本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理、光電信號處理和輻射探測領(lǐng)域，尤其涉及一種帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置。

背景技術(shù)：

帶電發(fā)射衰變（Charged Particles Emitting Decay）是伴隨帶電微粒發(fā)射的衰變事件。由于速度大于介質(zhì)中相速度的帶電粒子將輻射出可見光光子、近紅外光光子和軟紫外光光子，這種效應(yīng)被稱為切倫科夫效應(yīng)，發(fā)射的光子被稱為切倫科夫光子。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(gòu)成一種新型的成像方法，在光學(xué)成像和多模醫(yī)學(xué)成像中有廣泛的應(yīng)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(zhì)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(xué)成像裝置可以對這些放射性同位素進行在體醫(yī)學(xué)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。

基于單視角裝置的切倫科夫成像裝置定量表征的是核素發(fā)光的平面分布圖，不能描述核素發(fā)光在生物體內(nèi)的深度信息。為此，Antonello E Spinelli 等(phys. Med. Sci.,2010, 55:483-495) 采用多光譜技術(shù)估計光源的深度信息，但其本質(zhì)仍然是單視角成像。僅僅是從多個2D影像重構(gòu)3D影像，而沒有在根源上讀出帶電發(fā)射衰變事件的多維信息。雖然能夠在一定程度上獲取切倫科夫輻射的深度信息，卻不能反映核素發(fā)光的角度信息和時間信息。

Changqing Li(opt. lett.,2010, 35:1109-1111) 對切倫科夫輻射的光子傳輸進行了建模，并提出了斷層成像的概念，實現(xiàn)了均勻介質(zhì)模型下的3D斷層重建。但其根源仍然是沒有充分發(fā)掘切倫科夫輻射單事件豐富的角度、時間、位置、能量信息。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要針對能夠獲取的單光子時間信息，提供一種新的帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置，以克服上述缺陷。全面捕獲單個帶電發(fā)射衰變事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地讀出帶電發(fā)射衰變的原始信息，通過多維信息處理，剔除不感興趣的背景事件，重構(gòu)出帶電發(fā)射衰變的發(fā)生時間和位置，避免目標(biāo)以外的其他種類事件的干擾。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種帶電發(fā)射衰變的探測方法，其包括步驟：

S1：獲得帶電微粒發(fā)射切倫科夫效應(yīng)光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）；

S2: 獲得衰變發(fā)出的其他粒子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S3：計算每個時間段樣本的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過計算該時間段的聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)片段否是來自于一個帶電微粒發(fā)射事件。

優(yōu)選地，在上述的帶電發(fā)射衰變的探測方法中，所述帶電發(fā)射衰變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(zhì)中發(fā)生切倫科夫效應(yīng)輻射，并輻射出其他粒子的事件。

優(yōu)選地，在上述的帶電發(fā)射衰變的探測方法中，所述時間符合是指多個單粒子（不少于8個）事件在很短的時間內(nèi)（例如1 ms）發(fā)生，即認為這多個單粒子事件屬于同一次切倫科夫單事件。

優(yōu)選地，在上述的帶電發(fā)射衰變的探測方法中，所述帶電發(fā)射衰變事件發(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單元的相對位置不同。

一種帶電發(fā)射衰變的探測裝置，包括切倫科夫探測器模塊、其他粒子數(shù)據(jù)探測模塊、聯(lián)合似然概率計算模塊、衰變事件屬性甄選模塊，其中，

切倫科夫探測器模塊，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(shè)計采用孔狀的探測幾何和單光子響應(yīng)時間較快的光電器件，用以獲取帶電發(fā)射衰變事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

其他粒子數(shù)據(jù)探測模塊，用于判斷多光子事件是否屬于一次帶電發(fā)射衰變事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如1 ms）內(nèi)有多個單光子事件（不少于8個）；

聯(lián)合似然概率計算模塊，用于將符合的單光子信息重建成帶電發(fā)射衰變事件的屬性；

衰變事件屬性甄選模塊，用于將帶有屬性的帶電發(fā)射衰變事件集合重建成某一時刻的放射性活度分布。

從上述技術(shù)方案可以看出，通過采用本發(fā)明的帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置，能實現(xiàn)對帶電發(fā)射衰變事件的有效偵測，在生物醫(yī)學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）無透鏡設(shè)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(shè)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(shè)計，有利于降低成像的背景噪聲；

（4）全事件讀出設(shè)計可以全面的讀出帶電發(fā)射衰變事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號。

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(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(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)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)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)明帶電發(fā)射衰變的探測方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明帶電發(fā)射衰變的探測裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的帶電發(fā)射衰變的通道甄選機制。

圖4為本發(fā)明帶電發(fā)射衰變的探測裝置及其活度曲線。

圖5為本發(fā)明典型的用于探測切倫科夫光子的光電倍增管示意圖。

圖6為本發(fā)明典型的帶電發(fā)射衰變的探測裝置的空間分辨率。

圖7為本發(fā)明典型的測試假體。

圖8為本發(fā)明中采用其它粒子數(shù)據(jù)的重建結(jié)果。

圖9為本發(fā)明中采用切倫科夫數(shù)據(jù)的重建結(jié)果。

圖10為本發(fā)明中同時綜合兩種數(shù)據(jù)并采用極大似然方法的重建結(jié)果。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置，該方法與裝置能有效地實現(xiàn)事件到達時間的標(biāo)記，提升模塊及裝置的時間分辨率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)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(lǐng)域普通技術(shù)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帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置通過以事件的數(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帶電發(fā)射衰變事件的位置，具體的方法步驟為：

S1：獲得帶電微粒發(fā)射切倫科夫效應(yīng)光子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀中的一種或者幾種）；

S2: 獲得衰變發(fā)出的其他粒子的脈沖數(shù)據(jù)集（時間、位置、波長、脈沖形狀的一種或者幾種）；

S3：計算每個時間段樣本的聯(lián)合似然概率函數(shù)；

S4：通過計算該時間段的聯(lián)合多屬性似然函數(shù)判斷當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)片段否是來自于一個帶電微粒發(fā)射事件。

以上單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，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(zhì)中發(fā)生切倫科夫效應(yīng)。。

以上單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，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帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，所述時間符合是指多個單光子（不少于8個）事件在很短的時間內(nèi)（例如1 ms）發(fā)生，即認為這多個單光子事件屬于同一次帶電發(fā)射衰變事件。

以上單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，所述光子在孔內(nèi)的相對位置是指光子在探測器模組孔內(nèi)的相對位置，這個相對位置和射線入射角度有直接的關(guān)系。

以上單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，所述帶電發(fā)射衰變事件發(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帶電發(fā)射衰變的探測裝置中，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)明公開的一種帶電發(fā)射衰變的探測裝置，包括切倫科夫探測器模塊100、其他粒子數(shù)據(jù)探測模塊200、聯(lián)合似然概率計算模塊300、衰變事件屬性甄選模塊400，其中，

切倫科夫探測器模塊100，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(shè)計采用孔狀的探測幾何和單光子響應(yīng)時間較快的光電器件，用以獲取帶電發(fā)射衰變事件的角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7維信息；

其他粒子數(shù)據(jù)探測模塊200，用于判斷多光子事件是否屬于一次帶電發(fā)射衰變事件，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在較短的時間窗（例如1 ms）內(nèi)有多個單光子事件（不少于8個）；

聯(lián)合似然概率計算模塊300，用于將符合的單光子信息重建成帶電發(fā)射衰變事件的屬性；

衰變事件屬性甄選模塊400，用于將帶有屬性的帶電發(fā)射衰變事件集合重建成某一時刻的放射性活度分布。

圖3為本發(fā)明的帶電發(fā)射衰變的通道甄選機制。圖4為本發(fā)明帶電發(fā)射衰變的探測裝置及其活度曲線。圖5為本發(fā)明典型的用于探測切倫科夫光子的光電倍增管示意圖。圖6為本發(fā)明典型的帶電發(fā)射衰變的探測裝置的空間分辨率。圖7為本發(fā)明典型的測試假體。圖8為本發(fā)明中采用其它粒子數(shù)據(jù)的重建結(jié)果。圖9為本發(fā)明中采用切倫科夫數(shù)據(jù)的重建結(jié)果。圖10為本發(fā)明中同時綜合兩種數(shù)據(jù)并采用極大似然方法的重建結(jié)果。結(jié)合圖3、圖4及圖5，通過幾個具體的實施例，對本發(fā)明單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置做進一步描述。本發(fā)明提出的單光子時間分辨的帶電發(fā)射衰變的探測方法與裝置，其涉及到的參數(shù)、探測幾何設(shè)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(diào)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(yīng)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）所用的實際裝置為使用暗箱尺寸為1.8m×1.8m×1.8m，射源為511kev的正電子湮滅伽馬光子18F-FDG，被測物體為灌滿FDG的圓柱形假體，采用紅光增強的位置敏感型光電倍增管，探測器采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

步驟（2）符合時間約為8 ns，符合判斷采用離線式的時間能量符合處理；

步驟（3）采用解析的帶電發(fā)射衰變事件重建方法，直接繪出帶電發(fā)射事件的時間和位置；

步驟（4）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(yīng)用實例2處理數(shù)據(jù)的參數(shù)：

步驟（1）所用的實際裝置為使用暗箱尺寸為1.8m×1.8m×1.8m，射源為511kev的124I-NaI，被測物體為灌滿124I-NaI的大鼠，大鼠身長25cm，采用紅光增強的硅光電倍增管，探測器采用四平板結(jié)構(gòu)組成的正方形；

步驟（2）符合時間約為10ns，符合判斷采用在線式的時間符合處理；

步驟（3）采用迭代的帶電發(fā)射衰變事件重建方法，逼近式繪出切倫科夫的時間和位置；

步驟（4）采用迭代的核素分布重建方法，逼近式帶電發(fā)射事件的時間和位置，迭代到相對變化率小于1%。

本發(fā)明的方法和裝置可以用于輻射帶電微粒的核技術(shù)，包括核探測、核分析、核醫(yī)學(xué)儀器。

本發(fā)明提供的帶電發(fā)射衰變的探測方法中。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(nèi)的相對位置判斷帶電發(fā)射衰變事件的時間和位置，比背景技術(shù)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(zhì)量好，捕獲的事件數(shù)多。

通過采用本發(fā)明的帶電發(fā)射衰變的探測裝置，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）無透鏡設(shè)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(shè)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(shè)計，有利于降低成像的背景噪聲；

（4）全事件讀出設(shè)計可以全面的讀出帶電發(fā)射衰變事件豐富的多維信息：角度（2-D）、時間(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具體為以事件的形式記錄光電器件的電信號。

對于本領(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(yīng)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(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(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)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(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施方式。