一種核醫學影像設備電子學數字采集系統的原理分析

白宏生

摘 要 核醫學是利用核技術的手段來診斷和治療某些疾病的一門學科。核醫學影像設備正是以核醫學和現代科學技術為核心而誕生的醫療設備。在全球醫療資源及診療手段需求逐年提高的背景下，核醫學影像設備作為疾病診察的有效手段發揮著不可替代的作用。電子學數字采集系統是核醫學影像設備的核心，是圖像數據的來源。電子學數字采集系統的優良直接決定著核醫學影像設備的性能和穩定性。本文針對電子學數字采集系統的基本原理進行較為細致的分析。

關鍵詞 核醫學；數字采集系統；電子學

電子學數字采集系統在醫學影像設備中所處的位置為探測器之上、圖像處理軟件之下。在對探測器進行參數配置和采集模擬圖像數據的同時也接受圖像軟件的控制請求和向圖像軟件傳輸數字化后的圖像數據。電子學數字采集系統主要由：放大器及基線恢復模塊、模擬數字轉換模塊、數字信號處理模塊、數據傳輸模塊及電源系統構成。如下圖所示。

1 放大器及基線恢復模塊

放大器及基線恢復模塊是對探測器前置放大器輸出的微弱模擬信號的放大及偏置。放大器需要將毫伏級的前置放大器輸出放大十倍至幾十倍以使后端的模擬數字轉換模塊能夠采集到模擬量在一個比較合適的范圍。這有利于模擬數字轉換器（ADC）達到比較高的轉換精度。在模擬信號的傳輸中，由于耦合電容和分布電容的存在，可能會導致信號的基線產生偏移，這種信號的偏移量會因為信號的頻率、幅度的不同而不同，且不同通道之間的差異性會比較明顯。這會使后端的ADC幾乎無法采集到準確的模擬量，從而導致數字采集系統的失效。因此對模擬信號的基線恢復至關重要。需要針對每一個模擬通道的信號進行偏置，即基線恢復。當模擬信號的基線在絕對零位時，后端模擬數字轉換器的數字輸出才是真實可信的[1]。

2 模擬數字轉換模塊

模擬數字轉換模塊是數字采集系統的重要組成部分。它將放大器輸出的模擬信號進行數字化，以便數字信號處理模塊進行處理。模擬數字轉換器（ADC）的參數也決定著模擬數字轉換模塊的性能。模擬數字轉換器主要性能有兩個基礎參數決定：采樣頻率和采樣精度。對于采樣頻率會根據實際的探測器輸出信號的特性而有不同的選擇。采樣頻率至少要保證能夠還原完整的探測器輸出波形，且不會有較大的失真。采樣頻率也不應選擇過高，這會帶來較大的數據量，給數字信號處理模塊帶來巨大的負擔，甚至無法處理。采樣精度的選擇10位或12位即可滿足通常的設計。精度過低則無法準確還原探測器輸出的波形信號，精度過高對于信號的還原也沒有較大的價值，且同樣會給后端信號處理帶來較大負擔[2]。

3 數字信號處理模塊

數字信號處理模塊應具備以下邏輯功能：數據獲取與處理、控制及狀態信息的監控等。

多通道數據獲取功能通常由FPGA實現。具體包括兩個部分：采集接口的實現與前端電子學采集參數的配置。采集接口實現與前端電子學采集的參數配置相關。采集的參數配置具體指模擬數字轉換器（ADC）的配置，具體包括了采集的頻率、數據的輸出格式、啟動、停止、鎖定狀態等等。這些參數由FPGA進行配置。在采集狀態確定的前提下， FPGA實現相應的采集接口邏輯，接收模擬數字轉換模塊轉換的數據。

數據的處理與獲取密不可分，具體包括觸發與事件生成邏輯、堆積標記邏輯。觸發與事件生成邏輯的主要功能是實現對原始數據的解析，生成上位機可辨識的事件數據包。一個完整的事件數據包包括了事件產生的時間戳、事件的能量、事件的位置、事件類型、堆積類型、固定包頭等等。

功耗及溫度控制：在能源資源越來越緊張的今天，任何電子設備都應該對功耗的管理引起足夠的重視。功耗控制主要指在設備空閑期間，使部分器件工作在低功耗的模式下，如模擬數字轉換模塊、數據傳輸模塊等。由于電子學數據采集系統對溫度的變化較為敏感，為了使獲取的數據更具有真實性和穩定性，需要對數據采集系統和探測器單元進行溫度監控和實時調整，以便整個系統能工作在一個穩定的溫度環境中。對于溫度的控制，硬件上由探頭內置的風扇實現散熱的功能。FPGA通過板載的溫度傳感器和探測器內部的溫度傳感器來實現對風扇的開關控制，從而穩定整個系統的溫度環境。同時FPGA也可以接收上位機的命令來控制風扇的開啟狀態和開啟數量。

狀態信息的監控主要涉及實時計數率（觸發、記錄）等信息統計，監控板上電壓以及溫度等。

4 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊是與上位機通信及數據上傳的唯一通道。由于圖像數據的數據量比較龐大，需要有足夠的帶寬來實時傳送信號處理模塊輸出的圖像原始數據，因此一般選用千兆以太網作為數據傳輸方案。TCP是面向連接的通信協議，可以保證數據的可靠性。UDP是一種無連接的傳輸協議，能夠更靈活、高效的將數據傳輸至目的端。因此，通常應用以太網的TCP和UDP協議分別傳輸圖像數據和控制指令（包含狀態監控信息）。

5 結束語

電子學數字采集系統在核醫學影像設備中作為原始探測器數據的采集單元、原始圖像數據的產生單元，對核醫學影像設備的整機性能起著決定性的作用。是后期圖像重建的數據來源、是與CT等設備掃描圖像融合的基礎。核醫學設備電子學數字采集系統對核醫學設備的發展具有著重大的意義。

參考文獻

[1] 黃鋼. 影像核醫學[M].北京：人民衛生出版社，2010：29.

[2] 王經瑾，范天民，錢永庚，等.核電子學（上冊）[M].北京：原子能出版社，1983：41.