PET探测器的晶体位置编码方法、系统及计算机可读存储介质与流程

pet探测器的晶体位置编码方法、系统及计算机可读存储介质
技术领域
1.本发明涉及pet探测技术领域，尤其涉及一种pet探测器的晶体位置编码方法、系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.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，并且计算击中晶体像素点的位置。
3.对于晶体与sipm 1:1耦合的系统来讲，目前主要的方法分为几种，比如通过测量基于重心法的阻容网络不同区域沉积的能量大小来实现定位，或者通过判断行列加和电阻网络的触发信号得到击中晶体的坐标等。
4.这些方法各有利弊，但是对于gamma在晶体间的散射所造成的多个晶体击中问题却缺乏较好的事例筛选机制，且这些方案一般需要大量的模拟-数字转换器(analog-digital converter，adc)或高速比较器器件，加大了系统成本。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种脉宽测量结果判断晶体击中的位置和进行晶体间散射信号筛选的pet探测器的晶体位置编码方法、系统及计算机可读存储介质。
6.本发明公开了一种pet探测器的晶体位置编码方法，基于脉宽测量，包括如下步骤：将nxn晶体阵列转化为n个x方向和n个y方向的加和电信号；将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号作为输入信号送至现场可编程逻辑门器件中，通过所述现场可编程逻辑门器件测量所述n个x方向和n个y方向的加和电信号的脉宽；通过脉宽测量结果判断晶体击中的位置。
7.优选的，所述将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号送至现场可编程逻辑门器件中，通过所述现场可编程逻辑门器件测量所述n个x方向和n个y方向的加和电信号的脉宽包括：将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号与直流电平比较，得到待测数字脉冲；所述待测数字脉冲的脉宽与所述输入信号的能量呈正相关。
8.优选的，所述将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号与直流电平比较，得到待测数字脉冲之后包括：通过时间数字转换器测量所述待测数字脉冲的脉宽。
9.优选的，所述通过时间数字转换器测量所述待测数字脉冲的脉宽包括：由锁相环产生四路预设频率、且相位差为预设角度的时钟；四路所述时钟锁存输入脉冲，得到温度计码；利用时间编码单元将温度计码的“0-1”跳变位置转换为二进制数据，作为输入信号的前
沿时刻，而“1-0”跳变位置转换为二进制数据，作为输入信号的后沿时刻；将后沿时刻与前沿时刻做差则得到所述待测数字脉冲的脉宽。
10.优选的，所述通过脉宽测量结果判断晶体击中的位置包括：当n个x方向和n个y方向的某一路信号被触发后，在一预设时间段后，判断所触发的信号的个数和位置：若所触发的信号的个数为小于等于2个，则等待输出该一个或两个信号的脉宽测量结果；并根据所述脉宽测量结果，将最宽脉宽的位置作为所击中的晶体的编号；若所触发的信号的个数大于2个，则丢弃该信号。
11.本发明还公开了一种pet探测器的晶体位置编码系统，基于脉宽测量，包括现场可编程逻辑门器件、行列加和网络模块和晶体位置编码模块；通过所述行列加和网络模块将n x n晶体阵列转化为n个x方向和n个y方向的加和电信号；将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号作为输入信号送至所述现场可编程逻辑门器件中，通过所述现场可编程逻辑门器件测量所述n个x方向和n个y方向的加和电信号的脉宽；通过所述晶体位置编码模块脉宽测量结果判断晶体击中的位置。
12.优选的，所述现场可编程逻辑门器件包括比较器单元；所述比较器单元包括设于所述现场可编程逻辑门器件输入端的缓冲器；将所述缓冲器配置成低电压差分信号模式；将所述n个x方向和n个y方向的加和电信号输入到缓冲器的正端，与负端的直流电平比较，得到待测数字脉冲；所述待测数字脉冲的脉宽与所述输入信号的能量呈正相关。
13.优选的，还包括时间数字转换器，通过所述时间数字转换器测量所述待测数字脉冲的脉宽。
14.优选的，所述时间数字转换器的数量为2个。
15.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所述晶体位置编码方法的步骤。
16.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：
17.1.本发明通过脉宽测量结果判断晶体击中的位置和进行晶体间散射事例的筛选，提高晶体位置编码精度，进而提高系统空间位置分辨率；且几乎所有的处理过程，例如比较过程、测量过程、判选过程以及编码过程等都是在fpga芯片内部完成，无需外部器件，大大降低了系统复杂度和成本。
附图说明
18.图1为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的晶体位置编码原理示意图；
19.图2为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的流程图；
20.图3为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码系统的时钟分相类型的所述时间数字转换器；
21.图4为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的晶体位置编码逻辑时序图；
22.图5为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的发生晶体间散射时的位置编码的一优选实施例；
23.图6为现有技术的触发判选机制得到的晶体间散射的位置散点图；
24.图7为现有技术的触发判选机制得到的晶体间散射的横向分布直方图；
25.图8为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的触发判选机制得到的晶体
间散射的位置散点图；
26.图9为本发明提供的pet探测器的晶体位置编码方法的触发判选机制得到的晶体间散射的横向分布直方图。
具体实施方式
27.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
28.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。
29.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。
30.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”。
31.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。
32.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。
33.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。
34.参见附图1，对于一个晶体(如lyso)和sipm 1:1耦合的系统，一个能量为511kev的原初gamma射线在晶体阵列中发生能量沉积，晶体将gamma射线的能量转换为可见光，然后紧贴晶体背面的sipm阵列将该可见光信号转换为电信号。
35.参见附图2，本发明公开了一种pet探测器的晶体位置编码方法，基于脉宽测量，包括如下步骤：
36.s100、将n x n晶体阵列的电信号转化为n个x方向和n个y方向的加和电信号；
37.s200、将n个x方向和n个y方向的加和电信号作为输入信号送至现场可编程逻辑门器件中，通过现场可编程逻辑门器件测量n个x方向和n个y方向的加和电信号的脉宽；
38.s300、通过脉宽测量结果判断晶体击中的位置。
39.对于步骤s200，具体为将n个x方向和n个y方向的加和电信号与直流电平比较，得到待测数字脉冲，该待测数字脉冲的脉宽与输入信号的能量呈正相关。
40.并且，通过时间数字转换器测量待测数字脉冲的脉宽。具体为：由锁相环产生四路预设频率、且相位差为预设角度的时钟；四路时钟锁存输入脉冲，得到温度计码；利用时间编码单元将温度计码的“0-1”跳变位置转换为二进制数据，作为输入信号的前沿时刻，而“1-0”跳变位置转换为二进制数据，作为输入信号的后沿时刻；将后沿时刻与前沿时刻做差则得到待测数字脉冲的脉宽。
41.对于步骤s300，当n个x方向和n个y方向的某一路信号被触发后，在一预设时间段后，判断所触发的信号的个数和位置：若所触发的信号的个数为小于等于2个，则等待输出该一个或两个信号的脉宽测量结果；并根据脉宽测量结果，将最宽脉宽的位置作为所击中的晶体的编号；若所触发的信号的个数大于2个，则丢弃该信号。
42.本发明还公开了一种pet探测器的晶体位置编码系统，基于脉宽测量，包括现场可编程逻辑门fpga器件、行列加和网络模块和晶体位置编码模块。
43.通过行列加和网络模块将n x n晶体阵列转化为n个x方向和n个y方向的加和电信号。将n个x方向和n个y方向的加和电信号作为输入信号送至现场可编程逻辑门fpga器件中，通过现场可编程逻辑门fpga器件测量n个x方向和n个y方向的加和电信号的脉宽。通过晶体位置编码模块脉宽测量结果判断晶体击中的位置。
44.较佳的，现场可编程逻辑门fpga器件包括比较器单元。比较器单元包括设于现场可编程逻辑门fpga器件输入端的缓冲器。将缓冲器配置成低电压差分信号(lvds)模式；将n个x方向和n个y方向的加和电信号输入到缓冲器的正端，与负端的直流电平比较，得到待测数字脉冲。该待测数字脉冲的脉宽与输入信号的能量呈正相关。
45.较佳的，现场可编程逻辑门fpga器件还包括时间数字转换器，通过两个时间数字转换器测量待测数字脉冲的脉宽。
46.下面提供一种优选实施例。
47.探测器前端模块，由一个n x n的晶体阵列和一个n x n的sipm阵列耦合形成，gamma射线在晶体中发生散射和能量沉积，转换为sipm可以探测的可见光。sipm接收该可见光然后转换为电信号。
48.行列加和网络模块将sipm输出的n x n个信号转化为n个x方向和n个y方向的加和电信号，然后送入后端的fpga器件中。
49.首先进入fpga器件中的高速比较器单元，该高速比较器单元是将fpga器件的输入端缓冲器配置成lvds模式，再将待测模拟信号输入到缓冲器的正端，与负端的直流电平比较，得到待测数字脉冲，该信号脉宽与输入信号能量正相关。
50.接着进入由2xn个时钟分相型fpga-tdc构成的信号脉宽测量单元，来测量上述数字脉冲的脉宽。
51.具体的，参见附图3，时钟分相型fpga-tdc，由fpga内部锁相环(pll)产生四路400mhz的相位差为90度的时钟，然后四路时钟用触发器阵列去锁存输入脉冲，得到温度计码(对于信号前沿类似
‘
00001111’，对于信号后沿类似
‘
11110000’)，接着利用时间编码单元将温度计码的
‘
0-1’跳变位置转换为二进制数据，作为输入信号的前沿时刻，而
‘
1-0’跳
变位置转换为二进制数据，作为输入信号的后沿时刻。再利用后端的脉宽计算单元将后沿时刻与前沿时刻做差即可得到输入信号的脉宽。
52.最后通过晶体位置编码模块利用信号脉宽测量单元输出的结果，来判断击中晶体的位置编码。具体判断过程如下：
53.s301、当8路x(或y)方向某一路信号被触发后，在一段时间(例如～50ns)后，判断触发信号的个数和位置：
54.s30101、如果触发信号的个数为1个，说明x(或y)方向有一个触发信号，然后等待这一路的信号脉宽测量单元输出；
55.s30102、如果触发信号的个数为2个，说明x(或y)方向有两个触发信号，然后等待这两路的信号脉宽测量单元输出；
56.s30103、如果触发信号的个数超过2个，说明x(或y)方向有大于两个的触发信号，这种事例所占比例较低，且不易判断准确位置，丢弃；
57.s302、获取信号脉宽测量单元的计算结果后，晶体位置编码单元根据脉宽计算结果，将出现最宽脉宽的位置作为击中晶体的编号。
58.对于步骤s302，具体的，参见附图4说明了位置编码逻辑时序过程；参见附图5示出了这种编码方式为何能够提高晶体位置编码精度(以8x8晶体阵列为例)。以x和y方向各有两个击中信号出现为例，对于x方向出现连个击中信号(坐标：3和5)和y方向出现连个击中信号(坐标：2和4)，如果不进行脉宽计算，只根据触发来判断，那么将会出现四种可能的位置组合，这将造成位置判断错误。利用本发明中的方法即可根据脉宽信息对发生散射的事件进行合理匹配，得到两个脉宽匹配的位置组合(3，4)和(5，2)。最后将携带能量最大的(3，4)作为最后的晶体位置编码结果。
59.另外，本发明以8
×
8的sipm阵列1:1耦合lyso晶体(4mm
×
4mm
×
15mm)为例进行了基于gate平台的蒙特卡洛仿真。设置点源强度为100uci，与晶体距离5cm处。晶体和放射源之间被铅隔离，只漏出其中一个晶体单元。放射源放出gamma光子在漏出的晶体中发生晶体间散射，设置能量阈值为100kev，如果有两个晶体沉积的能量超过100kev时，则认为发生了晶体间散射。然后把晶体间散射的位置散点图和横向分布直方图画出，就可以判断位置分辨率的好坏。
60.参见附图6-7，是利用现有技术的触发判选机制得到的晶体间散射的位置散点图和横向分布直方图，可见其一维的位置分辨均方根约为0.122个晶体长度，散点图焦点不明显。
61.参见附图8-9，是利用本发明提出的基于脉宽测量的晶体位置编码机制得到的晶体间散射的位置散点图和横向分布直方图，可见其一维的位置分辨均方根约为0.047个晶体长度，散点图焦点明显。
62.由此可见，相较于现有技术，本发明提出的基于脉宽测量的晶体位置编码方案可大大提高晶体位置分辨能力。
63.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晶体位置编码方法的步骤。
64.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。