CN103491198A - 用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统 - Google Patents

Abstract

一种正电子发射计算机断层扫描技术领域的用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统，包括：四个两两相对设置且通过GTP接口相连并构成环路的检测模块，相邻检测模块之间的GTP接口为单向数据传输方式，主控制器通过万兆以太网传输接口与计算机能够双向通讯，实现PET数据传输和配置数据传输。本发明利用万兆以太网构建PET设备的背板系统，利用万兆以太网技术，可以满足PET设备背板系统对高速大容量数据传输的要求，同时无需为计算机编写专用驱动程序和专用应用程序，利用通用的以太网接口技术即可实现对万兆以太网数据的接收，能够有效降低PET设备背板系统硬件及软件开发的难度，加快PET设备开发的进度。

Description

用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统

技术领域

本发明涉及的是一种正电子发射计算机断层扫描技术领域的系统，具体来讲是一种将10G以太网传输技术应用于正电子发射计算机断层扫描设备的数据采集系统的高速、大容量背板系统的数据传输方案。

背景技术

正电子发射计算机断层扫描（Positron Emission Tomography，简称PET）是核医学领域最先进的临床影像检查技术，PET技术是目前唯一的用解剖形态方式进行功能、代谢和受体显像的技术，具有无创伤的特点，是目前临床上用以诊断和指导治疗肿瘤最佳手段之一。该技术依赖于对于一对光子的并发事件（同时事件）探测，并非同时抵达探测器的光子将被视为背景事件而丢弃。该技术需要对高速光子进行检测，将高速光子信号转变为电压信号，将电压信号采样转变为数字信号，该数字信号传输到计算机，计算机利用数字信号进行图像重建，普通一次正电子发射计算机断层成像扫描，数据量达几百万个事例。通过改进PET设备数据采集系统，可以获得更多的有效并发事件，从而可以提高正电子发射计算机断层扫描系统的分辨率。

正电子发射计算机断层扫描系统包括前端数据采样系统和背板系统，背板系统的功能是将前端数据采样系统采集到的数据传输至计算机。前端数据采样系统将一对光子转变成为电压信号进行高速采样，获得高速、大容量的PET数据，背板系统将这些大容量数据高速传送至计算机。正电子发射计算机断层扫描设备研制过程难点之一在于数据传输，高速采样后得到的大容量数据，需要及时、准确地传送至计算机。背板系统传统设计方法通过高速数据传输接口如PCI、GTP、SATA、千兆以太网等实现数据传输，尽管这些硬件接口及其数据传输协议可以完成高速大容量数据传输，但这些硬件接口需要在计算机端编写复杂的驱动程序及特殊应用程序，加大了PET设备开发的难度，也增加了PET设备专用软件的研制成本。

经对现有技术检索发现以下相关技术文献：

1、发表在2009IEEE Nuclear Science Symposium Conference上的论文“Development ofPET using4x4Array of Large Size Geiger-mode Avalanche Photodiode”公开了一种PET设备的数据传输方案，该数据传输方案采用PCI接口，前端数据采集系统的数据直接由Nutaq数据的cPCI接口直接传输到计算机上，这种传输方案缺点在于前端数据采集与数据传输集中于一块电路板，这需要对进入电路板的模拟电路板信号进行精心设计，同时前端数据采集系统受限于其数据转换通道，当需要实现多通道数据采集，需要设计多通道的地址译码器，增加了电路系统设计和实现的难度。

2、发表在IEEE Transactions on Nuclear Science期刊第5卷第3期上的论文“High-speedData Acquisition and Digital Signal Processing System for PET Imaging Techniques Applied toMammography”公开了一种检测乳腺癌的PET设备的数据采集及传输系统，该系统中采用高性能DSP实现转换后的数据传输，在DSP上有两个EMIF，可以确保DSP与计算机之间实现高速的DMA(Direct Memory Access)，确保采集后的数据的高速传输，这种方案增加了系统的复杂性，同时增加了数据采集和数据传输系统的成本。

3、瑞典Stockholm大学2007年公开的博士学位论文“FPGA based data acquisition anddigital pulse processing for PET and SPECT”公开了一种基于FPGA的PET数据采集及传输系统，在该系统中运用FPGA，利用Soft IP，实现FPGA的高性能数据采集，采集到的数据通过USB或PCI硬件接口传输至计算机，这种方式对FPGA定制的IP核要求高，相应的研制成本也增加。

4、论文“Waveform-sampling Electronics/DAQ for TOF PET Scanner”公开了一种PET数据采集和传输系统，这种系统利用DRS4技术，利用DRS4将模拟输出连接至ADC，实现高速数据转换，然后由FPGA通过千兆以太网接口将采集到的数据传输至计算机，这种方案的特点是运用了四个千兆以太网接口来传输数据，但数据传输速率只有1Gbps，数据传输速率较低。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102274041，公开日2011-12-14，公开了一种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。该技术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。但该现有技术的缺陷和不足在于：1、采用PCI接口传输数据，数据传输速率满足PET设备要求，需要在计算机端编写复杂的驱动程序和应用程序，增加了PET设备研制的时间、开发成本和应用维护成本；2、采用千兆以太网接口，避免了编写复杂驱动程序和应用程序，但其传输速率较低，影响PET数据接收。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统，利用万兆以太网构建PET设备的背板系统，利用万兆以太网技术，可以满足PET设备背板系统对高速大容量数据传输的要求，同时无需为计算机编写专用驱动程序和专用应用程序，利用通用的以太网接口技术即可实现对万兆以太网数据的接收，能够有效降低PET设备背板系统硬件及软件开发的难度，加快PET设备开发的进度。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：四个两两相对设置且通过GTP（General DataTransfer Platform，通用数据传输平台）接口相连并构成环路的检测模块，相邻检测模块之间的GTP接口为单向数据传输方式，主控制器通过万兆以太网传输接口与计算机能够双向通讯，实现PET数据传输和配置数据传输。

所述的单向数据传输方式是指：从主控制器至相邻检测模块的顺时针或逆时针方向依次传输直至回到主控制器，所述的单向传输进一步地是指：当PET设备正常工作时，配置数据采用顺时针或逆时针方向自主控制器依次传输至各个检测模块直至回到主控制器，对应PET数据采用相反的传输方向，即逆时针或顺时针自主控制器依次传输至各个检测模块直至回到主控制器。

所述的检测模块包括：一个主控制器、若干组由位于探测端的LYSO（硅酸钇镥闪烁）晶体以及与之依次连接的光电倍增管、模拟运算单元、模数转换单元和逻辑控制单元组成的检测单元，其中：LYSO晶体吸收γ光子的能量并将光子导入至光电倍增管，光电倍增管将光电电流倍增后，传输到模拟运算单元并进行放大和运算处理后输出至模数转换单元，模数转换单元将模拟信号转换为数字信号从而获得PET数据，并传输至逻辑控制单元，各个逻辑控制单元通过内置通信线（Rx）和时钟线(Clk)将PET数据分别传送至与之相连的主控制器、第二检测模块、第三检测模块和第四检测模块；第二检测模块利用GTP接口将PET数据传送至第三检测模块，第三检测模块利用GTP接口将本身采集获得的PET数据和第二检测模块传送过来的PET数据传送至第四检测模块，第四检测模块利用GTP接口将本身采集获得的PET数据和第二检测模块、第三检测模块传送过来的PET数据传送至主控制器，通过GTP接口，PET数据沿逆时针或顺时针方向从第二检测模块传送至第三检测模块、第四检测模块和主控制器，由主控制器实现对PET数据的汇总和上传至计算机。

所述的通信线（Rx）、数据线（Tx）和时钟线（Clk）均为串行结构。

所述的万兆以太网传输接口通过光纤分别与计算机和检测模块相连，配置数据自计算机经过万兆以太网接口和光纤传输至第一个检测模块的逻辑控制单元，逻辑控制单元将配置数据通过GTP接口传输至相邻检测模块的逻辑控制单元，由逻辑控制单元判断配置数据的目标位置，并在目标位置与本逻辑控制单元符合时，配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元，否则配置数据通过GTP接口传输至相邻下一个检测模块的逻辑控制单元，直至配置数据经过所有的逻辑控制单元并回到第一个检测模块的逻辑控制单元，该检测模块的逻辑控制单元判断配置数据的目标位置，当目标位置与本逻辑控制单元符合时，配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元，否则标记该配置数据无效并丢弃该配置数据。

本装置通过捕捉含短寿命放射性同位素标记物的葡萄糖中释放的正电子与人体内一个负电子遭遇并产生湮灭，产生一对湮灭γ光子射向几乎背对背的两个方向。两个γ光子分别遇到探测端的LYSO晶体时，LYSO晶体吸收γ光子能量并将其导入到光电倍增管，γ光子作用在光电倍增管上产生光电电流，经过光电倍增管的倍增效应后，获得培增后的光电电流，该光电电流传输至模拟运算单元，经过模拟运算单元放大和运算处理，送入模数转换单元，模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，并传输至逻辑控制单元，逻辑控制单元与主控制器、第二检测模块、第三检测模块和第四检测模块之间通过串行线Tx和Clk线相连，利用Tx和Clk串行线将PET数字信号传输至主控制器、第二检测模块、第三检测模块和第四检测模块。PET数字信号由主控制器、第二检测模块、第三检测模块和第四检测模块汇总并传输至计算机。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用逻辑控制单元与计算机之间的万兆以太网接口实现PET数据的高速、大容量数据传输，传输结构简单，计算机端直接利用通用以太网接口编写应用程序，无需编写专用的驱动及应用程序，大大降低了计算机端专用的驱动程序及应用程序开发，能够有效缩短PET设备的研制开发时间及降低PET设备的应用维护工作量。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统包括：γ光子1和2、LYSO晶体3、光电倍增管4、模拟运算单元5、模数转换单元6、逻辑控制单元7、GTP接口8、第二至第四检测模块9、10、11和主控制器12、光纤11、计算机14，通讯数据（Rx）线15、通讯数据（Tx）线16和时钟（Clk）线17，其中：沿直线飞行的γ光子1和2分别击中LYSO晶体3，由LYSO晶体3吸收γ光子的能量，并将光子导入到光电倍增管4上，光子1和2作用在光电倍增管4上产生光电电流，光电倍增管4将光电电流倍增后，传输到模拟运算单元5，模拟运算单元5的作用是放大、采样保持、求和，甄别后送入符合线路，符合线路输出符合脉冲控制模数转换单元6，经过模数转换单元6进行模数转换后送入逻辑控制单元7，逻辑控制单元7通过通信数据线15和时钟线17将数据传输到第一至第四检测模块9、10、11和12，四个逻辑控制单元之间通过GTP通讯接口8组成环路，第四检测模块12与计算机14之间通过光纤13连接，第四检测模块12具有万兆以太网接口，计算机14具有万兆以太网接口，光纤13连接第四检测模块12的万兆以太网接口和计算机14的万兆以太网接口，第四检测模块12与计算机14之间的高速大容量数据的高速准确传送。

本装置通过以下方式进行工作：

1)配置数据传送：

PET设备正常工作前需要完成前端数据的配置，配置数据需要从计算机14传送至逻辑控制单元7，计算机14将配置数据通过万兆以太网接口以及光纤13传输至第四检测模块12，第四检测模块12将配置数据通过GTP接口8将配置数据传输至第一逻辑控制单元9，第一逻辑控制单元9接收到配置数据后，判断该配置数据是否为本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，当属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第一逻辑控制单元9将配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元7；当配置数据不属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第一逻辑控制单元9将配置数据通过GTP接口15将配置数据传输至第二检测模块10。第二检测模块10接收到配置数据后，判断该配置数据是否为本身连接的可编程逻控制器7的配置数据，当配置数据属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第二检测模块10将配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元7；当配置数据不属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第二检测模块10将配置数据通过GTP接口16将配置数据传输至第三检测模块11。逻辑控制单元.11接收到配置数据后，判断该配置数据是否为本身连接的可编程逻控制器7的配置数据，当配置数据属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第三检测模块11将配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元7；当配置数据不属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第三检测模块11将配置数据通过GTP接口17将配置数据传输至第四检测模块12。第四检测模块12接收到配置数据后，判断配置数据是否为本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，当配置数据属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第四检测模块12将配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元7；当配置数据不属于本身连接的逻辑控制单元7的配置数据，则第四检测模块12可判断出该配置数据为无效配置数据，应该予以丢弃。通过上述工作原理，计算机14的配置数据可以通过万兆以太网传输链传输至每一个逻辑控制单元7。

2)高速大容量的正电子符合对事件采集：

PET设备完成配置工作后，即可检测正电子符合对事件并将该符合对事件转化成为数字信号，由于正电子符合对事件数量多，转化后获得大容量数据，所有的大容量数据需要高速准确传输至计算机14。高速大容量数据传输原理如下：γ光子1和2沿直线反向飞行击中LYSO晶体3，LYSO晶体吸收γ光子能量之将其导入到光电倍增管4上，光子1和2作用在光电倍增管4上产生光电电流，光电倍增管4将光电电流倍增后，传输到模拟运算单元5，模拟运算单元5的作用是放大、采样保持、求和，并输入至模数转换单元6，模数转换单元6对模拟信号进行数字转换后，送入逻辑控制单元7，逻辑控制单元7通过串行通信线15和时钟线17将数据传输到第二检测模块9、第三检测模块10、第四检测模块11和主控制器12，，第二检测模块9将采集获得的正电子符合对事件数据通过GTP接口8传输至第三检测模块10，第三检测模块10将本身采集得到的正电子符合对事件数据以及第二检测模块9采集获得的正电子符合对事件通过GTP接口8传输至第四检测模块11，第四检测模块11将本身采集得到的正电子符合对事件数据以及第二检测模块9和第三检测模块10采集获得的正电子符合对事件通过GTP接口8传输到主控制器12，主控制器12将本身采集得到的正电子符合对事件数据以及第二检测模块9、第三检测模块10和第四检测模块11采集获得的正电子符合对事件通过万兆以太网接口和光纤13传输至计算机14，实现对高速大容量正电子符合对事件数据的采集。

Claims (4)

1.一种用于正电子发射计算机断层扫描的万兆以太网传输系统，其特征在于，包括：四个两两相对设置且通过GTP接口相连并构成环路的检测模块，相邻检测模块之间的GTP接口为单向数据传输方式，主控制器通过万兆以太网传输接口与计算机能够双向通讯，实现PET数据传输和配置数据传输；

所述的单向数据传输方式是指：从主控制器至相邻检测模块的顺时针或逆时针方向依次传输直至回到主控制器，所述的单向传输进一步地是指：当PET设备正常工作时，配置数据采用顺时针或逆时针方向自主控制器依次传输至各个检测模块直至回到主控制器，对应PET数据采用相反的传输方向，即逆时针或顺时针自主控制器依次传输至各个检测模块直至回到主控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的检测模块包括：一个主控制器、若干组由位于探测端的LYSO晶体以及与之依次连接的光电倍增管、模拟运算单元、模数转换单元和逻辑控制单元组成的检测单元，其中：LYSO晶体吸收γ光子的能量并将光子导入至光电倍增管，光电倍增管将光电电流倍增后，传输到模拟运算单元并进行放大和运算处理后输出至模数转换单元，模数转换单元将模拟信号转换为数字信号从而获得PET数据，并传输至逻辑控制单元，各个逻辑控制单元通过内置通信线和时钟线将PET数据分别传送至与之相连的主控制器、第二检测模块、第三检测模块和第四检测模块；第二检测模块利用GTP接口将PET数据传送至第三检测模块，第三检测模块利用GTP接口将本身采集获得的PET数据和第二检测模块传送过来的PET数据传送至第四检测模块，第四检测模块利用GTP接口将本身采集获得的PET数据和第二检测模块、第三检测模块传送过来的PET数据传送至主控制器，通过GTP接口，PET数据沿逆时针或顺时针方向从第二检测模块传送至第三检测模块、第四检测模块和主控制器，由主控制器实现对PET数据的汇总和上传至计算机。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的通信线、数据线和时钟线均为串行结构。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的万兆以太网传输接口通过光纤分别与计算机和检测模块相连，配置数据自计算机经过万兆以太网接口和光纤传输至第一个检测模块的逻辑控制单元，逻辑控制单元将配置数据通过GTP接口传输至相邻检测模块的逻辑控制单元，由逻辑控制单元判断配置数据的目标位置，并在目标位置与本逻辑控制单元符合时，配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元，否则配置数据通过GTP接口传输至相邻下一个检测模块的逻辑控制单元，直至配置数据经过所有的逻辑控制单元并回到第一个检测模块的逻辑控制单元，该检测模块的逻辑控制单元判断配置数据的目标位置，当目标位置与本逻辑控制单元符合时，配置数据通过数据线和时钟线传输至逻辑控制单元，否则标记该配置数据无效并丢弃该配置数据。

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