CN111751865A - 一种双时步pet扫描仪构造方法 - Google Patents

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CN111751865A CN202010505382.9A CN202010505382A CN111751865A CN 111751865 A CN111751865 A CN 111751865A CN 202010505382 A CN202010505382 A CN 202010505382A CN 111751865 A CN111751865 A CN 111751865A
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凌亮
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    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal

Abstract

本发明提供一种双时步PET扫描仪构造方法。该方法包括如下步骤：闪烁晶体吸收伽马光子释放可见光光子；光电转换器件吸收可见光光子释放出闪烁脉冲信号；稀疏量化电平SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；信号放大电路对闪烁脉冲进行放大、整形、拉宽放慢；ADC对经过信号放大电路后的闪烁脉冲进行等间隔采样；对ADC和稀疏量化电平SQL器采样后的数据进行处理，收集采样数据；数据传输单元对采样后获得的数据进行打包并传输至上位机处理。并包括以下模块：前端探测模块、双时步闪烁脉冲信息数字化模块、数据传输模块。本发明能够高效低成本地对闪烁脉冲进行采样，提高符合事件计数率，降低系统的错误率和功耗，完整地提取闪烁脉冲信息。

Description

一种双时步PET扫描仪构造方法
技术领域
本发明涉及电子信息领域，特别是涉及一种双时步PET扫描仪构造方法。
背景技术
正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，以下简称PET)是一种非侵入性的新型医学成像技术。PET对肿瘤疾病的检测过程中，将放射性同位素标记的示踪剂注射入人体内，由于代谢旺盛的肿瘤组织对示踪剂摄取能力强，示踪剂便会在该组织部分聚集。示踪剂中的放射性核素的电子数比质子数目少一个，易发生β+衰变成中子，衰变过程中释放一个正电子与一个中微子。正电子的质量与电荷与负电子相同，但是电荷极性相反。正电子在生物体内游走一段较小的距离之后，与生物体内的负电子相遇，发生湮灭后产生一对方向相反、能量相等的γ光子。γ光子产生后会被PET探测器捕获并获得其中蕴含的时间信息、位置信息、能量信息，进而据此便可计算生物体内示踪剂的分部与浓度，从而能够无创、定量、动态地评估动物或者人体活体内各种器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动，以实现对肿瘤疾病进行定位与定性。
PET扫描仪是用于临床诊断的装置，其核心部件是PET探测器。然而PET探测器中的闪烁脉冲信号的频率非常高，且闪烁脉冲的上升沿快，并且PET的时间性能极度依赖于捕获上升沿的精确程度，而闪烁脉冲的下降沿慢，能量信息主要集中于下降沿。闪烁脉冲数字化是数字PET系统中的最基本的任务，保证了闪烁脉冲特征可以被系统辨识，进而估计闪烁事件的若干个属性：时间、能量、位置等。传统的数字化方法有直接使用模拟数字转换器(Analogue to Digital Converter,以下简称ADC)芯片或者采用稀疏量化电平(SparseQuantization Level，以下简称SQL)数字化方法来实现闪烁脉冲信号的数字化。前者不能充分利用脉冲波形的自由度，丢失了快速上升沿所包含的准确的时间信息，极大地影响了对PET系统至关重要的探测器时间分辨率。后者在有基线和量化区间小的情况下，不能有效地提取脉冲所包含的能量信息，从而导致PET系统能量分辨率的恶化。
因此，鉴于上述存在的技术问题，有必要提出一种双时步PET扫描仪构造方法，该方法基于时间轴向的稀疏量化电平SQL采样的同时辅以低成本ADC器件对闪烁脉冲进行处理，提升数字化部分的效率、降低数字化部分的成本，实现PET系统时间分辨率和能量分辨率的折衷，从而克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双时步PET扫描仪构造方法，该方法能够高效低成本地对闪烁脉冲进行采样，从而弥补单一数字化方法所带来的时间分辨率或者能量分辨率的不足导致提取的闪烁脉冲信息不完整，提高符合事件计数率，降低系统的错误率和功耗，延长PET探测器的平均无故障时间。
一种双时步PET扫描仪构造方法包括以下步骤：
步骤S1：闪烁晶体吸收伽马光子释放可见光光子；
步骤S2：光电转换器件吸收可见光光子释放出闪烁脉冲信号；
步骤S3：稀疏量化电平SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；
步骤S4：信号放大电路对闪烁脉冲进行放大、整形、拉宽放慢；
步骤S5：ADC对经过信号放大电路后的闪烁脉冲进行等间隔采样；
步骤S6：对ADC和稀疏量化电平SQL器采样后的数据进行处理，收集采样数据；
步骤S7：数据传输单元对采样后获得的数据进行打包并传输至上位机处理。
闪烁晶体阵列的尺寸要小于光电转换器件的尺寸，闪烁晶体阵列的相邻晶体条之间使用光隔离材料填充，闪烁晶体阵列和光电转换器件按照中心对齐的方式进行对应，闪烁晶体阵列和光电转换器件之间通过光导进行耦合。
光电转换器件输出的闪烁脉冲信号的上升沿比下降沿快。
稀疏量化电平SQL采样的采样点的个数是所设置电压阈值个数的两倍。
ADC的采样率要大于稀疏量化电平SQL采样的采样率。
一种双时步PET扫描仪构造系统，包括以下模块：前端探测模块、双时步闪烁脉冲信息数字化模块、数据传输模块，所属前端探测模块与双时步闪烁脉冲信息数字化模块连接，包括闪烁晶体阵列模块、光电转换模块、脉冲信号多通道复用模块，双时步闪烁脉冲信息数字化模块与前端探测模块连接，包括信号放大模块、稀疏量化电平SQL采样模块、ADC采样模块、数据处理模块，稀疏量化电平SQL采样模块隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块，包括可设置阈值电压比较器模块、TDC模块，数据传输模块与双时步闪烁脉冲信息数字化模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：基于时间轴向的稀疏量化电平SQL采样的同时辅以低成本ADC器件对闪烁脉冲进行处理，高效低成本地对闪烁脉冲进行采样，从而弥补单一数字化方法所带来的时间分辨率或者能量分辨率的不足导致提取的闪烁脉冲信息不完整，实现PET系统时间分辨率和能量分辨率的折衷，提高符合事件计数率，降低系统的错误率和功耗，延长PET探测器的平均无故障时间。
附图说明
图1是本发明一种双时步PET扫描仪构造方法的系统框图；
图2是PET探测系统组成示意图；
图3是本发明一种双时步PET扫描仪构造方法的方法流程图；
图4是系统的位置谱图；
图5是系统时间分辨率评估图。
图中：100、前端探测模块；200、双时步闪烁脉冲信息数字化模块；300、数据传输模块；110闪烁晶体阵列模块；120光电转换模块；130脉冲信号多通道复用模块；210、信号放大模块；220、稀疏量化电平SQL采样模块；230、ADC采样模块；240、数据处理模块；221、阈值电压比较器模块；222、TDC模块。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
为实现上述目的，本发明提供的一种双时步PET扫描仪构造方法，包括以下模块：前端探测模块100、双时步闪烁脉冲信息数字化模块200、数据传输模块300，其中，所属前端探测模块100与双时步闪烁脉冲信息数字化模块200连接，实现γ光子的探测并将γ光子进行能量沉积转换得到可见光，再将可见光转换成闪烁脉冲电信号，包括闪烁晶体阵列模块110、光电转换模块120、脉冲信号多通道复用模块130。
闪烁晶体阵列模块110隶属于前端探测模块100，用于吸收γ光子并沉积其能量后转换为可见光光子，光电转换模块120隶属于前端探测模块100，利用光电效应吸收可见光光子并将其转换为电子，在经过倍增和叠加输出闪烁脉冲信号，脉冲信号多通道复用模块130隶属于前端探测模块100，用于将闪烁脉冲信号的时间信息和位置信息获取电路进行复用，传递闪烁脉冲信号的特征信息。
双时步闪烁脉冲信息数字化模块200与前端探测模块100连接，用于对闪烁脉冲进行双时步采样，将闪烁脉冲信号的特征信息进行数字化读出，包括信号放大模块210、稀疏量化电平SQL采样模块220、ADC采样模块230、数据处理模块240，信号放大模块210隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块200，用于对闪烁脉冲信号进行放大，同时还对其进行整形、拉宽放慢，稀疏量化电平SQL采样模块220隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块200，用于将闪烁脉冲的时间信息进行数字化读出，包括可设置阈值电压比较器模块221、TDC模块222，可设置阈值电压比较器模块221隶属于稀疏量化电平SQL采样模块220，用于获取闪烁脉冲通过所设置电压阈值的时间点，TDC模块222隶属于稀疏量化电平SQL采样模块220，基于可设置阈值电压比较器模块221得到的电压时间样本点，对时钟信号进行计数，以获得闪烁脉冲的时间信息，ADC采样模块230隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块200，用于对放大、拉宽放慢后的闪烁脉冲进行等时间间隔采样，以提取闪烁脉冲的能量信息与位置信息，数据处理模块240隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块200，用于整合ADC采样模块230和稀疏量化电平SQL采样模块220的采样信息，
数据传输模块300与双时步闪烁脉冲信息数字化模块200连接，用于与上位机的通讯处理、参数设定，并将数字化采样后获得的信息打包至上位机处理。
一种双时步PET扫描仪构造方法包括以下步骤：
步骤S1：闪烁晶体吸收伽马光子释放可见光光子；
步骤S2：光电转换器件吸收可见光光子释放出闪烁脉冲信号；
步骤S3：稀疏量化电平SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；
步骤S4：信号放大电路对闪烁脉冲进行放大、整形、拉宽放慢；
步骤S5：ADC对经过信号放大电路后的闪烁脉冲进行等间隔采样；
步骤S6：对ADC和稀疏量化电平SQL器采样后的数据进行处理，收集采样数据；
步骤S7：数据传输单元对采样后获得的数据进行打包并传输至上位机处理。
闪烁晶体阵列的尺寸要小于光电转换器件的尺寸，闪烁晶体阵列的相邻晶体条之间使用光隔离材料填充，闪烁晶体阵列和光电转换器件按照中心对齐的方式进行对应，闪烁晶体阵列和光电转换器件之间通过光导进行耦合。
光电转换器件输出的闪烁脉冲信号的上升沿比下降沿快。
多通道复用电路后的输出信号通过线与或加法器的方式叠加在一起。
时间信息复用电路、位置信息复用电路互相独立。
稀疏量化电平SQL采样的采样点的个数是所设置电压阈值个数的两倍。
ADC的采样率要大于稀疏量化电平SQL采样的采样率。
根据本发明的一个实施例，所述光电转换器件的增益可达104～106倍。
根据本发明的一个实施例，所述多通道复用方式可以为Anger电路、DPC电路、行列读出电路、传输线复用电路。
实施例1：搭建由12个探测器模组组成的探测器圆环，探测器模组按0～11顺序编号，每两个正对探测器模组之间的距离为104.4cm，22Na点源位于圆环正中心位置。闪烁晶体阵列采用尺寸为26.49×26.49×13.3mm3的LYSO晶体，光电转换器件采用工作电压为30V的硅光电倍增器SiPM。ADC的采样率为50MHz,稀疏量化电平SQL采样器的平均时间间隔为5ns，所设定的四个电压阈值分别为0.2V、0.4V、0.6V和0.8V。通过Matlab软件对探测器进行能量、时间性能测试分析。
实施例2：将两个探测器模组对立放置，探测器模组探测面之间距离为50mm，两个探测器探测面中心连线的中点上放置灌注18F-FDG的Derenzo假体作为射源，该假体由六扇区组成，不同扇区中含有直径不同的空心圆柱，圆柱直径尺寸分别为0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm以及2.4mm。闪烁晶体阵列采用尺寸为26.49×26.49×13.3mm3的LYSO晶体，光电转换器件采用硅光电倍增器SiPM。ADC的采样率为100MHz,稀疏量化电平SQL采样器的平均时间间隔为7ns，所设定的四个电压阈值分别为0.1V、0.3V、0.5V和0.7V。交换机通过网线将两个探测器模组中传出的数据汇总至计算机，对探测器性能进行分析。
实施例3：一对由连续晶体耦合快速光电倍增管组成的光子探测器对面对面放置，其中间位置则放置装有18F-FDG射源的注射器。每个探测器均采用尺寸为15×15×10mm3的LYSO连续晶体，晶体表面全部进行抛光处理，同时将除耦合面之外的其它个表面用特氟龙包裹以增加可见光光子的输出。光电倍增管采用滨松公司的R9800，使用硅脂将其阴极面与LYSO晶体直接耦合，耦合面积与光电倍增管阴极面的内接正方形面积相同，为15×15mm2。光电倍增管工作在电压1300V下，其阳极经过电阻接地后与示波器直接连接。示波器为Tektronix DPO7104，其工作在10GSps采样率和“与触发”工作模式下，同时对两个探测器的输出脉冲进行采样，通过Matlab软件进行数据分析。
本发明提供的一种双时步PET扫描仪构造方法，基于时间轴向的稀疏量化电平SQL采样的同时辅以低成本ADC器件对闪烁脉冲进行处理，高效低成本地对闪烁脉冲进行采样，从而弥补单一数字化方法所带来的时间分辨率或者能量分辨率的不足导致提取的闪烁脉冲信息不完整，提高符合事件计数率，降低系统的错误率和功耗，延长PET探测器的平均无故障时间。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权力要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内。

Claims (9)

1.一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：闪烁晶体吸收伽马光子释放可见光光子；
步骤S2：光电转换器件吸收可见光光子释放出闪烁脉冲信号；
步骤S3：稀疏量化电平SQL采样器对闪烁脉冲进行时间轴向采样；
步骤S4：信号放大电路对闪烁脉冲进行放大、整形、拉宽放慢；
步骤S5：ADC对经过信号放大电路后的闪烁脉冲进行等间隔采样；
步骤S6：对ADC和稀疏量化电平SQL器采样后的数据进行处理，收集采样数据；
步骤S7：数据传输单元对采样后获得的数据进行打包并传输至上位机处理。
2.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，闪烁晶体阵列的尺寸要小于光电转换器件的尺寸。
3.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，闪烁晶体阵列的相邻晶体条之间使用光隔离材料填充。
4.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，闪烁晶体阵列和光电转换器件按照中心对齐的方式进行对应。
5.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，闪烁晶体阵列和光电转换器件之间通过光导进行耦合。
6.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，光电转换器件输出的闪烁脉冲信号的上升沿比下降沿快。
7.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，稀疏量化电平SQL采样的采样点的个数是所设置电压阈值个数的两倍。
8.根据权利要求1中所述的一种双时步PET扫描仪构造方法，其特征在于，ADC的采样率要大于稀疏量化电平SQL采样的采样率。
9.一种权利要求1所述方法的系统，其特征在于，包括以下模块：前端探测模块100、双时步闪烁脉冲信息数字化模块200、数据传输模块300；
所属前端探测模块100与双时步闪烁脉冲信息数字化模块200连接，包括闪烁晶体阵列模块110、光电转换模块120、脉冲信号多通道复用模块130；
双时步闪烁脉冲信息数字化模块200与前端探测模块100连接，包括信号放大模块210、稀疏量化电平SQL采样模块220、ADC采样模块230、数据处理模块240；
稀疏量化电平SQL采样模块220隶属于双时步闪烁脉冲信息数字化模块200，包括可设置阈值电压比较器模块221、TDC模块222；
数据传输模块300与双时步闪烁脉冲信息数字化模块200连接。
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CN112255662A (zh) * 2020-10-14 2021-01-22 南昌华亮光电有限责任公司 基于智能时间采样的伽马相机及探测方法
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CN112415620A (zh) * 2020-11-03 2021-02-26 中国海洋石油集团有限公司 伽马射线探测装置及系统

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