一臺便攜式伽瑪相機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)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(fā)、放射性環(huán)境與安全監(jiān)測等方面有廣泛應用，它可用于二維平面顯像[1]，也是構(gòu)建單光子發(fā)射計算機斷層(SPECT)和正電子發(fā)射斷層(PET)成像系統(tǒng)的核心部件[2]。近年來，由于在腫瘤手術(shù)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(fā)便攜式成像設(shè)備倍受關(guān)注。

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

我們致力于研究新型的高分辨小型伽瑪相機模塊技術(shù)，已開發(fā)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(fā)電路[7]模塊，具備了開發(fā)便攜移動式高分辨成像設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)。本文介紹一套高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于便攜移動式高分辨伽瑪相機成像，要求實現(xiàn)對伽瑪相機圖像數(shù)據(jù)的實時采集、處理、顯示和存儲等功能。

1 伽瑪相機系統(tǒng)

該伽瑪相機系統(tǒng)(圖1)主要由陣列探測器、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)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(fā)電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發(fā)脈沖起動數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)對伽瑪相機圖像數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

伽瑪相機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊和PC控制軟件。其便攜式要求數(shù)據(jù)采集模塊盡可能的小型化，數(shù)據(jù)采集模塊與PC控制平臺間的數(shù)據(jù)傳輸則須采用通用的接口協(xié)議。

數(shù)據(jù)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(shè)計較復雜，系統(tǒng)的死時間較長，不利于高計數(shù)率下的數(shù)據(jù)獲取。我們則采用“峰值觸發(fā)—A/D變換”的工作方式，即通過一個特別設(shè)計的全通濾波觸發(fā)電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發(fā)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(shù)據(jù)采集模塊，又可采用通用的 ADC卡，還能提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集效率。

目前，便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC機的通訊方式主要有串/并口(如RS232)、網(wǎng)絡(luò)接口(如以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)接口的采集系統(tǒng)使用方便，主要用于遠程和分布式的采集和控制系統(tǒng)中，成本較高；USB是成熟的通信協(xié)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(shù)據(jù)獲取技術(shù)已成熟穩(wěn)定，可采用合適的 USB采集卡來完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xié)議，滿足伽瑪相機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)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(lián)1 M?電阻。

2.2 采集控制軟件的設(shè)計

采集控制軟件的主要功能是：按逐次事件方式操控數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和圖像顯示功能模塊，設(shè)計框圖見圖 2。總體設(shè)計原則為：選用通用性強、可靠性高的軟件開發(fā)平臺，同時還兼顧程序的可移植性和開發(fā)速度；編程設(shè)計模塊化，提高程序的執(zhí)行速度，盡量減小占用系統(tǒng)的內(nèi)存。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)開發(fā)平臺，它包括由NI(National Instrument，美國國家儀器公司)開發(fā)的圖形化的編程語言和編譯平臺，內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、信號分析和控制子程序，編程簡單直觀，開發(fā)速度快，便于調(diào)試和維護。

圖3為數(shù)據(jù)獲取模塊的工作流程，主要用于獲取 ADC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。程序啟動后，先設(shè)置觸發(fā)方式和緩存區(qū)，ADC數(shù)據(jù)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(zhí)行效率，能充分發(fā)揮采集模塊的性能。

圖3 數(shù)據(jù)獲取模塊流程圖Fig.3 Flow chart of data acquisition model.

數(shù)據(jù)處理模塊對讀入數(shù)據(jù)進行過濾，用閾值比較法去除噪聲影響較大的數(shù)據(jù)，以及信號幅度飽和失真的數(shù)據(jù)。探測器輸出信號的噪聲水平為十幾毫伏，設(shè)置閾值將幅度低于100 mV的小信號濾除；飽和失真信號的數(shù)量多于其臨近幅度的信號，在直方圖上有明顯的尖峰，設(shè)置閾值將幅度超過此閾值的數(shù)據(jù)濾除。根據(jù)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(jù)預先設(shè)置的條件選擇有效數(shù)據(jù)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(tǒng)計信息。泛源圖像是一個二維數(shù)組，數(shù)組元素i(x,y)的值對應著伽瑪相機在位置(x,y)處的計數(shù)值。因此，程序在圖像顯示時，先構(gòu)造一個空的二維數(shù)組，當一個位置數(shù)據(jù)(x,y)產(chǎn)生時，就將二維數(shù)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(tǒng)死時間，我們采用多線程編程技術(shù)，以提高采集控制程序?qū)Σ杉K的數(shù)據(jù)讀取速度。程序采用“生產(chǎn)者—消費者”模型[11](圖4)，即把數(shù)據(jù)的讀取視為生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理的同時進行數(shù)據(jù)獲取，可大大提高程序的運行效率。另外，為減少內(nèi)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(jié)構(gòu)，如移位寄存器、反饋節(jié)點等。

圖4 程序模型Fig.4 Program model.

3 結(jié)果與討論

3.1 測試條件

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在我們研發(fā)的高分辨伽瑪相機上進行了聯(lián)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(fā)電路[7]，在位置信號峰值處提供觸發(fā)脈沖給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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(jié)果與討論

測試結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在“峰值觸發(fā)—A/D變換”的數(shù)據(jù)采集工作方式下，很好地實現(xiàn)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(shù)據(jù)，可同時在線顯示位置測量譜、能譜及圖像，測試結(jié)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(shù)量的飽和失真數(shù)據(jù)，需用數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)置閾值參數(shù)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(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能按設(shè)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(qū)內(nèi)，各晶體像素都能較好分辨，但在各H8500管的邊緣區(qū)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無關(guān)。

此外，用脈沖發(fā)生器對該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(guī)成像實驗需要的數(shù)據(jù)采集速率基本在100 K/s以下，因此，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jié)語

本文成功設(shè)計并實現(xiàn)了一套高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于便攜式的小型伽瑪相機成像。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計是基于通用的USB接口，采用商用的小型USB數(shù)據(jù)采集卡來完成系統(tǒng)的硬件集成，并在 LabVIEW 平臺上編寫數(shù)據(jù)采集控制程序。實驗測試結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shè)計方法結(jié)合了USB和LabVIEW的優(yōu)點，縮短了開發(fā)周期，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可用于快速搭建實驗系統(tǒng)。

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