一臺便攜式伽瑪相機的數據采集系統設計

宋 健 漆玉金 趙翠蘭

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院研究生院 北京 100049）

高分辨的伽瑪相機在疾病診斷、藥物研發、放射性環境與安全監測等方面有廣泛應用，它可用于二維平面顯像[1]，也是構建單光子發射計算機斷層(SPECT)和正電子發射斷層(PET)成像系統的核心部件[2]。近年來，由于在腫瘤手術或放療的影像導航及放射性安全成像檢測等方面的應用需求，對開發便攜式成像設備倍受關注。

為實現高分辨伽瑪相機的小型模塊化，成像探測器技術包括其信號讀出電子學及數據采集都要進行較大的改進。傳統伽瑪相機的數據采集系統基于NIM電子學和CAMAC/VME或PCI等接口，成像系統的體積較大、不靈活、移動性較差，不適合便攜移動。數字信號處理(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)技術的飛速發展，給高速小型化數據采集系統提供了更新更好的研發平臺。DSP或FPGA技術具有高速、便攜、高性能和低功耗的優點，更適合研究需求。國外很多高性能數據采集系統都是基于這兩個平臺進行開發的。

我們致力于研究新型的高分辨小型伽瑪相機模塊技術，已開發出基于局域重心法[3,4]定位的前端簡化位置讀出電路[5,6]模塊及匹配的采集觸發電路[7]模塊，具備了開發便攜移動式高分辨成像設備的技術基礎。本文介紹一套高性能的數據采集系統，用于便攜移動式高分辨伽瑪相機成像，要求實現對伽瑪相機圖像數據的實時采集、處理、顯示和存儲等功能。

1 伽瑪相機系統

該伽瑪相機系統(圖1)主要由陣列探測器、觸發電路、數據采集模塊和PC控制平臺組成。其中，陣列探測器由 NaI(Tl)陣列晶體和 2×2陣列 H8500位置靈敏光電倍增管(PSPMT)組成，位置信號讀出采用自制簡化讀出電路[8]，提供四路位置信號X+、X–、Y+、Y–，能量信號(即四路位置信號的和)通過一個全通濾波的觸發電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發脈沖起動數據采集模塊，數據采集模塊對四路位置信號進行A/D變換，采集其峰值幅度。由PC控制平臺操控數據采集模塊，實現對伽瑪相機圖像數據的實時采集、處理、顯示和存儲等功能。

圖1 高分辨小型伽瑪相機的結構框圖Fig.1 Schematics of the high-resolution compact gamma camera.

γ射線在探測器上的空間位置(x,y)根據重心法定位原理計算，得到X–、X+、Y–、Y+位置信號的峰值，即可求得其空間位置。對數據采集模塊的基本要求是：須同時對四路位置信號進行A/D變換，同步采集其峰值大小，而無需讀取完整波形。

2 采集系統的設計與實現

2.1 數據采集模塊的設計

伽瑪相機的數據采集系統主要包括數據采集模塊和PC控制軟件。其便攜式要求數據采集模塊盡可能的小型化，數據采集模塊與PC控制平臺間的數據傳輸則須采用通用的接口協議。

數據采集模塊通常采用的“峰值探測—峰值保持—A/D變換”的工作方式，電路設計較復雜，系統的死時間較長，不利于高計數率下的數據獲取。我們則采用“峰值觸發—A/D變換”的工作方式，即通過一個特別設計的全通濾波觸發電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發脈沖來起動A/D變換，對每個位置信號的峰值進行一次同步采樣，既可簡化數據采集模塊，又可采用通用的 ADC卡，還能提高數據采集系統的采集效率。

目前，便攜式數據采集系統與PC機的通訊方式主要有串/并口(如RS232)、網絡接口(如以太網和WIFI等)以及USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)接口。RS232的傳輸速率不高，正逐漸被淘汰；基于網絡接口的采集系統使用方便，主要用于遠程和分布式的采集和控制系統中，成本較高；USB是成熟的通信協議，安裝方便、即插即用、傳輸速度快、易于擴展、性價比高，是便攜式測試和控制應用的理想選擇。

目前，商用的USB數據獲取技術已成熟穩定，可采用合適的 USB采集卡來完成數據采集模塊的功能，保證其可靠性和抗干擾能力。我們選用美國Data Translation公司的DT9836 USB數據采集卡，其支持12路單端或6路差分同步采樣，保持模擬輸入，每路采樣率為225 K Samples/s，精度為16位，支持 USB2.0協議，滿足伽瑪相機系統對數據采集模塊的要求。但DT9836的輸入阻抗為100 M?，此負載易造成前級位置讀出電路的信號直流漂移，因此在DT9836的四個位置信號輸入端分別對地并聯1 M?電阻。

2.2 采集控制軟件的設計

采集控制軟件的主要功能是：按逐次事件方式操控數據獲取，對待測γ射線同時采集四路位置信號，計算出入射 γ射線的位置(x,y)和能量信息，并記錄相應的空間位置譜和能譜，并顯示圖像。則其總體結構可分為數據獲取、數據處理和圖像顯示功能模塊，設計框圖見圖 2。總體設計原則為：選用通用性強、可靠性高的軟件開發平臺，同時還兼顧程序的可移植性和開發速度；編程設計模塊化，提高程序的執行速度，盡量減小占用系統的內存。

圖2 軟件系統結構框圖Fig.2 Sketch diagram of the software platform.

我們采用LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)作為系統開發平臺，它包括由NI(National Instrument，美國國家儀器公司)開發的圖形化的編程語言和編譯平臺，內含豐富的數據采集、信號分析和控制子程序，編程簡單直觀，開發速度快，便于調試和維護。

圖3為數據獲取模塊的工作流程，主要用于獲取 ADC產生的數據。程序啟動后，先設置觸發方式和緩存區，ADC數據先保存在緩存中，緩存滿后再次讀取，進行處理。這樣可提高處理程序的執行效率，能充分發揮采集模塊的性能。

圖3 數據獲取模塊流程圖Fig.3 Flow chart of data acquisition model.

數據處理模塊對讀入數據進行過濾，用閾值比較法去除噪聲影響較大的數據，以及信號幅度飽和失真的數據。探測器輸出信號的噪聲水平為十幾毫伏，設置閾值將幅度低于100 mV的小信號濾除；飽和失真信號的數量多于其臨近幅度的信號，在直方圖上有明顯的尖峰，設置閾值將幅度超過此閾值的數據濾除。根據位置計算公式x= (X+–X–)/(X++X–),y= (Y+–Y–)/(Y++Y–) 計算入射 γ射線在探測器上探測到的具體位置[9,10]，并根據預先設置的條件選擇有效數據用于顯示散點圖和直方圖。

圖像顯示模塊主要用于顯示伽瑪相機的泛源圖像及其統計信息。泛源圖像是一個二維數組，數組元素i(x,y)的值對應著伽瑪相機在位置(x,y)處的計數值。因此，程序在圖像顯示時，先構造一個空的二維數組，當一個位置數據(x,y)產生時，就將二維數組的相應元素加1即可。

為確保采集模塊能達其最高采樣率，減少系統死時間，我們采用多線程編程技術，以提高采集控制程序對采集模塊的數據讀取速度。程序采用“生產者—消費者”模型[11](圖4)，即把數據的讀取視為生產者，數據的處理視為消費者，分別置于兩個獨立的線程中，線程間通過隊列緩存通信，便將程序須作迅速響應的部分和耗時部分分離開來，減少二者間的影響，使程序能在數據處理的同時進行數據獲取，可大大提高程序的運行效率。另外，為減少內存消耗和泄漏，軟件在圖像顯示過程中使用各種緩存重用結構，如移位寄存器、反饋節點等。

圖4 程序模型Fig.4 Program model.

3 結果與討論

3.1 測試條件

該數據采集系統在我們研發的高分辨伽瑪相機上進行了聯機測試。該相機采用美國 Saint-Gobain公司的 100 mm×100 mm×5 mm 的 NaI(TI)陣列晶體，晶格尺寸為1.2 mm×1.2 mm，晶格間填充的全反射層厚度為0.2 mm；光電倍增管為4個以陣列方式拼接的H8500 PSPMT(日本Hamamatsu公司)，每個PSPMT有64個陽極，整個探測器共有256路信號讀出，通過自制的簡化讀出電路[10]，輸出四路位置信號X+、X–、Y+、Y–，四路位置信號的求和信號通過一個全通濾波的觸發電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發脈沖給數據采集系統。

測試選用 2.22 MBq(60 μCi)的57Co γ源，置于離探測器約1 m處，對探測器進行均勻照射，由探測器對面源的響應來檢測其性能。四個H8500管分別進行了偏壓測試，確定其工作高壓分別為–850、–780、–790、–800V，以使每個H8500管處在相同的增益水平。

3.2 結果與討論

測試結果表明，該數據采集系統工作穩定可靠，在“峰值觸發—A/D變換”的數據采集工作方式下，很好地實現了對四路位置坐標信號的同步采集，并以事件方式(Event-by-event)記錄數據，可同時在線顯示位置測量譜、能譜及圖像，測試結果見圖 5。圖 5(a)是測到的X+、X–、Y+、Y–位置坐標信號的原始譜。四路信號的直方圖在尾部急劇翹起，是由于輸入信號中存在相當數量的飽和失真數據，需用數據處理模塊設置閾值參數將其濾除。圖5(b)是由四路位置信號在線計算得到的γ射線測量位置(x,y)譜,與前端探測器的響應特點相符合，表明開發的數據采集系統能按設計要求正常工作。

圖5 用57Co γ源測得的X–、X+、Y–和Y+原始譜(a)和計算處里后得到的入射γ射線(x,y)位置譜(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).

圖6為測得的伽瑪相機泛源響應圖像。在每個H8500管的靈敏區內，各晶體像素都能較好分辨，但在各H8500管的邊緣區和拼接處對晶體像素的分辨變差或失真，這是由伽瑪相機自身響應及重心法定位的缺陷所造成的，與數據采集系統無關。

此外，用脈沖發生器對該數據采集系統測試了采集速率，測得其可承受的最高采樣率可達200 K/s左右，而常規成像實驗需要的數據采集速率基本在100 K/s以下，因此，該數據采集系統完全能滿足成像實驗的要求。

圖6 測得的探測器泛源響應圖像Fig.6 Measured raw flood image of the detectors.

4 結語

本文成功設計并實現了一套高性能的數據采集系統，可用于便攜式的小型伽瑪相機成像。該數據采集系統的設計是基于通用的USB接口，采用商用的小型USB數據采集卡來完成系統的硬件集成，并在 LabVIEW 平臺上編寫數據采集控制程序。實驗測試結果表明，該數據采集系統不僅能很好地滿足高分辨伽瑪相機的成像要求，而且有很高的便攜式移動方便性，達到了預期的要求。這種設計方法結合了USB和LabVIEW的優點，縮短了開發周期，且系統工作穩定可靠，可用于快速搭建實驗系統。

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