一種脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多電壓閾值采樣技術(shù)的脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高能粒子探測(cè)領(lǐng)域以及正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emiss1n Tomography,簡(jiǎn)稱PET)等核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域需要完成伽馬光子信息的探測(cè)，通常利用閃爍晶體將伽馬光子轉(zhuǎn)變成可見光光子，再用光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成閃爍脈沖電信號(hào)，最終經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路提取閃爍脈沖電信號(hào)所包含的對(duì)應(yīng)伽馬光子的信息。
[0003]計(jì)數(shù)性能是高能粒子探測(cè)器的基礎(chǔ)性能指標(biāo)之一，反映了系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能采集到的事件數(shù)量極限。在諸如高輻射通量宇宙射線探測(cè)以及短半衰期放射性示蹤劑、動(dòng)態(tài)掃描等高活度、高靈敏度要求的核醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中，將對(duì)高能粒子探測(cè)器的計(jì)數(shù)性能極限提出甚高要求。
[0004]而隨著探測(cè)器的計(jì)數(shù)率升高，閃爍脈沖的堆積現(xiàn)象將越發(fā)嚴(yán)重，并成為影響探測(cè)器性能和計(jì)數(shù)極限的主要原因。脈沖堆積定義為:同一個(gè)探測(cè)通道在一個(gè)閃爍脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)探測(cè)到兩個(gè)以上的伽馬光子事件。脈沖堆積使得多個(gè)閃爍脈沖波形重疊，影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)每個(gè)閃爍脈沖信息的獨(dú)立求取，將造成計(jì)數(shù)丟失、能量信息惡化和位置信息惡化等一系列問題，嚴(yán)重惡化高計(jì)數(shù)率下探測(cè)器的性能表現(xiàn)。
[0005]為解決高計(jì)數(shù)率下脈沖堆積引發(fā)的探測(cè)器性能惡化問題，研究人員提出了多種方法，如動(dòng)態(tài)積分方法:對(duì)兩個(gè)脈沖觸發(fā)的時(shí)間間隔進(jìn)行檢測(cè)，若在一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)有第二個(gè)脈沖到來，則結(jié)束對(duì)第一個(gè)脈沖的積分，并通過脈沖模型對(duì)第一個(gè)脈沖未完成積分的部分進(jìn)行估算，在第一個(gè)脈沖積分值上加上該估算值，并從第二個(gè)脈沖的積分值中減去該估算值，最終得到堆積兩個(gè)脈沖的實(shí)際積分值，參見文獻(xiàn)[I]。
[0006]文獻(xiàn)[2]中提出的數(shù)字化單事件信息恢復(fù)(Digital Single EventReconstruct1n，簡(jiǎn)稱DiSER)方法可看作對(duì)動(dòng)態(tài)積分方法的改進(jìn)，DiSER方法基于閃爍脈沖的模型進(jìn)行堆積事件中單個(gè)脈沖的信息恢復(fù)，該脈沖模型由一個(gè)快速上升的上升沿和一個(gè)指數(shù)衰減的下降沿構(gòu)成。DiSER方法通過對(duì)采樣得到的一幀數(shù)字化脈沖波形求導(dǎo)，確定閃爍脈沖的個(gè)數(shù)和發(fā)生時(shí)刻的間隔，兩個(gè)閃爍脈沖上升沿之間的采樣點(diǎn)，被認(rèn)為是前一個(gè)脈沖的下降沿并被用于重建其全部下降沿，在求取后一個(gè)閃爍脈沖的波形時(shí)將減去該下降沿，以恢復(fù)堆積事件中各個(gè)脈沖的真實(shí)波形。
[0007]另一種思路是將打入探測(cè)器的伽馬光子看作一個(gè)沖激函數(shù)，而將探測(cè)器視作一個(gè)黑盒系統(tǒng)，并根據(jù)其構(gòu)成具有特定的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)，將探測(cè)器輸出到電子學(xué)的閃爍脈沖電信號(hào)視作沖激函數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積后的結(jié)果，考慮到噪聲的存在，無法通過解析的方式求解出原脈沖，可引入迭代的方法從閃爍脈沖電信號(hào)中恢復(fù)出伽馬光子的信息。由于將探測(cè)器視作一個(gè)整體系統(tǒng)考慮，該方法從工作原理上不受限于特定的脈沖形狀，且由于恢復(fù)后的脈沖持續(xù)時(shí)間相當(dāng)短，適用于超高計(jì)數(shù)率的探測(cè)器應(yīng)用，參見文獻(xiàn)[3]。
[0008]另一些研究工作針對(duì)脈沖堆積引起的基線漂移進(jìn)行處理，如[4]中對(duì)堆積引起的基線漂移問題，采用了統(tǒng)計(jì)基線值的分布的方法:由于電路白噪聲符合高斯分布而閃爍脈沖的拖尾符合泊松分布，同時(shí)考慮到即使在高活度下，無脈沖拖尾影響的點(diǎn)仍然為整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，簡(jiǎn)稱ADC)采樣波形中的絕大部分，即從基線值得統(tǒng)計(jì)分布上可以分辨出無脈沖基線構(gòu)成的高斯峰，該高斯峰的均值即為當(dāng)前的基線值，因此通過實(shí)時(shí)更新一個(gè)ADC采樣波形中基線部分的基線庫，并統(tǒng)計(jì)其幅值分布，可追蹤當(dāng)前基線值并反饋到脈沖采樣端進(jìn)行基線校正。
[0009]動(dòng)態(tài)積分方法和DiSER方法在應(yīng)用于位置敏感型的探測(cè)器時(shí)，將面臨一個(gè)伽馬光子事件所產(chǎn)生的多個(gè)同源閃爍脈沖信號(hào)的處理同步問題，如位置敏感型光電倍增管(Photomultiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT)接收到伽馬光子后將產(chǎn)生一組包含位置信息的角脈沖信號(hào)，且同組的角脈沖信號(hào)波形存在差異，采用上述方法很可能造成只有部分脈沖能夠得到觸發(fā)和后續(xù)處理，且由于各角脈沖信號(hào)獨(dú)立觸發(fā)，造成觸發(fā)時(shí)刻不同步，惡化能量及位置信息的求取精度。此外，以上兩種方法需要采集完成一定時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀后再進(jìn)行數(shù)據(jù)回放來確定堆積脈沖的發(fā)生時(shí)刻，不能在探測(cè)器上進(jìn)行堆積脈沖的實(shí)時(shí)處理。
[0010]利用探測(cè)器系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)和迭代算法進(jìn)行脈沖恢復(fù)的方法對(duì)數(shù)字化閃爍脈沖過程的采樣率有較高要求，且迭代算法耗時(shí)較多，使得該方法在需要實(shí)時(shí)處理的探測(cè)器及系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)存在困難。
[0011]基于脈沖基線值統(tǒng)計(jì)的脈沖堆積基線漂移處理方法的基線更新過程需要一定響應(yīng)時(shí)間，只能減輕脈沖拖尾造成的基線漂移影響，無法在發(fā)生脈沖堆積時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)的恢復(fù)處理。
[0012]因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種改良結(jié)構(gòu)的脈沖堆積實(shí)時(shí)處理方法，以克服上述缺陷。
[0013][I]Lewellen T K ；Bice A N ；Pollard K R, et al."Evaluat1n of a ClinicalScintillat1n Camera with Pulse Tail Extrapolat1n Electronics, 〃The Journal ofNuclear Medicine, vol.30, n0.9, pp.1554-1558，1989.
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[0015][3]Z.Z.Deng ；Q.G.Xie ；Z.ff.Duan and P.Xiao, ^Scintillat1n event energymeasurement via a pulse model based iterative deconvolut1n method, ^Phys.Med.B1l, vol.58, pp.7815, 2013.
[0016][4]H.D.Li ；C.Wang ；Baghaei Η.；Y.X.Zhang ；Ramirez R.；S.T.Liu ；S.H.An ；Wa1-Hoi Wong, 〃A New Statistics-Based Online Baseline Restorer for a HighCount-Rate Fully Digital System, ^IEEE Transact1ns on Nuclear Science,vol.57, n0.2, pp.550-555, April 2010.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多電壓閾值采樣(Mult1-voltageThreshold,簡(jiǎn)稱MVT)技術(shù)的脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法，該方法簡(jiǎn)潔高效，易于在探測(cè)器級(jí)別的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，在低采樣率的情況下仍然能夠較優(yōu)的堆積脈沖信息恢復(fù)效果。
[0018]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0019]一種脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法，其包括步驟:
[0020]S1:獲取非堆積脈沖數(shù)字波形數(shù)據(jù)庫，生成脈沖下降沿的數(shù)字波形查詢表，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；
[0021]S2:在進(jìn)行有堆積脈沖的數(shù)據(jù)采集時(shí)，利用多電壓閾值采樣方法完成堆積脈沖的識(shí)別和脈沖信號(hào)處理過程的觸發(fā)；
[0022]S3:在脈沖信號(hào)處理過程中，利用已采集的未堆積部分脈沖信息查找數(shù)字波形表以獲得因脈沖堆積未正確采樣部分的信息，完成了堆積脈沖的實(shí)時(shí)處理。
[0023]上述的脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法，優(yōu)選地，所述步驟SI包括步驟:
[0024]Pl:在無堆積脈沖的情況下，用多電壓閾值采樣方法作為采集正常脈沖的觸發(fā)信號(hào);
[0025]P2:觸發(fā)后用固定時(shí)間間隔采樣(Regular-time sampling，均簡(jiǎn)稱RTS)方法進(jìn)行脈沖波形的采樣，得到閃爍脈沖數(shù)字波形；
[0026]P3:提取閃爍脈沖數(shù)字波形庫中各個(gè)閃爍脈沖的下降沿的幅值變化情況，并生成對(duì)應(yīng)的擬合基線值查詢表和擬合能量值查詢表；
[0027]P4:將上述表存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0028]上述的脈沖堆積事件實(shí)時(shí)處理方法，優(yōu)選地，所述步驟S2包括步驟:
[0029]Pl:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)高計(jì)數(shù)下的閃爍脈沖電信號(hào)進(jìn)行采集，由于閃爍脈沖具有一定持續(xù)時(shí)間，且出現(xiàn)時(shí)間不固定，因此相距過近的兩個(gè)或多個(gè)閃爍脈沖將發(fā)生脈沖堆積；
[0030]P2:閃爍脈沖電信號(hào)分別被MVT方法采樣，MVT方法利用多個(gè)電壓閾值與閃爍脈沖波形快速上升沿進(jìn)行電壓比較，無論該脈沖是否為堆積脈沖都能在其上升沿得到電平翻轉(zhuǎn)信號(hào);
[0031 ] P3:將MVT方法得到的電平翻轉(zhuǎn)信號(hào)作為脈沖的識(shí)別信號(hào)，觸發(fā)RTS方法對(duì)脈沖進(jìn)行采樣和數(shù)字積分求取脈沖能量信息。
[003