CN104337534A - 基于无线传输的正电子发射计算机断层扫描数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一种无线传输技术领域的基于无线传输的正电子发射计算机断层扫描数据采集系统，由依次连接的探测器、高速模数转换器、可编程逻辑控制器、Wi-Fi/Wi-Gi模块、万兆无线接收基站和中央计算机组成，探测器将接收到的一对光子转化为模拟电压传输至高速模数转换器进行模数转换，高速模数转换器将模拟电压进行模数转换获得转换后的数据，可编程逻辑控制器读取高速模数转换器转换的数据，并将数据传输至Wi-Fi/Wi-Gi模块后通过无线方式传输至万兆无线接收基站，由中央计算机根据收到的数据实现光子对的PET图像重构。本发明消除数据传输的硬件连接线路，避免硬件连接线路之间的信号串扰，降低PET数据采集及数据传输电路板的设计和走线难度，降低PET设备的研制成本，降低了PET设备后期运行和维护的成本。

Description

基于无线传输的正电子发射计算机断层扫描数据采集系统

技术领域

本发明涉及的是一种无线传输技术领域的装置，具体是一种将Wi-Fi/Wi-Gi无线通信技术应用于正电子发射计算机断层扫描数据采集系统。

背景技术

正电子发射计算机断层扫描Positron Emission Tomography技术，简称PET，是核医学领域最先进的临床检查影像技术，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，对电压信号采样转变为数字信号，该数字信号传输到计算机，计算机根据特定算法将数字信号重组成投影图像，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。通过提高探测器的分辨率，获取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后端数据传输系统，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、大容量的数据，后端数据传输系统实现将高速、大容量数据传送到中央计算机。正电子发射计算机断层扫描系统研制过程中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、准确地传送到中央计算机，传统方法通过有线连接方式将中央计算机与前端数据采样系统进行直接连接，运用PCI、GTP、千兆或万兆等高速硬件传输接口进行大容量数据传输，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，但由此带来的不足在于有线连接增加了电路板的设计难度，线缆之间存在相互串扰，为消除线缆之间的串扰，在电路板设计时，需要对信号线进行精心的屏蔽设计，增加了设计和实际布线的难度，同时增加了电路板的结构尺寸，提高了正电子发射计算机断层扫描系统的研制成本。

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 using 4x4 Array 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接口直接传输到中央计算机上，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，如果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数字信号处理器实现转换后的数据传输，在数字信号处理器上有两个外部存储器接收，可以确保数字信号处理器与中央计算机之间实现高速的直接内存访问(Direct Memory Access，DMA)，确保对采集到的数据的实现高速传输，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“可编程逻辑控制器based dataacquisition and digital pulse processing for PET and SPECT”公开了一种基于可编程逻辑控制器的PET数据采集及传输系统，在该系统中运用可编程逻辑控制器，利用可定制软件IP核，实现可编程逻辑控制器的高性能数据采集，采集到的数据通过USB或PCI硬件接口传输至中央计算机，这种方式对可编程逻辑控制器定制的软件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Domino Ring Sampler技术，利用Domino Ring Sampler将模拟输出连接至模数转换器，实现高速数据转换，然后由可编程逻辑控制器通过千兆以太网接口将采集到的数据传输至中央计算机，这种方案的特点是运用了四个千兆以太网接口。

尽管现有的高速数据硬件传输接口如PCI、GTP、千兆以太网及万兆以太网接口等有线连接方式可以应用于PET设备的数据采集及数据传输系统，但这些接口技术的不足在于增加了PET设备数据采集及数据传输方案的研制难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于无线传输的正电子发射计算机断层扫描数据采集系统，将Wi-Fi或Wi-Gi无线通信技术应用于PET设备数据采集及数据传输系统，借助于Wi-Fi或Wi-Gi无线通讯技术，消除数据传输的硬件连接线路，避免硬件连接线路之间的信号串扰，降低PET数据采集及数据传输电路板的设计和走线难度，降低PET设备的研制成本，降低了PET设备后期运行和维护的成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由依次连接的探测器、高速模数转换器、可编程逻辑控制器、Wi-Fi/Wi-Gi模块、万兆无线接收基站和中央计算机组成，其中：探测器将接收到的一对光子转化为模拟电压传输至高速模数转换器进行模数转换，高速模数转换器将模拟电压进行模数转换获得转换后的数据，可编程逻辑控制器读取高速模数转换器转换的数据，并通过串行通信协议(SPI bus)总线将数据传输至Wi-Fi/Wi-Gi模块，Wi-Fi/Wi-Gi模块将收到的数据通过无线方式传输至万兆无线接收基站，并进一步通过光纤与中央计算机相连，中央计算机根据收到的数据实现光子对的PET图像重构。

所述的探测器内置闪烁晶体、光电倍增管及其后续放大电路。

所述的闪烁晶体是在射线等高能粒子撞击下将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光的晶体，PET设备中正电子与负电子湮没后产生光子，该光子能量为510keV，该光子经过闪烁晶体后转变成为一定波长的光，生成的光被引导入光电倍增管后，一定波长的光转变成为电压信号，该电压信号经过后续电子线路处理后，获得可以解读的电压信号，该电压信号被传送至高速模数转换器，对电压信号进行数字变换，常用的闪烁晶体有NaI、LSO（Lu2SiO5）、LYSO（Lu2-xYxSiO5）、BGO（Bi4Ge3O12）等，不同晶体其性能指标不相同，根据不同的应用可选择相应的闪烁晶体。

所述的高速模数转换器将模拟电压信号转变为数字信号，便于后续可编程逻辑控制的处理，PET设备中高速模数转换器处理的模拟电压来自于放射性核素的衰变，要求高速模数转换器的转换速度达到数百兆bps，以适应放射性核素的衰变速度。

所述的可编程逻辑控制器并行读取高速模数转换器转换得到的数据，同时并行传送至Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块，由Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块将数据无线传送到万兆无线接收基站。

本发明的工作原理在于：探测器通过电气连接到高速模数转换器，高速模数转换器的输出连接到可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器通过电气连接与Wi-Fi/Wi-Gi模块连接在一起，探测器、高速模数转换器、可编程逻辑控制器和Wi-Fi/Wi-Gi共同组成一个模组，在PET设备中，存在四个模组，其中两个模组以直线相对安装，确保可以接收到按180°直线飞行的两个光子，万兆无线接收基站安装在四个模组旁边，万兆无线接收基站通过光纤与中央计算机相连，其中距离可以根据实际需要确定。当正负电子湮没后产生两个能量相等的光子沿180°直线飞行，两个光子分别被两个探测器捕获，在探测器内转化为相对应的电压，高速模数转换器将电压进行模数转换后，转换得到相应的数字信号，可编程逻辑控制器读取该数字信号后，传输至Wi-Fi/Wi-Gi模块，由Wi-Fi/Wi-Gi模块通过无线传输出去。万兆无线接收基站接收到该数字信号后，将数字信号通过光纤传输到中央计算机。

技术效果

本发明与现有技术相比，利用Wi-Fi/Wi-Gi无线传输PET设备大容量数据传输，消除了PCI总线、GTP或千兆以太网等有线连接方案，简化了PET设备的电路设计，消除有线连接时信号线之间可能存在的串扰，降低了PET设备的开发成本。

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，本实施例由探测器3、7、11和18、高速模数转换器4、8、12和17、可编程逻辑控制器5、9、13和16、Wi-Fi/Wi-Gi模块6、10、14和15、万兆无线接收基站19、光纤连接20和中央计算机21组成，其中：探测器3、7、11和18实现对光子对1和2的接收，接收到的光子转化为相应的电压，传输到高速模数转换器4、8、12和17，可编程逻辑控制器5、9、13和16接收到模数转换器4、8、12和17的输出，传输到Wi-Fi/Wi-Gi模块6、10、14和15，由Wi-Fi/Wi-Gi模块6、10、14和15将接收到的数据通过无线传输出去，万兆无线接收基站19接收到无线传输的数据，通过光纤连接20传输到中央计算机21，中央计算机21根据数据可实现PET图像的重构。

所述的探测器内置闪烁晶体、光电倍增管及其后续放大电路。

所述的闪烁晶体采用NaI、LSO（Lu2SiO5）、LYSO（Lu2-xYxSiO5）或BGO（Bi4Ge3O12）。

所述的高速模数转换器以数百兆bps的转换速度将模拟电压信号转变为数字信号，便于后续可编程逻辑控制的处理。

所述的可编程逻辑控制器并行读取高速模数转换器转换得到的数据，同时并行传送至Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块，由Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块将数据无线传送到万兆无线接收基站。可编程逻辑控制器在系统初始上电工作时，还需要完成对高速模数转换器和Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块的配置工作，当配置工作完成后，在不断电情况下高速模数转换器和Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块可正常工作，无需再次配置，本实施例中的可编程逻辑控制器采用Xilinx公司生产的各系列可编程逻辑控制器、Altera公司生产的各系列可编程逻辑控制器，可根据研制的PET设备性能高低进行选用。

所述的Wi-Fi/Wi-Gi模块通过无线传输方式实现大容量数据传输，Wi-Fi是一种将各种终端以无线方式互相连接的技术，常用的Wi-Fi无线通信速度可达54mbps，少数Wi-Fi通信速率可达866.7mpbs，下一代无线通信Wi-Gi无线通信速度甚至可达7Gbps，Wi-Fi/Wi-Gi无线通信模块能够实现将数据从一个终端无线传输至另一个终端，其内部涉及非常复杂的硬件和软件协议，为简化Wi-Fi/Wi-Gi的应用，Wi-Fi/Wi-Gi已经集成为高度集成的模块，该模块对外接口为常规接口如Serial Peripheral Interface(SPI bus)，用户只需要熟悉常规的通讯协议，即可完成与Wi-Fi/Wi-Gi模块的通信，将Wi-Fi/Wi-Gi模块无线通信功能定制到自己的应用设计中，降低了开发的难度，本实施例中的Wi-Fi/Wi-Gi模块为Texas Instrument公司生产的CC3000，Marvell公司生物的88W8686或H＆D公司生产的SPB104等，其无线通信速度均可达54mbps，满足PET设备大容量数据传输的高速率要求。

Claims (6)

1.一种基于无线传输的正电子发射计算机断层扫描数据采集系统，其特征在于，由依次连接的探测器、高速模数转换器、可编程逻辑控制器、Wi-Fi/Wi-Gi模块、万兆无线接收基站和中央计算机组成，其中：探测器将接收到的一对光子转化为模拟电压传输至高速模数转换器进行模数转换，高速模数转换器将模拟电压进行模数转换获得转换后的数据，可编程逻辑控制器读取高速模数转换器转换的数据，并通过串行通信协议(SPI bus)总线将数据传输至Wi-Fi/Wi-Gi模块，Wi-Fi/Wi-Gi模块将收到的数据通过无线方式传输至万兆无线接收基站，并进一步通过光纤与中央计算机相连，中央计算机根据收到的数据实现光子对的PET图像重构。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的探测器内置闪烁晶体、光电倍增管及其后续放大电路。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的闪烁晶体是在射线等高能粒子撞击下将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光的晶体。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的高速模数转换器将模拟电压信号转变为数字信号，便于后续可编程逻辑控制的处理。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的可编程逻辑控制器并行读取高速模数转换器转换得到的数据，同时并行传送至Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块，由Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块将数据无线传送到万兆无线接收基站。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征是，其特征是，所述的万兆无线接收基站与Wi-Fi/Wi-Gi无线通讯模块之间仅通过无线通信方法实现通信链接。