CN110179485B - 一种用于pet成像***增益调整的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于PET成像***增益调整的方法和装置，涉及医学影像设备技术领域，所述PET成像***包括探测器单元，增益调整的方法包括：数据采集：获取PET***中所有通道的单事件计数；能量谱获取：获取PET***中各通道的能量谱；寻峰：获取各能量谱的光电峰；目标峰值获取：统计所有阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值作为该PET***的目标峰值；测量峰值获取：统计每个阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值作为该SiPM阵列的测量峰值；增益校准表获取：获取各SiPM阵列的增益校准系数；增益校准表输入；电源控制：自动缓慢控制各SiPM阵列偏置电压至目标偏压。保证各探测器的探测效率一致性，实现PET图像质量及性能指标的提升。
Description
技术领域
本发明属于医学影像设备技术领域，涉及一种用于PET成像***增益调整的方法和装置，特别涉及基于SIPM-PET***探测器模块增益一致性校准方法。
背景技术
正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，简称PET)是目前最先进的医疗诊断设备之一。其工作原理是将同位素标记药物注入体内，该放射性核素会释放出正电子，并与体内的负电子快速发生湮灭辐射，并产生两个能量相同，方向相反的γ光子。
PET***通过采用环绕人体的核探测器装置，可以获取光子被探测器探测到的时间、位置和能量信息，并根据该信息重建图像。常用的核探测器包括由多个闪烁晶体组成的晶体阵列(Crystal array)和光电探测器。其中，晶体阵列用于接收病患体内释放出的光子(例如γ光子)并将其转换成可见光，光电探测器用于将可见光转换成脉冲信号。
SiPM(Silicon Photo—multiplier，硅光电倍增探测器)是近年来逐渐兴起的一种用于光探测领域的光电探测器件，与传统的PMT(Photo multiplier tube，光电倍增管)相比，SiPM具有体积小，便于研制成探测器阵列的形式；可在低偏压下工作，具有良好的抗磁场干扰和耐机械冲击性能；具有高增益、高光子探测效率、快速响应、以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等优点。并且增益值与外部所提供的偏置电压成线性关系，如图1所示。其缺点是SiPM的增益差异性较大，其上万个SiPM像素构成PET探测器***时，其探测器***不同位置处探测器的探测效率不一致，从而会造成原始信号的失真或丢失，导致可信度下降，使得最终导致图像质量及性能指标的下降。
基于SIPM的PET探测器的原理是利用SiPM将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通过光电效应转化为电信号，并进行放大，通常可达到106增益级别，再通过电子学模块进行模拟信号处理并转化为数字信号，再进行信号输出及处理。
PET***通常由成百上千个SiPM阵列构成，每个SiPM阵列由：M*N个SiPM像素组成(M、N大于1)。由于SiPM自身增益的不一致性，并且同一个SiPM阵列采用同一个偏置电压，这就可能会由于某些SiPM像素的增益过高，导致脉冲信号的失真，而某些SiPM像素的增益过低，脉冲信号不能被接收。从而会导致PET***的计数不一致性，最终影响PET***的图像质量及性能指标。
因此，如何实现PET***中各SiPM阵列的增益一致性将变得至关重要，这将影响PET***的性能指标及图像质量。
现有技术中，对SiPM阵列的增益处理方式有以下两种：
1、整个PET***中的所有SiPM阵列使用同一个偏置电压，此时所有的SiPM阵列保持原有的增益值不变，会导致整机PET***的SiPM阵列增益不均匀。因为，此时高增益的SiPM阵列，其增益值保持偏高；低增益的SiPM阵列，其增益值保持偏低。因此，会导致增益值偏高的SiPM阵列，其信号有可能失真，增益值偏低的SiPM阵列，其信号有可能丢失，最终导致图像质量及性能指标的下降。
2、所有SiPM阵列的偏置电压调整方式采用手动调整；缺点是：消耗人力，并且手动调整，可能会由于瞬间电压导致器件损伤，同时，手动调整，没有参考基准，也会导致调整不均。
基于此，在全数字PET***中，迫切需要一种自适应的SiPM阵列增益自动调整技术，来提升图像质量及***性能指标，本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明一种用于PET成像***增益调整的方法和装置，以使得SiPM阵列增益自动调整，从而提升图像质量及***性能指标。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于PET成像***增益调整的方法，所述PET成像***包括探测器单元，增益调整的方法包括：
数据采集：基于本底辐射或外部射线源获取PET***中所有通道的单事件计数；
能量谱获取：获取PET***中各通道的能量谱；
寻峰：获取各能量谱的光电峰；
目标峰值获取：统计所有阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值Eave，作为该PET***的目标峰值Etarget，Etarget＝Eave；
测量峰值获取：统计每个阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值Earray-ave，作为该SiPM阵列的测量峰值Emeasure，Emeasure＝Earray-ave；
增益校准表获取：将测量峰值Emeasure与目标峰值Etarget作比较，获取各SiPM阵列的增益校准系数δi，采用如下公式：
其中，i＝1,2，3，……N，N为PET***的SiPM阵列数；
增益校准表输入；
电源控制：根据各SiPM阵列的增益校准系数，自动缓慢控制各SiPM阵列偏置电压至目标偏压。
进一步的，所述能量谱获取步骤中，获取各通道的能量-计数分布曲线作为能量谱。
进一步的，所述寻峰步骤中，对各通道的能量谱曲线进行高斯拟合，并寻找511keV光电峰位置。
进一步的，所述增益校准表获取步骤中，PET***所有SiPM阵列对应的增益校准系数的集合为该PET***的增益校准表。
进一步的，所述电源控制的步骤中，对于增益高的SiPM阵列，缓慢下调偏置电压；对于增益低的SiPM阵列，缓慢上升偏置电压。
进一步的，所述探测器单元包括闪烁晶体阵列、SiPM阵列、ASIC模块、FPGA模块和电源控制模块；所述ASIC模块，用于获取对应的位置及能量信息；所述FPGA模块，用于对增益表的查找，并将对应增益校准系数发送给电源控制模块。
一种用于PET成像***增益调整的装置，包括：
用于数据采集的单元；用于能量谱获取的单元；用于寻峰的单元；用于目标峰值获取的单元；用于测量峰值获取的单元；用于增益校准表获取的单元；用于电源控制的单元。
本发明的有益效果及原理：
(1)本发明是通过获取探测器***中各SiPM阵列的增益校准系数，并根据增益校准系数自动调整对应SiPM阵列的偏置电压，实现全数字PET***中所有SiPM阵列的增益一致性调整。从而保证各探测器的探测效率一致性，并最终实现PET图像质量及性能指标的提升。
(2)本发明不同的SiPM阵列，根据其增益值的不同，采用不同的偏置电压。
(3)本发明偏置电压的调整，采用自动缓慢调整，避免SiPM受瞬间冲击导致器件的损伤。
(4)本发明整个PET探测***中，所有SiPM阵列的增益值趋于一致，使得探测器读出数据更加真实，有效。
(5)本发明提高了脉冲信号的质量，最终实现了对图像质量及性能指标的提升。
附图说明
图1为增益与偏置电压的关系曲线；
图2为本发明PET成像***的模块框图；
图3为本发明PET探测器单元的模块框图；
图4为本发明一种用于PET成像***增益调整的方法的流程图/模块框图；
图5为本实施例能量-计数曲线分布图；
图6为本实施例高斯拟合后的能量-计数分布图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
本发明所指的各个通道是指各个SiPM像素。
本实施例PET***由2个探测器环A、B组成，A、B探测器环在圆周方向分别由：38个探测器模块组成，每个探测器模块由2×3个晶体+SiPM阵列组成，每个SiPM阵列由8x 8个SiPM像素组成。即本实施例PET***共由76个探测器模块/456个晶体+SiPM阵列/29184个SiPM像素组成。
S1数据采集：数据采集采用外部射线源，Na22射线源置于探测器环的视野中心位置，采集时间5min。
S2能量谱获取：数据采集完成后，开始对所采集到的单事件做分析，获取各像素的能量谱，即：能量-计数曲线分布。本实施例中共有29184个SiPM像素，即有29184个能量-计数曲线分布图，能量-计数曲线分布图(如图5所示)。
S3寻峰：对***中所有29184个SiPM像素的能量-计数分布曲线进行光电峰查找。采用高斯拟合，并计算所有像素的峰值对应的能量值(Epeak，横坐标值)；高斯拟合后的能量-计数分布如图6所示。
S4目标峰值获取：将所有SiPM像素(共29184个)的峰值的Epeak取平均，即获得该PET***的目标峰值，即：
其中，num＝29184，Etarget为PET***的目标峰值；
S5测量峰值获取：每个SiPM阵列测量峰值的获取，将相同阵列的8x 8个SiPM像素的能量-计数曲线峰值的Epeak取平均，即获得该SiPM阵列的测量峰值，
即：
其中，n＝64，i＝1,2，3，……N，N为PET***SiPM阵列数，即：N＝456；
S6增益校准表的获取：增益校准表是增益校准系数的集合。各SiPM阵列的增益校准系数δi按如下计算：
其中，i＝1,2，3，……N，N为PET***SiPM阵列数，即：N＝456；
S7电源控制：根据增益校准表所反馈的增益校准值，对各SiPM阵列的偏置电压做调整。当δi>1时，将对应SiPM阵列的偏置电压(Vbias)缓慢递增至Vbias*δi即可；当δi<1时，将对应SiPM阵列的偏置电压(Vbias)缓慢递减至Vbias*δi即可，当δi＝1时，则保持当前偏置电压不变。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于PET成像***增益调整的方法，所述PET成像***包括探测器单元，增益调整的方法包括：
数据采集：基于本底辐射或外部射线源获取PET成像***中所有通道的单事件计数；
能量谱获取：获取PET成像***中各通道的能量谱；
寻峰：获取各能量谱的光电峰；
目标峰值获取：统计所有阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值Eave，作为该PET成像***的目标峰值Etarget，Etarget＝Eave；
测量峰值获取：统计每个SiPM阵列中所有通道实际测量的光电峰值的平均值Earray-ave，作为该SiPM阵列的测量峰值Emeasure，Emeasure＝Earray-ave；
增益校准表获取：将测量峰值Emeasure与目标峰值Etarget作比较，获取各SiPM阵列的增益校准系数δi，采用如下公式：
其中，i＝1,2，3，……N，N为PET成像***的SiPM阵列数；
增益校准表输入；
电源控制：根据各SiPM阵列的增益校准系数，自动缓慢控制各SiPM阵列偏置电压至目标偏压；
所述能量谱获取步骤中，获取各通道的能量-计数分布曲线作为能量谱；
所述寻峰步骤中，对各通道的能量谱进行高斯拟合，并寻找511keV光电峰位置；
所述增益校准表获取步骤中，PET成像***所有SiPM阵列对应的增益校准系数的集合为该PET成像***的增益校准表；
所述电源控制的步骤中，对于增益高的SiPM阵列，缓慢下调偏置电压；对于增益低的SiPM阵列，缓慢上升偏置电压。
2.如权利要求1所述的一种用于PET成像***增益调整的方法，其中，所述探测器单元包括闪烁晶体阵列、SiPM阵列、ASIC模块、FPGA模块和电源控制模块；所述ASIC模块，用于获取对应的位置及能量信息；所述FPGA模块，用于对增益表的查找，并将对应增益校准系数发送给电源控制模块。
3.一种用于PET成像***增益调整的装置，用于实施如权利要求1所述的用于PET成像***增益调整的方法，包括：
用于数据采集的单元；
用于能量谱获取的单元；
用于寻峰的单元；
用于目标峰值获取的单元；
用于测量峰值获取的单元；
用于增益校准表获取的单元；
用于电源控制的单元。
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