CN105842544B - 一种迭代的闪烁脉冲时间标记及其交叉验证方法 - Google Patents
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Abstract
一种迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其包括步骤：用一枚点源置于两个探测器之间的连线上一点；获取两个探测器输出闪烁脉冲的数字化样本；采用前沿甄别或能量归一化甄别方法获取两个探测器的闪烁脉冲到达时间；获取脉冲的自身属性集合；通过叠加脉冲自身属性，缩小时间差分布的展宽，进而定义时间标记的各项参数。一种时间标记的交叉验证方法，其包括步骤：将全体数据按分类规则随机分成测试集、验证集和训练集；用训练集来估计时间标记的模型和时间标记的主要参数；用验证集来确定时间标记的辅助参数；用测试集检验最终的时间标记的性能。本发明能有效提升时间标记的精确程度，简化拟合、插值方法中不必要的中间计算量，减少需要的最少样本计数。
Description
技术领域
本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种闪烁脉冲时间标记方法与一种时间标记交叉验证方法。
背景技术
闪烁脉冲的时间标记是指从若干个闪烁脉冲的样本上获取闪烁脉冲到达时间的估计方法。闪烁脉冲的时间标记输出闪烁脉冲的具体时间值。闪烁脉冲的时间标记用时间差谱的展宽——符合时间分辨率表示。这里的符合是指一对探测器在给定时间窗内都有闪烁脉冲产生。
现有的闪烁脉冲时间标记方法一般采用直接法，包括前沿甄别法、恒比甄别法、上升沿拟合法、多阈值平均法和能量归一化甄别法。
前沿甄别（Leading Edge Discrimination，以下简称 LED）方法是最简单也最常用的时间标记方法，可以大量地集成在模拟芯片中用作 PET 系统中的读出电路，其定义为：闪烁脉冲的上升沿穿过甄别阈值的时间点。前沿甄别对不同幅值的脉冲获得的翻转时间偏移期望是不同的。这表现在幅值大的脉冲先越过甄别阈值，而幅值小的脉冲后越过甄别阈值。或者解释为：固定阈值除以脉冲的不同幅值得到的相对阈值是不同的。相对阈值小的情形，翻转时间提前到来；相对阈值大的情形，翻转时间推迟到来。
为了解决前沿甄别的缺陷，研究者利用延迟线开发了恒比甄别 (ConstantFractionDiscrimination，以下简称 CFD) 方法。在该方法中，闪烁脉冲被分成两路，分别送入延迟单元和衰减单元后再一同输入比较器。或者一路延迟并放大送入比较器，另一路直接送入比较器。比较器输出的过零点被标定为闪烁脉冲的到达时间。恒比甄别方法在理论上消除了闪烁脉冲不同幅值带给时间标记的误差。其原理可以解释为用一个和脉冲高度相关的阈值获得前沿的翻转时间，或者解释为用一个双极型的滤波器把脉冲成型为双极型的信号再获得过零翻转时间。然而，由于性能较好的恒比甄别器需要高带宽的延迟线，采用恒比甄别的 PET 系统具有高昂的成本。此外，恒比甄别的性能十分依赖于给定的参数，在通道数较多的情况下恒比甄别的参数调节会大大增加开发的难度。
前沿甄别和恒比甄别都存在模拟和数字的版本。当闪烁脉冲被数字化后，许多复杂但精确地时间估计方法逐渐在现有的系统中应用开来。
谢庆国在2005年采用上升沿拟合法获取了与恒比甄别相类似的时间分辨率，而由于该方法能够以较低的成本实现闪烁脉冲的数字化，在学术界产生了较大的影响。其方法的实质是用若干个过阈值点拟合一条直线，然后将该直线的截距作为闪烁脉冲的到达时间。
多阈值平均法是在谢庆国方法基础上发展起来的一种更加简明的方法，其实现步骤是把谢庆国方法中的拟合/截距精简为多阈值点的平均值，这种方法的计算量小，且没有斜率项的时间标记方法对于噪声更加稳定。
能量归一化甄别法是在前沿甄别时，添加能量归一化操作。由于该方法已经修正了前沿甄别法的时间游走误差，因而比前沿甄别法的精确度更高。然而，这种方法要求闪烁脉冲的数字化器具有较高的采样率，因而在实际系统的应用中受到了限制。
由于以上方法通常在时间分辨率上略显不足或者需要较高的计算量，有必要提出一种时间分辨率好、计算量小的闪烁脉冲时间标记方法及其验证方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种闪烁脉冲的时间标记方法，该方法能在时间分辨率较好、计算量小、可重复性好、系统的适应性强、不依赖于闪烁脉冲特性并且可以学习闪烁脉冲数据集中的固有特性。由于该方法可以灵活地将可获取闪烁脉冲样本全部加进闪烁脉冲时间标记方法中，因此与该方法配套的闪烁脉冲数字化器的利用率较高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于包括步骤：
S1：用一枚点源置于两个探测器之间的连线上一点；
S2：获取两个探测器输出闪烁脉冲的数字化样本；
S3：采用前沿甄别或能量归一化甄别方法获取两个探测器的闪烁脉冲到达时间；
S4：获取脉冲的自身属性集合；
S5：通过叠加脉冲自身属性，缩小时间差分布的展宽，进而定义时间标记的各项参数。
优选地，在上述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的采用的点源小于探测器连线的十分之一，或者在探测器尺寸小于1厘米时，采用斜交于探测器连线的厚度小于1cm的板源。
优选地，在上述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取的数字化样本是闪烁脉冲被数字化器打散的数字信号。
优选地，在上述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取脉冲的自身属性集合可以是脉冲宽度、脉冲高度、脉冲的瞬时电压值、脉冲的数字积分和脉冲的勒贝格积分，及其它们之间的有限次加减乘除和初等函数运算。
优选地，在上述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取最终时间标记叠加参数使用迭代的方法。
优选地，在上述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的当现有的时间标记方法获取的时间差向量和观测到的自身属性集合中的向量有相关性时，即在当前的时间差向量中扣除自身属性集合中的相关成分。
一种时间标记的交叉验证方法，其特征在于包括步骤：
S1：将全体数据按分类规则随机分成测试集、验证集和训练集；
S2：采用训练集来估计时间标记的模型和时间标记的主要参数；
S3：采用验证集来确定时间标记的辅助参数；
S4：采用测试集检验最终的时间标记的性能；
S5：交换或者轮转测试集、验证集和训练集，并重复S2-S4。
从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的时间标记方法和交叉验证方法，能在较低计算量下获取时间标记及其参数。由于该方法不需要事先对探测器的输出脉冲进行建模，因此具有更佳的普适性和实用性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）更好的时间分辨率；
（2）较少的计算量；
（3）对探测器本性的适应性且附带自动学习功能；
（4）对数据量敏感性的可监测性和可度量性。
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为本发明迭代的闪烁脉冲时间标记方法的流程图；
图2为本发明闪烁脉冲时间标记方法的交叉验证方法的流程图；
图3为本发明的不同样本数目交叉验证示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种迭代的闪烁脉冲时间标记方法及其交叉验证方法，该方法能有效地提高符合时间分辨率，降低了时间标记方法的计算量，并对探测器有适应性。
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，本发明公开的一种闪烁脉冲时间标记方法，通过以多维的闪烁脉冲自身属性，采用迭代的方式修正前沿甄别或者能量归一化甄别的时间差向量，再利用最优化过程获得的参数和函数类型作为时间标记的参数和函数类型，具体的方法步骤为：
S1：用一枚点源置于两个探测器之间的连线上一点；
S2：获取两个探测器输出闪烁脉冲的数字化样本；
S3：采用前沿甄别或能量归一化甄别方法获取两个探测器的闪烁脉冲到达时间；
S4：获取脉冲的自身属性集合；
S5：通过叠加脉冲自身属性，缩小时间差分布的展宽，进而定义时间标记的各项参数。
以上的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的采用的点源小于探测器连线的十分之一，或者在探测器尺寸小于1厘米时，采用斜交于探测器连线的厚度小于1cm的板源。
以上的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取的数字化样本是闪烁脉冲被数字化器打散的数字信号。
以上的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取脉冲的自身属性集合可以是脉冲宽度、脉冲高度、脉冲的瞬时电压值、脉冲的数字积分和脉冲的勒贝格积分，及其它们之间的有限次加减乘除和初等函数运算。
以上的闪烁脉冲时间标记方法中，所述的获取最终时间标记叠加参数使用迭代的方法。
以上的闪烁脉冲时间标记方法中，当现有的时间标记方法获取的时间差向量和观测到的自身属性集合中的向量有相关性时，即在当前的时间差向量中扣除自身属性集合中的相关成分。
如图2所示，本发明公开的一种时间标记的交叉验证方法，其特征在于包括步骤：
S1：将全体数据按分类规则随机分成测试集、验证集和训练集；
S2：采用训练集来估计时间标记的模型和时间标记的主要参数；
S3：采用验证集来确定时间标记的辅助参数；
S4：采用测试集检验最终的时间标记的性能；
S5：交换或者轮转测试集、验证集和训练集，并重复S2-S4。
图1为本发明迭代的闪烁脉冲时间标记方法的流程图；图2为本发明闪烁脉冲时间标记方法的交叉验证方法的流程图；图3为本发明的数据集轮转示意图。结合图1、图2及图3，通过几个具体的实施例，对本发明迭代的闪烁脉冲时间标记方法做进一步描述。本发明提出的迭代的闪烁脉冲时间标记方法及其交叉验证方法，其涉及到的集合划分、函数衍生方式及其优先级顺序、自身集合原始数据、数字化形式需要根据与获取数据的特点进行调节以达到足够的统计性能。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。
实例1：迭代的时间标记方法
此处列出本实施例1处理数据的参数：
步骤（1）采用直径为0.1mm的点源置于两个闪烁探测器的连线中间；
步骤（2）采用50Gsps采样率的高速模拟数字转换器测量闪烁探测器的输出信号；
步骤（3）采用最近邻插值的方法获取两个探测器的前沿甄别时间值，并绘制时间谱；
步骤（4）将每个脉冲的数字积分值和上升沿最大斜率置于原始的脉冲自身属性，通过三角函数和指数函数及加减乘除四则运算建立衍生的脉冲自身属性；
步骤（5）采用斐波那搜索法（迭代法的一种）搜索各个自身属性在已有的时间谱上的最优叠加值。
实例2：迭代的时间标记方法
此处列出本实施例2处理数据的参数：
步骤（1）采用厚度为0.5mm的板源法向置于两个闪烁探测器的连线中间；
步骤（2）采用四个阈值的比较器/进位链测量闪烁探测器的输出信号，四个阈值分别为30mV，60mV，90mV，120mV；
步骤（3）采用第二个阈值获取两个探测器的前沿甄别时间值，并绘制时间谱；
步骤（4）将每个脉冲的四路截距和三路上升时间置于原始的脉冲自身属性，通过多项式函数及加减乘除四则运算建立衍生的脉冲自身属性；
步骤（5）采用连续斯密特正交法（迭代法的一种）搜索各个自身属性在已有的时间谱上的最优叠加值。
实例3：迭代的时间标记方法
此处列出本实施例3处理数据的参数：
步骤（1）采用厚度为0.5mm的板源斜交置于两个闪烁探测器的连线中间；
步骤（2）采用1 Gsps采样率的高速模拟数字转换器测量闪烁探测器的输出信号；
步骤（3）采用B样条插值获取两个探测器的前沿甄别时间值，并绘制时间谱；
步骤（4）将每个脉冲的上升时间和相对时间电压值置于原始的脉冲自身属性，通过初等函数及加减乘除四则运算建立衍生的脉冲自身属性；
步骤（5）采用有序子集最大期望法（迭代法的一种）搜索各个自身属性在已有的时间谱上的最优叠加值。
实例4：时间标记的交叉验证方法
此处列出本实施例4处理数据的参数：
步骤（1）将数据随机打散，平均分成4份，标记为A、B、C、D；
步骤（2）将其中的A份和B份作为训练集，训练时间标记方法；
步骤（3）将其中的C份作为验证集，验证时间标记中的哪些实例应该被拒绝；
步骤（4）将其中的D份作为测试集，测试时间标记的时间分辨率；
步骤（5）以上数据集的划分方式为AB/C/D，按照步骤（2）-（4）分别进行BC/D/A、CD/A/B、DA/B/C、BD/A/C。
实例5：时间标记的交叉验证方法
此处列出本实施例5处理数据的参数：
步骤（1）将数据随机打散，分成两份，标记为A、B、C，其中B中没有数据，C中只有一个事例，A包含剩下的数据；
步骤（2）将其中的A份作为训练集，训练时间标记；
步骤（3）验证集为空集，验证过程为全通过；
步骤（4）将其中的C份作为测试集，测试的结果只有一个实数；
步骤（5）将C遍历全数据中的每一个值，可以得到一个和全数据相等的向量，继而测得符合时间分辨率。
本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种闪烁脉冲时间标记方法和交叉验证方法。
通过对比可以看出，采用本发明的时间标记方法和交叉验证方法，能在较低计算量下获取时间标记及其参数。由于该方法不需要事先对探测器的输出脉冲进行建模，因此具有更佳的普适性和实用性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）更好的时间分辨率；
（2）较少的计算量；
（3）对探测器本性的适应性且附带自动学习功能；
（4）对数据量敏感性的可监测性和可度量性。
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 (9)
1.一种迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于包括步骤：
S1：用一枚点源置于两个探测器之间的连线上一点；
S2：获取两个探测器输出闪烁脉冲的数字化样本；
S3：采用前沿甄别或能量归一化甄别方法获取两个探测器的闪烁脉冲到达时间；
S4：获取脉冲的自身属性集合；
S5：通过叠加脉冲自身属性，缩小时间差分布的展宽，进而定义时间标记的各项参数。
2.根据权利要求1所述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于：采用的点源的直径小于两个探测器连线距离的十分之一。
3.根据权利要求1所述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于：获取的数字化样本是闪烁脉冲被数字化器打散的数字信号。
4.根据权利要求1所述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于：脉冲的自身属性集合是脉冲宽度、脉冲高度、脉冲的瞬时电压值、脉冲的数字积分和脉冲的勒贝格积分中的任意一种或者组合，以及所述脉冲宽度、脉冲高度、脉冲的瞬时电压值、脉冲的数字积分和脉冲的勒贝格积分之间经过有限次初等函数运算而建立的衍生的脉冲的自身属性。
5.根据权利要求1所述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于：获取最终时间标记叠加参数使用迭代的方法。
6.根据权利要求1所述的迭代的闪烁脉冲时间标记方法，其特征在于：当现有的时间标记方法获取的时间差向量和观测到的自身属性集合中的向量有相关性时，即在当前的时间差向量中扣除自身属性集合中的相关成分。
7.一种时间标记的交叉验证方法，其特征在于包括步骤：
S1：将全体数据按分类规则随机分成测试集、验证集和训练集；
S2：采用训练集来估计时间标记的模型和时间标记的主要参数；
S3：采用验证集来确定时间标记的辅助参数；
S4：采用测试集检验最终的时间标记的性能；
S5：交换或者轮转测试集、验证集和训练集，并重复S2-S4。
8.根据权利要求7所述的时间标记的交叉验证方法，其特征在于：用于交叉验证的数据集是已经知道光子飞行时间差的闪烁脉冲数据集。
9.根据权利要求7所述的时间标记的交叉验证方法，其特征在于：交叉验证的结果是给定时间标记方法的时间差谱或者时间差向量，用于测试时间标记的性能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |