第三节　信号处理

一、模拟信号处理

模拟信号是数值连续的信号，如由固体闪烁探测器转换来的反映射线能量的电脉冲，其幅度代表能量的数值，有多大的射线能量，就有相应的脉冲幅度。数字信号是数值上离散、幅值被限制在有限个数值之内的信号，如开关的通和断分别用逻辑数字1和0来表示，其电信号的表现形式是电压的高或低。虽然，这种电压信号本身也有其幅度值，而且在高、低切换的过程中，可能具有高、低电压之间的任何值，但是作为数字信号，我们只关注其逻辑状态，即其电压究竟是“高”还是“低”。例如，在TTL电路中，电压大于2.4V就是“高”，代表逻辑数字1，电压低于0.8V就是“低”，代表逻辑数字0。就是说我们用1和0这两个数值上离散、个数上有限的逻辑数字，来表示开关的通断。在二进制数字电路中，一对1和0被称为1位。虽然1位二进制数字只能表示两个不同的逻辑状态，但我们可以用多位二进制数字来表示多个不同的逻辑状态。例如，2位二进制数可表示4个逻辑状态，8位二进制数可表示256个逻辑状态。数字信号抗干扰能力强，便于存储、处理和交换，并且数字化的系统更易于集成化和微型化。为了用数字技术来处理模拟信号，要用模拟-数字转换器将模拟信号转换为数字信号，模拟-数字转换器的位数越高，就转换得越精细。

在核电子学电路中，将放大器输出的模拟信号输入到脉冲高度分析器，脉冲高度分析器的输出即是可用的数字信号。脉冲高度分析器由上阈值、下阈值和反符合线路组成。以99m Tc为例来阐述脉冲高度分析器的工作原理：140keV的10%窗宽能量范围是126～154keV，将下阈值设定为126keV，上阈值154keV；低于126keV的入射射线被下阈值排除，高于154keV的入射射线不仅触发了下阈值，同时也触发了上阈值，因而反符合线路将其排除，只有能量范围在126～154keV的入射射线，即99m Tc能峰的射线，只触发下阈值，不触发上阈值，才能通过脉冲高度分析器，并输出数字信号（图3-1）。

图3-1　脉冲高度分析器示意图

以上是单道脉冲分析器的结构与原理，如若放射性核素具有几种不同能峰，或者几种核素联合应用，应该使用多道脉冲高度分析器。

二、模-数信号转换

数字信号在传输过程中的抗干扰能力更强，精度更高。模-数转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号，常用的两种ADC表述如下。

（一）斜率转换ADC

其线路组成见图3-2。斜坡信号发生器与时钟发生器同时工作，当斜波信号幅度与输入信号幅度一致时，时钟发生器停止工作，此时的时钟脉冲信号的个数代表了模拟信号的幅度，一次转换完成。时钟越快，数字化的精度越高。斜坡转换ADC原理简单，成本低，但是转换效率低，对模拟信号脉冲形状及稳定性要求高。

图3-2　斜率转换ADC示意图

（二）Flash ADC

Flash ADC的转换速度非常快，由大量的数模逻辑比较器组成（图3-3）。每个比较器具有不同的脉冲参考高度，每一个参考高度输入逻辑电路进行比较，所有比较器比较成功后输出多位数的数字信号。如果需要n位数的数字信号输出，则需要配置2n-1个逻辑比较器。通常情况下核医学成像需要8～12位数的数字信号。

图3-3　Flash ADC示意图

三、时间符合技术

时间符合技术在液体闪烁计数器和PET中都有应用。

液体闪烁计数器主要用于测量低能β射线。液体闪烁计数器有两个主要特征，第一个是采用液体闪烁体。β射线的能量从0到最大值连续分布。低能β射线的射程短。为了减少自吸收等不利因素影响，提高探测效率，采用液体闪烁体。就是将放射性样品溶解或悬浮在闪烁液中。第二个主要特征是采用时间符合技术。闪烁光用光电倍增管接收、转换为电脉冲。低能β射线产生的光很微弱，产生的电脉冲与光电倍增管噪声不易区分，因此采用双光电倍增管符合电路减低噪声的影响。两个光电倍增管的信号均送到时间符合电路，如果是闪烁引起的脉冲信号，则它们同时到达符合电路，信号有效；如果是光电倍增管的噪声信号，因它们彼此无关，同时出现并到达符合电路概率非常小，这样绝大部分噪声信号被抑制。在后级电路中再加上能量选择电路，可有效地测量各种能量的β射线。

由于PET系统需要探测同一湮灭事件中发出的两个γ光子，这就要求探测器探测到两个γ光子的时间应位于纳秒量级的时间窗内，因此，定时精度在PET符合探测中起着非常关键的作用。

PET中的定时技术，一般采用脉冲前沿定时或恒比定时（CFD）方法。脉冲前沿定时是最简单的定时方法，在脉冲的前沿上升到设定阈值的时刻，产生一个输出脉冲作为定时信号。脉冲前沿定时技术所面临的最大问题是脉冲信号幅度变化、上升时间变化及噪声等都会引起定时误差，因此，这种技术的定时精度不高。目前普遍采用CFD方法来实现精确定时，输入信号分成两路，一路经过延迟，另外一路经过衰减并倒相。然后，将这两路信号相加产生一个双极性信号，该信号从负极性变到正极性的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值和总幅度之比为一恒值。过零甄别器起到在双极性信号的过零时刻检出信号的作用。产生与事例信号一一对应的定时信号；然后再利用专用TDC芯片或利用FPGA内部进位链延时电路获取事例定时信号相对于特定时钟的时间信息。时间符合技术利用事例信号的时间信息，通过固定时间窗或滑动时间窗方案甄别判选出满足时间条件的事例信息，并结合能量和位置信息甄别判选出最终的有效事例数据，最后将甄别出的这些有效事例数据打包后送至后端计算机，在计算机端完成数据的图像重建工作。