一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法

技术领域

本发明涉及核辐射探测器技术领域，特别涉及一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法。

背景技术

典型的硅光电倍增管的温度补偿会使用温度传感器检测硅光电倍增管所处的环境温度变化，然后经模数转换电路、微控制器、数模转换电路、开关升压电路等，通过实时调节硅光电倍增管的偏置电压，从而稳定硅光电倍增管的增益。一般应用场景该方式对硅光电倍增管温度增益补偿是足够，但是在PET领域，在高活度采集数据高速传输处理，实时获取温度，判断温度，根据温度调整电压改变增益的过程会占用大量数据传递处理时间，PET系统处于等待的死时间，也会降低PET系统的灵敏度。

在采集过程对通过触发阈后，对经过积分的信号进行动态增益补偿，是一种方法，但是这种补偿只能降低过能窗之后带来的影响。由于温度产生变化过触发高阈的计数率也会产生较大波动，作为定时的低阈也会由于信号本身增益变化，对定时产生影响，从而影响PET的时间分辨。从PET结构原理上想要减少高活度下系统死时间的方式，要让触发的高阈近可能接近能量窗口下限，但不会高于能窗下限，这样可以尽量减少无效过阈的信号占用资源进行采样积分计算和后续分析处理过程。而温度波动产生的信号波动则可能会让部分有效事件被高阈拦截，也会放入更多的无效事件对增益。

针对以上情况，为了解决实时采温补偿占用系统资源，减少系统死时间，且要保持PET系统探测器硅光电倍增管在一些相对极端条件下也能保持增益稳定，计数率稳定，时间分辨稳定，需要一种非实时温度采集，通过预测偏压变化补偿硅光电倍增管增益的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法，包括：

S10、针对PET系统中每一单元探测器，FPGA基于单元探测器的工作状态确定是否需要对该单元探测器的偏压值进行修正；

S20、若所述单元探测器处于空闲状态，则FPGA获取用于调整该单元探测器的偏压值参数，以及基于偏压值参数和该单元探测器的工作温度随时间变化的曲线，获得偏压值与工作温度对应的增益补偿信息；

S30、所述FPGA基于所述增益补偿信息，在单元探测器的使用状态中对过程数据进行增益补偿，以获取修正的探测数据作为用于重建PET图像的原始数据。

可选地，所述S20包括：

S21、所述FPGA基于第一预设时间段获取单元探测器的工作温度与增益变化的第一曲线；

S22、所述FPGA基于第二预设时间段获取单元探测器增益随偏压变化的第二曲线；

S23、所述FPGA基于第三预设时间段获取单元探测器的工作温度随时间变化的第三曲线，并以近似线性拟合方式处理，获得结果；

S24、基于第一曲线、第二曲线、近似线性拟合处理的结果，获取用于让增益保持稳定的偏压随时间变化的信息，得到增益补偿信息；

所述第一预设时间段大于第二预设时间段，大于第三预设时间段，且第二预设时间段与第一预设时间段不同。

可选地，所述S21包括：

S211、借助于每一个单元探测器的温度传感器读取该单元探测器的工作温度；

S212、在放射桶放置在所有单元探测器中间位置时，在一个周期内记录单晶能谱在511KeV处产生的能量峰，得到每一个单晶条的工作温度与峰位变化点，

S213、调整单元探测器的工作温度，获取多个峰位变化信息并归一化处理，将单元探测器的所有单晶条的峰位平均值表征该单元探测器的峰位，得到该单元探测器的工作温度与增益变化的第一曲线；

第一曲线表示为：G

通过线性拟合方式得到系数a

可选地，所述S22包括：

在PET系统的探测器中间区域放置放射源，并固定单元探测器的工作温度，FPGA调整单元探测器的偏压值，对应每一偏压值，基于整数倍周期统计单举事件数据；

基于标准状态下增益和对应电压的信息，获取单举事件数据变化值与偏压压差关系的信息作为增益倍数差随偏压变化的第二曲线；

第二曲线表示为：ΔG＝a

通过线性拟合方式得到系数a

可选地，S23包括：

测量单元探测器的工作温度随时间变化的第三曲线；

第三曲线表示为：Temp

实时刻度保留5组记录值，每一组记录值包括：周期起始时刻t

近似线性拟合方式处理包括：t

T

每获得一个新值都按1/16与原值的15/16相加更新为当前值，剩余4组值T

即：当前值＝新值*1/16+旧值*15/16；

令：t＝t

a

a

可选地，实时刻度保留5组记录值包括：

使用离线分析的平均周期和平均温度极值方式或上一次刻度完成后留下的记录结果，确定起始周期上升时间T

FPGA在第一个周期范围(T

进行周期起始点矫正，t

可选地，所述S24包括：

若增益稳定在G

根据已知测试结果：G

Temp

G

则偏压与温度关系函数：

a

ΔV＝(a

a

可选地，所述S25包括：

ΔV中变量是温度Temp，基于公式(k3)的Temp所属第三曲线：

得到：

基于系数a

得到：

/>

t

ΔV

余数＝(t

余数≤T

余数＞T

可选地，所述S30包括：

所述FPGA基于所述增益补偿信息，在单元探测器的使用状态中基于增益补偿信息所属的偏压值调整该单元探测器的偏压，以在过能窗前修正，并依次通过能窗筛选、时间符合筛选，获取修正的探测数据作为用于重建PET图像的原始数据。

第二方面，本发明实施例提供一种探测装置，其包括：基于硅光倍增管的单元探测器和FPGA，所有的单元探测器电连接所述FPGA，所述FPGA执行上述第一方面任一所述的一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法。

第三方面，本发明实施例提供一种PET系统，其包括上述第二方面所述的探测装置。

(三)有益效果

本发明的方法在PET系统实时采集数据时，尽量少占用系统读取传输判断时间，能够根据温度变化，同步对硅光电倍增管进行增益补偿，从而保证PET系统灵敏度、稳定性，提高系统时间分辨。

本发明的方法不增加系统采温等待判断的系统等待死时间，不影响数据采集；闲时不断采集刻度温度变化周期函数参数，保证采集病人数据时能够在不采温的情况下准确预测出偏压随时间调整的函数模型；还保证了PET探测器在病人数据采集时的增益保持稳定。

此外，增益稳定是从模拟电路输出时进行补偿，保证了用于时间定时的低阈阈值相对稳定，提高了PET系统的时间分辨；

在使用状态下，可以尽量提高高阈，减少无效过高阈数据，保证了用于触发判断的高阈阈值相对稳定，在高活度条件下降低系统死时间，提高了PET系统的灵敏度。

附图说明

图1是预测温度实时补偿过程流程图；

图2是某位置探测器增益随温度变化的示意图；

图3是某位置探测器增益倍数差随压差变化的示意图；

图4是某位置探测器温度随时间变化的示意图；

图5是某位置探测器使用修正前后单举计数率随温度变化的示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明的方法属于核辐射探测器领域，用于正电子发射型计算机断层显像(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像器等的采用辐射透射或放射性药物的核医学成像器的辐射探测器一起应用，使用硅光电倍增管作为光电转化元器件的探测器。本发明的方法还可以应用于其他辐射成像模态，并且，可以应用于诸如天文学和机场行李筛查的采用辐射探测器的系统及方法中。

本实施例的方法可以PET系统为例进行说明。但不限定仅使用PET系统。

实施例一

如图1和图6所示，本发明实施例提供一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法，方法包括：

S10、针对PET系统中每一单元探测器，FPGA基于单元探测器的工作状态确定是否需要对该单元探测器的偏压值进行修正。

FPGA至空闲状态获取偏压值，在使用状态基于获取的最新偏压值进行获取探测数据的积分操作之前的修正。

S20、若所述单元探测器处于空闲状态，则FPGA获取用于调整该单元探测器的偏压值参数，以及基于偏压值参数和该单元探测器的工作温度随时间变化的曲线，获得偏压值与工作温度对应的增益补偿信息；

S30、FPGA基于所述增益补偿信息，在单元探测器的使用状态中对过程数据进行增益补偿，以获取修正的探测数据作为用于重建PET图像的原始数据。

上述方法在PET系统实时采集数据时，尽量少占用系统读取传输判断时间，能够预测温度变化，对硅光电倍增管进行增益补偿，从而保证PET系统灵敏度、稳定性，提高系统时间分辨。

为了更好的理解上述步骤S20中的根据增益获取模式获取增益补偿信息的增益补偿参数的过程，以下结合子步骤S21至S24进行详细说明。

S21、FPGA基于第一预设时间段获取单元探测器的工作温度与增益变化的第一曲线。

例如：S211、借助于每一个单元探测器的温度传感器读取该单元探测器的工作温度；

S212、在放射桶(如Ge桶)放置在所有单元探测器中间位置时，在一个周期内记录单晶能谱在511KeV处产生的能量峰，得到每一个单晶条的工作温度与峰位变化点，

S213、调整单元探测器的工作温度，获取多个峰位变化信息并归一化处理，将单元探测器的所有单晶峰位平均值表征该单元探测器的峰位，得到该单元探测器的工作温度与增益变化的第一曲线；

第一曲线表示为：G

通过线性拟合方式得到系数a

S22、FPGA基于第二预设时间段获取单元探测器增益随偏压变化的第二曲线；

S23、FPGA基于第三预设时间段获取单元探测器的工作温度随时间变化的第三曲线，并以近似线性拟合方式处理，获得结果；

S24、预测单元探测器的偏压值随时间变化的信息；

S25、基于第一曲线、第二曲线、近似线性拟合处理的结果，获取用于让增益保持稳定的偏压随时间变化的信息，得到增益补偿信息；

所述第一预设时间段大于第二预设时间段，大于第三预设时间段，且第二预设时间段与第一预设时间段不同。

本实施例中，FPGA可根据实际数据采集时间，判断温度应该处于上升还是下降，实时计算出偏压值并调整每个探测器的偏压，对温度影响光电倍增管的增益进行实时修正。能通过触发阈值的单举事件，对能量路正常进行积，再通过能窗筛选，再进行时间符合筛选，最后作为原始数据储存到电脑端即操作台，等待后续重建为PET图像。

实施例二

为更好的理解上述实施例一的方法，下面结合图1至图5对一种硅光倍增管偏压调节增益补偿方法进行详细说明。

具体实施中的PET系统采用水冷加风冷冷却系统，使用通过循环冷却水的水冷板贴近探测器上硅光电倍增管经行冷却，通过风冷对信号进行处理的电路板和FPGA进行冷却降温。

可理解的是，PET系统计算处理器分为两部分，前端FPGA和后端FPGA，即FPGA划分为前端FPGA和后端FPGA两部分组件。前端FPGA负责读取探测器传感器温度和探测器信号模拟数据，通过写入的参数还可以控制模数转换和控制读取探测器加载偏压。后端FPGA控制前端FPGA的采数以及参数写入，以及采数时前端FPGA传输过来的数据再加工和保存。

PET系统由几十到几百个单元探测器组成，每个单元探测器有独立的温度传感器和读取电路，有独立的控制加载偏压和读取偏压的电路。

如图1所示，首先要对PET系统中的每个探测器进行数据采集前的刻度。刻度则分为五部进行：

第一步是测量探测器工作温度与增益变化曲线。

第二步是测量探测器增益随偏压变化曲线。

第三步是测量系统上探测器工作温度随时间变化曲线。

第四步是实时刻度探测器工作温度随时间变化曲线。

第五步是预测偏压随时间变化公式。

第六步通过FPGA实现实时增益矫正。

为更好理解，下面对每一步进行详细说明。

第一步：测量探测器工作温度与增益变化曲线。

用来测试单元探测器的工作温度，一个单元探测器的光敏元件则一般是由几十到上百个硅光电倍增管阵列组成，每个硅光电倍增管可能对应1颗或者多颗闪烁体晶条。实际中每个探测器只有一个温度传感器，如果有多个温度传感器，可以采用多个温度传感器平均值表征该探测器工作温度，也可以根据温度传感器设置位置将一个探测器不同位置采用不同工作温度表征该探测器。

PET冷却系统为相对稳定周期温度变化，探测器受冷却系统影响，温度不能做到稳定不变，也会随时间周期性变化。测试增益时需要较长时间才能采到足够数据量统计得到能谱，所以为了减小温度对统计的影响，需要知道探测器工作温度变化周期长度，统计能谱时采集数据长度为温度变化周期的整数倍或者足够长的时间可以忽略温度变化影响，这组增益数据对应的温度就是一周期的平均温度。

测量探测器工作温度与增益变化曲线时PET系统不对硅光倍增管增益进行矫正补偿，测试时均匀Ge桶源居中摆放，Ge源通过正负电子湮灭放出一对能量为511KeV的光子，单晶能谱会有一个能量峰，该能峰位置对应道数为该温度下的增益，改变冷却系统使工作温度的均温变化，能谱峰值道数也会产生相应变化，道数变化对应了增益变化。通过人为控制改变探测器工作温度最后测量得到探测器对应峰位，对变化道数进行归一化，就可以得到该探测器的工作温度与增益变化点，如图2所示，增益G

第二步：测量探测器增益随偏压变化。

通过后端FPGA发命令给前端FPGA控制改变探测器的不同偏压，测量增益变化，保持温度固定均温，Ge桶源居中摆放，采集整数倍周期数据进行统计，随着偏压升高，探测器增益变大，增益与偏压关系是线性关系，以某点增益和对应电压作为标准值，可以得到增益倍数差与偏压压差关系曲线，仍为线性关系，如图3，ΔG＝a

第三步：测量温度随时间变化曲线。

通过高速采集PET系统的温度变化，通过离线分析确定温度变化周期范围和温度起伏范围，由于系统产热和散热基本固定，每个探测器的周期和范围也是基本固定，只会在很小区间产生测试误差，平均温度则会由于水温设置和环境温度差异会有变化。通过离线采集的温度随时间变化数据，如图2，可以分析得到的温度变化的平均周期和温度起伏的平均最大值和平均最小值。为在线实时刻度提供初始计算值。

第四步：实时刻度温度随时间变化函数。

通过离线数据分析上升曲线和下降曲线采用多项式拟合为最优，但是多项式拟合在在线实时刻度过程由于拟合系数较多，决定使用近似线性拟合，减小在线实时刻度实现难度。

Temp

Temp

通过实际离线误差计算比较，上升曲线的近似线性拟合与多项式拟合差异小于0.15℃，下降曲线的近似线性拟合和多项式拟合差异小于0.08℃。该温度差异下的增益差异可忽略。

在线实时刻度需要输入起始周期上升时间T

需要说明的是，刻度采温开始点是随机的，可能是上升过程也可能下降过程，采温一个周期数据只能拿到一对最高温和最低温，可以判断出周期开始位置，周期可以从最高温作为一个周期起始也可以以最低温位置起始。通过判断最高温和最低温先后顺序，判断是上升还是下降周期完整。如果是ΔT大于0，t1max作为起始时间，按后续逻辑计算，这个完整下降周期会被用于刻度计算，如果是ΔT小于0，这个完整上升周期的数据通过这个判断，也能被用于刻度计算。

进行周期起始点矫正，t

实时刻度值保留记录值一共5组，分别是周期起始时刻t

t

T

T

剩余4组值T

即：当前值＝新值*1/16+旧值*15/16。

根据最后记录的5组滚动值作为修正参数使用

根据温度与时间关系的近似线性公式：

Temp

另：t＝t

用5组值可以推算出上面近似线性公式系数a

a

b

a

b

第五步：计算探测器偏压随时间矫正函数和参数。

预期希望增益能够稳定在G

根据已知测试结果：

G

Temp

G

ΔG＝a

已知：ΔG＝G

可推出偏压与温度关系函数：

a

a

ΔV中变量是温度Temp，Temp则是分段函数分为Temp

Temp

可知：

公式中除t外系数都为已知值，根据实时刻度记录5组数据代入。

5组数据代入参数a

t

ΔV

余数＝(t

余数≤T

余数＞T

以上公式作为修正公式写入前端FPGA，在采集病人数据时使用。

第六步：通过FPGA实现实时增益矫正。

PET系统处于闲时，使用后端FPGA控制前端FPGA一直进行实时在线刻度，后端FPGA分析计算实时刻度，当控制软件界面对系统发出采数指令后，该滚动刻度计算停止，从后端FPGA把最后一组分析计算的刻度保留值共5组数值，t

前端FPGA根据实际数据采集时间，判断温度应该处于上升还是下降，实时计算出偏压值并调整每个探测器的偏压，对温度影响光电倍增管的增益进行实时修正。能通过触发阈值的单举事件，对能量路正常进行积，再通过能窗筛选，再进行时间符合筛选，最后作为原始数据储存到电脑端，等待后续重建为PET图像。

本实施例中，实时采数是否能正确修正增益，可以通过固定桶源计数率的变化比较，当不做实时修正时能看到单举过能窗数据由于温度变化导致增益变化，过能窗的计数率呈现一定规律性变化，当使用实时矫正后，计数率的差异大幅度下降。

本实施例的方法不增加系统采温等待判断的系统等待死时间，不影响数据采集；闲时不断采集刻度温度变化周期函数参数，保证采集病人数据时能够在不采温的情况下准确预测出偏压随时间调整的函数模型；还保证了PET探测器在病人数据采集时的增益保持稳定。

此外，本实施例的方式可以在使用状态下，可以尽量提高高阈，减少无效过高阈数据，保证了用于触发判断的高阈阈值相对稳定，在高活度条件下降低系统死时间，提高了PET系统的灵敏度。

也就是说，通常，高阈阈值本身是稳定的，但是由于信号波形大小由于温度影响，时大时小，所以虽然高阈阈值不变，但实际过阈计数率是随温度变化，高阈阈值相对变得不稳定。高阈越接近能窗下限值越好，但是由于波形信号会时大时小，相当于高阈有变化为了保证高阈阈值不超过能窗下限，需要多留出富余量，多让一些无效事件过阈，防止损失有效事件，后端通过积分后能窗能卡掉这些无效事件，但是消耗了系统传输计算资源增加系统死时间，由此，本实施例的方式可以在使用状态下，可以尽量提高高阈，减少无效过高阈数据，保证了用于触发判断的高阈阈值相对稳定。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。