CN111123343A - 一种双时步pet系统成像装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双时步PET系统成像装置与方法，包括以下步骤：伽玛光子打到闪烁晶体上通过光电转换器件后，获得闪烁电信号；通过时钟分频处理对有源晶振输出的时钟信号进行分频处理，获得分频后的时钟信号；通过电阻网络将分频后的时钟信号发送到双时步处理系统中，以备数据处理使用；通过电阻网络，对获取的闪烁电信号进行多路分割处理，获得分割后的闪烁电信号；通过电阻网络将分割后的闪烁电信号按需要发送到双时步处理系统中，分别进行ADC处理获得能量信息和TDC处理获得时间信息；根据获得的能量信息和时间信息，通过重建算法进行信息重建处理。本发明中的PET系统通过ADC和TDC的双时步信息采样处理，实现系统的模块化处理，结构简单，可扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学和医疗器械技术领域，具体为一种双时步PET系统成像装置与方法。
背景技术
正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，以下简称PET）通过辐射探测结构获得生物体内放射性示踪剂的分布，其无创性令其成为现今核医学中的尖端技术，在基础医学领域也有着独特的应用价值。
传统的PET系统将闪烁晶体置入生理探头中，当伽玛光子打到闪烁晶体时，生理探头将伽玛光信号转换为闪烁脉冲电信号，并通过千兆以太网和连接线将闪烁脉冲电信号传输至信号处理电路，在信号处理电路中采用模拟信号处理方法将闪烁脉冲转换为阶跃信号，阶跃信号的上升沿指的是闪烁脉冲的到达时间信息，之后再通过符合电路筛选闪烁脉冲数字信号中的符合事件，将筛选后的符合事件发送至能量计算电路中，通过对模拟信号的下降沿进行信息重建获得闪烁脉冲的能量信息，将获得的符合事件、符合事件的到达时间、符合事件的能量等信息通过以太网输送至数据处理系统中，进行数据预处理和信息重建处理。由此可看出，传统PET系统中对于时间信息和能量信息的处理是分开的，时间处理电路和能量计算电路中的时钟信号也是分别发送的，在实际使用中分开发送的单通道时钟信号是没有问题的，但在多通道电路中，分开发送的时钟信号易出现信号串扰的情况。
不同于传统的处理方法，双时步PET系统成像方法，在模拟数字转换器（Analog toDigital Converter，以下简称ADC）处理电路和时间数字转换器（Timeto DigitalConverter，以下简称TDC）处理电路中采用同步时钟的方式对闪烁脉冲分别进行时间信息和能量信息的提取。双时步PET系统能够利用其同步处理的优势，有效解决了传统PET系统中时钟繁冗，连线交叉的问题，且成本低廉，信号传输迅速，有效克服环境的干扰，是目前PET仪器设计的热点方向。
因此，有必要对传统PET系统予以改进以克服现有系统中的所述缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双时步PET系统成像装置与方法，能够实现系统的信息重建，结构简单，可扩展性强；模块化设计可较完美地分隔开不同模块组件之间的线缆，也简化了整个系统的配置，便于查找与更改模块，降低了维修和升级的成本。
为实现上述目的，本发明公开了一种双时步PET系统成像装置，包括光电转换模块、电路网络模块、时钟同步模块、信号获取模块和数据成像模块，
所述光电转换模块包括依次连接的晶体光学模块、硅光电倍增管模块、闪烁探测器模块，所述闪烁探测器模块与所述信号获取模块连接并发送经信号预处理的闪烁脉冲电信号至所述信息获取模块；
所述信号获取模块包括用于提取闪烁脉冲信号中的事例信息的ADC模块和TDC模块；
所述数据成像模块包括依次连接的UDP包获取模块、数据预处理模块和信息重建模块，所述UDP包获取模块与所述信号获取模块连接用于接收经所述信号获取模块处理后的所述闪烁脉冲的事例信息；
所述电路网络模块与信号获取模块连接用于提供所需的连接线、电阻网络、高频走线；所述时钟同步模块与信号获取模块连接用于提供时钟信号。
所述闪烁探测器模块包括依次连接的闪烁脉冲探头模块、数据采集器、探测模块。
所述时钟同步模块包括依次连接的有源晶振模块、锁相环模块和时钟信号分频模块，所述时钟信号分频模块的缓冲开关处理器与所述锁相环模块连接用于接收阶段时钟信号并转换为同步时钟信号，其输出端口与所述信号获取模块连接，用于发送同步时钟信号至信号获取模块。
所述ADC模块包括依次连接的ADC时钟模块、时间采样模块和模拟数字转换模块；所述TDC模块包括依次连接的TDC时钟模块、粗计时模块、细计时模块、样本信号汇总模块、时间计算模块；所述ADC时钟模块和TDC时钟模块均与所述时钟信号分频模块连接用于接收时钟信号分频模块发送的同步时钟信号。
本发明公开了一种双时步PET系统成像方法，包括如下步骤：
步骤S1：伽玛光子打到闪烁晶体上通过光电转换器件后，获得闪烁电信号；
步骤S2：通过时钟分频处理对有源晶振输出的时钟信号进行分频处理，获得分频后的时钟信号；
步骤S3：通过电阻网络将分频后的时钟信号发送到双时步处理系统中，以备数据处理使用；
步骤S4：闪烁电信号经电阻网络传输到双时步处理系统；
步骤S5：双时步处理系统获得闪烁电信号后，分两路分别进行ADC处理获得能量信息和TDC处理获得时间信息；
步骤S6：根据获得的能量信息和时间信息，通过重建算法进行信息重建处理。
所述步骤S1中，所述闪烁晶体包括LYSO晶体、LaBr3晶体、NaI晶体、BGO晶体；述光电转换器件包括SiPM硅光电倍增管、PSPMT位置敏感型倍增器、G-APD盖革模式雪崩二极管和PMT光电倍增管。
所述步骤S2中，时钟分频处理包括时钟源、变频锁定、倍频设置、设置比例。
所述步骤S5中，ADC的时间采样频率为200MHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过ADC和TDC的双时步信息采样处理，实现系统的信息重建，结构简单，可扩展性强；本发明提供的双时步PET系统成像方法，用双时步PET处理器模块将ADC处理模块和TDC时间计算模块整合，简化了PET系统的结构；将数据进行重建部分安排在计算机中完成，算法配置以及修改都更简易，且成本低，效果率高；采用模块化设计，将电阻网络和时钟处理分别配置在不同的模块中，避免了信号串扰，提高了实验实施的效率；模块化设计可较完美地分隔开不同模块组件之间的线缆，也简化了整个系统的配置，便于查找与更改模块，降低了维修和升级的成本。
附图说明
图1为本发明的实施流程图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明的原理示意图；
图4为本发明的结构示意图；
图5为本发明的探测器结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，
本发明公开了一种双时步PET系统成像装置，包括光电转换模块100、电路网络模块200、时钟同步模块300、信号获取模块400和数据成像模块500。光电转换模块100与信号获取模块400连接，并发送闪烁脉冲电信号到信号获取模块400，光电转换模块100包括晶体光学模块110、硅光电倍增管模块120、闪烁探测器模块130；晶体光学模块110包括晶体阵列，所述晶体阵列通过硫酸钡分隔，铝箔包裹；晶体光学模块110与硅光电倍增管模块120连接，将获得的闪烁光信号发送至硅光电倍增管模块120；硅光电倍增管模块120包括SiPM硅光电倍增管，SiPM硅光电倍增管和晶体阵列通过耦合剂耦合；硅光电倍增管模块120将闪烁光信号转换为闪烁电信号，并将闪烁电信号发送至与硅光电倍增管模块120连接的闪烁探测器模块130；闪烁探测器模块130包括闪烁脉冲探头模块131、数据采集器132、探测模块133。闪烁探测器模块130与信息获取模块400连接，并发送经信号预处理的闪烁脉冲电信号至信息获取模块400；闪烁脉冲探头模块131与数据采集器132连接，将接收到的所有通道的闪烁脉冲电信号发送到数据采集模块132进行汇总，数据采集模块132包括FPGA子卡和运算放大电路；数据采集模块132与探测模块133连接，发送汇总后的闪烁脉冲电信号到探测模块133；探测模块133将接收到的闪烁脉冲电信号进行脉冲预处理，其中包括减噪处理和堆积抑制。
电路网络模块200，电路网络模块200与信号获取模块400连接，为信号获取模块400提供所需的连接线、电阻网络、高频走线；电路网络模块200包括交换机模块210、连接线模块220、电阻网络模块230和高频走线模块240；交换机模块210，其包括交换机，交换机同时与ADC模块410和TDC模块420通信连接；连接线模块220、电阻网络模块230和高频走线模块240都与信号获取模块400通信连接，为信号获取模块400提供相应的网络服务。
时钟同步模块300，时钟同步模块300与信号获取模块400连接，通过有源晶振、锁相环和时钟信号分频为信号获取模块400提供必需的时钟信号；时钟同步模块300包括有源晶振模块310、锁相环模块320和时钟信号分频模块330；有源晶振模块310，其包括有源晶振，有源晶振产生初始时钟信号；锁相环模块320，其包括锁相环，锁相环与有源晶振连接，锁相环接收并处理所述初始时钟信号，并形成阶段时钟信号；时钟信号分频模块330，其包括缓冲开关处理器、输出端口，缓冲开关处理器与锁相环连接，接收阶段时钟信号，并转换为同步时钟信号；输出端口与所述信号获取模块400连接，输出端口发送同步时钟信号至信号获取模块400。
信号获取模块400，信号获取模块400同时与光电转换模块100、电路网络模块200和时钟同步模块300连接，信号获取模块400接收由光电转换模块100发送的闪烁脉冲电信号后，通过ADC模块410和TDC模块420提取闪烁脉冲信号中的事例信息；信号获取模块400包括ADC模块410和TDC模块420；ADC模块410与光电转换模块100连接，接收光电转换模块100发送的闪烁脉冲电信号，ADC模块410包括ADC时钟模块411、时间采样模块412和模拟数字转换模块413；ADC时钟模块411与时钟信号分频模块330连接，接收时钟信号分频模块330发送的同步时钟信号；时间采样模块412与ADC时钟模块411连接，接收ADC模块410采用的同步时钟信号和光电转换模块100发送的闪烁脉冲光电信号；模拟数字转换模块413包括模数转换器，模数转换器与时间采样模块412连接，接收闪烁脉冲电信号，并经模数转换器处理后转换为数字闪烁脉冲电信号；TDC模块420与光电转换模块100连接，接收光电转换模块100发送的闪烁脉冲电信号，TDC模块420包括TDC时钟模块421、粗计时模块422、细计时模块423、样本信号汇总模块424、时间计算模块425；TDC时钟模块421与时钟信号分频模块330连接，接收时钟信号分频模块330发送的同步时钟信号；粗计时模块422包括粗计时器，粗计时器计算闪烁脉冲信号的粗时间；细计时模块423与粗计时模块422连接并接收粗计时模块422中计算的粗时间参数，细计时模块423包括细计时器，细计时器计算所述闪烁脉冲信号的细时间；样本信号汇总模块424与细计时模块423连接，并接收细计时模块423中闪烁脉冲的粗时间参数和细时间参数；时间计算模块425与样本信号汇总模块424连接，根据样本信号汇总模块424中的粗时间参数和细时间参数，计算闪烁脉冲信号的边缘到达时间信息。
数据成像模块500与信号获取模块400连接并接收闪烁脉冲的事例信息，进行信息重建。数据成像模块500包括UDP包获取模块510、数据预处理模块520和信息重建模块530；UDP包获取模块510与信号获取模块410连接，并接收经信号获取模块410处理后的闪烁脉冲的事例信息；数据预处理模块520与UDP包获取模块510连接，并对解析后的闪烁脉冲事例信息进行筛选与矫正；信息重建模块530与数据预处理模块520连接，并接收预处理后的闪烁脉冲事例信息，信息重建模块530采用重建算法对接收的闪烁脉冲事例信息进行重建。
如图3所示，根据本发明的一个实施例的双时步PET系统包括铝箔1、光学胶水2、闪烁晶体3、电路网络模块200、时钟同步模块300、ADC模块410、TDC模块420和数据成像模块500。闪烁晶体3在分隔在不同的隔室中，通过光学胶水2与铝箔1连接，铝箔1包裹在整个晶体阵列的外部；光电转换器件通过晶体阵列外部的光学胶水2附着在闪烁晶体阵列上；辐射光信号经过闪烁晶体和光电转换器件，由闪烁光信号转换为闪烁电信号，经由电路网络模块200传输后，闪烁电信号输送至ADC模块410和TDC模块420；同时，时钟同步模块300输出的同步时钟信号分两路输送至ADC模块410和TDC模块420，在ADC模块410中对获取的闪烁电信号进行时间采样，模拟数字转换、能量信息计算，在TDC模块420中对获取的闪烁点信号进行粗计时计算和细计时计算，将粗计时的结果与细计时的结果合并之后，获得闪烁电信号的边缘到达时间信息；信号获取模块500获得计算后的能量信息和时间信息后，采取信息重建处理，获得重建后的生理图像。
根据本发明的一个实施例的双时步PET系统对粗计时器和细计时器进行详细的描述：粗计时器由一个时钟信号驱动，每过一个时钟周期，粗计时器输出的计数值加1，将当前的值乘以一个时钟周期可得到当前的粗时间。当触发信号s的边沿到来时，时间-数字转换器记录下此刻粗计时器输出的值，并记为N。若时钟周期记为Tc，那么触发信号s的边沿到达的粗时间可以表示为N*Tc。粗计时器的时间测量精度是以时钟周期为单位的，但对于FPGA而言，时钟信号的频率不能无限制提高，若要进一步提高时间测量精度，就需要引入细计时器。细计时器的实现基于一条输出温度码的延迟线，温度码包括若干个0和1，延迟线上的温度码的特点是一侧全是0，另一侧全是1，0和1的数目存在此消彼长的关系，并且0的数目和1的数目之和等于温度码的总长，比如，1110000为由3个1和5个0组成的一段温度码，0和1的交界代表待测信号的边沿，通过数0或1的个数，再乘以每个0或1代表的时间长度，就能计算出待测信号的边沿在延迟线上传输的细时间。因此，触发信号s的边沿到达时间就等于粗时间与细时间之和。借助延迟线，时间-数字转换器的时间测量精度可以提高到优于100皮秒。
如图4所示，根据本发明的一个实施例的双时步PET系统包括PET探测器4、高压电源5、交换机6、计算机7、以太网8。PET探测器4通过网线与交换机6通信连接；高压电源5为系统提供所需的电力支持；以太网8提供千兆以太网口，PET探测器4通过千兆以太网8与计算机客户端通信连接，实现上位机的可调控装备。
如图5所示，根据本发明的一个实施例的双时步PET系统中的探测器结构包括时钟模块CLK、ADC模块410、TDC模块420和现场可编程芯片FPGA。时钟模块CLK产生时钟信号，具体地，时钟模块中的有源晶振产生一个频率为50MHz的初始时钟信号，初始时钟信号通过连接线输入锁相环处理；锁相环对初始时钟信号进行变频锁定、倍频设置、设置比较等处理，形成阶段时钟信号并输出至缓冲开关处理器；缓冲开关处理器通过修改阶段时钟信号的频率、相位、占空比等参数得到同步时钟信号；输出端口将获得的同步时钟信号进行输出。时钟模块CLK产生的同步时钟信号分两路输出至ADC模块410和TDC模块420，在ADC模块410中进行能量信息提取；在TDC模块420中进行时间信息提取；最后将得到的能量信息和时间信息一起发送至现场可编程芯片FPGA中进行硬件编码与打包，最终得到编码后的UDP数据包。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种双时步PET系统成像装置，其特征在于：包括光电转换模块、电路网络模块、时钟同步模块、信号获取模块和数据成像模块，
所述光电转换模块包括依次连接的晶体光学模块、硅光电倍增管模块、闪烁探测器模块，所述闪烁探测器模块与所述信号获取模块连接并发送经信号预处理的闪烁脉冲电信号至所述信息获取模块；
所述信号获取模块包括用于提取闪烁脉冲信号中的事例信息的ADC模块和TDC模块；
所述数据成像模块包括依次连接的UDP包获取模块、数据预处理模块和信息重建模块，所述UDP包获取模块与所述信号获取模块连接用于接收经所述信号获取模块处理后的所述闪烁脉冲的事例信息；
所述电路网络模块与信号获取模块连接用于提供所需的连接线、电阻网络、高频走线；所述时钟同步模块与信号获取模块连接用于提供时钟信号。
2.根据权利要求所述的一种双时步PET系统成像装置，其特征在于：所述闪烁探测器模块包括依次连接的闪烁脉冲探头模块、数据采集器、探测模块。
3.根据权利要求所述的一种双时步PET系统成像装置，其特征在于：所述时钟同步模块包括依次连接的有源晶振模块、锁相环模块和时钟信号分频模块，所述时钟信号分频模块的缓冲开关处理器与所述锁相环模块连接用于接收阶段时钟信号并转换为同步时钟信号，其输出端口与所述信号获取模块连接，用于发送同步时钟信号至信号获取模块。
4.根据权利要求所述的一种双时步PET系统成像装置，其特征在于：所述ADC模块包括依次连接的ADC时钟模块、时间采样模块和模拟数字转换模块；所述TDC模块包括依次连接的TDC时钟模块、粗计时模块、细计时模块、样本信号汇总模块、时间计算模块；所述ADC时钟模块和TDC时钟模块均与所述时钟信号分频模块连接用于接收时钟信号分频模块发送的同步时钟信号。
5.根据权利要求1所述的一种双时步PET系统成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：伽玛光子打到闪烁晶体上通过光电转换器件后，获得闪烁电信号；
步骤S2：通过时钟分频处理对有源晶振输出的时钟信号进行分频处理，获得分频后的时钟信号；
步骤S3：通过电阻网络将分频后的时钟信号发送到双时步处理系统中，以备数据处理使用；
步骤S4：闪烁电信号经电阻网络传输到双时步处理系统；
步骤S5：双时步处理系统获得闪烁电信号后，分两路分别进行ADC处理获得能量信息和TDC处理获得时间信息；
步骤S6：根据获得的能量信息和时间信息，通过重建算法进行信息重建处理。
6.根据权利要求5所述的一种双时步PET系统成像方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述闪烁晶体包括LYSO晶体、LaBr3晶体、NaI晶体、BGO晶体；述光电转换器件包括SiPM硅光电倍增管、PSPMT位置敏感型倍增器、G-APD盖革模式雪崩二极管和PMT光电倍增管。
7.根据权利要求5所述的一种双时步PET系统成像方法，其特征在于：所述步骤S2中，时钟分频处理包括时钟源、变频锁定、倍频设置、设置比例。
8.根据权利要求5所述的一种双时步PET系统成像方法，其特征在于：所述步骤S5中，ADC的时间采样频率为200MHz。
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