CN109602438A - 高复用度的全身pet数据采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高复用的全身PET数据采集系统及方法，其中系统包括：多个电容复用网络，每个电容复用网络包括n*n阵列型光电探测器和2n个电容对，2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；每个光电探测器均与一个闪烁晶体连接；并联处理电路包括开关电路、放大模块、求和运算模块；信号转换电路，将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；时间数字转换器，测量脉冲信号的宽度。本发明降低了系统复杂度和成本。

Description

高复用度的全身PET数据采集方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗肿瘤检测设备领域，特别是一种高复用度能够简化电路的PET数据采集方法及系统。

背景技术

PET:正电子发射断层成像(Positron Emission Tomograhy，PET)作为核医学领域前沿的造影技术，被广泛的应用于多种疾病的诊断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面，在临床医学和科学研究中发挥着重要的作用。

PET系统中的探测采集装置一般是由上千个探测器组成的环状系统，用于对γ光子进行探测。探测器由闪烁晶体和光电探测器耦合组成，闪烁晶体把γ光子转化成可见光，光电探测器把可见光转换成电信号，通过PET数据采集系统得到γ光子的位置、能量和时间信息。传统的全身PET数据采集系统一般由多个探测环组成，每个探测环有大量的光电探测器，导致系统采集通道数较多，系统电路结构复杂。在电信号数字化过程中采用模数转换器(ADC)完成，增加了系统硬件成本。一台临床PET中，有数万光电探测器通道，需要后级处理、读出，这极大的增加了系统设计难度和实现成本。

经检索，中国专利文献CN106230816A，记载了一种实现PET系统中数据传输的系统及方法，用于简化PET数据传输系统结构，该系统包括n个采集模块：第n级采集模块、第i级采集模块及第1级采集模块，各采集模块间串行连接；n为大于1的整数，i分别为大于1且小于n的各个整数；第n级采集模块，用于将自身采集到的数据发送给第n-1级采集模块；第i级采集模块，用于将从第i+1级采集模块接收到的数据与自身采集得到的数据进行数据叠加，将叠加后的数据发送给第i-1级采集模块；第1级采集模块，用于将从第2级采集模块接收到的数据与自身采集得到的数据进行数据叠加，将叠加后的数据发送给上位机，以使上位机根据从第1级采集模块接收的数据进行符合判定。在该方案中，需要在光电探测器之后即将电信号转换成数字信号，这未能减少采集模块的电路复杂程度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中PET系统的采集电路复杂的缺陷，提供一种复用度高且能够大大简化电路的高复用度的全身PET数据采集方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种高复用的全身PET数据采集系统，包括：

多个电容复用网络，每个电容复用网络包括n*n阵列型光电探测器和2n个电容对，2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；每个光电探测器均与一个闪烁晶体连接；

并联处理电路包括开关电路、放大模块、求和运算模块，放大模块将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；求和运算模块分别将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加；开关电路对叠加后的信号进行判断，若超过设定阈值则输出高电平，控制相应的电容复用网络的4路信号输出，否则输出低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

信号转换电路，将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

时间数字转换器，测量脉冲信号的宽度。

接上述技术方案，n*n阵列型光电探测器为4×4阵列型光电倍增管。

接上述技术方案，信号转换电路和时间数字转换器均通过FPGA实现。

接上述技术方案，所述比较器为单阈值比较器。

接上述技术方案，时间数字转换器测量脉冲信号的宽度包括粗时间测量和细时间测量；

粗时间测量是通过对系统时钟计数；

细时间测量利用进位链，在信号到来之后沿着进位线传播，当下一个时钟上升沿到来后将进位线上的结果锁存到寄存器中，之后通过编码电路得到信号在进位线上的传输个数，得到细时间；

本发明还提供了一种高复用的全身PET数据采集方法，包括以下步骤：

通过2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；

将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加，叠加后的信号若超过设定阈值则输出高电平，否则输出低电平；

根据高电平控制相应的电容复用网络的4路信号输出，根据低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

测量脉冲信号的宽度。

本发明产生的有益效果是：本发明采用电容复用网络和多个探测器并联处理技术，大大减少了系统通道数，降低了系统复杂度和成本。

通过FPGA实现信号转换电路和时间数字转换器，替代传统的ADC，完成了电信号的数字化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明高复用的全身PET数据采集系统的整体结构示意框图。

图2为本发明中电容复用网络的结构示意图。

图3为本发明中并联处理电路的结构图。

图4为本发明中单阈值比较器的原理图。

图5为本发明中单阈值比较器的结构图。

图6为本发明中时间数字转换器的原理图。

图7为本发明中时间数字转换器的结构图。

图8为本发明中求和运算模块的电路图。

图9为本发明中单阈值比较器的电路图。

图10为本发明中开关电路的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中涉及的专业术语的解释：

Class：光电探测器组(16个4*4阵列光电探测器组成一个class)；

PET:正电子发射断层成像(Positron Emission Tomograhy，PET)；

SVT：单阈值比较器(Single Voltage threshold,SVT)；

TDC：时间数字转换器(Time Digital Converter,TDC)；

ADC：模/数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)；

DAC：数/模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)；

SiPM：光电倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)；

FPGA：现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)；

bias power：偏置电源；

AMP：放大模块；

SUM：求和运算模块；

Vth：阈值电压(Threshold Voltage，Vth：)；

LVDS Comparators：低电压差分信号比较器(Low-Voltage DifferentialSignaling Comparators，LVDS Comparators)；

other process：其他进程；

voltage：电压；

clk：系统时钟；

start：上升沿；

stop：下降沿；

signal：信号；

ring oscillator：环形振荡器；

select：选择器；

coarse counter：粗计数器；

Time：时间储存器；

Fine Time encoder：细时间编码器；

Look-up table：查找表。

本发明高复用的全身PET数据采集方法，包括以下步骤：

通过2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；

将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加，叠加后的信号若超过设定阈值则输出高电平，否则输出低电平；

根据高电平控制相应的电容复用网络的4路信号输出，根据低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

测量脉冲信号的宽度。

为了实现上述采集方法，本发明提供了高复用的全身PET数据采集系统，如图1所示，包括：

多个电容复用网络，每个电容复用网络包括n*n阵列型光电探测器和2n个电容对，2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；n为整数。

并联处理电路包括开关电路、放大模块、求和运算模块和比较器，放大模块将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；求和运算模块分别将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加；比较器对叠加后的信号进行处理，若超过设定阈值则输出高电平，否则输出低电平；开关电路根据高电平控制相应的电容复用网络的4路信号输出，根据低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

信号转换电路，将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

时间数字转换器，测量脉冲信号的宽度。

本发明的全身PET数据采集系统有多个探测环，每个探测环中又有多个class，每个class中又有m组光电探测器阵列。以下实施例中每个探测环有12个class，每个class中又有16组4×4光电探测器阵列。当对其中一个class进行数据采集时，每次γ光子只打在多组光电探测器阵列中的一个光电探测器上，因此需找到这个光电探测器的位置。

本发明以4×4阵列型光电倍增管为例。如图2所示，该实施例中闪烁晶体与光电探测器耦合，本发明中光电探测器选用光电倍增管SiPM，4×4阵列型SiPM的16路电流信通过电容复用网络复用成4路输出信号。通过设置电容对的电容值(电容对中，Ca+Cb对于每一行或者每一列相同，但是Ca/Cb比值对于不同的行或不同的列取不同的值)，根据四路信号的输出幅度比值可以区分不同光电探测器的位置关系。

下面还以4×4阵列SiPM为例说明电容复用方法。

进行光子探测的4×4阵列SiPM通过公式(1)、(2)进行定位，绘制得到阵列中SiPM对应的二维坐标(X，Y)，通过坐标的范围来确定阵列SiPM的探测单元。因此只要测得I_a、I_b、I_c、I_d的相对值再根据公式计算，就可以得到哪个SiPM上有γ光子。

X＝(I_d-I_c)/(I_d+I_c) (1)

Y＝(I_b-I_a)/(I_b+I_a) (2)

优选的方案如图3中，并联处理电路包括互相连接的开关电路、放大模块、求和运算模块和比较器，用于将光电探测器四路输出并联成一路。所述开关电路用于降低信号并联后的噪声，只有当信号大于系统噪声时，才导通开关。所述的求和运算模块和比较器电路用于判断多个光电探测器中哪个接受到了γ光子。所述并联处理电路用于将多个探测器经过电容复用网络后的四路输出信号分别并联。

如图8～10中，由于每次γ光子只打在这多个光电探测器中的一个上，将所有的光电探测器的四路(A、B、C、D)输出连接在FPGA上会引起通道数的浪费。因此将这多个光电探测器的A、B、C、D四路输出分别并联。信号并联，往往会噪声叠加，而每次只有四路输出有信号，因此在并联前，接开关电路，只有当信号大于系统噪声时，才导通开关。为区分出是哪个探测器上有γ光子，特将每个光电探测器的四路输出求和后经过比较器，连接到FPGA上，当FPGA检测到高电平时，说明该路信号上有γ光子。

如图3所示，从AMP放大模块来的信号分为两路，一路通过开关电路并联接入到FPGA，另一路则经过SUM求和运算模块后进入比较器，然后接入到FPGA(两侧FPGA为同一个)，与Vth阈值电压进行比较，如果通过，则开启相应开关电路，将信号导入FPGA。

求和运算模块电路功能是对经过信号读出的四路信号进行求和，电路采用运算放大器同相求和结构，结构如图8所示，求和运放可选用AD8001。

比较器可选用单阈值比较器(Single Voltage threshold,SVT)，是对求和后的信号进行比较，当求和后的信号大于阈值电压Vth(Vth可以调节，大于系统噪声电压)时，输出高电平信号，反之输出低电平信号。如图9所示，通过调节R22调节比较阈值。单阈值比较器选用高速比较器TLV3501，延迟时间4.5ns。

信号转换电路也可选用SVT，将模拟信号转换成单脉冲信号。其原理和结构如图4、5所示。信号经并联处理后进入FPGA中处理。信号通过FPGA的LVDS差分引脚进入，即比较器。差分输入一端为光电探测器输出信号，另一端为由DAC提供的比较电压。信号经过差分输入接口后变成高电平脉冲信号，该信号进入两路TDC，TDC测量精度为150ps。

如图10中，复用后的四路信号经过开关电路后进入FPGA数字化，当求和后的信号小于系统噪声时，模拟开关断开；信号大于系统噪声时，模拟开关导通。开关电路可由单阈值比较器和模拟开关组成。单阈值比较器为模拟开关提供控制电压，比较阈值设置为系统噪声。比较阈值可通过R24进行调节。模拟开关可选用TS12A4514，开端导通速度80ns，模拟带宽475M，导通电阻6.5欧姆。将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

优选的方案如图6中，TDC：时间数字转换器(Time Digital Converter,TDC)用于测量脉冲信号的上升沿和下降沿到来时间。TDC的设计基于FPGA内部的专用进位线。

优选的方案如图7中，时间数字转换器对于时间的测量包括粗时间测量和细时间测量，粗时间测量是通过对系统时钟计数即为N×clk；图7中三角形表示延时单元，长方形框表示锁存器。如图6所示，时间间隔t＝N×clk－t2+t1。本例中粗时间是指大于4ns的时间，细时间是小于4ns的时间。

细时间测量则利用进位链，图6中t1与t2为细时间。FPGA中进位线延迟一般在几十皮秒左右，通过采用串行加法器将进位线级联测量时间，可达到较高的测量精度，整条进位链的延迟长度大于系统时钟周期。信号到来之后会沿着进位线传播，当下一个时钟上升沿到来后将进位线上的结果锁存到寄存器中，之后通过编码电路得到信号在进位线上的传输个数，同时计数器进行粗时间测量，即可得到细时间；

最终得到对整个时间的测量，即获得γ光子的电容开关网络的I_a、I_b、I_c、I_d的值。

根据上文的公式(1)、(2)即可得到阵列中SiPM对应的二维坐标(X，Y)。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高复用的全身PET数据采集系统，其特征在于，包括：

多个电容复用网络，每个电容复用网络包括n*n阵列型光电探测器和2n个电容对，2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；每个光电探测器均与一个闪烁晶体连接；

并联处理电路包括开关电路、放大模块、求和运算模块，放大模块将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；求和运算模块分别将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加；开关电路对叠加后的信号进行判断，若超过设定阈值则输出高电平，控制相应的电容复用网络的4路信号输出，否则输出低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

信号转换电路，将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

时间数字转换器，测量脉冲信号的宽度。

2.根据权利要求1所述的高复用的全身PET数据采集系统，其特征在于，n*n阵列型光电探测器为4×4阵列型光电倍增管。

3.根据权利要求1所述的高复用的全身PET数据采集系统，其特征在于，信号转换电路和时间数字转换器均通过FPGA实现。

4.根据权利要求1所述的高复用的全身PET数据采集系统，其特征在于，所述比较器为单阈值比较器。

5.根据权利要求1所述的高复用的全身PET数据采集系统，其特征在于，时间数字转换器测量脉冲信号的宽度包括粗时间测量和细时间测量；

粗时间测量是通过对系统时钟计数；

细时间测量利用进位链，在信号到来之后沿着进位线传播，当下一个时钟上升沿到来后将进位线上的结果锁存到寄存器中，之后通过编码电路得到信号在进位线上的传输个数，得到细时间。

6.一种高复用的全身PET数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过2n个电容对将n*n阵列型光电探测器的n²路电流信号复用成4路信号；

将多个电容复用网络输出信号放大后再分别并联，形成n路信号输出；将每个电容复用网络的4路输出信号进行叠加，叠加后的信号若超过设定阈值则输出高电平，否则输出低电平；

根据高电平控制相应的电容复用网络的4路信号输出，根据低电平控制电容复用网络的输出信号截止；

将开关电路所导通的电容复用网络的4路信号转换成脉冲信号；

测量脉冲信号的宽度。