晶体表面特性对PET探测器性能的影响

<正>电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)作为最灵敏和具有定量测量能力的功能分子影像技术,越来越广泛地应用于生物医学研究,如疾病的动物模型、新药物的研发和新治疗方法的评估等。提高探测器的性能是改进PET仪器性能的关键,PET探测器通常由分割的闪烁晶体阵列和光探测器组成,文中使用位置灵敏光电倍增管和不同晶体表面特性的硅酸钇镥((Lu,Y)2Si O5,LYSO)晶体阵列,对新型的双端读出三维PET探测器和传统的单端读出二维PET探测器的性能进行了测量。实验结果表明,对于双端读出PET探测器,两种晶体阵列提供相近的晶体分辨图和能量分辨率,但非抛光晶体阵列提供好的深度分辨率,双端读出PET探测器需要使用表面不抛光的晶体阵列;对单端读出PET探测器,抛光晶体阵列提供好的晶体分布图和能量分辨率,单端读出PET探测器需要使用表面抛光的晶体阵列。     

乳腺影像学专用PET探测器模块设计

为进一步提升乳腺影像学专用PET系统的空间位置分辨率,基于LYSO晶体与位置灵敏光电倍增管耦合,设计了一种专用LYSO-PET探测器模块。探测模块由12×12根1.5 mm×1.5 mm×10 mm LYSO晶体条阵列与PS-PMT耦合组成,通过PXI 8501采集系统,获取入射粒子的2D泛场图像、能量信息及位置信息。该探测模块平均位置分辨率可达0.22 mm(本征)和0.55 mm(²²Na探测条件下);平均能量分辨率为22.4%(²²Na探测条件下)。双探头PET系统FOV中心²²Na点源轴向空间分辨率可达1.13 mm。探测器模块已基本满足位置分辨率要求,为实现亚毫米乳腺影像学专用PET系统提供了硬件支持。     

PET探测器波形积分法位置分辨性能测量

利用波形积分法进行信号采集,得出了 PET探测器的2-D位置图,并使用分水岭算法计算了查找表。像素尺寸为2.0 mm和1.6 mm的10 × 10 LYSO以及1.6mm的12× 12晶体阵列探测器与光电倍增管直接耦合。基于1 GHz采样频率的ADQ同步数据采集卡,采用波形积分法获得了最佳的PET探测器2-D位置图。实验显示,像素为2.0 mm、1.6 mm的10 × 10 LYSO晶体以及1.6 mm的12×12的PET探测器,单个晶体条的位置区分度分别达到0.28 mm、0.20 mm和0.19 mm FWHM,平均峰谷比平均值分别为3.23、4.26和3.46。LYSO阵列晶体PET探测器模块可用于PET整机系统。     

基于APD阵列的PET探测器模块电子学

APD阵列γ光子探测器的诸多优点使多特别适用于PET成像技术，根据APD器件本身的特点以及PET系统对探测器模块信号读出的要求，在介绍APD实验模块前端电路的设计和性能测试以后，详细讨论了APD模块电子学的整体设计。     

PET系统中基于USB3.0的高速数据传输

针对PET系统数据量大,对数据处理速度要求高的特点,提出一种基于USB3.0接口的高速数据传输系统设计方案。该系统以FPGA为控制平台,USB3.0接口技术为核心,实现了2.2 Gbps的稳定传输速度,有效提升了PET系统的数据传输能力。     

基于FPGA的PET晶体位置映射图数据采集的算法研究

PET晶体位置映射图数据采集是PET数据采集和图像重建系统的重要组成部分。采用Xilinx公司推出的快速可编程门阵列(FPGA)开发环境System Generator for DSP系统设计工具进行平板PET晶体位置映射图数据采集的算法研究;在Lyrtech VHS-ADC开发平台上进行软硬件协同仿真与验证,在开发设计上可大幅度地缩短开发周期,节约成本。实验结果:PET晶体位置映射图白色散点清晰,易于分割,满足PET数据采集系统的要求。     

PET系统中Lu-176本底辐射的影响

正电子发射断层（positron emission tomography, PET）成像系统的探测器广泛采用具有高阻止本领、高光输出和较短发光衰减时间特性的含镥闪烁晶体。天然镥（Lu）元素中含有丰度2.6%的Lu-176长半衰期放射性同位素,包括一个β衰变和三个级联的γ衰变。Lu-176本底辐射对PET探测器引入随机事件,影响系统成像性能,但该特性又可以被合理的开发应用。本文主要介绍Lu-176本底辐射在PET系统中的特性,由此带来的不利影响,以及其有利的应用开发。     

用于正电子发射断层成像的闪烁晶体

正电子发射断层成像要求闪烁晶体材料具有高光输出、短衰减时间和强阻止本领,且价格低廉。本文综述了闪烁晶体材料最新的发展状况和其特征对正电子发射断层成像系统的性能影响。     

双层错位DOI脑PET探测器晶体厚度组合优化设计

双层错位晶体阵列是正电子发射断层成像（PET）仪获取作用深度（DOI）信息的一种低成本且简便的方案。为获得晶体厚度最优组合方案,本文使用GATE软件进行蒙特卡罗仿真研究。模拟兼容核磁共振成像（MRI）的嵌入式脑PET,环内径345 mm,使用硅酸钇镥（LYSO）晶体,2层晶体总厚度20 mm,内层晶体从0 mm到10 mm共11种厚度（间隔1 mm）;进行点源模拟实验,点源位于中心断层x轴上,偏移从x=0 cm到x=10 cm共6种情况（间隔2 cm）。计算中心点灵敏度;采用滤波反投影算法重建图像,评估径向空间分辨率。结果显示,双层晶体的设计相比于单层晶体灵敏度略有下降,但系统径向空间分辨率显著提高且其均匀性得到改善。随着内层晶体厚度的增大,视野平均径向空间分辨率先减小后增大,在内层晶体厚度为8 mm时达到最小。综上所述,所设计的双层错位DOI脑PET探测器晶体厚度最优组合方案为内层晶体厚度8 mm、外层晶体厚度12 mm。     

TOF-PET探测器定时性能初步研究

本工作采用LYSO晶体阵列和平板型位置灵敏光电倍增管H8500对TOF-PET探测器进行了初步设计,能分辨3.2mm×3.2mm的晶体阵列。与BaF₂探测器组成时间谱仪,测量正电子湮没射线的瞬发时间谱,得到379ps的符合时间分辨率。根据已测量的BaF₂探测器时间分辨率（159ps）,可计算得到所设计的TOF-PET探测器时间分辨率为344ps。预计与此相同的两个TOF-PET探测器对正电子湮没射线的符合时间分辨率可达486ps左右,为新型PET的研究提供了有利条件。     

乳腺专用PET符合处理电子学系统的研制

中国科学院高能物理研究所研制了1台具有自主知识产权的乳腺专用正电子发射断层扫描仪。本工作从硬件架构和软件逻辑功能两方面对该样机的符合处理系统的研制进行介绍。在本设计中,符合处理系统采用FPGA高速数据接口和光纤互连技术获取前端连续采样板的预处理数据,然后采用符合时间窗的方法对挑选出的非零数据进行符合处理,最后通过千兆以太网将符合数据传给后端计算机进行重建。整个系统由局域控制总线进行控制。测试结果表明,符合处理系统的设计功能正确,性能优良。     

CSNS工程GPPD谱仪主探测器读出电子学的研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)工程通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer,GPPD)采用闪烁体探测器作为主探测器。为满足谱仪的设计需求,读出电子学系统要求在实现高达数千通道数据读出的同时,完成高精度的中子探测。基于设计目标,以及进一步提高读出系统的集成度和灵活性,读出电子学系统采用了"子板+母板"的架构。前放子板采用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)实现探测器输出信号的放大、成形、甄别等模拟调理;母板固件采用了多级流水线机制的设计方法,在保证数据并行性和可靠性的同时,进一步减小了数据处理的死时间,实现数据的采集打包、缓存等处理,最终数据通过千兆以太网传到后端数据处理系统,便于数据的分析处理。对设计实现的读出电子学系统的评估测试结果表明:最小时间分辨11 ns,单通道计数率200 K?s-1,各项指标均好于设计目标。目前所有读出电子学单元已部署到GPPD工程现场并长期稳定运行,为谱仪顺利开展实验提供了可靠保证。     

用于HL-2A装置的新型硬X射线探测器

介绍了一种应用于托卡马克等离子诊断领域的新型硬X射线探测器,该探测器主要由硅酸钇镥(Lutetium-yttrium Oxyorthosilicate,LYSO)闪烁体和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)组成。基于项目应用需求,对探测器的选型和基于粒子输运蒙特卡罗仿真软件GEANT4的探测器设计加以阐述,并搭建了前端的探测系统,在HL-2A托卡马克装置上进行了现场诊断实验。实现了硬X射线空间能谱和辐射强度分布的诊断测量。实验表明该探测器阵列具有10 ms的时间分辨率,同时具有结构紧凑、使用方便等特点,能够满足等离子体诊断中硬X射线动态能谱和强度分布测量的诊断需求。     

光敏丝室探测器PET的触发判选处理器

介绍了为光敏丝室探测器PET而设计的触发判选处理器（TRIG）的结构和原理，该处理器具有触发判选，计数率损失测量，随机符合事例率测量，探测器分区计数统计以及系统定标等多项功能，由于应用了EPLD技术和流水线作业等技术，实现了TRIG系统的高集成度和高性能 。     

PET复合晶体甄别电子学及算法设计

设计并实现了一种高分辨率复合晶体探测器和电子学,并提出一种系统辨识的算法。复合晶体探测由LYSO(Lu2-xYxSiO5)和YSO(Y2SiO5)两种晶体交错排列而成,目的在于提高晶格的定位能力,改善空间分辨率。由甄别电路完成对PMT(photomultiplier tube)原始信号的处理,使用了高速ADC对信号连续采样,由FPGA完成波形采集,并能够完成实时基线恢复。甄别算法是分析了探测器响应和电子学采集模型之后提出的,是一种系统辨识算法。晶体甄别是基于提取与信号的衰减时间常数相关量来完成的。对LYSO和YSO的单晶体条实验,其甄别率超过98%;并绘制了甄别后两种晶体的二维直方图(2Dmap),有效地减少晶格间交叠,提高了空间分辨率。     

基于多种探测算法结果分级融合的PET探测器晶体查找表建立算法

高分辨率是现代正电子发射型断层显像仪(Positron Emission Tomography,PET)设备最重要的技术指标之一,高分辨率PET探测器通常由海量闪烁晶体组成,这使得探测器校准时,晶体查找表建立的工作量大幅增加,从而对相关自动化算法的鲁棒性提出了更高的要求。目前,晶体阵列的矫正主要依赖固定放射源对探测器晶体阵列成像得到的光子二维位置直方图。高分辨率PET探测器的晶体阵列中晶体个数增多,尺寸变小,导致二维位置直方图信噪比下降,且非线性形变更加复杂,使已有的晶体查找表建立算法都无法得到理想的自动化效率。在测试了多种前沿的晶体查找表建立算法后发现,某些算法的结果之间有很强的互补性,可以通过将多种算法结果相融合的方法得到优于单一探测算法的结果。因此提出了一种基于多种探测算法结果分级融合的晶体查找表建立算法,在实现过程中选取了三种互补性较强的晶体探测方法,分级融合其结果,大幅度降低了二维位置直方图上晶体分割的出错概率,获得了鲁棒的结果。     

高计数率气体探测器读出电子学原型机研制

研制一套可用于高计数率气体探测器的读出电子学原型机系统,包括前端板、数据采集板和上位机。前端板采用一款先进的前端读出专用集成电路(ASIC)芯片实现对探测器信号的测量和模数转换;数据采集板利用现场可编程门阵列（FPGA）实现对数据的分析、处理和传输;上位机实现控制指令发送、PC端数据接收及存储等。在22~99 fC的输入范围内,原型机各通道积分非线性均好于024%;联合探测器使用55Fe放射源测试,结果好于相同条件下的商用电子学。可满足20 kHz计数率下GEM TPC探测器的读出需求。     

乳腺专用PET连续采样电子学系统设计与性能测试

对乳腺专用PET进行了简单介绍,详细叙述了系统中连续采样电子学系统的设计和性能测试。该电子学采用子母板设计结构,包含了模数转换、时间数字转换和CAN控制等多个模块,具备对前端探测器模拟信号进行连续采样、处理和传输功能。实验表明,该系统能完全满足乳腺专用PET对连续采样的需求。该系统还有集成度高、通用性强、配置灵活等优点。     

高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

本文针对光锥耦合X射线探测器低噪声的设计要求,研制了一套读出电子学系统,该系统包括模拟驱动电路、前端处理电路及基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字信号处理电路。利用X射线成像平台,对研发的探测器进行了性能测试。探测器系统绝对增益为0.168 6DN/e-,线性工作范围为0~154μGy。制冷温度为-20℃时,暗电流噪声为0.037e-/(pixel·s),读出噪声为10.9e-。探测器的本征空间分辨率达16lp/mm。测试结果表明,研制的读出电子学系统能满足高分辨率X射线探测器对低噪声特性的需求。     

用于同步辐射硅像素探测器的高速数据传输模块研究

文章概述了硅像素探测器特点及其重要性,介绍了测试系统中基于FPGA的光纤转USB3.0高速数据传输板的设计,包括整体结构,各模块具体实现方式以及硬件电路设计和部分软件设计。测试结果表明,该项目设计的数据传输板解决了计算机接收光纤数据问题,实现了2.5 Gbps的稳定传输速度,提高了硅像素探测器数据采集系统的数据传输能力。