一种契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置与流程

本发明属于事例脉冲检测系统、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置。

背景技术：

日本采用契连柯夫计数器来探测释热元件的破裂情况。从反应堆活性区取出的水样利用契连柯夫辐射进行分析，这种辐射是由短寿命裂变碎片放出的高能β粒子通过水中时放出的。同目前所采用的γ能谱仪或缓发中子探测器比较起采，契连柯夫计算器更能保证分析的速度和灵敏度。泽见和山田对释热元件破裂所时行的一些实验的结果表明，当水中裂变产物的浓度低于600微微居里/厘米～3时，信号计数同本底计数之比可达到10:1。对一般的反应堆系统来说，这一浓度相当于1厘米～2的核燃料表面的放射性。应用契连柯夫计数器的最大优点是:在含有衰变的裂变产物的水样中，光信号本身加强。

得益于多电压阈值数字化方法与超大规模集成电路的发展，捕获单个光子已经不再是不可逾越的技术难题。通过pmt、sipm、apd等光电器件，可以实现对单光子信号的精确捕获，并输出波形、时间和能量等信息。

目前生物组织的自发光现象容易影响成像信噪比，降低成像信噪比，且系统造价高昂。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置，提高成像系统的时间分辨率，剔除更多的随机噪声干扰，提升成像信噪比，优化系统空间分辨率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种契连柯夫事例脉冲数字化方法，包括步骤：

s1：将契连柯夫脉冲输入给恒比甄别器，并通过门控时间片段获得契连柯夫事件发射光子的数据集，s2：系统空转获得背景光的数据集，s3：计算每个时间段的契连柯夫事件发射光子的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数，且计算每个时间段的背景光的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数，s4：通过最大似然准则或者最大后验概率准则判断每个时间段的数据集是背景光的数据集还是契连柯夫事件发射光子的数据集。

本发明优选地技术方案在于，最大似然准则是指求似然的最大值，即：

本发明优选地技术方案在于，最大后验概率准则是指求后验概率的最大值，即：

本发明还提供一种契连柯夫事例脉冲数字化装置，包括契连柯夫事件发射光子数据集获得模块、背景光子数据集获得模块、独立光子关联器模块、以及事件分类器模块，契连柯夫事件发射光子数据集获得模块将信息传递至独立光子关联器模块，背景光子数据集获得模块将信息传递至独立光子关联器模块，独立光子关联器模块将信息传递至事件分类器模块。

本发明优选地技术方案在于，契连柯夫事件发射光子数据集获得模块包括放射性同位素送药模块，用于将放射性药物送入生物体，放射性药物在生物体内发生湮灭产生伽马光子对，光子探测器模块，用于对伽马光子对运行超光速时产生的契连柯夫光子进行符合探测，生物体传动模块，用于控制生物体送入和送出成像腔室，以及光密闭模块，用于对成像腔室进行避光封装，保证成像腔在成像时没有额外的外部可见光射入。

本发明优选地技术方案在于，背景光子数据集获得模块包括暗计数模块，用于在没有光照的情况下检测光电转换器件的暗计数事件，空腔检测模块，用于对光电转换器件的背景光进行能量吸收与电信号转化，前端电子学模块，用于对空腔检测模块输出的电信号进行前置放大处理，并进行模数转换，形成数字化的闪烁脉冲，以及在体检测模块，用于接收数字化的闪烁脉冲，并判断得到的数字化的闪烁脉冲是否来自体内发生的湮灭事件。

本发明优选地技术方案在于，独立光子关联器模块包括光子相关检测器模块，用于根据计算联合似然概率函数或后验概率判断两个事件是否相关，并生成判断结果，符合计数模块，用于根据时间、能量信息进行符合判断，剔除不符合事件，并输出属于符合事件的契连柯夫事件，以及契连柯夫事件属性封装电路模块，用于对契连柯夫事件的属性进行封装。

本发明优选地技术方案在于，事件分类器模块包括多事例定时开窗电路模块，用于对每个伽马事件和契连柯夫事件进行定时开窗，逻辑与门电路模块，用于接收多事例定时开窗电路模块输出的信号，并通过与门电路对多个事例进行与逻辑判选，总事件定时开窗模块，用于接收逻辑与门电路模块的与门判选信号，并从接收到的信号开始以固定的时间窗置1输出，符合事件封装模块，用于接收总事件定时开窗模块的信号，将从多事例定时开窗电路模块接收到的各个事件属性封装成二进制的比特流，以及数字显示模块，用于统计属于背景光事件或契连柯夫事件的脉冲数。

本发明优选地技术方案在于，生物体传动模块包括推送装置、及支撑板，支撑板用于盛放生物体，推送装置用于在成像前将支撑板与生物体送入成像腔室，在成像完成后将支撑板与生物体送出成像腔室。

本发明优选地技术方案在于，还包括电源模块，电源模块与契连柯夫事件发射光子数据集获得模块、背景光子数据集获得模块、独立光子关联器模块、以及事件分类器模块电性连接。

本发明的有益效果为：

(1)提高成像系统的时间分辨率，可以剔除更多的随机噪声，成像信噪比高。

(2)对可见光进行探测与对伽马光进行符合探测相比具有较好的吸收能力，光子事件利用率高，因而具有更加出色的空间分辨率。

附图说明

图1是本发明契连柯夫事例脉冲数字化方法的流程图；

图2是本发明契连柯夫事例脉冲数字化装置的框图。

图中：

100、契连柯夫事件发射光子数据集获得模块；110、放射性同位素送药模块；120、光子探测器模块；130、生物体传动模块；140、光密闭模块；200、背景光子数据集获得模块；210、暗计数模块；220、空腔检测模块；230、前端电子学模块；240、在体检测模块；300、独立光子关联器模块；310、光子相关检测器模块；320、符合计数模块；330、契连柯夫事件属性封装电路模块；400、事件分类器模块；410、多事例定时开窗电路模块；420、逻辑与门电路模块；430、总事件定时开窗模块；440、符合事件封装模块；450、数字显示模块；500、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供的契连柯夫事例脉冲数字化方法，具体为单光子时间分辨的契连柯夫事例脉冲数字化方法，通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合和估计理论甄别出契连柯夫事件的位置，其中，时间符合是指至少5个单光子事件在很短的时间内发生，例如在5ns内发生，即认为这多个单光子事件属于同一次契连柯夫事件，具体的方法步骤为：

s1：将契连柯夫脉冲输入给恒比甄别器，并通过门控时间片段获得契连柯夫事件发射光子的数据集，其中，契连柯夫事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生契连柯夫效应，单光子事件是指生物体通过自发光或者契连柯夫事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件，契连柯夫事件发射光子的数据集包括时间、位置、波长、脉冲高度、脉冲形状的一种或者几种。

s2：系统空转获得背景光的数据集，其中背景光的数据集包括时间、位置、波长、脉冲高度、脉冲形状的一种或者几种，背景光是在无光照条件下光电转换器件内由于背景漏光等造成的暗计数。

s3：计算每个时间段的契连柯夫事件发射光子的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数，且计算每个时间段的背景光的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数。

s4：通过最大似然准则或者最大后验概率准则判断每个时间段的数据集是背景光的数据集还是契连柯夫事件发射光子的数据集，其中，最大似然准则是指求似然的最大值，即：

最大后验概率准则是指求后验概率的最大值，即：

本发明提供的契连柯夫事例脉冲数字化方法中，注入可发射带电粒子的同位素可用于标记生物体中的生化和生理过程；读出带电粒子发出契连柯夫光子射向光子探测器模块120的光子计数和每个计数的时间；对读到的时间进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计契连柯夫事件发生的位置；对估计的契连柯夫的位置和时间进行重建，获得核素的分布，其中，契连柯夫光子是正电子发生湮灭事件发出的伽马光子对超光速运行时产生的光子。

如图2所示，本发明还提供一种契连柯夫事例脉冲数字化装置，包括

契连柯夫事件发射光子数据集获得模块100，用于将契连柯夫脉冲输入给恒比甄别器，并通过门控时间片段获得契连柯夫事件发射光子的数据集，该数据集包括时间、位置、波长、脉冲高度、脉冲形状的一种或者几种；

背景光子数据集获得模块200，用于系统空转获得背景光的数据集，该数据集包括时间、位置、波长、脉冲高度、脉冲形状的一种或者几种，系统空转指的是光子探测器模块120空转；

独立光子关联器模块300，用于计算每个时间段的契连柯夫事件发射光子的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数，且计算每个时间段的背景光的数据集的联合似然概率函数或后验概率函数；以及

事件分类器模块400，通过最大似然准则或者最大后验概率准则判断每个时间段的数据集是所述背景光的数据集还是所述契连柯夫事件发射光子的数据集。

其中，契连柯夫事件发射光子数据集获得模块100将信息传递至独立光子关联器模块300，背景光子数据集获得模块200将信息传递至独立光子关联器模块300，独立光子关联器模块300将信息传递至事件分类器模块400。

进一步地，契连柯夫事件发射光子数据集获得模块100包括

放射性同位素送药模块110，用于稳定且自动化将放射性药物送入生物体，避免放射性药物可能对生物体造成的辐射损伤，药物经由放射性同位素送药模块110注入生物体，药物在生物体内发生湮灭产生伽马光子对；

光子探测器模块120，用于对正电子湮灭事件产生的伽马光子对运行超光速时产生的契连柯夫光子进行符合探测，通过对契连柯夫光子进行符合探测，相对于对伽马光进行符合探测具有更好的吸收能力，具有更加出色的空间分辨率，其中，契连柯夫事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入光子探测器模块120中的探测器的感光孔的相对位置不同，具体的，光子在感光孔内的相对位置是指光子在探测器内的相对位置，这个相对位置和射线入射角度有直接的关系，探测器的感光孔是指建造在探测器底座上的孔状几何，这些孔用于确定契连柯夫辐射发生的位置。

生物体传动模块130，用于控制生物体送入和送出成像腔室，具体的，生物体传动模块130包括推送装置、及支撑板，支撑板用于盛放生物体，推送装置用于在成像前将支撑板与生物体送入成像腔室，在成像完成后将支撑板与生物体送出成像腔室；以及

光密闭模块140，用于对成像腔室进行避光封装，保证成像腔在成像时没有额外的外部可见光射入。

进一步地，背景光子数据集获得模块200包括

暗计数模块210，用于在没有光照的情况下检测光电转换器件的暗计数事件；

空腔检测模块220，用于对光电转换器件的背景光进行能量吸收与电信号转化，具体是通过雪崩过程将光电子流簇在短时间内放大，再输出给前端电子学模块230；

前端电子学模块230，用于对空腔检测模块220输出的电信号进行前置放大处理，并进行模数转换，形成数字化的闪烁脉冲，并将数字化的闪烁脉冲输出给在体检测器模块，其中，前端电子学模块230是对光电转换器件输出的电信号进行符合处理，通过前端电子学模块230对光电转换器件进行复用，提高分辨事件的能力，进而提高光子利用率，使得光子探测效率得到显著的提高；以及

在体检测模块240，用于接收数字化的闪烁脉冲，并判断得到的数字化的闪烁脉冲是否来自体内发生的湮灭事件。

进一步地，独立光子关联器模块300包括

光子相关检测器模块310，用于根据计算联合似然概率函数或后验概率判断两个事件是否相关，并生成判断结果，将判断结果输出给符合计数模块320。

符合计数模块320，用于根据时间、能量信息进行符合判断，剔除不符合事件，并输出属于符合事件的契连柯夫事件给契连柯夫事件属性封装电路模块330进行属性封装，如此，可以设置更小的时间窗，这样可以剔除更多的随机符合事件，设置更小能窗，剔除更多的散射符合事件，致使图像信噪比高，其中，符合计数是对时间、能量、位置信息均符合的事件进行计数；以及

契连柯夫事件属性封装电路模块330，用于对契连柯夫事件的属性进行封装，封装的内容包括事件时间、伽马光子能量、契连柯夫诱导电脉冲前沿的上升时间以及契连柯夫诱导电脉冲的离差和。

进一步地，事件分类器模块400包括

多事例定时开窗电路模块410，用于对每个伽马事件和契连柯夫事件进行定时开窗，即从事件到达时间开始定时输出；

逻辑与门电路模块420，用于接收多事例定时开窗电路模块410输出的信号，接收多事例定时开窗电路模块410输出的信号后，通过与门电路对多个事例进行与逻辑判选，当存在两个伽马光子和一个通道以上的契连柯夫事件时，置1输出，否则，保持清零输出；

总事件定时开窗模块430，用于接收逻辑与门电路模块420的与门判选信号，并从接收到的信号开始以固定的时间窗置1输出；

符合事件封装模块440，用于接收总事件定时开窗模块430的信号，将从多事例定时开窗电路模块410接收到的各个事件属性封装成二进制的比特流；以及

数字显示模块450，用于统计属于背景光事件或契连柯夫事件的脉冲数。

为了进行供电，进一步地，还包括电源模块500，电源模块500与契连柯夫事件发射光子数据集获得模块100、背景光子数据集获得模块200、独立光子关联器模块300、以及事件分类器模块400电性连接，为上述模块供电，供电电源外接220v交流市电。

结合图1及图2，通过几个具体的实施例，对本发明契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置做进一步描述。本发明提出的契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置，其涉及到的参数、滤波器设计、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的契连柯夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤(1)所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.4m×1.4m×1.0m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18f-fdg，采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用环状结构；

步骤(2)空载24小时，获取背景数据；

步骤(3)符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间符合处理；

步骤(4)采用解析的契连柯夫事件重建方法，直接绘出契连柯夫的时间和位置。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤(1)所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.8m×1.8m×1.8m。射源为511kev的124i-nai，采用红光增强的硅光电倍增管，探测器采用环状结构；

步骤(2)空载72小时，获取背景数据；

步骤(3)符合时间约为10ns，符合判断采用在线式的时间符合处理；

步骤(4)采用迭代的契连柯夫事件重建方法，逼近式绘出契连柯夫的时间和位置，迭代200次。

本发明的方法和装置可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核探测、核分析、核医学仪器。

通过采用本发明的契连柯夫事例脉冲数字化方法与装置，有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及装置的时间分辨率，能有效提高装置的成像信噪比，抵御背景光和生物体自发光的时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声，避免基线漂移对读出信号的影响，可以全面的读出契连柯夫事件丰富的多维信息：角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)，共7维，具体为以事件的形式记录光电器件的电信号，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。本发明采用衰变得到的光信号，不需要采用闪烁晶体进行粒子转化，极大的降低了系统成本。并且对可见光进行探测与对伽马光进行探测相比具有较好的吸收能力，因而具有更加出色的空间分辨率。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。