正电子发射断层成像系统中数字化多通道时间数字转换研究

1、 第 45卷第 5期 原 子 能 科 学 技 术 V o l . 45, N o . 5 2011年 5月 A t o m i c E n e r g y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y M a y 2011正电子发射断层成像系统中数字化多通道时间数字转换研究王培林 1, 2, 3, 李道武 1, 2, 丰宝桐 1, 2, 帅 磊 1, 2, 孙芸华 1, 2, 胡婷婷 1, 2,魏书军 1, 2, 黄先超 1, 2, 廖燕飞 1, 2, 柴 培 1, 2, 贠明凯 1, 2, 章志明 1, 2, 魏 龙 1, 2(1. 中国科学院 高能物理研究

2、所 核分析技术重点实验室 , 北京 100049;2. 北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 , 北京 100049; 3. 中国科学院 研究生院 , 北京 100049摘要 :利用现场可编程门阵列 (F P G A 内部延迟链 , 对正电子发射断层成像 (P E T 系 统 中 高 精 度 时 间 数 字转换 (T D C 进行研究 。 采用粗时间和精细时间相结合的方式测量时间 , 粗时间利用时钟计数器实现 , 精细时间利用 F P G A 延迟链实现 。 测试时间测量的微分非线性和积分非线性 , 并在双探头 P E T 实验平 台上通过时间符合 , 对系统总体时间分辨进行测试 。 实验

3、结果表明 , T D C 时间分辨达 79. 3p s , 微分非线 性为 -0. 2L S B /0. 2L S B , 积分非线 性 为 -0. 2L S B /0. 3L S B , 双 探 头 P E T 实 验 系 统 总 体 时 间 分 辨 达 2. 1n s , 可满足 P E T 系统对时间测量的要求 。关键词 :正电子发射断层成像 ; 时间数字转换 ; F P G A中图分类号 :T N 709 文献标志码 :A 文章编号 :1000-6931(2011 05-0637-04M u l t i -c h a n n e l D i g i t i z e d T i m e

4、-t o -D i g i t a l C o n v e r t e ro f P o s i t r o n E m i s s i o n T o m o g r a p h y S y s t e mWA N G P e i -l i n 1, 2, 3, L I D a o -w u 1, 2, F E N G B a o -t o n g 1, 2, S HU A I L e i 1, 2, S U N Y u n -h u a 1, 2, HU T i n g -t i n g 1, 2, W E I S h u -j u n 1, 2, HU A N G X i a n -c

5、h a o 1, 2, L I A O Y a n -f e i 1, 2,C HA I P e i 1, 2, Y U N M i n g -k a i 1, 2, Z HA N G Z h i -m i n g 1, 2, W E I L o n g 1, 2(1. K e y L a b o r a t o r y o f N u c l e a r A n a l y s i s T e c h n i q u e s , I n s t i t u t e o f H i g h E n e r g y P h y s i c s ,C h i n e s e A c a d e m

6、 y o f S c i e n c e s , B e i j i n g 100049, C h i n a ;2. B e i j i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f R a d i o g r a p h i c T e c h n i q u e s a n d E q u i p m e n t , B e i j i n g 100049, C h i n a ;3. G r a d u a t e U n i v e r s i t y o f C h i n e s e A c a d e m

7、 y o f S c i e n c e s , B e i j i n g 100049, C h i n a A b s t r a c t : H i g h p r e c i s i o n t i m e -t o -d i g i t a l c o n v e r t e r (T D C i n p o s i t r o n e m i s s i o n t o m o -g r a p h y (P E T s y s t e m w a s s t u d i e d w i t h t h e d e l a y c h a i n s i n f i e l d

8、-p r o g r a m m a b l e -g a t e -a r r a y (F P G A .T i m e m e a s u r e m e n t i n c l u d e s t w o p a r t s , c o a r s e t i m e m e a s u r e m e n t i m p l e m e n t e d b y a c l o c k -d r i v e n c o u n t e r , f i n e t i m e m e a s u r e m e n t b y d e l a y c h a i n s i n F P

9、G A. D i f f e r e n t i a l n o n l i n e a r i t y (D N L a n d i n t e g r a l n o n l i n e a r i t y (I N L w e r e t e s t e d ,收稿日期 :2011-01-10; 修回日期 :2011-02-15基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (10905066 ; 中国科学院知识创新工程重要方向项目资助 (K J C X 2-E W -N 06作者简介 :王培林 (1984 , 男 , 四川阆中人 , 博士研究生 , 物理学专业a n d a l s o , t

10、o t a l t i m e r e s o l u t i o n o f t h e d o u b l e -d e t e c t o r P E T e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m w a s m e a s u r e d b y t i m e c o i n c i d e n c e . T h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e t i m e r e s o l u t i o n o f T D C r e a c h e s 79. 3p s , a

11、n d t h e D N L i s b e t w e e n -0. 2L S B a n d 0. 2L S B , t h e I N L i s b e t w e e n -0. 2L S B a n d 0. 3L S B , t h e t o t a l t i m e r e s o l u t i o n o f t h e d o u b l e -d e t e c t o r P E T e x p e r i -m e n t a l p l a t f o r m r e a c h e s 2. 1n s . P e r f o r m a n c e o

12、f t h e T D C , i m p l e m e n t e d i n F P G A , c a n m e e t t h e d e m a n d o f t i m e m e a s u r e m e n t i n P E T s y s t e m.K e y w o r d s :p o s i t r o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y ; t i m e -t o -d i g i t a l c o n v e r t e r ; f i e l d -p r o g r a m m a b l e -g a t

13、 e -a r r a y 正电子发射断层成像 (P E T 是一先进的核 医学成像技术 1-2, 其 成 像 过 程 是 :将 带 有 正 电 子放射性核素的药物注入生物体内 , 正电子与 生物体内的电子发生湮灭反应产生一对反向的 光子 , 这对 光 子 被 环 绕 着 被 测 对 象 的 探 测 器 以符合计数的方式记录并存储下来 , 再通过图 像 重 建 得 到 放 射 性 药 物 在 生 物 体 内 的 分 布 图 像 。 P E T 并不直接探测正电子 , 而是通过对湮 灭 光 子 对 的 探 测 来 获 取 正 电 子 核 素 的 位 置 信 息 , 对光子到达的时间进行测量和判选

14、 , 选择出 同一湮灭事例的两个光子 , 即通过符合探测技 术进行成像 。 由此可见 , 精 确 时 间 测 量 技 术 在 P E T 中具有非常重要的作用 。高 精 度 时 间 数 字 转 换 (T D C 主 要 有 A S I C 、 专 用 T D C 芯 片 和 现 场 可 编 程 门 阵 列 (F P G A 等几 种 实 现 方 式 3-4。 由 于 研 发 成 本 和研发周期等原因 , 使得基于 A S I C 实现 T D C 的方 案 受 到 很 大 限 制 , 而 专 用 T D C 芯 片 也 存 在使用 不 便 和 集 成 度 低 等 问 题 。 利 用 F P G

15、 A 进行时间测量是一较新的时间测量方法 , 在满 足时间测量要求的同时 , 还可将时间测量逻辑 和 F P G A 内部其它信号处理逻辑无缝连接 , 降 低系统复杂性和成本 。 目前 , 利用 F P G A 实现 的 T D C , 其精 度 已 达 100p s 内 , 但 仍 处 于 研 究 阶 段 , 尚 未 有 实 际 应 用 。 本 工 作 通 过 改 善 F P G A 内部 延迟链的性能 , 完成利用 F P G A 进 行高精度时间测量的实用化研究 , 并探讨该方 案在实际 P E T 系统中应用的可行性 。1 时间测量原理及方案1. 1 P E T 系统中的时间测量P E

16、 T 系统的 时 间 符 合 是 从 时 间 上 挑 出 可 能属于同一湮灭事例的两个光子 , 因而须知一 段时间内被探测到的任意两个相邻事例的时间 差 。 通过设定一统一的时间起点 , 分别 测 量 每 个事例相对于这个时间起点的时间差 , 从而求 得任意两个相邻事例的时间差 。高精度的时间测量采用粗时间和精细时间 相结合的方式 , 粗时间决定时间测量的量程 , 精 细时间决定时间测量的粒度和精度 , 如图 1所 示 。 通常选用高精度时钟信号作为时间测量的 参考时钟 , Ts t a r t为公共起始信号 , Ts t o p为光子定 时信号 , 光子定时信号的前沿代表事例发生的 时刻 ,

17、 两信号时间差为 :T =T c +T f 1-T f 2其中 :Tc为 粗 时 间 ; Tf 1为 起 始 信 号 精 细 时 间 ; T f 2为光子 定 时 信 号 精 细 时 间 。 本 研 究 中 粗 时 间使用时钟计数器测 得 , 精 细 时 间 利 用 F P G A 延迟链进行测量 。信号和定时信号的精细时间分别使用 1条延迟 链测量 , 在参考时钟上升沿读取延迟链的输出 状态 , 经过编码可得到精细时间 , 再结合参考时 钟驱动的计数器 , 即可测得精 确总时 间 。 时 间 测量的逻辑框图如图 2所示 。 为尽可能保持延 迟链的各单元延时均匀 , 减小时间测量的微分 非线性

18、 , 各延迟单元必须规整地排列在一直线 上 , 按顺序首尾相连 , 且各单元之间的连线也应 完全一致 。图 3 双探头实验平台F i g . 3 P i c t u r e o f d o u b l e -d e t e c t o r实验设计了一多功能 的 插 件 板 , 主 要 包 括 A D C 、 F P G A 、 千 兆 网 络 传 输 等 部 分 。 在 P E T 系统中 , 通过对事例的发生时间 、 位置以及能量 3种信息进行获取 , 并分别进行时间符合 、 位置 符合 、 能量符合等处理 , 挑选出属于同一湮灭事 例的两个光子 , 利用这两个光子的信息即可重 建图像 。

19、实验设计的插件板可同时处理 8个光 电倍增管输出 的 32通 道 模 拟 信 号 和 对 应 的 8通道时间信号 。 其中 , A D C 用于对模拟信号进 行模拟数字变换 ; F P G A 用 于 所 有 信 号 的 逻 辑 处理 , 包括时 间 信 息 提 取 , A D C 输 出 数 据 的 串 并转换 、 信号基线减 除 、 数字积分 、 除法 运 算 以 及 对 信 号 的 能 量 和 位 置 信 息 进 行 判 断 和 查 表 等 ; P H Y 用于实现千兆 网 络 传 输 的 底 层 功 能 , 将 F P G A 处 理 的 结 果 传 至 计 算 机 。 插 件 板 功

20、 能框图如图 4所示 。 =79. 3p s 。 在双探头 P E T 实验平台上 , 对正对的探测 器单元进行了时间符合测试 。 同一湮灭事例对 应的两个光子 , 由于传播路 径 和 处 理 电 路 的 不 同 , 它们被探测 到 的 时 间 一 般 也 不 完 全 相 同 , 但其时间差将遵循一定的分布 。 图 6b 所示为图 6 时间分辨测试F i g . 6 T i m e r e s o l u t i o n t e s ta T D C 时 间 间 隔 分辨 测试 ;b 双探头 P E T 实 验 平 台 时间 符合测 试同一湮灭事例 产 生 的 两 个 光 子 被 探 测 到

21、的 时 间差的 分 布 , 其 半 高 宽 即 为 系 统 总 体 时 间 分 辨 , 除 T D C 外 , 探 测 器 、 前 端 定 时 电 路 等 也 会 对 系 统 总 体 时 间 分 辨 产 生 影 响 。 分 别 使 用 0. 2、 0. 4、 0. 8n s 等 不 同 的 时 间 测 量 粒 度 , 测得双 探 头 P E T 实 验 系 统 总 体 时 间 分 辨 为 2. 1n s 。4 结论本工 作 利 用 F P G A 内 部 延 迟 链 , 实 现 了 多 通 道 的 T D C , 通 过 对 延 迟 链 的 位 置 进 行 约 束 , 得到了较好的时间 测 量

22、 性 能 , T D C 时 间 分 辨 达 79. 3p s , 微 分 非 线 性 为 -0. 2L S B / 0. 2L S B , 积分非线性为 -0. 2L S B /0. 3L S B 。 在双探头 P E T 实验平台上进行了时 间 符 合 测 试 , 测试结果表明 , 本方案实现的 T D C 在性能 和精度上均能满足 P E T 系统对时间 测 量 的 要 求 , 是一 种 实 用 、 高 精 度 、 低 成 本 的 时 间 测 量 方案 。参考文献 :1 R AM I R E Z R A , S O O N S E O K K , Z HA N G Y X , e t a

23、 l .U l t r a h i g h -r e s o l u t i o n L (Y S O d e t e c t o r s u s i n g P M T -q u a d r a n t -s h a r i n g f o r h u m a n &a n i -m a l P E T c a m e r a s J . N u c l e a r S c i e n c e S y m p o s i -u m C o n f e r e n c e R e c o r d , 2006, 3:1 865-1 869. 2 Z HA N G Y X , WO N G W H. P E T r e s o l u t i o n a n d i m a g e q u a l i t y o p t i m i z a t i o n s t u d y f o r d i f f e r e n t d e -t e c t o r b l o c k g e o m e t r i e s a n d D O