专利名称：一种数字化pileup波形处理方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高能粒子探测信号处理和数字信号处理领域，具体涉及一种数字化堆 积(pileup)波形处理方法及其系统，可应用于高能粒子探测数据获得系统。
背景技术：
在大部分的高能粒子探测领域，以及计算机断层成像(Computed Tomography,以 下简称CT)、正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，以下简称PET)、单光子 发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography,以下简称 SPECT) 等医疗影像领域，数据获得系统所采集、处理的闪烁脉冲信号均是由高能粒子(如Y射线、 X射线等)经闪烁晶体转换成可见光，再经光电转换器件转换得到可以观测的电信号。当多个高能粒子在短时间内被同一个探测器捕获，多个闪烁脉冲的信号会叠加在 一起，这种信号被称为堆积信号(pileup)，如
图1所示。使用传统方法测量高能粒子时， pileup会对某些参数的测量造成较大误差。首先，pileup会使后一次事件的脉冲电荷被计入到前一次脉冲中，造成能量测量 的误差，从而会造成能量谱和能量分辨率的恶化。随着计数率的增加，这种恶化会变得越来 越严重，如图2所示。其次，在部分高能粒子测量领域，如PET、SPECT等，脉冲信号的位置信息是基于测 量得到的四个corner pulse的能量值，通过计算这四个能量值之间的相对关系获得的。因 此，pileup会造成位置测量上的错误，会对位置谱的获得产生较大的影响，而且会随着计数 率的增加变得越来越严重，如图3所示。另外，pileup也会导致符合时间分辨率的恶化，如 图4所示。为了解决pileup对测量带来的不利影响，通常做法是通过波形能量或者波形形 状，甄别出pileup波形，然后去除该波形。这样的做法会减少高能粒子的计数量，增加统计 噪声，降低信噪比，尤其对计数量较小的应用，如PET成像、光子计数(Photon Counting)CT 成像会造成较大的影响。此外，也有一些研究工作试图恢复pileup中脉冲的信息，然而这些工作都集中在 恢复脉冲的能量信息，以及由能量信息产生的位置信息上，未见恢复时间、余辉常数等其 它信息。(具体参见“W. H. Wong，H. Li，A Scintillation Detector Signal Processing Technique with Active Pileup Prevention for Extending Scintillation Count Rates, IEEE Transaction on Nuclear Science，vol. 45，pp. 838-842，1998”)。以上所有 用于恢复pileup的工作均基于模拟电子技术，对模拟脉冲波形进行处理，未针对数字脉冲 波形。目前存在一种pileup信息恢复方法，该方法根据每一帧数字脉冲中脉冲上升沿 数目判定该脉冲是否为Pileup，因此为了提高判断准确率，每一帧数字脉冲长度必须得到 限定。其次，该方法对Pileup波形的判断和对波形的分割，是基于整帧脉冲导数最大值的， 这会导致两个主要问题(1)该方法并不能判断每帧数字文件中是否包含闪烁脉冲波形，因此在该算法处理之前，需要确保每个数字文件都为包含闪烁脉冲的数字波形；( 当闪 烁脉冲幅值较小时，该方法非常容易受脉冲下降沿上的噪声的影响，将正常数字闪烁脉冲 波形判别为Pileup波形，因此该方法在恢复脉冲位置信息上有明显的缺陷(位置信息的获 取，是通过电阻网络将一个正常幅值的闪烁脉冲，分为四个大小不一的闪烁脉冲，通过比较 它们之间幅值(能量)相互比例获得的，因此这四个脉冲幅值均较小)。由于以上缺陷的存 在，该方法不能用于建立一套实时Pileup处理系统。典型的闪烁脉冲波形如图5所示，该波形由快速上升的上升沿和慢速下降的下降 沿构成。上升沿的上升速度由闪烁晶体和光电转换器件共同决定；下降沿的衰减速度，由闪 烁晶体的特性决定。在不考虑噪声的情况下，单次闪烁脉冲可考虑成由线性上升的上升沿和指数下降 的下降沿构成的理想信号模型，理想的闪烁脉冲波形如图6所示，其波形模型如式(1)所 示，
权利要求
1.一种数字化Pileup波形处理方法，包括如下步骤(1)载入采集的数字脉冲波形，根据数字脉冲波形中所包含的脉冲上升沿数量及相邻 脉冲上升沿的时间间隔甄别出pileup波形；(2)对甄别出的pileup波形按照脉冲上升沿和下降沿进行分割，获得pileup波形中的 各个单次事件脉冲波形；(3)对分割出的各个单次事件脉冲波形依次进行重建。
2.根据权利要求1所述的数字化pileup波形处理方法，其特征在于步骤(1)具体包 括以下步骤(1. 1)载入采集的数字脉冲波形；(1.2)对所述数字脉冲波形求导，获得数字脉冲波形的导数序列； (1. 3)根据所述导数序列判断数字脉冲波形中所包含的脉冲上升沿，并统计该数字脉 冲波形中所包含的脉冲上升沿个数和各相邻脉冲上升沿之间的时间间隔；(1. 4)判断数字脉冲波形是否为pileup波形若该数字脉冲波形中只存在1个脉冲上 升沿，则该数字脉冲波形为非Pileup波形；否则，判断是否存在任意两相邻脉冲上升沿之 间的时间间隔小于预定的固定时间长度T，若存在，则该数字脉冲波形为pileup波形。
3.根据权利要求2所述的数字化pileup波形处理方法，其特征在于所述步骤(1.2) 中在对数字脉冲波形求导前，先对该数字脉冲波形进行数字滤波。
4.根据权利要求2或3所述的pileup波形处理方法，其特征在于所述步骤(1.3) 中，所述导数序列中大于预设的阈值Threshold的一段连续区域即对应脉冲的上升沿所在 区域。
5.根据权利要求2-4之一所述的pileup波形处理方法，其特征在于步骤(1.4)所述 的时间长度T根据探测器衰减时间常数设定。
6.根据权利要求1-5之一所述的数字化pileup波形处理方法，其特征在于所述步骤(2)中，先确定所述甄别出的pileup波形的上升沿和下降沿，并据此将所述pileup波形分 割为多个独立的单次事件脉冲，每个单次事件脉冲包含一个上升沿和其后的下降沿。
7.根据权利要求6所述的数字化pileup波形处理方法，其特征在于所述确定pileup 波形的上升沿和下降沿的具体过程如下(2. 1)在pileup波形的导数序列中，确定出与脉冲上升沿区域相对应的子序列 计算pileup波形的导数序列中所有大于预设的阈值derijhreshold的连续的子序列 的长度，长度大于预设的阈值M的子序列即对应pileup波形的脉冲上升沿区域； (2. 2)确定pileup波形中每个脉冲上升沿的位置对每个所述子序列，分别求取其极小值和极大值对应的Pileup波形的位置，两位置之 间的波形即为Pileup波形的一个上升沿；(2. 3)确定pileup波形中每个脉冲下降沿的位置两个脉冲上升沿之间的波形即为这 两个脉冲中前一个脉冲的下降沿波形，对波形中最后一个脉冲，其上升沿结束之后至第一 个数值小于0的采样点之间的波形，即为该脉冲的下降沿波形。
8.根据权利要求1-7之一所述的数字化pileup波形处理方法，其特征在于所述步骤(3)具体包括以下步骤 (3. 1)上升沿重建在脉冲上升沿抽取不少于P个采样点，其中，P为整数，P彡2且小于等于上升沿长度， 对采样点按下式进行线性拟合获取上升沿重建参数LineK和LineB，完成重建 y (x) = LineKX x+LineB其中，LineK为上升沿直线的斜率，LineK > 0，LineB是上升沿截距，可为任意值，χ为 数字脉冲序列采样位置，y(x)为在χ位置上的数字脉冲幅值； (3. 2)下降沿重建在脉冲下降沿抽取不少于Q个采样点，其中，Q为整数，Q ^ 2且小于等于下降沿长度， 对采样点按下式进行指数拟合获取下降沿重建参数ExpK和ExpB，完成重建 y(x) = exp(ExpK X x+ExpB)其中，ExpK为衰减时间常数，ExpK < 0，ExpB可为任意值； (3. 3)去除当前重建的脉冲余辉对后续脉冲重建的影响利用当前脉冲下降沿重建参数ExpK和ExpB，计算该脉冲下降沿在后续脉冲波形中的 脉冲幅值，将该脉冲幅值从后续的每个单次事件脉冲中减去。
9.一种数字化pileup波形处理系统，包括pileup波形甄别模块(100)、脉冲波形分割 模块(200)和脉冲波形重建模块(300)，所述pileup波形甄别模块(100)导入数字脉冲波形，并根据所述数字脉冲波形中所包 含的脉冲上升沿数量及相邻脉冲上升沿的时间甄别出pileup波形，并将甄别出的pileup 波形传递送给脉冲波形分割模块O00)；所述脉冲波形分割模块(200)对所述pileup波形按脉冲上升沿和下降沿进行分割，获 得pileup波形中的各个单次事件脉冲波形；所述脉冲波形重建模块(300)对分割出的每个单次事件脉冲进行脉冲波形重建，将每 个单次脉冲波形重建为一个快速线性上升的上升沿和一个指数衰减的下降沿。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述pileup波形甄别模块(100)包括波 形导入模块(110)、波形求导模块(130)和上升沿分析模块(140)，所述波形导入模块(110)用于导入数字脉冲波形；所述波形求导模块(130)用于对导入的数字脉冲波形进行求导，获得数字脉冲波形的 导数序列，并将该导数序列传送给上升沿分析模块(140)；所述上升沿分析模块(140)根据所述导数序列判断出数字脉冲波形中所包含的脉冲 上升沿，根据脉冲上升沿个数和相邻脉冲上升沿之间的时间间隔判断是否为Pileup波形。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述pileup波形甄别模块(100)中还 包括滤波模块(120)，用于在所述波形求导模块(130)对数字脉冲波形求导前，先对该数字 脉冲波形进行数字滤波。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，所述上升沿分析模块(140)对脉 冲上升沿通过如下方式判断导数序列中大于预设的阈值Threshold的一段连续区域即对 应脉冲的上升沿所在区域。
13.根据权利要求10-12之一所述的系统，其特征在于，所述上升沿分析模块(140) 中，pileup波形的具体判断过程为若数字脉冲波形中只存在1个脉冲上升沿，则该数字脉 冲波形为非Pileup波形；否则，判断是否存在任意两相邻脉冲上升沿之间的时间间隔小于 预定的固定时间长度T，若存在，则该数字脉冲波形为pileup波形。
14.根据权利要求9-13之一所述的系统，其特征在于，所述脉冲波形分割模块(200)先 确定所述甄别出的Pileup波形的上升沿和下降沿，并据此将所述pileup波形分割为多个 独立的单次事件脉冲，每个单次事件脉冲包含一个上升沿和其后的下降沿。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述确定pileup波形的上升沿和下降 沿的具体过程如下(A)在所述pileup波形的导数序列中，确定与脉冲上升沿区域相对应的子序列计算pileup波形的导数序列中所有大于预设的阈值derijhreshold的连续的子序列 的长度，长度大于阈值M的子序列即对应脉冲上升沿区域；(B)确定pileup波形中每个脉冲上升沿的位置对每个所述子序列，分别求取其极小值和极大值对应的Pileup波形的位置，两位置之 间的波形即为Pileup波形的一个上升沿；(C)确定数字脉冲波形中每个脉冲下降沿的位置两个脉冲上升沿之间的部分即为这 两个脉冲中前一个脉冲的下降沿波形，对波形中最后一个脉冲，其上升沿结束之后至第一 个数值小于0的采样点之间的波形，即为该脉冲的下降沿波形。
16.根据权利要求9-15之一所述的系统，其特征在于，所述脉冲波形重建模块(300) 包括上升沿重建模块(310)，用于对所述脉冲波形分割模块(200)分割出的每个单次事件 脉冲上升沿部分进行线性拟合，获得上升沿重建参数，进行上升沿重建；下降沿重建模块(320)，用于对所述脉冲波形分割模块(200)分割出的每个单次事件 脉冲下降沿部分进行指数拟合，获得下降沿重建参数，进行下降沿重建；余辉消除模块(330)，利用所述下降沿重建模块(320)获得的下降沿重建参数，计算该 脉冲下降沿在后续脉冲波形中的脉冲幅值，将该脉冲幅值从后续的每个单次事件脉冲中减 去，以消除当前脉冲波形下降沿对随后的各个单次事件脉冲波形重建的影响。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述上升沿重建模块(310)中获得上升 重建参数的过程为在脉冲上升沿抽取不少于P个采样点，其中，P为整数，P彡2且小于等于上升沿长度， 对采样点按下式进行线性拟合获取上升沿重建参数LineK和LineB y (x) = LineKX x+LineB其中，LineK为上升沿直线的斜率，LineK > 0，LineB是上升沿截距，可为任意值，χ为 数字脉冲序列采样位置，y(x)为在χ位置上的数字脉冲幅值。
18.根据权利要求16-17之一所述的系统，其特征在于，所述下降沿重建模块(310)中 获得下降重建参数的过程为在脉冲下降沿抽取不少于Q个采样点，其中，Q为整数，Q >2且小于等于下降沿长度， 对采样点按下式进行指数拟合获取下降沿重建参数ExpK和ExpB y(x) = exp(ExpK X x+ExpB)其中，ExpK为衰减时间常数，ExpK < 0，ExpB可为任意值。
全文摘要
本发明公开了一种数字化pileup波形处理方法及其系统。该方法首先判定脉冲上升沿区域，根据相邻脉冲上升沿之间的时间间隔判定该脉冲是否为pileup波形；将判定为pileup的数字波形按照脉冲上升沿和下降沿进行分割，然后利用分割后的波形依次重建出pileup中的各个单次事件脉冲波形，各单次脉冲信息均可从重建的波形中提取。本发明还公开了一种pileup波形处理系统，包括pielup波形甄别模块、脉冲波形分割模块、脉冲波形重建模块。本发明能有效甄别pileup脉冲波形，精确重建pileup中各个单次事件脉冲波形，准确恢复单次事件脉冲的能量、时间、幅值、衰减时间常数、位置等信息，提高系统在高活度下的计数率、测量结果的信噪比。
文档编号G01T1/202GK102073059SQ20101061788
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者刘晶晶, 王希, 谢庆国, 陈源宝 申请人:华中科技大学, 苏州瑞派宁科技有限公司