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輻射成像方法與系統(tǒng)。

背景技術：

切倫科夫輻射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。光學成像系統(tǒng)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，切倫科夫輻射探測也可發(fā)展為一種典型的分子影像成像方式。

除開切倫科夫成像方法以外，還存在SPECT（單光子發(fā)射斷層成像）、PET（正電子發(fā)射斷層成像）等分子影像方法。然而，SPECT和PET所采用的標記方法是高能射線標記。需要采用高密度的閃爍體將高能光子轉化為可見光光子，因而具有較高的造價。

而現(xiàn)有的切倫科夫成像系統(tǒng)由于采用透鏡設計，其探測效率低，成像時間長，靈敏度不如現(xiàn)有的PET成像。

因此，針對上述技術問題，有必要針對能夠獲取的切倫科夫事件信息，提供一種新的切倫科夫輻射成像方法與系統(tǒng)，以克服上述缺陷。全面捕獲單個切倫科夫輻射事件的中心角度（2-D）、展寬角度（4-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、動量(3-D)共13維信息。

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輻射成像方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)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，增大重構圖像信噪比，避免基線漂移對讀出信號的影響。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種切倫科夫輻射成像方法，其包括步驟：

S1：注入可發(fā)射帶電粒子的同位素；

S2：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；

S3：對讀到的切倫科夫光子進行時間符合；

S4：通過光子在孔內的相對位置來估計切倫科夫事件發(fā)生的位置；

S5：在通過多光子的能量、角度展寬進行判選，觸發(fā)后再從切倫科夫事件的電脈沖集合中獲取角度、動量等其他感興趣的信息。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，所述切倫科夫單事件是指單個放射性同位素原子核發(fā)射帶電粒子在介質中發(fā)生切倫科夫效應的事件。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，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，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，所述時間符合是指多個單光子（不少于7個）事件在很短的時間內（例如70 ns）發(fā)生，即認為這多個單光子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，所述光子在孔內的相對位置是指光子在探測器模組孔內的相對位置，這個相對位置決定于射線入射角度。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，所述切倫科夫事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時核素在生物體中的位置，不同位置射入探測器的感光孔的相對位置不同。

優(yōu)選地，在上述的切倫科夫輻射成像方法中，所述探測器的感光孔是指建造在探測器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定切倫科夫輻射發(fā)生的位置。

一種切倫科夫輻射成像系統(tǒng)，其中包括同位素注入模塊、光電探測器模塊、多事例時間符合模塊、切倫科夫事件估計模塊和核素分布圖像重建模塊，其中，

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進行標記，其主要內容是屏蔽生物體以外的背景光，并使生物體帶有可以發(fā)光的標記物；

光電探測器模塊，用于以多視角的方式實現(xiàn)對切倫科夫光子的探測。探測器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光電器件，用以獲取切倫科夫事件的中心角度（2-D）、展寬角度（4-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、動量(3-D)共13維信息；

多事例時間符合模塊，用于判斷多光子事件是否屬于一次切倫科夫事件，判斷的標準是在較短的時間窗（例如7 ns）內有多個單光子事件（不少于7個）；

切倫科夫事件估計模塊，用于將符合的單光子信息重建成切倫科夫事件的屬性。

核素分布圖像重建模塊，用于將帶有屬性的切倫科夫事件集合重建成某一時刻的放射性活度分布。

從上述技術方案可以看出，通過采用本發(fā)明的切倫科夫輻射成像方法與系統(tǒng)，能有效提高系統(tǒng)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）無透鏡設計，接收到的切倫科夫光子數(shù)多，進而可以獲得較高的圖像信噪比；

（2）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；

（3）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；

（4）全事件讀出設計可以全面的讀出切倫科夫事件豐富的多維信息：中心角度（2-D）、展寬角度（4-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、動量(3-D)等，具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號衍生出的事件屬性。

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)明的切倫科夫輻射成像方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。

圖3為本發(fā)明的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)響應線的似然函數(shù)分布。

圖4為本發(fā)明圓環(huán)型單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)。

圖5為本發(fā)明典型的雙重事件符合示意圖。

圖6為本發(fā)明典型的Derenzo假體剖面圖。

圖7為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照切倫科夫光子數(shù)據(jù)重建的剖面圖。

圖8為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照伽瑪光子數(shù)據(jù)重建的剖面圖。

圖9為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照雙重光子事件數(shù)據(jù)重建的剖面圖。

圖10為本發(fā)明平板型單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)。

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輻射成像方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)事件到達時間的標記，提升模塊及系統(tǒng)的時間分辨率。

下面將結合本發(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?；诒景l(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輻射成像方法與系統(tǒng)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：注入可發(fā)射帶電粒子的同位素；

S2：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；

S3：對讀到的切倫科夫光子進行時間符合；

S4：通過光子在孔內的相對位置來估計切倫科夫事件發(fā)生的位置；

S5：在通過多光子的能量、角度展寬進行判選，觸發(fā)后再從切倫科夫事件的電脈沖集合中獲取角度、動量等其他感興趣的信息。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)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)射帶電粒子在介質中發(fā)生切倫科夫效應的事件。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)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輻射成像系統(tǒng)中，所述時間符合是指多個單光子（不少于7個）事件在很短的時間內（例如70 ns）發(fā)生，即認為這多個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輻射成像系統(tǒng)中，所述光子在孔內的相對位置是指光子在探測器模組孔內的相對位置，這個相對位置決定于射線入射角度。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)中，所述切倫科夫事件發(fā)生的位置是指核素發(fā)射帶電粒子時核素在生物體中的位置，不同位置射入探測器的感光孔的相對位置不同。

以上單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)中，所述探測器的感光孔是指建造在探測器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定切倫科夫輻射發(fā)生的位置。

如圖2所示，本發(fā)明公開的單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)，其包括同位素注入模塊100、光電探測器模塊200、多事例時間符合模塊300、切倫科夫事件估計模塊400及核素分布圖像重建模塊500，其中，

同位素注入模塊100，用于對生物體注入同位素，并保持成像環(huán)境的低背景光和安靜；

光電探測器模塊200，用于讀出各個光子事件的時間和產(chǎn)生電信號的幅值；

多事例時間符合模塊300，用于對多個通道產(chǎn)生的光子事件進行時間符合判定，具體為滿足多個光子事件都發(fā)生在很短的時間內這一條件時，這一簇光子被認為是一次時間符合；

切倫科夫事件估計模塊400，以時間符合的光子屬性為輸入，由各個孔內的光子分布重建切倫科夫事件的發(fā)生位置；

核素分布圖像重建模塊500，由多個切倫科夫事件重建核素的分布。

圖1為本發(fā)明的切倫科夫輻射成像方法的流程圖。圖2為本發(fā)明的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。圖3為本發(fā)明的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)響應線的似然函數(shù)分布。圖4為本發(fā)明圓環(huán)型單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)。圖5為本發(fā)明典型的雙重事件符合示意圖。圖6為本發(fā)明典型的Derenzo假體剖面圖。圖7為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照切倫科夫光子數(shù)據(jù)重建的剖面圖。圖8為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照伽瑪光子數(shù)據(jù)重建的剖面圖。圖9為本發(fā)明典型的Derenzo假體按照雙重光子事件數(shù)據(jù)重建的剖面圖。圖10為本發(fā)明平板型單光子時間分辨的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)。結合圖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輻射成像方法與系統(tǒng)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輻射成像方法與系統(tǒng)，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）所用的實際系統(tǒng)為使用暗箱尺寸為1.7m×1.6m×1.7m。射源為電子束，將電子束射向生物體后，可發(fā)生切倫科夫輻射效應；

步驟（2）采用紅光增強的硅光電倍增管，探測器采用全封閉球殼結構；

步驟（3）符合時間約為7 ns，符合判斷采用離線式的時間符合處理；

步驟（4）采用蒙特卡洛建模方法，獲得每個探測孔的概率密度函數(shù)；

步驟（5）采用解析的核素分布重建方法，直接繪出切倫科夫的時間和位置。

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）所用的實際系統(tǒng)為使用暗箱尺寸為1.7m×1.8m×1.8m。射源為511kev的124I-NaI；

步驟（2）采用全數(shù)字光電倍增管，探測器采用平板結構；

步驟（3）符合時間約為10 ns，符合判斷采用在線式的時間符合處理；

步驟（4）采用實驗數(shù)據(jù)擬合方法，獲得每個探測孔的概率密度函數(shù)；

步驟（5）采用迭代的核素分布重建方法，逼近式繪出切倫科夫的時間和位置，迭代的終止準則為圖像的平均抖動小于1000個計數(shù)。

本發(fā)明的方法和系統(tǒng)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)明提供的切倫科夫輻射成像方法中。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的相對位置判斷切倫科夫事件的時間和位置，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量好，捕獲的切倫科夫光子多。

本發(fā)明公開的切倫科夫輻射成像方法中，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。

通過采用本發(fā)明的切倫科夫輻射成像系統(tǒng)，能有效提高系統(tǒng)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）無透鏡設計，接收到的切倫科夫光子數(shù)多，進而可以獲得較高的圖像信噪比；

（2）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；

（3）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；

（4）全事件讀出設計可以全面的讀出切倫科夫事件豐富的多維信息：中心角度（2-D）、展寬角度（4-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、動量(3-D)等，具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號衍生出的事件屬性。

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的所有變化囊括在本發(fā)明內。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。