CN102274041B - 正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置 - Google Patents

Abstract

正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，涉及医学成像技术领域，特别涉及正电子发射断层成像领域，特别涉及正电子发射断层成像系统中的电子学、信号处理和数据处理的方法和设备。本发明的技术方案包括环形阵列式布置的探测器、全数字化电子学系统和图像工作站。本发明结构和系统大大简化，由于采用全数字化的方式实现PET信号检测、处理和数据采集等，系统集成度高，功能强大，处理实时性好，性能稳定可靠，系统功能调整和升级方便。组装过程中系统的调试和校正方便，有利于有效降低PET成像设备的生产成本和生产周期。

Description

正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，特别涉及正电子发射断层成像领域，特别涉及正电子发射断层成像系统中的电子学、信号处理和数据处理的方法和设备。

背景技术

正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，PET）是一种核医学成像技术。它可以在分子水平上对人体内组织的功能信息，如生理、病理变化等进行实时、无创、动态的在体成像，在诸如癌症的早期检测、诊断、分级、治疗方案制定、疗效评价和跟踪、复发检测等方面具有不可替代的作用。

PET成像的基本原理是：向人体注射经过放射性同位素（如F¹⁸等）标记的药物，这些药物到达人体内部的器官和组织。放射性同位素由于衰变释放出β粒子。β粒子在人体内湮灭后产生一对方向相反的γ光子。这一对γ光子穿过人体组织后分别投影在探测器阵列上。探测器阵列上的两个探测器模块同时检测到这两个γ光子，称为符合（coincidence）检测。两个探测器之间的几何连线反映了γ光子穿过人体的方向，称为响应线（Line of Response，LOR）。对所有的响应线进行数据采集后，通过计算机三维重建技术，可以获得人体内放射性同位素药物的空间、浓度和时间分布，并可以采用图像的形式形象地加以显示和呈现。从上述成像原理也可以看出，PET成像的的主要功能单元包含探测器、电子学系统和计算机算法及软件三个部分。

传统的PET成像设备是一个非常复杂的系统。其中的电子学系统需要完成探测器信号的读出、信号处理、符合检测和数据采集等功能。传统的做法是采用多个分离的部件来实现这些功能，体积庞大，部件之间的连接复杂，检测和调试繁琐，不仅成本较高，而且系统整体可靠性差。由于这些分离的部件功能单一固定，系统功能的调整和可升级性差，较难满足现代技术和临床应用的更新和发展。

这些因素都造成了传统的PET成像设备结构比较复杂，设计和生产成本高，生产周期长。

发明内容

本发明目的是采用PET成像的基本原理，提出一种全数字化处理的正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置。

本发明的技术方案包括环形阵列式布置的探测器、全数字化电子学系统和图像工作站；

所述环形阵列式布置的探测器具有发射捕获到的γ光子事件所在位置和时间信号的装置；

所述全数字化电子学系统具有接收所述探测器发射的所述位置和时间信号的装置，所述全数字化电子学系统还具有对将所述γ光子事件所在位置和时间信号进行处理并制成响应线信息，再将响应线信息制成列表数据信息的装置，所述全数字化电子学系统还具有将所述列表数据信息向外传送的装置；

所述图像工作站具有接收所述列表数据信息的装置，还具有将所述列表数据信息制成三维图象的装置。

本发明采用全数字化电子学系统的PET成像，当一对γ光子穿过人体组织后被探测器环上的两个探测器同时捕获，形成两个事件。全数字化电子学系统接收这两个事件的位置和时间信号，进行相应的处理和符合检测，形成符合事件以及相应的响应线信息。所有的响应线信息以列表模式数据的形式送往图像工作站进行数据处理及三维重建。

本发明结构和系统大大简化，由于采用全数字化的方式实现PET信号检测、处理和数据采集等，系统集成度高，功能强大，处理实时性好，性能稳定可靠，系统功能调整和升级方便。组装过程中系统的调试和校正方便，有利于有效降低PET成像设备的生产成本和生产周期。

本发明为了传输信息，可在所述全数字化电子学系统和图像工作站之间设置传输通路。

所述传输通路为光纤、线缆、以太网、PCI或PCI-e中的任意一种。

本发明所述全数字化电子学系统包括与所述环形阵列式布置的探测器个数相同的若干原始事件检测模块、系统事件分类装置和系统事件传输装置，所述每个原始事件检测装置分别通过A/D转换器连接在相应的一个探测器上；所述各原始事件检测装置的输出端经系统事件分类装置连接在系统事件传输装置的输入端上；所述全数字化电子学系统还设有为所述原始事件检测装置、系统事件分类装置和系统事件传输装置提供的电源、时钟控制装置。

本发明所述各原始事件检测模块具有利用到达时间触发和能量甄别判断各探测器所捕获的γ光子事件所在位置和时间信号是否属于有效事件，如果属于有效事件，则将该γ光子事件所在位置和时间信号按照原始γ光子事件字的格式锁存后输出的装置。

本发明所述原始事件检测模块包括位置信号基线恢复器、位置信号堆积恢复器、位置信号数字积分器、时间信号基线恢复器、时间信号堆积恢复器、到达时间检测器、事件时间计算器、X位置信号基线恢复器、X位置信号堆积恢复器、X位置信号数字积分器、Y位置信号基线恢复器、Y位置信号堆积恢复器、Y位置信号数字积分器、事件能量计算器、事件位置计算器、晶体查找表、能量甄别器和原始事件字拼接器；

所述位置信号基线恢复器、时间信号基线恢复器、X位置信号基线恢复器和Y位置信号基线恢复器分别通过A/D转换器连接在相应的探测器上；

所述位置信号基线恢复器通过所述位置信号堆积恢复器与位置信号数字积分器连接；

所述X位置信号基线恢复器通过X位置信号堆积恢复器与X位置信号数字积分器连接；

所述Y位置信号基线恢复器通过Y位置信号堆积恢复器与Y位置信号数字积分器连接；

所述时间信号基线恢复器通过时间信号堆积恢复器与到达时间检测器连接；

所述到达时间检测器的信号输出端分别连接在事件能时计算器和位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器；

所述事件能时计算器的输入端连接在所述原始事件字拼接器上；

所述晶体查找表、位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器的信号输出端分别连接在所述原始事件字拼接器上；

所述位置信号数字积分器的信号输出端还通过所述事件能量计算器分别连接在所述能量甄别器和原始事件字拼接器上；

所述能量甄别器的信号输出端连接在所述原始事件字拼接器上。

所述系统事件分类装置包括一个单次事件引擎装置、一个符合事件引擎装置、一个随机事件引擎装置和一个时序事件引擎装置；

所述单次事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对各单次事件进行分离和处理的装置，还具有将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述符合事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对任意两个事件进行符合检测和处理的装置，还具有将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述随机事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对任意两个事件进行随机符合检测和处理的装置，还具有将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述时序事件引擎装置具有用于产生可以插入系统数据流的时间定标信息的装置，还具有将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中。

本发明所述系统事件传输装置具有扫描各个事件缓存器的信息，并形成列表模式数据信息输出的装置。

本发明所述电源、时钟控制装置具有为全数字化电子学系统中的原始事件检测装置、系统事件分类装置和系统事件传输装置提供电源和同步的工作时钟、接收来自图像工作站的控制命令并相应控制各个功能模块的协调工作，以及收集各个功能模块的状态信息并反馈至图像工作站的装置。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为本发明全数字化电子学系统的总体框图。

图3为本发明原始事件检测模块的功能结构框图。

图4为一个符合检测的实例逻辑框图。

图5为一个随机事件检测的实例逻辑框图。

图6为一个系统事件传输机制的实例逻辑框图。

具体实施方式

如图1中所示，本发明设有环形阵列式布置的探测器、全数字化电子学系统和图像工作站。

环形阵列式布置的探测器具有发射捕获到的γ光子事件所在位置和时间信号的装置；全数字化电子学系统具有接收所述探测器发射的所述位置和时间信号的装置，全数字化电子学系统还具有对将所述γ光子事件所在位置和时间信号进行处理并制成响应线信息，再将响应线信息制成列表数据信息的装置，所述全数字化电子学系统还具有将所述列表数据信息向外传送的装置；图像工作站具有接收所述列表数据信息的装置，还具有将所述列表数据信息制成三维图象的装置。

当一对γ光子穿过人体组织后被探测器环上的两个探测器同时捕获，形成两个事件。全数字化电子学系统接收这两个γ光子事件所在位置和时间信号，进行相应的处理和符合检测，形成符合事件以及相应的响应线信息。所有的响应线信息以列表模式（list mode）数据的形式送往图像工作站进行数据处理及三维重建。

全数字化电子学系统与图像工作站之间的列表模式数据传输通路包含，但不限于光纤、线缆、以太网以及PCI及PCI-e等计算机总线。

全数字化电子学系统可以由图像工作站控制，并反馈系统的状态信息供图像工作站查询。全数字化电子学系统与图像工作站之间的控制及状态信息传输通路包含但不限于光纤、线缆、以太网、PCI及PCI-e等计算机总线、串口以及USB等计算机通用接口。

图1中数据存储单元的作用是存储PET成像系统采集到的原始数据，这些数据可以是列表模式数据，也可以是经过计算机处理形成的正弦图（Sinogram）。

如图2所示，全数字化电子学系统包括与环形阵列式布置的探测器个数相同的若干原始事件检测模块、系统事件分类装置和系统事件传输装置，每个原始事件检测装置分别通过A/D转换器连接在相应的一个探测器上。各原始事件检测装置的输出端经系统事件分类装置连接在系统事件传输装置的输入端上。

全数字化电子学系统还设有为所述原始事件检测装置、系统事件分类装置和系统事件传输装置提供的电源、时钟控制装置。

来自探测器环上的各个探测器（图2中所示的探测器1、探测器2、到探测器N）输出所捕获到的γ光子事件的位置和时间模拟信号。这些模拟信号通过多个通道的高速A/D器件进行同步的模数转换形成数字信号。这些数字信号再经过原始事件检测、系统事件分类两个环节的全数字化处理后，由系统事件传输环节形成相应的列表模式数据输出。

图2中的原始事件检测环节主要包含与系统探测器个数相对应的若干原始事件检测模块。每一个原始事件检测模块对来自相应探测器的、经过数字化后的事件位置和时间信号进行处理，按照一定的系统设置，利用到达时间触发和能量甄别判断探测器所捕获的事件是否属于有效事件，如果属于有效事件，则将本次事件按照原始事件字的格式锁存后输出。

图2中的系统事件分类环节主要包含一个单次事件引擎、一个符合事件引擎、一个随机事件引擎以及一个时序事件引擎。单次事件引擎扫描各个原始事件检测模块的输出，对系统中的单次事件进行分离和处理。符合事件引擎扫描各个原始事件检测模块的输出，对任意两个事件进行符合检测和处理。随机事件引擎扫描各个原始事件检测模块的输出，对任意两个事件进行随机符合检测和处理。时序事件引擎用于产生可以插入系统数据流的时间定标信息。这些引擎的输出均遵照一定的系统事件字的格式，并暂时存放在对应的事件缓存中。

图2中的系统事件传输环节主要包括一个系统事件传输机制。系统事件传输机制按照一定的机制扫描各个事件缓存，并形成最终的列表模式数据输出。

图2中的系统电源、时钟和控制模块为全数字化电子学系统中的各个功能模块提供电源和同步的工作时钟，接收来自图像工作站的控制命令并相应控制各个功能模块的协调工作，以及收集各个功能模块的状态信息并反馈至图像工作站。

如图3所示，原始事件检测模块包括位置信号基线恢复器、位置信号堆积恢复器、位置信号数字积分器、时间信号基线恢复器、时间信号堆积恢复器、到达时间检测器、事件时间计算器、X位置信号基线恢复器、X位置信号堆积恢复器、X位置信号数字积分器、Y位置信号基线恢复器、Y位置信号堆积恢复器、Y位置信号数字积分器、事件能量计算器、事件位置计算器、晶体查找表、能量甄别器和原始事件字拼接器。

位置信号基线恢复器、时间信号基线恢复器、X位置信号基线恢复器和Y位置信号基线恢复器分别通过A/D转换器连接在相应的探测器上。

位置信号基线恢复器通过所述位置信号堆积恢复器与位置信号数字积分器连接。

X位置信号基线恢复器通过X位置信号堆积恢复器与X位置信号数字积分器连接。

Y位置信号基线恢复器通过Y位置信号堆积恢复器与Y位置信号数字积分器连接。

时间信号基线恢复器通过时间信号堆积恢复器与到达时间检测器连接。

到达时间检测器的信号输出端分别连接在事件能时计算器和位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器。

事件能时计算器的输入端连接在所述原始事件字拼接器上。

晶体查找表、位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器的信号输出端分别连接在所述原始事件字拼接器上。

位置信号数字积分器的信号输出端还通过所述事件能量计算器分别连接在所述能量甄别器和原始事件字拼接器上。

能量甄别器的信号输出端连接在所述原始事件字拼接器上。

来自探测器模块的位置和时间信号首先通过基线恢复器和堆积恢复器，以消除信号基线移动以及堆积事件的影响。作为一种实现方式，基线恢复器可以对事件到达前的若干点信号进行平均，作为基线的参考值，并将输入信号减去相应的参考值达到基线恢复的目的。作为一种实现方式，堆积恢复器可以利用事先计算存储的信号波形模板对输入信号进行匹配处理，进而将堆积后的事件分离并还原。

到达时间检测器从时间信号中提取事件的到达时间。作为一种实现方式，到达时间检测器可以采用上升沿鉴别的方法，或者常数分量鉴别（Constant Fractional Discriminator，CFD）的方法。

事件时间计算器对事件的到达时间赋予一个以系统时钟为单位的时间值。作为一种实现方式，事件时间计算器可以是一个计数器加一个锁存输出单元。

数字积分器对位置信号进行积分处理。积分的本质是电荷电量的累积。作为一种实现方式，数字积分器可以采用累加器对一段时间范围内的数字信号的值进行累加。积分时间的起点可以是前述的事件到达时间，终点可以由积分时间常数决定。

事件能量计算器从位置和信号的积分值中提取事件的能量信息。作为一种实现方式，事件能量计算器可以是一张查找表，表的内容是位置和信号的积分数值与实际事件能量之间的标定关系。

事件位置计算器从位置信号中计算事件在探测器表面的二维坐标值。作为一种实现方式，事件位置计算器可以计算x位置与位置和的比值作为事件的X位置坐标，计算y位置与位置和的比值作为事件的Y位置坐标。由于探测器往往采用晶体阵列的形式，因此计算得到的表面二维坐标值可以通过晶体查找表对应到相应的晶体单元，并作为最终的事件位置输出。

能量甄别器通过对事件能量的判断来确定探测器捕获到的事件是否是一个好的事件。作为一种实现方式，能量甄别器可以是一个比较器，比较器的上限和下限分别代表了系统所设置的能量窗口。

原始事件字拼接器将通过能量甄别的事件的相关信息按照约定的原始事件字的格式排列后锁存输出。

本发明单次事件引擎对系统中的单次事件进行分离和处理。由于各个原始事件检测器检测输出的原始事件均属于系统的单次事件，因此单次事件引擎可以扫描各个原始事件检测模块，当其有原始事件字输出时，读取原始事件字，并重新排列为系统事件字的格式即可。

符合事件引擎对系统中的符合事件进行检测和处理。符合检测的基本方法是判断两个原始事件字中的到达时间是否位于符合时间窗口内，如果是，则判断为一个符合事件。图4给出了一个符合检测的实现实例。

在实际系统中，由于散射的影响，可能会造成假符合事件。对假符合事件的排除方法可以采用排他比较的形式，即在同一个时间窗口内如果发生两个或以上的符合事件，则认为是假符合事件，否则则认为是真符合事件。符合事件引擎对检测到的真符合事件按照系统事件字的格式组合相关信息后输出。

本发明随机事件引擎对系统中的随机事件进行检测和处理。随机检测的基本方法是将一个原始事件延迟后与另一个原始事件进行符合检测，如果是，则判断为一个随机事件。图5给出了一个随机事件检测的实现实例，随机事件引擎对检测到的随机事件按照系统事件字的格式组合相关信息后输出。

本发明时序事件引擎产生可以插入系统数据流的时间定标信息。在动态成像模式的数据采集过程中，时间定标信息可以标定所采集到的数据的时刻，从而为后续的基于时间片的数据处理和三维重建提供了可能。作为一种实现方式，时序事件引擎可以是一级或若干级计数器的锁存输出。时序事件引擎对产生的时间定标数据按照系统事件字的格式输出。

系统事件传输机制按照一定的机制扫描各个系统事件缓存，并形成最终的列表模式数据输出。图6给出了一个系统事件传输机制的实现实例。它主要由一个多路开关和一个扫描选择逻辑组成。扫描选择逻辑对各个系统事件缓存进行轮询扫描，如果事件缓存中存在系统事件，多路开关则读取一个系统事件并输出。轮询扫描的方式可以由一个系统事件扫描模板来配置。通过这个模板，可以选择扫描或忽略某种类型的系统事件。

本发明所提出的全数字化电子学系统可以在图像工作站的控制下在线调整工作状态和工作参数。系统控制与查询接口接收来自图像工作站的控制命令和参数。控制命令可以包括但不限于：系统工作模式、采集数据流模式、采集开始、采集暂停、采集结束等。参数可以包括但不限于：采集时间、能量甄别窗口、符合时间窗口等。全数字化电子学系统也可以向图像工作站发送系统状态信息，另外，在采集过程中也可以实时发送采集的实时状态信息，包括但不限于：单次事件计数率、符合事件计数率、随机事件计数率、有效事件个数、采集持续时间等。

本发明所提出的全数字化电子学系统的系统工作模式可以包括但不限于泛源图（flood image）模式和符合模式。系统工作模式的实现可以通过8中所述的系统事件扫描模板来实现。在泛源图（flood image）模式下，系统事件扫描模板将配置为仅仅扫描系统单次事件缓存，而忽略所有其他系统事件缓存。在符合模式下，系统事件扫描模板将配置为忽略系统单次事件缓存。在符合模式下还可以设置系统的采集数据流模式，包括但不限于静态数据采集模式和动态数据采集模式。在静态数据采集模式下，系统事件扫描模板的配置为忽略系统单次事件缓存和系统时序事件缓存。在动态数据采集模式下，系统事件扫描模板的配置为忽略系统单次事件缓存，但包含系统时序事件缓存。

本发明所提出的全数字化电子学系统除A/D转换器件外，均采用数字电路实现。其具体实现平台包含但不限于一片或多片专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、一片或多片现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）、一片或多片数字信号处理器件（Digital Signal Processor， DSP）以及一片或多片单片机、微处理器等通用处理器件等。其具体实现方式可以是一块或多块电路板以及电路板之间的互连。

Claims (5)

1.正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，其特征在于：

包括环形阵列式布置的探测器、全数字化电子学系统和图像工作站；

所述环形阵列式布置的探测器具有发射捕获到的γ光子事件所在位置和时间信号的装置；

所述全数字化电子学系统具有接收所述探测器发射的所述位置和时间信号的装置，所述全数字化电子学系统还具有对将所述γ光子事件所在位置和时间信号进行处理并制成响应线信息，再将响应线信息制成列表数据信息的装置，所述全数字化电子学系统还具有将所述列表数据信息向外传送的装置；

所述图像工作站具有接收所述列表数据信息的装置，还具有将所述列表数据信息制成三维图象的装置；

所述全数字化电子学系统包括与所述环形阵列式布置的探测器个数相同的若干原始事件检测模块、系统事件分类装置和系统事件传输装置，所述每个原始事件检测模块分别通过A/D转换器连接在相应的一个探测器上；所述各原始事件检测模块的输出端经系统事件分类装置连接在系统事件传输装置的输入端上；所述全数字化电子学系统还设有为所述原始事件检测模块、系统事件分类装置和系统事件传输装置提供的电源、时钟控制装置；

所述各原始事件检测模块利用到达时间触发和能量甄别判断各探测器所捕获的γ光子事件所在位置和时间信号是否属于有效事件，如果属于有效事件，则将该γ光子事件所在位置和时间信号按照原始γ光子事件字的格式锁存后输出；

所述原始事件检测模块包括位置信号基线恢复器、位置信号堆积恢复器、位置信号数字积分器、时间信号基线恢复器、时间信号堆积恢复器、到达时间检测器、事件时间计算器、X位置信号基线恢复器、X位置信号堆积恢复器、X位置信号数字积分器、Y位置信号基线恢复器、Y位置信号堆积恢复器、Y位置信号数字积分器、事件能量计算器、事件位置计算器、晶体查找表、能量甄别器和原始事件字拼接器；

所述位置信号基线恢复器、时间信号基线恢复器、X位置信号基线恢复器和Y位置信号基线恢复器分别通过A/D转换器连接在相应的探测器上；

所述位置信号基线恢复器通过所述位置信号堆积恢复器与位置信号数字积分器连接；

所述X位置信号基线恢复器通过X位置信号堆积恢复器与X位置信号数字积分器连接；

所述Y位置信号基线恢复器通过Y位置信号堆积恢复器与Y位置信号数字积分器连接；

所述时间信号基线恢复器通过时间信号堆积恢复器与到达时间检测器连接；

所述到达时间检测器的信号输出端分别连接在事件时间计算器和位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器；

所述事件时间计算器的输出端连接在所述原始事件字拼接器上；

所述晶体查找表、位置信号数字积分器、X位置信号数字积分器、Y位置信号数字积分器的信号输出端分别连接在所述事件位置计算器上；

所述位置信号数字积分器的信号输出端还通过所述事件能量计算器分别连接在所述能量甄别器和原始事件字拼接器上；

所述能量甄别器的信号输出端连接在所述原始事件字拼接器上；

所述系统事件分类装置包括一个单次事件引擎装置、一个符合事件引擎装置、一个随机事件引擎装置和一个时序事件引擎装置；

所述单次事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对各单次事件进行分离和处理的装置，将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述符合事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对任意两个事件进行符合检测和处理的装置，将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述随机事件引擎装置具有扫描各个原始事件检测模块的输出，并对任意两个事件进行随机符合检测和处理的装置，将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中；

所述时序事件引擎装置具有用于产生可以插入系统数据流的时间定标信息的装置，将分离和处理的信息输出并暂时存放在对应的事件缓存器中。

2.根据权利要求1所述正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，其特征在于：在所述全数字化电子学系统和图像工作站之间设置传输通路。

3.根据权利要求2所述正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，其特征在于所述传输通路为光纤、以太网或PCI中的任意一种。

4.根据权利要求1所述正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，其特征在于：所述系统事件传输装置具有扫描各个事件缓存器的信息，并形成列表模式数据信息输出的装置。

5.根据权利要求1所述正电子发射断层成像电子学系统的全数字化处理装置，其特征在于：所述电源、时钟控制装置具有为全数字化电子学系统中的原始事件检测模块、系统事件分类装置和系统事件传输装置提供电源和同步的工作时钟、接收来自图像工作站的控制命令并相应控制各个功能模块的协调工作，以及收集各个功能模块的状态信息并反馈至图像工作站的装置。

Images