一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域,特别涉及一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置及方法。
背景技术
计算机断层扫描(PET/CT,Positron emission tomography/Computedtomography)作为现代医疗影像设备中结合分子水平和清晰的断层扫描相结合的高性能设备,尤其在肿瘤、心血管、神经系统和脑功能疾病方面有着其他影像设备无法比拟的优势。
在PET/CT系统中,CT扫描的速度很快,数秒时间即可完成,基本可以在一个呼吸周期得到图像,因此呼吸运动基本不会影响CT的图像质量,而PET扫描相对很慢,一次扫描需要几分钟甚至几十分钟的时间,因此获得的是多个呼吸周期的平均图像。因此在对肺部附近进行PET/CT扫描时,CT的扫描速度明显高于PET的扫描速度,PET扫描和CT扫描受呼吸运动的影响将有所差异,从而导致PET/CT图像中相同层面的PET图像和CT图像在融合时存在一定程度在位置及相位上的不匹配而形成图像伪影。
这种伪影直接影响了的PET/CT的图像质量,可能影响胸部和腹部肿瘤位置的准确诊断。因此在PET/CT的图像重建技术上,加入呼吸运动控制有着重要意义。
另一方面,在心血管诊断方面,心电门控技术已经广泛的应用于CT设备,心电图波信号激发CT成像的脉冲序列,使心脏在心动周期的特定时间成像,可以得到高分辨率的心脏影像。对于PET/CT设备,在心血管疾病的诊断过程中同样需要,PET由于成像时间较长,因此会对心动周期进行分时段成像,并根据每一段成像与当时的CT成像叠加重建成PET/CT影像。
心电图是由一系列的波组所构成,每个波组代表着每一个心动周期。QRS波群:典型的QRS波群包括三个紧密相连的波,第一个向下的波称为Q波,继Q波后的一个高尖的直立波称为R波,R波后向下的波称为S波。
传统的CT心电门控设备重点是检测R波信号,通过R波信号就可以得到心脏的高分辨率的图像,而对于PET/CT不仅需要得到R波信号,而且还需要得到整个心动周期的图像,而且在对腹部进行扫描时,为了得到相对较高分辨率的图像,还需要得到整个呼吸周期的图像。
因此,本领域技术人员需要提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置,能够精确输出门控信号,进而获得整个呼吸周期的图像。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置及方法,能够精确输出门控信号,进而获得整个呼吸周期的图像。
本实施例提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置,包括:信号预处理模块、ADC采样模块和FPGA数据处理模块;
所述信号预处理模块的输入端连接呼吸设备的输出端和心电图ECG设备的输出端;所述信号预处理模块,用于将所述呼吸设备输出的呼吸信号和ECG设备输出的ECG信号进行滤波去噪后发送给所述ADC采样模块;
所述ADC采样模块,用于将采集的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值分别转换为数字信号的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值后发送给所述FPGA数据处理模块;
所述FPGA数据处理模块,用于根据所述数字信号的ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,并根据所述数字信号的呼吸信号的最大值计算呼吸信号的最高点,根据每个所述R波输出对应的一个第一门控信号,根据每个所述呼吸信号的最大值输出对应的一个第二门控信号。
优选地,所述信号预处理模块包括:隔离子模块、滤波子模块和陷波子模块;
所述隔离子模块为隔离运放,用于将所述呼吸设备输出的呼吸信号的ECG设备输出的ECG信号进行隔离;
所述滤波子模块,用于对所述隔离子模块的输出信号进行滤波,滤除高频噪声信号和低频噪声信号;
所述陷波子模块,用于将所述滤波子模块输出的信号进行陷波,滤除工频干扰信号。
优选地,所述滤波子模块包括:高通滤波器和低通滤波器;
所述高通滤波器,用于将所述隔离子模块输出的信号进行高通滤波,滤除第一频率以下的信号,并将输出信号发送给所述低通滤波器;
所述低通滤波器,用于将所述高通滤波器的输出信号进行低通滤波,滤除第二频率以上的信号,并将输出信号发送给所述陷波子模块;
所述第一频率小于所述第二频率。
优选地,所述滤波子模块为带通滤波器。
优选地,所述高通滤波器包括:第四电阻、第四电容、第一电容、第一放大器、第六电阻和第七电阻;
所述第四电阻的第一端作为该高通滤波器的输入端,所述第四电阻的第二端连接所述第一放大器的同相输入端;
所述第一放大器的反相输入端通过所述第六电阻接地;
所述第一放大器的同相输入端通过所述第四电容接地;
所述第一放大器的反相输入端通过所述第七电阻连接所述第一放大器的输出端;
所述第一放大器的输出端作为该高通滤波器的输出端;
所述第一电容的两端分别连接该高通滤波器的输入端和输出端。
优选地,所述低通滤波器包括:第二电容、第三电容、第一电阻、第五电阻、第八电阻、第九电阻和第二放大器;
所述第二电容的第一端连接所述高通滤波器的输出端,所述第二电容的第二端通过所述第三电容连接所述第二放大器的同相输入端;
所述第二放大器的反相输入端通过所述第八电阻接地,所述第二放大器的反相输入端通过所述第九电阻连接所述第二放大器的输出端;
所述第二放大器的同相输入端通过所述第五电阻接地;
所述第二电容的第二端通过所述第一电阻连接所述第二放大器的输出端;
所述第二电容的第一端作为该低通滤波器的输入端,所述第二放大器的输出端作为该低通滤波器的输出端。
优选地,还包括:重建计算机、显示模块和通信模块;
所述通信模块包括:串口通信子模块和以太网通信子模块;
所述FPGA数据处理模块,用于通过所述以太网通信子模块将所述ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值发送给所述重建计算机;
所述重建计算机,用于利用所述ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值重建图像;
所述FPGA数据处理模块,用于通过所述串口通信子模块将所述ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值发送给显示模块;
所述显示模块,用于显示ECG波形和呼吸波形。
优选地,还包括:控制台计算机;
所述通信模块还包括:CAN通信子模块;
所述控制台计算机,用于通过所述CAN通信子模块传输控制命令。
本发明实施例还提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测方法,包括:
检测呼吸设备输出的呼吸信号和心电图ECG设备输出的ECG信号,将所述呼吸信号和所述ECG信号均进行滤波去噪处理;
采集ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值;
将采集的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值分别转换为数字信号的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值;
根据所述数字信号的ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,并根据所述数字信号的呼吸信号的最大值计算呼吸信号的最高点,根据每个R波输出对应的一个第一门控信号,根据每个呼吸信号的最大值输出对应的一个第二门控信号。
优选地,所述根据所述ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,并根据所述呼吸信号的最大值计算呼吸信号的最高点,具体为:
利用求导数和冒泡法共同计算出R波,当导数为零时,且冒泡法为最大值时,对应的数据为R波或呼吸信号的最高点。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本实施例提供的检测装置,通过信号预处理模块可以接收呼吸信号和ECG信号,并对这两种信号进行滤波去噪处理,完成信号采集的前期处理。然后ADC采样模块将采集的这两种信号转换为数字信号,以便于后期FPGA数据处理模块进行计算处理。由于FPGA数据处理模块的计算速度比较高,而且是纯硬件进行的计算,这样可靠性也高。FPGA数据处理模块可以通过ECG信号的幅值计算获得R波以及心脏跳动周期,并利用呼吸信号的最大值计算出呼吸信号的最高点,进而准确输出第一门控信号和第二门控信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置实施例一示意图;
图2是本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置实施例二示意图;
图3是本发明提供的隔离子模块和滤波子模块的具体电路图;
图4是本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测方法实施例一流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一:
参见图1,该图为本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置实施例一示意图。
本实施例提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置,包括:信号预处理模块100、ADC采样模块200、FPGA数据处理模块300和通信模块400;
所述信号预处理模块100的输入端连接呼吸设备的输出端和心电图ECG设备的输出端;所述信号预处理模块200,用于将所述呼吸设备输出的呼吸信号和ECG设备输出的ECG信号进行滤波去噪后发送给所述ADC采样模块200;
需要说明的是,所述呼吸设备输出的呼吸信号是类似正弦波的一个信号,为了得到较高分辨率的图像,需要得到整个呼吸周期的图像。
ECG设备输出的ECG信号不仅需要包括R波信号,而且还需要包括整个心动周期的图像。
所述ADC采样模块200,用于将采集的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值分别转换为数字信号的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值后发送给所述FPGA数据处理模块300;
所述AD采样模块200可以采用高速差分正负电平式的ADC将模拟信号转换为数字信号传送给FPGA数据处理模块300,以便于FPGA数据处理模块300进行数字信号处理。
由于ECG信号和呼吸信号均是包括正负的信号,因此,本发明中信号传输链路上的电源均采用的是正负电源进行供电,而AD采样模块200也应用了正负10V的ADC芯片,ADC采样模块200与FPGA数据处理模块300采用SPI进行连接。
所述FPGA数据处理模块300,用于根据所述数字信号的ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,并根据所述数字信号的呼吸信号的最大值计算呼吸信号的最高点,根据每个所述R波输出对应的一个第一门控信号,根据每个所述呼吸信号的最大值输出对应的一个第二门控信号。
ADC采样模块采集的是实时的ECG的幅值,FPGA计算出每一个周期的ECG信号的最大值,这个值就是ECG信号的R波,两个R波之间的时间就是心脏的一次心跳周期。每一次R波后都会产生一个门控信号。
可以理解的是,呼吸信号和ECG信号之间没有任何关系是两种数据,但是,呼吸信号和ECG信号类似,FPGA也会计算出呼吸信号每一个周期的最大值,这个值是呼吸运动时胸腔的最大幅度,这是也会产生对应的一个门控信号,需要说明的是,ECG信号对应的门控信号和呼吸信号对应的门控信号之间没有任何关系,是两种门控信号。
FPGA数据处理模块300可以通过ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,两个R波之间就是一个心脏跳动周期,并可以根据心脏跳动周期计算出心率。并且FPGA数据处理模块300可以根据呼吸信号的最大值计算出呼吸信号的最高点,进而输出第一门控信号和第二门控信号。
第一门控信号和第二门控信号是标记呼吸运动的最大值的。
本实施例提供的检测装置,通过信号预处理模块100可以接收呼吸信号和ECG信号,并对这两种信号进行滤波去噪处理,完成信号采集的前期处理。然后ADC采样模块200将采集的这两种信号转换为数字信号,以便于后期FPGA数据处理模块300进行计算处理。由于FPGA数据处理模块300的计算速度比较高,而且是纯硬件进行的计算,这样可靠性也高。FPGA数据处理模块300可以通过ECG信号的幅值计算获得R波以及心脏跳动周期,并利用呼吸信号的最大值计算出呼吸信号的最高点,进而准确输出第一门控信号和第二门控信号。
实施例二:
参见图2,该图为本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置实施例二示意图。
本实施例提供的检测装置,所述信号预处理模块100包括:隔离子模块100a、滤波子模块100b和陷波子模块100c;
所述隔离子模块100a为隔离运放,用于将所述呼吸设备输出的呼吸信号的ECG设备输出的ECG信号进行隔离;
隔离子模块100a可以有效防止由于呼吸设备和ECG设备的输入信号忽高而引起的不稳定。
本实施例中的隔离子模块100a可以通过电容耦合式模拟隔离运放来实现,这样可以将呼吸设备和ECG设备的信号引入到检测装置中。
所述滤波子模块100b,用于对所述隔离子模块100a的输出信号进行滤波,滤除高频噪声信号和低频噪声信号;
需要说明的是,滤波子模块100b不仅实现了滤波功能,同时也实现信号放大功能,由于采集的信号幅值比较小,进行放大以后,便于ADC采集。
由于ECG信号和呼吸信号需要经过几米甚至十几米的传输,因此有可能受到其他信号的干扰,因此,在隔离子模块100a之后进行高通滤波和低通滤波,这样可以滤除干扰信号,提高信号的质量。
所述陷波子模块100c,用于将所述滤波子模块输出的信号进行陷波,滤除工频干扰信号,所述工频干扰信号的频率为50Hz或60Hz。
由于整个检测装置由工频电源供电,因此,信号中可能引入了工频干扰,因此需要陷波子模块100c滤除工频干扰信号,可以理解的是,在中国等国家工频信号为50Hz,在日本等国家工频信号为60Hz。
本实施例提供的陷波子模块没有应用双T网络,而是采用了通用型有源滤波器,这样可以有效防止由于器件的差异导致陷波电路性能的下降。
本实施例提供的检测装置还包括:显示模块600;
所述通信模块还包括:串口通信子模块400a;
所述串口通信子模块400a,用于将所述FPGA数据处理模块300处理后的数据发送给所述显示模块600;
所述显示模块600,用于显示ECG波形和呼吸波形。
另外,本实施例提供的检测装置还包括:控制台计算机700;
所述通信模块还包括:CAN通信子模块400b;
所述控制台计算机700,用于通过所述CAN通信子模块400b传输控制命令。
需要说明的是,FPGA数据处理模块300通过以太网通信子模块400c将数据发送给重建计算机500。
FPGA实时采集呼吸运动的幅值,并传给重建计算机,重建计算机通过这些数据对图像进行校正,从而减少图像中的伪影。
需要说明的是,本发明实施例中重建计算机500通过ECG信号和呼吸信号实时获得R波和呼吸信号的最高点,主要通过如下方式实现:
首先,R波和呼吸信号的最高点均是连续波形中的最大点,传统的方法是通过冒泡法取得整个数据的最大值,但是这样存在的缺点是当数据在最大值附近时,有可能由于数据误差导致R波的检测不准确。而本实施例中采用冒泡法和导数相结合,即通过对ECG信号和呼吸信号求导数的方法和冒泡法共同取得R波和呼吸运动的最高点。根据导数性质检测R波和呼吸运动的最高点,当导数为零时,如果冒泡法也是最大值,则此时定义为R波和呼吸运动的最高点,即呼吸信号的最高点。
实施例三:
参见图3,该图为本发明提供的隔离子模块和滤波子模块的具体电路图。
本实施例提供的滤波子模块包括:高通滤波器和低通滤波器;
所述高通滤波器,用于将所述隔离子模块输出的信号进行高通滤波,滤除第一频率以下的信号,并将输出信号发送给所述低通滤波器;
所述低通滤波器,用于将所述高通滤波器的输出信号进行低通滤波,滤除第二频率以上的信号,并将输出信号发送给所述陷波子模块;
所述第一频率小于所述第二频率。
所述高通滤波器包括:第四电阻R4、第四电容C4、第一电容C1、第一放大器U1、第六电阻R6和第七电阻R7;
所述第四电阻R4的第一端作为该高通滤波器的输入端,所述第四电阻R4的第二端连接所述第一放大器U1的同相输入端;
所述第一放大器U1的反相输入端通过所述第六电阻R6接地;
所述第一放大器U1的同相输入端通过所述第四电容C4接地;
所述第一放大器U1的反相输入端通过所述第七电阻R7连接所述第一放大器U1的输出端;
所述第一放大器U1的输出端作为该高通滤波器的输出端;
所述第一电容C1的两端分别连接该高通滤波器的输入端和输出端。
所述低通滤波器包括:第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第五电阻R5、第八电阻R8、第九电阻R9和第二放大器U2;
所述第二电容C2的第一端连接所述高通滤波器的输出端,所述第二电容C2的第二端通过所述第三电容C3连接所述第二放大器U2的同相输入端;
所述第二放大器U2的反相输入端通过所述第八电阻接地,所述第二放大器U2的反相输入端通过所述第九电阻连接所述第二放大器的输出端;
所述第二放大器U2的同相输入端通过所述第五电阻接地;
所述第二电容C2的第二端通过所述第一电阻R1连接所述第二放大器U2的输出端;
所述第二电容C2的第一端作为该低通滤波器的输入端,所述第二放大器U2的输出端作为该低通滤波器的输出端。
需要说明的是,滤波子模块除了应用高通滤波器和低通滤波器结合在一起实现以外,还可以应用带通滤波器来实现滤波子模块。
基于以上实施例提供的一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测装置,本发明实施例还提供一种基于PET/CT设备的外部门控信号检测方法,下面结合附图来进行详细介绍。
参见图4,该图为本发明提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测方法实施例一流程图。
本实施例提供的基于PET/CT设备的外部门控信号检测方法,包括:
S401:检测呼吸设备输出的呼吸信号和心电图ECG设备输出的ECG信号,将所述呼吸信号和所述ECG信号均进行滤波去噪处理;
需要说明的是,所述呼吸设备输出的呼吸信号是类似正弦波的一个信号,为了得到较高分辨率的图像,需要得到整个呼吸周期的图像。
ECG设备输出的ECG信号不仅需要包括R波信号,而且还需要包括整个心动周期的图像。
S402:采集ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值;
S402:将采集的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值分别转换为数字信号的ECG信号的幅值和呼吸信号的最大值;
所述AD采样模块200可以采用高速差分正负电平式的ADC将模拟信号转换为数字信号传送给FPGA数据处理模块300,以便于FPGA数据处理模块300进行数字信号处理。
由于ECG信号和呼吸信号均是包括正负的信号,因此,本发明中信号传输链路上的电源均采用的是正负电源进行供电,而AD采样模块200也应用了正负10V的ADC芯片,ADC采样模块200与FPGA数据处理模块300采用SPI进行连接。
S403:根据所述数字信号的ECG信号的幅值获得ECG信号的R波,并根据所述数字信号的呼吸信号的最大值计算呼吸信号的最高点,根据每个R波输出对应的一个第一门控信号,根据每个呼吸信号的最大值输出对应的一个第二门控信号。
本实施例提供的检测装置,通过信号预处理模块可以接收呼吸信号和ECG信号,并对这两种信号进行滤波去噪处理,完成信号采集的前期处理。然后ADC采样模块将采集的这两种信号转换为数字信号,以便于后期FPGA数据处理模块进行计算处理。由于FPGA数据处理模块的计算速度比较高,而且是纯硬件进行的计算,这样可靠性也高。FPGA数据处理模块可以通过ECG信号的幅值计算获得R波以及心脏跳动周期,并利用呼吸信号的最大值计算出呼吸信号的最高点,进而准确输出第一门控信号和第二门控信号。
需要说明的是,所述通过所述ECG信号计算ECG信号的R波,根据所述呼吸信号计算出心率和呼吸信号的最高点,具体为:
利用求导数和冒泡法共同计算出R波,当导数为零时,且冒泡法为最大值时,对应的数据为R波或呼吸信号的最高点。
主要通过如下方式实现:
首先,R波和呼吸信号的最高点均是连续波形中的最大点,传统的方法是通过冒泡法取得整个数据的最大值,但是这样存在的缺点是当数据在最大值附近时,有可能由于数据误差导致R波的检测不准确。而本实施例中采用冒泡法和导数相结合,即通过对ECG信号和呼吸信号求导数的方法和冒泡法共同取得R波和呼吸运动的最高点。根据导数性质检测R波和呼吸运动的最高点,当导数为零时,如果冒泡法也是最大值,则此时定义为R波和呼吸运动的最高点,即呼吸信号的最高点。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。