PET探测器温度补偿系统的研究与设计

发布时间：2018-04-03 03:22

本文选题：PET　切入点：光电探测器　出处：《成都理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：PET是一种使用放射性核素标记分子间的相互作用的体内分子成像技术,在当今的医学成像领域,逐渐成为最尖端的成像技术。光电探测器是用于探测入射光子的硬件设备,是PET成像系统的核心,它的工作原理是入射光子落入闪烁晶体并发生正电子湮灭,将反应过程中入射光子损失的能量转换成电信号,再由成像系统的其它部件对电信号进行成形、滤波、放大等处理,最终得到发生正电子湮灭的的能量、时间等信息。作为一个由雪崩二极管组成的半导体器件,SiPM探测器对温度和偏置高压都很敏感。SiPM探测器增益正比于偏置高压与反向击穿电压的差值,反向击穿电压又受到温度的影响,在光电转换实验中,温度漂移会导致反向击穿电压的改变,进而使得探测器的增益发生改变。实验结果说明,温度变化反向击穿电压有一个28mV/℃的温度系数,意味着温度改变了10℃,反向击穿电压改变了大约0.28V,相比较于几伏的过电压,这是一个很大的畸变。光电探测器的温度特性不但会影响到探测器其他的物理性能比如时间分辨率,而且是计算机重建PET图像实验条件一致性的前提。因此温度补偿系统成为了国内外PET研究的重点之一,早在2000年就有国外学者行了SiPM的温度特性研究,近几年很多关于SiPM的温度补偿系统相继被提出。通过调研发现,一方面,很多温度补偿方案来自于国外,国内的相关研究案例很少;另一方面,很多的方案都已不适应当前的PET应用需求,所以本文提出了一种应用于SiPM的温度自动补偿系统。本文基于光电探测器SiPM的增益正比于反向偏置高压与反向击穿电压的差值的原理,提出一种通过动态调节探测器反向偏置高压来补偿温度变化导致的增益变化的方案。本文对国内外的几种经典的探测器温度补偿系统或者应用进行了研究探讨,基于各自的研究场合讨论了各自的创新点和缺点,其创新点将作为本系统设计的理论基础,但是也有一些不足,例如没能在温度补偿系统中加入微控制器,不能实现自动的温度补偿功能。或者只应用于集成的MPPC光电转换模块,系统微型化但是价格昂贵。其缺点将作为本系统设计的切入点,以期在现有的研究成果上展开更深入或者全面的研究。本文基于电子学设计了温度补偿系统的各个功能模块,实现探测器温度的测量、计算得到补偿当前温度的反向偏置高压、控制探测器的高压供电模块的输出电压、上位机实时显示当前探测器温度的功能,软件设计方面,采用C高级语言分别开发了主控程序、温度采集程序、高压控制程序和串口通信程序;采用Matlab语言设计了SiPM器件光电峰位计算程序;最后设计了系统功能验证的环节,用于验证系统的有效性和实用性。本文设计搭建了SiPM探测器增益特性试验系统,分别得出探测器的增益和温度、增益和反向偏置高压的关系模型,这些关系模型将作为温度补偿的依据。为了验证本系统的功能有效性和优越性,分别设计了两种实验,第一种是不连续采集验证,实验结果说明,不加入温补系统情形,在温度改变5℃的情况下增益产生41.8%,在加入温补系统后,这一改变幅度被减小到3%。在温度改变10℃的情形,增益改变幅度为96%,再加入温补系统后这一幅度为7.8%。第二种验证的方式为连续采集验证,实验结果证明,由于温度漂移影响,增益发生改变,能谱图的光电峰位发生位移,使得最终的累积能量分布曲线发生了畸变,光电峰位发生9.3%的位移。在加入温度补偿系统后,实验结果证明,增益的改变被弥补,累积能量分布曲线与标准的曲线相比较,几乎没发生畸变,光电峰位的位移幅度为0.47%。两种采集验证的结果有力的说明了温度补偿系统对温度漂移的补偿作用,达到了系统的设计目标,实现了系统的功能。本文的研究内容包括PET成像系统的原理、SiPM探测器的物理性能、系统各个功能模块的设计实现和全面的功能验证,是一个完整的研究与设计方案,对后续的相关研究有着重要的参考价值。
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【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN36

【参考文献】