數(shù)字閃爍探測器.pdf

1、PET通過檢測攝入活體內(nèi)放射性示蹤劑的分布狀態(tài)對機(jī)體內(nèi)各器官的代謝水平、生化反應(yīng)、功能活動和灌注進(jìn)行定量、動態(tài)地評估。按信號流順序，PET被分為探測器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)、圖像重建系統(tǒng)以及圖像顯示與分析系統(tǒng)。探測器系統(tǒng)通常由多個閃爍探測器排布為環(huán)形結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)成，用于捕獲放射性示蹤劑衰變后產(chǎn)生的Gamma粒子并形成相應(yīng)的閃爍脈沖。數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)通過對閃爍脈沖的分析、處理獲取粒子的能量沉積信息并形成符合數(shù)據(jù)。圖像重建系統(tǒng)則利用符合數(shù)據(jù)反演出放

2、射性示蹤劑在機(jī)體內(nèi)的分布狀態(tài)并通過后續(xù)的圖像顯示與分析系統(tǒng)展現(xiàn)出來?，F(xiàn)代PET系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)通常采用模數(shù)混合的架構(gòu)。模擬電路被用來對閃爍脈沖進(jìn)行處理，粒子的能量沉積大小、時間以及位置等信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電壓量或觸發(fā)信號量后再由后續(xù)的電路進(jìn)行數(shù)字化獲取以及符合甄別。眾所周知，模擬電路對閃爍脈沖的幅值大小、脈沖持續(xù)時間、頻率范圍等特性較為敏感，數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)需要依據(jù)閃爍探測器的特性進(jìn)行針對性設(shè)計；模擬電路難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的脈沖分析、處理方

3、法，粒子能量信息多由一些簡單的線性方法及電路提取，性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的脈沖處理方法無法應(yīng)用；模擬電路系統(tǒng)難以應(yīng)對閃爍探測器輸出脈沖的基線漂移、事件堆疊等情況，限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能的進(jìn)一步提升。近年來，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和方法的發(fā)展，將閃爍脈沖直接數(shù)字化，利用軟件算法替代傳統(tǒng)模擬電路提取粒子能量沉積信息的方式極具吸引力。數(shù)字化后的閃爍脈沖在傳輸、處理等過程中不再因模擬電路的信號帶寬、噪聲干擾等因素影響信號質(zhì)量、惡化粒子能量沉積信息提

4、取精度，這有利于大型、復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)；粒子能量沉積信息提取的準(zhǔn)確性也將因高性能的數(shù)字信號處理技術(shù)和方法的應(yīng)用得以提高；此外，數(shù)字閃爍脈沖下基線漂移和事件堆疊等情況可在信號處理和分析的過程中得到補(bǔ)償和校正，系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性將因此而進(jìn)一步提高。
　　將數(shù)字化電路與閃爍探測器相結(jié)合，直接輸出數(shù)字閃爍脈沖的數(shù)字閃爍探測器極具發(fā)展前景。數(shù)字閃爍探測器的實(shí)現(xiàn)將簡化PET系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的工程開發(fā)難度；快速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)與方

5、法也將得以應(yīng)用于閃爍脈沖的分析與處理，加速PET系統(tǒng)的發(fā)展。閃爍脈沖的準(zhǔn)確數(shù)字化是數(shù)字閃爍探測器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。受采樣率和功耗的限制，一直以來利用ADC直接獲取數(shù)字閃爍脈沖的方式存在工程實(shí)現(xiàn)困難、硬件成本昂貴、數(shù)字脈沖欠采樣等諸多問題。在對粒子能量沉積時間信息提取精度有較高要求的TOF PET等系統(tǒng)中，ADC難以直接應(yīng)用。由我課題組提出的多閾值電壓采樣（Multi-Voltage Threshold，以下簡稱MVT）方法則通過對閃爍脈沖過閾

6、值電壓的時間點(diǎn)進(jìn)行采樣的方式完成閃爍脈沖的數(shù)字化。相應(yīng)的采樣電路僅需少量比較器和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器便可實(shí)現(xiàn)，具有工程開發(fā)難度小、硬件成本低等特點(diǎn)。在此背景下，本文以MVT方法為基礎(chǔ)圍繞數(shù)字閃爍探測器的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)以及應(yīng)用展開研究工作。
　　首先，通過研究指出閃爍脈沖下降沿中不可避免的噪聲影響現(xiàn)有MVT采樣方法獲取的數(shù)字閃爍脈沖精度和后續(xù)的粒子能量沉積大小信息的提取精度。這一噪聲雖然可以通過低通濾波器濾除，但粒子能量沉積時間信息的

7、提取精度卻因此而惡化。針對這一問題，論文提出了精確MVT采樣方法并與現(xiàn)有MVT采樣方法下得到的數(shù)字閃爍脈沖提取的粒子能量沉積精度進(jìn)行了對比研究。精確MVT采樣方法實(shí)現(xiàn)了噪聲干擾下數(shù)字閃爍脈沖的精確數(shù)字化，在不惡化粒子能量沉積時間信息提取精度的前提下有效提高了能量沉積大信息的提取精度。對應(yīng)的能量分辨率由原先的16.9％@511keV優(yōu)化到13.0%@511keV。
　　其次，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了精確MVT采樣電路。解決了傳統(tǒng)TDC因死時間而

8、無法應(yīng)用于精確MVT采樣電路的問題。提出了采用LVDS接受器實(shí)現(xiàn)閾值比較器的方法，不僅提高了MVT采樣電路的集成度、降低了系統(tǒng)功耗，還提高了脈沖過閾值電壓的時間信息獲取精度。提出了精確MVT采樣電路校正方法，解決了MVT采樣電路中不同通道間的閾值電壓和時間響應(yīng)不一致帶來的數(shù)字化精度下降的問題。將實(shí)現(xiàn)的精確MVT采樣電路應(yīng)用于一對LYSO/SiPM探測器輸出脈沖的數(shù)字化，最終獲得了13.9%@511keV的能量分辨率和438 ps的時間分

9、辨率。
　　再次，提出了數(shù)字閃爍探測器架構(gòu)，按信號流的順序劃分為探測器單元、數(shù)字化單元以及接口單元。數(shù)字閃爍脈沖通過接口單元傳輸出來，粒子能量沉積信息則由后續(xù)數(shù)字脈沖分析、處理平臺通過分析數(shù)字閃爍脈沖的方式提取。利用該架構(gòu)下的數(shù)字閃爍探測器進(jìn)行PET等系統(tǒng)的開發(fā)，僅需在計算機(jī)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字脈沖分析、處理平臺中開發(fā)相應(yīng)的算法和程序即可完成。數(shù)字閃爍探測器的實(shí)現(xiàn)，降低了PET等系統(tǒng)的開發(fā)難度。論文以該架構(gòu)和精確MVT采樣電路為基礎(chǔ)完

10、成了數(shù)字閃爍探測器的實(shí)現(xiàn)，時間分辨率為525 ps、能量分辨率為15.1%@511keV。
　　最后，提出了數(shù)字PET系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)下的數(shù)字PET成像系統(tǒng)具有系統(tǒng)架構(gòu)簡潔，工程實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)成像性能優(yōu)異等特點(diǎn)。為針對應(yīng)用，適應(yīng)性的構(gòu)建PET成像系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。采用該系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)字閃爍探測器，本文針對具體應(yīng)用需求完成了三種具有不同成像視野的數(shù)字PET系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。對其中針對臨床腦部成像的PET系統(tǒng)進(jìn)行了初步的性能評估和假體