一台便携式伽玛相机的数据采集系统设计

宋 健 漆玉金 赵翠兰

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（中国科学院研究生院 北京 100049）

高分辨的伽玛相机在疾病诊断、药物研发、放射性环境与安全监测等方面有广泛应用，它可用于二维平面显像[1]，也是构建单光子发射计算机断层(SPECT)和正电子发射断层(PET)成像系统的核心部件[2]。近年来，由于在肿瘤手术或放疗的影像导航及放射性安全成像检测等方面的应用需求，对开发便携式成像设备倍受关注。

为实现高分辨伽玛相机的小型模块化，成像探测器技术包括其信号读出电子学及数据采集都要进行较大的改进。传统伽玛相机的数据采集系统基于NIM电子学和CAMAC/VME或PCI等接口，成像系统的体积较大、不灵活、移动性较差，不适合便携移动。数字信号处理(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)技术的飞速发展，给高速小型化数据采集系统提供了更新更好的研发平台。DSP或FPGA技术具有高速、便携、高性能和低功耗的优点，更适合研究需求。国外很多高性能数据采集系统都是基于这两个平台进行开发的。

我们致力于研究新型的高分辨小型伽玛相机模块技术，已开发出基于局域重心法[3,4]定位的前端简化位置读出电路[5,6]模块及匹配的采集触发电路[7]模块，具备了开发便携移动式高分辨成像设备的技术基础。本文介绍一套高性能的数据采集系统，用于便携移动式高分辨伽玛相机成像，要求实现对伽玛相机图像数据的实时采集、处理、显示和存储等功能。

1 伽玛相机系统

该伽玛相机系统(图1)主要由阵列探测器、触发电路、数据采集模块和PC控制平台组成。其中，阵列探测器由 NaI(Tl)阵列晶体和 2×2阵列 H8500位置灵敏光电倍增管(PSPMT)组成，位置信号读出采用自制简化读出电路[8]，提供四路位置信号X+、X–、Y+、Y–，能量信号(即四路位置信号的和)通过一个全通滤波的触发电路[7]，在位置信号峰值处提供触发脉冲起动数据采集模块，数据采集模块对四路位置信号进行A/D变换，采集其峰值幅度。由PC控制平台操控数据采集模块，实现对伽玛相机图像数据的实时采集、处理、显示和存储等功能。

图1 高分辨小型伽玛相机的结构框图Fig.1 Schematics of the high-resolution compact gamma camera.

γ射线在探测器上的空间位置(x,y)根据重心法定位原理计算，得到X–、X+、Y–、Y+位置信号的峰值，即可求得其空间位置。对数据采集模块的基本要求是：须同时对四路位置信号进行A/D变换，同步采集其峰值大小，而无需读取完整波形。

2 采集系统的设计与实现

2.1 数据采集模块的设计

伽玛相机的数据采集系统主要包括数据采集模块和PC控制软件。其便携式要求数据采集模块尽可能的小型化，数据采集模块与PC控制平台间的数据传输则须采用通用的接口协议。

数据采集模块通常采用的“峰值探测—峰值保持—A/D变换”的工作方式，电路设计较复杂，系统的死时间较长，不利于高计数率下的数据获取。我们则采用“峰值触发—A/D变换”的工作方式，即通过一个特别设计的全通滤波触发电路[7]，在位置信号峰值处提供触发脉冲来起动A/D变换，对每个位置信号的峰值进行一次同步采样，既可简化数据采集模块，又可采用通用的 ADC卡，还能提高数据采集系统的采集效率。

目前，便携式数据采集系统与PC机的通讯方式主要有串/并口(如RS232)、网络接口(如以太网和WIFI等)以及USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口。RS232的传输速率不高，正逐渐被淘汰；基于网络接口的采集系统使用方便，主要用于远程和分布式的采集和控制系统中，成本较高；USB是成熟的通信协议，安装方便、即插即用、传输速度快、易于扩展、性价比高，是便携式测试和控制应用的理想选择。

目前，商用的USB数据获取技术已成熟稳定，可采用合适的 USB采集卡来完成数据采集模块的功能，保证其可靠性和抗干扰能力。我们选用美国Data Translation公司的DT9836 USB数据采集卡，其支持12路单端或6路差分同步采样，保持模拟输入，每路采样率为225 K Samples/s，精度为16位，支持 USB2.0协议，满足伽玛相机系统对数据采集模块的要求。但DT9836的输入阻抗为100 MΩ，此负载易造成前级位置读出电路的信号直流漂移，因此在DT9836的四个位置信号输入端分别对地并联1 MΩ电阻。

2.2 采集控制软件的设计

采集控制软件的主要功能是：按逐次事件方式操控数据获取，对待测γ射线同时采集四路位置信号，计算出入射 γ射线的位置(x,y)和能量信息，并记录相应的空间位置谱和能谱，并显示图像。则其总体结构可分为数据获取、数据处理和图像显示功能模块，设计框图见图 2。总体设计原则为：选用通用性强、可靠性高的软件开发平台，同时还兼顾程序的可移植性和开发速度；编程设计模块化，提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。

图2 软件系统结构框图Fig.2 Sketch diagram of the software platform.

我们采用LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)作为系统开发平台，它包括由NI(National Instrument，美国国家仪器公司)开发的图形化的编程语言和编译平台，内含丰富的数据采集、信号分析和控制子程序，编程简单直观，开发速度快，便于调试和维护。

图3为数据获取模块的工作流程，主要用于获取 ADC产生的数据。程序启动后，先设置触发方式和缓存区，ADC数据先保存在缓存中，缓存满后再次读取，进行处理。这样可提高处理程序的执行效率，能充分发挥采集模块的性能。

图3 数据获取模块流程图Fig.3 Flow chart of data acquisition model.

数据处理模块对读入数据进行过滤，用阈值比较法去除噪声影响较大的数据，以及信号幅度饱和失真的数据。探测器输出信号的噪声水平为十几毫伏，设置阈值将幅度低于100 mV的小信号滤除；饱和失真信号的数量多于其临近幅度的信号，在直方图上有明显的尖峰，设置阈值将幅度超过此阈值的数据滤除。根据位置计算公式x= (X+–X–)/(X++X–),y= (Y+–Y–)/(Y++Y–) 计算入射 γ射线在探测器上探测到的具体位置[9,10]，并根据预先设置的条件选择有效数据用于显示散点图和直方图。

图像显示模块主要用于显示伽玛相机的泛源图像及其统计信息。泛源图像是一个二维数组，数组元素i(x,y)的值对应着伽玛相机在位置(x,y)处的计数值。因此，程序在图像显示时，先构造一个空的二维数组，当一个位置数据(x,y)产生时，就将二维数组的相应元素加1即可。

为确保采集模块能达其最高采样率，减少系统死时间，我们采用多线程编程技术，以提高采集控制程序对采集模块的数据读取速度。程序采用“生产者—消费者”模型[11](图4)，即把数据的读取视为生产者，数据的处理视为消费者，分别置于两个独立的线程中，线程间通过队列缓存通信，便将程序须作迅速响应的部分和耗时部分分离开来，减少二者间的影响，使程序能在数据处理的同时进行数据获取，可大大提高程序的运行效率。另外，为减少内存消耗和泄漏，软件在图像显示过程中使用各种缓存重用结构，如移位寄存器、反馈节点等。

图4 程序模型Fig.4 Program model.

3 结果与讨论

3.1 测试条件

该数据采集系统在我们研发的高分辨伽玛相机上进行了联机测试。该相机采用美国 Saint-Gobain公司的 100 mm×100 mm×5 mm 的 NaI(TI)阵列晶体，晶格尺寸为1.2 mm×1.2 mm，晶格间填充的全反射层厚度为0.2 mm；光电倍增管为4个以阵列方式拼接的H8500 PSPMT(日本Hamamatsu公司)，每个PSPMT有64个阳极，整个探测器共有256路信号读出，通过自制的简化读出电路[10]，输出四路位置信号X+、X–、Y+、Y–，四路位置信号的求和信号通过一个全通滤波的触发电路[7]，在位置信号峰值处提供触发脉冲给数据采集系统。

测试选用 2.22 MBq(60 μCi)的57Co γ源，置于离探测器约1 m处，对探测器进行均匀照射，由探测器对面源的响应来检测其性能。四个H8500管分别进行了偏压测试，确定其工作高压分别为–850、–780、–790、–800V，以使每个H8500管处在相同的增益水平。

3.2 结果与讨论

测试结果表明，该数据采集系统工作稳定可靠，在“峰值触发—A/D变换”的数据采集工作方式下，很好地实现了对四路位置坐标信号的同步采集，并以事件方式(Event-by-event)记录数据，可同时在线显示位置测量谱、能谱及图像，测试结果见图 5。图 5(a)是测到的X+、X–、Y+、Y–位置坐标信号的原始谱。四路信号的直方图在尾部急剧翘起，是由于输入信号中存在相当数量的饱和失真数据，需用数据处理模块设置阈值参数将其滤除。图5(b)是由四路位置信号在线计算得到的γ射线测量位置(x,y)谱,与前端探测器的响应特点相符合，表明开发的数据采集系统能按设计要求正常工作。

图5 用57Co γ源测得的X–、X+、Y–和Y+原始谱(a)和计算处里后得到的入射γ射线(x,y)位置谱(b)Fig.5 Measured X–, X+, Y–, Y+ spectra of a57Co γ source (a) and calculated position (x,y) spectra of the incident γ-rays (b).

图6为测得的伽玛相机泛源响应图像。在每个H8500管的灵敏区内，各晶体像素都能较好分辨，但在各H8500管的边缘区和拼接处对晶体像素的分辨变差或失真，这是由伽玛相机自身响应及重心法定位的缺陷所造成的，与数据采集系统无关。

此外，用脉冲发生器对该数据采集系统测试了采集速率，测得其可承受的最高采样率可达200 K/s左右，而常规成像实验需要的数据采集速率基本在100 K/s以下，因此，该数据采集系统完全能满足成像实验的要求。

图6 测得的探测器泛源响应图像Fig.6 Measured raw flood image of the detectors.

4 结语

本文成功设计并实现了一套高性能的数据采集系统，可用于便携式的小型伽玛相机成像。该数据采集系统的设计是基于通用的USB接口，采用商用的小型USB数据采集卡来完成系统的硬件集成，并在 LabVIEW 平台上编写数据采集控制程序。实验测试结果表明，该数据采集系统不仅能很好地满足高分辨伽玛相机的成像要求，而且有很高的便携式移动方便性，达到了预期的要求。这种设计方法结合了USB和LabVIEW的优点，缩短了开发周期，且系统工作稳定可靠，可用于快速搭建实验系统。

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11 阮奇帧. 我和 LabVIEW. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009: 198–200 RUAN Qizhen. I and LabVIEW. Beijing: Beihang University Press, 2009: 198–200