小动物PET探测器与数据传输系统的研制

摘要

在生物医学领域，对人类疾病的研究通常需要先在动物模型上实施以了解疾病的分子生物学特征。近年来，将核医学成像技术正电子发射计算机断层显像（Positron Emission Tomography,PET）引入小动物科学研究实验中，可广泛用于多种疾病（肿瘤、心血管疾病和神经疾病等）的早期诊断、治疗方案制定和疗效评估，以及生物医学研究和新药物研发等领域。PET利用正电子核素标记示踪分子进行活体显像，能够动态地、定量地从分子水平观察活体的生理变化，对推动整个生物医学领域的进展有着突出的研究意义和作用。小动物PET系统包括探测器模块、前端电子学模块（Front-End Electronics,FEE）、单事件处理单元（Singles Processing Unit,SPU）和符合处理单元（Coincidence Processing Unit,CPU）。 PET探测器通常由闪烁晶体阵列和光探测器组成，用于探测伽马光子，从而跟踪正电子标记的生物探针，是PET系统最重要的组件之一，传统的非深度编码探测器无法测量深度信息，因此不能同时实现高空间分辨率和高灵敏度，为了弥补传统探测器的不足，本课题从探测器的结构设计入手，从闪烁晶体和光电转换器的选择，光导厚度的优化与选择，晶体间反射层的材料选择等各个方面进行综合考虑，采用双端读出的设计方案，通过测试探测器的几种重要的性能指标，研发出新型硅光电倍增管（Silicon photomultipliers,SiPM）阵列耦合硅酸钇镥（Lutetium-yttrium oxyorthosilicate,LYSO）晶体阵列的双端读出深度测量PET探测器，以同时实现全视野高分辨率和高灵敏度，从而满足小动物PET成像系统的需求。 PET系统中SPU和CPU之间的数据传输也是重要的组成部分之一，是连接系统各个模块之间的枢纽。整个系统包含12个SPU模块和一个CPU模块，每个SPU的数据量约120Mbps，CPU需要处理12个SPU的数据，结构复杂且系统对数据的传输要求可靠性高，实时性高。考虑到系统的存储空间有限，对比分析了几种常用的数据传输方案，最终选用千兆以太网搭建有效的数据传输系统，测试结果表明，基于千兆网的传输方案既能保证数据传输的带宽稳定又能保证传输的实时性。 本课题围绕小动物PET成像系统，以实现全视野高分辨率高灵敏度的系统为目标，从探测器和数据传输方案两方面着手，分别设计了基于SiPM和LYSO阵列的双端读出深度编码探测器以及基于千兆以太网的数据传输方案，为今后使用该探测器和传输系统研制一个高效率、全视野均匀高空间分辨率和低成本的小动物PET成像系统奠定坚实的基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

第2章 PET成像系统的原理及类型

2.1 PET成像原理

2.2 几种常见PET成像系统的类型

2.2.1全身PET

2.2.2脑PET

2.2.3乳腺PET

2.2.4小动物PET

第3章小动物PET基本结构与探测器设计

3.1 小动物PET基本结构

3.2 探测器的主要性能参数

3.2.1灵敏度

3.2.2能量分辨率

3.2.3空间分辨率

3.2.4相互作用深度

3.3 探测器的设计

3.3.1闪烁晶体选择

3.3.2光探测器选择

3.3.3光导厚度优化

3.3.4反射层设计

第4章小动物PET数据传输系统

4.1 小动物PET电子学

4.1.1 OpenPET电子学系统

4.1.2 DAPA电子学系统

4.1.3小动物PET系统的电子学系统

4.2 小动物PET系统数据传输系统的设计需求

4.3 常见高速数据传输方案

4.3.1 VME总线

4.3.2 PXI总线

4.3.3 USB2.0/3.0总线

4.3.4以太网

4.3.5雷电接口

4.4 小动物数据传输系统

第5章千兆网数据传输系统的设计与实现

5.1 常用千兆网的实现方案

5.1.1数字逻辑控制器

5.1.2小动物PET的千兆网实现方案

5.2 千兆网硬件方案设计

5.3 千兆网软件方案设计

5.3.1以太网协议的需求与构架

5.3.2 MAC控制器配置与初始化

5.3.3 IP/UDP协议的软件实现

5.4 千兆网的测试

5.4.1物理连接测试

5.4.2 ARP功能测试

5.4.3 ICMP功能测试

5.4.4 IP和UDP功能测试

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢