一种契连柯夫辐射探测器和探测方法与流程

本发明涉及光电信号处理、辐射探测系统和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器和探测方法。

背景技术：

正电子在射出富质子核素之后，湮灭之前会运动一段时间。在这段时间内，如果其释放出的高能带电粒子在介质中的速度高于光在该介质中的速度，则会在原有放射性信号的基础上产生额外的光学信号。探测放射性核素基于这种效应产生的可见光和近红外光的装置被称为契连柯夫辐射探测器。已有的契连柯夫探测器，主要是高速的光电探测器单元，在读出契连柯夫事件的位置信息和能量信息方面十分欠缺，例如在阿尔法磁谱仪上的契连柯夫计数器，其方向是通过其他粒子探测器来进行捕获的。如果辐射事件发出的事件数较少，或者没有其他的粒子被探测到，契连柯夫事件的方向信息将很难被捕获，极大地限制了契连柯夫辐射在生物、医学、国防、工业上的应用和推广。

因此，针对上述问题，有必要针对契连柯夫光子及其辐射系统，提供一种新的契连柯夫辐射探测器和探测方法，以克服上述缺陷。全面捕获单个契连柯夫辐射事件的角度(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：

(一)解决的技术问题

本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提供了一种契连柯夫辐射探测器和探测方法，该器件与方法能有效地读出一个契连柯夫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。

(二)技术方案

一种契连柯夫辐射探测器，其中,该探测器包括：光电探测器模块、多事例时间符合模块和契连柯夫事件估计模块，探测器一端固定设置有光电探测器模块，探测器中部固定设置有多事例时间符合模块，光电探测器模块与多事例时间符合模块通过通讯线电性连接，多事例时间符合模块与契连柯夫事件估计模块通过通讯线电性连接。

一种契连柯夫辐射探测器，其中：光电探测器模块采用多视角的方式实现对契连柯夫光子的探测，探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件。所采用的光电器件通常为具有光子事例分辨的能力的光电器件，比如光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩型光电二极管。

一种契连柯夫辐射探测器，其中：光电探测器模块包括高能光子转换模块、光电转换模块和读出电子学模块，光电探测器模块一端固定设置有高能光子转换模块，光电探测器模块中部固定设置有光电转换模块，光电探测器模块另一端固定设置有读出电子学模块，高能光子转换模块信号输出端与光电转换模块信号输入端通过通讯线电性连接，光电转换模块信号输出端与读出电子学模块通过通讯线电性连接。

一种契连柯夫辐射探测器，其中：多事例时间符合模块包括时间数字转换模块、模拟数字转换模块、高速传输模块和帧封装模块，多事例时间符合模块顶部固定设置有时间数字转换模块，时间数字转换模块顶部固定设置有时间数字转换模块，时间数字转换模块顶部固定设置有模拟数字转换模块，模拟数字转换模块底部一侧固定设置有高速传输模块，时间数字转换模块模拟信号输入端与读出电子学模块信号输出端电性连接，时间数字转换模块信号输出端与高速传输模块信号输入端电性连接；模拟数字转换模块模拟信号输入端与读出电子学模块信号输出端电性连接，模拟数字转换模块信号输出端与高速传输模块信号输入端通过信号线电性连接，多事例时间符合模块内部一侧固定设置有帧封装模块，高速传输模块信号输出端与帧封装模块信号输入端电性连接。

一种契连柯夫辐射探测器，其中：契连柯夫事件估计模块内嵌有数据重排模块、数据预处理模块和契连柯夫事件属性恢复模块和显示模块，数据重排模块信号输入端与帧封装模块信号输出端通过信号线电性连接，数据重排模块信号输出端与数据预处理模块通过信号线电性相连，契连柯夫事件属性恢复模块信号输入端与数据预处理模块电性连接，契连柯夫事件属性恢复模块信号输出端与显示模块信号输入端电性连接。

一种契连柯夫辐射探测方法，其包括步骤：

契连柯夫辐射探测对发出的契连柯夫光子进行光子计数并读出每一个光子的时间信息，契连柯夫辐射事件的判定由多个感光孔中的读出光子时间符合而定，具体是在很短的时间窗有不少于20个通道的单契连柯夫光子击中探测器模组，契连柯夫事件的位置信息由感光孔内读出的相对位置进行重建。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述契连柯夫光子是在正电子湮灭产生的γ光子对超光速运行时产生，与正电子湮灭位置可近似为同一个位置。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，建立的希尔伯特空间h上的契连柯夫模式的正电子成像系统的契连柯夫光子发射和输运模型为：其中r∈ω，t∈[0,t]，φ(r,0)＝φ0(r)。其中r表示空间三维向量；t表示时间；ω为空间向量可行域；φ(r,t)代表光子流率，即单位时间内通过单位面积上的总功率，是与方向无关的标量，且是一个随机过程；c为光在相应介质中的速度，且是常量；μa为吸收系数；为漫射系数，μs为生物组织散射系数，g为各向异性参数；b(r,t)表示内部光源密度；wt为概率空间上的协方差算子为q的维纳(wiener)过程，q为一对称的非负的希尔伯特空间h上迹类算子。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述的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。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述时间符合是指不少于20个单光子事件在时间窗内发生，即认为这多个单光子事件属于同一次契连柯夫单事件。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述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。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述探测器采用的光电器件通常为具有光子事例分辨的能力的光电器件，比如光电倍增管、硅光电倍增管、雪崩型光电二极管。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，所述迭代的重建方法分为代数迭代和统计迭代。

优选地，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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，在上述的契连柯夫辐射探测方法中，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

一种契连柯夫辐射探测器，其中包括光电探测器模块、多事例时间符合模块和契连柯夫事件估计模块，其中，

光电探测器模块，用于以多视角的方式实现对契连柯夫光子的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取契连柯夫事件的角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)共7维信息；高能光子转换模块用于多角度的接收高能光子，把高能光子转换成可见光和软紫外光光子；光电转换模块用于收集可见光和软紫外光光子，使其转化为电信号并进行倍增放大，输出模拟电信号；读出电子学模块用于提取单脉冲事件的信息。

多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次契连柯夫事件，判断的标准具体是在很短的时间窗有不少于20个通道的单契连柯夫光子击中探测器模组；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；帧封装模块对信号进行抓包，提取在时间窗内的信号对，记录为符合事件并封装成数据包。

契连柯夫事件估计模块，用于将符合的单光子信息重建成契连柯夫事件的属性；数据重排模块将封装后的数据包进行格式重排，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；契连柯夫事件属性恢复模块根据预处理后的数据里蕴含的时间和位置信息，恢复契连柯夫事件发生的位置。

其中通过安放光电探测器阵列，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，然后通过多事例事件符合模块对读到的时间进行时间符合，通过光子在感光孔内的位置利用契连柯夫事件估计模块来估计契连柯夫事件发生的位置。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的契连柯夫辐射探测器和探测方法，能有效提高器件的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于植物等成像深度要求不高的活体成像。

(三)有益效果

本发明的优点在于：

无透镜设计，接收到的契连柯夫光子数多，进而可以获得较高的图像信噪比；

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

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；

全事件读出设计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)。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为本发明单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测方法的流程图；

图2为本发明单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器的器件结构示意图；

图3为本发明单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器的模块连接示意图；

图4为本发明的契连柯夫辐射探测器的位置计算示意图；

图5为本发明契连柯夫辐射产生机制示意图；

图6为本发明契连柯夫探测器探测到的典型的光子强度图；

图7为本发明契连柯夫探测器探测到的位置谱；

图8为本发明典型的契连柯夫辐射探测器的30个契连柯夫事件的重建结果；

图9为本发明剖面一的测试假体的重建结果；

图10为本发明剖面二的测试假体的重建结果；

图11为本发明剖面三的测试假体的重建结果。

附图标记：光电探测器模块100、高能光子转换模块110、光电转换模块120、读出电子学模块、多事例时间符合模块200、时间数字转换模块210、模拟数字转换模块220、高速传输模块230、帧封装模块240、契连柯夫事件估计模块300、数据重排模块310、数据预处理模块320、契连柯夫事件属性恢复模块330、显示模块340。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，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，本发明公开的单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器和探测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，具体的方法步骤为：

契连柯夫辐射探测对发出的契连柯夫光子进行光子计数并读出每一个光子的时间信息，契连柯夫辐射事件的判定由多个感光孔中的读出光子时间符合而定，具体是在很短的时间窗有不少于20个通道的单契连柯夫光子击中探测器模组，契连柯夫事件的位置信息由感光孔内读出的相对位置进行重建。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，建立的希尔伯特空间h上的契连柯夫模式的正电子成像系统的契连柯夫光子发射和输运模型为：其中r∈ω，t∈[0,t]，φ(r,0)＝φ0(r)。其中r表示空间三维向量；t表示时间；ω为空间向量可行域；φ(r,t)代表光子流率，即单位时间内通过单位面积上的总功率，是与方向无关的标量，且是一个随机过程；c为光在相应介质中的速度，且是常量；μa为吸收系数；为漫射系数，μs为生物组织散射系数，g为各向异性参数；b(r,t)表示内部光源密度；wt为概率空间上的协方差算子为q的维纳(wiener)过程，q为一对称的非负的希尔伯特空间h上迹类算子。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，所述的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。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，所述时间符合具体是在很短的时间窗有不少于20个通道的单契连柯夫光子击中探测器模组，即认为这多个单光子事件属于同一次契连柯夫单事件。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，所述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。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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)。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，所述迭代的重建方法分为代数迭代和统计迭代。

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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

以上单光子时间分辨的契连柯夫辐射探测器中，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和图3所示，本发明公开的一种契连柯夫辐射探测器，包括光电探测器模块100、多事例时间符合模块200和契连柯夫事件估计模块300，其中，

光电探测器模块100由高能光子转换模块110、光电转换模块120和读出电子学模块130构成，用于以多视角的方式实现对契连柯夫光子的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取契连柯夫事件的角度(2-d)、时间(1-d)、位置(3-d)、能量(1-d)共7维信息，其中高能光子转换模块110，用于多角度的接收高能光子，把高能光子转换成可见光和软紫外光光子，光电转换模块120，用于收集可见光和软紫外光光子，使其转化为电信号并进行倍增放大，输出模拟电信号，读出电子学模块130，用于提取单脉冲事件的信息；

多事例时间符合模块200由时间数字转换模块210、模拟数字转换模块220、高速传输模块230和帧封装模块240构成，用于判断多光子事件是否属于一次契连柯夫事件，判断的标准具体是在很短的时间窗有不少于20个通道的单契连柯夫光子击中探测器模组，其中时间数字转换模块210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220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230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，帧封装模块240对信号进行抓包，提取在时间窗内的信号对，记录为符合事件并封装成数据包；

契连柯夫事件估计模块300由数据重排模块310、数据预处理模块320、契连柯夫事件属性恢复模块330构成，用于将符合的单光子信息重建成契连柯夫事件的属性，其中数据重排模块310将封装后的数据包进行格式重排，转换成可直接读取格式，数据预处理模块320直接读取数据，通过滤波算法去除明显的噪声及干扰，契连柯夫事件属性恢复模块330根据预处理后的数据里蕴含的时间和位置信息，恢复契连柯夫事件发生的位置，显示模块340用于显示契连柯夫事件发生的位置构成的二维位置谱。

其中通过安放光电探测器阵列，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，然后通过多事例事件符合模块200对读到的时间进行时间符合，通过光子在感光孔内的位置利用契连柯夫事件估计模块300来估计契连柯夫事件发生的位置。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤(1)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)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(3)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)采用红光增强的光电倍增管，探测器采用平板结构；

步骤(2)探测器时间窗的符合时间约为10ns，符合判断采用在线式的时间符合处理；

步骤(3)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。

本发明提供的契连柯夫辐射探测方法中。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契连柯夫事件的时间和位置，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辐射探测方法中，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。通过比对可以看出，通过采用本发明的契连柯夫辐射探测器和探测方法，能有效提高器件的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于植物等成像深度要求不高的活体成像。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。