技术领域
[0001] 本
发明涉及
正电子发射
断层成像设备领域，尤其涉及一种
正电子发射断层成像设备中多阈值采样数字化器件的阈值校正方法。
背景技术
[0002] 正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，全文均简称PET）通过捕捉人体内因正子湮灭而发出的gamma
光子获取以正电子核素为标记的示踪剂在人体内的分布情况，进而获取脏器功能，代谢等病理生理特征。获取gamma光子所携带的
能量、
位置以及时间信息的准确性直接影响到系统成像的性能。闪烁脉冲采集与处理单元是PET系统中的关键核心部件，主要功能为处理前端探测器形成的闪烁脉冲，获取gamma光子所携带的能量、位置以及时间信息。为了保证PET系统的性能，希望所使用的闪烁脉冲采集与处理单元，具有
精度高，性能稳定，便于实时校正、集成度高等特点。
[0003] 多阈值采样（Multi-Voltage Threshold，以下可简称MVT）方法为PET等
核医学设备中闪烁脉冲的数字化提供了一套低廉而高效的解决方案。该方法根据闪烁脉冲的特征合理的设置多个
电压阈值，通过对闪烁脉冲越过电压阈值的时间的数字化最终实现闪烁脉冲的数字化采样。根据该方法，发展出的MVT数字化器件已经开始应用于PET系统中，这些MVT数字化器件多由比较器和
时间数字转换器构成。其中，比较器用于实现闪烁脉冲与电压阈值间的比较，在闪烁脉冲跃过电压阈值的时刻输出跳变
信号，时间数字转换器用于对比较器输出的跳变信号的时间进行数字化采样。
[0004] 现有的这些MVT数字化器件为避免因比较器精度所带来的比较电压与实际电压阈值之间的偏差而引起的采样误差，多采用高精密的比较器。这种高精度比较器的应用虽然在一定程度上解决了上述问题，但也使得整个数字化器件的成本急剧上升。同时这种高精度比较器对工作环境要求苛刻，器件的功耗极高，使得整个MVT数字化器件的成本过于昂贵，通道
密度较低。
[0005] 因此，针对
现有技术中存在的问题，有必要提供一种新的多阈值采样数字化器件的阈值校正方法，以降低MVT数字化器件在实现过程中对比较器精度的要求。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多阈值采样数字化器件的阈值校正方法，利用该方法可以获取多阈值采样数字化器件中比较器设置的比较电压与实际工作时比较电压之间的关系，利用该关系可以有效的提高多阈值采样数字化器件的采样精度，降低其对比较器精度的要求。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 一种多阈值采样数字化器件的阈值校正方法，其步骤如下：
[0009] （1）生成一用于多阈值采样数字化器件的阈值校正的三
角波，测量该三角波
波形的k1、k2以及Vpeak，该三角波波形的DOT表示为：
[0010]
[0011] 其中，k1为三角波波形的上升沿部分的斜率，k2为三角波波形的下降沿部分的斜率，Vpeak为三角波波形的峰值幅度，Vt为实际工作阈值，DOT(Vt)为脉冲高于实际工作阈值部分的宽度；
[0012] （2）配置多阈值采样数字化器件中各个比较器的参考电压，并利用该数字化器件对步骤（1）中的脉冲进行数字化采样获取脉冲的采样点；
[0013] （3）根据步骤（2）中获得的采样点，计算出每一个比较器在设定的参考电压下的DOT，并根据步骤（1）中所给出的公式计算出每一个比较器的实际工作阈值，将计算出的每个实际工作阈值与设定的参考电压相对应；
[0014] （4）重新设定数字化器件中各个比较器的参考电压并重复步骤（2）和（3）m次，针对多阈值采样数字化器件中的每一个比较器获得n组实际工作阈值与设定参考电压的对应关系，其中n为大于等于1的正整数，m为大于等于0的正整数；
[0015] （5）将步骤（4）所获得的实际工作阈值及其对应的设定参考电压按其相关的比较器分为k组，k为正整数，k表示多阈值采样数字化器件中比较器的个数；
[0016] （6）采用线性拟合的方式获得每组数据实际工作阈值与设定参考电压之间的函数关系，具体如下：
[0017] y(a，i)=k(a)×x(a，i)+offset(a)，
[0018] 其中，y(a,i)表示多阈值采样数字化器件中第a个比较器对应的第i对的实际工作阈值，x(a,i)表示多阈值采样数字化器件中第a个比较器对应的第i对的设定的参考电压，k(a)与offset(a)表示与第a个比较器对应的数据组内的实际工作阈值与设定参考电压经过线性拟和得到的系数；
[0019] （7）根据步骤（6）中获得的阈值校正函数获得每个比较器在设定的参考电压下的实际阈值电压，达成
阀值的校正。
[0020] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（3）中所述DOT的具体计算方式为：从所获取的脉冲采样点中将经由同一个比较器获得的两个采样点提取出来，计算两个采样点之间的时间间隔，该时间间隔的时间数值即为该比较器在该次采样时与其设置参考电压所对应的实际工作阈值电压下的DOT。
[0021] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（3）中所述DOT为在相同条件下多次测量后的平均值。
[0022] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（6）中的阈值校正函数的另一种表达式为：
[0023] y(a，i)=x(a，i)+offset(a)，
[0024] 当步骤（4）中的n等于1时，offset(a)为与第a个比较器对应的工作阈值与设定的参考电压之间的差值；当步骤（4）中的n大于1时，offset(a)为与第a个比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压之间差值的平均值。
[0025] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，步骤（4）中n的值大于2时，步骤（6）中的校正函数对步骤（4）中获得与该比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压进行样条拟合或样条插值获得实际工作阈值与实际设定参考电压之间的关系。
[0026] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（4）中n的值大于2时，步骤（6）中的校正函数可以对步骤（4）中获得与该比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压进行线性插值的方式获得实际工作阈值与实际设定参考电压之间的关系。
[0027] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（7）中利用阈值校正函数或查找表根据每个比较器欲设定的阈值电压设置对应的参考电压。
[0028] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（1）中的三角波可用
正弦波替换，该正弦波的公式如下：
[0029]
[0030] 测量该正弦波的峰值为2k，周期T和均值电压b，则正弦波高于电压Vt的DOT可以表示为：
[0031]
[0032] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（1）中的三角波形可替换为任意波形，该波形在t时刻其电压值可以由确定的数学表达式描述：
[0033]
[0034] 其中，t0为该波形中峰值电压Vpeak所对应的时间；则对于电压Vt所对应的DOT可以表示为：
[0035] DOT(Vt)＝g-1(Vt)-f-1(Vt)。
[0036] 优选的，在上述多阈值采样数字化器件的阈值校正方法中，所述步骤（1）中的三角波形可替换为任意波形，针对该任意波形其Vt和DOT之间的关系是通过测量该脉冲多个电压下的DOT后建立查找表的方式获得。
[0037] 从上述技术方案可以看出，本发明的多阈值采样数字化器件的阈值校正方法可以有效的解决比较器在实际工作状态下因实际设定的设定参考电压与实际工作状态阈值不一致带来的采样精度下降的问题，由于本方法的运用，可以避免MVT器件中使用高精度的比较器，从而有效的降低了MVT器件的成本；同时由于比较器的精度的降低，整个器件的功耗将会得到有效的改善，高密度的集成也变为可能。
[0038] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0039] （1）通过获取比较器设置阈值与实际工作阈值之间的关系进行阈值校正，避免高精度MVT器件中使用高精度的比较器。
[0040] （2）通过利用三角波等特殊波形的脉冲宽度DOT与实际阈值之间的关系完成校正函数的获取。
附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042] 图1为本发明多阈值采样数字化器件的阈值校正方法的
流程图；
[0043] 图2为MVT采样方法的基本原理图。
具体实施方式
[0044] 本发明公开了一种能有效的提高多阈值采样数字化器件的采样精度，降低其对比较器精度的要求的多阈值采样数字化器件的阈值校正方法。
[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 如图2所示，图2为MVT采样方法的基本原理图。图中A表示闪烁脉冲。图中设置了4个阈值（也可以为其他大于1的值，如无说明下文中所述情况均针对该值为4的情况）分别为V1、V2、V3、V4。脉冲越过这些阈值的时间将会被识别并转换为
数字信号。比较器将会被用来识别脉冲越过这些阈值的时刻，时间数字转换器将会被用来将相应得时刻数字化。采用4个阈值的MVT将会产生8个采样点其中4个在脉冲的上升沿，4个在脉冲的下降沿。通常情况下这样的MVT器件需要4个比较器实现，每个比较器对应一个阈值用来识别脉冲超过或低于该阈值的时刻，因此一个比较器将会对应一个阈值同时会涉及到2个采样点，一个在脉冲的上升沿一个在脉冲的下降沿。图中B表示了与阈值V3所对应的比较器识别出的脉冲低于该阈值的时刻。
[0047] 根据MVT采样原理，对于一个脉冲，由一个比较器决定的两个采样点的时间间隔就表示了这个脉冲在超过该比较器实际工作阈值下的脉冲宽度（Duration over threshold，以下简称DOT）。实际的脉冲都是连续而光滑的，因此上文所说的DOT与比较器实际工作阈值将会是一一对应的关系。当我们确切的知道输入脉冲的形状特点的时候就可以通过MVT器件中每个比较器测量出的DOT计算出该比较器的实际工作阈值，从而建立该比较器的设置的参考电压与实际工作的阈值电压之间的关系，进而达到校正的目的。
[0048] 如图1所示，根据上述原理，本发明公开的多阈值采样数字化器件的阈值校正方法，其步骤如下：
[0049] 一种多阈值采样数字化器件的阈值校正方法，其步骤如下：
[0050] （1）生成一用于多阈值采样数字化器件的阈值校正的三角波，测量该三角波波形的k1、k2以及Vpeak，该三角波波形的DOT表示为：
[0051]
[0052] 其中，k1为三角波波形的上升沿部分的斜率，k2为三角波波形的下降沿部分的斜率，Vpeak为三角波波形的峰值幅度，Vt为实际工作阈值，DOT(Vt)为脉冲高于实际工作阈值部分的宽度；
[0053] （2）配置多阈值采样数字化器件中各个比较器的参考电压，并利用该数字化器件对步骤（1）中的脉冲进行数字化采样获取脉冲的采样点；
[0054] （3）根据步骤（2）中获得的采样点，计算出每一个比较器在设定的参考电压下的DOT，并根据步骤（1）中所给出的公式计算出每一个比较器的实际工作阈值，将计算出的每个实际工作阈值与设定的参考电压相对应；
[0055] （4）重新设定数字化器件中各个比较器的参考电压并重复步骤（2）和（3）m次，针对多阈值采样数字化器件中的每一个比较器获得n组实际工作阈值与设定参考电压的对应关系，其中n为大于等于1的正整数，m为大于等于0的正整数；
[0056] （5）将步骤（4）所获得的实际工作阈值及其对应的设定参考电压按其相关的比较器分为k组，k为正整数，k表示多阈值采样数字化器件中比较器的个数；
[0057] （6）采用线性拟合的方式获得每组数据实际工作阈值与设定参考电压之间的函数关系，具体如下：
[0058] y(a，i)=k(a)×x(a，i)+offset(a)，
[0059] 其中，y(a,i)表示多阈值采样数字化器件中第a个比较器对应的第i对的实际工作阈值，x(a,i)表示多阈值采样数字化器件中第a个比较器对应的第i对的设定的参考电压，k(a)与offset(a)表示与第a个比较器对应的数据组内的实际工作阈值与设定参考电压经过线性拟和得到的系数；
[0060] （7）根据步骤（6）中获得的阈值校正函数获得每个比较器在设定的参考电压下的实际阈值电压，达成阀值的校正。
[0061] 所述步骤（3）中所述DOT的具体计算方式为：从所获取的脉冲采样点中将经由同一个比较器获得的两个采样点提取出来，计算两个采样点之间的时间间隔，该时间间隔的时间数值即为该比较器在该次采样时与其设置参考电压所对应的实际工作阈值电压下的DOT。
[0062] 所述步骤（3）中所述DOT为在相同条件下多次测量后的平均值。
[0063] 所述步骤（6）中的阈值校正函数可以表示为：
[0064] y(a，i)=x(a，i)+offset(a)，
[0065] 当步骤（4）中的n等于1时，offset(a)为与第a个比较器对应的工作阈值与设定的参考电压之间的差值；当步骤（4）中的n大于1时，offset(a)为与第a个比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压之间差值的平均值。
[0066] 所述步骤（4）中n的值大于2时，步骤（6）中的校正函数对步骤（4）中获得与该比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压进行样条拟合或样条插值获得实际工作阈值与实际设定参考电压之间的关系。插值和拟合是两个不同的概念。拟合是得到一组数据的函数关系y=f(x)，插值是根据该组数据利用一定的模型和假设获得该数据中不存在的数据对的数值。
[0067] 所述步骤（4）中n的值大于2时，步骤（6）中的校正函数可以对步骤（4）中获得与该比较器对应的多组工作阈值与设定的参考电压进行线性插值的方式获得实际工作阈值与实际设定参考电压之间的关系。
[0068] 所述步骤（7）中利用阈值校正函数或查找表根据每个比较器欲设定的阈值电压设置对应的参考电压。
[0069] 所述步骤（1）中的三角波可用正弦波替换，该正弦波的公式如下：
[0070]
[0071] 测量该正弦波的峰值为2k，周期T和均值电压b，则正弦波高于电压Vt的DOT可以表示为：
[0072]
[0073] 所述步骤（1）中的三角波形可替换为任意波形，该波形在t时刻其电压值可以由确定的数学表达式描述：
[0074]
[0075] 其中，t0为该波形中峰值电压Vpeak所对应的时间；则对于电压Vt所对应的DOT可以表示为：-1 -1
[0076] DOT(Vt)＝g (Vt)-f (Vt)。
[0077] 所述步骤（1）中的三角波形可替换为任意波形，针对该任意波形其Vt和DOT之间的关系是通过测量该脉冲多个电压下的DOT后建立查找表的方式获得。
[0078] 下面将结合具体的实施例对本发明的方法进行阐述。
[0079] 实施例一：三角波
[0080] （1）利用任意波形发生器产生一三角波，该三角波的上升沿部分的斜率k1=10mV/ns，下降沿部分的斜率k2=-10mV/ns，峰值幅度为500mV。则该波形的DOT可以表示为：
[0081]
[0082] （2）利用多阈值采样数字化器件对该三角波重复采样100次，其中，比较器1、2、3和4的参考电压均设置为40mV。则对于一次采样我们将会获得8个采样时间点，每个比较器对应2个采样点，一个在脉冲的上升沿部分，一个在脉冲的下降沿部分。为方便表述对于第n次采样时比较器i在上升沿获得的采样时间点记录为Tr(n,i)，在下降沿获得的采样时间点记录为Tf(n,i)，
[0083] （3）对于比较器i在参考电压设置为40mV时，其对应的DOT可以表示为：
[0084]
[0085] 根据实际测量结果如下表:
[0086]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 40mV 40mV 40mV 40mV
DOT 95.2ns 93.2ns 96.6ns 88.6ns
实际工作阈值 24mV 34mV 17mV 57mV
[0087] 根据步骤（1）中所给公式可以计算出4个比较器各自的实际工作阈值，如上表。
[0088] （4）将比较器1、2、3和4的参考电压均设置为200mV并重复步骤（2）和（3）得到各个比较器在该参考电压下测量出的DOT以及其对应的实际工作阈值，结果如下表[0089]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 200mV 200mV 200mV 200mV
DOT 63.2ns 61.2ns 64.6ns 56.6ns
实际工作阈值 184mV 194mV 177mV 217mV
[0090] （5）对于各个比较器其参考电压与实际工作阈值电压如下表表示[0091]
[0092] (6)根据步骤（5）中得到的数据采用线性拟合的方式得到各个参考电压与工作阈值之间的函数关系如下：
[0093] y(a，i)=k(a)×x(a，i)+offset(a)
[0094] 其中k(1)，k(2)，k(3)，k(4)均为1，offset(1)、offset(2)、offset(3)、offset(4)分别为16mV，6mV，23mV，-17mV。
[0095] （7）当多阈值采样数字化器件中比较器1、2、3和4的参考电压分别设置为40mV，80mV，120mV，160mV的时候根据步骤（6）中的公式可以知道该多阈值采样数字化器件实际工作的阈值电压为24mV、74mV、97mV、177mV。
[0096] 实施例二：
锯齿波（锯齿波是三角波的一种特殊情况）
[0097] （1）利用任意波形发生器产生一锯齿波，该锯齿波的上升沿部分的斜率k1=1mV/ns,下降沿部分的斜率k2=-500mV/ns,峰值幅度为200mV。则该波形的DOT可以表示为：
[0098]
[0099] （2）利用多阈值采样数字化器件对该三角波重复采样100次，其中比较器1、2、3和4的参考电压均设置为40mV。则对于一次采样我们将会获得8个采样时间点，每个比较器对应2个采样点一个在脉冲的上升沿部分，一个在脉冲的下降沿部分。为方便表述对于第n次采样时比较器i在上升沿获得的采样时间点记录为Tr(n,i)，在下降沿获得的采样时间点记录为Tf(n,i)，
[0100] （3）对于比较器i在参考电压设置为40mV时，其对应的DOT可以表示为：
[0101]
[0102] 根据实际测量结果如下表:
[0103]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 40mV 40mV 40mV 40mV
DOT 176.2ns 166.1ns 183.4ns 143.6ns
实际工作阈值 24.2mV 34.3mV 17.0mV 56.8mV
[0104] 根据步骤（1）中所给公式可以计算出4个比较器各自的实际工作阈值，如上表。
[0105] （4）将比较器1、2、3和4的参考电压均设置为200mV并重复步骤（2）[0106]
[0107] 和（3）得到各个比较器在该参考电压下测量出的DOT以及其对应的实际工作阈值，结果如下表
[0108]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 140mV 140mV 140mV 140mV
DOT 76.8ns 67.2ns 83.3ns 43.1ns
[0109]实际工作阈值 123.6mV 133.2mV 117.1mV 157.3mV
[0110] （5）对于各个比较器其参考电压与实际工作阈值电压如下表表示[0111]
[0112] (6)根据步骤（5）中得到的数据采用线性拟合的方式得到各个参考电压与工作阈值之间的函数关系如下：
[0113] y(a，i)=k(a)×x(a，i)+offset(a)
[0114] 其中k(1)，k(2)，k(3)，k(4)均为1，offset(1)、offset(2)、offset(3)、offset(4)分别为16mV，6mV，23mV，-17mV。
[0115] （7）当多阈值采样数字化器件中比较器1、2、3和4的参考电压分别设置为40mV，80mV，120mV，160mV的时候根据步骤（6）中的公式可以知道该多阈值采样数字化器件实际工作的阈值电压为24mV、74mV、97mV、177mV。
[0116] 实施例三：正弦波
[0117] （1）利用任意波形发生器产生正弦波，该正弦波的周期T=200ns,均值电b=200mV,峰峰值为400mV即k=200mV。则该波形的DOT可以表示为
[0118]
[0119] （2）利用多阈值采样数字化器件对该三角波重复采样100次，其中比较器1、2、3和4的参考电压均设置为40mV。则对于一次采样我们将会获得8个采样时间点，每个比较器对应2个采样点一个在脉冲的上升沿部分，一个在脉冲的下降沿部分。为方便表述对于第n次采样时比较器i在上升沿获得的采样时间点记录为Tr(n,i)，在下降沿获得的采样时间点记录为Tf(n,i)，
[0120] （3）对于比较器i在参考电压设置为40mV时，其对应的DOT可以表示为：
[0121]
[0122] 根据实际测量结果如下表:
[0123]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 40mV 40mV 40mV 40mV
DOT 168.6ns 162.4ns 173.6ns 150.7ns
实际工作阈值 23.9mV 33.8mV 16.9mV 57.0mV
[0124] 根据步骤（1）中所给公式可以计算出4个比较器各自的实际工作阈值，如上表。
[0125] （4）将比较器1、2、3和4的参考电压均设置为200mV并重复步骤（2）和（3）得到各个比较器在该参考电压下测量出的DOT以及其对应的实际工作阈值，结果如下表[0126]比较器1 比较器2 比较器3 比较器4
参考电压 140mV 140mV 140mV 140mV
DOT 124.8mV 121.3mV 127.2mV 113.8mV
实际工作阈值 124.0mV 134.2mV 117.0mV 157.1mV
[0127] （5）对于各个比较器其参考电压与实际工作阈值电压如下表表示[0128]
[0129] (6)根据步骤（5）中得到的数据采用线性拟合的方式得到各个参考电压与工作阈值之间的函数关系如下：
[0130] y(a，i)=k(a)×x(a，i)+offset(a)
[0131] 其中k(1)，k(2)，k(3)，k(4)均为1，offset(1)、offset(2)、offset(3)、offset(4)分别为16mV，6mV，23mV，-17mV。
[0132] （7）当多阈值采样数字化器件中比较器1、2、3和4的参考电压分别设置为40mV，80mV，120mV，160mV的时候根据步骤（6）中的公式可以知道该多阈值采样数字化器件实际工作的阈值电压为24mV、74mV、97mV、177mV。
[0133] 本发明实施例的多阈值采样数字化器件的阈值校正方法可以有效的解决比较器在实际工作状态下因实际设定的设定参考电压与实际工作状态阈值不一致带来的采样精度下降的问题，由于本方法的运用，可以避免MVT器件中使用高精度的比较器，从而有效的降低了MVT器件的成本。同时由于比较器的精度的降低整个器件的功耗将会得到有效的改善，高密度的集成也变为可能。
[0134] 本发明与现有技术的区别在于：
[0135] （1）通过获取比较器设置阈值与实际工作阈值之间的关系进行阈值校正，避免高精度MVT器件中使用高精度的比较器。
[0136] （2）通过利用三角波等特殊波形的DOT与实际阈值之间的关系完成校正函数的获取。
[0137] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0138] 此外，应当理解，虽然本
说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
