CN107238854A - 一种数字pet探测器的增益校正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数字PET探测器的增益校正装置，包括光电转换模块以及增益自适应模块，光电转换模块与增益自适应模块通信连接并向增益自适应模块发送闪烁脉冲信号；增益自适应模块包括增益调整模块、溢出判断模块和增益设定模块，增益调整模块接收并放大闪烁脉冲信号；溢出判断模块与增益调整模块通信连接以接收放大的闪烁脉冲信号并判断是否存在信号溢出的情况，当闪烁脉冲信号有信号溢出时，溢出判断模块向增益调整模块发送调整信号以使增益调整模块更改闪烁脉冲信号的放大倍数；当闪烁脉冲信号无溢出时，与溢出判断模块通信连接的增益设定模块接收经过放大的闪烁脉冲信号。本发明的增益校正效果更好、设计简单且拓展性好。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域中的一种信号校正装置，更具体地涉及一种数字PET探测器的增益校正装置。
背景技术
正电子发射计算机断层成像(Positron Emission Tomography，简称PET)系统中通常采用大量的探测器，每个探测器包括相互耦合的闪烁晶体和光电器件，闪烁晶体用以将伽马光子转换为可见光，光电器件用以将该可见光转换为电信号，通过相应的电子学设计处理该电信号后可以获取到伽马光子所对应的信息，比如到达时间，到达位置以及伽马光子的能量等。
光电器件作为将可见光转换为电信号的部件在探测器中尤为重要，目前，应用于PET系统中的光电器件主要有光电倍增管、硅光电倍增管(silicon photomultiplier，简称SiPM)、多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，简称MPPC)以及盖革模式雪崩二极管(Geiger-mode avalanche photodiode，简称G-APD)等。上述光电器件普遍存在增益动态范围变化较大的问题，即使同一型号的光电器件的增益也并不能很好的保持一致，甚至有时差异过大。若不采取任何措施而在同一运行条件下将上述光电器件组合成为探测器或者应用于PET系统中，光电器件增益不均匀的问题将会造成成像质量的恶化。因此，实际使用中需要对光电器件的增益进行校正。
目前，对光电器件的增益进行校正的方法主要有以下几种。第一种，由于光电器件的增益受到多种因素的影响，比如供电电压和工作温度，因此，可以根据供电电压、工作温度或者光电器件的增益与相应的响应曲线的关系更改工作电压以进行增益校正，从而确保光电器件的增益的一致性。第二种，使用发光二极管网络完成光电器件的增益校正(参考文献Hongdi Li,Yaqiang Liu et al.An Instantaneous Photomultiplier GainCalibration Method for PET or Gamma Camera Detectors Using an LED Network)，其采用一个发光二极管置于光电器件的缝隙中，通过该缝隙发出的光进入晶体然后分散于光电器件上，最后结合相关算法完成增益调整。第三种，选择一批光电器件，将其中的某一个作为标样，将剩余的光电器件同标样进行增益比对，然后通过调节光电器件各自电压的方式以确保增益的一致性，从而保证增益的整体均一性。第四种，采用比较器对多路光电器件的增益进行大致判断，然后使用不同阈值以确保增益的整体均一性(参考文献M.Streun,U.Chavan,et al.Treating the Gain Non-Uniformity of Multi Channel PMTs byChannel-Specific Trigger Levels)。
然而，第一种方法和第三种方法适用于单个光电器件组成的系统，若光电器件增多，则需要控制或者校正的单元也相应增多，由于每个光电器件所需校正的工作电压不尽相同，采用单一供电电压并不能满足所有的增益一致性需求，同时在搭建系统时光电器件的供电也将变得十分复杂，对于采用光电倍增管的系统还需要500～1000V的高压，其可拓展性低。
对于第二种方法，由于现有的探测器多采用位置敏感型光电倍增管、SiPM或者MPPC阵列，其光电器件的缝隙较窄，有时甚至窄到不足以放置发光二极管，即使将发光二极管勉强放置于其中，最终的效果也不尽如人意。
对于第四种方法，当其应用到PET探测器或者PET系统的时候，效果并不十分理想。若每一路光电器件均可根据其增益改变工作电压，为了保持稳定性，对于数量繁多的光电转换器件，需要提供大量相应的可变电压的电源，整个PET系统将会变得十分复杂庞大，不易后期维护。同时，该方法中的每一个光电器件均需要一个阈值，其后端电路处理繁冗复杂并且不易拓展。
因为光电器件在一定的增益范围内都能具有良好的性能，那么综上，为PET探测器寻找一种简便有效并且拓展性高的方法十分必须。本发明提出了一种在探测器上针对于同一工作参数下对多个同一种类光电器件进行增益自适应的装置，以使得其所有信号的增益保持在一个大致的范围区间，增加探测器的稳定性，均一性以及强适配性。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字PET探测器的增益校正装置，从而解决现有技术中PET探测器的光电器件的增益校正效果不理想、设计复杂且拓展性不佳的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种数字PET探测器的增益校正装置，该增益校正装置包括光电转换模块以及增益自适应模块，光电转换模块与增益自适应模块通信连接并向增益自适应模块发送闪烁脉冲信号；增益自适应模块包括增益调整模块、溢出判断模块和增益设定模块，其中，增益调整模块与光电转换模块通信连接以接收并放大闪烁脉冲信号；溢出判断模块与增益调整模块通信连接以接收放大的闪烁脉冲信号，溢出判断模块根据接收到的闪烁脉冲信号的大小判断是否存在信号溢出的情况，当闪烁脉冲信号有信号溢出时，溢出判断模块向增益调整模块发送调整信号以使增益调整模块更改闪烁脉冲信号的放大倍数；当所述闪烁脉冲信号有信号溢出时，所述溢出判断模块向所述增益调整模块发送调整信号以使所述增益调整模块更改所述闪烁脉冲信号的放大倍数；当闪烁脉冲信号无溢出时，与溢出判断模块通信连接的增益设定模块接收经过放大的闪烁脉冲信号。
增益校正装置还包括数据采集模块，数据采集模块与增益自适应模块的增益设定模块通信连接，数据采集模块接收经过增益自适应模块处理的闪烁脉冲信号并对闪烁脉冲信号进行数字化处理。
增益校正装置还包括上位机，上位机与数据采集模块通信连接，上位机收集经过数据采集模块数字化处理后的闪烁脉冲信号，并对闪烁脉冲信号的数据包进行解析利用以完成图像重建与图像分析。
光电转换模块包括闪烁晶体、光电转换器件以及电路网络，闪烁晶体与光电转换器件耦合，闪烁晶体接收伽马光子并将伽马光子转换为可见光光子，光电转换器件将可见光光子转换为电信号，光电转换器件通过电路网络与增益自适应模块通信连接，电路网络将电信号转换为闪烁脉冲信号。
闪烁脉冲信号包括相对的快速的上升沿和呈指数下降的相对的缓慢的下降沿。
光电转换器件为光电倍增管、硅光电倍增管、多像素光子计数器或者盖革模式雪崩二极管。
增益自适应模块采用单片机、数字信号处理芯片、中央处理器或者现场可编程门阵列芯片。
增益调整模块将闪烁脉冲信号放大的倍数介于0-1倍之间。
溢出判断模块通过预设的溢出率与接收到的所述闪烁脉冲信号进行比较以判断是否存在信号溢出的情况。
溢出率的设定值为0％-10％。
本发明提供的数字PET探测器的增益校正装置，增益校正效果相对于现有技术具有明显的提升，本发明使得PET系统不再需要根据不同的光电器件设置不同的输入电压等外部条件，极大的简化了PET系统的设计，并且可以更好的适应现在的PET或者是PET/CT仪器。同时，本发明可直接集成于PET探测器中，实现PET探测器的数字化和模块化，简化了系统设计，降低搭建PET系统的复杂度。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的自适应流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的信号溢出示意图；
图4是根据图3的数字PET探测器的增益校正装置的进行增益自适应后的波形对比示意图；
图5是根据现有技术的一种探测器的位置谱示意图；
图6是根据图5的进行增益自适应处理后的位置谱示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
图1为根据本发明一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的结构示意图，由图1可知，本发明提供的数字PET探测器的增益校正装置包括光电转换模块100、增益自适应模块200、数据采集模块300和上位机400，其中，光电转换模块100与增益自适应模块200通信连接并向增益自适应模块200发送闪烁脉冲信号；增益自适应模块200接收来自于光电转换模块100的闪烁脉冲信号并对该闪烁脉冲信号进行增益自适应处理，增益自适应模块200与数据采集模块300通信连接并向数据采集模块300发送增益自适应处理后的闪烁脉冲信号；数据采集模块300接收经过增益自适应处理的闪烁脉冲信号并对该闪烁脉冲信号进行数字化处理，数据采集模块300进一步与上位机400通信连接以向上位机400发送数字化处理后的闪烁脉冲信号；上位机400通过相关数据采集软件收集数字化处理后的闪烁脉冲信号，并对数字化处理后的闪烁脉冲信号数据包进行解析利用以完成图像重建与图像分析。
更具体地，在图1中，光电转换模块100包括闪烁晶体、光电转换器件以及电路网络，闪烁晶体与光电转换器件耦合，闪烁晶体接收伽马光子将其转换为可见光光子并通过光电转换器件将可见光光子转换为电信号，光电转换器件通过电路网络与增益自适应模块200通信连接，电路网络将电信号转换为闪烁脉冲信号。光电转换模块100通过闪烁晶体、光电转换器件以及电路网络将探测到的伽马光子转换为闪烁脉冲信号，该闪烁脉冲信号包括相对的快速的上升沿和基本呈指数下降的缓慢的下降沿。
根据本发明的进一步的实施例，本发明中的光电转换器件可以为光电倍增管、硅光电倍增管(SiPM)、多像素光子计数器(MPPC)或者盖革模式雪崩二极管(G-APD)等，在此仅作为示例而非限制。
增益自适应模块200包括增益调整模块210、溢出判断模块220和增益设定模块230，其中，增益调整模块210与光电转换模块100的电路网络连接并接收闪烁脉冲信号，增益调整模块210同时对闪烁脉冲信号设定不同的放大倍数，比如，在本发明的一个实施例中，增益调整模块210可将闪烁脉冲信号放大0-1倍，增益调整模块210之后将放大的闪烁脉冲信号发送至溢出判断模块220；溢出判断模块220根据接收到的闪烁脉冲信号的大小判断是否存在信号顶部溢出的情况，也就是说，溢出判断模块220用于判断增益调整模块210设定的放大倍数是否合适，或者判断放大的闪烁脉冲信号是否超出数据采集范围，当闪烁脉冲信号超出数据采集范围时，溢出判断模块220向增益调整模块210发出调整信号，增益调整模块210根据调整信号下调信号增益。应当注意的是，在放大的闪烁脉冲信号未溢出的条件下，增益越大，效果越好。增益设定模块230与溢出判断模块220连接并接收溢出判断模块220发送的最佳增益下的闪烁脉冲信号，同时增益设定模块230将该最佳闪烁脉冲信号应用于数据采集模块300。
本发明中的增益调整模块210在下调信号增益时，可以运用可调增益运放(variable gain operational amplifier，简称VGA)或者可调电阻分压等多种方式，下调信号增益可选择线性下调或者非线性下调方式，比如指数下调、二次函数下调等。
根据本发明的进一步的实施例，本发明中的增益自适应模块200可采用单片机(MCU)、数字信号处理芯片(DSP)、中央处理器(CPU)或者现场可编程门阵列芯片(FPGA)等具有运算或者控制能力的多种控制器，在此仅作为示例而非限制。增益自适应模块200对闪烁脉冲信号进行增益自适应处理以使闪烁脉冲信号处在一个增益稳定的状态，例如将闪烁脉冲信号的增益控制在±10％或者更小的波动范围内。
数据采集模块300用于数字化采集增益自适应模块200发送的最佳闪烁脉冲信号并且进行相应的处理，比如，使用时间数字转换方法以获取闪烁脉冲信号的到达时间，利用累加法计算闪烁脉冲信号的能量，利用权重法根据获取的能量信息计算位置信息等，上述算法属于本领域的常用技术收到，在此不再赘述。数据采集模块300对闪烁脉冲信号进行处理后可获得包含时间、位置、能量等信息的数字化数据，该数字化数据可通过千兆网线、光纤或者无线等多种方式传递至上位机400。
上位机400通过相应的数据采集软件接收闪烁脉冲信号的数字化数据，上位机400通过对该数字化数据的解析利用以完成图像重建与图像分析。
图2为根据本发明的一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的自适应流程图，由图2可知，本发明的工作原理为：首先，对PET系统或者探测器进行上电复位，然后选择是否需要对当前工作条件进行自适应处理，若不需要，则不进行自适应处理而直接进入正常的数据采集模式；若需要，增将对所有通道进行增益自适应处理，具体步骤如下：第一，增益调整模块210将当前通道的增益设为最大，比如，在本发明中可选择将闪烁脉冲信号放大1倍，此时采集一定的闪烁脉冲信号数据，溢出判断模块220将计算闪烁脉冲信号的溢出率并判断溢出率是否超出设定值，溢出率的理想设定值为0％；结合图3所示，若溢出率超出设定值，则溢出判断模块220向增益调整模块210发送调整信号从而使增益调整模块210下调信号增益，信号增益下调后溢出判断模块220继续进行溢出率的判断；若溢出率未超过设定值，则增益设定模块230将保存当前通道的放大倍数，同时判断当前通道是否为系统的最后一个通道，若为最后一个通道，则开始进行正常的数据采集；若不是最后一个通道，则选择下一个通道并通过增益调整模块210将当前通道的信号增益设为最大，依次重复以上步骤，直至完成最后一个通道的增益自适应调整，进入正常的数据采集模式。需要注意的是，溢出率的设定值由于实际使用的条件的不同，溢出率的设定值可以介于0％-10％之间，比如可以设定为5％或者10％等不同情况，在此仅用于说明而非限制本发明的范围。
图3为根据本发明的一个实施例的数字PET探测器的增益校正装置的信号溢出示意图，图4为根据图3的进行增益自适应后的波形对比示意图，由图3和图4对比可知，经过增益自适应处理后的波形未出现图3中顶端的截波现象。
图5为根据现有技术的一种探测器的位置谱示意图，其中，光电器件采用PSPMT-R8900型号，工作电压为900V；图6是根据图5的进行增益自适应处理后的位置谱示意图，由图5和图6对比可知，同等条件下，未进行增益自适应处理的图5中点位向中间聚拢，造成这种现象的原因为增益过高，导致闪烁脉冲信号的波形具有截波现象，应用位置计算方法后点位将向中心靠拢；而图6中经过增益自适应处理后，位置谱的各个点位清晰可辩。
总之，本发明提供的数字PET探测器的增益校正装置具有以下有益效果：
首先，本发明的增益校正效果相对于现有技术具有明显的提升。
其次，本发明使得PET系统不再需要根据不同的光电器件设置不同的输入电压等外部条件，极大的简化了PET系统的设计，并且可以更好的适应现在的PET或者是PET/CT仪器。同时，本发明可直接集成于PET探测器中，实现PET探测器的数字化和模块化，简化了系统设计，降低搭建PET系统的复杂度。
再次，本发明适用于多种光电器件，包括光电倍增管、硅光电倍增管等，适用性与实用性强。
最后，本发明还可以根据前端不同的放射性核素自动的调节增益，避免了调节后的增益在更换前端放射性核素后增益倍数不足或者过大的现象，本发明可自动调整以实现探测器的最佳性能。本发明适用多种放射性核素，比如F-18的18F-FDG、18F-FDOPA或者18F-FLT等，或者基于O-15的15O-H2O，或者基于C-11的11C-乙酸钠、11C-胆碱等多种放射性正子源。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述增益校正装置包括光电转换模块以及增益自适应模块，所述光电转换模块与所述增益自适应模块通信连接并向所述增益自适应模块发送闪烁脉冲信号；所述增益自适应模块包括增益调整模块、溢出判断模块和增益设定模块，其中，所述增益调整模块与所述光电转换模块通信连接以接收并放大所述闪烁脉冲信号；所述溢出判断模块与所述增益调整模块通信连接以接收放大的所述闪烁脉冲信号，所述溢出判断模块根据接收到的所述闪烁脉冲信号的大小判断是否存在信号溢出的情况，当所述闪烁脉冲信号有信号溢出时，所述溢出判断模块向所述增益调整模块发送调整信号以使所述增益调整模块更改所述闪烁脉冲信号的放大倍数；当所述闪烁脉冲信号无溢出时，与所述溢出判断模块通信连接的所述增益设定模块接收经过放大的所述闪烁脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述增益校正装置还包括数据采集模块，所述数据采集模块与所述增益自适应模块的所述增益设定模块通信连接，所述数据采集模块接收经过所述增益自适应模块处理的闪烁脉冲信号并对所述闪烁脉冲信号进行数字化处理。
3.根据权利要求2所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述增益校正装置还包括上位机，所述上位机与所述数据采集模块通信连接，所述上位机收集经过所述数据采集模块数字化处理后的闪烁脉冲信号，并对所述闪烁脉冲信号的数据包进行解析利用以完成图像重建与图像分析。
4.根据权利要求1所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述光电转换模块包括闪烁晶体、光电转换器件以及电路网络，所述闪烁晶体与所述光电转换器件耦合，所述闪烁晶体接收伽马光子并将伽马光子转换为可见光光子，所述光电转换器件将所述可见光光子转换为电信号，所述光电转换器件通过所述电路网络与所述增益自适应模块通信连接，所述电路网络将所述电信号转换为所述闪烁脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述闪烁脉冲信号包括相对的快速的上升沿和呈指数下降的相对的缓慢的下降沿。
6.根据权利要求4所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述光电转换器件为光电倍增管、硅光电倍增管、多像素光子计数器或者盖革模式雪崩二极管。
7.根据权利要求1所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述增益自适应模块采用单片机、数字信号处理芯片、中央处理器或者现场可编程门阵列芯片。
8.根据权利要求1所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述增益调整模块将所述闪烁脉冲信号放大的倍数介于0-1倍之间。
9.根据权利要求1所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述溢出判断模块通过预设的溢出率与接收到的所述闪烁脉冲信号进行比较以判断是否存在信号溢出的情况。
10.根据权利要求9所述的数字PET探测器的增益校正装置，其特征在于，所述溢出率的设定值为0％-10％。
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