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浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 摘要 功能分子影像学，是利用目前临床上广泛应用的医学影像技术，在分子水平上对 生命体内部生理和病理过程进行无损伤实时成像的一门交叉学科，功能分子影像技术 能够反映出生命体的功能性结构，具有传统影像成像手段所不具有的无创伤、实时、 活体、特异、精细等优点。作为功能分子影像技术的杰出代表，正电子发射断层成像 ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 技术，具备在疾病的功能、代谢改变等早期阶 段发现异常的能力，对于疾病的诊断及生理功能的研究都具有至关重要的意义。 本文着眼于功能分子影像领域，以p e t 技术作为基础，进行了与正电子成像技术 相关的一系列研究和尝试，论文主要贡献如下： 一、在国内首次采用大面积平面面板位置灵敏型光电倍增管( f l a tp a n e lp o s i t i o n s e n s i t i v ep h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，f p p s p m t ) ，构建了新型t 射线探测器，并对探测器 的性能进行了测试与评价。通过实验测得的探测器固有空间分辨率达到2 ，0 m m 半高宽 ( f u l lw i d t hh a l f m a x i m u m ，f w h i v l ) ，位置和能量分辨本领优良，空间线性度有显著 提高。 二、利用新型y 射线探测器，构建了平面正电子成像系统( p l a n a rp o s i t r o ni m a g i n s y s t e m , p p i s ) ，对系统的各项性能进行了测试与评价。该系统具有良好的空间分辨率 和系统灵敏度，在小动物的成像研究中亦显示出良好的性能。 三、利用新型y 射线探测器，构建了双探测器符合断层成像系统( d u a l h e a d t o m o g r a p h yw i t hc o i n c i d e n c e ，d h t c ) ，完成了从串列数据模式向正弦图( s i n o g r a m ) 的格式转换工作，并进行了初步的三维成像尝试。 关键词：正电子成像，平面面板位置灵敏型光电倍增管，y 射线探测器，平面正电子 成像，双探测器符合断层成像 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t a b s t r a c t f u n c t i o n a lm o l e c u l a ri m a g i n gi st h em e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g yt h a tp r o v i d e sf u n c t i o n a l i n f o r m a t i o no fp h y s i o l o g i c a la c t i v i t yb yd i s p l a y i n gt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no f r a d i o i s o t o p el a b e l e dc h e m i c a lc o m p o u n d so rb i o l o g i c a lm o l e c u l a rw h i c hp r e - i n j e c t e di n t o t h eh u m a nb o d yb e f o r ei m a g i n gp r o c e s s a st y p i c a lf u n c t i o n a lm o l e c u l a ri m a g i n g m o d a l i t i e 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 dh a sr e c e n t l yr e c e i v e dm u c ha t t e n a t i o ni n o n e o l o g y ，b r a i na n dn e u r os c i e n c e ，d r u gd e v e l o p m e n ta n dm e t a b o l i ca c t i v i t yr e s e a r c h s e v e r a ln o v e ls t r a g e f i e sh a v e b e e np r o p o s e di nt h i st h i st h e s i s ： f i r s t l y ，ah i 曲p e r f o r m a n c ep o s i t r o nd e t e c t o rs y s t e mw i t ht h ef l a tp a n lp o s i t i o ns e n s i t i v e p h o t o m u k i p l i e rt u b e ( f p p s - p m t ) i sa p p l i e df o rt h ei m a g i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r md e s i g n t h es p a t i a lr e s o l u t i o no ft h ed e t e c t o rw a se v a l u a t e db ym e a s u r i n gt h ed e t e c t o rr e s p o n s e f u n c t i o n s ( d r f s ) f o re a c hb g os e g m e n t t h ea v e r a g ef w h m v a l u e so ft h ed r f sa l e 2 0 m m t h ec r y s t a la n de n e r g yi d e n t i f i c a t i o na b i l i t i e sp e r f o r mw e l l ，a n dt h es p a t i a ll i n e a r i t y i si m p r o v e de v i d e n t l y a p l a n a rp o s i t r o ni m a g i n gs y s t e m ( p p i s ) t h e ni se s t a b l i s h e dw i t ht h en e wp o s i t r o n d e t e c t o r g o o ds p a t i a lr e s o l u t i o na n ds y s t e ms e n s i t i v i t ya l ea c h i e v e d t h i ss y s t e ma l s o p e r f o r m sw e l li nt h ea p p l i c a t i o no f t h es m a l la n i m a li m a g i n g f i n a l l y , t h et h e s i sa l s oe x t e n d st h ep p i st oad u a l - h e a dt o m o g r a p h yw i t hc o i n c i d e n c e ( d h t c ) s y s t e m b a s e do ns y n e t h t i z i n gs i n o g r a mf i o mt h el i s t - m o d ed a t a , t h ei n i t i a l3 - d i m a g i n gr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：p o s i t r o ni m a g i n g ，f p - p s - p m t , tm yd e t e c t o r , p p i s ，d h t c i i 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 第一章绪论 1 1 引言 近几十年来，在医学影像学飞速发展的同时，分子生物学研究亦突飞猛进，但是， 分子生物学与临床医学之间一直缺乏相互连接的“桥梁”。而分子影像技术可将两者有 机地连接在一起，这就是分子影像技术的优势所在。传统的影像诊断显示的是一些分 子改变的最终效应，而分子影像学则可以探查疾病过程中的分子异常。分子影像不仅 可以提高临床诊治疾病的水平，更重要的是有望在分子水平发现疾病，真正地达到早 期诊断，因此，分子影像学的巨大潜力和不断发展将对现代和未来医学模式产生革命 性的影响【1 】。 功能分子影像学，利用目前临床上广泛应用的医学影像技术对生命体内部生理和 病理过程在分子水平上进行的无损伤实时成像，反映出生命体的功能信息【2 4 】。功能 分子影像学的研究，主要有以下几个方面应用：疾病早期发现，及时干预 5 7 】；及时、 实时反映疗效【8 1 2 】；促进药物研制和开发 1 3 1 6 】；基因功能分析及治疗【1 7 - 2 5 】。 传统的影像学技术，如计算机x 线断层成像( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 和核磁 共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 依靠其物理学和组织生理学的改变来发 现疾病，对疾病进行定性分析。分子影像学建立在这些成像技术和其他一些成像技术， 如核医学技术和光学成像技术的基础上，旨在发现分子水平或细胞水平的异常。目前 最为常用的分子影像学技术有：正电子成像技术，特别是平面正电子成像技术和正电 子发射断层成像( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y , p e t ) 技术的分子显像研究：m r i 技 术，包括普通的m r 和m r 波谱成像( m rs p e c t r o s c o p y ，m r s ) 等；光学成像技术( 以 近红外线光学体层成像技术的研究为代表) 【2 6 】。 1 2 正电子成像技术研究 正电子成像技术，是一种用放射性核素示踪的方法，以解剖结构方式显示生物体 内生化和代谢信息的影像技术，是核技术与医学相结合的产物。与传统的核医学方法 和其他影像技术相比，正电子成像技术主要优点有：通过符合探测，不需要准直器， 计数效率明显提高；得益于计数效率和探测方式的进步，空间分辨能力较强；高能t 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 射线穿透力强，符合探测有助于克服衰减，可以保证定量分析的准确；平面、三维多 种成像方法并行，灵活多变；多种参数、多种方式、多种放射药物的灵活性组合，具 有很强的发展潜力；用生理性核素示踪，是目前唯一可以在活体分子水平完成生物学 显示的影像技术。因此，正电子成像技术是临床诊断与科学研究的重要工具。如今的 正电子成像技术在脑科学研究、治疗心血管系统、神经系统和恶性肿瘤上取得了长足 进展。 随着正电子成像技术的发展，临床应用与科学研究的分工日益细致明确，正电子 成像系统也逐步被划分为两个大类：平面正电子成像系统( p l a n a rp o s i t r o ni m a g i n g s y s t e m ，p p i s ) 和p e t 系统。p p i s 成像速度快，灵敏度高，具有高通量、实时成像的 能力，适用于小动物的药物示踪、新药药效研究、植物成分测定等；而p e t 系统采用 三维探测技术，反映生物体的立体信息，适用于临床疾病的研究和诊治。 1 3 研究现状与科学问题 1 3 1 正电子成像技术研究现状 正电子成像技术包涵的因素有很多，光电转换技术是其中较为重要的一个方面。 传统光电倍增管( p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，p m t ) 是目前仍被广泛应用的光电转换器件。 由于其量子效率低，增益稳定性较差，难于做成很小灵敏面积并且价格昂贵。近些年 来，位置灵敏型光电倍增管( p o s i t i o ns e n s i t i v ep m t ，p s p m t ) 和金属通道倍增极p m t 等一些较新的光电转换器件不断被研发和改进，并逐渐被应用于改善正电子成像系统 的性能及降低造价。但是，p s p m t 的固有结构决定了其本征缺陷，如灵敏面积周围有 很大的死区且光阴极灵敏度均匀性较差。一种具备较优性能参数的光电倍增管是由 h a m a m a t s u 开发的金属封装及倍增极有特殊结构的小型p m t 系列( r 5 6 0 0 系列) ，其上 升时间和渡越时间分散度都小于l n s ，增益为3 x 1 0 5 ( 输入高压为8 0 0 v ) 。用此种p m t 与闪烁晶体配用，可构成有较高分辨率的正电子成像系统。 目前已有的平面正电子成像系统中，技术较为成熟、性能较为领先的应该是日本 滨松光子学株式会社在2 0 0 3 年开发研制的一种紧凑型平面正电子成像系统。该系统使 用h m a m a t s ur 8 5 2 0 0 0 c 1 2 型p s p m t , 由相对的两个探测器组成，每个探测器由4 x 6 个探测器单元构成。其中每个探测器单元是由1 0 x t 0 的锗酸铋( b h g e 3 0 1 2 ，b g o ) 晶 体阵列和p s p m t 组成。该成像系统的有效视野为1 2 1 m m x l 8 7 m m ，空间分辨率为1 6 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 2 i m m ，灵敏度为1 0 7 e p s & b q m l 。 美国西弗吉尼亚大学先进成像中心于2 0 0 3 年开发研制了基于双探测器的乳腺断 层成像系统，并应用于乳腺癌的检测。该系统采用h a m a m a t s ur 7 6 0 0 c 8 位置灵敏型 光电倍增管，空间分辨率平均值在5 r n m 左右。 此外，我国台湾省核能研究所在2 0 0 2 年研发完成一套具有2 7 3 m m 空间分辨率的 正电子成像系统。该系统具有四个探测器，使用h a m a m a t s ur 3 9 4 1 位置灵敏型光电培 增管，成像视野为5 0 4 m i n x 4 4 8 m m ，具有平面成像及三维断层两种成像功能。 1 3 2 正电子成像技术的科学问题 尽管正电子成像技术具有很多优势，但它同样存在着许多问题，从不同方面制约 了正电子成像技术的发展。主要有以下两个方面： 1 、物理因素繁多，投影数据格式复杂 以p e t 系统为例，其成像原理为：放射性核素发生正电子衰变产生正电子，正电 子与电子发生湮灭反应而形成t 光子对，经生物组织衰减后，被光子探测器捕获进行符 合计数，从而得到记录光子对空间位置信息的投影数据。 由于光子计数的过程受到来自生物组织本身、光予到达探测器几何概率、计数方 法及带来的噪声等诸多物理因素的影响，在数据采集过程中或投影数据使用过程中需 要对数据进行必要的校正，经过校正投影数据应用重建算法进行重建后，可以得到放 射性核素浓度分布，即为p e t 图像。 若假设生物组织中放射性浓度分布及衰减系数分布可由x 及”表示，系统固有性能 ( 如探铡器效率、灵敏度、死时间特性等) 可由0 表示，则光子计数的系统响应表示为 关于0 及衰减“的概率矩阵函数g ( e ) 。若将投影数据生成过程及数据采集中校正过程表 示为算子a ，最终得到的投影数据表示为y ，则p e t 系统成像的数学模型可表示为： a ( x ，g ( ，曰) ，目) = y( 1 1 ) 图像重建就是基于投影数据y ，来求解生物体内放射性浓度分布的过程。 由于p e t 成像系统响应的概率矩阵函数g 受到复杂物理因素0 ( 包括探测器性能、 衰减、散射、系统计数率特性，死时间带来的计数损失以及扫插过程中生物体与探测 器的具体位置等) 影响，很难通过精确建模得到确切的数学表述。同时，无论国内或 国外，p e t 系统均属于大型贵重医学成像平台，在其使用环境中对系统成像的研究仅 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 限于利用现有系统获得的投影数据，因而能够取得的进展及开展的范围都受到很大的 限制。而且，由于各公司产品具体数据格式各不相同，原始数据本身具有很大的复杂 性，为重建研究带来了巨大困难。 2 、成本高昂，难以普及使用 在过去的一段时期，影响正电子技术应用的主要障碍就是经费问题。仍以p e t 技 术为例，p e t 设备费、检查费与维修费都不低，一台新型p e t 设备的成交价一般在二百 万美元左右同时，配套的加速器和化学装置需要相似的费用。此外，建筑、水电和 每年维修、消耗的花费也不菲。因此，一次p e t 检查的费用约在9 ，0 0 0 元人民币左右。 而且，国家医疗保险也不愿承担p e t 的检查费用 2 7 1 。 p e t 技术成本高昂，主要是因为其数以百计的晶体探测器。为了获得3 6 0 0 的全方 位数据，p e t 设备的探测器部分被设计成圆环状。以浙江大学医学院第二附属医院医 学p e t 中心的h a m a m a t s us h r 2 2 0 0 0 型p e t 设备为例，其b g o 晶体探测器共有9 6 个模 块，每个模块上有8 个探测器单元，分别配备一个4 x 8 的b g o 晶体阵列，共计7 6 8 个b g o 晶体阵列，其数量可想而知，成本高昂在所难免。 所以，尽管正电子成像技术拥有种种优势，但是其费用问题使其在大范围内的广 泛推广成为难题。这个问题的妥善解决，才是正电子成像技术生命力延续的重中之重。 1 4 本文的主要贡献 本文以正电子成像技术为切入点，以p e t 技术作为基础，对正电子成像系统和成 像方法进行深入研究。 我们开发的新一代正电子成像系统，基于最新型的平面面板位置灵敏型光电倍增 管( f l a t p a n e l p s p m t ，f p p s p m t ) ，不仅可用于构建新一代平面正电子成像系统， 还可用于断层成像系统重建平台的研究，很好的解决了上述正电子成像技术的问题， 对图像重建工作的开展，以及正电子成像技术的广泛应用具有较大的贡献。 本文的主要贡献如下： 1 4 1 构建新型丫射线探测器 本文深入探讨了国内外正电子成像技术的研究现状，分析了常见正电子成像系统， 特别是p m t 的应用领域和优缺点：在国内首次采用大面积f p p s ，p m t ，构建了新型t 4 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 射线探测器。分析了该探测器的优势与不足，并对探测器的性能进行了测试与评价。 1 4 2 构建平i l i i , - r ：电_ 子成像系统 本文利用新型t 射线探测器，构建了平面正电子成像系统，分析了原始数据结构， 提出了平面成像的符合算法。并对重建图像的校正方法进行了研究：研发了平砸成像 软件和成像位移平台，达到了统一控制：分析了平面成像系统各方面的优势与不足， 并对系统的各项性能进行了测试与评价；通过将该系统应用于对点源、线源以及小鼠 的静态和动态戍像，分析了该系统的成像性能以及戏像结果的优劣。 1 4 3 构建双探测器符合断层成像系统 本文利用新型 射线探测器，构建了d h t c 系统。完成了从串列数据模式向正弦 图的格式转换的算法设计；搭建了断层成像自动化平台；对点源进行了初步的三维成 像尝试。 1 5 论文组织 第一章为绪论。 第二章具体介绍基于新型f p - p s p m t 的探测器的工作原理及具体的性能测试的 方法和结果。 第三章具体介绍使用了上述新型探测器的正电子成像系统在平面快速符合成像方 面的应用，介绍了其成像原理、系统结构、成像算法、系统性能测试的方法和结果， 以及各种成像的初步结果。 第四章具体介绍使用了上述新型探测器的正电子成像系统在p e t 三维成像方面 的应用，介绍了其成像原理、系统结构、数据格式转换的算法，以及图像重建的初步 结果。 第五章总结本论文中所述系统的各种性能，并提出今后研究的方向。 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 第二章新型7 射线探测器研究 2 1 背景及相关工作 2 1 1 背景 癌症是当前困扰人类的首要致命疾病，其中尤以乳腺癌为人类常见的恶性肿瘤之 一。在美国，每9 名妇女中就有1 入意有乳腺疾病：在我国，乳腺癌的发病率也呈直 线上升趋势，据统计，在过去的2 5 年，我国乳腺癌患病人群增长了5 1 。早期检出 并及时治疗是提高乳腺癌患病人群生存率的关键。乳腺癌的早期检测一直是医学检测 技术研究的热点。如今用于乳腺癌检测的手段主要有：超声成像、x 射线乳腺机等等。 超声波检查费用低廉，但是对于残余癌和化疗后的纤维组织难以区分。x 射线检测是 目前国际上通行的乳腺癌检测手段，x 射线上的微4 、钙化是发现早期乳腺癌的重要方 法，但缺点是x 射线所反应的仅仅是乳腺组织的密度p s i ，而且对于致密性乳腺。会 得到假阴性的结果。 p e t 技术是将放射性同位素作为示踪物质，直接注入生物体，然后在体外从不同 角度完成采集和测量生物体内的放射性信息分布，利用现代计算机技术完成图像重建 的三维成像技术。9 0 年代以来，把p e t 技术应用于研究或诊断乳腺的生理功能( 通常 称为p o s i t r o ne m i s s i o nm a m m o g r a p h y , p e m ) ，取得了空前成功 2 8 ，3 1 1 。与前面提到的 检测方法相比，p e m 技术的误诊率是最低的，其优势在于标记化合物能直接参与乳腺 组织新陈代谢，获得的是乳腺的高分辨率的实时动态功能图像，从而为利用更广泛领 域内的技术进行乳腺癌研究提供了可能。 为了得到高的灵敏度，获得高空问、时间分辨辜的正电子探测器是p e m 技术的最 大挑战。大多数的p e m 探测器采用紧凑型无机闪烁晶体阵列与光电探测器相耦台的形 式【3 2 】，故光电信号转换器件在p e m 探测器中起着非常重要的作用。近2 0 年来，p s p m t 得到了迅速的发展【3 3 。本文使用一种新型的p s p m t f p p s f m i ，与传统的 p s p m t 相比，f p p s - p m t 具有较大的开放面积和较高的有效探测面积，从而大大提高 了p e m 系统的分辨率 3 4 1 。 6 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 2 1 2 相关研究工作以及存在的问题 随着光电倍增管制造技术的发展，新型f p p s p m t 已经从最初的实验阶段开始被 用于用新型探测器研究，从而使面向正电子成像系统应用的新型探测器开发从使用普 通p s - p m t 的d o i ( d e p t ho f i n t e r a c t i o n ) 阶段进入使用新型f p p s p m t 的高性能探测 器 3 4 】与d o i 探测器【3 5 】阶段。同时，在此基础上，用新型探测器构建高性能的正电 子成像系统，是目前新一代正电子成像开发的主要方向之- - 3 6 ，3 7 】。 虽然传统p m t 是目前仍被广泛应用的光电转换器件。但它们量子效率低( 2 0 2 5 ) ，增益稳定性较差，难于做成很小灵敏面积( 最小尺寸是1 c m 左右) 而且价格昂 贵。在近些年，一些较新的光电转换器件被研制和试用，希望来改善p e t 性能及降低 造价。如p s p m t 和金属通道倍增极p m t 等。 一些研究人员采用p s p m t 研制了用于检测胸部肿瘤代谢率和诊断胸部癌症的专 用p e t 。此种p e t 包含了两个探测器，每一个探测器是由2 m m x 2 m m x 2 0 m mb g o 晶体 条阵列和一个r 3 9 4 1 0 5 型p s p m t 所组成，它的空间分辨小于2 m m ，而造价只用了5 万 美元。此外，有的研究人员提出一个由2 m m x 2 m m 3 0 m m 铝酸钇( y a p ) 晶体条阵列 和p s - p m t ( r 2 4 8 6 - 0 6 ) 构成的器件。它不但有很高的空间分辨( 1 2 r a m ) ，也有非常 好的定时分辨( 2 n s ) 。但不足的是p s ，p m t 的固有结构决定了其灵敏面积周围有很大 的死区，同时光阴极灵敏度均匀性较差。这都给区分有效的光电作用、康普顿散射以 及噪声信号增加了难度。使它难以在多环探测器中被采用。相比之下，小型专用正电 子成像系统中这种缺陷造成负面影响较小。 此外，有人认为金属通道倍增极p m t 是有希望用于正电子成像系统的光电探测器 件，此种器件是传统p m t 的改进型。它是h a m a m a t s u 开发的，金属壳封装及倍增极 有特殊结构的小型p m t 系列( r 5 6 0 0 系列) ，它的上升时阃和渡越时阃分散度都小于 i n s ，增益n 3 x 1 0 5 ( 输入高压为8 0 0 v ) 。现在有8 0 个通道的位置灵敏型p m t 产品( 各 象素面积为4 5 m i n x 4 5 m m ，象素间距5 5 m m ) 可供选用。用此种p m t 与闪烁晶体配用， 可构成有较高分辨率的正电子成像系统( 3 8 】。 浙江丈学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 2 2 基于额型f p p s - p m t 的探测器 2 2 1 闪烁晶体和光电倍增管 我们设计的探测器的闪烁晶体阵列采用2 0 x 2 0b g o 晶体阵列，如图2 1 ( 左) 所示。 单个晶体尺寸为2 m m x 2 m m x 2 0n l l n ，与f p p s p m t 耦合面相对的入射端窗处理为磨砂 粗面，其余各端面均抛光，晶体间用厚度为0 2 m m 的特氟纶( t e f l o n ) 层相隔。 f p p s p m t 的型号为r 8 4 0 0 0 0 一m 2 5 6 ，其外观如图2 1 ( 右) 所示，该p s p m t 具有 1 6 x 1 6 阳极阵列，共2 5 6 通道，阵列间隔为3 0 4 m m 。较大的开放面积和较高的有效探测 面积率是该新型p s p m t 的一大特点：其开放面积5 2 0 m m x 5 2 0 咖，碱金属光电阴极 有效面积为4 9 0 m i n x 4 9 0 蚴，有效探涮面积率六q ：q 0 。 图2 1 左：2 0 x 2 0 的b g o 晶体阵列，单个晶体尺寸为2 m m x 2 m m x 2 0 咖； 右：2 5 6 通j , 勘q m a m a t s ur 8 4 0 0 - 0 0 - m 2 5 6 型f p - p s - p m t 2 2 2 新型探测器的工作原理 新型探测器的前置电路通常由电阻串( r e s i s t o r c h a i n ) ，前置放大器( p r e - a m p ) ， 高压分压电路( h v d i v i d e r ) 以及直流供电电路构成。f p p s p m t 的电阻串通常采用 如图2 - 2 的紧凑方式【3 4 】，在探测过程中，闪烁晶体将入射的t 光子转化为可见光并沿晶 体柱到达光电倍增管光电面，激发光电子。光电子由光电倍增管倍增级放大后，到达 阳极，其形成的电流经过电阻串分流，最终形成和接收位置相关的四组信号( a ，b ， c ，d ) 输出，经过前置放大后，可用于进行位置、时间以及能量判断。【3 4 ，3 7 】 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 1 虱2 - 2f p - p s p m t 电阻串示意图 2 2 3 新型探测器的电子学系统 电阻串输出的四路信号经探测器模块内前置放大电路放大后，由探测器模块输出， 传入求和放大器。经求和运算得到关于位置以及时阔与能量甄别所需的x + ，x ，y + ， y ，d y 信号输出，并传入位置电路( p o s i t i o n a n a l y z e r , p a ) 。 x + = b + d x - = = a 4 c y + = a + b y = c + d d y = a + b + c + b ( 2 1 ) 在位置电路中，d y 信号经快速放大器放大后，送入恒比甄别嚣( c o n s t a n t f r a c t i o n d i s c r i m i n a t o r 。c f d ) 触发时间信号。每一事件的位置信号经由下式得出后，通过模 数转换器( a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 转换与编码，转化为相应的地址数据。 x = ( x + - - x - ) d y y = + 一y 一) d y ( 2 2 ) 同时，d y 信号经前置放大后，经过能量选择电路，处于设定能量窗口内的事件，其位 置和时间信号被送入符合电路，进行符合计数判断。 符合电路对来自两探测器对应位置电路的信号进行符合判断与延迟符合判断，并 记录符合事件或延迟符合事件对应的地址信息，生成3 2 位串列模式( l i s t 。m o d e ) 数据， 传送给主控计算机进行处理。 2 3 探测器性能测试方法及结果 对于正电子探测器而言，其主要的性能包括：探测器对位置信号的解析能力，能 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 量分辨能力，固有空间分辨率以及空间线性度等。本节中，我们给出对上节中描述的 正电子探测器进行测试的方法及结果。 2 3 1 晶体分辨能力 为测试探测器的晶体分辨能力，我们使用2 2 n a 点源产生5 1 1 k e v 的y 射线，在距探测 器的晶体表面1 0 c m 左右处均匀照射，生成的位置信号经位置电路转换为地址编码，通 过位黄电路与计算机的接口电路传入计算机，并利用采集程序生成对应各地址位置计 数值的直方图，我们称之为位置图谱( p o s i t i o nm a p ) 。 图2 3 为探测器性能的测试装置。f p p s p m t 的交叉平面阳极在x 、y 方向上都 与电阻网络链接，输出信号( x + ，x - ，y + ，y - ) 分别被整形放大【3 7 】。f p p s p m t 的倍 增极信号经过c f d 甄别后，门电路产生一个宽度适当的门控信号给模数转换器a d c 开门，a d c 的作用是把输入的模拟信号转换为1 2 位的数字信号，计算机通过通用接 口总线( g e n e r a l p i p o s ei n t e r f a c eb u s ，g p i b ) 采集数据。 号 图2 - 3 探测器系统性能测试装置 图2 - 4 就是用5 1i k e v 的t 射线均匀照射探测器获得的闪烁图像，图中的每一个光斑 代表一个b g o 晶体。可以看出，晶体的闪烁图像能充分分离，表明该探测器的晶体位 置的锯析能力良好。 0 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 图2 - 4 新型正电子探测器位置图谱 图2 5 是晶体阵列第十列单元( 如陲q 2 - 4 箭头所示) 的闪烁图像的峰值轮廓曲线 谷峰比值特性非常好。边缘晶体的分辨性能略有下降。 藏 - 缸 白 2 3 2 能量分辨率 品体跑离( n ) 图2 5 第1 0 ，l j 晶体计数分布曲线 把二维位置图谱的区域与每个单元对应生成位置区域映射表，每个探测器单元的 能量谱线就可以通过把其相应区域的f p p s p m t 的四个输出位置信号( x + ，x - ，y + ，y - ) 的能量相加而获得。阵列的第十列单元( 如图2 4 箭头所示) 的能量谱线显示在图2 - 6 中( 每隔两个单元显示一个单元) 。能量分辨率定义为峰值响应的半高度处的全宽度 值与峰值幅度的比值。通过计算，该阵列的能量分辨率数值在1 9 2 6 之间，平均 能量分辨率为2 3 。 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 0 通道通道通道 图2 6 选定单元的能量谱线 由于信号的能谱对应于测量的脉冲幅值，因而，通过晶体块各晶体单元对应区域 测得峰值在谱线中的位置，即对应的通道数，可以得到各区域对应的增益特性。该增 益定义为每一个晶体单元能谱峰值位置的归一化通道数。如图2 7 中柱状图所示。 图2 7 与晶体位置相对应的增益特性归一化柱状图 粕柏如踟加0加蛐加加 糍 牛鬟 琴i 巾皋 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 2 3 3 空间分辨率 圈2 8d r f 测量实验图 探测器的空间分辨率可由探测器响应函数( d e t e c t o rr e s p o n s ef u n c t i o n ，d r f ) 表 征。d r f 可由图2 8 所示的实验测量系统进行测定。实验中使用一个狭小的准直线辐射 源，以0 2 5 r a m 的步进速度扫描通过整个探测器。对于闪烁晶体f p p s p m t 组成的探测 器，辐射源位于探测器正前方约1 0 e m 处。准直线辐射源的构建采用两个宽5 e m ，厚1 0 e r a 的铅块，形成0 5 m m 的狭缝，使用2 z n a 点源透过狭缝照射探测器。实验测得沿探测器 晶体阵列第7 行的d r f 曲线如图2 9 。求得的探测器的空间分辨率的平均值为2 0 r a m 半 高宽( f i l l lw i d t hh a l f m a x i m u m , f w h m ) 。 巍 - ，o k 芸 品体趾离( 硼) 图2 9d r f 曲线 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 2 3 4 空间线性度 沿位置图谱的主对角线所测得的空间线性度，是通过比较获得的位置图谱中的晶 体分离的情况和已知设计时的晶体分离的情况来评价的。沿着主对角线来测量，是为 了通过一组数据就可以同时反映出x 和y 两个方向上的线性度情况。沿图2 - 4 的位置 图谱的主对角线所测量的晶体分离情况的曲线图如图2 1 0 所示。平均对角晶体距离为 2 8 8 m m ，最大偏差为o 5 7 r a m ，平均偏差为o 1 8 r a m 。由图可以看出，晶体间距不是一 个常量，应该取决于b g o 晶体位置与f p p s p m t 阳极阵列位置的相对关系。 e e 2 ：邕 星 8 g o 搞体编号 图2 - 1 0 沿图2 4 的位置图谱的主对角线所测量的晶体分离情况的曲线图 2 4 讨论 我们提出的基于新型f p - p s p m t 的探测器，有效探测面积大，很好的解决了传统 p s p m t 的死区问题，有效地降低了探测器的探测噪声。使用该新型探测器的p e t 系统， 可以将符合时间窗设置为小于1 5 n s ，可以有效地减少在高计数率场合下的随杌符合事 件。而传统p e t 系统的符合时间窗口通常设置为2 0 n s 。由于使用了新型f p p s p m t ， 该探测器的空间线性度也比同类探测器有了较大提高。同时，该探测器结构简单紧凑， 易于构造，成本低廉，可以很方便的应用于多种场合。 然而，通过我们所测得的位置图谱和能量图谱可以看出，该探测器在晶体边缘处 的位置分辨能力和能量分辨能力都有不同程度的下降，原因大致有两个方面。首先， f p - p s - p m i 靠近边缘处位置和能量解析能力下降，觚该型号p m t 的出厂试验成绩表【3 9 】 可以看出，其阳极均匀性在边缘处明显下降，对其位置和能量的解析能力都有较大的 羔鬯型量墅生兰型燮一一 垫壁坌王星堡! 窒：丛兰堕鏖堡型! ! ! 影响。第二，晶体边缘处与p s p m t 光电面耦合不良，尤其是四个角区域。这种现象与 耦合方法有关。为了尽量使晶体和p m t 均匀耦合，我们在耦合时，先将耦合介质硅脂 置于p m t 入射窗的中央处，然后将晶体耦合面从上向下缓慢压入，这一过程不可避免 会造成在晶体边缘和角落处硅脂的分布不均。 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 第三章平面正电子成像系统研究 3 1 背景及相关工作 3 1 1 平面正电子成像系统原理 囊手 图3 - 1 平面正电子成像原理示意图 平面正电子成像系统通过符合线与聚焦平面的交点确定发射源位置，从而得到放 射性浓度在聚焦平面上的分布，其原理如图3 1 所示。符合线投影到聚焦平面的象素点 上，由于晶体单元表面尺寸为2 m m 2 m m ，再考虑晶体单元之间0 2 m m 厚的t e f l o n 层， 得出聚焦平面上的象素点的尺寸为1 1 m m 1 1 m m 。对生成的平面图像，要进行符合线 投影密度的校正，以及探测器灵敏度的校正。 符合线的可接受符合角度是可以选择的，选择小的符合角度，可以提高成像系统 的空间分辨率，但是会降低系统的灵敏度。我们的成像系统设置了两种符合模式 宽符合和窄符合【4 0 。宽符合模式中，所有可能的符合角度产生的符合线都被采用， 此时，最大符合角度是由探测器的表面积所决定的；窄符合模式中，我们仅采用正对 晶体单元，以及与该单元相邻的8 个晶体单元所产生的符合线，此时的最大符合角度是 由成像软件设置的。 平面成像不受图像重建过程中噪声放大的影响，所以，即使数据采集的时间很短， 或者被采集物体的放射性剂量很低，平面图像都可以提供很好的信噪比。如果我们对 1 6 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 一个较厚物体进行平面成像，那么，聚焦平面之外的部分将被投影到聚焦平面之上， 成为模糊的影像，增加了平面图像的背景值。 3 1 2 相关研究情况 目前已有的平面正电子成像系统中，技术较为成熟、性能较为领先的应该是日本 滨松光子学株式会社在2 0 0 3 年开发研制的一种紧凑型平面正电子成像系统【4 0 】。该成 像系统由相对的两个探测器组成，每个探测器由4 x 6 的探测器单元构成。其中每个探 测器单元是由1 0 x 1 0 的b g o 晶体阵列和h a m a m a s t u r 8 5 2 0 0 0 c 1 2 型p s p m t 组成。 该成像系统的有效视野为1 2 1 m m x l 8 7 m m ，空间分辨率为1 6 2 1 m m ，灵敏度为 1 0 7 e p s k b q m l 。该系统目前已被用于动物体内新药药效研究，以及植物体内物质的动 态测量。 图3 - 2 日本n m a n l a l s u 平面正电子成像系统 图3 3 动物和植物的动态成像结果 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 3 2 基于新型f p p s - p m t 的p p i s 3 2 1 系统结构 本文构建的平面正电子成像系统的探测器由前述单个f p p s p m t 配以b g o 晶体阵 列构成。晶体阵列面积为4 4 m m x 4 4 m m ，成像视野为4 3 8 m m x 4 3 8 m m 的探测器，与电 子学系统、计算机及所需电源一并构成正电子平面成像系统，系统组成结构图如图3 4 所示，实物图如图3 5 所示。在实际情况下，两探测器间距( 实际为两探测器内部闪烁 晶体阵列外表面间距) 可依实验需要设定，其间设立样品固定用的平板，平板中心位 于两闪烁晶体表面间中心平面，即为该成像系统的聚焦平面。样品板可沿三维方向移 动，以实现对较大物体的扫描。 图3 4 平面正电子成像系统结构图 如上图所示，d l 、d 2 为两个新型t 射线探测器，分别由直流电源和高压电源供电。 电路架r a c k l 为位置和能量判断电路，用来计算t 光子入射到探测器表面的位置坐标， 同时计算入射t 光子的能量。与r a c k l 相连的电脑，可以分别生成两个探测器的位置图 谱和能量图谱，并对晶体进行相应的分割，以测量和调整探测器的性能。电路架r a c k 2 为符合判断电路，是将经过r a c k l 筛选的事件，进行符合和延迟符合判断，生成符合事 件的串列数据，通过数据接口将串列数据传送到主控计算机，主控计算机通过局域网 浙江大学硕士学位论文 功能分子影像研究：从平面成像到p e t 与用户终端相连。用户终端同时可以控制位移台。这样，操作人员可以通过用户终端 进彳亍扫描过程的相应控制和处理。 3 2 2 软件结构 图3 - 5 成像系统实物图 如图3 - 6 所示为我们开发的与该系统相应的软件系统，具有较为强大的功能，目 前主要有：串口通讯、扫描时间控制、位移台控制、扫描位移组合控制、平面图像重 建和实时显示、多图显示和保存以及计数曲线显示等。下一步，还将在图像校正与三 维图像重建方面进行迸一步的完善。 1 9 浙江大学硕士学位论文功能分子影像研究：从平面成像到p e t 糯雾囝慕匿 3 2 3 数据处理方法 i 嚣陲 l 平移k 灶利 旋转i 、j 用户终端 扫描控制 数据处理 图像显示 位移台控制 在上一章中我们提到，符合电路将符合事件以串列模式的数据格式传给主控计算 机，因此，该数据即为该系统成像的原始数据。掌握了该串列数据的格式，就可以将 平面图像重建出来。串列数据的单元格式如图3 7 所示。 l - 。1 j j m m x x xx xx xd 隧翳b l 墨1 鳓iii iii iii 瞄j j 重戳3j 置l 铡崩 囤3 7 串列模式数据格式 从图中可以看出，数据单元有3 2 个二进制位，其中前8 位为空置位，皆置为0 ：下 一位为延迟符合位，真符合时置为o ，随机符合时置