CN104656115B - 一种时间标记组合的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种时间标记组合方法，其包括步骤：采集数据获得系统数字量测量值，并为测量值建立数据库；识别原子时间标记量和形状涨落统计量；估计每个原子时间标记的协方差矩阵；根据最小二乘准则给出时间标记组合。一种时间标记组合系统，其包括低剂量预采集数据模块、数字量识别模块、数字量方差计算模块和时间标记组合参数计算模块。通过采用本发明的时间标记组合方法与系统，有效提高了系统时间分辨率，特别适合于数字式核仪器的时间获取。

Description

一种时间标记组合的方法与系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种事件到达时间标记组合的方法与系统。

背景技术

在正电子寿命谱仪、正电子角度-动量关联分析仪等核分析领域，双符合高能粒子甄别器等核探测领域，以及正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，以下简称PET)等医学影像领域，探测器部分的工作机理主要分为两种：一种是通过闪烁体将高能光子转化为能量较低的可见光子或紫外光光子，再将可见光光子或紫外光光子通过光电器件转化为电信号；另一种是将高能光子通过碲锌镉(以下简称CZT)等半导体材料直接转化为电信号。以上两种工作机理下的探测器输出均为电信号。

PET系统中，较好的时间分辨率可以提升系统的性能，扩大应用范围。首先，当时间分辨率足够好时(例如小于800皮秒)，根据两个电脉冲的到达时间差推断发生正电子湮灭的位置，这个位置的值满足高斯分布，这个分布的半高全宽小于12cm(对应于800皮秒)。这个位置信息的引入，对于提高图像信噪比有明显的作用。其次，优良的时间分辨率还有利于更好的拒绝散射，提高系统噪声等效计数。再次，时间差携带了符合事件在沿着响应线(Line Of Response，简称LOR)方向的定位能力，所以引入了时间信息的PET图像重建可以减少对投影数据的完备性要求，实现不完全数据图像重建。再次，引入时间信息的PET系统，可以同时获取衰减数据和发射数据，缩短扫描时间，减少了硬件系统的复杂度。并且使系统可以同时对几只小鼠进行单独成像，而不发生混叠。

为了提高系统的时间分辨率，通常的做法有：a、选用衰减更快的晶体。b、选用渡越时间分散更小、量子效率更高的光电倍增管。c、优化时间标记方法。做法a和b通常是给定的，所以做法c是业内普遍关心的问题。

前沿甄别器(Leading Edge Discrimination，以下简称LED)是PET数据获取系统中获取脉冲到达时间的一种最简单的时间标记方式。通过设置一个基准电压，当脉冲电压幅值超过该电压基准时，将该时间值表征单事件到达时间。这种方法由于实现简单，噪声引起的时间抖动小而广泛应用于处理脉冲上升沿较为陡峭且幅值变化较小的情形中。不足的是，该方法容易受到脉冲幅度和上升沿斜率的涨落的影响而产生时间游走，造成时间标记的准确率下降。

为了消除由于脉冲幅度引起的时间游走现象，有人提出了一种恒比甄别器(Constant Fraction Discrimination，以下简称CFD)的方法。它是将闪烁脉冲分为两路信号，一路信号经过CFD的衰减端进行衰减反相，另一路信号经过CFD的延迟端进行固定时间的延迟；然后延迟和衰减反相信号相加产生一个双极性信号，并由CFD中的过零甄别器对这个双极性信号的过零点进行检测。该过零时刻即是CFD时间标记的事件到达时刻。通过对CFD中的延迟时间和衰减比例进行优选，CFD能够较好地消除由脉冲幅度和上升时间涨落引起的定时误差，从而使PET数据获取系统获得较好的时间性能。

无论是LED方法还是CFD方法，在传统的时间获取系统中它们都是在模拟电路中发展起来的。这些模拟电路的性能参数往往会随着时间、温度和工作环境的变化而产生漂移，在实际系统中难以保持在高性能的状态。特别地，对于PET这样具有成千上万探测通道的系统来说，对这些性能参数的校正无疑是巨大的挑战。

随着数字技术的迅猛发展，数字前沿甄别器(Digital Leading EdgeDiscrimination，以下简称DLED)和数字恒比甄别器(Digital Constant FractionDiscrimination，以下简称DCFD)也逐渐成为重要的时间标记方法。这两种数字时间标记方法能够灵活地在可编程阵列(Field Programmable Logic Array，以下简称FPGA)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，以下简称DSP)等数字器件中实现，但是它们的性能却很大程度上会受到模数转换器(Analog-to-Digital Convector，以下简称ADC)采样率的限制。这是因为目前的PET探测器通常倾向于选择衰减时间常数较小的闪烁晶体和上升时间较快的光电倍增管(Photo Multiplier Tube，以下简称PMT)来获取优异的时间性能和计数率性能。以LSO/PMT这样主流的闪烁探测器为例，其输出的闪烁脉冲信号上升时间通常为1～20ns，脉冲持续时间为200ns。如果采用DCFD方法获取脉冲的到达时间，而且在不对闪烁脉冲进行滤波处理的情况下，要达到与CFD方法相同或者接近的时间性能，那么在DCFD方法中使用的ADC采样率就至少要达到1千兆样本每秒(Giga Samples Per Second，简称GSPS)的水平。然而，这种高采样率ADC的使用无疑将使PET在陷入成本高、超高数据吞吐和处理的困境。同样的，平均脉冲模型法(Mean PMT Pulse Model，简称MPPM)、最大上升插值法(Maximum Rise Interpolation，简称MRI)以及初始上升插值法(Initial RiseInterpolation，简称IRI)等基于ADC采样的数字脉冲时间提取方法也会陷入高采样率需求与高时间分辨性能的矛盾境地。

因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的数字量，提供一种新的时间标记方法与系统，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时间标记组合方法与系统，该方法与系统能有效地组合原有的若干个时间标记或事件形状涨落属性，在可以测量到的数字量中发掘和时间信息有关联的成分，提升时间标记的分辨率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种时间标记组合的方法，其包括步骤：

S1：采集数据获得系统数字量测量值，并为测量值建立数据库；

S2：识别原子时间标记量和形状涨落统计量；

S3：估计每个原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵；

S4：根据最小二乘准则给出时间标记组合。

优选的，在上述时间标记组合方法中，所述时间标记组合是若干个原子时间标记属性和事件形状涨落属性的组合。

优选的，在上述时间标记组合方法中，所述时间标记组合中所有原子时间标记加和的权重等于1。

优选的，在上述时间标记组合方法中，所述形状涨落属性的权重系数为任意一个不为零的实数值。

优选的，在上述时间标记组合方法中，所述原子时间标记属性的权重系数和形状涨落属性的权重系数构成时间标记组合的所有参数集合。

优选的，在上述时间标记组合方法中，所述步骤S1中采用低活度的点源用作数据库建立的标准。

一种时间标记组合的系统，其包括低剂量预采集数据模块、数字量识别模块、数字量方差计算模块及时间标记组合参数计算模块，其中，

剂量预采集数据模块，用于对预采集的低计数率数字量进行存储；

数字量识别模块，用于识别预采集数字量模块输出的数字量是原子时间标记还是形状涨落事件属性；

数字量方差计算模块，用于计算原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵，确定组合时间标记的参数；

时间标记组合参数计算模块，用于测试和运行得到的时间标记参数。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的时间标记组合方法与系统，有效提高了系统时间分辨率，特别适合于数字式核仪器的时间获取。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)时间分辨率变好，即与时间分辨率有关的成像模式输出图像质量提高，与时间分辨率有关的事件甄别准确率变高；

(2)对不同的闪烁探测器系统适应性好。

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，下面描述中的有关本发明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为本发明组合的时间标记方法的流程图；

图2为本发明组合的时间标记系统的系统结构图；

图3为本发明的闪烁脉冲样本；

图4为本发明数据库中的对齐操作后的闪烁脉冲数据；

图5为本发明实施实例的前沿甄别时间标记示意图；

图6为本发明实施实例的多卷积/前沿甄别时间标记示意图；

图7为本发明实施实例的前后沿时间标记示意图；

图8为本发明实施实例的前沿甄别的时间差谱；

图9为本发明实施实例的多卷积/前沿甄别的时间差谱；

图10为本发明实施实例的前后沿甄别的时间差谱；

图11为本发明一种典型系统的示意图；

图12为本发明另一种典型系统的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种时间标记组合方法与系统，该方法与系统能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及系统的时间分辨率。

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详细地描述，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的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。

如图1所示，本发明公开的时间标记组合的方法通过已经采集的数字量建立数据库，建立的数据库用于训练和测试原子时间标记的组合方式，具体的方法步骤为：

S1：采集数据获得系统数字量测量值，并为测量值建立数据库；

S2：识别原子时间标记量和形状涨落统计量；

S3：估计每个原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵；

S4：根据最小二乘准则给出时间标记组合。

所述步骤S1中采用低活度的点源用作数据库建立的标准。先利用低活度点源产生的系统数字量对参数化的时间标记进行训练，训练输出时间标记的各项参数。测试或使用该时间标记时，采用不同的另一份样本。

所述步骤S1中，数据获得系统可以是前置放大器和脉冲成形电路加等间距模拟数字转换器的读出系统，也可以是前置放大整形由多比较器读出的系统(例如多电压阈值读出)。

所述步骤S1中，对建立的数据库一般要求脉冲的属性种类大于等于2，样本数大于1000。

所述步骤S2中，原子时间标记量和形状涨落统计量是通过与真实值比较来识别的。在训练阶段，时间标记的真实值可以通过射源的位置计算得到。这个真实值是训练时的标准。

所述步骤S2中，当一个属性的期望值对射源位置的导数等于2/c，其中c为真空中光速，则这个属性(或脉冲特征)是原子时间标记量。当一个属性的期望值对射源的导数等于零，则这个属性是形状涨落统计量。当一个属性的期望值对射源的导数不等于零也不等于1，则这个属性是形状涨落统计量和原子时间标记的组合。形状涨落统计量和原子时间标记量同时提供给S3，它也是时间标记组合中的一部分，也是脉冲的属性。脉冲属性包括原子时间标记属性和形状涨落属性。

所述步骤S3中，协方差矩阵包含了各个属性之间的关联，在选择各个原子时间标记量和形状涨落统计量时，这些关联成为原则它们的组合中的权重的先验知识。S4中最小二乘准则要用到协方差矩阵。

所述步骤S4中，所述时间标记组合是若干个原子时间标记属性和事件形状涨落属性的组合。

所述步骤S4中，所述时间标记组合中所有原子时间标记量加和的权重等于1。这个条件是约束，在满足约束的情况下，以最小二乘为目标，搜索这个解。这个解包含了时间标记所有的参数。

所述形状涨落属性的权重系数为任意一个不为零的实数值。

所述原子时间标记的权重系数和形状涨落属性的权重系数构成组合的时间标记的所有参数集合。时间标记组合其权重系数的选择根据最小二乘准则，或者是包含了最小二乘项的其他目标函数，例如在误差的L2范数上增加L1范数，或者其它范数，都落入要保护的范围内。

如图2所示，本发明公开的时间标记组合的系统，其包括低剂量预采集数据模块100、数字量识别模块200、数字量方差计算模块300及时间标记组合参数计算模块400。

剂量预采集数据模块100，用于对预采集的低计数率数字量进行存储。这个低计数率数字量可以是已经公开的时间标记方法或者是和影响时间标记方法的其他数字量。

数字量识别模块200，用于识别预采集数字量模块100输出的数字量是原子时间标记还是形状涨落统计量。

数字量方差计算模块300，用于计算原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵，确定组合时间标记的参数。

时间标记组合参数计算模块400，用于测试和运行得到的时间标记参数。

如图3至图10所示，结合附图对本发明进行进一步理解。

图3为本发明的闪烁脉冲样本，该脉冲的上升时间在0.7ns左右，下降沿的时间常数(衰减至1/e的时间)约为22ns，是一个由R9800输出的电脉冲，由高速示波器DPO71604采集。

图4为本发明数据库中的对齐操作后的闪烁脉冲数据。这些脉冲对齐到达时间后，同时画在一个时间轴上。从这批数据的包络线可以简单的推断出闪烁脉冲的主要噪声类型。

图5为本发明实施实例的多前沿甄别时间标记示意图。多前沿甄别时间标记是多阈值时间甄别的一种特例，其编码部分只考虑变化较快的上升沿，而忽略下降沿对时间性能的影响。这种标记方法的形式如图中所示，包括比较器阵列、逻辑信号采集单元和插值或校正模块。

图6为本发明实施实例的多卷积/前沿甄别时间标记示意图。多卷积/前沿甄别时间标记是在前沿甄别之前加一个模拟卷积模块，其编码部分只考虑变化较快的上升沿，而忽略下降沿对时间性能的影响。这个模拟卷积模块可以由阻容电路组合而成，也可以由差分线和减法电路实现。典型的多卷积/前沿甄别时间标记方法的形式如图中所示，包括CFD阵列、逻辑信号采集单元和插值或校正模块。

图7为本发明实施实例的多前后沿时间标记示意图。多前后沿甄别时间标记是多阈值时间甄别的一种特例，其编码部分不仅考虑变化较快的上升沿，而且考虑下降沿对时间性能的影响。这种标记方法的形式如图中所示，包括比较器阵列、逻辑信号采集单元和插值或校正模块。

图8为本发明实施实例的多前沿甄别的时间差谱，这个时间差谱由图5的系统给出。

图9为本发明实施实例的多卷积/前沿甄别的时间差谱，这个时间差谱由图6的系统给出。

图10为本发明实施实例的多前后沿甄别的时间差谱，这个时间差谱由图7的系统给出。

如图3、图11及图12所示，图11为本发明一种符合工作模式典型系统的示意图，图12为本发明另一种单通道工作模式典型系统的示意图。其中，500代表闪烁脉冲，600代表射源，700代表光电倍增管，800代表数字示波器。结合图3、图11及图12，通过几个具体的实施例，对本发明时间标记组合的方法与系统做进一步描述。本发明提出的时间标记组合的方法与系统，其涉及到的参数、滤波器设计需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的能量分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例处理数据的参数：

步骤(1)所用的实际系统为使用LaBr晶体和Hamamatsu R9800PMT。晶体尺寸为10.0mm×10.0mm×10.0mm。晶体和PMT耦合面为100面，除开耦合面外，其他面均用金属包裹。数据获得系统的采样率为50Ghz，带宽16Ghz。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子。符合时间约为2ns，能量窗约为400-600keV。

步骤(2)采用多个电压阈值参数的前沿甄别作为原子标记。

步骤(3)每次增加一个原子时间标记，每次增加的时间标记使时间分辨率最多。当增加的时间分辨率大于1ps时，停止增加额外的LED前沿阈值。

步骤(4)测试和使用时，应用(3)所得到的组合时间标记参数。

本发明的方法和系统可以用于高计数率背景下的核探测、核分析、核医学仪器。

本发明提供的时间标记组合方法首先利用低活度的点源获取事件脉冲对确定组合的时间标记参数。通过低剂量点源数据提供可测量的数字量，并将这些数字量存储为数据库。这些数字量的数据库反映了各种基本时间标记和事件形状涨落属性的耦合关系。以最小二乘准则的目标函数为主，通过附加约束，求解最优化方程。这个优化方程中待优化的变量是组合的时间标记的参数。

本发明公开的时间标记组合的方法与系统中，提高时间分辨率，进而可以通过在重建中引入时间信息提升图像质量，使一些传统PET不能实现的不完全数据探测几何能够实现精确重建，使正电子湮灭寿命谱仪输出的寿命谱具有更高的带宽，并可以探测一些短寿命物理过程。在衰减校正中，引入了足够好的飞行时间(Time of Flight，简称TOF)信息可以把衰减系数当作常数。在其他的一些利用双符合、反符合、多符合的探测装置中，可以在相同符合率下增大可以探测的粒子计数率，减小列表数据的似然函数展宽。另外，时间分辨率变好也可以使诸多新应用变为可能，例如：动态PET扫描，衰减数据和发射数据同时获取。

通过采用本发明的时间标记组合方法与系统，有效提高了系统时间分辨率，特别适合于数字式核仪器的时间获取。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)时间分辨率变好，即与时间分辨率有关的成像模式输出图像质量提高，与时间分辨率有关的事件甄别准确率变高；

(2)对不同的闪烁探测器系统适应性好。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种时间标记组合的方法，其特征在于：包括步骤：

S1：采集数据获得系统数字量测量值，并为测量值建立数据库；

S2：识别原子时间标记量和形状涨落统计量，脉冲属性包括原子时间标记属性和形状涨落属性，当一个所述脉冲属性的期望值对射源位置的导数等于2/c，其中c为真空中光速，所述脉冲属性为所述原子时间标记量；当一个所述脉冲属性的期望值对射源位置的导数等于零，所述脉冲属性为所述形状涨落统计量；

S3：估计每个原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵；

S4：根据最小二乘准则给出时间标记组合，其中，所述最小二乘准则的约束条件是所述时间标记组合中所有原子时间标记量加和的权重等于1。

2.根据权利要求1所述的时间标记组合的方法，其特征在于：所述时间标记组合是若干个原子时间标记属性和形状涨落属性的组合。

3.根据权利要求1所述的时间标记组合的方法，其特征在于：所述形状涨落属性的权重系数为任意一个不为零的实数值。

4.根据权利要求1所述的时间标记组合的方法，其特征在于：所述原子时间标记属性的权重系数和形状涨落属性的权重系数构成组合的时间标记的所有参数集合。

5.根据权利要求1所述的时间标记组合的方法，其特征在于：所述步骤S1中采用低活度的点源用作数据库建立的标准。

6.一种时间标记组合的系统，其特征在于：包括低剂量预采集数据模块、数字量识别模块、数字量方差计算模块及时间标记组合参数计算模块，其中，

剂量预采集数据模块，用于对预采集的低计数率数字量进行存储；

数字量识别模块，用于识别预采集数字量模块输出的数字量是原子时间标记量还是形状涨落统计量，其中，脉冲属性包括原子时间标记属性和形状涨落属性，当一个所述脉冲属性的期望值对射源位置的导数等于2/c，其中c为真空中光速，所述脉冲属性为所述原子时间标记量；当一个所述脉冲属性的期望值对射源位置的导数等于零，所述脉冲属性为所述形状涨落统计量；

数字量方差计算模块，用于计算原子时间标记量和形状涨落统计量的协方差矩阵，确定组合时间标记的参数；

时间标记组合参数计算模块，用于测试和运行得到的时间标记参数。