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小动物PET单事件处理电子学的研究

邓佩佩  
【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。


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