小动物PET单事件处理电子学的研究

发布时间：2020-07-24 01:49

【摘要】：正电子发射计算机断层成像(Positron Emission Tomography,PET)是一种先进的核医学成像技术,它将由放射性核素标记的药物引入生物体,放射性药物在生物体内随着代谢重新分布后,由PET探测器捕获正负电子湮灭产生的Y光子,并经过测量和图像重建得到放射性药物在体内的分布及动态变化图像。PET成像技术目前已经成为重要的临床医疗诊断手段和生物医学领域的重要研究工具。小动物PET作为PET成像系统的一个重要应用,近年来成为研究热点。相较于人体临床PET成像系统,需要更高的分辨率来观察更小的小动物组织。小动物PET成像系统的性能由探测器、电子学分辨率和图像重建算法共同影响。对于高精度的小动物PET探测器,自然需要高精度的电子学系统来处理其产生的信号。因此研究结构简单、精度高的电子学系统是小动物PET领域的研究热点之一。小动物PET的电子学系统主要由前端放大电路、单事件处理电子学和符合电子学组成,其中单事件处理电子学是系统的核心功能部分。本文针对一款高性能小动物PET成像系统,设计了前端读出电子学中的单事件处理电子学。此电子学主要完成SiPM(Silicon Photon Multiplier)输出信号的电荷和时间测量,进而得到探测器产生事例的能量、电荷和时间信息。本论文针对小动物PET读出需求研究了相应的高精度电荷和时间测量技术,并基于FPGA(Field Program Gate Array)中设计了相应处理算法,实现了小动物PET成像系统工作时所需的功能。时间测量使用模拟求和、前沿甄别结合时间-数字变换(TDC)技术;电荷测量采用滤波成形、波形数字化结合数字求和算法,保证了电子学的测量精度。在上述研究基础上,进行了实际的单事件处理电子学的设计和测试。电子学测试结果表明,单事件处理单元在2V输入信号下,电荷测量半高全宽(FWHM)精度好于3‰,时间测量FWHM精度好于300ps,位置测量FWHM精度好于3 ‰,这些性能均好于应用需求。最后,完成了电子学与探测器的初步联合测试,测试结果表明单事件处理电子学功能和性能均满足应用需求。本论文结构安排如下:第一章介绍了 PET成像系统的工作原理和应用价值,以及小动物PET系统结构和研究历史;第二章针对小动物PET的读出需求,调研了主要的时间和电荷测量方法,并列出了典型的小动物PET成像读出电子学系统。这为本论文单事件处理电子学的研究提供了重要参考。第三章介绍了单事件处理电子学中各部分具体的电路设计,详细论述了电路仿真结果、关键参数的讨论以及一些器件的选型依据等。第四章详细介绍了单事件处理电子学中算法逻辑的设计,包括数字求和、FPGATDC,多种工作模式下的数据处理与修正,以及基于UDP协议的接口逻辑等。第五章主要介绍了实验室电子学测试及与探测器联调测试的结果。测试结果表明,电子学性能满足应用需求。第六章为论文的总结和展望。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R817;TP391.41
【图文】：

ＰＥＴ是一种核医学分子成像技术，也是一种功能成像技术。一些其他的成像逡逑技术，例如计算器断层成像（Ｃｏｕｍｐｕｔｅｄ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）和核磁共振（Ｎｕｃｌｅａｒ逡逑Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋Ｉｍａｇｉｎｇ，邋ＭＲＩ）为解剖成像方法，他们主要利用生物体组织逡逑密度不同或者组织中的水分子密度不同成像［２，邋７］。ＰＥＴ图像与其他核医学图像逡逑不同，不仅具有较高的分辨率，它还与ＣＴ和ＭＲＩ等以反映组织密度信息为主逡逑的断层图像不同，是一种排除了组织密度影响的断层图像。又因为ＰＥＴ使用的逡逑示踪剂能参与生物体内的各种新陈代谢过程，同时代谢过程不会受示踪剂影响而逡逑发生异常，所以ＰＥＴ成像能以功能成像技术的优点反映出被标记的组织器官的逡逑病理生理变化，这是ＣＴ、ＭＲＩ等解剖学成像技术所不具有的。正是由于ＰＥＴ图逡逑像能够直观的反映未知的病理生理变化，它对推动现代医学的发展具有重要意义逡逑［８，９］。逡逑１．１．２邋ＰＥＴ的应用逡逑ＰＥＴ成像技术目前作为临床医疗工具，被广泛用于各种疾病的诊断，同时逡逑

可以持续观察同一只小动物的，不需要处死小动物，弥补了传统动物实验的局限逡逑性，在生物医学领域有着非常重要的作用，不是其他成像工具可以替代的。由于逡逑以上优势，小动物ＰＥＴ成像系统成为了医学研宄和其他专业领域研宄的重要工逡逑具［１９，邋２２］。逡逑１．２．２小动物ＰＥＴ的结构组成逡逑小动物ＰＥＴ系统和ＰＥＴ系统的主要组成结构都是：探测器，电子学系统和逡逑计算机的数据采集与图像重建，如图１．２。探探测器部分主要负责探测Ｙ光子转逡逑换为电信号，其包括晶体和光电转换器件或者特殊的半导体探测器。电子学系统逡逑包括读出电子学和符合电子学。读出电子学的功能是将探测器产生的模拟信号转逡逑换为数字信号，并得到模拟信号的时间、能量和位置信息。符合电子学的功能则逡逑是随读出电子学输出的数字信号进行符合，得到有用的符合事例。计算机的数据逡逑采集与图像重建负责对整个成像系统的扫描进行控制并收集符合事例，得到ＰＥＴ逡逑重建的三维图像。下面介绍其中的闪烁晶体阵列、光电转换器件及图像重建算法。逡逑电子学部分将会在下面的章节具体介绍。逡逑

图１．３光电倍增管的原理结构图［３４］逡逑（２）雪崩光电二极管逡逑雪崩光电二极管（Ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，邋ＡＰＤ）如图１．４所不，是一种基于Ｐ－逡逑Ｎ结技术的半导体型光电转换器件。ＡＰＤ的工作原理类似于ＰＭＴ，利用载流子逡逑的雪崩效应来放大信号［３７］。ＡＰＤ是一种Ｐ－Ｎ结型的光电转换器件，ＡＰＤ中光逡逑生载流子为电子空穴对，利用较高的方向电场，加速载流子，使其发生雪崩效应，逡逑从而得到较高的电信号输出｜；３８］。ＡＰＤ的偏置电压为１００－２００Ｖ，可使进入的光逡逑信号放大１０２？１０３倍左右。ＡＰＤ的光电转换效率高，容易加工到比较小的尺寸，逡逑可以实现较高的位置分辨率，因此己被用在有一些ＰＥＴ及小动物ＰＥＴ系统上。逡逑并具ＡＰＤ有磁兼容性，可以应用在与ＭＲＩ结合的ＰＥＴ成像系统中。但是，ＡＰＤ逡逑的增益较低

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 曾晶;;浅谈高职院校危机事件处理及应急策略[J];新校园(上旬);2016年11期

2 雷思明;;没有共识怎能防治校园欺凌[J];教书育人;2017年11期

3 江连峰;赵佳宝;;复杂事件处理技术及其应用综述[J];软件;2014年02期

4 ;复杂环境弱化威胁——TIBCO推出复合式事件处理解决方案[J];每周电脑报;2005年16期

5 尹小玲;;浅谈高校学生危机事件处理的原则和机制建构[J];青年文学家;2012年14期

6 张晓鹏;李建民;林振荣;;复杂事件处理技术在RFID中间件中的研究[J];微计算机信息;2009年26期

7 游智超;;探讨与比较Java和NET的事件处理框架[J];程序员;2004年11期

8 刘皓玮;易志刚;张源;;铁路调度系统复杂事件处理方法的研究[J];铁路计算机应用;2016年06期

9 方明星;宋庭新;胡红霞;;物联网复杂事件处理的研究及应用[J];计算机与数字工程;2012年05期

10 蔡学镛;;轻松理解复合事件处理[J];程序员;2010年06期

相关会议论文 前5条

1 江希;;简析NGO参与社会治理中危机事件处理的路径[A];“决策论坛——区域发展与公共政策研究学术研讨会”论文集（上）[C];2016年

2 王钊;赵旭东;;一种基于Petri网的RFID复杂事件处理方法的研究[A];2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2011年

3 谷峪;胡小龙;李传文;于戈;;REvent:一种面向RFID应用的复杂事件处理系统[A];NDBC2010第27届中国数据库学术会议论文集(B辑)[C];2010年

4 魏永超;陈立军;;数据流上复杂事件处理系统Eagle的设计与实现[A];第二十五届中国数据库学术会议论文集（一）[C];2008年

5 李想;范玉顺;乔颖;王宏安;;基于实时复杂事件处理的智能家居监控系统[A];第29届中国数据库学术会议论文集（B辑）（NDBC2012）[C];2012年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 侯丽 姚晓丹;加强应对国际重大事件处理能力[N];中国社会科学报;2018年

2 雷思明 北京市冠衡律师事务所律师、第八届北京市律师协会教育法律专业委员会副主任;没有共识怎能防治校园欺凌[N];中国教育报;2016年

3 报道组 吴莉莉;开化“四个平台”见效管用[N];衢州日报;2017年

4 本报记者 李竞立 实习生 梁竞文;经开区：运用“大数据”创新社会治理[N];云南日报;2017年

5 李彪;事件处理要善于“危中寻机”[N];中国城乡金融报;2010年

6 独山子石化公司副总工程师 安全副总监 李法新;事故事件处理原则是事故认识的新突破[N];中国石油报;2009年

7 本报首席评论员 刘思敏;从四个角度看亚航事件处理决定[N];中国旅游报;2014年

8 记者 李禾;环保部公布一季度13起重点污染事件处理情况[N];科技日报;2013年

9 记者　富子梅、何聪;欣弗事件处理结果公布[N];人民日报;2006年

10 记者 邵杰;综治管理信息化 事件处理联动化[N];四平日报;2016年

相关博士学位论文 前6条

1 邓佩佩;小动物PET单事件处理电子学的研究[D];中国科学技术大学;2018年

2 秦小虎;城市交通紧急事件处理与安全系统模型及应用研究[D];重庆大学;2005年

3 王东;信息系统集成方法与复杂事件处理关键技术研究[D];西北大学;2016年

4 李慧勇;基于时空约束的车联网事件监控方法与技术研究[D];华东师范大学;2015年

5 范明虎;传感网环境下事件驱动的林火动态观测方法研究[D];武汉大学;2013年

6 谷峪;不确定性RFID流数据管理关键技术研究[D];东北大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈炫伶;基于查询计划的分布式复杂事件处理技术研究[D];湖南大学;2017年

2 尚永明;分布式复杂事件处理关键技术研究[D];华北电力大学;2015年

3 矫彦;金融行业中复杂事件处理的应用研究[D];上海交通大学;2012年

4 高蓉;从信息不对称看我国危机事件处理[D];天津外国语学院;2008年

5 曾庆香;物联网复杂事件处理机制的研究与实现[D];北京邮电大学;2014年

6 项立锋;基于复杂事件处理的企业应用与研究[D];浙江大学;2010年

7 李妍;分布式复杂事件处理系统的研究与实现[D];北京邮电大学;2017年

8 姚仁贵;基于上下文环境的复杂事件处理研究[D];天津大学;2017年

9 黎聪;基于时间区间的RFID复杂事件处理方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

10 赵yN迪;复杂事件处理技术及其在电力系统中的应用[D];华北电力大学;2015年

本文编号：2768138