基于SiPM的高空间分辨率动物PET探测器设计

发布时间：2020-04-08 17:02

【摘要】：正电子断层成像(Positron Emission Tomography,PET)是一种具有非侵入性特点、可实时、可定量进行功能性成像的医学影像设备,它可以动态、无创的评估反映出活体组织内部各部位的生化代谢情况和活动功能。PET目前广泛应用于在肿瘤的先期诊断与术后检测。同时其也在心脏系统疾病以及神经系统疾病等方面的诊断治疗发挥越来越大的作用。由于其无创、动态特点在生物医学研究以及药物开发等领域具有的独特应用价值。由于数字化具有抗干扰能力强,易于改进升级,便于应用各种校正的优势,所以数字PET设计是近些年来研究热点之一。本文主要工作内容为基于硅光电倍增管(Silicon Photo-Multiplier,SiPM)以及数字化PET技术完成动物PET高空间分辨率探测器的设计。SiPM作为半导体光电倍增器件具有体积小、成本低、增益高、供电电压低、对磁场不敏感等优点,在PET设计中正逐渐的替代光电倍增管(Photom-Multiplier Tubes,PMT)成为新一代基础元件。由于SiPM阵列体积小,搭建系统时通道数众多,后端复杂度高。为了降低通道数目提高系统集成度,简化复杂度,本文对SiPM阵列应用了通道复用,将36个SiPM共72个输出信号复用为5路信号输出。并在前端探测模组中设计并引入了适用本设计的切割光导提高探测器性能。在信号数字化采集中,将基于先验信息的多阈值电压数字化闪烁脉冲采样方法应用于电子学设计,完成闪烁脉冲信号的数字化采集。并提出一种增益自适应方法以减小同型号不同增益或不同批次SiPM阵列的应用差异性。本工作使用所设计探测器搭建了一个十二边型PET探测环作为性能评估装置,对探测器的性能进行了评估。本文所设计探测器模组具有106×53mm~2的探测面积,采用数字化模块化思想设计,灵活性强,易于拓展。位置谱清晰,所有晶体条可以被算法有效识别,基本探测模组的平均能量分辨率为14.7%@511keV。同时在探测器级别具有1.4ns的时间分辨率,在基本探测单元级别具有1.1ns时间分辨率。通过对Derenzo假体对其空间分辨率进行了性能评估,在最终成像中可以分辨出1.0mm的孔径。
【图文】：

过程图,放射性同位素,γ光子,过程

图 1-1 放射性同位素产生 γ 光子过程据获取生后会被 PET 探测器捕获并获得其中蕴含的信息，PET 分别是前端探测器模组和后端电子学数据获得系统。前子，将高能光子转化为电信号用于后续检测，主要由闪烁闪烁晶体这一材料具有较高密度，光子在其内部可以进子完成能量沉积后会生成可见光光子，一般的，，在 PET 过光子数与 γ 光子自身能量存在一定线性关系，可见光数产生的信号幅值越大。PET 探测器中常用的闪烁晶体有。可见光光子由光电转换器件转换为电信号，由于闪烁晶小，光电转换器件还需要具有较高增益完成对微弱电信号电子转换器件有雪崩光电二极管（Advalanche Photodiodeto-Multiplier Tubes, PMT）以及硅光电倍增器件（Silicon Ph后端电子学数据获得系统主要负责将前端探测器输出的电

统计分布,成像过程,系统数据,事件

图 1-2 PET 系统数据获取及成像过程在 PET 数据获取系统中会得到散射符合事件、随机符合事件和真符合事件合事件。如图 1-3 所示，散射符合事件是一对 γ 光子在活体组织内发生散射康普顿散射）后被探测器同时获取；随机符合事件是随机发生，探测器探不相关的 γ 光子成为一对符合事件；真符合事件就是一对正常在物体或组湮灭反应后产生的一对 γ 光子被获取。散射事件和随机事件造成了错误的大的降低最终成像的信噪比，在符合之前采用合适的能量窗可以将大多散件滤除，PET 系统中常用的能量窗有～ keV 和～ keV 。随件其可以由公式 R A1A2 T 来计算，其中 A1和 A2分别为同一条 LOR测器各自的单事件计数率， T 为 PET 系统的时间窗。由公式得出在 PET以通过减小系统符合中使用时间窗来减小随机符合事件数量。首先引入探分辨率的概念，将一个点状射源置于一对 PET 探测器的中心位置采集一定计算采集数据中符合事件的到达时间差值，由于 PET 过程中各种不确定度该差值统计分布为一个高斯分布，对其进行高斯拟合后取其半高宽（Full
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77

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