一種脈沖堆積事件實時處理方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多電壓閾值采樣技術(shù)的脈沖堆積事件實時處理方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高能粒子探測領(lǐng)域以及正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emiss1n Tomography,簡稱PET)等核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域需要完成伽馬光子信息的探測，通常利用閃爍晶體將伽馬光子轉(zhuǎn)變成可見光光子，再用光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成閃爍脈沖電信號，最終經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路提取閃爍脈沖電信號所包含的對應(yīng)伽馬光子的信息。
[0003]計數(shù)性能是高能粒子探測器的基礎(chǔ)性能指標(biāo)之一，反映了系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能采集到的事件數(shù)量極限。在諸如高輻射通量宇宙射線探測以及短半衰期放射性示蹤劑、動態(tài)掃描等高活度、高靈敏度要求的核醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中，將對高能粒子探測器的計數(shù)性能極限提出甚高要求。
[0004]而隨著探測器的計數(shù)率升高，閃爍脈沖的堆積現(xiàn)象將越發(fā)嚴(yán)重，并成為影響探測器性能和計數(shù)極限的主要原因。脈沖堆積定義為:同一個探測通道在一個閃爍脈沖持續(xù)時間內(nèi)探測到兩個以上的伽馬光子事件。脈沖堆積使得多個閃爍脈沖波形重疊，影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對每個閃爍脈沖信息的獨立求取，將造成計數(shù)丟失、能量信息惡化和位置信息惡化等一系列問題，嚴(yán)重惡化高計數(shù)率下探測器的性能表現(xiàn)。
[0005]為解決高計數(shù)率下脈沖堆積引發(fā)的探測器性能惡化問題，研究人員提出了多種方法，如動態(tài)積分方法:對兩個脈沖觸發(fā)的時間間隔進(jìn)行檢測，若在一個積分時間內(nèi)有第二個脈沖到來，則結(jié)束對第一個脈沖的積分，并通過脈沖模型對第一個脈沖未完成積分的部分進(jìn)行估算，在第一個脈沖積分值上加上該估算值，并從第二個脈沖的積分值中減去該估算值，最終得到堆積兩個脈沖的實際積分值，參見文獻(xiàn)[I]。
[0006]文獻(xiàn)[2]中提出的數(shù)字化單事件信息恢復(fù)(Digital Single EventReconstruct1n，簡稱DiSER)方法可看作對動態(tài)積分方法的改進(jìn)，DiSER方法基于閃爍脈沖的模型進(jìn)行堆積事件中單個脈沖的信息恢復(fù)，該脈沖模型由一個快速上升的上升沿和一個指數(shù)衰減的下降沿構(gòu)成。DiSER方法通過對采樣得到的一幀數(shù)字化脈沖波形求導(dǎo)，確定閃爍脈沖的個數(shù)和發(fā)生時刻的間隔，兩個閃爍脈沖上升沿之間的采樣點，被認(rèn)為是前一個脈沖的下降沿并被用于重建其全部下降沿，在求取后一個閃爍脈沖的波形時將減去該下降沿，以恢復(fù)堆積事件中各個脈沖的真實波形。
[0007]另一種思路是將打入探測器的伽馬光子看作一個沖激函數(shù)，而將探測器視作一個黑盒系統(tǒng)，并根據(jù)其構(gòu)成具有特定的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)，將探測器輸出到電子學(xué)的閃爍脈沖電信號視作沖激函數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積后的結(jié)果，考慮到噪聲的存在，無法通過解析的方式求解出原脈沖，可引入迭代的方法從閃爍脈沖電信號中恢復(fù)出伽馬光子的信息。由于將探測器視作一個整體系統(tǒng)考慮，該方法從工作原理上不受限于特定的脈沖形狀，且由于恢復(fù)后的脈沖持續(xù)時間相當(dāng)短，適用于超高計數(shù)率的探測器應(yīng)用，參見文獻(xiàn)[3]。
[0008]另一些研究工作針對脈沖堆積引起的基線漂移進(jìn)行處理，如[4]中對堆積引起的基線漂移問題，采用了統(tǒng)計基線值的分布的方法:由于電路白噪聲符合高斯分布而閃爍脈沖的拖尾符合泊松分布，同時考慮到即使在高活度下，無脈沖拖尾影響的點仍然為整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，簡稱ADC)采樣波形中的絕大部分，即從基線值得統(tǒng)計分布上可以分辨出無脈沖基線構(gòu)成的高斯峰，該高斯峰的均值即為當(dāng)前的基線值，因此通過實時更新一個ADC采樣波形中基線部分的基線庫，并統(tǒng)計其幅值分布，可追蹤當(dāng)前基線值并反饋到脈沖采樣端進(jìn)行基線校正。
[0009]動態(tài)積分方法和DiSER方法在應(yīng)用于位置敏感型的探測器時，將面臨一個伽馬光子事件所產(chǎn)生的多個同源閃爍脈沖信號的處理同步問題，如位置敏感型光電倍增管(Photomultiplier Tube，簡稱PMT)接收到伽馬光子后將產(chǎn)生一組包含位置信息的角脈沖信號，且同組的角脈沖信號波形存在差異，采用上述方法很可能造成只有部分脈沖能夠得到觸發(fā)和后續(xù)處理，且由于各角脈沖信號獨立觸發(fā)，造成觸發(fā)時刻不同步，惡化能量及位置信息的求取精度。此外，以上兩種方法需要采集完成一定時長的數(shù)據(jù)幀后再進(jìn)行數(shù)據(jù)回放來確定堆積脈沖的發(fā)生時刻，不能在探測器上進(jìn)行堆積脈沖的實時處理。
[0010]利用探測器系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)和迭代算法進(jìn)行脈沖恢復(fù)的方法對數(shù)字化閃爍脈沖過程的采樣率有較高要求，且迭代算法耗時較多，使得該方法在需要實時處理的探測器及系統(tǒng)上的實現(xiàn)存在困難。
[0011]基于脈沖基線值統(tǒng)計的脈沖堆積基線漂移處理方法的基線更新過程需要一定響應(yīng)時間，只能減輕脈沖拖尾造成的基線漂移影響，無法在發(fā)生脈沖堆積時對脈沖進(jìn)行實時的恢復(fù)處理。
[0012]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種改良結(jié)構(gòu)的脈沖堆積實時處理方法，以克服上述缺陷。
[0013][I]Lewellen T K ；Bice A N ；Pollard K R, et al."Evaluat1n of a ClinicalScintillat1n Camera with Pulse Tail Extrapolat1n Electronics, 〃The Journal ofNuclear Medicine, vol.30, n0.9, pp.1554-1558，1989.
[0014][2]X.Wang ；Q.G.Xie ；Y.B.Chen ；M.Niu ；and P.Xiao, "Advantages of DigitallySampling Scintillat1n Pulses in Pileup Processing in PET, 〃IEEE Transact1ns onNuclear Science, vol.59, pp.498-506, Jun 2012.
[0015][3]Z.Z.Deng ；Q.G.Xie ；Z.ff.Duan and P.Xiao, ^Scintillat1n event energymeasurement via a pulse model based iterative deconvolut1n method, ^Phys.Med.B1l, vol.58, pp.7815, 2013.
[0016][4]H.D.Li ；C.Wang ；Baghaei Η.；Y.X.Zhang ；Ramirez R.；S.T.Liu ；S.H.An ；Wa1-Hoi Wong, 〃A New Statistics-Based Online Baseline Restorer for a HighCount-Rate Fully Digital System, ^IEEE Transact1ns on Nuclear Science,vol.57, n0.2, pp.550-555, April 2010.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多電壓閾值采樣(Mult1-voltageThreshold,簡稱MVT)技術(shù)的脈沖堆積事件實時處理方法，該方法簡潔高效，易于在探測器級別的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上實現(xiàn)，在低采樣率的情況下仍然能夠較優(yōu)的堆積脈沖信息恢復(fù)效果。
[0018]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0019]一種脈沖堆積事件實時處理方法，其包括步驟:
[0020]S1:獲取非堆積脈沖數(shù)字波形數(shù)據(jù)庫，生成脈沖下降沿的數(shù)字波形查詢表，并存儲在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；
[0021]S2:在進(jìn)行有堆積脈沖的數(shù)據(jù)采集時，利用多電壓閾值采樣方法完成堆積脈沖的識別和脈沖信號處理過程的觸發(fā)；
[0022]S3:在脈沖信號處理過程中，利用已采集的未堆積部分脈沖信息查找數(shù)字波形表以獲得因脈沖堆積未正確采樣部分的信息，完成了堆積脈沖的實時處理。
[0023]上述的脈沖堆積事件實時處理方法，優(yōu)選地，所述步驟SI包括步驟:
[0024]Pl:在無堆積脈沖的情況下，用多電壓閾值采樣方法作為采集正常脈沖的觸發(fā)信號;
[0025]P2:觸發(fā)后用固定時間間隔采樣(Regular-time sampling，均簡稱RTS)方法進(jìn)行脈沖波形的采樣，得到閃爍脈沖數(shù)字波形；
[0026]P3:提取閃爍脈沖數(shù)字波形庫中各個閃爍脈沖的下降沿的幅值變化情況，并生成對應(yīng)的擬合基線值查詢表和擬合能量值查詢表；
[0027]P4:將上述表存儲在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0028]上述的脈沖堆積事件實時處理方法，優(yōu)選地，所述步驟S2包括步驟:
[0029]Pl:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對高計數(shù)下的閃爍脈沖電信號進(jìn)行采集，由于閃爍脈沖具有一定持續(xù)時間，且出現(xiàn)時間不固定，因此相距過近的兩個或多個閃爍脈沖將發(fā)生脈沖堆積；
[0030]P2:閃爍脈沖電信號分別被MVT方法采樣，MVT方法利用多個電壓閾值與閃爍脈沖波形快速上升沿進(jìn)行電壓比較，無論該脈沖是否為堆積脈沖都能在其上升沿得到電平翻轉(zhuǎn)信號;
[0031 ] P3:將MVT方法得到的電平翻轉(zhuǎn)信號作為脈沖的識別信號，觸發(fā)RTS方法對脈沖進(jìn)行采樣和數(shù)字積分求取脈沖能量信息。
[003