阅读说明：本技术 一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法 (Method for optimizing discrete crystal layout in polyhedral detector ) 是由 许剑锋 叶百合子 张熙 解强强 谢思维 彭旗宇 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于晶体探测器领域,并公开了一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法。该方法包括下列步骤：(a)对于多面体探测器,确定其中最小结构单元的形状和外接圆的半径取值范围；(b)绘制多幅网格图,将最小结构单元放置在每幅网格图中,计算每幅网格图中最小结构单元中包括最多填充单元的数量,以此计算最小结构单元的填充率；(c)所有网格图中填充率的最大值对应的网格图中网格的尺寸大小作为最小结构单元的外接圆尺寸,以此获得最小结构单元的尺寸和该最小结构单元的填充率,实现多面体探测器中离散晶体布局的优化。通过本发明,实现多边形探测器中离散晶体的最优布局,提高探测器的有效覆盖面积。(the invention belongs to the field of crystal detectors and discloses a method for optimizing the layout of discrete crystals in a polyhedral detector. The method comprises the following steps: (a) for a polyhedral detector, determining the shape of a minimum structure unit and the radius value range of a circumscribed circle; (b) drawing a plurality of grid graphs, placing the minimum structural units in each grid graph, and calculating the number of the minimum structural units in each grid graph, wherein the minimum structural units comprise the maximum filling units, so that the filling rate of the minimum structural units is calculated; (c) and the size of the grid in the grid map corresponding to the maximum value of the filling rate in all the grid maps is used as the size of the circumscribed circle of the minimum structure unit, so that the size of the minimum structure unit and the filling rate of the minimum structure unit are obtained, and the optimization of the discrete crystal layout in the polyhedral detector is realized. By the method, the optimal layout of discrete crystals in the polygonal detector is realized, and the effective coverage area of the detector is increased.)

一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法

技术领域

本发明属于晶体探测器领域，更具体地，涉及一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法。

背景技术

针对全身扫描开发的传统环形PET系统，在对脑部进行成像时，大部分(>80％)信号是散失而没有被检测到，系统导致系统灵敏度低，图像信噪比低，难以进行高性能的动态成像，很难有效观测大脑内部新陈代谢的动态过程。

球形PET系统可用于对大脑内部新陈代谢的动态监测，由于半径小、立体空间角大，信号散失少，并且晶体空间填充率高，因此具有更高的系统灵敏度和空间分辨率。但是，由于检测器设计、电子系统设计和图像重建技术方面存在较大难度，球形结构PET系统很难在工程中实现，可将系统设计为多面体结构，向球体靠近，PET系统主要由γ射线探测器模块、符合甄别电路、数据采集预处理系统、计算机图像处理系统构成。正电子在生命体内湮灭产生γ光子对，被探测器模块探测，通过符合甄别电路得出符合事件，再由数据预处理系统对采集到的数据进行一系列的校正、插值、分离，最终得到用于图像重建的原始投影数据，传输至计算机图像处理系统重建图像。

系统灵敏度、系统空间分辨率和信噪比是评价PET技术的最主要指标。系统灵敏度是医用全身PET系统最重要的参数之一，代表了系统获取有效信号数据的能力，是保证系统重建图像空间分辨率的重要指标，系统空间分辨率是系统成像质量好坏的重要指标，同时受系统空间分辨率和图像重建算法的影响，减小晶体宽度可提升图像空间分辨率，但晶体尺寸的过度减小会扩大反应深度效应，增加视差，反而可能导致系统空间分辨率的降低。多面体探测器是球形PET系统中的一种，如何使得多面体探测器的单个多边形能尽可能多的分布可探测的单元，提高探测精度，与多边形探测器中离散晶体的布局密切相关，也是目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法，其通过采用对多面体探测其中最小结构单元的填充率进行规划，实现所述多面体探测器中离散晶体的布局，使得多面体探测器中可探测区域的最大化，提高多面体探测器的有效探测区域，提高探测精度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法，该方法包括下列步骤：

(a)对于多面体探测器，确定该多面体探测器中最小结构单元的形状，然后根据所述多面体探测器的尺寸计算获得所述最小结构单元的外接圆的半径取值范围；

(b)绘制多幅网格图，每幅网格图中每个网格的尺寸大小根据所述最小结构单元的外接圆取值范围进行设定，将所述最小结构单元放置在每幅所述网格图中，计算每幅网格图中所述最小结构单元中最多可包含的填充单元的数量，根据该填充单元的数量计算所述最小结构单元的填充率，以此获得所有所述网格图中最小结构单元的填充率，其中，所述填充单元为三个并行连接的离散晶体；

(c)获取所有所述网格图中最小结构单元的填充率的最大值，该最大值对应的网格图中网格的尺寸大小作为所述最小结构单元的外接圆尺寸，以此获得所述最小结构单元的尺寸和该最小结构单元的填充率，实现所述多面体探测器中离散晶体布局的优化。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述离散晶体包括一个晶体阵列和一个SiPM阵列，所述晶体阵列设置在所述SiPM阵列上与该SiPM阵列耦合。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述SiPM为6×6的阵列，其中包括36个电子通道，用于数据的传输。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述最小结构单元为多边形。

进一步优选地，在步骤(b)中，每幅网格图中每个网格的尺寸大小设定按照下列方式设定，首先设定步长，然后设定初始网格图的网格尺寸，最后按照步长逐步增加或减少所网格尺寸，以此获得所有网格图中网格的尺寸大小。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述填充率优选按照下列方式计算：首先根据所述离散晶体的尺寸获得所述填充单元的面积，然后计算所述填充单元的数量与离散单元的面积的乘积，该乘积与所述网格图的总面积的比值即为所述填充率。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述最小结构单元中所述填充单元的分布方式优选向从所述最小结构单元的某一边开始向对面排列，或从所述最小结构单元的各个边开始向中间排布，或者从所述最小结构单元的中间部分或对角线等开始向两侧排布。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过采用多个填充单元填充网格图的形式，将填充率最大的作为最终的填充方式，与直接填充多边形连续晶体相比，本发明中填充单元为离散晶体阵列，有较成熟的解码、成像技术，没有复杂的边缘效应隐患，并且系统的分辨率可达到较高水平，具有DOI解码能力以及高性能的时间测量潜力，同时，使用较为普遍的晶体和已有型号的SiPM，使本系统由简单结构构成多边形复杂形态，可在保证探测器封装盒有效面积利用率的前提下，极大的降低生产加工成本；

2、本发明中填充单元为三个并行连接的离散晶体，每个SiPM上有36个电子通道，三个离散晶体则包括108个电子通道，可保证排线布置的简单和系统化，和直接用小尺寸晶条大面积填充单个多边形探测器模块相比，最大化利用108通道FPAG，基于此系统化的规整性，可便于成像位置的分辨，以及单个模块的检查、更换和排布，使用模块填充单个多边形探测器的情况下，本发明避免了异性SiPM(硅光电倍增管)设计、解码的不便，保证了读出电路通道数目的利用率和规整性，多边形探测器的有效面积可达80％以上；

3、本发明多个独立填充单元对最小结构单元进行填充，使得多边形探测器的排线布置系统化，整个系统的规整性优良，便于分辨成像位置以及单个模块检查、检修、替换等；同时，本发明避免了异形SiPM设计、解码的不便，同时使用的晶体阵列具有较成熟的解码、成像技术，避免边缘效应隐患；

4、本发明最大化利用108通道FPAG，保证多边形探测器的有效面积可达80％以上，极大的降低生产加工成本，使得向球形靠近的多面体结形PET系统可行性更高，有望获得更高的系统灵敏度和空间分辨率的PET脑部系统。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的优化多面体探测器中离散晶体布局的方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的晶体阵列结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的SiPM阵列结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的离散晶体的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的多面体探测器，其最小结构单元多边形的结构示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的网格图示意图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的填充率和外接圆半径关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种优化多面体探测器中离散晶体布局的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于多面体探测器，确定该多面体探测器中最小结构单元的形状，然后根据所述多面体探测器的尺寸计算获得所述最小结构单元的外接圆的半径取值范围，本实施例中的最小结构单元为五边形，但最小结构单元的形状不仅仅限于此；

(b)绘制多幅网格图，每幅网格中的多边形尺寸根据所述最小结构单元的外接圆取值范围进行设定，将所述最小结构单元放置在每幅所述网格图中，计算每幅网格图中所述最小结构单元中包括最多填充单元的数量，根据该填充单元的数量计算所述最小结构单元的填充率，以此获得所有所述网格图的填充率，其中，所述填充单元为三个并行连接的离散晶体；

本发明提供一种基于全穿戴式的多边形脑部PET系统封装盒的晶体探测器填充、分布模式，该模式下的多边形探测器封装盒，在保证108FPGA的利用率和排线的便利性的前提下，可基本达到最佳晶体填充率，单个离散晶体包含一个晶体阵列，一个SiPM阵列，三个离散晶体构成一个填充单元。每个填充单元将有3个SiPM阵列，共有(3×6×6)108通道，即一个模块可100％使用一个108通道FPGA。

离散晶体阵列中，晶体阵列和SiPM阵列通过耦合剂(光学胶水，空气耦合等方式)直接耦合在一起，SiPM阵列和晶体阵列之间存在光导，离散晶体的6个表面，除了和晶体阵列和SiPM阵列的耦合面以外，都被反射材料覆盖，反射材料可以是反射膜，ESR，Teflon，硫酸钡等。

单个离散晶体结构示意图如图4，由一个晶体阵列和一个SiPM阵列构成，其中，晶体阵列如图2所示，SiPM阵列如图3所示。图2中每个单独的立方体长条为单个晶条，其材料可为Ce、CsI、NaI、BGO、LYSO等。多个单晶条通过BaSO4等多种可供选择的物质填充固定为一个晶体阵列。图3中每个小正方体图例代表一片SiPM(硅光电倍增管)，多片SiPM焊接在电路板上组成阵列。单片SiPM尺寸不做限制，在保证为6×6阵列的前提下，其大小根据晶体阵列的尺寸灵活改变。

晶体阵列、SiPM可以耦合，单个晶条尺寸、晶体阵列尺寸和SiPM的阵列尺寸不受限制，SiPM为6×6阵列，单片SiPM尺寸大小和面积不限，单个离散晶体有36个通道。

本发明基于对小晶体解码进行检测，使用8×8阵列的LYSO离散晶体，单个晶条尺寸为0.75×0.75×10mm³，与单片尺寸为3×3mm²的10×10SiPM阵列耦合，选取有效事件的能量窗，分别使用耦合中心四个SiPM，以及中心耦合9个SiPM，解码采用4×4(16个通道)、2×2(4个通道)和3×3(9个通道)，小尺寸晶条3×3(9个通道)构成的离散晶体阵列可被解码，并且有较好的解码效果，该解码的可行性是作为填充多面体探测器中多边形的前提。

(c)获取所有所述网格图中填充率的最大值，该最大值对应的网格图中网格的尺寸大小作为所述最小结构单元的外接圆尺寸，以此获得所述最小结构单元的尺寸和该最小结构单元的填充率，实现所述多面体探测器中离散晶体布局的优化。

为达到模块数目为整数，便于排线布置、探测器检修、替换以及提高FPGA通道的利用率的目的，本发明在模块填充过程中采取反推思路。

在填充多面体探测器的单个多边形封装盒时，填充方向从多边形某一边开始向对面排列，也可以从多边形的各个边开始向中间排布，或者从中间部分或对角线等开始向两侧排布，填充模块的方向、方式不受限制。填充方每个模块的方式，或横、或竖、或结合实际需求的其余方式皆可。

以排布好的模块为基础，向所需的多边形探测器形状做最大程度的靠拢，有效填充率为模块所占面积与多边形面积之比，再反推出有效填充面积最大的多边形边长、多边形以及多边形探测器构成的多面体内接球内径等尺寸数据。

具体地，以多边形脑部PET系统为例，根据人脑的平均尺寸大小选定目标多面体的内接球半径范围，并计算对应的多边形封装盒边长、外接圆半径等数据。通过MATLAB等编译程序，在多边形边长区间内按照n的步长自动生成多边形网格图，根据网格图的分布以及各种不同的模块排布方式，得到最佳排布并计算该排布方式下所需要的模块数量，以及模块填充率。

完成区间内的填充率计算后，获取理论填充率和对应多面体内切球直径的曲线对应图，通过程序拟合可获取理论峰值，得到最佳大小的内切球直径对应的多面体，以及多边形封装盒，和该多边形封装盒的模块填充方式。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

例如选取十二面体作为目标多面体结构，其子元素最小结构单元为五边形探测器封装盒。根据调研人脑尺寸可将十二面体的内接球半径选定在12～15cm,考虑封装盒的加工余量以及装配余量等，计算五边形封装盒的内尺寸，以及外接圆半径，半径范围为9～11cm。

如图5所示，脑部系统内接球半径R为12cm～15cm，R＝1.11351636a，五边形封装盒外尺寸。a为五边形探测器的边长，考虑封装盒加工余量、装配余量以及封装盒厚度后，a’为五边形探测器封装盒内部实际边长尺寸，其中a>a’。r为十二面体的最小结构单元五边形的外接圆半径，其中r＝a’/1.1756，五边形封装盒外接球半径r为9cm～11cm；

程序以0.2为步长绘制对应外接圆半径大小的五边形及其网格图，并在五边形封装盒中排布模块，获得每个尺寸的封装盒对应最佳排布方式，计算得到相应模块数量N，如图6所示，图6中，网格图中单个网格的尺寸为一个离散晶体的尺寸，网格图中的五边形为按照设定步长生成的多边形，网格图中每个色块长方形占据的面积为一个填充单元面积，即三个并行连接的离散晶体。N为色块长方形的数量，等于填充单元数量，五边形封装盒中填充的离散晶体数量为填充单元数量的三倍。该五边形探测器封装盒有效填充率为，模块所占面积与该五边形面积之比。

如图7所示，图中横坐标为多面体探测器的内切球直径，根据该内接球直径算取半径,以及最小结构单元的多边形封装盒余量以及厚度等，可得多边形的尺寸，以及相应多边形外接圆半径范围。按照设定的步长，生成多边形，每个多边形在网格图中可获得理论填充率。图7中纵坐标为理论填充率，图7表示理论填充率与多面体结构内切球直径之间的关系曲线。

外接圆：r＝10.15cm

五边形边长：a’＝1.1756r＝11.9323cm

封装面积：S＝5a’(tan54°)2/4＝244.9612cm²

五边形封装盒外边长：a>a’

内接球半径：R＝1.113516364×a＝13.285cm

子模块个数：51个

模块个数：17个

有效填充面积：Se＝17×2.016×2.016×3cm²＝207.2771cm²

填充率A％＝Se/S＝84.6163％

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。