一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法与流程

本发明涉及生物医学诊断系统、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法。

背景技术：

正电子发射成像(positronemissiontomography，以下简称pet)是一种非侵入性的新型医学成像技术。pet是一种无创的功能显像，是核医学和分子影像学领域中重要的显像方式之一。在疾病发生的初期，生物化学的变化往往早于解剖结构上的变化，而pet能从分子水平动态、定量地测量人或动物体内的病理生理变化和新陈代谢过程。通过刻画放射性示踪剂在体内的位置分布和放射性活度的变化，能够无创、定量、动态地评估动物或者人体活体内各种器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动，可以应用于肿瘤、心脑系统疾病和神经系统疾病的早期诊断和治疗分期，在疾病的早期检测、病理生理机制研究、疗效监测和预后评估等方面发挥着独特的作用。

随着pet仪器在临床诊疗中应用的不断深入，医学界对pet仪器的性能和功能提出了新的需求，促使pet仪器的研究人员发展新的方法和技术，从系统设计、硬件装置到图像重建各个环节推动仪器的更新换代。传统的pet由于只探测由正电子湮灭的γ光子，丢失了部分可供获取的可见光数据。实际上发射的正电子速度满足一定的条件时，将发射出可见光光子和软紫外光子。

因此，针对上述技术问题，为了获得更加具有诊断能力的图像，有必要针对能够获取的单光子时间信息，提供一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法，以克服上述缺陷。全面捕获单个正电子事件的角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)共7维信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法，该方法与装置能有效地读出一个正电子事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间符合，剔除自发光事件，增大重构图像信噪比，避免基线漂移对读出信号的影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法，其包括步骤：

s1：安置可见光光子探测器与伽马光子探测器，获得正电子发射契连柯夫效应光子的脉冲数据集与正电子衰变发出的γ光子对以及其他γ光子的脉冲数据集这两种不同的事件属性；

s2：采用仿真(如蒙特卡洛仿真)的方法计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数

s3：通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；

s4：对输出电脉冲进行计数，将所有正电子发射事件按照事件属性的不同进行累计；

s5：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值；

s6：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，求解得到每个体素的活度大小。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述读出光子信息脉冲数据集是指采用光子计数的方法读出每一个光子的时间信息，所采用的光电器件通常为具有光子事例分辨的能力，比如光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩型光电二极管等，可以获取正电子发射契连柯夫效应光子和正电子衰变发出的γ光子对以及其他γ光子的脉冲数据集。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述探测器的联合多属性似然函数是各个探测器单元多维数据样本的联合似然概率函数。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，采用时间和能量甄别的方式区别两种不同属性的正电子发射事件。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述契连柯夫单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。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者正电子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。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述γ光子对是指由正电子衰变而来的一对能量值约为511kev的动量相反的γ光子。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述大规模的方程组的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。

优选地，在上述的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述正电子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，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述重建契连柯夫事件既可采用解析的重建方法，也可采用迭代的重建方法。

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述解析的重建方法代表方法有滤波反投影法(filteredback-projection，fbp)，即对投影数据p(s，θ)先进行斜波滤波，得到滤波后的数据q(s，θ)，再对滤波后的数据进行反投影，得到重建的图像f(x，y)，重建图像f(x，y)与滤波后的数据关系为

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述斜波滤波是先对投影数据p(s，θ)以s为变量作一维傅里叶变换，得到p(ω，θ)，然后使p(ω，θ)乘以斜坡滤波器的传递函数ω，得到q(ω，θ)，再对q(ω，θ)以ω为变量求一维傅里叶反变换，得到q(s，θ)。

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述迭代的重建方法分为代数迭代和统计迭代。

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述代数迭代的代表方法有art(algebraicreconstructiontechnique)算法，其迭代过程公式为即

优选地，在上述的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，所述统计迭代的代表方法有ml-em(利用求最大期望值来求最大似然函数)算法，其迭代公式为即

一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置，该符合成像装置包括

富质子同位素注入模块用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物；富质子同位素注入模块由富质子同位素送药模块、标记化合物注射模块、机械传动模块和光密闭模块构成；富质子同位素送药模块用于对生物体稳定、自动地送入标记了富质子同位素的药物，药物经由富质子同位素送药模块进入药物注射模块；标记化合物注射模块用于实时的控制注入生物活体内的示踪剂药物剂量，由推送装置和剂量测算装置构成；机械传动模块用于控制生物活体在探测空间内外的送入和送出，由推送装置和支撑板构成；光密闭模块用于对探测空间进行完全避光，剔除背景噪声对探测结果的影响。

多辐射探测器模块用于以多视角的方式实现对契连柯夫光子和伽马光子对的探测；多辐射探测器模块由闪烁晶体模块、光电转换模块、读出电子学模块构成；闪烁晶体模块用于吸收伽马光子和契连柯夫光子，光子在闪烁晶体中沉积能量，转化为波长便于探测的可见光光子；光电转换模块通过光电阴极收集可见光光子的能量，将其转换成电信号，并经过多个倍增极在短时间内对信号进行放大，输出给读出电子学模块；读出电子学模块用于对光电转换模块输出的电信号进行前置放大和复用处理，输出给多事例时间符合模块。

多事例时间符合模块用于判断多光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在不同探测器的时间窗内有不少于5个单光子事件；多事例时间符合模块由时间数字转换模块、模拟数字转换模块、高速传输模块和光子事件属性封装模块构成；时间数字转换模块通过设定多个电压阈值，对输出的电信号进行电压-时间对采样，利用多个采样点对精确提取信号的时间信息；模拟数字转换模块把输出的模拟电信号转换成数字信号，利于高速传输时抵抗各种干扰，并提取位置信息；高速传输模块把处理得到的信号传输至现场可编程门阵列电路中进行计算；光子事件属性封装模块对伽马事件和契连柯夫事件的属性分别进行封装，封装的内容包括电脉冲前沿的上升时间、光子能量。

系统传递函数获取模块用于获取系统的传递函数，一般可以采用实验和仿真的获得方式，仿真的获得方式采用数学仿真或蒙特卡洛仿真；系统传递函数获取模块由材料设置模块、假体设置模块、数据反演模块构成；材料设置模块根据实际探测材料设置仿真的材料参数；假体设置模块设置一定规格的假体模拟生物活体内的富质子同位素的分布；数据反演模块对仿真所得数据进行反演计算，获得系统传递函数，输出给核素分布图像重建模块。

核素分布图像重建模块用于将带有属性的正电子事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布；核素分布图像重建模块由数据重排与校正模块、数据预处理模块和位置信息恢复模块构成；数据重排与校正模块提取时间和能量信息校正错误数据，将校正后的数据进行格式重排，转换成可直接读取格式；数据预处理模块直接读取数据，通过滤波算法去除明显的噪声及干扰；位置信息恢复模块根据预处理后的数据进行解析或迭代重建，恢复伽马事件和契连柯夫事件在生物活体内发生的位置。

一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置，其中：可见光光子探测器与伽马光子探测器均采用快速时间响应型光电转换器件，比如滨松光电倍增管r9800、光电倍增管r2248等。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于正电子同位素标记的临床或者小动物等活体成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)超高灵敏度，由于该方法和装置能够发掘更多的粒子信息，具备更高的系统精确度和成像定量准确度；

(2)探测器采用环形设计，可以接收任意角度的光子多视角全3d的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的契连柯夫光子信息；

(3)抵御背景光和生物体自发光的事件时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声，拒绝无关事件的干扰；

(4)全事件读出设计可以全面的读出正电子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)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。

附图说明

图1为本发明一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法的流程图。

图2为本发明一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置的装置结构图。

图3为本发明一种契连柯夫事件与伽马事件符合的光子路径示意图。

图4为本发明典型的3重单光子事件符合示意图。

图5为本发明典型的系统工作原理示意图。

图6为本发明一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置典型的探测器单元。

图7为本发明图像质量测试假体的剖面图。

图8为本发明图像质量测试假体用伽马光子对事件作出的重建结果剖面图。

图9为本发明图像质量测试假体用契连柯夫光子束作出的重建结果剖面图。

图10为本发明图像质量测试假体用两种光子信息作出的重建结果剖面图。

附图标记：富质子同位素注入模块100、富质子同位素送药模块110、标记化合物注射模块120、机械传动模块130、光密闭模块140、多辐射探测器模块200、闪烁晶体模块210、光电转换模块220、读出电子学模块230、多事例时间符合模块300、时间数字转换模块310、模拟数字转换模块320、高速传输模块330、光子事件属性封装模块340、系统传递函数获取模块400、材料设置模块410、假体设置模块420、数据反演模块430、核素分布图像重建模块500、数据重排与校正模块510、数据预处理模块520、位置信息恢复模块530。

具体实施方式

本发明公开了一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法，该方法与装置能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。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的的契连柯夫事件与伽马事件符合成像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正电子事件的位置，具体的方法步骤为：

s1：安置可见光光子探测器与伽马光子探测器，获得正电子发射契连柯夫效应光子的脉冲数据集与正电子衰变发出的γ光子对以及其他γ光子的脉冲数据集这两种不同的事件属性；

s2：采用仿真(如蒙特卡洛仿真)的方法计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数

s3：通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；

s4：对输出电脉冲进行计数，将所有正电子发射事件按照事件属性的不同进行累计；

s5：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值；

s6：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，求解得到每个体素的活度大小。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述读出光子信息脉冲数据集是指采用光子计数的方法读出每一个光子的时间信息，所采用的光电器件通常为具有光子事例分辨的能力，比如光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩型光电二极管等，可以获取正电子发射契连柯夫效应光子和正电子衰变发出的γ光子对以及其他γ光子的脉冲数据集。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述探测器的联合多属性似然函数是各个探测器单元多维数据样本的联合似然概率函数。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，采用时间和能量甄别的方式区别两种不同属性的正电子发射事件。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述契连柯夫单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。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者正电子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。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述γ光子对是指由正电子以上的契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述大规模的方程组的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述正电子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，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述重建契连柯夫事件既可采用解析的重建方法，也可采用迭代的重建方法。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述解析的重建方法代表方法有滤波反投影法(filteredback-projection，fbp)，即对投影数据p(s，θ)先进行斜波滤波，得到滤波后的数据q(s，θ)，再对滤波后的数据进行反投影，得到重建的图像f(x，y)，重建图像f(x，y)与滤波后的数据关系为

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述斜波滤波是先对投影数据p(s，θ)以s为变量作一维傅里叶变换，得到p(ω，θ)，然后使p(ω，θ)乘以斜坡滤波器的传递函数|ω|，得到q(ω，θ)，再对q(ω，θ)以ω为变量求一维傅里叶反变换，得到q(s，θ)。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述迭代的重建方法分为代数迭代和统计迭代。

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述代数迭代的代表方法有art(algebraicreconstructiontechnique)算法，其迭代过程公式为即

以上一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置中，所述统计迭代的代表方法有ml-em(利用求最大期望值来求最大似然函数)算法，其迭代公式为即

如图2所示，本发明公开的一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置，其中包括富质子同位素注入模块100、多辐射探测器模块200、多事例时间符合模块300、系统传递函数获取模块400和核素分布图像重建模块500，其中，

富质子同位素注入模块100，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物，富质子同位素注入模块100由富质子同位素送药模块110、标记化合物注射模块120、机械传动模块130和光密闭模块140构成：富质子同位素送药模块110用于对生物体稳定、自动地送入标记了富质子同位素的药物，药物经由富质子同位素送药模块110进入药物注射模块120；标记化合物注射模块120用于实时的控制注入生物活体内的示踪剂药物剂量，由推送装置和剂量测算装置构成；机械传动模块130用于控制生物活体在探测空间内外的送入和送出，由推送装置和支撑板构成；光密闭模块140用于对探测空间进行完全避光，剔除背景噪声对探测结果的影响；

多辐射探测器模块200，用于以多视角的方式实现对契连柯夫光子和伽马光子对的探测，多辐射探测器模块200由闪烁晶体模块210、光电转换模块220和读出电子学模块230构成：闪烁晶体模块210用于吸收伽马光子和契连柯夫光子，光子在闪烁晶体中沉积能量，转化为波长便于探测的可见光光子；光电转换模块220通过光电阴极收集可见光光子的能量，将其转换成电信号，并经过多个倍增极在短时间内对信号进行放大，输出给读出电子学模块230；读出电子学模块230用于对光电转换模块输出的电信号进行前置放大和复用处理，输出给多事例时间符合模块300；

多事例时间符合模块300，用于判断多光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在不同探测器的时间窗内有不少于5个单光子事件，多事例时间符合模块300由时间数字转换模块310、模拟数字转换模块320、高速传输模块330和光子事件属性封装模块340构成：时间数字转换模块310通过设定多个电压阈值，对输出的电信号进行电压-时间对采样，利用多个采样点对精确提取信号的时间信息；模拟数字转换模块320把输出的模拟电信号转换成数字信号，利于高速传输时抵抗各种干扰，并提取位置信息；高速传输模块330把处理得到的信号传输至现场可编程门阵列电路中进行计算；光子事件属性封装模块340对伽马事件和契连柯夫事件的属性分别进行封装，封装的内容包括电脉冲前沿的上升时间、光子能量；

系统传递函数获取模块400，用于获取系统的传递函数，一般可以采用实验和仿真的获得方式，仿真的获得方式采用数学仿真或蒙特卡洛仿真，系统传递函数获取模块400由材料设置模块410、假体设置模块420和数据反演模块430构成：材料设置模块410根据实际探测材料设置仿真的材料参数；假体设置模块420设置一定规格的假体模拟生物活体内的富质子同位素的分布；数据反演模块430对仿真所得数据进行反演计算，获得系统传递函数，输出给核素分布图像重建模块500；

核素分布图像重建模块500，用于将带有属性的正电子事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布，核素分布图像重建模块500由数据重排与校正模块510、数据预处理模块520和位置信息恢复模块530构成：数据重排与校正模块510提取时间和能量信息校正错误数据，将校正后的数据进行格式重排，转换成可直接读取格式；数据预处理模块520直接读取数据，通过滤波算法去除明显的噪声及干扰；位置信息恢复模块530根据预处理后的数据进行解析或迭代重建，恢复伽马事件和契连柯夫事件在生物活体内发生的位置。

一种契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置，其中：可见光光子探测器与伽马光子探测器均采用快速时间响应型光电转换器件，比如滨松光电倍增管r9800、光电倍增管r2248等。

通过几个具体的实施例，对本发明的契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法做进一步描述。本发明提出的的契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置和方法，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1.5m×1.5m×1.5m。射源为511kev的正电子湮灭γ光子18f-fdg。采用红光增强的硅光电倍增管作为契连柯夫光子探测的光敏元件.采用硅酸钇镥/光电倍增管/蓝紫光硅光电倍增管的闪烁探测器作为γ光子探测元件，具体构成如图7所示，探测器单元的组合采用环状结构；

步骤(2)采用正电子事件的角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)共7维信息作为属性值建立双粒子似然函数；

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，选通粒子计数；

步骤(4)采用直方图复原的方式，将计数值重排为正弦图的投影值；

步骤(5)采用matlab数学仿真的方式，获取系统传递函数；

步骤(6)采用解析的核素分布重建方法，直接绘出正电子的活度分布。

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0.15m×0.15m×0.15m。射源为511kev的正电子湮灭γ光子18f-fdg。采用红光增强的硅光电倍增管作为契连柯夫光子探测的光敏元件.采用溴化镧/蓝紫光硅光电倍增管的闪烁探测器作为γ光子探测元件，探测器单元的组合采用12平板结构；

步骤(2)采用正电子事件的角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)共7维信息作为属性值建立双粒子似然函数；

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，选通粒子计数；

步骤(4)采用列表数据的方式，无需对投影数据进行重排；

步骤(5)采用实验测量的方式，获取系统传递函数；

步骤(6)采用迭代的核素分布重建方法，直接绘出正电子的活度分布，满足最大后验准则。

本发明提供的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中。通过时间符合，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断正电子事件的时间和位置，比背景技术中的单视角或者电流电荷读出的契连柯夫成像方法的成像质量好，捕获的契连柯夫光子多。

本发明公开的契连柯夫事件与伽马事件符合成像方法中，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探测器模组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正电子事件发生的位置；对估计的契连柯夫事件的位置和时间进行重建，获得核素的分布。

通过采用本发明的契连柯夫事件与伽马事件符合成像装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。