專利名稱：用于正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)的數(shù)據(jù)采集的制作方法
用于正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)的數(shù)據(jù)采集相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2007年11月2日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60985083的優(yōu)先權(quán)， 其公開(kāi)通過(guò)引用全文明確結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
能夠產(chǎn)生活有機(jī)體內(nèi)部的圖像而無(wú)需侵入性手術(shù)的能力是過(guò)去一百年間一個(gè)主 要的醫(yī)學(xué)進(jìn)步。諸如X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)和磁共振成像術(shù)的成像技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)給予醫(yī) 生和科學(xué)家觀察機(jī)體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的高分辨率成像的能力。盡管這些技術(shù)已經(jīng)為疾病的診 斷和治療帶來(lái)了進(jìn)步，但是很多疾病只在疾病晚期才會(huì)導(dǎo)致機(jī)體解剖結(jié)構(gòu)的變化，或者從 來(lái)都不造成結(jié)構(gòu)改變。由此就產(chǎn)生了捕捉活體內(nèi)特定代謝活動(dòng)的醫(yī)學(xué)成像分支。正電子發(fā) 射斷層攝影術(shù)(PET)正是這類醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中的一種。ιΗ電子發(fā)射斷層掃描術(shù)PET是一種利用放射性衰變測(cè)定活有機(jī)體內(nèi)部特定代謝活動(dòng)的醫(yī)學(xué)成像模式。正 如圖1示意性指示的，PET成像系統(tǒng)包括三個(gè)主要組件，即，被施與待掃描被試的放射性示 蹤劑、可操作用來(lái)檢測(cè)放射性示蹤劑定位的掃描器(如下間接討論)、以及斷層攝影成像處 理系統(tǒng)。第一步是產(chǎn)生并施與包括放射性同位素和代謝活性分子的放射性示蹤劑90。示蹤 劑90被注射進(jìn)要掃描的身體91。在示蹤劑90集中于特定組織的允許時(shí)間之后，身體91在 掃描器92內(nèi)適當(dāng)定位。在PET研究中使用的示蹤劑的放射性衰變事件是正電子發(fā)射。發(fā) 射的正電子在身體組織內(nèi)行進(jìn)一個(gè)短距離直到與一電子相互作用。在湮滅事件中正負(fù)電子 的相互作用會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)反向平行的511KeV光子。掃描器92適于檢測(cè)來(lái)自湮滅事件的至少 部分光子。PET系統(tǒng)的第二組件，掃描器92包括檢測(cè)511KeV光子的傳感器環(huán)，以及處理由傳 感器生成信號(hào)的前端電子線路。傳感器典型地包括閃爍體晶體或閃爍體93以及光電倍增 管(PMT)、硅光電倍增器(SiMP)或雪崩光敏二極管(APD)94。閃爍體晶體93把511KeV高 能量光子轉(zhuǎn)換成很多低能量的光子，典型的為可見(jiàn)光光子。PMT、SiMP或APD 94檢測(cè)可見(jiàn)光 光子，并生成相應(yīng)的電脈沖。PMT脈沖由前端電子電路處理以確定脈沖的參數(shù)或特性(即， 能量、定時(shí))。為了方便起見(jiàn)，本文對(duì)PMT的參考可以理解為包含用于檢測(cè)高能量光子(諸 如511KeV光子)并響應(yīng)地生成低能量光子(諸如可見(jiàn)光光子)的任何機(jī)制或設(shè)備。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送主計(jì)算機(jī)95，后者執(zhí)行斷層攝影圖像重建以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3-D 圖像。放射件藥物為了合成示蹤劑90，需要將短半衰期的放射性同位素附加到有代謝活性的分子。 半衰期短可以減少被試在電離輻射中的暴露，但是通常需要生成的示蹤劑90接近掃描器。 最常用的示蹤劑是18氟-氟化脫氧葡萄糖([F-18]FDG)，這是一種半衰期為110分鐘的葡 萄糖類似物。[F_18]FDG和葡萄糖足夠類似，使其可以被利用葡萄糖的細(xì)胞磷酸化，但無(wú)法
5進(jìn)行糖酵解。于是，分子的放射性部分就陷入組織中。對(duì)于消耗大量葡萄糖的細(xì)胞(諸如 癌細(xì)胞和腦細(xì)胞)，隨時(shí)間較其他組織積累更多的[F_18]FDG。在經(jīng)過(guò)感興趣的組織攝取足夠示蹤劑90的充分時(shí)間之后，使用掃描器92來(lái)檢測(cè) 放射性衰變事件，即通過(guò)檢測(cè)511KeV光子進(jìn)行。當(dāng)正電子被發(fā)射后，它在與電子互相湮滅 之前通常會(huì)在組織中行進(jìn)幾毫米，生成兩個(gè)彼此呈180° 士.23°定向的511KeV光子。光子閃爍511KeV光子具有大量的能量并會(huì)穿透包括身體組織在內(nèi)的很多材料。雖然這通常 會(huì)使得光子行進(jìn)通過(guò)并離開(kāi)身體，但是高能量光子卻難以檢測(cè)。檢測(cè)光子是閃爍體93的任 務(wù)。閃爍體93吸收高能量光子并發(fā)射更低能量的光子，通常是可見(jiàn)光光子。閃爍體93可 由多種材料制成，包括塑料、有機(jī)和無(wú)機(jī)晶體、和有機(jī)液體。每一種類型的閃爍器都有不同 的密度、折射率、定時(shí)特性和最大發(fā)射波長(zhǎng)。一般而言，閃爍體晶體的密度決定材料阻止高能量光子效果的好壞。而閃爍體晶 體的折射率以及發(fā)射光波長(zhǎng)則影響從晶體中收集光線的難易程度。發(fā)射光的波長(zhǎng)還需要與 將會(huì)把光轉(zhuǎn)換為電脈沖(例如，PMT)以優(yōu)化效率的設(shè)備相配。閃爍體定時(shí)特性決定可見(jiàn)光 用多長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到其最大輸出(上升時(shí)間)，花多長(zhǎng)時(shí)間衰變(衰變時(shí)間)。上升時(shí)間和衰 變時(shí)間都重要，因?yàn)檫@兩者的和越大，檢測(cè)器在給定時(shí)間段內(nèi)所能處理事件的數(shù)量就越少， 由此掃描在獲取同樣數(shù)量計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。同樣的，定時(shí)特性越長(zhǎng)，兩個(gè)事件將會(huì) 重疊(相撞(Pile-up))的可能性就越大，并且數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。一種示例性的現(xiàn)代閃爍體材料是無(wú)機(jī)晶體Lu2SIo5 (Ce)，或即LSO。LSO具有恒定 30ps的報(bào)告的上升時(shí)間以及恒定40ns的衰變時(shí)間。報(bào)告的時(shí)間會(huì)歸因于晶體幾何結(jié)構(gòu)和 所附電子線路的不同而略為變化。LSO是一種反應(yīng)快光線輸出良好的新型閃爍體材料。光電倍增管附至閃爍體93的是將來(lái)自閃爍體93的可見(jiàn)光光子轉(zhuǎn)換為電子脈沖的電子設(shè)備。 最常用的兩種設(shè)備是PMT和APD。PMT是一種真空管，它帶有一個(gè)光電陰極、若干倍增器電 極和一個(gè)具有高增益從而能夠檢測(cè)極低光水平的陽(yáng)極。APD是半導(dǎo)體式的PMT。在PET掃 描器中使用的另外一項(xiàng)正在研究的技術(shù)是SiPM。SiPM包括半導(dǎo)體光電二極管陣列，其在 Geiger模式下運(yùn)行從而當(dāng)光子相互作用并生成載流子時(shí)會(huì)生成一個(gè)短的電流脈沖。在一種 示例性的SiPM中，光電二極管的陣列每平方毫米包括約103個(gè)二極管。所有這些二極管都 連接到公共硅襯底上，使得該陣列的輸出是所有二極管輸出之和。因此，該輸出因此是在其 中一個(gè)光電二極管激發(fā)的最小值到所有光電二極管激發(fā)的最大值之間變化。由此使得這些 設(shè)備具有線性輸出，即便這些設(shè)備由數(shù)字設(shè)備組成亦是如此。一種示例性的系統(tǒng)使用具有如下12個(gè)通道的PMT 6個(gè)在‘X’方向，6個(gè)在‘y’方 向，如圖2描述的那樣。相互分離的通道可以對(duì)事件定位更為準(zhǔn)確。例如，如果在PMT的左 上角檢測(cè)到事件，那么通道Yl和Xl就會(huì)得到一個(gè)大信號(hào)，而隨著通道數(shù)字的相續(xù)增大信號(hào) 會(huì)逐漸變小。通道Y6和X6實(shí)際上將會(huì)沒(méi)有信號(hào)。在已經(jīng)檢測(cè)到足夠多的符合事件時(shí)，可以開(kāi)始圖像重建。實(shí)質(zhì)上，檢測(cè)到的事件會(huì) 被分到相互平行的響應(yīng)線上(光子對(duì)的解釋路徑)，而這就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)來(lái) 創(chuàng)建3-D圖像。雖然PET、MRI和CT都是常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，但是從不同模式中獲得的信息卻有相當(dāng)?shù)牟煌RI和CT提供解剖學(xué)或結(jié)構(gòu)信息。也就是說(shuō)，這兩項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生身體內(nèi)部的圖 片。這對(duì)于像骨折、韌帶撕裂或其他結(jié)構(gòu)上的異常是很重要的。然而，MRI和CT卻無(wú)法指 示代謝活動(dòng)。這是PET的領(lǐng)域。代謝活性示蹤劑的使用意味著由PET產(chǎn)生的圖像可以提供 功能或生化信息。腫瘤學(xué)(癌癥研究)是PET當(dāng)前最常見(jiàn)的應(yīng)用。特定的癌癥組織要比其他正常組 織代謝更多的葡萄糖。[F_18]FDG與葡萄糖足夠接近使得可以被癌細(xì)胞吸收，并且因此在 掃描過(guò)程中癌細(xì)胞就比背景組織具有更高的放射性活動(dòng)。這就使得PET掃描能夠在一些癌 癥大到足以在MRI掃描看見(jiàn)之前檢測(cè)這些癌癥。PET掃描信息對(duì)于監(jiān)視治療進(jìn)展也非常有 用，因?yàn)榭梢栽谥委熯M(jìn)展中追蹤示蹤劑攝取的量。如果掃描指示同一癌癥組織在治療后呈 現(xiàn)低活性，那么指示治療是其作用的。PET在神經(jīng)學(xué)(研究神經(jīng)系統(tǒng))和心臟病學(xué)(研究心臟)中十分有用的。在神經(jīng) 學(xué)中的一個(gè)感興趣的應(yīng)用是對(duì)帕金森癥的早期診斷。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的示蹤劑可以集中于產(chǎn)生 神經(jīng)遞質(zhì)-多巴胺的腦細(xì)胞。在患有帕金森癥的病人體內(nèi)，產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元數(shù)量減少。 因此，帕金森患者的掃描相比健康人具有更低的活性。這一點(diǎn)可以用以早期診斷，而帕金森 疾病的其他早期表現(xiàn)和其他疾病相似。PET系統(tǒng)還需要在成本、效率和準(zhǔn)確性方面不斷改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本概述簡(jiǎn)要介紹部分概念，而這些概念在下文的具體實(shí)施方式
中會(huì)進(jìn)一步描述。 本概述并不是旨在標(biāo)識(shí)要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特性，也不是旨在用于輔助決定所要求保護(hù)主 題的范圍。公開(kāi)了一種用于估計(jì)電子脈沖的起始時(shí)間的方法，該電子脈沖諸如是正電子發(fā)射 斷層掃描術(shù)中通過(guò)檢測(cè)高能光子中生成的脈沖，而在正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)中，極為精確 的起始時(shí)間是有益的。提供檢測(cè)器用以檢測(cè)諸如光子入射在檢測(cè)器上的外部事件，并且生 成電子模擬脈沖信號(hào)。選擇一個(gè)參數(shù)化的理想曲線形狀，以代表由所述檢測(cè)器生成的模擬 脈沖信號(hào)。模擬脈沖信號(hào)一旦被接收到，便由ADC數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號(hào)。隨后基于 數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化該數(shù)字脈沖信號(hào)值的幅度。例如，可以由計(jì)算面積相對(duì)于 規(guī)格化曲線面積之比來(lái)對(duì)包含數(shù)字脈沖信號(hào)的離散值進(jìn)行定標(biāo)。通過(guò)使用來(lái)自規(guī)格化脈沖 信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)，來(lái)自參數(shù)化的理想曲線形狀的曲線就用于估計(jì)所接收模擬脈沖信號(hào)的 起始時(shí)間。將會(huì)了解一般而言，起始時(shí)間會(huì)位于數(shù)字脈沖信號(hào)中各點(diǎn)的中間。隨后則記錄 關(guān)于該模擬脈沖信號(hào)的時(shí)間戳。在一個(gè)實(shí)施例中，參數(shù)化的理想曲線形狀包括具有預(yù)先確定的上升時(shí)間常數(shù)的第 一指數(shù)部分，以及具有預(yù)先確定的衰變時(shí)間常數(shù)的第二指數(shù)部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模擬脈沖信號(hào)由硅光電倍增器生成。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，只有數(shù)字脈沖信號(hào)的第一點(diǎn)用來(lái)指定曲線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模擬脈沖信號(hào)數(shù)字化信號(hào)之前由低通濾波器濾波。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用了反向查找，其中一個(gè)或多個(gè)查找表保有用于一 組規(guī)格化信號(hào)點(diǎn)幅度的起始時(shí)間估計(jì)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器包含了耦合至光電倍增管、雪崩光點(diǎn)二極管和
7硅光電倍增器中的一個(gè)的閃爍體晶體。


本發(fā)明的前述方面和許多伴隨優(yōu)點(diǎn)在參考了結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說(shuō)明之后將變 得更容易體會(huì)并變得更好理解，在附圖中圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的PET掃描器系統(tǒng)的環(huán)境視圖；圖2例示了一個(gè)示例性12通道PMT的輸出通道，該P(yáng)MT帶有X方向上的6個(gè)通道 和正交Y方向上的6個(gè)通道；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的高分辨率PET掃描器的一個(gè)實(shí)施例的前端電子線路體 系結(jié)構(gòu)框圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的高分辨率PET掃描器的第二實(shí)施例的前端電子線路體 系結(jié)構(gòu)框圖；圖5示出了使用本發(fā)明方法在70MHz采樣率下脈沖的時(shí)間戳差分布。圖6示出了經(jīng)濾波脈沖和該脈沖幅度之間的相關(guān)，并且指示了對(duì)該相關(guān)的最佳線 性擬合估計(jì)。圖7是70MHz ADC采樣的經(jīng)濾波脈沖各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差的圖，其中的線指示經(jīng)濾波的脈 沖(反向的)，用以對(duì)脈沖上每個(gè)點(diǎn)的位置給出參照。圖8是示出了在圖4所示系統(tǒng)的FPGA中實(shí)現(xiàn)的定時(shí)檢出電路的體系結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將參考其中相似標(biāo)記指示相似部分的附圖，描述根據(jù)本發(fā)明的PET系統(tǒng)的特定 實(shí)施例的描述。再次參見(jiàn)圖1，公開(kāi)了帶有檢測(cè)器的高分辨率PET掃描器92，其中檢測(cè)器包 括閃爍體93和PMT 94。傳感器數(shù)據(jù)由低通濾波器96濾波，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器97數(shù)字化，該數(shù) 字化數(shù)據(jù)再由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)98進(jìn)行初始處理。由PMT 94生成的模擬脈沖包含用以創(chuàng)建PET圖像的信息。處理這些模擬脈沖以提 取起始時(shí)間、定位及總能量。用以執(zhí)行這種初始處理的設(shè)備指代前端電子線路，并且包括濾 波器96、ADC 97和FPGA98。自PMT 94接收的模擬脈沖由低通濾波器96濾除噪音，隨后由 ADC 97數(shù)字化以供FPGA 98處理。雖然一些先進(jìn)的ADC能夠以400百萬(wàn)樣本每秒(MSPS) 的速率采樣，但是本實(shí)施例選用的串行ADC97以70MSPS采樣。這一選擇顯著降低了 PET設(shè) 計(jì)中的復(fù)雜性、成本和功耗。另一考慮是送至FPGA 98的輸入數(shù)量。極快ADC具有并行輸 出，該輸出將會(huì)需要每通道10-12位，而每個(gè)FPGA帶有幾十到幾百個(gè)通道。輸入的數(shù)量于 是將會(huì)超過(guò)最先進(jìn)FPGA所能處理的量。因此，本系統(tǒng)使用串行輸出ADC 97，將采樣速率限 制在約100MSPS。然而，對(duì)于每個(gè)FPGA需要較少ADC的系統(tǒng)，可以使用更快的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)更 好的時(shí)間分辨率。在數(shù)字化該模擬脈沖數(shù)據(jù)之后，就能夠從FPGA 98中提取必需的脈沖參數(shù)。例如， 總脈沖能量可以通過(guò)對(duì)各脈沖樣本值求和再減去基線(不帶輸入脈沖的ADC 97的輸出值) 而獲得。脈沖的起始時(shí)間對(duì)于確定符合配對(duì)(即兩個(gè)檢測(cè)到的光子從單個(gè)湮沒(méi)事件中產(chǎn) 生)來(lái)說(shuō)是重要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解由湮沒(méi)事件生成的許多光子沒(méi)有被掃描器92檢測(cè)到。例如，生成的光子可能被身體組織吸收或散射，或者可能沿著不與閃爍體93相交的 路徑行進(jìn)。PET圖像的生成需要檢測(cè)到湮沒(méi)事件的兩個(gè)光子，因?yàn)樗鶛z測(cè)的光子的路徑隨后 已知基本上位于所檢測(cè)光子之間的一條直線上。如果兩個(gè)發(fā)射的光子中只有一個(gè)被掃描器 92檢測(cè)到，那么就無(wú)法確定湮沒(méi)事件在哪里發(fā)生。如果兩個(gè)檢測(cè)的兩個(gè)光子是符合配對(duì)，那 么必須在一定時(shí)間內(nèi)相互檢測(cè)這兩個(gè)光子，而且每一個(gè)檢測(cè)器還必須定位在另一個(gè)的視野 內(nèi)?？梢詷?gòu)造出一種示例性的高分辨率小型動(dòng)物PET掃描器，其包括帶18個(gè)檢測(cè)器盒 的環(huán)，其中每個(gè)盒都有附至4個(gè)PMT 94的4個(gè)閃爍體93陣列。每個(gè)檢測(cè)器盒都連至一組 專門(mén)的前端電子線路。圖3示出了用于示例性的小型動(dòng)物PET掃描器的前端電子線路100的圖示。前 端電子線路100包括多個(gè)“節(jié)點(diǎn)”(示出了兩個(gè))，所述節(jié)點(diǎn)包括微處理器102和FPGA 104 對(duì)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)支持兩個(gè)PMT 106。所有節(jié)點(diǎn)都使用標(biāo)準(zhǔn)高速通信接口 108(例如使用 IEEE1394a接口，諸如Fire Wire 實(shí)現(xiàn))菊花鏈?zhǔn)竭B接在一起，由此創(chuàng)建對(duì)主計(jì)算機(jī)(未 顯示)的連接。主計(jì)算機(jī)包含收集和處理來(lái)自所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的軟件。隨后離線處理所述 數(shù)據(jù)以產(chǎn)生所需圖像。如圖3所示，存在連至前端電子設(shè)備100的多個(gè)離散部分。PMT106檢測(cè)來(lái)自閃爍 體晶體的光(未在圖3中示出)，并且產(chǎn)生相應(yīng)的模擬脈沖。每個(gè)PMT 106輸出12個(gè)信號(hào)， 6個(gè)χ方向，6個(gè)y方向(參見(jiàn)圖2)。在當(dāng)前實(shí)施例中，為了減少I(mǎi)/O計(jì)數(shù)，通過(guò)使用加法板 110將12個(gè)信號(hào)減為4個(gè)。ASIC 112接收所述數(shù)據(jù)并執(zhí)行算法以確定檢測(cè)到的事件的時(shí) 間。信號(hào)由ADC 114數(shù)字化并發(fā)送至FPGA104?？蛇x地提供符合單元109用以識(shí)別可能符 合的事件對(duì)，濾除對(duì)進(jìn)一步處理肯定無(wú)用的事件。除了 FPGA 104以外，存在微處理器102 (當(dāng)前使用Rabbit 微處理器)以及用來(lái) 與主計(jì)算機(jī)通信的通信接口物理層芯片108。FPGA104和微處理器102在數(shù)據(jù)采集中起中 心作用。微處理器102為每個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)提供總體控制。這種控制包括配置FPGA 104，與主 計(jì)算機(jī)通信，初始化系統(tǒng)，以及與FPGA 104協(xié)同工作以調(diào)諧所述系統(tǒng)。盡管微處理器102 處理對(duì)系統(tǒng)的控制，但是FPGA 104卻占據(jù)大部分?jǐn)?shù)據(jù)路徑。在正常操作期間，F(xiàn)PGA 104有 兩個(gè)主要任務(wù)脈沖處理以及針對(duì)通信接口 108的數(shù)據(jù)包裝。對(duì)于脈沖處理，第一步是確定 給定事件是否與掃描器92對(duì)側(cè)的另一事件相符合。如果檢測(cè)到匹配符合事件，就整合所述 脈沖以確定所述能量，并向所述數(shù)據(jù)添加粗分辨率時(shí)間戳。能量和時(shí)間(來(lái)自于FPGA的粗 粒度和來(lái)自于ASIC的細(xì)粒度)經(jīng)由通信接口 108發(fā)送至主計(jì)算機(jī)。有時(shí)候，需要調(diào)諧掃描器92用以設(shè)置ASIC 112內(nèi)的放大器增益。需要這一調(diào)諧 是因?yàn)殚W爍體晶體93具有不同的光輸出和光收集效率并且PMT 106具有不同的增益特性。 該調(diào)諧規(guī)格化傳感器之間的差異并且矯正隨時(shí)間的漂移。為了調(diào)諧掃描器，微處理器102 使用調(diào)諧算法重新配置FPGA 104，初始化所述FPGA 104以便將針對(duì)每一個(gè)脈沖的能量值 歸入統(tǒng)計(jì)分組(bin up)。不幸的是，在閃爍體晶體陣列93和PMT 106外周附近的邊緣效應(yīng) 會(huì)將誤差引入調(diào)諧算法，并因此被忽略。為了濾除擊中晶體陣列邊緣的事件，必須對(duì)事件的 位置進(jìn)行解碼。來(lái)自加法板110的4個(gè)信號(hào)包含用以確定事件在晶體陣列93中的位置的 足夠信息。一旦確定一個(gè)事件在閃爍體晶體陣列93的感興趣區(qū)域內(nèi)發(fā)生時(shí)，就計(jì)算該事件
9的總能量并將其放入不同的能量統(tǒng)計(jì)分組中。由此產(chǎn)生帶有峰的能量直方圖，所述峰被稱 為光峰(因?yàn)樗硎井?dāng)來(lái)自511KeV光子的能量全部沉積在閃爍體晶體內(nèi)時(shí)的所述能量)。 低于光峰的計(jì)數(shù)表示散射的光子，在這種情況中，光子僅有部分能量沉積在閃爍體晶體內(nèi) 或者光子在到達(dá)閃爍體晶體前在要成像物體內(nèi)Compton散射。如果系統(tǒng)被調(diào)諧，光峰應(yīng)該針對(duì)所有檢測(cè)器排齊。如果峰具有一些變化，微處理器 改變?cè)鲆娌⒅匦逻\(yùn)行調(diào)諧算法。這些動(dòng)作都是自動(dòng)的，所以一旦操作人員指令機(jī)器自調(diào)諧， 微處理器102將指令FPGA104運(yùn)行調(diào)諧算法。一旦FPGA 104用信號(hào)通知例程已經(jīng)完成，微 處理器102就從存儲(chǔ)器讀取直方圖并定位所述光峰。如果光峰移位，微處理器102就調(diào)整 ASIC 112中的增益并進(jìn)行迭代直到所有傳感器的光峰都排齊。在圖4例示的PET掃描系統(tǒng)的第二實(shí)施例中，光電倍增管設(shè)備144是固態(tài)SiPM，其 中每個(gè)晶體具有一個(gè)輸出，由此每一個(gè)傳感器使用的通道數(shù)目將大大增加。圖4是示出用 于第二實(shí)施例的前端電子線路150的示意性框圖。對(duì)于該第二實(shí)施例，選擇Stratix π EPS60FPGA 148和70MHz系列的ADC 147，從而可以使用專用的串行化器-解串器和鎖相環(huán) 進(jìn)行方便地通信。在這個(gè)實(shí)施例中，前端電子線路的絕大部分功能由FPGA 148完成，以提 供簡(jiǎn)單的多且更為緊湊的體系結(jié)構(gòu)。雖然顯然可以使用其他本領(lǐng)域周知的濾波器，但是此 處的濾波器146示出為簡(jiǎn)單RC濾波器。還有其他方面的原因使得這些更先進(jìn)的FPGA 148十分適用于PET系統(tǒng)前端應(yīng)用。 例如，Rabbit 微處理器102由嵌入FPGA 148內(nèi)的NioS II 152軟核替代，由此消除了圖 3所示的FPGA 104和微處理器102體系結(jié)構(gòu)之間的較慢通信速度。通過(guò)圖4和圖2的比較 將顯見(jiàn)，由于部分零件集成入FPGA 148，第二實(shí)施例掃描器的前端電子線路150體系結(jié)構(gòu) 更為緊湊，其中并入的零件除了上述嵌入式處理器152之外，還包括定時(shí)檢出邏輯154、能 量計(jì)算邏輯156和Fire Wire 核158。擁有大量通道的另一個(gè)結(jié)果是具有針對(duì)每個(gè)通道的定時(shí)ASIC所需的成本和板空 間將會(huì)是無(wú)法負(fù)擔(dān)的。這就發(fā)展出了用以在FPGA148內(nèi)部執(zhí)行完整定時(shí)的算法。產(chǎn)生高質(zhì)量PET圖像的一個(gè)重要目的在于精確確定光子和閃爍體晶體93之間相 互作用的定時(shí)。定時(shí)分辨率與被接受為有效事件并由此增加最終圖像噪聲的不符合事件的 數(shù)量直接相關(guān)的。在該第二實(shí)施例中，定時(shí)由FPGA 148針對(duì)采樣數(shù)據(jù)完成，以消除對(duì)每通 道ASIC的需要。定時(shí)檢出的靈敏值(the figure of merit for timing pick-off)是時(shí)間戳的分 布。換句話說(shuō)，對(duì)于帶有源準(zhǔn)確落在其間(因此光子同時(shí)到達(dá)這兩個(gè)檢測(cè)器)的兩個(gè)檢測(cè) 器設(shè)置，分析每個(gè)檢測(cè)器的時(shí)間戳分布之間的差異。對(duì)于理想系統(tǒng)，時(shí)間戳之間的差異應(yīng)該 是零。然而，系統(tǒng)中的噪聲會(huì)引入誤差。為了模仿誤差，對(duì)同一脈沖的許多不同采樣的時(shí)間 戳進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)脈沖的時(shí)間戳隨和與所有其他脈沖的時(shí)間戳相比較以產(chǎn)生時(shí)間戳差的分 布160，如圖5所示。為了確定光子和閃爍體93相互作用的定時(shí)，使用定時(shí)檢出電路156。定時(shí)檢出電 路156向從PMT接收的檢測(cè)脈沖信號(hào)的特定特征賦予一時(shí)間戳。例如，該特征可以是脈沖 起始時(shí)間、脈沖峰值時(shí)間、或脈沖通過(guò)一預(yù)先確定的電壓的時(shí)間。定時(shí)檢出的兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù) 是前沿和恒比定時(shí)甄別器(constant fraction discriminators, CFD)。前沿是簡(jiǎn)單確定 脈沖何時(shí)通過(guò)某個(gè)固定閾值電壓。這需要檢測(cè)所述通過(guò)的模擬電路。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于達(dá)到閾值的時(shí)間依賴于脈沖的幅度。這種效應(yīng)在觸發(fā)水平設(shè)定越高時(shí)會(huì)變得越差。PET系統(tǒng)的定時(shí)檢出的當(dāng)前工藝水平是由模擬CFD技術(shù)執(zhí)行，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)不受 脈沖變化的影響。CFD是按照如下等式實(shí)現(xiàn)電路。 其中，δ (t)是引入信號(hào)。該等式通過(guò)把模擬脈沖分成兩個(gè)副本并將一個(gè)副本延 遲D來(lái)計(jì)算。另一副本被反轉(zhuǎn)并衰減一恒定比率(通常約0.2)。最后，這兩個(gè)經(jīng)過(guò)變化的 副本相加以產(chǎn)生帶有能被檢測(cè)并加蓋時(shí)間戳的零交叉的脈沖。零交叉在相同形狀脈沖的脈 沖幅度的恒定比率處出現(xiàn)。CFD和前沿這兩項(xiàng)技術(shù)都由專用ASIC實(shí)現(xiàn)，而且將觸發(fā)轉(zhuǎn)換成 時(shí)間戳的電路。CFD可以實(shí)現(xiàn)亞毫微秒的定時(shí)分辨率。定時(shí)檢出方法本文公開(kāi)了一種使用脈沖的已知特性計(jì)算脈沖的起始，籍此實(shí)現(xiàn)子采樣定時(shí)分辨 率的方法。例如，對(duì)于LSO閃爍體晶體，上升時(shí)間由PMT的響應(yīng)支配，而衰變時(shí)間則是閃爍 體晶體的函數(shù)?；谏鲜黾僭O(shè)，可以通過(guò)將一個(gè)理想脈沖擬合到樣本脈沖并使用該理想脈 沖插值該脈沖的開(kāi)始點(diǎn)來(lái)確定所述脈沖的起始時(shí)間。為了在實(shí)際數(shù)據(jù)上測(cè)試這種定時(shí)算法，使用25Gs/s的示波器從耦合至LSO晶體的 PMT上采樣19個(gè)脈沖。使用511KeV(22 Na)的源來(lái)生成所述脈沖。來(lái)自示波器的數(shù)據(jù)于是 被導(dǎo)入ΜΑΤΕΑΒ 。為脈沖數(shù)據(jù)提供良好擬合的模型曲線是雙指數(shù)曲線，例如
f -n*Ts-η*Ts \V {η) = A exp Tr - exp Tf
νJ作為起步，假設(shè)如果創(chuàng)建了帶有雙指數(shù)(一個(gè)上升沿，一個(gè)下降沿)的脈沖，并找 出能產(chǎn)生對(duì)測(cè)得數(shù)字脈沖數(shù)據(jù)的最佳最小二乘擬合的幅度、時(shí)移、衰變指數(shù)和上升指數(shù)，那 么就可以定義一個(gè)理想脈沖，并用該脈沖插值所述脈沖的開(kāi)始點(diǎn)。使用這種“強(qiáng)力(brute force)”方法，70MHz ADC定時(shí)檢出的標(biāo)準(zhǔn)差是1. 0ns。盡管這是良好的定時(shí)分辨率，但 是對(duì)于FPGA實(shí)時(shí)計(jì)算而言搜索空間過(guò)大。根據(jù)這種“強(qiáng)力”方法，發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間的范圍 是.1-. 5ns，衰變時(shí)間范圍是28-38ns，而幅度的變化范圍是.082-, 185V。用合理時(shí)間步長(zhǎng) ( 40ps)覆蓋這些范圍需要為每個(gè)脈沖計(jì)算并比較至少215000次最小二乘密合(11個(gè)衰 變時(shí)間步長(zhǎng)、5個(gè)上升時(shí)間步長(zhǎng)、11個(gè)幅度步長(zhǎng)、和357個(gè)時(shí)間步長(zhǎng))。為了開(kāi)發(fā)出一種更有效的、基于FPGA的算法和方法，首先假設(shè)PMT/SiPM脈沖的上 升和衰變時(shí)間τκ，都是常量，并且脈沖的可變性僅來(lái)自于脈沖的幅度和白噪聲。例如，在本發(fā)明的測(cè)試裝置中，對(duì)所有未經(jīng)濾波、未經(jīng)采樣的數(shù)據(jù)(即，來(lái)自示波 器的原始數(shù)據(jù))提供最佳整體最小二乘法擬合的上升和衰變時(shí)間分別是310ps和34. 5ns。 使用固定上升和衰變時(shí)間及所述“強(qiáng)力”方法，定時(shí)檢出的標(biāo)準(zhǔn)差降至1. Ins。然而，即使消 除了時(shí)間常數(shù)搜索，每個(gè)事件仍然需要幾乎4000次的搜索。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化所述方法，使用脈沖面積和幅度之間的直接相關(guān)消除(由雙指數(shù) 等式定義的)脈沖幅度和引入數(shù)據(jù)脈沖的幅度差。如圖6所示，在檢測(cè)到的脈沖的面積和 所述脈沖的幅度之間存在著良好的直接相關(guān)170。為了將一個(gè)事件的幅度按照參考脈沖進(jìn) 行規(guī)格化，計(jì)算參考脈沖面積相對(duì)于事件脈沖面積的比值。這樣事件脈沖就可以按照這個(gè) 比率來(lái)計(jì)算，從而均衡了參考脈沖和事件脈沖的幅度。例如，可以計(jì)算數(shù)字化事件脈沖的面積，并與理想?yún)⒖济}沖的面積相比較。隨后可以根據(jù)兩面積之比定標(biāo)或規(guī)格化所述事件脈 沖的樣本點(diǎn)。其后可以使用規(guī)格化的數(shù)字化事件脈沖，通過(guò)與參考脈沖相比較，估計(jì)所述事 件脈沖的起始時(shí)間。通過(guò)對(duì)19個(gè)脈沖用許多不同開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)采樣并將每個(gè)采樣獲得的面積與整個(gè)脈 沖的已知幅度進(jìn)行相關(guān)，確定面積向幅度轉(zhuǎn)換的函數(shù)。使用這種估計(jì)，定時(shí)檢出的標(biāo)準(zhǔn)差降 至 1. 2ns。應(yīng)用這兩種近似，用僅20%的定時(shí)分辨率損失消除了所述強(qiáng)力搜索的大部分維 度。然而，這種算法對(duì)于每個(gè)可能的定時(shí)偏移仍然需要357次搜索。假定脈沖數(shù)據(jù)擬合至 上升和衰變時(shí)間已知的參考曲線，而且從脈沖面積計(jì)算所述幅度，所述強(qiáng)力搜索就可被轉(zhuǎn) 換為反向查找。例如考慮以70MHz采樣長(zhǎng)度是約2X 10_7秒的脈沖，最終得到約13個(gè)樣本點(diǎn)。對(duì) 于每個(gè)可能的輸入電壓，其在參考脈沖上出現(xiàn)的時(shí)間是預(yù)先計(jì)算的。因此，每個(gè)引入電壓可 以通過(guò)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器操作轉(zhuǎn)換成為定時(shí)偏移。為每個(gè)脈沖進(jìn)行這種處理，使得在查找之后， 13個(gè)樣本點(diǎn)中的任意或全部都可以用來(lái)估計(jì)脈沖的起始時(shí)間。如果對(duì)這13個(gè)起始時(shí)間求 取平均，定時(shí)分辨率顯著降至2. 84ns。在對(duì)從查找方法中得到的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格檢查之后，會(huì)很明顯發(fā)現(xiàn)有一些樣本點(diǎn)的 結(jié)果要遠(yuǎn)好于比其他的樣本點(diǎn)。圖7示出了針對(duì)13個(gè)樣本點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)所計(jì)算的起始時(shí)間 的標(biāo)準(zhǔn)差180的圖。根據(jù)圖7，標(biāo)準(zhǔn)差180與經(jīng)濾波脈沖182的斜率以及距離脈沖起始的距 離相關(guān)。峰附近的點(diǎn)(樣本4和5)具有較小的斜率，于是電壓的較小變化就會(huì)導(dǎo)致較大的 時(shí)移。脈沖的尾部也具有大的偏離。然而，如果僅使用第一樣本點(diǎn)，所述定時(shí)檢出的標(biāo)準(zhǔn)差 就為1.03ns，與所述“強(qiáng)力”方法實(shí)質(zhì)上相等同。利用這一信息，將所述反向查找步驟更改為僅使用檢測(cè)脈沖上約0. 005V的第一 樣本點(diǎn)。然而，對(duì)于更快的ADC或者上升時(shí)間更慢的脈沖，可以對(duì)更多的樣本點(diǎn)求取平均或 以其他方式進(jìn)行相關(guān)以產(chǎn)生更好的最終結(jié)果。因此，當(dāng)前定時(shí)算法使用一個(gè)衰變常數(shù)，一個(gè)上升常數(shù)，根據(jù)面積來(lái)計(jì)算脈沖幅 度，對(duì)第一樣本使用電壓至?xí)r間查找。在測(cè)試中，這種算法產(chǎn)生僅1. 03ns的定時(shí)檢出標(biāo)準(zhǔn) 差。圖5示出了 70MHz ADC的最終算法分布。盡管僅使用第一樣本點(diǎn)產(chǎn)生非常好的結(jié)果， 但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯見(jiàn)的是，在某些情況下使用一個(gè)以上的樣本點(diǎn)的加權(quán)平均可以改善 檢出估計(jì)。例如，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)前兩個(gè)或前三個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性加權(quán)， 以進(jìn)一步改善定時(shí)檢出的一致性。圖8示出了定時(shí)算法的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。PMT 200 (諸如SiPM)從閃爍體接收脈沖信 號(hào)，并生成輸出脈沖(由噪聲信號(hào)200’代表)，該信號(hào)典型地經(jīng)由低頻濾波202濾波(由更 平滑的信號(hào)202’代表)，并在隨后由ADC 204數(shù)字化(由數(shù)字信號(hào)204’代表)。該數(shù)字信 號(hào)204，被發(fā)送到FPGA 206。對(duì)FPGA 206進(jìn)行編碼以計(jì)算檢測(cè)到的信號(hào)的面積，并且使用 面積/幅度相關(guān)估計(jì)信號(hào)的幅度208。該信號(hào)隨后可以按照參考脈沖的面積被規(guī)格化210。 之后在反向查找212中使用從數(shù)字信號(hào)204’選擇的數(shù)據(jù)點(diǎn)(或者一組數(shù)據(jù)點(diǎn))，諸如超過(guò) 一具體電壓值的第一點(diǎn)，由此找出參考脈沖曲線214，該曲線則用于確定檢測(cè)到的脈沖的精 確起始時(shí)間216。注意到雖然使用70MHz ADC的公開(kāi)算法可能產(chǎn)生比模擬CFD方法略低的定時(shí)分辨
12率，但是該定時(shí)分辨率會(huì)隨著ADC技術(shù)的改進(jìn)而改進(jìn)。假定CFD的分辨率是不隨著技術(shù)成 比例改變的(在過(guò)去的十年或更多年，CFD性能相當(dāng)程度地保持為常數(shù))，那么可以預(yù)見(jiàn)本 發(fā)明的算法在500MHz ADC(目前可購(gòu)得并行ADC，并且期望不久后可購(gòu)得串行ADC)下就會(huì) 優(yōu)于CFD方法。將會(huì)理解即使在本發(fā)明方法在定時(shí)分辨率上無(wú)法與CFD匹配的情況下，CFD方法 要求固定ASIC中每個(gè)通道定制邏輯。本發(fā)明的全數(shù)字方法則無(wú)需此項(xiàng)開(kāi)支，這對(duì)于每個(gè) FPGA需要例如128個(gè)通道的PET掃描器來(lái)說(shuō)是十分重要的?？傊?，PET是一項(xiàng)非常適合FPGA的應(yīng)用。雖然FPGA對(duì)于發(fā)展諸如數(shù)字定時(shí)的算 法來(lái)說(shuō)是理想的，但是FPGA也提供了 PET的先進(jìn)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)需要的大部分。本發(fā) 明的系統(tǒng)利用FPGA的可重構(gòu)性發(fā)展一種調(diào)諧算法，這種算法能夠在微處理器的控制下調(diào) 整增益并設(shè)置寄存器以適應(yīng)掃描器不同部分的變化，將復(fù)雜I/O與快速串行ADC接口，并允 許處理更多的通道。這些通道也可以在可重構(gòu)構(gòu)造中被并行處理，而這將增加掃描器可以 處理的計(jì)數(shù)率。現(xiàn)代FPGA在在計(jì)算能力上優(yōu)于早期產(chǎn)品的增加能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA內(nèi)的定時(shí)并 消除ASIC。還公開(kāi)了一種新的、全數(shù)字的定時(shí)檢出機(jī)制，該機(jī)制在耦合至當(dāng)前和未來(lái)ADC技 術(shù)時(shí)顯示出優(yōu)于當(dāng)前方法的定時(shí)分辨率?？梢岳矛F(xiàn)代FPGA的許多特征來(lái)支持重要電子 線路領(lǐng)域內(nèi)的完整的、復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)。雖然上述方法產(chǎn)生了極好的定時(shí)檢出結(jié)果，但是期望可以通過(guò)使用一種確定合適 參考脈沖同時(shí)保持上述幅度規(guī)格化和定時(shí)查找技術(shù)的可選方法來(lái)進(jìn)一步改善所述定時(shí)檢 出。在一種可選方法中，配置所述FPGA來(lái)捕捉并存儲(chǔ)許多事件脈沖并利用這些脈沖形成參 考脈沖。更具體地，捕捉的數(shù)據(jù)將按照不同的幅度和子采樣速率時(shí)移(即，脈沖定時(shí)時(shí)間相 對(duì)于脈沖樣本間隔)而分散。使用兩步過(guò)程形成復(fù)合參考脈沖。首先，如上所述規(guī)格化接 收到的脈沖輻射，并且通過(guò)平均數(shù)據(jù)生成初始參考脈沖。隨后，通過(guò)時(shí)移甚至迭代將每個(gè)獨(dú) 立脈沖與該參考脈沖對(duì)準(zhǔn)，直至所有曲線都被最佳相關(guān)。對(duì)準(zhǔn)的脈沖就可以用于形成最終 參考脈沖。該最終參考脈沖可以用來(lái)代替上面討論的雙指數(shù)參考脈沖曲線。雖然能夠準(zhǔn)確并以數(shù)字化的形式估計(jì)所檢測(cè)模擬脈沖信號(hào)的起始時(shí)間的公開(kāi)方 法是針對(duì)正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)開(kāi)發(fā)的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯見(jiàn)的是，這一普遍方法也 可以在其他的環(huán)境中用以準(zhǔn)確估計(jì)脈沖信號(hào)的起始時(shí)間，并且因此本方法也被認(rèn)為適用于 其中希望高速事件起始信息的其他應(yīng)用。雖然已經(jīng)例示并描述了例示性的實(shí)施例，但是將會(huì)理解可以對(duì)這些實(shí)施例作出各 種修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
1權(quán)利要求
一種用于估計(jì)響應(yīng)于檢測(cè)到的事件生成的電子脈沖的起始時(shí)間的方法，所述方法包括提供檢測(cè)外部事件并且通過(guò)生成電子模擬脈沖信號(hào)響應(yīng)所述檢測(cè)到的事件的檢測(cè)器；選擇參數(shù)化的理想曲線形狀來(lái)代表由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)；接收由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)；數(shù)字化接收的模擬脈沖信號(hào)以產(chǎn)生具有一定幅度的數(shù)字脈沖信號(hào)；基于所述數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化所述數(shù)字脈沖信號(hào)的幅度；使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)從所述參數(shù)化的理想曲線形狀指定代表所述接收的模擬脈沖信號(hào)的曲線；使用指定的曲線估計(jì)所述接收的模擬脈沖信號(hào)的起始時(shí)間；以及記錄指示所述接收的模擬脈沖信號(hào)的估計(jì)起始時(shí)間的時(shí)間戳。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參數(shù)化的理想曲線形狀包括具有預(yù)先確定的上 升時(shí)間常數(shù)的第一指數(shù)部分，以及具有預(yù)先確定的衰變時(shí)間常數(shù)的第二指數(shù)部分。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接收的模擬脈沖信號(hào)由硅光電倍增器生成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)指定曲線的步 驟包括僅使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的第一點(diǎn)來(lái)指定曲線。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括用低通濾波器濾波所述接收的模擬脈沖信號(hào)的步馬聚ο
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)從所述參數(shù)化的理想曲 線形狀指定曲線的步驟包括反向查找，其中一個(gè)或多個(gè)查找表保有針對(duì)一組規(guī)格化信號(hào)點(diǎn) 幅度的起始時(shí)間估計(jì)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述檢測(cè)器包括耦合至光電倍增管、雪崩光電二極 管、和硅光電倍增器之一的閃爍體晶體。
8.一種用于估計(jì)在正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)中檢測(cè)到的脈沖的起始時(shí)間的方法，所述方 法包括提供檢測(cè)具有約511KeV能量的光子并且響應(yīng)地生成模擬脈沖信號(hào)的檢測(cè)器； 選擇參數(shù)化的理想曲線形狀來(lái)代表由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)； 接收由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)；數(shù)字化接收的模擬脈沖信號(hào)以產(chǎn)生具有一定幅度的數(shù)字脈沖信號(hào)； 基于所述數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化所述數(shù)字脈沖信號(hào)的幅度； 使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)從所述參數(shù)化的理想曲線形狀指定代表所 述接收的模擬脈沖信號(hào)的曲線；使用指定的曲線估計(jì)所述接收的模擬脈沖信號(hào)的起始時(shí)間；以及 記錄指示所述接收的模擬脈沖信號(hào)的估計(jì)起始時(shí)間的時(shí)間戳。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述參數(shù)化的理想曲線形狀包括具有預(yù)先確定的上 升時(shí)間常數(shù)的第一指數(shù)部分，以及具有預(yù)先確定的衰變時(shí)間常數(shù)的第二指數(shù)部分。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述接收的模擬脈沖信號(hào)由硅光電倍增器生成。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)指定曲線的2步驟包括僅使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的第一點(diǎn)來(lái)指定曲線。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括用低通濾波器濾波所述接收的模擬脈沖信號(hào)的步驟。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)從所述參數(shù)化的理想 曲線形狀指定曲線的步驟包括反向查找，其中一個(gè)或多個(gè)查找表保有針對(duì)一組規(guī)格化信號(hào) 點(diǎn)幅度的起始時(shí)間估計(jì)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述檢測(cè)器包括耦合至光電倍增管、雪崩光電二極 管、和硅光電倍增器之一的閃爍體晶體。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括提供前端電子線路的步驟，所述前端電子線路包 括用于數(shù)字化接收的模擬脈沖的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及處理所述數(shù)字脈沖信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén) 陣列。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述接收的模擬脈沖信號(hào)的估計(jì)起始時(shí)間的分辨 率小于用于數(shù)字化所述接收的模擬脈沖的采樣時(shí)間。
17.一種用于識(shí)別正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)中的符合配對(duì)的方法，所述方法包括檢測(cè)多個(gè)光子并且響應(yīng)于每個(gè)檢測(cè)到的光子生成模擬脈沖信號(hào)，使用環(huán)狀排列的多個(gè) 檢測(cè)器，所述多個(gè)檢測(cè)器環(huán)狀排列使得一部分所述檢測(cè)器布置在彼此的視場(chǎng)范圍內(nèi)； 選擇參數(shù)化的理想曲線形狀來(lái)代表由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)； 數(shù)字化所述模擬脈沖信號(hào)以產(chǎn)生具有一定幅度的數(shù)字脈沖信號(hào)； 基于每個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化所述數(shù)字脈沖信號(hào)的幅度； 使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)從所述參數(shù)化的理想曲線形狀指定代表所 述模擬脈沖信號(hào)的曲線；使用指定的曲線估計(jì)針對(duì)每個(gè)模擬脈沖信號(hào)的所述模擬脈沖信號(hào)的起始時(shí)間；記錄指示所述模擬脈沖信號(hào)的估計(jì)起始時(shí)間的時(shí)間戳；以及比較來(lái)自放置在彼此視場(chǎng)內(nèi)的檢測(cè)器的模擬脈沖信號(hào)的時(shí)間戳以識(shí)別符合配對(duì)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述參數(shù)化的理想曲線形狀包括具有預(yù)先確定的 上升時(shí)間常數(shù)的第一指數(shù)部分，以及具有預(yù)先確定的衰變時(shí)間常數(shù)的第二指數(shù)部分。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)指定曲線的 步驟包括僅使用所述數(shù)字脈沖信號(hào)的第一點(diǎn)來(lái)指定曲線。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括用低通濾波器濾波所述接收的模擬脈沖信號(hào)的 步驟。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)從所述參數(shù)化的理想 曲線形狀指定曲線的步驟包括反向查找，其中一個(gè)或多個(gè)查找表保有針對(duì)一組規(guī)格化信號(hào) 點(diǎn)幅度的起始時(shí)間估計(jì)。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述檢測(cè)器包括耦合至光電倍增管、雪崩光電二 極管、和硅光電倍增器之一的閃爍體晶體。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供前端電子線路的步驟，所述前端電子線路 包括用于數(shù)字化接收的模擬脈沖的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及處理所述數(shù)字脈沖信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)可編程 門(mén)陣列。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述接收的模擬脈沖信號(hào)的估計(jì)起始時(shí)間的分辨率小于用于數(shù)字化所述接收的模擬脈沖的采樣時(shí)間。
25.—種正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)掃描器，包括環(huán)狀排列的多個(gè)檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器包括至少一個(gè)閃爍體和至少一個(gè)光電倍增器；包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器用以可操作性地接收來(lái)自檢測(cè)器光電倍增器的模擬信號(hào)的前端電子 線路系統(tǒng)，所述前端電子線路系統(tǒng)包括將接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以 及接收所述數(shù)字信號(hào)并計(jì)算所述模擬信號(hào)的起始時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；其中所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列通過(guò)如下步驟計(jì)算所述模擬信號(hào)的起始時(shí)間i)基于每 個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化所述數(shù)字脈沖信號(hào)的幅度；ii)使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖 信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)從所述參數(shù)化的理想曲線形狀指定代表所述模擬脈沖信號(hào)的曲線；iii) 使用指定的曲線估計(jì)針對(duì)每個(gè)模擬脈沖信號(hào)的所述模擬脈沖信號(hào)的起始時(shí)間。
26.如權(quán)利要求25所述的正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)掃描器，其中所述光電倍增器包括光 電倍增管、硅光電倍增器、和雪崩光電二極管中的一種。
27.如權(quán)利要求25所述的正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)掃描器，還包括在所述模擬信號(hào)被數(shù) 字化之前濾波所述模擬信號(hào)的濾波器。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于估計(jì)響應(yīng)于檢測(cè)到的事件生成的電子脈沖的起始時(shí)間(例如，響應(yīng)于正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)中的光子檢測(cè)接收的脈沖的起始時(shí)間)的方法，所述方法包括提供檢測(cè)外部事件并生成電子模擬脈沖信號(hào)的檢測(cè)器；選擇參數(shù)化的理想曲線形狀來(lái)代表由所述檢測(cè)器生成的模擬脈沖信號(hào)。接收所述模擬脈沖信號(hào)之后，過(guò)濾所述信號(hào)，隨后數(shù)字化所述信號(hào)，并基于所述數(shù)字信號(hào)的計(jì)算面積規(guī)格化所述信號(hào)。使用規(guī)格化的數(shù)字脈沖信號(hào)的至少一個(gè)點(diǎn)從所述參數(shù)化的理想曲線形狀選擇最佳代表所述接收的模擬脈沖信號(hào)的曲線，并且使用所選曲線估計(jì)所述脈沖起始時(shí)間。
文檔編號(hào)G01T1/164GK101903798SQ200880121977
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者M·哈茲爾曼, R·S·米瑤卡, S·豪克, T·K·盧埃林 申請(qǐng)人:華盛頓大學(xué)