本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理、光電信號(hào)處理和核探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種單光子時(shí)間分辨的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置。

背景技術(shù)：

探測(cè)器的準(zhǔn)直是一直是光學(xué)領(lǐng)域中最為基本且最為重要的方面，其重要性體現(xiàn)在探測(cè)器獲得被探測(cè)物的飛行方向、位置等重要方面。由于飛行方向和位置是被探測(cè)物或被探測(cè)粒子（包括費(fèi)米子和玻色子）的基本屬性，所以探測(cè)器的準(zhǔn)直或者準(zhǔn)直功能對(duì)于探測(cè)器來說是十分重要的。

已有的探測(cè)器準(zhǔn)直技術(shù)主要包括有單孔準(zhǔn)直技術(shù)和透鏡準(zhǔn)直技術(shù)。

單孔準(zhǔn)直技術(shù)即“小孔成像”故事中出現(xiàn)的準(zhǔn)直技術(shù)，其準(zhǔn)直原理是透過帶孔屏障的光線都經(jīng)過了孔（幾何上簡化為一個(gè)點(diǎn)），根據(jù)光線在均勻介質(zhì)中沿直線傳播的特點(diǎn)，在屏障后放置一個(gè)顯影片或者幕布，即可對(duì)待測(cè)的發(fā)光物體進(jìn)行顯像，完成了對(duì)射入光線的準(zhǔn)直。

透鏡準(zhǔn)直技術(shù)不同于單孔準(zhǔn)直技術(shù)，是利用透明介質(zhì)扭曲射入光線對(duì)發(fā)射的光線和光線束進(jìn)行準(zhǔn)直，其優(yōu)點(diǎn)在于獲取的光線立體角更大，因而探測(cè)效率更高。

以上兩種準(zhǔn)直方式一般工作在光強(qiáng)足夠的情形下，而對(duì)于光子數(shù)極為稀缺的情形，由于探測(cè)效率的限制，顯得不具有可用性。在某些生物體發(fā)光、切倫科夫發(fā)光和部分閃爍發(fā)光等機(jī)制中，單次事件的發(fā)射光子數(shù)在兩千個(gè)以內(nèi)，探測(cè)效率成為選擇探測(cè)方式中極為重要的因素。

因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要針對(duì)有限的光子數(shù)，提供一種新的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置，以克服上述缺陷，全面捕獲微弱發(fā)光事件的角度（2-D）、時(shí)間(1-D)、位置(3-D)、動(dòng)量(3-D)共9維信息。

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探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出一個(gè)發(fā)光事件的多個(gè)光子的電信號(hào)樣本，通過改進(jìn)準(zhǔn)直方式，減少或者緩解總光子數(shù)較少對(duì)探測(cè)或者成像帶來的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種探測(cè)器的準(zhǔn)直方法，其包括步驟：

S1：將多個(gè)探測(cè)孔式元胞組成探測(cè)面，覆蓋發(fā)光事件發(fā)出光子經(jīng)過的區(qū)域；`

S2：在每個(gè)孔式元胞的內(nèi)壁附上感光元件，感光元件能提供光子的擊中時(shí)間和感光位置；

S3：通過仿真或者實(shí)測(cè)，計(jì)算每個(gè)孔式元胞對(duì)光線射入角度的似然函數(shù)；

S4：通過最大化所有探測(cè)器的聯(lián)合位敏似然函數(shù)，估計(jì)粒子束的射入方向。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述發(fā)光事件是指存在光子或者其他粒子發(fā)射的物理現(xiàn)象。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述的單光子事件是單個(gè)光子擊中光電器件并被偵測(cè)到的事件。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述時(shí)間窗條件甄選是指多個(gè)單光子（不少于9個(gè)）事件在很短的時(shí)間窗內(nèi)（例如90 ns）發(fā)生，即認(rèn)為該多個(gè)單光子事件屬于同一次發(fā)光事件。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述光子在孔式元胞內(nèi)的相對(duì)位置是指光子在孔內(nèi)感光元件上的相對(duì)位置，這個(gè)相對(duì)位置和射線入射角度有直接的關(guān)系。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述發(fā)光事件發(fā)生的位置是指發(fā)光事件的發(fā)光中心。對(duì)于平行光素，發(fā)光的位置可以被認(rèn)為是無窮遠(yuǎn)處。因而可以認(rèn)為，上述準(zhǔn)直方法可以用來探測(cè)平行光。

優(yōu)選地，在上述的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述探測(cè)器的感光孔是指建造在探測(cè)器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定光子束的射入方向。

一種探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置，其中包括孔式元胞組合模塊、孔式元胞內(nèi)壁結(jié)構(gòu)模塊、孔式元胞光電模塊、元胞信息與計(jì)算模塊和方向估計(jì)模塊。

孔式元胞組合模塊，用于對(duì)組合各個(gè)孔式元胞，使孔式元胞組合成合理的探測(cè)面，朝向光源并依據(jù)光子的飛行方向，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。

孔式元胞內(nèi)壁結(jié)構(gòu)模塊，用于每個(gè)孔式元胞內(nèi)感光元件的支撐與固定。每一個(gè)孔式元胞內(nèi)的感光元件可以相同也可以不同，具體設(shè)置按照最大化似然函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的偶數(shù)階范數(shù)為參數(shù)的選定準(zhǔn)則。

孔式元胞光電模塊，用于將光子或其他飛入的粒子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通常為速度較快的光電器件。

元胞信息與計(jì)算模塊，用于從電信號(hào)的樣本中提取感興趣的時(shí)間位置信息。

方向估計(jì)模塊，用于估計(jì)射入光束的方向。

從上述技術(shù)方案可以看出，通過采用本發(fā)明的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置，能有效提高裝置的探測(cè)效率，特別適合于對(duì)弱光光束的探測(cè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）更高的探測(cè)效率：由于本方案中在光子接收的過程中沒有施加額外的媒介，因而沒有透鏡準(zhǔn)直的光子損耗；

（2）多視角全3D的探測(cè)器設(shè)計(jì)：一次掃描即可同時(shí)獲取超大視角的單光子信息，因而可以獲得比單孔準(zhǔn)直更大探測(cè)有效面積；

（3）超長聚焦和超大視野：由于多孔和孔內(nèi)多向的探測(cè)幾何，基于該種孔式元胞的設(shè)計(jì)具有超長的焦距和超大探測(cè)視野。

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(duì)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(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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)明探測(cè)器的準(zhǔn)直方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的由孔式元胞組成的探測(cè)器模塊。

圖4為本發(fā)明由孔式元胞探測(cè)器模塊組成的探測(cè)系統(tǒng)。

圖5為本發(fā)明多個(gè)孔式元胞時(shí)間窗甄選事件的示意圖。

圖6為本發(fā)明典型的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置的空間分辨率。

圖7為本發(fā)明典型的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置的30個(gè)發(fā)光事件的重建結(jié)果。

圖8為本發(fā)明的點(diǎn)狀測(cè)試假體。

圖9為本發(fā)明的線狀測(cè)試假體（橫排）。

圖10為發(fā)明的線狀測(cè)試假體（縱排）。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時(shí)間分辨的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置，該方法與裝置能有效地增大成像視野，提升探測(cè)器的探測(cè)效率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)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。基于本發(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(dòng)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)明公開的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置通過以孔式元胞采集單光子信號(hào)，再利用時(shí)間窗條件甄選和估計(jì)理論甄別出發(fā)光光束的角度，具體的方法步驟為：

S1：將多個(gè)探測(cè)孔式元胞組成探測(cè)面，覆蓋發(fā)光事件發(fā)出光子經(jīng)過的區(qū)域；`

S2：在每個(gè)孔式元胞的內(nèi)壁附上感光元件，感光元件能提供光子的擊中時(shí)間和感光位置；

S3：通過仿真或者實(shí)測(cè)，計(jì)算每個(gè)孔式元胞對(duì)光線射入角度的似然函數(shù);

S4：通過最大化所有探測(cè)器的聯(lián)合位敏似然函數(shù)，估計(jì)粒子束的射入方向。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述發(fā)光事件是指單個(gè)放射性同位素原子核發(fā)射帶電粒子在介質(zhì)中發(fā)生切倫科夫效應(yīng)。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述發(fā)光事件是指存在光子或者其他粒子發(fā)射的物理現(xiàn)象。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述的單光子事件是單個(gè)光子擊中光電器件并被偵測(cè)到的事件。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述時(shí)間窗條件甄選是指多個(gè)單光子（不少于9個(gè)）事件在很短的時(shí)間窗內(nèi)（例如90 ns）發(fā)生，即認(rèn)為該多個(gè)單光子事件屬于同一次發(fā)光事件。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述光子在孔式元胞內(nèi)的相對(duì)位置是指光子在孔內(nèi)感光元件上的相對(duì)位置，這個(gè)相對(duì)位置和射線入射角度有直接的關(guān)系。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述發(fā)光事件發(fā)生的位置是指發(fā)光事件的發(fā)光中心。對(duì)于平行光素，發(fā)光的位置可以被認(rèn)為是無窮遠(yuǎn)處。因而可以認(rèn)為，上述準(zhǔn)直方法可以用來探測(cè)平行光。

以上探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中，所述探測(cè)器的感光孔是指建造在探測(cè)器底座上的孔狀幾何，這些孔用于確定光子束的射入方向。

如圖2所示，本發(fā)明公開的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置，其中包括孔式元胞組合模塊100、孔式元胞內(nèi)壁結(jié)構(gòu)模塊200、孔式元胞光電模塊300、元胞信息與計(jì)算模塊400和方向估計(jì)模塊500，具體為：

孔式元胞組合模塊100，用于對(duì)組合各個(gè)孔式元胞，使孔式元胞組合成合理的探測(cè)面，朝向光源并依據(jù)光子的飛行方向，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化；

孔式元胞內(nèi)壁結(jié)構(gòu)模塊200，用于每個(gè)孔式元胞內(nèi)感光元件的支撐與固定。每一個(gè)孔式元胞內(nèi)的感光元件可以相同也可以不同，具體設(shè)置按照最大化似然函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的偶數(shù)階范數(shù)為參數(shù)的選定準(zhǔn)則；

孔式元胞光電模塊300，用于將光子或其他飛入的粒子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通常為速度較快的光電器件；

元胞信息與計(jì)算模塊400，用于從電信號(hào)的樣本中提取感興趣的時(shí)間位置信息；

方向估計(jì)模塊500，用于估計(jì)射入光束的方向。

如圖3、圖4及圖10所示，圖3為本發(fā)明的由孔式元胞組成的探測(cè)器模塊，圖4為本發(fā)明由孔式元胞探測(cè)器模塊組成的探測(cè)系統(tǒng)，圖5為本發(fā)明多個(gè)孔式元胞時(shí)間窗甄選事件的示意圖，圖6為本發(fā)明典型的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置的空間分辨率，圖7為本發(fā)明典型的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置的30個(gè)發(fā)光事件的重建結(jié)果，圖8為本發(fā)明的點(diǎn)狀測(cè)試假體，圖9為本發(fā)明的線狀測(cè)試假體（橫排），圖10為發(fā)明的線狀測(cè)試假體（縱排）。結(jié)合圖3、圖4及圖5，通過幾個(gè)具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置做進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、時(shí)間窗條件甄選處理需要根據(jù)與獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到良好的切倫科夫輻射分辨性能和較短的脈沖持續(xù)時(shí)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1.45m×1.45m×1.45m。射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG；

步驟（2）采用紅光增強(qiáng)的硅光電倍增管，探測(cè)器采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（3）符合時(shí)間約為9ns，符合判斷采用離線式的時(shí)間窗條件甄選處理；

步驟（4）采用解析的光子束重建方法，直接繪出光束的時(shí)間和方向。

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1.8m×1.8m×1.8m。光源為活體熒光蛋白的微弱光源，每秒發(fā)光事件為500次，每次發(fā)光產(chǎn)生900個(gè)光子；

步驟（2）采用紅光增強(qiáng)的光電倍增管，探測(cè)器采用平板結(jié)構(gòu)；

步驟（3）符合時(shí)間約為9ns，符合判斷采用離線式的時(shí)間窗條件甄選處理；

步驟（4）采用迭代的光子束重建方法，繪出光束的時(shí)間和方向前迭代了50次。

本發(fā)明的方法和裝置可以用于生物醫(yī)學(xué)成像中的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以用于工業(yè)檢測(cè)、國防、能源等重要領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的探測(cè)器的準(zhǔn)直方法中。通過時(shí)間窗條件甄選，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(duì)位置判斷發(fā)光事件的時(shí)間和射入角度，比背景技術(shù)中的單孔準(zhǔn)直和透鏡準(zhǔn)直的探測(cè)效率高，視野范圍廣。

通過采用本發(fā)明的探測(cè)器的準(zhǔn)直裝置，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，特別適合于小動(dòng)物等成像深度要求不高的活體成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）更高的探測(cè)效率：由于本方案中在光子接收的過程中沒有施加額外的媒介，因而沒有透鏡準(zhǔn)直的光子損耗；

（2）多視角全3D的探測(cè)器設(shè)計(jì)：一次掃描即可同時(shí)獲取超大視角的單光子信息，因而可以獲得比單孔準(zhǔn)直更大探測(cè)有效面積；

（3）超長聚焦和超大視野：由于多孔和孔內(nèi)多向的探測(cè)幾何，基于該種孔式元胞的設(shè)計(jì)具有超長的焦距和超大探測(cè)視野。

對(duì)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(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)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(gè)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。