دانلود ترجمه مقاله اجرای پردازش سیگنال دیجیتال بلادرنگ برای PET درون پرتو تصویربرداری رادیوتراپی (ساینس دایرکت – الزویر 2023)

اجرای پردازش سیگنال دیجیتال بلادرنگ برای PET درون پرتو تصویربرداری رادیوتراپی در HIMM

Real-time digital signal processing implementation for in-beam PET of radiotherapy imaging in HIMM

چکیده

1 مقدمه

2 سیستم PET In-beam

3 طراحی منطق پردازشی رویداد DAQU

4 نتایج آزمایشی و مقایسه

5 نتیجه گیری

منابع

چکیده

     برش نگاری با گسیل پوزیترون in-beam (ibPET) به تصویربرداری پرتودرمانی دستگاه پزشکی یون-سنگین (HIMM) اختصاص داده می شود، که به اندازه گیری آنلاین دقیق و همچنین توانایی پردازش سیگنال زمان واقعی الکترونیک ها نیاز دارد. ما در این مقاله اجرای پردازش سیگنال دیجیتالی زمان واقعی را در واحد اکتساب داده (DAQU) برای یک سیستم ibPET براساس بازخوانی لامپ تکثیر فوتونی (PMT) کریستال های سوسوزن اکسی اورتوسیلیکات لوتتیوم-ایتریوم (LYSO) ارائه می دهیم. ما مدار پردازش سیگنال سفارشی 10 کانالی را بر روی یک FPGA با عملکرد بالا طراحی کرده ایم، که از 3 حالت کاری (حالت پردازش سیگنال تک رویدادی، حالت خود کالیبراسیون و حالت داده خام (ADC))، محاسبه موقعیت، مکان یابی کریستالی، ذخیره سازی رویداد و غیره پشتیبانی می کند.

2 سیستم PET In-beam
     نمونه اولیه سیستم PET In-beam شامل دو بخش است. واحد آشکارساز، با نام آرایه آشکارساز نوع-مسطح با دو سر و یک سیستم الکترونیکی بازخوانی. شکل.1 آرایه آشکارساز نوع مسطح با دوسر از هشت بلوک آشکارساز را در سیستم نمونه اولیه نشان می دهد. این بلوک های اشکارساز به دو گروه تقسیم می شوند. هر گروه در یک آرایه آشکارساز با 2 × 2 بلوک به صورت یک سر آشکارسازی از واحد آشکارساز مرتب می شود. این دو سر آشکارسازی برعکس در دو طرف خط باریکه در امتداد آشکارسازی پرتو قرار می گیرند. هر بلوک آشکارساز شامل مولفه های 22 × 22 LYSO پیکسل (2mm ×2mm×15 mm) [19، 18] است و توسط یک PMT H8500C [20] و یک مدار پل شده با نام مدار موقعیت یابی گسسته (DPC) بازخوانی می شود [21]. DPC تعداد سیگنال های PMT را برای هر بلوک از 64 به 4 کاهش می دهد تا انرژی را اندازه گیری کند. آخرین داینود PMT برای زمان بندی استفاده می شود.

     سیستم الکترونیکی شامل واحد اکتساب داده (DAQU)، ماژول پردازش مرکزی (CPM)، و واحد ساعت و همزمان¬سازی (CSU) است. ابتدا سیگنال ها از آشکارسازها به DAQUها فید می شوند. هر DAQU با یک جفت بلوک آشکارساز همانند شکل 2 ارتباط دارد. توصیف دقیق تر از مدار سخت افزاری طراحی شده برای DAQU را می توان در [22] پیدا کرد. علاوه بر این، ویژگی های پردازش یک سیگنال دیجیتالی زمان واقعی را بهینه سازی می کنیم و توسعه می دهیم. حالت پردازش تک رویدادی و حالت خود کالیبراسیون فراتر از حالت داده های خام ADC افزوده می شوند. اطلاعات معتبر (بعنوان مثال، موقعیت، زمان، انرژی ذره، و غیره) برای هر رویداد در فریم های داده در DAQU خلاصه شده و مرتب می شوند، و سپس از طریق یک لینک فیبر نوری با سرعت بالا منتقل می شوند. CPM برای شروع فریم های داده به ترتیب زمانی با توجه به مهر زمانی هر رویداد استفاده می شود، به طوری که رویدادهای اتفاقی را به صورت کارآمدی شناسایی می کند [23]. سپس، داده های رویداد از طریق رابط PCI برای بازسازی تصویر 3D مرتبط می شوند. در عین حال، یک GSU سیگنال های ساعت و همزمانی را به تمام DAQUها ارائه می دهد تا یک سیستم بازخوانی همزمان را شکل دهد.

3  طراحی منطق پردازشی رویداد DAQU
     سه حالت پردازشی اجرا شده بر روی یک FPGA با عملکرد بالا وجود دارد. حالت پردازش تک رویدادی برای محاسبه اطلاعات موقعیت، زمان و انرژی استفاده می شود. این حالت برای پردازش تصویربرداری مشترک در سیستم ibPET استفاده می شود. حالت خود کالیبراسیون، جدول جستجوی کریستالی (CLUT) و نرمال سازی LUT (NLUT) را برای کالیبرسیون سیستم نتیجه می دهد. حالت داده های خام ADC برای تشخیص سیستم ذخیره می شوند (شکل 3 را مشاهده کنید).