發(fā)布時間：2020-07-24 01:49

【摘要】：正電子發(fā)射計算機斷層成像(Positron Emission Tomography,PET)是一種先進的核醫(yī)學(xué)成像技術(shù),它將由放射性核素標(biāo)記的藥物引入生物體,放射性藥物在生物體內(nèi)隨著代謝重新分布后,由PET探測器捕獲正負(fù)電子湮滅產(chǎn)生的Y光子,并經(jīng)過測量和圖像重建得到放射性藥物在體內(nèi)的分布及動態(tài)變化圖像。PET成像技術(shù)目前已經(jīng)成為重要的臨床醫(yī)療診斷手段和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要研究工具。小動物PET作為PET成像系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用,近年來成為研究熱點。相較于人體臨床PET成像系統(tǒng),需要更高的分辨率來觀察更小的小動物組織。小動物PET成像系統(tǒng)的性能由探測器、電子學(xué)分辨率和圖像重建算法共同影響。對于高精度的小動物PET探測器,自然需要高精度的電子學(xué)系統(tǒng)來處理其產(chǎn)生的信號。因此研究結(jié)構(gòu)簡單、精度高的電子學(xué)系統(tǒng)是小動物PET領(lǐng)域的研究熱點之一。小動物PET的電子學(xué)系統(tǒng)主要由前端放大電路、單事件處理電子學(xué)和符合電子學(xué)組成,其中單事件處理電子學(xué)是系統(tǒng)的核心功能部分。本文針對一款高性能小動物PET成像系統(tǒng),設(shè)計了前端讀出電子學(xué)中的單事件處理電子學(xué)。此電子學(xué)主要完成SiPM(Silicon Photon Multiplier)輸出信號的電荷和時間測量,進而得到探測器產(chǎn)生事例的能量、電荷和時間信息。本論文針對小動物PET讀出需求研究了相應(yīng)的高精度電荷和時間測量技術(shù),并基于FPGA(Field Program Gate Array)中設(shè)計了相應(yīng)處理算法,實現(xiàn)了小動物PET成像系統(tǒng)工作時所需的功能。時間測量使用模擬求和、前沿甄別結(jié)合時間-數(shù)字變換(TDC)技術(shù);電荷測量采用濾波成形、波形數(shù)字化結(jié)合數(shù)字求和算法,保證了電子學(xué)的測量精度。在上述研究基礎(chǔ)上,進行了實際的單事件處理電子學(xué)的設(shè)計和測試。電子學(xué)測試結(jié)果表明,單事件處理單元在2V輸入信號下,電荷測量半高全寬(FWHM)精度好于3‰,時間測量FWHM精度好于300ps,位置測量FWHM精度好于3 ‰,這些性能均好于應(yīng)用需求。最后,完成了電子學(xué)與探測器的初步聯(lián)合測試,測試結(jié)果表明單事件處理電子學(xué)功能和性能均滿足應(yīng)用需求。本論文結(jié)構(gòu)安排如下:第一章介紹了 PET成像系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用價值,以及小動物PET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和研究歷史;第二章針對小動物PET的讀出需求,調(diào)研了主要的時間和電荷測量方法,并列出了典型的小動物PET成像讀出電子學(xué)系統(tǒng)。這為本論文單事件處理電子學(xué)的研究提供了重要參考。第三章介紹了單事件處理電子學(xué)中各部分具體的電路設(shè)計,詳細論述了電路仿真結(jié)果、關(guān)鍵參數(shù)的討論以及一些器件的選型依據(jù)等。第四章詳細介紹了單事件處理電子學(xué)中算法邏輯的設(shè)計,包括數(shù)字求和、FPGATDC,多種工作模式下的數(shù)據(jù)處理與修正,以及基于UDP協(xié)議的接口邏輯等。第五章主要介紹了實驗室電子學(xué)測試及與探測器聯(lián)調(diào)測試的結(jié)果。測試結(jié)果表明,電子學(xué)性能滿足應(yīng)用需求。第六章為論文的總結(jié)和展望。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R817;TP391.41
【圖文】：

ＰＥＴ是一種核醫(yī)學(xué)分子成像技術(shù)，也是一種功能成像技術(shù)。一些其他的成像逡逑技術(shù)，例如計算器斷層成像（Ｃｏｕｍｐｕｔｅｄ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）和核磁共振（Ｎｕｃｌｅａｒ逡逑Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋Ｉｍａｇｉｎｇ，邋ＭＲＩ）為解剖成像方法，他們主要利用生物體組織逡逑密度不同或者組織中的水分子密度不同成像［２，邋７］。ＰＥＴ圖像與其他核醫(yī)學(xué)圖像逡逑不同，不僅具有較高的分辨率，它還與ＣＴ和ＭＲＩ等以反映組織密度信息為主逡逑的斷層圖像不同，是一種排除了組織密度影響的斷層圖像。又因為ＰＥＴ使用的逡逑示蹤劑能參與生物體內(nèi)的各種新陳代謝過程，同時代謝過程不會受示蹤劑影響而逡逑發(fā)生異常，所以ＰＥＴ成像能以功能成像技術(shù)的優(yōu)點反映出被標(biāo)記的組織器官的逡逑病理生理變化，這是ＣＴ、ＭＲＩ等解剖學(xué)成像技術(shù)所不具有的。正是由于ＰＥＴ圖逡逑像能夠直觀的反映未知的病理生理變化，它對推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重要意義逡逑［８，９］。逡逑１．１．２邋ＰＥＴ的應(yīng)用逡逑ＰＥＴ成像技術(shù)目前作為臨床醫(yī)療工具，被廣泛用于各種疾病的診斷，同時逡逑

可以持續(xù)觀察同一只小動物的，不需要處死小動物，彌補了傳統(tǒng)動物實驗的局限逡逑性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著非常重要的作用，不是其他成像工具可以替代的。由于逡逑以上優(yōu)勢，小動物ＰＥＴ成像系統(tǒng)成為了醫(yī)學(xué)研宄和其他專業(yè)領(lǐng)域研宄的重要工逡逑具［１９，邋２２］。逡逑１．２．２小動物ＰＥＴ的結(jié)構(gòu)組成逡逑小動物ＰＥＴ系統(tǒng)和ＰＥＴ系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)都是：探測器，電子學(xué)系統(tǒng)和逡逑計算機的數(shù)據(jù)采集與圖像重建，如圖１．２。探探測器部分主要負(fù)責(zé)探測Ｙ光子轉(zhuǎn)逡逑換為電信號，其包括晶體和光電轉(zhuǎn)換器件或者特殊的半導(dǎo)體探測器。電子學(xué)系統(tǒng)逡逑包括讀出電子學(xué)和符合電子學(xué)。讀出電子學(xué)的功能是將探測器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)逡逑換為數(shù)字信號，并得到模擬信號的時間、能量和位置信息。符合電子學(xué)的功能則逡逑是隨讀出電子學(xué)輸出的數(shù)字信號進行符合，得到有用的符合事例。計算機的數(shù)據(jù)逡逑采集與圖像重建負(fù)責(zé)對整個成像系統(tǒng)的掃描進行控制并收集符合事例，得到ＰＥＴ逡逑重建的三維圖像。下面介紹其中的閃爍晶體陣列、光電轉(zhuǎn)換器件及圖像重建算法。逡逑電子學(xué)部分將會在下面的章節(jié)具體介紹。逡逑

圖１．３光電倍增管的原理結(jié)構(gòu)圖［３４］逡逑（２）雪崩光電二極管逡逑雪崩光電二極管（Ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，邋ＡＰＤ）如圖１．４所不，是一種基于Ｐ－逡逑Ｎ結(jié)技術(shù)的半導(dǎo)體型光電轉(zhuǎn)換器件。ＡＰＤ的工作原理類似于ＰＭＴ，利用載流子逡逑的雪崩效應(yīng)來放大信號［３７］。ＡＰＤ是一種Ｐ－Ｎ結(jié)型的光電轉(zhuǎn)換器件，ＡＰＤ中光逡逑生載流子為電子空穴對，利用較高的方向電場，加速載流子，使其發(fā)生雪崩效應(yīng)，逡逑從而得到較高的電信號輸出｜；３８］。ＡＰＤ的偏置電壓為１００－２００Ｖ，可使進入的光逡逑信號放大１０２？１０３倍左右。ＡＰＤ的光電轉(zhuǎn)換效率高，容易加工到比較小的尺寸，逡逑可以實現(xiàn)較高的位置分辨率，因此己被用在有一些ＰＥＴ及小動物ＰＥＴ系統(tǒng)上。逡逑并具ＡＰＤ有磁兼容性，可以應(yīng)用在與ＭＲＩ結(jié)合的ＰＥＴ成像系統(tǒng)中。但是，ＡＰＤ逡逑的增益較低

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本文編號：2768138