一种核医学影像设备电子学数字采集系统的原理分析

白宏生

摘 要 核医学是利用核技术的手段来诊断和治疗某些疾病的一门学科。核医学影像设备正是以核医学和现代科学技术为核心而诞生的医疗设备。在全球医疗资源及诊疗手段需求逐年提高的背景下，核医学影像设备作为疾病诊察的有效手段发挥着不可替代的作用。电子学数字采集系统是核医学影像设备的核心，是图像数据的来源。电子学数字采集系统的优良直接决定着核医学影像设备的性能和稳定性。本文针对电子学数字采集系统的基本原理进行较为细致的分析。

关键词 核医学；数字采集系统；电子学

电子学数字采集系统在医学影像设备中所处的位置为探测器之上、图像处理软件之下。在对探测器进行参数配置和采集模拟图像数据的同时也接受图像软件的控制请求和向图像软件传输数字化后的图像数据。电子学数字采集系统主要由：放大器及基线恢复模块、模拟数字转换模块、数字信号处理模块、数据传输模块及电源系统构成。如下图所示。

1 放大器及基线恢复模块

放大器及基线恢复模块是对探测器前置放大器输出的微弱模拟信号的放大及偏置。放大器需要将毫伏级的前置放大器输出放大十倍至几十倍以使后端的模拟数字转换模块能够采集到模拟量在一个比较合适的范围。这有利于模拟数字转换器（ADC）达到比较高的转换精度。在模拟信号的传输中，由于耦合电容和分布电容的存在，可能会导致信号的基线产生偏移，这种信号的偏移量会因为信号的频率、幅度的不同而不同，且不同通道之间的差异性会比较明显。这会使后端的ADC几乎无法采集到准确的模拟量，从而导致数字采集系统的失效。因此对模拟信号的基线恢复至关重要。需要针对每一个模拟通道的信号进行偏置，即基线恢复。当模拟信号的基线在绝对零位时，后端模拟数字转换器的数字输出才是真实可信的[1]。

2 模拟数字转换模块

模拟数字转换模块是数字采集系统的重要组成部分。它将放大器输出的模拟信号进行数字化，以便数字信号处理模块进行处理。模拟数字转换器（ADC）的参数也决定着模拟数字转换模块的性能。模拟数字转换器主要性能有两个基础参数决定：采样频率和采样精度。对于采样频率会根据实际的探测器输出信号的特性而有不同的选择。采样频率至少要保证能够还原完整的探测器输出波形，且不会有较大的失真。采样频率也不应选择过高，这会带来较大的数据量，给数字信号处理模块带来巨大的负担，甚至无法处理。采样精度的选择10位或12位即可满足通常的设计。精度过低则无法准确还原探测器输出的波形信号，精度过高对于信号的还原也没有较大的价值，且同样会给后端信号处理带来较大负担[2]。

3 数字信号处理模块

数字信号处理模块应具备以下逻辑功能：数据获取与处理、控制及状态信息的监控等。

多通道数据获取功能通常由FPGA实现。具体包括两个部分：采集接口的实现与前端电子学采集参数的配置。采集接口实现与前端电子学采集的参数配置相关。采集的参数配置具体指模拟数字转换器（ADC）的配置，具体包括了采集的频率、数据的输出格式、启动、停止、锁定状态等等。这些参数由FPGA进行配置。在采集状态确定的前提下， FPGA实现相应的采集接口逻辑，接收模拟数字转换模块转换的数据。

数据的处理与获取密不可分，具体包括触发与事件生成逻辑、堆积标记逻辑。触发与事件生成逻辑的主要功能是实现对原始数据的解析，生成上位机可辨识的事件数据包。一个完整的事件数据包包括了事件产生的时间戳、事件的能量、事件的位置、事件类型、堆积类型、固定包头等等。

功耗及温度控制：在能源资源越来越紧张的今天，任何电子设备都应该对功耗的管理引起足够的重视。功耗控制主要指在设备空闲期间，使部分器件工作在低功耗的模式下，如模拟数字转换模块、数据传输模块等。由于电子学数据采集系统对温度的变化较为敏感，为了使获取的数据更具有真实性和稳定性，需要对数据采集系统和探测器单元进行温度监控和实时调整，以便整个系统能工作在一个稳定的温度环境中。对于温度的控制，硬件上由探头内置的风扇实现散热的功能。FPGA通过板载的温度传感器和探测器内部的温度传感器来实现对风扇的开关控制，从而稳定整个系统的温度环境。同时FPGA也可以接收上位机的命令来控制风扇的开启状态和开启数量。

状态信息的监控主要涉及实时计数率（触发、记录）等信息统计，监控板上电压以及温度等。

4 数据传输模块

数据传输模块是与上位机通信及数据上传的唯一通道。由于图像数据的数据量比较庞大，需要有足够的带宽来实时传送信号处理模块输出的图像原始数据，因此一般选用千兆以太网作为数据传输方案。TCP是面向连接的通信协议，可以保证数据的可靠性。UDP是一种无连接的传输协议，能够更灵活、高效的将数据传输至目的端。因此，通常应用以太网的TCP和UDP协议分别传输图像数据和控制指令（包含状态监控信息）。

5 结束语

电子学数字采集系统在核医学影像设备中作为原始探测器数据的采集单元、原始图像数据的产生单元，对核医学影像设备的整机性能起着决定性的作用。是后期图像重建的数据来源、是与CT等设备扫描图像融合的基础。核医学设备电子学数字采集系统对核医学设备的发展具有着重大的意义。

参考文献

[1] 黄钢. 影像核医学[M].北京：人民卫生出版社，2010：29.

[2] 王經瑾，范天民，钱永庚，等.核电子学（上册）[M].北京：原子能出版社，1983：41.