CN108494399A - 一种时钟分配装置及pet*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时钟分配装置及PET***，其时钟模块的有源晶振产生第一时钟信号，FPGA芯片的锁相环接收并处理第一时钟信号以形成第二、第三时钟信号，时间测量模块与锁相环通信连接以接收第三时钟信号；时钟扇出缓冲器与锁相环连接并处理第二时钟信号以形成同步时钟信号；轻触开关与FPGA芯片连接以发送复位信号，输入连接器与生理信号探头、时间测量模块通信连接，生理信号探头经过输入连接器向时间测量模块发送触发信号，时间测量模块根据第二时钟信号和触发信号形成使能信号；输出连接器与时钟扇出缓冲器连接以接收同步时钟信号，输出连接器同时与FPGA芯片连接以接收同步复位信号、使能信号。本发明可输出多路同步复位信号、时钟信号并筛选成像数据。
Description
技术领域
本发明涉及正电子发射断层成像领域的一种时钟***，更具体地涉及一种时钟分配装置以及具有时钟分配装置的PET***。
背景技术
PET(Positron Emission Tomography,正电子发射断层成像)成像技术是核医学领域比较先进的临床检查影像技术，已经有越来越多的医院开始使用临床PET整机辅助诊断治疗。在PET成像技术中，理想状态下的时钟信号是幅值、频率一定的周期性方波，用于驱动各类包含时序逻辑的电子芯片，比如ARM(Acorn RISC Machine)处理器、FPGA和CPU等，时钟信号的频率的度量单位采用国际单位制单位赫兹(Hz)。复位信号是指一段高电平或低电平，用于复位时序逻辑，对于PET探测器模块来说，复位信号是必须的，在复位信号被释放的时候，PET探测器模块的工作状态被初始化，内部脉冲计数器被归零。PET探测器模块的时钟分配装置将产生成百上千的时钟/复位信号，同步时钟/复位信号包括两种情形：第一种是同步时钟信号，即所有的时钟信号同步，所有的时钟信号的波形完全一致，并且上升沿在同一时刻到来；第二种是同步复位信号，即所有的复位信号同步，所有的复位信号的波形完全一致，同一时间开始，同一时间结束。
随着PET成像技术的发展，利用多个PET探测器模块模块搭建PET***的方案逐渐成熟，在此方案中，一个可供全身扫描用的临床PET***需要采用数百个PET探测器模块模块形成扫描环，PET探测器模块内部的时序逻辑由时钟信号驱动，每个PET探测器模块都需要一路时钟信号驱动和一路复位信号以初始化工作状态，如果各个PET探测器模块使用的时钟信号不同源，或者PET探测器模块内部的计数器没有在同一时间归零，就会产生PET探测器模块的工作状态不同步的问题，这就要求配套的时钟分配装置具有输出多路可靠的同步的时钟信号或者复位信号的能力。
在各个PET探测器模块之间数据采集同步的前提下，PET***根据PET探测器模块采集到的数据进行图像的重建和处理。但由于PET探测器模块的数据采集在时间上是连续的，如果患者体内某种器官出现了病变，而且这种病变的症状只在特定的时刻出现，为了获得这些特定的时刻出现的成像图像，现有技术的PET***采用的方法是对所有在时间轴上连续采集到的数据进行处理成像，再从成像结果里筛选出医生感兴趣的图像。在这种情况下，成像结果的处理相当费时费力，造成资源和成本的严重浪费。
人体的电生理信号在一定程度上体现了器官的代谢状况，选择合适的电生理信号，并在感兴趣的电生理信号出现之时进行门控成像是解决该问题的一种途径，也是目前PET成像的发展趋势。
发明内容
本发明的目的是提供用于PET***的一种时钟分配装置，从而解决现有技术中PET***无法同时进行多路同步复位信号/时钟信号输出并且根据特定的电生理信号波形进行门控成像的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供用于PET***的一种时钟分配装置，该时钟分配装置包括时钟模块和生理信号探头，所述生理信号探头与所述时钟模块通信连接，其中，所述时钟模块包括：有源晶振，所述有源晶振产生第一时钟信号；现场可编程门阵列芯片，所述现场可编程门阵列芯片具有锁相环和时间测量模块，所述锁相环与所述有源晶振通信连接，所述锁相环接收并处理所述第一时钟信号以形成第二时钟信号和第三时钟信号；所述时间测量模块与所述锁相环通信连接以接收所述第三时钟信号；时钟扇出缓冲器，所述时钟扇出缓冲器与所述锁相环通信连接，所述时钟扇出缓冲器接收并处理所述第二时钟信号以形成同步时钟信号；轻触开关，所述轻触开关与所述现场可编程门阵列芯片连接以向所述现场可编程门阵列芯片发送复位信号，所述复位信号经过所述现场可编程门阵列芯片处理后形成同步复位信号；输入连接器，所述输入连接器具有输入端和输出端，其中所述输入端与所述生理信号探头通信连接，所述输出端与所述时间测量模块通信连接，所述生理信号探头经过所述输入连接器向所述时间测量模块发送触发信号，所述时间测量模块根据所述第二时钟信号以及所述触发信号形成使能信号；至少两路输出连接器，所述输出连接器与所述时钟扇出缓冲器通信连接以接收同步时钟信号，所述输出连接器同时与所述通信现场可编程门阵列芯片连接以接收所述同步复位信号以及所述使能信号。
所述锁相环通过一单端输入引脚和一对差分输出引脚集成于所述现场可编程门阵列芯片上，所述有源晶振通过所述单端输入引脚与所述锁相环连接，所述锁相环通过所述差分输出引脚与所述时钟扇出缓冲器的差分输入端连接。
所述时钟扇出缓冲器以PCB差分走线形式与至少两路所述输出连接器连接。
所述输出连接器共12路。
所述轻触开关包括按下和释放两种模式，当所述轻触开关被按下时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的高电平，当所述轻触开关被释放时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的低电平。
所述现场可编程门阵列芯片内部的相应逻辑根据所述相对的高、低电平的变化产生所述同步复位信号，所述同步复位信号以低电压差分信号的形式输出至每个所述输出连接器。
所述时钟分配装置还包括千兆以太网物理层芯片和插座，其中，所述千兆以太网物理层芯片与所述现场可编程门阵列芯片通信连接，所述插座与所述千兆以太网物理层芯片连接。
所述时间测量模块包括粗计时器和细计时器，所述粗计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的粗时间，所述细计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的细时间，所述时间测量模块根据所述粗时间和所述细时间测量所述触发信号的边沿到达时间以形成所述使能信号。
所述细计时器为所述现场可编程门阵列芯片内部的一条输出温度码的延迟线，所述温度码包括若干个连续排列的0和1，所述细计时器根据所述0和1的排列顺序以及个数计算所述触发信号的所述边沿到达时间。
所述细计时器的延迟线包括若干个串联的全加器，所述细计时器根据所述全加器输出的温度码计算所述细时间。
每个所述全加器都具有两个输入端，其中一个所述输入端输入来自于所述现场可编程门阵列芯片的二进制常数，另一个输入端输入所述触发信号。
同步时钟信号、所述同步复位信号为差分电平的形式，所述使能信号符合单端电平标准。
输入连接器为自锁紧连接器，所述自锁紧连接器包括座子和接头，所述座子与所述现场可编程门阵列芯片连接，所述接头与所述生理信号探头连接。
本发明还提供一种利用所述的时钟分配装置的PET***，该PET***包括所述时钟分钟装置，所述PET***还包括：若干个PET探测器模块，所述PET探测器模块分别与所述时钟分配装置的所述输出连接器对应连接；交换机，所述交换机与所述时钟分配装置的所述现场可编程门阵列芯片通过千兆以太网物理层芯片和插座连接以接收所述第一时钟信号、所述第二时钟信号、所述第三时钟信号以及所述同步时钟信号，所述交换机与所述PET探测器模块通信连接；以及客户端，所述客户端与所述交换机通信连接以接收所述交换机发送的数据。
输出连接器和所述PET探测器模块均为十二个，每个所述输出连接器对应连接一个所述PET探测器模块。
PET探测器模块上设置有三个线路连接器，所述线路连接器与所述输出连接器匹配并通过线缆连接以分别接收所述同步时钟信号、所述使能信号以及所述同步复位信号。
PET探测器模块与所述交换机之间通过六类网线相互连接。
同步时钟信号、所述同步复位信号为差分电平的形式，所述使能信号符合单端电平标准。
每个所述输出连接器具有五个用于数据传输的引脚，其中一对所述引脚与所述时钟扇出缓冲器连接以接收所述同步时钟信号，另一对所述引脚与所述现场可编程门阵列芯片连接以接收所述同步复位信号，所述现场可编程门阵列芯片还与剩余的一个所述引脚连接以传输所述使能信号。
轻触开关包括按下和释放两种模式，当所述轻触开关被按下时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的高电平，当所述轻触开关被释放时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的低电平。
现场可编程门阵列芯片内部的相应逻辑根据所述相对的高、低电平的变化产生所述同步复位信号，所述同步复位信号以低电压差分信号的形式输出至每个所述输出连接器。
时间测量模块包括粗计时器和细计时器，所述粗计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的粗时间，所述细计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的细时间，所述时间测量模块根据所述粗时间和所述细时间测量所述触发信号的边沿到达时间以形成所述使能信号。
细计时器为所述现场可编程门阵列芯片内部的一条输出温度码的延迟线，所述温度码包括若干个连续排列的0和1，所述细计时器根据所述0和1的排列顺序以及个数计算所述触发信号的所述边沿到达时间。
细计时器的延迟线包括若干个串联的全加器，所述细计时器根据所述全加器输出的温度码计算所述细时间。
每个所述全加器都具有两个输入端，其中一个所述输入端输入来自于所述现场可编程门阵列芯片的二进制常数，另一个输入端输入所述触发信号。
本发明提供的用于PET***的多路时钟分配装置，解决了数字化PET***中各个探测器之间数据采集同步的问题，同时具有两个功能：第一、输出多路同步复位信号、同步时钟信号；第二、筛选PET探测器模块输出的成像数据。对于第一个功能，该时钟分配装置持续不断地输出多路同步时钟信号，每一路同步时钟信号都连接到一个数字化PET探测器模块，用以驱动数字化PET探测器模块内部的时序逻辑，使PET探测器模块同步工作。对于第二个功能，本发明的多路时钟分配装置可以通过两种方式筛选PET探测器模块输出的成像数据，辅助数字化PET***更快地得到感兴趣的图像：第一种方式：多路时钟分配装置为数字化PET***提供了基准时钟，时钟分配装置自身也以该时钟为参考，记录下特定的电生理信号出现的时间，再将这些时间信息传输到客户端，客户端根据这些时间信息对数字化PET探测器模块采集到的数据在时间轴上进行筛选，只保留电生理信号出现的时间区间的数据，PET***仅处理筛选后的数据即可得到感兴趣的图像；第二种方式：PET探测器模块的数据采集是实时的，多路时钟分配装置向PET探测器模块发送使能信号，只有在使能信号为“1”的时候，PET探测器模块传输数据。该多路时钟分配装置在特定的电生理信号出现的时间区间内将传输使能信号置“1”，其它时间将传输使能信号置“0”，在探测器的层次实现了对PET成像数据的筛选，极大的提高了PET***的成像效率，节约了成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的时钟分配装置的结构布置示意图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的时钟分配装置的复位信号采样的原理示意图；
图3是根据本发明的一个优选实施例的时钟分配装置的延迟线检测的原理示意图，其中延迟线检测到信号的上升沿；
图4是根据本发明的一个优选实施例的时钟分配装置的延迟线检测的原理示意图，其中延迟线检测到信号的下降沿；
图5是根据图1的时钟分配装置的时间测量模块的测量原理示意图；
图6是根据本发明的一个优选实施例的时钟分配装置的触发信号边沿到达时间测量示意图；
图7是根据本发明的一个优选实施例的具有时钟分配装置的PET***的连接示意图。
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1为根据本发明一个实施例的时钟分配装置的原理示意图，由图1可知，本发明的时钟分配装置1包括一时钟模块，该时钟模块包括有源晶振10、现场可编程门阵列(以下简称FPGA)芯片20、时钟扇出缓冲器30、轻触开关40、输出连接器50和输入连接器60，其中，现场可编程门阵列芯片20上设置有锁相环21和时间测量模块22，有源晶振10与锁相环21通过现场可编程门阵列芯片的一个引脚连接，有源晶振10产生第一时钟信号a并将该第一时钟信号a发送至锁相环21；锁相环21通过现场可编程门阵列芯片20的一对差分输出引脚连接至时钟扇出缓冲器30的一对差分输入端，锁相环21接收第一时钟信号a后进行倍频、分频处理并形成第二时钟信号b，该第二时钟信号b为低压差分信号(Low-VoltageDifferential Signaling，LVDS)的形式，锁相环21将该第二时钟信号b发送至时钟扇出缓冲器30；锁相环21同时与时间测量模块22连接，锁相环21同时可将第一时钟信号a转换为第三时钟信号c发送至时间测量模块22；轻触开关40与现场可编程门阵列芯片20通过一对引脚连接，轻触开关40在按下和释放时，轻触开关40的输出可在相对的高、低电平f之间切换，现场可编程门阵列芯片20可通过锁相环21接收的第一时钟信号a对轻触开关40输出的高、低电平f进行采样；之后，现场可编程门阵列芯片20内部的相应逻辑产生十二路复位信号，这些复位信号通过现场可编程门阵列芯片20的引脚以第二低压差分信号n的形式输出至十二个输出连接器50；输入连接器60与时间测量模块22通信连接，生理信号探头2产生的触发信号s通过输入连接器60进入现场可编程门阵列芯片20的时间测量模块；时钟扇出缓冲器30以PCB差分走线形式与至少两路输出连接器50通信连接，时钟扇出缓冲器30根据第二时钟信号b形成同步时钟信号e并将同步时钟信号e通过输出连接器50输出；
值得注意的是，在图1的实施例中，锁相环21集成于现场可编程门阵列芯片20上，锁相环21连接于现场可编程门阵列芯片20的单端输入引脚和一对差分输出引脚之间，有源晶振10通过单端输入引脚与锁相环21连接，锁相环21通过差分输出引脚与时钟扇出缓冲器30的其中一对差分输入端连接，从而使得锁相环21可向时钟扇出缓冲器30输出第二时钟信号b。
在图1的实施例中，本发明的时钟分配装置1还包括千兆以太网物理层芯片70和插座80，其中，千兆以太网物理层芯片70与现场可编程门阵列芯片通信连接，插座80与千兆以太网物理层芯片70通信连接，时钟模块通过插座80、千兆以太网物理层芯片70和客户端通信连接，从而使得用户通过配套的上位机软件，可从客户端发送指令到时钟模块，实时地修改锁相环21的参数，达到修改时钟信号的频率、相位、占空比等参数的目的。千兆以太网物理层芯片70和插座80与现场可编程门阵列芯片20之间的通信连接可通过任意形式完成，比如，通过现场可编程门阵列芯片的若干引脚先连接至通讯芯片，然后再由通讯芯片连接至千兆以太网口和串口，在此不再赘述。
下面结合附图1和具体实施例对本发明的时钟模块的工作模式进行详细说明。
(一)时钟信号的生成和输出：
有源晶振10产生一个频率为50MHz，幅值为3.3V的第一时钟信号a，该第一时钟信号a输入锁相环21，锁相环21对该第一时钟信号a进行倍频、分频的处理，之后通过现场可编程门阵列芯片20的一对差分输出引脚以第二时钟信号b的形式输出至时钟扇出缓冲器30。时钟扇出缓冲器30把来自锁相环21的时钟信号扇出为十二路同步时钟信号e，同步时钟信号e为低压正发射极耦合逻辑(Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic，简称LVPECL)的形式，再经过一些端接电阻和电容，最后通过严格的PCB(印制电路板)差分走线连接到十二个输出连接器50。同时，时钟模块可通过图1中的插座80、千兆以太网物理层芯片70和客户端通信。用户使用配套的上位机软件，从客户端发送指令到时钟模块，实时地修改锁相环21的参数，从而达到修改同步时钟信号e的频率、相位、占空比等参数的目的。
(二)复位信号的生成和输出：
由于锁相环21被集成于现场可编程门阵列芯片20上，现场可编程门阵列芯片20可通过锁相环21接收的第一时钟信号a对轻触开关40输出的高、低电平f进行采样，如图2所示，第一时钟信号a和高、低电平f在采样之前相互之间的相位关系并不确定，经过现场可编程门阵列芯片20进行采样后可将第一时钟信号a和高、低电平f’调整为一致，即第一时钟信号a和采样后的高、低电平f’同步。采样后的高、低电平f’进一步被现场可编程门阵列芯片20分为12路，再经过12个快速输出寄存器和现场可编程门阵列芯片20的12对差分引脚相连接，作为12路同步复位信号n，这些同步复位信号n通过现场可编程门阵列芯片的引脚以LVDS电平的形式输出，同步复位信号n再经过一些端接电阻和电容，最后通过严格的PCB差分走线连接至十二个输出连接器50。快速输出寄存器是一种特殊的触发器，其作用是使得12路同步复位信号n到FPGA芯片20的引脚的延时为0，保证复位信号之间的同步性。用户也可以使用配套的上位机软件，从客户端发送复位指令到时钟模块。复位指令包括复位时长，因此复位时长是可以自定义的。
(三)对数字化PET探测器输出数据的筛选
时钟分配装置1设有生理信号探头2，生理信号探头2和时钟分配装置1的时钟模块之间通过输入连接器60连接。该输入连接器60可采用一对自锁紧连接器(self-lockingconnector)，自锁紧连接器包括座子和接头，座子安装于时钟模块一侧，接头安装于生理信号探头2的一侧，将自锁紧连接器的接头沿轴向推入座子，自锁紧连接器内部的卡口啮合在一起，即可将接头和座子连接起来；按压接头的两侧，将自锁紧连接器的接头推出，即可断开连接。输入连接器60保证了生理信号探头2和时钟模块之间的牢固连接，也方便了生理信号探头2的拆卸和升级。在输入连接器60的型号确定的前提下，用户可为不同应用场景设计可插拔的生理信号探头2。
在时钟分配装置1工作时，生理信号探头2将待测对象的电生理信号实时地转换为触发信号s，触发信号s是单通道的方波信号，只有相对的高电平和低电平两种状态。当特定的电生理信号，如心电、脑电、肌电信号出现时，生理信号探头2输出的触发信号s变为高电平，其它情况下触发信号s维持低电平状态。触发信号s通过输入连接器60连接到现场可编程门阵列芯片20的时间测量模块22，现场可编程门阵列芯片20的时间测量模块22接收并处理该触发信号s，同时在现场可编程门阵列芯片内部产生12路使能信号m，使能信号m经过12路输出探测器50连接到对应的PET探测器模块，从而控制PET探测器模块采集数据。触发信号s为符合LVDS电平标准的任意信号，比如信号发生器产生的门控信号。在触发信号s为高电平的时间区间内，PET探测器模块采集的数据有效，在触发信号s为低电平的时间区间，PET探测器模块采集的数据无效。
本发明的时钟分配装置1支持两种模式的数据筛选：
在第一种成像数据筛选方式下，时钟分配装置1使用现场可编程门阵列芯片20内部的时间测量模块22作为一个时间-数字转换器，时间-数字转换器的功能是测量触发信号s的边沿到达时间(包括上升沿和下降沿)并而判断触发信号s何时为高电平，何时为低电平，进而据以输出使能信号m并控制筛选成像数据。时间-数字转换器包括一个粗计数器和一个细计数器222，粗计数器输出的粗时间值和细计数器222输出的细时间值按一定的关系合并，即可得到触发信号s的边沿到达时间。
由于锁相环21可将第一时钟信号a转换为第三时钟信号c发送至时间测量模块22，第三时钟信号c用于驱动时间测量模块22中的粗计数器，每过一个时钟周期，粗计数器输出的计数值加1，将当前累计的计数值乘以一个时钟周期可得到当前第三时钟信号c下的粗时间。当触发信号s的边沿到来时，时间-数字转换器记录下此刻粗计数器的粗计数输出值，记为N，N为自然数。若时钟周期记为Tc，那么触发信号s的边沿到达的粗时间可以表示为N*Tc。粗计数器的时间测量精度是一个时钟周期，但对于现场可编程门阵列芯片20而言，第三时钟信号c的频率不能无限制提高，若要进一步提高时间测量精度，就需要通过细计数器实现。
细计数器222为现场可编程门阵列芯片20内部的一条输出温度码的延迟线，其中，温度码由若干个0和1组成，温度码的特点为沿着延迟线方向一侧全是0，另一侧全是1，而且0和1的数目存在此消彼长的关系，0的数目和1的数目之和等于温度码的总长，比如一段温度码为11100000，其包括3个1和5个0，0和1的交界代表待测触发信号s的边沿，通过统计0或1的个数，再乘以每个0或1代表的时间长度，就能计算出待测触发信号s的边沿在延迟线上传输的时长，这个时长就是细时间。借助于延迟线，时间-数字转换器的时间测量精度可以提高到小于100皮秒。
如图3所示，本时钟分配装置1使用现场可编程门阵列芯片20内部的逻辑单元组成细计数器222的延迟线，延迟线的本质是一个由若干个全加器223组成的串行加法器，每个全加器223都有进位输入和进位输出的端口，相邻的全加器223的进位输入端口连接上一级全加器223的进位输出端口。为了描述的方便，图3中仅示出了一个位宽8比特的串行加法器，该串行加法器包括8个全加器223，每个全加器223具有两个输入端，其中一个输入端224设为8位的二进制常数11111111，另一个输入端225为数字化后的待测触发信号s。当待测触发信号s的上升沿经过输入端225在串行加法器内部传递时，待测触发信号s的数字电平从0变为1，串行加法器的计算结果并不是立刻变为全0，而是离待测触发信号s最近的那个全加器223的计算结果变为0，该0即为该全加器223对应的温度码，然后该全加器223的进位信号由0变为1，并通过该全加器223的输出端口传递到下一级全加器223的输入端口；随后位于第二级的全加器223的计算结果变为0，第二级全加器223的进位信号由0变为1，再传递到下一级全加器223，以此类推，不足8比特的部分用0补齐。进位信号的传递需要时间，从第N级全加器产生进位信号到第N+1级全加器产生进位信号间隔的时间通常小于100皮秒，且进位信号每传递一级，温度码包含0的个数就加1。
同理，如图4所示，当待测触发信号s的下降沿经过输入端225在串行加法器内部传递时，待测触发信号s的数字电平从1变到0，串行加法器的计算结果不是立刻变为全1，而是离待测触发信号s最近的那个全加器223的计算结果变为1，它的进位信号由1变为0，传递到下一级，直到所有的全加器223的计算结果都变为1。
时间测量模块22使用第三时钟信号c对延迟线输出的温度码采样。如图3所示，当某一时刻延迟线上温度码的最高位(MSB)一侧是1且最低位(LSB)一侧为0时，表明待测触发信号s的上升沿被探测到，此时时间测量模块22统计延迟线上输出的温度码中0的个数作为细计数输出值。如图4所示，当某一时刻延迟线上温度码的最高位(MSB)一侧是0且最低位(LSB)一侧为1时，表明待测触发信号s的下降沿被探测到，此时时间测量模块22统计延迟线上输出的温度码中1的个数作为细计数输出值。更具体地，对于图3和图4中所示的8位温度码，温度码包含的1或0的个数是0到8，可以用一个4比特的二进制数表示；但在本发明中，时间-数字转换器还可使用128位温度码，温度码包含的1或0的个数是0到128，可用一个8比特的二进制数表示。上述温度码到细计数输出值的转换过程由时间测量模块22内的一个编码器完成。
对于每个触发信号s的边沿，时间测量模块22都会给出一个粗时间和一个细时间，如图5所示，触发信号s的边沿到达时间T＝Tc×N-To×M，其中，粗时间为Tc×N，细时间为To×M，Tc为已知的一个时钟周期，N是粗计数，To是延迟线每一级全加器223进位的平均时间，M是细计数输出值。
延迟线上每一级全加器223进位的平均时间可以预先通过一个校正步骤获得。由于细计数输出值每隔一个时钟周期锁存一次，所以细计数输出值代表的细时间的最大值是时钟信号的一个周期。向延迟线输入足够多的和时钟信号不相关的随机信号，统计得到温度码，找出其中最大的细计数输出值。再用一个时钟周期除以这个最大的细计数输出值就可以得到延迟线每一级全加器223进位的平均时间。
如图6所示，时间测量模块22测量触发信号s在低电平和高电平之间转换的时间，每个触发时间点占用56比特的数据位宽，触发时间点Pm和Nm(m＝1，2，3)，加上16比特位宽的标志位，共计128比特，可代表一段触发高电平，作为一个事件经过千兆以太网物理层芯片70和插座80输出至客户端。数据传输符合TCP/IP协议，每个TCP报文包含的事件个数在1-1000之间，可通过修改时钟分配装置的硬件描述语言代码中的参数来指定。客户端接收到时钟分配装置发送的数据包，计算出触发信号的边沿到达时间，恢复出触发信号的形状，进而筛选出触发信号为高电平的时间段内对应的PET探测器模块所采集的数据。
在第二种成像数据筛选方式下，生理信号探头2采集到的触发信号s通过输入连接器60发送至现场可编程门阵列芯片20，该触发信号s在时间测量模块22的作用下与第二时钟信号b以及第三时钟信号c同步，同时现场可编程门阵列芯片22将触发信号s分为12路使能信号m，通过输出连接器50输出到PET探测器模块。使能信号m控制PET探测器的数据传输，使得PET探测器只在被触发信号s为高电平(即被触发)的时间段内向客户端传输数据，使得成像数据的采集和筛选同时进行。
图7为根据本发明的一个优选实施例的利用上述时钟分配装置的PET***的连接示意图，由图7可知，本发明提供的PET***包括图1所述的时钟分钟装置1，其中，生理信号探头2和时钟分配装置1的时钟模块之间通过一对输入连接器60(图1)通信连接，时钟分配装置1的时钟模块通过输出连接器50(图1)与多个PET探测器模块3通信连接，每一个输出连接器50对应连接一个PET探测器模块3，PET探测器模块3通过网线与交换机4通信连接，时钟分配装置1通过千兆以太网物理层芯片以及插座80与交换机4通信连接，交换机4与客户端5通信连接。
在时钟分配装置1工作时，生理信号探头2将待测生物体的电生理信号实时地转换为触发信号s，仅当特定的电生理信号出现时，生理信号探头2输出的触发信号s为高电平。触发信号s是单路方波信号，只有低电平和高电平两种状态，触发信号s通过输入连接器发送至时钟分配装置1的现场可编程门阵列芯片20。
时钟分配装置1具有12个输出连接器50，每个输出连接器50有5个用于数据传输的引脚，由于同步时钟信号e和同步复位信号n都以差分电平形式输出，因此，同步时钟信号e占用输出连接器50的一对引脚；同步复位信号n占用输出连接器50的一对引脚；使能信号m由于符合单端电平标准，使用输出连接器50剩下的一个引脚以控制PET探测器模块3的数据传输。具体地，每个PET探测器模块3上设置三个线路连接器以用于同步时钟信号e、同步复位信号n以及使能信号m的传输，这些线路连接器和时钟分配装置1上的输出连接器50匹配，即型号相同且线缆配套，如图7中箭头所示，每根线缆可集成三个线路连接器，从而使得一个输出连接器50仅通过一根线缆对应连接一个PET探测器模块3。PET探测器模块3与交换机4之间可通过六类网线连接以传输数据。
在PET探测器模块3正常工作时，时钟分配装置1输出的同步时钟信号e通过输出连接器和线缆不间断地发送到PET探测器模块3，驱动PET探测器模块3内部的时序逻辑工作。同步复位信号n在PET探测器模块3工作时维持高电平，只有在需要初始化PET探测器模块3的工作状态时，同步复位信号n才会转变为低电平，以复位PET探测器模块3内部的时序逻辑，同步复位信号n在持续一段时间后被释放，随后又变为高电平。如果和时钟分配装置1连接的PET探测器模块3的数目大于1，在经历了同步复位信号n的“高-低-高”的变化过程后，多个PET探测器模块3之间会达到同步。时钟分配装置1输出到PET探测器模块3的使能信号m默认为1。
用户通过客户端5中的上位机软件控制全数字化的PET探测器模块3输出数据的筛选方式，时钟分配装置1默认采用上述第一种成像数据筛选模式。此时，时钟分配装置1输出的使能信号m始终为1，PET探测器模块3连续不断的向交换机4传递数据，交换机4连续不断的向客户端5传送数据，客户端接收到时钟分配装置1发送的触发信号s的边沿到达时间信息后，恢复出触发信号s的形状，筛选出触发信号s为高电平的时间段对应的PET探测器模块采集到的数据，再使用筛选出来的数据成像。
在第二种成像数据筛选方式下，时钟分配装置1将触发信号s分为12路使能信号m，通过输出连接器输出到PET探测器模块3，控制PET探测器模块3的数据传输，使得PET探测器只在触发信号为高电平的时间段内传输数据，使得成像数据的采集和筛选同时进行，客户端5直接利用PET探测器3传出的数据进行成像。
本发明提供的用于数字化PET***的多路时钟分配装置1，同时具有两个功能：第一、输出多路同步复位信号、同步时钟信号；第二、筛选PET探测器模块输出的成像数据。
对于第一个功能，该时钟分配装置持续不断地输出多路同步时钟信号，每一路同步时钟信号都连接到一个数字化PET探测器模块，用以驱动数字化PET探测器模块内部的时序逻辑，使PET探测器模块正常工作。时钟分配装置也可输出多路同步复位信号，每一路同步复位信号同样连接到一个数字化PET探测器模块，但同步复位信号并不是持续的，在需要初始化PET探测器模块的工作状态时复位信号才出现，所有PET探测器模块的内部计时器在同步复位信号的作用下清零，数据缓存清空。同步复位信号消失后，所有PET探测器模块重新开始工作，PET探测器模块的时间轴对齐，进入同步状态。
对于第二个功能，由于传统的PET探测器模块的数据采集在时间上是连续的，如果患者体内某种器官出现了病变，但症状只在特定的时刻出现，PET***只能处理所有采集到的数据，在时间轴上连续地成像，再从成像结果里筛选出医生感兴趣的图像。在这种情况下，成像结果的处理是费时费力的，需要被简化才有实用价值。本发明的多路时钟分配装置可以通过两种方式筛选PET探测器模块输出的成像数据，辅助数字化PET***更快地得到感兴趣的图像。
第一种方式：多路时钟分配装置为数字化PET***提供了基准时钟，时钟分配装置自身也以该时钟为参考，记录下特定的电生理信号出现的时间，再将这些时间信息传输到客户端，客户端根据这些时间信息对数字化PET探测器模块采集到的数据在时间轴上进行筛选，只保留电生理信号出现的时间区间的数据，PET***仅处理筛选后的数据即可得到感兴趣的图像，这大大提高了成像的效率。
第二种方式：PET探测器模块的数据采集是实时的，多路时钟分配装置向PET探测器模块发送使能信号，只有在使能信号为“1”的时候，PET探测器模块传输数据。该多路时钟分配装置在特定的电生理信号出现的时间区间内将传输使能信号置“1”，其它时间将传输使能信号置“0”，在探测器的层次实现了对PET成像数据的筛选。
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 (25)
1.一种时钟分配装置，其特征在于，所述时钟分配装置包括时钟模块和生理信号探头，所述生理信号探头与所述时钟模块通信连接，其中，所述时钟模块包括：
有源晶振，所述有源晶振产生第一时钟信号；
现场可编程门阵列芯片，所述现场可编程门阵列芯片具有锁相环和时间测量模块，所述锁相环与所述有源晶振通信连接，所述锁相环接收并处理所述第一时钟信号以形成第二时钟信号和第三时钟信号；所述时间测量模块与所述锁相环通信连接以接收所述第三时钟信号；
时钟扇出缓冲器，所述时钟扇出缓冲器与所述锁相环通信连接，所述时钟扇出缓冲器接收并处理所述第二时钟信号以形成同步时钟信号；
轻触开关，所述轻触开关与所述现场可编程门阵列芯片连接以向所述现场可编程门阵列芯片发送复位信号，所述复位信号经过所述现场可编程门阵列芯片处理后形成同步复位信号；
输入连接器，所述输入连接器具有输入端和输出端，其中所述输入端与所述生理信号探头通信连接，所述输出端与所述时间测量模块通信连接，所述生理信号探头经过所述输入连接器向所述时间测量模块发送触发信号，所述时间测量模块根据所述第二时钟信号以及所述触发信号形成使能信号；
至少两路输出连接器，所述输出连接器与所述时钟扇出缓冲器通信连接以接收同步时钟信号，所述输出连接器同时与所述通信现场可编程门阵列芯片连接以接收所述同步复位信号以及所述使能信号。
2.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述锁相环通过一单端输入引脚和一对差分输出引脚集成于所述现场可编程门阵列芯片上，所述有源晶振通过所述单端输入引脚与所述锁相环连接，所述锁相环通过所述差分输出引脚与所述时钟扇出缓冲器的差分输入端连接。
3.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述时钟扇出缓冲器以PCB差分走线形式与至少两路所述输出连接器连接。
4.根据权利要求3所述的时钟分配装置，其特征在于，所述输出连接器共12路。
5.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述轻触开关包括按下和释放两种模式，当所述轻触开关被按下时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的高电平，当所述轻触开关被释放时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的低电平。
6.根据权利要求5所述的时钟分配装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片内部的相应逻辑根据所述相对的高、低电平的变化产生所述同步复位信号，所述同步复位信号以低电压差分信号的形式输出至每个所述输出连接器。
7.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述时钟分配装置还包括千兆以太网物理层芯片和插座，其中，所述千兆以太网物理层芯片与所述现场可编程门阵列芯片通信连接，所述插座与所述千兆以太网物理层芯片连接。
8.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述时间测量模块包括粗计时器和细计时器，所述粗计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的粗时间，所述细计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的细时间，所述时间测量模块根据所述粗时间和所述细时间测量所述触发信号的边沿到达时间以形成所述使能信号。
9.根据权利要求8所述的时钟分配装置，其特征在于，所述细计时器为所述现场可编程门阵列芯片内部的一条输出温度码的延迟线，所述温度码包括若干个连续排列的0和1，所述细计时器根据所述0和1的排列顺序以及个数计算所述触发信号的所述边沿到达时间。
10.根据权利要求9所述的时钟分配装置，其特征在于，所述细计时器的延迟线包括若干个串联的全加器，所述细计时器根据所述全加器输出的温度码计算所述细时间。
11.根据权利要求10所述的时钟分配装置，其特征在于，每个所述全加器都具有两个输入端，其中一个所述输入端输入来自于所述现场可编程门阵列芯片的二进制常数，另一个输入端输入所述触发信号。
12.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述同步时钟信号、所述同步复位信号为差分电平的形式，所述使能信号符合单端电平标准。
13.根据权利要求1所述的时钟分配装置，其特征在于，所述输入连接器为自锁紧连接器，所述自锁紧连接器包括座子和接头，所述座子与所述现场可编程门阵列芯片连接，所述接头与所述生理信号探头连接。
14.一种利用权利要求1所述的时钟分配装置的PET***，其特征在于，所述PET***包括所述时钟分钟装置，所述PET***还包括：
若干个PET探测器模块，所述PET探测器模块分别与所述时钟分配装置的所述输出连接器对应连接；
交换机，所述交换机与所述时钟分配装置的所述现场可编程门阵列芯片通过千兆以太网物理层芯片和插座连接以接收所述第一时钟信号、所述第二时钟信号、所述第三时钟信号以及所述同步时钟信号，所述交换机与所述PET探测器模块通信连接；以及
客户端，所述客户端与所述交换机通信连接以接收所述交换机发送的数据。
15.根据权利要求14所述的PET***，其特征在于，所述输出连接器和所述PET探测器模块均为十二个，每个所述输出连接器对应连接一个所述PET探测器模块。
16.根据权利要求15所述的PET***，其特征在于，所述PET探测器模块上设置有三个线路连接器，所述线路连接器与所述输出连接器匹配并通过线缆连接以分别接收所述同步时钟信号、所述使能信号以及所述同步复位信号。
17.根据权利要求15所述的PET***，其特征在于，所述PET探测器模块与所述交换机之间通过六类网线相互连接。
18.根据权利要求14所述的PET***，其特征在于，所述同步时钟信号、所述同步复位信号为差分电平的形式，所述使能信号符合单端电平标准。
19.根据权利要求18所述的PET***，其特征在于，每个所述输出连接器具有五个用于数据传输的引脚，其中一对所述引脚与所述时钟扇出缓冲器连接以接收所述同步时钟信号，另一对所述引脚与所述现场可编程门阵列芯片连接以接收所述同步复位信号，所述现场可编程门阵列芯片还与剩余的一个所述引脚连接以传输所述使能信号。
20.根据权利要求14所述的PET***，其特征在于，所述轻触开关包括按下和释放两种模式，当所述轻触开关被按下时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的高电平，当所述轻触开关被释放时，所述现场可编程门阵列芯片生成的复位信号为相对的低电平。
21.根据权利要求14所述的PET***，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片内部的相应逻辑根据所述相对的高、低电平的变化产生所述同步复位信号，所述同步复位信号以低电压差分信号的形式输出至每个所述输出连接器。
22.根据权利要求14所述的PET***，其特征在于，所述时间测量模块包括粗计时器和细计时器，所述粗计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的粗时间，所述细计时器根据所述第三时钟信号计算所述触发信号的细时间，所述时间测量模块根据所述粗时间和所述细时间测量所述触发信号的边沿到达时间以形成所述使能信号。
23.根据权利要求22所述的PET***，其特征在于，所述细计时器为所述现场可编程门阵列芯片内部的一条输出温度码的延迟线，所述温度码包括若干个连续排列的0和1，所述细计时器根据所述0和1的排列顺序以及个数计算所述触发信号的所述边沿到达时间。
24.根据权利要求23所述的PET***，其特征在于，所述细计时器的延迟线包括若干个串联的全加器，所述细计时器根据所述全加器输出的温度码计算所述细时间。
25.根据权利要求24所述的PET***，其特征在于，每个所述全加器都具有两个输入端，其中一个所述输入端输入来自于所述现场可编程门阵列芯片的二进制常数，另一个输入端输入所述触发信号。
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