CN108169789B - 一种获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置 - Google Patents

一种获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置，其电压比较器与探测器模块通信连接并接收探测器模块发送的闪烁脉冲信号；DAC与电压比较器通信连接并向其发送阈值信息；电压比较器将符合阈值信息的闪烁脉冲信号发送至计数器；控制与存储单元与计数器连接并存储和记录计数信息，控制与存储单元还与DAC连接并存储和记录阈值信息。方法包括以下步骤：设置DAC的阈值并将计数器清零；利用计数器记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过阈值的脉冲数；再次设置DAC的阈值，将计数器清零后记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过阈值的脉冲数，重复直至阈值为0。本发明能有效降低PET、SPET等***的成本和复杂度，降低***对计算资源和时间的需求。

Description

一种获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置
技术领域
本发明涉及辐射探测以及数字成像领域，更具体地涉及一种获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置。
背景技术
正电子发射断层成像(positron emission tomography，简称PET)、单光子发射计算机断层成像(single-photon emission computed tomography，简称SPECT)等核医学影像设备中，需要测量入射伽马粒子的能量大小信息以便甄别伽马粒子穿过物体时是否发生过康普顿散射。伽马粒子的能量大小无法直接测量，通常利用闪烁探测器将其转换为相应的电脉冲信号，通过测量电脉冲信号的幅度(或积分值)大小的方式获取伽马粒子的能量大小。这一获取过程中需要对电脉冲的幅度(或积分值)大小与粒子的能量大小进行系数标定，找出某一能量所对应的电脉冲幅值(或积分值)。所探测的伽马粒子的能量大小则依据这一系数通过线性变换将其所对应的脉冲幅值(或积分值)大小转换为粒子能量大小。
发生过康普顿散射的事件通常通过设置合适的能量窗进行甄别。在甄别过程中，标定系数的获取是关键。该系数通常利用能谱进行标定，以PET***为例，图1为PET***其中一个探测器通道所形成的能谱图，其中横坐标为电脉冲的幅度(或积分值)大小，纵坐标为事件数目，图1中能量分辨率为11％，能量峰值为28190。依据图1的能谱图进行系数标定，标定系数为511keV/28190，伽马粒子的能量大小可以通过公式x×511keV/28190进行计算，其中x为伽马粒子对应电脉冲的积分值。若PET***采用350keV-750keV能量窗进行康普顿事件甄别，即能量积分值在350keV/(511keV/28190)和750keV/(511keV/28190)之间的伽马粒子均会被认为是未经过康普顿散射而直接到达探测器的。
现有技术中，能谱图的获取通常会先利用模数转换器(analog-to-digitalconverter，简称ADC)采集并记录一段时间内每个电脉冲的幅值(或积分值)的大小，随后依据记录下来的幅值进行分段统计并最终形成能谱图。现有技术中的能量窗的设置与康普顿散射事件的甄别则是在上述能谱的基础上标定出线性变换系数，然后设置相应的能量窗。随后对记录下的电脉冲的幅值(或积分值)依据所设置的能量窗进行筛选，记录下位于能量窗范围内的事件。
然而，现有技术中需要使用高速、高精度的ADC预先采集一段时间内的每个电脉冲的幅度(或积分值)，而且能量窗的筛选通常需要通过软件进行，会占用一定的计算资源与时间，不仅成本较大，而且处理速度不够快捷。
发明内容
本发明的目的是提供一种获取能谱的方法、装置以及设置能量窗的装置，从而解决现有技术中利用ADC获取能谱以及设置能量窗时成本高且处理速度慢的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的获取能谱的装置，包括：电压比较器，所述电压比较器与探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；数字模拟转换器，所述数字模拟转换器与所述电压比较器通信连接并向所述电压比较器发送阈值信息；计数器，所述计数器与所述电压比较器连接，所述电压比较器将符合所述阈值信息的闪烁脉冲信号发送至所述计数器；以及控制与存储单元，所述控制与存储单元与所述计数器连接并存储和记录来自于所述计数器的计数信息，所述控制与存储单元还与所述数字模拟转换器连接并存储和记录所述数字模拟转换器的所述阈值信息。
根据本发明的一个实施例，所述装置通过与所述计数器连接的FPGA导出数据。
根据本发明的一个实施例，所述电压比较器采用低电压差分信号接口。
本发明提供的获取能谱的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将数字模拟转换器的阈值设置为En并将计数器清零；
步骤S2：利用所述计数器记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En的脉冲数x1，并将该数据记录为Nn，其中n为自然数；
步骤S3：将所述数字模拟转换器的阈值设置为En-1＝En-a，其中，a为正数，将所述计数器清零后记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En-1的脉冲数x2，并将该数据记录为Nn-1＝x2-Nn；
步骤S4：将所述数字模拟转换器的阈值设置为En-2＝En-1-b，其中，b为正数，将所述计数器清零后记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En-2的脉冲数x3，并将该数据记录为Nn-2＝x3-Nn-1。
步骤S5：重复步骤S4，直至Em＝0，其中，m为自然数，且m小于n。
根据本发明的一个实施例，所述闪烁脉冲的幅值范围为0-H毫伏，所述数字模拟转换器的动态范围为0-J毫伏，H和J均为正数，且J大于H。
根据本发明的一个实施例，在上述步骤S1中，所述数字模拟转换器的阈值En设置为0-J毫伏之间的任意值。
根据本发明的一个实施例，所述J的取值为500，所述阈值En设置为500。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，所述T时间段的取值范围介于1毫秒和1秒之间。
根据本发明的一个实施例，所述T时间段的取值范围为10毫秒、20毫秒、30毫秒或者40毫秒。
根据本发明的一个实施例，以En为横坐标，Nn为纵坐标所画出的曲线即为能谱的曲线。
本发明提供的获取能谱及设置能量窗的装置，包括：第一电压比较器，所述第一电压比较器与探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；第一数字模拟转换器，所述第一数字模拟转换器与所述第一电压比较器连接并向所述第一电压比较器发送第一阈值信息；第二电压比较器，所述第二电压比较器与所述探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；第二数字模拟转换器，所述第二数字模拟转换器与所述第二电压比较器连接并向所述第二电压比较器发送第二阈值信息；数字化单元，所述数字化单元与所述探测器模块连接并将所述闪烁脉冲信号数字化；逻辑判断单元，所述逻辑判断单元分别与所述第一电压比较器以及所述第二电压比较器连接以接收符合阈值条件的闪烁脉冲信号，所述逻辑判断单元同时与所述数字化单元连接以输出符合阈值条件的数字化闪烁脉冲信号；阈值设置单元，所述阈值设置单元分别与所述第一数字模拟转换器以及所述第二数字模拟转换器连接以发送阈值设置信息；以及数据打包/传输单元，所述数据打包/传输单元与所述逻辑判断单元连接。
根据本发明的一个实施例，所述装置通过与所述数据打包/传输单元连接的FPGA导出数据。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括主控单元，所述主控单元与所述阈值设置单元连接并向所述阈值设置单元发送设置指令。
根据本发明的一个实施例，所述第一、第二电压比较器采用低电压差分信号接口。
本发明提供的获取能谱和设置能量窗的方法及装置，通过逐个设置阈值电压并记录相应数据的方式实现能谱数据的获取方法，利用阈值电压比较的方式实现康普顿事件的甄别，在能谱获取的过程中避免了高速、高精度的ADC使用，能有效降低PET、SPET等***的成本和复杂度；同时，通过阈值比较的方式实现了能量窗甄别，降低了PET、SPET等***对计算资源和时间的需求。
附图说明
图1是根据现有技术的PET***的某一个通道所获取的能谱图；
图2是根据本发明的一个实施例的获取能谱的结构示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的获取能谱及设置能量窗的装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
图2为根据本发明的一个实施例的获取能谱的装置的结构示意图，由图2可知，本发明中的能谱获取电路包括电压比较器2、计数器3、数字模拟转换器(Digital to analogconverter，简称DAC)4和控制与存储单元5，其中，电压比较器2与外部的探测器模块(图中未示)连接并接收探测器模块发送的闪烁脉冲信号1，DAC4与电压比较器2连接并向电压比较器2发送阈值信息，电压比较器2与计数器3连接并且根据阈值信息将符合的闪烁脉冲发送至计数器3进行计数，计数器3与控制与存储单元5连接并将计数信息发送至控制与存储单元5，另外，DAC4与控制与存储单元5连接以接收控制与存储单元5发送的阈值数据。另外，本发明中的计数器3可与外部的FPGA(图中未示)或者数据导出设备连接以进行数据显示或处理。
利用图2所示的装置进行能谱获取时，DAC4的动态范围需超过闪烁脉冲的幅值范围。将闪烁脉冲1的幅值范围记为0-H毫伏，DAC4的动态范围记为0-J毫伏，J和H均为正数，J大于H，则本发明中获取能谱和设置能量窗的方法包括以下步骤：
步骤S1：将DAC4的阈值设置为En并将计数器清零；
步骤S2：利用计数器3记录T时间段内闪烁脉冲1的幅值超过En的脉冲数x1，并将该数据记录为Nn；
步骤S3：将DAC4的阈值设置为En-1＝En-LSB，其中，LSB(least significant bit)为DAC4的最低有效位，将计数器3清零后记录T时间段内闪烁脉冲1的幅值超过En-1的脉冲数x2，并将该数据记录为Nn-1＝x2-Nn；
步骤S4：将DAC4的阈值设置为En-2＝En-1-LSB，将计数器3清零后记录T时间段内闪烁脉冲1的幅值超过En-2的脉冲数x3，并将该数据记录为Nn-2＝x3-Nn-1；
步骤S5：重复步骤S4，直至Em＝0。
在上述步骤S1中，DAC的阈值可根据需要设置为0-J毫伏之间的任何值。在本领域的具体实践中，优选地将En设置为不小于H的数值，比如，若闪烁脉冲1的幅值范围介于0-500毫伏之间，则优选地将En设置为500毫伏。
在上述步骤S2中，T的取值范围介于1毫秒和1秒之间，优选地，T取10毫秒、20毫秒、30毫秒或者40毫秒。
按照上述步骤，N将会被控制与存储单元5记录形成一个1024(2的10次方)长度的一位数组，其中Nn的数值表示单位时间内闪烁脉冲的幅值介于En和En+1范围内的脉冲数。将控制与存储单元5中记录的数据导出以后，以En为横坐标，Nn为纵坐标所画出的曲线即为能谱曲线。该能谱获取过程中以闪烁脉冲的幅值大小表征粒子的能量大小。
特别的，在进行能谱采集时，若射源半衰期较短，需要对记录下的N进行衰减系数校正。
另外，在上述能谱获取步骤中，阈值的设置也可不必等间距的逐个设置，可在感兴趣区域(比如光电沉积峰)处设置较小间隔的阈值，其它区域设置较大间隔的阈值。
根据本发明的一个具体实施例，闪烁脉冲的幅值范围为0-500毫伏，DAC为10位精度且动态范围介于0-1000毫伏之间，此时该DAC的LSB＝1000/210伏，利用上述方法和装置获取能谱的步骤如下：
步骤S1：将DAC的阈值设置为1000毫伏并将计数器清零。
步骤S2：利用计数器记录1毫秒时间段内闪烁脉冲幅值超过E的脉冲数x1，并将该数据记录为Nn；
步骤S3：将DAC的阈值设置为En-1＝(1000-1000/1024)毫伏，将计数器清零后记录1毫秒时间段内闪烁脉冲的幅值超过En-1的脉冲数x2，并将该数据记录为Nn-1＝x2-Nn；
步骤S4：将DAC的阈值设置为En-2＝En-1-LSB，将计数器3清零后记录T时间段内闪烁脉冲1的幅值超过En-2的脉冲数x3，并将该数据记录为Nn-2＝x3-Nn-1；
步骤S5：重复步骤S4，直至Em＝0。
图3为根据本发明另一个实施例的获取能谱及设置能量窗的装置的结构示意图，由图3可知，本发明的获取能谱及设置能窗的装置包括数字化单元20、第一电压比较器30、第二电压比较器40、逻辑判断单元50、数据存储/传输单元60、第一DAC70、第二DAC80、阈值设置单元90以及主控单元100，其中，两个电压比较器30、40可由低电压差分信号，即low-voltage differential signaling，简称LVDS等数字差分信号接口替代；在图3的实施例中，探测器模块(图中未示)发送的闪烁脉冲信号10分别接入数字化单元20、第一电压比较器30以及第二电压比较器40，闪烁脉冲信号在数字化单元20中进行模拟数字转换，随后输入逻辑判断单元50；第一DAC70与第一电压比较器30连接并向第一电压比较器30发送相对的高阈值信息；第二DAC80与第二电压比较器40连接并向第二电压比较器40发送相对的低阈值信息，第一电压比较器30以及第二电压比较器40分别与外部的探测器模块连接并接收探测器模块发送的闪烁脉冲信号10，同时第一电压比较器30和第二电压比较器40将闪烁脉冲信号与对应阈值的比较结果输入逻辑判断单元50；逻辑判断单元50根据两个电压比较器30、40的结果(两个结果分别对应能量窗的下限和上限)，确定是否将数字化单元20输出的数字信号帧丢弃或者传向后续的数据打包/传输单元60，数据打包/传输单元60进一步将数据整理后进行输出。另外，主控单元100连接阈值设置单元90并向阈值设置单元90发送设置指令，阈值设置单元90分别与第一DAC70、第二DAC80连接并向其输出阈值设置信息。本发明中的数据打包/传输单元60可与外部的FPGA(图中未示)或者数据导出设备连接以进行数据显示或处理。
图3所示的获取能谱及设置能量窗的装置，可用于闪烁脉冲的能谱获取，也可用于闪烁脉冲的能量窗设置与筛选，两者之间的区别在于，当用于能谱获取时，主控单元100每隔一定时间更改阈值设置，采集不同阈值下的计数量；当用于能量窗设置与筛选时，主控单元100不对阈值进行修改，整个模块采集一定能量上、下限范围内的闪烁脉冲信号，将闪烁脉冲信号数字化并做好往外发送准备。
本发明提供的获取能谱和设置能量窗的方法及装置，通过逐个设置阈值电压并记录相应数据的方式实现能谱数据的获取方法，利用阈值电压比较的方式实现康普顿事件的甄别，在能谱获取的过程中避免了高速、高精度的ADC使用，能有效降低PET、SPET等***的成本和复杂度；同时，通过阈值比较的方式实现了能量窗甄别，降低了PET、SPET等***对计算资源和时间的需求。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (14)

1.一种获取能谱的装置，其特征在于，所述装置包括：
电压比较器，所述电压比较器与探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；
数字模拟转换器，所述数字模拟转换器与所述电压比较器通信连接并向所述电压比较器发送阈值信息，所述阈值信息包括设置在感兴趣区域处的具有第一预设间隔的阈值和/或设置在除所述感兴趣区域以外的其他区域的具有第二预设间隔的阈值，所述第一预设间隔小于所述第二预设间隔；
计数器，所述计数器与所述电压比较器连接，所述电压比较器将符合所述阈值信息的闪烁脉冲信号发送至所述计数器；以及
控制与存储单元，所述控制与存储单元与所述计数器连接并存储和记录来自于所述计数器的计数信息，所述控制与存储单元还与所述数字模拟转换器连接并存储和记录所述数字模拟转换器的所述阈值信息。
2.根据权利要求1所述的获取能谱的装置，其特征在于，所述装置通过与所述计数器连接的FPGA导出数据。
3.根据权利要求1所述的获取能谱的装置，其特征在于，所述电压比较器采用低电压差分信号接口。
4.一种根据权利要求1所述的装置获取能谱的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将数字模拟转换器的阈值设置为En并将计数器清零；
步骤S2：利用所述计数器记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En的脉冲数x1，并将该数据记录为Nn，其中n为自然数；
步骤S3：将所述数字模拟转换器的阈值设置为En-1＝En-a，其中，a为正数，将所述计数器清零后记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En-1的脉冲数x2，并将该数据记录为Nn-1＝x2-Nn；
步骤S4：将所述数字模拟转换器的阈值设置为En-2＝En-1-b，其中，b为正数，将所述计数器清零后记录T时间段内闪烁脉冲的幅值超过En-2的脉冲数x3，并将该数据记录为Nn-2＝x3-Nn-1。
步骤S5：重复步骤S4，直至Em＝0，其中，m为自然数，且m小于n。
5.根据权利要求4所述的获取能谱的方法，其特征在于，所述闪烁脉冲的幅值范围为0-H毫伏，所述数字模拟转换器的动态范围为0-J毫伏，H和J均为正数，且J大于H。
6.根据权利要求5所述的获取能谱的方法，其特征在于，在上述步骤S1中，所述数字模拟转换器的阈值En设置为0-J毫伏之间的任意值。
7.根据权利要求6所述的获取能谱的方法，其特征在于，所述J的取值为500，所述阈值En设置为500。
8.根据权利要求4所述的获取能谱的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述T时间段的取值范围介于1毫秒和1秒之间。
9.根据权利要求8所述的获取能谱的方法，其特征在于，所述T时间段的取值范围为10毫秒、20毫秒、30毫秒或者40毫秒。
10.根据权利要求4所述的获取能谱的方法，其特征在于，以En为横坐标，Nn为纵坐标所画出的曲线即为能谱的曲线。
11.一种获取能谱及设置能量窗的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一电压比较器，所述第一电压比较器与探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；
第一数字模拟转换器，所述第一数字模拟转换器与所述第一电压比较器连接并向所述第一电压比较器发送第一阈值信息，所述第一阈值信息包括设置在感兴趣区域处的具有第一预设间隔的阈值和/或设置在除所述感兴趣区域以外的其他区域的具有第二预设间隔的阈值，所述第一预设间隔小于所述第二预设间隔；
第二电压比较器，所述第二电压比较器与所述探测器模块通信连接并接收所述探测器模块发送的闪烁脉冲信号；
第二数字模拟转换器，所述第二数字模拟转换器与所述第二电压比较器连接并向所述第二电压比较器发送第二阈值信息，所述第二阈值信息设置在感兴趣区域处的具有第三预设间隔的阈值和/或设置在除所述感兴趣区域以外的其他区域的具有第四预设间隔的阈值，所述第三预设间隔小于所述第四预设间隔；
数字化单元，所述数字化单元与所述探测器模块连接并将所述闪烁脉冲信号数字化；
逻辑判断单元，所述逻辑判断单元分别与所述第一电压比较器以及所述第二电压比较器连接以接收符合阈值条件的闪烁脉冲信号，所述逻辑判断单元同时与所述数字化单元连接以输出符合阈值条件的数字化闪烁脉冲信号；
阈值设置单元，所述阈值设置单元分别与所述第一数字模拟转换器以及所述第二数字模拟转换器连接以发送阈值设置信息；以及
数据打包/传输单元，所述数据打包/传输单元与所述逻辑判断单元连接。
12.根据权利要求11所述的获取能谱及设置能量窗的装置，其特征在于，所述装置通过与所述数据打包/传输单元连接的FPGA导出数据。
13.根据权利要求11所述的获取能谱及设置能量窗的装置，其特征在于，所述装置还包括主控单元，所述主控单元与所述阈值设置单元连接并向所述阈值设置单元发送设置指令。
14.根据权利要求11所述的获取能谱及设置能量窗的装置，其特征在于，所述第一、第二电压比较器采用低电压差分信号接口。
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