biāo)記物；

伽瑪探測器模塊200，用于以多視角的方式實(shí)現(xiàn)對伽瑪光子的探測。探測器模塊的設(shè)計既可以采用閃爍體加光電器件的閃爍探測器設(shè)計，也可以采用由高能半導(dǎo)體器件構(gòu)成的一步轉(zhuǎn)換探測器。例如高純鍺探測器、寬禁帶半導(dǎo)體探測器等；

可見光探測器模塊300，用于以高探測效率的方式實(shí)現(xiàn)對可見光光子的探測。探測器擁有大面積平面結(jié)構(gòu)，可以采用大規(guī)模光電子芯片工藝進(jìn)行大規(guī)模制造。

多事例時間窗判選模塊400，用于判斷多光子事件是否屬于一次多輻照事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如30 ns）內(nèi)有多個單光子事件（不少于3個）；

后處理模塊500，用于對輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理或者丟棄。

圖3為本發(fā)明的事件時間信息的判選示意圖；圖4為本發(fā)明的事件種類的判選示意圖；圖5為本發(fā)明可見光子信號設(shè)定閾值的示意圖；圖6為本發(fā)明典型的伽瑪數(shù)據(jù)能量譜；圖7為本發(fā)明511keV的典型的伽瑪光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖；圖8為本發(fā)明350keV的典型的伽瑪光子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖；圖9為本發(fā)明光子判選的能量關(guān)聯(lián)示意圖；圖10為本發(fā)明伽瑪輻照和可見光子輻照的雙探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)合圖3、圖4及圖10，通過幾個具體的實(shí)施例，對本發(fā)明單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置做進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出的單光子時間分辨的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、時間窗判選處理需要根據(jù)與獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到良好的系統(tǒng)分辨性能和較短的處理時間。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1.3m×1.3m×1.0m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG。采用藍(lán)紫光增強(qiáng)的硅光電倍增管和硅酸釔镥閃爍晶體，探測器采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（2）采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管，光電探測器附著在伽瑪光子探測器上；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷采用離線式的時間窗判選處理；

步驟（4）采用解析的多輻照事件重建方法，直接繪出多輻照事件的時間和位置。

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1.3m×1.0m×1.0m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子124I-NaI。采用藍(lán)紫光增強(qiáng)的位置敏感型光電倍增管和碘化鈉閃爍晶體，探測器采用平板組成的六邊形結(jié)構(gòu)；

步驟（2）采用紅光增強(qiáng)的CCD相機(jī)，光電探測器附著在伽瑪光子探測器上；

步驟（3）符合時間約為2ns，符合判斷采用離線式的時間窗判選處理；

步驟（4）采用迭代的多輻照事件重建方法，逼近地繪出多輻照事件的時間和位置，迭代次數(shù)不大于1000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)明提供的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法中。通過時間窗判選，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)的相對位置判斷多輻照事件的時間和位置，比背景技術(shù)中的獨(dú)立成像+圖像配準(zhǔn)的成像質(zhì)量更高，并攜有時間信息，可以提取動態(tài)影像。

通過采用本發(fā)明的伽瑪光與可見光的事件級物理準(zhǔn)合方法與裝置，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，特別適合于多輻照標(biāo)記物或者級聯(lián)衰變的活體成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）高靈敏度，由于在物理層對多種輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)合，信息量和噪聲等效計數(shù)大幅度提升，使系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的后端準(zhǔn)合具有更高的信噪比；

（2）抵御背景光和生物體自發(fā)光的時間窗判選設(shè)計，有利于降低成像的背景噪聲，拒絕散射和隨機(jī)事件帶來的影響；

（3）一體化設(shè)計使系統(tǒng)更加緊湊、處理流程簡明，降低了復(fù)雜度。

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。