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1、高空间分辨率动物全数字 PET 仪器研制 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
2、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
3、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
4、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
5、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。