技术领域
[0001] 本
发明涉及
核医学成像技术领域，尤其涉及一种
正电子发射断层成像电子学
信号处理系统和方法。
背景技术
[0002] 正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET，以下简称PET)在核医学领域是重要的断层成像技术和设备，现已广泛地应用于医学领域的诊断和研究。它的主要原理是将能发射正电子的核素作为特异性示踪剂注入病人体内，示踪剂发射的正电子与人体内的电子湮没产生一对γ
光子，这对光子被探测器探测，交给电子学分系统进一步处理，再传给计算机进行图像重建，就可以得到示踪剂在病人体内的分布情况，从而实现
肿瘤的早期发现和
定位。
[0003] 现阶段PET电子学分系统对信号
能量最主流的处理方式为采用模数变换器(Analog to Digital Converter,简称ADC)的方案，主要过程如下：
[0004] 1、探测器输出的模拟
电信号进行模拟放大，滤波成形，变成适合ADC
采样的
模拟信号；
[0005] 2、经过模拟放大，滤波成形后的模拟电信号进入ADC采样，变成串行
数字信号，由现场可编程
门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)接收后进行数字处理，获得信号的能量和
位置信息；
[0006] 3、将获得能量和位置信息传输到计算机，由计算机进行图像重建，实现病灶的早期发现和定位。
[0007] 图1为
现有技术中使用ADC采样的正电子发射断层成像电子学信号处理系统的结构示意图。
[0008] 如图1所示，γ光子入射
光电倍增管后，输出多路信号并通过电荷分配
电路简化为四路
电流信号，四路电流信号分别通过四个电流灵敏前置
放大器放大四路
电压信号，随后分别进入四路滤波成形电路，转化出四路适合ADC采样的模拟信号。四路模拟信号分别进入ADC
模数转换模
块后转换为数字信号输出至FPGA，再由FPGA接受四路数字信号并计算获得γ光子的位置信息和能量信息。
[0009] PET成像系统因所针对的对象不一样，其探测器输出的模拟信号从几十路到几百路不等，而且每一路都需要经过电子学的处理，因此在用ADC采样的信号处理方案时需要用到大量的ADC转换电路及其前端驱动电路，增加了电路的复杂度，且不利于PET设备的小型化。
发明内容
[0010] 在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0011] 本发明提供一种精简电路的正电子发射断层成像电子学信号处理系统和方法。
[0012] 本发明提供一种正电子发射断层成像电子学信号处理系统，用于接收γ光子并获得γ光子的位置信息和能量信息，所述系统包括：
[0013] 求和电路，用于对输入的电压信号进行求和，得到并输出放大电压信号；
[0014] 恒流源充放电电路，与所述求和电路连接，用于将所述放大电压信号转换为放电电压信号并输出；
[0015] 高速比较器，与所述恒流源充放电电路连接，用于将所述放电电压信号与预设的
阈值电压进行比较，产生并输出方波信号；
[0016] 逻辑运算模块，与所述高速比较器连接，用于根据所述方波信号计算获得γ光子的位置信息和能量信息。
[0017] 本发明还提供一种正电子发射断层成像电子学信号处理方法，用于接收γ光子并获得γ光子的位置信息和能量信息，所述方法包括：
[0018] 求和电路对输入的电压信号进行求和，得到放大电压信号并向恒流源充放电电路输出；
[0019] 所述恒流源充放电电路将所述放大电压信号转换为放电电压信号并向高速比较器输出；
[0020] 所述高速比较器将所述放电电压信号与预设的阈值电压进行比较，产生方波信号并向逻辑运算模块输出；
[0021] 所述逻辑运算模块根据所述方波信号计算获得γ光子的位置信息和能量信息。
[0022] 本发明提供的正电子发射断层成像电子学信号处理系统和方法通过求和电路放大信号并减少信号通道数，通过恒流源充放电电路将求和电路输出的信号转换为放电电压信号，并通过高速比较器比较放电电压信号输出供逻辑运算模块计算γ光子位置和能量信息的方波信号，从而实现了采用恒流源充放电电路和高速比较器的组合取代复杂的ADC采样电路，精简了PET电子学信号处理电路。综上所述，本发明精简了PET电子学分系统，有助于实现PET设备小型化。
附图说明
[0023] 参照下面结合附图对本发明
实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
[0024] 图1为现有技术中使用ADC采样的正电子发射断层成像电子学信号处理系统的结构示意图。
[0025] 图2为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第一实施例的结构示意图。
[0026] 图3为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法第一实施例的流程示意图。
[0027] 图4为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第二实施例的结构示意图。
[0028] 图5为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法第二实施例的流程示意图。
[0029] 图6为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第三实施例的结构示意图。
[0030] 图7为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统一种实施例中求和模块的结构示意图。
[0031] 图8为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统一种实施例中恒流源充放电模块的结构示意图。
[0032] 图9为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统一种实施例中高速比较模块的结构示意图。
[0033] 图10为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统一种优选实施例中电流灵敏前置放大模块的结构示意图。
[0034] 图11为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统一种实施例的试验效果图。
[0035] 附图标记说明：
[0036] 10 电流灵敏前置放大器
[0037] 30 求和电路
[0038] 50 恒流源充放电电路
[0039] 70 高速比较器
[0040] 90 逻辑运算模块
[0041] 101 第一电流灵敏前置放大模块
[0042] 103 第二电流灵敏前置放大模块
[0043] 105 第三电流灵敏前置放大模块
[0044] 107 第四电流灵敏前置放大模块
[0045] 301 第一求和模块
[0046] 303 第二求和模块
[0047] 305 第三求和模块
[0048] 501 第一恒流源充放电模块
[0049] 503 第二恒流源充放电模块
[0050] 505 第三恒流源充放电模块
[0051] 701 第一高速比较模块
[0052] 703 第二高速比较模块
[0053] 705 第三高速比较模块
具体实施方式
[0054] 下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
[0055] 第一实施例：
[0056] 图2为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第一实施例的结构示意图。
[0057] 如图2所示，在本实施例中，本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统包括：
[0058] 求和电路30，用于对输入的电压信号进行求和，得到并输出放大电压信号。
[0059] 恒流源充放电电路50，与求和电路30连接，用于将所述放大电压信号转换为放电电压信号并输出。
[0060] 高速比较器70，与恒流源充放电电路50连接，用于将所述放电电压信号与预设的阈值电压进行比较，产生并输出方波信号。
[0061] 逻辑运算模块90，与高速比较器70连接，用于根据所述方波信号计算获得γ光子的位置信息和能量信息。
[0062] 图3为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法第一实施例的流程示意图。
[0063] 如图3所示，在本实施例中，本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法包括：
[0064] S30：求和电路对输入的电压信号进行求和，得到放大电压信号并向恒流源充放电电路输出。具体地，根据γ光子的位置信息和能量信息的计算公式分别设定每一路求和电路所进行求和的电压信号，从而简化了逻辑运算模块的计算，放大了电压信号，并减少了输出的信号路数。
[0065] S50：所述恒流源充放电电路将所述放大电压信号转换为放电电压信号并向高速比较器输出。具体地，恒流源充放电电路利用恒流源电路输出电流恒定的特性和电容充放电在输出恒定电流的条件下电荷量与时间成正比的特性，将放大电压信号转换为通过时间宽度显示电荷量信息的放电电压信号。
[0066] S70：所述高速比较器将所述放电电压信号与预设的阈值电压进行比较，产生方波信号并向逻辑运算模块输出。具体地，高速比较器将放电电压信号与阈值电压进行比较，输出通过时间宽度显示电荷量信息的数字方波信号，从而将模拟信号转换为数字信号。
[0067] S90：所述逻辑运算模块根据所述方波信号计算获得γ光子的位置信息和能量信息。具体地，逻辑运算模块通过方波信号的时间宽度得到电荷量信息，从而计算出γ光子的能量信息，并进一步计算出γ光子的位置信息。
[0068] 第二实施例：
[0069] 本实施例为第一实施例的优选实施方式。
[0070] 图4为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第二实施例的结构示意图。
[0071] 如图4所示，相较于第一实施例，在本实施例中，本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统还包括：
[0072] 电流灵敏前置放大器10，用于将输入的电流信号放大为所述电压信号输出至求和电路30。所述输入的电流信号由γ光子入射光电倍增管产生的信号通过电荷分配电路简化得到。
[0073] 图5为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法第二实施例的流程示意图。
[0074] 如图5所示，相较于第一实施例，在本实施例中，本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法，在S30之前还包括：
[0075] S10：γ光子入射光电倍增管产生的信号通过电荷分配电路简化得到多路电流信号并分别向电流灵敏前置放大器输出。
[0076] S20：所述电流灵敏前置放大器分别将所述电流信号放大为电压信号并向求和电路输出。
[0077] 第三实施例
[0078] 本实施例为第二实施例的优选实施方式。
[0079] 图6为本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统第三实施例的结构示意图。
[0080] 如图6所示，在本实施例中，正电子发射断层成像电子学信号处理系统包括电流灵敏前置放大器10，求和电路30，恒流源充放电电路50，高速比较器70和逻辑运算模块90。电流灵敏前置放大器10包括第一电流灵敏前置放大模块101、第二电流灵敏前置放大模块103、第三电流灵敏前置放大模块105和第四电流灵敏前置放大模块107。求和电路30包括第一求和模块301、第二求和模块303和第三求和模块305。恒流源充放电电路50包括第一恒流源充放电模块501、第二恒流源充放电模块503和第三恒流源充放电模块505。高速比较器70包括第一高速比较模块701、第二高速比较模块703和第三高速比较模块705。
[0081] 第一求和模块301的输入端连接第一电流灵敏前置放大模块101、第二电流灵敏前置放大模块103、第三电流灵敏前置放大模块105和第四电流灵敏前置放大模块107，输出端连接第一恒流源充放电模块501的输入端。第一恒流源充放电模块501的输出端连接第一高速比较模块701。
[0082] 第二求和模块303的输入端连接第一电流灵敏前置放大模块101和第二电流灵敏前置放大模块103，输出端连接第二恒流源充放电模块503的输入端。第二恒流源充放电模块503的输出端连接第二高速比较模块703。
[0083] 第三求和模块305的输入端连接第二电流灵敏前置放大模块103和第三电流灵敏前置放大模块105，输出端连接第三恒流源充放电模块505的输入端。第三恒流源充放电模块505的输出端连接第三高速比较模块705。
[0084] 第一高速比较模块701、第二高速比较模块703、第三高速比较模块705分别连接逻辑运算模块90。
[0085] 图7为本实施例中第一求和模块301的结构示意图。
[0086] 如图7所示，第一求和模块301包括第一
运算放大器，第一运算放大器的负输入端输入四路正信号VA，VB，VC，VD，正输入端接地，负输入端通过
电阻连接输出端，输出端输出负信号VE。
[0087] 图8为本实施例中第一恒流源充放电模块501的结构示意图。
[0088] 如图8所示，第一恒流源充放电模块501包括恒流电源、第一电容、第二电容、肖基特
二极管和第二运算放大器，第一求和模块301的输出端通过所述第一电容连接第二运算放大器的负输入端，所述第二电容和所述肖基特二极管并联后连接所述运算放大器的负输入端和输出端，所述恒源电流连接第二运算放大器的负输入端，第二运算放大器的正输入端接地。当第一求和模块301没有
输入信号时，所述
肖特基二极管将第一恒流源充放电模块501输出的第一放电电压信号VTE的电压钳位在所述肖特基二极管的负导通电压，在本实施例中约为-300mv，低于高速比较器70的阈值电压。当第一求和模块301输入负信号时VE，第一电容反向充电，输出的第一放电电压信号VTE电压逐渐升高，高于高速比较器70的阈值电压。
[0089] 图9为本实施例中第一高速比较模块701的结构示意图。
[0090] 如图8所示，第一高速比较模块701的正负输入端分别输入阈值电压和第一放电电压信号VTE，根据比较结果输出高低电平的第一方波信号STE。
[0091] 图10为本实施例中第一电流灵敏前置放大模块101的结构示意图。
[0092] 如图9所示，第一电流灵敏前置放大模块101的负输入端输入负信号IA，正输入端接地，负输入端通过电阻与输出端连接，输出正信号VA。
[0093] 在本实施例中，逻辑运算模块90为一FPGA，γ光子入射的光电倍增管采用H8500型号。在本实施例中，高速比较器70的阈值电压设定为高速比较器70的噪声电压的1.1倍。
[0094] 在本实施例中，本发明正电子发射断层成像电子学信号处理方法包括：
[0095] S10：γ光子入射光电倍增管产生的信号通过电荷分配电路简化得到多路电流信号并分别向电流灵敏前置放大器输出。具体地，当一个γ光子入射到11*11的耦合有晶体阵列的光电倍增管上时，会在所述光电倍增管的64个
阳极产生64路电流信号。所述64路输入电流信号通过电荷分配电路后简化为4路电流信号，分别为IA，IB，IC，ID，并分别向电流灵敏前置放大器10的四个电流灵敏前置放大模块输出。所述四路电流信号包含了γ光子的位置和能量相关的信息。
[0096] S20：所述电流灵敏前置放大器分别将所述电流信号放大为电压信号并向求和电路输出。具体地，第一电流灵敏前置放大模块101、第二电流灵敏前置放大模块103、第三电流灵敏前置放大模块105、第四电流灵敏前置放大模块107分别将四路电流信号IA，IB，IC，ID放大为四路电压信号VA，VB，VC，VD。第一电流灵敏前置放大模块101将第一电压信号VA分别输出至第一求和模块301和第二求和模块303。第二电流灵敏前置放大模块103将第二电压信号VB分别输出至第一求和模块301、第二求和模块303和第三求和模块305。第三电流灵敏前置放大模块105将第三电压信号VC分别输出至第一求和模块301和第三求和模块305。第四电流灵敏前置放大模块107将第四电压信号VD输出至第一求和模块301。
[0097] S30：求和电路对输入的电压信号进行求和，得到放大电压信号并向恒流源充放电电路输出。具体地，第一求和模块301对第一电压信号VA、第二电压信号VB、第三电压信号VC和第四电压信号VD进行求和，得到第一放大电压信号VE并向第一恒流源充放电模块501输出。第二求和模块303对第一电压信号VA和第二电压信号VB进行求和，得到第二放大电压信号VX并向第二恒流源充放电模块503输出。第三求和模块305对第二电压信号VB和第三电压信号VC进行求和，得到第三放大电压信号VY并向第三恒流源充放电模块505输出。
[0098] S50：所述恒流源充放电电路将所述放大电压信号转换为放电电压信号并向高速比较器输出。具体地，第一恒流源充放电模块501将所述第一放大电压信号VE转换为第一放电电压信号VTE并向第一高速比较模块701输出，第二恒流源充放电模块503将所述第二放大电压信号VX转换为第二放电电压信号VTX并向第二高速比较模块703输出，第三恒流源充放电模块505将所述第三放大电压信号VY转换为第三放电电压信号VTY并向第三高速比较模块705输出。
[0099] S70：所述高速比较器将所述放电电压信号与预设的阈值电压进行比较，产生方波信号并向逻辑运算模块输出。具体地，第一高速比较模块701、第二高速比较模块703、第三高速比较模块705分别将第一放电电压信号VTE、第二放电电压信号VTX、第三放电电压信号VTY与阈值电压进行比较，分别产生第一方波信号STE、第二方波信号STX、第三方波信号STY并向逻辑运算模块90输出。
[0100] S90：所述逻辑运算模块根据所述方波信号计算获得γ光子的位置信息和能量信息。具体地，逻辑运算模块90通过时间数字转换技术(Time to Digital Converter,简称TDC，具体参考“正电子发射断层成像系统中数字化多通道时间数字转换研究”，
原子能科学技术，第45卷第5期)，根据第一方波信号STE计算出第一时间宽度TE，根据第二方波信号STX计算出第二时间宽度TX，根据第三方波信号STY计算出第三时间宽度TY。
[0101] 第一放大电压信号VE的电荷量QE与第一时间宽度TE成线性关系(具体参考“The non-gated charge-to-time converter for TOF detector in BES III”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 621(2010)513–518)，逻辑运算模块90计算出QE，QE＝a*TE+b，其中a、b为与恒流源充放电模块相关的固定常数(本实施例中三个恒流源充放电模块均相同)。同理，逻辑运算模块计算出第二放大电压信号VX的电荷量QX和第三放大电压信号VY的电荷量QY，QX＝a*TX+b，QY＝a*TY+b。γ光子的能量信息E＝QE。γ光子的位置信息包括γ光子在笛卡尔
坐标系中的横轴坐标X和纵轴坐标Y，X＝QX/QE，Y＝QY/QE。
[0102] 图10为本实施例的实验效果图。
[0103] 如图10所示，使用本发明正电子发射断层成像电子学信号处理系统和方法所测得的散点图，11*11的晶体阵列能够完全分开，能够满足PET成像的要求。
[0104] 综上所述，本发明提供的正电子发射断层成像电子学信号处理系统和方法通过求和电路放大信号并减少信号通道数，通过恒流源充放电电路将求和电路输出的信号转换为放电电压信号，并通过高速比较器比较放电电压信号输出供逻辑运算模块计算γ光子位置和能量信息的方波信号，从而实现了采用恒流源充放电电路和高速比较器的组合取代复杂的ADC采样电路，精简了PET电子学信号处理电路，有助于实现PET设备小型化。
[0105] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
