CN107843914A - 一种pet时间标定方法和pet系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种PET时间标定方法和PET系统，其中方法包括：获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；根据所述各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间；根据所述探测通道的通道基线值与所述基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。本公开使得单事件时间的测定更加准确。

Description

一种PET时间标定方法和PET系统

技术领域

本公开涉及医疗成像技术，特别涉及一种PET时间标定方法和PET系统。

背景技术

PET(Positron Emission Computed Tomography，正电子发射计算机断层显像)系统可以由SiPM探测器(硅光电倍增探测器)来探测单事件，SiPM是由数百至数万个APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成，由于SiPM的集成度高，面积小，能够实现一个闪烁晶体和一个SiPM探测器相连的1:1探测通道结构。整个PET系统可以有多条探测通道，每一个探测通道可以包括用于探测闪烁晶体接收到的光子的SiPM探测器以及信号处理电路，该信号处理电路可以用于标定光子对应的单事件时间。

当SiPM探测器中的APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将触发雪崩，输出一个电流脉冲。该电流脉冲经过上述信号处理电路中的放大电路、比较电路等信号处理，最终得到标定的单事件时间。获取单事件时间的准确性直接影响到PET系统的性能。现有技术中，由于放大电路中的运放本身的失调，造成各个探测通道经过运放输出的电流脉冲的基线之间存在基线偏差，进而使得单事件时间标定不准确，使得PET系统性能下降。

发明内容

有鉴于此，本公开提供一种PET时间标定方法和PET系统，以提高单事件时间标定的准确性。

具体地，本公开是通过如下技术方案实现的：

第一方面，提供一种PET时间标定方法，所述方法包括：

获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；

根据所述各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；

根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间；

根据所述探测通道的通道基线值与所述基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。

第二方面，提供一种PET系统，所述系统包括：

可调参考电压生成模块，用于获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；根据各个探测通道的所述通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；

时间标定模块，用于根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间，并根据所述探测通道的通道基线值与基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。

本公开提供的PET时间标定方法和PET系统，通过根据各个探测通道的通道基线值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压，进而确定单位电压延时，可以根据不同通道之间的基线偏差，结合单位电压延时来校正单事件时间，从而使得单事件时间的测定更加准确。

附图说明

图1是本公开一示例性实施例示出的一种PET系统的系统架构图；

图2是本公开一示例性实施例示出的一种脉冲信号的示意图；

图3是本公开一示例性实施例示出的一种基线偏差校正原理示意图；

图4是本公开一示例性实施例示出的一种信号处理电路的实施结构；

图5是本公开一示例性实施例示出的一种PET时间标定方法的流程图；

图6是本公开一示例性实施例示出的一种时间标定示意图；

图7是本公开一示例性实施例示出的一种PET系统的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1示例了一个PET系统的系统架构图，该PET系统可以包括很多闪烁晶体，闪烁晶体可以用于探测注入被扫描对象体内的放射性核素在湮灭时发射的光子。如图1所示，以一个闪烁晶体为例，闪烁晶体11可以连接一个对应的SiPM探测器12，当光子打到闪烁晶体11上时，可以触发SiPM探测器12产生一个电流脉冲。该电流脉冲可以输入到信号处理电路13，最终标定出光子打到闪烁晶体的单事件时间，以作为后续时间符合判定的基础。

例如，信号处理电路13中可以包括：放大电路131、比较电路132和阈值判定电路133等。其中的放大电路131可以包括运算放大器AMP(Operational amplifier)等器件，可以将探测器输出的电流脉冲进行放大；比较电路132可以包括比较器等器件，可以用于对放大后的脉冲信号进行时间标定和能量标定；阈值判定电路133可以根据标定的结果以及预设的阈值判定是否是一个有效单事件，比如，可以根据能量标定的结果和能量阈值，确定一个单事件的能量是否足够大，从而确定是否有效。

对于有效单事件，可以输出单事件信息，比如，该单事件的能量、时间、位置等信息，以供后续据此进行符合判定的处理。其中，由于一个闪烁晶体和一个SiPM探测器形成了1:1探测通道，所以单事件的位置很容易得到。上述的一个闪烁晶体、一个SiPM探测器和一个信号处理电路等部分可以构成一个探测通道，该探测通道可以用于探测对应的闪烁晶体接收的光子，并用于测定光子的时间、能量、位置等单事件信息。图1示例了三个探测通道，实际PET系统包括的探测通道的数量可以有多个。

其中，上述的放大电路中的运放，由于运放本身的特点，使得不同的探测通道输出的脉冲信号的基线并不一致，存在基线偏差。如图2的示意，图2示意了一个光子打到闪烁晶体上触发SiPM探测器产生的脉冲信号，该脉冲信号可以包括基线21、脉冲前沿22、脉冲后沿23和脉冲波峰24。对于不同的探测通道，即使同一个脉冲信号输入放大电路，输出的脉冲信号的基线也可能不一致，存在不同探测通道之间的基线偏差，比如，有的通道基线高点，有的通道基线低点。然而，不同探测通道的脉冲信号在比较电路进行标定时可以使用相同的参考电压，将可能导致不同通道比较时的不一致，形成通道间的时间标定误差，因此有必要在时间标定时对这种不同通道之间的基线偏差进行校正。

为了校正上述通道间的基线偏差问题，本公开的例子可以采用图3所示意的方案，在信号处理电路部分进行了改进。如图3所示，可以设置一个可调参考电压生成模块31和一个时间校正子模块32。其中，可调参考电压生成模块31可以生成用于与脉冲信号比较的参考电压，例如，时间标定参考电压Vref0和能量标定参考电压Vref1。生成的参考电压可以输入比较电路用于比较。而时间校正子模块32可以用于对标定的单事件时间进行校正，以校正通道间的基线偏移造成的时间标定误差，使得校正后的单事件时间更加准确。

如下详细描述如何根据通道间的基线偏差，进行单事件时间的校正：

图4示例了一个例子中的信号处理电路的实施结构，图4只示例了两个探测通道。其中，FPGA上的比较器、用于时间标定的时基单元以及有效输出等部分，可以统称为时间标定模块，即可以通过这些部分得到标定的单事件时间。其中，饱和放大和加速偏移可以相当于图3中的放大电路，FPGA中的比较器可以相当于比较电路，能够进行用于测定单事件时间的前沿标定(即标定脉冲前沿和时间标定参考电压Vref0的交点时间)，还能够执行用于测定单事件能量的双沿标定(即标定脉冲前沿和脉冲后沿与能量标定参考电压Vref1之间的脉宽)，实际实施中可以根据时基单元进行标定，例如，该时基单元可以采用加法进位链。FPGA中的“有效输出”部分可以包括图3中的阈值判定电路，可以用于标定的脉宽判定单事件是否有效。

请继续参见图4，本例子中，FPGA中的“有效输出”部分还可以包括图3中的时间校正子模块，用于对比较器标定的单事件时间进行校正；还可以包括可调参考电压生成模块，用于将生成的Vref0和Vref1输入FPGA。图5示例了对应图4的PET时间标定的方法，可以包括：

在步骤501中，获取PET系统中各个探测通道的通道基线值。

本步骤中，可以获取各个探测通道的运放输出的脉冲信号的基线值，该极限值可以称为通道极限值。以8*8阵列为例，共有64个探测通道，通道基线值可以记为Vb0、Vb1、Vb2........Vb63。

以通道0对应的通道基线值Vb0的测定为例：可以设定一个初始的时间标定参考电压Vref0，并且可以先使得Vref1是一个经过运放AMP输出的脉冲信号，该脉冲信号具有经运放输出后的通道基线值。然后，可以逐步减小该Vref0，在逐步减小的过程中，通过锁存器来输出Vref0与上述脉冲信号的通道基线值之间的比较值。当Vref0在通道基线值之上时，锁存器的输出信号可以是高电平，当比较器的输出信号发生跳变，例如脉冲由有到无或反向脉冲输出，可以记录此时的Vref0，作为该通道0对应的通道基线值Vb0。

通过上述的测定方法，可以得到Vb0、Vb1、Vb2........Vb63，不同的探测通道，可能具有不同的通道基线值。

在步骤502中，根据各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压。

本步骤中，可以得到测定的各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，Max(Vb0，Vb1，......Vbx)，该最大值可以用Max表示。

根据上述Max，可以确定时间标定参考电压Vref0和Vref1，所确定的Vref0和Vref1可以适用于所有探测通道，即每个探测通道都可以使用该参考电压。

例如，Vref0的确定：理论上Vref0越接近通道基线值越好，但是考虑到临近基线会产生许多杂散脉冲，因此可以设定Max(Vb0，Vb1，......Vbx)+5mV作为Vref0的取值，其中的5mV是预设电压值，例如可以采用经验值。

例如，Vref1的确定：在实际的比较器进行时间标定时，Vref1对应的比较器经过双沿标定中的前沿的时间，与Vref0对应的比较器进行前沿标定得到的前沿时间，两者之间至少相差1个时间单位Tu(Tu可以是一个小于100ps的数值)。基于此理论，可以在上述确定的Vref0[例如：(Max+5mV)]的基础上，再加上1个Tu，得到的数值可以作为Vref1的取值。由于Vref0已经是基于所有探测通道中的最大值得到，所以在Vref0基础上确定的Vref1，也能够在其他探测通道满足上述的两个前沿时间相差至少1Tu的条件。

如图4所示，本步骤确定得到的Vref0和Vref1，可以输入FPGA。

在步骤503中，根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压，确定单位电压延时。

例如，Tu/(Vref1-Vref0)为每个单位电压的延时，可以称为单位电压延时。

在步骤504中，根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间。

本步骤中，如图4所示，确定得到的Vref0和Vref1，可以输入FPGA，供其中各个探测通道的比较器进行时间标定。

结合图6的示意：例如，Vref0对应的比较器，可以将脉冲信号(可以是经过放大电路输出的单事件脉冲)与Vref0进行前沿标定，得到Vref0与脉冲前沿的交点对应的时间，即单事件时间。

例如，Vref1对应的比较器可以将脉冲信号与Vref1进行双沿标定，得到Vref1分别与脉冲前沿和脉冲后沿的交点，从而得到脉宽，脉宽可以表示单事件能量。

在步骤505中，根据探测通道的通道基线值与基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间。

本步骤中，每个探测通道的通道基线值是不同的，Max对应的通道基线值是最高的，其他探测通道的通道基线值较低，也相当于将Vref0上移造成时间值较小。所以可以在通道的标定单事件时间的基础上，减去一定的校正量。

例如，对于某一探测通道来说，可以获取该通道的通道基线值与基线最大值Max之间的电压差值，并将单位电压延时乘以所述电压差值，得到校正时间量，再在标定的单事件时间的基础上，减去该校正时间量，得到校正后的最终单事件时间。以通道0为例，假设标定的通道0的单事件时间是T0，则实际的最终单事件时间可以是：T0-(Max-Vb0)*(Tu/(Vref1-Vref0))。

所述最终单事件时间可以是要上报符合判定模块的单事件时间，该时间是经过校正的。此外，利用1:1的探测通道结构可以容易确定单事件的发生位置，比如发生在哪个闪烁晶体；并且，在根据脉宽确定单事件的能量足够，该单事件是一个有效事件后，可以将上述的最终单事件时间、单事件发生位置以及单事件能量，上报后续处理模块，继续进行符合判定和图像重建等处理。

本例子的PET时间标定方法，通过根据各个探测通道的通道基线值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压，进而确定单位电压延时，可以根据不同通道之间的基线偏差，结合单位电压延时来校正单事件时间，从而使得单事件时间的测定更加准确。

此外，由图5所示的时间标定流程也可以看到，该方法可以是以各个探测通道中的基线最大值Max作为基准，根据Max来确定Vref0和Vref1，并根据Vref0和Vref1得到了单位电压延时。接着可以根据不同探测通道之间存在的通道基线值之间的基线电压差值，其他的探测通道的基线比Max要小，相当于将Vref0上移，而Vref0上移将造成时间值减小，所以其他通道的标定单事件时间要减小一定的校正量，得到实际的最终单事件时间。该校正量即是由单位电压延时、以及通道基线值与Max之间的电压差值确定。

在另一个例子中，结合图4还可以看到，时间标定参考电压Vref0和能量标定参考电压Vref1，可以是各自通过FPGA的一个管脚输入。在输入FPGA以后，可以供各个通道的比较器共用。

对于FPGA内部的比较器来说，每个探测通道可以使用两个比较器，一个进行Vref0和脉冲信号的比较，另一个进行Vref1和脉冲信号的比较。本例子中的每个比较器，可以用一个管脚接收输入的脉冲信号，并提供一个参考电压接口，通过该参考电压接口接收上述的Vref0或者Vref1。这种方式的比较器可以称为单端比较器，只要比较器提供一个参考电压接口，即可由FPGA内部接收参考电压Vref0或者Vref1，由于FPGA内部集成度高，能够保证参考电压到每个比较器的电平一致性。并且，FPGA只需要两个管脚来接收外部产生的Vref0和Vref1，节省了大量的FPGA管脚，节省了FPGA的资源，可以使得一个FPGA连接的通道数大大提高，进而降低了成本。

在又一个例子中，用于进行前沿标定和双沿标定的时基单元可以是各个探测通道共用，相对于现有设计中的每个通道各自采用时基单元，不仅使得各个通道的时基单元的一致性，时间标定更加准确，也能够节省一定的FPGA内部资源，节省电路面积，降低成本。

本公开的例子还提供了一种PET系统，该PET系统可以包括：可调参考电压生成模块和时间标定模块。例如，图4示例了一种PET系统的部分组成结构，其中可以包括可调参考电压生成模块，而FPGA中的比较器、利用时基单元的时间标定的部分、以及有效输出的部分，都可以称为时间标定模块，当然，时间标定模块也可以包括其他功能部分。

可调参考电压生成模块，用于获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；根据各个探测通道的所述通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；

时间标定模块，用于根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间，并根据所述探测通道的通道基线值与基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。

在一个例子中，如图7所示，可调参考电压生成模块可以包括：基线确定子模块71和电压确定子模块72。

基线确定子模块71，用于：设定初始的时间标定参考电压；对于其中任一个探测通道，在逐步减小所述时间标定参考电压的过程中，通过锁存器锁存所述探测通道的通道基线值与时间标定参考电压的比较值；当所述锁存器的数值发生跳变时，记录此时的通道基线值，作为所述探测通道对应的通道基线值。

电压确定子模块72，用于在所述基线最大值的基础上增加预设电压值，得到所述时间标定参考电压。此外，该电压确定子模块72还可以用于生成能量标定参考电压。

在一个例子中，时间标定模块还可以包括：时间校正子模块，用于：将所述单位电压延时，乘以所述电压差值，得到校正时间量；根据所述单事件时间和校正时间量，得到校正后的最终单事件时间。例如，如图4的示意，该时间校正子模块可以位于FPGA中的有效输出部分，该“有效输出”部分可以包括图3的阈值判定电路和时间校正子模块。

在一个例子中，时间标定模块还可以包括：多个比较器。

所述FPGA，包括两个管脚，所述可调参考电压生成模块将所述时间标定参考电压和能量标定参考电压，各自通过所述两个管脚中的一个进行输入；

所述比较器，包括一个参考电压接口，用于接收输入的所述时间标定参考电压或能量标定参考电压。

在一个例子中，所述时间标定模块，还可以包括：时基单元；所述时基单元分别与各个探测通道连接，被各个通道共用，用于各个探测通道的时间标定。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种PET时间标定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；

根据所述各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；

根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间；

根据所述探测通道的通道基线值与所述基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取PET系统中各个探测通道的通道基线值，包括：

设定初始的时间标定参考电压；

对于其中任一个探测通道，在逐步减小所述时间标定参考电压的过程中，通过锁存器锁存所述探测通道的通道基线值与时间标定参考电压的比较值；

当所述比较值发生跳变时，记录此时的通道基线值，作为所述探测通道对应的通道基线值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各个探测通道的通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压，包括：

在所述基线最大值的基础上增加预设电压值，得到所述时间标定参考电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据探测通道的通道基线值与所述基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，包括：

将所述单位电压延时，乘以所述电压差值，得到校正时间量；

根据所述单事件时间和校正时间量，得到校正后的最终单事件时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述时间标定参考电压和能量标定参考电压，各自通过FPGA的一个管脚输入，分别输入所述FPGA中的各个比较器中的参考电压接口。

6.一种PET系统，其特征在于，所述系统包括：

可调参考电压生成模块，用于获取PET系统中各个探测通道的通道基线值；根据各个探测通道的所述通道基线值中的基线最大值，确定时间标定参考电压和能量标定参考电压；

时间标定模块，用于根据所述时间标定参考电压，标定每个所述探测通道采集到的单事件时间，并根据所述探测通道的通道基线值与基线最大值之间的电压差值、以及单位电压延时，对所述单事件时间进行校正，得到最终单事件时间；所述单位电压延时根据所述时间标定参考电压和能量标定参考电压确定。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可调参考电压生成模块，包括：基线确定子模块；

所述基线确定子模块，用于：设定初始的时间标定参考电压；对于其中任一个探测通道，在逐步减小所述时间标定参考电压的过程中，通过锁存器锁存所述探测通道的通道基线值与时间标定参考电压的比较值；当所述锁存器的数值发生跳变时，记录此时的通道基线值，作为所述探测通道对应的通道基线值。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可调参考电压生成模块，包括：电压确定子模块，用于在所述基线最大值的基础上增加预设电压值，得到所述时间标定参考电压。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述时间标定模块，包括：时间校正子模块，用于：将所述单位电压延时，乘以所述电压差值，得到校正时间量；根据所述单事件时间和校正时间量，得到校正后的最终单事件时间。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述时间标定模块位于FPGA；所述时间标定模块包括：多个比较器；

所述FPGA，包括两个管脚，所述可调参考电压生成模块将所述时间标定参考电压和能量标定参考电压，各自通过所述两个管脚中的一个进行输入；

所述比较器，包括一个参考电压接口，用于接收输入的所述时间标定参考电压或能量标定参考电压。