CN112907664A - 基于fpga模块的pet探测器的图像像素位置查找方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

基于fpga模块的pet探测器的图像像素位置查找方法、系统及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法、系统及计算机可读存储介质，使用像素分区边界点方式描述查找表，相比现有技术的使用全数据点方式描述的LUT表，可实现更高的精度，同时占用的存储空间更少；将二维的查找表，拆分成2个一维表，分别用于描述一个维度(x或y)，并分别通过一个单独的RAM进行存储，相比现有技术的将xy的输入组合作为地址编码查询RAM的实现方式，可减小RAM的宽度，便于FPGA内时序的优化。

Description

基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法、系统及 计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及医疗影像处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法、系统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)是利用闪烁晶体(BGO、LYSO等)将放射源释放的伽马射线转换为可见光，然后利用光电转换装置(SiPM或者PMT等)将可见光转换为模拟电信号。前端电路对该模拟电信号处理，并送入FPGA中进行高精度的能量、时间、位置测量和校正，之后将测量结果打包上传给后端数据获取系统(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。
在PET探测器的晶体多对一与SiPM耦合中，伽马光子击中事件的位置信息由能量信息推算出来。初步计算形成的位置编码常先绘制成散点图，在图上形成和晶体尺寸M*N(M,N通常相等)对应的离散点的聚落。对这个图做校正处理后，会做像素区域划分。Voronoidiagram(维诺图)，具有在空间剖分上的等分性特征，非常适用于对PET中的位置编码进行分区处理。
为了描述不同散点归属于哪个位置的像素，通常需要将分区信息形成查找表(Lookup Table,LUT)，并把该LUT表形成易于使用通讯协议描述和传输的方式，传输给探测器主控FPGA做本地LUT表的更新，供后续数据采集时查表使用。
在探测器数据采集时，使用能量信息计算得到的原始位置编码进行查表，得到该击中事件所在的像素坐标。在现有的处理中，多是采用全数据点的描述，即对各个分区结果区域内所有的点都对应1个LUT表项，该项的值即是位置编码值。如果原始位置编码值是k比特表示，通常使用1个2的k次方的平方大小的表来逐个查原始位置编码。这种方法需要枚举方式描述一个区域内的所有点，占用的内存空间较大，而且为了压缩存储空间需要牺牲一些编码精度，这样对分区边界处的点的区分准确度就有局限。另外，全数据表方式的数据存储，在FPGA中需要很大位宽，对器件资源有一定要求，同时容易对逻辑电路的的时序形成影响。
现有实现方式多是采用全数据点方式来描述分区LUT表，即对每一个原始位置编码(xi,yi)的输入，都有一个对应项来输入xy编码。如果实现高精度的查找，LUT表必然非常大，因此必须有精度和存储空间的折衷。现有方法的实现，常将xy的输入组合作为地址编码，在FPGA中使用RAM来存储表时，而此种方法需要较大的通讯宽度，不利于资源和时序的优化。
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占用空间少、传输和查询效率高、便于FPGA内时序优化的PET探测器的图像像素位置查找方法、系统及计算机可读存储介质。
本发明公开了一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法，包括如下步骤：采集所述PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，对所述原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述y查找表包含a×(m-1)个分割点；将所述x查找表和所述y查找表分别通过单独的存储器进行储存，储存深度为a；将待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)；其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1，且a为2的整数次方。
优选地，所述将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述x查找表包含a×(m-1)个分割点包括：所述m×n个分区包括(m-1)×(n-1)分区线，其中，x方向上(m-1)条，y方向上(n-1)条；获取ix＝0的序列线与y方向上(n-1)条分区线有(n-1)个分割点，依次获取ix＝1、ix＝2...ix＝a条x方向上的序列线与y方向上(n-1)条分区线的a×(n-1)个分割点；获取iy＝0的序列线与x方向上(m-1)条分区线有(m-1)个分割点，依次获取iy＝1、iy＝2...iy＝a条x方向上的序列线与x方向上(m-1)条分区线的a×(m-1)个分割点。
优选地，所述将待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的区间xk和位置编码iy所位于的区间yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)包括：将待查找的位置编码P0的ix代入所述x查找表，获取ix纵向序列线与(n-1)条横向分区线的(n-1)个分割点；判断当iy位于(n-1)个分割点中的两个所述分割点之间时，则yk为所述位置点P0的y坐标值；将待查找的位置编码P0的iy代入所述y查找表，获取iy横向序列线与(m-1)条纵向分区线的(m-1)个分割点；判断当ix位于(m-1)个分割点中的两个所述分割点之间时，则xk为所述位置点P0的x坐标值。
优选地，所述获取位置编码ix所位于的区间xk和所述获取位置编码iy所位于的区间yk两个步骤同时进行。
优选地，所述获取所述PET探测器晶体阵列的原始数据，对所述原始数据进行分区处理获取m×n个分区包括：将所述PET探测器晶体的击中事件中的能量数据转换为位置编码；所述击中事件采用非一对一方式耦合；所述PET探测器晶体阵列为m×n的阵列；将所述位置编码归一化后绘制成散点图；对所述散点图重心处理后进行维诺分区，得到m×n个分区。
优选地，所述存储器的宽度为(m-1)*log(2)a。
本发明还提供了一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找系统，包括所述FPGA模块和查找表生成模块；所述FPGA模块采集所述PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，所述查找表生成模块对所述原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；所述查找表生成模块将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述y查找表包含a×(m-1)个分割点；所述FPGA模块包括两个存储器，所述x查找表和所述y查找表分别通过单独的所述存储器进行储存，储存深度为a；所述FPGA模块实时采集数据，并将计算出的待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)；其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1，且a为整数。
本发明还提供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，具有以下有益效果：
1.本发明使用像素分区边界点方式来描述查找表，相比现有技术的使用全数据点方式描述的LUT表，精度更高，同时占用的存储空间更少；
2.本发明将二维的查找表，拆分成2个一维表，分别用于描述一个维度(x或y)，并分别通过一个单独的RAM进行存储，相比现有技术的将xy的输入组合作为地址编码查询RAM的实现方式，可减小RAM的宽度，便于FPGA内时序的优化。
附图说明
图1为本发明提供的基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法的流程图；
图2为本发明提供的基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法的分区图；
图3为本发明提供的基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法的查找表描述图；
图4为本发明提供的基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法的储存格式图；
图5为本发明提供的基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法的步骤S4的查找方式示意图。
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。
参见附图1，本发明公开了一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法，包括如下步骤：
S1、采集PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，对原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；
S2、将m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，x查找表包含a×(n-1)个分割点，y查找表包含a×(m-1)个分割点；
S3、将x查找表和y查找表分别通过单独的存储器进行储存，储存深度为a；
S4、将待查找的位置点P0(ix，iy)代入查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)；其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1。
S1步具体为，在计算机上，将采集到的m×n的PET探测器晶体的击中事件的各能量分量数据转换为位置编码，该探测器晶体为非一对一方式耦合方式；将位置编码归一化后绘制成散点图，在该散点图上形成和晶体尺寸m×n对应的离散点的聚落；找到散点图的各个重心，根据维诺分区算法，将重心点划分到m×n个分区。
S2步具体为，m×n个分区由(m+1)×(n+1)条分区线围成，经前后归一化后，仅需储存中间的(m-1)×(n-1)条分区线，其中，x方向上(m-1)条，y方向上(n-1)条。
首先获取x方向上0～a-1中的每个序列的分割点描述：获取ix＝0的序列线与y方向上(n-1)条分区线的(n-1)个分割点，并依次获取ix＝1、ix＝2...ix＝a条x方向上的序列线与y方向上(n-1)条分区线的a×(n-1)个分割点，该a×(n-1)个分割点组成y查找表。
再获取y方向上0～a-1中的每个序列的分割点描述：获取iy＝0的序列线与x方向上(m-1)条分区线有(m-1)个分割点，依次获取iy＝1、iy＝2...iy＝a条x方向上的序列线与x方向上(m-1)条分区线的a×(m-1)个分割点，该a×(m-1)个分割点组成x查找表。
S3步骤分别通过两个单独的存储器对x查找表和y查找表进行储存，可减小RAM的宽度，便于FPGA内时序的优化。存储器的宽度为(m-1)*log(2)a，通常取99bit，深度为a，a为2的整数次方。
S4步骤将待查找的位置点P0的ix代入x查找表、iy代入y查找表，分别获取分区位置xk和yk。
具体包括：将待查找的位置点P0的ix代入x查找表,获取ix纵向序列线与(n-1)条横向分区线的(n-1)个分割点，判断当iy位于(n-1)个分割点中的两个分割点之间时，则yk为位置点P0的y坐标值；将待查找的位置点P0的iy代入y查找表，获取iy横向序列线与(m-1)条纵向分区线的(m-1)个分割点，判断当ix位于(m-1)个分割点中的两个分割点之间时，则xk为位置点P0的x坐标值。
需要说明的是，获取位置编码ix所位于的区间xk和获取位置编码iy所位于的区间yk两个步骤可以同时进行，没有先后顺序的限制，查找灵活，效率高。
下面通过一实例来具体说明。
参见附图2，采集探测器晶体阵列的原始数据，进行维诺分区处理，得到各分区边的线段，该探测器晶体阵列为12×12的阵列，且经过非1对1耦合方式，使用SiPM将光信号转换为模拟电信号，并将各能量分量数据转换为位置编码，归一化后绘制成的散点图，对该散点图局部重心处理后，进行维诺分区，得到12×12的分区。
对于12×12的分区，实际上由13×13条曲线围成，但经过前后分区线的归一化处理后，只需计算中间的11×11条曲线即可。
参见附图3，x查找表(XLUT表)描述对X轴方向的分区，即描述11条沿Y轴方向的线段Lx1～Lx11；y查找表(YLUT表)描述对Y轴方向的分区，即描述11条沿X轴方向的线段Ly1～Ly11。线段Lx1～Lx11、线段Ly1～Ly11的长度均为a，在本实施例中，a取29，即512，在其他实例中，亦可取其他数值，如256等。
沿Y轴方向画横线yi，设yi与Lx1～Lx11交叉点的横坐标分别为x1yi,x2yi……x11yi，则XLUT表的描述项为：{yi，x1yi，x2yi，……x11yi}，其中i＝0～511，分别画横线从y＝0到y＝511，得到11×511个分割点，组成XLUT表。
沿X轴方向画竖线xi，设xi与Ly1～Ly11交叉点的纵坐标分别为xi1，xiy2,……xiy11，则YLUT表的描述项为：{xi，xiy1，xiy2,……xiy11}，其中i＝0～511，分别画横线从x＝0到x＝511，得到11×511个分割点，组成YLUT表。
将描述二维网络(x，y)的查找表，拆分为两个一维的表，分别存储进XRAM和YRAM中。参见附图4，以64bit的通讯位宽来说明12×12分割线的下发方式。
首先计算所需的总通讯宽度。每条分割线采用9bit的宽度，11个中间分割点则需要99bit宽度，还包括子模块(sub-module)编号、XLUT或YLUT每行的扫描线编号、1个区别XLUT或YLUT的标志位，子模块内包含12×12个像素，子模块编号的宽度在本实施例中设计为5bit，XLUT或YLUT每行的扫描线编号共512行，共需9bit，则计算获取需要的总宽度至少为114bit。
由于本实施例的通讯线路宽度为每个cell 64位，则每个行或列的扫描线的信息分为左右两个cell来发送。其中，LR＝0表示左半部分，LR＝1表示右半部分；index＝0-511，表示分割线的编号；XY＝0时表示XLUT，XY＝1时表示YLUT；sub-m#odule表示子模块的编号；而P1-P11表示各个分割点的值。FPGA端在收到两个cell后，提取11个点的值和对应的存储地址，写到对应的RAM中进行备查。
参见附图5，具体查找方法为：对于位置编码为P0(xi，yi)，先用xi来查XLUT表，得到一个表示yi所在区间的序列{xiy1，xiy2，xiy3，……xiy11}，通过yi来确定P0(xi，yi)落于这个序列的哪个区间里，记区间编号为Yk。
同理，使用yi来查YLUT表，得到一个表示xi所在区间的序列{yi，x1yi，x2yi，……x11yi}，通过xi来确定P0(xi，yi)落于这个序列的哪个区间里，记区间编号为Xk。由此，可确定位置编码为P0(xi，yi)对应的位置坐标为P(XK，YK)。
假设有一位置点P0(380，305)，以yi＝305查YLUT检出X分割点为{31，67，108，146，177，209，249，294，349，413，467}，由于(x9＝349)<(xi＝380)<(x10＝413)，即判定xi落在第9区间内，记Xk＝9。同样的，使用xi检出XLUT表的对应行，可查得yi落在Yk＝8的区间，最后输出位置坐标P(9，8)。
本发明还提供了一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找系统，包括FPGA模块和查找表生成模块，通过FPGA模块采集PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，查找表生成模块对原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；查找表生成模块将m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，x查找表包含a×(n-1)个分割点，y查找表包含a×(m-1)个分割点；FPGA模块包括两个存储器，x查找表和y查找表分别通过单独的存储器进行储存，储存深度为a；FPGA模块实时采集数据，并将计算出的待查找的位置点P0(ix，iy)代入查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)，其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1，且a为整数。
本发明还提供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)

1.一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集所述PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，对所述原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；
将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述y查找表包含a×(m-1)个分割点；
将所述x查找表和所述y查找表分别通过单独的存储器进行储存，储存深度为a；
将待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)；其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1，且a为2的整数次方。
2.根据权利要求1所述的图像像素位置查找方法，其特征在于，所述将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述x查找表包含a×(m-1)个分割点包括：
所述m×n个分区包括(m-1)×(n-1)分区线，其中，x方向上(m-1)条，y方向上(n-1)条；
获取ix＝0的序列线与y方向上(n-1)条分区线有(n-1)个分割点，依次获取ix＝1、ix＝2...ix＝a条x方向上的序列线与y方向上(n-1)条分区线的a×(n-1)个分割点；
获取iy＝0的序列线与x方向上(m-1)条分区线有(m-1)个分割点，依次获取iy＝1、iy＝2...iy＝a条x方向上的序列线与x方向上(m-1)条分区线的a×(m-1)个分割点。
3.根据权利要求1所述的图像像素位置查找方法，其特征在于，所述将待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的区间xk和位置编码iy所位于的区间yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)包括：
将待查找的位置点P0的ix代入所述x查找表，获取ix纵向序列线与(n-1)条横向分区线的(n-1)个分割点；判断当iy位于(n-1)个分割点中的两个所述分割点之间时，则yk为所述位置点P0的y坐标值；
将待查找的位置点P0的iy代入所述y查找表，获取iy横向序列线与(m-1)条纵向分区线的(m-1)个分割点；判断当ix位于(m-1)个分割点中的两个所述分割点之间时，则xk为所述位置点P0的x坐标值。
4.根据权利要求1所述的图像像素位置查找方法，其特征在于，所述获取位置编码ix所位于的区间xk和所述获取位置编码iy所位于的区间yk两个步骤同时进行。
5.根据权利要求1所述的图像像素位置查找方法，其特征在于，所述获取所述PET探测器晶体阵列的原始数据，对所述原始数据进行分区处理获取m×n个分区包括：
将所述PET探测器晶体的击中事件中的能量数据转换为位置编码；所述击中事件采用非一对一方式耦合；所述PET探测器晶体阵列为m×n的阵列；
将所述位置编码归一化后绘制成散点图；
对所述散点图重心处理后进行维诺分区，得到m×n个分区。
6.根据权利要求1所述的图像像素位置查找方法，其特征在于，所述存储器的宽度为(m-1)*log(2)a。
7.一种基于FPGA模块的PET探测器的图像像素位置查找系统，其特征在于，包括所述FPGA模块和查找表生成模块；
所述FPGA模块采集所述PET探测器晶体阵列的多个能量分量的原始数据，所述查找表生成模块对所述原始数据归一化处理后进行分区处理获取m×n个分区；
所述查找表生成模块将所述m×n个分区沿x、y方向建立查找表，包括用于确定x方向位置的x查找表和用于确定y方向位置的y查找表，所述x查找表包含a×(n-1)个分割点，所述y查找表包含a×(m-1)个分割点；
所述FPGA模块包括两个存储器，所述x查找表和所述y查找表分别通过单独的所述存储器进行储存，储存深度为a；
所述FPGA模块实时采集数据，并将计算出的待查找的位置点P0(ix，iy)代入所述查找表，获取位置编码ix所位于的分区xk和位置编码iy所位于的分区yk，从而得到位置点P0的位置坐标(xk，yk)；其中，ix为x方向上的编码值，iy为y方向上的编码值，0≤i≤a-1，且a为整数。
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1-6中任一所述的方法的步骤。
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