CN112587161A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种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，恢复方法包括以下步骤：基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表，并存储入一个处理单元，将每一处理单元串接形成处理单元组；输入实时信号至第一处理单元，检测实时信号的第一峰值，匹配具有与第一峰值相同峰值的参考信号；监测实时信号于第一峰值后是否单调递减；当实时信号于第一峰值后未单调递减时，将参考信号与实时信号相减的差值信号输入至处理单元组的第二处理单元；第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至差值信号于第一峰值后单调递减。采用上述技术方案后，可快速准确地恢复pile up信号。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种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。
背景技术
正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，PET)是利用晶体(比如BGO或者Lyso)将放射源释放的伽马射线转换为可见光的设备，后利用光电转换装置(SiPM或者PMT)将可见光转换为模拟电信号。前端电路对该模拟电信号进行高精度的能量和时间测量，后将测量结果送入后端数据获取系统(Data acquisition，DAQ)中进行符合判选。最终利用有效信号在符合线上的多个事件的时间差，重建放射源图像。
PET系统大多需要工作在活度较大的放射源条件下。如何保证探测器能够在高计数率情况下丢失尽量少的数据非常重要。信号堆积现象(pile up)是探测器系统在高计数率情况下需要考虑的关键因素之一。Pile up信号是指在时间上相近的多个伽马射线击中探测器，产生多倍于正常伽马射线能量的现象。一般的电子学系统的能量测量电路都是基于模数变换(A/D conversion)在一定时间窗内对信号进行积分。因此，对于时间上出现不定的pile up信号，积分得到的能量会出现偏差，导致系统有效计数率降低和能量分辨率降低。
因此，需要一种新型的对pile up信号能量信息恢复的方案，可较为准确地恢复pile up信号，并能够提升pile up信号的能谱质量。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种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，可快速准确地恢复pile up信号。
本发明公开了一种PET成像设备的堆积信号恢复方法，包括以下步骤：
基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；
将能量预测查找表及参考信号查找表存储入至少一个处理单元，并将每一处理单元串接形成处理单元组；
输入PET成像设备的实时信号至处理单元组中的第一处理单元，检测实时信号的第一峰值，并将第一峰值遍历于参考信号查找表内，以匹配一具有与第一峰值相同峰值的参考信号；
监测实时信号于第一峰值后是否单调递减；
当实时信号于第一峰值后单调递减时，以第一积分时间对实时信号积分，以获得实时信号的能量积分值；
当实时信号于第一峰值后未单调递减时，以第二积分时间对实时信号积分，并将实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至实时信号于第一峰值后单调递减；
将参考信号与实时信号相减以获得差值信号，将差值信号输入至处理单元组的第二处理单元；
第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至差值信号于第一峰值后单调递减。
优选地，基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表的步骤包括：
采集非堆积信号，并对非堆积信号的前沿波形和完整波形积分，以获得前沿能量积分值及完整能量积分值；
对前沿能量积分值和完整能量积分值作平滑处理和插值处理，得到前沿能量积分值和完整能量积分值的连续对应关系；
将连续对应关系存储于一FPGA芯片中，形成能量预测查找表。
优选地，基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表的步骤还包括：
采集非堆积信号，并对非堆积信号的幅值于时域内作平均处理，以获得一参考信号波形；
将参考信号波形的幅度转化为一固定值，并将固定值存储形成参考信号查找表。
优选地，第二积分时间为第一积分时间的两倍。
优选地，还包括以下步骤：
将一点源靠近于一SiPM探测器模块，以获得A/D采样数据；
将A/D采样数据与差值信号比较，以判断A/D采样数据与差值信号的匹配度。
本发明还公开了一种PET成像设备，包括：
数据库，于数据库内基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；
处理单元组，与数据库连接，包括至少一个处理单元，且每一处理单元存储能量预测查找表及参考信号查找表；
处理单元组中的第一处理单元接收实时信号，并检测实时信号的第一峰值，将第一峰值遍历于参考信号查找表内，以匹配一具有与第一峰值相同峰值的参考信号；
第一处理单元还监测实时信号于第一峰值后是否单调递减；
当实时信号于第一峰值后单调递减时，第一处理单元以第一积分时间对实时信号积分，以获得实时信号的能量积分值；
当实时信号于第一峰值后未单调递减时，第一处理单元以第二积分时间对实时信号积分，并将实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至实时信号于第一峰值后单调递减；第一处理单元将参考信号与实时信号相减以获得差值信号，将差值信号输入至处理单元组的第二处理单元；
第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至差值信号于第一峰值后单调递减。
本发明又公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的步骤。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.基于信号前沿的积分值和信号总能量所建立的查找表，可迅速推断出第一个堆积信号的能量；
2.基于分级恢复机制，可准确恢复为非堆积信号及能量。
附图说明
图1为符合本发明一优选实施例中PET成像设备的堆积信号恢复方法的流程示意图；
图2为符合本发明一优选实施例中PET成像设备的堆积信号恢复方法的逻辑示意图；
图3为符合本发明一优选实施例中前沿积分能量值和完整积分能量值关系示意图；
图4为符合本发明一优选实施例中参考信号波形；
图5为符合本发明一优选实施例中pile up信号波形恢复结果示意图；
图6a为符合本发明一优选实施例中正常非堆积信号的能谱示意图；
图6b为符合本发明一优选实施例中全积分的堆积信号的能谱示意图；
图6c为符合本发明一优选实施例中经过恢复处理后pile up信号中第一个信号的能谱示意图；
图6d为符合本发明一优选实施例中经过恢复处理后pile up信号中第二个信号的能谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
参阅图1及图2，示出了符合本发明一优选实施例中PET成像设备的堆积信号恢复方法的流程示意图，在该实施例中，堆积信号恢复方法包括以下步骤：
S100：基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；
前期获取大量非堆积信号，根据正确信号的能量和波形，建立能量预测查找表及参考信号查找表。也就是说，该能量预测查找表表示正常信号下，其应当表现出的时域上的能量(如图6a所示)，以及根据大量样本的统计，正常信号下，应当表现出的时域上的波形样式，以作为能量和波形的参照对象。
S200：将能量预测查找表及参考信号查找表存储入至少一个处理单元，并将每一处理单元串接形成处理单元组；
在PET成像设备内，或与PET成像设备通信连接有处理单元组，其内由至少一个处理单元串接形成，也即前级的处理单元处理完成后的信号将发送至下级处理单元继续处理。每一处理单元内存储有上述能量预测查找表及参考信号查找表，也就是说，每一处理单元对于信号的处理参照，将基于该能量预测查找表及参考信号查找表对信号处理。
S300：输入PET成像设备的实时信号至处理单元组中的第一处理单元，检测实时信号的第一峰值，并将第一峰值遍历于参考信号查找表内，以匹配一具有与第一峰值相同峰值的参考信号；
PET成像设备的实时信号将被发送至处理单元组中的第一处理单元，也即处理单元组的第一级处理单元，接收到该实时信号后，第一处理单元将检测实时信号的第一峰值，也即在时域上从前往后检测第一个峰值，作为第一峰值。获得该第一峰值后，第一处理单元将该第一峰值在参考信号查找表内遍历，首先在参考信号查找表内匹配出与第一峰值具有相同峰值的参考信号，则该参考信号表示在第一峰值相同的情况下，该实时信号可能与之前大量的信号样本之一基本匹配，也即根据大量样本的存储，可预测该实时信号的后续波形和能量。
S400：监测实时信号于第一峰值后是否单调递减；
上述预测，应当理解为非堆积信号样本的预测。主要原因在于，一般而言，对于正常非堆积信号而言，实时信号应当只具有一个峰值，而堆积信号下，则将出现多个波峰峰值。因此，在对第一峰值检测后，第一处理单元将进一步对实时信号处理，也即判断在第一峰值后，实时信号是否处于单调递减的状态，不再出现峰值。
参阅图3及图4，为正常参考信号的波形及其对应的前沿积分能量值和完整积分能量值的对应关系，作为参照对象，非堆积信号应当与其匹配。
S500：当实时信号于第一峰值后单调递减时，以第一积分时间对实时信号积分，以获得实时信号的能量积分值；
在第一处理单元对实时信号的判断结果为，在第一峰值后单调递减，即不再出现峰值时，表示该实时信号基本为非堆积信号，则在第一积分时间内对实时信号积分，从而获得正确的实时信号的完整的能量积分值。
S500’：当实时信号于第一峰值后未单调递减时，以第二积分时间对实时信号积分，并将实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至实时信号于第一峰值后单调递减；
在实时信号在第一峰值后未单调递减，也即再次出现一个或多个峰值时，表示实时信号出现堆积现象，对此，将在第二积分时间内对实时信号积分，积分所得的截止至第一峰值处的前沿积分能量将被用于遍历能量预测查找表(即暂不考虑后续峰值对于能量的影响)。对于该前沿能量值，将如完整的能量积分值般，在能量预测查找表内遍历，匹配出若后续无堆积现象，该实时信号应当具有的完整积分能量预测值(与实际发生堆积现象的完整积分能量值不同)。上述步骤，在每一峰值出现时不断执行，也就是说，每一堆积现象发生时对应的峰值，都将具有第n前沿能量值，直至最后一个堆积信号出现后，其峰值后侧单调递减。
可以理解的是，上述对于前沿积分能量预测值的不断推演，每次将在一级处理单元内执行。
S600：将参考信号与实时信号相减以获得差值信号，将差值信号输入至处理单元组的第二处理单元；
而后，在该处理单元内，将参考信号与实时信号相减，得到的差值信号为实时信号为去除第一峰值后，仅剩余后续堆积信号的信号，并将该差值信号输入值处理单元组内作为第一处理单元下级的第二处理单元继续处理。
S700：第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至差值信号于第一峰值后单调递减。
第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号，也即每一级处理单元处理一次堆积现象，计算其前沿能量预测值后去除，直至差值信号于第一峰值后单调递减。
参阅图5，通过将堆积现象拆分为多个，并在对应数量的处理单元内处理，一方面可去除堆积信号，恢复为正常的非堆积信号，另一方面可恢复得到堆积信号的总能量。
参阅图6a-6d，将正常信号、未经恢复处理的pile up能谱、以及经过恢复处理的前后两个pile up信号能谱进行对比可知，本实施例中，pile up的能谱形状比较接近正常信号的能谱，也就是说达到了恢复多个pile up信号能量的目的。
一优选实施例中，步骤S100包括：
S110：采集非堆积信号，并对非堆积信号的前沿波形和完整波形积分，以获得前沿能量积分值Erise及完整能量积分值Esum；
S120：对前沿能量积分值和完整能量积分值作平滑处理和插值处理，例如可在线下利用应用程序(如Matlab)得到前沿能量积分值和完整能量积分值的连续对应关系；
S130：将连续对应关系存储于一FPGA芯片中，形成能量预测查找表LUT1，在该实施例中，能量信息采用10位，因此建立了一个地址从0-1023的能量预测查找表LUT1。
进一步地，步骤S100还包括：
S140：采集非堆积信号，并对非堆积信号的幅值于时域内作平均处理，以获得一符合Sipm信号特征的参考信号波形；
S150：将参考信号波形的幅度转化为一固定值，并将固定值存储形成参考信号查找表LUT2。该查找表的地址数目与一次积分长度一样(本发明中为20)。根据第一个信号的峰值，即可推断出第一个信号的波形。
上述实施例中，对于某一时域时是否为第一峰值的检测，主要通过峰值检测及参考信号产生是对信号值进行实时监测实现。当出现第一峰值时，即判断是第一个信号的峰值，后利用乘法器对参考信号查找表进行增益补偿处理，输出一个峰值和第一个信号相同的参考信号。
一优选实施例中，第二积分时间为第一积分时间的两倍，即若第一积分时间为Tint(本发明一实施例中中为400ns，主要由于A/D采样周期是20ns，因此积分长度为20)，则第二积分时间为2Tint。
进一步地，堆积信号恢复方法还包括以下步骤：
S800：将一点源。例如Na22点源，靠近于一SiPM探测器模块，以获得A/D采样数据；
S900：将A/D采样数据与差值信号比较，以判断A/D采样数据与差值信号的匹配度。
通过采用逐级递减的恢复逻辑，利用前一个信号前沿预测能量，并利用数据相减方法恢复出后面的pile up信号，最终利用实际的SiPM探测器和放射源进行了初步测试。测试表明，本方案能够较为准确地恢复pile up信号，并能够提升pile up信号的能谱质量。
另一方面，本发明公开了一种PET成像设备，包括：数据库，于数据库内基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；处理单元组，与数据库连接，包括至少一个处理单元，且每一处理单元存储能量预测查找表及参考信号查找表；处理单元组中的第一处理单元接收实时信号，并检测实时信号的第一峰值，将第一峰值遍历于参考信号查找表内，以匹配一具有与第一峰值相同峰值的参考信号；第一处理单元还监测实时信号于第一峰值后是否单调递减；当实时信号于第一峰值后单调递减时，第一处理单元以第一积分时间对实时信号积分，以获得实时信号的能量积分值；当实时信号于第一峰值后未单调递减时，第一处理单元以第二积分时间对实时信号积分，并将实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至实时信号于第一峰值后单调递减；第一处理单元将参考信号与实时信号相减以获得差值信号，将差值信号输入至处理单元组的第二处理单元；第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至差值信号于第一峰值后单调递减。
又一方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的步骤。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种PET成像设备的堆积信号恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；
将所述能量预测查找表及参考信号查找表存储入至少一个处理单元，并将每一处理单元串接形成处理单元组；
输入PET成像设备的实时信号至所述处理单元组中的第一处理单元，检测所述实时信号的第一峰值，并将所述第一峰值遍历于所述参考信号查找表内，以匹配一具有与所述第一峰值相同峰值的参考信号；
监测所述实时信号于所述第一峰值后是否单调递减；
当所述实时信号于所述第一峰值后单调递减时，以第一积分时间对所述实时信号积分，以获得所述实时信号的能量积分值；
当所述实时信号于所述第一峰值后未单调递减时，以第二积分时间对所述实时信号积分，并将所述实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于所述能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至所述实时信号于所述第一峰值后单调递减；
将所述参考信号与所述实时信号相减以获得差值信号，将所述差值信号输入至所述处理单元组的第二处理单元；
所述第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至所述差值信号于第一峰值后单调递减。
2.如权利要求1所述的堆积信号恢复方法，其特征在于，
基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表的步骤包括：
采集非堆积信号，并对所述非堆积信号的前沿波形和完整波形积分，以获得前沿能量积分值及完整能量积分值；
对所述前沿能量积分值和完整能量积分值作平滑处理和插值处理，得到所述前沿能量积分值和完整能量积分值的连续对应关系；
将所述连续对应关系存储于一FPGA芯片中，形成所述能量预测查找表。
3.如权利要求2所述的堆积信号恢复方法，其特征在于，
基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表的步骤还包括：
采集非堆积信号，并对所述非堆积信号的幅值于时域内作平均处理，以获得一参考信号波形；
将所述参考信号波形的幅度转化为一固定值，并将所述固定值存储形成参考信号查找表。
4.如权利要求1所述的堆积信号恢复方法，其特征在于，
所述第二积分时间为第一积分时间的两倍。
5.如权利要求1所述的堆积信号恢复方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将一点源靠近于一SiPM探测器模块，以获得A/D采样数据；
将所述A/D采样数据与所述差值信号比较，以判断所述A/D采样数据与所述差值信号的匹配度。
6.一种PET成像设备，其特征在于，包括：
数据库，于所述数据库内基于非堆积信号建立能量预测查找表及参考信号查找表；
处理单元组，与所述数据库连接，包括至少一个处理单元，且每一所述处理单元存储能量预测查找表及参考信号查找表；
所述处理单元组中的第一处理单元接收实时信号，并检测所述实时信号的第一峰值，将所述第一峰值遍历于所述参考信号查找表内，以匹配一具有与所述第一峰值相同峰值的参考信号；
所述第一处理单元还监测所述实时信号于所述第一峰值后是否单调递减；
当所述实时信号于所述第一峰值后单调递减时，所述第一处理单元以第一积分时间对所述实时信号积分，以获得所述实时信号的能量积分值；
当所述实时信号于所述第一峰值后未单调递减时，所述第一处理单元以第二积分时间对所述实时信号积分，并将所述实时信号的能量积分值的前沿积分能量值遍历于所述能量预测查找表，以匹配出完整积分能量预测值，直至所述实时信号于所述第一峰值后单调递减；所述第一处理单元将所述参考信号与所述实时信号相减以获得差值信号，将所述差值信号输入至所述处理单元组的第二处理单元；
所述第二处理单元及处理单元组内的第n处理单元反复求取差值信号直至所述差值信号于第一峰值后单调递减。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的步骤。
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