CN110632639A - 探头、探测器及多像素光子计数器总计数修正方法 - Google Patents

Abstract

公开一种探头，包括：平板晶体组件，用于将进入的伽马射线转换成若干可见光光子；多像素光子计数器阵列，受光面设于平板晶体组件上，多像素光子计数器阵列包括多个多像素光子计数器，多个多像素光子计数器形成阵列结构，各个多像素光子计数器用于将各自接收到的可见光光子信号转换成电流脉冲，对各自接收到的可见光光子的数目进行计数；电子学电路部分，多像素光子计数器阵列中的各个多像素光子计数器分别与该电子学电路部分电性连接，该电子学电路部分用于将电流脉冲转换成电压脉冲。该探头可以得到连续的、高分辨率的图像，并解决MPPC探测机制可能带来的能量分辨率变差的问题。还公开一种探测器、探测***和多像素光子计数器总计数修正方法。

Description

探头、探测器及多像素光子计数器总计数修正方法

技术领域

本发明涉及辐射探测成像技术领域，更具体地，涉及一种探头、探测器及多像素光子计数器总计数修正方法。

背景技术

单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography，以下简称SPECT)，是核医学影像通过探测各个角度放射性的二维分布，得到发射单个光子的放射性药物的断层成像，药物在生物体内的分布，可以反映生物体内的功能、代谢和生理学状况。小动物SPECT，是针对小动物特点制造的SPECT***，一般具有视野小、分辨率高的特点，多被用于新药研究、疾病机理研究等科学研究工作，对小动物SPECT有较大的需求，该仪器可帮助医务工作者和科研工作者了解药物在小动物体内的代谢情况、病灶的位置大小与代谢情况。

多像素光子计数器也称为MPPC，为一种硅光电倍增管。MPPC由多个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，以下简称APD)组成，虽然本质上是一个光半导体，但它具有优良的光子计数能力，适用于监测在光子计数水平下极弱光的场合，具备着低电压工作、高光子探测效率、快速响应、以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等特点，并可在抗磁场干扰、耐机械冲击中发挥出固态器件的优势。MPPC由多个工作在盖革模式下的APD组成。首先，APD是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压被设定为高于击穿电压时，内部电场更强，光电流则会获得10⁵～10⁶的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。

目前的小动物SPECT，探头的形式包括以下几种：

A.连续晶体+分立光电倍增管，是最经典的结构，此类型的探头被称为Anger型探头，晶体边缘为非灵敏区，探头庞大，不能应用于磁场中；

B.连续晶体+位置灵敏光电倍增管，晶体边缘为非灵敏区，价格昂贵，不能应用于磁场中；

C.分立晶体+光导+多光电倍增管，分辨率不高，不能应用于磁场中；

D.分立晶体+位置灵敏光电倍增管，图像马赛克现象严重，成本太高，不能应用于磁场中；

E.分立晶体+多像素光子计数器，图像马赛克现象严重，探测效率低。

在MPPC的相关应用中，特别是高能应用中发现，在次级光子在APD上分布集中的情况下，也就是说APD接收的光子密度比较大的情况下，会出现总光子计数降低的情况，即输出信号幅度与输入信号强度不线性。这是由APD的工作模式决定的：对一个APD单元，一个时刻无论有多少光子入射，都不会对其输出带来影响，其输出和一个光子入射是相同的；所以，总体上造成漏计数。

本发明旨在解决现有技术中存在的马赛克问题或低分辨率或低探测效率的问题，并进一步地解决MPPC探测机制可能带来的能量分辨率变差的问题，特别是全能峰低能端的展宽的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够提供得到连续的高分辨率的图像，并能够减重的探头、探测器及多像素光子计数器总计数修正方法，以解决现有技术中存在的问题。

根据本发明第一方面，提供一种探头，包括：

平板晶体组件，用于将进入其的伽马射线转换成若干可见光光子；

多像素光子计数器阵列，其受光面设于所述平板晶体组件上，该多像素光子计数器阵列包括多个多像素光子计数器，多个多像素光子计数器形成阵列结构，各个所述多像素光子计数器用于将各自接收到的光子信号转换成电流脉冲，从而对各自接收到的可见光光子的数目进行计数；

电子学电路部分，所述多像素光子计数器阵列中的各个多像素光子计数器分别与该电子学电路部分电性连接，该电子学电路部分用于将所述电流脉冲转换成电压脉冲。

优选地，所述平板晶体组件包括平板晶体、安装法兰和透光板，

所述平板晶体设于所述安装法兰内，所述透光板固定于所述安装法兰上来封住所述安装法兰的端口，从而将所述平板晶体封装于所述法兰内。

优选地，所述平板晶体为连续晶体。

优选地，所述晶体选为NaI、CsI、BGO的其中之一但不限于这几种探测器材料。

优选地，所述多像素光子计数器阵列中各个多像素光子计数器分别粘接于所述透光板上。

优选地，还包括连接器，所述连接器包括电路板和外连端口，所述电路板分别与所述电子学电路部分，以及所述外连端口电性连接；

其中，所述电路板包括数模转换单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元分别与所述数模转换单元以及数据处理单元电性连接，所述数模转换单元用于接收来自所述电子学电路部分的电压脉冲信号，并将该电压脉冲信号转换成数字信号，所述数据采集单元用于采集所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据处理单元。

根据本发明的第二方面，提供一种探测器，包括：

支架；

转盘，可转动设于所述支架上，包括同轴设置的外环和内环，所述内环用于容纳待检测对象；

所述的多个探头，多个探头组成圆周阵列安装于所述转盘上；

其中，各个所述探头的一端连接于所述外环上，另一端连接于所述内环上，各个所述多像素光子计数器的受光面朝向所述内环。

根据本发明的第三方面，提供一种探测***，包括：

所述的探测器；

计算机，所述探测器的各个所述探头分别与该计算机电性连接；

电源，分别与所述计算机和探测器电性连接。

根据本发明的第四方面，提供一种多像素光子计数器总计数修正方法，包括：

判断多像素光子计数器总计数的输出值的数值范围，所述阈值范围包括第一数值范围、第二数值范围和第三数值范围，所述第一数值范围为小于等于第一阈值的数值范围，所述第二数值范围为大于第一阈值且小于等于第二阈值的数值范围，所述第三数值范围为大于第二阈值的数值范围；

根据判断结果判定是否需要对输出值进行校正。

优选地，根据判断结果判定是否需要对输出值进行校正包括：

若所述输出值处于第一数值范围，则判定对输出值不作校正；

若所述输出值处于第二数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值与第一阈值之差再乘以一个系数；

若所述输出值处于第三数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值加一个常数。

有益效果：

本发明提供的探头克服了分立晶体***的图像马赛克现象严重的问题，可以得到连续的图像，并进一步地解决MPPC探测机制可能带来的能量分辨率变差的问题，特别是全能峰低能端的展宽的问题，视觉效果好。并且，克服了光电倍增管***的体积庞大笨重的问题，该探头体积重量均有明显的降低。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了根据本发明实施例的探头的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的探头的平板晶体组件与多像素光子计数器阵列部分的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4示出了根据本发明实施例的探测器的结构示意图(此图仅包括内环、外环和多个探头部分)。

图5示出了根据探测***的结构示意图。

图6示出了多像素光子计数器总计数修正方法的步骤流程图。

图中：探头100、平板晶体组件1、平板晶体11、安装法兰12、透光板13、多像素光子计数器阵列2、多像素光子计数器21、电子学电路部分3、连接器4、准直器5、外环6、内环7、计算机200、电源300。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

如图1至图3所示，本发明提供一种探头100，该探头100包括平板晶体组件1、多像素光子计数器阵列2和电子学电路部分3。平板晶体组件1，用于将进入其的伽马射线转换成若干可见光光子；多像素光子计数器阵列2，其受光面设于所述平板晶体组件1上，该多像素光子计数器阵列2包括多个多像素光子计数器21，多个多像素光子计数器21形成阵列结构，各个所述多像素光子计数器21用于将各自接收到的光子信号转换成电流脉冲，从而对各自接收到的可见光光子的数目进行计数；电子学电路部分3，所述多像素光子计数器阵列2中的各个多像素光子计数器21分别与该电子学电路部分3电性连接，该电子学电路部分3用于将所述电流脉冲转换成电压脉冲。

所述平板晶体组件1包括平板晶体11、安装法兰12和透光板13，安装法兰12的容纳腔与平板晶体11的形状尺寸相匹配，使得平板晶体11能够恰好容纳于容纳腔内，防止平板晶体11晃动。所述平板晶体11设于所述安装法兰12的容纳腔内，所述透光板13固定于安装法兰12上来封住所述安装法兰12的端口，从而将所述平板晶体11封装于所述法兰内。

该实施例中，晶体为连续晶体，就是非切割晶体，可见光在连续晶体沿着各个方向均可直线传播，连续晶体是一次生长的或者是热锻压的。采用连续晶体结构，使得探测后的成像更加清楚，避免了马赛克问题的出现。连续晶体具体可为NaI、CsI、BGO的其中之一种材料制成。安装法兰12为铝材制成，透光板13为玻璃，并且透光板13与安装法兰12之间密封连接，例如采用密封胶粘接。

所述多像素光子计数器阵列2中各个多像素光子计数器21分别粘接于所述透光板13上。该实施例中，多像素光子计数器阵列2共设有十个多像素光子计数器21，并分成两排设置，每排有五个多像素光子计数器21，各个多像素光子计数器21的受光面分别通过光学硅脂粘接于透光板13的外表面上，即多像素光子计数器阵列2与平板晶体11分别位于透光板13的相对两侧。

电子学电路部分3包括保护壳以及设于保护罩内的转换电路，多像素光子计数器阵列2中各个多像素光子计数器21上与其受光面相对的一端固定于保护壳上，各个多像素光子计数器21经各自的导线分别与转换电力连接，转换电路分别将各个多像素光子计数器21发出的电流信号转换成电压脉冲信号。

进一步地，该探头100还包括连接器4，所述连接器4包括电路板和外连端口，所述电路板分别与所述电子学电路部分3的转换电路电性连接，以及所与述外连端口电性连接。

其中，所述电路板包括数模转换单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元分别与所述数模转换单元以及数据处理单元电性连接。所述数模转换单元用于接收来自所述电子学电路部分3的电压脉冲信号，并将该电压脉冲信号转换成数字信号，所述数据采集单元用于采集所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据处理单元进行数据处理。

该实施例中，数据采集单元和数据处理单元集成于同一个电路板上。当然，数据采集单元和数据处理单元也可分别设于两块电路板上。

进一步地，探头100还包括准直器5，准直器5设于平板晶体组件1上，其建立伽玛射线入射位置与伽玛射线入射方向的关系。

该实施例中的探头100在使用时，平板晶体组件1采集伽马射线，并将进入其的伽马射线转换成若干可见光光子，多像素光子计数器阵列2中的各个多像素光子计数器21分别接收可见光光子，并将各自接收的可见光光子转换成电流脉冲信号，从而对各自接收到的可见光光子的数目进行计数，多个多像素光子计数器21通过后期数据处理可得出可见光光子的空间分布情况。

具体地，若干条伽马射线分别进入平板晶体组件1，平板晶体组件1的平板晶体11将进入其的各条伽马射线在相应位置处分别转换成多个可见光光子，可见光光子自平板晶体11的相应位置穿出平板晶体11后，进入多像素光子计数器阵列2中的对应的多像素光子计数器21中(该处所指对应可理解为位置关系上的对应)，多像素光子计数器21完成对进入其的可见光光子的接收。并将各自接收的可见光光子转换成电流脉冲信号，从而对各自接收到的可见光光子的数目进行计数，多个多像素光子计数器21通过后期数据处理可得出可见光光子的空间分布情况。

电流脉冲信号传输至电子学电路部分3的转换电路，转换电路将电流脉冲信号转换成电压脉冲信号；电压脉冲信号通过电路板进行数据采集和处理，可根据采集数据重建断层数据以及对数据进行与应用相关的分析。当然，探头100可同时将数据通过外连端口外传至外部数据处理设备，通过外部数据处理设备可根据采集数据重建断层数据以及对数据进行与应用相关的分析。

本申请中的探头100克服了分立晶体***的图像马赛克现象严重的问题，可以得到连续的图像，并进一步地解决MPPC探测机制可能带来的能量分辨率变差的问题，特别是全能峰低能端的展宽的问题，视觉效果好。并且，克服了光电倍增管***的体积庞大笨重的问题，该探头100体积重量均有明显的降低。

如图4所示，本发明还提供一种探测器，该探测器包括支架、转盘和多个上述探头100。转盘，可转动设于所述支架上，包括同轴设置的外环6和内环7，所述内环7用于容纳待检测对象，具体可为待检测对象的待检测部分，例如小动物的脑袋。多个探头100，多个探头100圆周阵列于所述转盘上。其中，各个所述探头100的一端连接于所述外环6上，另一端连接于所述内环7上，各个所述多像素光子计数器21的受光面朝向所述内环7。

该实施例中，探测器设计为可扩充式结构，可根据需要设置在探测器上多个探头100，每个探头100仅检测预设范围内的伽马射线，多个探头100同时探测，能同时识别更多的信号，灵敏度高。内环7为铝材制成；转盘的内环7可套设于轴承的内圈中，轴承的外环6与支架连接在一起，并且，可在转盘上设置驱动装置，来驱动转盘转动，例如在内环7的外周壁上设置从动齿轮，驱动装置的动力输出轴上设置与从动齿轮啮合的主动齿轮来实现对转盘的驱动，驱动装置具体可为电机和减速器的组合。

如图5所示，本发明还提供一种探测***，该探测***包括探测器、计算机200和电源300。计算机200，所述探测器的各个所述探头100分别与该计算机200电性连接；电源300，分别与所述计算机200和探测器电性连接，来为计算机200和探测器提供电能。

该探测***在使用时，将待检测对象，例如大鼠的躯干穿置于内环7中，大鼠躯干中的放射性药物发射伽马射线，伽马射线穿过内环7被各个探头100采集，各个探头100将探测到的数据进行采集处理，然后传输至计算机200，计算机200根据采集数据重建断层数据以及对数据进行与应用相关的分析，得到药物分布的二维图像，并进一步重建成为三维分布图像，然后以断层图像的形式或者三维渲染图像的形式显示，从而以更加直观的方式呈现探测结果。探测过程中，计算机200可根据需要控制转盘转动，从而带动多个探头100转动，从而实现对不同角度的投影的采集。当然，使用多个探头100，每个探头100配多针孔准直器5，也可实现不同角度的投影的采集，可以实现探头100不旋转的情况下，完成断层采集。

如图6所示，本发明还提供一种多像素光子计数器21总计数修正方法，该多像素光子计数器21总计数修正方法包括步骤S01)-S02)。

S01)、判断多像素光子计数器21总计数的输出值的数值范围，所述阈值范围包括第一数值范围、第二数值范围和第三数值范围，所述第一数值范围为小于等于第一阈值的数值范围，所述第二数值范围为大于第一阈值且小于等于第二阈值的数值范围，所述第三数值范围为大于第二阈值的数值范围；

该步骤中，针对MPPC的漏计数问题，创新地提出MPPC的总计数修正方法：对于总计数接近光子全能峰最大计数的事件，根据其光子数，按一定分布给出其漏计数个数，然后与该光子事件能量的计数修正为原始计数与漏计数之和。

S02)、根据判断结果判定是否需要对输出值进行校正。

该步骤中，又分为以下三种情况：

若所述输出值处于第一数值范围，则判定对输出值不作校正；

若所述输出值处于第二数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值与第一阈值之差再乘以一个系数；

若所述输出值处于第三数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值加一个常数。

下面做一个举例：

假设一个MPPC单元由256个APD组成，可设定输出为150时不做校正，输出大于150时，输出校正值设为输出值与150的差乘以一个系数，例如0～0.1的一个随机数，那么输出250时，校正值为0～25，最后的校正后的输出值为250～275。校正系数最大值和分布，应通过相关的实验确定，以获得最佳的能量分辨率(对称的全能峰)。

通过对漏计数进行了修正，比未修正时，***能量分辨率有所改善。基于本发明的SPECT***，可以应用于磁场环境。

应当说明的是，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。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种探头，其特征在于，包括：

平板晶体组件，用于将进入其的伽马射线转换成若干可见光光子；

多像素光子计数器阵列，其受光面设于所述平板晶体组件上，该多像素光子计数器阵列包括多个多像素光子计数器，多个多像素光子计数器形成阵列结构，各个所述多像素光子计数器用于将各自接收到的光子信号转换成电流脉冲，从而对各自接收到的可见光光子的数目进行计数；

电子学电路部分，所述多像素光子计数器阵列中的各个多像素光子计数器分别与该电子学电路部分电性连接，该电子学电路部分用于将所述电流脉冲转换成电压脉冲。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述平板晶体组件包括平板晶体、安装法兰和透光板，

所述平板晶体设于所述安装法兰内，所述透光板固定于所述安装法兰上来封住所述安装法兰的端口，从而将所述平板晶体封装于所述安装法兰内。

3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述平板晶体为连续晶体。

4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，所述晶体选为NaI、CsI、BGO的其中之一种材料制成。

5.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述多像素光子计数器阵列中各个多像素光子计数器分别粘接于所述透光板上。

6.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，还包括连接器，所述连接器包括电路板和外连端口，所述电路板分别与所述电子学电路部分，以及所述外连端口电性连接；

其中，所述电路板包括数模转换单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元分别与所述数模转换单元以及数据处理单元电性连接，所述数模转换单元用于接收来自所述电子学电路部分的电压脉冲信号，并将该电压脉冲信号转换成数字信号，所述数据采集单元用于采集所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据处理单元。

7.一种探测器，其特征在于，包括：

支架；

转盘，可转动设于所述支架上，包括同轴设置的外环和内环，所述内环用于容纳待检测对象；

如权利要求1至6任一项所述的多个探头，多个探头圆周阵列于所述转盘上；

其中，各个所述探头的一端连接于所述外环上，另一端连接于所述内环上，各个所述多像素光子计数器的受光面朝向所述内环。

8.一种探测***，其特征在于，包括：

如权利要求7所述的探测器；

计算机，所述探测器的各个所述探头分别与该计算机电性连接；

电源，分别与所述计算机和探测器电性连接。

9.一种多像素光子计数器总计数修正方法，其特征在于，包括：

判断多像素光子计数器总计数的输出值的数值范围，所述阈值范围包括第一数值范围、第二数值范围和第三数值范围，所述第一数值范围为小于等于第一阈值的数值范围，所述第二数值范围为大于第一阈值且小于等于第二阈值的数值范围，所述第三数值范围为大于第二阈值的数值范围；

根据判断结果判定是否需要对输出值进行校正。

10.根据权利要求9所述的多像素光子计数器总计数修正方法，其特征在于，根据判断结果判定是否需要对输出值进行校正包括：

若所述输出值处于第一数值范围，则判定对输出值不作校正；

若所述输出值处于第二数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值与第一阈值之差再乘以一个系数；

若所述输出值处于第三数值范围，则判定将输出值校正为输出校正值，输出校正值为输出值加一个常数。

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