用于测量高能光子到达时间的方法及装置技术领域
本发明涉及光子测量领域，具体地，涉及一种用于测量高能光子到达时间的方法
及装置。
背景技术
在高能光子(例如X射线、伽玛光子等)检测领域，检测器系统一般由闪烁晶体、光
电传感器和读出电路等部件组成。下面以正电子发射成像系统为例进行描述。在正电子发
射成像系统中，闪烁晶体，例如锗酸铋(BGO)、硅酸钇镥(LYSO)、溴化镧(LaBr3)等，可以将伽
玛光子转变为可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(PMT)、硅光电倍增管(SiPM)、雪崩
光电二极管(APD)等，可以将可见光子群的光信号转变为电信号。读出电路可以通过测量光
电传感器输出的电信号来得到伽玛光子的能量和伽玛光子到达检测器系统的时间(即伽玛
光子的到达时间)。
根据闪烁晶体的构型的不同，检测器系统可以分为基于离散晶体的检测器系统和
基于连续晶体的检测器系统。由于读出电路复杂度、晶体表面处理等方面的原因，在商品化
正电子发射成像系统中，均采用基于离散晶体的检测器系统。
基于离散晶体的检测器系统的闪烁晶体层由离散晶体阵列组成。例如，可以用3毫
米×3毫米×20毫米的晶体，组成10×10的阵列，晶体阵列总大小为30毫米×30毫米×20毫
米。通过设计相应的光电传感器阵列和读出电路，可以确认伽玛光子打到哪个离散晶体中
(称为解码)。
基于离散晶体的检测器系统的时间测量精度，受晶体本征时间性能、晶体的尺寸
(伽玛光子在晶体中不同位置转换为可见光子群，这些可见光子群到达光电传感器的时间
不一样)、光电传感器的响应时间稳定性(jitter)、读出电路的时间测量精度等因素的影
响。有研究表明，在上述因素中，最主要的瓶颈是光电传感器的响应时间稳定性。由于这个
瓶颈的存在，由最常用的硅酸镥(LSO)晶体(3毫米×3毫米×30毫米)构成的检测器系统在
理论上的最优时间分辨率不可能优于70ps。实际的商品化正电子发射成像系统的时间分辨
率一般在500ps左右，最优不优于320ps。
因此，需要提供一种用于测量高能光子到达时间的方法，以至少部分地解决现有
技术中存在的上述问题。
发明内容
为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种
用于测量高能光子到达时间的方法。该方法包括：获取与光电传感器阵列中的每个传感器
单元所检测到的、高能光子与闪烁晶体发生反应所产生的可见光子相关的到达时间，其中，
闪烁晶体是连续晶体，光电传感器阵列包括与闪烁晶体耦合的多个传感器单元；至少基于
与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间，获得与光电
传感器阵列中的选定的至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间；以及对与
至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间求平均，以获得高能光子的到达时
间。
根据本发明的另一方面，提供一种用于测量高能光子到达时间的装置。该装置包
括：时间获取模块，用于获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的、高能光子
与闪烁晶体发生反应所产生的可见光子相关的到达时间，其中，闪烁晶体是连续晶体，光电
传感器阵列包括与闪烁晶体耦合的多个传感器单元；待平均时间获得模块，用于至少基于
与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间，获得与光电
传感器阵列中的选定的至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间；以及平均
模块，用于对与至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间求平均，以获得高
能光子的到达时间。
根据本发明实施例的方法和装置，通过对针对多个传感器单元获得的、与可见光
子的到达时间相对应的待平均时间求平均，可以获得较高的时间分辨率。
在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一
步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和
必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发
明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1示出根据本发明一个实施例的基于连续晶体的检测器系统的示意图；
图2示出根据本发明一个实施例的用于测量高能光子到达时间的方法的流程示意
图；
图3示出根据本发明另一个实施例的用于测量高能光子到达时间的方法的流程示
意图；
图4示出根据本发明又一实施例的用于测量高能光子到达时间的方法的流程示意
图；
图5是根据本发明一个实施例的基于九个不同反应位置对光电传感器阵列所检测
到的可见光子的能量分布进行仿真的仿真结果；
图6示出根据本发明一个实施例的传感器单元输出的两种不同大小的电信号的波
形及与这两种电信号分别对应的触发时间的示意图；
图7示出根据本发明一个实施例的高能光子在闪烁晶体内的目标反应位置与传感
器单元之间的距离关系的示意图；
图8示出根据本发明一个实施例的高能光子及与其相符合的高能光子入射到各自
对应的闪烁晶体的示意图；
图9示出根据本发明另一个实施例的高能光子及与其相符合的高能光子入射到各
自对应的闪烁晶体的示意图；
图10示出根据本发明一个实施例的改进的基于连续晶体的检测器系统的示意图；
以及
图11示出根据本发明一个实施例的用于测量高能光子到达时间的装置的示意性
框图。
具体实施方式
在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技
术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样
的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未
进行描述。
为了解决上述问题，本发明提出一种用于测量高能光子到达时间的方法和装置，
其用于基于连续晶体的超高时间分辨率检测器系统。基于连续晶体的检测器系统的闪烁晶
体层可以由一整块连续晶体组成。例如，可以用一块30毫米×30毫米×20毫米的晶体，直接
构成闪烁晶体层。通过设计相应的光电传感器阵列和读出电路，可以确认伽玛光子打到连
续晶体中的哪个位置(称为解码)。
图1示出根据本发明一个实施例的基于连续晶体的检测器系统100的示意图。如图
1所示，检测器系统100包括连续晶体110、光电传感器阵列120、读出电路130和数据处理模
块140。
如图1所示，光电传感器阵列120可以安置在连续晶体110下方，与该连续晶体110
耦合。连续晶体的其他面可以覆盖有不同类型的反光材料。光电传感器阵列120也可以安置
在连续晶体其他任何一个面上，本发明不做限制。光电传感器阵列120也可以是多个光电传
感器阵列，安置在连续晶体其他任何一个，两个，三个，四个，五个或者六个面上，其他面可
以覆盖有不同类型的反光材料，本发明不做限制。
光电传感器阵列120可以包括多个传感器单元，例如，光电传感器阵列可以是4×4
的阵列，包括16个传感器单元。当高能光子(例如伽玛光子)入射到连续晶体110中时，可以
与连续晶体110发生反应，产生能量较低的可见光子群。可见光子群直射或反射到光电传感
器阵列120上，由光电传感器阵列120中的若干传感器单元接收。当高能光子出现并与连续
晶体110发生反应时，检测到可见光子的传感器单元通常不止一个。
光电传感器阵列120中的每个传感器单元可以将检测到的可见光子的光信号转换
为电信号，并将电信号输出到与其相连的读出电路130。可以理解，对于未检测到可见光子
的传感器单元，其输出的电信号可以是0。读出电路130可以并行读取多个传感器单元输出
的电信号，并分别输出与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量和到达时间。应
理解，本文所描述的、读出电路130输出的到达时间可以是包含时间信息的电信号，本文所
描述的、读出电路130输出的能量可以是包含能量信息的电信号。
读出电路130可以将与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量和到达时
间输出到与其相连的数据处理模块140中，由数据处理模块140进行高能光子的到达时间的
计算。
示例性地，读出电路130可以是一个独立的电路或者可以包括多个分立的电路。例
如，读出电路130可以是一个独立的电路，其与光电传感器阵列120中的所有传感器单元连
接，并且可以并行读取所有传感器单元输出的电信号。又例如，假设光电传感器阵列120包
括16个传感器单元，则读出电路130可以包括16个分立的电路，16个分立的电路与16个传感
器单元一一对应连接，每个分立的电路用于读取对应的传感器单元输出的电信号。当然，上
述读出电路130的实现方式仅是示例，读出电路130可以具有任何合适的电路结构，本发明
不对此进行限制。
数据处理模块140可以实现本文所述的用于测量高能光子的方法。示例性地，数据
处理模块140可以采用任何合适的硬件、软件和/或固件实现。下面结合附图描述本发明提
出的用于测量高能光子到达时间的方法。
图2示出根据本发明一个实施例的用于测量高能光子到达时间的方法200的流程
示意图。如图2所示，方法200包括以下步骤。
在步骤S210，获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的、高能光子
与闪烁晶体发生反应所产生的可见光子相关的到达时间，其中，闪烁晶体是连续晶体，光电
传感器阵列包括与闪烁晶体耦合的多个传感器单元。
如上文所述，读出电路130可以将与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的
能量和到达时间输出到与其相连的数据处理模块140中，数据处理模块140可以接收读出电
路130输出的能量和时间信息。
在步骤S220，至少基于与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光
子相关的到达时间，获得与光电传感器阵列中的选定的至少部分传感器单元中的每一个分
别对应的待平均时间。
在一个示例中，所述至少部分传感器单元包括光电传感器阵列中的所有传感器单
元，可以直接将与光电传感器阵列中的所有传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时
间作为与光电传感器阵列中的至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间，也
就是说，不对从读出电路接收到的各到达时间进行任何处理，直接对这些到达时间进行后
续的平均，以求得高能光子的到达时间。
在另一个示例中，所述至少部分传感器单元包括光电传感器阵列中的一部分传感
器单元而非所有传感器单元。在这种情况下，可以首先对传感器单元进行挑选，例如，可以
仅将与其所检测到的可见光子相关的能量大于预设能量的传感器单元挑选出来作为本文
所述的至少部分传感器单元。随后，在后续的步骤S130中，对与挑选出来的至少部分传感器
单元所检测到的可见光子相关的到达时间求平均，以求得高能光子的到达时间。
在又一个示例中，所述至少部分传感器单元包括光电传感器阵列中的所有传感器
单元。在本示例中，可以首先对与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进
行修正，将经修正的到达时间作为待平均时间参与后续的求平均操作。到达时间的修正方
式将在下文描述。
在再一个示例中，所述至少部分传感器单元包括光电传感器阵列中的一部分传感
器单元而非所有传感器单元。在这种情况下，可以首先对传感器单元进行挑选，例如，可以
仅将与其所检测到的可见光子相关的能量大于预设能量的传感器单元挑选出来作为本文
所述的至少部分传感器单元。然后，可以首先对与挑选出的传感器单元中的每个传感器单
元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，将经修正的到达时间作为待平均时间参
与后续的平均化操作。替代地，也可以对与光电传感器阵列中的所有传感器单元所检测到
的可见光子相关的到达时间进行修正，随后从所有传感器单元中挑选出所述至少部分传感
器单元，对与挑选出的至少部分传感器单元对应的经修正的到达时间求平均，以求得高能
光子的到达时间。
在步骤S230，对与至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间求平
均，以获得高能光子的到达时间。
可以对与上述至少部分传感器单元对应的待平均时间求平均。求平均的方式可以
是简单的算数平均或加权平均等。
在现有技术中，通常采用单个传感器单元对高能光子发生事件(例如伽玛事件)进
行检测，与该传感器单元检测到的可见光子相关的到达时间即被视为是高能光子的到达时
间。在本发明中，采用多个传感器单元针对同一高能光子发生事件进行检测，读出电路根据
多个传感器单元输出的电信号测量获得多个与可见光子相关的到达时间，相当于是测量获
得一个高能光子的多个到达时间，其也可以理解为对同一高能光子进行了多次测量，每次
测量获得一个到达时间。随后，可以对与多个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达
时间求平均，将平均获得的时间视为高能光子的实际到达时间。当然，在求平均之前，还可
以对与传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行适当的修正，以提高与可见光
子相关的到达时间的准确度，进而提高通过求平均获得的高能光子的到达时间的准确度。
本领域技术人员可知，在每次针对高能光子的到达时间的测量中，光电传感器阵
列中的每个传感器单元的响应时间稳定性所造成的误差，以及读出电路的时间测量误差，
在理论上都分别是相互独立的随机变量。由于对针对传感器阵列中的多个传感器单元测量
获得的到达时间(或经过修正的到达时间)求平均，并且信号(即高能光子的真实到达时间)
的幅度不变，因此噪声(例如，响应时间稳定性误差，或者读出电路的时间测量误差)的幅度
可以降低为：
在式(1)中，Noisefinal为求平均后的噪声，Noisedetector为单个传感器单元的响应
时间稳定性所造成的误差，或者读出电路的单个读出通道(每个读出通道对应一个传感器
单元)的时间测量误差。
假设单个传感器单元(每个传感器单元是一个光电传感器)的响应时间稳定性造
成的误差为50ps，并且假设光电传感器阵列包括25个传感器单元，则根据式(1)，对25个读
出通道输出的到达时间进行平均之后，高能光子的到达时间的测量误差降低到10ps。也就
是说，由于本发明实施例中采用求平均方式确定高能光子的到达时间，因此与现有技术相
比，本发明实施例提供的方法200对高能光子的到达时间的测量误差大大减小。
由上可知，本发明通过使用多个传感器单元对同一高能光子发生事件进行检测
(相当于多次并行测量)，来减少光电传感器的响应时间稳定性对时间测量的影响。本发明
实施例提供的用于测量高能光子到达时间的方法(及下文所述的用于测量高能光子到达时
间的装置)的主要优点如下：
(1)时间测量精度有可能达到10ps甚至更高。在10ps内光子的飞行距离只有3毫
米。因此，10ps的时间测量精度意味着可以对正电子(湮灭成一对方向相反的伽玛光子)的
湮灭位置进行直接定位成像，而不需要通过图像重建算法来进行图像重建。因此，与传统的
500ps时间分辨率的正电子发射成像系统相比，10ps时间分辨率的正电子发射成像系统的
灵敏度和图像信噪比可以提高7倍。这将在正电子发射成像系统的临床应用领域产生革命
性的深远影响。
(2)对光电传感器的减少响应时间稳定性影响的要求，以及对读出电路的时间测
量精度的要求都可以大幅度降低，这有利于降低检测器系统的成本。
根据本发明实施例，步骤S220可以包括：选择至少部分传感器单元；以及对于至少
部分传感器单元中的每一个，对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行
修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间。
如上文所述，至少部分传感器单元可以包括上述光电传感器阵列120中的一部分
传感器单元或者所有传感器单元。示例性地，可以根据需要从光电传感器阵列120的所有传
感器单元中选择一部分传感器单元作为所述至少部分传感器单元。示例性地，可以直接将
光电传感器阵列中的所有传感器单元作为所述至少部分传感器单元。
在确定参与平均的至少部分传感器单元之后，可以对与至少部分传感器单元中的
每一个所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正。由于在时间测量过程中，存在一些
误差，例如读出电路130所采用的触发电平造成的误差等，可以首先对这些误差进行修正，
将经过修正的到达时间作为待平均时间参与后续的平均。
对与可见光子相关的到达时间进行修正可以提高通过求平均获得的高能光子的
到达时间的准确度，也就是可以进一步提高方法200的时间测量精度。
根据本发明实施例，在对于至少部分传感器单元中的每一个，对与该传感器单元
所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间
之前，方法200可以进一步包括：获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可
见光子相关的能量；对于至少部分传感器单元中的每一个，对与该传感器单元所检测到的
可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间可以包括：
对于至少部分传感器单元中的每一个，至少根据与该传感器单元所检测到的可见光子相关
的能量对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传感
器单元对应的待平均时间。
图3示出根据本发明另一个实施例的用于测量高能光子到达时间的方法300的流
程示意图。图3所示的方法300的步骤S310和S350分别与图2所示的方法200的步骤S210和
S230相对应，本领域技术人员通过以上关于图2的描述可以理解步骤S310和S350的实施方
式，不再赘述。根据本实施例，图2所示的步骤S220可以具体包括图3所示的步骤S330和
S340，并且在步骤S340之前，方法300可以进一步包括步骤S320。
具体地，在步骤S320，获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可
见光子相关的能量。
读出电路130在接收到每个传感器单元输出的电信号之后，可以根据电信号的大
小(或称为强度或幅度)确定与传感器单元所检测到的可见光子相关的能量。因此，如上文
所述，读出电路130除了可以输出与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间
之外，还可以输出与每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量。数据处理模块140可
以接收可见光子的能量。
在步骤S330，选择至少部分传感器单元。根据上文描述可以理解该步骤，在此不再
赘述。
在步骤S340，对于至少部分传感器单元中的每一个，至少根据与该传感器单元所
检测到的可见光子相关的能量对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进
行修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间。
由于在读出电路130测量与可见光子相关的到达时间时，典型地将其接收到的电
信号超出阈值的时刻视为可见光子的到达时间。然而，高能光子在产生大量可见光子时，可
见光子与不同传感器单元的距离不同，这样测量获得的与可见光子相关的到达时间将差异
较大，也就是误差较大。由于可见光子的能量大小与电信号的大小一致，因此，可以根据与
可见光子相关的能量来修正与可见光子相关的时间。
应当理解，图3所示的方法300的各步骤的执行顺序仅是示例而非限制，方法300可
以具有其他合适的执行顺序。例如，图3所示的方法300的步骤S320可以在步骤S330之后执
行，或者二者同时执行。
根据本发明实施例，步骤S340可以包括：根据与光电传感器阵列中的所有传感器
单元所检测到的可见光子相关的能量计算高能光子在闪烁晶体中的目标反应位置；对于至
少部分传感器单元中的每一个，根据与该传感器单元所检测到的可见光子相关的能量对与
该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传感器单元对应
的修正时间；对于至少部分传感器单元中的每一个，根据目标反应位置对与该传感器单元
对应的修正时间进行修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间。
图4示出根据本发明又一实施例的用于测量高能光子到达时间的方法400的流程
示意图。图4所示的方法400的步骤S410-S430和S470分别与图3所示的方法300的步骤S310-
S330和S350相对应，本领域技术人员通过以上关于图3的描述可以理解步骤S410-S430和
S470的实施方式，不再赘述。根据本实施例，图3所示的步骤S340可以具体包括图4所示的步
骤S440-S460。
在步骤S440，根据与光电传感器阵列中的所有传感器单元所检测到的可见光子相
关的能量计算高能光子在闪烁晶体中的目标反应位置。
高能光子(例如伽玛光子)在闪烁晶体中的速度接近真空光速c，而高能光子和闪
烁晶体发生反应后，产生的可见光子的速度为：v＝c/nr。nr为可见光子在闪烁晶体中的折射
率。例如，在LSO晶体中，420nm波长的可见光子的折射率为1.8左右，速度为真空光速的0.56
倍。因此，为了获得准确的时间测量结果，有必要对由高能光子和可见光子在闪烁晶体中的
速度差异而造成的测量误差进行补偿。为了补偿速度差异造成的误差，需要知道可见光子
在闪烁晶体中的传输距离，其等于高能光子的目标反应位置到检测到可见光子的传感器单
元的距离。因此，可以首先确定高能光子的目标反应位置。
高能光子的目标反应位置可以通过利用基于光电传感器阵列120输出的电信号测
量获得的能量信息来计算。下面结合图5描述目标反应位置的计算方法。图5是根据本发明
一个实施例的基于九个不同反应位置对光电传感器阵列所检测到的可见光子的能量分布
进行仿真的仿真结果。图5左下角示出仿真使用的xyz坐标系。
在图5所示的实施例中，参与仿真的检测器系统的参数如下：闪烁晶体为LSO晶体，
其大小为60毫米×60毫米×20毫米；光电传感器阵列的大小为10×10，单个传感器单元的
大小为6毫米×6毫米。
图5示出基于九个不同反应位置的仿真结果，每个仿真结果可以称为一个能量分
布图。每个能量分布图中的x轴和y轴上的数值分别是10×10光电传感器阵列的横向和纵向
编号，z轴表示从10×10光电传感器阵列中的每个传感器单元读出的电信号的大小，其单位
为光子数目。应当理解，传感器单元输出的电信号的大小和与传感器单元所检测到的可见
光子相关的能量的大小是对应的。
在图5所示的9个能量分布图中，按照从左上角到右下角的顺序，伽玛光子在闪烁
晶体中的反应位置的深度分别设定为2毫米、4毫米、6毫米、…18毫米。此外，对于每个能量
分布图来说，伽玛光子都是从接近闪烁晶体的中心轴的位置处入射。由图5可见，伽玛光子
在闪烁晶体中的反应位置不同，10×10光电传感器阵列测量得到的可见光子的能量分布
(或称光分布)也不同。
具体地，可以参见左上角第一个能量分布图，伽玛光子的反应位置的深度为2毫
米，由于距离下方的光电传感器阵列比较远，所以产生的可见光子比较分散，检测到可见光
子的传感器单元较多。参见右下角最后一个能量分布图，伽玛光子的反应位置的深度为18
毫米，由于距离下方的光电传感器阵列比较近，所以产生的可见光子比较集中，检测到可见
光子的传感器单元较少。另外，图5所示的能量分布图均为在伽玛光子从接近闪烁晶体的中
心轴的位置处入射的情况下仿真获得的，应当理解，如果伽玛光子的入射位置在xy平面上
移动，则在能量分布图中，可见光子的能量集中区域也会跟随入射位置的移动方向变化。因
此，通过可见光子的能量分布，可以反推出伽玛光子在闪烁晶体中的反应位置，称为位置计
算。位置计算的方法可以是任何现有的或将来可能实现的位置计算方法，例如重心法、人工
神经网络、解析法等方法，本发明不对此进行限制。
在步骤S450，对于至少部分传感器单元中的每一个，根据与该传感器单元所检测
到的可见光子相关的能量对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修
正，以获得与该传感器单元对应的修正时间。
根据本发明一个实施例，读出电路130可以采用恒压触发方式测量与可见光子相
关的到达时间。
在检测器系统中，读出电路的时间测量电路可以典型地采用两种触发方式，一种
为恒比触发方式，其触发电平固定在输入信号(即传感器单元输出的电信号)的幅度的一定
比例(例如10％)上；另一种为恒压触发方式，其触发电平固定在一个预设的电压上。
恒比触发方式有两个缺点：(a)电路较为复杂；(b)比较难以实现把触发电平比例
设得很低。由于高时间分辨率的检测器系统，一般要求触发发生在可见光子群中最早到达
光电传感器的前几个光子的水平，即要求触发电平足够低。因此，恒比触发方式不太适合用
于超高时间分辨率的检测器系统。
与恒比触发方式相比，恒压触发方式由于触发电平是固定的，因此其所需的电路
结构较为简单，电路成本低。因此，可以采用恒压触发方式来实现可见光子的时间测量。
恒压触发方式的缺点主要在于触发的时间和输入信号的大小有关联。图6示出根
据本发明一个实施例的传感器单元输出的两种不同大小的电信号的波形及与这两种电信
号分别对应的触发时间的示意图。
如图6所示，电信号W2的幅值比电信号W1小大约20％。在恒压触发情况下，电信号
W2的实际触发时间比电信号W1晚45ps。因此，有必要对通过恒压触发方式获得的时间测量
结果进行修正(即校准)，使得时间测量结果和输入信号的大小无关。
示例性地，与可见光子相关的到达时间的修正方式可以包括多项式修正，例如可
以采用线性修正。线性修正的公式如下：
TA,k＝Tm,k+αEm,k (2)
在式(2)中，TA,k为与至少部分传感器单元中的第k个传感器单元对应的修正时间，
Tm,k和Em,k分别为与第k个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间和能量，α为修正
系数。
可以将步骤S450中的修正过程称为触发电平修正，触发电平修正的目的是通过与
每个传感器单元对应的能量测量结果来修正与该传感器单元对应的时间测量结果。
在步骤S460，对于至少部分传感器单元中的每一个，根据目标反应位置对与该传
感器单元对应的修正时间进行修正，以获得与该传感器单元对应的待平均时间。
如上文所述，高能光子和可见光子在闪烁晶体中的速度存在差异，导致读出电路
130的时间测量结果存在误差。为了获得准确的时间测量结果，有必要对由高能光子和可见
光子在闪烁晶体中的速度差异而造成的测量误差进行补偿。
图7示出根据本发明一个实施例的高能光子在闪烁晶体内的目标反应位置与传感
器单元之间的距离关系的示意图。
如图7所示，假设通过位置计算得到的高能光子在闪烁晶体中的目标反应位置的
深度为h，该目标反应位置到光电传感器阵列中的某一传感器单元的中心位置的距离为d。
例如，在图7中目标反应位置到光电传感器阵列中第四行第一列传感器单元的距离为d4,1，
目标反应位置到光电传感器阵列中第二行第四列传感器单元的距离为d2,4。可以使用下式
进行光速修正：
在式(3)中，TB,k为与第k个传感器单元对应的待平均时间，nr为可见光子在闪烁晶
体中的折射率，c为真空光速，dk为目标反应位置到第k个传感器单元的中心位置的距离，h
为目标反应位置的深度。
可以将式(2)代入式(3)，得到：
可以将步骤S460中的修正过程称为光速修正。可以使用式(4)同时进行触发电平
修正和光速修正。
经过上述触发电平修正和光速修正，与可见光子相关的到达时间的准确度提高，
可以使得最后计算获得的高能光子的到达时间也大大提高。
需要指出的是，式(3)和(4)是在假定正电子湮灭后产生的一对伽玛光子垂直入射
到连续晶体中(如图8所示)的情况下获得的。图8示出根据本发明一个实施例的高能光子及
与其相符合的高能光子入射到各自对应的闪烁晶体的示意图。
事实上，图8所示的情况只是一种特例。更多的情况下，连续晶体检测器是按照一
定几何配置排列的，例如如图9所示的那样沿着圆排列成圆环。图9示出根据本发明另一个
实施例的高能光子及与其相符合的高能光子入射到各自对应的闪烁晶体的示意图。假设图
9所示的位置A为需要测量到达时间的高能光子a的目标反应位置，位置B为与高能光子a相
符合的高能光子b的反应位置，即本文所述的对侧反应位置。在图9所示的情况下，可以在计
算得到方向相反的两个伽玛光子a和b分别在各自对应的闪烁晶体中的反应位置A和B之后，
连接目标反应位置A和对侧反应位置B，以得到正电子湮灭的响应线AB。随后，可以延长响应
线AB直到到达用于检测高能光子a的检测器系统的传感器阵列，延长线的长度(例如图9中
的从位置A延长到传感器阵列的延长部分的长度)可以记为lA。在这种情况下，式(3)可以修
改为：
其中，TB,k为与至少部分传感器单元中的第k个传感器单元相关的待平均时间，nr
为可见光子在闪烁晶体中的折射率，c为真空光速，dk为目标反应位置到第k个传感器单元
的中心位置的距离，l为沿着与高能光子相符合的高能光子在布置于闪烁晶体对侧的闪烁
晶体中的对侧反应位置与目标反应位置之间的连线、从目标反应位置开始延长直到到达光
电传感器阵列的延长线的长度。可以理解，式(5)中的l表示上述lA。
可以将式(2)代入式(5)，得到：
与式(3)和式(4)相比，式(5)和式(6)的应用更广泛。本领域技术人员可以根据需
要选择合适的公式来进行光速修正，当然，也可以通过组合这两种方式来进行光速修正。
应当理解，图4所示的方法400中的各步骤的执行顺序仅是示例而非限制，方法400
可以具有其他合适的执行顺序。例如，步骤S440可以在步骤S430之前或与其同时执行，步骤
S440也可以在步骤S450之后或与其同时执行。
虽然图4所示的方法400中实施了触发电平修正和光速修正，但是应当理解的是，
这两种修正方法可以择一实现。示例性地，可以仅对与至少部分传感器单元所检测的可见
光子相关的到达时间进行触发电平修正，经过触发电平修正所获得的到达时间即为待平均
时间，用于参与随后的求平均操作。示例性地，可以仅对与至少部分传感器单元所检测的可
见光子相关的到达时间进行光速修正，经过光速修正所获得的到达时间即为待平均时间，
用于参与随后的求平均操作。当然，还可以单独地或以组合方式采用其他合适的修正方式
来对与可见光子相关的到达时间进行修正，其均落入本发明的保护范围内。
根据本发明一个实施例，步骤S230(S350或S470)可以通过以下公式实现：
在式(7)中，Tfinal为高能光子的到达时间，TB,k为与至少部分传感器单元中的第k个
传感器单元对应的待平均时间，n为至少部分传感器单元的数目。
假设参与平均的至少部分传感器单元为光电传感器阵列中的所有传感器单元，光
电传感器阵列是M×N的阵列，则式(7)可以表示为：
式(7)和式(8)表示的是通过算术平均法对待平均时间求平均的实现方式，这种方
法比较简单，计算量小。
根据本发明另一实施例，步骤S230(S350或S470)可以通过以下公式实现：
在式(9)中，Tfinal为高能光子的到达时间，TB,k为与至少部分传感器单元中的第k个
传感器单元对应的待平均时间，Ck为与第k个传感器单元相关的权重系数，n为至少部分传
感器单元的数目。
假设参与平均的至少部分传感器单元为光电传感器阵列中的所有传感器单元，光
电传感器阵列是M×N的阵列，则式(9)可以表示为：
式(9)和式(10)表示的是通过加权平均法对待平均时间求平均的实现方式。与算
术平均方法相比，加权平均方法更复杂，所计算出的高能光子的到达时间更准确。
示例性地，在用加权平均方法计算高能光子的到达时间时，与每个传感器单元相
关的权重系数Ck可以是与该传感器单元所检测到的可见光子相关的能量Ek或者与该传感器
单元所检测到的可见光子相关的能量Ek的函数。
例如，式(10)可以表示为：
示例性地，在用加权平均方法计算高能光子的到达时间时，与每个传感器单元相
关的权重系数Ck可以是与能量无关的理论值或经验值。例如，可以在初始将与光电传感器
阵列中的所有传感器单元分别相关的权重系数设置为相同的值，随后可以通过实验等方式
对与每个传感器单元相关的权重系数进行更新，最终可以获得与每个传感器单元相关的合
适的权重系数。
根据本发明实施例，在选择至少部分传感器单元之前，上述方法200可以进一步包
括：获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量；选择至
少部分传感器单元可以包括：从光电传感器阵列中的所有传感器单元中选择与其所检测到
的可见光子相关的能量大于预设能量的传感器单元作为至少部分传感器单元。
本实施例中的能量获取步骤可以参考图3所示的方法300的步骤S320或图4所示的
方法400的步骤S420，在此不再赘述。可以只对光电传感器阵列中，能量大于一定预设值的
传感器单元的待平均时间求算术平均值(参考式(7))或者加权平均值(参考式(9))。由于可
见光子在闪烁晶体中传播时，可能直射到传感器单元上，也可能经过一次或多次反射之后
才到达传感器单元。经过反射之后到达传感器单元的可见光子的到达时间误差较大，无法
正确反映高能光子的到达时间，因此可以将这样的可见光子的到达时间过滤掉，使其不参
与后续的求平均操作。这样处理可以减少由于某些传感器单元所检测到的未从伽玛光子的
反应位置直射到达该传感器单元的可见光子所带来的时间测量误差。
虽然本文结合图1描述了本发明提供的用于测量高能光子到达时间的方法(及装
置)所适用的检测器系统的构造，然而，其仅是示例而非对本发明的限制。例如，本发明提供
的用于测量高能光子到达时间的方法(及装置)还可以适用于基于图1所示的检测器系统进
行改进所获得的检测器系统。下面描述基于图1所示的检测器系统进行改进所获得的检测
器系统的一些示例。
在将本发明提供的用于测量高能光子到达时间的方法(及装置)应用于图1所示的
检测器系统的情况下，当高能光子(例如伽玛光子)在连续晶体110中的反应位置距离光电
传感器阵列120很近时，可见光子将过于集中在光电传感器阵列120中的某几个传感器单元
上。可见光子的过于集中会导致在式(7)至(11)的运算过程中实际参与平均的传感器单元
的数目减少，从而降低时间测量结果的准确度。
因此，为了提高用于测量高能光子到达时间的方法(及装置)的时间测量结果的准
确度，可以对图1所示的检测器系统进行改进。本发明提供的用于测量高能光子到达时间的
方法(及装置)适用于这类改进的检测器系统，方法的流程(及装置的相应功能模块)基本不
变，不过所涉及的某些数据的计算方式可能需要发生一些改变。
在一个示例中，可以在连续晶体110与光电传感器阵列120中间插入光导，使得可
见光子能够更均匀地分布在光电传感器阵列120上。光导的厚度可以通过实验或者仿真的
方法来确定。对于这样的检测器系统来说，在将用于测量高能光子到达时间的方法(及装
置)应用于该检测器系统时，需要将光导的影响考虑进去。在上文结合图1所示的检测器系
统描述本发明提供的方法时，假定连续晶体110与光电传感器阵列120是直接耦合的，二者
之间不存在空隙。在连续晶体110与光电传感器阵列120中间插入光导的话，由于光导存在
一定厚度，其对可见光子的传播发生影响，因此上文所述的高能光子的目标反应位置的计
算方式需要改变。在插入光导的情况下的目标反应位置的计算可以采用本领域常规算法实
现，本文不做赘述。此外，式(3)至(6)也需要做出相应改变，需要将可见光子在光导中的传
播时间考虑进去。
在另一示例中，可以在连续晶体110的多个面上耦合光电传感器阵列。例如，可以
在连续晶体的两个相对的面上耦合光电传感器阵列。再例如，可以在连续晶体的所有六个
面上都耦合光电传感器阵列。图10示出根据本发明一个实施例的改进的基于连续晶体的检
测器系统的示意图。如图10所示，连续晶体的两个相对的面(示例性地定义为上底面和下底
面)均与光电传感器阵列耦合。对于在连续晶体的多个面上耦合光电传感器阵列的情况，可
以利用读出电路测量与连续晶体的多个面耦合的所有光电传感器阵列所检测到的可见光
子的到达时间，并将与连续晶体的多个面耦合的所有光电传感器阵列所检测到的可见光子
的到达时间输出到数据处理模块。数据处理模块实现用于测量高能光子到达时间的方法。
也就是说，与连续晶体的多个面耦合的所有光电传感器阵列中的全部或至少部分传感器单
元参与高能光子的到达时间的运算。
对于在连续晶体的多个面上耦合光电传感器阵列的情况，在针对与不同的面耦合
的光电传感器阵列进行光速修正时，目标反应位置的深度h(参见式(3)和(4))是不同的，同
理，延长线的长度l(参见式(5)和(6))也是不同的。以图10所示的检测器系统为例，对于与
连续晶体的上底面耦合的光电传感器阵列来说，计算与该光电传感器阵列中的每个传感器
单元对应的待平均时间TB,k时，目标反应位置的深度h是伽玛光子的目标反应位置与连续晶
体的上底面之间的垂直距离；对于与连续晶体的下底面耦合的光电传感器阵列来说，计算
与该光电传感器阵列中的每个传感器单元对应的待平均时间TB,k时，目标反应位置的深度h
是伽玛光子的目标反应位置与连续晶体的下底面之间的垂直距离。式(5)和式(6)中的l的
情况与h类似，不再赘述。虽然上面以图10所示的在连续晶体的两个面上耦合光电传感器阵
列的检测器系统作为示例进行描述，然而，本领域技术人员参考以上描述可以理解在连续
晶体的其他数目的面上耦合光电传感器阵列时h和l的计算方式，不再赘述。总之，对于在连
续晶体的多个面上耦合光电传感器阵列的情况，在针对每个传感器单元进行光速修正时，
需要考虑该传感器单元所属的光电传感器阵列相对于连续晶体的位置。根据本发明另一方
面，提供一种用于测量高能光子到达时间的装置。图11示出根据本发明一个实施例的用于
测量高能光子到达时间的装置1100的示意性框图。
如图11所示，装置1100包括时间获取模块1110、待平均时间获得模块1120和平均
模块1130。
时间获取模块1110用于获取与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的、
高能光子与闪烁晶体发生反应所产生的可见光子相关的到达时间，其中，所述闪烁晶体是
连续晶体，所述光电传感器阵列包括与所述闪烁晶体耦合的多个传感器单元。
待平均时间获得模块1120用于至少基于与所述光电传感器阵列中的每个传感器
单元所检测到的可见光子相关的到达时间，获得与所述光电传感器阵列中的选定的至少部
分传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间。
平均模块1130用于对与所述至少部分传感器单元中的每一个分别对应的待平均
时间求平均，以获得所述高能光子的到达时间。
示例性地，待平均时间获得模块1120可以包括：传感器选择子模块，用于选择至少
部分传感器单元；以及修正子模块，用于对于至少部分传感器单元中的每一个，对与该传感
器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传感器单元对应的待平
均时间。
示例性地，装置1100可以进一步包括：能量获取模块，用于获取与光电传感器阵列
中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量；修正子模块可以包括：修正单元，用
于对于至少部分传感器单元中的每一个，至少根据与该传感器单元所检测到的可见光子相
关的能量对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正，以获得与该传
感器单元对应的待平均时间。
示例性地，修正单元可以包括：位置计算子单元，用于根据与光电传感器阵列中的
所有传感器单元所检测到的可见光子相关的能量计算高能光子在闪烁晶体中的目标反应
位置；第一修正子单元，用于对于至少部分传感器单元中的每一个，根据与该传感器单元所
检测到的可见光子相关的能量对与该传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间进
行修正，以获得与该传感器单元对应的修正时间；第二修正子单元，用于对于至少部分传感
器单元中的每一个，根据目标反应位置对与该传感器单元对应的修正时间进行修正，以获
得与该传感器单元对应的待平均时间。
示例性地，第一修正子单元可以包括第一修正组件，用于通过以下公式对与至少
部分传感器单元中的每一个所检测到的可见光子相关的到达时间进行修正：
TA,k＝Tm,k+αEm,k，
其中，TA,k为与至少部分传感器单元中的第k个传感器单元对应的修正时间，Tm,k和
Em,k分别为与第k个传感器单元所检测到的可见光子相关的到达时间和能量，α为修正系数。
示例性地，第二修正子单元可以包括第二修正组件，用于通过以下公式对与至少
部分传感器单元中的每一个对应的修正时间进行修正：
其中，TB,k为与第k个传感器单元对应的待平均时间，nr为可见光子在闪烁晶体中
的折射率，c为真空光速，dk为目标反应位置到第k个传感器单元的中心位置的距离，h为目
标反应位置的深度。
示例性地，第二修正子单元可以包括第三修正组件，用于通过以下公式对与至少
部分传感器单元中的每一个对应的修正时间进行修正：
其中，TB,k为与第k个传感器单元相关的待平均时间，nr为可见光子在闪烁晶体中
的折射率，c为真空光速，dk为目标反应位置到第k个传感器单元的中心位置的距离，l为沿
着与高能光子相符合的高能光子在布置于闪烁晶体对侧的闪烁晶体中的对侧反应位置与
目标反应位置之间的连线、从目标反应位置开始延长直到到达光电传感器阵列的延长线的
长度。
示例性地，平均模块1130可以包括平均子模块，用于通过以下公式对与至少部分
传感器单元中的每一个分别对应的待平均时间求平均：
其中，Tfinal为高能光子的到达时间，TB,k为与至少部分传感器单元中的第k个传感
器单元对应的待平均时间，Ck为与第k个传感器单元相关的权重系数，n为至少部分传感器
单元的数目。
示例性地，Ck为与第k个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量或者为与第k
个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量的函数。
示例性地，Ck为与第k个传感器单元相关的经验值。
示例性地，装置1100可以进一步包括：能量获取模块，用于获取与光电传感器阵列
中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的能量；传感器选择子模块可以包括：选择
单元，用于从光电传感器阵列中的所有传感器单元中选择与其所检测到的可见光子相关的
能量大于预设能量的传感器单元作为至少部分传感器单元。
本领域技术人员根据以上关于用于测量高能光子到达时间的方法的描述以及附
图1至10，能够理解本文所公开的用于测量高能光子到达时间的装置1100的实施方式及其
优点等，为了简洁，本文不对此进行赘述。
在本文的描述中，“与可见光子相关的到达时间”可以替换为“可见光子的到达时
间”，二者表示相同的含义。类似地，“与可见光子相关的能量”可以替换为“可见光子的能
量”，二者表示相同的含义。在“可见光子”前面具有定语的情况下，同样可以按照类似方式
获得替代表达。例如，“与光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光子相关的
到达时间”可以替换为“光电传感器阵列中的每个传感器单元所检测到的可见光子的到达
时间”。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于
举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人
员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的
变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由
附属的权利要求书及其等效范围所界定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单
元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟
以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员
可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出
本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其
它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅
仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结
合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。