（凝聚态物理专业论文）pet显像系统物理过程的分析与模拟.pdf

i 孕南 “ ， ， ，j】i ； 1ji矿：；吖 ，j 8 镶 at h e s i si nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s l l ll ll lll ll l ll lll llll y 18 4 4 117 a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o no ft h e p h y s i c a l p r o c e s s e si nap e t i m a g i n gs y s t e m ， b yw ug u o c h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg e n gp i n g p r o f e s s o rk a n gy a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 l 、 一 p。14叫_r j，、pp。】 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：士t ： 恧o 学位论文作者签名：吴圃墒 日期：矽口留f 歹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，-=汁量 ，； ；。q10，；“0褂 _，黪“i， 。t嚣擎a“l孽1诬琴 了 枣 0 7 东北大学硕士学位论文摘要 p e t 显像系统物理过程的分析与模拟 摘要 本文工作是m p o w e r p e t 样机性能评估的理论基础，该课题由东软派斯通公司完全 资助。 正电子发射断层显像( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，以下简称p e t ) 技术是当今 最高层次的核医学诊断与研究技术之一，它能够无创伤、定量、动态地评估动物人体内 各种器官的代谢水平、生化反应、功能活动等情况，并在重大疾病的预防和治疗中有独 特的应用价值。本文在深入理解和分析p e t 原理及物理过程的基础上，运用g a t e 工 具包对m p o w e r p e t 系统进行大量的分析与模拟。 g a t e ( g e a n t 4a p p l i c a t i o nf o rt o m o g r a p h i ce m i s s i o n ) 是由o p e ng a t e 协作组织基于 高能物理工具包g e a n t 4 基础上开发的一款蒙特卡罗模拟软件。现已广泛应用于新型的 核医学成像设备( 如：p e t 、s p e c t 等) 、散射校正技术以及对系统的改进等方面。+ 本 论文以该软件工具包为基础，构建了m p o w e r p e t 样机的整个物理模拟过程。同时针对 m p o w e r p e t 样机的几何特点，利用c 语言程序，以离线处理方式对原始符合事件按照 径向距离进行编码，然后将编码后的数据存放于s i n og r a m 阵列中，并用弦图的形式显 现出来。 本文借助l i n u x 虚拟工具，将g a t e 模拟工具包移植到w i n d o w s 系统下，并增加了 网络控制界面，实现g a t e 系统的并行化模拟，提高了g a t e 模拟的运算速度。在此基 础上，本文对，光子的偏向角、正电子发射位置与湮灭点位置的相对偏差进行了分析， 同时还对l s o 和b g o 晶体的能量窗和有效利用率进行了模拟分析。分析结果表明，模 拟数据对现实p e t 的研发有着很好的指导意义。 关键词：正电子发射断层扫描( p e t ) ；g a t e ；蒙特卡罗模拟；能量窗；晶体反应深度 一j _ !jil，t、j i，。， ，0，健-气0； ，、0，d ，莨k 墨毒 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a l p r o c e s s e si nap e t i m a g i n gs y s t e m a b s 仃a c t 1 1 1 i sw o r ki ss u p p o r t e db yn e u s o f tp o s i t r o nc o m p a n y p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ( p e t ) i so n eo ft h em o s ta d v a n c e dn u c l e u sm e d i c i n e d i a g n o s i sa n dr e s e a r c ht e c h n i q u e sw h i c hd e t e c tt h em e t a b o l i cc h a n g e s ，b i o c h e m i c a lr e a c t i o n s a n df u n c t i o no fa n i m a l h u m a ni n t e r n a lo r g a n sb yn o n i n v a s i v e ，q u a n t i t a t i v ea n dd y n a m i c m e t h o d s ，a n dp e ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r e v e n ta n dt h e r a p yo fm a j o rd i s e a s e i n t h i sp a p e r , w ed i s c u s st h er e s u l to fo u ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nt h em p o w e r p e ts y s t e mb y g a t es i m u l a t i o nt 0 0 1 g a t e ( g e a n t 4a p p l i c a t i o nf o rt o m o g r a p h i ce m i s s i o n ) i sam o n tc a r l os i m u l a t i o n p l a t f o r m f o rn u c l e a rm e d i c a li m a g i n g ，w h i c hi sb a s e do nt h eg e a n t 4t o o l k i t p a c k a g e d e v e l o p e dw i t h i no p e ng a ：r ec o l l a b o r a t i o n n o w , i ti sa ne x t e n s i v ea s s i s ti nt h ed e s i g no f n e wm e d i c a li m a g i n gd e v i c e s ( s u c ha s ：p e t , s p e c ta n ds oo n ) ，i tc a l lb eu s e dt oa s s e s sn e w i m p l e m e n t a t i o n so fs c a t t e rc o r r e c t i o nt e c h n i q u e sa n do p t i m i z es c a np r o t o c o l s i ti sa l s ou s e d t om o d u l et h em p o w e r p e ts y s t e m sp r o t o t y p ec o n s i s t i n go fe n t i r ep h y s i c sp r o c e s s t a k i n g i n t oa c c o u n tt h em p o w e r p e tp r o t o t y p eg e o m e t r y , t h el i s to fc o i n c i d e n c e se v e n t so u t p u tb y t h eg a t ew a sp o s t - p r o c e s s e do f f - l i n eu s i n gac c o d ea c c o r d i n gt or a d i a ld i s t a n c ec o d i n g ， s t o r a g ei ns i n og r a ma r r a ya n dd i s p l a y si t i nt h i st h e s i s ，w et r a n s p l a n t e dt h eg a t es i m u l a t i o nt o o lf r o ml i n u xs y s t e mt ow i n d o w s s y s t e mb yl i n u xd u m m yt o o la n da d d e dt h en e t w o r kc o n t r o li n t e r f a c et oi m p l e m e n tt h e d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gp l a t f o r mf o rp e ts i m u l a t i o n 、7 l ，i t l lg a t es y s t e m n l ea i mo ft h es t u d y w a st oi m p r o v et h es i m u l a t i o ns p e e df o rg a t es y s t e m b a s eo nt h ed i s t r i b u t e dc o m p u t i n g p l a t f o r m ，w ep e r f o r m e dt h ec a l c u l a t i o n so fg a m m ap h o t o n sa c o l i n e a r i t ya n g l ed i s t r i b u t i o na n d p o s i t r o na n n i h i l a t i o nd i s t a n c e ，b e s i d e st h e s e ，w ea l s oa n a l y z e dt h ee n e r g yw i n d o wa n dc r y s t a l e f f i c i e n c yu t i l i z er a t ef o rl s oa n db g oc r y s t a l f u r t h e r m o r e ，w ef o u n dt h a tt h es i m u l a t i o n d a t ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tg u i d a n c e sf o rr e a l i z i n gt h ep e ts y s t e m k e yw o r d s ：p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ( p e t ) ；g a t e ；m o n tc a r l os i m u l a t i o n ；e n e r g y w i n d o w ；d e p t hd i s t r i b u t i o no fi n t e r a c t i o n -膏i 廿，0jo 厂 _ ，d谭掘u，。=_：。：；i j 胃1 ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明”i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景”1 l - 2p e t 主要技术指标1 1 3 研究内容及意义”3 1 4 全文的安排4 第二章p e t 系统分析5 2 1p e t 显像系统结构5 2 1 1 扫描仪5 2 1 2 事件探测及处理系统7 2 1 3 存储装置”7 2 1 4 操作和分析工作站7 2 2p e t 显像原理8 2 3p e t 扫描方式1 0 2 3 1 事件的种类”1 0 2 3 2 扫描方式1 1 第三章p e t 成像物理过程及影响图像质量因素的校正分析1 3 3 1 正电子的产生与湮灭1 3 3 2y 光子与物质的相互作用1 5 3 2 1 光电效应1 5 3 2 2 康普顿效应1 6 3 2 3 电子对效应”l8 东北大学硕士学位论文目录 3 3y 射线的吸收及衰减1 9 3 4 影响图像质量因素的校正分析2 0 3 4 1 探测器归一化( d e t e c t o rn o r m a l i z a t i o n ) 2 1 3 4 2 放射性衰变校正( d e c a yc o r r e c t i o n ) 2 1 3 4 3 组织衰减校正( a t t e n u a t i o nc o r r e c t i o n ) 2 1 3 4 4 随机符合校正( r a n d o mc o i n c i d e n c ec o r r e c t i o n ) 一2 2 3 4 5 散射校正( s c a t t e rc o r r e c t i o n ) ”2 4 3 4 6 死时间校正( d e a dt i m ec o r r e c t i o n ) ”2 5 3 4 7 脏器运动校正( m o v i n gc o r r e c t i o n ) 一2 5 3 5 需求分析2 5 第四章基于g a t e 的模拟程序设计2 6 4 1g a t e 简介”2 6 4 2g a t e 模拟构架及其模块功能2 7 4 2 1m a t e r i a l 模块2 8 4 2 2s u r f a c e 模块2 9 4 2 3g e o m e t r y 模块2 9 4 2 4s y s t e m 模块2 9 4 2 5s e n s i t i v ed e t e c t o r s 模块”3 0 4 2 6p h y s i c a l 模块”3 0 4 2 7s o u r c e 模块31 4 2 8d i g i t i z e r 模块3 3 4 2 9o u t p u t 模块3 7 4 3g a t e 模拟的平台架构3 7 4 3 1g a t e 任务的分解3 7 4 3 2 控制平台“3 8 4 3 3 文件的合并”3 9 4 4 基于g a t e 的模拟程序设计3 9 4 4 1m p o w e r p e t 系统的主要参数3 9 4 4 2m p o w e r p e t 系统的技术特性4 0 v ，； j1il最， ， 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 3g a t e 模拟的程序设计4 l 第五章模拟实现与结果分析。4 4 5 12 d 和3 d 采集的实现”4 4 5 2s i n o g r a m 的分析4 4 5 3 棒源的旋转实现4 8 5 4y 光子不共线性分析4 8 5 5y 光子能量一计数曲线分析5 0 5 6 晶体反应深度分析一5 0 第六章结论5 6 参考文献5 7 致谢6 0 攻读硕士期间发表的论文- 6 1 y；、， ，漶1l尽， ，n；摹。 东北大学硕士学位论文 。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 正电子发射断层显像( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，简称p e t ) 是当前医学界公认 最先进的大型医疗诊断成像设备之一【l 】，该成像技术被誉为是当今最高层次的核医学影 像技术。p e t 将带有正电子的放射性核素引入体内，实现了从体外无创伤、定量、半定 量、动态的观察人体的生理、生化反应，医生可通过重建后的图像来分析人体各器官的 新陈代谢活动情况，并获得有关组织及其病变的功能性信息，从而达到对疾病早期诊断 的目的。因此，p e t 显像也被誉为是基于电子准直技术的功能性显像或分子性显像 ( m o l e c u l a ri m a g i n g ) ，其应用使核医学迈入分子核医学的新纪元 2 1 。 传统上，用于临床全身检查的p e t 技术发展已相对成熟。目前，p e t 成像技术又 有了新的发展趋势，其表现在以下两个方面：一是具有特定目的的p e t 研制，如用于心 脏疾病早期诊断的p e t 研制，以及用于新药品生化机理的研究或者是研究某种疾病机理 所用的小动物p e t 研制；二是将p e t 与一些解 剖成像设备，如：c t 或m r 结合于一体，形成 p e t c t 或p e t m r i 等，在同一台机器上实现解 剖图像和功能图像同时扫描，并能提供两种图像 的配准融合工具，从而能为医生提供更好定位 、 “定性”、“定量”、“定期 的诊断信息。 由于我国p e t 研究起步较晚，直到1 9 8 3 年 6 月，中国科学院高能物理研究所才开始研制，并在1 9 8 6 年6 月诞生了国内第一台p e t 样机 3 , 4 1 。此后，在国内有几所高校也相继研究p e t ，但由于受到场地、资金、技术等 方面的制约，各研究机构也只停留在对p e t 系统的理论研究，同时借助一些模拟工具如： g e a n t 4 、g a t e 、s i m s e t 等来实现p e t 系统中各参数的设置以及性能的评估。 1 2p e t 主要技术指标 从技术角度来看，评价一台p e t 扫描仪性能好坏主要从以下几方面考虑 5 1 ： 一空间分辨率 空间分辨率所表征的是系统分辨空间上两个相邻点源或线源的能力嘲。通常采用点 源图像轴向和切向上空间分布函数的半高宽( f w h m ) 或十分之一( f w t m ) 来表示。对 p e t 成像系统而言，用理想点源成像得到的并不是理想的点，而是在空间上扩散成具有 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一定形状的弥散斑，这个扩散的程度就反映了p e t 系统的空间分辨率。 二灵敏度 ， p e t 系统灵敏度指的是统计在单位时间内、单位辐射剂量条件下获得的符合计数， 是衡量探测器在相同条件下获得计数多少的能力【7 1 。灵敏度高的p e t 探测器获得相同质 量的图像所需要的时间较短或所需要的辐射剂量较少。 由于正电子湮灭所发射出的一对方向相反的，光子在到达探测器之前都要与周围 的物质发生衰减作用。因此，在进行系统灵敏度计算时必须先消去衰减的干扰，这可以 用吸收系数已知的材料采用外推的方法来得到无吸收介质时的灵敏度。在测试的过程中 要求计数率丢失小于l ，在计算中可以将其忽略，同时也要求放射性核素的剂量要相 对较小，用以保证随机符合计数率小于5 。 三时间分辨率 p e t 时间分辨率的好坏取决于探测器对y 光子响应时间的长短。理论上可以认为正 负电子湮灭产生的r 光子是同时到达相对的两个探测器，但由于探测器对y 光子的撞击 响应存在有一定的波动范围，因此我们把这一响应时间差分布曲线的半高宽定义为时间 分辨率。p e t 系统的符合时间窗就是根据时间分辨率来设定的，符合时间窗过宽会使系 统采集到的随机符合计数增加，而过窄又会使真符合计数漏记，一般情况下符合时间窗 应选为时间分辨率的2 倍左右。 四能量分辨率 能量分辨率所表征的是探测器对射线能量的甄别能力，它的好坏直接影响着探测器 的其它性能( 如：空间分辨率、噪声等效计数率等) 【5 。能量分辨率越高则可以减少康 普顿散射光子的影响，可以用以下经验公式来表示： 氏，= ( e 口) 1 0 0 ( 1 - 1 ) 其中，瓦。为能量分辨率，为能量分布半高宽，为能量峰值。 五系统死时间及数据损失率 系统死时间指的是从探测器接收到，光子，并在晶体内部产生光输出，同时该光输 出被后端电子学电路中的光电倍增管( p m t ) 接收、放大以及数字化处理，到该事件的 能量和位置等信息被记录下来的整个过程所用的时间。在系统的死时间范围内，系统只 能处理第一时间引起探测器响应的一对符合事件，不会对其它时间的符合事件产生响 应，因此，除第一时间之外的所有事件都会发生丢失。 系统死时间主要取决于探测器的时间性能和后端电子学电路系统的处理能力，它决 定着系统计数丢失的程度5 一。每台机器的系统死时间都是不同的，因此，p e t 机器在 出厂前都要进行由于系统死时间所引起数据损失的测量。在放射性核素剂量相对较低 5j4 ，；，& 一，鼍喜 、。；ft妒 ，曩，i摹 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 时，计数率随着剂量的增加呈线性上升趋势，由死时间引起的损失较少。当核素剂量增 加到一定限度以后，计数率增加缓慢，并逐渐偏离原来的直线呈弯曲状，偏离的大小就 是所丢失的计数率。 六噪声等效计数率( n e c r ) 噪声等效计数率表征的是对于每次符合事件数据的采集，在无散射符合和随机符合 的情况下，具有相同信噪比时的真符合事件计数率8 9 1 。用公式表示如下： ，r 删2 高( 1 - 2 )( 丁+ s + r ) 式中，丁为真符合事件计数率，s 为散射符合计数率，尺为随机符合计数率。从式( 1 2 ) 中可以看出，n e c r 值越高，采集到的数据信噪比就越高，图像的对比度就越好，符合 成像的质量也就越高。因此，医生要想得到较好质量的图像，并不能一味的加大放射性 核素的剂量，只有在获得最高n e c r 时的剂量才是最佳剂量。 1 3 研究内容及意义 本文所论及的内容主要是以东软派斯通公司现有的m p o w e r p e t 样机为原型机，利 用基于m o n t ec a r l o 方法的高能物理模拟工具包g a t e ( g e a n t 4a p p l i c a t i o nf o r t o r n 0 黟a p k ce m i s s i o n ) 建立起一个仿真度相对较高的平台，尽量使原型机系统的成像过 程得到完整的再现，这其中包括样机中颇具特色的w o b b l e 运动以及l i g h tg u i d e 等的模拟。 同时，本论文所涉及到的模拟结果分析可对将来公司新一代p e t 扫描仪的研制提供很好 的理论依据。这主要表现在：1 ) 将模拟结果与样机扫描的结果进行对比分析，可以很 好的为样机扫描时放射性核素的选取提供依据；2 ) 为校正和图像重建算法的改进和评 估提供数据来源，同时还为衰减校正因子的获得而引入棒源的空扫描和透射扫描；3 ) 引入动态的数字化体模( p h a n t o m ) ；4 ) 对晶体的反应深度进行分析。同时，本仿真平 台的实现，还将为p e t 系统探测器环孔径的扩大、晶体的改进、光导的性能测试以及探 测系统检测效率的提高做出贡献。 由于我国在正电子发射断层扫描成像技术上起步较晚，无论是在理论上还是在实际 应用上都与国外存在着很大的差距。而且，目前在国内还没有专门生产商用p e t 的厂家。 在这种机遇和挑战下，东软数字医疗有限公司与美国派斯通( p o s i t r o n ) 公司合作研发中国 影像史上第一台p e t 与p e t c t 。这不仅能推动我国影像事业的飞速发展，还将引领我 国民族知识产业进入新的潮流。 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 1 4 全文的安排 本文按照公司的要求完成了以下具体研究工作，包括： 1 、尽可能完整的按照公司现有的p e t 样机为原型机，利用高能物理模拟工具包g a t e 以及些辅助软件进行模拟。完成了界面的可视化、探测器的几何体构造、检测对 象的几何体构造、系统类型的设置、所涉及物理过程的设置、放射源分布设定、前 端电子电路、数据输出等模块的模拟实现。 2 、实现p e t 系统的2 d 和3 d 采集，并得出2 d 采集和3 d 采集方式下符合事件与剂量 之间的关系曲线。 3 、针对公司中大部分p c 机的c p u 空闲率极高，以及单台p c 机模拟速度非常慢的现 象，利用c l u s t e r 工具实现了g a t e 的并行化模拟，提高了模拟的速度。并用控制平 台对所有参与模拟运算的p c 机进行监控与管理，完成任务的转送。 4 、以g a t e 并行化为模拟平台，实现模拟工具包与数据处理间数据格式的s i n og r a m 转 换。通过对模拟结果的分析，可以预知) ，光子的偏向角以及正电子发射位置与湮灭 点位置的偏差。同时，还对晶体的能量窗和有效利用率有很好的预测，这些将有助 于新一代p e t 产品的研发。 本论文的组织结构如下： 第一章为绪论，主要阐述了p e t 的基本概念，影响p e t 图像性能的主要技术指标， 以及用g a t e 仿真工具包模拟的意义，最后对论文的总体结构作简单介绍。 第二章主要从p e t 系统结构、p e t 显像原理以及p e t 系统的数据采集方式等方面 对p e t 作整体介绍。 第三章重点分析了p e t 成像中所涉及到的物理过程，并分析影响图像质量因素的校 正方法。 第四章详细介绍了以g a t e 模拟工具包为基础的p e t 模拟程序的设计过程。 第五章主要对模拟结果作详细分析，并对仿真平台的有效性、合理性进行了试探性 研究，为新一代p e t 系统的研发以及仿真平台的进一步完善提供了坚实的基础。 第六章对全文所做的工作进行总结。 气 毒 j o 0p曹，拿， ，b。飞， 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 第二章p e t 系统分析 本章主要对p e t 显像系统的整体结构、各个模块的功能、p e t 显像原理以及p e t 系统的扫描方式进行分析，这将为p e t 系统的模拟提供理论基础。 2 1p e t 显像系统结构 完整的p e t 显像系统主要由：扫描仪( s c a n n e r ) 、显像床( i m a g i n gt a b l e ) 、存储装置 ( e l e c t r o n i c sc a b i n e t ) 、操作工作站( o p e r a t o r sw o r k s t a t i o n , o w s ) 以及分析工作站 ( a n a l y s i sw o r k s t a t i o n , a w s ) 等组成【1 0 1 。 2 1 1 扫描仪 扫描仪在p e t 系统中扮演着极其重要的角色，它直接决定着最终图像的质量。p e t 扫描仪主要由：探测器环、射线屏蔽装置、棒源等组成。如图2 1 所示。 图2 1p e t 扫描仪剖面示意图 f 遮2 1s e c t i o no f p e t s c a n n e r 一探测器环( d e t e c t o rr i n g ) p e t 扫描装置中最为关键，同时在整个p e t 系统中所占成本最高的部分是探测器。 探测器环是由若干的探测器单元所组成，其主要功能是探测正负电子湮灭时发射出的一 对r 光子所分别命中环上晶体条的位置，并把这个位置信号转换成电信号，连带j ，光子 的能量信息和到达晶体时刻的时间信息一起传送到下一级进行处理。 东北大学硕士学位论文 1 _ _ 第二章p e t 系统分析； 的能量信息和到达晶体时刻的时间信息一起传送到下一级进行处理。 目前在p e t 系统中应用最广的是闪烁体探测器，其主要由：晶体条、光电倍增管 ( p m t ) 及相应的电子仪器三部分组成。其工作过程为：核辐射与某些透明介质相互作用 产生的射线进入闪烁体后，会使闪烁体发生电离、激发而向四面八方发射荧光【1 1 1 。通过 光导和光收集器将光子投射到和闪烁体相连的光电倍增管的光阴极上，由于光电效应会 击出光电子。光电子在光电倍增管内被倍增、加速，在阳极上形成电流脉冲输出。电流 脉冲的高度与射线的能量成正比，并且电流脉冲的个数与辐射源入射到晶体的光子数目 成正比，即与辐射源的活度成正比。 闪烁晶体和光电倍增管是探测器中最关键的部件，也是决定p e t 质量档次的最主要 因素。闪烁晶体的材料、体积、形状等对探测器的性能影响很大，对于任一种材料的闪 烁晶体总有一种最佳的体积或形状使得探测器的空间分辨率达到最优。因此，根据实际 情况，在选择探测器时一般从以下方面考虑【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 】： 射程：p e t 系统由于采用的是符合探测技术，系统的灵敏度与单个探测器灵敏度的 平方成正比。有效原子序数大且密度高的闪烁晶体材料有较高的阻止本领，这也就使得 5 1 i k e v 的y 光子在其内的射程短，光子被完全吸收的概率大。因此，探测器就能获得 较高的灵敏度和探测效率。阻止本领越高就可以更有效的阻止光子与相邻晶体发生作 用，从而可提高y 射线斜射时的空间分辨率。 光输出量：光输出量将直接影响着探测器的能量、时间及空间分辨率。闪烁晶体吸 收r 射线后，产生光子的数目越大，则探测y 射线作用的位置就越精确。其中能量分 辨率与1 成正比，时间分辨率与f 成正比，f 为衰减时间。 衰减时间：y 射线射入晶体后，并不是马上发射出全部的光子，其在单位时间内放 出的光子数是随着时间变化的。衰减时间将直接影响着探测器的时间分辨率和系统死时 间，衰减时间越短则时间分辨率越好，从而使得随机符合也将大大降低。 最后，闪烁体的发射光谱应尽可能好的与光电倍增管的光谱响应相配合。 二射线屏蔽装置( r a ys h i e l d i n gd e v i c e s ) p e t 系统射线屏蔽装置由两部分组成，一部分是在探测环外包有的一层厚厚的铅 板，其主要起屏蔽探测环外射线的作用；另一部分为放置在环与环之间可以自动伸缩的、 很薄的环状钨隔板( s e p t a ，厚度通常在i m m 左右) ，隔板的作用是屏蔽错环间符合事件 的发生，使得符合事件只发生在本环内或相邻环间，从而大大减少了散射符合计数。若 将隔板从显像视野中撤离，即为3 d 扫描，这时屏蔽作用将不存在，由此充分利用了探 测器环交叉符合数据，使得计数率明显增多 1 5 , 1 6 。 枣 i ， 咎 i 耋 0：。，l心， 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 三棒源( r o ds o u r s ) 棒源是将放射性锗( 6 8 g e ) 装在中空的小棒里，用来进行p e t 系统的透射扫描、 空白扫描以及p e t 扫描仪的日常质量控制。p o s i t r o n 公司p e t 扫描仪所配备的三个棒源 中，其中包括两个高活性源和一个低活性源。在不用的情况下，p e t 扫描仪会自动将其 收入到探测器环外的铅屏蔽容器内。 2 1 2 事件探测及处理系统 - 符合事件探测系统是负责采集从探测器传来的电子信号，通过能量甑别器辨别其能 量是否满足预先设定的能量阈值，从而确定是否属于有效的 ，光子信号，并将该有效y 光子的位置信息及能量信息一并送到符合事件处理系统。符合事件处理系统对所送来的 r 光子进行更精确的时间判别，以确定哪些y 光子是由同一个湮灭事件所发出的，同时 确定该事件发生的具体位置，并给以记录。这样就去除了大量的随机符合事件，选出了 真符合事件。然后将选出的真符合事件所命中的探测器点的位置坐标通过数据采集模块 传送到主控制台进行数据的存储和分析。 2 1 3 存储装置 存储装置主要由一些处理器组成，用于存放符合事件处理系统传过来的光子信号， 并在工作站指令下通过校正重建将其转化为图像。 2 1 4 操作和分析工作站 操作和分析工作站可以通过人机对话模式对扫描仪、显像床及存储装置等设备进行 控制，并能进行数据的采集、校正、重建处理等，同时还对重建后的图像进行重新切层、 三维图像显示、图像分析以及定量计算等。 结合上述的分析，p e t 显像系统正常工作时各功能模块之间的连接关系可以形象地 表示为如下框图，如图2 2 所示。 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 图2 2 各功能模块的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o no f e a c hf u n c t i o nm o d u l e 2 2p e t 显像原理 p e t 是利用同位素示踪原理来进行临床诊断和科研工作的，所用的示踪剂为从回旋 加速器中产生的带有正电子发射体的放射性核素，如：c 、”d 、1 8 f 等短半衰期同位 素。通过向人体中注射带有正电子同位素标记的放射性核素，这些核素在衰变过程中会 发生质子、中子间的相互转化，在转化的过程中发射出一个正电子。同时正电子在衰 变核中携带有一定的能量，这样，具有一定动能的正电子在体内组织中飞行相当短的距 离( 一般在l - - 3 m m ) 后立即与组织周围的负电子相互结合，发射出能量相同( 分别为 。；，i节 0 k l 一鼍墨掌9 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 5 1l k e v ) 、方向相反的两个y 光子，这个过程称作湮灭辐射。p e t 扫描仪就是利用r 光 子对的直线性和同时性来进行符合探测的。如果这对y 光子在同一个时间窗内被两个探 测器探测到，便会得到一个符合定时脉冲信号，计算机对这个符合脉冲信号进行甑别、 分析，并经数据采集系统处理后，将有用的符合事件的位置、能量、时间等方面的信息 记录下来，由符合电路发送到计算机分析系统进行数据的校正和重建。这种利用正电子 湮灭辐射的特点和两个相对探测器输出脉冲的符合来确定闪烁事件位置的方法称为湮 灭符合探测，也称作电子准直探澳l j l 2 , 1 7 , 1 8 1 ，如图2 3 所示。这样所探测到的一对符合事件 一定是发生在两个探测器之间的连线上，这条连线称为符合响应线( al i n eo f r e s p o n s e ， l o r ) 【2 】。由于人体内各组织间以及病灶间对用同位素标记的化合物的亲和力不同，同 位素在人体中各个部位的浓聚程度也有不同。这样，发生湮灭反应所产生的y 光子的强 度也不同，因此根据标记化合物的分布就可以获得人体的生理、病理和新陈代谢的功能 图像。 j - 一。 图2 3 湮灭符合探测 f i g 2 3a n n i h i l a t ec o i n c i d e n c e sd e t e c t i o n 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 2 3p e t 扫描方式 2 3 1 事件的种类 1 9 , 2 0 , 2 1 】 在p e t 的数据采集过程中，只有在规定的时间窗内同时被两个互成1 8 0 0 的探测器探 测到的一对j ，光子才能成为一个符合事件。符合事件可以包括如图2 4 所示的几种情况： 1 ) 真符合事件，即在规定的时间内p e t 扫描系统中只有一对探测器探测到来自于 同一次湮灭事件所发出的两个j ，光子，并且这对y 光子在到达探测器之前未受到任何形 式的干扰和衰减。 2 ) 随机符合事件，即在规定的时间窗或分辨时间内，一对探测器所探测到的并不 是由同一次湮灭事件所发出的两个y 光子。在给定的时间窗内，探测器探测到随机符合 事件的概率可用下式来表示： 心c = 2 r 置恐 ( 2 - 1 ) 其中，r 。r 为发生随机符合事件的概率，冠和心分别为两个探测器探测到单个，光 子的概率，f 为符合分辨时间。也就是说，在单个响应线( l o r ) 上随机事件发生的概 率与该响应线上所对应的两个探测器所探测到y 光子的概率成正比。假如探测器环上每 ： 个探测器探测到y 光子的概率相同，则可认为在p e t 视野中探测到随机事件的概率与单 个探测器探测到y 光子概率的平方成正比。通常情况下，探测事件中约有1 0 5 5 的 事件都属于随机符合事件：由此可见，随机符合事件是p e t 扫描系统中主要的噪声来源 之一。同时，随机符合事件的数量与待检测物体的体积、衰减特性以及探测器的几何构 造有关。因此，要想提高图像的质量可以通过缩短符合分辨时间或改变探测器的几何形 状来实现，但符合分辨时间在一定程度上受晶体性能的制约。 3 ) 散射符合事件，即光子与体内物质的电子发生作用，使得电子获得一定能量的 同时，光子自身的能量和方向也发生了变化，发生作用后的r 光子也有可能在规定的时 间内进入探测器，并与其它在同一个符合时间内进入的r 光子形成符合事件。 4 ) 多符合事件，在系统设定的时间范围内，有多于两个探测器同时探测到y 光子。 对这种情况下符合事件的确定可以是：1 ) 事件不被确认，也就相当于是一个无效事件； 2 ) 由系统任选其中两个探测器的连线作为响应线；3 ) 将在该时间内所有参与探测的探 ，。 测器连线都作为响应线。由于发生这种符合事件的概率特别小，同时也为了尽可能的减i 少假符合事件的影响，在模拟过程中我们通常采用对该事件不以确认的方式来处理。 争 东北大学硕士学位论文第二章p e t 系统分析 c o i n c i d c r l c c s c o m c i d c n s 图2 4p e t 符合事件的类型 f i g 2 4t y p e so fc o i n c i d e n c e si np e t 2 3 2 扫描方式 2 2 , 2 3 】 p e t 采集方式一般有两种：二维( 2 d ) 和三维( 3 d ) 采集，如图2 5 所示。2 d 采集指的 是在探测