PET成像中單事件列表式數據的時間同步方法研究*

付道俊 陳 忻 陳源寶

(1.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)(2.中科院上海技術物理研究所 上海 200083)

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PET成像中單事件列表式數據的時間同步方法研究*

付道俊1陳 忻2陳源寶1

(1.武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)(2.中科院上海技術物理研究所 上海 200083)

符合探測是PET成像的核心,其本質是對探測數據進行時間同步以甄別符合事件。目前無論是基于“與邏輯”還是基于“時間戳”的符合判斷,大多采用硬件電路實現時間同步,一定程度制約了系統的靈活性、擴展性和維護性。論文提出了一種基于單事件列表式數據的時間同步方法,通過計算數據集內單事件發生時間間隔的概率密度,設定初始迭代參數;運用迭代尋峰和分級時間窗確定各探測器的相對時間差異值;利用這些差異值對各探測器內單事件數據進行同步校正和符合甄別。實驗結果表明,該方法能夠有效、準確地完成單事件列表式數據的時間同步,潛在地將大大簡化系統硬件架構設計復雜度,提升系統的可重構性和可升級性。

時間同步; 單事件列表式數據; 正電子發射斷層掃描

Class Number TP391

1 引言

符合探測是PET成像的核心環節[1]。目前符合探測的實現方法主要有基于“與邏輯”和基于“時間戳”兩種[2～5]。與基于“與邏輯”方法相比,基于“時間戳”的方法因具有擴展性強、易于校正等優勢而得到廣泛使用[4～5]。對于這種基于“時間戳”的符合探測方法來說,時間同步是一個不容忽視的關鍵點。其精度和穩定性直接影響到系統級時間分辨率的優劣。優秀的符合時間分辨率有助于設置更窄的時間窗,剔除更多的隨機符合事件,減少統計誤差傳播效應,提高重建圖像的信噪比。

傳統PET通常將所有數據采集板連接到背板上,然后由背板上的時鐘分布網絡實現精確的時鐘同步。雖然該方法可以達到較小的時鐘歪斜和抖動,但是它往往和探測器結構以及硬件符合電路緊密結合,靈活性、維護性和升級性等都受到極大的制約[6～7]。近年來,隨著基于單事件列表式數據的軟件式符合探測方法在PET成像中的深入應用,國內外研究組相繼報道了多種時間同步方法[8～10]。全局時鐘法通過線纜將高精度時鐘參考源和同步信號傳送到各個數據采集板完成時間同步[9]。該方法由于采用線纜,時鐘同步信號不可避免地會受到延時、衰減以及噪聲干擾等影響,需進行定期的時間校正。同步以太網方法通過以太網傳輸媒介和使用精密時間協議,能夠得到一定時間精度的同步效果[10]。但這種方法對硬件有額外的要求,增加了系統設計成本。

本文提出了一種基于單事件列表式數據的軟時間同步方法,即:PET成像中各基本探測器模組工作在獨立局部時鐘源下,無全局時鐘參考源和硬件同步信號參與控制;計算采集到的單事件列表式數據集內單事件發生時間間隔的概率密度,設定初始迭代參數;運用迭代尋峰和分級時間窗法獲取各探測模組間的相對時間偏移值;利用這些時間偏移值進行同步校正,完成符合事件的甄別。

2 方法

2.1 統計規律

圖1 統計規律直方圖

PET成像的物理過程中,符合事件的統計特性規律呈高斯分布,而隨機事件的統計特性呈隨機均勻分布,如圖1所示。本文提出的軟時間同步方法正是利用這些統計規律,獲取各探測器模組間的相對時間偏移值,完成時間同步校正和符合甄別。

2.2 初始迭代參數選定

初始迭代參數是依據探測器模組采集到的數據集內單事件發生時間間隔的概率密度計算得出的。各探測模組所獲得單事件數據集內單事件發生時間間隔TIi的概率密度函數fi(x),可通過對這些單事件數據集進行后向差分,并對所獲取的差分數據進行統計分析獲得,如圖2所示。其中,i為探測模組編號,x為單事件發生時間間隔。

圖2 典型探測模組單事件發生時間間隔概率密度曲線

1) 初始迭代空間參數TRini

對各探測模組內單事件數據集進行歸并排序,在所得序列中查找第i號探測模組起始探測時間Ti對應的位置M,同時讀取序列中位置M-N對應的事件時間Tci,其中,N為連續出現源于同一探測模組的事件個數,N∈[1,M-1],通過如下公式計算Tci出現的概率:

其中,k為所得序列中位置1對應的探測模組編號,則迭代空間參數的初始值TRini可以通過如下公式確定:

TRini=Ti-Tci

其中,Tci為所得排序序列中位置M-N對應的事件時間。

2) 初始時間間隔參數ΔTini

讀取上述所得序列中位置1對應的事件時間Tk,第i號探測模組與第k號探測模組的起始探測時間差異的初始值ΔTini,可以由如下公式確定:

ΔTini=Ti-Tk+TRini/2i≠k
ΔTini=0i=k

3) 初始時間窗參數TWini

讀取上述序列中位置1對應的事件時間Tk,第i號探測模組與第k號探測模組的符合時間窗參數的初始值TWini,可以通過如下公式確定:

TWini=TRini/Li

其中,Li為各探測模組的時間窗系數因子,可以由如下公式確定:

其中,E(TIk)為第一個傳輸單事件數據的探測器模組k的事件發生時間間隔期望,E(TIi)為需要進行同步的探測器模組i的事件發生時間間隔期望,可以由如下公式確定:

2.3 粗時間符合

粗時間符合是獲取各探測器模組起始探測時間差異的粗略估計值ΔTcrs。具體的方法是:

1) 對各探測模組內單事件數據集進行同步校準和符合尋峰。其中,同步校準是指將各探測模組內單事件發生的時間按照各探測模組所計算得出的時間間隔參數進行調整;符合尋峰是指根據PET成像中事件的統計特性進行的,即符合事件的統計特性呈高斯分布,隨機事件的統計特性呈隨機均勻分布。

2) 根據上述獲取的符合結果,若能夠獲取符合事件統計直方圖的光峰,則停止迭代;否則,重新調整時間間隔參數ΔTini進行符合尋峰,重復上述步驟。

根據上述步驟獲取的符合事件統計直方圖(如圖3所示)的中心偏移量ΔToffset,設定探測模組起始探測時間差異的粗略估計值ΔTcrs。

圖3 粗時間符合事件統計直方圖

2.4 細時間符合

細時間符合是將獲取各探測模組起始探測時間差異的粗略估計值ΔTcrs,對各探測模組內單事件數據集進行同步校準和初始時間窗TWini下的符合尋峰:

1) 分析所獲取的符合事件統計直方圖(如圖4所示)的中心偏移值ΔTi,若其滿足精度指標要求,則停止迭代;否則,使用分級時間窗進行符合尋峰,重復上述步驟;

2) 對所獲取的中心偏移值ΔTi進行權重比累加,得到精細估計值ΔTfine,其中,i表示迭代次數。

圖4 細時間符合事件統計直方圖

3 實驗結果與分析

圖5(a)為采用文獻[9]所示的實驗裝置所獲得的時間分辨率。文獻所示實驗裝置采用全局時鐘和同步信號的方法對數據采集單元進行時間同步,對所獲得的數據集進行符合事件統計,獲得了1.89ns的符合時間分辨率,時間偏移為750ps。為便于對比,將文獻所示實驗裝置的全局時鐘和同步信號斷開,并且兩個探測器模組各自工作在獨立的局部時鐘源下,使用本文提出的方法對所獲得的數據集進行符合事件統計,獲得了1.89ns的符合時間分辨率,時間偏移為120ps。通過實驗結果可以得出,使用本文提出的時間同步方法可以獲得與使用全局時鐘板相當的符合時間分辨率性能,同時本文的方法可以將時間偏移值校正到接近零點,這在系統級時間分辨率的獲取過程中至為重要。

圖5 符合事件統計直方圖

4 結語

本文提出了一種應用于PET成像的單事件列表式數據的時間同步方法。該方法首先獲取各獨立工作探測模組的單事件列表式數據,計算各探測模組內單事件發生時間間隔的概率密度,設定初始迭代參數;然后使用迭代尋峰和分級時間窗尋峰確定各探測模組間的起始探測時間差異值;最后利用這些差異值對各探測模組內的單事件數據進行同步校正和符合甄別。使用本文提出的方法和使用全局時鐘的方法獲得的時間分辨率指標相當。實驗結果表明,本方法能夠有效、準確地完成單事件列表式數據的同步,同時潛在地將大大簡化系統架構設計的復雜度,增加系統的靈活性,擴展性和適應性。

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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,碩士,工程師,研究方向:艦船測控技術。陳忻,男,碩士,研究實習員,研究方向:數字信號處理算法。陳源寶,男,博士,工程師,研究方向:艦船電子信息。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.028