1、 第 45卷第 5期 原 子 能 科 學 技 術 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正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)中數(shù)字化多通道時間數(shù)字轉換研究王培林 1, 2, 3, 李道武 1, 2, 豐寶桐 1, 2, 帥 磊 1, 2, 孫蕓華 1, 2, 胡婷婷 1, 2,魏書軍 1, 2, 黃先超 1, 2, 廖燕飛 1, 2, 柴 培 1, 2, 贠明凱 1, 2, 章志明 1, 2, 魏 龍 1, 2(1. 中國科學院 高能物理研究

2、所 核分析技術重點實驗室 , 北京 100049;2. 北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心 , 北京 100049; 3. 中國科學院 研究生院 , 北京 100049摘要 :利用現(xiàn)場可編程門陣列 (F P G A 內部延遲鏈 , 對正電子發(fā)射斷層成像 (P E T 系 統(tǒng) 中 高 精 度 時 間 數(shù) 字轉換 (T D C 進行研究 。 采用粗時間和精細時間相結合的方式測量時間 , 粗時間利用時鐘計數(shù)器實現(xiàn) , 精細時間利用 F P G A 延遲鏈實現(xiàn) 。 測試時間測量的微分非線性和積分非線性 , 并在雙探頭 P E T 實驗平 臺上通過時間符合 , 對系統(tǒng)總體時間分辨進行測試 。 實驗

3、結果表明 , T D C 時間分辨達 79. 3p s , 微分非線 性為 -0. 2L S B /0. 2L S B , 積分非線 性 為 -0. 2L S B /0. 3L S B , 雙 探 頭 P E T 實 驗 系 統(tǒng) 總 體 時 間 分 辨 達 2. 1n s , 可滿足 P E T 系統(tǒng)對時間測量的要求 。關鍵詞 :正電子發(fā)射斷層成像 ; 時間數(shù)字轉換 ; F P G A中圖分類號 :T N 709 文獻標志碼 :A 文章編號 :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基金項目 :國家自然科學基金資助項目 (10905066 ; 中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目資助 (K J C X 2-E W -N 06作者簡介 :王培林 (1984 , 男 , 四川閬中人 , 博士研究生 , 物理學專業(yè)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 正電子發(fā)射斷層成像 (P E T 是一先進的核 醫(yī)學成像技術 1-2, 其 成 像 過 程 是 :將 帶 有 正 電 子放射性核素的藥物注入生物體內 , 正電子與 生物體內的電子發(fā)生湮滅反應產(chǎn)生一對反向的 光子 , 這對 光 子 被 環(huán) 繞 著 被 測 對 象 的 探 測 器 以符合計數(shù)的方式記錄并存儲下來 , 再通過圖 像 重 建 得 到 放 射 性 藥 物 在 生 物 體 內 的 分 布 圖 像 。 P E T 并不直接探測正電子 , 而是通過對湮 滅 光 子 對 的 探 測 來 獲 取 正 電 子 核 素 的 位 置 信 息 , 對光子到達的時間進行測量和判選

14、 , 選擇出 同一湮滅事例的兩個光子 , 即通過符合探測技 術進行成像 。 由此可見 , 精 確 時 間 測 量 技 術 在 P E T 中具有非常重要的作用 。高 精 度 時 間 數(shù) 字 轉 換 (T D C 主 要 有 A S I C 、 專 用 T D C 芯 片 和 現(xiàn) 場 可 編 程 門 陣 列 (F P G A 等幾 種 實 現(xiàn) 方 式 3-4。 由 于 研 發(fā) 成 本 和研發(fā)周期等原因 , 使得基于 A S I C 實現(xiàn) T D C 的方 案 受 到 很 大 限 制 , 而 專 用 T D C 芯 片 也 存 在使用 不 便 和 集 成 度 低 等 問 題 。 利 用 F P G

15、 A 進行時間測量是一較新的時間測量方法 , 在滿 足時間測量要求的同時 , 還可將時間測量邏輯 和 F P G A 內部其它信號處理邏輯無縫連接 , 降 低系統(tǒng)復雜性和成本 。 目前 , 利用 F P G A 實現(xiàn) 的 T D C , 其精 度 已 達 100p s 內 , 但 仍 處 于 研 究 階 段 , 尚 未 有 實 際 應 用 。 本 工 作 通 過 改 善 F P G A 內部 延遲鏈的性能 , 完成利用 F P G A 進 行高精度時間測量的實用化研究 , 并探討該方 案在實際 P E T 系統(tǒng)中應用的可行性 。1 時間測量原理及方案1. 1 P E T 系統(tǒng)中的時間測量P E

16、 T 系統(tǒng)的 時 間 符 合 是 從 時 間 上 挑 出 可 能屬于同一湮滅事例的兩個光子 , 因而須知一 段時間內被探測到的任意兩個相鄰事例的時間 差 。 通過設定一統(tǒng)一的時間起點 , 分別 測 量 每 個事例相對于這個時間起點的時間差 , 從而求 得任意兩個相鄰事例的時間差 。高精度的時間測量采用粗時間和精細時間 相結合的方式 , 粗時間決定時間測量的量程 , 精 細時間決定時間測量的粒度和精度 , 如圖 1所 示 。 通常選用高精度時鐘信號作為時間測量的 參考時鐘 , Ts t a r t為公共起始信號 , Ts t o p為光子定 時信號 , 光子定時信號的前沿代表事例發(fā)生的 時刻 ,

17、 兩信號時間差為 :T =T c +T f 1-T f 2其中 :Tc為 粗 時 間 ; Tf 1為 起 始 信 號 精 細 時 間 ; T f 2為光子 定 時 信 號 精 細 時 間 。 本 研 究 中 粗 時 間使用時鐘計數(shù)器測 得 , 精 細 時 間 利 用 F P G A 延遲鏈進行測量 。信號和定時信號的精細時間分別使用 1條延遲 鏈測量 , 在參考時鐘上升沿讀取延遲鏈的輸出 狀態(tài) , 經(jīng)過編碼可得到精細時間 , 再結合參考時 鐘驅動的計數(shù)器 , 即可測得精 確總時 間 。 時 間 測量的邏輯框圖如圖 2所示 。 為盡可能保持延 遲鏈的各單元延時均勻 , 減小時間測量的微分 非線性

18、 , 各延遲單元必須規(guī)整地排列在一直線 上 , 按順序首尾相連 , 且各單元之間的連線也應 完全一致 。圖 3 雙探頭實驗平臺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實驗設計了一多功能 的 插 件 板 , 主 要 包 括 A D C 、 F P G A 、 千 兆 網(wǎng) 絡 傳 輸 等 部 分 。 在 P E T 系統(tǒng)中 , 通過對事例的發(fā)生時間 、 位置以及能量 3種信息進行獲取 , 并分別進行時間符合 、 位置 符合 、 能量符合等處理 , 挑選出屬于同一湮滅事 例的兩個光子 , 利用這兩個光子的信息即可重 建圖像 。

19、實驗設計的插件板可同時處理 8個光 電倍增管輸出 的 32通 道 模 擬 信 號 和 對 應 的 8通道時間信號 。 其中 , A D C 用于對模擬信號進 行模擬數(shù)字變換 ; F P G A 用 于 所 有 信 號 的 邏 輯 處理 , 包括時 間 信 息 提 取 , A D C 輸 出 數(shù) 據(jù) 的 串 并轉換 、 信號基線減 除 、 數(shù)字積分 、 除法 運 算 以 及 對 信 號 的 能 量 和 位 置 信 息 進 行 判 斷 和 查 表 等 ; P H Y 用于實現(xiàn)千兆 網(wǎng) 絡 傳 輸 的 底 層 功 能 , 將 F P G A 處 理 的 結 果 傳 至 計 算 機 。 插 件 板 功

20、 能框圖如圖 4所示 。 =79. 3p s 。 在雙探頭 P E T 實驗平臺上 , 對正對的探測 器單元進行了時間符合測試 。 同一湮滅事例對 應的兩個光子 , 由于傳播路 徑 和 處 理 電 路 的 不 同 , 它們被探測 到 的 時 間 一 般 也 不 完 全 相 同 , 但其時間差將遵循一定的分布 。 圖 6b 所示為圖 6 時間分辨測試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 時 間 間 隔 分辨 測試 ;b 雙探頭 P E T 實 驗 平 臺 時間 符合測 試同一湮滅事例 產(chǎn) 生 的 兩 個 光 子 被 探 測 到

21、的 時 間差的 分 布 , 其 半 高 寬 即 為 系 統(tǒng) 總 體 時 間 分 辨 , 除 T D C 外 , 探 測 器 、 前 端 定 時 電 路 等 也 會 對 系 統(tǒng) 總 體 時 間 分 辨 產(chǎn) 生 影 響 。 分 別 使 用 0. 2、 0. 4、 0. 8n s 等 不 同 的 時 間 測 量 粒 度 , 測得雙 探 頭 P E T 實 驗 系 統(tǒng) 總 體 時 間 分 辨 為 2. 1n s 。4 結論本工 作 利 用 F P G A 內 部 延 遲 鏈 , 實 現(xiàn) 了 多 通 道 的 T D C , 通 過 對 延 遲 鏈 的 位 置 進 行 約 束 , 得到了較好的時間 測 量

22、 性 能 , T D C 時 間 分 辨 達 79. 3p s , 微 分 非 線 性 為 -0. 2L S B / 0. 2L S B , 積分非線性為 -0. 2L S B /0. 3L S B 。 在雙探頭 P E T 實驗平臺上進行了時 間 符 合 測 試 , 測試結果表明 , 本方案實現(xiàn)的 T D C 在性能 和精度上均能滿足 P E T 系統(tǒng)對時間 測 量 的 要 求 , 是一 種 實 用 、 高 精 度 、 低 成 本 的 時 間 測 量 方案 。參考文獻 :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