CN109884684B - 一种用于pet闪烁晶体性能测试的电子学数据处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于PET闪烁晶体性能测试的电子学数据处理方法及系统。本方法为：1)将N路串行数据流转换为数字化的N路并行信号；2)将每路并行信号分成两路，一路进入信号寻峰模块，用于判断输入信号是否为有效脉冲信号并输出对应的通道信号标志Flag，一路进入信号延迟模块，用于将输入信号延迟到Flag产生的时刻；3)将各Flag进行或运算得到信号Eflag，将其对应时刻作为对延迟信号同时电荷积分的时间起点；4)对各路信号同时进行信号积分，获得相应积分电荷量并存储到对应能量FIFO模块；5)实时监测任一能量FIFO模块的状态，如果其状态不为空，则读取N路能量FIFO模块的缓存数据发送给数据分析单元。
Description
技术领域
本发明属于闪烁晶体性能测试领域，涉及一种用于PET闪烁晶体性能测试的64通道数据采集电子学数据处理方法及系统。
背景技术
闪烁晶体在核医学影像诊断、高能物理、安全检查、地质勘探、国防装备、无损检测等领域有着广泛应用，是各种探测器和核仪器的核心组成部分。以当今先进医学影像诊断设备的代表——PET为例，每台PET需要用到3-6万块闪烁晶体器件，总价超过100万美元，全球年需求量超过20亿美元。闪烁晶体的发展，推动了核仪器的更新换代。
发光产额、能量分辨能力等性能的测量是闪烁晶体研究、开发与应用中的重要工作。但由于发光产额、能量分辨能力等性能的测量需要使用核技术的方法，而闪烁材料的研究与制备单位往往不具备核技术研究技术和核仪器使用经验，国内外也没有商品化的测试仪器。闪烁材料性能的测量往往由应用单位根据其应用目的进行测试，所以闪烁材料性能的测试技术主要由部分核技术研究单位所掌握，缺乏统一的标准和标准的设备。存在的不足包括：(1)设备不标准，结果不统一。如发光产额的测试，往往在通用的伽马谱仪上，根据比较的方法测量相对光输出。因不同伽马谱仪的性能、参数设置的差异，使不同单位测试的结果无法比较；(2)测试耗时长，效率低。在通用的伽马谱仪上测试，往往一次仅能测试单块或单个闪烁体的性能，每次测试往往需要几分钟或几十分钟，无法满足批量测量的要求；(3)操作复杂。核仪器的操作需要核技术的专业背景和技术基础，测试变量多、测试结果需换算、容易产生误差。而且在材料研究和制备单位，往往缺乏核技术方面的专业人员。目前专用于闪烁晶体的测试技术和电子学设备的缺乏，很大程度上制约了新型的、高性能的闪烁晶体生长技术研究、性能研究及工程化应用。特别是对于多像素晶体的测试筛选，国内目前尚无已发表的相关的电子学测试手段。如图1所示为传统的采用通用伽马谱仪的晶体测试原理框图。
γ射线入射单像素闪烁晶体，光电倍增管输出的脉冲信号先经过前端的电荷灵敏前置放大器预放大，提高信噪比，然后经过极零相消电路微分并消除信号下冲，再进入积分滤波放大电路，将信号调理成满足后端测量要求的一定幅度准高斯脉冲信号，接着信号进入多道脉冲幅度分析仪，获得脉冲的幅度信息并传给计算机，最后计算机才能获取相关的晶体性能参数，所以这样每次测试花费时间长、效率低。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于PET闪烁晶体性能测试的64通道数据采集电子学数据处理方法及系统。
本发明的技术方案为：
一种用于PET闪烁晶体性能测试的电子学数据处理方法，其步骤包括：
1)将输入的N路高速串行数据流转换为数字化的N路并行信号；
2)将串并转换后的每路并行信号分成两路，一路进入信号延迟模块、另一路进入信号寻峰模块，该信号寻峰模块用于判断输入信号是否为有效脉冲信号并输出该输入信号对应的通道信号标志Flag；该信号延迟模块用于将该输入信号延迟到通道信号标志Flag产生的时刻；
3)将N个通道信号标志Flag进行或运算，得到信号Eflag；然后将该信号Eflag对应的时刻作为对各信号延迟模块输出信号同时进行电荷积分的时间起点；
4)各路信号分别经一积分模块同时进行信号积分，获得相应积分电荷量并存储到对应的能量FIFO模块；
5)FIFO读写控制逻辑实时监测任一能量FIFO模块的状态，如果该能量FIFO模块的状态不为空，则读取N路能量FIFO模块的缓存数据发送给数据分析单元。
进一步的，采集该N路高速串行数据流的方法为：将n×n像素闪烁晶体阵列通过硅脂与n×n像素的硅光电倍增管一对一耦合，用于探测γ射线入射到闪烁晶体像素上产生的电流脉冲；每一硅光电倍增管探测产生的电流脉冲经过放大、成形电路处理后输出一模拟信号，各模拟信号分别经一模数变换器后得到的一路串行数据流，得到该N路高速串行数据流；N＝n×n。
进一步的，信号寻峰模块判断输入信号是否为有效脉冲信号信号的方法为：对于输入信号Si，设T0为信号Si的起点，连续采样时刻Tj、Tj+1、Tj+2、Tj+3、Tj+4处的信号幅度分别为Aj、Aj+1、Aj+2、Aj+3、Aj+4；当Aj+2＞Aj+1＞Aj、Aj+2＞Aj+3＞Aj+4以及Aj+2＞AT时，判断信号Si为有效脉冲信号，否则为无效信号；在Tj+5输出该信号Si对应的通道信号标志Flag；其中，AT为信号幅度阈值；该信号延迟模块利用寄存器将信号Si延迟到通道信号标志Flag产生的时刻Tj+5，得到信号Si’。
进一步的，AT为大于信号噪声幅度的信号幅度阈值。
进一步的，所述FIFO读写控制逻辑顺序读取N路能量FIFO模块的缓存数据，每个时钟周期读取一个能量FIFO模块的缓存数据，N个时钟周期完成N个能量FIFO数据的读取；然后所述FIFO读写控制逻辑将读取的N个缓存数据发送给预传输网络FIFO进行数据缓存；预传输网络FIFO将缓存数据通过网络传输给所述数据分析单元。
一种用于PET闪烁晶体性能测试的电子学数据处理系统，其特征在于，包括N个串并转换单元、N个信号延迟模块、N个信号寻峰模块、N个积分模块、N个能量FIFO模块、一FIFO读写控制逻辑单元、一积分起点控制逻辑单元和网络传输模块；其中，
N个所述串并转换单元，用于将输入的N路高速串行数据流转换为数字化的N路并行信号；
每一所述串并转换单元的输出端分别与一信号延迟模块、一信号寻峰模块连接，用于将一路并行信号发送给信号延迟模块和信号寻峰模块；该信号寻峰模块用于判断输入信号是否为有效脉冲信号并输出该输入信号对应的通道信号标志Flag；该信号延迟模块用于将该输入信号延迟到通道信号标志Flag产生的时刻；
所述积分起点控制逻辑单元分别与各信号延迟模块、各信号寻峰模块以及各积分模块连接，用于为信号延迟模块、信号寻峰模块以及各积分模块提供逻辑控制信号，对N个通道信号标志Flag进行或运算，得到信号Eflag；然后将该信号Eflag对应的时刻作为各积分模块对信号延迟模块输出信号同时进行电荷积分的时间起点；
每一所述积分模块与一对应的所述能量FIFO模块连接，用于将积分电荷量存储到对应的能量FIFO模块；
所述FIFO读写控制逻辑单元分别与各能量FIFO模块连接，用于读取N路能量FIFO模块的缓存数据发送给网络传输模块；
所述网络传输模块，用于将缓存数据发送给数据分析单元。
进一步的，还包括一预传输网络FIFO，与所述FIFO读写控制逻辑单元连接，所述FIFO读写控制逻辑将读取的N个缓存数据发送给预传输网络FIFO进行数据缓存；预传输网络FIFO将缓存数据通过网络传输给所述数据分析单元。
进一步的，所述FIFO读写控制逻辑顺序读取N路能量FIFO模块的缓存数据，每个时钟周期读取一个能量FIFO模块的缓存数据，N个时钟周期完成N个能量FIFO数据的读取。
进一步的，所述信号寻峰模块判断输入信号是否为有效脉冲信号信号的方法为：对于输入信号Si，设T0为信号Si的起点，连续采样时刻Tj、Tj+1、Tj+2、Tj+3、Tj+4处的信号幅度分别为Aj、Aj+1、Aj+2、Aj+3、Aj+4；当Aj+2＞Aj+1＞Aj、Aj+2＞Aj+3＞Aj+4以及Aj+2＞AT时，判断信号Si为有效脉冲信号，否则为无效信号；在Tj+5输出该信号Si对应的通道信号标志Flag；其中，AT为信号幅度阈值；所述信号延迟模块利用寄存器将信号Si延迟到通道信号标志Flag产生的时刻Tj+5，得到信号Si’。
进一步的，还包括一探测阵列，该探测阵列包括一n×n像素闪烁晶体阵列，该n×n像素闪烁晶体阵列通过硅脂与n×n像素的硅光电倍增管一对一耦合，用于探测γ射线入射到闪烁晶体像素上产生的电流脉冲；每一硅光电倍增管与一放大成形电路、模数变换器依次连接，用于将探测产生的电流脉冲经过放大、成形电路处理后输出一模拟信号，并将模拟信号转换为串行数据流。
本发明基于高性能FPGA，能够以流水线的形式同时处理64路信号，因而能够同时快速获得8×8像素晶体阵列的发光产额、能量分辨能力，极大的提高了闪烁晶体测试效率，加快闪烁晶体在核医学影像诊断、高能物理、安全检查、地质勘探、国防装备、无损检测等领域的应用进程。如图2为晶体测试设备功能结构图。
8×8像素闪烁晶体阵列通过硅脂与8×8像素的硅光电倍增管一对一耦合，当一定能量的γ射线随机入射到闪烁晶体像素上，晶体会产生一定数量的可见光。可见光被硅光电倍增管探测到就会产生一定电荷量的电流脉冲，电荷量与晶体产生的光子数(即晶体发光产额)成正比，该电流脉冲经过放大、成形电路处理后变成准高斯信号，随后进入基于FPGA的64通道电子学系统。电子学系统同时处理64路模拟准高斯信号，并获得每路信号的电荷量信息。最后，电子学系统将这64路电荷量信息传输到计算机。经过多次测量并统计，计算机获得γ射线的能谱，能峰的对应道址即可代表闪烁晶体发光产额，能峰的能量分辨率即可表征闪烁晶体的能量分辨率。因此，最终得到的能峰道址和能峰处的能量分辨率这两项指标即可评价闪烁晶体的性能。
当一次γ射线随机入射到8×8闪烁晶体的某一像素上，由于硅脂的耦合分光作用，除了该晶体像素对应的硅光电倍增管输出脉冲信号，包围该硅光电倍增管像素点的其它硅光电倍增管像素通道也会有较小的电流脉冲。也就是说一次γ射线入射，多路通道都会产生信号，本发明的处理方法能够在FPGA内部检测到这些信号并判定这些通道的信号属于一次γ射线入射事件。
为了保证计算机每次都能完整的获得一次γ射线入射事件的所有电荷量，在FPGA内部如何传输64通道的电荷量也是本发明需要解决的一个问题。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1，FPGA内部各个功能实现模块化，便于维护、更新。
2，能够快速、准确的获取64像素闪烁晶体的光产额和能量分辨率信息。
附图说明
图1为传统的采用通用伽马谱仪的晶体测试原理框图；
图2为晶体测试设备功能结构图；
图3所示为基于FPGA的64通道电子学内部逻辑处理框图；
图4为寻峰、延迟逻辑示意图；
图5为串并转换和延迟模块信号输出；
图6为Eflag信号与顺序输出的64路电荷数据；
图7为某一路的Am-241与Na-22能谱图。
具体实施方式
在下述具体实施示例中，结合附图对本发明进行进一步的详细说明。通过足够详细的描述这些实施示例，使得本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对实施做出逻辑的、实现的和其他的改变。因此，以下详细说明不应该被理解为限制意义，本发明的范围仅仅由权利要求来限定。
如图3所示为基于FPGA的64通道电子学内部逻辑处理框图。
1，前端64路放大、成形输出的模拟信号经过64通道电子学上的模数变换器后，变成一一对应的64路高速串行数据流，FPGA内部逻辑处理的第一步就是串并转换，即将这64路高速串行数据流重新变为数字化的64路信号。
2，串并转换后的每路信号分成两路，一路进入信号延迟模块、另一路进入信号寻峰模块。如图4所示为寻峰、延迟逻辑的示意图。信号寻峰逻辑描述如下：对于信号S2，假定AT为刚好大于信号噪声幅度的信号幅度阈值，T0为信号的起点，连续采样点T1、T2、T3、T4、T5处的信号幅度分别为AT1、AT2、AT3、AT4、AT5。当AT3＞AT2＞AT1、AT3＞AT4＞AT5以及AT3＞AT时，即可确定此时该通道的信号为有效脉冲信号，并在T6时刻输出该通道信号标志Flag。信号延迟逻辑描述如下：对于某一确定的晶体而言，由于T6与T0之间的时间间隔Δt不变，因此信号延迟模块利用寄存器将信号S2延迟到通道信号标志Flag产生的时刻T6，得到信号S1，此时T6也是信号S1的起点。
3，将64个信号通道产生的标志Flag进行或运算，得到输出信号Eflag；将该信号Eflag对应的时刻作为对各信号延迟模块输出信号同时进行电荷积分的时间起点，这就是积分起点控制逻辑的功能。
4，每路信号积分模块都检测Eflag的状态，只要其有效，则64路信号同时进行信号的积分，获得相应的积分电荷量，否则积分模块处于等待状态；Eflag为1就表示64通道信号开始积分，为0则不积分，一直等待。对于一次γ射线入射，只有某几个通道有脉冲信号，因此只有这些通道的积分值为有效电荷量，其它通道的积分值为噪声。
5，64路能量FIFO模块的作用就是缓存相对应通道的积分电荷值。只要完成64通道的电荷积分，则64路的电荷量就被同时写入64个能量FIFO。
6，每次计算机为了获得一次完整的γ射线所产生的总电荷量，一次γ射线入射所产生的多个通道电荷量不仅需要被同时写入各自的能量FIFO，每次从64个能量FIFO中读取的电荷量也需要保证来自同一γ射线入射事件，这就需要64：1FIFO读写控制逻辑来完成。其工作原理可以描述为：64：1FIFO读写控制逻辑实时监测能量FIFO1的状态(也可以是其他能量FIFO模块，因为FIFO1～FIFO64的数据都是同步写入、同步读出的，同步写入保证了一次γ事件所有的电荷信息全部同时保存，同步输出保证了一次γ事件所有的电荷信息全部按顺序输出到网络。其它63个FIFO的状态和FIFO1的状态完全一样)，如果发现能量FIFO1的状态为空，则表示没有γ射线入射的产生，此时控制逻辑一直处于监视和等待状态。一旦发现能量FIFO1的状态不为空，则必然有电荷量或者噪声被写入了能量FIFO1，这就意味着有γ射线入射的产生。此时控制逻辑从能量FIFO1开始，顺序读取64路能量FIFO的缓存数据，每个时钟周期读取一个FIFO，64个时钟周期完成64个能量FIFO数据的读取。之后重新监视能量FIFO1的状态，如此反复。
7，64：1FIFO读写控制逻辑同样消耗64个时钟周期，按顺序将读取的64个数据发送给预传输网络FIFO进行数据缓存。
8，网络传输模块每次向预传输网络FIFO取64个数据打包、发送给计算机，因此计算机每次收到的数据包均为一次γ射线入射所产生的电荷量信息。
实验结果
按照上述方法，本发明使用了8×8硅酸钇镥闪烁晶体(LYSO)耦合8×8硅光电倍增管(SiPM)、相应的64通道电子学板卡以及Na-22和Am-241放射源，运行本专利设计的逻辑代码，利用FPGA专用的数字示波器chipscope，观察了某一路的串并转换输出信号以及延迟模块输出信号如图5所示；测得的某一次γ射线入射后，Eflag信号以及按顺序输出的64路电荷数据如图6所示；最终将这64路电荷数据通过网络传输模块传输到计算机，计算机通过多次统计测量，获得的64路能谱中的任意某一路能谱如图7所示。经过分析计算，其59.6KeV出的道址为101，能量分辨率为23％；其511KeV处的道址为300，能量分辨率为9.7％，其1.28MeV处的道址为620，能量分辨率为6.8％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于PET闪烁晶体性能测试的电子学数据处理方法，其步骤包括：
1)将输入的N路高速串行数据流转换为数字化的N路并行信号；
2)将串并转换后的每路并行信号分成两路，一路进入信号延迟模块、另一路进入信号寻峰模块，该信号寻峰模块用于判断输入信号是否为有效脉冲信号并输出该输入信号对应的通道信号标志Flag；该信号延迟模块用于将该输入信号延迟到通道信号标志Flag产生的时刻；其中信号寻峰模块判断输入信号是否为有效脉冲信号的方法为：对于输入信号Si，设T0为信号Si的起点，连续采样时刻Tj、Tj+1、Tj+2、Tj+3、Tj+4处的信号幅度分别为Aj、Aj+1、Aj+2、Aj+3、Aj+4；当Aj+2＞Aj+1＞Aj、Aj+2＞Aj+3＞Aj+4以及Aj+2＞AT时，判断信号Si为有效脉冲信号，否则为无效信号；在Tj+5输出该信号Si对应的通道信号标志Flag；其中，AT为信号幅度阈值；该信号延迟模块利用寄存器将信号Si延迟到通道信号标志Flag产生的时刻Tj+5，得到信号Si’；
3)将N个通道信号标志Flag进行或运算，得到信号Eflag；然后将该信号Eflag对应的时刻作为对各信号延迟模块输出信号同时进行电荷积分的时间起点；
4)各路信号分别经一积分模块同时进行信号积分，获得相应积分电荷量并存储到对应的能量FIFO模块；
5)FIFO读写控制逻辑实时监测任一能量FIFO模块的状态，如果该能量FIFO模块的状态不为空，则读取N路能量FIFO模块的缓存数据发送给数据分析单元。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集该N路高速串行数据流的方法为：将n×n像素闪烁晶体阵列通过硅脂与n×n像素的硅光电倍增管一对一耦合，用于探测γ射线入射到闪烁晶体像素上产生的电流脉冲；每一硅光电倍增管探测产生的电流脉冲经过放大、成形电路处理后输出一模拟信号，各模拟信号分别经一模数变换器后得到的一路串行数据流，得到该N路高速串行数据流；N＝n×n。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，AT为大于信号噪声幅度的信号幅度阈值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FIFO读写控制逻辑顺序读取N路能量FIFO模块的缓存数据，每个时钟周期读取一个能量FIFO模块的缓存数据，N个时钟周期完成N个能量FIFO数据的读取；然后所述FIFO读写控制逻辑将读取的N个缓存数据发送给预传输网络FIFO进行数据缓存；预传输网络FIFO将缓存数据通过网络传输给所述数据分析单元。
5.一种用于PET闪烁晶体性能测试的电子学数据处理系统，其特征在于，包括N个串并转换单元、N个信号延迟模块、N个信号寻峰模块、N个积分模块、N个能量FIFO模块、一FIFO读写控制逻辑单元、一积分起点控制逻辑单元和网络传输模块；其中，
N个所述串并转换单元，用于将输入的N路高速串行数据流转换为数字化的N路并行信号；
每一所述串并转换单元的输出端分别与一信号延迟模块、一信号寻峰模块连接，用于将一路并行信号发送给信号延迟模块和信号寻峰模块；该信号寻峰模块用于判断输入信号是否为有效脉冲信号并输出该输入信号对应的通道信号标志Flag；该信号延迟模块用于将该输入信号延迟到通道信号标志Flag产生的时刻；其中信号寻峰模块判断输入信号是否为有效脉冲信号的方法为：对于输入信号Si，设T0为信号Si的起点，连续采样时刻Tj、Tj+1、Tj+2、Tj+3、Tj+4处的信号幅度分别为Aj、Aj+1、Aj+2、Aj+3、Aj+4；当Aj+2＞Aj+1＞Aj、Aj+2＞Aj+3＞Aj+4以及Aj+2＞AT时，判断信号Si为有效脉冲信号，否则为无效信号；在Tj+5输出该信号Si对应的通道信号标志Flag；其中，AT为信号幅度阈值；该信号延迟模块利用寄存器将信号Si延迟到通道信号标志Flag产生的时刻Tj+5，得到信号Si’；
所述积分起点控制逻辑单元分别与各信号延迟模块、各信号寻峰模块以及各积分模块连接，用于为信号延迟模块、信号寻峰模块以及各积分模块提供逻辑控制信号，对N个通道信号标志Flag进行或运算，得到信号Eflag；然后将该信号Eflag对应的时刻作为各积分模块对信号延迟模块输出信号同时进行电荷积分的时间起点；
每一所述积分模块与一对应的所述能量FIFO模块连接，用于将积分电荷量存储到对应的能量FIFO模块；
所述FIFO读写控制逻辑单元分别与各能量FIFO模块连接，用于读取N路能量FIFO模块的缓存数据发送给网络传输模块；
所述网络传输模块，用于将缓存数据发送给数据分析单元。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括一预传输网络FIFO，与所述FIFO读写控制逻辑单元连接，所述FIFO读写控制逻辑将读取的N个缓存数据发送给预传输网络FIFO进行数据缓存；预传输网络FIFO将缓存数据通过网络传输给所述数据分析单元。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述FIFO读写控制逻辑顺序读取N路能量FIFO模块的缓存数据，每个时钟周期读取一个能量FIFO模块的缓存数据，N个时钟周期完成N个能量FIFO数据的读取。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括一探测阵列，该探测阵列包括一n×n像素闪烁晶体阵列，该n×n像素闪烁晶体阵列通过硅脂与n×n像素的硅光电倍增管一对一耦合，用于探测γ射线入射到闪烁晶体像素上产生的电流脉冲；每一硅光电倍增管与一放大成形电路、模数变换器依次连接，用于将探测产生的电流脉冲经过放大、成形电路处理后输出一模拟信号，并将模拟信号转换为串行数据流。
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