CN111505696A - 一种双时步pileup波形处理系统及方法 - Google Patents

一种双时步pileup波形处理系统及方法 Download PDF

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丁海洁
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Abstract

本发明提供一种双时步pileup波形处理系统及方法。该方法包括以下步骤：ADC对闪烁脉冲进行等时间间隔采样；可调量化电平的SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；对ADC和可调量化电平的SQL采样器的采样结果进行数据分析处理，对采样结果进行信息整合；对闪烁脉冲数字波形差分求导判断闪烁脉冲上升沿部分；根据闪烁脉冲上升沿的数量判断波形是否发生堆积；对发生堆积的脉冲波形进行校正，从中重构出闪烁脉冲单事件波形。该系统包括双时步闪烁脉冲波形处理模块、堆积事件鉴别模块和堆积事件校正模块。本发明能够准确高效的对闪烁脉冲波形进行采样，并对堆积脉冲波形进行鉴别及校正，重构堆积事件中单事件脉冲波形，解决了由于堆积作用对PET系统性能的影响。

Description

一种双时步pileup波形处理系统及方法
技术领域
本发明涉及电子信息领域，尤其涉及一种双时步pileup波形处理系统及方法。
背景技术
在正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，以下简称PET)系统中，闪烁探测器由闪烁晶体和光电转换器件耦合而成，其中闪烁晶体能够有效吸收高能射线(X射线、伽马射线)或高能粒子并发出紫外和可见光，这些紫外和可见光通过光电转换器后转换为闪烁脉冲电信号。当击中闪烁探测器的事件率极低时，在一个脉冲获得触发后的一个时间窗(死时间)内，基本上不会有第二个脉冲被触发。然而，当计数率达到一定程度时，在死时间内可能会有一个或者一个以上的额外事件到达这个时间窗。当一个事件脉冲的下降沿叠加了另一个事件时，这种现象被称为堆积(Pileup)。发生堆积的脉冲集合称为多事件脉冲。
为了更好的保存和处理闪烁脉冲的时间信息、能量信息和位置信息，需要将闪烁脉冲进行数字化。传统的采样方法是利用模拟数字转换器(Analog-to-DigitalConverter，以下简称ADC)进行等间隔采样，或者是通过设置量化电平后经时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，以下简称TDC)来对闪烁脉冲进行采样并提取脉冲的特征信息。然而上面两种方法都会在不同程度上的造成时间分辨率或能量分辨率的恶化，从而影响闪烁脉冲的特征信息提取。此外，闪烁脉冲堆积事件则会降低PET原始数据的信噪比，从而造成PET重建图像的分辨率、对比度、信噪比等性能指标的恶化。若按照传统方法直接剔除闪烁脉冲堆积事件，势必会造成符合事件的计数上的损失，并给PET重建图像引入不必要的统计噪声。
因此，针对上述技术问题，有必要提出一种双时步pileup波形堆积处理方法及系统，通过对闪烁脉冲同时进行等间隔的AD采样和基于时间轴向的稀疏量化电平(SparseQuantization Level，SQL)采样，准确高效低成本完成闪烁脉冲的采样，并对闪烁脉冲堆积事件进行处理，从堆积脉冲波形中重构出单个闪烁脉冲的波形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双时步pileup波形处理系统及方法，该方法能够以较为简单的方式实现对高速信号的充分采样，准确获取闪烁脉冲的时间信息和能量信息。同时该方法可以对闪烁脉冲堆积事件进行鉴别及校正，重构出堆积事件中单次事件脉冲，进而可以从重构出的单事件中获得闪烁脉冲的特征信息。
为实现上述目的，本发明提供方案：
一种双时步pileup波形处理系统及方法，所述系统包括：双时步闪烁脉冲波形处理模块100、堆积事件脉冲鉴别模块200、堆积事件校正模块300；
其中方法包括以下步骤：
S1：ADC对闪烁脉冲进行等时间间隔采样；
S2：可调量化电平的SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；
S3：对ADC和可调量化电平的SQL采样器的采样结果进行数据分析处理，整合采样信息；
S4：对闪烁脉冲数字波形差分求导判断闪烁脉冲上升沿部分；
S5：根据闪烁脉冲上升沿的数量判断波形是否发生堆积；
S6：对发生堆积的脉冲波形进行校正，根据闪烁脉冲特征模型从堆积的波形中重构出闪烁脉冲单事件波形。
优选地，所述双时步闪烁脉冲波形处理模块100用于对闪烁脉冲进行双时步采样，将闪烁脉冲模拟信号转换为数字信号，包括ADC采样模块110、可调节量化电平SQL采样模块120和数据处理模块130。
优选地，所述可调节量化电平SQL采样模块120包括量化电平模块121、电压比较器模块122和TDC采样模块123。
优选地，所述堆积事件脉冲鉴别模块200与双时步闪烁脉冲波形处理模块100连接，用于判断闪烁脉冲波形是否发生堆积，包括闪烁脉冲差分求导模块210和上升沿数量判断模块220。
优选地，所述堆积事件校正模块300与堆积事件脉冲鉴别模块200连接，用来对发生堆积的事件进行校正，重构各事件的脉冲波形，包括闪烁脉冲特征模型模块310、闪烁脉冲波形重构模块320和残差分析模块330。
优选地，输入到ADC和可调量化电平的SQL采样器中的闪烁脉冲为模拟信号，所述S1中ADC的采样率不唯一，所述SQL采样器的采样间隔小于ADC的采样间隔。
优选地，，所述S2中可调量化电平的SQL采样器可以在闪烁脉冲上升沿采样到等同于量化电平个数的采样点数。
优选地，所述S4中对闪烁脉冲差分求导前需先对闪烁脉冲进行数字滤波，根据闪烁脉冲上升沿连续递增的特点通过差分求导结果来判断闪烁脉冲上升沿。
优选地，所述S5中若在一个闪烁脉冲的时间内只检测到一个上升沿，则该脉冲未发生堆积。若在一个闪烁脉冲的时间内检测到有两个及以上的上升沿，则该脉冲波形发生堆积。
优选地，在S6中闪烁脉冲的特征模型为半高斯指数模型，对堆积脉冲波形进行重构时，先重构第一个脉冲波形，并从堆积的波形中减去重构出的第一个脉冲，然后在校正过的数据中重构出第二个闪烁脉冲波形。
本发明的有益效果为：
本发明提供的双时步pileup波形处理方法及系统，有效降低了高采样率ADC的需求，同时使用ADC和可调节量化电平的SQL采样器对闪烁脉冲进行双时步采样，能准确、高效的记录原信号的波形特征。并利用该采样波形对闪烁脉冲堆积问题进行处理，从堆积事件中恢复单次事件脉冲特征信息，有效的解决了由于脉冲堆积造成PET系统性能恶化的问题，提高了PET系统的时间分辨率和能量分辨率。
附图说明
图1是本发明一种双时步pileup波形处理系统及方法的系统框图。
图2是本发明一种双时步pileup波形处理系统及方法的方法流程图。
图3是本发明一种双时步pileup波形处理系统及方法的结构示意图。
图4是两个闪烁脉冲事件发生堆积示意图。
图5是闪烁脉冲特征模型图。
图6是堆积事件校正的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种双时步pileup波形处理系统，所述系统包括：
双时步闪烁脉冲波形处理模块100、堆积事件脉冲鉴别模块200、堆积事件校正模块300；
其中所述双时步闪烁脉冲波形处理模块100与堆积事件脉冲鉴别模块200连接，用于对闪烁脉冲进行双时步采样，将闪烁脉冲模拟信号转换为数字信号，包括ADC采样模块110、可调节量化电平SQL采样模块120和数据处理模块130；所述ADC采样模块110用于对闪烁脉冲模拟信号进行等时间间隔电压采样,得到闪烁脉冲幅度采样点；所述可调节量化电平SQL采样模块120用于获取闪烁脉冲快速上升沿中过量化电平值的翻转时间，进而获得精准的脉冲时间信息，包括量化电平模块121、电压比较器模块122和TDC采样模块123；所述量化电平模块121用于设置多个不同的量化电平值，并将所设置的量化电平值输出给电压比较器中的反向端用以对闪烁脉冲进行比较；所述电压比较器模块122将正向端的闪烁脉冲信号和反向端的量化电平值进行比较，当闪烁脉冲越过并高于预设的量化电平值时，比较器输出由低电平向高电平翻转最终保持高电平，相反，当闪烁脉冲越过并低于预设量化电平值时，比较器输出由高电平向低电平翻转最终保持低电平；所述TDC采样模块123用于对电压比较器模块122中脉冲翻转的具体时间进行标记，以精准的获取闪烁脉冲上升沿的时间信息；所述数据处理模块130用于对ADC采样模块110和时间点采样120的采样结果进行处理，整合得到的采样信息；
所述堆积事件脉冲鉴别模块200用于判断闪烁脉冲波形是否发生堆积，包括闪烁脉冲差分求导模块210和上升沿数量判断模块220；所述闪烁脉冲差分求导模块210对闪烁脉冲数字波形进行差分求导，以此来判断脉冲的上升沿部分和下降沿部分；所述上升沿数量判断模块220用于在一个闪烁脉冲事件段内判断脉冲波形中上升沿的数量，以此来对堆积事件进行甄别，若在一个闪烁脉冲的时间内，上升沿的数量只有一个，则判定该脉冲波形未发生堆积，否则，便可认为该脉冲波形发生堆积；
所述堆积事件校正模块300，与堆积事件脉冲鉴别模块200连接，用来对发生堆积的事件进行校正，重构各事件的脉冲波形，包括闪烁脉冲特征模型模块310、闪烁脉冲波形重构模块320和残差分析模块330；所述闪烁脉冲特征模型模块310中的特征模型为半高斯指数模型，该模型通过把半高斯与有限阶跃信号组合后与一个衰减的单边指数相乘，即保证了闪烁脉冲具有一定的上升时间，又满足了闪烁脉冲带宽有限的特点；所述闪烁脉冲波形重构模块320根据闪烁脉冲的特征模型，重构出堆积事件中的单事件波形；所述残差分析模块330用原始脉冲波形减去重构的单事件脉冲波形得到残差结果，以消除第一个事件脉冲尾部对后面脉冲的影响，并从残差中重构出其他的脉冲波形。
ADC和可调量化电平的SQL采样器处理的闪烁脉冲为模拟信号，所述S1中ADC的采样率不唯一，进一步的，ADC的采样率可以为50MHz、100MHz和133MHz，所述S1中的闪烁脉冲可以是晶体LYSO或LaBr3:Ce的脉冲波形，相同闪烁晶体的闪烁脉冲下降沿具有相同的衰减时间，其中LYSO的衰减时间为40ns左右，LaBr3:Ce的衰减时间为20ns左右。
所述S2中可调量化电平的SQL采样器可以在闪烁脉冲上升沿采样到等同于量化电平个数的采样点数，进一步的，可以对闪烁脉冲设置4-8个量化电平，所述可调节量化电平的SQL采样器的平均时间间隔可以为4ns或者5ns，所述SQL采样器的采样间隔小于ADC的采样间隔。
所述S4中对闪烁脉冲差分求导前需先对闪烁脉冲进行数字滤波，对闪烁脉冲进行数字滤波可以采用移动平均滤波、中值滤波或FIR低通滤波，根据闪烁脉冲上升沿连续递增的特点通过差分求导结果来判断闪烁脉冲上升沿。
所述S5中若在一个闪烁脉冲的时间内只检测到一个上升沿，则该脉冲未发生堆积。若在一个闪烁脉冲的时间内检测到有两个及以上的上升沿，则该脉冲波形发生堆积。
在S6中闪烁脉冲的特征模型为半高斯指数模型，对堆积脉冲波形进行重构时，先重构第一个脉冲波形，并从堆积的波形中减去重构出的第一个脉冲，然后在校正过的数据中重构出第二个闪烁脉冲波形。
实施例1：
选择闪烁晶体LaBr3:Ce，然后对光电倍增管输出的闪烁脉冲模拟信号进行采样，其中ADC的采样频率为50MHZ，可调节量化电平SQL采样器先设置4个量化电平，其值分别为0.2V、0.4V、0.6V和0.8V，并以4ns的时间间隔对闪烁脉冲进行采样。完成闪烁脉冲数字化后，对其进行移动平均滤波处理以去除高频噪声的影响，然后对滤波后的闪烁脉冲差分求导，并通过求导结果来判断上升沿的数量，若在一个闪烁脉冲的时间内检测到两个或两个以上的闪烁脉冲上升沿，即可判定该脉冲波形发生了堆积，然后通过闪烁脉冲的半高斯指数模型从堆积的事件中还原出闪烁脉冲单事件波形，图6即为校正后的堆积事件示意图。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种双时步pileup波形处理系统及方法，所述系统包括：双时步闪烁脉冲波形处理模块100、堆积事件脉冲鉴别模块200、堆积事件校正模块300；
其中方法包括以下步骤：
S1：ADC对闪烁脉冲进行等时间间隔采样；
S2：可调量化电平的SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；
S3：对ADC和可调量化电平的SQL采样器的采样结果进行数据分析处理，整合采样信息；
S4：对闪烁脉冲数字波形差分求导判断闪烁脉冲上升沿部分；
S5：根据闪烁脉冲上升沿的数量判断波形是否发生堆积；
S6：对发生堆积的脉冲波形进行校正，根据闪烁脉冲特征模型从堆积的波形中重构出闪烁脉冲单事件波形。
2.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述双时步闪烁脉冲波形处理模块100用于对闪烁脉冲进行双时步采样，将闪烁脉冲模拟信号转换为数字信号，包括ADC采样模块110、可调节量化电平SQL采样模块120和数据处理模块130。
3.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述可调节量化电平SQL采样模块120包括量化电平模块121、电压比较器模块122和TDC采样模块123。
4.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述堆积事件脉冲鉴别模块200与双时步闪烁脉冲波形处理模块100连接，用于判断闪烁脉冲波形是否发生堆积，包括闪烁脉冲差分求导模块210和上升沿数量判断模块220。
5.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述堆积事件校正模块300与堆积事件脉冲鉴别模块200连接，用来对发生堆积的事件进行校正，重构各事件的脉冲波形，包括闪烁脉冲特征模型模块310、闪烁脉冲波形重构模块320和残差分析模块330。
6.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，ADC和可调量化电平的SQL采样器处理的闪烁脉冲为模拟信号，所述S1中ADC的采样率不唯一。
7.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述S2中可调量化电平的SQL采样器可以在闪烁脉冲上升沿采样到等同于量化电平个数的采样点数，所述SQL采样器的采样间隔小于ADC的采样间隔。
8.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述S4中对闪烁脉冲差分求导前需先对闪烁脉冲进行数字滤波，根据闪烁脉冲上升沿连续递增的特点通过差分求导结果来判断闪烁脉冲上升沿。
9.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，所述S5中若在一个闪烁脉冲的时间内只检测到一个上升沿，则该脉冲未发生堆积，若在一个闪烁脉冲的时间内检测到有两个及以上的上升沿，则该脉冲波形发生堆积。
10.根据权利要求1所述的一种双时步pileup波形处理系统及方法，其特征在于，在S6中闪烁脉冲的特征模型为半高斯指数模型，对堆积脉冲波形进行重构时，先重构第一个脉冲波形，并从堆积的波形中减去重构出的第一个脉冲，然后在校正过的数据中重构出第二个闪烁脉冲波形。
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CN112587161A (zh) * 2020-12-09 2021-04-02 明峰医疗系统股份有限公司 Pet成像设备的堆积信号恢复方法、pet成像设备及计算机可读存储介质

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