一种堆积事件处理方法及装置与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种堆积事件处理方法及装置。

背景技术：

正电子发射型断层显像-计算机断层扫描(Positron Emission Tomography-Computed Tomography，PET-CT)设备以及单光子发射计算机断层成像(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)设备都是当今典型的医学影像设备。这些设备主要利用探测放射性核素衰变过程中所释放出的正电子与电子湮灭后所产生的γ光子，进行符合判定。

γ光子的检测，一般是将γ光子通过闪烁体转变成可见光，然后在通过光电倍增管(PMT)或硅光电倍增管(SIPM)等光电检测器件将可见光转换成电信号进行检测。实际测量操作时，先让γ射线击中晶体，转变成可见光，再利用光电倍增管或硅光电倍增管将可见光转换成电信号，对电信号进行能量识别和时间标定测量，通过电信号获取能量值，识别晶体位置及击中时间，并进行散射校正。

理想情况单位时间内只有一个事件，击中晶体，只产生一个电信号，处理起来比较简单。但现实中经常会发生两个γ射线在一个检测周期内同时击中一个探测器晶体的情况，我们通常称这种现象为堆积事件，即Pileup。堆积事件中出现的事件，依时间顺序依次命名为第一事件、第二事件。在这种情况下，如何准确识别出两个事件的时间信息和能量信息就变得很困难。

现有技术，有的对堆积事件不进行处理，简单丢弃，会降低系统灵敏度及噪声等效计数等关键技术指标；有的通过复杂的前端电路实现，导致实现成本和电路规模巨大；有的只能识别出堆积事件发生时的第一事件，第二事件被丢弃。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种堆积事件处理方法及装置以解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明实施例的第一方面，提供了一种堆积事件处理方法，用于PET系统，包括如下步骤：

获取PET探测器输出的电信号；

对电信号进行数字积分实时采样，各时刻以实时采样值为该时刻第一事件的能量值；

监控电信号上升沿的实时采样值；

当监控到电信号发生连续跳变时，判定有堆积事件发生；

堆积事件发生后，继续进行数字积分实时采样，并基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，堆积事件发生后的各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值，以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

优选的，堆积事件发生后，继续进行数字积分实时采样，并基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，从发生首次跳变的前一时刻开始，各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值，以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

优选的，进行函数拟合时，采用的函数为指数函数。

优选的，获取PET探测器输出的电信号后，还包括如下步骤：

对PET探测器输出的电信号进行微分；

堆积事件发生时，获取到两个窄脉冲；

对两个窄脉冲进行甄别，获得两个连续时间脉冲；

对两个连续时间脉冲进行时间标定，获得第一事件与第二事件的时间信息。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种堆积事件处理装置，用于PET系统，包括：

电信号获取模块，获取PET探测器输出的电信号；

积分采样模块，对电信号进行数字积分实时采样，各时刻以实时采样值为该时刻第一事件的能量值；

监控模块，监控电信号上升沿的实时采样值；

判断模块，当监控到电信号发生连续跳变时，判定有堆积事件发生；

函数拟合模块，堆积事件发生后，基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，堆积事件发生后的各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值；

差值计算模块，堆积事件发生后，进行数字积分采样，以每个时刻的实时采样值与函数计算值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

优选的，所述的函数拟合模块，用于，有堆积事件发生时，进行函数拟合，从发生首次跳变的前一时刻开始，以函数计算值作为该时刻的能量值。

优选的，所述的差值计算模块，用于，有堆积事件发生后，进行数字积分采样，以每个时刻的实时采样值与函数计算值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

优选的，所述的函数拟合模块进行函数拟合时，采用的函数为指数函数。

优选的，还包括：

微分采样模块，对电信号进行数字微分实时采样；

窄脉冲获取模块，堆积事件发生后获取到两个窄脉冲；

甄别模块，对两个窄脉冲进行甄别，获得两个连续时间脉冲；

标定模块，对两个连续时间脉冲进行时间标定，获得第一事件与第二事件的时间信息。

与现有技术相比较，本发明可有效的对堆积事件进行准确分离与处理，获取到第一事件和第二事件的能量信息，从而可以提高晶体识别准确率、能量校正准确性等。

附图说明

图1为本发明堆积事件处理方法的一种流程示意图；

图2为本发明堆积事件处理方法中的一种信号波形示意图；

图3为本发明堆积事件处理方法的另一种流程示意图；

图4为本发明堆积事件处理装置的一种结构框图；

图5为本发明堆积事件处理装置的另一种结构框图；

图6为本发明堆积事件处理方法中采用的前端处理电路的一种结构框图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

如图1所示，一种堆积事件处理方法，用于PET系统，包括如下步骤。

步骤100，获取PET探测器输出的电信号。通过放大电路获取PET探测器输出的电信号，并放大处理。

步骤101，对电信号进行数字积分实时采样，各时刻以实时采样值为该时刻第一事件的能量值。

单一γ射线击中晶体后，对PET探测器输出的电信号进行数字积分实时采样。由于堆积事件是一个概率事件，发生概率与被测目标活度成正比，在未知是否发生时，按常规的数字积分方法,通过AD采样电路对PET探测器输出的电信号进行实时采样。

步骤102，监控电信号上升沿的实时采样值。

在数字积分采样过程中，实时监控每一时刻实时采样值的变化情况。

步骤103，当监控到电信号发生连续跳变时，判定有堆积事件发生。

由于噪声的存在，采样值发生跳变是正常的，但连续两个时刻的采样值发生跳变是非正常的，即出现连续跳变，是堆积事件发生的典型标志。如图2所示，t_i-2至t_i时刻，采样值发生了连续的跳变，原本趋于衰减的波形出现大的振幅变化。若一直不存在连续跳变，则继续进行数字积分采样，获得第一事件的能量值。

步骤104，堆积事件发生后，继续进行数字积分采样，并基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，堆积事件发生后的各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值，以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

堆积事件发生后，继续进行的数字积分采样和函数拟合可以同时进行。当堆积事件发生后，数字积分实际上采样到的能量值，已经不是真实的单一γ射线击中晶体的能量值，而是两次或两次以上的γ射线击中晶体所产生能量值的叠加。此时，如果用重心法采样，直接导致晶体计算错误，从而影响图像质量；用一对一采样，由于能量被污染，采集结果也无法进行有效的能量校正。因此，本发明通过FPGA等处理芯片，在堆积事件发生前的能量值获取采用实时采样，堆积事件发生后的能量值获取采用函数拟合，可以有效的剥离被污染的能量，最大限度的还原真实单一事件击中后的能量值。函数拟合直至第一事件的完全衰变完成，获得堆积事件发生后的第一事件的各时刻能量值。

步骤105，得到第一事件和第二事件的能量信息。

堆积事件发生后，第一个事件的后续能量获取采用函数拟合，可以有效的剥离被污染的能量，最大限度的还原真实单一事件击中后的能量值；第二个事件的能量获取，采用实时采样值减去第一个事件的函数拟合值，保证了第二个事件能量的准确性。从而，将堆积事件发生前后各时刻能量信息汇总，可以得到第一事件和第二事件各自的完整能量信息。如此，当堆积事件发生的情况下，第一事件和第二事件的能量信息仍能被有效还原，从而可以进行晶体位置计算、能量校正等操作，可以提高晶体识别准确率、能量校正准确性、系统的灵敏度及噪声等效计数值等。

进一步的，为了使计算结果更精确，堆积事件发生后，同时进行函数拟合和数字积分采样，从发生首次跳变的前一时刻开始，各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值，以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。因为，需要识别到连续的两次跳变，才能判断是否有堆积事件发生，所以堆积事件真正发生的时刻应该是发生首次跳变的前一时刻。

具体的，由于γ射线击中晶体发生的可见光信号转换成电信号后的上升沿呈典型指数曲线，在进行函数拟合时采用的拟合函数可以为指数函数。

在本发明的一可选实施例中，所述的指数函数公式为其中，t为时间，y(t)为t时刻的能量值，K₁为指数曲线的比例系数，K₂为指数曲线的衰减指数，比例系数K₁、衰减指数K₂均为常数。这里，时间t以AD转换芯片的采样周期为单位，如AD转换芯片的采样频率为200M，则采样周期为5ns，时间轴的t以5ns为单位递增。如图2所示，t_i为堆积事件被识别的时刻，t_i-2为堆积事件真正发生的时刻，t_i+n为堆积事件发生后第一事件完全衰变完成的时刻。

所述函数公式中，常数K₁、K₂通过将堆积事件发生前的任意两个时刻的实时采样值代入函数公式计算获得，所选取的两个时刻可以分别为已采集时刻的第1/3位置和2/3位置；常数K₁、K₂也可以通过已采集时刻的波形数据计算得到近似值。

在本发明的一可选实施例中，如图3所示，获取PET探测器输出的电信号后，还包括如下步骤：

步骤201，对PET探测器输出的电信号进行微分。

步骤201和步骤101可以同步进行，将PET探测器输出的电信号经过放大器放大，一分为二，一路进入AD采样电路进行数字积分的实时采样，另一路进入微分电路进行微分。微分的目的是当堆积事件发生时，能有效的获取两个窄脉冲。

步骤202，堆积事件发生时，获取到两个窄脉冲。

步骤203，对两个窄脉冲进行甄别，获得两个连续时间脉冲。

两个窄脉冲进入甄别器，会获得两个连续时间脉冲。本发明中的甄别器可以是CFD甄别器，也可以是DLED甄别器。

步骤204，对两个连续时间脉冲进行时间标定，获得第一事件与第二事件的时间信息。

两个连续时间脉冲，进入TDC电路后，可以进行时间标定，从而获得第一事件与第二事件的时间信息。本发明中的TDC电路可以是外置的TDC芯片为核心的电路，也可以是FPGA等处理芯片内部的TDC模块。

通过FPGA等处理芯片把前后两个事件的能量信息和时间信息分别组合在一起，在当堆积事件发生时，有效分离，并准确获取了两个事件的能量信息和时间信息。

具体步骤中采用的前端处理电路，可以如图6所示，包括放大电路610、AD采样电路620和控制电路630，所述放大电路610的输出端与所述AD采样电路620的输入端电连接，所述AD采样电路620的输出端与所述控制电路630的输入端电连接。其中，所述的放大电路610用于接收PET探测器输出的电信号并进行放大，所述的AD采样电路620对放大后的电信号进行数字积分，所述的控制电路630用于获取数字积分采集到的能量值，同时实时监控Pileup的发生并处理。所述的控制电路630可以是FPGA芯片。

特别的，前端处理电路还包括微分电路640、甄别器650和TDC电路660，所述微分电路640的输入端与所述放大电路610的输出端电连接，所述微分电路640的输出端与所述甄别器650的输入端电连接，所述甄别器650的输出端与所述TDC电路660的输入端电连接；所述的微分电路640用于对PET探测器输出的电信号进行数字微分实时采样，所述的甄别器650用于对窄脉冲信号进行甄别，所述的TDC电路560用于对时间脉冲进行时间标定。本发明中的甄别器650可以是CFD甄别器，也可以是DLED甄别器；TDC电路660可以是外置的TDC芯片为核心的电路，也可以是FPGA等处理芯片构成的控制电路630的内部的TDC模块。

上述前端处理电路，均为实际使用的常规配置，无需添加额外的电路。

与前述的堆积事件处理方法的实施例相对应，本公开还提供了堆积事件处理装置的实施例。

参见图4，为本发明堆积事件处理装置的一个实施例框图，该装置可以应用PET系统上，该装置包括：

电信号获取模块400，获取PET探测器输出的电信号；

积分采样模块410，对电信号进行数字积分实时采样，各时刻以实时采样值为该时刻第一事件的能量值；

监控模块420，监控电信号上升沿的实时采样值；

判断模块430，当监控到电信号发生连续跳变时，判定有堆积事件发生；

函数拟合模块440，堆积事件发生后，基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，堆积事件发生后的各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值；

差值计算模块450，堆积事件发生后，继续进行数字积分采样，堆积事件发生后的各时刻以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。其中，函数拟合值由函数拟合模块440的函数拟合得到。

通过函数拟合模块440和差值计算模块450，获取到堆积事件发生后的第一事件和第二事件的能量值，进而获取到第一事件和第二事件完整的能量信息。

进一步的，为了使计算结果更精确，所述的函数拟合模块440，用于堆积事件发生后，基于堆积事件发生前各时刻的实时采样值进行函数拟合，从发生首次跳变的前一时刻开始，各时刻以函数拟合值作为该时刻第一事件的能量值；所述的差值计算模块450，用于堆积事件发生后，继续进行数字积分采样，从发生首次跳变的前一时刻开始，各时刻以实时采样值与函数拟合值的差值作为该时刻第二事件的能量值。

具体的，由于γ射线击中晶体发生的可见光信号转换成电信号后的上升沿呈典型指数曲线，在进行函数拟合时采用的拟合函数可以为指数函数。

在本发明的一可选实施例中，所述的指数函数公式为其中，t为时间，y(t)为t时刻的能量值，K₁为指数曲线的比例系数，K₂为指数曲线的衰减指数，比例系数K₁、衰减指数K₂均为常数。

所述函数公式中，常数K₁、K₂通过将堆积事件发生前时刻的任意两个实时采样值代入函数公式计算获得，所选取的两个时刻可以分别为已采集时刻的第1/3位置和2/3位置；常数K₁、K₂也可以通过已采集时刻的波形数据计算得到近似值。

在本发明的一可选实施例中，如图5所示，还包括：

微分采样模块510，对电信号进行数字微分实时采样；

窄脉冲获取模块520，堆积事件发生后获取到两个窄脉冲；

甄别模块530，对两个窄脉冲进行甄别，获得两个连续时间脉冲；

标定模块540，对两个连续时间脉冲进行时间标定，获得第一事件与第二事件的时间信息。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由本申请的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。