一种时间同步方式采集端口图像方法
阅读说明：本技术 一种时间同步方式采集端口图像方法 (Method for acquiring port images in time synchronization mode ) 是由 戴建荣 王宏凯 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：一种时间同步方式采集端口图像方法,属于影像技术领域。测量光子从X射线源中的靶到探测器之间的飞行时间,通过设置数据获取电子学中的时间窗口,在接收原射光子信号的同时剔除散射光子信号,在硬件层级消除散射光子的干扰。本发明的优点是区别于目前现有的基于X射线装置的成像设备上消除散射光子信号的相关技术。创新的采用了测量光子通过不同路径后的飞行时间的方法,对信号光子与散射光子进行鉴别以达到消除散射信号的干扰。无需在原有设备上进行大规模改造,仅通过信号引出的方式将所需的信号引出至外部数据处理系统,成本较低,测量设备占用空间小。(A method for acquiring port images in a time synchronization mode belongs to the technical field of images. Measuring the flight time of photons from a target in an X-ray source to a detector, acquiring a time window in electronics by setting data, receiving a primary photon signal and rejecting a scattered photon signal at the same time, and eliminating the interference of the scattered photons at a hardware level. The advantage of the present invention is distinguished from the related art of eliminating scattered photon signals on currently existing imaging devices based on X-ray apparatus. The method for measuring the flight time of photons passing through different paths is innovatively adopted, and the signal photons and the scattered photons are identified so as to eliminate the interference of scattered signals. The method does not need to carry out large-scale transformation on the original equipment, only leads out the required signal to an external data processing system in a signal leading-out mode, and has the advantages of low cost and small occupied space of measuring equipment.)
技术领域
本发明涉及一种时间同步方式采集端口图像方法，属于影像
技术领域
。背景技术
影像技术是一种通过非侵入方式，清晰、准确、直观地定性或定量展示被检测物体内部结构、组成、材质等情况的技术。影像技术涉及医疗、工业等领域。以医疗领域为例，目前已发展出医用X线摄影设备、基于X 射线的计算机断层成像设备(Computer Tomography,CT)、利用核磁共振技术的磁共振成像设备(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、利用超声波原理的超声成像设备、借由同位素协助的核子医学造影及正电子断层扫描(PositronEmission Tomography，PET)等多种类型的设备。
在基于X射线的影像设备中，主要包括两类，一类是基于X射线的摄影装置，主要可分为模拟X线摄影设备和数字X线摄影设备。前者主要是采用胶片的屏片式X线摄影设备，是第一代放射影像设备，后者主要是计算机X线摄影(CR)和数字X线摄影(DR)；第二类则是基于X射线的CT 技术。目前广泛使用的扇形束、锥形束CT设备均基于单能X射线成像原理，即利用物质对于单能X射线的吸收差异进行成像。为了改善CT图像对物质的区分能力，采用两组或多组能量或能谱的数据近年来也逐步进入人们的视野。通过特殊的重建方法获取比传统CT图像更丰富的物质信息。此外，近十年来发展的相位CT成像方法，通过利用X射线与物质作用时的相位变化信息进行成像，能够改善软组织成像的对比度。
上述设备的基本原理主要是由X射线源产生X射线，并由对X射线敏感的探测器阵列对光子进行收集，再经数据采集系统分析计算后形成图像。在使用X射线装置进行成像的过程中，到达探测器的X射线主要由两个部分组成，第一部分是由源产生的初级X射线；而另一部分则是由初级射线经过与物质发生康普顿散射等效应后产生的次级射线，也称之为散射线。由于散射线的角度与初级射线具有较大差别，极易给探测器带来干扰。因X射线装置通常采用面阵列式探测器，在进行大野成像时散射线对信号有贡献，但散射线不反映物质对射线的衰减，易导致图像分辨率和信噪比下降。因此，通过一定的方法，有效去除散射线信号贡献，是提升X射线装置图像质量的一种重要方法。
现有方法的局限性：
X射线成像装置最大的优势在于其快速成像，即利用较短的扫描时间减少了患者身体移动引起的图像不清晰以及由于患者内部器官运动引起的图像失真，并且提高了X射线源利用效率。但其主要缺点在于，由于产生X射线装置内部结构复杂，加之光子在穿行路径中与各类物质发生相互作用，导致散射的几率变大。检测板接收到大量散射后的光子信号，与噪声及对比度分辨率(Contrast Resolution)等相关的图像质量会受到较大影响，这种情况在大野情况下则更为显著。长期以来，国内外的研究人员针对X射线装置图像质量改善做出了很多研究，根据消除类型主要分为硬件和图像重建软件消除两个方面。
目前利用硬件消除散射主要有几种方法，分别是：散射栅 (Anti-scatter Grid)、空气隙(Air-grip)、准直孔(Collimator)、或者滤过器(Filter)、滤波板等，这些方法主要通过在探测器接收端增加反散射装置的方法减少散射光子的影响。除此以外，通过改进平板探测器材料，在射线源上安装束流补偿滤波器等方法，也能够起到降低散射光子的数量的效果。
上述基于硬件技术的散射消除方法能够在一定程度上有效降低射线中的散射线，但是由于受制于机房中的操作空间，以及机架配重等问题，通过增加滤过器等硬件设备很难实现大面积使用，因此仍然无法适用于大野治疗。
软件方面，结合图像处理方法，通过计算机工具实现散射分布的估计并对采集到的图像进行散射修正。根据对图像处理阶段的不同可将基于软件技术的散射修正方法大致分为三种:
改进图像重建方式：
包括修正FDK锥形束重建算法、提高重建宽度方法、使用二维和三维滤波改进图像质量、使用正向投影重建减少金属伪影、对呼吸、器官运动的解剖形变进行四维重建等方法。
基于模型散射分布的评估方法：
此类方法包括使用多项式插值的散射评估算法、基于散射消除板 (Beam StopArray,BSA)、以移动阻断(Moving Blocker-based)为基础、建立散射数学模型等方法。
投影图像降噪与三维重建后处理方法：
此类方法包括对重建前图像进行基于多尺度奇异性检测、运用小波与数字重建滤波器结合的方法对采集图像进行全局去噪、自适应滤波算法去除高斯噪声和脉冲噪声、基于系数分类的图像去噪算法等。
除上述方法以外，将软硬件技术结合起来进行散射消除是近10年来研究热点。比如散射消除板方法、射束衰减网格方法、初级射线调制方法和频率调制与滤波方法等。不同的方法在散射消除方面有一定的效果,但这些方法在兼顾去噪和保留图像信息上还有待进一步研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种时间同步方式采集端口图像方法。
一种时间同步方式采集端口图像方法，含有以下步骤：
测量光子从X射线源中的靶到探测器之间的飞行时间，通过设置数据获取电子学中的时间窗口，在接收原射光子信号的同时剔除散射光子信号，在硬件层级消除散射光子的干扰。
通过设置不同的飞行时间甄别阈来有效区分原射光子信号与散射光子信号，降低散射光子对图像信号收集的影响，从而在硬件上提高重建图像质量。
一种时间同步方式采集端口图像方法，包括起始信号获取步骤、转换步骤、信号获取与处理步骤；
起始信号获取步骤：提供光子起始定时信号，该信号代表光子的起始飞行时间，其中脉冲拾取信号的上升沿能够达到皮秒量级，光子起始信号将给用于为定时的电子学设备提供用于标定光子出射的起始定时信号，其定时方式可采用恒比定时或前沿定时，
转换步骤：对接收到的光子产生响应，当探测器产生的信号大于信号产生阈值的情况下产生输出信号；放大成形电路负责将型号放大、成形、转换后进行输出，
信号获取与处理步骤：当X射线穿过探测器时，将产生与光子数成一定比例的光电流信号，光电流信号经过信号处理电路放大、成形后，送入对应的多道分析电路中，以获得一定束流脉冲周期内的光子信号强度，在获得光子强度信息的同时，光子具有的飞行时间信息也被记录，起始定时信号由X射线源给出，用于产生终止定时信号从探测器输出后，采用双阈触发机制进行触发，光子飞行的终止信号由探测器和与之相连的定时电路提供，探测器输出的信号经过符合系统后输出有效信号，符合系统接受双阈甄别器中输出的信号，将低阈甄别器中的信号做一定的延迟，延迟过后的低阈信号与高阈信号经过符合系统后，在一定的时间窗内，形成最终的有效信号输出。
终止信号定时获取：当低阈甄别器接收到信号并触发时，符合电路将打开一定宽度的符合时间窗口(符合时间窗口的宽度可根据不同类型探测器及电子学特性在一定范围内可调)，表明在该时间窗口范围内，将对信号上升沿进行检测，与此同时，用于记录事件开始的时间戳信号也在低阈信号结束时产生；由于低阈信号与高阈信号之间通常有一定的时间间隔，为了能够尽量缩短符合时间窗宽，降低噪声信号的影响，将低阈信号进行一定延迟；若在接受时间窗口范围内未接收到来自高阈触发器的信号，则表明信号不是有效信号，该信号可能源自于探测器中的信号的波动、暗计数或其他噪声，此时定时信号也将随之丢弃；若在时间接受窗口范围内，符合甄别电路收到来自高阈甄别器的信号，符合电路输出有效信号，该信号则被判定为有效信号，并将终止时间定时信号送入下级电路。
在获得光子的时间与强度信号后，将这两种信号送入基于FPGA的光子信号选判电路中进行原/散射光子的判断和处理；在经过选判电路之后，原射光子的时间信息将被保留，并同与之相关的光子强度信息一起传输至计算机中，用于图像的重建。
本发明的优点是区别于目前现有的基于X射线装置的成像设备上消除散射光子信号的相关技术。创新地采用了测量光子通过不同路径后的飞行时间的方法，对信号光子与散射光子进行鉴别以达到消除散射信号的干扰。无需在原有设备上进行大规模改造，仅通过信号引出的方式将所需的信号引出至外部数据处理系统，成本较低，测量设备占用空间小。
通过采用高时间分辨能力的探测器及电子学设备，能够对光子飞行时间进行可控选判，并可通过调节飞行时间判定阈值，消除一定范围内的散射光子，从而实现不同程度降低由散射效应导致的图像质量下降问题，有利于改善图像引导中的图像质量，有利于提高放射诊治的精确度。
通过本发明将散射光子消除后，能够显著降低散射光子对图像产生的影响，有助于简化图像重建步骤，进而提升图像重建效率。
相对与其它硬件方法，本发明采用的设备无需在原有设备上增加较大体积硬件设备，因此不占用机房原有操作空间，也不会对机架造成配重等机械性改变，仅通过信号引出的方式，通过外部电子学设备即可实现散射光子的有效鉴别。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明采用的路线图。
图2为本发明的信号获取流程图。
图3为本发明的双阈甄别信号时序图。
图4为本发明的TDC时间测量时序图。
图5为本发明的光子信号鉴别时序图。
图6为本发明的流程图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对发明实施例的限定。
实施例1：如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种时间同步方式采集端口图像方法，含有以下步骤：
测量光子信号从X射线源中的靶到探测器之间的飞行时间，通过设置数据获取电子学中的时间窗口，在接收原射光子信号的同时剔除散射光子信号，在硬件层级消除散射光子的干扰。
通过设置不同的飞行时间甄别阈来有效区分原射光子信号与散射光子信号，降低散射光子对图像信号收集的影响，从而在硬件上提高重建图像质量。
原射光子信号到达探测器板时间可用下式表达:
tp＝TDD/c
其中TDD是X射线靶至探测器某个成像单元的距离，c是光速。
散射光子信号到达探测器板时间可由下式表达：
ts＝(TSD+SDD)/c
其中TSD是是X射线靶至康普顿散射发生位置的距离，SDD是散射发生位置至探测器同一成像单元的距离，c是光速。
由此产生的时间差为：
Δt＝ts-tp
通过分析时间差的大小，设置合适的飞行时间截断阈值，即可区分原射光子与散射光子。
如图1所示，一种时间同步方式采集端口图像方法，主要测量光子从 X射线靶端至探测器端的飞行时间，通过设置不同的飞行时间甄别阈来有效区分原射光子与散射光子，降低散射光子对图像信号收集的影响，从而在硬件上提高重建图像质量。
一种时间同步方式采集端口图像方法，通过测量光子飞行时间来降低散射线对X射线装置成像质量影响。
包括以下几个主要步骤：
X射线源中产生的电子撞击靶材料后，通过轫致辐射产生光子，在靶处在产生光子的同时，提供光子飞行时间起始定时信号。
光子经过一定的飞行距离之后，在用于探测光子的探测器上产生信号，该信号可能包括探测到的真实光子信号和噪声信号。
探测器输出的信号经过放大、成型等电路之后，产生的信号进入数据获取电路，与此同时，光子的被探测器接收的时间也通过电子学线路被记录下来。
通过分析被记录光子的飞行时间，能够设定一定阈值，并通过阈值鉴别原射光子与散射光子。
实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，一种时间同步方式采集端口图像方法，包括起始信号获取步骤、转换步骤、信号获取与处理步骤。
起始信号获取步骤：提供光子起始定时信号，该信号代表光子的起始飞行时间。其中脉冲拾取信号的上升沿能够达到皮秒量级。光子起始信号将给用于为定时的电子学设备提供用于标定光子出射的起始定时信号，其定时方式可采用恒比定时或前沿定时技术。
转换步骤：对接收到的光子产生响应，当探测器产生的信号大于信号产生阈值的情况下产生输出信号；放大成形电路负责将型号放大、成形、转换后进行输出。
探测器主要由对光子敏感的探测器和与之进行耦合的放大成形电路构成。对数据获取系统中的定时电路提供光子飞行的时间提供终止信号，该信号由光子在探测器上沉积能量时产生的脉冲上升沿来决定，因此探测器需要具有快速的信号上升时间。
在此基础上，探测器还应当具有较低的探测下阈值和较高的探测效率。探测器可以使用闪烁体材料，包括但不限于LSO、LYSO、LaBr、GSO 和BGO等晶体材料。也可以根据需求使用满足性能要求的半导体和其他类型探测器。
信号获取与处理步骤：如图2展示了系统的信号获取流程图，当X射线穿过探测器时，将产生与光子数成一定比例的光电流信号。光电流信号经过信号处理电路放大、成形后，送入对应的多道分析电路中，以获得一定束流脉冲周期内的光子信号强度。
在获得光子强度信息的同时，光子具有的飞行时间信息也被记录。起始定时信号由X射线源给出。用于产生终止定时信号从探测器输出后，采用双阈触发机制进行触发。其电路结构包括低阈甄别器和高阈甄别器。两个甄别器输入条件得以满足时，将会产生各自的输出。由上述两种甄别器组成的双阈甄别电路能够有效降低噪声对信号产生的干扰。
光子飞行的终止信号由探测器和与之相连的定时电路提供。探测器输出的信号经过符合系统后输出有效信号。符合系统接受双阈甄别器中输出的信号，将低阈甄别器中的信号做一定的延迟。延迟过后的低阈信号与高阈信号经过符合系统后，在一定的时间窗内，形成最终的有效信号输出。
图3展示了探测器处的终止信号定时获取逻辑时序图。当低阈甄别器接收到信号并触发时，符合电路将打开一定宽度的符合时间窗口(符合时间窗口的宽度可根据不同类型探测器及电子学特性在一定范围内可调)，表明在该时间窗口范围内，将对信号上升沿进行检测，与此同时，用于记录事件开始的时间戳信号也在低阈信号结束时产生。由于低阈信号与高阈信号之间通常有一定的时间间隔，为了能够尽量缩短符合时间窗宽，降低噪声信号的影响，可将低阈信号进行一定延迟。若在接受时间窗口范围内未接收到来自高阈触发器的信号，则表明信号不是有效信号，该信号可能源自于探测器中的信号的波动、暗计数或其他噪声，此时定时信号也将随之丢弃。若在时间接受窗口范围内，符合甄别电路收到来自高阈甄别器的信号，符合电路输出有效信号，该信号则被判定为有效信号，并将终止时间定时信号送入下级电路。
在获得光子的时间与强度信号后，将这两种信号送入基于FPGA的光子信号选判电路中进行原/散射光子的判断和处理。在经过选判电路之后，原射光子的时间信息将被保留，并同与之相关的光子强度信息一起传输至计算机中，用于图像的重建。
飞行时间的时间信号测量由时间-数字转换器(Time Digital Converter,DC)产生，TDC具有多击响应功能，能够同时测量一束光子信号的能力。
TDC测量时间采用粗计数与精细计数两部分构成。其中粗计数用于产生基础时钟计数，同时提高测量量程。粗计数模块使用的参考时钟频率一般在数百MHz，能够达到数个ns的时间精度。精细计数模块采用时间延时内插技术(Time Interpolation)，在一个时钟周期内进行时间内插，能够达到几十ps的时间分辨以实现高精度的时间测量能力。TDC测量模块中包括PLL锁相环、高速DLL时钟、锁存器和译码器等结构组成。
下面描述TDC测量时间，包含以下步骤：
此处定义待测时间T为TDC起始与终止信号脉冲的两个上升沿信号之间的时间间隔。图4显示了测量上述时间间隔的时序图，分别定义粗计数测量时间长度为Tc，为测量时钟周期的整数倍。定义时钟周期为Tclk当输入TDC的起始定时信号与其临近的下一个时钟周期上升沿M之间的时间长度为T1，终止定时信号与下一个临近时钟信号上升沿N之间的时间为T2，那么计数器测量得到的时间长度为：
Tc＝(N-M)×Tclk
通过上述过程得到的测量时间间隔可由下式表示：
T＝(N-M)×Tclk+T1-T2
根据上述过程，将起始与终止定时信号之间的间隔分成了三个部分，粗测量时间间隔由时钟计数确定，T1和T2时间间隔通常不足一个单位时钟周期，需采用延迟内插法进行精细测量。延迟内插法采用基于门延时的时间数字转换方法，通过计算信号经过逻辑门的数量。延迟线的电路结构可以采用基本延时链、游标差分延时链、带DLL的延迟链或者两级延时中的某一种。
当起始定时信号上升沿到来时，观测信号在延迟线上的传输，当经过 N1个延迟单元之后，起始信号发生反转，则说明起始信号经过n个延迟单元后，与最近的时钟信号clk上升沿重合，此时可得：
T1＝Tclk-N1τ其中τ为一个延时单元的延时。同理，当对触发器输入端输入终止信号时，则终止信号通过N2个延迟单元后发生信号跳变，则有：
T2＝Tclk-N2τ
当TDC从符合系统接收到有效探测器时间信号后，锁存器就锁存当前时钟值。译码器将时钟值译码，以产生光子时间戳，并将信号传输至存储器当中。
原射光子信号及散射光子信号选判，包含以下步骤：
图5展示了光子信号鉴别逻辑时序图，当从X射线源获得光子飞行时间起始定时信号后，用于判别原射光子与散射光子的符合电路将打开一定的定时窗宽。定时窗宽的确定可根据原射光子在固定路径上的飞行时间确定，并可根据实际需求进行调整。若探测器给出的光子飞行时间终止定时信号在定时窗宽范围内，则将其判定为原射光子，反之则定义为散射光子。
如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
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