核辐射探测成像的装置及联合成像的方法

技术领域

本公开属于射线探测技术领域，涉及一种核辐射探测成像的装置及联合成像的方法。

背景技术

随着核科学、核技术和核工业的快速发展，伽马放射源在科学研究、工业生产、医学诊断方面的应用日益普及。因此，通过对放射源进行监控，保障放射源在保存、运输、使用中受到实时监管，防止意外泄露或失窃，对于公共安全、生命健康都有重要意义。

现有的伽马辐射源探测、监测相关技术中，盖革计数器不能获得放射源入射的方向信息，无法对放射源进行监控。带准直器的伽马相机可以对放射源进行监控，但其需要重金属准直器，视野受限且较为笨重。康普顿相机视野较大，探测效率高，但其对探测器的能量分辨率要求很高，通常需要使用成本较高的半导体探测器，且无法对较低能(小于250keV)的伽马射线进行成像。

另外，相关技术中还存在成像模式单一的问题，核辐射监控系统只能利用单一物理过程的伽马光子进行成像，无法全面利用不同物理过程作用下的光子事件信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种核辐射探测成像的装置及联合成像的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开的一种核辐射探测成像的装置。上述装置包括：探测模块、处理模块以及重建模块。探测模块用于探测入射伽马光子并识别入射伽马光子作用于探测模块产生的光子事件的信息，上述光子事件的信息包括：三维作用位置、作用时间和沉积能量。处理模块用于根据上述作用时间和上述沉积能量确定上述入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射。重建模块用于根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息。

根据本公开的实施例，上述探测模块包括：辐射探测单元以及信号处理单元。辐射探测单元用于探测入射伽马光子。信号处理单元设置于上述辐射探测单元的内部或外部，用于识别入射伽马光子作用于上述辐射探测单元产生的光子事件的信息。

根据本公开的实施例，上述辐射探测单元包括若干(一个或多个)闪烁晶体单元，上述信号处理单元包括若干光电器件，上述若干闪烁晶体单元呈块状或为多个条状晶体呈二维阵列形式分布，上述若干光电器件呈二维阵列形式分布或拼接；或者，上述辐射探测单元包括半导体探测器，上述信号处理单元设置于上述半导体探测器的内部，或者作为读出电子学设置于半导体探测器的外部。

根据本公开的实施例，上述若干光电器件任意组合，并耦合在上述若干闪烁晶体单元的任意一侧或多侧。上述若干闪烁晶体单元为多个条状闪烁晶体呈二维阵列形式分布，上述多个条状闪烁晶体中的至少一个条状闪烁晶体由多个分割晶体条拼接或粘接组成，使得该至少一个条状闪烁晶体对于不同方向入射的伽马光子探测效率不同；其中，上述多个条状闪烁晶体的材料之间具有不同的发光效率或不同的衰减系数；任意间隔的条状闪烁晶体之间还可选择性设置有填充物，上述填充物包括空气和轻质材料中的至少一种材质。

根据本公开的实施例，识别入射伽马光子作用于上述辐射探测单元产生的光子事件的三维作用位置，包括：基于上述信号处理单元根据入射伽马光子的位置信号响应来确定上述入射伽马光子作用于探测模块的水平和竖直位置坐标x，y；以及基于上述信号处理单元对于入射伽马光子的能量信号响应来确定上述入射伽马光子作用于探测模块的轴向深度位置坐标z。

根据本公开的实施例，上述根据上述作用时间和上述沉积能量确定上述入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射，包括：在预设时间窗t

根据本公开的实施例，根据所有光子事件的沉积能量确定产生入射伽马光子的放射源与探测模块发生相互作用的能谱；基于上述能谱的能峰位置确定上述放射源的能量E

根据本公开的实施例，上述根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，包括：建立不同物理过程类型对应的联合重建目标函数；以及求解上述联合重建目标函数，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息；

其中，上述联合重建目标函数满足以下表达式：

f＝argmax(L

其中，f表示预定时间段内需要进行重建的放射源的空间分布图像函数，p

根据本公开的实施例，基于解析重建算法、代数迭代算法或统计迭代重建算法求解上述联合重建目标函数。

根据本公开的实施例，上述装置还包括：显示模块，用于显示上述处理模块中得到的放射性物质分布实时信息。

本公开的第二个方面提供了一种基于上述装置实现联合成像的方法。该方法包括：探测入射伽马光子并识别入射伽马光子作用于探测模块产生的光子事件的信息，上述光子事件的信息包括：三维作用位置、作用时间和沉积能量；根据上述作用时间和上述沉积能量确定上述入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射；以及根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的核辐射探测成像的装置及联合成像的方法，具有以下有益效果：

同时利用入射伽马光子在探测模块内作用产生的光子事件对应的物理过程类型、三维作用位置、作用时间和沉积能量的信息，基于光子事件的信息进行联合成像，实现了对各种作用类型的伽马光子信息的利用，能够提升探测灵敏度，扩展可成像能量范围，并使得输出的放射性位置分布有更好的成像及定位效果。

附图说明

图1为根据本公开实施例所示的核辐射探测成像的装置的结构框图。

图2为根据本公开一实施例所示的探测模块的结构示意图。

图3为根据本公开另一实施例所示的探测模块的结构示意图。

图4为根据本公开又一实施例所示的探测模块的结构示意图。

图5为根据本公开一实施例所示的基于核辐射探测成像的装置实现联合成像的方法的流程图。

图6为根据本公开另一实施例所示的基于核辐射探测成像的装置实现联合成像的方法的流程图。

【符号说明】

1-核辐射探测成像的装置；

11-探测模块；

111-辐射探测单元；

111a、111b、111c、111d、111e、111f-闪烁晶体；

112-信号处理单元；

12-处理模块；

13-重建模块。

具体实施方式

本公开的实施例提供了一种核辐射探测成像的装置及联合成像的方法，能够同时利用入射伽马光子在探测模块内作用产生的光子事件对应的物理过程类型、三维作用位置、作用时间和沉积能量的信息，基于光子事件的信息进行联合成像，实现了对各种作用类型的伽马光子信息的利用，能够提升探测灵敏度，扩展可成像能量范围，并使得输出的放射性位置分布有更好的成像及定位效果。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开的第一个示例性实施例提供了一种核辐射探测成像的装置。

图1为根据本公开实施例所示的核辐射探测成像的装置的结构框图。

参照图1所示，本公开实施例提供的核辐射探测成像的装置1包括：探测模块11、处理模块12和重建模块13。

探测模块11用于探测入射伽马光子并识别入射伽马光子作用于探测模块产生的光子事件的信息，上述光子事件的信息包括：三维作用位置、作用时间和沉积能量。

处理模块12用于根据上述作用时间和上述沉积能量确定上述入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射。

重建模块13用于根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息。

图2为根据本公开一实施例所示的探测模块的结构示意图。图3为根据本公开另一实施例所示的探测模块的结构示意图。图4为根据本公开又一实施例所示的探测模块的结构示意图。

根据本公开的实施例，上述探测模块11包括：辐射探测单元111以及信号处理单元112。辐射探测单元111用于探测入射伽马光子。信号处理单元112设置于上述辐射探测单元111的内部或外部，用于识别入射伽马光子作用于上述辐射探测单元111产生的光子事件的信息。上述光子事件的信息包括：三维作用位置、作用时间和沉积能量。

探测模块可以包括1个或多个辐射探测单元(闪烁晶体探测器或半导体探测器)及1个或多个信号处理单元，辐射探测单元可以是由不同的辐射探测材料组成的探测阵列，辐射探测材料的选择及分布使得该探测阵列对于不同能量入射的伽马光子的探测效率不同。

放射源辐射的具有一定能量的伽马光子可以从任意方向入射至闪烁晶体，在闪烁晶体上产生光信号，基于光电器件将探测到闪烁晶体的光信号转化为电学信号，并将入射伽马光子作用于上述辐射探测单元111产生的光子事件的作用位置、作用时间和沉积能量识别/转化为数字信号。

在一实施例中，参照图2～图4所示，以辐射探测单元111包括闪烁晶体，信号处理单元112包括光电器件作为示例。在另一实施例中，上述辐射探测单元包括半导体探测器，上述信号处理单元为半导体探测器的读出电子学。例如半导体探测器为碲锌镉探测器。信号处理单元112可任意组合、耦合或连接在辐射探测单元的任意一侧或多侧。

闪烁晶体是指在伽马光子的作用下，能够将伽马光子的能量转变为闪烁光子，而发出闪光的晶体。

辐射探测单元111包括：块状的闪烁晶体和分布于上述块状的闪烁晶体轴向的两端的呈二维排布的光电器件，参照图2所示；或者，柱状的闪烁晶体二维排布形成的闪烁晶体阵列和分布于每个柱状的闪烁晶体轴向的两端的光电器件，参照图3和图4所示。根据本公开的其它实施例，光电器件也可以只位于闪烁晶体的一端。

由多个闪烁晶体组成的闪烁晶体阵列中，可以由同一种晶体排列组合组成闪烁晶体阵列，也可以由对伽马光子衰减系数不同的闪烁晶体间隔排列组成闪烁晶体阵列，如图3示意的由对伽马光子衰减系数不同的两种闪烁晶体111a、111b组成闪烁晶体阵列，或者如图4示意的由发光量不同的多种闪烁晶体111a、111b、111c、111d、111e和111f间隔排列组成闪烁晶体阵列。根据本公开的实施例，还可以是由闪烁晶体和对伽马光子衰减系数较小的轻质(如空气、塑料)间隔排列组成闪烁晶体阵列。

不同材料的闪烁晶体的二维阵列分布可以是规律排布，也可以是随机分布。其中，每个闪烁晶体、轻质均为一个独立的柱状条，例如可以是长方体条、圆柱条或者其他截面形状的柱状。

在本公开的一个实施例中，闪烁晶体的材质可选NaI、CsI、LaBr

在本公开的一个实施例中，所有闪烁晶体单体的至少一端耦合有一个或多个光电器件。

在本公开的一个实施例中，光电器件可以选择雪崩型光电二极管APD、硅光电倍增器件SiPM、光电倍增管PMT、盖革模式雪崩型光电二极管GAPD、固态光电倍增器件SSPM中的至少一种。

在本公开的一个实施例中，每个辐射探测单元中的闪烁晶体数目、尺寸、材料选择和排布方式，需要根据核辐射探测任务的探测效率，成像空间分辨率，目标能量范围，成像视野的要求，来进行折衷选择。

辐射探测单元111以及信号处理单元112，能够支持入射伽马光子作用于探测模块产生的光子事件的信息中三维作用位置、作用时间和沉积能量分别以独立通道输出。针对单个伽马光子在辐射探测单元内发生多次作用的光子事件的情况，信号处理单元112能够支持多次光子事件中的每一次光子事件的三维作用位置、作用时间和沉积能量分别以独立通道读出。

根据本公开的实施例，识别入射伽马光子作用于上述辐射探测单元产生的光子事件的三维作用位置，包括：基于上述信号处理单元根据入射伽马光子的位置信号响应来确定上述入射伽马光子作用于探测模块的水平和竖直位置坐标x，y；以及基于上述信号处理单元对于入射伽马光子的能量信号响应来确定上述入射伽马光子作用于探测模块的轴向深度位置坐标z。

本公开中，识别入射伽马光子作用于所述辐射探测单元产生的光子事件的三维作用位置的方法可以采用现有的多种位置确定的方法，不局限于以下实施例所公开的方式，下面实施例示例性描述一种可选的实施方式。

在本公开的一实施例中，探测模块包括闪烁晶体阵列，以及耦合于每个闪烁晶体两端的光电器件构成的光电器件阵列。例如可以参照图3所示，所有闪烁晶体两端耦合的光电器件的输出信号共同用于计算在该探测模块中伽马光子事件作用的三维位置P(x，y，z)。其中，与闪烁晶体阵列的上下端面平行的平面上的作用位置P(x)和P(y)，由光电器件根据探测到的伽马光子与闪烁晶体作用产生的位置信号来确定。与闪烁晶体阵列端面垂直方向的作用位置P(z)，由两个光电器件上探测到的能量信号确定。具体计算公式如下：

其中，z表示伽马光子事件(可以简称为光子事件)作用的三维空间位置，E

具体的标定流程为：

(1)将经过准直的放射源放置于探测准直单元一侧，并确定其入射在探测准直单元上的z位置；

(2)采集多个事件，每一个事件得到E

(3)计算每一个事件的

(4)根据z值和

在本公开的一个实施例中，伽马光子事件的沉积能量为晶体两端耦合的光电器件上的信号幅值或面积之和，即

E＝E

利用所有光子事件的沉积能量，可以得到伽马放射源与探测器发生相互作用的能谱，能谱的能峰位置对应产生入射伽马光子的放射源的能量E

处理模块12用于根据作用时间和沉积能量确定入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射。进而经过探测模块11和处理模块12之后，可以得到入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型、三维作用位置、作用时间和沉积能量的信息。

在一实施例中，处理模块12针对入射伽马光子在辐射探测单元内产生单次作用或多次作用的信号读出，进行甄别及分别处理。针对入射伽马光子在辐射探测单元内发生作用的甄别结果，可以是发生单次光电效应作用，或发生单次康普顿散射作用，或发生多次康普顿散射作用。当入射伽马光子在辐射探测单元内发生多次作用时，甄别多次作用的先后顺序。

预设时间窗t

根据本公开的实施例，根据作用时间和沉积能量确定入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型，包括：在预设时间窗t

也就是说，如果在一预设时间窗t

如果在一预设时间窗t

如果在一预设时间窗t

在一实施例中，光电器件也可只耦合在闪烁晶体的一端，利用入射的伽马光子在闪烁晶体内产生的信号的空间位置分布，来获得伽马光子的三维位置信息。

根据本公开的实施例，上述根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，包括：建立不同物理过程类型对应的联合重建目标函数；以及求解上述联合重建目标函数，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息。

其中，上述联合重建目标函数满足以下表达式：

f＝argmax(L

其中，f表示预定时间段内需要进行重建的放射源的空间分布图像函数，p

通过调整不同事件在重建过程中的权重，可以实现不同形式的联合重建过程，特殊的，当β

进一步的，基于解析重建算法、代数迭代算法或统计迭代重建算法求解联合重建目标函数，以得到放射源的分布信息。

其中，解析重建算法可以采用滤波反投影算法，其计算公式如下：

其中，f(x，y)为重建的图像，P(ω，θ)为图像投影的一维傅里叶变换，|ω|为高通滤波器。

代数迭代算法的计算公式如下：

其中，f

统计迭代重建算法的计算公式如下：

式中，

进一步地，使用统计迭代重建算法重建图像时，探测器上的投影数据可以被表达为如下形式：

p＝[p

系统传输矩阵可以被表达为如下形式：

C＝[C

其中，p

这里的三维位置灵敏探测器能够探测出光子事件的三维作用位置的探测模块的一种示例，例如可以是上述半导体探测器或者由闪烁晶体和光电器件耦合构成的探测结构。

根据本公开的实施例，上述装置还包括：显示模块，用于显示上述处理模块中得到的放射性物质分布实时信息。

用于工业和医学领域的伽马射线源发射的伽马光子在与探测器发生作用后，其物理过程类型主要包括光电效应和康普顿散射。当发生光电效应时，伽马光子在探测器上的单个位置作用并沉积能量。当发生康普顿散射时，伽马光子将在探测器的首次三维作用位置沉积一定的能量，会再次产生散射，散射产生的伽马光子其运动方向与初始伽马光子不同，可能逃逸出探测器或再次在探测器中沉积能量，不同能量段的伽马光子将有很大概率在探测器上有两个及以上三维作用位置。

相关技术中，核辐射监控系统只能利用单一物理过程的伽马光子进行成像。无法在单一探测模块同时收集光电效应作用的光子事件和康普顿散射作用的光子事件并联合用于成像，没有全面利用探测到的光子信息，其成像性能受到限制。

而在本公开的实施例中，通过同时利用入射伽马光子在探测模块内作用产生的光子事件对应的物理过程类型、三维作用位置、作用时间和沉积能量的信息，基于光子事件的信息进行联合成像，实现了对各种作用类型的伽马光子信息的利用，能够提升探测灵敏度，扩展可成像能量范围，并使得输出的放射性位置分布有更好的成像及定位效果。

本实施例提供的装置的探测模块可以同时探测伽马光子与探测器作用时，产生的光电效应事件和康普顿散射事件，并利用辐射探测的信息进行伽马放射源的成像。

相比于现有的单独使用光电效应事件或康普顿散射事件成像的成像系统，本公开实施例提供的装置可以同时探测到经过光电效应和康普顿散射产生的光子事件，提升了探测效率和系统的灵敏度。低能伽马光子和伽马辐射探测器作用以光电效应事件为主，中高能伽马光子和伽马辐射探测器作用以康普顿散射为主，相比于现有成像系统，本公开还扩展了伽马放射源成像的能量范围。

对于探测到的光电效应事件和康普顿散射事件，本公开可以利用处理模块进行事件类型甄别；对于探测到的多次康普顿散射事件，本公开可以利用处理模块进行事件作用先后甄别。

对于光电效应事件和康普顿散射事件，本公开利用联合重建的框架，在单一辐射探测模块中可以一次性同时利用在探测器内发生不同作用的入射伽马光子的全部信息，进一步提升了成像系统的成像性能。

本公开的第二个示例性实施例提供了一种基于上述装置实现联合成像的方法。

图5为根据本公开实施例所示的基于核辐射探测成像的装置实现联合成像的方法的流程图。

参照图5所示，本实施例提供的联合成像的方法包括以下操作：S21、S22和S23。

在操作S21，探测入射伽马光子并识别入射伽马光子作用于探测模块产生的光子事件的信息，上述光子事件的信息包括：三维作用位置、作用时间和沉积能量。

在操作S22，根据上述作用时间和上述沉积能量确定上述入射伽马光子产生的光子事件对应的物理过程类型为以下一种：光电效应、单次康普顿散射或多次康普顿散射。

在操作S23，根据预定时间段内不同物理过程类型的入射伽马光子的三维作用位置、作用时间和沉积能量进行联合成像重建，进而得到产生入射伽马光子的放射源的空间分布实时图像信息。

图6为根据本公开另一实施例所示的基于核辐射探测成像的装置实现联合成像的方法的流程图。

参照图6所示，本公开实施例提供的联合成像的方法除了包括上述操作S21～S23之外，还包括操作S24：对重建后入射伽马光子的放射源分布图像实时显示。

参照图1和图6所示，上述操作S21由探测模块11执行，得到光子事件的三维作用位置、作用时间和沉积能量的信息；上述操作S22由处理模块12执行，得到光子事件对应的物理过程类型，从而得到光电效应光子事件数据集和康普顿散射光子事件数据集，其中，康普顿散射光子事件包括：单次康普顿散射或多次康普顿散射；上述操作S23由重建模块13执行，重建的方式包括：利用单类光子事件信息进行重建，利用两类光子事件信息进行重建，或者利用所有类别光子事件信息进行重建。

在一实施例中，参照图6所示，利用单类光子事件信息进行重建可以包括：利用光电效应首次作用位置信息进行成像重建，或者利用康普顿散射光子首次作用位置信息进行成像重建，或者利用康普顿散射光子多次作用的位置和能量信息进行成像重建。

在一实施例中，参照图6所示，利用两类光子事件信息进行重建可以是将光电效应首次作用位置信息、康普顿散射光子首次作用位置信息以及康普顿散射光子多次作用的位置和能量信息两两进行组合进行成像重建。

前述有关装置的相应描述可以适应性用于本实施例的方法，这里不再赘述。

综上所述，本公开的实施例提供了一种核辐射探测成像的装置及联合成像的方法，实现了对各种作用类型的伽马光子信息的利用，能够提升探测灵敏度，扩展可成像能量范围，并使得输出的放射性位置分布有更好的成像及定位效果。

需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。