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高空间分辨率动物全数字PET仪器研制

发布时间:2020-06-20 17:00
【摘要】:空间分辨率是正电子断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)系统中重要的性能之一,在全数字PET框架下,本文对高空间分辨率动物PET仪器进行了研制。首先研究了影响PET系统空间分辨率的因素,动物PET非共线性对空间分辨率影响很小,主要因素是PET探测器内在分辨率。随着动物PET探测器的晶体条越切越细,解码因子的重要性凸显出来。阐述了全数字PET概念及框架,通过实现从源头对PET闪烁脉冲的数字化,最大化的提升了数据获取(Data Acquisition,DAQ)系统的数字化水平。其次进行了基于硅光电倍增管(Silicon PhotoMultiplier,SiPM)高分辨率PET探测器的研制。从SiPM的增益、光子探测效率、暗计数、相邻串扰、寄生脉冲和温度敏感性等性能分析了 SiPM应用在PET上的优势和挑战。通过全面的对SiPM/PET探测器能量分辨率的各种影响因素进行了理论分析和实验验证,微像素单元密度为400/mm2的SiPM最适合PET应用。提出了一种双射源法对3种不同微像素单元密度的SiPM的非线性的能量谱进行了校正,得到了更为正确的能量谱与能量分辨率。提出了两种高分辨率SiPM/PET前端探测器设计方案,以及对比了四种DAQ多通道复用方案。选择了阵列晶体耦合SiPM的方式,采用(Symmetric Charge Division Circuit,SCD)复用电路,并且引入了不同温度增益自适应校正方案,完成了基于SiPM的数字PET探测器的优化与实现。然后,对高空间分辨率动物全数字PET探测器展开了研制。对同样探测面积的基本探测模块(Basic Detector Module,BDM)升级至高空间分辨率BDM-S模块,以多电压阈值(Multi-Voltage Threshold,MVT)数字化方法为核心,对DAQ系统进行了相应的升级,并在服务器上完成软符合系统和图像重建的升级,完成了高空间分辨率数字PET系统的开发。进一步对解码因子b深入分解为前端探测器设计和DAQ数字化水平两个因素。以三种不同前端测器设计方案对多家动PET进行分类,并列举了几种DAQ数字化水平不同的PET系统,随着计算机工业的进步,从纯粹模拟电路发展到专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC),再到充分利用脉冲先验信息的MVT数字化方法,DAQ数字化水平依次变高,对解码因子贡献也相应变小。最后在完成基于新型光电转换器件SiPM的动物全数字PET探测器,和高空间分辨率动物全数字PET探测器的研制,在全数字PET框架下,采用软符合系统,对全数字PET仪器进行了系统集成,并给出了 PET系统空间分辨率评估方法和评估结果。经过仿真和实际实验,高空间分辨率数字PET能够区分包括0.7 mm直径的Derenzo扇区。针对PET系统中不同通道间的时间偏移不同,提出了一种基于圆环假体的PET系统时间偏移优化方法。该方法使用PET常用的液态放射源,只有简单的n(n为PET通道数)级别的加法运算,并可以将优化单元缩小至PET可探测的最小位置单元,将有效地提升系统时间分辨率。在系统层面上,通过设定与时间分辨率对应的时间窗5 ns和2.5 ns,绘制系统NECR曲线,有效的提升了系统NECR值。该方法可进一步可推广至临床PET中使用。描述了动物全数字PET中进行的部分应用结果。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH772
【图文】:

示踪剂,反应过程,物理,光子


位素会发生P+衰变,释放出正电子(Positron)。正电子会与生物体中广泛存在的逡逑电子e发生qY灭反应,之后转化为能量511邋keV、方向相反的两个y光子,该过程如逡逑图1-1所示。逡逑\逦SllKeVy邋光子逡逑V逡逑5UKeVy光子逡逑图1-1:邋PET过程中示踪剂发生的物理反应过程。逡逑i逡逑

示意图,成像过程,事件


photodiodes,邋APD)逦及扣PM邋等。逡逑PET数据获取系统从光电转换器件输出的电信号中,获取单事件需要的能量、逡逑位置、时间信息。图1-2中所示为PET邋DAQ系统流程示意图。在这一系列物理过程逡逑中,首先qY灭事件发生在两个探测器的位置,会造成两个时间本质上的飞行时间逡逑(Time邋Of邋Fli班t,邋TOF)误差;其次从y光子到得到时间信息会经历多个不确定性的逡逑延迟环节,进一步造成两个事件信息的时间差。所W,在PET中设定一定的符合时逡逑间窗(10-20邋ns,或者更短),落在时间窗内的两个时间为一对符合事件被记录下来。逡逑因为存在这种时间不确定性,系统的符合事件通常包含H种类型:真符合事件、散逡逑射符合事件和随机符合事件。其中,散射符合事件中有一个y光子因为康普顿散射逡逑2逡逑

【参考文献】

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本文编号:2722700


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