CN102944890A

CN102944890A - 基于ps-pmt的探测器信号读出方法和***

Info

Publication number: CN102944890A
Application number: CN2012104401187A
Authority: CN
Inventors: 魏龙; 黄先超; 李道武; 章志明; 马创新; 王宝义; 李琳; 帅磊; 柴培; 唐浩辉; 姜小盼; 李婷; 王晓明; 朱美玲; 庄凯; 王英杰; 刘彦韬; 张译文
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: CN102944890B

Abstract

本发明公开了一种基于多阳极位置灵敏型光电倍增管的探测器信号读出方法和***，包括：通过对称电荷分配电路将该探测器输出的M×N阵列信号转换为正交方向上的M通道信号和N通道信号；分别对该M通道信号和N通道信号进行放大成形和数字积分处理，生成处理后的M通道和N通道的积分数值；将经上述处理后的该M通道和N通道的积分数值传输到计算机端，采用局域重心法，计算各通道方向上的重心位置，从而确定γ光子在探测器上的作用位置。本发明的方案可以在获取γ事例位置信息的过程中去除无效通道带来的噪声，提高了探测器（尤其是大阵列输出探测器）的定位精度。

Description

基于PS-PMT的探测器信号读出方法和***

技术领域

本发明涉及核探测技术和核医学成像技术领域，且特别涉及基于多阳极位置灵敏型光电倍增管的探测器信号读出方法和***。

背景技术

目前基于闪烁晶体和光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）的核探测技术已被广泛应用于以正电子发射计算机断层成像（Positron EmissionComputed Tomography，PET）和单光子发射计算机断层成像（Single PhotonEmission Computed Tomography，SPECT）为代表的核医学成像领域。

作为成像过程中的起始环节，探测器的空间分辨能力直接决定了成像***的空间分辨率指标，早期的探测器采用独立晶体与单通道的PMT一对一耦合，这种方式原理简单，但由于PMT尺寸较大导致分辨率不高且几何安排非常麻烦，同时所需PMT的数量巨大，成本高昂。随后出现了使用多个PMT组成阵列与晶体阵列耦合，利用闪烁光的分配实现晶体阵列的位置分辨，空间分辨率有所提高。随着PMT技术的发展，一些专门用于位置探测的多阳极位置灵敏光电倍增管（Position Sensitive Photomultipler tube，PS-PMT）被研制出来（如Hamamatsu的H8500、H9500等）。这类PS-PMT输出阳极通常由阵列组成，与单通道的PMT相比，阵列单元的尺寸更小，空间分辨能力更高；同时PS-PMT的***死区较小，采用多个PS-PMT组成更大面积阵列时几何排布要简单得多。

无论是采用单个PS-PMT或者PS-PMT阵列，探测器的输出通常是一个M×N的阵列，一个最简单并且分辨能力最好的方法就是将这M×N通道的信号单独读出并分别进行放大成形等处理，但这样所需的数据获取***无疑是非常庞大和昂贵的。通过有效的信号读出方法对M×N通道信号进行缩减，可以在降低数据获取***负担的同时，获得较高的空间分辨能力。

现有技术中的方案通常是将M×N阵列信号转换为正交方向上的M通道信号和N通道信号。在每个方向上，分别对相应的M（或N）通道信号进行前置放大处理，再通过加法电路将各通道信号按比例权重进行分配，传输到成形放大器中进行成形处理，再传输到一板卡上进行模数转换及重心坐标的计算，其中，该加法电路通过选取不同的电阻值实现不同的权重。

对于现有技术中的方案，参与坐标计算的通道信号采用加权相加，相应的信号噪声也是M（或N）通道叠加的结果。因此，输出阵列越大，引入的噪声越多，探测器的分辨能力越差，对大规模探测器而言该方案的可拓展性较差。此外，各通道信号的分配是通过选取不同的电阻值实现不同的权重分配，而电阻器件有一定的精度误差，从而导致探测器平面图像中的线性相对较差。

因此，业内亟需一种能够在获取γ事例位置信息的过程中，可有效去除无效通道带来的噪声，提高探测器（尤其是大阵列输出探测器）的定位精度的方案。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于多阳极位置灵敏型光电倍增管的探测器信号读出方法和***。

本发明的基于多阳极位置灵敏型光电倍增管的探测器信号读出方法，包括：

步骤S1：通过对称电荷分配电路将该探测器输出的M×N阵列信号转换为正交方向上的M通道信号和N通道信号；

步骤S2：分别对该M通道信号和N通道信号进行放大成形和数字积分处理，生成M通道和N通道的积分数值；

步骤S3：根据该M通道和N通道的积分数值，采用局域重心法，计算各通道方向上的重心位置，从而确定γ光子在探测器上的作用位置。

本发明的基于多阳极位置灵敏光电倍增管探测器的信号读出***，包括：

对称电荷分配电路，用于将该探测器输出的M×N阵列信号转换为正交方向上的M通道信号和N通道信号；

处理模块，用于分别对该M通道信号和N通道信号进行放大成形和数字积分处理，生成M通道和N通道的积分数值；

计算模块，用于根据该M通道和N通道的积分数值，采用局域重心法，计算各通道方向上的重心位置，从而确定γ光子在探测器上的作用位置。

本发明提出的信号读出方法可以在获取γ事例位置信息的过程中有效去除无效通道带来的噪声，提高了探测器（尤其是大阵列输出探测器）的定位精度。

附图说明

图1a为本发明的基于PS-PMT的探测器信号读出方法的流程图，

图1b所示为基于PS-PMT的探测器信号读出方法的具体示意图；

图2为本发明技术方案中的SCD电路的示意图；

图3为本发明技术方案中的数字积分的示意图；

图4为本发明技术方案中的通道筛选的示意图；

图5为本发明实施例的探测器散点图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及所附附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供了一种基于PS-PMT的探测器信号读出方法，该方法可以在获取γ事例位置信息的过程中去除无效通道带来的噪声，并提高探测器（尤其是大阵列输出探测器）的定位精度。

参见图1a所示为本发明的基于PS-PMT的探测器信号读出方法的流程图，图1b所示为该方法的具体示意图。结合图1a和图1b进行说明，该方法包括：

步骤S1：通过对称电荷分配电路将该探测器输出的M×N阵列信号转换为正交方向上的M通道信号和N通道信号。

在该步骤中，设探测器的输出阳极为M×N阵列的阳极信号，（其中，M和N为自然数，如M为50，N为40，M和N的值与探测器的性能相关。）通过对称SCD电路（Symmetric Charged Division，电荷分配电路）（如图2所示为SCD电路的示意图），将其转换为正交方向上的M通道信号（A₁、A₂、…、A_M）和N通道信号（B₁、B₂、…、B_N）。

步骤S2：分别对该M通道信号和N通道信号进行放大成形和数字积分处理，生成处理后的M通道和N通道的积分数值。

本步骤中，分别对A₁、A₂、…、A_M和B₁、B₂、…、B_N信号作放大成形和数字积分处理（如图3所示），得到各通道的积分值y₁、y₂、…、y_M和x₁、x₂、…、x_N。参见图3，图中的a）所示为探测器输出的模拟信号经过放大成形后的波形，数字积分如图中的b）所示，就是按一定的时钟周期将该波形划分成等间距的时间间隔，并对每个时间间隔内波形的幅度值求和的过程。以探测器输出的通道信号为电压信号V为例，则对该电压信号V进行积分即将电压信号V的波形划分成等间距的时间间隔，并对每个时间间隔内的电压信号V的波形的幅度值进行求和的过程。

步骤S3：将经上述处理后的该M通道和N通道的积分数值传输到计算机端，采用局域重心法，计算各通道方向上的重心位置，从而确定γ光子在探测器上的作用位置。

本步骤中，将积分值y₁、y₂、…、y_M和x₁、x₂、…、x_N传输到计算机，采用TCOG算法计算重心坐标，从而确定γ事例在探测上的作用位置。以x₁、x₂、…、x_N为例，采用TCOG算法的计算流程如下：

1）对N通道积分值求和∑x_i=x₁+…+x_N，取和值的一定比例为阈值x₀，计算公式为：x₀=（∑x_i）/b；其中b的值可以根据探测需求进行设定。

2）通道筛选（如图4）：将各通道积分值（x_i）与阈值（x₀）进行比较，若x_i＞x₀，则令x_i为x_i-x₀；若x_i≤x₀，则令x_i为0；

如图4所示，图4中的a）为某一方向上的24通道信号积分值的分布图，其中边缘通道的信号幅度很小，主要为噪声，虚线代表计算得到的阈值；图4中的b）为阈值比较后的24通道信号积分值的分布图，从图上可以看到通过阈值比较，边缘通道信号噪声被剔除，只有局部区域的通道信号被保留下来参与位置计算。

3）重心坐标计算。

对于x方向上的重心坐标X的计算公式为：X=（∑i×x_i）/∑x_i，其中i为通道编号，对于x方向，i取值为1到N，x_i为对应该通道的积分值。

对y方向的通道信号进行处理和重心计算的方法与x方向相同，此处不再赘述。

基于上述的技术方案，本发明的一种基于PS-PMT探测器的信号读出方法的实施例如下：

探测器由NaI闪烁晶体阵列（75×75）与3×3的H8500（Hamamatsu）光电倍增管阵列组成。晶体单元为1.8mm×1.8mm×6mm，晶体间隔0.2mm，整个探测器输出阳极阵列的大小为24×24。在Na-22源照射下，按照本方案计算每次探测到的事例的重心坐标，并绘制得到如图5所示的散点图，如图5所示，散点图上点与点之间的分开情况反映了探测器的空间分辨能力，可从该图中看出本发明能够具有较好的空间分辨能力。

本发明的技术方案的有益效果如下：

（1）本发明技术方案中通道筛选的对象为各通道的数字积分值，所进行的计算也是线性的数值计算，减少了模拟信号处理方式下电子元器件带来的噪声，提高了探测器的性能。

（2）与现有技术相比，本发明技术方案中的通道筛选和重心坐标计算均在计算机端完成，由此避开了电子学处理的局限性，可拓展性强。

（3）本发明技术方案中的阈值在计算机端设定，使得探测器的调试更加方便和灵活。

此外，本发明技术方案中参与TCOG计算的y₁、y₂、…、y_M和x₁、x₂、…、x_N是对各自通道信号波形的数字积分值。由于各通道信号的波形基本一致，波形的峰值与数字积分值成正比关系，因此作为替代方案，也可以直接选取各自通道信号波形的峰值进行局域重心法计算。

本发明还提供了一种基于多阳极位置灵敏光电倍增管探测器的信号读出***，包括：

其中，该计算模块可以为一计算机，以避免电子学处理的局限性，提高可拓展性。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多阳极位置灵敏型光电倍增管的探测器信号读出方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将该M通道和N通道的积分数值传输到计算机端，由计算机端计算各通道方向上的重心的坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该局域重心法的计算方法为：对于同一方向上的M通道信号或N通道信号，取各通道积分值的累加和值的一预定比例作为阈值，将各通道积分值与该阈值进行比较，若一通道积分值小于该阈值，则直接将该通道积分值置为零；若一通道积分值大于该阈值，则取该通道积分值与该阈值的差作为该通道的积分值；根据各通道的积分值，计算各通道方向上的重心的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算其中的一通道方向上的重心坐标X的方法为：X=（∑i×x_i）/∑x_i，其中i为通道编号，x_i为对应该通道的积分值。

5.一种基于多阳极位置灵敏光电倍增管探测器的信号读出***，其特征在于，包括：

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述计算模块为一计算机，该处理模块将该M通道和N通道的积分数值传输到该计算机，由该计算机计算各通道方向上的重心的坐标。

7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，该局域重心法的计算方法为：对于同一方向上的M通道信号或N通道信号，取各通道积分值的累加和值的一预定比例作为阈值，将各通道积分值与该阈值进行比较，若一通道积分值小于该阈值，则直接将该通道积分值置为零；若一通道积分值大于该阈值，则取该通道积分值与该阈值的差作为该通道的积分值；根据各通道的积分值，计算各通道方向上的重心的坐标。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，计算其中的一通道方向上的重心坐标X的方法为：X=（∑i×x_i）/∑x_i，其中i为通道编号，x_i为对应该通道的积分值。