CN112068179A - 一种基于勒贝格采样的正电子成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，该方法包括如下步骤：步骤S1：晶体阵列吸收γ光子并将其转换为可见光，然后经光电转换得到闪烁脉冲进行读出；步骤S2：对闪烁脉冲进行勒贝格采样，输出数字采样点；步骤S3：对数字采样信息进行分析，重建闪烁脉冲信号，提取信息；步骤S4：基于单事件信息设置能量窗和时间窗保留真符合事件；步骤S5：重建图像并进行分析，对其进行校正优化。并包括以下模块：硬件数据采集模块，勒贝格采样模块，软件数据处理模块。本发明能够对闪烁脉冲实现可变采样速率采样，区别于依赖高采样频率硬件的传统周期性采样方法，降低对数据计算和通信的要求，高效低成本地实现闪烁脉冲数字化。

Description

一种基于勒贝格采样的正电子成像方法
技术领域
本发明涉及电子信息领域，特别是涉及一种基于勒贝格采样的正电子成像方法。
背景技术
正电子发射断层成像(Positron Emission Tomograhy，以下简称PET)是目前核医学领域最尖端的影像技术，能够定量、无创、实时对活体进行功能成像。任何疾病的先兆都是从生化反应开始的，PET造影技术凭借其对生化反应的高度敏感性，能够在疾病引发解剖改变或表现出明显病理特征之前将其探测出来。PET 在对疾病的检测过程中，先将示踪剂注射入人体内，代谢旺盛的病变组织对示踪剂摄取能力强，示踪剂便会在该组织部分聚集。示踪剂所产生的正电子与环境中负电子相遇而发生湮灭后，发出一对运行方向相反且能量固定的γ光子，这对γ光子可在外部被探测到，进而据此便可计算生物体内示踪剂的分部与浓度，以实现对疾病进行定位与定性。因此，PET在一些重大疾病的预防和诊断中具有重要的价值与意义。
虽然在需求层面和政策层面上，发展PET技术获得各界人士广泛认同，但深入观察PET技术的发展现状，可发现传统PET技术与系统在顶层设计上存在诸多先天不足。传统PET专用的电子电路、固定的几何结构、封闭的系统架构，导致了它在应用上存在“难”、“专”和“测不准”三大短板。在PET探测器中，事例脉冲的上升沿较快，并且PET的时间性能极度依赖于捕获上升沿的精确程度。为了能够获得上升沿足够多的信息，至少需要在上升沿获得三个样本。以1ns 的上升时间为例，在上升沿稳定地获得三个样本需要4GSps的采样率。如此高采样率的模拟数字转换器(Analogue to Digital Converter,以下简称ADC) 芯片应用于通道数众多的PET系统中，如果为单个通道设置如此高的成本，系统总成本将不被容忍。同时，功耗也会大到无法承受的地步。
因此，鉴于上述存在的技术问题，有必要提出一种基于勒贝格采样的正电子成像方法。不同于传统的周期性采样，无论系统状态如何变化，采样间隔固定不变，该发明提供的勒贝格采样方法基于给定的电压阈值，能够对闪烁脉冲实现可变采样速率采样，降低对数据计算和通信的要求，解除了事例脉冲数字化对 4GSps以上采样率的模数转换器芯片的依赖，避免了成形电路和信号传输中的损耗，最大限度地保留了事例的原始时间信息，高效低成本地实现闪烁脉冲数字化。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种基于勒贝格采样的正电子成像方法。
本发明的第二目的是提供一种基于勒贝格采样的正电子成像系统。
为了实现上述的第一目的，本发明提供的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，具体步骤包括：
步骤S1：晶体阵列吸收γ光子并将其转换为可见光，然后经光电转换得到闪烁脉冲进行读出；
步骤S2：对闪烁脉冲进行勒贝格采样，输出数字采样点；
步骤S3：对数字采样信息进行分析，重建闪烁脉冲信号，提取信息；
步骤S4：基于单事件信息设置能量窗和时间窗保留真符合事件；
步骤S5：重建图像并进行分析，对其进行校正优化。
进一步的，在上述步骤S1中闪烁晶体有LYSO(硅酸钇镥)、YSO(硅酸钇)，它们拥有高的阻滞能力、高光产额和短的余晖时间常数，兼具稳定性并且不易潮解。
进一步的，所述光电探测器件包括PMT(光电倍增管)和SiPM(硅光电倍增器)。
进一步的，所述脉冲信号读出电路采用多阳极读出、行列加和的复用方式，将光电探测器件阳极输出信号一分二，分别接到一个行输出，一个列输出，最后将两个信号相加和得到原始信号。
进一步的，在上述步骤S2中，设置四个电压阈值触发点V1，V2，V3，V4，对脉冲信号基于时间轴向采样,记录闪烁脉冲8个采样点信息(V1，t1),(V2， t2),(V3，t3),(V4，t4),(V4，t5),(V3，t6),(V2，t7),(V1，t8)。
进一步的，在上述步骤S3中，基于双指数模型，采用最小二乘方法对闪烁脉冲进行拟合，得到脉冲的重建模型，双指数模型数学形式如下：
Figure BDA0002630725980000021
其中，A为闪烁脉冲幅值大小，m和n代表闪烁脉冲上升沿和下降沿时间， t0表示闪烁脉冲的到达时间。
进一步的，在上述步骤S4中，所述能量窗设定为E，所述时间窗设定为T，满足下述条件的伽马光子则判断为真符合事件：
|T1-T2|≤T，E1≤E，E2≤E；
其中，T1和T2表示正电子发生湮灭后产生的一对伽马光子到达对应的探测器的时间信息，E1和E2表示其在探测器中沉积的能量信息。
进一步的，所述真符合事件的信息保存为列表式List-mode文件，包含符合事件的时间信息、能量信息和位置信息。
进一步的，在上述步骤S5中，所述图像重建方法采用最大后验概率法。
为了实现上述的第二目的，本发明提供的一种基于勒贝格采样的正电子成像系统，由硬件数据采集模块，勒贝格采样模块，软件数据处理模块连构成。
所述硬件数据采集模块与勒贝格采样模块连接，用于吸收伽马射线，输出闪烁脉冲，包括晶体探测模块，光电倍增模块，脉冲信号读出模块。
所述勒贝格采样模块与硬件数据采集模块连接，用于对闪烁脉冲进行采样，并输出闪烁脉冲数字化后的信息，包括电压阈值触发模块，时间点采集模块，信号存储传输模块。
所述软件数据处理模块与勒贝格采样模块连接，用于处理闪烁脉冲的时间、能量和位置信息，进行图像重建，包括事件分析模块，事件符合模块，图像重建模块，系统校正模块，图像分析模块。
相较于现有技术相比，本发明的有益效果在于：不同于传统的采样间隔固定不变的周期性采样，基于给定的电压阈值，能够对闪烁脉冲实现可变采样速率采样，降低对数据计算和通信的要求，解除了事例脉冲数字化对4GSps以上采样率的模数转换器芯片的依赖，避免了成形电路和信号传输中的损耗，最大限度地保留了事例的原始时间信息，高效低成本地实现闪烁脉冲数字化。
附图说明
图1是本发明一种基于勒贝格采样的正电子成像方法的系统框图；
图2是本发明一种基于勒贝格采样的正电子成像方法的方法流程图；
图3是本发明一种基于勒贝格采样的正电子成像方法示意图。
图中：100、硬件数据采集模块；110、晶体探测模块；120、光电倍增模块； 130、脉冲信号读出模块；200、勒贝格采样模块；210、电压阈值触发模块；220、时间点采集模块；230、信号存储传输模块；300、软件数据处理模块；310、事件分析模块；320、事件符合模块；330、图像重建模块；340、系统校正模块； 350图像分析模块。
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。
请参阅图1-3
本发明公开了一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，包括硬件数据采集模块100，用于探测γ光子信号，将其转化为可见光并经光电转换得到闪烁脉冲信号，所述硬件数据采集模块100包括晶体探测模块110、光电倍增模块120、脉冲信号读出模块130。晶体探测模块110探测γ光子信号并将其转换为可见光信号；光电倍增模块120将可见光转换为电信号，并经过放大输出闪烁脉冲信号；脉冲信号读出模块130采用多阳极读出、行列加和的复用方式，将光电探测器件阳极输出的闪烁脉冲信号一分二，分别接到一个行输出，一个列输出，最后将两个信号相加和得到原始闪烁脉冲信号。
勒贝格采样模块200，与硬件数据采集模块100连接，用于对闪烁脉冲信号进行勒贝格采样，并将其转化为数字信号，所述勒贝格采样模块200包括电压阈值触发模块210、时间点采集模块220、信号存储传输模块230。电压阈值触发模块210用于设置四个电压阈值触发点V1，V2，V3，V4，对脉冲信号基于时间轴向采样，时间点采集模块220记录闪烁脉冲8个采样点信息，信号存储传输模块230将闪烁脉冲8个采样点信息进行保存并传输给软件数据处理模块300。
软件数据处理模块300，与勒贝格采样模块200连接，用于对来自勒贝格采样模块200的闪烁脉冲数字采样信息进行分析，获取单事件位置、能量和时间信息，重建出成像对象核素分布图像，所述软件数据处理模块300包括事件分析模块310、事件符合模块320、图像重建模块330、系统校正模块340、图像分析模块350。事件分析模块310对闪烁脉冲数字采样信息进行分析，重建闪烁脉冲信号，事件符合模块320设置能量窗和时间窗筛选出符合事件，图像重建模块330 根据符合事件信息，重建出成像对象核素分布图像，系统校正模块340对系统进行死时间校正、衰减校正、随机校正、散射校正等对成像结果进行优化，图像分析模块350对成像结果进行分析评价。
所述晶体探测模块110采用尺寸为3.9mm×3.9×20.0mm的LYSO(硅酸钇镥)晶体。
所述光电倍增模块120采用有效光电探测面积为3.0mm×3.0mm(封装尺寸 4.0mm×4.0mm)的SiPM。
所述脉冲信号读出模块130采用多阳极读出、行列加和的复用方式，将光电探测器件阳极输出信号一分二，分别接到一个行输出，一个列输出，最后将两个信号相加和得到原始信号。
所述电压阈值触发模块210设置四个电压阈值点V1，V2，V3，V4，对脉冲信号基于时间轴向采样。
所述时间点采集模块220记录闪烁脉冲8个采样点信息，分别为(V1，t1), (V2，t2),(V3，t3),(V4，t4),(V4，t5),(V3，t6),(V2，t7),(V1， t8)。
所述事件分析模块310采用最小二乘方法对闪烁脉冲进行拟合，得到脉冲的重建模型，双指数模型数学形式如下：
Figure BDA0002630725980000051
其中，A为闪烁脉冲幅值大小，m和n代表闪烁脉冲上升沿和下降沿时间， t0表示闪烁脉冲的到达时间；
所述事件符合模块320设置能量窗为E，时间窗为T，满足下述条件的伽马光子则判断为真符合事件：
|T1-T2|≤T，E1≤E，E2≤E；
其中，T1和T2表示正电子发生湮灭后产生的一对伽马光子到达对应的探测器的时间信息，E1和E2表示其在探测器中沉积的能量信息；
所述图像重建模块330采用最大后验概率法。
本发明公开了一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，包括如下步骤：
步骤S1：晶体阵列吸收γ光子并将其转换为可见光，然后经光电转换得到闪烁脉冲进行读出；
步骤S2：对闪烁脉冲进行勒贝格采样，输出数字采样点；
步骤S3：对数字采样信息进行分析，重建闪烁脉冲信号，提取信息；
步骤S4：基于单事件信息设置能量窗和时间窗保留真符合事件；
步骤S5：重建图像并进行分析，对其进行校正优化。
本发明提供的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，区别于传统的采样间隔固定不变的周期性采样，基于给定的电压阈值，能够对闪烁脉冲实现可变采样速率采样，降低对数据计算和通信的要求，解除了事例脉冲数字化对4GSps以上采样率的模数转换器芯片的依赖，避免了成形电路和信号传输中的损耗，最大限度地保留了事例的原始时间信息，高效低成本地实现闪烁脉冲数字化。
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利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 (10)

1.一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：
步骤S1：晶体阵列吸收γ光子并将其转换为可见光，然后经光电转换得到闪烁脉冲进行读出；
步骤S2：对闪烁脉冲进行勒贝格采样，输出数字采样点；
步骤S3：对数字采样信息进行分析，重建闪烁脉冲信号，提取信息；
步骤S4：基于单事件信息设置能量窗和时间窗保留真符合事件；
步骤S5：重建图像并进行分析，对其进行校正优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述闪烁晶体的类型有LYSO、YSO。
3.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S1中，光电探测器件包括PMT和SiPM。
4.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，脉冲信号读出电路采用多阳极读出、行列加和的复用方式，将光电探测器件阳极输出信号一分二，分别接到一个行输出，一个列输出，最后将两个信号相加和得到原始信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S2中，设置四个电压阈值触发点V1，V2，V3，V4，对脉冲信号基于时间轴向采样,记录闪烁脉冲8个采样点信息(V1，t1),(V2，t2),(V3，t3),(V4，t4),(V4，t5),(V3，t6),(V2，t7),(V1，t8)。
6.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S3中，基于双指数模型，采用最小二乘方法对闪烁脉冲进行拟合，得到脉冲的重建模型，双指数模型数学形式如下：
Figure FDA0002630725970000011
其中，A为闪烁脉冲幅值大小，m和n代表闪烁脉冲上升沿和下降沿时间，t0表示闪烁脉冲的到达时间。
7.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述能量窗设定为E，所述时间窗设定为T，满足下述条件的伽马光子则判断为真符合事件：
|T1-T2|≤T，E1≤E，E2≤E；
其中，T1和T2表示正电子发生湮灭后产生的一对伽马光子到达对应的探测器的时间信息，E1和E2表示其在探测器中沉积的能量信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，所述真符合事件的信息保存为列表式List-mode文件，包含符合事件的时间信息、能量信息和位置信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于勒贝格采样的正电子成像方法，其特征在于，在所述步骤S5中，图像重建方法采用最大后验概率法。
10.一种运用权利要求1所述方法的系统，其特征在于，包括以下模块：硬件数据采集模块100，勒贝格采样模块200，软件数据处理模块300；
所属硬件数据采集模块100与勒贝格采样模块200连接，包括晶体探测模块110，光电倍增模块120，脉冲信号读出模块130；
所属勒贝格采样模块200与硬件数据采集模块100连接，包括电压阈值触发模块210，时间点采集模块220，信号存储传输模块230；
所属软件数据处理模块300与勒贝格采样模块200连接，包括事件分析模块310，事件符合模块320，图像重建模块330，系统校正模块340，图像分析模块350。
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