基于SiPM的PET探测器及地址编码设计

摘要

正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography）是核医学领域目前最高水平的功能成像技术。PET设备在肿瘤及心脑血管疾病诊断、研究和新型药物研发中具有重要作用及广泛应用前景。PET探测器和电路设计是系统设计的重要组成部分，本文着重描述了探测器模块、地址编码及前端电路的设计和实现。
　　PET的探测器通常是由多个探测器模块排列组成环状，称为探测器环。探测器环断层数量及每个断层的厚度决定了PET系统的轴向视野，探测器环上单个探测器模块的分辨率决定了PET系统横断面的分辨率。探测器模块通常由闪烁体耦合光电探测器组成，γ光子与闪烁体作用产生闪烁光，光电探测器探测到闪烁光，并将光信号转换为电信号供后续电路处理。
　　符合的两个探测器之间的连线称为响应线，响应线反映了湮灭事件发生的位置信息。对响应线的位置进行编码称为地址编码，地址编码必须保证响应线和编码的唯一对应关系。地址编码应用于符合甄别电路部分和数据处理部分，是PET系统应用电子准直技术的必要组成。
　　前端电路包括信号放大、时间信息提取、符合甄别、输出编码等几部分。光电探测器输出的电信号通常非常微弱，需要放大到与常用电子器件兼容的规格。提取不同探测器输出信号产生时间的信息，送入时间窗内甄别是否符合的过程称为符合探测，具有电子准直的作用。符合的一对电信号对应一次符合事件，符合电路对符合事件对应的响应线根据地址编码规则进行编码，编码送入计算机进行后续处理。
　　我们在实现过程中使用了LYSO闪烁晶体耦合SiPM（Silicon Photomultiplier）光电探测器的探测器模块结构设计，探测器系统由27个探测器模块排列成圆环状，有8个断层。电路设计大量使用FPGA及专用集成芯片，大大降低了电路复杂度，增加了电路灵活性。为了满足小动物PET对分辨率的高要求，我们在探测器结构上采用了跨接晶体提高分辨率的技术，该技术已经申报国家发明专利。

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第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.4 论文安排

第 2 章 总体设计方案

2.1 PET 系统简介

2.2 PET 探测器设计方案

2.3 PET 电路设计

第 3 章 探测器模块设计

3.1 SiPM 探测器介绍

3.2 LYSO 闪烁晶体介绍

3.3 晶体跨接技术实现

3.4 探测器性能测试

3.5 探测器模块设计和组装过程中遇到的问题

3.6 两种提高分辨率方法的研究

第 4 章 地址编码设计

4.1 结构组态及地址编码介绍

4.2 符合地址编码设计

4.3 地址编码实现

第 5 章 小动物 PET 电路设计

5.1 PET 电路总体设计

5.2 定时电路设计

5.3 时间提取电路

第 6 章 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果