一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统与方法

技术领域

本发明涉及数据分割领域，尤其涉及一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统与方法。

背景技术

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)技术是一种利用向生物体内部注入正电子同位素标记的化合物而在体外测量它们的空间分布和时间特性的三维成像无损检测技术，它是目前生物和医学研究以及临床诊断的核医学成像的最新发展。

在农学领域，近年来PET技术还被用于研究和观测植物的新陈代谢，研究植物的光合作用，研究水份和各种养份在植物体内的传输和分配；为更好研究植物的生理功能和机制，提高农作物的产量，食品保鲜和核污染检测等方面，提供了一条新的思路，受到了许多国家的研究人员的重视，正在发展成为一个新的研究热点。

目前常用的PET探测器主要采用晶体条组成的晶体阵列耦合光电转换器件的设计方式。当伽马光子入射到闪烁晶体时，伽马光子与晶体相互作用发生能量沉积并产生可见光信号，光电倍增管接收产生的光信号并将其转换成相应的电信号输出，根据获得的电信号可以计算出伽马光子的入射位置，定位光子事件发生能量沉积所在晶体条单元的位置直方图信息，从而得到湮灭事件响应线的位置。该信息由计算机进行重建组合运算，从而得到生物体内标记化合物的三维断层图像。数据采集系统的性能将直接影响PET的成像质量，晶体位置映射图的数据采集和信号处理过程与PET数据采集和图像重建不同；晶体位置映射图数据采集的算法研究是PET数据采集和图像重建的重要组成部分。以点源或泛源持续照射PET晶体阵列，对探测器及前端模拟电路输出的模拟信号进行采集和计算，完成模数转换、基线恢复、事件检测、堆积事件排除、位置逻辑等处理后，得到反映事件作用位置的晶体位置映射图。在实际的PET系统正常工作前，通过晶体位置映射图还可以生成一系列的晶体查找表，所以晶体位置谱的分割方法是PET图像重建过程中的事件位置信息的关键。

理想情况下,位置坐标和晶体条之间的对应关系为线性关系,也就是说,当按照晶体条尺寸大小成比例的划分位置坐标(x,y)的动态变化范围时,每个范围与一个晶体条所覆盖的坐标区域线性对应.然而在实际情况中,位置信息准确度由于受到探测器空间非线性响应、晶体条切槽深度等制作工艺存在一定的差异、晶体与光电倍增管的耦合方式、康普顿散射等因素以及分割算法的制约,这一对应关系总是呈现非线性特征。这些因素都会导致光子事件位置直方图信息发生桶形、蝶形、旋转、压缩和扩张等不规则的形变，若不做任何处理，数据获取过程中，在线处理无法判断晶体像素的行列坐标，直接导致图像分辨率下降，更为严重的会导致图像信息错误。

为确保对应关系的准确性,就必需建立位置表，设计一个效率、准确度高的位置映射分割算法来分割、校正位置谱，在位置谱中为晶体条和位置坐标(x,y)定义正确的对应关系就成为人们关注的焦点。为达到PET探测器对位置具有高分辨率的要求,这一对应关系就必须非常准确,于是如何分割出位置谱的算法就成为人们关注的焦点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统，其特征在于，包括探测器模块、数据发送模块、预处理模块、数据处理模块和禁忌搜索模块，其中，

探测器模块，包括晶体阵列模块、光电转换器模块和探测器电子学模块，用于捕获植物PET系统中正电子湮灭事件信息。

数据发送模块，包括封装模块和无线发送模块。用于打包数据并发送给后端。

预处理模块，包括无线接收模块和噪声处理模块，用于预处理探测器模块传输过来的信息。

数据处理模块，包括位置谱数据处理模块，用于获取位置谱数据的子集信息。

禁忌搜索模块，包括腐蚀模块、禁忌表模块和排序模块，用于对PET晶体位置谱数据进行分割。

作为本发明的进一步改进，所述探测器模块捕获的正电子湮灭事件信息通过数据发送模块封装成数据包。

作为本发明的进一步改进，所述无线发送模块采用IEEE802.11标准技术为基础与后端无线接收模块连接并进行数据发送。

作为本发明的进一步改进，所述噪声处理模块用于对数据进行降噪滤波处理。

作为本发明的进一步改进，所述禁忌表模块用于标记对应已搜索过的局部最优解的一些对象，并在进一步的迭代搜索中尽量避开这些对象。

一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割方法，其特征在于，包括步骤：

S1：探测发生在植物体内的正负电子湮灭所产生的伽马事件信息并转化为电信号；

S2：将探测器中的数据进行打包并发送

S3：接收S2中的数据包信息并进行预处理；

S4：获取S3中预处理完的数据中的位置谱子集个数；

S5：利用禁忌搜索技术对S4处理完的位置谱数据进行分割。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，PET探测器是植物PET系统中捕获正电子湮灭事件信息的探测装置，从结构上看，PET探测器模块包括晶体阵列模块、光电转换器模块、探测器电子学模块。其获取数据具体步骤为：

T11：晶体阵列模块把伽玛光子转换成可见光和软紫外光光子；

T12：光电转换器模块把光信号转化为模拟电信号；

T13：探测器电子学模块从模拟的电脉冲信号抽取事件的信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，封装模块将探测器模块获取的时间、能量和位置信息封装成数据包。无线发送模块采用IEEE802.11标准技术为基础与后端无线接收模块连接并进行数据发送。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，利用“腐蚀算法”获取位置谱信息的子集个数，判断该结构元素所覆盖范围内的值是否全部为0，其获取子集个数的步骤具体为：

T41：扫描位置谱中的每一个坐标值，扫描顺序为从左到右、从上到下，设置初始子集个数为0；

T42：在从左到右，从上到下的扫描过程中，遇到位置点1，则记录下当前位置点坐标(x，y)；

T43：如果坐标(x+1，y)、(x-1，y-1)、(x，y-1)、(x+1，y+1)上的点都为零，则不“腐蚀”当前点(x，y)，且子集个数加一，继续扫描下一个点(x+1，y)；

T44：如果坐标(x+1，y)、(x-1，y-1)、(x，y-1)、(x+1，y+1)上有一个或多个点为1，则“腐蚀”这些坐标上的点，使其为0，且子集个数加一，继续扫描下一个点(x+1，y)；

T45：重复步骤T43和T44，直到标记出N个位置集合。扫描完位置谱中的所有坐标值，得到位置谱信息的子集个数N。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中，利用“禁忌搜索”算法和排序法相结合对PET晶体位置谱数据进行分割，其分割的步骤具体为：

T51：给定算法参数，随机产生初始解，置禁忌表为空；

T52：判断算法收敛准则是否满足，如果满足，则结束搜索，输出优化结果，如果不满足，则进入下一步骤T53；

T53：由当前解产生邻域解，确定候选解；

T54：判断是否满足特赦准则，如果满足，将满足特赦原则的解作为当前解，其对应的对象替换最早进入禁忌表的对象，更新最优状态，然后重复步骤T52；如果不满足，则进入下一步骤T55；

T55：判断候选解禁忌属性，将非禁忌对象对应的最佳解作为当前解，并用该对象替换最早进入禁忌表的对象，然后重复步骤T52；

T56：重复T52步骤直到满足算法收敛准则，结束搜索，输出优化结果。

相较于现有技术，本发明提供的一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统与方法，利用禁忌表这种灵活的“记忆”技术，对已经进行的优化过程进行记录和排序，指导下一步的搜索方向，从而在组合优化邻域显示出强大的寻优能力并以其较高的求解质量和效率。该算法是一种实用有效的全局优化算法，与其他全局优化方法相比，它能产生较好的、接近最优解，并具有更好的收敛性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的一种植物PET位置谱分割的三级模块信号传递示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

请参图1所示，一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割系统，其包括探测器模块、数据发送模块、预处理模块、数据处理模块和禁忌搜索模块，其中，

探测器模块包括晶体阵列模块、光电转换器模块和探测器电子学模块；

数据发送模块包括封装模块和无线发送模块。用于打包数据并发送给后端。

预处理模块包括无线接收模块和噪声处理模块；

数据处理模块包括位置谱数据处理模块；

禁忌搜索模块，其中包括腐蚀模块、禁忌表模块和排序模块。

作为本发明的进一步改进，所述探测器模块用于获取发生在植物体内的正负电子湮灭所产生的伽马事件信息并转化为电信号，探测器模块包括晶体阵列模块、光电转换器模块和探测器电子学模块。其中，晶体阵列模块用于接收发生在植物体内的正负电子湮灭所产生的伽马射线并转换为一定数量的可见光光子，伽马射线入射到晶体阵列模块，发生电离和激发，原子退激发产生荧光光子，产生可见光光子的数量与射线光子的能量有关。光电转换器模块用于把光信号转化为模拟电信号，晶体阵列模块产生的光信号传输至光电转换器模块，光信号转换成电压或者电流脉冲信号，再通过电子学倍增放大，输出可被后端电路处理的信号大小。探测器电子学模块用于从模拟的电脉冲信号抽取事件的信息，其中包括脉冲处理模块和符合处理模块，脉冲处理模块用于提取单脉冲事件的信息，包括时间、能量和位置信息，符合处理模块按照单脉冲的信息将其归为成对的符合事件。

作为本发明的进一步改进，所述数据发送模块用于打包数据并发送给后端。数据发送模块包括封装模块和无线发送模块。封装模块将探测器模块获取的时间、能量和位置信息封装成数据包。无线发送模块用于将获取的数据包通过无线的方式发送到后端预处理模块上，无线发送模块采用IEEE802.11标准技术为基础与后端无线接收模块连接并进行数据发送。

作为本发明的进一步改进，所述预处理模块用于对探测器模块产生的电信号进行预处理，预处理模块包括无线接收模块和噪声处理模块。其中无线接收模块用于接收数据包信息并发送给噪声处理模块。噪声处理模块用于对无线接收模块产生的数据进行降噪滤波处理。

作为本发明的进一步改进，所述数据处理模块用于对预处理模块产生的数据进行处理，数据处理模块包括位置谱数据处理模块，位置谱数据处理模块用于对预处理模块产生的数据提取位置谱数据并获取位置谱数据的子集信息。

作为本发明的进一步改进，所述禁忌搜索模块用于对植物PET晶体位置谱数据进行分割，其中包括腐蚀模块、禁忌表模块和排序模块。腐蚀模块用于“腐蚀”位置谱特定坐标的点，使其为0，这些特定的点包括位置点为1的位置谱的子集。禁忌表模块用于标记对应已搜索过的局部最优解的一些对象，并在进一步的迭代搜索中尽量避开这些对象(而不是绝对禁止循环)，通过设置禁忌表来禁忌一些已经历的操作，并利用藐视准则来奖励一些优良状态，从而保证对不同的有效搜索途径的探索。排序模块用于对已经进行的优化过程进行记录和排序，指导下一步的搜索方向，从而在组合优化邻域显示出强大的寻优能力并以其较高的求解质量和效率。

一种面向植物PET的晶体位置谱数据分割方法，其包括以下步骤：

S1：探测发生在植物体内的正负电子湮灭所产生的伽马事件信息并转化为电信号；

S2：将探测器中的数据进行打包并发送

S3：接收S2中的数据包信息并进行预处理；

S4：获取S3中预处理完的数据中的位置谱子集个数；

S5：利用禁忌搜索技术对S4处理完的位置谱数据进行分割。

所述步骤S1中，PET探测器是PET系统中捕获正电子湮灭事件信息的探测装置，从结构上看，PET探测器模块包括晶体阵列模块、光电转换器模块、探测器电子学模块。其获取数据具体步骤为：

T11：晶体阵列模块把伽玛光子转换成可见光和软紫外光光子；

T12：光电转换器模块把光信号转化为模拟电信号；

T13：探测器电子学模块从模拟的电脉冲信号抽取事件的信息。

所述步骤S2中，封装模块将探测器模块获取的时间、能量和位置信息封装成数据包。无线发送模块采用IEEE802.11标准技术为基础与后端无线接收模块连接并进行数据发送

所述步骤S3中，预处理模块对S2中得到的数据包信息进行降噪滤波处理，去除噪声。

所属步骤S4中，利用“腐蚀算法”获取位置谱信息的子集个数，判断该结构元素所覆盖范围内的值是否全部为0，其获取子集个数的步骤具体为：

T41：扫描位置谱中的每一个坐标值，扫描顺序为从左到右、从上到下，设置初始子集个数为0；

T42：在从左到右，从上到下的扫描过程中，遇到位置点1，则记录下当前位置点坐标(x，y)；

T43：如果坐标(x+1，y)、(x-1，y-1)、(x，y-1)、(x+1，y+1)上的点都为零，则不“腐蚀”当前点(x，y)，且子集个数加一，继续扫描下一个点(x+1，y)；

T44：如果坐标(x+1，y)、(x-1，y-1)、(x，y-1)、(x+1，y+1)上有一个或多个点为1，则“腐蚀”这些坐标上的点，使其为0，且子集个数加一，继续扫描下一个点(x+1，y)；

T45：重复步骤T43和T44，直到标记出N个位置集合。扫描完位置谱中的所有坐标值，得到位置谱信息的子集个数N。

所述步骤S5中，利用“禁忌搜索”算法和排序法相结合对PET晶体位置谱数据进行分割，其分割的步骤具体为：

T51：给定算法参数，随机产生初始解，置禁忌表为空；

T52：判断算法收敛准则是否满足，如果满足，则结束搜索，输出优化结果，如果不满足，则进入下一步骤T53；

T53：由当前解产生邻域解，确定候选解；

T54：判断是否满足特赦准则，如果满足，将满足特赦原则的解作为当前解，其对应的对象替换最早进入禁忌表的对象，更新最优状态，然后重复步骤T52；如果不满足，则进入下一步骤T55；

T55：判断候选解禁忌属性，将非禁忌对象对应的最佳解作为当前解，并用该对象替换最早进入禁忌表的对象，然后重复步骤T52；

T56：重复T52步骤直到满足算法收敛准则，结束搜索，输出优化结果。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。