（微电子学与固体电子学专业论文）小型pet样机符合系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 正电子发射断层扫描( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 是一种先进的核 医学成像设备。p e t 能够从活体生物分子水平上成像，反映生物体机体功能的变化， 因而对于生物化学、生理学、病理学以及药理学的各种过程的研究，都提供了一个有 力的研究手段。p e t 的应用十分广泛，从基本的生理过程、病理研究，到新药物的研 制、癌症的早期诊断，乃至基因治疗。 相对普通临床p e t ，m i c r o - p e t 更加小型化，同时提供了更高的分辨率，特别针 对于人类疾病在小动物模型上的实验研究，对于生物医学研究的发展有非常重要的意 义。 中国的第一台m i c r o p e t 原型机目前已经设计完成，并调试通过。本论文首先简 述了m i c r o - p e t 原型机的整体系统框架，然后重点详细论述了m i c r o p e t 中符合系 统、及其前、后端的数据传输接口的设计与实现。符合系统以及数据传输接口，均设 计集成在了一块“符合电路板”上，系统核心为一片f p g a 。符合电路板从前段电子学 模块获取数据，接口为b l v d s 标准；在符合电路板的f p g a 片内实现符合功能的数字 逻辑与算法；然后通过f p g a 控制下的嵌入式以太网接口，按t c p i p 协议将符合后的 数据发送给主控计算机。符合电路板的p c b 设计采用了6 层板来实现，设计过程中充 分考虑了高速数字电路的设计应注意的要点。 目前，此台m i c r o p e t 原型机已经通过了各项调试，能够达到预期的各项技术指 标，确认设计成功。下一代m i c r o p e t 原型机的方案则在规划酝酿中。本论文所详述 的符合系统设计具有很好的通用性，可在今后的技术方案中沿用。 关键词：正电子断层发射扫描，可编程门阵列，符合系统，t c p i p 协议 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ( p e t ) i san e ws c a n n i n gt e c h n i q u ei nn u c l e a rm e d i c a l r e s e a r c h p e ti saf u n c t i o n a li m a g i n gm o d a l i t ya tm o l e c u l a rl e v e la n dp r o v i d e sv a l u a b l e i n s i g h t si n t ob i o c h e m i c a l ，p h y s i o l o g i c a l ，p a t h o l o g i c a lo rp 1 1 a r m a c o l o g i c a lp r o c e s s i t s a p p l i c a t i o nc a nb ef o u n di n aw i d ea r e ar a n g i n gf r o mb a s i ci n s i g h t si n t ot h en o r m a l p h y s i o l o g ya n dd i s e a s ep r o c e s s e st od r u gd e v e l o p m e n ta n de a r l yr e s p o n s et oa n t i c a n c e ra n d g e n et h e r a p y m i c r o p e ti sas m a l l e rb u th i g h e rr e s o l u t i o nd e v i c e ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rs t u d y i n g s m a l la n i m a lm o d e l so f h u m a r ld i s e a s e s t h ef i r s tm i c r o - p e tp r o t o t y p ei nc h i n ah a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h ew h o l es y s t e mf l a m e , a n dt h e nf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e c o i n c i d e n c e s u b s y s t e ma n d d a t at r a n s f e r s u b s y s t e m t h e s et w os u b s y s t e m s w e r e i n t e r g r a d e di no n ec o i n c i d e b o a r d ，w h i c hb a s e do naf p g ac o r e t h i sc o i n c i d e b o a r d r e c e i v e sd a t af r o mf r o m e n de l e c t r o n i c sv i a t h eb l v d si m e r f a c e ，c o m p l e t e st h e c o i n c i d e n c e ，a n dt r a n s f e r sd a t at ot h ec o m r o lp cw i t ht c p 1 pp r o t o c o l ，b a s e do ne m b e d d e d e t h e m e tt e c h n o l o g y t h ec o i n c i d e b o a r dw a sd e s i g n e da sa6 - l a y e r sb o a r d ，a n ds p e c i a l a t t e m i o nw a sp a i do nt h eh i g h - s p e e dd i g i t a lc i r c u i td e s i g n t h i sp r o t o t y p eo fm i c r o p e th a sp a s s e dt h ec o m m i s s i o n i n ga n db e e np r o v e dt h a ti t c a no b t a i nt h ee x p e c t e dr e s o l u t i o n as e c o n dp r o t o t y p eo fm i c r o p e ti su n d e rp r o p o s a l ，a n d t h ed e s i g no f t h ec o i n c i d e n c es y s t e m ，w h i c hw a se l a b o r a t e di nt h i st h e s i s ，w o u l db ea d o p t e d w i t hs m a l lm o d i f i c a t i o n sa si t su n i v e r s a lp r o p e r t yo nd e s i g n k e y w o r d s ：p e t , f p g a ，c o i n c i d e n c es y s t e m ，t c p i pp r o t o c o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砀，丑铋 日期：2 m 占年年月旧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密町。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：龠。盈钕 日期：扣巧年4 月区日 指导教师签名 日期：砖十月括同日期：伊咿中月瑙同 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 正电子断层扫描( p e t ) 技术 1 1 1p e t 技术简介 正电子发射计算机断层扫描( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 是核医学领 域的一项新技术，代表了目前最先进的无创伤性高品质影像诊断的新技术，是高水平 核医学诊断的标志，也是现代医学必不可少的高技术。 p e t 的独特作用是，它以代谢显像和定量分析为基础，采用1 1 一c 、1 3 一n 、1 5 0 、 j 8 一f 等短周期的正电子同位素作为示踪剂( 这些同位素都是生物体的主要组成元素， 可以用来标记几乎所有的生物组织j ，p e t 正是利用被这些同位素标记的药物或化合物 可以无创、定量、动态的观察生物体内的生理或生化变化，p e t 不仅可快速获得多层 面断层影像、三维定量结果以及三维全身扫描，而且还可以从分子水平动态观察到代 谢物或药物在人体内的生理生化变化，用以研究人体生理、生化、化学递质、受体乃 至基因改变。 p e t 的问世和正电子同位素示踪剂的出现，使人类第一次实现了活体内分子水平 的研究，开创了核医学发展的新纪元。1 。 1 1 2p e t 的技术原理 正电子发射是放射性元素衰变的方式之一。这类同位素在自发地从不稳定状态向 基态衰变过程中，从核内释放出与普通电子一样、但电荷相反的粒子即正电子。 正电子是一种反物质，从核内释放出后将会很快与环境中自由电子碰撞湮灭。正负电 子湮灭时，会产生的两个运动方向相反、能量均为5 1 i k e v 的y 光子。如果在这对y 光 子飞行方向上对向放置一对探测器，便可以几乎在同时接受到这两个y 光子，并由此 可推定y 光子发源( 即正电子湮灭) 点在两探测器间连线上，如图卜l 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图卜1 符合探测原理图 基于上述原理，如图卜2 所示，可以通过安置环绕3 6 0 。排列的多组配对探头， 探测成对的y 光子信号，进而得到光子发源点在探头对连线上的一维信息，再使用滤 波反投射算法，得到正电子发射示踪剂在与探头组平面上的断层分布图像。显然，要 能够甄别出成对的y 光子信号，正确地得到正电子发射事件，需要使用符合系统，结 合探头的触发逻辑，判断每只探头信号的时间耦合性。此外，这种探测方式一次只反 映一个层面的信息，与c t 探测方式很接近，实用中常用多层排列的探头对，配合层 间符合线路，以利探测并重建更多层面的图像。5 3 。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 2p e t 环状探测器符合探测原理图 在临床中，当由正电子放射性同位素所标记的示踪剂( 显像剂) 注入血流后，到 达全身，聚集在特定的器官或某一部位，通过对应的探头，基于湮灭符合探测技术， 探测器从3 6 0 。方向检测不同部位的光子，记录释放出光子的时间、位置数量及方向。 显像装置采用环状探测器排列，实现多角度采集，信息经计算机贮存，再通过影像重 建原理获得人体各部位横断轴向断面、冠状断面和矢状断面影像。p e t 系统的结构与 x 线、c t 或s p e c t 基本相似，由探测器、数据处理系统、图像显示及检查床组成，基 本结构如图卜3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 旬 、 l 图卜3p e t 系统组成示意图 在7 0 年代中，p e t 原型机多利用数对单晶体或多晶体式y 照相机探头，对角放置。 近年来多改用多组小口径探头，六角、八角或环式排列，最多一层排列一百多个探头： 晶体也改用不潮解，密度大，光子俘获率高的物质，如用b g o 取代n a i ；再加上机械 改良，散射及偶然符合信号校正和光子飞行时间计算等技术，已使p e t 的整体分辨率 达到2 m m 左右，效率也有长足进步，实用性明显提高。 大多数p e t 使用放射性1 8 一f 一脱氧葡萄糖( 1 8 一f f d g ) 作为示踪剂，这种类型的 葡萄糖与普通葡萄糖化学性质相似，可在人体中产生有标记的代谢物，并且在人体中 存留时间较长，便于测量。正常脑组织、心肌组织、肾脏及膀胱组织由于高糖代谢的 需要因而对1 8 一f - f d g 摄取较多。其它一些组织如肝脏、肌肉和肠壁由于其糖代谢水 平低，则对1 8 一f f d g 的摄取量较少，显示出的1 8 一ff d g 活性水平也较低。其它用于 p e t 研究的示踪剂如1 5 0 一h 。0 可用来测量局部脑组织、心脏或肾脏的血流量， 1 8 一f d o p a 、1 8 - f u d r 可用于评价受体的部位、密度及活动水平等。1 8f f d gp e t 中 病人所接受的放射线剂量与c t 基本相似”。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3p e t 的技术特点 ( 1 ) 正电子发射同位素多为生物体内固有元素的的同位素，故可以极方便地用于人 体或标记生物活性物质，最大限度地发挥示踪剂原理的优势。从这个意义上讲，p e t 是真正活体生化显像、代谢显像、分子显像。 ( 2 ) 基于湮灭符合探测原理，p e t 的准直器要求简单，设计制作容易，而且可最大限 度利用同位素放出的射线，探测效率比s e c t 高数十倍。而且可以得到示踪剂三维分 布( 正常部位或病灶) 的定量结果。 ( 3 ) p e t 的深部响应好，其分辨率不受探测距离的影响，故其对深部结构的显示能力 和探测效率、信息准确度都大大优于s p e c t 。能够对一定体积的组织快速获得多达6 3 层面的断层影像，这是c t 、m r i 等其他影像方法所不能的。 ( 4 ) 新式p e t 装置可能于用获得全身断层影像，并可以任意用冠状面、横断面或矢 状面显示，这是单光子断层扫描所无法比拟的。 ( 5 ) p e t 整体分辨率高，利用成对v 光子的可靠性和抗干扰性高。 由于上述特点，在提供定量分析方面p e t 的优越性是不言而喻的。p e t 为生物医 学的基础研究和临床发展做出了突出贡献。 p e t 被广泛地用于人体最神秘领域的研究：脑组织能量代射、氧耗的空间分布； 中枢神经系统各种介质受体的活性：心肌和肝、胰的代谢等关键信息的探测与分析。 这些信息的获取，不仅对于生理、病理的研究、生命奥秘的探索有极大的意义， i 临床应用中在顽症诊断方面的价值也同样令人瞩目。例如颞叶癫痫的手术治疗美 国每年适台手术治疗的颞叶癫痫的患者约5 万人，真正接受治疗而痊愈者不过3 0 0 人， 关键就是在于难于准确定位。而p e t 可以准确提示癫痫病灶发作和休止期1 8 一f f d g 代射的显著差别，定位准确率接近1 0 0 ，如果p e t 普及，则对5 万癫痫病人的意义 将难以估量。再如心肌梗塞，灶内存活心肌的多少是治疗方案的重要影响因素之一， 1 8 一f f d c 的p e t 显像是确定心肌活性最敏感的方法。此外在a l z h e i m e r s 病的诊断， 以及多发梗塞性痴呆、p a r k i n s o n 病、舞蹈病、精神分裂症等神经疾病的鉴别诊断， 还有内分泌器官受体分布，特定物质的代射，脏器血流及氧耗等与身心健康密切相关 的信息探测方面，p e t 都有独到作用。 华中科技大学硕士学位论文 p e t 的诊断能力甚至可以深入到细胞器功能水平和分子水平，起到生物显微镜样 作用。 目前，影响p e t 普及化的因素主要是，正电子同位素几乎均使用加速器生产，半 衰期极短，能把生产、纯化、标记与显像配套成龙的单位不多。而且，一台好的p e t 加上一台生产同位素的小型加速器目前耗资3 5 0 万美元，运行费用也较为昂贵。此外， p e t 的临床使用，对核医学临床人员的素质要求也较高。因而，目前国内尚不具备大 规模向临床引进的条件。 p e t 虽然具有高水平的分辨率，但也有一些不足之处：其一，不稳定的同位素半 衰期短，必须在使用前数小时内在回旋加速器中产生。其二，p e t 扫描器结构极为复 杂，并且成本高，操作不方便“1 。 1 1 4p e t 主要临床应用 ( 1 ) p e t 在肿瘤诊断和治疗中的应用 绝大部分恶性肿瘤存在着对葡萄糖高代谢倾向，1 8 一f f d g 作为与葡萄糖结构相似 的放射性物质，静脉注射后会在恶性肿瘤聚丰收来。由于这一特性，p e t 显像能够分 辨恶性肿瘤与正常组织及良性病变。同时也可对复发的肿瘤与周围坏死及瘢痕组织加 以区分。在肿瘤化疗、放疗的早期( 第一周期结束或全疗程的中期) ，当形态学检查 尚未出现明显变化时，p e t 检查即可发现肿瘤代谢是否已经受到抑制，从而为确定进 一步治疗方案提供帮助。p e t 多用于肺癌、乳腺癌、肝癌、胰腺癌、结直肠癌、卵巢 癌、脑肿瘤、头颈部肿瘤、淋巴瘤等多种肿瘤的诊治中。 ( 2 ) p e t 在脑部疾病诊疗中的应用 p e t 在脑部疾病诊断和鉴别诊断中应用广泛。1 8 - f f d g 除可显示脑肿瘤病灶及放 疗、化疗后肿瘤残存或复发外，还可用于癫痫灶定位、老年性痴呆早期诊断与鉴别、 帕金森病病情评价以及脑梗塞后组织受损和存活情况的判断。 ( 3 ) p e t 在心脏疾病诊疗中的应用 1 8 一f f d g 可用于冠心病心肌梗塞及严重心肌缺血时心肌细胞是否存活的判断和 评价。1 3 一n 氨可通过静息及负荷显像观察有无心肌缺血或梗塞，并明确病变病部位、 华中科技大学硕士学位论文 范围及严重程度。p e t 还可准确地评价冠也、病搭桥手术或介入治疗的效果，对提高疗 效和远期预后有很大意义。 。 1 2 小型p e t 系统研究的意义 由于生物医学研究的特殊性，仍有大量不宜在人体上进行的研究工作。动物实验 在生物医学研究中占有非常重要的地位，许多研究工作需要首先在动物模型上来完 成，例如确定疾病的致病因素、观察疾病的发生与发展过程和验证药物疗效等。 传统的动物实验需要在注射药物后分批分时段的处死动物，然后利用放射自显影 等方法观察药物在组织和器官中的分布，分析组织和器官的功能状态变化过程等，进 行的是离体测量或有创的在体测量。所以，传统的动物实验在测量数据的时效性和正 确反映机体的生理、生化状态方面，具有很大的局限性。 p e t 正是可以克服传统方法的局限性，进行动物活体实验。 i 临床上使用的p e t 针对人体设计，图像的空间分辨率为4 5 毫米。而用于医学实 验的动物，如猴子、小鼠等，体积比人体小很多。显然，临床p e t 的空间分辨率不能 满足动物实验的要求。因此，必须设计空间分辨率更高的小型p e t ，以针对当前生物 医学发展的需要，便于将动物体上的p e t 实验。 小型p e t 在医学研究中具有重要作用，但是我国大陆还没有小型p e t ( 台湾地区 进口了1 台，但是性能并不理想) 。相比国外，仅日本就拥有4 0 余台小型p e t 。 从另一方面，虽然国外有小型p e t 的出售，但是从台湾地区进口的小型p e t 来看， 除了价格昂贵之外，技术上也还没有达到实际的商用水平，软硬件方面都需要进一步 的改进。 因此，从长远来看，我国必须自主掌握这项关键技术。无论从应用的角度还是从 技术发展的角度看，研制小型p e t 都是非常必要的。 1 3 小型p e t 的发展现状与趋势 高分辨率的小型p e t 的研究已有十多年历史。早期的小型p e t ，基本是为较大型 华中科技大学硕士学位论文 的实验动物，尤其是为非灵长类动物的脑显像而设计的。但随着鼠基因学的发展以及 人类疾病模型鼠的大量建立，价格低、易饲养的啮齿类动物成为实验动物的主体，小 型p e t 的研究也随之转向小动物。 第一台小动物专用的小型p e t r a t p e t 由英国m r cc y c l o t r o nu n i t 与美国c t i p e ts y s t e mi n c 联合研制。这一系统在标准临床p e t 技术基础上，将探测器环直径缩 小到11 5 m m ，以用于啮齿类动物显像，尽管分辨率无较大提高，但将小型p e t 的概念 变成了现实，并开展了一系列实验研究。 从2 0 世纪9 0 年代中期起，随着晶体材料、探测技术、计算机等的发展，许多研 究小组开始应用新的技术开发小动物专用的小型p e t 。 英国s h e r b r o o k e 大学研究小组首次应用固体光子探测器、雪崩光敏二极管来收 集晶体发出的闪烁光，以代替体积较大的光电倍增管( p m t ) “；w e b e rs 等研制的 t i e r p e t “”，应用含铈的钇铝钙钛矿晶体，采用可变距旋转探测器加上位置敏感的光 电倍增管( p s p m t ) ，其分辨率可达2 m m ，可根据动物大小调节探测器相对距离，以选 择最适合的分辨率和灵敏度。l s o 晶体由于其密度大，发光衰减快的优点，被许多研 究小组采用，其中u c l a 的m i c r o p e t 用光纤束连接l s o 晶体与多道p m t ，分辨率有了 较大提高“2 ”1 。h i d a c p e t ，运用多线均衡电离室技术( m w p c ) ，以及三维叠代重建法， 其重建图像分辨率可达0 7 m m “4 。”1 。 尽管小型p e t 的分辨率已经达到l r n m 或更高，但同时灵敏度下降，这对于短半衰 期同位素的p e t 显像不利。由于探测器环直径减小，部分体积效应和溢出会变得更为 明显。散射效应及边缘效应也不容忽视。进一步提高仪器性能，降低系统的复杂性与 造价，将有助于这一显像技术在生物医学、药物研制、尤其是基因研究与治疗方面的 应用。 目前世界上现有的小型p 日的性能参数分布如图卜4 、图卜5 所示“，图卜4 为 小型p e t 空间分辨率一灵敏度的分布图，图卜5 为小型p e t 晶体尺寸一光谱半波宽的分布 图。 华中科技大学硕士学位论文 喜3 e o v o l u m e t r i cs p a t i a lr e s o l u t i o n ( m m ) 图卜4 现有小型p e t 空间分辨率一灵敏度的分布图 02 345 c r y s t a ls i z e m 呻 图卜5 现有小型p e t 晶体尺寸一光谱半波宽的分布图 一1)=l、羊一。一一一=一z l i 旷 2 1 coo：一。西m芷乏工，一止 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究工作 本论文的主要研究工作是进行小型p e t 符合系统设计、符合系统与小型p e t 前后 端系统的数据传输接口设计，在此基础上研制出p e t 符合系统及其系统数据传输接口 硬件电路。 符合系统总体方案如图卜6 所示。 图卜6 符合系统总体方案图 1 4 1 符合系统与前端电子学电路之间的数据传输 小型p e t 探测器环共有1 6 个前端电子学电路，通过电缆将数据传输至符合系统。 为了减少由前段电子学电路到符合系统的传输电缆的数量，以及提高数据传输的抗干 扰性，本课题中采用了l v d s 信号( l o wv o lr a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ，低压差分信 号) 传输方式进行数据传输“，采用p e t 系统统一时钟下，保证数据传输的可靠性。 具体技术方案和技术实现请分别参见本文2 2 节和3 1 节。 1 4 2p e t 环状探测器数据符合功能 由于高能物理实验的电子学系统具有高精度和规模大的特点，可编程逻辑器件的 广泛应用往往会使电子学系统在获得高精度的同时，具有简单的系统结构。加之可编 华中科技大学硕士学位论文 程逻辑器件在抗粒子辐射方面具有良好的稳定性，因此，可编程逻辑器件技术被许多 大型高能物理实验所采用。 可编程逻辑器件，包括c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编 程逻辑器件) 和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) “”等。 使用可编程逻辑器件，不仅可以使设计的电子学系统集成度更高、电路更加小型化、 功耗降低和可靠性增强，而且其开发周期也更短、总体性价比提升。在使用可编程器 件的过程中，结合硬件描述语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，可以使 开发人员把更多的注意力放到电路功能的开发上，而且越来越多的可用 i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t yc o r e ) 使得像探测器数据获取这样的大型电子学系统的开 发更加可靠、方便和灵活。 p e t 符合系统的符合功能由f p g a 完成，f p g a 采集前端电子学电路系统输出的1 6 路数据以及3 2 路门控使能信号，并完成p e t 环状探测器的数据符合和门控使能符合 功能。 具体技术方案和技术实现请分别参见本文2 3 节和3 2 节。 1 4 3 符合系统与主控计算机之间的数据传输 由于小型p e t 探测器数量多，探测精度高，这样符合系统采集数据量也较人体p e t 大得多，另外考虑到放射源的辐射因素，小型p e t 在实际应用中需将系统主机部分与 控制系统进行隔离，这样就要求系统主机与控制系统之间能够实现抗辐射、高速远距 离的数据传输。 符合系统中设计实现了嵌入式以太网接口，基于t c p i p 协议与控制系统进行数据 通信。 具体技术方案和技术实现请分别参见本文2 4 节和3 3 节。 华中科技大学硕士学位论文 2p e t 符合系统的设计原理 2 1 小型p e t 整体系统结构 小型p e t 系统由探测器、前端电子学系统、符合系统、主控计算机和检查床组成。 2 1 1 探测器 主机中的探测器环主要负责探测正电子湮没时所产生的两个5 1 l k e v 的y 光子，并 将探测到的事例转换成电信号。为了得到足够清晰的图像，主要考虑以下几个关键常 数：空间分辨率、灵敏度、信噪比等。探测器主要由光转换器、光探测器和读出电路 组成。 2 1 2 前端电子学电路 将读出探测器所探测到的信号进行放大、时间甄别和能量甄别，并将探测到的信 号数字化，进行运算、查表等工作，最终输出数字化信号及相应门控使能信号。它主 要由前置放大器、主放大器、定时电路、门控积分电路以及a d 转换电路组成。 2 1 3 符合系统 基于湮灭符合探测技术原理，实现小型p e t 诊断模式下的探测器晶体条的脉冲能 量采集和晶体条编号的采集，以及正常模式的符合甄别算法等工作，并将处理后数据 传输至主控计算机。 2 1 4 主控计算机 实现功能包括：控制所有的硬件设备，采集和组织数据，执行各种误差校正，重 建断层图像，对图像进行处理和分析显示图像和有关信息。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 5 检查床 用于将被检测对象送入p e t 探测器环内的运动机构。 2 2 符合系统与前端电子学电路之间的数据传输 2 2 i 数据传输要求分析 符合系统接收3 2 块模拟板的门控信号和1 6 块a d 板输出的数据( 选用采样率为 4 0 m ，1 2 b i t a d c 芯片，f p g a 流水线数据处理方式) ，符合系统和a d 板分别进行诊断模 式和正常模式下数据采集。 诊断模式下，单块a d 板输出3 1 b i t 数据，包括a d 板对应探测器的7 b i t 的x 、7 b i t 的y 、8 b i t 晶体条编号、8 b i t 能量信息和i b i t 能量有效标志位，符合系统将这些信 息传输至主控计算机，用于评估探测器性能、判断模拟板放大倍数是否合适、获取 b l o c k 晶体块边界和判断能量阂值是否合适。 正常模式，单块a d 板输出9 b i t 数据，包括a d 板对应探测器的i b i t 能量判断和 8 b i t 晶体条编号，符合系统采集前端电子学的信号，进行正常模式的符合甄别。 2 2 2 数据传输方案设计 根据以上分析，a d 板的传输速率为4 0 m ，共有1 6 块a d 板，数据传输带宽大，且 符合系统连接线多，因此要求a d 板到符合系统之间的传输距离小，并要尽可能减少 接线线数量。目前主流高速数据传输方式有l v d s “、光纤介质转换“、u s b 协议3 和i e e e l 3 9 4 。“，各传输方式的性能比较如表2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1主流数据传输方式性能比较 l v d s 光纤 u s b 2 0i e e e l 3 9 4 点到点达8 0 0 m b s1 5 m b s 低速 10 0 2 0 0 4 0 0 m b p s 对于多点互连( 十 1 2 m b s ( u s b l 1 )( 1 9 9 5 版) 速度可达1 g 以上 块卡作为负载插入4 8 0 m b s ( u s b 2 0 )8 0 0 m b p s 1 6 g b p s 总线) 4 0 0 m b s ( p 1 3 9 4 b ) 设备 最大无限制无限制 1 2 76 3 个 数 u s b 设备与u s b h u b 问的连线长度 最大连线4 5 米， 传输不超过5 m ，u s b 系 至少2 0 m 4 0 k m大于4 5 米可采 距离统的级联不能超 用中继设备支持 过5 级3 0 m ( 包括 r o o th u b ) 。 成本低较高低高 电缆 双绞线平衡电缆 和接 ( 1 0 0 m ) 双绞线 插件并在外层力日屏蔽u s b 标准接口两对双绞线 光缆 的选接插件选择标准连 择 接器 为了减少仪器内部各电路板间连接线的数量，减小干扰，单块a d 板的并行数字信 号转化为l v d s 信号，即b l v d s ( b u sl o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ，总线低压 差分信号) ，通过非屏蔽差分双绞线，r j 一4 5 标准接插件引入至符合系统。符合系统与 4 华中科技大学硕士学位论文 前端电子学之间的数据传输示意图如图2 1 所示。 桥头】协 ：探头：睁 l v d s 信号数据传i 输j 前端电子学 系统 人 符台系统 门控使能信号 探舶2 陟 图2 1 符合系统与前端电子学之间的数据传输示意图 此部分工作的具体技术实现，请参见本文3 1 节。 2 3 符合系统的符合功能 2 3 1 符合功能分析 符合系统认为时间差小于8 1 2 n s 的两个脉冲来自一次湮灭事件，湮灭点就在发 生闪光的两个b g o 晶体小块之间的连线( 称作符合线) 上，符合系统的输出脉冲命令计 算机将这次事件按照符合线记录在存储器中。环形探测器上的每一块晶体与对面的 组晶体都有符合关系，形成一组扇形束的符合线，如图2 2 所示。扇形束的宽度决定 了p e t 的径向视野( f i e l d o f - v i e wf o v ) ，一般在环中心4 0 5 0 的范围内”。 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 小型p e t 环状探测器符合线 如果保持环的直径不变，晶体块数越多，投影采样密度就越大，断层图像的径向 空间分辨率则越好。小型p e t 的径向空间分辨率一般等于晶体块宽度的0 4 0 5 倍， 为4 8 m m 。当然，减小晶体的尺寸也能提高系统的轴向空间分辨率。由于采用湮灭符 合测量，小型p e t 的视野内空间分辨率的变化小于5 。 将多个探测器环叠合在一起可以增加小型p e t 的轴向视野。为了提高探测效率， 除了每层环内的直接符合之外，一般还允许在相邻的几层环之间进行交叉符合，这样 在倾斜平面里飞行的湮灭光子也能被利用。将交叉符合事件的计数加权求和，就能在 直接符合断层之间产生平行的附加断层图像。 2 3 2 方案设计 小型p e t 前端电子学输出数字信号经1 6 路l v d sd e s 芯片解串，每一路l v d sd e s 芯片输出l o b i t 数据和l bj t 数据有效位；同时输出3 2 位门控使能信号。这样需要f p g a 的普通1 0 数量至少为2 0 8 个。 与目前常用的单片机、d s p 、a r m 等处理器相比，f p g a 具有引脚多，高速度，并行 数据处理能力强等优势，适合作为小型p e t 符合系统电路多通道数据采集的核心器件。 华中科技大学硕士学位论文 f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部包括 可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u t b l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有： 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一嘲。目 前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、l a t t i c e 公司的e c e c p 系列、a l t e r a 公 司的f i e x 系列等。 s p a r t a n 3 系列器件是x i l i n x 推出的低成本的f p g a ，它可以提供以下特性使总体 系统成本保持最低。“。s p a r t a n 3 器件有如下特点： 1 ) 嵌入式1 8 x 1 8 乘法器支持高性能d s p 应用 2 ) 片上数字时钟管理( d c m ) ，无需外部时钟管理器件 3 ) 分布式的存储器和s r l l 6 移位寄存器逻辑能够更高效执行d s p 功能 4 ) 1 8 k b 块r a m ，可以甩做缓存或是高速缓存 5 ) 数字片上终端能够消除对多个外部电阻器的需求 6 ) 8 个独立的i o 阵列支持2 4 种不同的i o 标准 7 ) 成本与丰富性能的结合意味着s p a r t a n 3 能够以最高的性价比实现完整的系统 功能。 符合功能的逻辑与算法在f p g a 上的具体技术实现，请参见本文3 2 节。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 符合系统与主控计算机之间的数据传输 2 4 1 符合事件理论估算 ( 1 ) 核辐射事件的时间间隔分布。 核事件的时间间隔分布是很重要的一类问题。在放射性测量技术中有很多问题与 之有关。当核事件脉冲的平均速率不变时，相邻脉冲的时间间隔可大可小，我们可以 把这个时间间隔看作一个随机变数，用f 表示。 现在我们来讨论t 所服从的分布规律。两个相邻脉冲的时间间隔为f 的条件为： 在第一个脉冲发生后的f 时间内没有脉冲发生； 在随后的新时间内有一个脉冲发生。另一方面，核辐射事件服从泊松分布， 根据泊松分布公式，平均计数率为m 的脉冲在f 时间内出现脉冲数为n 的概率为： 肋) = 等e ( 2 1 ) m t 为时间t 内发生脉冲的平均数。在第一个脉冲发生后的t 时间内没有脉冲发生的 概率可表示为： p o ( 垆等e 一 ( 2 - 2 ) 在d t 时间内来的一个脉冲的概率为： 州妒华g 一西 ( 2 _ 3 ) 上式中，m d t _ 0 ，所以e ”“寸1 。( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 两个条件是相互独立的，按照 独立事件的概率乘法定理，可得到发生时间间隔为，的脉冲的概率d p ( t ) ： d p ( t 1 = m e ”d t ( 2 - 4 ) 时间问隔大于t 的核事件概率为： p ( f 丁) = f 卯( 归p “7 ( 2 5 ) ( 2 ) p e t 中正电子湮没事件的时间分布计数率的计算 放射源简化为点源，活度a = l m c i = 3 7 1 0 7 b q ( 次秒) ： 华中科技大学硕士学位论文 整个探测器对源所张立体角q a ( 3 2 x 3 2 2 ) ( 4 x x 8 0 2 ) = 4 1 ； 在q 范围内核事件的计数率为m = f 2 x a = 1 5 2 x 1 07 ； 符合时间为1 0 n s ，探测效率0 5 8 4 ( l s o 吸收厚度为1 1 4 r a m ) ； 时间间隔大于1 0 n s 的核事件概率为： p ( t _ 1 0 n s ) = r d p ( o = p 一”= p 一1 5 2 。1 0 7 。1 0 “= 8 6 ( 2 6 ) 这种事件是我们所希望的，他符合后的事例为8 6 x 3 4 1 = 2 9 3 ； 时间间隔小于1 0 n s 的核事件概率为1 4 ，这中事件会引起偶然符合( 简化为只 有两个事件同时发生) 。 则有以下几种情况a 事件和b 事件 测到。个归匕子( ( 1 一s ) 2 ) 斗 钡0 至0 1 个，彦匕子2 占( 1 一占) n n 2 个胱子2 斗 胁到。个，光子( ( 1 一s ) 2 ) b 钡。到1 个，光子2 占( 1 一s ) 【n n 2 + r y e y ：占2 阚到。个胱子( ( 1 一s ) 2 ) b 钡。至0 1 个，寸七子2 占( 1 一s ) ( 2 7 ) i 测到2 个力七子占2 f m , j o + r 光子( 0 一s ) 2 ) b 钡0 至0 1 个，口匕子2 ( 1 一) 1 测到2 个胱子占z 其中可排除的部分是探测到的y 光子数不为2 的组合，其概率为1 6 e 2 ( 1 一s ) 2 ； 同时探测到a ，b 事件各一个y 光子，这斋& 分将成为偶然符合事件，部分可排除， 其概率为4 c 2 0 一f ) 2 ； 还有只探测到a 或b 的两个v 光子，这部分事例是有效事例，其概率为2 占2 ( 1 一) 2 其中3 3 是两个事件各测到一个y 光子，这部分只能部分排除； 9 o 是同时探测到2 个以上y 光子或一个都没探测到，这可以排除，不会影响测 量 还有1 7 是只探测到了两个事例中的一个事例，这部分是可用的。 华中科技大学硕士学位论文 则一个b l o c k 探测到的事例数约为n 符台前= 2 m e 3 2z 5 5 x 1 0 5 ； 符合后事例为符合后= 2 m k 占2 + 0 - - e - r a t ) 5 s 2 ( 1 一占) 2 3 2 “3 2 1 0 5 ； 其中偶然符合有心然符告2 m x 4 s 2 ( 1 一s ) 2 0 - - e - m t ) 3 2 z0 3 2 1 0 5 ，偶然符合事例占有 效事例的i 0 。 2 4 2 方案设计 根据仪器设计指标要求，采用1 0 微居( 最大强度) 的放射源作为测试，经l o n s 时间间隔符合后有效事例需要达到0 3 2 m 事例s 的数据传输速度( 4 b y t e 事例) ，则 符合后事例占用带宽1 0 2 4 m b p s 。 由于辐射等因素，符合系统与主控计算机之间的数据传输距离为2 0 m 以上，并考 虑到传输抗干扰性的要求，符合系统与主控计算机之间的数据传输采用1 0 0 m b p s 以太 网数据传输方式。“。 因而，本课题中在主符合系统中，设计实现了一个嵌入式以太网接口，具体的技 术实现，请参见本文3 3 节。 华中科技大学硕士学位论文 3 小型p e t 符合系统的技术实现 小型p e t 由3 2 个探测器、3 2 块模拟板、1 6 块a d 板、符合系统组成。3 2 个探测 器的排列方式如图3 - 1 所示；系统结构如图3 2 所示。 图3 一l小型正电子断层扫描仪环状探测器 主控计算机 图3 - 2 小型p e t 结构简图 华中科技大学硕士学位论文 其中两个探测器组成一个m o d u l e ( m o d u l e 编号o 1 5 ) ：一个y o d u l e 对应2 块模 拟板( 模拟板编号0 3 1 ) ，每块模拟板输出1 路门控信号和4 路模拟信号：2 块模拟 板输出的8 路模拟信号输出至l 块a d 板( a d 板编号0 1 5 ) ：3 2 块模拟板输出的3 2 路门控信号和1 6 路a d 板输出数字信号输出至符合系统，符合系统实现正常模式和诊 断模式下的有效数据选择；符合系统和主控计算机实现数据传输，数据传输带宽需符 合根