一种PET信号的全带压缩感知方法与流程

本发明涉及电离辐射探测以及医学成像领域，更具体地涉及一种pet信号的全带压缩感知方法。

背景技术：

电离辐射探测领域探测器得到的基本信息之一是pet信号的能量，pet信号的能量主要用于：区分电离辐射探测领域使用的射线种类；判断医学成像领域使用的射线与物质是否发生了散射；确定光电位置敏感器件中射线的沉积位置。电离辐射探测领域内，相同探测器输出的pet信号幅值通常随射线在探测器中沉积能量的增多而增长，且上升时间和下降时间始终保持一致。电离辐射领域使用的射线能量通常用pet信号在时间轴上幅值积分的结果表示。

传统的获取pet信号能量的方法有两种：一是使用积分电路将pet信号携带的电荷收集起来，然后用高速模数转换器(analog-to-digitalconverter，简称adc)对收集到的最大电荷量进行采样，该采样结果就表示pet信号的能量；二是把pet信号整形成相对速度较慢的pet信号，然后用低速adc对整形结果进行采样，再对采样结果进行数值积分，该数值积分的结果就表示pet信号的能量。由于传统方法在数值积分的过程中对计数率会有限制作用，且整形电路也易受外界因素(温度、压强等)的干扰而影响性能，同时，整形电路的参数还需要随着不同的应用要求进行调整，导致整个系统的校正和维护十分困难。虽然用高速adc可以解决上述问题，但它在解决问题的同时，会带来成本和功耗增加的后果，另外，高速adc对后续数据的处理速度和传输带宽具有更高的要求，极大增强了后续电路的设计难度。

为了解决pet信号能量获取过程中高计数率的限制问题，有学者提出基于先验信息的pet信号全带压缩感知的能量获取方法。全带是指在对pet信号进行处理时，处理对象涵盖了pet信号的全部数据。执行该方法需要使用pet信号的先验信息，如pet信号的物理模型、特征等，由于探测器输出的pet信号具有稀疏性(可压缩性)，因此可以对pet信号的所有数据以远低于奈奎斯特采样率的频率进行压缩以获取少量的压缩数据，然后利用统计学的方法实现pet信号的拟合和最大似然求解，获取pet信号的能量。

在基于先验信息的pet信号全带压缩感知的能量获取系统中，对信号模型和特征描述的精确度会影响pet信号信息的准确度。在实际研究工作中，pet信号的模型和特征描述不仅与探测器有关，还与其产生电路中的参数有关。因此，要想实现精确的信号模型和特征描述非常困难。当pet信号的理想模型和特征与实际研究过程中的模型和特征不同时，最终估计到的能量就会产生偏差。

因此，有必要提出一种pet信号的全带压缩感知方法，以克服上述由于pet信号的模型和特征描述不精确导致估计到的能量发生偏差的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种pet信号的全带压缩感知方法，以提高pet信号能量估计的准确度。

为实现上述目的，本发明提供的一种pet信号的全带压缩感知方法，包括以下步骤：

步骤s1：使用探测器采集能量不同的射源输出的完整pet信号数据库；

步骤s2：对s1得到的完整pet信号数据库进行全带量化以获取pet信号的标准能量；

步骤s3：对s1得到的完整pet信号数据库进行全带压缩量化，在pet信号先验信息的基础上估计出pet信号的能量；

步骤s4：以s2的标准能量为准，确定标准能量与s3的估计能量之间的对应关系；

步骤s5：用s4得到的对应关系校正s3的估计能量。

进一步的，在步骤s1中，所述数据库可用仿真模拟或直接测试或仿真模拟与直接测试相结合的方式采集。

进一步的，在步骤s1中，使用仿真模拟的方式采集数据库的具体过程为：

(1)使用同一射源重复照射探测器，并用adc将探测器输出的数据采集起来；

(2)对数据集求平均后进行不同程度的放大，利用放大结果模拟出具有一定能量的数据库。

进一步的，所述对数据集求平均的方法为：对探测器每一次输出的数据求和并视为该次测试的能量，测试过程重复多次后作出pet信号的能量谱，选取能量谱峰值前后的第一个谷点作为上下界，将能量位于该上下界区间的数据筛选出来，假设一共能筛出n组数据，定义pi，j表示第i组数据的第j个采样点，i、j均为整数，且0＜i≤n，0＜j≤m，m为每组数据的采样点总数，因此，对数据集求平均后的结果pz可以表示为：

进一步的，所述数据集求平均后进行放大的方式为模型放大。

进一步的，所述模型放大的过程为：确定探测器的能量响应模型y＝f(x)，将平均数据pz的能量视为ez，由于实际应用中用户可以将待测射源的能量上限设为ea，故pet信号需要在放大系数的条件下进行不同程度的放大，已知放大后的pet信号总数为k，则对应放大结果pd可由计算得到。

进一步的，在步骤s1中，使用直接测试的方式采集数据库的具体过程为：首先使用不同能量的射源照射探测器，然后直接将具有一定能量的数据用adc采集起来。

进一步的，在步骤s1中，使用仿真模拟和直接测试相结合的方式采集数据库，具体过程为：

(1)使用不同能量的射源重复照射探测器，并用adc将探测器输出的数据按射源的能量和重复次数分别采集起来；

(2)对同一射源的数据集求平均；

(3)对平均结果利用插值的方法模拟出具有一定能量的数据库。

进一步的，所述对数据集求平均的方法为：对探测器每一次输出的数据求和并视为该次测试的能量，测试过程重复多次后作出pet信号的能量谱，选取能量谱峰值前后的第一个谷点作为上下界，将能量位于该上下界区间的数据筛选出来，假设一共能筛出n组数据，定义pi，j表示第i组数据的第j个采样点，i、j均为整数，且0＜i≤n，0＜j≤m，m为每组数据的采样点总数，因此，对数据集求平均后的结果pz可以表示为：

进一步的，在步骤s2中，所述pet信号的标准能量可通过对完整数据集直接数字化或对含有pet信号能量信息的数据进行全带压缩获得。

进一步的，在步骤s2中，通过对完整数据集直接数字化以获取pet信号标准能量的具体过程为：

(1)使用adc对pet信号进行全带量化；

(2)取量化数据的数值积分结果或峰值表示pet信号的标准能量。

进一步的，在步骤s2中，通过对完整数据集直接数字化以获取pet信号标准能量的具体过程也可为：

(1)令pet信号通过最大值保持电路；

(2)对最大值保持电路输出的数据进行全带量化以获取最大值来表示pet信号的标准能量。

进一步的，在步骤s2中，通过对含有pet信号能量信息的数据进行全带压缩以获取pet信号标准能量的方法也称为线性放电法。

进一步的，在步骤s3中，所述估计pet信号能量的方法为sql法或adc压缩拟合法。

进一步的，在步骤s3中，使用sql法估计pet信号能量的具体过程为：

(1)设置多个大小在pet信号幅值范围内的过值电压，并将这些过值电压依次与原始pet信号一起输入到比较器内部，令比较器在原始pet信号与大小等于过值电压的恒线相交时输出一个跳变信号并记录跳变发生时对应的时间；

(2)利用所有过值电压及其对应的跳变时间与pet信号的模型拟合出一个pet信号；

(3)对拟合结果采用定积分或进行二次全带压缩后数值积分的方法得到pet信号的估计能量。

进一步的，在步骤s3中，使用adc压缩拟合法估计信号能量的具体过程为：

(1)用adc对pet信号进行全带压缩得到一组压缩数据；

(2)利用压缩后的数据和pet信号的模型拟合出一个pet信号；

(3)对拟合结果采用定积分或进行二次全带压缩后数值积分的方法得到pet信号的估计能量。

进一步的，在步骤s4中，标准能量与估计能量之间的对应关系称为能量映射函数g＝i(x)。

进一步的，能量映射函数的推导过程为：将pet信号全带量化后的标准能量视为e1，i，全带压缩量化后的估计能量视为e2，i，其中，i表示pet信号的序数，针对每一个未压缩pet信号的标准能量，可以通过计算得出其与压缩后估计能量的映射关系：将每一个xi用曲线拟合后得到的函数就是能量映射函数g＝i(x)。

进一步的，在步骤s5中，校正后的估计能量e2，i与校正前的标准能量e1，i满足：e2，i＝i(e1，i)。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

因为pet信号模型和特征描述与pet信号的标准能量无关，本发明使用pet信号的标准能量作为pet信号全带压缩量化后的估计能量的校正标准，可以避免pet信号能量估计过程中由于信号模型和特征描述不精确产生的误差。

附图说明

图1是本发明pet信号的全带压缩感知方法的流程图；

图2为完整pet信号全带量化后的能量谱，以及该能量谱光电峰的高斯拟合结果；

图3为完整pet信号全带量化后的平均数据；

图4为使用sql方法计算出的pet信号的能量曲线；

图5为本发明对能量谱的校正前后对照图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明公开的pet信号的全带压缩感知方法，包括步骤：

s1：使用探测器采集能量不同的射源输出的完整pet信号数据库；

s2：对s1得到的完整pet信号数据库进行全带量化以获取pet信号的标准能量；

s3：对s1得到的完整pet信号数据库进行全带压缩量化，在pet信号先验信息的基础上估计出pet信号的能量；

s4：以s2的标准能量为准，确定标准能量与s3的估计能量之间的对应关系；

s5：用s4得到的对应关系校正s3的估计能量。

现在结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1：

使用f¹⁸-gdg作为辐射源，并使用闪烁晶体为lyso晶体的探测器，所述基于先验信息的pet信号全带压缩感知的能量获取方法为sql。

(1)使用f¹⁸-gdg辐射源照射探测器，然后用直接测试的方法将探测器输出的信号直接输入示波器中，并令示波器在采样率为50gsps的状态下采集10000个信号，统计全带量化后pet信号的能量谱，并归一化到511kev，结果如图2中的星线所示。然后使用高斯曲线对能量谱的光电峰进行拟合，拟合结果如图2中的实线所示。取出能量位于该能量谱前后第一个谷点之间的所有pet信号，假设一共能选出n组数据，定义pi，j表示第i组数据的第j个采样点，i、j均为整数，且0＜i≤n，0＜j≤m，m为每组数据的采样点总数，再按照得到平均脉冲pz，结果如图3所示。

(2)对该平均脉冲pz使用线性的能量响应模型y＝x＝f(x)进行不同程度的放大，假设由步骤1得到的平均数据pz的能量ez为511kev，待测射源的能量上限ea为2mev，那么该平均数据pz的最大放大系数v＝3.92，则可由计算出对应的放大结果pd，其中放大后的pet信号总数k为5000。

(3)根据步骤(1)得到的平均数据，确定sql方法中过值电压的大小，然后对步骤(2)中的放大结果pd使用sql方法计算出pet信号的能量。图4为该实施例计算出的能量结果。

使用sql方法获取pet信号能量的具体实现过程如下：

①提前设置129个过值电压，过值电压的大小从平均数据pz最大值的0.1倍到0.8倍逐渐递增，然后将设置好的过值电压与pd依次输入比较器，假设过值电压与pet信号上升沿的交点用tl表示，过值电压与pet信号下降沿的交点用tf表示，则最终sql方法得到的258个压缩数据为

②利用上一步得到的258个压缩数据拟合重建出原始pet信号。首先选取合适的pet信号模型，本例中选择pet信号的直线-指数模型进行拟合，即上升沿的拟合方程为yl＝kxl+b，下降沿的拟合方程为拟合后再联立两个方程求出交点，然后对重建出来的pet信号进行定积分，计算pet信号的能量。

(4)使用pd幅值的直接累加结果与sql计算出的能量进行映射，用映射数据拟合得到能量映射函数g＝i(x)，并使用能量映射函数对sql计算出的能量进行校正，图5为本实施例的能量谱校正结果，其中虚线表示校正前的能量谱，实线表示校正后的能量谱。

实施例2

使用f¹⁸-gdg作为辐射源，并使用闪烁晶体为lyso晶体的探测器，所述基于先验信息的pet信号全带压缩感知的能量获取方法为sql。

(1)使用f¹⁸-gdg辐射源照射探测器，然后用直接测试的方法将探测器输出的信号直接输入示波器中，并令示波器在采样率为50gsps的状态下采集10000个信号，统计全带量化后pet信号的能量谱，并归一化到511kev，结果如图2中的星线所示。然后使用高斯曲线对能量谱的光电峰进行拟合，拟合结果如图2中的实线所示。取出能量位于该能量谱前后第一个谷点之间的所有pet信号，假设一共能选出n组数据，定义pi，j表示第i组数据的第j个采样点，i、j均为整数，且0＜i≤n，0＜j≤m，m为每组数据的采样点总数，再按照得到平均脉冲pz，结果如图3所示。

(2)对该平均脉冲pz使用线性的能量响应模型y＝x＝f(x)进行不同程度的放大，假设由步骤1得到的平均数据pz的能量ez为511kev，待测射源的能量上限ea为2mev，那么该平均数据pz的最大放大系数v＝3.92，则可由计算出对应的放大结果pd，其中放大后的pet信号总数k为5000。

(3)根据步骤(1)得到的平均数据，确定sql方法中过值电压的大小，然后对步骤(2)中的放大结果pd使用sql方法计算出pet信号的能量。图4为该实施例计算出的能量结果。

使用sql方法获取pet信号能量的具体实现过程如下：

①提前设置129个过值电压，过值电压的大小从平均数据pz最大值的0.1倍到0.8倍逐渐递增，然后将设置好的过值电压与pd依次输入比较器，假设过值电压与pet信号上升沿的交点用tl表示，过值电压与pet信号下降沿的交点用tf表示，则最终sql方法得到的258个压缩数据为

②利用上一步得到的258个压缩数据点拟合重建出原始pet信号。首先选取合适的pet信号模型，本例中选择pet信号的直线-指数模型进行拟合，即上升沿的拟合方程为yl＝kxl+b，下降沿的拟合方程为拟合后再联立两个方程求出交点，然后对重建出来的pet信号采用50gsps的采样率进行二次全带压缩，并对所有二次全带压缩后获得的数据求和得到pet信号的能量。

(4)使用pd幅值的直接累加结果与sql计算出的能量进行映射，用映射数据拟合得到能量映射函数g＝i(x)，并使用能量映射函数对sql计算出的能量进行校正。

实施例3

使用f¹⁸-gdg作为辐射源，并使用闪烁晶体为lyso晶体的探测器，所述基于先验信息的pet信号全带压缩感知能量获取方法为adc压缩拟合法。

(1)使用f¹⁸-gdg辐射源照射探测器，然后用直接测试的方法将探测器输出的信号直接输入示波器中，并令示波器在采样率为50gsps的状态下采集10000个信号，统计全带量化后pet信号的能量谱，并归一化到511kev，结果如图2中的星线所示。然后使用高斯曲线对能量谱的光电峰进行拟合，拟合结果如图2中的实线所示。取出能量位于该能量谱前后第一个谷点之间的所有pet信号，假设一共能选出n组数据，定义pi，j表示第i组数据的第j个采样点，i、j均为整数，且0＜i≤n，0＜j≤m，m为每组数据的采样点总数，再按照得到平均脉冲pz，结果如图3所示。

(2)对该平均脉冲pz使用线性的能量响应模型y＝x＝f(x)进行不同程度的放大，假设由步骤1得到的平均数据pz的能量ez为511kev，待测射源的能量上限ea为2mev，那么该平均数据pz的最大放大系数v＝3.92，则可由计算出对应的放大结果pd，其中放大后的pet信号总数k为5000。

根据步骤(1)得到的平均数据，对步骤(2)中的放大结果pd使用adc压缩拟合法计算出pet信号的能量。

使用adc压缩拟合法获取pet信号能量的具体实现过程如下：

①使用adc对pet信号进行全带压缩，并在每个pet信号上获取258个压缩数据点[(v^[1]，t^[1])，…，(v^[258]，t^[258])]。

②利用上一步得到的258个压缩数据点拟合重建出原始pet信号。首先选取合适的pet信号模型，本例中选择pet信号的直线-指数模型进行拟合，即上升沿的拟合方程为yl＝kxl+b，下降沿的拟合方程为拟合后再联立两个方程求出交点，然后对重建出来的pet信号进行定积分，计算pet信号的能量。

(3)使用pd幅值的直接累加结果与adc压缩拟合法计算出的能量进行映射，用映射数据拟合得到能量映射函数g＝i(x)，并使用能量映射函数对adc压缩拟合法计算出的能量进行校正。