WO2015074313A1 - 一种时间标记组合的方法与系统 - Google Patents

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WO2015074313A1
WO2015074313A1 PCT/CN2013/090390 CN2013090390W WO2015074313A1 WO 2015074313 A1 WO2015074313 A1 WO 2015074313A1 CN 2013090390 W CN2013090390 W CN 2013090390W WO 2015074313 A1 WO2015074313 A1 WO 2015074313A1
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time
time stamp
atomic
combination
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PCT/CN2013/090390
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English (en)
French (fr)
Inventor
邓贞宙
谢庆国
Original Assignee
苏州瑞派宁科技有限公司
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2985—In depth localisation, e.g. using positron emitters; Tomographic imaging (longitudinal and transverse section imaging; apparatus for radiation diagnosis sequentially in different planes, steroscopic radiation diagnosis)

Definitions

  • the present invention relates to the field of digital signal processing, photoelectric signal processing, and nuclear detection, and more particularly to a method and system for event arrival time stamp combination.
  • the working mechanism of the detector part is mainly divided into two types: one is to convert high-energy photons into lower-energy photons or ultraviolet high-energy photons through scintillators, and directly through semiconductor materials such as cadmium (hereinafter referred to as CZT) Converted into electrical signals.
  • CZT cadmium
  • the PET system that introduces time information can simultaneously acquire the attenuation data and the transmission data, shortening the scanning time and reducing the complexity of the hardware system. And the system can simultaneously image several mice at the same time without aliasing.
  • the usual practices are: a. Select a crystal with faster decay. b. Select a photomultiplier tube with smaller dispersion time and higher quantum efficiency. c. Optimize the time stamping method. Practices a and b are usually given, so practice c is a common concern in the industry.
  • LED Leading Edge Discrimination
  • CFD Constant Fraction Discrimination
  • DLED Digital Leading Edge Discrimination
  • DCFD Digital Constant Fraction Discrimination
  • FPGA Field Programmable Logic Array
  • DSP Digital Signal Processor
  • ADC analog to digital converters
  • PMT fast rise time
  • the flicker pulse signal output time of the output is usually 1 ⁇ 20 ns, and the pulse duration is 200 ns.
  • the ADC sampling rate used in the DCFD method should be at least 1,000.
  • the level of megasamples per second Giga Samples Per Second, GSPS).
  • GSPS giga Samples Per Second
  • the average pulse model method (Mean PMT Pulse Model, MPM), Maximum Rise Interpolation (MRI), and Initial Rise Interpolation (IRI) are based on ADC sampling. Digital pulse time extraction methods also fall into the contradiction between high sampling rate requirements and high time resolution performance.
  • the object of the present invention is to provide a time stamp combination method and system, which can effectively combine several original time stamps or event shape fluctuation properties, and find out in the measurable digital quantities.
  • a component associated with time information that enhances the resolution of time stamps.
  • the present invention provides the following technical solutions:
  • a method of time stamp combination comprising the steps of:
  • S1 collecting data to obtain a system digital measurement value, and establishing a database for the measurement value
  • the combined time stamp is a combination of a plurality of atomic time stamps and event shape fluctuation properties.
  • the sum of all atomic time stamp sums in the combined time stamp is equal to 1.
  • the weight coefficient of the event shape fluctuation attribute is any real value that is not zero.
  • the weight coefficients of the atomic time stamp and the weight coefficients of the event shape fluctuation attribute constitute all parameter sets of the combined time stamp.
  • the low activity point source is used in the step S1 as a standard for database establishment.
  • a time stamp combination system comprising a low dose pre-acquisition data module, a digital identification module, a digital variance calculation module, and a time stamp combination parameter calculation module, wherein
  • the dose pre-acquisition data module is configured to store the pre-acquisition low-count rate digital quantity;
  • the digital quantity identification module is configured to identify whether the digital quantity output by the pre-acquisition digital quantity module is an atomic time mark or a shape fluctuation event attribute;
  • a digital variance calculation module for calculating a covariance matrix of the atomic time stamp and determining parameters of the combined time stamp
  • the time stamp combination parameter calculation module is used to test and run the obtained time stamp parameters. It can be seen from the above technical solution that the time time resolution of the system is effectively improved by adopting the time stamp combination method and system of the present invention, and is particularly suitable for time acquisition of a digital nuclear instrument.
  • FIG. 2 is a system structural diagram of a combined time stamping system of the present invention
  • Figure 3 is a scintillation pulse sample of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a leading edge time stamp according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of front and rear time stamping according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a time difference spectrum of multi-convolution/leading edge discrimination according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a time difference spectrum of front and rear edge discrimination according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic view of a typical system of the present invention.
  • FIG 12 is a schematic illustration of another exemplary system of the present invention.
  • DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention discloses a time stamp combination method and system, which can effectively implement the event arrival time marking and improve the time resolution of the module and the system.
  • the method for time stamp combination disclosed by the present invention establishes a database by using the collected digital quantity, and the established database is used for training and testing the combination of atomic time stamps.
  • the specific method steps are as follows:
  • S1 collecting data to obtain system digital measurement values, and establishing a database for the measured values
  • the time stamp combination is given according to the least squares criterion.
  • a low activity point source is used in the step SI as a standard for database establishment.
  • the parameterized time stamp is trained by using the system digital quantity generated by the low activity point source, and the parameters of the output time stamp are trained. When testing or using this time stamp, use a different sample.
  • the data obtaining system may be a readout system of a preamplifier and a pulse shaping circuit plus an equal interval analog-to-digital converter, or may be a preamplifier shaping system read by multiple comparators (for example, a multi-voltage threshold) read out).
  • the established database generally requires that the type of the attribute of the pulse is greater than or equal to 2, and the number of samples is greater than 1000.
  • the atomic time stamp amount and the shape fluctuation statistic are identified by comparing with the true value.
  • the true value of the time stamp can be calculated from the position of the source. This real value is the standard at the time of training.
  • the attribute (or pulse characteristic) is an atomic time stamp amount.
  • this attribute is the shape fluctuation statistic.
  • shape Fluctuation statistics and atomic time stamps are provided to S3, which is also part of the time stamp combination and is also a property of the pulse. Pulse properties include atomic time stamp properties and shape fluctuation properties.
  • the covariance matrix contains the association between the respective attributes.
  • these associations become a priori knowledge of the weights in the combination of the principles.
  • the least squares criterion in S4 uses the covariance matrix.
  • the combined time stamp is a combination of a plurality of atomic time stamps and event shape fluctuation properties.
  • the weight of all atomic time stamp sums in the combined time stamp is equal to 1.
  • This condition is a constraint.
  • the solution is searched for by least squares. This solution contains all the parameters of the time stamp.
  • the weight coefficient of the event shape fluctuation property is any real value that is not zero.
  • the weighting coefficients of the atomic time stamp and the weighting coefficients of the event shape fluctuation attribute constitute all parameter sets of the combined time stamp.
  • Combined time stamping whose weight coefficient is selected according to least squares
  • the time stamp combination system disclosed in the present invention includes a low dose pre-acquisition data module 100, a digital quantity identification module 200, a digital variance calculation module 300, and a time stamp combination parameter calculation module 400.
  • the dose pre-acquisition data module 100 is configured to store the pre-acquired low count rate digital quantity.
  • This low count rate digital quantity can be an already disclosed time stamping method or other digital quantity that affects the time stamping method.
  • the digital identification module 200 is configured to identify whether the digital quantity output by the pre-acquisition digital quantity module 100 is an atomic time stamp or a shape fluctuation event attribute.
  • the digital variance calculation module 300 is configured to calculate a covariance matrix of the atomic time stamp and determine parameters of the combined time stamp.
  • the time stamp combination parameter calculation module 400 is configured to test and run the obtained time stamp parameters.
  • the invention will be further understood in conjunction with the drawings, as shown in Figures 3-10.
  • the rise time of the pulse is about 0.7 ns
  • the time constant of the falling edge is about 22 ns, which is an electrical pulse output by the R9800, by a high-speed oscilloscope. DPO71604 acquisition.
  • Figure 4 is the flicker pulse data after the alignment operation in the database of the present invention. These pulses are aligned on the time of arrival and plotted on a timeline. From the envelope of this batch of data, the main noise type of the scintillation pulse can be inferred.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of multiple leading edge time stamps according to an embodiment of the present invention.
  • Multiple leading edge time stamping is a special case of multi-threshold time discrimination.
  • the encoding part only considers the rising edge of the faster change, and ignores the influence of the falling edge on the time performance.
  • the form of this marking method is shown in the figure and includes a comparator array, a logic signal acquisition unit, and an interpolation or correction module.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a multi-convolution/leading edge time stamp according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-convolution/leading edge time stamp is to add an analog convolution module before the leading edge discrimination.
  • the coding part only considers the rising edge of the faster change, and ignores the influence of the falling edge on the time performance.
  • This analog convolution module can be combined by a RC circuit or by a differential line and subtraction circuit.
  • Typical multi-convolution/frontier screening The form of the time stamping method is shown in the figure, including a CFD array, a logic signal acquisition unit, and an interpolation or correction module.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of multiple front and rear edge time stamps according to an embodiment of the present invention.
  • Multiple front-and-back-edge time-marking is a special case of multi-threshold time discrimination.
  • the coding part not only considers the fast-changing rising edge, but also considers the influence of the falling edge on the time performance.
  • the form of this marking method is shown in the figure and includes a comparator array, a logic signal acquisition unit, and an interpolation or correction module.
  • FIG. 8 is a time difference spectrum of multiple frontier discrimination according to an embodiment of the present invention, and this time difference spectrum is given by the system of FIG. 5.
  • Fig. 9 is a time difference spectrum of multi-convolution/leading edge discrimination according to an embodiment of the present invention, and this time difference spectrum is given by the system of Fig. 6.
  • Fig. 10 is a time difference spectrum of multiple front and rear edge discrimination according to an embodiment of the present invention, and this time difference spectrum is given by the system of Fig. 7.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a typical system in accordance with the working mode of the present invention
  • FIG. 12 is a schematic diagram of another typical single-channel working mode system of the present invention.
  • 500 represents a scintillation pulse
  • 600 represents a source
  • 700 represents a photomultiplier tube
  • 800 represents a digital oscilloscope.
  • the method and system of the time stamp combination of the present invention will be further described with reference to Figures 3, 11, and 12 through several specific embodiments.
  • the method and system for time stamp combination proposed by the present invention relates to parameters and filter design that need to be adjusted according to the characteristics of the acquired data to achieve good energy resolution performance and short pulse duration.
  • the parameters of the application embodiment processing data involved are listed here.
  • the actual system used in step (1) was the use of LaBr crystals and Hamamatsu R9800 PMT.
  • the crystal size is 10.0 mm x l0.0 mm x l0.0 mm.
  • the crystal and PMT coupling faces are 100 faces, and the other faces are wrapped with metal except for the coupling faces.
  • the data acquisition system has a sampling rate of 50 Ghz and a bandwidth of 16 Ghz.
  • the coincidence time is about 2ns and the energy window is about 400-600keV.
  • Step (2) uses the leading edge discrimination of multiple voltage threshold parameters as an atomic marker.
  • Step (3) Each time an atomic time stamp is added, the time stamp is incremented each time to maximize the time resolution. When the increased time resolution is greater than lps, stop adding additional LED leading edge thresholds.
  • step (4) test and use, the combined time stamp parameters obtained by (3) are applied.
  • the actual system used in step (1) was the use of LaBr crystals and Hamamatsu R9800 PMT.
  • the crystal size is 10.0 mm x l0.0 mm x l0.0 mm.
  • the crystal and PMT coupling faces are 100 faces, and the other faces are wrapped with metal except for the coupling faces.
  • the data acquisition system has a sampling rate of 50 Ghz and a bandwidth of 16 Ghz.
  • the coincidence time is about 2ns and the energy window is about 400-600keV.
  • Step (2) uses a fixed 4 CFD digital quantities and 4 EN-LED digital quantities.
  • step (4) test and use, the combined time stamp parameters obtained by (3) are applied.
  • the actual system used in step (1) was the use of LaBr crystals and Hamamatsu R9800 PMT.
  • the crystal size is 10.0 mm x l0.0 mm x l0.0 mm.
  • the crystal and PMT coupling faces are 100 faces, and the other faces are wrapped with metal except for the coupling faces.
  • the data acquisition system has a sampling rate of 50 Ghz and a bandwidth of 16 Ghz.
  • the coincidence time is about 2ns and the energy window is about 400-600keV.
  • Step (2) uses a fixed 4 leading edge over threshold time digital quantities and 4 trailing edge over threshold time digital quantities.
  • step (4) test and use, the combined time stamp parameters obtained by (3) are applied.
  • the method and system of the present invention can be used for nuclear detection, nuclear analysis, nuclear medicine instruments in the context of high count rates.
  • the measurable digital quantities are provided by low dose point source data and stored as a database. These digital databases reflect various basic time stamps and events The coupling relationship of shape fluctuation properties.
  • the optimization equation is solved by adding constraints.
  • the variables to be optimized in this optimization equation are the parameters of the combined time stamp.
  • the time resolution is improved, and the image quality can be improved by introducing time information in the reconstruction, so that some incomplete data detection geometry that cannot be realized by the conventional PET can be accurately reconstructed, so that the The life spectrum of the electronic annihilation life utterance has a higher bandwidth and can detect some short-lived physical processes.
  • a good enough time of flight (TOF) information can be used to treat the attenuation coefficient as a constant.
  • TOF time of flight
  • the detectable particle count rate can be increased at the same coincidence rate, and the likelihood function broadening of the list data can be reduced.
  • better time resolution can make many new applications possible, such as: dynamic PET scanning, attenuation data and transmission data acquisition simultaneously.
  • the system time resolution is effectively improved, and it is particularly suitable for time acquisition of digital nuclear instruments.

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Abstract

一种时间标记组合方法，其包括步骤：采集数据获得系统数字量测量值，并为测量值建立数据库；识别原子时间标记量和形状涨落统计量；估计每个原子时间标记的协方差矩阵；根据最小二乘准则给出时间标记组合。还提供了一种时间标记组合系统，其包括低剂量预采集数据模块、数字量识别模块、数字量方差计算模块和时间标记组合参数计算模块。通过采用上述时间标记组合方法与系统，有效地提高了系统时间分辨率，特别适合于数字式核仪器的时间获取。

Description

一种时间标记组合的方法与系统 本申请要求于 2013 年 11 月 19 日提交中国专利局、 申请号为 201310583127.6、 发明名称为 "一种时间标记组合的方法与系统" 的中国专利 申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域
本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域， 尤其涉及一种事 件到达时间标记组合的方法与系统。
背景技术
在正电子寿命谱仪、 正电子角度 -动量关联分析仪等核分析领域， 双符合 高能粒子甄别器等核探测领域， 以及正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography, 以下筒称 PET )等医学影像领域， 探测器部分的工作机理主要 分为两种：一种是通过闪烁体将高能光子转化为能量较低的可见光子或紫外光 高能光子通过碲辞镉（以下筒称 CZT )等半导体材料直接转化为电信号。 以 上两种工作机理下的探测器输出均为电信号。
PET系统中， 较好的时间分辨率可以提升系统的性能， 扩大应用范围。 首 先， 当时间分辨率足够好时（例如小于 800皮秒） ， 根据两个电脉沖的到达 时间差推断发生正电子湮灭的位置， 这个位置的值满足高斯分布， 这个分布的 半高全宽小于 12cm (对应于 800皮秒） 。 这个位置信息的引入， 对于提高图 像信噪比有明显的作用。 其次， 优良的时间分辨率还有利于更好的拒绝散射， 提高系统噪声等效计数。再次， 时间差携带了符合事件在沿着响应线（Line Of Response, 筒称 LOR ) 方向的定位能力， 所以引入了时间信息的 PET图像重 建可以减少对投影数据的完备性要求， 实现不完全数据图像重建。 再次， 引入 时间信息的 PET 系统， 可以同时获取衰减数据和发射数据， 缩短扫描时间， 减少了硬件系统的复杂度。 并且使系统可以同时对几只小鼠进行单独成像， 而 不发生混叠。 为了提高系统的时间分辨率，通常的做法有： a、选用衰减更快的晶体。 b、 选用渡越时间分散更小、 量子效率更高的光电倍增管。 c、 优化时间标记方法。 做法 a和 b通常是给定的， 所以做法 c是业内普遍关心的问题。
前沿甄别器（ Leading Edge Discrimination , 以下筒称 LED )是 PET数据 获取系统中获取脉沖到达时间的一种最筒单的时间标记方式。通过设置一个基 准电压，当脉沖电压幅值超过该电压基准时，将该时间值表征单事件到达时间。 这种方法由于实现筒单，噪声引起的时间抖动小而广泛应用于处理脉沖上升沿 较为陡峭且幅值变化较小的情形中。 不足的是， 该方法容易受到脉沖幅度和上 升沿斜率的涨落的影响而产生时间游走， 造成时间标记的准确率下降。
为了消除由于脉沖幅度引起的时间游走现象，有人提出了一种恒比甄别器 ( Constant Fraction Discrimination , 以下筒称 CFD ) 的方法。 它是将闪烁脉沖 分为两路信号， 一路信号经过 CFD的衰减端进行衰减反相， 另一路信号经过 CFD 的延迟端进行固定时间的延迟； 然后延迟和衰减反相信号相加产生一个 双极性信号，并由 CFD中的过零甄别器对这个双极性信号的过零点进行检测。 该过零时刻即是 CFD时间标记的事件到达时刻。通过对 CFD中的延迟时间和 衰减比例进行优选， CFD 能够较好地消除由脉沖幅度和上升时间涨落引起的 定时误差， 从而使 PET数据获取系统获得较好的时间性能。
无论是 LED方法还是 CFD方法，在传统的时间获取系统中它们都是在模 拟电路中发展起来的。这些模拟电路的性能参数往往会随着时间、温度和工作 环境的变化而产生漂移， 在实际系统中难以保持在高性能的状态。 特别地， 对 于 PET这样具有成千上万探测通道的系统来说， 对这些性能参数的校正无疑 是巨大的挑战。
随着数字技术的迅猛发展， 数字前沿甄别器 （Digital Leading Edge Discrimination, 以下筒称 DLED )和数字恒比甄别器（ Digital Constant Fraction Discrimination, 以下筒称 DCFD )也逐渐成为重要的时间标记方法。 这两种数 字时间标记方法能够灵活地在可编程阵列 （ Field Programmable Logic Array, 以下筒称 FPGA )、 数字信号处理器（Digital Signal Processor, 以下筒称 DSP ) 等数字器件中实现， 但是它们的性能却很大程度上会受到模数转换器 ( Analog-to-Digital Convector, 以下筒称 ADC )采样率的限制。 这是因为目前 的 PET探测器通常倾向于选择衰减时间常数较小的闪烁晶体和上升时间较快 的光电倍增管 （Photo Multiplier Tube, 以下筒称 PMT )来获取优异的时间性 能和计数率性能。 以 LSO/PMT这样主流的闪烁探测器为例， 其输出的闪烁脉 沖信号上升时间通常为 l~20 ns, 脉沖持续时间为 200 ns。 如果采用 DCFD方 法获取脉沖的到达时间， 而且在不对闪烁脉沖进行滤波处理的情况下，要达到 与 CFD方法相同或者接近的时间性能， 那么在 DCFD方法中使用的 ADC采 样率就至少要达到 1千兆样本每秒（ Giga Samples Per Second, 筒称 GSPS )的 水平。 然而， 这种高采样率 ADC的使用无疑将使 PET在陷入成本高、 超高数 据吞吐和处理的困境。 同样的， 平均脉沖模型法（Mean PMT Pulse Model, 筒 称 MPPM ) 、 最大上升插值法（Maximum Rise Interpolation, 筒称 MRI ) 以及 初始上升插值法（ Initial Rise Interpolation, 筒称 IRI )等基于 ADC采样的数字 脉沖时间提取方法也会陷入高采样率需求与高时间分辨性能的矛盾境地。
因此， 针对上述技术问题， 有必要针对能够获取的数字量， 提供一种新的 时间标记方法与系统， 以克服上述缺陷。 发明内容
有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种时间标记组合方法与系统， 该方法 与系统能有效地组合原有的若干个时间标记或事件形状涨落属性，在可以测量 到的数字量中发掘和时间信息有关联的成分， 提升时间标记的分辨率。
为实现上述目的， 本发明提供如下技术方案：
一种时间标记组合的方法， 其包括步骤：
S1: 采集数据获得系统数字量测量值， 并为测量值建立数据库；
S2: 识别原子时间标记量和形状涨落统计量；
S3: 估计每个原子时间标记的协方差矩阵；
S4: 根据最小二乘准则给出时间标记组合。
优选的，在上述时间标记组合方法中， 所述组合的时间标记是若干个原子 时间标记和事件形状涨落属性的组合。 优选的，在上述时间标记组合方法中， 所述组合的时间标记中所有原子时 间标记加和的权重等于 1。
优选的，在上述时间标记组合方法中， 所述事件形状涨落属性的权重系数 为任意一个不为零的实数值。
优选的，在上述时间标记组合方法中， 所述原子时间标记的权重系数和事 件形状涨落属性的权重系数构成组合的时间标记的所有参数集合。
优选的， 在上述时间标记组合方法中， 所述步骤 S1中采用低活度的点源 用作数据库建立的标准。
一种时间标记组合的系统， 其包括低剂量预采集数据模块、数字量识别模 块、 数字量方差计算模块及时间标记组合参数计算模块， 其中，
剂量预采集数据模块， 用于对预采集的低计数率数字量进行存储； 数字量识别模块，用于识别预采集数字量模块输出的数字量是原子时间标 记还是形状涨落事件属性；
数字量方差计算模块， 用于计算原子时间标记的协方差矩阵，确定组合时 间标记的参数；
时间标记组合参数计算模块， 用于测试和运行得到的时间标记参数。 从上述技术方案可以看出， 通过采用本发明的时间标记组合方法与系统， 有效提高了系统时间分辨率， 特别适合于数字式核仪器的时间获取。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是：
( 1 ) 时间分辨率变好， 即与时间分辨率有关的成像模式输出图像质量提 高， 与时间分辨率有关的事件甄别准确率变高；
( 2 )对不同的闪烁探测器系统适应性好。 附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案 ,下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单地介绍，显而易见地， 下面描述 中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 图 1为本发明组合的时间标记方法的流程图；
图 2为本发明组合的时间标记系统的系统结构图；
图 3为本发明的闪烁脉沖样本；
图 4为本发明数据库中的对齐操作后的闪烁脉沖数据;
图 5为本发明实施实例的前沿甄别时间标记示意图；
图 6为本发明实施实例的多卷积 /前沿甄别时间标记示
图 7为本发明实施实例的前后沿时间标记示意图；
图 8为本发明实施实例的前沿甄别的时间差谱；
图 9为本发明实施实例的多卷积 /前沿甄别的时间差谱
图 10为本发明实施实例的前后沿甄别的时间差谱；
图 11为本发明一种典型系统的示意图；
图 12为本发明另一种典型系统的示意图。 具体实施方式 本发明公开了一种时间标记组合方法与系统，该方法与系统能有效地实现 事件到达时间的标记， 提升模块及系统的时间分辨率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详 细地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的 实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动 的前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
如图 1所示，本发明公开的时间标记组合的方法通过已经采集的数字量建 立数据库， 建立的数据库用于训练和测试原子时间标记的组合方式， 具体的方 法步骤为：
S1 : 采集数据获得系统数字量测量值， 并为测量值建立数据库；
S2: 识别原子时间标记量和形状涨落统计量；
S3: 估计每个原子时间标记的协方差矩阵；
S4: 根据最小二乘准则给出时间标记组合。 所述步骤 SI中采用低活度的点源用作数据库建立的标准。 先利用低活度 点源产生的系统数字量对参数化的时间标记进行训练，训练输出时间标记的各 项参数。 测试或使用该时间标记时， 采用不同的另一份样本。
所述步骤 S1中， 数据获得系统可以是前置放大器和脉沖成形电路加等间 距模拟数字转换器的读出系统，也可以是前置放大整形由多比较器读出的系统 (例如多电压阈值读出）。
所述步骤 S1 中， 对建立的数据库一般要求脉沖的属性种类大于等于 2, 样本数大于 1000。
所述步骤 S2中， 原子时间标记量和形状涨落统计量是通过与真实值比较 来识别的。 在训练阶段， 时间标记的真实值可以通过射源的位置计算得到。 这 个真实值是训练时的标准。
所述步骤 S2中， 当一个属性的期望值对射源位置的导数等于 2/c, 则这个 属性（或脉沖特征 )是原子时间标记量。 当一个属性的期望值对射源的导数等 于零， 则这个属性是形状涨落统计量。 当一个属性的期望值对射源的导数不等 于零也不等于 1 , 则这个属性是形状涨落统计量和原子时间标记的组合。 形状 涨落统计量和原子时间标记同时提供给 S3 , 它也是时间标记组合中的一部分， 也是脉沖的属性。 脉沖属性包括原子时间标记属性和形状涨落属性。
所述步骤 S3中， 协方差矩阵包含了各个属性之间的关联， 在选择各个原 子时间标记和形状涨落时， 这些关联成为原则它们的组合中的权重的先验知 识。 S4中最小二乘准则要用到协方差矩阵。
所述步骤 S4中， 所述组合的时间标记是若干个原子时间标记和事件形状 涨落属性的组合。
所述步骤 S4中， 所述组合的时间标记中所有原子时间标记加和的权重等 于 1。 这个条件是约束， 在满足约束的情况下， 以最小二乘为目标， 搜索这个 解。 这个解包含了时间标记所有的参数。
所述事件形状涨落属性的权重系数为任意一个不为零的实数值。
所述原子时间标记的权重系数和事件形状涨落属性的权重系数构成组合 的时间标记的所有参数集合。组合的时间标记其权重系数的选择根据最小二乘 准则， 或者是包含了最小二乘项的其他目标函数， 例如在误差的 L2范数上增 加 L1范数， 或者其它范数， 都落入要保护的范围内。
如图 2所示， 本发明公开的时间标记组合的系统， 其包括低剂量预采集数 据模块 100、 数字量识别模块 200、 数字量方差计算模块 300及时间标记组合 参数计算模块 400。
剂量预采集数据模块 100, 用于对预采集的低计数率数字量进行存储。 这 个低计数率数字量可以是已经公开的时间标记方法或者是和影响时间标记方 法的其他数字量。
数字量识别模块 200, 用于识别预采集数字量模块 100输出的数字量是原 子时间标记还是形状涨落事件属性。
数字量方差计算模块 300, 用于计算原子时间标记的协方差矩阵， 确定组 合时间标记的参数。
时间标记组合参数计算模块 400 , 用于测试和运行得到的时间标记参数。 如图 3至图 10所示， 结合附图对本发明进行进一步理解。
图 3为本发明的闪烁脉沖样本， 该脉沖的上升时间在 0.7ns左右， 下降沿 的时间常数（衰减至 1/e的时间） 约为 22ns, 是一个由 R9800输出的电脉沖， 由高速示波器 DPO71604采集。
图 4为本发明数据库中的对齐操作后的闪烁脉沖数据。这些脉沖对齐到达 时间后， 同时画在一个时间轴上。从这批数据的包络线可以筒单的推断出闪烁 脉沖的主要噪声类型。
图 5为本发明实施实例的多前沿甄别时间标记示意图。多前沿甄别时间标 记是多阈值时间甄别的一种特例， 其编码部分只考虑变化较快的上升沿， 而忽 略下降沿对时间性能的影响。这种标记方法的形式如图中所示， 包括比较器阵 列、 逻辑信号采集单元和插值或校正模块。
图 6为本发明实施实例的多卷积 /前沿甄别时间标记示意图。 多卷积 /前沿 甄别时间标记是在前沿甄别之前加一个模拟卷积模块，其编码部分只考虑变化 较快的上升沿， 而忽略下降沿对时间性能的影响。这个模拟卷积模块可以由阻 容电路组合而成， 也可以由差分线和减法电路实现。 典型的多卷积 /前沿甄别 时间标记方法的形式如图中所示， 包括 CFD阵列、 逻辑信号采集单元和插值 或校正模块。
图 7为本发明实施实例的多前后沿时间标记示意图。多前后沿甄别时间标 记是多阈值时间甄别的一种特例， 其编码部分不仅考虑变化较快的上升沿， 而 且考虑下降沿对时间性能的影响。这种标记方法的形式如图中所示， 包括比较 器阵列、 逻辑信号采集单元和插值或校正模块。
图 8 为本发明实施实例的多前沿甄别的时间差谱， 这个时间差谱由图 5 的系统给出。
图 9为本发明实施实例的多卷积 /前沿甄别的时间差谱， 这个时间差谱由 图 6的系统给出。
图 10为本发明实施实例的多前后沿甄别的时间差谱， 这个时间差谱由图 7的系统给出。
如图 3、 图 11及图 12所示， 图 11为本发明一种符合工作模式典型系统 的示意图， 图 12为本发明另一种单通道工作模式典型系统的示意图。 其中， 500代表闪烁脉沖， 600代表射源， 700代表光电倍增管， 800代表数字示波器。 结合图 3、 图 11及图 12, 通过几个具体的实施例， 对本发明时间标记组合的 方法与系统做进一步描述。本发明提出的时间标记组合的方法与系统， 其涉及 到的参数、滤波器设计需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的能量 分辨性能和较短的脉沖持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参 数。
实例 1 :
此处列出本实施例处理数据的参数：
步骤（ 1 )所用的实际系统为使用 LaBr晶体和 Hamamatsu R9800 PMT。 晶体尺寸为 10.0mmxl0.0mmxl0.0mm。 晶体和 PMT耦合面为 100面， 除开耦 合面外，其他面均用金属包裹。数据获得系统的采样率为 50Ghz,带宽 16Ghz。 射源为 511kev 的正电子湮灭伽马光子。 符合时间约为 2ns , 能量窗约为 400-600keV o
步骤（2 )采用多个电压阈值参数的前沿甄别作为原子标记。 步骤（ 3 )每次增加一个原子时间标记， 每次增加的时间标记使时间分辨 率最多。 当增加的时间分辨率大于 lps时， 停止增加额外的 LED前沿阈值。
步骤（4 )测试和使用时， 应用 （3 )所得到的组合时间标记参数。
实例 2:
此处列出本应用实例 2处理数据的参数：
步骤（ 1 )所用的实际系统为使用 LaBr晶体和 Hamamatsu R9800 PMT。 晶体尺寸为 10.0mmxl0.0mmxl0.0mm。 晶体和 PMT耦合面为 100面， 除开耦 合面外，其他面均用金属包裹。数据获得系统的采样率为 50Ghz,带宽 16Ghz。 射源为 511kev 的正电子湮灭伽马光子。 符合时间约为 2ns , 能量窗约为 400-600keV o
步骤（ 2 )采用固定的 4个 CFD数字量和 4个 EN-LED数字量。
步骤（4 )测试和使用时， 应用 （3 )所得到的组合时间标记参数。
实例 3:
此处列出本应用实例处理数据的参数：
步骤（ 1 )所用的实际系统为使用 LaBr晶体和 Hamamatsu R9800 PMT。 晶体尺寸为 10.0mmxl0.0mmxl0.0mm。 晶体和 PMT耦合面为 100面， 除开耦 合面外，其他面均用金属包裹。数据获得系统的采样率为 50Ghz,带宽 16Ghz。 射源为 511kev 的正电子湮灭伽马光子。 符合时间约为 2ns , 能量窗约为 400-600keV o
步骤（ 2 )采用固定的 4个前沿过阈值时间数字量和 4个后沿过阈值时间 数字量。
步骤（4 )测试和使用时， 应用 （3 )所得到的组合时间标记参数。
本发明的方法和系统可以用于高计数率背景下的核探测、核分析、核医学 仪器。 确定组合的时间标记参数。通过低剂量点源数据提供可测量的数字量， 并将这 些数字量存储为数据库。这些数字量的数据库反映了各种基本时间标记和事件 形状涨落属性的耦合关系。 以最小二乘准则的目标函数为主， 通过附加约束， 求解最优化方程。 这个优化方程中待优化的变量是组合的时间标记的参数。
本发明公开的时间标记组合的方法与系统中，提高时间分辨率， 进而可以 通过在重建中引入时间信息提升图像质量， 使一些传统 PET不能实现的不完 全数据探测几何能够实现精确重建，使正电子湮灭寿命语仪输出的寿命谱具有 更高的带宽， 并可以探测一些短寿命物理过程。 在衰减校正中， 引入了足够好 的飞行时间 （ Time of Flight , 筒称 TOF )信息可以把衰减系数当作常数。 在 其他的一些利用双符合、反符合、 多符合的探测装置中， 可以在相同符合率下 增大可以探测的粒子计数率， 减小列表数据的似然函数展宽。 另外， 时间分辨 率变好也可以使诸多新应用变为可能， 例如： 动态 PET扫描， 衰减数据和发 射数据同时获取。
通过采用本发明的时间标记组合方法与系统， 有效提高了系统时间分辨 率， 特别适合于数字式核仪器的时间获取。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是：
( 1 ) 时间分辨率变好， 即与时间分辨率有关的成像模式输出图像质量提 高， 与时间分辨率有关的事件甄别准确率变高；
( 2 )对不同的闪烁探测器系统适应性好。
对于本领域技术人员而言， 显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本发明。 因此， 无论从哪一点来看， 均应将实施例看作是示范性的， 而且是非 限制性的， 本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定， 因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化嚢括在本发明内。不应将权 利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外， 应当理解， 虽然本说明书按照实施方式加以描述， 但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合， 形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

权 利 要 求
1、 一种时间标记组合的方法， 其特征在于： 包括步骤：
S1 : 采集数据获得系统数字量测量值， 并为所述测量值建立数据库； S2: 识别原子时间标记量和形状涨落统计量；
S3: 估计每个原子时间标记的协方差矩阵；
S4: 根据最小二乘准则给出时间标记组合。
2、 根据权利要求 1所述的时间标记组合的方法， 其特征在于： 所述组合 的时间标记是若干个原子时间标记和事件形状涨落属性的组合。
3、 根据权利要求 1所述的时间标记组合的方法， 其特征在于： 所述组合 的时间标记中所有原子时间标记加和的权重等于 1。
4、 根据权利要求 1所述的时间标记组合的方法， 其特征在于： 所述事件 形状涨落属性的权重系数为任意一个不为零的实数值。
5、 根据权利要求 1所述的时间标记组合的方法， 其特征在于： 所述原子 时间标记的权重系数和事件形状涨落属性的权重系数构成组合的时间标记的 所有参数集合。
6、 根据权利要求 1所述的时间标记组合的方法， 其特征在于： 所述步骤 S1中采用低活度的点源用作数据库建立的标准。
7、 一种时间标记组合的系统， 其特征在于： 包括低剂量预采集数据模块、 数字量识别模块、 数字量方差计算模块及时间标记组合参数计算模块， 其中， 剂量预采集数据模块， 用于对预采集的低计数率数字量进行存储； 数字量识别模块，用于识别预采集数字量模块输出的数字量是原子时间标 记还是形状涨落事件属性；
数字量方差计算模块， 用于计算原子时间标记的协方差矩阵，确定组合时
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