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一种 光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器

阅读：896发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种光子 Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器，包括：控制信号输出，激光器向待测目标物体发射激光脉冲，并注射示踪剂药物；激光器各向转动以覆盖所有扫描区域，正电子湮灭产生伽马光子对；SiPM阵列将反射脉冲转化为电信号，伽马光子对转化为闪烁脉冲，并传输至存储模块；对模拟电脉冲进行预滤波，并转化为数字信号，并提取其时间信息、能量信息、位置信息和深度信息；通过其信息进行重建，显示重建图像。本发明能使得待测目标物体的微小运动能够被识别并用于显像，有效的提高了系统的分辨性能，消除因物体的微小运动产生的误差，并显著的缩小了成像时间。，下面是一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：给出控制信号，双模时钟输出定时脉冲，在此时刻，激光器向待测目标物体发射激光脉冲，并给待测目标物体注射示踪剂药物；
步骤S2：激光器围绕待测目标物体转动以覆盖所有区域；放射性同位素在待测目标物体内放出正电子，正电子与周围环境中的负电子结合湮灭产生伽马光子对；
步骤S3：激光到达待测目标物体后回传，SiPM阵列将其转化为电信号，携带有时间信息与深度信息的电脉冲传输并储存；伽马光子对被闪烁晶体吸收，转化成可见光光子，可见光光子转化为光电子并倍增，通过电阻网络复用得到富含原始信息的闪烁脉冲并储存；同时双模时钟记录每次得到脉冲的时间；
步骤S4：对模拟电脉冲进行预滤波，将模拟信号转化成数字信号，并通过符合处理提取其时间信息、能量信息、位置信息和深度信息；
步骤S5：采用重建算法将获得的时间信息、能量信息、位置信息和深度信息进行重建，显示图像。
2.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的控制信号为上升沿触发或下降沿触发。
3.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的激光器可在水平方向和垂直方向360°转动。
4.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的SiPM阵列具有低于10ns的快速时间响应。
5.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的预滤波处理不限于一阶滤波法，限幅滤波法、图像中值滤波法等常规方法。
6.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的将模拟电脉冲转化为数字信号时采样率为65Msps。
7.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的电阻网络采用对称电荷分配电路的复用方法。
8.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的位置信息复用为X+、X-、Y+、Y-。
9.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的位置计算公式为X position= QUOTE ，Y position= QUOTE 。
10.根据权利要求11所述的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，其特征在于，所述方法的重建算法可以使用解析重建算法，也可以采用迭代重建算法。

说明书全文

一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器

技术领域

[0001] 本发明涉及可见光光子探测、光电信号处理以及数字显像领域，更具体地涉及一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器。

背景技术

[0002] 光子Radar（radio detection and ranging）是以光子为信息载体的一种新型雷达。雷达可以对目标物体进行随时随地的探测并对探测到的目标进行，常用来探测军事武器，是组成现代军事技术的重要部分。优异的雷达性能可以使我们的军事武器处于制高点的地位，因此，我国在雷达技术领域投入了巨量的资源，希望不断提升雷达性能。

[0003] 我们都知道，光具有“波粒二象性”，即光既具有波动特性，能像波一样向前传播，又具有粒子特性，能表现出粒子的特征。传统雷达以电子为载体，利用电磁波“波”的特性，发出电磁波，通过对产生信号的处理，利用回波来定位目标的具体位置、高度等信息。但是，技术的积累是有上限的，这个上限就是该项技术的基本原理。但是，传统雷达波有着很多的局限，这些局限就是其基本原理带来的，隐身飞机的出现就是传统雷达实失效的最好证明。除此以外，传统的雷达难以在大雾、下雨、雾霾等恶劣状况下使用，在云层等障碍物遮挡下，雷达也无法探测到目标。虽然最新的合成孔径雷达可以全天候工作且具有穿透能力，但是仍然无法克服精度较差、处理速度慢等缺点。因此，寻找新的技术，突破传统雷达的局限，成为了非常重要的工作。

[0004] 随着光子技术的发展，人们开始利用着手于利用丰富的光谱资源，以光子为信息载体，利用光的粒子性，能够更好、更快地产生和处理雷达宽带信号，可实现快速，且非常清晰的识别目标。

[0005] 正电子发射断层（Positron Emission Tomography，以下简称PET）是一种非侵入性的新型医学技术，能无创、定量、动态地评估动物或者人体活体内各种器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动，在疾病的早期检测、病理生理机制研究、疗效监测和预后评估等方面发挥着独特的作用。

[0006] 由于PET的这些独特作用，市场对PET的实际需求与日俱增。美国癌症学会官方期刊发表的《2018 年全球癌症统计数据》报告显示，2018年全球有大约 1810 万癌症新发病例和 960 万癌症死亡病例。尽管需求不断增长，PET的仪器制造却一直存在巨大供应缺口。从人均PET安装台数上来看，2016年我国人口总数与PET数量比为13.68亿/300台，美国为
3.19亿/5000台，我国至少还需要20000台PET才能和美国的人均占有量齐平。单台临床PET保守按照大约1500万来计算，PET的市场容量将达到3000亿元。如果将计算范围扩大到全球，那么PET将是一个典型的“万亿产业”。尽管有如此大的市场容量，我国的PET/CT等大型核医学医疗影像设备却基本上完全依赖进口，多年来一直被三大国际巨头GPS（美国 GE、德国 Siemens、荷兰 Philips）的产品所垄断。进口设备价格昂贵，维修保养费用高，造成临床诊断费用居高不下，加重了患者的医疗负担。因此，研发我国具有自主知识产权的 PET 是亟待解决的重要任务。

[0007] 在 PET 中，通常利用闪烁探测器将光子的响应转换为相应的电脉冲信号，通过测量电脉冲信号的幅度(或积分值)大小的方式获取伽马光子的能量大小，通过计算电脉冲信号的到达时间之差来获取伽马光子对的时间信息。在现有技术中，由于光电倍增管（Photomultiplier Tube，以下简称 PMT）具有放大倍数高，光电线性好，工作频率高，性能稳定等独特的优点，通常使用 PMT 作为其中的光电转换器件，PMT 通过各倍增级（通常为813个）对探测到的光子进行一级一级的放大，在阳极可以产生超过106的典型增益，并且 ~
PMT 的时间响应速度快，在计算系统的时间信息上很有优势。PMT 由真空的玻璃管制成，非常易碎，需要人来手工制造，因此造价很高，且不易运输，另外，PMT 的灵敏面积较大，基本难以小型化。

[0008] 随着在高能物理学领域的SiPM发展起来，开始探索将SiPM用于PET系统，其工作电压较PMT而言低得多，增益也能和PMT达到同一个数量级，结构简单小巧，时间响应也很快，价格相比于PMT较低，以及能与 CMOS 技术兼容，可实现更好的快速显像，且显著提高显像分辨率。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器，从而解决现有技术中存在的性能局限，受环境影响大，成本高且显像速度慢的问题。

[0010] 为了解决上述技术问题，本发明提供的光子Radar/PET共用SiPM显像仪器，包括：控制模块100，信号发射模块200、脉冲接收模块300、显像模块400、机械支撑及转动模块
500，其中，
所述控制模块100，与信号发射模块200、脉冲接收模块300、显像模块400通信连接，用于给出控制信号，确定信号发射与接收脉冲的时刻；
控制模块100包括控制信号模块110、双模时钟模块120；
控制信号模块110，隶属于控制模块100，用于在外界条件准备充足时，给出信号使系统启动；
双模时钟模块120，隶属于控制模块100，包括定时发送模块121和接收时间模块122，定时发送模块121，隶属于双模时钟模块120，用于在发射激光时产生一定时脉冲以记录激光发射时间；
接收时间模块122，隶属于双模时钟模块120，用于记录SiPM及PET探测器接收信号的时刻。

[0011] 所述信号发射模块200，与脉冲接收模块300通信连接，用于从各个方向发射激光脉冲到探测目标物体和产生伽马光子对；信号发射模块200包括激光器模块210、伽马对发射模块220；
激光发射模块210，隶属于信号发射模块200，其中激光发射模块210输出给探测目标物体，产生回波后作用于脉冲接收模块300，包括激光定时模块211，激光器模块212、激光偏向模块213；
激光定时模块211，隶属于激光发射模块210，用于产生特定频率的定时脉冲，以记录激光发射的时间间隔；
激光器模块212，隶属于激光发射模块210，用于产生特定波段的激光脉冲并朝待测目标物体发射；
激光偏向模块213，隶属于激光发射模块210，用于调节激光器的发射角度，使激光脉冲可以朝任意方向发射；
伽马对发射模块220，隶属于信号发射模块200，其中伽马对发射模块220发射出伽马对后，被闪烁脉冲接收模块320探测，用于产生伽马光子对；
伽马对发射模块220，包括同位素产生模块221，送药模块222、同位素注射模块223；
同位素产生模块221，隶属于伽马对发射模块220，用于产生可以释放正电子的放射性同位素；
送药模块222，隶属于伽马对发射模块220，用于对待测目标物体自动化地送入标记有放射性同位素的示踪剂药物，避免造成辐射损伤；
同位素注射模块223，隶属于伽马对发射模块220，用于控制注入待测目标物体的示踪剂药物的剂量。

[0012] 脉冲接收模块300，与所述信号发射模块200通信连接，所述激光发射模块210产生的激光脉冲探测到目标物体后产生回波发送至所述脉冲接收模块300，伽马对发射模块220产生的伽马光子对被脉冲接收模块300所探测；脉冲接收模块300包括反射脉冲接收模块310和闪烁脉冲接收模块320；
反射脉冲接收模块310，隶属于脉冲接收模块300，包括SiPM阵列模块311和光纤通信传输模块312；
SiPM阵列模块311，隶属于反射脉冲接收模块310，用于接收待测目标物体反射回来的光，将其转化为电信号；
光纤通信传输模块312，隶属于反射脉冲接收模块310，用于将SiPM阵列模块311产生的电信号高速率且无损地传输到显像模块400；
闪烁脉冲接收模块320，隶属于脉冲接收模块300，包括晶体阵列模块321、光导模块
322，光电转换模块323、读出电子学模块324；
晶体阵列模块321，隶属于闪烁脉冲接收模块320，用于吸收伽马光子并将其转换成可见光光子；
光导模块322，隶属于闪烁脉冲接收模块320，用于将晶体阵列模块产生的光子均匀的折射到SiPM阵列模块，且有效的防止存在气泡使光子发生散射；
光电转换模块323，隶属于闪烁脉冲接收模块320，用于将晶体阵列模块输出的可见光光子进行倍增放大，转换成光电子；
读出电子学模块324，隶属于闪烁脉冲接收模块320，通过电阻网络对光电转换模块323产生的光电子进行复用，得到上升沿陡峭的闪烁脉冲。

[0013] 显像模块400，与所述脉冲接收模块300通信连接，用于存储所述脉冲接收模块产生的闪烁脉冲信息，对闪烁脉冲信息进行提取，得到探测目标物体的图像；显像模块400包括存储模块410，脉冲预处理模块420，信息提取模块430，重建模块440；
存储模块410，隶属于显像模块400，用于接收脉冲接收模块产生的模拟电脉冲信号，并按脉冲到达时间进行存储；
脉冲预处理模块420，隶属于显像模块400，用于对模拟电脉冲进行预滤波，消除一些尖锐的毛刺，使显示的图像更加平滑；
信息提取模块430，隶属于显像模块400，包括时间信息模块431、能量信息模块432、位置信息模块433、深度信息模块434；
时间信息模块431，隶属于信息提取模块430，采用时间甄别算法提取脉冲的到达时间信息；
能量信息模块432，隶属于信息提取模块430，计算脉冲的能量信息，并提取脉冲的能量值分布；
位置信息模块433，隶属于信息提取模块430，通过对脉冲属性的复原，提取脉冲的位置信息；
深度信息模块434，隶属于信息提取模块430，对激光脉冲及其反射脉冲的计算，提取待测目标物体的深度信息；
重建模块440，隶属于显像模块400，通过各类信息重建待测目标物体的功能影像及外围轮廓，即待测目标物体带有微小运动的时变图像。

[0014] 机械支撑及转动模块500，与所述信号发射模块200和脉冲接收模块300机械连接，用于支撑模块，并且按照一定频率实现激光发射模块210的各向转动；机械支撑及转动模块500包括机械支撑模块510、转动模块520；
机械支撑模块510，隶属于机械支撑及转动模块300，用于机械支撑信号发射模块200和脉冲接收模块300；
转动模块520，隶属于机械支撑及转动模块500，用于按照一定频率实现激光发射模块
210各向转动。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述激光器是指可产生特定连续波段的光子的激发装置，包括单射激光器、调制激光器以及光纤激光器等。

[0016] 根据本发明的一个实施例，所述放射性同位素可以是11C，13N，15O，18F，64Cu等。

[0017] 根据本发明的一个实施例，所述晶体阵列可采用晶莹剔透的LYSO晶体。

[0018] 根据本发明的一个实施例，所述SiPM阵列具有快速的时间响应。

[0019] 根据本发明的一个实施例，所述光电转换模块使用具有高探测效率的光电器件。

[0020] 根据本发明的一个实施例，所述时间甄别方法课采用前沿甄别（Leading-Edge Discriminator，简称LED）或者恒比甄别（Constant Fraction Discriminator，简称CFD）方法。

[0021] 本发明提供的光子Radar/PET共用SiPM显像方法，包括以下步骤：步骤S1：给出控制信号，双模时钟模块输出定时脉冲，在此时刻，激光器向待测目标物体发射激光脉冲，并给待测目标物体注射示踪剂药物；
步骤S2：激光器围绕待测目标物体转动以覆盖所有区域；放射性同位素在待测目标物体内放出正电子，正电子与周围环境中的负电子结合湮灭产生伽马光子对；
步骤S3：激光到达待测目标物体后回传，SiPM阵列将其转化为电信号，携带有时间信息与深度信息的电脉冲传输并储存；伽马光子对被闪烁晶体吸收，转化成可见光光子，可见光光子转化为光电子并倍增，通过电阻网络复用得到富含原始信息的闪烁脉冲并储存；同时双模时钟记录每次得到脉冲的时间；
步骤S4：对模拟电脉冲进行预滤波，将模拟信号转化成数字信号，并通过符合处理提取其时间信息、能量信息、位置信息和深度信息；
步骤S5：采用重建算法将获得的时间信息、能量信息、位置信息和深度信息进行重建，显示图像。

[0022] 根据本发明的一个实施例，所述伽马光子对是能量为511keV，方向呈180°的两个伽马光子。

[0023] 根据本发明的一个实施例，所述定时脉冲既可以设置为上升沿触发，也可以设置为下降沿触发。

[0024] 根据本发明的一个实施例，所述重建算法可以使用解析重建算法，也可以采用迭代重建算法。

[0025] 本发明提供的光子Radar/PET共用SiPM显像仪器，包括：控制模块，所述控制模块与信号发射模块和脉冲接收模块通信连接，并接收所述控制模块发送的定时脉冲信号；信号发射模块，所述信号发射模块与所述脉冲接收模块通信连接，并向所述脉冲接收模块发送反射光和伽马光子对；脉冲接收模块，所述脉冲接收模块与所述信号发射模块通信连接，并接收所述信号发射模块发送的反射光和伽马光子对；显像模块，所述显像模块与所述脉冲接收模块通信连接，并接收所述脉冲接收模块发送的反射脉冲和闪烁脉冲信号。

[0026] 根据本发明的一个实施例，所述装置通过数据帧抓包方式通信传输。

[0027] 根据本发明的一个实施例，所述信息提取是指采用专用的软件算法对原始脉冲进行提取。

[0028] 本发明提供的光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器，通过采用光子雷达获取待测目标物体的深度信息，并同时采用PET探测器获取待测目标物体的功能影像，使得待测目标物体的微小运动能够被识别并用于显像，有效的提高了系统的分辨性能，消除因物体的微小运动产生的误差，并显著的缩小了成像时间。附图说明

[0029] 图1是光子Radar/PET共用SiPM显像仪器的结构框图。

[0030] 图2是光子Radar/PET共用SiPM显像方法的流程图。

[0031] 图3是根据本发明的一个实施例的光子Radar/PET共用SiPM显像仪器的结构示意图。

[0032] 图4是根据本发明光子Radar/PET共用SiPM显像仪器与传统雷达的各方面性能对比图。

具体实施方式

[0033] 以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

[0034] 图3为根据本发明的一个实施例的光子Radar/PET共用SiPM显像仪器的结构示意图，由图3可知，本发明中的光子Radar/PET共用SiPM显像仪器包括控制系统110、双模时钟源120、激光器212、偏向调节装置213、SiPM阵列311、PET探测器320和显像器400，其中，控制系统与双模时钟源连接，并接收控制系统发送的控制信号；激光器发射激光脉冲，被待测目标物体反光后被SiPM阵列接收；PET探测器接收伽马光子对并将其转化为闪烁脉冲；显像器对电脉冲进行处理得到重建图像并显示。

[0035] 实施例1：利用图2所示的装置进行显像时，所述PET探测器为环形探测器，且其直径垂直于地面放置，待测目标物体位于环形探测器之中，光子雷达与环形探测器保持垂直，即与地面保持平行，光子雷达以环形探测器的中心为圆心，以平行与地面方向做圆周运动。

[0036] 实施例2：利用图2所示的装置进行显像时，PET探测器为平板探测器，两探测器平行于地面放置，两探测器保持平行，待测目标物体位于两平板探测器之间，光子雷达与平板探测器保持平行，即与地面保持平行，光子雷达以平板探测器的中心为圆心，以平行地面的方向做圆周运动。

[0037] 实施例3：利用图2所示的装置进行显像时，PET探测器为平板探测器，两探测器平行于地面放置，两探测器保持平行，待测目标物体位于两平板探测器之间，光子雷达与平板探测器保持平行，即与地面保持平行，光子雷达以两平板探测器的中心轴线为轴，围绕待测目标物体做匀速螺旋运动。

[0038] 本发明提供的光子Radar/PET共用SiPM显像方法与仪器，通过采用光子雷达获取待测目标物体的深度信息，并同时采用PET探测器获取待测目标物体的功能影像，使得待测目标物体的微小运动能够被识别并用于显像，有效的提高了系统的分辨性能，并显著的缩小了成像时间。

[0039] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

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