一种闪烁脉冲的数字化方法

一种闪烁脉冲的数字化方法
【专利摘要】一种闪烁脉冲的数字化方法，其包括步骤：获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库；对上述脉冲数据库中的每一个脉冲采样并量化以获取到脉冲所包含的完全能量信息；对第一步所得脉冲数据库中的每一个脉冲进行欠采样并量化，使用脉冲先验信息估计或者拟合出能量信息；用第二步所得能量信息作为标准，确定基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法和第二步所述方法得到的能量信息的映射关系；利用该能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得到的能量信息。本发明能够校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法中由于脉冲模型不精确导致的能量计算误差。
【专利说明】
-种闪烁脉冲的数字化方法
技术领域
[0001] 本发明设及电离福射探测和核医学成像领域，具体设及一种闪烁脉冲的数字化方 法。
【背景技术】
[0002] 电离福射探测器输出脉冲的能量信息是电离福射探测领域需要得到的一个基本 信息，其用途包括：在电离福射探测中用于区分射线种类；在核医学成像领域用于判断射 线是否与物质发生了散射作用；在位置敏感型光电器件中确定射线在探测器中的沉积位 置。在电离福射探测器中，对相同探测器，通常其输出的电脉冲信号幅值与射线沉积在探测 器内的能量成线性关系，且脉冲的上升时间和衰减时间都为常数。故通常使用脉冲信号波 形与时间轴围成的面积（即统计射线在探测器中产生的总电荷的数量）代表电离福射源的 能量。
[0003] 传统电离福射探测器中的脉冲能量获取方法有两种：一是通过使用电荷积分电路 收集探测器输出脉冲携带的电荷，然后使用低速的模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter, W下简称ADC)采样积分电路中电容器存储的最大电荷量来代表射线沉积在探 测器中的能量值。二是将从探测器输出的脉冲进行积分整形成相对较慢速的信号，然后使 用低速ADC采样，对采样点做数值积分得到脉冲的能量。传统能量获取方法的积分过程限 制了系统的最大计数率；同时模拟的积分整形电路很容易受溫度等外界因素的影响，导致 性能随环境变化而变化，而且模拟电路的参数需要根据特定应用进行调试，使得系统的校 正和维护工作变得相当困难。使用高速ADC直接数字化探测器输出的电脉冲信号可W解决 传统方法的缺陷，但同时带来了成本提升和功耗高的问题，而且高速ADC也对后端处理速 度和传输带宽提出了更高的要求，增加了后端处理电路的设计难度。
[0004] 为了解决高计数能量获取的瓶颈问题，有学者提出了基于先验信息的欠采样脉冲 能量信息获取方法。该方法的核屯、是需要利用探测器输出电脉冲的先验信息，包括脉冲的 物理模型、脉冲特征等，只需获取少量的几个采样点，就可W利用统计学原理求解给定样本 点的最大似然解或者通过曲线拟合重建脉冲信号，并由此获得脉冲的能量信息。几种典型 的基于先验信息获取欠采样脉冲能量信息的方法包括：（1)多电压阔值（Multi-voltage t虹eshold，W下简称MVT)方法。多电压阔值方法通过预先设定好几个电压阔值，将脉 冲信号和电压阔值同时输入到比较器的两端，并测量比较器输出逻辑脉冲翻转的时间； 运些时间值和对应的电压阔值组成了 MVT采样点；使用MVT采样点和脉冲信号的先验知 识，通过曲线拟合重建脉冲之后采用定积分或重采样后数值积分的方式获得脉冲能量信 -島（具体?言'島参考文南犬Qin邑邑UO Xie, Chien-Min Κ曰ο, Zek曰i Hsi曰u,曰nd Chin-Tu Chen， "A New Approach for Pulse Processing in Positron Emission Tomography", IEEE TRANSACTIONS ON NU化EAR SCIENCE, VOL. 52, NO. 4, AUGUST 2005)。（2) ADC 采样点拟合方 法。ADC采样点拟合方法使用较低速ADC采样脉冲信号，得到若干个ADC采样点；使用运些 采样点和脉冲先验信息，利用曲线拟合重建脉冲之后采用定积分或重采样后数值积分的方 式获得脉冲能量信息（具体信息参考文献Nan Zhang, Niraj Doshi,Mehmet Aykac, Ronald Grazioso, Michael Loope, Greg Givens, Lars Eriksson, Florian Bauer, John Young, and Matthias Schmand, "A Pulse Shape Restore Method for Event Localizaton in PET Scintillation Detection", Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol. 7, 2004)。（3)经验贝叶斯估计法。经验贝叶斯估计法在获得脉冲数字化样本 点后，利用贝叶斯原理和独立性假设求解给定数字样本的最大似然解，将其作为被估计的 脉冲能量信息（具体信息参考文献 Zhenzhou Deng, Qingguo Xie, "Empirical Bayesian energy estimation for Multi-Voltage Threshold digitizer in PET", Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 2013 IE邸）。（4) TOT 方法。TOT 方法通过 拟合TOT与脉冲能量的关系，估计脉冲的能量预期值作为脉冲的能量信息（具体信息参考 文献 D. Nygren, "Converting vice to virtue: can time-walk be used as a measure of deposited charge in silicon detectors ?"，Internal LBL note, May 1991)。 阳0化]在基于先验信息获取欠采样脉冲能量信息的系统中，精确的脉冲模型和脉冲特征 描述是准确获取脉冲信息的一个重要条件。但实际的脉冲物理模型和脉冲特征不仅由探测 器所决定，还与其读出电路的分布参数相关，精确脉冲模型的建立和准确脉冲特性的描述 都是件非常困难的工作。当理想模型和特征参数与实际拟合或估计过程中采用的脉冲模型 和特征参数有偏差时，基于先验信息获取到的脉冲能量信息就会产生误差。
[0006] 因此，有必要提出一种电离福射探测中闪烁脉冲的数字化方法，W克服上述缺陷。

【发明内容】

[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电离福射探测中闪烁脉冲的数字化方法， 通过该方法可W解决基于先验信息获取欠采样脉冲能量信息系统中由于拟合模型不精确 或脉冲特征描述不准确带来能量测量不准的问题。
[0008] 为实现本发明上述目的，本发明提供：一种闪烁脉冲的数字化方法，其包括步骤：
[0009] S1 :获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库；
[0010] S2 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲采样并量化W获取脉冲所包含的完全 能量信息；
[0011] S3 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲进行欠采样并量化，使用脉冲先验信息 估计或者拟合出能量信息；
[0012] S4 :用S2中所得能量信息作为标准，确定基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方 法和S2方法得到的能量信息的映射关系；
[0013] S5 :利用S4所得能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得 到的能量信息。
[0014] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S1中的探测器为气体探测器或 闪烁体探测器或半导体探测器。
[0015] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S1中获取探测器在不同能量射 线照射下输出的脉冲数据库的方式为仿真产生或/和直接采集。
[0016] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S1获取探测器在不同能量射线 照射下输出的脉冲数据库的方式若为仿真产生，其具体过程为：
[0017] (a)使用已知能量的射线源照射探测器，利用ADC采集一组或若干组脉冲信号得 到脉冲集合，利用该脉冲集合生成平均脉冲；
[0018] 化）将该平均脉冲进行缩放，模拟得到一定能量范围内的射线照射该探测器产生 的脉冲数据库。
[0019] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述生成平均脉冲的方法为：首先做出运 组脉冲的能量谱，对能量谱中的光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到的 高斯函数半高全宽范围的所有脉冲，假设其数目为m，定义为其中第i个脉冲的第k个 ADC采样点，其中i为整数，且0<i《m ;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均 脉冲Pm定义为集合：
[0020] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述缩放平均脉冲的方法为线性缩放或 非线性缩放。
[0021] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，线性缩放平均脉冲的方法为：假设由步骤 S1中得到的平均脉冲Pm对应的射线能量为Eg,用户根据实际应用需求确定待测射线的能量 上限为E。，缩放脉冲的总数目为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍蠻
，缩放脉 冲集合P。由
计算得到。
[0022] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，非线性缩放平均脉冲的方法为：首先确 定探测器的非线性能量响应曲线y = f(x)，假设由步骤S1中得到的平均脉冲Pm对应的 射线能量为氏，用户根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为E。，缩放脉冲的总数目 为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍数
该探测器对应的缩放脉冲集合P。则由
确定。
[0023] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S1获取探测器在不同能量射线 照射下输出脉冲的方式若为直接采集，其具体过程为：首先根据用户需求使用若干个具有 不同能量的射线源照射探测器，利用ADC直接采集输出脉冲得到能量分布在一定范围内的 脉冲集合。
[0024] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S1获取探测器在不同能量射线 照射下输出的脉冲的方式若为仿真产生和直接采集的结合，其具体过程为：首先使用多个 已知能量的射线源分别照射探测器，在分别得到各自的平均脉冲后，使用插值法模拟得到 一定能量范围内的射线源照射该探测器产生的脉冲数据库。
[0025] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述生成平均脉冲的方法为：首先做出运 组脉冲库的能量谱，对能量谱中的光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到 的高斯函数半高全宽范围的所有脉冲，取出脉冲库中能量值位于光电全能峰半高全宽的范 围的所有脉冲，假设其数目为m，定义S&j为其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i 为整数，且〇<i《m ;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均脉冲Pm定义为集合：
[00%] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S2中获取脉冲所包含的完全能 量信息的方法包括：对脉冲直接数字化W获取脉冲所包含的完全能量信息，或者经过间接 采样可代表脉冲能量信息的物理量来获取脉冲所包含的完全能量信息。
[0027] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述获取脉冲所包含的完全能量信息的 方法如果通过脉冲直接数字化的方式实现，具体方法为：使用模数转换方案或者多电压阔 值方案临界/过采样脉冲，然后使用数值积分方法获取脉冲能量信息，或使用采样点中最 大电压幅值代表其能量信息。
[0028] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述获取脉冲所包含的完全能量信息的 方法如果通过脉冲直接数字化的方式实现，具体方法为：先使用峰值保持电路保持峰值，然 后采样峰值点电压幅值来代表脉冲能量信息。
[0029] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述获取脉冲所包含的完全能量信息的 方法如果通过间接采样的方式实现，具体方法为：将脉冲幅值变换成时间宽度的威尔金逊 变换法。
[0030] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S3中对每一个脉冲进行欠采样 并量化的数字化实现方法包括：使用模拟数字转换器实现或者使用比较器配合时间数字转 换器实现。
[0031] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息 的方法为MVT方法，利用MVT方法计算脉冲能量的方式为：首先设定多个阔值电压，将脉冲 和阔值电压分别输入到比较器的输入端，并测量比较器输出翻转逻辑脉冲的时间，测量得 到的时间值和对应的阔值电压组成MVT采样点，利用MVT采样点和脉冲模型拟合重建脉冲， 对重建得到的脉冲做定积分或重采样后做数值积分得到脉冲的能量信息。
[0032] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息 的方法为ADC拟合方法，ADC拟合方法计算脉冲能量的步骤为：使用ADC采样脉冲信号得到 ADC采样点，利用ADC采样点和脉冲模型拟合重建脉冲，对重建得到的脉冲做定积分或重采 样后做数值积分得到脉冲的能量信息。
[0033] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息 的方法为经验贝叶斯估计法，利用经验贝叶斯估计法计算脉冲能量的具体方式为：在获得 脉冲数字化样本点后，使用贝叶斯原理和独立性假设求解给定数字样本的最大似然解，将 其作为被估计的脉冲能量信息。
[0034] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息 的方法为过阔值时间（Time Over化reshold，W下简称TOT)方法，利用TOT方法计算脉冲 能量的方式为：通过拟合TOT与脉冲能量的关系，估计脉冲的能量预期值作为脉冲的能量 ?目息。
[0035] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S5中的能量映射关系是系数查 找表或者能量映射函数。
[0036] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，若所述步骤S5中的能量映射关系为系数 查找表，则校正系数C计算方法为：假设对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息获 取方法得到的能量为，基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为 E(st3tutw, U，i为整数，且0。《N，则校正系数
[0037] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S5中校正后的能量Ecstgtuti。。1的 计算公式为：E[statistie al -料E statistics 1。
[0038] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，若所述步骤S4中的能量映射关系若为映 射函数y = g (X)，该函数的推导方法为：假设对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息 获取方法得到的能量为，基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量 为Ebhtutleel J，i为整数，且〇<1《N，则可W得到完全能量信息获取方法和基于先验信息获 取欠采样脉冲能量获取方法的若干个系数映射点：
利用运些系数映 射点，经过曲线拟合得到映射函数y = g(x)。
[0039] 上述的闪烁脉冲的数字化方法，优选地，所述步骤S5中校正后的能量Ecstgtuti。。1的 计算公式为：Ecstatistic al -邑(E statistics i)。
[0040] W上技术方案相对于现有技术具有如下优点：
[0041] 1、一种闪烁脉冲的数字化方法，其包括步骤：S1 :获取探测器在不同能量射线照 射下输出的脉冲数据库；S2 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲采样并量化W获取脉冲 所包含的完全能量信息；S3 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲进行欠采样并量化，使 用脉冲先验信息估计或者拟合出能量信息；S4 :用S2中所得能量信息作为标准，确定基于 先验信息的欠采样脉冲能量获取方法和S2方法得到的能量信息的映射关系；S5 :利用S4 所得能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得到的能量信息。从上述 技术方案可W看出，因为脉冲模型与特征描述不会影响到完全能量信息获取方法的精度， 本发明中的脉冲能量信息校正方法使用完全能量信息获取方法得到的脉冲能量信息作为 标准，确定基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法与完全能量信息获取方法所得能量信 息之间的映射关系，使用该能量映射关系可W校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方 法中由于脉冲模型与特征描述不精确导致的能量测量误差。
[0042] 2、所述步骤S1中的探测器为气体探测器或闪烁体探测器或半导体探测器。除了 运几种比较适合的探测器种类外，其他适用于电离福射探测中脉冲能量获取的任何一种探 测器都是可W的。气体探测器利用射线在气体介质中的电离效应实现射线到电流的转换， 具有制备简单、性能稳定可靠、使用方便、成本低廉等优点；闪烁探测器利用射线在闪烁晶 体中的发光效应实现射线到可见光子的转换，具有探测效率高、能量响应线性度好、响应时 间短、加工方便等优点；半导体探测器利用射线在半导体中产生电子空穴对来实现射线到 电信号的转换，具有能量分辨率高、可测量线性范围宽的优点。
[0043] 3、所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库的方式若为 软件仿真，其具体过程为：(a)使用已知能量的射线源照射探测器，利用ADC采集一组或若 干组脉冲信号得到脉冲集合，利用该脉冲集合生成平均脉冲；(b)将该平均脉冲进行缩放， 模拟得到一定能量范围内的射线照射该探测器产生的脉冲数据库。本技术方案通过软件仿 真的方式，利用同一个探测器在不同能量射线作用下脉冲特征相同的性质，仅使用单一射 线源即可获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库，同时此方法不需要增加任 何硬件，简单灵活，易于实现。
[0044] 4、所述生成平均脉冲的方法为：首先做出运组脉冲的能量谱，对能量谱中的光 电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到的高斯函数半高全宽范围的所有 脉冲，假设其数目为m，定义S&J为其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整 数，且〇<i《m ;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均脉冲Pm定义为集合：
本技术方案所产生的平均脉冲，代表了当次实验所用 ：〇 探测器的标准脉冲，极大地抑制了脉冲噪声，有效地减小了脉冲上叠加的噪声对缩放平均 脉冲过程的影响，可W被认为是具有统计意义的理想脉冲。同时，标准波形的精度会随半高 全宽范围内所有脉冲的数目m增加而提高。
[0045] 5、线性缩放平均脉冲的方法为：假设由步骤S1中得到的平均脉冲Pm对应 的射线能量为氏，用户根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为E。，缩放脉冲 的总数目为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍数缩放脉冲集合P。由
勞^^算得到。本技术方案采用线性缩放平均脉冲，在一 定能量范围内，可W假设探测器是理想的线性探测器，输出不同能量的脉冲具有严格的线 性规律，使得本校正方法实现起来更为简便。
[0046] 6、非线性缩放平均脉冲的方法为：首先确定探测器的非线性能量响应 曲线y = f(x)，假设由步骤S1中得到的平均脉冲Pm对应的射线能量为Eg,用户 根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为E。，缩放脉冲的总数目为N，计算 出脉冲信号需要放大的最大倍数该探测器对应的缩放脉冲集合P。则由
确定。本技术方案采用非线性缩放平均 脉冲，能够反映真实探测器的状态，减少探测器的非线性对最终校正结果的影响。
[0047] 7、所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出脉冲的方式若为直接采 集，其具体过程为：首先根据用户需求使用若干个具有不同能量的放射源照射探测器，利用 ADC直接采集输出脉冲得到能量分布在一定范围内的脉冲集合。本技术方案采用直接采集 的方式，得到探测器输出的宽能量范围脉冲集合，真实反映不同能量射线源的脉冲特性，减 少了脉冲信息损失。
[0048] 8、所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲的方式若为仿真产 生和直接采集的结合，其具体过程为：首先使用多个已知能量的射线源分别照射探测器，在 分别得到各自的平均脉冲后，使用插值法模拟得到一定能量范围内的射线源照射该探测器 产生的脉冲数据库。本技术方案采用仿真产生和直接采集结合的方式，兼具了仿真获取方 式的简便性与直接采集方式对脉冲信息获取的真实性、完整性。
[0049] 9、所述生成平均脉冲的方法为：首先做出运组脉冲库的能量谱，对能量谱中的 光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到的高斯函数半高全宽范围的所有 脉冲，假设其数目为m，定义S&J为其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整 数，且〇<i《m ;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均脉冲Pm定义为集合：
本技术方案所产生的平均脉冲，代表了当次实验所用 探测器的标准脉冲，极大地抑制了脉冲噪声，有效地减小了脉冲上叠加的噪声对缩放平均 脉冲过程的影响，可W被认为是具有统计意义的理想脉冲。同时，标准波形的精度会随半高 全宽范围内所有脉冲的数目m增加而提高。
[0050] 10、所述获取脉冲所包含的完全能量信息的方法通过脉冲直接数字化的方式实 现，具体方法为：使用模数转换方案或者多电压阔值方案临界/过采样脉冲，然后使用数值 积分方法获取脉冲能量信息，或使用采样点中最大电压幅值代表其能量信息。本技术方案 利用高采样率ADC等模数转换方案直接数字化脉冲，W获取脉冲"完全数据集"，此数字信 号记录了脉冲信号的所有信息；用运种方式获取脉冲能量信息，能保证获取的能量信息足 够准确。
[0051] 11、所述获取脉冲所包含的完全能量信息的方法通过脉冲直接数字化的方式实 现，具体方法为：先使用峰值保持电路保持峰值，然后采样峰值点电压幅值来代表脉冲能量 信息。本技术方案直接数字化的方法，通过峰值保持电路将脉冲信号整形成慢速信号，就可 W使用低采样率模数转换器件采样脉冲电压幅值，此方式获取的能量信息也非常准确。
[0052] 12、所述获取脉冲所包含的完全能量信息的方法如果通过间接采样的方式实现， 具体方法为：将脉冲幅值变换成时间宽度的威尔金逊变换法。本技术方案使用威尔金逊转 换的间接采样的方式，发挥其良好的微分非线性性质，利用改进型的威尔金逊可W实现高 速高精度的模拟数字转换，W保证获得的完全能量信息的精确度。
[0053] 13、所述步骤S3中对每一个脉冲进行欠采样并量化的数字化实现方法包括：使用 模拟数字转换器实现或者使用比较器配合时间数字转换器实现。使用模拟数字转换器是最 常用的数字化实现方法，特别是利用先进的大规模集成电路技术时，使用一块体积很小的 忍片即可实现模拟信号的数字化过程；而W MVT方法为代表使用比较器配合时间数字转换 器实现数字化的方式，可W非常容易获取像闪烁脉冲一样快速变化信号的采样信息，与等 时间间隔采样的ADC相比，在成本和功耗上具有很大优势。
[0054] 14、所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息的方法为MVT方法，利用MVT方法计 算脉冲能量的方式为：首先设定多个阔值电压，将脉冲和阔值电压分别输入到比较器的输 入端，并测量比较器输出翻转逻辑脉冲的时间，测量得到的时间值和对应的阔值电压组成 MVT采样点，利用MVT采样点和脉冲模型拟合重建脉冲，对重建得到的脉冲做定积分或重采 样后做数值积分得到脉冲的能量信息。本技术方案通过设计多个阔值电压，方便灵活地记 录下不同电压所对应的时间信息，再利用脉冲的特征模型还原脉冲能量特性，可W有效克 服等时间间隔采样在面临快速、睹峭信号采样时的采样率不够高的缺陷。
[0055] 15、所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息的方法为ADC拟合方法，ADC拟合方 法计算脉冲能量的步骤为：使用ADC采样脉冲信号得到ADC采样点，利用ADC采样点和脉冲 模型拟合重建脉冲，对重建得到的脉冲做定积分或重采样后做数值积分得到脉冲的能量信 息。本技术方案通过利用少数几个采样点和脉冲特征模型还原脉冲能量特性，有可能利用 快速发展的DSP技术使系统的硬件更加简单、成本更加低廉。
[0056] 16、所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息的方法为经验贝叶斯估计法，利用经 验贝叶斯估计法计算脉冲能量的具体方式为：在获得脉冲数字化样本点后，使用贝叶斯原 理和独立性假设求解给定数字样本的最大似然解，将其作为被估计的脉冲能量信息。本技 术方案，通过有效提取和准确刻画脉冲的统计学特征，定量的建立起系统参数与脉冲信息 之间的关系，利用具有涨落关系的统计学模型使得计算脉冲能量的精确度最大化。 阳057] 17、所述步骤S3中估计或者拟合出能量信息的方法为TOT方法，利用TOT方法计 算脉冲能量的方式为：通过拟合TOT与脉冲能量的关系，估计脉冲的能量预期值作为脉冲 的能量信息。本技术方案不需要额外整形滤波电路或者峰值检测和保持电路，模拟前端电 子学可W非常简单，易于多通道集成。
[0058] 18、所述步骤S5中的能量映射关系为系数查找表，则校正系数C计算方法为：假设 对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息获取方法得到的能量为E U，基于先验 信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为Ebhtuti。。! J，i为整数，且0。《N，则校正 系数
所述步骤S5中校正后的能量Ecstatuti。。1的计算公式为：E cstatutic 。1= C*E,htuti。。1。本技术方案通过建立系数查找表，可W快速准确地确定待校正能量所对 应的校正系数，算法简单，可W在绝大部分硬件平台上实现，而且占用资源少。
[0059] 19、所述步骤S4中的能量映射关系若为映射函数y = g(x)，该函数的推导方法为： 假设对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息获取方法得到的能量为E ，基于 先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为Ebhtuti。。! J，i为整数，且〇<i《N，则 可W得到完全能量信息获取方法和基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法的若干个 系数映射点：
利用运些系数映射点，使用曲线拟合得到映射函数y = g(X)，所述步骤S5中校正后的能量Ecstatutlc al的计算公式为：EcStatl"lc al= g巧statistic。1)。 本技术方案通过曲线拟合的方式，减小单个系数映射点上叠加的计算误差，使得校正过程 更加稳健。
【附图说明】
[0060] 图1为本发明设及到的电离福射探测中基于先验信息获取欠采样脉冲能量信息 校正方法的流程图；
[006U 图2为Cs-137伽马射线源照射化I/PMT探测器使用完全能量信息获取方法得到 的能量谱及其光电峰的高斯拟合（将光电峰校正到66化eV);
[0062] 图3为化I/PMT探测器在Cs-137伽马射源照射下得到的平均脉冲；
[0063] 图4为化I/PMT探测器运用本发明校正前和校正后的能量曲线对比图；
[0064] 图5为运用本发明对化I/PMT探测器在Cs-137射源照射下能谱校正前后对照图。
【具体实施方式】
[0065] 本发明公开了一种电离福射探测中闪烁脉冲的数字化方法，通过该方法可W解决 基于先验信息获取欠采样脉冲能量信息系统中由于拟合模型与脉冲特征描述不精确带来 能量测量不准的问题。
[0066] 如图1所示，本发明中的闪烁脉冲的数字化方法，包括步骤：
[0067] S1 :获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库；
[0068] S2 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲采样并量化W获取脉冲所包含的完全 能量信息；
[0069] S3 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲进行欠采样并量化，使用脉冲先验信息 估计或者拟合出能量信息；
[0070] S4 :用S2中所得能量信息作为标准，确定基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方 法和S2方法得到的能量信息的映射关系；
[0071] S5 :利用S4所得能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得 到的能量信息。
[0072] 因为脉冲模型与特征描述不会影响到完全能量信息获取方法的精度，本发明中的 脉冲能量信息校正方法使用完全能量信息获取方法得到的脉冲能量信息作为标准，确定基 于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法与完全能量信息获取方法所得能量信息之间的映 射关系，使用该能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法中由于脉冲模 型与特征描述不精确导致的能量测量误差。
[0073] 所述步骤S1中探测器可W为适用于电离福射探测中脉冲能量获取的任何一种探 测器，具体包括气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。除了运几种比较适合的探测器 种类外，其他适用于电离福射探测中脉冲能量获取的任何一种探测器都是可W的。气体探 测器利用射线在气体介质中的电离效应实现射线到电流的转换，具有制备简单、性能稳定 可靠、使用方便、成本低廉等优点；闪烁探测器利用射线在闪烁晶体中的发光效应实现射线 到可见光子的转换，具有探测效率高、能量响应线性度好、响应时间短、加工方便等优点；半 导体探测器利用射线在半导体中产生电子空穴对来实现射线到电信号的转换，具有能量分 辨率高、可测量线性范围宽的优点。
[0074] 所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲信号的方式可W为仿 真产生探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库，也可W为直接采集在多个射源照 射下探测器产生的脉冲数据库，也可W是两种方法的结合。
[00巧]所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出脉冲信号的方式若为仿真产 生，其具体过程为：
[0076] (a)使用已知能量的射线源照射探测器，利用ADC采集一组或若干组脉冲信号得 到脉冲集合，利用该脉冲集合生成平均脉冲；
[0077] 化）将该平均脉冲进行缩放，模拟得到一定能量范围内的射线照射该探测器产生 的脉冲数据库。所述缩放平均脉冲的方法为线性缩放或非线性缩放。
[0078] 通过软件仿真的方式，利用同一个探测器在不同能量射线作用下脉冲特征相同的 性质，仅使用单一射线源即可获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库，同时 此方法不需要增加任何硬件，简单灵活，易于实现。
[0079] 上述（a)中，生成平均脉冲的方法为：首先做出运组脉冲的能量谱，对能量谱中 的光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到的高斯函数半高全宽范围的所 有脉冲，假设其数目为m，定义S&j为其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整 数，且〇<i《m ;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均脉冲Pm定义为集合：
μ本方法产生的平均脉冲，代表了当次实验所用探测器 的标准脉冲，极大地抑制了脉冲噪声，有效地减小了脉冲上叠加的噪声对缩放平均脉冲过 程的影响，可W被认为是具有统计意义理想脉冲，同时标准波形的精度会随半高全宽范围 内所有脉冲的数目m增加而提高。
[0080] 上述化）中，线性缩放平均脉冲的方法为：假设由步骤S1中得到的平均脉冲 Pm对应的射线能量为Eg,用户根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为E。，缩放 脉冲的总数目为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍数，缩放脉冲集合P。由
十算得到。采用线性缩放平均脉冲，在一定能量范围 内，可W假设探测器是理想的线性探测器，输出不同能量的脉冲具有严格的线性规律，使得 本校正方法实现起来更为简便。 W81] 上述化）中，非线性缩放平均脉冲的方法为：首先确定探测器的非线性能 量响应曲线y = f (X)，假设由步骤S1中得到的平均脉冲Pm对应的射线能量为E .， 用户根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为E。，缩放脉冲的总数目为N，计 算出脉冲信号需要放大的最大倍数^ = 该探测器对应的缩放脉冲集合P。则由
巧定。采用非线性缩放平均脉冲，能够反 映真实探测器的状态，减少探测器的非线性对最终校正结果的影响。
[0082] 所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出脉冲的方式若为直接采集， 其具体过程为：首先根据用户需求使用若干个具有不同已知射线能量的放射源照射探测 器，利用ADC直接采集输出脉冲得到能量分布在一定范围内的脉冲集合。采用直接采集的 方式，得到探测器输出的宽能量范围脉冲集合，真实反映不同能量射线源的脉冲特性，减少 了脉冲信息损失。
[0083] 所述步骤S1获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲的方式若为仿真产生 和直接采集的结合，其具体过程为：首先使用多个已知能量的电离福射源分别照射探测器， 在分别得到各自的平均脉冲后，使用插值法模拟得到一定能量范围内的福射源照射该探测 器产生的脉冲数据库。采用仿真产生和直接采集结合的方式，兼具了仿真获取方式的简便 性与直接采集方式对脉冲信息获取的真实性、完整性。
[0084] 其中，所述生成平均脉冲的方法为：首先做出运组脉冲库的能量谱，对能量 谱中的光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量值位于拟合得到的高斯函数半高全宽 范围的所有脉冲，取出脉冲库中能量值位于光电全能峰半高全宽的范围的所有脉冲， 假设其数目为m，定义S&j为其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整数， 且0<i《m;k为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目，平均脉冲Pm定义为集合：
本方法产生的平均脉冲，代表了当次实验所用探测器 的标准脉冲，极大地抑制了脉冲噪声，有效地减小了脉冲上叠加的噪声对缩放平均脉冲过 程的影响，可W被认为是具有统计意义的理想脉冲。同时，标准波形的精度会随半高全宽范 围内所有脉冲的数目m增加而提高。
[0085] 所述步骤S2中数字化脉冲后获取到脉冲所包含的完全能量信息的方法（W下简 称，完全能量信息获取方法）可W是：脉冲直接数字化W获取脉冲所包含的完全能量信息， 也可W是：经过间接采样可代表脉冲能量信息的物理量来获取脉冲所包含的完全能量信 息。
[0086] 所述步骤S2中完全能量信息获取方法若通过脉冲直接数字化W获取脉冲所包含 的完全能量信息的方式实现，则其步骤可W为：先使用模数转换方案或者多电压阔值方案 临界/过采样脉冲，然后使用数值积分方法获取脉冲能量信息，或使用采样点中最大电压 幅值代表其能量信息。利用高采样率ADC等模数转换方案直接数字化脉冲，W获取脉冲"完 全数据集"，此数字信号记录了脉冲信号的所有信息；用运种方式获取脉冲能量信息，能保 证获取的能量信息足够准确。
[0087] 所述步骤S2中完全能量信息获取方法若通过脉冲直接数字化W获取脉冲所包含 的完全能量信息的方式实现，则其步骤也可W为：先使用峰值保持电路保持峰值，然后采样 峰值点电压幅值来代表脉冲能量信息。采用直接数字化的方法，通过峰值保持电路将脉冲 信号整形成慢速信号，就可W使用低采样率模数转换器件采样脉冲电压幅值，此方式获取 的能量信息也非常准确。
[0088] 所述步骤S2中完全能量信息获取方法若通过间接采样W获取脉冲所包含的完全 能量信息的方式实现，可W为将脉冲幅值变换成时间宽度的威尔金逊变换法。使用威尔金 逊转换的间接采样的方式，发挥其良好的微分非线性性质，利用改进型的威尔金逊可W实 现高速高精度的模拟数字转换，W保证获得的完全能量信息的精确度。
[0089] 所述步骤S3中对每一个脉冲进行欠采样并量化过程，不仅限于使用模拟数字转 换器实现数字化过程，还可W是比较器配合时间数字转换器实现数字化过程。使用模拟数 字转换器是最常用的数字化实现方法，特别是利用先进的大规模集成电路技术，使用一块 体积很小的忍片即可实现模拟信号的数字化过程；而W MVT方法为代表使用比较器配合时 间数字转换器实现数字化的方式，可W非常容易获取像闪烁脉冲一样快速变化的信号的采 样信息，与等时间间隔采样的ADC相比，在成本和功耗上具有很大优势。
[0090] 所述步骤S3中使用统计学估计法或者曲线拟合法计算出能量信息的方法，可W 为MVT方法，利用MVT方法计算脉冲能量的方式为：首先设定多个阔值电压，将脉冲和阔值 电压分别输入到比较器的输入端，并测量比较器输出翻转逻辑脉冲的时间，测量得到的时 间值和对应的阔值电压组成MVT采样点，利用MVT采样点和脉冲模型拟合重建脉冲，对重建 得到的脉冲做定积分或重采样后做数值积分得到脉冲的能量信息。通过设计多个阔值电 压，方便灵活地记录下不同电压所对应的时间信息，再利用脉冲的特征模型还原脉冲能量 特性，可W有效克服等时间间隔采样在面临快速、睹峭信号采样时的采样率不够高的缺陷。
[0091] 所述步骤S3中使用统计学估计法或曲线拟合法计算出能量信息的方法，可W为 ADC拟合方法，ADC拟合方法计算脉冲能量的步骤为：使用ADC采样脉冲信号得到ADC采样 点，利用ADC采样点和脉冲模型拟合重建脉冲，对重建得到的脉冲做定积分或重采样后做 数值积分得到脉冲的能量信息。通过利用少数几个采样点和脉冲特征模型还原脉冲能量特 性，有可能利用快速发展的DSP技术使系统的硬件更加简单、成本更加低廉。
[0092] 所述步骤S3中使用统计学估计法或曲线拟合法计算出能量信息的方法，可W为 经验贝叶斯估计法，利用经验贝叶斯估计法计算脉冲能量的具体方式为：在获得脉冲数字 化样本点后，使用贝叶斯原理和独立性假设求解给定数字样本的最大似然解，将其作为被 估计的脉冲能量信息。通过有效提取和准确刻画脉冲的统计学特征，定量的建立起系统参 数与脉冲信息之间的关系，利用具有涨落关系的统计学模型使得计算脉冲能量的精确度最 大化。
[0093] 所述步骤S3中使用统计学估计法或者曲线拟合法计算出能量信息的方法，可W 为TOT方法，利用TOT方法计算脉冲能量的方式为：通过拟合TOT与脉冲能量的关系，估计 脉冲的能量预期值作为脉冲的能量信息。本技术方案不需要额外整形滤波电路或者峰值检 测和保持电路，模拟前端电子学可W非常简单，易于多通道集成。
[0094] 所述步骤S5中的能量映射关系可W是系数查找表，也可W是能量映射函数。
[0095] 约定通过不同方法获取的探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库统称 为宽能量范围脉冲集P。，所述步骤S5中的能量映射关系若为系数查找表，则校正系数C计 算方法可W为：假设对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息获取方法得到的能量为 Ebt。。d。fd,r)，基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为Ebt。tutl。。l,r)，i为整 数，且〇<1《N，则校正系数
通过建立系数查找表，可W快速准确地确 定待校正能量所对应的校正系数，算法简单，可W在绝大部分硬件平台上实现，而且占用资 源少。
[0096] 所述步骤S4中的能量映射关系若为映射函数y = g(x)，该函数的推导方法为：假 设对于脉冲库P。中的每一个脉冲，完全能量信息获取方法得到的能量为E ，基于先 验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为Ebhtuti。。!, ，i为整数，且〇<i《N，则 可W得到完全能量信息获取方法和基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法的若干个 系数映射点
利用运些系数映射点，使用曲线拟合得到映射函数y = g(x)。通过曲线拟合的方式，减小单个系数映射点上叠加的计算误差，使得校正过程更加稳 健。
[0097] 所述步骤S5中基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得到的能量Ecstgtuti。。1的 计算公式为：Ecstatistic al -料E statistic。1 或者 E [Statistic al - S 巧 statistic。i)。
[0098] 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。实施例在获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲集的过程中选取Ξ种方法中最 简单的仿真产生脉冲数据集的方式说明技术方案，实施例中完全能量信息获取方法为传统 ADC方案，基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法为MVT方法和ADC拟合方法，当然基于 先验信息的欠采样脉冲能量获取方法并不局限于该两种方法，本发明仅仅是将运两种方法 作为具体的实施例对本发明进行解释。
[0099] 实施例一：采用的探测器为闪烁体探测器，具体为舰化钢（化I)晶体禪合光电倍 增管CR105 (化I/PMT CR105探测器），所述基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法为MVT 方法。
[0100] (1)使用Cs-137射源照射化I/PMT探测器，将探测器输出的闪烁脉冲直接输入示 波器中，在采样率为10GSPS的工作状态下采集5000个闪烁脉冲，并统计得到如图2虚线 所示的能量谱（将峰值能量校正到66化eV)。使用高斯曲线拟合其光电峰，如图2实线，得 到其能量分辨率为8. 6 % ;通过能量分辨率和峰值能量值计算得到半高全宽值约为30keV， 因此得到当峰值能量为66化eV时对应半高全宽范围内的射线能量值为[632keV，69化eV]; 取出运个区间之内的所有闪烁脉冲，假设其数目为m，定义为其中第i(i为整数，且 〇<i《m)个脉冲的第k化为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目）个ADC采样点，按照
得到平均脉冲Pm，如图3所示。 阳1 似将该平均脉冲进行比例缩放，模拟得到对应[OkeV，3MeV]范围内的射 线照射探测器产生的闪烁脉冲数据库。假设由步骤（1)得到的平均脉冲Pm对应的 射线能量氏=662keV，待测射线的能量上限E。= 3MeV,则计算出闪烁脉冲需要 放大的最大倍数^ = 选择缩放脉冲的总数目N = 10000,缩放脉冲集P。由
4?十算得到。 阳10引 做根据步骤（1)得到的平均脉冲，确定MVT方法中选取的电压阔值（设置方法可 参考专利W02012142778A1)。对缩放脉冲集中的每一个闪烁脉冲使用MVT方法计算得到能 量值Ewvw，i为整数，且〇<i《10000,其中MVT方法中的闪烁脉冲模型采用： 阳 103]
[0104] 其中，τ为闪烁晶体的衰减时间常数，Vp为闪烁脉冲的幅值，t。为事件到达时间， tp为脉冲峰值时间（具体参见 Qingguo Xie, Qiien-Min Kao, Zekai Hsiau, and Qiin-Tu Chen，"A New Approach for Pulse Processing in Positron Emission Tomography", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 52, NO. 4, AUGUST 2005.)。同时，将缩放脉冲集中 的每一个闪烁脉冲ADC采样点的电压幅值直接累加得到传统ADC方案中的能量值EuDcj， 其中i为整数，且〇<i《10000。图4的圆圈为使用传统ADC方案对[OkeV，3MeV]能量范围 内的闪烁脉冲计算得到的能量。
[01化]MVT方法获取闪烁脉冲能量具体可W通过W下过程实现：
[0106] ①预先设定8个电压阔值为巧0 38 56 80 250 500 1000 1500]，将探测器 输出的闪烁脉冲和设定的电压阔值输入到8个比较器中，将比较器的输出逻辑电平跳 转信号对应的时间信息使用时间-数字转换器灯ime-to-digital converter, TDC)转 换成数字信号，其中TDC由可编程口阵列（Field Programm油le Gate Array, FPGA) 实现，假设8个比较器输出逻辑电平的正跳变和负跳变对应触发的16个时间值 为 TrigTime = {Trl，Tr2，Tr3，Tr4，Tr5，Tr6，Tr7，Tr8，Td8，Td7，Td6，Td5，Td4，Td3 ，Td2, Tdl}，其中Trl，Tr2, Tr3, Tr4, Τ巧，Tr6,化7, Τ巧表示8个阔值触发的上升沿 采样时间，Td8, Td7, Td6, Td5, Td4, Td3, Td2, Tdl表示对应的下降沿采样时间；运样 KTrl，20)，灯^，38)，…，灯巧，1500)，灯(18, 1500)，…，灯dl，20)}组成 MVT 方法的 16 组采 样点。 阳107] ②利用上一步得到的16组采样点恢复出原始闪烁脉冲。首先建立闪烁脉冲模型， 本例中使用一个直线的上升沿加上一个指数的下降沿（具体表达式见式1)拟合闪烁脉冲。 设上升沿函数方程表示为7' = 4村'+13，下降沿函数方程表示为7(1 =日3>"44，拟合方程后利 用二分法求出两曲线交点P(Px，Py);重建闪烁脉冲后，W第（1)步中相同的采样率10 GSPS 对恢复出的闪烁脉冲进行重采样，并累加所有采样点的电压幅值得到MVT方法中的闪烁脉 冲能量。图4中的Ξ角为使用MVT方法对[OkeV，3MeV]能量范围内的闪烁脉冲校正前计算 得到的能量。
[0108] (4)计算校正系数
建立校正系数查找表，或者通过拟合校正系数 建立EwvTj与E WDCJ的函数映射关系。图4中的十字形为使用MVT方法对[OkeV，3MeV]能 量范围内的闪烁脉冲校正后得到的能量。
[0109] (5)通过步骤（4)得到的查找表或者函数方程生成校正系数C，并计算校正后的能 量Ecmvt=料E MVT。图5为运用本发明对Cs-137射源照射化I/PMT探测器得到的能谱校正 前后对照图。
[0110] 实施例二：采用的探测器为化I/PMT探测器，所述基于先验信息的欠采样脉冲能 量获取方法为ADC拟合方法。 阳11U (1)使用Cs-137射源照射化I/PMT探测器，将探测器输出的闪烁脉冲直接输入 示波器中，在采样率为10 GSPS的工作状态下采集5000个闪烁脉冲，并统计得到能量谱 (将峰值能量校正到66化eV)。使用高斯曲线拟合其光电峰，如图2实线，得到其能量分辨 率为8. 6% ;通过能量分辨率和峰值能量值计算得到半高全宽值约为30keV，因此得到当 峰值能量为66化eV时对应半高全宽范围内的射线能量值为[632keV，69化eV];取能量为 [63化eV，692keV]区间的所有闪烁脉冲，假设其数目为m，定义S&J为其中第i α为整数， 且0<1《m)个脉冲的第k化为整数，且0<k《h，h为ADC采样点的数目）个ADC采样点， 按照
得到平均脉冲Pm。 阳11引 似将该平均脉冲进行比例缩放，模拟得到对应[0keV，3MeV]范围内的射线 照射探测器产生的闪烁脉冲数据库。假设由步骤（1)得到的平均脉冲Pm对应的射线 能量氏=662keV，待测射线的能量上限Eu= 3MeV，则计算出闪烁脉冲需要放大的最 大倍数^ = ^=4·6;根据实际需求确定缩放脉冲的总数目N = 10000,缩放脉冲集P。由
计算得到。
[0113] (3)根据步骤（1)得到的平均脉冲，对缩放脉冲集中的每一个闪烁脉冲使用ADC拟 合方法计算得到能量值EwDCfiMi，i为整数，且〇<i《10000。同时，将缩放脉冲集中的每一 个闪烁脉冲ADC采样点的电压幅值直接累加得到传统ADC方案中的能量值EwDt J，其中i为 整数，且〇<1《10000。
[0114] ADC拟合方法获取闪烁脉冲能量具体可W通过W下过程实现：
[0115] 使用与步骤（1)中不同的ADC(记作ADC2)重新采样闪烁脉冲信号得到ADC2采样 点，设一个闪烁脉冲采样的数据集包括N个样本点（ti，Vi)，该方法中闪烁脉冲模型（具体可 参见文南犬 Nan Zhan邑，Niraj Doshi, Mehmet Aykac, Ronald Grazioso, Michael Loope, Gre邑 Givens,Lars Eriksson,Florian Bauer, John Young, and Matthias Schmand, "A Pulse Shape Restore Method for Event Localizaton in PET Scintillation Detection" , Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol. 7, 2004)可采用： 阳 116]
(式 2)
[0117] 其中，Ai、m。、τ 1、τ。是需要待确定的参数，τ。为晶体闪烁的时间常数，τ 1为光电 转换器件和前端电子学的时间常数。使用ADC2采样点曲线拟合确定未知参数后，重建闪烁 脉冲，并使用定积分或数值积分技术获得闪烁脉冲能量值。
[0118] (4)计算校正系数.
建立校正系数查找表，或者通过拟合校正系 数建立E(adc化1)与Ε (祉w的函数映射关系。
[0119] 通过步骤（4)得到的查找表或者函数方程得到校正系数C，并计算校正后的能量 EcADC fit - C*Eadc fit。
【主权项】
1. 一种闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：包括步骤： 51 :获取探测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库； 52 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲采样并量化以获取脉冲所包含的完全能量 信息； 53 :对S1所得脉冲数据库中的每一个脉冲进行欠采样并量化，使用脉冲先验信息估计 或者拟合出能量信息； 54 :用S2中所得能量信息作为标准，确定基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法和 S2方法得到的能量信息的映射关系； 55 :利用S4所得能量映射关系校正基于先验信息的欠采样脉冲能量获取方法得到的 能量信息。2. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S1中的探测 器为气体探测器或闪烁体探测器或半导体探测器。3. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S1中获取探 测器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库的方式为仿真产生或/和直接采集。4. 根据权利要求3所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S1获取探测 器在不同能量射线照射下输出的脉冲数据库的方式若为仿真产生，其具体过程为： (a) 使用已知能量的射线源照射探测器，利用ADC采集一组或若干组脉冲信号得到脉 冲集合，利用该脉冲集合生成平均脉冲； (b) 将该平均脉冲进行缩放，模拟得到一定能量范围内的射线照射该探测器产生的脉 冲数据库。5. 根据权利要求4所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述生成平均脉冲的 方法为：首先做出这组脉冲的能量谱，对能量谱中的光电峰使用高斯函数拟合，并取出能量 值位于拟合得到的高斯函数半高全宽范围的所有脉冲，假设其数目为m，定义S fcl)为其中 第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整数，且0〈i彡m ;k为整数，且0〈k彡h，h为ADC 采样点的数目，平均脉冲定义为集合：6. 根据权利要求4所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述缩放平均脉冲的 方法为线性缩放或非线性缩放。7. 根据权利要求6所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：线性缩放平均脉冲的 方法为：假设由步骤S1中得到的平均脉冲P"对应的射线能量为E s，用户根据实际应用需求 确定待测射线的能量上限为Eu，缩放脉冲的总数目为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍，缩放脉冲集合Pa由'计算得到。8. 根据权利要求6所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：非线性缩放平均脉冲 的方法为：首先确定探测器的非线性能量响应曲线y = f(x)，假设由步骤S1中得到的平均 脉冲对应的射线能量为E s，用户根据实际应用需求确定待测射线的能量上限为Eu，缩放 脉冲的总数目为N，计算出脉冲信号需要放大的最大倍数，该探测器对应的缩放脉 冲集合Pa则由9. 根据权利要求3所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S1获取探测 器在不同能量射线照射下输出脉冲的方式若为直接采集，其具体过程为：首先根据用户需 求使用若干个具有不同能量的射线源照射探测器，利用ADC直接采集输出脉冲得到能量分 布在一定范围内的脉冲集合。10. 根据权利要求3所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S1获取探 测器在不同能量射线照射下输出的脉冲的方式若为仿真产生和直接采集的结合，其具体过 程为：首先使用多个已知能量的射线源分别照射探测器，在分别得到各自的平均脉冲后，使 用插值法模拟得到一定能量范围内的射线照射该探测器产生的脉冲数据库。11. 根据权利要求10所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述生成平均脉冲 的方法为：首先做出这组脉冲库的能量谱，对能量谱中的光电峰使用高斯函数拟合，并取出 能量值位于拟合得到的高斯函数半高全宽范围的所有脉冲，假设其数目为m，定义S fcl)为 其中第i个脉冲的第k个ADC采样点，其中i为整数，且0〈i彡m ;k为整数，且0〈k彡h，h 为ADC采样点的数目，平均脉冲定义为集合：12. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S2中获取 脉冲所包含的完全能量信息的方法包括：对脉冲直接数字化以获取脉冲所包含的完全能 量信息，或者经过间接采样可代表脉冲能量信息的物理量来获取脉冲所包含的完全能量信 息。13. 根据权利要求12所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述获取脉冲所包 含的完全能量信息的方法如果通过脉冲直接数字化的方式实现，具体方法为：使用模数转 换方案或者多电压阈值方案临界/过采样脉冲，然后使用数值积分方法获取脉冲能量信 息，或使用采样点中最大电压幅值代表其能量信息。14. 根据权利要求12所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述获取脉冲所包 含的完全能量信息的方法如果通过脉冲直接数字化的方式实现，具体方法为：先使用峰值 保持电路保持峰值，然后采样峰值点电压幅值来代表脉冲能量信息。15. 根据权利要求12所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述获取脉冲所包 含的完全能量信息的方法如果通过间接采样的方式实现，具体方法为：将脉冲幅值变换成 时间宽度的威尔金逊变换法。16. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S3中对每 一个脉冲进行欠采样并量化的数字化实现方法包括：使用模拟数字转换器实现或者使用比 较器配合时间数字转换器实现。17. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S3中估计 或者拟合出能量信息的方法为MVT方法，利用MVT方法计算脉冲能量的方式为：首先设定多 个阈值电压，将脉冲和阈值电压分别输入到比较器的输入端，并测量比较器输出翻转逻辑 脉冲的时间，测量得到的时间值和对应的阈值电压组成MVT采样点，利用MVT采样点和脉冲 模型拟合重建脉冲，对重建得到的脉冲做定积分或重采样后做数值积分得到脉冲的能量信 息。18. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S3中估计 或者拟合出能量信息的方法为ADC拟合方法，ADC拟合方法计算脉冲能量的步骤为：使用 ADC采样脉冲信号得到ADC采样点，利用ADC采样点和脉冲模型拟合重建脉冲，对重建得到 的脉冲做定积分或重采样后做数值积分得到脉冲的能量信息。19. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S3中估计 或者拟合出能量信息的方法为经验贝叶斯估计法，利用经验贝叶斯估计法计算脉冲能量的 具体方式为：在获得脉冲数字化样本点后，利用贝叶斯原理和独立性假设求解给定数字样 本的最大似然解，将其作为被估计的脉冲能量信息。20. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S3中估计 或者拟合出能量信息的方法为TOT方法，利用TOT方法计算脉冲能量的方式为：通过拟合 TOT与脉冲能量的关系，估计脉冲的能量预期值作为脉冲的能量信息。21. 根据权利要求1所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S5中的能 量映射关系是系数查找表或者能量映射函数。22. 根据权利要求21所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：若所述步骤S5中的 能量映射关系为系数查找表，则校正系数C计算方法为：假设对于脉冲库P a中的每一个脉 冲，完全能量信息获取方法得到的能量为，基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法得到的能量为E (statistical, i) 7 i为整数，且〇〈i < N，则校正系数23. 根据权利要求22所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S5中校正 后的能量 ECStatlstlcal的计算公式为：ECStatlstlcal= C*Estatlstlcal。24. 根据权利要求21所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：若所述步骤S4中 的能量映射关系若为映射函数y = g(x)，该函数的推导方法为：假设对于脉冲库匕中 的每一个脉冲，完全能量信息获取方法得到的能量为，基于先验信息获取欠采 样脉冲能量获取方法得到的能量为i为整数，且0〈i < N，则可以得到完全 能量信息获取方法和基于先验信息获取欠采样脉冲能量获取方法的若干个系数映射点：，利用这些系数映射点，经过曲线拟合得到映射函数y = g(x)。25. 根据权利要求24所述的闪烁脉冲的数字化方法，其特征在于：所述步骤S5中校正 后的能量E CStatistical 的计算公式为：E CStatistical g(E statistical^ °
【文档编号】G01T1/20GK105824817SQ201510003057
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月5日
【发明人】谢庆国, 张求德, 龙岸文, 熊章靖
【申请人】苏州瑞派宁科技有限公司