CN107948306B - 一种基于多址超宽带的pet传感数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多址超宽带的PET传感数据传输系统，包括γ光子探测器环、高速模数转换器、时钟同步器、超宽带信号发射端、超宽带信号接收端和图像重建工作站；超宽带信号发射端包括发射端缓存器、发射端伪随机码序列发生器、UWB脉冲发生器、滤波器和发射端天线；超宽带信号接收端包括接收端天线、宽带放大与处理模块、接收端伪随机码序列发生器、接收端缓存器和以太网卡接口，接收端伪随机码序列发生器与发射端伪随机码序列发生器同步。本发明将超宽带无线传输技术结合数字化PET系统，摆脱了有线连接束缚，通过多址调制技术解决了信息干扰问题。

Description

一种基于多址超宽带的PET传感数据传输系统

技术领域

本发明属于无线传输技术领域，特别涉及了一种基于多址超宽带的PET传感数据传输系统。

背景技术

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，简称PET)是当今医学领域尖端水平的造影方法，它能够根据生物体内放射示踪剂的分布状态而无创、定量、动态地评估人体内各种器官的代谢水平、生化反应和功能活动。PET在重大疾病的早期诊断、疗效评估以及基础研究等方面有着独特的应用价值。PET通过探测器模块接收正电子湮灭发射出的一对γ光子并转换为脉冲电信号输出，然后利用信号处理提取γ光子能量、位置、时间信息，该信息上传至计算机后用于图像重建。PET在单次普通扫描事例中，产生的符合事件多达几百万，若通过提高探测器分辨率来提高PET系统分辨率，那么探测器将接收到更多的符合数据。

随着PET技术的不断发展，一种结构灵活、布局可调整的PET系统成为近年研究的热点。尤其一些大尺寸PET探测设备的设计，为了增加灵活性，降低成本和复杂度，往往会通过减少探测器数量并加入旋转功能，达到整环采集相似的效果，例如探测孔径可变的旋转式PET系统，分辨率可调的旋转式PET系统等。在传统PET设备中，PET采集系统与图像重建工作站之间均采用有线连接方式，运用PCI、千兆或万兆等高速硬件传输接口进行大容量数据传输。尽管这些硬件传输方式及其传输协议能满足高速大容量数据传输条件，但针对旋转采集式PET设备，存在旋转采集时线缆缠绕问题，提高了PET系统研制的成本和难度。

因此，如何摆脱有线连接线的束缚，同时满足大容量数据的高速传输，是实现旋转式结构可变PET系统需要解决的首要难题。与此同时，若仅采用一般调制的超宽带技术无线传输时，能解决线缆缠绕问题，但当区域内存在多台PET设备同时工作，相互之间由于频段重叠，会发生较严重的信息干扰问题。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于多址超宽带的PET传感数据传输系统，将超宽带无线传输技术结合数字化PET系统，摆脱有线连接束缚，通过多址调制技术解决信息干扰问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于多址超宽带的PET传感数据传输系统，包括γ光子探测器环、高速模数转换器、时钟同步器、超宽带信号发射端、超宽带信号接收端和图像重建工作站；所述超宽带信号发射端包括发射端缓存器、发射端伪随机码序列发生器、UWB脉冲发生器、滤波器和发射端天线；所述超宽带信号接收端包括接收端天线、宽带放大与处理模块、接收端伪随机码序列发生器、接收端缓存器和以太网卡接口，接收端伪随机码序列发生器与发射端伪随机码序列发生器同步；γ光子探测器环将接收到的γ光子转化为电信号输出至高速模数转换器，时钟同步器为高速模数转换器提供时钟源，高速模数转换器将接收到的电信号转化为数字信号并传送给超宽带信号发射端，发射端缓存器对高速模数转换器传送的数字信号进行缓存，发射端伪随机码序列发生器产生伪随机码，将缓存的数字信号与伪随机码进行二进制求和运算得到二进制码，将该二进制码作为时延调制的控制码，控制UWB脉冲发生器产生超宽带信号，该超宽带信号经滤波器滤波后通过发射端天线发送，并被接收端天线接收，宽带放大与处理模块对接收到的信号进行包络检波、放大和整形处理，得到基带的TH-PPM信号，接收端伪随机码序列发生器对该基带信号进行相关检测和解码，将解码后的信号存入接收端缓存器并传输至图像重建工作站。

基于上述技术方案的优选方案，若在固定区域内，存在多台PET传感数据传输系统同时进行数据传输，则各台系统的发射端伪随机码序列发生器之间不同步。

基于上述技术方案的优选方案，γ光子探测器环、高速模数转换器、时钟同步器和超宽带信号发射端分层地固定在同一个底座上，该底座与旋转台相连，当系统工作时，电机驱动旋转台作圆周运动。

基于上述技术方案的优选方案，所述γ光子探测器环包括若干探测器基本单元，每个探测器基本单元包括光电倍增管和若干闪烁晶体，闪烁晶体与光电倍增管之间通过光导耦合，相邻闪烁晶体之间加入反光材料。

基于上述技术方案的优选方案，所述闪烁晶体为长条形，闪烁晶体的长和宽大于1.3mm，且高度小于20mm。

基于上述技术方案的优选方案，所述探测器基本单元以等间隔或非等间隔分布在一个环形阵列上，且每个探测器单元均有一个与之中心对称的探测器基本单元。

基于上述技术方案的优选方案，中心对称的两个探测器基本单元与一个高速模数转换器相连。

基于上述技术方案的优选方案，γ光子探测器环与高速模数转换器之间、高速模数转换器与时钟同步器之间、超宽带信号发射端与高速模数转换器之间、超宽带信号接收端与图像重建工作站之间均采用有线连接。

基于上述技术方案的优选方案，超宽带信号发射端与高速模数转换器之间以及超宽带信号接收端与图像重建工作站之间均采用千兆或万兆以太网卡接口连接。

采用上述技术方案带来的有益效果：

与现有技术相比，本发明采用超宽带无线传输技术，消除了数字化PET系统与图像重建工作站之间的连接线，降低了硬件复杂度，解决了旋转采集式PET线缆缠绕问题，提高了PET系统设计的灵活性；本发明采用超宽带多址调制技术，保证了局部区域内一定数量PET系统能够同时工作，相互之间信号传输互不干扰。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图3是实施例3的结构示意图；

标号说明：1(或16)：探测器环；2(或17)：探测器固定底座；3(或18)：多路时钟同步器；4(或19)：LVDS或LVPECL或LVCOMS接口；5(或20)：千兆或万兆以太网线；6-9(或21-24)：四组高速模数转换器；10(或25)：千兆或万兆以太网线；11(或26)：超宽带信号发射端；12(或27)：发射端天线；13(或28)：接收端天线；14(或29)：超宽带信号接收端；15(或30)：图像重建工作站；31：转盘轴承。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示，包括γ光子探测器环1，探测器底座2，多路时钟同步器3，LVDS或LVPECL或LVCOMS接口4，千兆或万兆以太网线5、10，基于多阈值采样的高速模数转换器6～9，超宽带信号发射端11，发射端天线12，接收端天线13，超宽带信号接收端14，图像重建工作站15。

γ光子探测器环由闪烁晶体和光电倍增管组成，闪烁晶体材料选用BGO，LSO或LYSO等，每个晶体由6x6个长方形晶条紧密粘合而成，晶条之间均匀涂上一层反光材料(例如BaSO4)。单晶条规格根据系统分辨率需要进行选择，如1.7x1.7x13mm3,4.2x4.2x20mm3等等，长宽一般保证在1.3mm以上，高度不宜超过20mm。光电倍增管采用位置灵敏型或硅光电倍增管，晶体与光电倍增管直接耦合或通过光导耦合。探测器以等间隔或非等间隔分布在一个环形阵列上，当接收到正电子湮灭发出的γ光子后，输出电脉冲。

每两个中心对称的探测器与一台高速模数转换器相连，多路时钟同步器为所有的模数转换器提供同步时钟源，模数转换器通过高速采样将电脉冲快速数字化，并将能量、位置和时间信息以格式输出。

当超宽带信号发射端缓冲区接收到模数转换的数据，经过跳时脉冲位置调制(TH-PPM)，即跳时PN(伪随机码)序列发生器产生伪随机码，与信号数据进行求和运算后输出二进制码，此二进制码作为时延调制的控制码，控制UWB脉冲发生器产生超宽带信号并在滤波后由天线发射出去。超宽带信号接收端接收信号，宽带放大与处理模块对信号进行检测、处理，以得到基带的TH-PPM信号，并通过脉冲相关检测器对基带信号进行解码，通过千兆或万兆以太网接口以格式传输至工作站。数据经过解码后，存放在超宽带接收端缓存区，并通过千兆或万兆以太网线上传至工作站。为了保证传输速率，超宽带发射端与接收端之间的距离最好要在10米以内。

目前市场上UWB芯片组开发商如Wisair、Xtreme Spectrum、、台湾瑞昱等，部分UWB芯片组传输速率已可达到500Mbps，因此，本发明将UWB技术应用于PET设备大容量数据传输，开发难度较小。

实施例2

如图2所示，在固定区域内，同时有两台及以上PET设备需要与各自的工作站15、30传输数据。此时超宽带信号发射端11、26拥有各自的伪码序列发生器，超宽带信号接收端14、29的伪码序列发生器分别与11、26同步，根据实例1中的接收机制，当接收端29接收发射端11发出的信号时，由于发射端11发射的信号与接收端29无相关性，伪随机码不同步，因此信号在经过接收端29解扩后能量发生分散，经过滤波处理可被除去。两台PET可相互独立传输数据而互不干扰。

实施例3

本实施例针对旋转采集式PET，提出了如图3所示的结构，其中γ光子探测器环，多路时钟同步器，高速模数转换器，超宽带信号发射端分层或地固定在同一个底座上，底座与旋转台相连，旋转台可采用齿轮驱动的转盘轴承31，底座与转盘轴承外环以及器件模块之间可选用螺纹连接、卡扣连接等可拆固定连接，器件之间的线缆固定在底座内壁上。PET探测器工作时，通过电机驱动转盘轴承外环作圆周运动，超宽带发射端将数据发送至超宽带接收端用于图像重建。其中驱动电机可选用伺服电机、步进电机等，超宽带信号发射端和接收端的结构仍遵循实施例1。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：包括γ光子探测器环、高速模数转换器、时钟同步器、超宽带信号发射端、超宽带信号接收端和图像重建工作站；所述超宽带信号发射端包括发射端缓存器、发射端伪随机码序列发生器、Ultra Wideband脉冲发生器、滤波器和发射端天线；所述超宽带信号接收端包括接收端天线、宽带放大与处理模块、接收端伪随机码序列发生器、接收端缓存器和以太网卡接口，接收端伪随机码序列发生器与发射端伪随机码序列发生器同步；γ光子探测器环将接收到的γ光子转化为电信号输出至高速模数转换器，时钟同步器为高速模数转换器提供时钟源，高速模数转换器将接收到的电信号转化为数字信号并传送给超宽带信号发射端，发射端缓存器对高速模数转换器传送的数字信号进行缓存，发射端伪随机码序列发生器产生伪随机码，将缓存的数字信号与伪随机码进行二进制求和运算得到二进制码，将该二进制码作为时延调制的控制码，控制Ultra Wideband脉冲发生器产生超宽带信号，该超宽带信号经滤波器滤波后通过发射端天线发送，并被接收端天线接收，宽带放大与处理模块对接收到的信号进行包络检波、放大和整形处理，得到基带的跳时脉冲位置调制信号，接收端伪随机码序列发生器对该基带信号进行相关检测和解码，将解码后的信号存入接收端缓存器并传输至图像重建工作站。

2.根据权利要求1所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：若在固定区域内，存在多台正电子发射断层成像传感数据传输系统同时进行数据传输，则各台系统的发射端伪随机码序列发生器之间不同步。

3.根据权利要求1所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：γ光子探测器环、高速模数转换器、时钟同步器和超宽带信号发射端分层地固定在同一个底座上，该底座与旋转台相连，当系统工作时，电机驱动旋转台作圆周运动。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：所述γ光子探测器环包括若干探测器基本单元，每个探测器基本单元包括光电倍增管和若干闪烁晶体，闪烁晶体与光电倍增管之间通过光导耦合，相邻闪烁晶体之间加入反光材料。

5.根据权利要求4所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：所述闪烁晶体为长条形，闪烁晶体的长和宽大于1.3mm，且高度小于20mm。

6.根据权利要求4所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：所述探测器基本单元以等间隔或非等间隔分布在一个环形阵列上，且每个探测器单元均有一个与之中心对称的探测器基本单元。

7.根据权利要求6所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：中心对称的两个探测器基本单元与一个高速模数转换器相连。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：γ光子探测器环与高速模数转换器之间、高速模数转换器与时钟同步器之间、超宽带信号发射端与高速模数转换器之间、超宽带信号接收端与图像重建工作站之间均采用有线连接。

9.根据权利要求8所述基于多址超宽带的正电子发射断层成像传感数据传输系统，其特征在于：超宽带信号发射端与高速模数转换器之间以及超宽带信号接收端与图像重建工作站之间均采用千兆或万兆以太网卡接口连接。