一種迭代的閃爍脈沖時間標記及其交叉驗證方法
【專利摘要】一種迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其包括步驟：用一枚點源置于兩個探測器之間的連線上一點；獲取兩個探測器輸出閃爍脈沖的數(shù)字化樣本；采用前沿甄別或能量歸一化甄別方法獲取兩個探測器的閃爍脈沖到達時間；獲取脈沖的自身屬性集合；通過疊加脈沖自身屬性，縮小時間差分布的展寬，進而定義時間標記的各項參數(shù)。一種時間標記的交叉驗證方法，其包括步驟：將全體數(shù)據(jù)按分類規(guī)則隨機分成測試集、驗證集和訓練集；用訓練集來估計時間標記的模型和時間標記的主要參數(shù)；用驗證集來確定時間標記的輔助參數(shù)；用測試集檢驗最終的時間標記的性能。本發(fā)明能有效提升時間標記的精確程度，簡化擬合、插值方法中不必要的中間計算量，減少需要的最少樣本計數(shù)。
【專利說明】
一種迭代的閃爍脈沖時間標記及其交叉驗證方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及高能物理與粒子物理應用、核醫(yī)學裝備和生物醫(yī)學診療領域，尤其涉及一種閃爍脈沖時間標記方法與一種時間標記交叉驗證方法。
【背景技術】
[0002]閃爍脈沖的時間標記是指從若干個閃爍脈沖的樣本上獲取閃爍脈沖到達時間的估計方法。閃爍脈沖的時間標記輸出閃爍脈沖的具體時間值。閃爍脈沖的時間標記用時間差譜的展寬一一符合時間分辨率表示。這里的符合是指一對探測器在給定時間窗內(nèi)都有閃爍脈沖產(chǎn)生。
[0003]現(xiàn)有的閃爍脈沖時間標記方法一般采用直接法，包括前沿甄別法、恒比甄別法、上升沿擬合法、多閾值平均法和能量歸一化甄別法。
[0004]前沿觀別(Leading Edge Discriminat1n，以下簡稱LED)方法是最簡單也最常用的時間標記方法，可以大量地集成在模擬芯片中用作PET系統(tǒng)中的讀出電路，其定義為:閃爍脈沖的上升沿穿過甄別閾值的時間點。前沿甄別對不同幅值的脈沖獲得的翻轉時間偏移期望是不同的。這表現(xiàn)在幅值大的脈沖先越過甄別閾值，而幅值小的脈沖后越過甄別閾值?；蛘呓忉尀?固定閾值除以脈沖的不同幅值得到的相對閾值是不同的。相對閾值小的情形，翻轉時間提前到來;相對閾值大的情形，翻轉時間推遲到來。
[0005]為了解決前沿甄別的缺陷，研究者利用延遲線開發(fā)了恒比甄別(ConstantFract1nDiscriminat1n，以下簡稱CFD)方法。在該方法中，閃爍脈沖被分成兩路，分別送入延遲單元和衰減單元后再一同輸入比較器。或者一路延遲并放大送入比較器，另一路直接送入比較器。比較器輸出的過零點被標定為閃爍脈沖的到達時間。恒比甄別方法在理論上消除了閃爍脈沖不同幅值帶給時間標記的誤差。其原理可以解釋為用一個和脈沖高度相關的閾值獲得前沿的翻轉時間，或者解釋為用一個雙極型的濾波器把脈沖成型為雙極型的信號再獲得過零翻轉時間。然而，由于性能較好的恒比甄別器需要高帶寬的延遲線，采用恒比甄別的PET系統(tǒng)具有高昂的成本。此外，恒比甄別的性能十分依賴于給定的參數(shù)，在通道數(shù)較多的情況下恒比甄別的參數(shù)調(diào)節(jié)會大大增加開發(fā)的難度。
[0006]前沿甄別和恒比甄別都存在模擬和數(shù)字的版本。當閃爍脈沖被數(shù)字化后，許多復雜但精確地時間估計方法逐漸在現(xiàn)有的系統(tǒng)中應用開來。
[0007]謝慶國在2005年采用上升沿擬合法獲取了與恒比甄別相類似的時間分辨率，而由于該方法能夠以較低的成本實現(xiàn)閃爍脈沖的數(shù)字化，在學術界產(chǎn)生了較大的影響。其方法的實質(zhì)是用若干個過閾值點擬合一條直線，然后將該直線的截距作為閃爍脈沖的到達時間。
[0008]多閾值平均法是在謝慶國方法基礎上發(fā)展起來的一種更加簡明的方法，其實現(xiàn)步驟是把謝慶國方法中的擬合/截距精簡為多閾值點的平均值，這種方法的計算量小，且沒有斜率項的時間標記方法對于噪聲更加穩(wěn)定。
[0009]能量歸一化甄別法是在前沿甄別時，添加能量歸一化操作。由于該方法已經(jīng)修正了前沿甄別法的時間游走誤差，因而比前沿甄別法的精確度更高。然而，這種方法要求閃爍脈沖的數(shù)字化器具有較高的采樣率，因而在實際系統(tǒng)的應用中受到了限制。
[0010]由于以上方法通常在時間分辨率上略顯不足或者需要較高的計算量，有必要提出一種時間分辨率好、計算量小的閃爍脈沖時間標記方法及其驗證方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種閃爍脈沖的時間標記方法，該方法能在時間分辨率較好、計算量小、可重復性好、系統(tǒng)的適應性強、不依賴于閃爍脈沖特性并且可以學習閃爍脈沖數(shù)據(jù)集中的固有特性。由于該方法可以靈活地將可獲取閃爍脈沖樣本全部加進閃爍脈沖時間標記方法中，因此與該方法配套的閃爍脈沖數(shù)字化器的利用率較高。
[0012]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
一種迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于包括步驟:
51:用一枚點源置于兩個探測器之間的連線上一點；
52:獲取兩個探測器輸出閃爍脈沖的數(shù)字化樣本；
S3:采用前沿甄別或能量歸一化甄別方法獲取兩個探測器的閃爍脈沖到達時間；
S4:獲取脈沖的自身屬性集合；
S5:通過疊加脈沖自身屬性，縮小時間差分布的展寬，進而定義時間標記的各項參數(shù)。
[0013]優(yōu)選地，在上述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的采用的點源小于探測器連線的十分之一，或者在探測器尺寸小于I厘米時，采用斜交于探測器連線的厚度小于I Cm的板源。
[0014]優(yōu)選地，在上述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取的數(shù)字化樣本是閃爍脈沖被數(shù)字化器打散的數(shù)字信號。
[0015]優(yōu)選地，在上述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取脈沖的自身屬性集合可以是脈沖寬度、脈沖高度、脈沖的瞬時電壓值、脈沖的數(shù)字積分和脈沖的勒貝格積分，及其它們之間的有限次加減乘除和初等函數(shù)運算。
[0016]優(yōu)選地，在上述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取最終時間標記疊加參數(shù)使用迭代的方法。
[0017]優(yōu)選地，在上述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的當現(xiàn)有的時間標記方法獲取的時間差向量和觀測到的自身屬性集合中的向量有相關性時，即在當前的時間差向量中扣除自身屬性集合中的相關成分。
[0018]一種時間標記的交叉驗證方法，其特征在于包括步驟:
S1:將全體數(shù)據(jù)按分類規(guī)則隨機分成測試集、驗證集和訓練集；
S2:采用訓練集來估計時間標記的模型和時間標記的主要參數(shù)；
S3:采用驗證集來確定時間標記的輔助參數(shù)；
S4:采用測試集檢驗最終的時間標記的性能；
S5:交換或者輪轉測試集、驗證集和訓練集，并重復S2-S4。
[0019]從上述技術方案可以看出，通過采用本發(fā)明的時間標記方法和交叉驗證方法，能在較低計算量下獲取時間標記及其參數(shù)。由于該方法不需要事先對探測器的輸出脈沖進行建模，因此具有更佳的普適性和實用性。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(1)更好的時間分辨率；
(2)較少的計算量；
(3)對探測器本性的適應性且附帶自動學習功能；
(4 )對數(shù)據(jù)量敏感性的可監(jiān)測性和可度量性。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為本發(fā)明迭代的閃爍脈沖時間標記方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明閃爍脈沖時間標記方法的交叉驗證方法的流程圖；
圖3為本發(fā)明的不同樣本數(shù)目交叉驗證示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明公開了一種迭代的閃爍脈沖時間標記方法及其交叉驗證方法，該方法能有效地提高符合時間分辨率，降低了時間標記方法的計算量，并對探測器有適應性。
[0024]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明公開的一種閃爍脈沖時間標記方法，通過以多維的閃爍脈沖自身屬性，采用迭代的方式修正前沿甄別或者能量歸一化甄別的時間差向量，再利用最優(yōu)化過程獲得的參數(shù)和函數(shù)類型作為時間標記的參數(shù)和函數(shù)類型，具體的方法步驟為:
S1:用一枚點源置于兩個探測器之間的連線上一點；
S2:獲取兩個探測器輸出閃爍脈沖的數(shù)字化樣本；
S3:采用前沿甄別或能量歸一化甄別方法獲取兩個探測器的閃爍脈沖到達時間；
S4:獲取脈沖的自身屬性集合；
S5:通過疊加脈沖自身屬性，縮小時間差分布的展寬，進而定義時間標記的各項參數(shù)。
[0026]以上的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的采用的點源小于探測器連線的十分之一，或者在探測器尺寸小于I厘米時，采用斜交于探測器連線的厚度小于Icm的板源。
[0027]以上的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取的數(shù)字化樣本是閃爍脈沖被數(shù)字化器打散的數(shù)字信號。
[0028]以上的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取脈沖的自身屬性集合可以是脈沖寬度、脈沖高度、脈沖的瞬時電壓值、脈沖的數(shù)字積分和脈沖的勒貝格積分，及其它們之間的有限次加減乘除和初等函數(shù)運算。
[0029]以上的閃爍脈沖時間標記方法中，所述的獲取最終時間標記疊加參數(shù)使用迭代的方法。
[0030]以上的閃爍脈沖時間標記方法中，當現(xiàn)有的時間標記方法獲取的時間差向量和觀測到的自身屬性集合中的向量有相關性時，即在當前的時間差向量中扣除自身屬性集合中的相關成分。
[0031]如圖2所示，本發(fā)明公開的一種時間標記的交叉驗證方法，其特征在于包括步驟: S1:將全體數(shù)據(jù)按分類規(guī)則隨機分成測試集、驗證集和訓練集；
S2:采用訓練集來估計時間標記的模型和時間標記的主要參數(shù)；
S3:采用驗證集來確定時間標記的輔助參數(shù)；
S4:采用測試集檢驗最終的時間標記的性能；
S5:交換或者輪轉測試集、驗證集和訓練集，并重復S2-S4。
[0032]圖1為本發(fā)明迭代的閃爍脈沖時間標記方法的流程圖；圖2為本發(fā)明閃爍脈沖時間標記方法的交叉驗證方法的流程圖；圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)集輪轉示意圖。結合圖1、圖2及圖3，通過幾個具體的實施例，對本發(fā)明迭代的閃爍脈沖時間標記方法做進一步描述。本發(fā)明提出的迭代的閃爍脈沖時間標記方法及其交叉驗證方法，其涉及到的集合劃分、函數(shù)衍生方式及其優(yōu)先級順序、自身集合原始數(shù)據(jù)、數(shù)字化形式需要根據(jù)與獲取數(shù)據(jù)的特點進行調(diào)節(jié)以達到足夠的統(tǒng)計性能。此處列出所涉及的應用實施例處理數(shù)據(jù)的參數(shù)。
[0033]實例1:迭代的時間標記方法此處列出本實施例1處理數(shù)據(jù)的參數(shù):
步驟(I)采用直徑為0.1mm的點源置于兩個閃爍探測器的連線中間；
步驟(2)采用50Gsps采樣率的高速模擬數(shù)字轉換器測量閃爍探測器的輸出信號；
步驟(3)采用最近鄰插值的方法獲取兩個探測器的前沿甄別時間值，并繪制時間譜；步驟(4)將每個脈沖的數(shù)字積分值和上升沿最大斜率置于原始的脈沖自身屬性，通過三角函數(shù)和指數(shù)函數(shù)及加減乘除四則運算建立衍生的脈沖自身屬性；
步驟(5)采用斐波那搜索法(迭代法的一種)搜索各個自身屬性在已有的時間譜上的最優(yōu)疊加值。
[0034]實例2:迭代的時間標記方法此處列出本實施例2處理數(shù)據(jù)的參數(shù):
步驟(I)采用厚度為0.5mm的板源法向置于兩個閃爍探測器的連線中間；
步驟(2)采用四個閾值的比較器/進位鏈測量閃爍探測器的輸出信號，四個閾值分別為30mV，60mV，90mV，120mV;
步驟(3)采用第二個閾值獲取兩個探測器的前沿甄別時間值，并繪制時間譜；
步驟(4)將每個脈沖的四路截距和三路上升時間置于原始的脈沖自身屬性，通過多項式函數(shù)及加減乘除四則運算建立衍生的脈沖自身屬性；
步驟(5)采用連續(xù)斯密特正交法(迭代法的一種)搜索各個自身屬性在已有的時間譜上的最優(yōu)疊加值。
[0035]實例3:迭代的時間標記方法此處列出本實施例3處理數(shù)據(jù)的參數(shù):
步驟(I)采用厚度為0.5mm的板源斜交置于兩個閃爍探測器的連線中間；
步驟(2)采用I Gsps采樣率的高速模擬數(shù)字轉換器測量閃爍探測器的輸出信號；
步驟(3)采用B樣條插值獲取兩個探測器的前沿甄別時間值，并繪制時間譜； 步驟(4)將每個脈沖的上升時間和相對時間電壓值置于原始的脈沖自身屬性，通過初等函數(shù)及加減乘除四則運算建立衍生的脈沖自身屬性；
步驟(5)采用有序子集最大期望法(迭代法的一種)搜索各個自身屬性在已有的時間譜上的最優(yōu)疊加值。
[0036]實例4:時間標記的交叉驗證方法此處列出本實施例4處理數(shù)據(jù)的參數(shù):
步驟(I)將數(shù)據(jù)隨機打散，平均分成4份，標記為A、B、C、D;
步驟(2)將其中的A份和B份作為訓練集，訓練時間標記方法；
步驟(3)將其中的C份作為驗證集，驗證時間標記中的哪些實例應該被拒絕；
步驟(4)將其中的D份作為測試集，測試時間標記的時間分辨率；
步驟(5)以上數(shù)據(jù)集的劃分方式為AB/C/D，按照步驟(2)-(4)分別進行BC/D/A、CD/A/B、DA/B/C、BD/A/C0
[0037]實例5:時間標記的交叉驗證方法此處列出本實施例5處理數(shù)據(jù)的參數(shù):
步驟(I)將數(shù)據(jù)隨機打散，分成兩份，標記為A、B、C，其中B中沒有數(shù)據(jù)，C中只有一個事例，A包含剩下的數(shù)據(jù)；
步驟(2)將其中的A份作為訓練集，訓練時間標記；
步驟(3)驗證集為空集，驗證過程為全通過；
步驟(4)將其中的C份作為測試集，測試的結果只有一個實數(shù)；
步驟(5)將C遍歷全數(shù)據(jù)中的每一個值，可以得到一個和全數(shù)據(jù)相等的向量，繼而測得符合時間分辨率。
[0038]本發(fā)明涉及高能物理與粒子物理應用、核醫(yī)學裝備和生物醫(yī)學診療領域，尤其涉及一種閃爍脈沖時間標記方法和交叉驗證方法。
[0039]通過對比可以看出，采用本發(fā)明的時間標記方法和交叉驗證方法，能在較低計算量下獲取時間標記及其參數(shù)。由于該方法不需要事先對探測器的輸出脈沖進行建模，因此具有更佳的普適性和實用性。
[0040]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(1)更好的時間分辨率；
(2)較少的計算量；
(3)對探測器本性的適應性且附帶自動學習功能；
(4 )對數(shù)據(jù)量敏感性的可監(jiān)測性和可度量性。
[0041]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0042]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于包括步驟: 51:用一枚點源置于兩個探測器之間的連線上一點； 52:獲取兩個探測器輸出閃爍脈沖的數(shù)字化樣本； S3:采用前沿甄別或能量歸一化甄別方法獲取兩個探測器的閃爍脈沖到達時間； S4:獲取脈沖的自身屬性集合； S5:通過疊加脈沖自身屬性，縮小時間差分布的展寬，進而定義時間標記的各項參數(shù)。2.根據(jù)權利要求1所述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于:采用的點源小于探測器連線的十分之一，或者在探測器尺寸小于I厘米時，采用斜交于探測器連線的厚度小于I cm的板源。3.根據(jù)權利要求1所述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于:獲取的數(shù)字化樣本是閃爍脈沖被數(shù)字化器打散的數(shù)字信號。4.根據(jù)權利要求1所述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于:獲取脈沖的自身屬性集合可以是脈沖寬度、脈沖高度、脈沖的瞬時電壓值、脈沖的數(shù)字積分和脈沖的勒貝格積分，及其它們之間的有限次加減乘除和初等函數(shù)運算。5.根據(jù)權利要求1所述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于:獲取最終時間標記疊加參數(shù)使用迭代的方法。6.根據(jù)權利要求1所述的迭代的閃爍脈沖時間標記方法，其特征在于:當現(xiàn)有的時間標記方法獲取的時間差向量和觀測到的自身屬性集合中的向量有相關性時，即在當前的時間差向量中扣除自身屬性集合中的相關成分。7.一種時間標記的交叉驗證方法，其特征在于包括步驟: S1:將全體數(shù)據(jù)按分類規(guī)則隨機分成測試集、驗證集和訓練集； S2:采用訓練集來估計時間標記的模型和時間標記的主要參數(shù)； S3:采用驗證集來確定時間標記的輔助參數(shù)； S4:采用測試集檢驗最終的時間標記的性能； S5:交換或者輪轉測試集、驗證集和訓練集，并重復S2-S4。8.根據(jù)權利要求7所述的時間標記的交叉驗證方法，其特征在于:用于交叉驗證的數(shù)據(jù)集是已經(jīng)知道光子飛行時間差的閃爍脈沖數(shù)據(jù)集。9.根據(jù)權利要求7所述的時間標記的交叉驗證方法，其特征在于:交叉驗證的結果是給定時間標記方法的時間差譜或者時間差向量，用于測試時間標記的性能。
【文檔編號】G01R35/00GK105842544SQ201610156084
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】謝慶國, 鄧貞宙
【申請人】南京瑞派寧信息科技有限公司