PET成像中单事件列表式数据的时间同步方法研究*

付道俊 陈 忻 陈源宝

(1.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)(2.中科院上海技术物理研究所 上海 200083)



PET成像中单事件列表式数据的时间同步方法研究*

付道俊1陈 忻2陈源宝1

(1.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)(2.中科院上海技术物理研究所 上海 200083)

符合探测是PET成像的核心,其本质是对探测数据进行时间同步以甄别符合事件。目前无论是基于“与逻辑”还是基于“时间戳”的符合判断,大多采用硬件电路实现时间同步,一定程度制约了系统的灵活性、扩展性和维护性。论文提出了一种基于单事件列表式数据的时间同步方法,通过计算数据集内单事件发生时间间隔的概率密度,设定初始迭代参数;运用迭代寻峰和分级时间窗确定各探测器的相对时间差异值;利用这些差异值对各探测器内单事件数据进行同步校正和符合甄别。实验结果表明,该方法能够有效、准确地完成单事件列表式数据的时间同步,潜在地将大大简化系统硬件架构设计复杂度,提升系统的可重构性和可升级性。

时间同步; 单事件列表式数据; 正电子发射断层扫描

Class Number TP391

1 引言

符合探测是PET成像的核心环节[1]。目前符合探测的实现方法主要有基于“与逻辑”和基于“时间戳”两种[2～5]。与基于“与逻辑”方法相比,基于“时间戳”的方法因具有扩展性强、易于校正等优势而得到广泛使用[4～5]。对于这种基于“时间戳”的符合探测方法来说,时间同步是一个不容忽视的关键点。其精度和稳定性直接影响到系统级时间分辨率的优劣。优秀的符合时间分辨率有助于设置更窄的时间窗,剔除更多的随机符合事件,减少统计误差传播效应,提高重建图像的信噪比。

传统PET通常将所有数据采集板连接到背板上,然后由背板上的时钟分布网络实现精确的时钟同步。虽然该方法可以达到较小的时钟歪斜和抖动,但是它往往和探测器结构以及硬件符合电路紧密结合,灵活性、维护性和升级性等都受到极大的制约[6～7]。近年来,随着基于单事件列表式数据的软件式符合探测方法在PET成像中的深入应用,国内外研究组相继报道了多种时间同步方法[8～10]。全局时钟法通过线缆将高精度时钟参考源和同步信号传送到各个数据采集板完成时间同步[9]。该方法由于采用线缆,时钟同步信号不可避免地会受到延时、衰减以及噪声干扰等影响,需进行定期的时间校正。同步以太网方法通过以太网传输媒介和使用精密时间协议,能够得到一定时间精度的同步效果[10]。但这种方法对硬件有额外的要求,增加了系统设计成本。

本文提出了一种基于单事件列表式数据的软时间同步方法,即:PET成像中各基本探测器模组工作在独立局部时钟源下,无全局时钟参考源和硬件同步信号参与控制;计算采集到的单事件列表式数据集内单事件发生时间间隔的概率密度,设定初始迭代参数;运用迭代寻峰和分级时间窗法获取各探测模组间的相对时间偏移值;利用这些时间偏移值进行同步校正,完成符合事件的甄别。

2 方法

2.1 统计规律

图1 统计规律直方图

PET成像的物理过程中,符合事件的统计特性规律呈高斯分布,而随机事件的统计特性呈随机均匀分布,如图1所示。本文提出的软时间同步方法正是利用这些统计规律,获取各探测器模组间的相对时间偏移值,完成时间同步校正和符合甄别。

2.2 初始迭代参数选定

初始迭代参数是依据探测器模组采集到的数据集内单事件发生时间间隔的概率密度计算得出的。各探测模组所获得单事件数据集内单事件发生时间间隔TIi的概率密度函数fi(x),可通过对这些单事件数据集进行后向差分,并对所获取的差分数据进行统计分析获得,如图2所示。其中,i为探测模组编号,x为单事件发生时间间隔。

图2 典型探测模组单事件发生时间间隔概率密度曲线

1) 初始迭代空间参数TRini

对各探测模组内单事件数据集进行归并排序,在所得序列中查找第i号探测模组起始探测时间Ti对应的位置M,同时读取序列中位置M-N对应的事件时间Tci,其中,N为连续出现源于同一探测模组的事件个数,N∈[1,M-1],通过如下公式计算Tci出现的概率:

其中,k为所得序列中位置1对应的探测模组编号,则迭代空间参数的初始值TRini可以通过如下公式确定:

TRini=Ti-Tci

其中,Tci为所得排序序列中位置M-N对应的事件时间。

2) 初始时间间隔参数ΔTini

读取上述所得序列中位置1对应的事件时间Tk,第i号探测模组与第k号探测模组的起始探测时间差异的初始值ΔTini,可以由如下公式确定:

ΔTini=Ti-Tk+TRini/2i≠k
ΔTini=0i=k

3) 初始时间窗参数TWini

读取上述序列中位置1对应的事件时间Tk,第i号探测模组与第k号探测模组的符合时间窗参数的初始值TWini,可以通过如下公式确定:

TWini=TRini/Li

其中,Li为各探测模组的时间窗系数因子,可以由如下公式确定:

其中,E(TIk)为第一个传输单事件数据的探测器模组k的事件发生时间间隔期望,E(TIi)为需要进行同步的探测器模组i的事件发生时间间隔期望,可以由如下公式确定:

2.3 粗时间符合

粗时间符合是获取各探测器模组起始探测时间差异的粗略估计值ΔTcrs。具体的方法是:

1) 对各探测模组内单事件数据集进行同步校准和符合寻峰。其中,同步校准是指将各探测模组内单事件发生的时间按照各探测模组所计算得出的时间间隔参数进行调整;符合寻峰是指根据PET成像中事件的统计特性进行的,即符合事件的统计特性呈高斯分布,随机事件的统计特性呈随机均匀分布。

2) 根据上述获取的符合结果,若能够获取符合事件统计直方图的光峰,则停止迭代;否则,重新调整时间间隔参数ΔTini进行符合寻峰,重复上述步骤。

根据上述步骤获取的符合事件统计直方图(如图3所示)的中心偏移量ΔToffset,设定探测模组起始探测时间差异的粗略估计值ΔTcrs。

图3 粗时间符合事件统计直方图

2.4 细时间符合

细时间符合是将获取各探测模组起始探测时间差异的粗略估计值ΔTcrs,对各探测模组内单事件数据集进行同步校准和初始时间窗TWini下的符合寻峰:

1) 分析所获取的符合事件统计直方图(如图4所示)的中心偏移值ΔTi,若其满足精度指标要求,则停止迭代;否则,使用分级时间窗进行符合寻峰,重复上述步骤;

2) 对所获取的中心偏移值ΔTi进行权重比累加,得到精细估计值ΔTfine,其中,i表示迭代次数。

图4 细时间符合事件统计直方图

3 实验结果与分析

图5(a)为采用文献[9]所示的实验装置所获得的时间分辨率。文献所示实验装置采用全局时钟和同步信号的方法对数据采集单元进行时间同步,对所获得的数据集进行符合事件统计,获得了1.89ns的符合时间分辨率,时间偏移为750ps。为便于对比,将文献所示实验装置的全局时钟和同步信号断开,并且两个探测器模组各自工作在独立的局部时钟源下,使用本文提出的方法对所获得的数据集进行符合事件统计,获得了1.89ns的符合时间分辨率,时间偏移为120ps。通过实验结果可以得出,使用本文提出的时间同步方法可以获得与使用全局时钟板相当的符合时间分辨率性能,同时本文的方法可以将时间偏移值校正到接近零点,这在系统级时间分辨率的获取过程中至为重要。

图5 符合事件统计直方图

4 结语

本文提出了一种应用于PET成像的单事件列表式数据的时间同步方法。该方法首先获取各独立工作探测模组的单事件列表式数据,计算各探测模组内单事件发生时间间隔的概率密度,设定初始迭代参数;然后使用迭代寻峰和分级时间窗寻峰确定各探测模组间的起始探测时间差异值;最后利用这些差异值对各探测模组内的单事件数据进行同步校正和符合甄别。使用本文提出的方法和使用全局时钟的方法获得的时间分辨率指标相当。实验结果表明,本方法能够有效、准确地完成单事件列表式数据的同步,同时潜在地将大大简化系统架构设计的复杂度,增加系统的灵活性,扩展性和适应性。

[1] Michael E. Phelps, PET Physics, Instrument, and Scanners[M]. New York: Springer,2006.

[2] Wang C; Li H; Ramirez RA; A real time coincidence system for high count-rate TOF or Non-TOF PET cameras using hybrid method combining AND-logic and time-mark technology[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.,2010,57:708-714.

[3] 李可,陈亚薇,单保慈,等.小动物PET装置的符合系统设计[J].核电子学与探测技术,2008,28(5):1012-1015.

[4] M.-A. Tetrault, J. Oliver, M. Bergeron, et al. Real Time coincidence detection engine for high count rate timestamp based PET[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci,2010,57(1):117-124.

[5] Fontaine R, Bélanger F, Viscogliosi N. The hardware and signal processing architecture of LabPETTM, a small animal APD based digital PET scanner. IEEE Trans. Nucl. Sci.,2009.

[6] D. Newport, H. Dent, M. Casey, et al. Coincidence detection and selection in positron emission tomography using VLSI[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.,1989,36(1):1052-1055.

[7] Y. Wang, H. Li, Y. Liu, et al. A modular low dead-time coincidence system for high-resolution PET cameras[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.,2003,50(5):1386-1391.

[8] D. P. McElroy, M. Hoose, W. Pimpl, et al. A true singles list-mode data acquisition system for a small animal PET scanner with independent crystal readout[J]. Phys. Med. Biol.,2005,50:3323-3335.

[9] Qingguo Xie, Yuanbao Chen, Jun Zhu, et al. Implementation of LYSO/PSPMT block detector with all digital DAQ system[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.,2013,60(3):1487-1494.

[10] Imrek J, Hegyesi G, Kalinka G, et al. Clock distribution and synchronization over 1000Base-T Ethernet[J]. IEEE Nuclear Science Symp. Conf.Rec. (NSS/MIC),2010:2726-2728.

Time Synchronization Method with Singles List-mode Data for PET Imaging

FU Daojun1CHEN Xin2CHEN Yuanbao1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064) (2. Shanghai Institute of Technical Physics of CAS, Shanghai 200083)

Coincidence detection is a key component of PET imaging. Essentially, it discriminates coincidence events by synchronizing each marked-time of the detected data. Nowadays, hardware circuits based on “AND-logic” or “time-stamp”, are mostly employed in data acquisition system to discriminate coincidence events. However, this may cause the degradation of system flexibility, expansibility and maintenance. In this paper, a time synchronization method based on singles list-mode data is proposed. Technologies of computing possibility density on singles arrival time interval, developing peak seeking iteration and classified timing window, as well as performing synchronization calibration and coincidence discrimination are employed to initiate iterative parameter, obtain timing offset value, and realize soft-synchronization, respectively. The experimental results show that this method can realize time synchronization based on singles list-mode data effectively and correctly. Moreover, it can also reduce hardware architecture design complexity, which will potentially enhance the system re-configurability and scalability.

time synchronization, singles event list-mode data, positron emission tomography(PET)

2014年10月7日,

2014年11月25日

付道俊,男,硕士,工程师,研究方向:舰船测控技术。陈忻,男,硕士,研究实习员,研究方向:数字信号处理算法。陈源宝,男,博士,工程师,研究方向:舰船电子信息。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.028