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        一臺(tái)便攜式伽瑪相機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-06-30 06:37:30漆玉金趙翠蘭
        核技術(shù) 2011年11期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)系統(tǒng)

        宋 健 漆玉金 趙翠蘭

        1(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

        2(中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

        高分辨的伽瑪相機(jī)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(yīng)用,它可用于二維平面顯像[1],也是構(gòu)建單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)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(dǎo)航及放射性安全成像檢測等方面的應(yīng)用需求,對開發(fā)便攜式成像設(shè)備倍受關(guān)注。

        為實(shí)現(xiàn)高分辨伽瑪相機(jī)的小型模塊化,成像探測器技術(shù)包括其信號(hào)讀出電子學(xué)及數(shù)據(jù)采集都要進(jìn)行較大的改進(jìn)。傳統(tǒng)伽瑪相機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于NIM電子學(xué)和CAMAC/VME或PCI等接口,成像系統(tǒng)的體積較大、不靈活、移動(dòng)性較差,不適合便攜移動(dòng)。數(shù)字信號(hào)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(tái)。DSP或FPGA技術(shù)具有高速、便攜、高性能和低功耗的優(yōu)點(diǎn),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(gè)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的。

        我們致力于研究新型的高分辨小型伽瑪相機(jī)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(dòng)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(dòng)式高分辨伽瑪相機(jī)成像,要求實(shí)現(xiàn)對伽瑪相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)等功能。

        1 伽瑪相機(jī)系統(tǒng)

        該伽瑪相機(jī)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(tái)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(hào)讀出采用自制簡化讀出電路[8],提供四路位置信號(hào)X+、X–、Y+、Y–,能量信號(hào)(即四路位置信號(hào)的和)通過一個(gè)全通濾波的觸發(fā)電路[7],在位置信號(hào)峰值處提供觸發(fā)脈沖起動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)據(jù)采集模塊對四路位置信號(hào)進(jìn)行A/D變換,采集其峰值幅度。由PC控制平臺(tái)操控?cái)?shù)據(jù)采集模塊,實(shí)現(xiàn)對伽瑪相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)等功能。

        圖1 高分辨小型伽瑪相機(jī)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(jì)算,得到X–、X+、Y–、Y+位置信號(hào)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(shí)對四路位置信號(hào)進(jìn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

        伽瑪相機(jī)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(tái)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(jì)較復(fù)雜,系統(tǒng)的死時(shí)間較長,不利于高計(jì)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(gè)特別設(shè)計(jì)的全通濾波觸發(fā)電路[7],在位置信號(hào)峰值處提供觸發(fā)脈沖來起動(dòng)A/D變換,對每個(gè)位置信號(hào)的峰值進(jìn)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(jī)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(yuǎn)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(kuò)展、性價(jià)比高,是便攜式測試和控制應(yīng)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(jī)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(fù)載易造成前級(jí)位置讀出電路的信號(hào)直流漂移,因此在DT9836的四個(gè)位置信號(hào)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(jì)

        采集控制軟件的主要功能是:按逐次事件方式操控?cái)?shù)據(jù)獲取,對待測γ射線同時(shí)采集四路位置信號(hào),計(jì)算出入射 γ射線的位置(x,y)和能量信息,并記錄相應(yīng)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(jì)框圖見圖 2??傮w設(shè)計(jì)原則為:選用通用性強(qiáng)、可靠性高的軟件開發(fā)平臺(tái),同時(shí)還兼顧程序的可移植性和開發(fā)速度;編程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),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(tái),內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)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(hù)。

        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(dòng)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(jìn)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(jìn)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(hào)幅度飽和失真的數(shù)據(jù)。探測器輸出信號(hào)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(hào)濾除;飽和失真信號(hào)的數(shù)量多于其臨近幅度的信號(hào),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(jì)算公式x= (X+–X–)/(X++X–),y= (Y+–Y–)/(Y++Y–) 計(jì)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(yù)先設(shè)置的條件選擇有效數(shù)據(jù)用于顯示散點(diǎn)圖和直方圖。

        圖像顯示模塊主要用于顯示伽瑪相機(jī)的泛源圖像及其統(tǒng)計(jì)信息。泛源圖像是一個(gè)二維數(shù)組,數(shù)組元素i(x,y)的值對應(yīng)著伽瑪相機(jī)在位置(x,y)處的計(jì)數(shù)值。因此,程序在圖像顯示時(shí),先構(gòu)造一個(gè)空的二維數(shù)組,當(dāng)一個(gè)位置數(shù)據(jù)(x,y)產(chǎn)生時(shí),就將二維數(shù)組的相應(yīng)元素加1即可。

        為確保采集模塊能達(dá)其最高采樣率,減少系統(tǒng)死時(shí)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(fèi)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(fèi)者,分別置于兩個(gè)獨(dú)立的線程中,線程間通過隊(duì)列緩存通信,便將程序須作迅速響應(yīng)的部分和耗時(shí)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(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取,可大大提高程序的運(yùn)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(diǎn)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(jī)上進(jìn)行了聯(lián)機(jī)測試。該相機(jī)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(gè)以陣列方式拼接的H8500 PSPMT(日本Hamamatsu公司),每個(gè)PSPMT有64個(gè)陽極,整個(gè)探測器共有256路信號(hào)讀出,通過自制的簡化讀出電路[10],輸出四路位置信號(hào)X+、X–、Y+、Y–,四路位置信號(hào)的求和信號(hào)通過一個(gè)全通濾波的觸發(fā)電路[7],在位置信號(hào)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(jìn)行均勻照射,由探測器對面源的響應(yīng)來檢測其性能。四個(gè)H8500管分別進(jìn)行了偏壓測試,確定其工作高壓分別為–850、–780、–790、–800V,以使每個(gè)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(shí)現(xiàn)了對四路位置坐標(biāo)信號(hào)的同步采集,并以事件方式(Event-by-event)記錄數(shù)據(jù),可同時(shí)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(biāo)信號(hào)的原始譜。四路信號(hào)的直方圖在尾部急劇翹起,是由于輸入信號(hào)中存在相當(dāng)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(hào)在線計(jì)算得到的γ射線測量位置(x,y)譜,與前端探測器的響應(yīng)特點(diǎn)相符合,表明開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能按設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)泛源響應(yīng)圖像。在每個(gè)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(jī)自身響應(yīng)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(dá)200 K/s左右,而常規(guī)成像實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的要求。

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

        4 結(jié)語

        本文成功設(shè)計(jì)并實(shí)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(jī)成像。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)上編寫數(shù)據(jù)采集控制程序。實(shí)驗(yàn)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(jī)的成像要求,而且有很高的便攜式移動(dòng)方便性,達(dá)到了預(yù)期的要求。這種設(shè)計(jì)方法結(jié)合了USB和LabVIEW的優(yōu)點(diǎn),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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

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