數(shù)字閃爍探測(cè)器.pdf

1、PET通過(guò)檢測(cè)攝入活體內(nèi)放射性示蹤劑的分布狀態(tài)對(duì)機(jī)體內(nèi)各器官的代謝水平、生化反應(yīng)、功能活動(dòng)和灌注進(jìn)行定量、動(dòng)態(tài)地評(píng)估。按信號(hào)流順序，PET被分為探測(cè)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(cè)器系統(tǒng)通常由多個(gè)閃爍探測(cè)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(guò)對(duì)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(guò)后續(xù)的圖像顯示與分析系統(tǒng)展現(xiàn)出來(lái)?，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(lái)對(duì)閃爍脈沖進(jìn)行處理，粒子的能量沉積大小、時(shí)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(hào)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(duì)閃爍脈沖的幅值大小、脈沖持續(xù)時(shí)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(cè)器的特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)；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(jiǎn)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(wú)法應(yīng)用；模擬電路系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)閃爍探測(cè)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(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)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(guò)程中不再因模擬電路的信號(hào)帶寬、噪聲干擾等因素影響信號(hào)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(jì)和開(kāi)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(hào)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(hào)處理和分析的過(guò)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(cè)器相結(jié)合，直接輸出數(shù)字閃爍脈沖的數(shù)字閃爍探測(cè)器極具發(fā)展前景。數(shù)字閃爍探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)將簡(jiǎn)化PET系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的工程開(kāi)發(fā)難度；快速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)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(cè)器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。受采樣率和功耗的限制，一直以來(lái)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(wèn)題。在對(duì)粒子能量沉積時(shí)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(jiǎn)稱MVT）方法則通過(guò)對(duì)閃爍脈沖過(guò)閾

6、值電壓的時(shí)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器便可實(shí)現(xiàn)，具有工程開(kāi)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(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)以及應(yīng)用展開(kāi)研究工作。
　　首先，通過(guò)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(guò)低通濾波器濾除，但粒子能量沉積時(shí)間信息的

7、提取精度卻因此而惡化。針對(duì)這一問(wèn)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(duì)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(shí)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(duì)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了精確MVT采樣電路。解決了傳統(tǒng)TDC因死時(shí)間而

8、無(wú)法應(yīng)用于精確MVT采樣電路的問(wèn)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(guò)閾值電壓的時(shí)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(shí)間響應(yīng)不一致帶來(lái)的數(shù)字化精度下降的問(wèn)題。將實(shí)現(xiàn)的精確MVT采樣電路應(yīng)用于一對(duì)LYSO/SiPM探測(cè)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(shí)間分

9、辨率。
　　再次，提出了數(shù)字閃爍探測(cè)器架構(gòu)，按信號(hào)流的順序劃分為探測(cè)器單元、數(shù)字化單元以及接口單元。數(shù)字閃爍脈沖通過(guò)接口單元傳輸出來(lái)，粒子能量沉積信息則由后續(xù)數(shù)字脈沖分析、處理平臺(tái)通過(guò)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(cè)器進(jìn)行PET等系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，僅需在計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字脈沖分析、處理平臺(tái)中開(kāi)發(fā)相應(yīng)的算法和程序即可完成。數(shù)字閃爍探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)，降低了PET等系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)器的實(shí)現(xiàn)，時(shí)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(jiǎn)潔，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成像性能優(yōu)異等特點(diǎn)。為針對(duì)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(cè)器，本文針對(duì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)其中針對(duì)臨床腦部成像的PET系統(tǒng)進(jìn)行了初步的性能評(píng)估和假體