CN112882084B - 非线性在线修正方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性在线修正方法、系统及计算机可读存储介质，在修正模式下，通过调节数字模拟转换器的输出，得到不同的所述类SiPM信号，获取到多个不同的所述类SiPM信号的能量值后，建立所述类SiPM信号与能量值一一对应的查找表；在正常模式下，接收探测器发出的真实的SiPM信号，根据建立的查找表对来自探测器的真实SiPM信号的能量值进行在线修正。

Description

非线性在线修正方法、系统及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及正电子发射计算机断层显像技术领域，尤其涉及一种非线性在线修正方法、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

目前基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)探测器件由于其良好的能量和时间分辨率以及磁兼容性能越来越多地应用在正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，PET)系统中。其原理是利用探测器晶体模块捕获的高能Gamma光子转化成的低能可见光信号，然后通过SiPM转换为电信号，再利用能量测量装置和时间测量装置(Time-Digital Converter,TDC)得到该电信号的能量和达到时间信息。然后利用后端的符合判选等方法筛选出有效信号，进而通过图像重建算法得到光子产生的精准位置。其中，研发高精度和高效率的能量测量装置是PET电子学研发的重点之一。

TOT计算技术由于测量精度高、电路结构简单、成本低等优势，被广泛应用于PET电子学中用于伽马光子的能量检测。但由于自身的非线性，会在能量电信号进行测量时引入误差，从而恶化系统能量分辨率性能。

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可以在线修复时间过阈计算技术非线性问题的方法、系统及计算机可读存储介质。

本发明公开了一种非线性在线修正方法，包括如下步骤：屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并输出类SiPM信号；对所述类SiPM信号进行能量积分，并实时获取与所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；获取所述数字脉冲信号的能量值，所述数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值为一组修正数据，连续获取若干组所述类SiPM信号不同的所述修正数据以构成修正表；接收来自探测器的真实SiPM信号，根据所述修正表和所述真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值。

优选地，所述屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并输出类SiPM信号包括：输入高电平，接通所述类SiPM信号的输入通道，同时断开所述真实SiPM信号的输入通道，输入低电平，接通所述真实SiPM信号的输入通道，同时断开所述类SiPM信号的输入通道；或，输入低电平，接通所述类SiPM信号的输入通道，同时断开所述真实SiPM信号的输入通道，输入高电平，接通所述真实SiPM信号的输入通道，同时断开所述类SiPM信号的输入通道。

优选地，所述对所述类SiPM信号进行能量积分，并实时获取与所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号包括：当所述类SiPM信号的电流超过第一预设阈值第一预设范围后，进入积分电容充电过程；当所述类SiPM信号小于第二预设阈值第二预设范围后，积分电容停止充电，进入放电过程；所述充电过程和所述放电过程中，输出与所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号。

优选地，所述一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值为一组修正数据，获取若干组所述修正数据构成修正表包括：多次获取同一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值，将平均值作为该所述类SiPM信号的一组修正数据；以一预设时间为时间间隔多次获取修正数据，得到若干组所述修正数据，所述修正数据的组数大于10组。

本发明还公开了一种非线性在线修正系统，包括相连接的信号选通模块、类SiPM信号产生模块、时间过阈计算模块、FPGA模块和修正表计算模块；通过所述信号选通模块屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并通过所述类SiPM信号产生模块产生并输出类SiPM信号；通过所述时间过阈计算模块对所述类SiPM信号进行能量积分，并获取与所述能量积分后的所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；所述FPGA模块获取所述数字脉冲信号的能量值，所述数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；所述修正表计算模块将一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值作为一组修正数据，连续获取若干组所述类SiPM信号不同的所述修正数据以构成修正表；所述信号选通模块接收来自探测器的真实SiPM信号，所述修正表计算模块根据所述修正表和所述真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值。

优选地，所述信号选通模块的输入端包括第一引脚和第二引脚；输入高电平时，所述第一引脚与输出端连接，所述类SiPM信号的输入通道接通，此时所述第二引脚与输出端断连，所述真实SiPM信号的输入通道断开；输入低电平时，所述第二引脚与输出端连接，所述真实SiPM信号的输入通道接通，此时所述第一引脚与输出端断连，所述类SiPM信号的输入通道断开；或，输入低电平时，所述第一引脚与输出端连接，所述类SiPM信号的输入通道接通，此时所述第二引脚与输出端断连，所述真实SiPM信号的输入通道断开；输入高电平时，所述第二引脚与输出端连接，所述真实SiPM信号的输入通道接通，此时所述第一引脚与输出端断连，所述类SiPM信号的输入通道断开。

优选地，所述时间过阈计算模块包括一积分电路，所述积分电路包括串联电阻和恒流源；当所述类SiPM信号的电流超过所述恒流源的放电电流时，所述积分电路开始对电流信号进行积分；当所述类SiPM信号小于恒流源的输出电流时，所述积分电路停止充电，并通过所述恒流源进行放电，进入放电过程；所述时间过阈计算模块还包括比较器电路，所述积分电路的充电和放电过程中，所述积分电路的输出通过所述比较器电路获得过阈的数字脉冲信号。

优选地，所述修正表计算模块多次获取同一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值，将平均值作为该所述类SiPM信号的一组修正数据；还包括数字模拟转换器，所述数字模拟转换器用于调节信号输出值，以获取若干个不同的所述类SiPM信号；不同的所述类SiPM信号的个数大于10；所述修正表计算模块以一预设时间为时间间隔多次获取不同所述类SiPM信号的修正数据，得到若干组所述修正数据。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述的方法的步骤。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明在修正模式下，通过调节数字模拟转换器的输出，得到不同的所述类SiPM信号，获取到多个不同的所述类SiPM信号的能量值后，建立所述类SiPM信号与能量值一一对应的查找表；在正常模式下，接收探测器发出的真实的SiPM信号，根据建立的查找表对来自探测器的真实SiPM信号的能量值进行在线修正。

附图说明

图1为本发明提供的非线性在线修正方法的流程图；

图2为本发明提供的非线性在线修正系统的原理图；

图3为本发明提供的非线性在线修正系统的信号选通模块的原理图；

图4为本发明提供的非线性在线修正系统的类SiPM信号产生模块的电路图；

图5为本发明提供的非线性在线修正系统的类SiPM信号产生模块的时间原理图；

图6为本发明提供的非线性在线修正系统的时间过阈计算模块的原理图；

图7为本发明提供的非线性在线修正系统的FPGA-TDC的原理图；

图8为本发明提供的非线性在线修正系统的一种优选实施例的初始查找表；

图9为本发明提供的非线性在线修正系统的一种优选实施例的最终查找表。

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。

参见附图1，本发明公开了一种非线性在线修正方法，包括如下步骤：

S1、屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并输出类SiPM信号；

S2、对类SiPM信号进行能量积分，并实时获取与类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；

S3、获取数字脉冲信号的能量值，数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；

S4、一个类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值为一组修正数据，连续获取若干组类SiPM信号不同的修正数据以构成修正表；

S5、接收来自探测器的真实SiPM信号，根据修正表和真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值。

本发明包括两个工作模式，修正模式和正常工作模式，在修正模式获取用于修订SiPM信号和其能量值的非线性关系的查找表，在正常模式通过查找表在线获取SiPM信号的能量值，以实现对SiPM信号和其能量值的非线性关系的修正。

在修正模式下输出的信号为类SiPM信号，目的是模仿真实SiPM信号以获取真实SiPM信号的能量值，从而获取用于修订SiPM信号和其能量值的非线性关系的查找表。

较佳地，通过控制电容进行充放电以产生类SiPM信号，在修正模式下输出类SiPM信号，而屏蔽真实SiPM信号；在正常模式下，输出真实SiPM信号，并进行在线修订。具体的，在本实施例中，当输入高电平时，接通类SiPM信号的输入通道，同时断开真实SiPM信号的输入通道，此时为修正模式；输入低电平，接通真实SiPM信号的输入通道，同时断开类SiPM信号的输入通道，此时为正常模式。

在其他实施例中，还可采用：输入低电平，接通类SiPM信号的输入通道，同时断开真实SiPM信号的输入通道，此时为修正模式；而输入高电平，则接通真实SiPM信号的输入通道，同时断开类SiPM信号的输入通道，此时为正常模式。

较佳地，当类SiPM信号的电流超过第一预设阈值第一预设范围后，进入积分电容充电过程；当类SiPM信号小于第二预设阈值第二预设范围后，积分电容停止充电，进入放电过程；充电过程和放电过程中，输出与类SiPM信号相对应的数字脉冲信号。

较佳地，为了保证所获取的修正数据的精度，多次获取同一个类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值，将平均值作为该类SiPM信号的一组修正数据。以一预设时间为时间间隔多次连续获取修正数据，得到若干组修正数据，组成修正查找表，修正数据的组数大于10组，更优的，大于15组，以保证查找表的有效性。

参见附图2，本发明还公开了一种非线性在线修正系统，包括：

信号选通模块，用于屏蔽来自探测器的真实SiPM信号；

类SiPM信号产生模块，用于产生并输出类SiPM信号；

时间过阈(Time-over-threshold，TOT)计算模块，用于对类SiPM信号进行能量积分，并获取与能量积分后的类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；

FPGA模块，用于获取数字脉冲信号的能量值，获取的数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；

修正表计算模块，用于连续获取若干组类SiPM信号不同的修正数据以构成修正表。

非线性在线修正系统系统上电或者接收到用户控制命令后，FPGA模块通过控制信号选通模块，屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并控制类SiPM信号产生模块的电容进行充放电以产生并输出类SiPM信号，此时系统进入非线性修正模式。类SiPM信号进入时间过阈计算模块进行能量积分，并通过比较器得到一个脉宽与输入信号能量正相关的数字脉冲信号，为后续的能量值的获取做准备。通过FPGA模块获取该数字脉冲信号的脉冲宽度，即该类SiPM模拟信号的能量值，修正表计算模块根据能量值建立SiPM模拟信号与能量值一一对应的修正表。获取到修正表后，进入正常模式，信号选通模块接收来自探测器的真实SiPM信号，修正表计算模块根据修正表和真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值，从而实现对SiPM信号和其能量值的非线性关系的修正。

较佳地，参见附图3的信号选通模块原理图，U1为开关选通器芯片，包括引脚PIN1、PIN2、PIN4、PIN6，PIN6为与FPGA模块连接的信号控制端。当PIN6管脚输入高电平时，PIN2与PIN4导通，类SiPM信号的输入通道接通，选通信号产生电路输出的类SiPM信号，电路进入修正模式，此时PIN1与PIN4断开，真实SiPM信号的输入通道断开。当PIN6管脚输入低电平时，PIN1与PIN4导通，真实SiPM信号的输入通道接通，电路进入工作模式，即输入信号为探测器捕获产生的真实模拟信号，此时PIN2与PIN4断开，类SiPM信号的输入通道断开，由此通过FPGA模块控制高低电平的输入来实现修正模式和正常模式的切换。

在其他实施例中，亦可采用输入低电平时，类SiPM信号的输入通道接通，而输入高电平时，真实SiPM信号的输入通道接通，此处不做限制。

参见附图4的类SiPM信号产生模块，U1为模拟单刀单掷开关控制器，pin4是FPGA的控制信号输入，pin1和pin2分别为开关的2个触点。PIN1脚通过R1连接DAC的输出，PIN2通过C1、C2、R2输出模拟脉冲CALI_PULSE。

电路工作原理参见附图5，T0为起始时刻，FPGA模块输入低电平到U1的PIN4，开关PIN1和PIN2之间断开，R2两端无电荷变化，无输出信号；T1时刻FPGA输入高电平，开关触点闭VREF_CALI通过电阻R1对C1充电，信号上升，直至充满；T2时刻C1电容通过R2电阻对地放电，信号下降；T3时刻，放电完成，一段延时后FPGA输入低电平，开关两端断开，模拟开关选通器准备进入下个工作周期，由此实现对FPGA模块对类SiPM信号产生模块的控制。

较佳地，时间过阈计算模块采用了有源积分和线性放电技术，参见附图6，包括二极管D1和一串联电阻R，信号输入时，有源积分的输出电压被箝位在二极管D1的管压降上，输出的电压值高于后续比较器的负端电压。

当接收到SiPM信号时，应用工作在负向放大状态的运放虚地情况，使用串接电阻R完成将电压转换为电流。当其电流远大于恒流源电流I时，二极管D1迅速截止，并开始对有源积分器上的积分电容C进行充电，此时积分器输出正向电压信号，同时输出脉冲信号。

当输入的SiPM信号小于恒流源的输出电流后，积分器上的积分电容通过恒流源I进行线性放电，得到积分器输出的电压脉冲信号。且通过比较器电路进行甄别得到脉宽与能量值成正比的过阈脉冲信号。根据系统传递函数，可证明输出的SiPM信号的脉宽与能量值成正比。

需要说明的是，脉冲信号的输出同时存在于充电和放电两个过程，在进入积分充电过程后，随即实时输出脉冲信号。

本实施例中，输入的SiPM信号的电流最大值位于百mA量级，故选取恒流源I的工作电流约为5mA。此外，为了减小二极管带来的温漂，使用相同的二极管D2分压提供比较器阈值。

根据输入信号和电路参数推算和Pspice仿真结果，本实施例中输出的脉冲信号的脉冲宽度大概为1.5us，因此后端FPGA模块的测量精度高于500ps即可满足高于1％的测量精度。

较佳地，为了提高修正精度，修正表计算模块获取同一个类SiPM信号1024个，并取其平均值。

还包括数字模拟转换器DAC，数字模拟转换器用于调节信号输出值，每次输出的信号的步进幅度为5mv，以获取若干个不同的类SiPM信号。具体的，将数字模拟转换器的初始输出值设置为20mV，控制类SiPM信号产生模块产生类SiPM信号，以10us为时间间隔多次获取不同类SiPM信号的修正数据，采用基于附图7所示的时钟分相技术的FPGA-TDC(binsize为312.5ps)完成脉宽的测量。每次将1024个测量值平均后作为地址，所产生类SiPM信号的预设能量值为数据，写入FPGA内部RAM作为查找表LUT。

在本实施例中，DAC的输出范围为20mV到300mV，以获取15组修正数据，查找表LUT参见附图8。由于脉宽信号可能会不连续的情况，本发明通过差值处理补入空缺的数据，以保证LUT的完整性，最后获取的查找表LUT参见附图9。

获取到查找表LUT后，系统进入正常工作模式，信号选通模块输出来自探测器的真实SiPM信号，并进行TOT测量，将测量数据作为地址对应查询查找表LUT内的内容，完成对SiPM信号和其能量值的非线性关系的修正。

本发明还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上述任一的方法的步骤。

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 (8)

1.一种非线性在线修正方法，用于时间过阈计算技术，其特征在于，包括如下步骤：

在修正模式下，屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并输出类SiPM信号；

对所述类SiPM信号进行能量积分，并实时获取与所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；

获取所述数字脉冲信号的能量值，所述数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；

一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值为一组修正数据，连续获取若干组所述类SiPM信号不同的所述修正数据以构成修正表；

在正常模式下，接收来自探测器的真实SiPM信号，根据所述修正表和所述真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值。

2.根据权利要求1所述的非线性在线修正方法，其特征在于，所述屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并输出类SiPM信号包括：

输入高电平，接通所述类SiPM信号的输入通道，同时断开所述真实SiPM信号的输入通道；输入低电平，接通所述真实SiPM信号的输入通道，同时断开所述类SiPM信号的输入通道；

或，输入低电平，接通所述类SiPM信号的输入通道，同时断开所述真实SiPM信号的输入通道；输入高电平，接通所述真实SiPM信号的输入通道，同时断开所述类SiPM信号的输入通道。

3.根据权利要求1所述的非线性在线修正方法，其特征在于，所述一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值为一组修正数据，获取若干组所述修正数据构成修正表包括：

多次获取同一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值，将平均值作为该所述类SiPM信号的一组修正数据；

以一预设时间为时间间隔多次获取修正数据，得到若干组所述修正数据，所述修正数据的组数大于10组。

4.一种非线性在线修正系统，用于时间过阈计算技术，其特征在于，包括相连接的信号选通模块、类SiPM信号产生模块、时间过阈计算模块、FPGA模块和修正表计算模块；

通过所述信号选通模块屏蔽来自探测器的真实SiPM信号，并通过所述类SiPM信号产生模块产生并输出类SiPM信号；

通过所述时间过阈计算模块对所述类SiPM信号进行能量积分，并获取与所述能量积分后的所述类SiPM信号相对应的数字脉冲信号；

所述FPGA模块获取所述数字脉冲信号的能量值，所述数字脉冲信号的脉冲宽度与能量值正相关；

所述修正表计算模块将一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值作为一组修正数据，连续获取若干组所述类SiPM信号不同的所述修正数据以构成修正表；

所述信号选通模块接收来自探测器的真实SiPM信号，所述修正表计算模块根据所述修正表和所述真实SiPM信号获取该真实SiPM信号的能量值。

5.根据权利要求4所述的非线性在线修正系统，其特征在于，所述信号选通模块的输入端包括第一引脚和第二引脚；

输入高电平时，所述第一引脚与输出端连接，所述类SiPM信号的输入通道接通，此时所述第二引脚与输出端断连，所述真实SiPM信号的输入通道断开；输入低电平时，所述第二引脚与输出端连接，所述真实SiPM信号的输入通道接通，此时所述第一引脚与输出端断连，所述类SiPM信号的输入通道断开；

或，输入低电平时，所述第一引脚与输出端连接，所述类SiPM信号的输入通道接通，此时所述第二引脚与输出端断连，所述真实SiPM信号的输入通道断开；输入高电平时，所述第二引脚与输出端连接，所述真实SiPM信号的输入通道接通，此时所述第一引脚与输出端断连，所述类SiPM信号的输入通道断开。

6.根据权利要求4所述的非线性在线修正系统，其特征在于，所述时间过阈计算模块包括一积分电路，所述积分电路包括串联电阻和恒流源；

当所述类SiPM信号的电流超过所述恒流源的放电电流时，所述积分电路开始对电流信号进行积分；

当所述类SiPM信号小于恒流源的输出电流时，所述积分电路停止充电，并通过所述恒流源进行放电，进入放电过程；

所述时间过阈计算模块还包括比较器电路，所述积分电路的充电和放电过程中，所述积分电路的输出通过所述比较器电路获得过阈的数字脉冲信号。

7.根据权利要求4所述的非线性在线修正系统，其特征在于，所述修正表计算模块多次获取同一个所述类SiPM信号和该类SiPM信号的能量值，将平均值作为该所述类SiPM信号的一组修正数据；

还包括数字模拟转换器，所述数字模拟转换器用于调节信号输出值，以获取若干个不同的所述类SiPM信号；不同的所述类SiPM信号的个数大于10；

所述修正表计算模块以一预设时间为时间间隔多次获取不同所述类SiPM信号的修正数据，得到若干组所述修正数据。

8.一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权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。

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