[发明专利]一种脉冲堆积事件实时处理方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种基于多电压阈值采样技术的脉冲堆积事件实时处理方法与系统。

背景技术

高能粒子探测领域以及正电子发射断层成像(PositronEmissionTomography，简称PET)等核医学成像领域需要完成伽马光子信息的探测，通常利用闪烁晶体将伽马光子转变成可见光光子，再用光电转换器件转换成闪烁脉冲电信号，最终经数据采集电路提取闪烁脉冲电信号所包含的对应伽马光子的信息。

计数性能是高能粒子探测器的基础性能指标之一，反映了系统在单位时间内能采集到的事件数量极限。在诸如高辐射通量宇宙射线探测以及短半衰期放射性示踪剂、动态扫描等高活度、高灵敏度要求的核医学成像应用中，将对高能粒子探测器的计数性能极限提出甚高要求。

而随着探测器的计数率升高，闪烁脉冲的堆积现象将越发严重，并成为影响探测器性能和计数极限的主要原因。脉冲堆积定义为：同一个探测通道在一个闪烁脉冲持续时间内探测到两个以上的伽马光子事件。脉冲堆积使得多个闪烁脉冲波形重叠，影响数据采集系统对每个闪烁脉冲信息的独立求取，将造成计数丢失、能量信息恶化和位置信息恶化等一系列问题，严重恶化高计数率下探测器的性能表现。

为解决高计数率下脉冲堆积引发的探测器性能恶化问题，研究人员提出了多种方法，如动态积分方法:对两个脉冲触发的时间间隔进行检测，若在一个积分时间内有第二个脉冲到来，则结束对第一个脉冲的积分，并通过脉冲模型对第一个脉冲未完成积分的部分进行估算，在第一个脉冲积分值上加上该估算值，并从第二个脉冲的积分值中减去该估算值，最终得到堆积两个脉冲的实际积分值，参见文献[1]。

文献[2]中提出的数字化单事件信息恢复(DigitalSingleEventReconstruction，简称DiSER)方法可看作对动态积分方法的改进，DiSER方法基于闪烁脉冲的模型进行堆积事件中单个脉冲的信息恢复，该脉冲模型由一个快速上升的上升沿和一个指数衰减的下降沿构成。DiSER方法通过对采样得到的一帧数字化脉冲波形求导，确定闪烁脉冲的个数和发生时刻的间隔，两个闪烁脉冲上升沿之间的采样点，被认为是前一个脉冲的下降沿并被用于重建其全部下降沿，在求取后一个闪烁脉冲的波形时将减去该下降沿，以恢复堆积事件中各个脉冲的真实波形。

另一种思路是将打入探测器的伽马光子看作一个冲激函数，而将探测器视作一个黑盒系统，并根据其构成具有特定的系统响应函数，将探测器输出到电子学的闪烁脉冲电信号视作冲激函数与系统响应函数进行卷积后的结果，考虑到噪声的存在，无法通过解析的方式求解出原脉冲，可引入迭代的方法从闪烁脉冲电信号中恢复出伽马光子的信息。由于将探测器视作一个整体系统考虑，该方法从工作原理上不受限于特定的脉冲形状，且由于恢复后的脉冲持续时间相当短，适用于超高计数率的探测器应用，参见文献[3]。

另一些研究工作针对脉冲堆积引起的基线漂移进行处理，如[4]中对堆积引起的基线漂移问题，采用了统计基线值的分布的方法:由于电路白噪声符合高斯分布而闪烁脉冲的拖尾符合泊松分布，同时考虑到即使在高活度下，无脉冲拖尾影响的点仍然为整个模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，简称ADC)采样波形中的绝大部分，即从基线值得统计分布上可以分辨出无脉冲基线构成的高斯峰，该高斯峰的均值即为当前的基线值，因此通过实时更新一个ADC采样波形中基线部分的基线库，并统计其幅值分布，可追踪当前基线值并反馈到脉冲采样端进行基线校正。

动态积分方法和DiSER方法在应用于位置敏感型的探测器时，将面临一个伽马光子事件所产生的多个同源闪烁脉冲信号的处理同步问题，如位置敏感型光电倍增管(PhotomultiplierTube，简称PMT)接收到伽马光子后将产生一组包含位置信息的角脉冲信号，且同组的角脉冲信号波形存在差异，采用上述方法很可能造成只有部分脉冲能够得到触发和后续处理，且由于各角脉冲信号独立触发，造成触发时刻不同步，恶化能量及位置信息的求取精度。此外，以上两种方法需要采集完成一定时长的数据帧后再进行数据回放来确定堆积脉冲的发生时刻，不能在探测器上进行堆积脉冲的实时处理。

利用探测器系统响应函数和迭代算法进行脉冲恢复的方法对数字化闪烁脉冲过程的采样率有较高要求，且迭代算法耗时较多，使得该方法在需要实时处理的探测器及系统上的实现存在困难。

基于脉冲基线值统计的脉冲堆积基线漂移处理方法的基线更新过程需要一定响应时间，只能减轻脉冲拖尾造成的基线漂移影响，无法在发生脉冲堆积时对脉冲进行实时的恢复处理。