基于多阈值采样的全数字化PET系统校正方法研究

摘要

正电子发射断层成像(positronemissiontomography,PET)是一种尖端的、非侵入式的核医学影像技术。它能够通过探测活体内摄入放射性示踪剂的分布状态,无创、定量、动态地评估活体内各种器官的代谢水平、生化反应以及功能活动和灌注。这造就了PET在肿瘤、神经系统、心脏系统等重大疾病的诊断与治疗,以及在生物医学基础研究、临床前应用、疾病机理研究和药物开发等领域独特的应用价值和关键作用。应用需求在推动PET研究领域不断拓展的同时,也给PET的分辨率和灵敏度性能提出了更高的要求。
　　传统PET因其特制的电子学电路、固定的探测器几何结构和封闭的系统架构等问题,导致其在应用中一直无法突破“灵敏度低”、“校正难”和“定量不准”等瓶颈。本文结合应用适应性小动物PET的研发,设计实现了以多阈值采样方法为核心,以基本探测模组和软件式符合探测系统为主体的全数字化PET数据获取系统。其中,多阈值采样方法被首次应用到了全数字化PET中。该方法不仅从根本上解决了脉冲信号直接数字化的科学难题,也为突破PET系统校正瓶颈提供了新的契机。实验结果表明,基本探测模组取得了令人鼓舞的1.5ns模块级符合时间分辨率和14.1％@511keV的能量分辨率。此外,在micro-Derenzo假体成像中,基本探测模组能够清晰地分辨1.0mm的微孔阵列。这意味着该探测模组可以达到1.0mm的空间分辨率。这种数字化、模块化、开放式的数据获取系统架构能够根据应用需求进行灵活配置、参数调整和自动校正,具有更高的灵活性、可升级性和可扩展性。
　　PET数据获取系统基线易受到探测器漏电流、闪烁脉冲拖尾以及电子元器件温漂和噪声干扰等因素的影响,而发生不同程度的偏移或涨落。针对这一问题,本文提出了一种数字化闪烁脉冲的基线校正方法PCBRA(pulsecharacterizationbasedbaselinerestorationalgorithm,PCBRA),首次解决了基于多阈值采样的全数字化PET的基线校正问题。该方法首先对闪烁脉冲下降沿进行多阈值采样;然后依据脉冲特征模型,对得到的时间-阈值采样序列进行非线性拟合以及脉冲基线估计;最后统计一定时间尺度内的平均基线作为脉冲基线估计值,完成基线校正和恢复脉冲事件特征信息。实验结果表明,在不同程度的基线漂移情况下,该方法均能够准确有效地估计出脉冲基线,同时较好地还原探测器的能量分辨率和时间分辨率。特别的,在4Mcps计数率情况下,该方法依然具有较好的校正性能。
　　在高计数率情况下,PET数据获取系统中的堆积事件效应会造成错误的空间位置信息,恶化系统能量分辨率和时间分辨率,严重降低PET数据信噪比。针对这一问题,本文提出了一种数字化闪烁脉冲的堆积事件校正方法DPPC(digitalpulsepileupcorrection,DPPC),首次解决了基于多阈值采样的全数字化PET的堆积事件校正问题。该方法首先对闪烁脉冲进行多阈值采样;然后依据脉冲特征模型和多阈值采样特征甄别堆积事件;最后从堆积事件中依次重建各个单次事件脉冲,完成堆积事件校正和恢复单次事件脉冲特征信息。实验结果表明,在高达5Mcps的计数率情况下,该方法能够准确有效地甄别出堆积事件,较好地恢复各个脉冲事件的能量和时间信息,以及显著提高符合事件计数。
　　PET数据获取系统由于受到晶体探测单元间物理特性迥异,光电转换器件输出延时特性不一致以及脉冲时间采样与标记参数差异等因素的影响,而使探测通道普遍存在时间延时。针对这一问题,本文提出了一种基于时间分辨率贡献矩阵TRCM(timingresolutioncontributionmatrix,TRCM),优选参与通道时间延时校准的时间校正方法,首次解决了基于多阈值采样的全数字化PET的时间校正问题。该方法以每条响应线上探测到的符合事件权重为优选准则,通过最优值求解建立的优选时间校正方程,获得各探测通道的时间延时差异完成时间校正。实验结果表明,无论是由模块级探测单元还是由晶体条级探测单元组成的探测器,该方法均能够准确得到各探测通道的时间延时差异,并进行相应的补偿。同时,该方法还能够提升系统的符合时间分辨率,降低计算复杂度和提高校正效率。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容及安排

2 多阈值采样与全数字化PET数据获取系统

2.1 闪烁脉冲产生的物理过程

2.2 闪烁脉冲的形状特性

2.3 多阈值采样方法

2.4 全数字化PET数据获取系统

2.5 本章小结

3 全数字化PET系统的基线校正

3.1 引言

3.2 基于脉冲先验知识的基线校正方法PCBRA

3.3 PCBRA方法评估的实验设置

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

4 全数字化PET系统的堆积事件校正

4.1 引言

4.2 数字脉冲的堆积事件校正方法DPPC

4.3 DPPC方法评估的实验平台

4.4 实验结果与讨论

4.5 本章小结

5 全数字化PET系统的时间校正

5.1 引言

5.2 基于时间分辨率贡献矩阵的时间校正方法

5.3 时间校正方法评估的实验装置

5.4 实验结果与讨论

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文创新点

6.3 今后工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间的主要成果和奖励

附录2 公开发表的学术论文及专利与博士学位论文的关系