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基于线性光电器件的PET闪烁脉冲数字化方法研究

王希  
【摘要】:正电子断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)是一种非侵入性的功能成像设备,能够无创、定量、动态的评估活体内各种器官的代谢水平、生化反应、功能活动和灌注,在肿瘤、心血管、神经系统等疾病的临床诊断,以及相关疾病的病理学研究、药理学研究、药物开发等研究领域发挥这巨大的作用。 为了进一步提高PET图像质量,高计数能力、高分辨率性能是PET仪器发展的趋势。传统PET数据获得系统都是基于模拟技术实现的,由于数据获得过程中大量的积分电路,严重的限制着PET系统计数率的提高。此外,模拟电路抗干扰能力较弱,容易受到温度等外界环境的干扰,且由于PET系统中数据处理通道数目众多,使得基于模拟技术的PET系统性能难以维护。由于数字系统能够实现流水线的处理结构,并具有较强的抗干扰能力,基于数字化技术的PET数据获得系统实现,是近几年PET设备开发的热点问题之一。但由于PET探测器产生的闪烁脉冲速度很快,目前主流的基于LSO/LYSO闪烁晶体的PET探测器输出的闪烁脉冲,上升时间约2~10ns,下降沿余辉时间常数40~50ns,使用ADC直接对闪烁脉冲采样,则要求ADC具备很高的采样率。这使得开发数字化的PET数据获得系统变得十分困难。 本文针对PET探测器闪烁脉冲,研究了利用数字化采样方法直接数字化闪烁脉冲,以及数字化脉冲处理方法获取闪烁脉冲的时间信息、能量信息、位置信息。全面、系统地研究了基于传统ADC对闪烁脉冲直接采样的数据获得方法,并评估了ADC采样率、ADC工作模式、数值积分区间等多种因素分别对获取闪烁时间、能量、位置信息的影响。同时,本文研究了基于多阈值(Multi-Voltage Thresholds,MVT)采样方法直接数字化PET闪烁脉冲的数据处理方法,分别获取PET闪烁脉冲的时间信息、能量信息和位置信息。全面的评估了阈值个数、阈值电压设置等因素分别对获取脉冲时间信息、能量信息和位置信息的影响。并根据多阈值采样获取闪烁脉冲采样点的特点,分别针对获取脉冲能量信息提出了下降沿误差校正的改进处理方法,和针对位置信息获取的低幅值阈值设置方法,能够更准确的获取PET闪烁脉冲信息,更一步完善了基于多阈值采样的PET闪烁脉冲信息获取方法。 本文提出了一种新颖的堆积事件数字化处理方法(DiSER方法)。该方法能够从数字闪烁脉冲中,甄别出堆积事件脉冲,并依据闪烁脉冲模型,依次重建出堆积事件中各个单次事件脉冲。进而各个单次事件的信息,包括能量、时间、位置等,可以从重建的脉冲中获取。实验证明,DiSER方法能够在计数率高达7MCPS(Mega-Counts per Second, MCPS)的情况下,能够较好的恢复堆积事件中各个单次事件的能量信息和时间信息;能够在计数率高达11MCPS的情况下,能够较好的恢复各个单次事件的位置信息,获得没有伪位置点的位置谱。实验同时证明了,DiSER方法能够在高计数率的情况下,显著的提高符合计数率。


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